JPH0288499A - 化学蒸着法によるダイヤモンド製造用の抵抗加熱ヒータ - Google Patents

化学蒸着法によるダイヤモンド製造用の抵抗加熱ヒータ

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JPH0288499A
JPH0288499A JP1213134A JP21313489A JPH0288499A JP H0288499 A JPH0288499 A JP H0288499A JP 1213134 A JP1213134 A JP 1213134A JP 21313489 A JP21313489 A JP 21313489A JP H0288499 A JPH0288499 A JP H0288499A
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panels
reaction chamber
metal wire
gas
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JP1213134A
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Thomas Richard Anthony
トマス・リチャード・アンソニー
Robert C Devries
ロバート・チャールズ・デブリーズ
Richard A Engler
リチャード・アレン・エングラー
Robert H Ettinger
ロバート・ヘルムット・エッティンガー
James F Fleischer
ジェームズ・フルトン・フレイスチャー
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
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    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
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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】 発明の背景 本発明はダイヤモンド結晶の核生成および成長を行わせ
るための改良された化学蒸着装置に関するものであって
、更に詳しく言えば、互いに平行に離隔した状態にある
1対の直立した基体表面およびそれらの間に配置された
直流抵抗加熱ヒータ素子を含むような化学蒸着装置に関
する。
先行技術の説明 1986年12月22日に提出された米国特許出願第9
44729号明細書中には、白熱温度下にあるタングス
テン線の抵抗加熱ヒータに接触させるのと同時にマイク
ロ波エネルギーに暴露することによって水素−炭化水素
混合ガスを活性化するような装置および方法が開示され
ている。このようにして活性化された混合ガスを好適な
材料から成る基体に接触させれば、基体上にダイヤモン
ド結晶の核生成および成長が起こるのである。また、上
記の特許出願明細書中にはカモ(Ilamo)の米国特
許第4434188号が引用されているが、その明細書
中にはマイクロ波および熱エネルギーを個別に適用して
水素−炭化水素混合ガスを活性化する方法が開示されて
いる。かかる混合ガスを加熱された基体に接触させれば
、やはり基体上にはダイヤモンド結晶の核生成および成
長が起こる。
上記のごとき方法は化学蒸着法(cVD法)と呼ばれる
。ダイヤモンド結晶を製造するためのCVD法に付随す
る問題点は、各々の作業サイクルから得られるダイヤモ
ンド結晶の収量が比較的少ないことである。
発明の目的 本発明の目的の1つは、ダイヤモンド結晶製造のための
化学蒸着法を実施するために役立つ改良された装置を提
供することにある。
ま・た、化学蒸着サイクルから得られるダイヤモンド結
晶の収量の増加をもたらす改良されたダイヤモンド製造
用化学蒸着装置を提供することも本発明の目的の1つで
ある。
更にまた、基体表面上におけるダイヤモンド結晶の核生
成および成長を増加させるために役立つ基体表面積の顕
著な増大を示す改良されたダイヤモンド製造用化学蒸着
装置を提供することも本発明の目的の1つである。
本発明の上記およびその他の目的や利点は、添付の図面
を参照しながら以下の詳細な説明を考察することによっ
て一層容易に理解されよう。
発明の要約 本発明の化学蒸着装置には、ダイヤモンド結晶の核生成
および成長のために役立つ表面積の増大を示す基体が含
まれている。かかる基体は、互いに平行に離隔しながら
向かい合った1対の直立した平面状パネルから成ってい
る。これらのパネルの間には、直線状の直流抵抗加熱ヒ
ータが該パネルと平行に配置されている。
好適な実施の態様の説明 本発明を迅速に実施するために役立つ装置が第1図に示
されている。第1図について説明すれば、装置10は耐
熱材料(たとえば石英)から成りかつ両側に閉鎖端12
および13を有する中空円筒状の反応室11を含んでい
る0反応室11内には、1対の平坦な長方形基体パネル
14および15が互いに平行に離隔した状態で同心的に
配置されている。パネル14および15は所定の間隔を
保ちながら互いに平行な状態で懸垂されている結果、閉
鎖端12に設けられたガス流入口16を通して反応室1
1内に流入したガスはパネル14および15の間を流れ
、そして閉鎖端13に設けられたガス流出口17を通し
て反応室11から流出することになる。パネル14およ
び15の間には、小径の直線状タングステン線フィラメ
ント18から成る抵抗加熱ヒータが両パネルから等しい
距離を保ちながらそれらと平行に配置されている。フィ
ラメント18は電気リード線19および20によって直
流電源21に接続されている。フィラメント18は、パ
ネル14および15の全長にわたり、パネル14および
15から所定の距離だけ離隔した状態に保持されている
。パネル14および15が図示のごとく一定の間隔をも
って平行に配置された状態に保持されるようにするため
、それらは反応室11内においてサブアセンブリを成し
ている。かかるサブアセンブリは、第2図中にサブアセ
ンブリ22として一層明確に図示されている。
第2図について説明すれば、サブアセンブリ22は互い
に並置された1対の長方形パネル14および15と小径
の短い石英管部材23とから成っている0石英管部材2
3は一方のパネル(たとえばパネル14)の各々のかど
部から垂直に伸びて他方のパネル15の対応するかど部
に結合されていて、それによりパネル14および15は
互いに平行に離隔した状態に保持されている0両パネル
の各々のかど部には石英管部材23の内腔と整列するよ
うに小さい開口が設けられている。一方のパネルの開口
から小径の短い金属線(たとえばタングステン線)24
が挿入され、そして石英管部材23を貫通して他方のパ
ネルの開口から引出される。かかる金属線24の両端を
折曲げることにより、金属線24が石英管部材23内に
保持されると共に、パネル14および15と石英管部材
23とが合体させられる。かかるサブアセンブリ22に
おけるパネル14および15の離隔距離は、石英管部材
23の長さによって決定される。1対のパネル14およ
び15を含むサブアセンブリ22は、第1図に示される
ごとく、小形のJ形フック支持体25によって吊下げる
のが簡便である。
本発明の実施に際しては、所定の水素−炭化水素混合ガ
ス(たとえば、水素とメタンとの混合ガス)が閉鎖端1
2に設けられたガス流入口16を通して反応室11内に
導入され、フィラメント18に接触しながらそれに沿っ
てパネル14および15の間を流れ、そして閉鎖端13
に設けられたガス流出口17を通して反応室11から排
出される。フィラメント18には電源21から十分な電
流が供給され、それによって白熱状態に加熱される。こ
のような条件下において、ガス流が白熱状態のフィラメ
ント18に接触して活性化される。
かかるガス流はパネル14および15にも接触するが、
パネル14および15はフィラメント18よりも低温で
あるため、かかるパネル(とりわけ、フィラメント18
に対面する側の表面)上にはダイヤモンド結晶の核生成
および成長が起こる。パネル14および15は化学蒸着
装置10における1対の基体表面として役立つが、これ
ら2枚のパネルに対して1本のフィラメント18を使用
すれば事足りる。パネル14および15は、CVD法に
おいてダイヤモンド結晶の核生成および成長を誘起する
ような材料を含有するか、あるいはかかる材料から作製
される。好適な材料としては、高温および高炭素含量の
ガスの存在下において炭化物を生成する傾向の強い金属
が挙げられる。パネル14および15を作製するために
有用な金属の代表例は高融点金属であって、実際にモリ
ブデンを使用したところ良好な結果が得られた。一実施
例においては、9,0インチX1.25インチX l/
16インチ(厚さ)の寸法を有する長方形のモリブデン
ストリップがパネル14および15として使用された。
ダイヤモンド結晶の核生成および成長に有利な影響を及
ぼすその他の材料をパネル14および15と組合わせて
使用することもできる。かかる材料の実例はホウ素およ
び炭素である。CVD法において使用するための基体に
は、高炭素含量のガス(たとえばメタン)中に配置しな
がらくたとえば900℃の)高温に暴露することから成
る前処理を施すことができる。このような前処理は基体
を炭素で飽和させ、それによって化学蒸着用の混合ガス
から基体材料中に炭素が余分に拡散するのを抑制する。
上記のごとき拡散は、ダイヤモンド結晶の成長過程にお
いて利用し得る炭素を減少させるものと考えられている
。なお、黒鉛型の炭素はダイヤモンド結晶の核生成を促
進することが判明しているのであって、黒鉛で標識した
基体区域には優先的にダイヤモンド結晶の核生成が起こ
ることが判明している。ホウ素もまた、順著なダイヤモ
ンド結晶核生成・成長促進剤であることが判明している
。基体上にホウ素を使用すれば、収量および結晶粒度の
両方が向上する。パネル14および15をホウ素で処理
するための簡便な方法としては、エタノールのごとき液
体媒質中に微小粒度の元素状ホウ素を混合し、そしてか
かる混合物を基体の所望区域に塗布すればよい0本発明
の一実施例においては、約0.5ミクロンの平均粒度を
持った微粒状のホウ素とエタノール媒質との混合物がパ
ネル14および15の対向面に塗布された。
ダイヤモンド製造のためのCVD法を実施する際には、
フィラメント18は白熱温度に維持されるが、その温度
は軽微な装置変動などの環境条件に応じて多少の変動を
生じることがある。室温がらの加熱時に見られる温度変
化をはじめとする温度変動は、フィラメント18中に温
度由来の応力を誘起する。かかる応力がフィラメント1
8の屈曲や螺旋化を引起こす結果、フィラメント18と
パネル14および15との間隔が変化することになる。
最良の結果を得るためには、フィラメント18がパネル
14および15に対して一定の間隔で離隔した状態を維
持することが必要である。たとえば、約aommの間隔
を保持すれば良好な結果が得られることが判明している
。フィラメント18が白熱温度に維持されている場合、
それの固有強度は原著に低下しており、従って所定の離
隔状態を保持するための機構を取付けるとフィラメント
18の切断や有効寿命の短縮を招く傾向がある。
それ故1本発明の実施の一態様に従えば、パネル14お
よび15の全長に沿ってフィラメント18の離隔距離を
一定に保つため、釣合い系を構成する極めて精密なトル
ク・てこ手段が使用される。
本発明において使用される釣合い系の一例が第1図中に
釣合いアセンブリ26として示されている。
かかる釣合いアセンブリ26およびそれの機能について
、第3および3A図を参照しながら一層詳しい説明を行
うことにする。
第3図に示されるごとく、釣合いアセンブリ26は閉鎖
端13を貫通して反応室11内に才で伸びる棒部材27
を含んでいる6反応室11の内部においてはフィラメン
ト18の一端が棒部材27に連結されている一方、反応
室11の外部においては極めて柔軟な銅の編組線28の
一端が棒部材27に電気的に接続されており、かつ編組
線28の他端は終端コネクタ29に接続されている。棒
部材27は、低摩擦のころがり軸受30を通して反応室
11内に伸び、かつ軸方向に沿って往復運動を行うこと
ができる0反応室11の外部に位置する棒部材27の末
端には横方向に伸びるレバーアーム31が連結されてい
る。レバーアーム31の自由端は所定の重り32を支持
している0重り32と棒部材27との間には支点Fが存
在していて、そこにケーブル33が固定されている。ケ
ーブル33は、閉鎖端13に取付けられてレバーアーム
31と垂直な方向に懸垂した滑車部材34に掛けられ、
そして釣合い重り35を支持している。
レバーアーム31に沿って支点Fから棒部材27までの
距離をXで表わし、かつレバーアーム31に沿って支点
Fから重り32の中心までの距離をlで表わす0図示の
ごとく、ケーブル33は重り32および棒部材27の合
計重量を支持している。
フィラメント18の温度が室温から白熱温度にまで変化
する本発明の実施期間中において、フィラメント18を
パネル14および15から適当な距離だけ離隔した直線
の状態に保持するためには、初期重量の一部(たとえば
、棒部材27の重量を適当な重りと釣合わせることによ
って得られる重量)を利用すれば好都合であることが判
明した。
ところで、フィラメント18が白熱温度に達するとそれ
の引張強さは原著に低下するから、フィラメント18に
比較的小さい引張力が加わっても過度の伸びや切断が起
こる。従って、釣合いアセンブリ26の主たる目的は、
フィラメント18が白熱温度に達した場合にそれに加わ
る引張力を実質的にゼロにまで低下させることにより、
フィラメント18の屈曲、螺旋化および過度の伸びを抑
制することにある。このような目的を達成するためには
、第3A図の力関係図に従って重り32および35を適
当に選定することにより、棒部材27に加わる数学的モ
ーメントを実質的にゼロに低下させればよいわけである
次に、第3A図について説明すれば、公知の力学的原理
を適用することによって下記の関係式が導き出される。
Rx=M/ Cw 工R+M 上記式中、Rは棒部材27の重量、Xはレバーアーム3
1に沿って支点Fから棒部材27までの距離、Mは重り
32の重量、lはレバーアーム31に沿って支点Fから
重り32までの距離、そしてCwはケーブル33を介し
てレバーアーム31の支点Fに作用する釣合い重り35
の重量である。
第3A図の解析結果に基づいて第3図の釣合いアセンブ
リ26を使用すれば、白熱状態のフィラメント18をパ
ネル14および15から適当な距離だけ離隔した状態に
保持するための手段が得られることになる。あるいはま
た、ばね手段を利用した適当な系を使用することにより
、フィラメント18とパネル14および15との間に所
定の距離を維持しながら白熱温度においてフィラメント
18に加わる引張力をゼロに低下させることも可能であ
る。
直流電源21の使用もまた、フィラメント18の有効寿
命を長くするための重要な要因である。
交流電源の使用はフィラメント18中に有害な振動を引
起こし、それによって有効寿命の短縮をもたらす、かか
る振動は、交流電源に固有の周波数(通常の60サイク
ル電源の場合には毎秒60サイクルの周波数)に由来す
るものである。直流電源21を使用すれば、フィラメン
ト18中における交流振動の発生は回避されることにな
る。フィラメント18への電力供給用として直流電源2
1を使用することに加えて、直流電源21はフィラメン
ト18に対して電気的に負のバイアスが印加されるよう
に接続される。このようにすれば、フィラメント18の
寿命が伸びると共に、パネル14および15上における
ダイヤモンド結晶の核生成および成長が向上するのであ
る。
第1図の装置においてCVD法が繰返して実施された。
各回の操作に際し、フィラメント18は白熱温度に維持
された。約99.0 (容量)%の水素と約1.0(容
量)%のメタンとから成る混合ガスを反応室11内に導
入することにより、反応室11の内部には約0.5〜約
3.0 cc 7分のガス流量が得られた。フィラメン
ト18に対面するパネル14および15の表面には、0
.5ミクロンの平均粒度を持った微粒状のホウ素を含有
するエタノールが塗布された。各回の操作に際しては、
混合ガスの成分や比率、ガス流量、およびフィラメント
18への供給電力のごとき作業パラメータが数時間がら
約100日までの期間にわたって一定に保たれた。その
結果、パネル14および15のホウ素被覆表面上には、
約2−から1 am (最長作業期間の場合)までの厚
さを有するダイヤモンド層が形成された。冷却時におい
て、ダイヤモンド層をパネル14および15から機械的
に剥離することにより、一体止した自立状態のダイヤモ
ンド薄板が得られた。かかるダイヤモンド薄板はパネル
14および15から容易に剥離し得るが、その理由の1
つはパネル14および15の表面上にホウ素が存在する
ことにあると考えられる。すなわち、全てのホウ素がC
VD法に関与するわけではないのであって、一部はダイ
ヤモンド層とパネル14および15との間に強固な結合
が形成されるのを妨げるのである0本発明によって得ら
れたダイヤモンド薄板を詳細に調べなところ、それらは
多結晶質であると共に極めて高度の耐摩耗性を有してい
て、原著な臂開面や軟質の摩耗方向は示さないことが判
明した。こうして得られたダイヤモンド薄板は平坦な表
面を有していた。約50−より小さい厚さの薄板は灰色
を呈し、かつやや半透明の外観を有していた0本発明の
一実施例においては、ダイヤモンド層を形成すべきパネ
ル14および15の表面に直線状の溝が設けられた。形
成されたダイヤモンド層を基体表面から剥離したところ
、溝がダイヤモンド層に対する型として作用した結果、
ダイヤモンド層上にも溝が再現されていた。こうして得
られたダイヤモンド薄板は溝の線に沿ってきれいに切断
することができたので、本発明によれば所望形状のダイ
ヤモンド薄板を製造し得ることがわかる。このように、
本発明は多結晶質薄板の状態でダイヤモンド結晶の核生
成および成長を生起させるような改良された化学蒸着装
置を提供するものである。
以上、好適な実施の態様の関連して本発明を説明したが
、前記特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸
脱することなしに様々な変更態様が可能であることは当
業者にとって自明であろう。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明を実施するために役立つ好適な装置の概
略断面図、第2図は第1図中の線2−2の位置から見た
第1図の装置の概略上面図、第3図は第1図の装置にお
いて使用される釣合い系の略図、そして第3A図は第3
図の釣合い系に関する力関係図である。 図中、10は化学蒸着装置、11は反応室、12および
13は閉鎖端、14および15は基体パネル、16はガ
ス流入口、17はガス流出口、18はタングステン線フ
ィラメント、19および20は電気リード線、21は直
流電源、23は石英管部材、24は金属線、25はJフ
ック支持体、2.6は釣合いアセンブリ、27は棒部材
、28は編組線、29は終端コネクタ、30はころがり
軸受、31はレバーアーム、32は重り、33はケーブ
ル、34は滑車部材、そして35は釣合い重りを表わす
。 FIG、  / FIG。 CW FIG。 A

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、(a)両側に閉鎖端を有する反応室、 (b)前記反応室内にガスを導入すると共に、前記反応
    室からガスを排出するため、前記閉鎖端にそれぞれ設け
    られたガス導入手段およびガス排出手段、 (c)互いに平行に離隔しながら向かい合った1対の直
    立した平坦な基体表面であって、前記ガス導入手段から
    のガスが前記基体表面間を流れて前記ガス排出手段から
    流出し得るようにして前記反応室内に配置された基体表
    面、 (d)前記基体表面間を流れるガスを加熱するため、前
    記基体表面の全長にわたり、前記基体表面から所定の距
    離だけ離隔しながら前記基体表面間に直立状態で配置さ
    れたヒータ手段、並びに (e)前記ヒータ手段を前記基体表面から前記のごとく
    離隔した状態に維持するための手段の諸要素から成るこ
    とを特徴とする、化学蒸着法を実施するための装置。 2、前記ヒータ手段が前記基体表面から離隔しながらそ
    れの全長に沿って配置された直線状フィラメントの抵抗
    加熱ヒータから成る請求項1記載の装置。 3、前記フィラメントが直流電源に接続されている請求
    項2記載の装置。 4、前記フィラメントに対して電気的に負のバイアスが
    印加されるようにして前記フィラメントが直流電源に接
    続されている請求項2記載の装置。 5、前記フィラメントが小径の金属線である請求項2記
    載の装置。 6、前記金属線がタングステン線である請求項5記載の
    装置。 7、前記金属線の一端が前記電源からの電気リード線に
    接続されており、かつ前記金属線の他端が懸垂状態の棒
    部材に連結されている結果、前記棒部材の重量が前記基
    体表面間において前記金属線を前記基体表面から離隔し
    た直線の状態に保持するために役立つ請求項5記載の装
    置。 8、前記金属線が白熱温度に達した場合に前記金属線に
    加わる前記棒部材の引張力をほぼゼロに低下させる釣合
    い系が前記棒部材に付属している請求項7記載の装置。 9、前記釣合い系が、 (a)前記棒部材に連結されて横方向に伸びかつ自由端
    を有するレバーアーム、 (b)前記自由端上に配置されかつそれによって支持さ
    れた所定の重り、並びに (c)支点支持体として前記棒部材と前記重りとの中間
    において前記レバーアームに固定され、かつ前記重りお
    よび前記棒部材と共に前記レバーアームを釣合い状態で
    支持するたわみケーブル手段から成る請求項8記載の装
    置。 10、前記釣合い系が前記反応室の閉鎖端に取付けられ
    た滑車部材に掛けられたケーブルによつて前記反応室か
    ら懸垂されていて、前記ケーブルが前記重りおよび前記
    棒部材の合計重量を支持している請求項9記載の装置。 11、前記ケーブルが前記支点において前記レバーアー
    ムを支持する釣合い重りに連結されている請求項10記
    載の装置。 12、(a)反応室内に1対の平面状ストリップを互い
    に平行に離隔した状態で配置し、(b)前記ストリップ
    の間に細長い抵抗加熱ヒータ素子を前記ストリップと平
    行に支持し、 (c)前記ヒータ素子の温度を約2000℃以上にまで
    上昇させ、 (d)前記ストリップ間において前記ヒータ素子を前記
    ストリップから離隔した直線の状態に保持し、 (e)前記反応室内に水素−炭化水素混合ガスを導入し
    て前記ヒータ素子および前記ストリップに接触させなが
    ら流すことにより、前記ストリップの全域にわたってダ
    イヤモンド結晶の核生成および成長を生起させてダイヤ
    モンド層を形成し、次いで (f)一体化した自立状態の多結晶質ダイヤモンド薄板
    として前記ダイヤモンド層を前記ストリップから剥離す
    る諸工程から成るダイヤモンド薄板材料の製造方法。
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