JPS62256795A - ダイヤモンド膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はダイヤモンド膜の製造方法に関し、より詳細に
は、核発生密度を高め、高速にダイヤモンド膜を成長さ
せ得るダイヤモンド膜の製造方法に関する。

〔従来技術〕

近年、ダイヤモンドは高価な装置を利用して超高圧、超
高温下で合成されるようになったが、他方、高硬度並び
に耐摩耗性に優れた切削部材や耐摩耗部材など、更に広
範な用途に答えると共に、効率的にダイヤモンドを合成
するために化学気相合成法が研究されている。

この化学気相成性は、炭素含有ガスと水素との混合ガス
を反応槽内に導入し、電子線照射、高周波、マイクロ波
等によりプラズマを発生させて炭素含有ガスを、活性状
態にしてプラズマを発生させて加熱された基板上にダイ
ヤモンドを析出させる方法である。

このような気相成長法によって、平滑な基板表面にダイ
ヤモンド膜が生成される過程としては、初期において基
体表面に微細なダイヤモンド核が島状に発生し、その核
を中心にダイヤモンドが成長し、隣接する核同志が重な
り合って、最終的にダイヤモンド膜が形成される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の膜生成では、初期における核発生に際し、時間を
要し、しかも発生した核の密度が小さく、不均一なため
に膜状に成長する段階で膜の厚みが不均一となり易く、
緻密な膜が得難いため、膜強度が低く、切削工具等に用
いた場合、寿命が短い等の問題があった。

〔発明の目的〕

本発明は前述の問題点を解消することを目的とするもの
で、詳細には初期の核発生を短時間で且つ高密度に発生
させ、それによってダイヤモンドの成長速度を速め、均
一で緻密なダイヤモンド膜を得るための製造方法を提供
することを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段点〕

本発明によれば、ダイヤモンド膜の製造工程を核生成工
程と膜生成工程に分けるとともに、前記核生成工程にお
ける水素ガスに対する炭素含有ガスの比率が膜生成工程
よりも大となる条件で製造することによって上記目的が
達成される。

以下、本発明を詳述する。

ダイヤモンドの気相合成法における基板表面での反応殿
構は■原料ガスの分解、■ｓｐ’結晶の凍結、■ｓｐ’
結晶以外の除去の３つの反応から成ると考えられる。高
純度の高品質のダイヤモンド膜を形成させるためには上
記の反応のうち、■ＳＰ３結品の活量、即ち、エツチン
グ反応を強くする必要がある。しかし、エツチング反応
が強いと初期におけるダイヤモンドの核の生成率、およ
び核の残存率は極端に低下し、基板表面をダイヤモンド
膜で占有するまでに長時間を要することになる。

その理由としである一定の成膜条件で、終始膜生成を行
う場合、基板表面に当初から核剤の存在する場所では、
■乃至■の反応によってダイヤモンドが生成されるが、
まったく核剤が存在しない場所では、ＳＰ３結晶以外ま
たは臨界サイズ以下の核は生成されても■のエツチング
反応により生成、消滅が繰り返されるだけで新たな核の
発生が非常に困難となり、結果としてダイヤモンド膜が
生成され難くなる。

そこで、本発明によれば、炭素含有ガスと水素ガスとの
混合ガスを５００乃至１３００°Ｃに加熱した基板表面
に導入して、基板上に核を均一に且つ高密度で生成させ
る核生成工程と、生成した核から高品質のダイヤモンド
を成長させ、ダイヤモンド膜を生成させる膜生成工程の
２つの条件の異なる工程に分けることが重要である。核
生成工程における核発生効率を高める条件としては、前
述した見解から、核発生条件が■の炭素含有ガスの分解
速度と■のエツチング速度によって決定されることから
、（炭素含有ガス／水素ガス）混合比を高品質のダイヤ
モンドを生成させる膜生成工程における混合比よりも大
きくなるように設定し、■の分解量を■のエツチング速
度よりも上回るように設定する。それにより、核発生効
率は十分に高められ、核発生速度も向上する。この条件
にて基板上に層を成す如く均一に核を生成させる。生成
された核には、ｓｐ２結合構造のもの、ｓｐ’結合構造
のもの等が複合体として含まれる。

次に膜生成工程では、ｓｐ’結合以外の核は■のエツチ
ング反応によって消滅し、純粋なダイヤモンドのみが成
長し、最終的にダイヤモンド膜が形成される。

本発明において用いられる炭素含有ガスとしては、Ｃ１
１４，Ｃｚｌｈ　Ｃ２Ｈ４，Ｃ３１１６等の炭素水素、
Ｃ２Ｈ５０ＩＩ。

ＣＩｈ０１１等のアルコール、Ｃ１ｈＣＨＯ，Ｃｚｆｌ
ｓＣ）１０等のアルデヒド、（ＣＩｌ＋）ｚｃｏ等のケ
トン、Ｃｌｌ：＋０ＣＨｚ等のエーテルが用いられる。

また、本発明の膜生成工程における（炭素含有ガス／水
素ガス）混合比率は用いる炭素含有ガスによって異なる
が、流速比でおよそ０．００５乃至０゜５、特に０．０
１乃至０．３が好ましく、核発生工程における混合比率
は上記の範囲内で設定される混合比率よりも０．０２乃
至０．１大きい混合比が望ましい。

本発明における製造方法によれば、核生成工程、膜生成
工程を行う前に、前処理として、基板表面の洗浄を目的
としてＡｒ等の不活性ガスを導入し、プラズマを発生さ
せ、洗浄することが望ましい。

本発明を以下の例で説明する。

実施例として反応槽に基体としてシリコンを設置し、基
体温度９００　’Ｃ、マイクロ波出力３５０Ｗ、内部圧
カフ、５にＰａの条件下で計ガスを１０分間導入して基
板表面のプラズマ洗浄を行った。その後、核生成工程と
してＣ１１４ガスを５ｃｃ／ｍｉｎ　、ＩＩ□ガスを１
００ｃｃ／ｍｉｎの流速で導入して１０分間核生成を行
った。

次にＣＨ，ガスを３ｃｃ／ｍｉｎ　％　＋１２ガスを１
００ｃｃ／ｍｉｎの流速に変更して、５時間反応を行い
ダイヤモンド膜を形成した。

また比較例１として、核生成工程を除く以外はまったく
同し条件で反応を行った。

これら２つの実験例での反応時間に対する基板表面のダ
イヤモンド占有率、および膜厚を測定し、これらの関係
を第１図（零発１１ＪＪ）、第２図（比較例）に示した
。

第１図から明らかなように、核生成工程を設けた本発明
の方法よれば、掻めて短時間で基板表面の全域に亘り、
ダイヤモンド膜が生成され、５時間経過後、約２５μｍ
の均質なダイヤモンド膜が生成でき、成長速度約５μｍ
　／ｈｒが達成できた。

一方、第２図に示すように終始生成工程のみで行った結
果によれば、基板表面での核発生効率が極めて悪く、占
有率−反応時間との関係では緩やかな曲線を措き、５時
間経過後も占有率１００χには至らなかった。しかも、
５時間後の膜厚は約１０μｍであって、成長速度約２μ
ｍ／ｈｒＬが達成されなかった。また膜質もダイヤモン
ドの結晶粒子が島状に分散し、不均一なダイヤモンド膜
が生成された。

さらに比較例２として実施例における核発生工程の条件
のまま、５時間反応を行ったところ、はぼ第１図と同様
の曲線を描いたが膜質がダイヤモンド８０χ、グラファ
イト２０χと膜質が悪いものであった。

このような結果から、本発明の製造方法が、核発生効率
を高め、ダイヤモンド膜の成長速度を高めるのに極めて
有効的であることが認識された。

〔発明の効果〕

本発明のダイヤモンド膜の製造方法によれば、ダイヤモ
ンド膜の生成工程を核生成工程と膜生成工程に分け、核
生成工程における水素ガスに対する炭素含有ガスの比率
を膜生成工程の比率よりも大となるように設定すること
によって、初期における核発生効率を極めて高めること
が可能となり、それによってダイヤモンド膜の成長速度
を高めることが可能となる。しかもダイヤモンド膜の改
質も均質で、高純度のものが得られる。

本発明のダイヤモンド膜の製造方法は、量産比が求めら
れるダイヤモンド被覆切削工具をはじめ、ヒークシンク
用基板材料等あらゆる分野に適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のダイヤモンド膜の製造方法における反
応時間に対する基板表面のダイヤモンド占有率および膜
厚との関係を示す図、第２図は従来の製造方法における
反応時間に対する基板表面のダイヤモンド占有率および
膜厚との関係を示す図である。 特許出願人　京　セ　ラ　株　式　会　社Ｊ−ｃＬ　　
ぼ　合ト８

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 炭素含有ガスと水素ガスとの混合ガスを５００乃至１３
   ００℃に加熱した基板表面に導入して、該基板上にダイ
   ヤモンドを含む核を生成させる核生成工程と、該核から
   ダイヤモンドを成長させダイヤモンド膜を生成させる膜
   生成工程から成るダイヤモンド膜の製造方法であって、
   前記核生成工程における水素ガスに対する炭素含有ガス
   の比率が前記膜生成工程における比率よりも大であるこ
   とを特徴とするダイヤモンド膜の製造方法。