JP4851376B2 - ダイヤモンド膜の合成に用いる導電性基体の前処理方法及びダイヤモンド膜の製造方法 - Google Patents
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Description
上記(2)の方法は、基体が平板でなければ行えない。また、微細な傷をつけるためには、微細な研磨粉を用いる必要があり、そのため研磨に長時間を要する。また、研磨粉に大きな粒子が混入した場合、基体の表面に深い引っ掻き傷ができてしまい、成膜後のダイヤモンド膜もこの形状を反映してしまう。
上記(3)の方法では、基体の表面に、十分に核形成をすることができない。
ダイヤモンド膜の合成に用いる導電性基体の前処理方法であって、
微粒子を懸濁させた電解質溶液に前記導電性基体を浸漬し、交流電解により電解処理を行うことを特徴とする前処理方法を要旨とする。
本発明の前処理方法が上記の効果を奏する原因については明確ではないが、一つの理由として以下のように推察される。すなわち、本発明の前処理方法において電解処理を行うと、電極の表面で電気化学反応が起きて水素あるいは酸素が発生し、これが細かい気泡として観察される。また、導電性基体が陽極の場合には、導電性基体の成分の溶出も起こる。この表面から発生する気泡が溶液内で対流を起こし、その対流に乗って微粒子が導電性基体の表面に衝突する。あるいは、気泡が破裂する際にも大きな運動エネルギーが生じ、それに伴って微粒子が導電性基体の表面に衝突する。それによって、微粒子が導電性基体の表面に固定化され、さらに微細な傷やピットが導電性基体の表面上に形成される。
このことは、以下の事実により裏付けられる。すなわち、後述する比較例1のように、導電性基体をダイヤモンド微粒子を含まないNaOH中で電解しても、本発明の前処理方法を行った後のような微細な傷やピットは導電性基体の表面上に形成されないし、導電性基体が陽極の場合には溶解することにより、表面はより滑らかとなる。このことは、本発明の前処理方法を行った後の導電性基体の表面上に形成される傷やピットは、電解に伴って生成する気泡のみによって生じたものではなく、微粒子の存在が必須であることを示す。
前記前処理とは、導電性基体の表面にダイヤモンド膜を形成する前に、導電性基体の表面を、ダイヤモンド膜の形成に適した状態にするための処理をいう。
この理由は、以下のように推測される。すなわち、交流電解において電流が交互に切り替わることで、導電性基体の表面上で酸素発生と水素発生が交互に起こり、発生する気泡が非常に細かくなる。対流形態も非常に複雑になり、それにより導電性基体の表面に衝突する微粒子が増え、より多くの微粒子の固定化、及び微細な傷やピットの形成がなされる。
1.電解処理用セル1の構成
電解処理用セル1は、図1に示すように、交流あるいは直流の電流を流すため電源3と、電源3及び基体5を接続するリード線7と、後述する前処理液13の容器であるカーボン製ルツボ9と、電源3及びルツボ9を接続するリード線11と、ルツボ9内に収容された前処理液13とからなる。この電解処理用セル1では、ルツボ9が対極として機能する。なお、前処理液11の容器として、ルツボ9の代わりに、ビーカーなどの非導電性の材質から成る容器を用い、その中に、別途、対極を挿入してもよい。
図1に示すように、基体5にリード線11を接続し、基体5を前処理液13に浸漬する。基体5の材質及び形状については後述する。前処理液13は、電解質を濃度1Mとなるように含む電解質溶液に微粒子を懸濁させたものであり、微粒子の量は、電解質溶液100mlあたり、0.25〜0.35gである。微粒子及び電解質溶液の詳細については後述する。前処理液13の温度は、前処理を行う全期間において30℃とする。
比較例1〜7の前処理として、前処理液13の代わりに、微粒子を含まない電解質溶液を用いて前処理を行った。その処理条件を上記表1に示す。
また、比較例8の前処理を実施した後に、基体5の表面を電子顕微鏡で観察すると、図4のような表面形態が得られた。すなわち、表面形態は、実施例1の場合(図2)と比較して、微細な傷やピットがなく滑らかであった。また、基体5の表面に保持されたダイヤモンド微粒子(白い点として観察されるもの)の数は、1.1×108個/m2であり、実施例1の場合の約1/4に過ぎなかった。さらに、微粒子の直径は300nm以下であり、実施例1の場合よりも遙かに大きかった。
上記のように、比較例8では、微細な傷やピットがなく、保持されるダイヤモンド微粒子の数が少ない原因は、エタノール中に懸濁した微粒子が、超音波振動では十分な運動エネルギーを有していないためであると考えられる。すなわち、物体の運動エネルギーは(質量)×(速さ)2/2で決まる量であるから、超音波処理により十分な速さを得られない微粒子が表面に衝突しても固定化されずに跳ね返される。
各実施例及び各比較例の前処理後、基体5を電解処理用セル1から取り出し、マイクロ波プラズマCVD装置に導入し、以下の条件でダイヤモンド膜の成膜を行った。
マイクロ波の出力:8kW
チャンバー内の圧力:90Torr
ガス流量:500sccm
ダイヤモンド膜の成膜時間:2時間
5.ダイヤモンド膜の評価
ダイヤモンド膜の成膜完了後、電子顕微鏡にて基体5上に形成されたダイヤモンド膜の表面状態を観察した。そして、以下の基準により、ダイヤモンド膜を評価した。
○:非常に緻密ではあるが一部(全面積の1%以下)ピンホールが見られる膜
△:ある程度(全面積の1〜20%)のピンホールがある膜
×:ダイヤモンドが膜状にならず粒子として存在するか、あるいはほとんど成長しない
その結果を上記表1に示す。
、AlN、WCであるもの(実施例10〜14)よりも、ダイヤモンド膜の表面状態が一層良好であった。また、微粒子の粒径については、0.5μm以下、0.5〜1μm、30〜40μmのいずれの場合(実施例1、15〜16)であっても、ダイヤモンド膜の表面状態が良好であった。また、電解質溶液の種類がNaOH、Na2SO4の水溶液であるもの(実施例1、17)は、電解質溶液がH2SO4の水溶液であるもの(実施例18)よりも、ダイヤモンド膜の表面状態が一層良好であった。
なお、実施例8〜9、比較例6〜7では、基体5自体の材質の問題により、マイクロ波プラズマCVD法では成膜できなかった。ホットフィラメントCVD法ではこれらの材質から成る基体5でも成膜できることが報告されている。
7、11・・・リード線 9・・・ルツボ 13・・・前処理液
Claims (5)
- ダイヤモンド膜の合成に用いる導電性基体の前処理方法であって、
微粒子を懸濁させた電解質溶液に前記導電性基体を浸漬し、交流電解により電解処理を行うことを特徴とする前処理方法。 - 前記微粒子の硬度が、前記導電性基体の硬度よりも高いことを特徴とする請求項1記載の前処理方法。
- 前記微粒子の粒径が、40μm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の前処理方法。
- 前記微粒子が、ダイヤモンドから成ることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の前処理方法。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の前処理方法を行ってから、前記導電性基体の表面にダイヤモンド膜を合成するダイヤモンド膜の製造方法。
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