JPS63256596A - ダイヤモンドの気相合成法 - 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、マイクロ波を使用したプラズマを利用した化
学気相析出法によるダイヤモンドの気相合成法に関する
。

［従来の技術］ ダイヤモンドは共有結合物質の代表的なものであり、硬
度が高いので切削、研摩剤として、また光学的に優れた
性質を有するため宝石、装飾品および光学用材料として
使用され、ボロン等を固溶したダイヤモンドは半導体と
しての特性を示すので電子材料として、また熱伝導も良
いのでヒートシンク材として、その他生学的耐性を有す
るため化学工業の材料等広く使用、利用されうる。

従来ダイヤモンドの製造法としては、黒鉛等の炭素粉末
を超高温高圧下で処理する方法が行なわれているが、高
価な装置を必要とし、その操業も困難であるため高価と
なる欠点がある。

これに代わり前記のような超高温高圧装置を使用せず、
炭化水素からダイヤモンドを製造する方法が開発され、
たとえば放電中の高エネルギーを持った電子を利用して
、炭化水素の化学結合を解き放すと同時に励起状態の炭
素原子を生成し、基板にダイヤモンドを析出させるプラ
ズマ法が知られている。この従来のプラズマ法では、炭
化水素プラズマまたはアルゴンプラズマが使用されてい
た。

［発明が解決しようとする問題点］ この方法によると、得られるダイヤモンドは非晶質であ
るか、またはダイヤモンドに近い結晶構造のものである
が、完全なダイヤモンド結晶構造のものは得られなかっ
たり、黒鉛になる等の欠点を持ったものであった。また
生成するダイヤモンドの結晶性を制御することができな
い欠点もあった。そして完全なダイヤモンドを気相から
得たとされる従来技術においては、たとえば特公昭６１
−３３２０公報に見られるように、炭素源として炭化水
素のみを使用するため成長速度も非常に遅いという欠点
を持っていた。

本発明の目的は、従来のプラズマ法の欠点をなくし、生
成するダイヤモンドの結晶性を制御することおよび成長
速度を増大させることにある。

［問題点を解決するための手段１ 本発明者は、プラズマの化学反応性について研究の結果
、有機化合物からダイヤモンドが生成する反応において
、メチル基に帰因する種が形核、形成および成長に重要
な働きをすることを見出した。同時に析出すると考えら
れる黒鉛類似およびダイヤモンド類似の析出物は、炭素
と反応するガスがエツチング的に除去し、さらにプラズ
マ自体が発光しているため、光が生成反応に有効な働き
をしていることを見出した。

基板温度も析出ダイヤモンドに対して重要な働きをする
。ことを見出した。

また有機化合物を炭素源として希釈ガスとプラズマ中の
気相反応させると、生成するダイヤモンドの結晶性が容
易に制御し得られ、反応析出部の基板温度、プラズマ状
態、ガス流量、ガス混合比、ガス圧等の条件をｔＪＪｔ
ｌＥすることにより、非晶質から完全な結晶構造を持つ
ダイヤモンドを合成し得ること、粒子状ダイヤモンド。

多結晶質膜状および層状成長ダイヤモンドを合成し得る
ことを見出した。これらの知見に基づいて本発明を完成
したものである。

本発明の要旨は、炭素源としてメチル基を有する有機化
合物を使用し、希釈ガスとして水素。

窒素、酸素、水蒸気および不活性ガスの一種または二種
以上を使用し、プラズマを発生させ、プラズマ中または
プラズマ外に基板を設置して、基板温度を３００〜１５
００℃の温度範囲で加熱し、基板表面に気相反応からダ
イヤモンドを析出させることを特徴とするダイヤモンド
の気相からの合成法にある。

本発明における炭素源としての有機化合物とは、炭化水
素類、アルコール類、ケトン類、アルデヒド類、エステ
ル類、エーテル類、芳香族類等天然および合成可能な有
機化合物であり、メチル基を有し種々の方法により蒸気
として、プラズマ中に供給可能なものであれば全てダイ
ヤモンドの気相合成の炭素源となり得る。

希釈ガスとしては水素を使用することが可能であり、有
機化合物の混合比は５０ｖｏ　１％以下であることが好
ましい。

基板湿度は、基板がプラズマ中にある場合はマイクロ波
、プラズマ等の影響により加熱され、プラズマ外にある
場合は外部ヒーター等により基板温度を制御する、ダイ
ヤモンドは３００℃から１５００℃の範囲で生成可能で
ある。３００℃未満では生成速度が遅くなる傾向にあり
、１５００℃を越えるとグラファイト等の生成もしくは
基板のカーバイド化の進行が促進される傾向にあるので
、この温度範囲に設定することが好ましい。

［実施例１］ 本発明に使用した合成装置の概略図を第１図に示す。基
板１はマイクロ波導波管内部もしくは電気炉によって加
熱可能な部分に設置した。

炭素源としてアセトン、臭化メチレン、メタノール、メ
チルアルデヒド、酢酸、ジメチルエーテル、トルエンを
使用し、希釈ガスとして水素ガスを使用して、基板１に
シリコンウェハーを使用し、基板位置は導波管６内部お
よび電気炉５内部に設置した。石英放電管２内部を１Ｏ
−４Ｔｏｒｒ以下に排気した後、炭素源濃度１ｖ０１％
、圧力１０Ｔｏｒｒ、混合ガス流ｇＪ　７０ｍ１／ｍｉ
ｎ、放電電力２００Ｗとして一時間の析出を行なった。

この場合の両基板温度は約８００℃であった。走査型電
子類（２２鏡による観察結果、両軍板表面上に粒子状の
析出物が認められた。また析出時間を工時間とすると、
多結品質膜状の析出物が認められた。Ｘ線回折法および
ラマン分光法による析出物の分析結果、析出物はダイヤ
モンドであると同定できた。成長速度は、メタンを炭素
源とした場合粒子径において約１ｍ／ｈｒ程度であった
が、本実施例におけるアセトン等を炭素源とした場合に
おいては２ｇ／ｈｒ以上であった。

［実施例２］ 実施例１と同じ装置を使用し、炭素源としてアセトンを
使用し、希釈ガスとして水素ガス。

窒素ガス、酸素ガス、アンモニアガス、水蒸気を使用し
て、実施例１と同じ条件下で一時間の成膜を行なった。

両基板温度は約８００℃であった。走査型電子顕微鏡に
よる観察結果、両軍板表面上に粒子状の析出物が認めら
れた。また析出時間を工時間とすると、多結晶質膜状の
析出物が認められた。Ｘ線回折法およびラマン分光法に
よる析出物の分析結果、析出物はダイヤモンドであると
同定できた。

［実施例３〕 実施例１と同じ装置を使用し、希釈ガスとしてアルゴン
、クリプトン、キセノン、ラドンガスを使用し、実施例
１と同じ条件下で成膜を行なった。一時間の成膜後、走
査型電子顕微鏡による観察の結果、両軍板表面上に粒子
状、多結晶質膜状および層状成長析出物が認められた。

電子回折法およびラマン分光法による分析の結果、粒子
状、多結晶質膜状および層状成長析出物はダイヤモンド
であると同定された。成長速度は２虜／ｈｒ以上であっ
た。

［実施例４］ 実施例１と同じ装置を使用し、希釈ガスとして水素およ
びＲ１ガス（Ｒ１：酸素、水蒸気、アンモニア、窒素）
の二種混合ガスを使用、炭素源としてアセトンを使用し
て、炭素源濃度１ｖｏＬ％　。

水素９５ｖｏ１％、Ｂ素４■０１％として、圧力１０Ｔ
ｏｒｒ。

混合ガス流！７０ｍ１／ｍｉｎ、放電電力２００Ｗの条
件で、基板位置を導波管内部および電気炉内部の同位置
に置いて、基板温度約８００℃で析出物を得た。走査型
電子顕微鏡による観察の結果、両軍板表面上に粒子状お
よび多結晶質膜状析出物が認められた。析出物はＸ線回
折法およびラマン分光法によりダイヤモンドであると同
定された。ダイヤモンドの成長速度は５ｍ／ｈｒ以上で
あった。

［実施例５］ 実施例１と同じ装置を使用し、希釈ガスとして水素およ
びＲ２ガス（Ｒ２：アルゴン、クリプトン、キセノン、
ラドン）の二種混合ガスを使用し、炭素源としてアセト
ンを使用して、炭素源濃度１ｖｏ１％、水素９５ｖｏ　
１％、アルゴンガス４ｖｏ１％として、圧力１０Ｔｏｒ
ｒ、混合ガス流ｆｆｉ　７０ｍ１／ｎ＋ｉｎ。

放電電力２００Ｗの条件で、基板位置を導波管内部およ
び電気炉内部の同位置に置いて、基板温度約８００℃で
析出物を得た。走査型電子顕微鏡による観察の結果、両
軍板表面上に粒子状、多結晶質膜状および層状成長析出
物が認められた。

析出物はＸ線回折法およびラマン分光法によりダイヤモ
ンドであると同定された。ダイヤモンドの成長速度は５
ｍ／ｈｒ以上であった。

［発明の効果］ 本発明は、有機化合物をプラズマを使用して気相中で分
解させ、基板表面上にダイヤモンドを析出させる気相か
らのダイヤモンド合成にあり、基板材の材質、形、大き
さ等にかかわらず立体的にダイヤモンドをコーティング
することを可能にした。工業的には種々の工具、装飾品
への立体的な面へのコーティングを可能にする。

従来技術においては、炭素源として炭化水素のみを使用
していたものを、本発明は有様化合物一般にまで広範囲
なものとして使用することができた。また成長速度も、
炭化水素を使用した場合より数倍以上速くすることを可
能とした。

工業的なダイヤモンド工具、装飾品等へのコーティング
を考えた場合炭素源を選ばないこと、すなわち気相合成
において炭素源を制御を必要とせず、容易に合成可能に
することができる。

また成長速度を速くすることが可能であり、コスト的、
すなわち炭素源のコストおよびランニングコスト等にお
いて数分の−に低下させることを可能にした。

本発明における気相からのダイヤモンド合成法は、ダイ
ヤモンド工具、窓材の保護膜および窓材、装飾品へのコ
ーティング、たとえば化学耐性、光学的な材料として、
時計ケース、メガネフレームおよびレンズ等へのコムテ
ィング。

振動板へのコーティングおよび単独ダイヤモンド娠動板
、電子材料として半導体ダイヤモンド等の実現化を可能
にする。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明を実施するための合成装置の概略図。 １：基板　　　　　　　　２；放雷管 ３：ガス供給系　　　　　４：真空排気系５：電気炉　
　　　　　　６；導波管 ７；マグネトロン 特許出願人　並木精密宝石株式会社 松本　修

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）マイクロ波によりプラズマを発生させ、プラズマ
   中またはプラズマ外に基板を設置して、マイクロ波、プ
   ラズマもしくはヒーターにより基板を３００〜１５００
   ℃の温度範囲で加熱し、有機化合物をプラズマを使用し
   て、気相中で分解させダイヤモンドを析出させる方法に
   おいて、炭素源として有機化合物を使用し、炭素との反
   応性ガスあるいは／および不活性ガスにより基板表面に
   ダイヤモンドを析出させることを特徴とするダイヤモン
   ドの気相合成法。
2. （２）有機化合物としてメチル基を有する特許請求の範
   囲第（１）項記載のダイヤモンドの気相合成法。
3. （３）炭素との反応性ガスとして水素、窒素、酸素、水
   蒸気の一種または二種以上の希釈ガスを使用することを
   特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載のダイヤモン
   ドの気相合成法。