JPH0255294A - 気相法ダイアモンドの合成法 - 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〕 本発明は耐摩耗性、耐蝕性、高熱伝導性、高比弾性等の
特性を有し、研磨材、研削材、光学材料、超硬工具材、
摺動材、耐蝕材、音響振動材、刃先材用部材等に有用な
膜状１粒状のダイヤモンドの気相法合成法に関する。

〔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ＣＶＤ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１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、本件発明はこの改善法に当た
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

特願昭８３−７１７５８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
しう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法に比べ画期的にすぐれた方法
であるが実用化のためにはダイヤモンド析出速度のさら
なる増大や析出物の性状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速度および析出面積の
増加を促進することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本件発明者は特願昭ｆ３３−７１７５８号として出願さ
れた発明すなわち燃焼炎法に関し、鋭意研究した結果、
ダイヤモンド析出用原料化合物として使用する炭素を含
む原料ガスまたはこれに混合するガスの少くとも一方を
予熱した後に不完全燃焼領域に導入することによりダイ
ヤモンドの析出速度が増大し、良質なダイヤモンドが析
出することを見出し、本件発明を完成するに至った。

すなわち１本件発明の要旨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
せて気相法ダイヤモンドを合成する方法において、炭素
を含むダイヤモンド析出用原料ガス又はこれに混合する
ガスの少なくとも一方を予熱させた後に不完全燃焼領域
に導入し。

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
ヤモンドを析出させることを特徴とする気相法ダイヤモ
ンドの合成法にあり、また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ライクカーボンを含む
。

以下１本発明の詳細な説明する。

本発明に使用するダイヤモンド合成用炭素源としてはメ
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さらに非酸化性
ガスとしてＨＡｔ、　８２、Ｃ０１ＣＯ２、Ｈ２Ｏ２′ 等のガスを混合し、含酸素又は非含酸素雰囲気中で燃焼
させる。

さら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で、気化、燃焼、水素
化等の反応を介して炭素源として用いることも可能であ
る。又、その際、非酸化性ガスを混合することもできる
。

本発明においては前記のダイヤモンド合成用原料ガス又
は（及び）混合ガスを予熱し、且つ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用基
材を存在させることが必要である。

又、前記のダイヤモンド合成用原料ガスに酸素を添加し
、燃焼を酸素を含まない雰囲気、或は酸素を含む雰囲気
中でダイヤモンド析出状態に励起された不完全燃焼領域
を生成させる具体例とじては、例えば前者についてはア
ルゴン等の雰囲気中での燃焼を、又後者の例としては大
気開放中の燃焼を例示できる。

これらのダイヤモンドの気相合成において、本発明では
原料ガスまたは混合ガスの少なくとも一方を予熱するが
、予熱は炭素含有原料化合物から燃焼炎中で酸素との反
応で分解解離を促進！２、ラジカル化した活性種から例
えば、Ｃ，Ｃ２、Ｃ０１Ｃ０２、ＣＨ３などがダイヤモ
ンド相を形成するのを好適ならしめるものと推定される
。又、水素原子、酸素原子も形成され、ダイヤモンド析
出反応に関与しているものと思われる。このようにラジ
カル化した活性種及び水素原子、酸素原子の生成が原料
ガス又は混合ガスの予熱により一層増大するためにダイ
ヤモンドの析出速度の増加および質的向上が起ったもの
と考えられる。

例えば、アセチレン、スチレン、プロパン、エチルアル
コール、メチルアルコール、ベンゼン等の原料ガスを予
熱し２これに必要に応じて予熱を施した酸素を添加し、
大気開放系で燃焼炎を形成し、酸素添加量の調整により
不完全燃焼域の体積を制御することが可能である。この
場合のアセチレン−酸素炎の不完全燃焼域はアセチレン
フェザ−と呼ばれており、この体積は酸素／アセチレン
比と全ガス量および予熱温度により変化し、制御可能で
ある。特に酸素／アセチレン比は０．５〜２の範囲を用
いることができるが望ましくは０．７５〜１．０の比で
ある。

予熱温度は５０〜４００℃の範囲が好ましい、５０’Ｃ
！未満の場合は本発明の効果が不十分であり、　　２０
０℃を超える場合には爆発などの安全性の対処が必要と
なる。このため予熱温度は原料物質によるが予熱温度が
２００℃以上の場合には発火点より３０’０程度下廻る
温度での予熱が望ましい。

これらの場合のアセチレンフェザ−領域の温度は２００
０〜３０００℃であり、補助励起手段を必要としない、
一般的にはダイヤモンド合成温度は１５００’Ｃ以上が
望ましい、基板温度は８００−１２００”０が適当であ
り、冷却することによりこの基板温度範囲に制御可能で
ある。

上記の外に、ダイヤモンド合成用原料ガスを予熱し、酸
素を添加することなく、含酸素雰囲気中で燃焼させる方
法をとってもよい。

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ＳｉウェハーＳｉＣ焼結体、
　ＳｉＣ粒状物の外にＷ、ＷＣ，Ｎｏ、　　Ｔｉｃ、Ｔ
ｉＮ、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。一般的に酸素過剰領域は
高熱で例えダイヤモンドが形成されても過剰の酸素によ
りＣ０１Ｃ０２となり消失する。すなわち、この領域で
はダイヤモンドは析出しないと考えられる。なお、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（活性種）の生成の条件に励起することが必要であ
る０本発明方法においてダイヤモンド析出用基材の位置
を炎中の３００〜１２００℃の範囲におくことが好まし
い。

本発明では原料ガス等の予熱によりダイヤモンド析出領
域の励起は促進されほとんど補助加熱源は必要としない
が、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を用いてもよい。

以下、実施例、比較例を挙げ本発明をさらに詳しく説明
する。

〔実施例１〕 第１図に示した概略図のようにアセチレンバーナーｌを
下向きに固定し、バーナー火口よりｌｏＩの距離に８■
角厚さ２ｍｍの超硬バイト製基板（ＷＣ−Ｇｏ）２を水
冷支持台に固定した。

アセチレン２．０１７　＋＊ｉｎ　、酸素１．５ｆＬ／
５ｉｎ（酸素アセチレン比０．７５）の流量を各々別の
電熱予熱器３により　１４０℃に予熱した後バーナーに
供給し大気中で燃焼炎を形成させた。基板温度は１０５
０℃であった。この状態で連続２０分間燃焼させた。

反応完了後、基板堆積物を金属、顕微鏡により観察を行
ったところ、ダイヤモンド結晶自形を有する膜で基板余
情が被覆されていることを確認した。又、端部の膜状ダ
イヤモンドの付き回りも良好であった。更にこのダイヤ
モンド膜の顕微レーザーラマン分光分析を行った結果、
ラマンシフト１３３３ｃｍ−１にダイヤモンド結合によ
る鋭いピークを示した。又、膜厚を測定したところ約４
フル謬で良質な膜であることが認められた。

〔比較例〕

実施例工の予熱器を除いた以外は全く同一の装置を用い
、バーナーに供給するアセチレンガス及び酸素ガスの温
度を室温（２５℃）とする以外は同一の条件で燃焼試験
及び各種測定を行った。

基板上の堆積物はダイヤモンド自形を有した膜状であり
、端部材き回りも実施例工とほぼ同じであるが、膜質が
実施例１よりは劣っていた。

又レーザーラマン分光で１３３３ｃｍ−’のダイヤモン
ドピークと１５５０ｃｍ−’付近に広がりのある低いピ
ークが認められたことにより、少量のｉ−カーボン成分
を含有するダイヤモンド膜であると認められた。尚、ダ
イヤモンドの膜厚は約３４に田であった。

〔実施例２〕 プロパン専用バーナーを実施例と同様に下向きに固定し
、バーナー火口より１２ｖｓの距離に超硬バイ）　１３
ｍｍ角厚さ３■サイズの基板を水冷支持台に固定した。

バーナーにプロパン３．３文／ｌ１ｉｎ、酸素７文／Ｉ
ＩＩｎ（酸素／プロパン比＝２：１）を各々の予熱器で
１７０℃に加熱した後にバーナーに導入し、大気中で２
０分間燃焼させた。

燃焼完了後、基板上の堆積物を金属顕微鏡で観察したと
ころ、ダイヤモンド自形を有する膜状析出物であること
が認められた。又、Ｘ線回折とラマン分光測定によりｉ
−カーボン成分を極〈少量含むダイヤモンドであること
を確認した。この膜状析出物の厚さは２５ＩＬｍであり
、基板端部への付き回りも良好であった。

〔発明の効果〕

本発明方法は、極めて簡単な装置での気相法によるダイ
ヤモンド合成を可能とするものであり又スケールアップ
も容易となった。したがって大面積で均質なダイヤモン
ドの析出が可能となった。又、ダイヤモンド析出速度も
早く析出用基体は、板１粒いずれでも同様にダイヤモン
に析出が可能であり、又板表面が曲面であっても何ら析
出に支障はないので、本発明方法により、粒状、膜状の
良質なダイヤモンドを従来の気相燃焼炎法に比し、容易
にうろことが可能になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施するための代表的な装置である実
施例１の方法の概略図である。 １・・・・・・バーナー、　　　２・・・・・・基板３
・・・・・・予熱器 第１図 フ乞子しンがスライン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、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て気相法ダイヤモンド
   を合成する方法において、炭素を含むダイヤモンド析出
   用原料ガス又はこれに混合するガスの少なくとも一方を
   予熱させた後に不完全燃焼領域に導入し、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析
   出させることを特徴とする気相法ダイヤモンドの合成法
   。 ２、炭素を含むダイヤモンド析出用原料化合物に酸素を
   添加し、酸素を含まない雰囲気中で燃焼させることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項の気相法ダイヤモンドの
   合成法。 ３、炭素を含むダイヤモンド析出用原料化合物に酸素を
   添加し、酸素を含む雰囲気中で燃焼させることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項の気相法ダイヤモンドの合成
   法。 ４、炭素を含むダイヤモンド析出用原料化合物に酸素を
   添加することなく、酸素を含む雰囲気中で燃焼させるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項の気相法ダイヤモ
   ンドの合成法。