(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼炎法によるダイヤモンド皮膜の合成方法において、９９．５％以上の純度のアセチレンと酸素の流量比（Ｏ２／Ｃ２Ｈ２）が０．９の燃焼ガスに、ダイヤモンド合成促進成分として窒素ガスを流量比（Ｎ２／（Ｃ２Ｈ２＋Ｏ２＋Ｎ２））で０．２８％〜０．４０％混合することを特徴とする、燃焼炎法によるダイヤモンド皮膜合成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高純度アセチレンガスを用いて、良質かつ接合強度の高いダイヤモンド皮膜を合成する、燃焼炎法によるダイヤモンド皮膜合成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高品質のダイヤモンド薄膜を高速かつ大面積に成膜するダイヤモンド薄膜の形成方法及び形成装置が知られている（特許文献１を参照）。
この公知技術では、大気中において炭素を含む原料ガスをバーナーで燃焼させる際、バーナーの原料ガス噴出口の周囲に、不活性ガスの噴出口を配置し、原料ガスの燃焼炎の周囲に不活性ガス流を形成し、燃焼炎を大気から遮断しながらダイヤモンド薄膜の成膜を行うものである。
【０００３】
同様に、燃焼炎の外炎部分をダイヤモンド形成領域である内炎部分から分離し、内炎部分をほぼ完全に還元雰囲気に保つことにより、大面積でかつ結晶性の良好なダイヤモンドを高速かつ安価に製造することが知られている（特許文献２を参照）。
この公知技術は、水冷機構を備えた基板ホルダーの上にシリコン基板を配置し、該シリコン基板の上方に燃焼火口を設け、該燃焼火口の先端部を、炭化水素と酸素の混合ガスを放出する混合ガス放出口と、該混合ガス放出口を囲むようにドーナッツ状に形成され、不活性ガスを放出する不活性ガス放出口との２つの放出口により、混合ガス放出口から炭化水素と酸素の混合ガスを放出して燃焼炎を発生させると共に、不活性ガス放出口から不活性ガスを放出して燃焼炎を大気から遮断するものである。
【０００４】
また、水素原子を含む燃焼ガスの燃焼領域中に、窒素およびホウ素を含むガスを供給しながら、その燃焼炎を基板上に直接吹き付ける窒化ホウ素を形成する方法が知られている（特許文献３を参照）。
この公知技術は、水素原子を含む燃焼ガスの燃焼領域中に、窒素及びホウ素を含むガスを供給しながら、その燃焼炎中で分解、励起されたホウ素、窒素ラジカルを基板上に直接吹き付けると、温度勾配が大きくなり、励起されたホウ素、窒素ラジカルが効率よく基板上に輸送されてｃ−ＢＮを高速に形成し、また同時に、水素原子を含む燃焼炎中にはｈ−ＢＮをガス化により除去できる水素ラジカルが多量に存在するため、析出したｈ−ＢＮが水素ラジカルにより効率よく除去されて、ｃ−ＢＮを高割合で含む窒化ホウ素を析出するものである。
【０００５】
通常のアセチレンガスを用いて燃焼炎法によりダイヤモンド皮膜の合成を行った際、ガスボンベの残量によりアセチレンガスの純度にバラツキが生じ、ダイヤモンド合成中燃焼炎の状態が不安定となる。
そこで、ガスボンベの残量に関わらずほぼ一定の純度以上を保つことのできる高純度アセチレンガスに注目した。
また、アセチレンガスの純度が高いことで、良質なダイヤモンドが合成され、接合強度も高い皮膜が合成できると考えた。
ダイヤモンド合成促進成分として窒素ガスに注目し、窒素ガスの流量比を変化させながらその効果について精査した。
【特許文献１】特開平８−１３３８９１号公報
【特許文献２】特開平８−２９９６号公報
【特許文献３】特開平６−１７１９１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、高純度アセチレンガスを用いて、良質なダイヤモンドでかつ接合強度の高いダイヤモンド皮膜を合成する、燃焼炎法によるダイヤモンド皮膜合成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の高純度アセチレンガスを用いた燃焼炎法によるダイヤモンド皮膜合成方法は、高純度アセチレンガスを用い、燃焼炎法によりダイヤモンド皮膜を合成しており、ダイヤモンド合成促進成分として窒素ガスを用いているものである。
さらに、本発明の高純度アセチレンガスを用いた燃焼炎法によるダイヤモンド皮膜合成方法は、高純度アセチレン−酸素の流量比（Ｏ２／Ｃ２Ｈ２）０．９の燃焼ガスにダイヤモンド合成促進成分として窒素ガスを流量比（Ｎ２／(Ｃ２Ｈ２＋Ｏ２＋Ｎ２)）０．２８％〜０．４０％混合するものである。
【発明の効果】
【０００８】
一般に、燃焼炎法において通常のアセチレンガスを用いたダイヤモンド皮膜合成は行われているが、高純度アセチレンガスを用いた合成は行われていない。また、接合強度まで考慮したダイヤモンド合成も行われていない。本発明の高純度アセチレンガスを用いた燃焼炎法によるダイヤモンド皮膜合成方法を用いることで、直接的に基板上へのダイヤモンド皮膜合成が可能となり、切削工具等への直接的なダイヤモンド皮膜合成が可能となる効果がある。
また、本発明の高純度アセチレンガスを用いた燃焼炎法によるダイヤモンド皮膜合成方法は、接合強度まで考慮してはく離を抑制しながら直接的に基板上にダイヤモンドの皮膜を形成しているものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の高純度アセチレンガスを用いた燃焼炎法によるダイヤモンド皮膜合成方法の一実施例を添付図面に基づいて、以下に説明する。
従来、アセチレン−酸素の燃焼炎によって、ダイヤモンドを金属基板表面に直接的な接合を行ってきた。
通常市販のアセチレンガスを用いた際、ガスボンベの残量によってアセチレンの純度（Ｃ２Ｈ２９１．５〜９８．５％）にバラツキが生じ、ダイヤモンド合成中に燃焼炎の状態が不安定となる。
ガスボンベの残量に関わらず、ほぼ一定の純度（Ｃ２Ｈ２９９．５％以上）を保つことのできる高純度アセチレンガスに注目した。
高純度アセチレンガスを用いた際のダイヤモンドの合成促進成分である窒素ガスの流量比についてその効果を調べ、良質なダイヤモンドでかつ接合強度の高いダイヤモンド皮膜を合成する。
【００１０】
図１は、本発明の高純度アセチレンガスを用いた燃焼炎法によるダイヤモンド皮膜合成装置の構成を示す概略図である。
１はバーナー、２は酸素ガス、３は高純度アセチレンガス、４は窒素ガス、５は燃焼炎、６はモリブデン基板、７は銅製ボックス、８はステージ、９はステッピングモータ、１０はフランジである。
上記ダイヤモンド皮膜合成装置は、以下のようにして操作動作を行う。
皮膜の表面温度は、非接触型の赤外線放射型温度計１１により測定可能である。皮膜の表面温度を一定に保つための冷却用装置は、１００×１００×５５ｍｍの銅製ボックス７を使用し、この銅製ボックス７の中に冷却水を流し込み、反対側から小型ポンプで吸い出す。すなわち、矢印で示すように銅製ボックス７に通水し冷却する。ここで、直径１０ｍｍのモリブデン円柱棒１２を冷却用の支柱として銅製ボックス７の中央を通し、受け台にフランジ１０で固定する。このモリブデン円柱棒１２の上にモリブデン基板６を接着させ合成を行う。この際、冷却を効率よく行うため、モリブデン基板６とモリブデン円柱棒１２との間に熱伝導性の良いＡｇペーストを塗布し、４７３Ｋで炉内において熱し接着する。
冷却用の銅製ボックス７は、矢印で示すように上下移動可能なステージ８上にあり、冷却水面と皮膜表面の距離を変えることで皮膜表面温度を変化させることができる。前記ステージ８にはステッピングモータ９が取り付けられており、ドライバ１３を介してステージコントローラ１４によって上下移動を制御することができる。
合成燃料には、高純度アセチレンガス３と酸素ガス２とダイヤモンド促進成分として窒素ガス４を使用し、溶接用のバーナー１にそれらの混合気体を導入して燃焼させる。ここで、前記バーナー１の出口径は１ｍｍのものを用い、またガス流量計１５はガスの流量を正確に制御でき、流量をデジタルで表示することができるマスフローコントローラ１６を使用する。なお、１７はフィルターである。
【００１１】
（実験例１）
高純度アセチレン−酸素の燃焼ガスに窒素ガスを混合し、表１に示すダイヤモンド合成条件で実験を行った。
高純度アセチレン７０．９ｃｍ３／ｓｅｃ−酸素６３．８ｃｍ３／ｓｅｃの流量比（Ｏ２／Ｃ２Ｈ２）０．９の燃焼ガスに対して、表２に示すように窒素ガス流量を、０．３７５、０．４５８、０．５００、０．５４２ｃｍ３／ｓｅｃと変化させて実験を行った。
【００１２】
表１に示すように、皮膜の表面温度を、第１段階を１４２３Ｋで２０分間、第２段階を１２２３Ｋで２０分間、第３段階を１３２３Ｋで２０分間と変化させる、界面はく離抑制効果がある３段階合成法で実験を行った。
【００１３】
【表１】
0005252480.tif 000002
【００１４】
【表２】
0005252480.tif 000003
【００１５】
（Ｃａｓｅ１の場合、窒素ガス流量０．３７５ｃｍ３／ｓｅｃ）
図２のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡写真）は合成した結晶を観察するため、図３のＸＲＤ（Ｘ線回折パターン）は合成皮膜の物質特定のためにデータを取得した。
【００１６】
（Ｃａｓｅ２の場合、窒素ガス流量０．４５８ｃｍ３／ｓｅｃ）
図４のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡写真）は合成した結晶を観察するため、図５のＸＲＤ（Ｘ線回折パターン）は合成皮膜の物質特定のためにデータを取得した。
【００１７】
（Ｃａｓｅ３の場合、窒素ガス流量０．５００ｃｍ３／ｓｅｃ）
図６のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡写真）は合成した結晶を観察するため、図７のＸＲＤ（Ｘ線回折パターン）は合成皮膜の物質特定のためにデータを取得した。
【００１８】
（Ｃａｓｅ４の場合、窒素ガス流量０．５４２ｃｍ３／ｓｅｃ）
図８のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡写真）は合成した結晶を観察するため、図９のＸＲＤ（Ｘ線回折パターン）は合成皮膜の物質特定のためにデータを取得した。
【００１９】
（比較例１）
表３に示すように窒素ガス流量を、０．０００、０．１６７、０．３３３ｃｍ３／ｓｅｃと変化させて実験を行った。  
【００２０】
【表３】
0005252480.tif 000004
【００２１】
（Ｃａｓｅ５の場合、窒素ガス流量０．０００ｃｍ３／ｓｅｃ）
図１０のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡写真）は合成した結晶を観察するため、図１１のＸＲＤ（Ｘ線回折パターン）は合成皮膜の物質特定のためにデータを取得した。
【００２２】
（Ｃａｓｅ６の場合、窒素ガス流量０．１６７ｃｍ３／ｓｅｃ）
図１２のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡写真）は合成した結晶を観察するため、図１３のＸＲＤ（Ｘ線回折パターン）は合成皮膜の物質特定のためにデータを取得した。
【００２３】
（Ｃａｓｅ７の場合、窒素ガス流量０．３３３ｃｍ３／ｓｅｃ）
図１４のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡写真）は合成した結晶を観察するため、図１５のＸＲＤ（Ｘ線回折パターン）は合成皮膜の物質特定のためにデータを取得した。
【００２４】
（比較例２）
表４に示すように窒素ガス流量を、０．５８３、０．６６７、０．８３３ｃｍ３／ｓｅｃと変化させて実験を行った。
【００２５】
【表４】
0005252480.tif 000005
【００２６】
（Ｃａｓｅ８の場合、窒素ガス流量０．５８３ｃｍ３／ｓｅｃ）
図１６のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡写真）は合成した結晶を観察するため、図１７のＸＲＤ（Ｘ線回折パターン）は合成皮膜の物質特定のためにデータを取得した。
【００２７】
（Ｃａｓｅ９の場合、窒素ガス流量０．６６７ｃｍ３／ｓｅｃ）
図１８のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡写真）は合成した結晶を観察するため、図１９のＸＲＤ（Ｘ線回折パターン）は合成皮膜の物質特定のためにデータを取得した。
【００２８】
（Ｃａｓｅ１０の場合、窒素ガス流量０．８３３ｃｍ３／ｓｅｃ）
図２０のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡写真）は合成した結晶を観察するため、図２１のＸＲＤ（Ｘ線回折パターン）は合成皮膜の物質特定のためにデータを取得した。
【００２９】
Ｃａｓｅ１〜１０について窒素ガス流量比と、ＸＲＤ（Ｘ線回折パターン）のダイヤモンド（１１１）面とモリブデンのピーク強度比（Ｄｉａｍｏｎｄ（１１１）／Ｍｏ）の関係を図２２に示す。
【００３０】
Ｃａｓｅ１〜１０について図２２より、窒素ガス流量比（Ｎ２／(Ｃ２Ｈ２＋Ｏ２＋Ｎ２)）が０．２５％から０．２８％に変化すると、ピーク強度比の値が０．２７から０．６２と急激に増加しており、窒素ガス流量比（Ｎ２／(Ｃ２Ｈ２＋Ｏ２＋Ｎ２)）が０．４０％から０．４３％に変化すると、ピーク強度比の値が０．９４から０．５４と急激に減少していることがわかる。
以上の結果とＳＥＭ（走査型電子顕微鏡写真）の結果から、窒素ガス流量比（Ｎ２／(Ｃ２Ｈ２＋Ｏ２＋Ｎ２)）０．２８％〜０．４０％の実験例１ではダイヤモンド（１１１）面のピークが強く出ており、均一で良質なダイヤモンド皮膜が合成されていることが理解される。
窒素ガス流量比（Ｎ２／(Ｃ２Ｈ２＋Ｏ２＋Ｎ２)）０．００％〜０．２５％の比較例１及び、窒素ガス流量比（Ｎ２／(Ｃ２Ｈ２＋Ｏ２＋Ｎ２)）０．４３％〜０．６２％の比較例２ではダイヤモンド（１１１）面のピークが弱くなり、良質なダイヤモンド皮膜が合成されないことが理解される。
したがって、窒素ガス流量比（Ｎ２／(Ｃ２Ｈ２＋Ｏ２＋Ｎ２)）０．２８％〜０．４０％を最適条件として確定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の高純度アセチレンガスを用いた燃焼炎法によるダイヤモンド皮膜合成装置の構成を示す概略図である。
【図２】Ｃａｓｅ１の合成した結晶を観察するためのＳＥＭ（走査型電子顕微鏡写真）図である。
【図３】Ｃａｓｅ１の合成皮膜の物質特定のためにデータのＸＲＤ（Ｘ線回折パターン）グラフ図である。
【図４】Ｃａｓｅ２の合成した結晶を観察するためのＳＥＭ（走査型電子顕微鏡写真）図である。
【図５】Ｃａｓｅ２の合成皮膜の物質特定のためにデータのＸＲＤ（Ｘ線回折パターン）グラフ図である。
【図６】Ｃａｓｅ３の合成した結晶を観察するためのＳＥＭ（走査型電子顕微鏡写真）図である。
【図７】Ｃａｓｅ３の合成皮膜の物質特定のためにデータのＸＲＤ（Ｘ線回折パターン）グラフ図である。
【図８】Ｃａｓｅ４の合成した結晶を観察するためのＳＥＭ（走査型電子顕微鏡写真）図である。
【図９】Ｃａｓｅ４の合成皮膜の物質特定のためにデータのＸＲＤ（Ｘ線回折パターン）グラフ図である。
【図１０】Ｃａｓｅ５の合成した結晶を観察するためのＳＥＭ（走査型電子顕微鏡写真）図である。
【図１１】Ｃａｓｅ５の合成皮膜の物質特定のためにデータのＸＲＤ（Ｘ線回折パターン）グラフ図である。
【図１２】Ｃａｓｅ６の合成した結晶を観察するためのＳＥＭ（走査型電子顕微鏡写真）図である。
【図１３】Ｃａｓｅ６の合成皮膜の物質特定のためにデータのＸＲＤ（Ｘ線回折パターン）グラフ図である。
【図１４】Ｃａｓｅ７の合成した結晶を観察するためのＳＥＭ（走査型電子顕微鏡写真）図である。
【図１５】Ｃａｓｅ７の合成皮膜の物質特定のためにデータのＸＲＤ（Ｘ線回折パターン）グラフ図である。
【図１６】Ｃａｓｅ８の合成した結晶を観察するためのＳＥＭ（走査型電子顕微鏡写真）図である。
【図１７】Ｃａｓｅ８の合成皮膜の物質特定のためにデータのＸＲＤ（Ｘ線回折パターン）グラフ図である。
【図１８】Ｃａｓｅ９の合成した結晶を観察するためのＳＥＭ（走査型電子顕微鏡写真）図である。
【図１９】Ｃａｓｅ９の合成皮膜の物質特定のためにデータのＸＲＤ（Ｘ線回折パターン）グラフ図である。
【図２０】Ｃａｓｅ１０の合成した結晶を観察するためのＳＥＭ（走査型電子顕微鏡写真）図である。
【図２１】Ｃａｓｅ１０の合成皮膜の物質特定のためにデータのＸＲＤ（Ｘ線回折パターン）グラフ図である。
【図２２】Ｃａｓｅ１〜１０のＸＲＤ（Ｘ線回折パターン）グラフにおけるダイヤモンド（１１１）面のピーク強度と、基板であるモリブデンのピーク強度との比を求めてグラフ化したものである。
【符号の説明】
【００３２】
１  バーナー
２  酸素ガス
３  高純度アセチレンガス
４  窒素ガス
５  燃焼炎
６  モリブデン基板
７  銅製ボックス
８  ステージ
９  ステッピングモータ
１０  フランジ
１１  赤外線放射型温度計
１２  モリブデン円柱棒
１３  ドライバ
１４  ステージコントローラ
１５  ガス流量計
１６  マスフローコントローラ
１７  フィルター
【図１】
0005252480.tif 000006
【図２】
0005252480.tif 000007
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0005252480.tif 000017
【図１３】
0005252480.tif 000018
【図１４】
0005252480.tif 000019
【図１５】
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【図１６】
0005252480.tif 000021
【図１７】
0005252480.tif 000022
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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