JPH04139091A

JPH04139091A - ダイヤモンドの製造方法

Info

Publication number: JPH04139091A
Application number: JP25906090A
Authority: JP
Inventors: Shinji Arai; 荒井　真次; Masato Kamata; 鎌田　真人
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-09-28
Filing date: 1990-09-28
Publication date: 1992-05-13

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明はダイヤモンドの製造方法に関し、特に大面積の
膜状又は板状の単結晶ダイヤモンドの製造方法に関する
。

（従来の技術）近年、低圧下での気相成長法によるダイヤモンドの合成
が可能となり、この気相合成ダイヤモンドの種々の工業
的応用が考えられている（［ダイヤモンド薄膜」犬塚、
浜辺、産業図書、１９８７年など参照）。ダイヤモンド
を気相から合成する方法として、各種の化学気相成長法
（ＣＶＤ法）や物理気相成長法（ＰＶＤ法）が知られて
いる。これらの方法において、ダイヤモンドの析出は、
下地あるいは基板と呼ばれる基体の表面に行われるのが
一般的である。気相から合成されたダイヤモンドは、基
体に付いた状態で使用される用途と、何らかの方法によ
って基体を除去したり基体から分離された状態のダイヤ
モンド単体としての用途が考えられる。例えば、基体付
きのダイヤモンドは、被覆工具、耐食性保護膜、耐磨耗
摺動部材、スピーカー用被覆振動板などへの応用が検討
されている。ダイヤモンド単体は、ダイヤモンドを工具
基体にろう付けした超硬チップや、るつぼ、バイブなど
の成形体、スピーカー振動板、ヒートシンクなどへの応
用が検討されている。

基体材料としては、上記用途に応じて種々の材料が選択
される。例えば、被覆工具に対しては超硬合金、スピー
カー用被覆振動板に対してはアルミナ（Ａｇ２Ｏ３）焼
結体、ダイヤモンド単体の製造用にはシリコン（Ｓｌ）
などが挙げられる。

ダイヤモンド自身も優れた基体材料であり、次のような
特徴を有している。基体としてのダイヤモンドは、他の
材料と比べてダイヤモンドの析出反応に対して化学的に
安定で、基体物質に由来する不純物の混入が起こらない
ため、高純度のダイヤモンドを成長させることができる
。また、ダイヤモンド上では、他の基体材料上に比べて
ダイヤモンドがエピタキシャル成長しやすいため、結晶
性の優れたダイヤモンドを成長させることができる。

特に、ダイヤモンドの・単結晶面を基体として用いた場
合には、単結晶を製造することもできる。また、ダイヤ
モンド以外の基体材料を使用する場合には、ダイヤモン
ドの析出を加速するための基体表面活性化処理、例えば
ダイヤモンド粉末で研磨するなどの処理がよく行われる
が、ダイヤモンドの基体ではこのような処理は必要ない
。

しかし、天然産又は高圧法で合成されたダイヤモンドの
うち大形のものは高価であるため、工業的な用途に使用
するのは不適当である。このため、基体としては小形の
ダイヤモンドを使用せざるを得ないが、小型ダイヤモン
ドからなる基体は析出面積が小さいため、大面積にダイ
ヤモンドを析出させることが困難である。

（発明が解決しようとする課題）前述したように、ダイヤモンドの製造及び用途にとって
、基体材料は重要な役割を果たしている。基体としてダ
イヤモンドを用い、ダイヤモンドを気相析出させる従来
の方法では、基体が小形であるために大面積にダイヤモ
ンドを析出させることが困難であった。

本発明の目的は、基体としてダイヤモンドを用い、大面
積にダイヤモンドを気相析出させることによって、高純
度で結晶性の優れた大形のダイヤモンドを製造できる方
法を提供することにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明のダイヤモンドの製造方法は、基体表面にダイヤ
モンドを気相析出させる方法において、前記基体として
、同一結晶方位の単結晶面をもつ複数個のダイヤモンド
を同一結晶方位の面が表面となるように互いに接触させ
て並べたものを用いることを特徴とするものである。

本発明において、基体として用いられる個々のダイヤモ
ンドは、天然産のものでもよいし、高圧合成法又は気相
成長法により製造された単結晶であってもよい。また、
個々のダイヤモンドは、独立したダイヤモンド単結晶で
あってもよいし、ある種の基体上に気相析出させた状態
の基体付きのダイヤモンド単結晶であってもよい。

同一結晶方位の単結晶面をもつ複数個のダイヤモンドを
、個々のダイヤモンドの同一結晶方位の面が表面となる
ように揃えて互いに隙間をあけずに接触させるためには
、基体表面側での接触部の形状が互いに一致するように
し、かつ個々のダイヤモンドを突き合わせたときに、析
出の下地となる表面に１ｇＩＩ以上の段差が生じないよ
うに予め加工すればよい。例えば高圧法で合成された複
数個のダイヤモンド単結晶を、例えば（１００）面か表
面となるように、各辺・の長さが±０．５−の精度とな
るように立方体や直方体の形状に加工することによって
、目的とする個々のダイヤモンド基体が得られる。

複数個のダイヤモンド単結晶からなる基体表面を下地と
してダイヤモンドを気相析出させると、基体表面全体に
連続した大面積のダイヤモンド薄膜を製造することがで
きる。更に、反応を継続させると、厚膜化が進行し、板
状あるいはバルク状のダイヤモンドを製造できる。基体
表面に１４以上の段差がある場合には、ダイヤモンドを
析出させても段差部分に歪みが集中し亀裂が発生しやす
くなり、平坦な膜の形成が困難となる。

本発明方法は、炭素又は炭素を構成成分とする化学種を
含有した原料ガスを放電又は加熱によって分解、励起す
る反応過程を制御することによって気相からダイヤモン
ドを析出させる方法に適用される。具体的な方法は特に
限定されず、熱フィラメントによる熱分解を利用する化
学気相成長法基体への電子衝撃を与えて分解・励起を促
進させる化学気相成長法、マイクロ波放電や直流放電に
よるプラズマを用いた化学気相成長法、加速した炭素イ
オンの基体への衝突を利用するイオンビーム蒸着法など
、いずれの方法でもよい。

前述した気相成長法において用いられる原料ガスは、反
応過程でダイヤモンドに転換し得る炭素源としての炭素
もしくは炭素化合物のガスを含むものであればよい。具
体的には、ガス化した炭素、メタン、エタン、プロパン
、アセチレン、アセトン、メタノール、エタノール、ブ
タノール、アセトアルデヒド、−酸化炭素、二酸化炭素
などのガスが挙げられる。化′学気相成長法によって結
晶性のよいダイヤモンドを製造する場合、原料ガス中に
水素を混入させることが好ましい。水素の適量は、他の
反応条件によっても左右されるために特に限定されない
が、体積比で（炭素を成分とするガス）／（水素ガス）
　−０，００１〜０．１の範囲とすることが好ましい。

反応圧力は、ダイヤモンドの成長速度に大きく影響する
条件であるが、他の反応条件によっても左右されるため
特に限定されない。一般には、圧力が高いと、反応に寄
与する炭素の濃度が高まるため、成長速度が増加する。

結晶性のよいダイヤモンドを成長させるためには、各気
相成長法に応じて適切な圧力を設定することが好ましい
。例えば、プラズマを用いた化学気相成長法の場合は０
　、１〜１０００Ｔｏｒｒの範囲が好ましい。

ガスの流量は、気相成長法や装置の規模にも左右される
ため、特に限定されない。−膜内には、反応によって消
費された原料ガスを補充でき、かつ反応によって生成し
た不要なガス成分（ダイヤモンドの成長に寄与しないか
又はダイヤモンドの成長に不都合となるガス成分）を反
応容器外に排出できる程度のガスの流れがあれば充分で
ある。

気相中での原料ガスの分解・励起及び基体上での析出反
応を制御する条件も特に限定されず、各気相成長法に応
じた反応条件を設定すればよい。

例えば、熱フイラメント法ではフィラメントを２０００
℃程度に加熱し、基体温度を５００〜１０００℃の範囲
とすることが好ましい。また、直流放電を用いた化学気
相成長法では、放電としては正規グロー放電よりもアー
ク放電側の領域を必要とするので、直流印加電圧を、両
極間距離及び反応圧カー定の条件下における正規グロー
放電時の両極間電圧と同等か又は高い値に設定すること
が好ましい。

また、基体温度を５００〜１０００℃の範囲の比較的高
温とすることが好ましい。

（作　用）本発明においては、基体として、複数個のダイヤモンド
単結晶を互いに接触させて並べたものを用いているので
、大面積のダイヤモンド膜や、大形のダイヤモンド単体
を製造することかできる。

また、基体と製造されたダイヤモンドとを分離し、基体
を繰り返して使用できる。特に、製造された大形のダイ
ヤモンド単結晶を新たに基体として使用すれば、更に大
形の単結晶を製造することができる。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図に示す気相成長装置を用い、基体への熱電子衝撃
を併用した熱フイラメント化学気相成長法によりダイヤ
モンドを製造した。この装置１は、石英ガラス製の反応
容器２を有する。反応容器２には、原料ガス供給装置（
図示せず）に接続されたガス供給口３及び反応によって
生じた不要なガスを排出するための排気装置（図示せず
）に接続されたガス排出口４が設けられている。反応容
器２内には、ダイヤモンドが析出される基体５を固定す
るためのモリブデン製の基体ホルダー６が設けられてい
る。基体ホルダー６の下部には、図示しない電源から給
電され、基体５を所定の温度に調整する加熱ヒーター７
が設けられている。基体ホルダー６の上部には、反応容
器２内に導入された原料ガスを分解するためのタングス
テン製のフィラメント８が配置されている。フィラメン
ト８はモリブデン製の給電治具９に固定され、給電治具
９を介して電源（図示せず）から給電される。

基体ホルダー６とフィラメントとの間には、基体ホルダ
ー６上の基体５に対して正電位が印加されるように、直
流電源１０が接続されている。

本実施例においては、第２図に示すように、１ｍｍ（±
０，５即）×２龍（±０．５ｇ１）　Ｘｏ、５ｍ口（±
０，５ｇ１１）の直方体形状を有し、各面の面方位が＜
１００＞であるダイヤモンド単結晶１１を４個接触させ
て並べたものを基体５として使用した。

ダイヤモンドの析出は、以下の条件で行った。

まず、反応容器内を１０−’Ｔｏｒｒに排気・した後、
フィラメント８の加熱温度を２０００℃に設定し、体積
比でｌ／９９のメタン／水素の混合ガスを１５０ｃｃ／
分の流量で反応容器２内に流して・圧力を６０Ｔｏｒｒ
とし、基体ホルダー６に正の直流電位１５０Ｖを印加し
ながら、基体５の温度を８５０℃に保持した。析出反応
を４０時間継続させ基体５上に厚い膜を形成させた後、
ガスの供給、フィラメント８及びヒーター７による加熱
、基体５への電位印加を中止した。

基体上に形成された膜を走査型電子顕微鏡により観察し
たところ、２ｍｌｌＸ４１１ｒＩ１１の面積において、
不連続性がなく平滑な一様膜が形成されていることがわ
かった。この膜をラマン分光法により調べた結果、ダイ
ヤモンド以外の成分は検出されず、ラマンバンドは天然
ダイヤモンドの値に一致した。

この膜を反射電子線回折により調べた結果、回折パター
ンに明瞭なストリークが認められることがら、結晶性の
優れた単結晶膜が形成されていることがわかった。この
ように、複数個のダイヤモンド単結晶を互いに接触させ
て並べたものを基体として用いることにより、基体の全
面に不連続性がなく平滑なダイヤモンド単結晶膜を製造
することができた。

［発明の効果］以上詳述したように本発明の方法を用いれば、大形で結
晶性に優れたダイヤモンドを製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例において用いられた気相成長装
置の断面図、第２図は本発明の実施例において用いられ
た基体の斜視図である。１・・・気相成長装置、２・・・反応容器、３・・・ガ
ス供給口、４・・・ガス排出口、５・・・基体、６・・
・基体ホルダー７・・・加熱ヒーター８・・・フイシンント、９・・・給電治具、ｌＯ・・・直流電源、１１・・・ダイヤモンド単結晶。

Claims

【特許請求の範囲】

　基体表面にダイヤモンドを気相析出させる方法におい
て、前記基体として、同一結晶方位の単結晶面をもつ複
数個のダイヤモンドを同一結晶方位の面が表面となるよ
うに互いに接触させて並べたものを用いることを特徴と
するダイヤモンドの製造方法。