JPH0857753A - ダイヤモンドの加工方法および加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ダイヤモンドを各種の用途に応じた立体形状に
成形する加工に関し、活性水素の供給効率を高めて加工
の高速化を図ることを目的とする。 【構成】ダイヤモンド１１と加熱した浸炭材料からなる
工具５６とを、水素を含有する雰囲気中で摺動させるダ
イヤモンド加工に際して、水素を含むプラズマジェット
ＰＪを吹きつけることによって、工具５６を加熱すると
ともにダイヤモンド１１との摺動面Ｓｆに水素を供給す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ダイヤモンドを各種の
用途に応じた立体形状に成形するための加工方法及び加
工装置に関する。

【０００２】ダイヤモンドは、ビッカース硬度が１００
００であり、耐磨耗性と化学的安定性とに優れることか
ら、切削や研磨用の工具材料として各種の産業分野で広
く用いられている。また、熱伝導率が銅の４倍の２００
０Ｗ／ｍＫであり、広い波長範囲にわたって透光性に優
れるので、ヒートシンクや電気回路基板、及び光学材料
として好適である。さらにバンドギャップが５．４ｅＶ
であり、半導体としても利用し得るので、次世代の半導
体デバイス材料として注目されている。

【０００３】

【従来の技術】ダイヤモンドの合成方法として、熱フィ
ラメント法、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、及び燃焼炎
法などが知られている。また、本発明者らが提案したプ
ラズマジェットＣＶＤ法（特公平４−７７７１０号）に
よれば、他の方法による場合の数十倍以上の成膜速度で
ダイヤモンド層を成長させることができる。

【０００４】プラズマジェットＣＶＤ法は、アーク放電
により気体を加熱してプラズマ化する非移行型のプラズ
マトーチを用い、気体の炭素化合物をプラズマトーチ又
はそれから噴出するプラズマジェットに供給し、炭素を
含む高温高速のプラズマジェットを基板に衝突させて、
基板上にダイヤモンド層を成長させるものである。

【０００５】さて、合成したダイヤモンドを実際に使用
するには、ダイヤモンドが用途に適した形状（例えば直
方体や円盤状）でなければならない。しかし、上述の合
成方法では、基板上での結晶成長範囲の制御、及び厚さ
の均一化が困難であり、ダイヤモンドの外形がいびつに
なる。したがって、合成したダイヤモンドに対して、研
磨（表面の平坦化）や切断などの成形加工を施す必要が
ある。

【０００６】一般的なダイヤモンド加工としては、ダイ
ヤモンド砥石による研磨、及びレーザによる加工（切
削、切断）が挙げられるが、放電や電界を利用した研磨
も行われている。

【０００７】また、機械的研磨の数十倍の高速加工を実
現する加工方法として、熱化学反応による方法が知られ
ている。すなわち、鉄、コバルト、ニッケルなどの浸炭
材料からなる工具を１０００℃程度に加熱し、水素を含
有する雰囲気中でダイヤモンドと擦り合わせる。そうす
ると、浸炭現象によってダイヤモンドが表層から徐々に
消失する。その際、ダイヤモンドから離れた炭素が、工
具の加熱により活性化した水素と結合し、気体となって
雰囲気中に拡散することから、工具の炭素飽和状態が避
けられる。

【０００８】従来においては、このような熱化学反応を
利用して加工を行う場合、真空槽内に電熱ヒータを配置
して工具を加熱するとともに、水素を導入しながら排気
を行うことによって、浸炭を生じさせ且つ持続させてい
た。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、熱化学反応
を効率良く進行させるには、活性化した水素を工具の摺
動面に十分に供給する必要がある。しかし、従来では、
真空槽に導入した水素は槽内全体に拡散するので、摺動
面への水素の供給効率が低く、且つ加熱温度が１０００
℃程度であるので、水素の活性化の効率も低かった。そ
のため、被加工面が大きくなるにつれて、加工速度が著
しく低下するという問題があった。

【００１０】請求項１及び請求項２の発明は、この問題
に鑑みてなされたもので、活性水素の供給効率を高めて
加工の高速化を図ることを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の方法
は、上述の課題を解決するため、図１に示すように、ダ
イヤモンドと加熱した浸炭材料からなる工具とを、水素
を含有する雰囲気中で摺動させるダイヤモンド加工に際
して、水素を含むプラズマジェットを吹きつけることに
よって、前記工具を加熱するとともに前記ダイヤモンド
との摺動面に水素を供給する加工方法である。

【００１２】請求項２の発明の加工装置は、減圧用のチ
ャンバと、浸炭材料からなる加工用の工具と、被加工物
のダイヤモンドと前記工具とを前記チャンバ内で摺動さ
せる移動機構と、前記ダイヤモンドと前記工具との摺動
面に、水素を含むプラズマジェットを吹きつけるための
プラズマトーチとを備える。

【００１３】

【作用】数万℃のアーク放電によって生じるプラズマジ
ェット内では、大量の水素が活性化する。そして、活性
化した水素は、ジェット流によりダイヤモンドと工具と
の摺動面に強制的に供給される。このため、水素との結
合による炭素の遊離が活発になり、工具の浸炭性が維持
される。

【００１４】

【実施例】図１は本発明を適用したダイヤモンド合成加
工装置５の模式図、図２はダイヤモンド１１の一例を示
す斜視図、図３は工具５６の形状を示す平面図である。

【００１５】ダイヤモンド合成加工装置５は、減圧用の
チャンバ５０、真空ポンプ５１、プラズマトーチ５２、
支持台５３、水冷のホルダ５４、回転駆動機構５５、浸
炭性材料からなる加工用の工具５６、及びガス供給系５
７などから構成されており、プラズマジェットＣＶＤ法
によるダイヤモンド合成とその後の加工とに用いられ
る。

【００１６】プラズマトーチ５２は、カソード５２１と
ノズル状のアノード５２２とからなり、チャンバ５０の
上部に取付けられている。カソード５２１及びアノード
５２２は水冷構造であり、これらの間には直流電源５８
によりアーク放電のための電圧が印加される。アノード
５２２のノズル径は２ｍｍである。

【００１７】支持台５３は、チャンバ５０の下部に鉛直
方向（プラズマトーチ５２の軸方向）に移動可能に配置
され、ホルダ５４の上面に取付けられたダイヤモンド支
持体１０とプラズマトーチ５２との距離の調整に用いら
れる。また、支持台５３は、チャンバ５０の外部に設け
られた回転駆動機構５５によって、水平面に沿って回転
する。

【００１８】工具５６は、図示しないマニプレータによ
り、ダイヤモンド加工時には被加工物のダイヤモンド１
１と当接する加工位置（図１の位置）に回転不能に配置
され、ダイヤモンド合成時にはプラズマジェットＰＪの
流路の外側の退避位置に配置される。

【００１９】以上の構成のダイヤモンド合成加工装置５
においては、真空ポンプ５１によってチャンバ５０の内
部を所定の真空状態とし、プラズマトーチ５２のポート
から放電ガス（例えばアルゴンを混合した水素）を連続
的に供給する。放電ガスはアーク放電により熱プラズマ
となり、アノード５２２の先端の開口からプラズマジェ
ットＰＪとなって噴出する。

【００２０】ダイヤモンド１１を合成する場合には、放
電ガスとともにメタンなどの原料ガスがプラズマトーチ
５２に供給され、又はアノード５２２の先端に供給され
る。炭素を含むプラズマジェットＰＪがダイヤモンド支
持体１０に衝突し、ダイヤモンド支持体１０上でダイヤ
モンド１１が成長する。なお、気相成長中はチャンバ５
０内の残留ガスの排気が行われる。

【００２１】また、ダイヤモンド１１を加工する場合に
は、上述したように工具５６が加工位置に配置され、そ
の工具５６に向かってプラズマトーチ５２から水素を含
むプラズマジェットＰＪが噴出する。プラズマジェット
ＰＪによって、工具５６が加熱されるとともに、ダイヤ
モンド１１との当接面Ｓｆに活性状態の水素が絶え間な
く供給される。加工中は、支持台５３と一体にダイヤモ
ンド支持体１０が回転駆動され、ダイヤモンド１１と工
具５６とが摺動する。これにより、ダイヤモンド１１の
被加工面が均等に加工される。

【００２２】以下、ダイヤモンド１１の加工について、
研磨加工を例に挙げてさらに詳しく説明する。ここで例
示するダイヤモンド支持体１０は、ＩＣチップをテープ
キャリアにボンディングするための部材であり、図２の
ように外形が正方形の枠部１０Ａとそれを支持する脚部
１０Ｂとからなるモリブデンの成形体である。

【００２３】被加工物であるダイヤモンド１１は、プラ
ズマジェットＣＶＤ法によって、枠部１０Ａの上面に耐
磨耗材として設けられている。ダイヤモンド１１平面形
状は幅が１ｍｍの２０ｍｍ角の枠状であり、平均厚さは
約３００μｍである。

【００２４】加工開始前において、ダイヤモンド１１の
１辺の凹凸状態を触針表面粗さ計を用いて測定したとこ
ろ、ダイヤモンド１１の表面状態は約５０μｍＲｍａｘ
であった。

【００２５】工具５６としては、厚さが４ｍｍの５０ｍ
ｍ角の鉄板を用意した。なお、工具５６は、図３のよう
に中心から１辺の中央まで達する幅１ｍｍの切欠き溝５
６０を有する。この切欠き溝５６０によって、下面側に
プラズマジェットＰＪが回り込み、ダイヤモンド１１と
の摺動面に効率的に水素が供給される。

【００２６】〔加工条件〕ホルダ５４にダイヤモンド１
１を上側に向けてダイヤモンド支持体１０を固定すると
ともに、工具５６を加工位置に配置し、チャンバ５０の
内部を１０^-2Ｔｏｒｒ程度まで排気した。その後、ガス
供給系５５において、バルブ５７２によってメタンの供
給を停止した状態で、混合器５７１に水素（放電ガス）
を毎分２０リットルの流量で送り、アルゴン（放電安定
用ガス）を毎分３０リットルの流量で送り、２種のガス
を混合してプラズマトーチ５２に供給した。

【００２７】チャンバ５０の圧力を３０Ｔｏｒｒに保
ち、プラズマトーチ５２の電極間に１００Ｖの電圧を印
加して放電を開始させた。このとき、放電電流は１０Ａ
であった。また、支持台５３を移動させてダイヤモンド
１１とともに工具５６をプラズマトーチ５２に近づけ、
加工面付近の表面温度が約９００℃になる位置に工具５
６を配置した。このとき、工具５６の上面とプラズマト
ーチ５２との距離はほぼ５０ｍｍであった。なお、工具
５６の温度測定には、赤外放射温度計を用いた。

【００２８】そして、回転駆動機構５５によってダイヤ
モンド１１を１０ｒｐｍの速度で回転させ、そのまま延
べ５０時間の研磨加工を行った。その結果、ダイヤモン
ド１１の表面を平坦面（０．００３２μｍＲａ，０．０
２４１μｍＲｍａｘ）にすることができた。つまり、加
工面積が約７６ｍｍ² の研磨において１μｍ／ｈの研磨
速度が得られた。

【００２９】上述の実施例によれば、従来の電熱ヒータ
による加熱と違って、ダイヤモンド１１の被加工面の近
辺のみが局部的に加熱されるので、ダイヤモンド１１の
材質に対する加熱の影響を最小限に抑えることができ
る。また、ダイヤモンド１１の合成と加工とを連続的に
行うことができるので、所定形状のダイヤモンド体を量
産性を高めることができる。

【００３０】上述の実施例において、工具５６に代えて
図４のようなプロペラ型の工具５６Ｂを用いてもよい。
プロペラ型であれば、回転自在に設けることにより、プ
ラズマジェットＰＪによって工具５６Ｂを回転させて、
工具５６Ｂの各フィンと支持体１０上のダイヤモンド１
１（固定）とを摺動させることができる。したがって、
チャンバ５０の外部のモータなどの駆動手段を省略でき
るとともに、チャンバ５０の外から内へ駆動力を伝達す
る必要がないことから、チャンバ５０の気密が容易にな
る。なお、工具５６Ｂを用いる場合には、工具５６Ｂの
それ自体及び軸支機構が、請求項２の発明における移動
機構に対応する。

【００３１】上述の実施例においては、研磨を例示した
が、切断、穿孔などの他の種々の加工に本発明を適用す
ることができる。工具５６の形状及び材質は用途に応じ
て選定すればよい。

【００３２】

【発明の効果】請求項１及び請求項２の発明によれば、
活性水素の供給効率を高めて加工の高速化を図ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用したダイヤモンド合成加工装置の
模式図である。

【図２】ダイヤモンドの一例を示す斜視図である。

【図３】工具の形状を示す平面図である。

【図４】工具の他の例を示す斜視図である。

【符号の説明】

５ ダイヤモンド合成加工装置（ダイヤモンド加工装
置） １１ ダイヤモンド ５０ チャンバ ５２ プラズマトーチ ５５ 回転駆動機構（移動機構） ５６，５６Ｂ 工具 ＰＪ プラズマジェット Ｓｆ 当接面（摺動面）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 明石 忍 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ダイヤモンドと加熱した浸炭材料からなる
   工具とを、水素を含有する雰囲気中で摺動させるダイヤ
   モンドの加工方法であって、 水素を含むプラズマジェットを吹きつけることによっ
   て、前記工具を加熱するとともに前記ダイヤモンドとの
   摺動面に水素を供給することを特徴とするダイヤモンド
   の加工方法。
2. 【請求項２】減圧用のチャンバと、 浸炭材料からなる加工用の工具と、 被加工物のダイヤモンドと前記工具とを前記チャンバ内
   で摺動させる移動機構と、 前記ダイヤモンドと前記工具との摺動面に、水素を含む
   プラズマジェットを吹きつけるためのプラズマトーチ
   と、 を備えたことを特徴とするダイヤモンド加工装置。