JPH01157498A - 高温プラズマによるダイヤモンドの製造法 - 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 本発明は高温プラズマを利用するダイヤモンドの製造法
に関する。

従来技術 本出願人はさきに、直流、低周波交流、高周波。

またはマイクロ波を用いて発生させたガス温度１７００
に以上の高温プラズマがダイヤモンドの高速、合成に有
効であることを見出した。しかし、高温プラズマは高い
気体温度を有するため、ダイヤモンドのような高温で不
安定な物質を合成するためには、活性種濃度を下げるこ
となく気体の温度を下げることが必要である。

その温度を下げる方法として、これまで（１）水や冷媒
で冷やして低温にした固体表面に接触させる方法、（２
）冷ガスあるいは冷媒を吹き付ける方法。

（３）気体を断熱膨張させて冷却する方法、（４）磁場
を用いて電磁流体力学的作用により冷却する方法等を見
出した。しかし、（１）、　（２）の方法ではダイヤモ
ンドが成長する基体表面あるいは成長空間での温度不均
一が起こり易く、制御が難しい欠点があり、また（３）
（４）の方法では排気装置や磁場発生装置等の大型装置
を必要とする欠点があった。

発明の目的 本発明は従来方法における欠点を解消すべくなされたも
ので、大型装置を必要としない簡便な方法で、かつダイ
ヤモンド析出基体の温度を均一な適温に保持し得られ、
ダイヤモンドを均一析出させ得られる方法を提供するに
ある。

発明の構成 本発明者は前記目的を達成すべく鋭意研究の結果、高温
プラズマを用いて基体上にダイヤモンドを析出させる場
合、基体またはプラズマトーチを動かして基体とプラズ
マの相対的位置を変化させると、容易に基体表面温度を
均一に制御し得られダイヤモンドを均一層で得られるこ
とを見出した。

この知見に基づいて本発明を完成した。

本発明の要旨は、 炭化水素ガス、水素ガス及び不活性ガスから選ばれた単
独ガスまたは混合ガスに、放電によりガス温度１７００
に以上の高温プラズマを発生させ、該プラズマ中で有機
化合物または炭素材を分解または蒸発させて得られる気
体からダイヤモンドをプラズマ中またはプラズマ尾炎部
に設置された基体上に析出させる方法において、基体ま
たはプラズマトーチを動かして基体とプラズマとの相対
的位置を変化させながらダイヤモンドを基体上に析出さ
せることを特徴とするダイヤモンドの製造法、にある。

本発明において用いるプラズマは放電により得られるガ
ス温度が１７００に以上の高温プラズマであることが望
ましく、これより低いと析出速度がおそくなる。放電に
用いる電源は、直流、低周波交流、高周波、マイクロ波
のいずれでも良く、また有電極、無電極のいずれでも良
い。

プラズマ発生用ガスとしては、炭化水素ガス、アルゴン
、ヘリウム等の不活性ガスあるいは水素ガスを単独また
は混合ガスとして用いられる。

不活性ガス、水素ガスをプラズマ発生用ガスとして用い
る場合は、炭素源として有機化合物あるいは炭素材をプ
ラズマ中に注入する。有機化合物としては、プラズマ中
で分解し、炭素を含むイオン種、ラジカル種を生成し得
るものであれば、ガス状、液状、固体状のいずれでもよ
い。

例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン。

エチレン、ベンゼン等の炭化水素、ポリエチレン。

ポリプロピレン等の高分子物質、あるいはアルコール、
アセトン、アミン、塩化メチル、チオフェン、トリエチ
ルフォスフイン等の含酸素、含窒素、含ハロゲン、含硫
黄、含リン等の有機化合物が挙げられる。

また、水素ガスあるいは炭化水素をプラズマ中に混合す
る場合には炭素源として一酸化炭素、二酸化炭素を用い
ることができ、固体炭素源としては黒鉛などが挙げられ
る。

プラズマのガス圧は１０−４〜５Ｘ１０”気圧までの範
囲で用いられる。低い圧力ではダイヤモンドの析出速度
がおそ（、高い圧力では容器の取り扱いに手数がかかる
欠点が生ずる。

基体を動かす方法としては、基体もしくは基体を乗せた
ホルダーを回転させたり、あるいは往復運動させること
により行うことができる。すなわち、高温プラズマの温
度分布を利用し、基体を高温部と低温部の間、あるいは
プラズマが当たる位置と当たらない位置との間で動かし
、その時の運動速度９周期等により基体表面温度を制御
し得られる。これにより基体表面へのダイヤモンドの析
出を均一になし得られる。このような基体を動かす代わ
りに、プラズマトーチを動かしても同様にうことができ
るが、ガス流によっても行うこともできる。

また、この動かす動作と共に例えば外部に電気抵抗等の
適当な負荷をつなぐことにより、流れのエネルギーをモ
ーターなどを通して外部に取り出し、基体に当た。る　
気体の温度を下げることもできる。この場合の取り出す
エネルギー量制御はモ本発明の方法を実施する装置の図
面に基づいて説明する。第１図は高周波放電を、第２図
は直流放電を用いた場合の概要図である。

第１図において、１は高周波プラズマトーチ、２は高周
波電源、３は基体、３′は円板状の基体ホルダーで外部
からモーターで回転できるようになっている、４はプラ
ズマ、５は析出室、６は排気装置、７はガス供給装置、
８〜８′はガス流量調節バルブを示す。

操作手順は、まず排気装置６により析出室５及びプラズ
マトーチ部を真空にした後、バルブ８′。

８″を通じて所定のプラズマ発生用ガスを供給し、析出
室５を所定の圧力とした後、ワークコイル１３に電源２
より電力を供給しプラズマを発生させる。

このプラズマ中にバルブ８より原料ガス、あるい７ψ は固体・流体原料供給装置層より原料を供給し、あらか
じめ回転運動させておいた基体３上にダイヤモンドを析
出させる。この回転に代わり、基体ホルダーを往復運動
もしくは二次元的な運動をさせてもよい。

第２図において、２１は直流プラズマトーチ、２２は直
流電源、３′はスクリュー状の基体ホルダー、９は発電
用モーター、９′は負荷抵抗で、他は第１図と同様であ
る。

操作手順は第１図の場合と同様にして（プラズマ発生電
源が相違するが）プラズマの発生及び原料ガスの分解を
行わせ、基体３上にダイヤモンドを析出させる。

この場合は基体ホルダー３′をプラズマトーチのガス流
により回転させ、また、負荷抵抗９′に電気的エネルギ
ーを取り出す、この負荷抵抗を整合させることにより基
板の温度を低下さぜ効果を上げることができる。なお、
この回転基体ホルダー３′にはスクリュー状に代え、軸
流型の回転子を用いることもできる。

基板としては、モリブデン、ステンレスなどの金属、シ
リコンなどの半導体、アルミナ等のセラミックス、及び
ダイヤモンド単結晶等が用いられる。基体温度は４００
〜１７００℃であることが好ましい、この温度の調整は
、上記の本発明の方法に加えて、冷媒、ガスによる基体
、基体ホルダーの冷却を併用してもよい。

発明の効果 本発明の方法によると、基板温度の冷却を従来における
ような大型装置を必要とせず、簡便な方法で容易に制御
し得られ、これにより基板上にダイヤモンドの膜厚を均
一に析出し得られる。

実施例１゜ 第１図に示す装置を用い、バルブ８より１．１ｇ／ｌｌ
ｌ１ｎのアルコール蒸気とアルゴンしＵｓｉｎの混合ガ
ス、バルブ８′よりアルゴン４　ｊ！／ｍｉｎ、バルブ
８′よりアルゴン１０　ｆｔ　／ｍｉｎと水素１２Ｉ！
、／ｓｉｎの混合ガスをプラズマトーチｌ中に流し、１
気圧下にて周波数４ＭＨ２，真空管プレート入力５０ｋ
Ｗの高周波により１０分間放電させた。プラズマ温度は
約８０００にであった。７０φの水冷基板ホルダーを１
回転／秒で回転させ、基板ホルダー上の６枚の２０φの
モリブデン基板上にダイヤモンドを析出させた。基板温
度は約９００　’Ｃであった。基板上に厚さ８μｍのダ
イヤモンド膜が得られた。生成膜厚分布は基板ホルダー
の回転運動の接線方向で±５％、半径方向で±１５％で
、膜厚が均一性のものであった。

比較例１゜ 実施例１と同条件で基板ホルダーを回転させないで行っ
たところ、モリブデン基板は融解してダイヤモンド膜が
得られなかった。そこでモリブデン基板を基板ホルダー
にビスで密着固定して回転′させないで行ったところ、
基板温度は約１０００°Ｃで、基板の中央で約３０μ纏
膜厚、基板周辺部で約６０μ−膜厚の不均一な膜厚のダ
イヤモンドであった。

実施例２゜ 第２図に示す装置を用い、バルブ８よりアルゴン２５　
ｊ！　／ｍｉｎと水素５１／ｍｉｎの混合ガスを、バル
ブ８′よりメタン１ｊ！／＋ｍｉｎを流し、電源出力２
０に誓の放電を１０分間させた。

外周径４０ｍφのプロペラ状回転基板ホルダー上に固定
した１０ｍｍφのモリブデン板上にダイヤモンド膜を形
成させた。この際、反応中に析出室圧力を約１５９　Ｔ
ｏｒｒとし、負荷抵抗９′への出力を約１０−とした、
得られたダイヤモンド膜厚は約５μ鋼の均一性のもので
あった。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明方法を実施する装置の概要図で、第１図は
高周波放電を、第２図は直流放電を用いてプラズマを発
生させて、基板上にダイヤモンドを析出させる装置の実
施態様図である。 １；高周波プラズマトーチ、 ２：高周波発振機、　　３：基体、 ３’、３′　：基板ホルダー、 ４；プラズマ、　　　　５：析出室、 ６：排気装置、　　　　７：ガス供給装置、８．８’、
８’　：パルプ、 ９：発電機、　　　　　９′　：負荷抵抗、１３：ワー
クコイル、 １４：固体、流体原料導入装置、 ２１：直流プラズマトーチ、 ２２：直流電源。 ｉ［ｊが・εｉ’ｉ１１ニー、’、”：”４−４第１図 第２Ｉ！１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 炭化水素ガス、水素ガス及び不活性ガスから選ばれた単
   独ガスまたは混合ガスに、放電によりガス温度１７００
   Ｋ以上の高温プラズマを発生させ、該プラズマ中で有機
   化合物または炭素材を分解または蒸発させて得られる気
   体からダイヤモンドをプラズマ中またはプラズマ尾炎部
   に設置された基体上に析出させる方法において、基体ま
   たはプラズマトーチを動かして基体とプラズマとの相対
   的位置を変化させながらダイヤモンドを基体上に析出さ
   せることを特徴とするダイヤモンドの製造法。