JPH0214897A - 膜状ダイヤモンドの製造方法 - 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］ 本発明は膜状ダイヤモンドの製造方法の改良に関するも
のである。さらに詳しくいえば本発明は、気相合成法に
より、基体表面に均一で良質な膜状ダイヤモンドを速い
成長速度で形成させる膜状ダイヤモンドの製造方法に関
するものである。

［従来の技術］ 近年、ダイヤモンドの合成技術は著しい発展を遂げ、例
えば切削工具や耐摩耗工具をはじめとし、各種保護膜と
して、あるいは光学用材料、電子材料、化学工業材料な
どに、嗅状合成ダイヤモンドが広く用いられている。

このような膜状ダイヤモンドを基体表面に形成させる方
法としては、種々の気相合成法、例えば、炭素源を含む
原料ガスを用い、これをプラズマ分解するか、又は非平
衡反応を利用して、膜状ダイヤモンドを基体表面に析出
させる化学蒸着法（ＣＶＤ法）、熱陰極ＰＩＧガン、冷
陰極ＰＩＧガン、スパッターガンなとを用いて膜状ダイ
ヤモンドを基体表面に形成させるイオン化蒸着法などが
知られている。特に、ＣＶＤ法により、膜状ダイヤモン
ドを基体表面に析出させる方法は、連続操業が容易であ
って工業的に有利であることから、最近注目を浴びてい
る。

このような気相合成法により、基体表面に膜状ダイヤモ
ンドを形成させる方法においては、該ダイヤモンドが熱
力学的に準安定な領域下において合成させるため、ダイ
ヤモ〕・ド単一相が析出する領域は極めて狭い上に、そ
の析出は、基体温度、ガス流量、反応管内の全圧、炭素
源の種類などの合成条件によって制限され、したがって
、ダイヤモンド核発生の駆動力となる過飽和度を自由に
制御しにくいために、粒状ダイヤモンド結晶の析出は容
易であるが、膜状ダイヤモンドの析出は困難であるとい
う問題を有している。

そこで、このような問題を解決するために、従来基体と
してダイヤモンド以外のもの、例えばケイ素、モリブデ
ン、タンタル、タングステン、あるいは炭化タングステ
ン、炭化ケイ素、炭化タンタルなどの炭化物などから成
るものを使用する場合、その表面にあらかじめ、例えば
高硬度粉末による摩耗処理や衝突池理を施して鋭利な傷
を形成させ、ダイヤモンドの核形成エネルギー・の増加
や高い飽和度を生じさせることが試みられている。

しかしなから、このような方法においては、該基体表面
に均一な傷を形成させることが困難であって、均一で良
質な膜状ダイヤモンドは得られに＜Ｇ′上に、成膜速度
も遅いという問題がある。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明はこのような従来の膜状ダイ′でモンドの製造方
法が有する欠点を克服し、気相合成法により、基体表面
に均一で良質な膜状ダイヤモンドを速い成長速度で形成
させる方法を提供することを目的としてなされｌこもの
である。

［課題を解決するための手段］ 本発明者らは、気相合成法により、基体表面に膜状ダイ
ヤモンドを形成させる方法について鋭意研究を重ねた結
果、ダイヤモンド表面におけるダイヤモンドの核形成エ
ネルギーが、通常ダイヤモンド形成に用いられている基
体（ダイヤモンド以外のもの）表面におけるそれよりも
低いことに着目し、あらかじめ、該基体表面に所定の粒
径のダイヤモンド微粒子層を設けておくことにより、ダ
イヤモンドの核形成エネルギー・の増加や高い過飽和度
をもたらし、前記目的を達成しうろことを見い出し、こ
の知見に基づいて本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、気相合成法により基体表面に膜状
ダイヤモンドを形成させるに当たり、あらかじめ該基体
表面に平均粒径１０μｍ以下のダイヤモンド微粒子層を
設けておくことを特徴とする膜状ダイヤモンドの製造方
法を提供するものである。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明方法において用いられる基体の材質については特
に制限はなく、従来膜状ダイヤモンドの形成に慣用され
ているもの、例えばケイ素、モリブデン、タンタル、り
：／ゲステン、チタン、コバルト、クロム、ニッケル、
銅、鉄、アルミニウムなどの金属や、これらの金属の合
金、各種金属の炭化物、窒化物、酸化物、あるいはＴｉ
Ｃ−Ｎｉ系、ＴｉＣ−Ｃｏ系、ＡＱ、０３−Ｆｅ系など
のサーメット、各種ガラス、セラミックスなどの中から
任意のものを選択して用いることができる。また基体の
形状についても特に制限はなく、例えば板状、線状、パ
イプ状など使用目的に応じて任意の形状ものもを用いる
ことができる。

本発明方法においては、膜状ダイヤモンドを形成させる
前に、あらかじめ前記基体の表面にダイヤモンド微粒子
層を設けておくことが必要である。

このダイヤモンド微粒子層を設けることによって、ダイ
ヤモンドの核形成エネルギーの増加や高い過飽和度をも
たらし、均一で良質な膜状ダイヤモンドを速い成長速度
で形成させることができる。

この際、用いるダイヤモンド微粒子の平均粒径は１０μ
ｍ以下、好ましくは０．１〜１０μｍ１さらに好ましく
は１〜６μｍの範囲にあることが必要である。この平均
粒径が１０μｍ超えると該ダイヤモンド微粒子−ヒにの
みダイヤモンドが析出し、膜状ダイヤモンドが得られに
くくなる。

該基体表面にダイヤモンド微粒子層を設ける方法として
は、例えば合成ダイヤモンド粉末を沈降法により基体表
面に敷きつめる方法や、加圧法により基体表面に合成ダ
イヤモンド粉末の層を形成させる方法などを用いること
ができる。この際、形成させるダイヤモンド微粒子層の
厚さは、通常５〜１００μｍの範囲で選ばれる。

第１図は沈降法により基体２の表面にダイヤモンド微粒
子層１が設けられた状態を示し、第２図は加圧法により
基体２の表面にダイヤモンド微粒千層３が設けられた状
態を示す。

さらに、前記以外の方法として、例えば基体材料中にダ
イヤモンド微粒子を含有させておいて、基体表面に該微
粒子が均一に分散するように基体を作成する方法も用い
ることができる。

本発明方法においては、このようにしてあらかじめ表面
にダイヤモンド微粒子層を設けた基体を用い、気相合成
法により該基体表面に膜状ダイヤモンドを形成させる。

該気相合成法については特に制限はなく、従来膜状ダイ
ヤモンドの形成に慣用されている方法、例えば種々の化
学蒸着法（ＣＶＤ法）やイオン化蒸着法などの物理蒸着
法の中から任意の方法を選Ａ７で用いることができるが
、ＣＶＤ法が好適である。

このＣＶＤ法には、原料ガスを活性化状態に導く手段に
よって、例えば（１）原料ガスを赤熱したフィラメント
の近傍を通過させ−ることによって活性化状態に導く熱
分解ＣＶＤ法、（２）原料ガスの導入部に高周波を印加
し、高周波によってプラズマを形成させることによって
、該原料ガスを活性化状態に導く高周波プラズマＣＶＤ
法、（３）前記高周波の代わりにマイクロ波を用いるマ
イクロ波プラズマＣＶＤ法、（４）イオンビームによっ
て原料ガスを活性化状態に導くイオンビームＣＶＤ法な
どがあり、本発明においてはいずれの方法も用いること
ができる。

前記ＣＶＤ法において用いられる原料ガスとしては、炭
素源ガスと水素との混合ガスが用いられる。炭素源ガス
については特に制限はなく、通常ＣＶＤ法によりダイヤ
モンドの形成に用いらｔ’ｔでいるもの、例えば−酸化
炭素や二酸化炭素、あるいはアルカン類、アルケン類、
アルキン類、芳香族炭化水素類、シクロパラフィン類、
シクロオレフィン類、含酸素炭素化合物、含窒素炭素化
合物などの中から選ばれた１種又は２種以上の混合物が
用いられる。またこれらの原料ガスには、所望に応じ窒
素、アルゴン、ネオン、キセノンなどの不活性ガスを含
有させてもよい。

このようにして、前記の基体表面に設（つられたダイヤ
モンド微粒子層の上に膜状ダイヤモンドが形成される。

この膜状ダイヤモンドの厚さは、使用目的によって異な
るが、通常１０〜１０００μｍの範囲で選ばれる。

次に、本発明方法による膜状ダイヤモンドの成長過程の
１例を電子顕微鏡写真図で示すと、第３図（Ａ）は反応
前の基体表面に設けられたダイヤモンド微粒子層の状態
、第３図（Ｂ）　、（Ｃ）及び（Ｄ）は、それぞれＣＶ
Ｄ法による反応開始１５分後、３０分後及び６０分後の
基体表面の状態を示す。

このようにして形成された膜状ダイヤモンドは各種ダイ
ヤモンド工具をはじめ、光学用材料、電気材料、化学工
業材料などに好適に用いられる。

該膜状ダイヤモンドを用いた工具作成の例を示すと、基
体を付けたまま、膜状ダイヤモンドを工具基体上にロウ
付けしたのち、該基体を適当な手段によって取り除くこ
とにより、所望のダイヤモンド工具を作成することがで
きるし、あるいは基体として適当な線材を用いて、膜状
ダイヤモンドの被覆層を形成させることにより、このも
のを直接ワイヤー切断機などのワイヤーとして用いるこ
ともできる。

ざらに又、基体表面上にダイヤモンド微粒子層を数十μ
ｍ以上の厚さに厚く設けた後に、気相合成法によりダイ
ヤモンドを析出させると、気相合成法により析出したダ
イヤモンドがあたかも最初に敷き詰めたダイヤモンド粒
子相互に対してバインダーのような働きを示し、それら
のダイヤモンド粒子同志が集合合体したダイヤモンド多
結晶体を作成することもできる。

［実施例］ 次に実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本
発明はこれらの例によってなんら限定されるものではな
い。

実施例１ 第１図に示すように、シリコン基体上に、平均粒径２〜
４μｍの合成ダイヤモンド粉末を沈降法により敷き詰め
た。この基体を用いて、電子線照射ＣＶＤ法により、雰
囲気温度８００℃、フィラメント温度１８００℃、圧力
４０Ｔｏ　ｒ　ｒ。

ＣＨ、／　Ｈ２容ユ比１ｇ１ｏｏ、加速電圧］、５０Ｖ
。

電流密度１０　ｍＡ　／　ｃｍ２、反応時間１ｈｒの条
件にて膜状ダイヤモンドを析出させた。第３図は、膜状
ダイヤモンドの成長過程を示す電子間＠鏡写真図であり
、（Ａ）　、（Ｂ）　、（Ｃ）及び（Ｄ）は、それぞれ
反応前、反応開始１５分経過後、３０分経過後及び６０
分経過後の状態を示す。

この方法による成膜速度は１０μｍ／ｈｒであったが、
同様な実験条件下で、平均粒径２〜４μｍのタイヤモン
ド扮末を用いて表面傷を形成させたンリコン基体の表面
に、膜状ダイヤモンドを析出させたところ、成膜速度は
２．５μｍ／ｈｒであった。このことから本発明による
方法はきわめて成膜速度が速いということが裏付けられ
る。

実施例２ 第２図に示すように、モリブデン基体上に平均粒径１〜
２μｎｌの合成ダイヤモンド粉末層を５００　ＩＨｔ／
　ｃｍ２の圧力で設けたのち、直流プラズ？ＣＶＤ法に
より、圧力２００Ｔｏｒｒ１基体温度７５０°Ｃ，ＣＨ
７／Ｈ２容量比１：１００．反応時間４ｈｒの条件下で
ダイヤモンドを析出させたところ、厚さ１００μｍの膜
状ダイヤモンドを得ることができた。

この膜状ダイヤモンドを超硬合金製スローアウェイチッ
プ基体上にロウ付けしたのち、機械的衝撃によって容易
にモリブデン析出基体を取り除き、研磨刃付は加工をす
ることによって気相合成多結晶ダイヤモンド工具を作成
した。

［発明の効果］ 本発明方法によると、従来行われている高硬度粉末など
による基体の前処理を施さなくても、均一で良質の膜状
ダイヤモンドをより速い速度で形成させることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、それぞれ基体表面に沈降法及び加
圧法によりダイヤモンド微粒子層を設けた状態を示す模
式図、第３図（Ａ）〜（Ｄ）はＣＶＤ法による膜状ダイ
ヤモンドの成長過程の１例を示す成長表面の粒子構造の
電子顕微鏡写真図である。 第 図 （Ａ） （Ｂ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　気相合成法により基体表面に膜状ダイヤモンドを形
   成させるに当たり、あらかじめ該基体表面に平均粒径１
   ０μｍ以下のダイヤモンド微粒子層を設けておくことを
   特徴とする膜状ダイヤモンドの製造方法。