JPH0874056A - ダイヤモンド被覆基体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 気相合成法を用いて、膜厚の厚いダイヤモン
ド皮膜を反りを生じさせることなく基体上に成膜し、密
着性に優れ、成膜後の皮膜面を平坦にする研磨が容易
で、かつ工具にロウ付けする際に皮膜が割れにくいダイ
ヤモンド被覆基体、およびその製造方法を提供する。 【構成】 気相合成法により基体上にダイヤモンド皮膜
を形成させる際に、基体の温度を変化させ、皮膜中に圧
縮応力と引張応力を選択的に交互に生じさせて圧縮応力
と引張応力を相殺することにより、皮膜に反りを生じさ
せずに厚膜のダイヤモンド皮膜を基体上に形成させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、切削チップ、ドリルお
よびエンドミルなどの工具に用いられるダイヤモンド皮
膜およびその製造方法に関する。より詳細には、皮膜形
成中にダイヤモンド皮膜に生じる内部応力を相殺して反
りの無い平坦な形状としたダイヤモンド被覆基体、また
は基体から剥離したダイヤモンド皮膜、およびその製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドの気相合成法の開発によ
り、切削チップ、ドリルおよびエンドミルなどの工具基
体に、気相合成によりダイヤモンドを被覆したダイヤモ
ンド被覆工具の開発が精力的に進められている。工具用
の基体に直接気相からダイヤモンド皮膜を形成する場
合、方法によっては基体の材質とダイヤモンドとの熱膨
張率の相違に起因する応力、すなわち、基体にダイヤモ
ンド皮膜を被覆する際、および被覆後に冷却する際の温
度差から生じる残留応力により、ダイヤモンド皮膜が基
体から剥離し、実用に供し難い。一方、予め特定の基体
に、気相合成法によりダイヤモンドを被覆した後、得ら
れたダイヤモンド被覆基体を、基体と工具が当接するよ
うに工具にロウ付けする方法、あるいはダイヤモンド面
と工具が当接するように工具にロウ付けした後、基体を
研磨除去する方法、またはダイヤモンド被覆基体からダ
イヤモンド皮膜を剥離し、ダイヤモンド皮膜のみを工具
にロウ付けする方法なども行われている。これらの方法
においては、ダイヤモンド皮膜の膜厚を厚くするほど残
留応力が増大し、基体が薄い場合はダイヤモンド被覆基
体に反りが生じる。反りが生じると、皮膜面を平坦に研
磨する際に手間がかかる、あるいは工具にロウ付けする
際にダイヤモンド皮膜が割れやすくなる、など不都合な
点が多くなる。基体にダイヤモンド皮膜を形成させる際
に、密着性を向上させることを目的として皮膜形成を複
数段階で行い、析出皮膜を多層構造とした、例えば特開
平1-167211号公報、特開平3-197677号公報、および特開
平 4-99278号公報が開示され、さらに、ダイヤモンド皮
膜を形成させる際の、皮膜の反りを防止した特開平5-30
6195号公報が開示されている。

【０００３】特開平1-167211号公報は、非晶質炭素の含
有率が多いダイヤモンドライク炭素層と、非晶質炭素の
含有率が少ないダイヤモンドライク炭素層からなる、膜
応力が小さく、表面平滑性に優れたダイヤモンドライク
炭素膜およびその合成方法を開示している。この発明
は、レンズや窓のコーティング、磁気ディスクの保護皮
膜として、平滑な表面および高い光透過率を有するダイ
ヤモンドライク炭素膜を得ることを目的としており、基
板の温度、マイクロ波や高周波等の電磁波エネルギ、炭
素源の濃度、反応圧力を周期的に変えることにより、非
晶質炭素の含有率が多いダイヤモンドライク炭素層と、
非晶質炭素の含有率が少ないダイヤモンドライク炭素層
を交互に層状に析出させたダイヤモンドライク炭素膜を
得ている。しかし、この発明は平滑な表面、および高い
光透過率を有するダイヤモンドライク炭素膜を得ること
を目的としており、皮膜形成後にラッピングなどの表面
研磨を施さずに表面平滑性に優れた皮膜を得るために、
最表面層は表面平滑性には優れるが、硬度が低い非晶質
炭素の含有率が多いダイヤモンドライク炭素層とする必
要があるため、本発明の目的とする、工具用の硬質皮膜
層として使用するには耐摩耗性が不十分であり、適して
いない。

【０００４】特開平3-197677号公報は、超硬合金、サー
メット、窒化珪素焼結体、または酸化アルミニウム焼結
体の基材に、第一層中の不純物組成が第二層中の不純物
より高く、第一層中のダイヤモンド粒子径が第二層中の
ダイヤモンド粒子径より小さい、複数層からなるダイヤ
モンドを被覆したダイヤモンドコーティング工具、およ
びその製造方法を開示している。この発明は第一層の皮
膜形成をフィラメントＣＶＤ法を用いて成膜した後、第
二層の皮膜形成をプラズマＣＶＤ法を用いて成膜すると
いう、それぞれ別工程での成膜を行う必要があり、生産
性に欠けるとともに、第一層の皮膜形成後に皮膜表面に
塵芥などの不純物が付着し、第二層の皮膜に欠陥を生じ
るおそれがある、といった問題を有している。

【０００５】特開平 4-99278号公報は、ダイヤモンド以
外の炭素成分を含むダイヤモンド被覆層と、ダイヤモン
ド以外の炭素成分を含まないダイヤモンド被覆層を、各
１層以上を有する0.5〜 200μmの厚さの複層のダイヤモ
ンド被覆層を、硬質材料に形成したダイヤモンド被覆工
具部材を開示している。この発明はダイヤモンド以外の
炭素成分を含まないダイヤモンド層と基材の間に、ダイ
ヤモンドと同じ成分の炭素成分を不定形炭素の型で含
む、靱性に富んだダイヤモンド層を設けることにより、
皮膜層全体に受ける衝撃を緩和し、耐剥離性と耐摩耗性
を兼備させようとするものである。しかし、皮膜の厚さ
の増加にともなって、皮膜中に生じる応力が増加し、皮
膜が剥離しやすくなる、という問題を有している。

【０００６】特開平5-306195号公報は、ダイヤモンド皮
膜を析出させる基材の成膜面を、基材から取り外して得
られるダイヤモンド薄膜中に予見される内部引張応力を
補償するような曲率半径を有する凸形状とし、基材から
取り外された薄膜は、基材の湾曲と反対方向に反ること
によって、その内部引張応力を解放し、平坦なものとす
るＣＶＤダイヤモンド薄膜の製造法を開示している。こ
の発明は、基材にダイヤモンド皮膜を析出させる際に皮
膜内の内部応力によって生じる皮膜の反りの程度を予め
予測し、皮膜を基材から剥離し内部応力を開放した後に
平坦な皮膜となるように、予め基材を皮膜の反りを相殺
する程度に凸面状としておくことを特徴とするものであ
る。しかし、皮膜中に生じる内部応力は成膜速度が速い
ほど大きくなるなど、ダイヤモンド皮膜の成膜装置、成
膜条件によって変化するため、基材の凸面の程度に応じ
てダイヤモンド皮膜の成膜条件を厳密に制御する必要が
あり、実用性に乏しい。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は5〜2000μmの
厚さのダイヤモンド皮膜を気相合成法を用いて皮膜に反
りを生じさせることなく成膜し、成膜後の皮膜面を平坦
にする研磨が容易で、かつ工具にロウ付けする際に皮膜
が割れにくい、密着性に優れたダイヤモンド被覆基体お
よびその製造方法を提供することを課題としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本願発明は、気相合成法
によりシリコン、モリブデンのいずれかの１種のウェハ
である基体上にダイヤモンド皮膜を形成させる工程にお
いて、基体温度を変化させることにより、基体上に形成
されるダイヤモンド皮膜内部に生じる応力状態を変化さ
せ、ダイヤモンド皮膜内部に圧縮応力と引張応力を交互
に生じさせてダイヤモンド皮膜に生じる内部応力を相殺
し、ダイヤモンド被覆基体を反りの無い平坦な形状とす
ることを特徴とするダイヤモンド皮膜の製造方法、およ
びシリコン、モリブデンのいずれかの１種のウェハを基
体とし、気相合成法により製造されるダイヤモンド被覆
基体の平坦度が曲率半径で8m以上であり、ダイヤモンド
皮膜の厚さが5〜2000μmであるダイヤモンド被覆基体を
提供するものである。本願発明において、同一成分、同
一濃度の作動気体中で、同一のマイクロ波出力を用いて
ダイヤモンド皮膜を形成させた場合に、ある一定の基体
温度を境にして皮膜中に生じる内部応力が引張応力から
圧縮応力に、あるいは圧縮応力から引張応力に逆転する
ことが判明した。その結果、ダイヤモンド皮膜形成中に
圧縮応力が生じる基体温度で成膜した後引き続いて基体
温度を変化させ、皮膜形成中に引張応力が生じる基体温
度で成膜するか、あるいは、上記とは反対の基体の加熱
サイクルを用いてダイヤモンド皮膜を成膜するか、さら
にはこの加熱サイクルを複数回繰り返して皮膜中に生じ
る引張応力と圧縮応力を相殺することによって、皮膜に
反りを生じさせずに厚膜のダイヤモンド皮膜を形成させ
ることが可能であることを導いたものである。

【０００９】以下、本願発明を詳細に説明する。本願発
明の気相合成法によるダイヤモンド皮膜を形成させる基
体としては、シリコン、モリブデン、タングステン、ニ
オブ、鉄、銅、銀、ニッケル、などの金属、黒鉛、ボロ
ンなどの非金属単体、炭化シリコン、炭化タングステン
などの金属炭化物、アルミナ、シリカなどの金属酸化
物、窒化ボロン、窒化シリコンなどの窒化物が使用可能
であるが、基体上に析出するダイヤモンドと膨張係数の
差が小さいものが好ましく、かつ経済性および実用性の
見地からシリコン、またはモリブデンのウェハが本願発
明のダイヤモンド皮膜を形成させる基体として適してい
る。

【００１０】つぎに、上記の基体表面をエメリー紙など
を用いて粗面化した後、水素と炭化水素からなる作動気
体中で気相合成法を用いてダイヤモンド皮膜を形成させ
る。気相合成法としてはマイクロ波プラズマＣＶＤ法、
フィラメントＣＶＤ法、ＤＣプラズマＣＶＤ法、ＲＦプ
ラズマＣＶＤ法などを適用することができるが、本願発
明には成膜条件の制御が容易なマイクロ波プラズマＣＶ
Ｄ法を用いることが好ましい。作動気体の炭素源となる
炭化水素としてはメタン、エタン、プロパン、ブタンな
どの飽和炭化水素、エチレン、プロピレン、アセチレン
などの不飽和炭化水素、メタノール、ブタノール、イソ
プロパノールなどのアルコール類、アセトン、メチルエ
チルケトンなどのケトン類、ベンゼン、トルエンなどの
芳香族化合物などが使用可能であるが、経済性、および
実用性の点でメタンの使用が好ましい。これらの炭化水
素は水素に対して1:500〜1:5の体積比率で混合される。
体積比率が 1:500以下であるとダイヤモンド皮膜の析出
速度が極端に小さくなり、1:5 以上になると非ダイヤモ
ンド炭素が共析するようになり好ましくない。場合によ
って、この混合気体に、アルゴンなどの不活性気体をさ
らに混合して希釈することも可能である。混合気体は0.
1〜200Torrの圧力で反応器中に供給される。0.1Torr以
下であるとダイヤモンドが析出せず基体がエッチングさ
れ、200Torr以上であると析出範囲が狭くなり基体全体
にわたる均一な析出が得られなくなる。この作動気体中
で100〜5000Ｗのマイクロ波出力を印加し、1時間当たり
0.1〜 15μmの成膜速度で基体上にダイヤモンド皮膜を
形成する。マイクロ波出力が100Ｗ以下であると皮膜の
析出速度が極端に小さくなり、一方5000Ｗ以上では皮膜
の成膜速度は向上するが皮膜中に生じる応力も高くなり
皮膜の反りが大となるため、下記に述べる反りを抑制す
る成膜法を以てしても、反りのない平坦なダイヤモンド
皮膜を得ることが極めて困難になる。

【００１１】そして上述したこれらの皮膜形成条件の範
囲内で、好適なダイヤモンド皮膜が得られる一定条件に
固定し、複数の気相合成段階において基体温度を変化さ
せ、各段階でダイヤモンド皮膜中に生じる圧縮応力また
は引張応力を相殺し、反りのないダイヤモンド皮膜を形
成する。基体温度としては基体の材質、基体温度以外の
成膜条件にもよるが、皮膜に圧縮応力を作用させるため
には600〜850℃、引張応力を作用させるためには880〜1
100℃の範囲とする。基体温度が600℃以下であると析出
速度が極めて小さくなり、1100℃以上では黒鉛が共析す
るようになり、好ましくない。また、気相合成の各段階
で生成する皮膜の厚さの比率がそれぞれ3 倍以内にある
ことが、曲率半径が8m以上の事実上反りの無い皮膜を得
る上で好ましい。皮膜形成後、皮膜表面をラッピング研
磨して平坦化するが、曲率半径が8m以下であると皮膜を
平坦化するための削りしろが極端に大きくなり、コスト
的に不利となると同時に、ラッピングに要する時間も長
大となっるので、曲率半径は8m以上であることが好まし
く、 20m以上であることがより好ましい。皮膜の厚さは
皮膜を被覆した工具の耐摩耗性を十分に確保し、成膜後
に皮膜を平坦に研磨するための研磨しろを確保すること
するために下限を5μmとし、成膜時間に要する時間や経
済的見地から上限を2000μｍとする。

【００１２】皮膜成形条件を制御してダイヤモンド皮膜
中に生じる内部応力を相殺する方法としては、上記のよ
うに基体温度を変化させる方法以外にも、作動気体の成
分比率、濃度、圧力を変化させる方法、あるいはマイク
ロ波の出力を変化させるなどの方法によっても達成され
るが、本願発明のように、他の変動要因を固定して基体
温度を変化させる方法により、最も確実かつ容易に目的
を達成することができる。

【００１３】

【作用】本願発明においてはダイヤモンド皮膜の気相合
成に際し、作動気体の成分、濃度、圧力およびマイクロ
波出力を一定とし、複数の気相合成段階において基体温
度を変化させ、皮膜中に圧縮応力もしくは引張応力を選
択的に交互に生じさせて圧縮応力と引張応力を相殺する
ことにより、皮膜に反りを生じさせずに厚膜のダイヤモ
ンド皮膜を形成させる。この方法により、ダイヤモンド
被覆基体を反りの無い平坦な形状とすることが可能とな
る。

【００１４】

【実施例】以下、実施例にて本発明をさらに詳しく説明
する。 （実施例）ダイヤモンド被覆用の基材として、厚さ0.62
5mm、 25mm角のシリコンウェハ、およびモリブデンウェ
ハを選択した。このウェハの表面を、^#240のエメリー紙
で研磨し粗面化した後、アセトン中で超音波洗浄した。
前記の前処理を施したウェハにマイクロ波プラズマCVD
法を用い、出力1150Ｗ、水素流量 95SCCM（cm³/分）と
メタン流量 5SCCMからなる雰囲気中90Torrの作動圧力下
で、表１〜４に示す条件で基体を加熱し、ダイヤモンド
皮膜を形成させた。得られたダイヤモンド被覆ウェハの
反り状態は二次元表面粗度計を用いてダイヤモンド被覆
ウェハ面の最大偏差(反り)を測定し、ピタゴラスの定理
を用いて曲率半径を算出して評価した。結果を表５〜８
に示す。

【００１５】

【表１】

【００１６】

【表２】

【００１７】

【表３】

【００１８】

【表４】

【００１９】

【表５】

【００２０】

【表６】

【００２１】

【表７】 (注)^*:膜厚が薄く、切削チップなどに適用した場合耐摩耗性に乏しい。

【００２２】

【表８】 (注)^#:成膜に長大な時間を要し、生産性に乏しい。 ［曲率半径測定方法］ 測定機器：東京精密(株)製 二次元粗度計 Surfcom 15
00 A 測定方法： 1)測定面：基体ウェハ面あるいは析出したダイヤモンド
皮膜面 2)測定方法および算出方法 基体ウェハ面上あるいは析出したダイヤモンド皮膜面上
の距離：Ｌ(２ｌ)を隔てた２点間の反り(最大偏差：ｈ)
を上記の二次元粗度計を用いて測定し、ピタゴラスの定
理を用いる下記の式より曲率半径：Ｒを算出する。すな
わち (Ｒ−ｈ)² ＋ ｌ² ＝ Ｒ² より Ｒ ＝ (ｌ² ＋
ｈ²)／２ｈ

【００２３】表５〜６の実施例に示すように、本願発明
のダイヤモンド被覆基体は反りが殆どない平坦な形状で
得られる。一方表７〜８の比較例に示すように、ダイヤ
モンド皮膜を比較例２、および３に示すように１層のみ
で形成させると、皮膜中に生じる内部応力のために皮膜
に反りが生じたり、皮膜が応力に耐えられずに成膜直後
に破壊したりする。また比較例５に示すように、複数層
からなる構造で成膜しても、各層の厚さの比率が 3倍を
越えると皮膜に反りが生じる。また、ダイヤモンド皮膜
の厚さが薄い場合は、切削チップなどに適用した場合に
耐摩耗性に乏しく、一方、比較例６に示すように、 300
0μmもの厚い皮膜を得るには成膜に長大な時間を要し、
生産性に乏しく、実用的ではない。

【００２４】

【発明の効果】以上で説明したように、本願発明によ
り、膜厚の厚いダイヤモンド被覆基体を反りの無い平坦
な形状で形成させることが可能となり、成膜後のダイヤ
モンド皮膜面を平坦にする研磨が容易になり、さらに、
皮膜に割れを生じることなく、ダイヤモンド皮膜を工具
にロウ付けすることが可能となった。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ２３Ｃ 16/02 Ｃ３０Ｂ 29/04 Ｑ 9261−4Ｇ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気相合成法により基体上にダイヤモンド
   皮膜を形成させる工程において、形成されるダイヤモン
   ド皮膜内部に圧縮応力と引張応力を交互に生じさせるこ
   とにより、ダイヤモンド皮膜に生じる内部応力を相殺
   し、ダイヤモンド被覆基体を反りの無い平坦な形状とす
   ることを特徴とする、ダイヤモンド皮膜の製造方法。
2. 【請求項２】 基体温度を変化させることにより、基体
   上に形成されるダイヤモンド皮膜内部に生じる応力状態
   を変化させ、ダイヤモンド皮膜内部に圧縮応力と引張応
   力を交互に生じさせてダイヤモンド皮膜に生じる内部応
   力を相殺することを特徴とする、請求項１のダイヤモン
   ド皮膜の製造方法。
3. 【請求項３】 基体がシリコン、モリブデン、のいずれ
   かの１種のウェハであることを特徴とする、請求項１ま
   たは２のダイヤモンド皮膜の製造方法。
4. 【請求項４】 基体に被覆されるダイヤモンド皮膜の厚
   さが5〜2000μmであることを特徴とする、請求項１、２
   または３のいずれかのダイヤモンド皮膜の製造方法。
5. 【請求項５】 気相合成法により製造されるダイヤモン
   ド被覆基体の平坦度が曲率半径で8m以上であり、ダイヤ
   モンド皮膜の厚さが5〜2000μmである、ダイヤモンド被
   覆基体。
6. 【請求項６】 基体がシリコン、モリブデン、のいずれ
   かの１種のウェハであることを特徴とする、請求項５の
   ダイヤモンド被覆基体。