JPH02267193A - 燃焼炎法ダイヤモンド合成方法及び合成用ガスバーナー - 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） 本発明は耐摩耗性、耐蝕性、高熱伝導性、高電気絶縁性
、広域光学的透明等の優れた特性を有し、研摩材、研削
材、超硬工具材、光学材用部材等に有用な膜状のダイヤ
モンドの気相法による燃焼炎法合成方法及び同合成方法
の実施に好適なガスバーナーに関する。

〈従来の技術〉 ダイヤモンドの合成法としては、超高圧高温条件下での
、鉄、ニッケル系等の触媒による合成法や爆薬法による
黒鉛の直接変換法が従来より実施されている。

近年低圧＋１．ＶＤ法として、炭化水素又は窒素、酸素
等を含む有機化合物と水素との混合ガスを熱フィラメン
ト、マイクロ波プラズマ、高周波プラズマ、直流放電プ
ラズマ、直流アーク放電等により励起状態としてダイヤ
モンドを合成する方法が開発されている。

さらに最近、本件出願人は燃焼炎中の非酸化性領域での
ダイヤモンドの合成法を開発し、特願昭６３−７１７５
８号として出願しており、本件発明はこの方法を更に発
展させた方法とそれを実現するための燃焼炎生成用ガス
バーナーに関する。

〈発明が解決しようとする課題〉 特願昭６３−７１７５８号の発明は、従来法に比べ、簡
易な手段で、しかも大面積の膜状ダイヤモンドをも生成
しつる気相合成法であって、その要点は炭素を含むダイ
ヤモンド析出用原料化合物を不完全燃焼領域を有するよ
うに燃焼させ、該不完全燃焼領域中、又は該領域の近傍
の非酸化性雰囲気中に、ダイヤモンド析出用基材を設置
し、基材温度をダイヤモンド析出温度に保持することに
より基材にダイヤモンドを析出させる方法である。

この方法は炭素を含む原料化合物により燃焼炎を形成さ
せるのみで基材上にダイヤモンドを析出させることが可
能であり、従来のＣＶＤ法に比べ画期的に優れた方法で
あるが実用化のためにはダイヤモンド析出面積の更なる
増大や析出物の均質性制御が強く望まれている。

本件発明はダイヤモンドの析出面積増大及び均質化の向
上促進を目的とする。

く課題を解決するための手段〉 本発明者らは低圧ＣＶＤ法に関し、特に励起手段につい
て種々検討を重ねた結果、熱フィラメントでは熱プラズ
マ、マイクロ波ではマイクロ波プラズマ、直流アーク放
電ではアク放電プラズマなど、すべてプラズマ状態がダ
イヤモンド合成に大きく関与しているとの結論を得、こ
れにより燃焼による燃焼炎もプラズマ状態であることに
より、この燃焼炎を利用すれば従来法に比し容易にダイ
ヤモンドを合成しつると判断し、特願昭６３−７１７５
８号として出願した。

更にダイヤモンド析出領域の拡大、析出ダイヤモンドの
均質化を目的として研究の結果、燃焼炎外炎部外側に不
活性ガスを流通させることにより、目的を達しつる事を
見出し本発明を完成させた。

即ち本発明はダイヤモンド析出用原料化合物に酸素を添
加し、不完全燃焼領域が存在するように燃焼炎を形成し
、該不完全燃焼領域中、又は該領域の近傍の非酸化性雰
囲気中に、ダイヤモンド析出用基材を設置し、基材温度
をダイヤモンド析出温度に保持することにより基材にダ
イヤモンドを合成するに際し、燃焼炎周囲に不活性ガス
流を形成し、酸素の拡散を減少させダイヤモンド析出領
域の増大を行なう事を特徴とする気相法ダイヤモンドの
合成法、同方法に使用するための燃焼炎生成用ガス吹き
出し口が、周囲を包囲されるように不活性ガス吹き出し
管が、二重に配置されている燃焼炎法ダイヤモンド合成
用ガスバーナー及び燃焼炎生成用ガス吹き出し口周囲に
、多数の不活性ガス吹き出し管が配置されている燃焼炎
法ダイヤモンド合成用ガスバーナーに関する。

尚本発明の方法により合成されるダイヤモンドにはダイ
ヤモンド様炭素を含む。

先ずダイヤモンド合成用原料ガスについて説明する。

炭素源として次に示す各種の化合物が使用できる。

メタン、エタン、プロパン、ブタン等の飽和炭化水素、
エチレン、プロピレン、ブチレン、アセチレン等の不飽
和炭化水素、ベンゼン、スチレン等の芳香族炭化水素、
エチルアルコール等のアルコール類、アセトン等のケト
ン基を含む化合物、ジエチルエーテル等のエーテル類、
その他アルデヒド化合物、含窒素化合物、−酸化炭素等
すべてが使用可能である。又、前述の化合物は１種又は
２種以上を混合して用いることができる。

これらの炭素源化合物に必要により酸素更に非酸化性ガ
スとしてＮ２、Ａｒ、　Ｎ２、Ｃ０１Ｃ０２、Ｎ２０等
のガスを混合し、燃焼させる。

更に炭素源として固体の炭素、黒鉛等を前記化合物と水
素、酸素の混合ガスの燃焼炎中て、気化、燃焼、水素化
等の反応を介して炭素源として用いる事も可能である。

本発明においては前記のダイヤモンド合成用原料ガスを
不完全燃焼領域が存在するように燃焼させて燃焼炎を形
成させ、該不完全燃焼領域中又は炎外の非酸化性でかつ
炎の近傍のダイヤモンド析出可能に励起された領域に、
ダイヤモンド析出成長面を常に存在させる事が必要であ
る。

次に前記燃焼炎法ダイヤモンドの合成方法を実施するた
めの本発明のガスバーナー及び同ガスバーナーを用いて
の本発明の燃焼法について図面により説明する。尚バー
ナー自身は公知の構造であり、ガス吹き出し口に特徴が
あるので、その部分のみ図示する。

第１図、第２図は本発明の代表的なガスバーナーを用い
て、本発明の燃焼炎を形成している説明図、第３図は従
来のガスバーナを用いて従来法により燃焼炎を形成して
いる説明図、第４図、第５図は夫々、第１図のＡ−’Ａ
線、第２図のＢ　−Ｂ　ｍの断面図を示す。

図において、１，１′はガス吹き出し口、２は環状不活
性ガスノズル、３，３゛は燃焼炎の内炎、４．４′は同
外炎、５は吹き出し口周囲に複数個配置された不活性ガ
ス吹き出し管を示す。

尚第１図に示す環状不活性ガスノズル２はスリットであ
る事が好ましい。更に第１図のガスバーナーは図面より
明らかなように燃焼炎生成用ガス吹き出し口が周囲を包
囲されるように不活性ガス吹き出し管が二重に配置され
ている。

第３図に示すように通常燃焼炎は長く伸びた外炎４′中
に短い円節３′が存在する。この場合は不活性ガスの流
通はない。

本発明を示す第１図、第２図においては、不活性ガスノ
ズル２、不活性ガス吹き出し管５には、例えばアルゴン
が矢印方向に流通している。このため内炎３は長さが著
しく増大し、更にその太さも増大している。一方外炎４
は不活性ガスにより、ガス吹き出し口に近い部分では消
失し、内炎の頂点に近い部分より図に示す如く形成され
ている。尚第１図、第２図に示す内炎、外炎の形状は一
例であって燃焼炎の形成条件、不活性ガスの種類、流量
等によりその形状が決定される。本発明の燃焼炎法合成
法において、従来の燃焼法と同様、その基板は内炎内に
少なくともその一部が存在するように設置することが必
要である。

ダイヤモンド析出用基材は通常低圧ＣＶＤ法で用いられ
るものが使用できる。即ちｓ１ウェハー、ＳｉＣ焼結体
、ＳｉＣ粒状物の外にＷ、ＷＣ，Ｍｏ、　ＴｉＣ、Ｔｉ
Ｎ　、サーメット、超硬合金工具鋼、合金工具鋼、高速
度鋼等の形状物及び粒状物を例示できる。

ダイヤモンドが析出する領域は燃焼炎中の通常内炎と称
される酸素不足の領域である。

−数的に酸素過剰領域は高熱で例えばダイヤモンドが形
成されても、過剰の酸素によりｃｏ、　ｃｏ□となり消
失する。即ち、ダイヤモンド析出領域は酸素不足であり
比較的低温である。そしてこの領域においては原料ガス
より炭化水素ラジカルや炭素ラジカル（活性種）の生成
の条件に励起することが必要である。

本発明方法において炎の温度は３００〜３０００℃、ダ
イヤモンド析出用基材の温度は３００°Ｃ〜１４００℃
の範囲におくことが好ましい。

そしてこの状態では励起が不充分の場合、補助加熱源と
して、通電加熱による発熱体、高周波誘導加熱、レーザ
ー光による加熱方式、赤外線加熱、アーク放電による加
熱等が用いられる。

具体的には加熱領域温度は８００°Ｃ以上、望ましくは
１０００°Ｃ以上、基材温度は３００°Ｃ以上１４００
℃以上に保持すれば良い。

〈実　施　例〉 次に実施例、比較例により本発明を説明する。

実施例 アセチレン酸素バーナーガス吹き出し口（外径１２ｍｍ
φ）の外周に内径１４ｍｍφの銅管を固定し、バーナー
吹き出し管と外周鋼管との間に不活性ガスを流せるよう
にした第１図に示す本発明のガスバーナーを製造した。

このバーナーにダイヤモンド合成原料であるアセチレン
及び酸素をそれぞれ５０ｐ／分、４５１７分（酸素アセ
チレン流量比０９０）の流量で供給し、且つ鋼管とガス
吹き出し口の間にアルゴンを５Ｎ／分の流量で、合成用
原料ガスと並行に供給した。

基板として２０ｍｍＸ　２０ｍｍｘ　３　ｍｍの超硬バ
イトＷＣ−Ｇｏ焼結チップを、燃焼炎に垂直に、ガス吹
き出し口より７ｍｍの距離に設置した。３０分間燃焼し
た後、冷却し、光学顕微鏡により基板上のダイヤモンド
析出状況を観察した。基板全体にダイヤモンド自形を持
つ膜状析出物が見られ、中心より１５ｍｍφまでは結晶
子径１０〜１５ＬＬｍ、それより外周部では基板全面に
わたり６〜１２μｍ程度で、基板エツジの付まはりも良
好であった。

析出膜の顕微鏡ラマン分光によりラマンシフト１３３３
ｃｍ−’のダイヤモンドビーク１本と、１５５０ｃｍ−
’付近に非常にブロードな低いピークを認められた。以
上により析出物はダイヤモンドであることが確認された
。又、膜厚は約４０μｍであった。

比較例　ｊ 実施例のＡｒガス流量を０とした以外全ての条件を同一
として３０分間燃焼を行ない析出物を同様に観察した。

その結果、基板表面には中心より１２ｍｍφにわたり８
〜１４ＬＬｍ程度の結晶子からなる自形を含んだ膜状の
ダイヤモンドが析出した。然し外周部ではダイヤモンド
の析出は見られなかった。又ラマン分光も実施例１と同
様であった。膜厚は約２５１ｔｍであった。

即ちダイヤモンドの析出は実施例より少なかった。

比較例　２ 内径３０ｃｍφ、高さ３５ｃｍ、内容積２５リツトルの
反応容器内に、外径１２ｍｍφのアセヂレン酸素バーナ
ー及び該バーナーにより形成される燃焼炎に対して直交
するように、且つバナー口より７ｍｍの間隔を設けて２
０ｍｍＸ　２０ｍｍＸ３ｍｍの超硬バイトＷＣ−Ｃｏ焼
結チップを設置した。

反応容器内を減圧した後、反応容器内にアルゴンガスな
流入し、圧力を７３０ｔｏｒｒに調整した。

次いで実施例１と同様にバーナーにアセチレン、酸素を
供給し、３０分間燃焼させた。燃焼停止後、反応容器内
を空気に置換した。

基板上の析出物を光学顕微鏡で観察した。

基板中心部に１７ｍｍφにわたり８〜１．５＋、Ｌｍの
自形を持つダイヤモンド結晶子が析出し、その周囲には
３〜９μｍのダイヤモンド結晶子が析出していた。

又、膜厚は約３２μｍであり、膜質はラマン分光測定に
より実施例１と同様であることを確認した。

即ち実施例１に比しダイヤモンドの析出は少ない。

〈発明の効果〉 本発明の燃焼炎法により、従来の燃焼炎法に比し、均質
性の優れた大面積のダイヤモンド結晶を容易に析出しつ
る。特に本発明のガスバーナーは小型で、コンパクトで
あるので、このガスバーナーを用いるダイヤモンド合成
装置も、コンパクトとなり、移動も容易である。

又、本発明の燃焼炎法に於いて本発明のガスバーナーを
移動しつＳダイヤモンドを析出させれば、バーナーを固
定した合成法に比し、長尺又は大面積基材に対するダイ
ヤモンド析出が容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明の代表的な例であるガスバーナ
ーを用いて本発明方法により燃焼炎を形成している説明
図、第３図は従来の方法により燃焼炎を形成している説
明図、第４図、第５図は夫々第１図、第２図のＡ−Ａ線
、Ｂ−Ｂ線の断面図である。 図中、１，１′はガス吹き出し口、２は環状不活性ガス
ノズル、３．３′は燃焼炎の内炎、４．４′は同外炎、
５は吹き出し口周囲に複数個配置された不活性ガス吹き
出し管を示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ダイヤモンド析出用原料化合物に酸素を添加し、
   不完全燃焼域が存在する様に燃焼炎を形成し、 該不完全燃焼領域中、又は該領域の近傍の非酸化性雰囲
   気中に、ダイヤモンド析出用基材を設置し、基材温度を
   ダイヤモンド析出温度に保持することにより、基材上に
   ダイヤモンドを合成するに際し、燃焼炎周囲に不活性ガ
   ス流を配置することを特徴とする燃焼炎法ダイヤモンド
   の合成方法。
2. （２）燃焼炎生成用ガス吹き出し口が周囲を包囲される
   ように不活性ガス吹き出し管が二重に配置されている燃
   焼炎法ダイヤモンド合成用ガスバーナー。
3. （３）燃焼炎生成用ガス吹き出し口周囲に、多数の不活
   性ガス吹き出し管が配置されている燃焼炎法ダイヤモン
   ド合成用ガスバーナー。