JPS631280B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPS631280B2 JPS631280B2 JP58057043A JP5704383A JPS631280B2 JP S631280 B2 JPS631280 B2 JP S631280B2 JP 58057043 A JP58057043 A JP 58057043A JP 5704383 A JP5704383 A JP 5704383A JP S631280 B2 JPS631280 B2 JP S631280B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- diamond
- diffusion layer
- temperature
- filament
- surface diffusion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
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-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/02—Elements
- C30B29/04—Diamond
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Description
この発明は、気相合成法にてダイヤモンドを粒
状あるいは膜状に析出せしめる方法に関するもの
である。 ダイヤモンドは、現存する物質の中で最も硬
く、かつ熱伝導性および電気絶縁性にもすぐれた
材料であることから、工業的に有用な材料とし
て、その使用分野は広範囲にわたつている。 また、ダイヤモンドには、天然に産出するもの
のほかに、超高圧合成装置を用い、超高圧発生容
器内に黒鉛粉末を触媒と共に入れ、温度：1600℃
以上、圧力：60kb以上の高温高圧下で反応させ、
黒鉛をダイヤモンドに相変態させることによつて
製造された人工ダイヤモンドがある。この人工ダ
イヤモンドは、原料粉末の粒度や反応時間を制御
することにより種々の粒度のものが得られるが、
装置自体が大型となるばかりでなく、１回の生産
量にも限界があるため、生産性の点で問題があ
り、どうしてもコスト高となるのをまぬがれるこ
とができない。このほか、ダイヤモンドの合成法
には、火薬の爆発による衝撃力を利用して、黒鉛
をダイヤモンドに変換する方法があるが、この方
法によつて製造された人工ダイヤモンドは、前記
の超高圧合成法により製造されたものに比して多
少安価ではあるが、結晶性が完全なものを得るこ
とが困難であり、したがつて特性上問題があるも
のである。 そこで、本発明者等は、上述のようは観点か
ら、大型のプレス装置などを用いることなく、か
つ結晶性の完全な人工ダイヤモンドを高い生産性
で、コスト安く製造すべく研究を行なつた結果、
ダイヤモンドが析出される基体として、元素周期
律表の4a、5a、および6a族金属のうちのいずれ
か、またはこれらの金属を主成分とする合金で構
成された基体部材の表面に、通常の表面炭化法、
表面窒化法、あるいは表面硼化法にて、炭素
（Ｃ）、窒素（Ｎ）、および硼素（Ｂ）のうちの１
種または２種以上を拡散させて形成した表面拡散
層を有する表面処理基体部材を用い、気相合成法
にて、前記基体部材の表面拡散層から0.5〜３cm
離れた位置に、Ｗ、Ta、Mo、あるいは黒鉛から
なるフイラメントを位置させた状態で、CH4と
H2との容量割合、すなわちCH4／H2を0.001〜
0.05に調整した混合反応ガスを前記フイラメント
を通過して前記表面拡散層に当るように流しなが
ら、前記の表面拡散層の温度：500〜1200℃、お
よびフイラメントの温度：1800〜2500℃の条件で
反応を行なわしめると、前記表面拡散層上に結晶
性が完全なダイヤモンドが粒状あるいは膜状に形
成されるようになるという知見を得たのである。 なお、この発明の方法において、上記表面拡散
層とフイラメントとの距離が0.5〜３cmの範囲内
において比較的小さい場合に、ダイヤモンドの析
出核の密度が高くなり、この析出核が横に密に並
ぶため膜状となり、一方前記の離間距離が大きく
なると粒状となるのである。また、上記表面拡散
層はダイヤモンド核を速い反応で均一に析出させ
るのに不可欠のものであり、したがつて、この表
面拡散が存在しない場合には、ダイヤモンドの析
出はきわめて遅くなり、所望の速度で均一にダイ
ヤモンド核を析出させることができないものであ
る。 つぎに、この発明の方法において、製造条件を
上記の通りに限定した理由を説明する。 （ａ） フイラメントの温度 フイラメントはメタン（CH4）を分解すると
同時に、この結果形成されたＣとH2とを活性
化し、ダイヤモンド形成に寄与するものと考え
られるが、その温度が1800℃未満では反応ガス
の活性化が十分に行なわれず、一方その温度が
2500℃を越えると熱輻射が大きくなりすぎ、い
ずれの場合もダイヤモンドの形成が不十分とな
ることから、フイラメント温度を1800〜2500℃
と定めた。 （ｂ） 表面拡散層の温度 表面拡散層の温度は、フイラメントからの輻
射熱と部材自体の加熱温度により決まるが、こ
の温度が500℃未満ではダイヤモンドの析出速
度が遅く、一方1200℃を越えた温度ではダイヤ
モンドの析出が行われないことから、その温度
を500〜1200℃と定めた。 （ｃ） 混合反応ガスにおけるCH4／H2の割合 この割合が0.001未満では、ダイヤモンドの
生成速度が著しく遅く、一方この割合が0.05を
越えると、ダイヤモンド中に黒鉛が混在するよ
うになることから、CH4／H2の割合を0.001〜
0.05と定めた。 （ｄ） 基体部材の表面拡散層とフイラメント間
の距離 この距離が0.5cm未満になると、フイラメン
トの輻射熱により表面拡散層温度が1200℃を越
えて高くなりすぎ、ダイヤモンドの析出が行な
われないようになり、一方この距離が３cmを越
えて大きくなると、ダイヤモンド核の形成密度
が急激に低下するようになることから、その距
離を0.5〜３cmと定めた。 また、この発明の方法を実施するに際して、反
応雰囲気は、ピラニー式真空計で５〜100torrの
範囲内の圧力（この圧力はダイヤフラム式真空計
で測定した場合の0.1〜10torrに相当、以下圧力
はピラニー式真空計で測定した圧力で示す）の真
空雰囲気とするのが好ましく、これは5torr未満
の圧力ではダイヤモンドの析出速度がきわめて遅
く、一方100torrを越えた圧力にすると黒鉛が混
在するようになるという理由によるものである。 なお、この発明の方法によつて合成されたダイ
ヤモンドは、不可避不純物としてフイラメント構
成成分であるＷ、Mo、あるいはTaなどを１〜10
原子％の範囲で含有する場合があるが、この程度
の不純物含有量はダイヤモンド特性に何らの悪影
響も及ぼすものではない。 つぎに、この発明の方法を実施例により具体的
に説明する。 実施例 それぞれ第１表に示される成分組成を有し、か
つ10mm□×厚さ：２mmの寸法をもつた基体部材を
用意し、この基体部材の表面に、同じく第１表に
示される表面処理法、すなわちガス表面炭化法、
ガス表面窒化法、固体表面炭化法、および固体表
面硼化法のいずれかを用い、通常の条件で第１表
に示される平均層厚の表面拡散層を形成し、つい
で、この結果の表面処理基体部材の表面拡散層上
に同じく第１表に示される条件で、ダイヤモンド
形成のための気相合成反応を施すことによつて、
本発明法１〜10および比較法１〜７をそれぞれ実
施し、実施後、その表面に形成された合成ダイヤ
モンドの平均層厚を測定すると共に、その状態を
観察した。これらの結果を第１表に合せて示し
た。 なお、比較法１〜７は、いずれもダイヤモンド
形成のための気相合成条件がこの発明の範囲から
外れた条件（第１表に※印を付した条件がこの発
明の範囲から外れた条件である）で実施したもの
である。 第１表に示される結果から、本発明法１〜10に
おいては、いずれも良好な状態でダイヤモンドを
合成されるのに対して、比較法１〜７において
は、いずれの場合も満足するダイヤモンド合成は
行なわれないことが明らかである。 なお、本発明法１〜10によつて合成されたダ
状あるいは膜状に析出せしめる方法に関するもの
である。 ダイヤモンドは、現存する物質の中で最も硬
く、かつ熱伝導性および電気絶縁性にもすぐれた
材料であることから、工業的に有用な材料とし
て、その使用分野は広範囲にわたつている。 また、ダイヤモンドには、天然に産出するもの
のほかに、超高圧合成装置を用い、超高圧発生容
器内に黒鉛粉末を触媒と共に入れ、温度：1600℃
以上、圧力：60kb以上の高温高圧下で反応させ、
黒鉛をダイヤモンドに相変態させることによつて
製造された人工ダイヤモンドがある。この人工ダ
イヤモンドは、原料粉末の粒度や反応時間を制御
することにより種々の粒度のものが得られるが、
装置自体が大型となるばかりでなく、１回の生産
量にも限界があるため、生産性の点で問題があ
り、どうしてもコスト高となるのをまぬがれるこ
とができない。このほか、ダイヤモンドの合成法
には、火薬の爆発による衝撃力を利用して、黒鉛
をダイヤモンドに変換する方法があるが、この方
法によつて製造された人工ダイヤモンドは、前記
の超高圧合成法により製造されたものに比して多
少安価ではあるが、結晶性が完全なものを得るこ
とが困難であり、したがつて特性上問題があるも
のである。 そこで、本発明者等は、上述のようは観点か
ら、大型のプレス装置などを用いることなく、か
つ結晶性の完全な人工ダイヤモンドを高い生産性
で、コスト安く製造すべく研究を行なつた結果、
ダイヤモンドが析出される基体として、元素周期
律表の4a、5a、および6a族金属のうちのいずれ
か、またはこれらの金属を主成分とする合金で構
成された基体部材の表面に、通常の表面炭化法、
表面窒化法、あるいは表面硼化法にて、炭素
（Ｃ）、窒素（Ｎ）、および硼素（Ｂ）のうちの１
種または２種以上を拡散させて形成した表面拡散
層を有する表面処理基体部材を用い、気相合成法
にて、前記基体部材の表面拡散層から0.5〜３cm
離れた位置に、Ｗ、Ta、Mo、あるいは黒鉛から
なるフイラメントを位置させた状態で、CH4と
H2との容量割合、すなわちCH4／H2を0.001〜
0.05に調整した混合反応ガスを前記フイラメント
を通過して前記表面拡散層に当るように流しなが
ら、前記の表面拡散層の温度：500〜1200℃、お
よびフイラメントの温度：1800〜2500℃の条件で
反応を行なわしめると、前記表面拡散層上に結晶
性が完全なダイヤモンドが粒状あるいは膜状に形
成されるようになるという知見を得たのである。 なお、この発明の方法において、上記表面拡散
層とフイラメントとの距離が0.5〜３cmの範囲内
において比較的小さい場合に、ダイヤモンドの析
出核の密度が高くなり、この析出核が横に密に並
ぶため膜状となり、一方前記の離間距離が大きく
なると粒状となるのである。また、上記表面拡散
層はダイヤモンド核を速い反応で均一に析出させ
るのに不可欠のものであり、したがつて、この表
面拡散が存在しない場合には、ダイヤモンドの析
出はきわめて遅くなり、所望の速度で均一にダイ
ヤモンド核を析出させることができないものであ
る。 つぎに、この発明の方法において、製造条件を
上記の通りに限定した理由を説明する。 （ａ） フイラメントの温度 フイラメントはメタン（CH4）を分解すると
同時に、この結果形成されたＣとH2とを活性
化し、ダイヤモンド形成に寄与するものと考え
られるが、その温度が1800℃未満では反応ガス
の活性化が十分に行なわれず、一方その温度が
2500℃を越えると熱輻射が大きくなりすぎ、い
ずれの場合もダイヤモンドの形成が不十分とな
ることから、フイラメント温度を1800〜2500℃
と定めた。 （ｂ） 表面拡散層の温度 表面拡散層の温度は、フイラメントからの輻
射熱と部材自体の加熱温度により決まるが、こ
の温度が500℃未満ではダイヤモンドの析出速
度が遅く、一方1200℃を越えた温度ではダイヤ
モンドの析出が行われないことから、その温度
を500〜1200℃と定めた。 （ｃ） 混合反応ガスにおけるCH4／H2の割合 この割合が0.001未満では、ダイヤモンドの
生成速度が著しく遅く、一方この割合が0.05を
越えると、ダイヤモンド中に黒鉛が混在するよ
うになることから、CH4／H2の割合を0.001〜
0.05と定めた。 （ｄ） 基体部材の表面拡散層とフイラメント間
の距離 この距離が0.5cm未満になると、フイラメン
トの輻射熱により表面拡散層温度が1200℃を越
えて高くなりすぎ、ダイヤモンドの析出が行な
われないようになり、一方この距離が３cmを越
えて大きくなると、ダイヤモンド核の形成密度
が急激に低下するようになることから、その距
離を0.5〜３cmと定めた。 また、この発明の方法を実施するに際して、反
応雰囲気は、ピラニー式真空計で５〜100torrの
範囲内の圧力（この圧力はダイヤフラム式真空計
で測定した場合の0.1〜10torrに相当、以下圧力
はピラニー式真空計で測定した圧力で示す）の真
空雰囲気とするのが好ましく、これは5torr未満
の圧力ではダイヤモンドの析出速度がきわめて遅
く、一方100torrを越えた圧力にすると黒鉛が混
在するようになるという理由によるものである。 なお、この発明の方法によつて合成されたダイ
ヤモンドは、不可避不純物としてフイラメント構
成成分であるＷ、Mo、あるいはTaなどを１〜10
原子％の範囲で含有する場合があるが、この程度
の不純物含有量はダイヤモンド特性に何らの悪影
響も及ぼすものではない。 つぎに、この発明の方法を実施例により具体的
に説明する。 実施例 それぞれ第１表に示される成分組成を有し、か
つ10mm□×厚さ：２mmの寸法をもつた基体部材を
用意し、この基体部材の表面に、同じく第１表に
示される表面処理法、すなわちガス表面炭化法、
ガス表面窒化法、固体表面炭化法、および固体表
面硼化法のいずれかを用い、通常の条件で第１表
に示される平均層厚の表面拡散層を形成し、つい
で、この結果の表面処理基体部材の表面拡散層上
に同じく第１表に示される条件で、ダイヤモンド
形成のための気相合成反応を施すことによつて、
本発明法１〜10および比較法１〜７をそれぞれ実
施し、実施後、その表面に形成された合成ダイヤ
モンドの平均層厚を測定すると共に、その状態を
観察した。これらの結果を第１表に合せて示し
た。 なお、比較法１〜７は、いずれもダイヤモンド
形成のための気相合成条件がこの発明の範囲から
外れた条件（第１表に※印を付した条件がこの発
明の範囲から外れた条件である）で実施したもの
である。 第１表に示される結果から、本発明法１〜10に
おいては、いずれも良好な状態でダイヤモンドを
合成されるのに対して、比較法１〜７において
は、いずれの場合も満足するダイヤモンド合成は
行なわれないことが明らかである。 なお、本発明法１〜10によつて合成されたダ
【表】
イヤモンドは、いずれも天然ダイヤモンドと同等
の硬さと電気抵抗を示すものであつた。 上述のように、この発明の方法によれば、大型
の装置を用いることなく、かつ生産性の高い状態
で、結晶性の完全な人工ダイヤモンドを、基体部
材の表面拡散層上に粒状あるいは膜状の形で合成
することができ、したがつて、ダイヤモンドを粒
状に合成した場合には、これを部材表面から機械
的にかき落して粉末状とし、砥石や研摩材、ある
いは粉末冶金用原料粉末などとして用いることが
でき、また、膜状に形成する場合には、基体部材
を、耐摩耗性や耐侯性が要求される各種の工具部
材、あるいは熱伝導性や電気絶縁性が要求される
ICやLSIなどとしてもよく、さらに絶縁膜や、
Ｂ、Ｐ、およびAlなどの成分とのドープと合せ
て半導体膜などとしての用途にも適用することが
できるなど工業上有用な効果がもたらされるので
ある。
の硬さと電気抵抗を示すものであつた。 上述のように、この発明の方法によれば、大型
の装置を用いることなく、かつ生産性の高い状態
で、結晶性の完全な人工ダイヤモンドを、基体部
材の表面拡散層上に粒状あるいは膜状の形で合成
することができ、したがつて、ダイヤモンドを粒
状に合成した場合には、これを部材表面から機械
的にかき落して粉末状とし、砥石や研摩材、ある
いは粉末冶金用原料粉末などとして用いることが
でき、また、膜状に形成する場合には、基体部材
を、耐摩耗性や耐侯性が要求される各種の工具部
材、あるいは熱伝導性や電気絶縁性が要求される
ICやLSIなどとしてもよく、さらに絶縁膜や、
Ｂ、Ｐ、およびAlなどの成分とのドープと合せ
て半導体膜などとしての用途にも適用することが
できるなど工業上有用な効果がもたらされるので
ある。
Claims (1)
- １ 元素周期律表の4a、5a、および6a族金属の
うちのいずれか、またはこれら金属を主成分とす
る合金で構成され、かつ炭素、窒素、および硼素
のうちの１種または２種以上を拡散させた表面拡
散層を有する表面処理基体部材を反応炉内に装入
し、前記基体部材の表面拡散層と、Ｗ、Ta、
Mo、あるいは黒鉛からなるフイラメントとの間
隔を0.5〜３cmに保持した状態で、CH4／H2の割
合を0.001〜0.05の範囲内に調整した混合反応ガ
スを反応炉内に流しながら、前記表面拡散層の温
度：500〜1200℃、およびフイラメント温度：
1800〜2500℃の条件で気相合成反応を行なわしめ
ることにより前記表面拡散層上にダイヤモンドを
粒状あるいは膜状に析出せしめることを特徴とす
るダイヤモンドの気相合成法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58057043A JPS59184791A (ja) | 1983-04-01 | 1983-04-01 | ダイヤモンドの気相合成法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58057043A JPS59184791A (ja) | 1983-04-01 | 1983-04-01 | ダイヤモンドの気相合成法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59184791A JPS59184791A (ja) | 1984-10-20 |
| JPS631280B2 true JPS631280B2 (ja) | 1988-01-12 |
Family
ID=13044413
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58057043A Granted JPS59184791A (ja) | 1983-04-01 | 1983-04-01 | ダイヤモンドの気相合成法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS59184791A (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61101493A (ja) * | 1984-10-23 | 1986-05-20 | ジヨ−ジ ガ−ゲリ− マ−クル | 立方体炭素 |
| JPS61106494A (ja) * | 1984-10-29 | 1986-05-24 | Kyocera Corp | ダイヤモンド被膜部材及びその製法 |
| US4925701A (en) * | 1988-05-27 | 1990-05-15 | Xerox Corporation | Processes for the preparation of polycrystalline diamond films |
| FR2790267B1 (fr) * | 1999-02-25 | 2001-05-11 | Suisse Electronique Microtech | Procede de depot d'une couche de diamant sur un metal refractaire de transition et piece revetue d' une telle couche |
| CN112195369B (zh) * | 2020-11-06 | 2021-07-23 | 西安稀有金属材料研究院有限公司 | 一种耐腐蚀的高强度中子屏蔽合金材料及其制备方法 |
-
1983
- 1983-04-01 JP JP58057043A patent/JPS59184791A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS59184791A (ja) | 1984-10-20 |
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