JPS62119B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、気相合成法にてダイヤモンドを粒
状あるいは膜状に析出せしめる方法に関するもの
である。 ダイヤモンドは、現存する物質の中で最も硬
く、かつ熱伝導性および電気絶縁性にもすぐれた
材料であることから、工業的に有用な材料とし
て、その使用分野は広範囲にわたつている。 また、ダイヤモンドには、天然に産出するもの
のほかに、超高圧合成装置を用い、超高圧発生容
器内に黒鉛粉末を触媒と共に入れ、温度：1600℃
以上、圧力：60Kb以上の高温高圧下で反応さ
せ、黒鉛をダイヤモンドに相変態させることによ
つて製造された人工ダイヤモンドがある。この人
工ダイヤモンドは、原料粉末の粒度や反応時間を
制御することにより種々の粒度のものが得られる
が、装置自体が大型となるばかりでなく、１回の
生産量にも限界があるため、生産性の点で問題が
あり、どうしてもコスト高となるのをまぬがれる
ことができない。このほか、ダイヤモンドの合成
法には、火薬の爆発による衝撃力を利用して、黒
鉛をダイヤモンドに変換する方法があるが、この
方法によつて製造された人工ダイヤモンドは、前
記の超高圧合成法により製造されたものに比して
多少安価ではあるが、結晶性が完全なものを得る
ことが困難であり、したがつて特性上問題がある
ものである。 そこで、本発明者等は、上述のような観点か
ら、大型のプレス装置などを用いることなく、か
つ結晶性の完全な人工ダイヤモンドを高い生産性
で、コスト安く製造すべく研究を行なつた結果、
ダイヤモンドが析出される基体として、金属、サ
ーメツト、あるいはセラミツクからなる基体部材
の表面に、周期律表の４ａ，５ａ、および６ａ族
の金属、並びにSiおよびAlの炭化物、窒化物、炭
窒化物、炭酸窒化物、硼化物、硼炭化物、および
硼窒化物、さらにＢの炭化物および窒化物のうち
の１種の単層または２種以上の複層からなる被覆
層を形成してなる表面被覆部材を用い、気相合成
法にて、前記表面被覆部材の表面から0.5〜３cm
離れた位置に、Ｗ，Ta，Mo、あるいは黒鉛から
なるフイラメントを位置させた状態で、CH₄とH₂
との容量割合、すなわちCH₄／H₂を0.001〜0.05
に調整した混合反応ガスを前記フイラメントを通
過して前記表面被覆部材の表面に当るように流し
ながら、表面被覆部材の表面温度：500〜1200
℃、およびフイラメントの温度：1800〜2500℃の
条件で反応を行なわしめると、前記表面被覆部材
の表面に、結晶性が完全なダイヤモンドが粒状あ
るいは膜状に形成されるようになるという知見を
得たのである。 なお、この発明の方法において、上記の表面被
覆部材の表面とフイラメントとの距離が0.5〜３
cmの範囲内において比較的小さい場合に、ダイヤ
モンドの析出核の密度が高くなり、この析出核が
横に密に並ぶため膜状となり、一方前記の離間距
離が大きくなると粒状となるのである。また、上
記の被覆層は、ダイヤモンド核の析出を促進させ
るものであり、したがつて、この被覆層が存在し
ない場合には、ダイヤモンドの析出はきわめて少
なく、所望のダイヤモンド核の析出、およびその
成長をはかることはできないものである。 つぎに、この発明の方法において、製造条件を
上記の通りに限定した理由を説明する。 (a) フイラメントの温度 フイラメントはメタン（CH₄）を分解すると
同時に、この結果形成されたＣとH₂とを活性
化し、ダイヤモンド形成に寄与するものと考え
られるが、その温度が1800℃未満では反応ガス
の活性化が十分に行なわれず、一方その温度が
2500℃を越えると熱輻射が大きくなりすぎ、い
ずれの場合もダイヤモンドの形成が不十分とな
ることから、フイラメント温度を1800〜2500℃
と定めた。 (b) 表面被覆部材の表面温度 この表面温度は、フイラメントからの輻射熱
と部材自体の加熱温度により決まるが、この表
面温度が500℃未満ではダイヤモンドの析出速
度が遅く、一方1200℃を越えた表面温度ではダ
イヤモンドの析出が行なわれないことから、そ
の表面温度を500〜1200℃と定めた。 (c) 混合反応ガスにおけるCH₄／H₂の割合 この割合が0.001未満では、ダイヤモンドの
生成速度が著しく遅く、一方この割合が0.05を
越えると、ダイヤモンド中に黒鉛が混在するよ
うになることからCH₄／H₂の割合を0.001〜
0.05と定めた。 (d) 表面被覆部材の表面とフイラメント間の距離 この距離が0.5cm未満になると、フイラメン
トの輻射熱により部材の表面温度が1200℃を越
えて高くなりすぎ、ダイヤモンドの析出が行な
われないようになり、一方この距離が３cmを越
えて大きくなると、ダイヤモンド核の形成密度
が急激に低下するようになることから、その距
離を0.5〜３cmと定めた。 また、この発明の方法を実施するに際して、反
応雰囲気は、ピラニー式真空計で５〜100torrの
範囲内の圧力（この圧力はダイヤフラム式真空計
で測定した場合の0.1〜10torrに相当、以下圧力
はピラニー式真空計で測定した圧力で示す）の真
空雰囲気とするのが好ましく、これは5torr未満
の圧力ではダイヤモンドの析出速度がきわめて遅
く、一方100torrを越えた圧力にすると黒鉛が混
在するようになるという理由によるものである。
さらに、上記の被覆層は、基体部材に応じて、通
常の化学蒸着法、物理蒸着法、溶融塩電着法、お
よび溶射法などの方法を用いて形成することがで
きる。 なお、この発明の方法によつて合成されたダイ
ヤモンドは、不可避不純物としてフイラメント構
成成分であるＷ，Mo，あるいはTaなどを１〜10
原子％の範囲で含有する場合があるが、この程度
の不純物含有量はダイヤモンド特性に何らの悪影
響も及ぼすものではない。 つぎに、この発明の方法を実施例により具体的
に説明する。 実施例 それぞれ第１表に示される成分組成を有し、か
つ10mm□×厚さ：２mmの寸法をもつた基体部材を
用意し、この基体部材の表面に、同じく第１表に
示される被覆層形成法、すなわち化学蒸着法
（CVDで示す）、物理蒸着法の１種であるマグネ
トロンスパツタリング法（PVD−MSで示す）、
溶融塩浸漬法（MSDで示す）、およびプラズマ溶
射法（PSで示す）のいずれかを用い、通常の条
件で同じく第１表に示される材質および平均層厚
の被覆層を形成し、ついで、このようにして調製
した表面被覆部材の表面に、同じく第１表に示さ
れる条件で、ダイヤモンド形成のための気相合成
反応を施すことによつて、本発明法１〜13および
比較法１〜７をそれぞれ実施し、実施後、その表
面に形成された合成ダイヤモンドの平均層厚を測
定すると共に、その状態を観察した。これらの結
果を第１表に合せて示した。 なお、比較法１〜７は、いずれもダイヤモンド
形成のための気相合成条件がこの発明の範囲から
外れた条件（第１表に※印を付した条件がこの発
明の範囲から外れた条件である）で実施したもの

【表】

【表】 である。 第１表に示される結果から、本発明法１〜13に
おいては、いずれも良好な状態でダイヤモンドが
合成されるのに対して、比較法１〜７において
は、いずれの場合も満足するダイヤモンド合成は
行なわれないことが明らかである。 なお、本発明法１〜13によつて合成されたダイ
ヤモンドは、いずれも天然ダイヤモンドと同等の
硬さと電気抵抗を示すものであつた。 上述のように、この発明の方法によれば、大型
の装置を用いることなく、かつ生産性の高い状態
で、結晶性の完全な人工ダイヤモンドを、表面被
覆部材の表面に粒状あるいは膜状の形で合成する
ことができ、したがつて、ダイヤモンドを粒状に
合成した場合には、これを部材表面から機械的に
かき落して粉末状とし、砥石や研摩材、あるいは
粉末冶金用原料粉末などとして用いることがで
き、また、膜状に形成する場合には、基体部材
を、耐摩耗性や耐候性が要求される各種の工具部
材、あるいは熱伝導性や電気絶縁性が要求される
ICやLSIなどとしてもよく、さらに絶縁膜や、
Ｂ，Ｐ，およびAlなどの成分とのドープと合せ
て半導体膜などとしての用途にも適用することが
できるなど工業上有用な効果がもたらされるので
ある。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 金属、サーメツト、あるいはセラミツクから
   なる基体部材の表面に、周期律表の４ａ，５ａ、
   および６ａ族の金属、並びにSiおよびAlの炭化
   物、窒化物、炭窒化物、炭酸窒化物、硼化物、硼
   炭化物、および硼窒化物、さらにＢの炭化物およ
   び窒化物のうちの１種の単層または２種以上の複
   層からなる被覆層を形成してなる表面被覆部材を
   反応炉に装入し、前記表面被覆部材の表面と、
   Ｗ，Ta，Mo、あるいは黒鉛からなるフイラメン
   トとの間隔を0.5〜３cmに保持した状態で、
   CH₄／H₂の割合を0.001〜0.05の範囲内に調整し
   た混合反応ガスを反応炉内に流しながら、表面被
   覆部材の表面温度：500〜1200℃、およびフイラ
   メント温度：1800〜2500℃の条件で気相合成反応
   を行なわしめることにより前記表面被覆部材の表
   面にダイヤモンドを粒状あるいは膜状に析出せし
   めることを特徴とするダイヤモンドの気相合成
   法。