JPS6340798A - 気相法によるダイヤモンドの合成法 - 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 本発明は有機化合物から気相法で膜状、粒状等のダイヤ
モンドの合成法に関する。

従来の技術 気相法でダイヤモンドを合成する方法は有機化合物に水
素ガスを混合し、これを熱、電子線、イオンビーム、マ
イクロ波、高周波等によって励起あるいは分解し、原子
状水素、炭化水素、ラジカル等を発生させ、これを加熱
した基板等に導き、そこで分解生成した炭素原子をダイ
ヤモンド構造にして析出させるものである。原料ガスは
従来のものは殆んどが炭化水素が使われている。

発明が解決しようとする問題点 気相法ダイヤモンド合成では、有機化合物が分解して生
成する炭素は、ダイヤモンド及び非ダイヤモンド炭素（
以下非ダイヤ炭素という）の混合物として析出する。そ
して非ダイヤ炭素は原子状の水素により除去される。ダ
イヤモンドは原子状水素と殆んど反応しないのでそのま
ま残る。このダイヤモンド及び非ダイヤ炭素の析出、非
ダイヤ炭素の除去の作用が繰り返されてダイヤモンドが
成長していく、従って非ダイヤ炭素の除去作用が充分で
ないとダイヤモンドの生成速度を早めることはできない
。従来炭化水素を原料としたものでは、しばしばダイヤ
モンドと非ダイヤ炭素とが混在した生成物が得られてい
るのはこの非ダイヤ炭素の水素による除去作用が充分で
ないからである。

このように従来は水素ガスを多量に用いなければならず
、例えばメタンガスと水素ガスの混合ガスに対して、水
素ガスは通常９８〜９９容量％程度用いられる。水素ガ
スを多量に用いることは、それだけ炭素の濃度が低いか
ら、ダイヤモンドの析出速度が遅くなり、また経済的に
不利である。

本発明の目的は気相法によるダイヤモンド合成を水素ガ
スの使用量を減らし、もしくは原料ガスの組合せによっ
ては水素ガスを使用せずに行う方法を提供するにあり、
さらにダイヤモンド合成の成長速度を早めることも可能
な方法を提供するにある。

問題点を解決するための手段及び作用 本発明は気相法ダイヤモンド合成において、原料として
含酸素有機化合物と炭化水素との混合物を使用すること
により、上記目的を達成したものである。

含酸素有機化合物としては、メチルアルコール、エチル
アルコール、プロピルアルコール、ブチルアルコール、
ジメチルアルコール、アリルアルコール等のアルコール
類、アセトン、エチルメチルケトン、ジエチルケトン、
アセトフェノン等のケトン類、酢酸メチル、酢酸エチル
等のエステル類、プロピオンアルデヒド、アセトアルデ
ヒド等のアルデヒド類、過酸化ジメチル等の過酸化物、
蟻酸、酢酸等の有機酸などが使用できる。そしてこれら
はガスにしてダイヤモンド析出装置に導かれる。

本発明者は先に含酸素有機化合物が気相法ダイヤモンド
合成に有効であることを発見し、特許出願した（特願昭
１３０−２１１４５１９　）　。

これに基づいてさらに研究した結果、含酸素有機化合物
に炭化水素を混合すれば、水素ガスの量が従来の方法に
較べ、かなり減らすことができ。

また混合するガスの種類によっては水素ガスを使用しな
いでもダイヤモンドの析出が可能であることがわかった
ものである。一般に水素ガスを使用するのはその原子状
水素等がダイヤモンドと同時に析出した非ダイヤ炭素を
除去するためであるが、本発明において水素ガスを減ら
すことができ、あるいは用いないでも可能なのは含酸素
有機化合物と炭化水素とが、熱、プラズマ、光、放射線
等のエネルギーのもとで反応し、あるいは、分解し、原
子状水素等の活性水素が発生し、これが非ダイヤ炭素の
除去作用をしていることが考えられる。また含酸素有機
化合物自体も非ダイヤ炭素の除去作用があることも関与
していると考えられる。従って含酸素有機化合物はある
程度以上含有していることが必要であり、反面これが多
過ぎるとダイヤモンドの析出が遅くなるばかりか、温度
にもよるがその中の酸素がダイヤモンドまでも侵すよう
になるのでその上限には限度がある。好ましい範囲とし
ては両者の混合ガス中の含酸素有機化合物の含有量は２
０〜７０容量％である。

これらの混合ガスはさらに水素ガスと添加し、あるいは
添加せずにダイヤモンド合成に用いられる。添加する場
合であっても従来よりもかなり減らすことができる。そ
して混合ガスがメタンとメチルアルコール、メタンとア
セトアルデヒド、メタンとホルムアルデヒド、メタンと
イソプロピルアルコールの場合などでは殆んど水素ガス
を使用しないでも可能である。それはプラズマ等のもと
で反応し、原子状の水素が発生し易いなどの理由が考え
られる。

水素ガスは従来は前記したようにガス総量中９８〜９９
容量％用いられるのが普通であったが、本発明では、水
素ガスを用いる場合でも、ガス総量中９５容量％以下で
よい。

このように本発明は水素ガスの添加が少ないあるいは添
加しないでも可能なことは、炭素の濃度書高めた状態で
ダイヤモンドの析出が行なわれることを意味しており、
それだけダイヤモンドの析出速度を早めることができる
。

本発明において含酸素有機化合物と炭化水素を混合して
使用する以外の工程については、従来公知の方法がその
まま使用できる。

その概略を説明すれば、先ずガスを１５００〜２５００
℃程度に加熱されている熱フィラメントを通すことによ
り、あるいはマイクロ波、高周波等でプラズマ化し、さ
らには電子ビーム、紫外線照射、放射線等のエネルギー
により、原子状の水素、メチルラジカル、炭素イオン等
いわゆる励起状態にすることが必要である。この場合に
反応により発生あるいは添加した水素ガスの役割につい
ては先に述べたように析出した非ダイヤ炭素の除去作用
であり、そのためには水素は原子状水素等にして、これ
を析出した非ダイヤ炭素に接触させることが必要である
。一方、含酸素有機化合物と炭化水素は分解し、中間の
メチル基を通してその非ダイヤ炭素がダイヤモンドとし
て析出すると考えられている。従ってダイヤモンドを基
材の上に析出させる際には、上記したようなエネルギー
により基材の近傍でメチル基が生成していることが考え
られる。

気相法ダイヤモンドの析出は一般に基材上で行なわれて
おり１本発明においても通常は基材が用いられる。基材
としてはＳｉ、　Ｗ、　Ｍｏ等の基板、あるいはＳａｃ
、　Ｓｉ等の粒状物が用いられる。Ｓｉ基板の場合は鏡
面研摩したもの、あるいはこれをダイヤモンド微粉で表
面に傷をつけたものが適する。

基材は３００〜１０００℃に加熱される。

熱フィラメントでガスの励起を行なうときは、その輻射
熱で基材はほぼ上記の温度範囲に入ることが多い、基材
には別に加熱機構を取付けることもできる。

ダイヤモンドを析出させる場合の基材の位置は励起され
た水素ガス等が励起状態を失う前に析出した非ダイヤ炭
素に接触させることが必要であり、そのためには基材と
例えば熱フィラメントの場合、その間の間隔はできるだ
け小さい方がよく、熱フィラメントの温度にも依存する
が、−船釣には５ＩＵＩｌ以下が適している。基材はそ
の表面にダイヤモンドを均一に析出させるためにゆっく
り回転させるとよい。

本発明においてダイヤモンドを析出さる場合のガス圧は
広範囲に変えることができ、これも本発明の特徴の一つ
である。実験によれば３０Ｔｏｒｒ位から１０００Ｔｏ
ｒｒ位まで殆んどダイヤモンド成長速度が変らない、従
って常圧（７ＢＯＴｏｒｒ）で行なうことができるのも
本発明の大きな利点である。ガスの供給量は混合ガス総
量で、ダイヤモンド析出面１ｃｒｎ’当り　５〜５０ｃ
ｃ／分（標準状態）が適当である。

本発明によって得られるダイヤモンドの形状は基材の種
類等によって異なり、シリコン（Ｓｉ）基板の鏡面研摩
したものを用いると粒状ダイヤモンドが析出し、またこ
の鏡面研摩面をダイヤモンドペースト等で表面を研摩し
傷をつけたものを使用すると膜状ダイヤモンドとなる。

またＳｉＣ等の粒状基板を使用すると粒状物の表面にダ
イヤモンド粒子が相互に間隔をあけ、あるいは接触して
析出する。ダイヤモンドの析出速度は、本発明の方法は
黒鉛の除去能力が大きいので、従来の方法より高く、膜
状ダイヤモンドの場合、その膜で表わせば１５〜２０ｇ
ｍ／ｈｒの速度が可能である。

発明の効果 本発明によれば、水素ガスの添加量をかなり減らすこと
ができ、あるいは全熱添加しないでダイヤモンド合成を
行なうことができるので、取扱いが容易であり、また経
済的にも有利である。さらに常圧付近で可能なこと、ダ
イヤモンドの析出速度を早めることができるのも本発明
の大きな効果である。

実施例１ 図１に概略を示す装置で実験した６図において１は反応
容器でその上部に原料ガスの入口２、下部に排気ロア、
側面に圧力計４が取付けられている。また入口からのガ
スはガス導入管２°によりタングステフィラメント３の
直上に放出される。

フィラメント３は両端が電源に接続され、その電圧調整
により温度が制御される。（フィラメントコイル部分の
長さ５ａｍ）の直下にシリコン基板（鏡面研摩後ダイヤ
モンドペーストで表面に傷をつけたもの、基板の大きさ
：　１　ｃｍＸ　１　ｃｍ）を基板支持台６の上に載置
した。基板の表面とフィラメントの下部（コイルの下面
）との間隔は約３ｍｍである。

この装置を用い、原料ガスとしてメタン１０容量％、メ
チルアルコール（ガス）９０容量％の混合ガスを用い、
これをガス人口２から１５０ｃｃ／分の割合で供給し、
フィラメントの温度的２３００℃（パイロメーターによ
り測定）、圧力１００Ｔｏｒｒ、基板温度（熱電対によ
り測定）２５０℃で１時間ダイヤモンドを生成させた。

結果はシリコン基板の上に厚さ１５ｇｍのダイヤモンド
膜が生成した。ダイヤモンドの結晶は（１１＋）面と（
１００）面で覆われた膜であった。

実施例２ ＣＨＯＨの代りに０Ｈ３ＣＯＣＨ３（アセトン）のガス
を用いた０組成はＣＨ３ＣＯＣＨ３４容量％、０Ｈ４１
容量％、Ｈ２９５容量％で、混合ガス圧は１００Ｔｏｒ
ｒとした。

その他は実施例１と同様の条件である。

結果は３時間で８０ｇａ＋のダイヤモンド膜が生成した
。ダイヤモンド結晶は実施例１と同様であった。

実施例３ ＣＨ４（メタン）ｌ容量％、（Ｃ）１３）ＣＨＯＨ（イ
ソプロピルアルコール）８９容量％、Ｈ２（水素）　　
３０舜量％で混合ガス圧は７８０Ｔｏｒｒとした。その
他は実施例１と同様の条件である。

結果は２時間で３０ルｍのダイヤモンド膜が生成した。

ダイヤモンド結晶は実施例１と同じであった。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明に使用される装置の１例を示す断面図で
ある。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）有機化合物から気相法によりダイヤモンドを合成
   する方法において、該有機化合物として含酸素有機化合
   物と炭化水素の混合物を用いることを特徴とする方法。
2. （２）含酸素有機化合物がアルコール又はケトン、炭化
   水素がメタン又はエタンである特許請求の範囲第１項記
   載のダイヤモンドの合成法。