JPH0352433B2 - - Google Patents

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JPH0352433B2
JPH0352433B2 JP59048251A JP4825184A JPH0352433B2 JP H0352433 B2 JPH0352433 B2 JP H0352433B2 JP 59048251 A JP59048251 A JP 59048251A JP 4825184 A JP4825184 A JP 4825184A JP H0352433 B2 JPH0352433 B2 JP H0352433B2
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carbon
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diamond
ions
ion
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Mamoru Sato
Takeshi Sadahiro
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Tungaloy Corp
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
Toshiba Tungaloy Co Ltd
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-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
    • C30B23/00Single-crystal growth by condensing evaporated or sublimed materials
    • C30B23/02Epitaxial-layer growth
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-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
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02Elements
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  • Materials Engineering (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕 本発明は基体の表面をダイヤモンド薄膜で被覆
する方法に関し、更に詳しくは、イオン照射法と
蒸着法を組合わせることによつて、基体との付着
力が大きいダイヤモンド薄膜を基体の表面に形成
する方法に関する。 〔発明の技術的背景とその問題点〕 ダイヤモンドはその硬度が高く、電気絶縁体で
あり、しかもその熱伝導率は大きく耐摩耗性に優
れるという特異な特性を備えている。そのため、
ダイヤモンドは砥石の砥粒としてそのまま用いら
れたり又は焼結して各種の切削工具、耐摩耗工具
として用いられている。各種の基体の表面をダイ
ヤモンドの薄膜で被覆することができれば、この
ような材料ではダイヤモンドの有用な特性が生か
されて、その用途は飛躍的に拡大できる。例え
ば、ヒートシンク、半導体素材のような各種機能
材料の分野である。 そのため、基体上へのダイヤモンド薄膜の形成
に関しては、従来から、化学蒸着法、アーク放電
とスパツタリングとを組合わせたイオンビーム
法、グロー放電を利用した化学蒸着法又はマイク
ロ波、高周波による励起を利用した化学蒸着法な
ど種々の方法が試みられている。 しかしながら、これまで試みられている方法で
は、基体上に形成された薄膜はそのほとんどが黒
鉛、ダイヤモンド状炭素、非晶質炭素などであつ
て、たとえ真のダイヤモンド薄膜が形成されたと
しても、それは基体との付着力が小さく、例え
ば、基体との熱膨張差に起因する両相間の熱応力
の発生によつてダイヤモンド薄膜が損壊・剥離す
るなどの現象が起り、とうてい実用に供しうる状
態ではなかつた。 〔発明の目的〕 本発明は基体の表面に、該基体との付着力が大
きく、高密度、高硬度のダイヤモンド状カーボン
および/またはダイヤモンド薄膜を形成する方法
の提供を目的とする。 〔発明の概要〕 本発明者らは、上記した目的を達成すべく鋭意
研究を重ねた結果、蒸着法とイオン照射法とを組
合せた方法を適用し、しかもそのときに、蒸発源
から基体上に蒸着させた原子の数と照射するイオ
ンの電荷の数(つまりは照射されるイオンの電荷
の総数)、並びにイオン種のイオン加速エネルギ
ーを適宜に調整すれば、基体の表面に高密度、高
硬度で、かつ付着強度の高いダイヤモンド状カー
ボンおよび/またはダイヤモンドの薄膜を形成す
ることができるという事実を見出し本発明を完成
するに到つた。 すなわち、本発明方法は、基体上に、炭素を含
有する蒸発源から炭素を蒸着させその蒸着と同時
又は交互に加速されたイオン種を照射して、該基
体上にダイヤモンド状カーボンおよび/またはダ
イヤモンドからなる薄膜を形成する方法におい
て、前記基体上に蒸着された炭素原子の数と加速
された前記イオン種の電荷の数との比が0.1〜5
であり、かつ、該イオン種のイオン加速エネルギ
ーが原子当たり6〜60KeVの条件下で該薄膜を
形成することを特徴とする。 本発明方法にあつて、まず基体としては、セラ
ミツクス、超硬合金、サーメツト又は各種の金属
若しくは合金など何であつてもよく、その材質は
問わない。ただし、基体が電気絶縁体の場合に
は、荷電している場所と荷電していない場所とで
はそこに形成された蒸着膜の特性が異なり膜全体
の特性のバラツキが生じ易すくなるので、基体と
しては電気伝導体であることが好ましい。しか
し、基体が電気絶縁性の材料であつても、予め常
法により基体の表面に電気伝導体の薄膜を形成す
るか、又は、後述する本発明の方法において、ま
ず蒸着法により表面導通を可能にする蒸着膜を最
低限形成しておき、その後本発明方法を適用して
もよい。 炭素を含有する蒸発源としては、無定形炭素、
黒鉛、ダイヤモンドの1種又は2種以上のものが
あげられる。 イオン種としては、所定のイオン加速エネルギ
ーを有するイオン種であつて、炭素を含有する蒸
発源に作用してダイヤモンドの薄膜を形成するも
のであればよい。具体的には、水素原子イオン
(H+)、水素分子イオン(H2 +);メタンイオン
(CH4 +)、エタンイオン(C2H6 +)、ブタンイオン
(C4H10 +)、アセチレンイオン(C2H2 +)のよう
な炭化水素イオン;炭素イオン(C+);窒素原子
イオン(N+)、窒素分子イオン(N2 +);ヘリウ
ムイオン(He+)、アルゴンイオン(Ar+)、クリ
プトン(Kr+)のような不活性ガスイオンのいず
れか1種であることが好ましい。 このようなイオン種は、後述する装置によつて
創生され、質量分析用のマグネトロンを用いて磁
気的に選択されて供給される。 本発明方法では、基体の上に炭素を含有する蒸
発源を蒸着させると同時に又は炭素を含有する蒸
発源の蒸着膜が形成された後に、上記したイオン
種を照射する。前者の場合には、炭素を含有する
蒸発源は基体表面に蒸着すると、まさにそれと同
時に照射されたイオン種の作用を受けてそれはダ
イヤモンド状カーボンおよび/またはダイヤモン
ドになりそれがそのまま層形成されることにな
る。また、後者の場合には、既に蒸着層として存
在する、炭素を含有する蒸発源の層がそのあとか
ら照射されたイオン種の作用によりダイヤモンド
状カーボンおよび/またはダイヤモンドに変換さ
れる。したがつて、この後者の場合、炭素を含有
する蒸発源の蒸着層の形成とイオン照射を交互に
反復して行なえば順次ダイヤモンド状カーボンお
よび/またはダイヤモンド層が厚く成長していく
ことになる。 本発明方法にあつては、基体の表面において、
蒸発源から蒸着させた原子の数(n0とする)と照
射されるイオンの電荷の数(すなわち、イオンの
電荷の総数q0とする)との比(n0/q0)が0.1〜
5となるように制御すること、並びにイオン種の
イオン加速エネルギーを該イオン種を構成する原
子り6〜60KeVに制御することが望ましい。 n0/q0が5を超える場合には、基体表面に形成
された薄膜は高硬度なダイヤモンド状カーボンお
よび/またはダイヤモンドでなく低密度、低硬度
の非ダイヤモンドカーボン又はダイヤモンド状カ
ーボンの薄膜になる。逆に0.1未満の場合は、エ
ネルギーが大き過ぎて格子欠陥が多く生じ、低密
度、低硬度の薄膜になる。このためにn0/q0
0.1〜5と定めたが高硬度、高密度及び基体との
付着強度に優れた良質な薄膜の形成にはn0/q0
1〜3であることがとくに好ましい。 イオン種のイオン加速エネルギーが原子当り
6KeV未満の場合には、蒸着膜へのイオン種の注
入量が減少してスパツタ現象が支配的となる。こ
の値を原子当り6KeV以上に制御するとスパツタ
現象は抑制され、蒸着膜の原子は該照射イオン種
と衝突して反跳し基体の内部にまで侵入してそこ
で基体と蒸着膜原子との間に新しい層を形成す
る、いわゆるイオンミキシング(Ion mixing)
効果が高まつて基体表面とダイヤモンド薄膜との
付着力が向上する。しかし、その値が原子当り
60keVを超えると基体表面の蒸着膜よりも可成り
深くイオン種が注入されるのでイオンミキシング
効果は高まるが、しかし形成される薄膜は低密
度、低硬度となるために不都合である。 本発明方法は、図に例示した装置を用いて次の
ように行なわれる。 まず、イオン化されるべきガス例えばN2はリ
ークバルブ1を経てイオン源2に導入され、ここ
でイオン化されたのち、加速器3で加速されて所
定のイオン加速エネルギーが付与される。イオン
は次に分析マグネツト4に導入され、ここで必要
とするイオン種のみが磁気的に選択されて反応室
5に供給される。 反応室5は真空ポンプ(例えばターボ分子ポン
プ)6によつて10-4Torr以下の高真空に維持さ
れる。基体7は基体ホルダ8に固定され、ここに
上記したイオン種が照射される。照射に際して
は、基体に均一にイオン種を照射するために、収
束レンズ9にイオン種を通過させる。 10は、基体7の下に配置された蒸着装置であ
る。装置の加熱方法は、電子ビーム加熱、レーザ
線加熱など適宜な方法が用いられる。この中には
炭素を含有する蒸発源が収容されている。炭素を
含有する蒸発源の蒸着量及び蒸着速度は、基体ホ
ルダ8の横に配設した例えば石英板使用の振動型
膜厚計11によつて測定すればよい。 また、イオン種の電荷の数、すなわち、イオン
電流は、二次電子追返し電極12を付設した電流
積算計13によつて正確に測定することができ
る。 このような装置において、基体7を所定位置に
セツトし、反応室5内を所定の真空度に保ち、蒸
着装置10を作動して炭素を含有する蒸発源を基
体7に所定量蒸着させ、そこに所定のイオン種を
所定のイオン加速エネルギーで照射すれば、基体
表面にはダイヤモンド状カーボンおよび/または
ダイヤモンドの薄膜が形成される。 なお、このとき炭素を含有する蒸発源、イオン
種はいずれも基体の1方向からのみ蒸着又は照射
されるので、基体の全表面にダイヤモンド状カー
ボンおよび/またはダイヤモンド薄膜を形成する
場合にはこの基体に回転、揺動などの運動を与え
ればよい。 〔発明の実施例〕 実施例 1〜3 図に示した装置を用いて高純度N2ガスをリー
クバルブ1からPIG型イオン源2に導入した。発
生したイオンに加速器3で種々の加速エネルギー
を付与した。このイオンビームを分析マグネツト
4で質量分析しN2 +のみを磁気的に選択した。 他方、基体としてタンタル板を用い、これを基
体ホルダ8にセツトし反応室5内を650/secの
ターボ分子ポンプで1×10-5Torrの真空度に保
持した。 ついで、黒鉛を収容する電子ビーム蒸着装置1
0を作動して炭素を蒸発させ、N2 +イオンの照射
と同時にタンタル板7の上に蒸着させた。 炭素の蒸着量、蒸着速度は振動型膜厚計11で
測定し、N2 +イオンの個数は電流積算計13で測
定し、n0/q0を算出した。 N2 +イオンのイオン加速エネルギーを変え、炭
素蒸着量を変化させて薄膜形成を行なつた。その
結果を一括して第1表に示した。 次いで、ロツクウエル硬度計にて、ロツクウエ
ル硬さ測定用のダイヤモンド圧子(荷重60Kg)を
用いて、第1表に示した実施例1〜3ならびに比
較例1〜4のそれぞれの試料の薄膜面上から圧痕
を付けて、そのときの圧痕周辺に生じる薄膜の剥
離した面積を測定して第1表に併記した。
【表】 * 剥離なし
実施例 4〜6 基体としてWC−Co基超硬合金、Si3N4基セラ
ミツクス及びTiC−TiN基サーメツトを使用し
て、実施例1と同様の条件で薄膜形成を行なつ
た。その結果を第2表に示した。 次いで、実施例1〜3と同一の条件で薄膜の剥
離試験を行ない、その結果を第2表に併記した。
【表】 * 剥離なし
〔発明の効果〕 本発明方法によれば、第1表、第2表の硬さ
(ヌープ)のデータから明らかなように、基体の
表面にはダイヤモンド状カーボン又はダイヤモン
ドから成る高硬度の薄膜を形成することができる
こと、そしてその薄膜はイオン照射によつて基体
との界面で楔効果を有するので基体との付着力が
大きいことなどの点で工業的に資するところ大で
ある。
【図面の簡単な説明】
図は本発明方法を行なうに当り好適な装置の1
例を示すものである。 1……リークバルブ、2……イオン源、3……
加速器、4……分析マグネツト、5……反応室、
6……真空ポンプ、7……基体、8……基体ホル
ダ、9……イオン収束レンズ、10……蒸着装
置、11……石英板使用の振動型膜厚計、12…
…二次電子追い返し用電極、13……電流積算
計。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 基体上に、炭素を含有する蒸発源から炭素を
    蒸着させ、その蒸着と同時又は交互に加速された
    イオン種を照射して、該基体上にダイヤモンド状
    カーボン及び/又はダイヤモンドからなる薄膜を
    形成する方法において、前記基体上に蒸着された
    炭素原子の数と加速された前記イオン種の電荷の
    数との比が0.1〜5であり、かつ、該イオン種の
    イオン加速エネルギーが原子当たり6〜60KeV
    の条件によるイオン注入法を用いて、該薄膜を形
    成することを特徴とするダイヤモンド薄膜の制造
    方法。 2 蒸発源が、無定形炭素、黒鉛、ダイヤモンド
    の群から選ばれる少なくとも1種である特許請求
    の範囲第1項記の方法。 3 イオン種が、水素イオン、水素分子イオン、
    炭化水素イオン、炭素イオン、窒素イオン、窒素
    分子イオン、不活性ガスイオンのいずれか1つで
    ある特許請求の範囲第1項又は第2項のいずれか
    に記載の方法。
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