JPH04238896A - 気相法によるダイヤモンド板の製造方法 - Google Patents

気相法によるダイヤモンド板の製造方法

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JPH04238896A
JPH04238896A JP3062754A JP6275491A JPH04238896A JP H04238896 A JPH04238896 A JP H04238896A JP 3062754 A JP3062754 A JP 3062754A JP 6275491 A JP6275491 A JP 6275491A JP H04238896 A JPH04238896 A JP H04238896A
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JP
Japan
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diamond
synthesized
diamond plate
plate
substrate
Prior art date
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Pending
Application number
JP3062754A
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English (en)
Inventor
Kazutaka Kanda
一隆 神田
Seiki Takehata
竹端 精己
Shoichi Yoshida
吉田 昇一
Ryoichi Watanabe
良一 渡辺
Kenichiro Yamagishi
山岸 憲一郎
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Nachi Fujikoshi Corp
Original Assignee
Nachi Fujikoshi Corp
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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】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は主として切削工具に、あ
るいは耐摩耗部材に用いられるダイヤモンド板の製造方
法に関する。
【0002】
【従来の技術】ダイヤモンドは現存する物質中で最も高
い硬度を持ち、耐摩耗性に優れていることが着目して、
従来から天然ダイヤモンドあるいは高圧合成ダイヤモン
ドを原料とした切削工具、耐摩耗部材が古くから用いら
れてきた。切削工具あるいは耐摩耗部材として用いられ
るダイヤモンドとしては主に粉末のダイヤモンド粒をコ
バルトなどの金属結合材で焼結したものが用いられてい
る。
【0003】これに対し、近年ダイヤモンドの気相合成
法が開発され、従来の方法に比べ広い面積を持つダイヤ
モンド板を製造することが可能となってきた。また、気
相合成法で合成されるダイヤモンドは結合材を含まない
ため焼結ダイヤモンドに比べ耐摩耗性が優れているとい
う特徴を持っている。このため、気相合成法でダイヤモ
ンドの板を作製し、これを成形して切削工具ないしは耐
摩耗部品として用いようという試みがなされている。ダ
イヤモンドの気相合成法としては、例えば特公昭59−
27753号公報に示される熱フィラメントCVD法、
特公昭61−3320号公報に示されるマイクロ波CV
D法、Appl.Phys.Lett.,Vol.46
,  p146(1985)に示される電子衝撃熱フィ
ラメントCVD法、Appl.Phys.Lett.,
Vol.50,  p728(1987)に示される直
流放電プラズマCVD法をはじめ多くの方法が用いられ
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ダイヤモンド板を切削
工具ないしは耐摩耗部材の基体上にろう付けして用いる
ためには強度上少なくとも30μm以上の厚さが必要で
ある。しかし、従来の方法により広い面積の厚いダイヤ
モンド板を製造しようとした場合、気相合成の途中で、
すなわちダイヤモンド板が所定の厚さに達する前に割れ
てしまい、希望する厚さや形状のものが得られないとい
う問題点があった。
【0005】また、従来から用いられている焼結ダイヤ
モンドの場合には金属を結合材として用いているため、
放電加工で希望する形状に切断、加工ができた。しかし
、従来の気相合成ダイヤモンドの特に結晶性の高いもの
は電気抵抗が大きいため放電加工が難しく、レーザーを
用いて切断しなければならないという問題点もあった。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者らはマイクロ波
CVD法、電子衝撃CVD法および  直流放電CVD
法で100μm以上の厚さのダイヤモンド板の製造を試
みたがいずれもダイヤモンド板が合成途中で割れてしま
った。そこで、この原因を調査した結果、合成したダイ
ヤモンド膜の電気抵抗が大きいためであることがわかっ
た。すなわち、合成したダイヤモンドの電気抵抗が大き
かったためダイヤモンドの成長とともに基板周辺の空間
の電場が変化し、これにともないプラズマの空間分布な
いしは電子の流れの分布も変化し、その結果基板の温度
ないしは温度分布が変わり、ダイヤモンド板と基板の間
の熱膨張係数差に起因する熱応力が発生し、これにより
ダイヤモンド板に割れが入ったのである。
【0007】そこで本発明者らはダイヤモンドの電気抵
抗を小さくすることによってこの問題点の解決を試みた
。従来よりダイヤモンド半導体薄膜を試作するためにダ
イヤモンドに不純物をドーピングする手法が用いられて
いるが、本発明ではこれを応用してダイヤモンドの電気
抵抗の低下を計りダイヤモンド板の合成を行った。ダイ
ヤモンドはIVb族化合物であるので、これにIIIb
族元素をドーピングすることによってp型ダイヤモンド
、Vb族元素をドーピングすることによってn型ダイヤ
モンドが得られる。これらの元素のドーピング手段とし
ては、例えば第48回応用物理学会学術講演会、講演予
稿集、18p−T−12、p354(1987)あるい
はJap.J.Appl.Phys.,Vol.27、
No.2(1988)L173  などに示される方法
が用いられる。
【0008】また、別の手段として、本発明者らが調査
する過程で判明したことであるが、クロム、鉄、ニッケ
ルなどの金属元素をダイヤモンド中に含有させることに
よってもダイヤモンド板の電気抵抗を低下させることが
できることが判ったのである。これらの金属元素のドー
ピングは、高温のプラズマ中あるいは加熱されたフィラ
メントの近傍にこれらの金属または合金の線材を置くこ
とによって実現できる。この方法によりこれらの金属は
徐々に蒸発し、ダイヤモンド板中に取り込まれていくの
である。
【0009】添加元素の含有量を10ppm及至100
00ppmとしたのは10ppm以下では電気抵抗を小
さくする効果が小さく、また10000ppm以上では
ダイヤモンドの性質が失われ硬度が低下するためである
。
【0010】
【作用】本発明の方法によれば、気相法で合成されるダ
イヤモンド中にほう素、クロム、鉄ないしはニッケルの
一種または二種以上を10ppm及至10000ppm
含有させて成長させることによりダイヤモンドの電気抵
抗を減少させることができ、したがってダイヤモンド層
の厚さが増しても基板周辺の電場を大きく変えることが
なく、ダイヤモンド板の製造を容易に行うことができる
。
【0011】
【実施例】本発明の第1の実施例を図面に基づき説明す
る。先ず、図1に示す直流放電プラズマCVD装置にて
直径5cmのシリコン基板1上にダイヤモンド板2の合
成を行った。まず、シリコン基板1のダイヤモンドを合
成する側の化学エッチングされた面をダイヤモンド砥粒
でラップし、これを水冷された陽極3上に載せ、反応槽
7内にダイヤモンド合成用原料ガスを導入したのち、陰
極4と陽極3間に電流を流してシリコン基板上にダイヤ
モンドを合成した。ダイヤモンド合成時の反応槽内の圧
力は  20000Pa、放電電流は3A/cm2とし
た。ダイヤモンド合成用原料ガスとしてメタン6cc/
min、ジボランを100ppm添加した水素30cc
/minおよび水素270cc/minの流量比の混合
ガスを用いた。混合ガス中のジボランB2H6はダイヤ
モンド中にほう素をドープする目的で添加されている。
【0012】この方法により長時間にわたって安定して
ダイヤモンドが合成でき、20時間の合成を行ったとこ
ろ、平均300μmの厚さの割れのないダイヤモンド板
が得られた。ダイヤモンド板中のほう素の正確な含有率
は判らないが、近似的には混合ガス中のほう素と炭素の
原子数比に比例すると推定され、これから算出すると1
000ppmとなる。またダイヤモンド板の表と裏の間
の電気抵抗を調べたところ1Ω以下であった。また、こ
のダイヤモンド板を焼結ダイヤモンドの切断に用いられ
ている放電加工機を用いて切断したところ、この装置で
容易に切断できることがわかった。
【0013】比較例として、ジボランを添加しない他は
上記と同じ条件でダイヤモンド板の合成を試みたところ
、合成開始から4時間後ダイヤモンド板に亀裂が入りそ
の一部が基板から剥離した。ダイヤモンド合成をその時
点で中止し電気抵抗を調べたところ1MΩ以上となり、
ほぼ絶縁状態であった。
【0014】次に、第2の実施例を示す。実施例1と同
じ装置にて直径5cmのタングステン基板上にダイヤモ
ンド板の合成を行った。まず、タングステン基板のダイ
ヤモンドを合成する側をダイヤモンド砥粒でラップし、
これを水冷された陽極上に載せ、陰極と陽極間に電流を
流してタングステン基板上にダイヤモンドを合成した。 ダイヤモンド合成用原料ガスとしてはメタン4cc/m
in、一酸化炭素2cc/minおよび水素200cc
/minの流量比の混合ガスを用い、真空槽内の圧力を
15000Paとした。さらにダイヤモンドに導電性を
持たせるために陽極と陰極の間にステンレス線(主成分
は鉄、クロム、ニッケル)を置いた。ダイヤモンド合成
時には陰極と陽極間に4.5A/cm2の電流を流した
が、これによりステンレス線は加熱およびスパッタされ
、その構成元素である鉄、クロムおよびニッケルが気相
中へ蒸発する。これによりこれらの元素をダイヤモンド
板中に含有せしめることができたのである。この方法に
より長時間にわたって安定にダイヤモンドが合成でき、
20時間の合成を行ったところ、平均250μmの厚さ
の亀裂のないダイヤモンド板が得られた。ダイヤモンド
板中に添加された微量の鉄、クロムおよびニッケルを定
量することは難しいが、ステンレス線の減耗量などから
は10ppmから100ppmであろうと推定される。 得られたダイヤモンド膜の電気抵抗を調べたところ約1
0Ωであった。また、実施例1と同様にこのダイヤモン
ド板も放電加工機での加工を試みたところ容易に加工で
きることがわかった。
【0015】本発明外の比較例として、陰極と陽極の間
にステンレス線を置かないほかは上記と同じ条件にてダ
イヤモンド板の製造を行ったところ、放電電圧が徐々に
高くなり、合成開始後5時間でダイヤモンド板に亀裂が
入った。この時点で板の合成を中止し同様に電気抵抗を
測ったところ、ダイヤモンド膜は本発明のものに比べて
薄いにもかかわらず1MΩ以上であった。
【0016】さらに、第3の実施例を示す。第2図にそ
の概略を示したマイクロ波CVD法にて直径2.5cm
のタングステン基板1上にダイヤモンド板2を合成した
。ダイヤモンド合成用原料ガスとしては、メタン2cc
/min、ジボランを100ppm添加した水素5cc
/minおよび水素195cc/minの流量比の混合
ガスを用いた。そして、マイクロ波の出力350W、基
板温度900℃で48時間の合成を行ったところ、平均
厚さが50μmで電気抵抗が1Ω以下のダイヤモンド膜
が得られた。そして、このダイヤモンド板も前記本発明
の実施例と同様に放電加工機での切断が容易に行えた。 また、このダイヤモンド膜の硬度を測定したところ、H
V〜9500であり天然ダイヤモンドに近い値となった
。
【0017】本発明外の比較例として、メタン2.5c
c/min、ジボランを100ppm添加した水素20
0cc/minの混合ガスとした他は上記と同じ方法で
ダイヤモンドを48時間合成し、その硬度を測定したと
ころ、HV〜6000となり硬度が低下していることが
わかった。
【0018】
【効果】本発明の方法によれば、気相法で合成されるダ
イヤモンドの電気抵抗を小さくすることができ、したが
って長時間にわたり安定にダイヤモンドが合成できるの
で厚いダイヤモンド板を容易に作成することができ、さ
らには本発明の方法によって作成されたダイヤモンド板
は従来からダイヤモンド焼結体の加工に用いられている
放電加工機でも容易に加工できるので産業上非常に有益
である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1および第2の実施例で用いられた
装置の概略図でありる。
【図2】本発明の第3の実施例で用いられた装置の概略
図である。1    基板 2    ダイヤモンド板 3    陽極 4    陰極 5    ガス供給口 6    排気口 7    真空槽 8    直流電源 9    基板支持台 10    マイクロ波発振器 11    導波管 12    プランジャー

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  ほう素、クロム、鉄、ニッケルのうち
    の一種または二種以上をダイヤモンド合成雰囲気中に1
    0ppm乃至10000ppm含有させて基板に板厚が
    30μm以上のダイヤモンド板を成長させることを特徴
    とする気相法によるダイヤモンド板の製造方法。
JP3062754A 1991-01-10 1991-01-10 気相法によるダイヤモンド板の製造方法 Pending JPH04238896A (ja)

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Effective date: 20010321