JPS6335495A - 高効率ダイヤモンド気相合成装置 - 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１ミクロンドリル、エンドミルなどの穴あけ工
具を含めた切削工具部品、ドツトピン、スリッター、ガ
ラス切断刃などの耐摩耗工具部品、該融合炉の炉壁に代
表される原子炉用部品、各種素子用のヒートシンク、ポ
ロン、リンなどをドープしたダイヤモンド半導体又はス
ピーカーの振動板などのエレクトロニクス部品並びにカ
メラ、時計などの精密機械部品等を作製するのに利用で
きる高効率ダイヤモンド気相合成袋ごに関するものであ
る。

（従来の技術） 気相からダイヤモンドを合成するための装ことしては、
スパッタ法を利用した装置、イオンブレーティング法を
利用した装置、蒸着法とイオン注入法を組合わせた装置
、マイクロ波又は高周波によるプラズマ化学蒸着法を利
用した装置並びに熱電子放射材を利用した装置などがあ
る。

これらのダイヤモンド気相合成装置の内、熱電子放射材
を利用した装置は、反応容器内でのガスのコントロール
が容易で連続的に生産ができること、並びにこの装置で
得られるダイヤモンドは均質で良質な粒状ダイヤモンド
及び膜状ダイヤモンドになりやすいという利点がある。

熱゛心子放射材を備えたダイヤモンド気相合成装置によ
るダイヤモンドの合成法が特開昭５９−９１１００号公
報、特開昭５９−１８２３００号公報、特開昭６０−２
２１３９５号公報及び特開昭６１−１１７２８１号公報
に開示されている。

（発明が解決しようとする問題点） 熱′１［子放射材を愉えたダイヤモンド気相合成装置に
よるダイヤモンド気相合成法として開示されている特開
昭５８−９１１００号公報は、Ｗからなる熱電子放射材
を備えた装置を用いており、特開昭５９−１８２３００
号公報はＷ　、　Ｔ　ａ　。

Ｍｏあるいは黒鉛からなる熱電子放射材を備えた装置を
用いており、特開昭６０−２２１３９５号公報は、Ｗか
らなる熱電子放射材を備えており、しかもこの熱電子放
射材とダイヤモンドの被覆層を形成させるための基板と
の間に直流電圧を印加させるようにしたダイヤモンド気
相合成装置を用いており、特開昭６１−１１７２８１号
公報はＴａからなる熱電子放射材を備えた装置を用いて
いるものである。これらの従来から用いられているダイ
ヤモンド気相合成装置は、いずれも高融点金属又は黒鉛
からなる熱電子放射材を備えたものであり、高融点金属
からなる熱電子放射材を備えた装とでは、装置内に供給
されるダイヤモンドの合成に必要なガスと熱電子放射材
との反応が生じ、又黒鉛からなる熱電子放射材を備えた
装置では、熱電子放射材の表面が徐々に気化されて、装
置内に供給されたダイヤモンドの合成に必要なガスの中
に混在するために、装置内のカーボンポテンシャルの変
動が激しくなる。このために、基板上のダイヤモンドの
合成に必要なガスの供給がか不安定になって、ダイヤモ
ンドの生成を低下させるのと又は生成ダイヤモンドの結
晶性が悪くなるという問題がある。

また、Ｗ　、　Ｔ　ａ　、　Ｍ　ｏあるいは黒鉛からな
る熱電子放射材を備えた装置の内、Ｗ　、　Ｔ　ａ　、
又はＭＯからなる８電子放射材の場合は、装置内に供給
されたダイヤモンドの合成に必要なガスと熱電子放射材
との反応により熱電子放射材が変形するのと、黒鉛から
なる熱電子放射材の場合は、熱電子放射材自身の気化に
よって変形するためにダイヤモンド合成において、非常
に重要な因子であるところの熱電子放射材と基板との距
離が一定に保たれなくなって、基板上にダイヤモンドが
安定に生成し難くなるという問題がある。

本発明は、上述のような問題点を解決したもので、具体
的には、表面から少なくとも５０μｍ厚さが周期律表の
４ａ、５ａ、６ａ族元素の炭化物及びこれらの相互固溶
体から選ばれた少なくとも１種からなる熱電子放射材を
Ａ＠１．たダイヤモンド気相合成型この提供を目的とす
るものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明者らは、Ｗ又はＴａからなる熱電子放射材を備え
たダイヤモンド気相合成装置を用いて基板上にダイヤモ
ンドの析出を試みた所、反応初期には殆んどダイヤモン
ドが析出しないときがあるのと、更に長時間の反応によ
り徐々にダイヤモンドの析出が生じてくるという結果を
得た。

また、同じくＷ又はＴａからなる８電子放射材を備えた
ダイヤモンド気相合成装置を用いて供給ガスの濃度とダ
イヤモンドの析出状況及びその形態との関係についてｌ
Ｋ察した所、供給ガスの実質的な濃度コントロールが殆
んど行なわれていないに等しいという結果を得た。

これらの結果から、熱電子放射材を調査した所、熱電子
放射材が供給ガスと反応していることが確認できた。そ
こで、供給ガスと殆んど反応しないか又は全々反応しな
い材料からなる熱電子放射材を備えたダイヤモンド気相
合成型こでは、供給ガスの濃度コントロールが容易にな
り、ダイヤモンドの析出も安定するという知見を得て、
本発明を完成させるに至ったものである。

すなわち、本発明の高効率ダイヤモンド気相合成装置は
、ガス供給口とガス排気口とを設けた反応容器と該反応
容器内に設置された熟°心子放射材と該熱電子放射材か
らの幅射熱領域内に配設された基板支持体とを具備して
おり、前記熱電子放射材は、該熱電子放射材の表面から
少なくとも５０涛ｍ厚さが周期律表の４ａ、５ａ、Ｂａ
族元素の炭化物及びこれらの相互固溶体から選ばれた少
なくとも１種からなることを特徴とするものである。

本発明の高効率ダイヤモンド気相合成装置における反応
容器は、ガス供給口とガス排気口とを設けられていて、
容器内が真空又はガス雰囲気の調！１可能なものであれ
ばどのような形状でもよい。

この反応容器内に配設される基板支持体は、ダイヤモン
ドを析出させるための基板を支持するもので、その材質
は熱電子放射材から放出される輻射熱により変形が生じ
なければ、特別な制限がなく、例えば、アルミナ系セラ
ミックス、窒化ケイ素系セラミックス、炭化ケイ素系セ
ラミックス。

石英ガラス、　Ｗ　、　Ｍ　ｏなどの高融点金属ステン
レス、炭素鋼などの鉄系合金、Ｃｕ、Ａ文又はその合金
、ハステロイ、インコネルなどのニッケル系合金、ステ
ライトなどのコバルト系合金が挙げられる。この基板支
持体の設置位置は、熱電子放射材から放出される輻射熱
が到達する幅射熱領域内であればよい。

反応容器内に設とする熱電子放射材は１例えば、周期律
表の４ａ　（Ｔｉ　、Ｚｒ、Ｖ）、５ａ（Ｖ、Ｎｂ、Ｔ
ａ）、６ａ（Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ）族の金属からなる芯部に
その表面の少なくとも５０μｍ厚さが周期律表の４ａ、
５ａ、６ａ族元素の炭化物及びこれらの相互固溶体から
選ばれた少なくとも１種からなるもので、具体的には、
芯部がタングステンで、表面層が炭化タングステンでな
るもの、芯部がタングステンで、表面層が炭化タンタル
でなるもの、芯部がモリブデンで表面層が炭化モリブデ
ンでなるもの、芯部がモリブデンで表面層が炭化タンタ
ルでなるもの、芯部がタンタルで表面層が炭化タンタル
でなるものがあり、特に、芯部がＷ　、　Ｍ　ｏ又はＴ
ａで表面層が炭化タンタルでなるものは、強度が高くて
取扱い易く、しかもダイヤモンドが安定に効率よく析出
し、その析出ダイヤモンドの結晶性もすぐれるので好ま
しいことである。また、熱電子放射材の全体が周期律表
の４ａ、５ａ、６ａ族元素の炭化物及びこれらの相互固
溶体から選ばれた少なくとも１！！からなるもので、例
えば、全体が炭化タンタルでなる場合は熱的に安定して
いて、基板の表面へのダイヤモンドが安定に効率よく析
出すること及び析出ダイヤモンドの結晶性が著しくすぐ
れるので最も好ましいことである。これらの熱電子放射
材は、コイル状、棒状又は板状など各種の形状にして、
反応容器内に設置することができる。

熱″世子放射材の表面に形成される周期律表の４ａ、５
ａ、Ｂａ族元素の炭化物及びこれらの相介固溶体の厚さ
が５０μｍ未満になると反応容器内に供給されるガスが
安定しなくなる。供給ガスの組成を安定にするために熱
電子放射材の表面に形成される周期律表の４ａ、５ａ、
６ａ族元素の炭化物及びこれらの相互固溶体の厚さは、
少なくとも１００４ｍであることが好まし、い。

本発明の高効率ダイヤモンド気相合成装置は、基板支持
体に支持される基板を冷却するための機構を設けること
、又は熱電子放射材と基板との間に電圧を印加させるこ
となどによって一層高効率にダイヤモンドの析出が生じ
るような装置にすることもできる。

（作用） 本発明の高効率ダイヤセント気相合成装置は、表面から
少なくとも５０μｍ厚さが周期律表の４ａ、５ａ、Ｂａ
族元素の炭化物及びこれらの相互固溶体から選ばれた少
なくとも１種からなるもので、熱゛電子放射材を具備し
ていることから、この熱電子放射材と反応容器内に導入
された反応が押えられて、熱電子放射材により励起され
た導入ガスの殆んど全てがダイヤモンド析出のために作
用することになる。

（実施例） 実施例１ 第１図に示すようなガス供給＋コ（２）を設けた反応容
器（１）内に炭化タンタルからなる熱電子放射材（３）
とこの熱電子放射材（３）から５腸層離した供給ガスの
下流に配設した基板支持体（４）とこの基板支持体（０
に表面処理を施したＳｉからなる基板（５）を支持させ
たダイヤモンド気相合成装置を用いて、次の条件でダイ
ヤモンドの析出を行なった・ 反応容器内に導入したガスは、９８マａＪ１％Ｈ２−２
ｖｏ１％ＣＨ４ガス、圧力３０ｔｏｒｒ、流速５０　ｃ
ｃ／ｗｉｎ、ｐＪ％電子放射材を２０００”Ｃに加熱、
基板温度８７０℃で３時間析出させた後、基板の表面を
ＳＥＭＩＩ察した所、約４．７μｍ厚さの膜状のダイヤ
モンドが生成していた。

比較として、熱電子放射材にＴａを用いて、他は上述と
同一条件でダイヤモンドを析出させた所、直径的０．５
μｍの粒状ダイヤモンドがまばらに生成していた。

尚、本発明の装置として用いた炭化タンタルの熱電子放
射材は、コイル状のＴａ線を９０ｖｏＪ１％Ｈ２−Ｉｏ
ｔａ又％ＣＨｓ中、圧力５０ｔｏｒｒ、２５００℃加熱
により２時間炭化処理したもので、先頭観察及びＸ線回
折の結果、はぼ表面から芯まで炭化タンタルになってい
るものであった。

実施例２ 実施例１の内、熱電子放射材に炭化タングステンを備え
た装置で、９８．５マ０文％Ｈ２−１，５ｖｏＪ１％Ｃ
２Ｈ２ガス、圧力４５ｔｏｒｒ、流速３０　ｃｃ／ｓｉ
ｎ、熱電子放射材を２０００℃に加熱、基板温度９００
℃で２時間析出させた後、基板の表面をＳＥＭ観察した
所、平均粒径３．５μｍの粒状のダイヤモンドが析出密
度的１０５個／Ｃ麿？で生成していた。

比較として、熱電子放射材にＷを用いて、他は上述と同
一条件でダイヤモンドを析出させた所、全く、ダイヤモ
ンドの生成が見られなかった。

ここで用いた装置は、基板と熱電子放射材との距離を１
０膳膳とし、基板には１０％）ＩＮＯ３で表面処理した
ＷＣ−５％Ｃｏ超硬合金を用いて行なったものである。

また、Ｗからなる熱電子放射材は、３Ｘ１５Ｘ２　（麿
■）の板状で、炭化タングステンからなる熱電子放射材
は、平均粒径５μｍのＷＣ粉末をホットプレスによって
焼結した３×１５Ｘ２（ａｍ）の板状のものである。

実施例３ 表面から１００μｍ厚さがＴａＣで、芯部がＴａでなる
φ１．Ｏｍｍのコイル状に作成した熱電子放射材を備え
た実施例１と略同様な装置を用いて、９７ｖｏｉ％Ｈ２
−３ｖｏＪ１％ＣＨｓガス、圧力３０ｔｏｒｒ、熱電子
放射材を２２００℃に加熱、ＷＣ−５％Ｃｏ超硬合金の
基板上に、１時間反応させてダイヤモンドの析出を行な
った所、基板上に２．２μｍ厚さのダイヤモンドが被覆
されていた。比較として、Ｔａからなる熱電子放射材を
備えた装置を用いて、上述と略同条件でダイヤモンドの
析出を行なった所、基板の表面には、０．７μｍ厚さに
粒状のダイヤモンドが生成されていた。

尚、表面からｌｏｏμｍ厚さがＴａＣで、芯部がＴａで
なる熱電子放射材は、φ１．ｏｍｍのコイル状Ｔａを８
５ｖｏ文％Ｈ２−１５ｖｏｕ％ＣＨａ中で、圧力３０ｔ
ｏｒｒ、温度２２００℃、１時間保持によって処理した
ものである。

（発明の効果） 以上の結果から、本発明の高効率ダイヤモンド気相合成
袋とは、反応容器内でのガスの微量調整が容易に行なえ
て、励起されたガスが無駄なくダイヤモンドの析出に使
われるためにダイヤモンドの合成が著しく速くなり、効
率の高い装とである。また、反応容器内で励起されたガ
スと熱電子放射材との反応が殆んど生じないために結晶
性の高い良質なダイヤモンドの析出が０Ｔｆｆｆｉな装
置である。

このために、本発明の高効率ダイヤモンド気相合成装置
は、合成される膜状又は粒状ダイヤモンドの品質管理が
容易であり、膜状又は粒状ダイヤモンドとして応用でき
る各種の部品材料の作成用として有用なダイヤモンド合
成装置である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例１で用いた本発明の高効率ダイヤモン
ド気相合成装置の概略図である。 第１図中、ｌは反応容器、２はガス供給口、３は熱電子
放射材、４は基板支持体、５は基板、６はガス排気口を
示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガス供給口とガス排気口とを設けた反応容器と該
   反応容器の中に設置された熱電子放射材と該熱電子放射
   材からの幅射熱領域内に配設された基板支持体とを具備
   したダイヤモンド気相合成装置において、前記熱電子放
   射材は、該熱電子放射材の表面から少なくとも５０μｍ
   厚さが周期律表の４ａ、５ａ、６ａ族元素の炭化物及び
   これらの相互固溶体から選ばれた少なくとも１種からな
   ることを特徴とする高効率ダイヤモンド気相合成装置。
2. （２）上記熱電子放射材は、少なくとも５０μｍ厚さが
   炭化タンタルからなる表面層とＷ、Ｍｏ又はＴａからな
   る芯部との複合部材で形成されていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の高効率ダイヤモンド気相合
   成装置。
3. （３）上記熱電子放射材は、炭化タンタルで形成されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の高効
   率ダイヤモンド気相合成装置。