JPH0524982A

JPH0524982A - ダイヤモンドの気相合成方法

Info

Publication number: JPH0524982A
Application number: JP17534091A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Yamanoi; 清山野井; Mitsuhiro Inoue; 光弘井上
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co Ltd
Priority date: 1991-07-16
Filing date: 1991-07-16
Publication date: 1993-02-02

Abstract

(57)【要約】【目的】直流アーク放電による気相合成方法において、
放電電力を安定化させることにより電極物資の混入のな
い良質なダイヤモンド膜を得る。【構成】放電ガス６として水素を用いずアルゴンのみ用
い、水素は陽極ノズル部供給口５などから加えることに
より水素を熱的に励起、分解する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ダイヤモンドの気相合
成方法に関し、より詳しくは良質のダイヤモンドを高速
で析出させることのできるダイヤモンドの気相合成方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドの気相合成法には各種ある
が、高い析出速度を目的とする熱プラズマＣＶＤ法が特
開昭６２−１５８１９５号公報に記載されている。ま
た、上記熱プラズマＣＶＤ法のうち、直流を用いる場合
に限定した具体的方法として直流熱プラズマＣＶＤ法が
特開昭６４−３３０９６号公報等に記載されている。

【０００３】直流熱プラズマＣＶＤ法に用いる装置とし
ては、通常「松本精一郎：熱プラズマＣＶＤ法によるダ
イヤモンド合成、ニューダイヤモンド誌、第８号、ＶＯ
ｌ．４、Ｎｏ．１、ｐ２６（１９８８）（ニューダイヤ
モンドフォーラム発行）」に記載されているものが用い
られる。この装置は、ノズル形の陽極をもつプラズマト
ーチと水冷した基板ホルダとを基本構成としている。そ
して、該プラズマトーチの両極間にアルゴンガス及び水
素ガスを供給して放電させ、メタンガスなどの炭化水素
ガスなどを該プラズマトーチのノズルの途中などから供
給してプラズマジェットを得、上記の水冷した基板ホル
ダに密着して設置した基板に該プラズマジェットを当て
ることにより、該基板上にダイヤモンドを析出させて合
成するものである。

【０００４】直流熱プラズマＣＶＤ法の合成条件におい
て、重要なパラメータとしては、ガス組成、放電電力、
チャンバー内圧力、プラズマトーチと基板との距離及び
基板温度などがあり、良質なダイヤモンドを高速で合成
するために前記パラメータを最適化する必要がある。前
記パラメータは各々が独立ではなく互に影響しあってい
る。例えば、あるガス組成において放電電力やチャンバ
内圧力を変えると、プラズマジェットの長さが変るた
め、特定の冷却条件及び特定の位置における基板温度が
変化する。したがって、ダイヤモンド合成の際には、前
記パラメータを安定化させることが重要である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記の直流熱
プラズマＣＶＤ法によるダイヤモンド合成では、放電電
力が不安定になりやすいという問題があった。放電電力
の変動幅が大きいと電源の制御範囲を超え、放電が停止
したり電力が上昇して暴走状態となる。ただし、通常、
暴走状態となっても、安全装置によりプラズマトーチの
破壊を防ぐことができる。そして、放電電力の変動幅が
大きいとプラズマジェットが不安定となり、得られるダ
イヤモンドの品質が低下する。この問題は電力が小さい
ときよりも、ダイヤモンドの析出面積を大きくするなど
の目的で電力を大きくした場合の方が基板温度が変化し
やすいため起こりやすく、析出物の品質を低下させやす
い。

【０００６】また、放電電力が不安定であると、銅など
のプラズマトーチの電極材料が溶け出し、あるいは蒸発
して合成したダイヤモンド中に混入しやすくなる。この
ため、チャンバ内圧力を３０ｔｏｒｒ以下として放電電
圧を安定化させる方法が特開平２−５５２９６号公報に
提案されている。

【０００７】また、チャンバー内圧力を下げることなく
放電電圧を安定化できる方法として、プラズマトーチの
電極間に供給する、通常水素とアルゴンなどからなる２
種以上の放電ガスを予め完全に混合する方法が、本出願
人により特願平２−３０６０号に提案されている。

【０００８】しかしながら、上記の方法では、いずれに
しても、アルゴンなどの不活性ガスより放電が難しい水
素を放電させるため、アルゴンなどの不活性ガスを放電
させる場合より放電電力が不安定になりやすいという問
題があった。

【０００９】本発明は、上記の如き従来の課題に鑑みて
なされたもので、その目的とするところは、放電電力が
安定となり、電極材料の混入のない、良質のダイヤモン
ドを製造することができるダイヤモンドの気相合成方法
を提供しようとするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、プラズマトー
チが陽極と陰極を有し、該電極間の放電により該電極間
に供給されるガスをプラズマ化し、炭素源料を含むプラ
ズマジェットを得、このプラズマジェットを基板に当て
てダイヤモンドを合成する直流アーク放電による気相合
成方法において、電極間に供給する放電ガスとして、水
素を含まず、かつ、不活性ガスを含むガスを用い、しか
も、水素ガスを該放電ガスとは別に励起、分解すること
を特徴とするものである。

【００１１】また、水素ガスを該放電ガスとは別に励
起、分解する１つの手段として、プラズマトーチ内部の
陽極ノズル部、またはプラズマトーチから発生させたプ
ラズマジェット部のうち、少なくとも一方に該水素ガス
を供給する。

【００１２】放電ガスとして用いる不活性ガスとして
は、アルゴンまたはヘリウムなどを単独で用いることが
好ましい。また、炭素原料ガスは、電極間、陽極ノズル
部、あるいはプラズマジェットの雰囲気の少なくとも一
つに供給することができる。炭素原料ガスとしては、メ
タン、エタンなどの炭化水素ガス、一酸化炭素、二酸化
炭素、あるいはアセトンやエタノールなどの酸素原子を
含む有機化合物などのうち、少なくとも一つを用いるこ
とができる。

【００１３】また、プラズマジェットを当ててダイヤモ
ンドを合成する基板は、水冷された基板ホルダに密着し
て設置される。

【００１４】本発明では、ガス組成、放電電力、チャン
バ内圧力、基板温度などの合成条件としては、通常の直
流熱プラズマＣＶＤ法と同様とすることができるが、水
素を効率良く励起、分解するためには、装置にもよる
が、放電電力は好ましくは５ＫＷ以上、より好ましくは
１０ＫＷ以上にするのが良い。

【００１５】

【作用】従来の直流熱プラズマＣＶＤ法では、アルゴン
などより放電が難しい水素を放電させるため、アルゴン
などを放電させる場合と比べて放電電力が不安定になり
やすかった。これに対し、本発明では、水素を放電させ
ず、アルゴンなどを放電させるので、放電電力が安定に
なる。一方、水素は、高温のアルゴンなどのプラズマ中
にプラズマトーチ内の陽極ノズル部やプラズマジェット
部において添加されることにより、熱的に励起、分解さ
れ、かつ、該プラズマにすみやかに混合される。したが
って、この結果得られるプラズマジェットは、水素とア
ルゴンなどを放電させた場合のプラズマジェットと基板
に到達するまでに同様の状態となり、同様にダイヤモン
ドが合成できる。水素および炭素源を熱的に励起、分解
してダイヤモンドを合成する方法としては、特公昭６３
−５３１５９号公報に記載されている熱フィラメント法
がよく知られている。

【００１６】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明
するが、本発明はこれに限定されるものではない。実施例図１は本発明に用いる直流アーク放電によるダイヤモン
ドの気相合成装置を説明する概略図である。同図におい
て、１３は真空チャンバで、真空チャンバ１３内には、
陽極２および陰極３を有するプラズマトーチ１ととも
に、基板１１が取り付けられた水冷基板ホルダ１２が設
けられ、基板ホルダ１２内には冷却水１４が注入され
る。

【００１７】また、４は放電ガス６が供給される放電ガ
ス供給口、５は陽極ノズル部供給ガス７が供給される陽
極ノズル部ガス供給口、８は直流電源、９はプラズマジ
ェット、１１はダイヤモンド、１５は排気ガスである。

【００１８】本装置は一般に知られる装置と基本的には
同様であるが、ガス供給装置（図示しない）により放電
ガス６としてアルゴン、陽極ノズル部供給ガス７として
水素およびメタンを供給できるように作製した。

【００１９】この装置により以下の条件で合成を行っ
た。（合成条件）放電ガス：アルゴンガス４５１／分陽極ノズル部供給ガス：水素ガス２０１／分、メタンガ
ス１．０１／分ガス流量制御：株式会社エステック社製マスフローコン
トローラ放電電力：１５ＫＷ放電電圧：３０Ｖチャンバ内圧力：１５０ｔｏｒｒプラズマトーチと基板との距離：６６ｍｍ基板：２５ｍｍ×２５ｍｍ×３ｍｍモリブテン金属板、
株式会社ニラコ社製合成時間：２０分上記の条件で合成した結果、放電電力の変動幅は±０．
３ＫＷであった。基板上に得られた合成物の外観は白色
に近い灰色で光を良く反射し、直径約１５ｍｍの面積で
あった。これをＸ線回折、レーザラマン分光、およびＳ
ＥＭを用いて評価したところ、全面積にわたり膜厚５０
μｍの立方晶ダイヤモンドの多結晶膜であることが確認
され、レーザラマン分光においてダイヤモンド以外のピ
ークがほとんどなく、得られたダイヤモンドは良質であ
ることがわかった。また、光学顕微鏡を用いてこの膜の
表面を観察したところ、金属などの混入は見られなかっ
た。さらに、この基板を浸漬した１０ｍｌの過硫酸アン
モニウム水溶液の一部をとり、原子吸光法を用いて調べ
たところ、銅は検出感度０．０１ｐｐｍ以下で検出され
なかった。比較例実施例で用いた装置と基本的には同様であるが、ガス供
給装置を変え、放電ガスとしてアルゴンガス４５１／
分，水素ガス２０１／分、陽極ノズル部供給ガスとして
メタンガス１．０１／分、放電電圧７３Ｖとしたこと以
外は実施例と同様の条件で合成を行った。この結果、放
電電力の変動幅は±１．９ＫＷであった。また、基板上
に得られた合成物の外観および析出の面積は実施例と同
様であった。この合成物をＸ線回折、レーザラマン分
光、およびＳＥＭを用いて評価したところ、析出の外周
数ｍｍの膜厚が３０μｍに低下したこと以外は実施例と
同様に良質なダイヤモンドであることがわかった。ま
た、この膜の光学顕微鏡による表面観察の結果、金属と
思われる混入物が十数箇所見られた。さらに、実施例と
同様にして得た水溶液を原子吸光法を用いて調べたとこ
ろ、０．７ｐｐｍの銅が検出された。この銅は陽極材料
である銅が溶け出して膜に混入したと考えられる。

【００２０】

【発明の効果】本発明のダイヤモンドの気相合成方法に
よると、放電電力が安定となり、電極材料などの混入の
ない良質のダイヤモンドを合成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わる直流アーク放電によ
るダイヤモンド合成装置を示す断面図である。

【符号の説明】

１プラズマトーチ２陽極３陰極４放電ガス供給口５陽極ノズル部ガス供給口６放電ガス７陽極ノズル部供給ガス８直流電源９プラズマジェット 10 ダイヤモンド 11 基板 12 水冷基板ホルダ 13 真空チャンバ 14 冷却水 15 排気ガス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プラズマトーチが陽極および陰極を有
し、該両電極間に供給する放電ガスとして、水素を含ま
ずかつ不活性ガスを含むガスを用い、しかも、水素ガス
を該放電ガスとは別に励起、分解することを特徴とする
直流アーク放電によるダイヤモンドの気相合成法。
【請求項２】水素ガスを励起、分解する手段が、プラ
ズマトーチ内部の陽極ノズル部またはプラズマトーチか
ら発生させたプラズマジェット部のうち、少なくとも一
方に該水素ガスを供給するものであることを特徴とする
請求項１記載のダイヤモンドの気相合成方法。