JP2682943B2 - Diamond thin film and manufacturing method thereof - Google Patents

Diamond thin film and manufacturing method thereof

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JP2682943B2
JP2682943B2 JP35046892A JP35046892A JP2682943B2 JP 2682943 B2 JP2682943 B2 JP 2682943B2 JP 35046892 A JP35046892 A JP 35046892A JP 35046892 A JP35046892 A JP 35046892A JP 2682943 B2 JP2682943 B2 JP 2682943B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、工具等の耐摺動、耐摩
擦磨耗部材の用途や電子部品の分野などで利用価値を有
するダイヤモンド薄膜とその製造方法などに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a diamond thin film having a utility value in applications such as sliding and friction and abrasion resistant members such as tools and the field of electronic parts, and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在、ダイヤモンド以外の基板にダイヤ
モンドを気相合成する方法は、大別して、フィラメント
CVD、プラズマCVD、プラズマジェットCVD及び
火炎法の4つに分類される。そして、これらの方法に共
通するダイヤモンドの合成条件として、1)炭素と水素
を必ず含む原料ガスの供給、2)温度以外に何らかの活
性手段の存在、3)基板の適性な温度条件(500〜1
000℃)、4)ダイヤモンドをグラファイト化しない
基板の選択等が挙げられる。
2. Description of the Related Art At present, methods of vapor phase synthesizing diamond on a substrate other than diamond are roughly classified into four methods, filament CVD, plasma CVD, plasma jet CVD and flame method. Then, as the diamond synthesis conditions common to these methods, 1) supply of a raw material gas that always contains carbon and hydrogen, 2) the presence of some active means other than temperature, 3) appropriate substrate temperature conditions (500-1)
000 ° C.), 4) Selection of a substrate that does not graphitize diamond, and the like.

【0003】今、直流プラズマジェットCVDによるダ
イヤモンド合成を例に説明すると、この方法では、真空
チャンバ内でプラズマトーチに供給される放電ガス(ア
ルゴン、水素ガス)を直流アーク放電によりプラズマ化
して冷却基板上にプラズマジェットとして噴射させると
共に、放電ガスに混合し、あるいは放電ガスと別個にプ
ラズマフレームと交差する方向から反応ガス(炭化水
素、水素ガス)を供給して、基板上にダイヤモンド薄膜
を形成する。すなわち、炭素源として供給される炭化水
素はプラズマフレーム領域(アーク放電領域)で急速に
高温度にまで加熱されて分解し、プラズマジェットとな
って噴出され、基板に衝突してエネルギーを失い、ダイ
ヤモンドとして結晶化する(例えば、特公平4−495
20号公報参照)。
Now, taking diamond synthesis by direct current plasma jet CVD as an example, in this method, a discharge gas (argon, hydrogen gas) supplied to a plasma torch in a vacuum chamber is turned into plasma by direct current arc discharge, and a cooling substrate is obtained. A diamond thin film is formed on the substrate by jetting it as a plasma jet on top and mixing it with the discharge gas or supplying the reaction gas (hydrocarbon, hydrogen gas) separately from the discharge gas from the direction intersecting the plasma flame. . That is, the hydrocarbon supplied as a carbon source is rapidly heated to a high temperature in the plasma flame region (arc discharge region) and decomposed to be ejected as a plasma jet, which collides with the substrate and loses energy. Is crystallized as (for example, Japanese Patent Publication No. 4-495).
20).

【0004】しかしながら、いずれの方法による場合で
も、炭化水素を構成する総べての炭素(C)がダイヤモ
ンドとして析出される訳ではなく、かなりの成分が非晶
質炭素あるいはグラファイトとして析出する。一方、炭
化水素と共に混合される水素ガスについても解離して原
子状水素となり、非晶質炭素、グラファイトを還元して
ガスとして除去する作用を果す。そして、基板温度が低
かったり、成膜速度が早められたりすると、非晶質炭素
やグラファイトが析出しやすくなり、スポット照射的な
膜形成では、中心部はダイヤモンド質が高いが、周辺部
ではいわゆるダイヤモンドライクカーボン、アモルファ
スカーボン、グラファイトのような非ダイヤモンド質が
かなり含まれることが知られる。
However, in all cases, not all carbon (C) constituting the hydrocarbon is deposited as diamond, but a considerable amount of components are deposited as amorphous carbon or graphite. On the other hand, the hydrogen gas mixed with the hydrocarbon is also dissociated into atomic hydrogen, which serves to reduce amorphous carbon and graphite to remove them as a gas. When the substrate temperature is low or the film formation rate is increased, amorphous carbon or graphite is likely to be deposited, and in spot irradiation film formation, the central portion has high diamond quality, but the peripheral portion has so-called so-called It is known that non-diamond materials such as diamond-like carbon, amorphous carbon, and graphite are considerably contained.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ところで、気相合成に
よりダイヤモンド薄膜を成膜する場合において、プラズ
マフレーム領域に炭素源として供給する炭化水素(メタ
ン)の濃度が、基板上に形成される膜質に大きな影響を
及ぼすことが知られている。すなわち、放電ガスと混合
しあるいは放電ガスと別個にプラズマフレームに供給さ
れる混合ガス(炭化水素+水素)の比率を変えて気相合
成を行った場合、一般に炭化水素濃度の低い領域では結
晶性の良いダイヤモンド薄膜が得られ、炭化水素濃度の
高い領域では微結晶ダイヤモンドの薄膜が得られること
が報告されている(特開昭63−307196号公
報)。
By the way, when a diamond thin film is formed by vapor phase synthesis, the concentration of hydrocarbon (methane) supplied as a carbon source to the plasma flame region depends on the quality of the film formed on the substrate. It is known to have a great impact. That is, when gas phase synthesis is performed by changing the ratio of the mixed gas (hydrocarbon + hydrogen) mixed with the discharge gas or supplied separately to the discharge gas, the crystallinity is generally low in the region of low hydrocarbon concentration. It has been reported that a diamond thin film with good quality can be obtained, and a thin film of microcrystalline diamond can be obtained in a region having a high hydrocarbon concentration (Japanese Patent Laid-Open No. 63-307196).

【0006】しかしながら、単に炭化水素(メタン)/
水素の混合比を制御するだけでは、基板上に形成される
ダイヤモンド薄膜として充分なものは得られないのが実
情である。すなわち、ダイヤモンドだけの析出(核生
成)、成長だけを優先するのであれば、炭化水素の低比
率をねらえばよいが、その際、ダイヤモンド結晶のもつ
高い自形性により内部応力(圧縮)による膜剥離、膜割
れ、表面の凹凸が顕著に現われて、基板になじむ密着性
の良いものが得られない。一方、炭化水素を高比率にす
れば、非晶質炭素やグラファイトの含有が増しダイヤモ
ンド膜質としての低下は避けられない。
However, simply hydrocarbon (methane) /
In reality, it is not possible to obtain a sufficient diamond thin film formed on the substrate simply by controlling the mixing ratio of hydrogen. That is, if priority is given only to the precipitation (nucleation) and growth of only diamond, a low proportion of hydrocarbons may be aimed at. At that time, the film due to internal stress (compression) due to the high automorphism of diamond crystals. Peeling, film cracking, and unevenness of the surface appear remarkably, so that it is difficult to obtain a material having good adhesion to the substrate. On the other hand, if the proportion of hydrocarbons is high, the content of amorphous carbon and graphite is increased, and deterioration of the diamond film quality is unavoidable.

【0007】また、あくまで結晶性の良さを追及するの
であれば析出ダイヤモンドは超微粒子(単結晶等)の範
囲であるが、皮膜としての要求を考慮すれば少なくとも
スパッター膜以上の真空度(10のマイナス3乗torr以
下)が必要となり、成膜速度、装置の両面で支障を来た
す。
If the crystallinity is to be pursued, the precipitated diamond is in the range of ultrafine particles (single crystal, etc.), but considering the requirements as a film, the degree of vacuum is at least equal to or higher than the sputtered film (10). (Minus cube torr or less) is required, which causes problems in both film forming speed and equipment.

【0008】このように、現状では、結晶性の良好なダ
イヤモンド薄膜を合成することと、下地の界面と充分な
接着強度を確保することとの兼ね合いが難しいことか
ら、工具その他の部材に対する耐摺動、耐摩擦磨耗膜あ
るいは保護膜として、気相合成により形成されたダイヤ
モンド薄膜を幅広く利用するまでには至っていない。
As described above, at present, it is difficult to combine a diamond thin film having good crystallinity and to secure a sufficient adhesive strength with the interface of the underlayer, so that it is resistant to sliding on tools and other members. A diamond thin film formed by vapor phase synthesis has not been widely used as a dynamic or abrasion resistant film or a protective film.

【0009】本発明は、上述した技術的課題を克服し、
結晶性に優れ、かつ基板に対する密着性に富んだダイヤ
モンド薄膜をその製造方法と共に提供することを目的と
し、更にこの新規なダイヤモンド薄膜を利用した二、三
の応用例も併せて以下に提示するものである。
The present invention overcomes the above technical problems,
The purpose of the present invention is to provide a diamond thin film having excellent crystallinity and excellent adhesion to a substrate together with its manufacturing method. Further, a few application examples utilizing this novel diamond thin film will be presented below. Is.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明によって新たに提
供されるダイヤモンド薄膜は、プラズマCVDにより基
板上に合成されるダイヤモンド薄膜であって、単結晶の
ダイヤモンド微結晶が非晶質炭化水素で被覆された微粒
子として析出され、その被覆層をバインダーとして膜状
に堆積されたものからなる。
DISCLOSURE OF THE INVENTION A diamond thin film newly provided by the present invention is a diamond thin film synthesized on a substrate by plasma CVD, and single crystal diamond microcrystals are coated with an amorphous hydrocarbon. The fine particles are deposited as fine particles, and the coating layer is deposited as a film to form a film.

【0011】プラズマCVDにより結晶性が良くかつ密
着性の高いダイヤモンド薄膜を形成するためには、基板
上に微結晶ダイヤモンドを析出させるようにするのが良
い。そのためには、合成条件としてプラズマフレームに
供給される反応ガスの炭化水素濃度(炭化水素/水素)
を高比率に設定し、基板上に析出されるダイヤモンド結
晶の成長を抑えるようにしつつ、しかもその間における
非晶質炭素やグラファイトの成長も抑えるようにするこ
とが肝要である。
In order to form a diamond thin film having good crystallinity and high adhesion by plasma CVD, it is preferable to deposit microcrystalline diamond on the substrate. To do so, the hydrocarbon concentration (hydrocarbon / hydrogen) of the reaction gas supplied to the plasma flame as a synthesis condition.
Is set to a high ratio to suppress the growth of diamond crystals deposited on the substrate, and at the same time suppress the growth of amorphous carbon or graphite during that time.

【0012】ところで、ダイヤモンド薄膜の気相合成に
際しては、前述したように、ダイヤモンドライクカーボ
ン、アモルファスカーボン、グラファイトのような非ダ
イヤモンド質を還元し非晶質炭素の成長を抑制する役目
を果すものとして、従来から原子状水素の存在が期待さ
れているところであるが、本発明者の研究、実験結果に
よると、原料ガス中の炭化水素を高比率に設定した合成
条件下では、気相中で非晶質炭素やグラファイトの水素
化によりアモルファス水素化カーボンやポリアセチレン
等の非晶質炭化水素が生成されることが解明されてい
る。そして、気相中で生成される非晶質炭化水素は、基
板上に析出されるダイヤモンド微結晶の成長を抑えつ
つ、ダイヤモンド微結晶を取り込むようにして基板上に
混在して析出される特異な性質を有することが新たに確
かめられている。
By the way, in the vapor phase synthesis of a diamond thin film, as described above, it plays a role of suppressing the growth of amorphous carbon by reducing non-diamond materials such as diamond-like carbon, amorphous carbon and graphite. Although the presence of atomic hydrogen has been expected from the past, according to the research and experiment results of the present inventor, under the synthesis condition in which the hydrocarbon in the raw material gas is set to a high ratio, it is not It has been clarified that hydrogenation of crystalline carbon or graphite produces amorphous hydrogenated carbon or amorphous hydrocarbon such as polyacetylene. The amorphous hydrocarbons produced in the vapor phase are uniquely deposited on the substrate in a mixed manner so as to take in the diamond crystallites while suppressing the growth of the diamond crystallites deposited on the substrate. It is newly confirmed to have the property.

【0013】すなわち、気相中あるいは基板上でダイヤ
モンド微結晶を核生成するのに適する高濃度の活性種
と、エネルギー含量を有する気相と、アモルファス水素
カーボンを生成するのに適した高濃度水素の気相(非晶
質炭素やグラファイトのタングリングボンドに水素がつ
いたものと推定される)とを瞬間、瞬間的(熱力学的に
非平衡状態で)接触させることにより、基板表面に直接
または中間物質を介して気相成長により主としてダイヤ
モンド微結晶からなる微粒子を高密度状態に堆積させる
ことができる。そして、このようにして形成された堆積
層は高密度析出であり、内部応力も緩和されているため
基板との密着力に優れ、かつ膜内も微結晶からなるエピ
タキシャル的な成長により緻密なものである。この堆積
物が微結晶ダイヤモンド部分と非晶質炭化水素(アモル
ファス水素化カーボン)の混在したものであることは、
X線回折、透過電子顕微鏡観察、ラマン分光分析及び硬
度測定の結果より確認される。
That is, a high-concentration active species suitable for nucleating diamond microcrystals in the vapor phase or on the substrate, a vapor phase having an energy content, and a high-concentration hydrogen suitable for producing amorphous hydrogen carbon. Direct contact with the substrate surface by contacting with the gas phase (presumed to be hydrogen attached to a tungling bond of amorphous carbon or graphite) instantaneously (in a thermodynamically non-equilibrium state). Alternatively, it is possible to deposit fine particles composed mainly of diamond microcrystals in a high density state by vapor phase growth via an intermediate substance. The deposited layer formed in this way is a high-density deposition, the internal stress is relaxed, so that it has excellent adhesion to the substrate and the film is dense due to epitaxial growth made of microcrystals. Is. The fact that this deposit is a mixture of microcrystalline diamond and amorphous hydrocarbon (amorphous hydrogenated carbon)
It is confirmed by the results of X-ray diffraction, transmission electron microscope observation, Raman spectroscopic analysis and hardness measurement.

【0014】図1(A)は上述したダイヤモンド薄膜の
構造を模式的に図示したもので、基板1上に微結晶ダイ
ヤモンドと非晶質炭化水素とが混在した堆積層(ダイヤ
モンド薄膜)2が形成されている。この堆積層2は、同
図(B)に拡大するように、アモルファス水素化カーボ
ン4により被覆された1乃至複数個の単結晶からなる微
結晶ダイヤモンド3がアモルファス水素化カーボン4で
粒状に被覆された微粒子5として析出され、微粒子5が
互いに被覆層をなすアモルファス水素化カーボン4をバ
インダーとして高密度に堆積されたものからなってい
る。この堆積層はマクロ組織的には網目状のセル組織を
呈している。また、微粒子5の表面には、気相中の原子
状水素がアモルファスカーボンと反応して水素化カーボ
ン4を析出して行く成長過程で形成されると思われるア
モルファス水素化カーボン4のひげ状組織6の存在が散
見される。
FIG. 1A schematically shows the structure of the above-mentioned diamond thin film, in which a deposition layer (diamond thin film) 2 in which microcrystalline diamond and amorphous hydrocarbon are mixed is formed on a substrate 1. Has been done. In this deposited layer 2, as shown in FIG. 1B, microcrystalline diamond 3 composed of one or a plurality of single crystals covered with amorphous hydrogenated carbon 4 is granularly coated with amorphous hydrogenated carbon 4. The particles 5 are deposited as fine particles 5, and the fine particles 5 are densely deposited with the amorphous hydrogenated carbons 4 forming a coating layer with each other as a binder. This sedimentary layer has a mesh-like cell structure macroscopically. A whisker-like structure of the amorphous hydrogenated carbon 4 is considered to be formed in the growth process in which atomic hydrogen in the vapor phase reacts with the amorphous carbon to deposit the hydrogenated carbon 4 on the surface of the fine particles 5. The presence of 6 is occasionally seen.

【0015】参考のため、図6にダイヤモンド薄膜の構
造イメージ例を対比して示す。ここにおいて、(A)は
黒鉛とダイヤモンドとが混在した従来薄膜のイメージ例
を示し、(B)は本発明によって基板上に形成されるダ
イヤモンドとそれを取り囲む非晶質炭化水素とからなる
薄膜のイメージ例を示している。
For reference, FIG. 6 shows an example of a structural image of a diamond thin film for comparison. Here, (A) shows an image example of a conventional thin film in which graphite and diamond are mixed, and (B) shows a thin film of diamond formed on a substrate according to the present invention and an amorphous hydrocarbon surrounding the diamond. An example image is shown.

【0016】かくして、非晶質炭化水素を混在したダイ
ヤモンド薄膜では、単結晶の微結晶ダイヤモンドを主体
とする結晶性に優れたものが得られ、しかも非晶質炭化
水素をバインダーとして高密度に堆積されることにより
基板に対する密着性にも優れた特性が得られる。
Thus, in the diamond thin film containing the amorphous hydrocarbons, the one having excellent crystallinity, which is composed mainly of single crystal microcrystalline diamond, is obtained, and the amorphous hydrocarbons are deposited at a high density using the binder. As a result, excellent characteristics can be obtained for the adhesion to the substrate.

【0017】本発明に係るダイヤモンド薄膜を得るため
の条件として、上述したように、プラズマ気相中で高濃
度のラジカルと高濃度水素の気相とを熱力学的に非平衡
状態で接触させることが重要であるが、このような合成
条件は前述した直流プラズマジェット法によりつくり出
すことができる。
As a condition for obtaining the diamond thin film according to the present invention, as described above, a high-concentration radical and a high-concentration hydrogen vapor phase are brought into contact with each other thermodynamically in a nonequilibrium state in the plasma vapor phase. Is important, but such a synthesis condition can be created by the DC plasma jet method described above.

【0018】図4は上記ダイヤモンド薄膜を基板上に成
膜するために本発明者が採用した直流プラズマジェット
CVD装置の概要を示している。即ち、排気装置aで排
気される真空チャンバbの内部に、タングステン陰極d
とこれを同心に囲む円筒状の陽極eを設けて両極間にガ
ス通路fが形成されたプラズマトーチcと、水冷ホルダ
hにセットされた基板gとを対向配置し、プラズマトー
チcのガス通路fに放電ガスを供給しつつ直流印加して
両極間にアークを発生させて対向水冷基板gにプラズマ
フレームiを噴射させると共に、真空チャンバb内に挿
入したガス導入管jからプラズマフレームiと交差する
方向から原料ガスを供給して、基板g上にダイヤモンド
薄膜を形成するようにする。
FIG. 4 shows an outline of a DC plasma jet CVD apparatus adopted by the present inventor to form the above diamond thin film on a substrate. That is, inside the vacuum chamber b exhausted by the exhaust device a, the tungsten cathode d
And a plasma torch c in which a cylindrical anode e concentrically surrounding the same is provided and a gas passage f is formed between both electrodes, and a substrate g set in a water cooling holder h are arranged to face each other, and the gas passage of the plasma torch c is arranged. While supplying a discharge gas to f, a direct current is applied to generate an arc between both electrodes to inject a plasma flame i onto the opposing water-cooled substrate g, and at the same time, intersect with the plasma flame i from the gas introduction pipe j inserted in the vacuum chamber b The raw material gas is supplied from the direction to form the diamond thin film on the substrate g.

【0019】ここにおいて、微結晶ダイヤモンドと非晶
質炭化水素の混在したダイヤモンド薄膜を均一に析出さ
せるための諸条件を列挙すると、次の通りである。 プラズマトーチcのガス通路fから供給するプラズマ
ガスには、水素、アルゴン(ヘリウム)の混合ガスを用
いる(水素:10〜50l/min、アルゴン:10〜50
l/min)。 反応ガスには、炭化水素濃度を高比率に設定し、かつ
上記プラズマガス(放電ガス)に含まれる水素とのトー
タルで過剰な水素ガスを含むメタンと水素の混合ガスを
用いる(メタン/水素5〜20vol%:1〜20l/mi
n)。即ち、反応ガスに含まれる水素は、プラズマガス
に含まれる水素とのトータルで、基板g上にダイヤモン
ドを析出させると同時に、非ダイヤモンド質のアモルフ
ァスカーボンやグラファイト等を非晶質炭化水素に生成
するのに必要十分な量が供給される。 反応ガスは、ガス導入管jを通してプラズマフレーム
iと交差する方向から供給する。この際、ガス導入管j
の先端部には、プラズマフレームiの周囲に反応ガスを
封入する石英管kを装着するのが好ましい。石英管kに
は、図5に示す如く、アークジェットiに噴流箇所でア
ーク導通穴lが設けられている。この石英管kを装着す
れば、ジェットiに対する反応ガスとの衝突、反応、急
冷作用が促進されて、基板g上により均一でかつ広範に
ダイヤモンド薄膜が形成されることが実験的に確かめら
れている。 反応ガスの供給位置は、プラズマフレームiの上流
乃至下流あるいは基板gの直上位置の間で調整される。
また、原料ガスの温度は低ければ低い程よく、必要に応
じて予冷される。 基板gは水冷ホルダhにセットされて適温にコントロ
ールされる。また、基板g上での多層成膜を実施する目
的や円柱体の母材に対する周面膜づけを可能ならしめる
ため、水冷ホルダhに進退および/または回転動作を行
わしめる駆動手段を具備しておくのが望ましい。 成膜速度は合成条件によりコントロールされて、通常
1〜10μm/minの範囲に調整される。微結晶ダイヤモ
ンドの結晶性の良さとバインダーとしてのアモルファス
水素化カーボンとの比率から見た適性速度は1〜3μm
/minである。なお、真空チャンバbの全圧は50〜20
0Torrである。
Here, the conditions for uniformly depositing a diamond thin film in which microcrystalline diamond and amorphous hydrocarbon are mixed are listed as follows. A mixed gas of hydrogen and argon (helium) is used as the plasma gas supplied from the gas passage f of the plasma torch c (hydrogen: 10 to 50 l / min, argon: 10 to 50).
l / min). As the reaction gas, a mixed gas of methane and hydrogen, in which the hydrocarbon concentration is set to a high ratio and a total excess hydrogen gas with hydrogen contained in the plasma gas (discharge gas) is used (methane / hydrogen 5 ~ 20vol%: 1-20l / mi
n). That is, the hydrogen contained in the reaction gas, together with the hydrogen contained in the plasma gas, deposits diamond on the substrate g and simultaneously produces non-diamond amorphous carbon or graphite in the amorphous hydrocarbon. The necessary and sufficient amount is supplied. The reaction gas is supplied from the direction intersecting the plasma flame i through the gas introduction pipe j. At this time, the gas introduction pipe j
It is preferable to mount a quartz tube k for enclosing the reaction gas around the plasma flame i at the tip of the. As shown in FIG. 5, the quartz tube k is provided with an arc-conducting hole 1 at a jet flow position in the arc jet i. It has been experimentally confirmed that when this quartz tube k is attached, the collision, reaction, and quenching action of the reaction gas with respect to the jet i are promoted to form a more uniform and wider diamond thin film on the substrate g. There is. The supply position of the reaction gas is adjusted between the upstream side and the downstream side of the plasma flame i or the position directly above the substrate g.
In addition, the lower the temperature of the raw material gas, the better, and the material is precooled if necessary. The substrate g is set in the water-cooled holder h and controlled at an appropriate temperature. Further, in order to carry out a multi-layer film formation on the substrate g and to enable a peripheral surface film to be formed on the base material of the cylindrical body, the water-cooled holder h is provided with a drive means for advancing and retracting and / or rotating operation. Is desirable. The film formation rate is controlled by the synthesis conditions, and is usually adjusted in the range of 1 to 10 μm / min. The suitable speed in view of the ratio of good crystallinity of microcrystalline diamond and amorphous hydrogenated carbon as a binder is 1 to 3 μm.
/ min. The total pressure of the vacuum chamber b is 50 to 20.
0 Torr.

【0020】本発明に係る微結晶ダイヤモンドと非晶質
炭化水素とが混在されたダイヤモンド薄膜を形成するた
めの好ましい成膜条件は以上の通りである。なお、直流
プラズマジェット法以外のプラズマCVDにより上記の
ダイヤモンド薄膜を形成することができるかどうかは、
現段階では未だ実験的に確かめられていないところであ
る。それ故、本発明では直流プラズマジェット法以外
の、例えば高周波プラズマジェット法、光アークプラズ
マジェット法、マイクロ波プラズマジェット法等の適用
については、これを特に排除するものでない。
The preferable film forming conditions for forming the diamond thin film in which the microcrystalline diamond and the amorphous hydrocarbon according to the present invention are mixed are as described above. Whether or not the diamond thin film can be formed by plasma CVD other than the DC plasma jet method is
At this stage, it has not yet been confirmed experimentally. Therefore, in the present invention, the application of the high-frequency plasma jet method, the optical arc plasma jet method, the microwave plasma jet method, etc. other than the direct current plasma jet method is not particularly excluded.

【0021】次に、上記のダイヤモンド薄膜を利用した
二、三の応用例について説明する。微結晶ダイヤモンド
と非晶質炭化水素が混在するダイヤモンド薄膜は、ダイ
ヤモンド結晶度と基板に対する密着性に優れる特性から
そのまま工具等の保護膜として利用することも可能であ
るが、微結晶ダイヤモンドのバインダーとして混在され
る非晶質炭化水素は熱的に敏感であり、その生成過程か
ら分かるように水素プラズマの再照射により分解してガ
ス化することが実験的に確かめられている。
Next, a few application examples using the above diamond thin film will be described. A diamond thin film in which microcrystalline diamond and amorphous hydrocarbon are mixed can be used as it is as a protective film for tools, etc. because of its excellent diamond crystallinity and adhesion to the substrate, but as a binder for microcrystalline diamond. It is experimentally confirmed that the mixed amorphous hydrocarbons are thermally sensitive, and as can be seen from the production process, they are decomposed and gasified by re-irradiation with hydrogen plasma.

【0022】そこで、この特性を利用して、まず第1に
次のようなダイヤモンド薄膜を提示することができる。
すなわち、単結晶のダイヤモンド微結晶が非晶質炭化水
素で被覆された微粒子として析出され、その被覆層をバ
インダとして膜状に堆積されたダイヤモンド薄膜を油温
等により加熱するか、もしくは水素プラズマ照射する
と、非晶質炭化水素の被覆層が溶融、分解されて、微結
晶ダイヤモンドのみの微粒子が基板上に堆積される。次
いで、このダイヤモンド微結晶の間隙に潤滑又は保護剤
として、例えば飽和脂肪酸やその誘導体あるいは高級ア
ルコールやその誘導体を、浸透法、スプレー法、蒸着法
等により浸透させると、基板上にダイヤモンド微結晶を
被覆して保護膜が形成される。
Therefore, by utilizing this characteristic, firstly, the following diamond thin film can be presented.
That is, single-crystal diamond microcrystals are deposited as fine particles coated with amorphous hydrocarbon, and the coating film is used as a binder to heat the diamond thin film deposited in a film shape by oil temperature or by hydrogen plasma irradiation. Then, the amorphous hydrocarbon coating layer is melted and decomposed, and fine particles of only microcrystalline diamond are deposited on the substrate. Then, a saturated or fatty acid or its derivative or a higher alcohol or its derivative, for example, is infiltrated into the gaps of the diamond microcrystals as a lubricant or a protective agent by an infiltration method, a spray method, an evaporation method or the like to form diamond microcrystals on the substrate. A protective film is formed by coating.

【0023】図2(A)はこのようにして得られる保護
膜を模式的に図示したもので、同図(B)に拡大するよ
うに、基板1上に散在して堆積される微結晶ダイヤモン
ド3の隙間に潤滑又は保護剤8が浸透して強固な保護膜
7を形成している。微結晶ダイヤモンド3を保護膜7で
被覆したものでは、特開平4−37695号公報や特開
平4−47525号公報で開示されるように、広範な用
途乃至利用分野が展開されるものとなる。
FIG. 2A schematically shows the protective film thus obtained. As shown in FIG. 2B, the microcrystalline diamond scattered and deposited on the substrate 1 is enlarged. The lubricant or protective agent 8 penetrates into the gap 3 to form a strong protective film 7. If the microcrystalline diamond 3 is covered with the protective film 7, a wide range of applications or fields of use will be developed, as disclosed in JP-A-4-37695 and JP-A-4-47525.

【0024】また第2には、次のようなダイヤモンド多
層薄膜を提示することができる。すなわち、単結晶のダ
イヤモンド微結晶が非晶質炭化水素で被覆された微粒子
として析出され、その被覆層をバインダーとして膜状に
堆積されたダイヤモンド薄膜を水素プラズマ照射する
と、非晶質炭化水素の被覆層が気化分解されて、微結晶
ダイヤモンドの微粒子のみが基板上に露出される。この
状態で、ダイヤモンドの種結晶的要素を活用し、特開昭
63−307196号公報で報告されるように、その上
に合成条件を変えて、具体的には炭化水素濃度を低比率
に設定して結晶性の高いダイヤモンドを気相合成すれ
ば、微結晶ダイヤモンドからなる第1層の上に高配向性
ダイヤモンド膜からなる第2層が形成されたダイヤモン
ド多層薄膜が形成される。
Secondly, the following diamond multilayer thin film can be presented. That is, single-crystal diamond microcrystals are deposited as fine particles coated with amorphous hydrocarbons, and when a diamond thin film deposited in a film form using the coating layer as a binder is irradiated with hydrogen plasma, the amorphous hydrocarbon coatings are covered. The layer is vaporized and decomposed so that only fine particles of microcrystalline diamond are exposed on the substrate. In this state, by utilizing the seed crystal element of diamond, as described in Japanese Patent Laid-Open No. 63-307196, the synthesis conditions are changed, and specifically, the hydrocarbon concentration is set to a low ratio. Then, when diamond having high crystallinity is subjected to vapor phase synthesis, a diamond multilayer thin film is formed in which the second layer made of the highly oriented diamond film is formed on the first layer made of microcrystalline diamond.

【0025】図3はこのようにして得られる多層薄膜の
構造を模式的に図示したもので、微結晶ダイヤモンドか
らなる第1層9の上に、第1層9をバッファ層として結
晶面(220)が優先配位を示す高結晶性のダイヤモン
ド膜からなる第2層10が表面平坦に形成されている。
FIG. 3 schematically shows the structure of the multi-layered thin film thus obtained. The crystal plane (220) is formed on the first layer 9 made of microcrystalline diamond by using the first layer 9 as a buffer layer. The second layer 10 made of a highly crystalline diamond film having a preferential coordination is formed to have a flat surface.

【0026】さらに、本発明により基板上に形成された
ダイヤモンド薄膜は、その結晶性の良好な点に着目すれ
ば、近年高温、高圧合成により製作されてダイヤモンド
工具の用途への有用性が叫ばれているクラスタダイヤモ
ンドの製造にも適用することができる。即ち、予め剥離
剤等を塗布した基板上にダイヤモンド薄膜を成膜してか
ら、これを適宜の手段等により剥離又は破砕すると、非
晶質炭化水素で被覆された単結晶のダイヤモンド微結晶
が個々に分離した微粒子が得られ、これをそのまま或い
は必要なら炭化水素被覆層を分解除去してから、超硬砥
粒として利用することができる。
Further, the diamond thin film formed on the substrate according to the present invention is manufactured by high temperature and high pressure synthesis in recent years, and its usefulness for diamond tools is sought out, paying attention to its good crystallinity. It can also be applied to the production of cluster diamonds. That is, when a diamond thin film is formed on a substrate to which a release agent or the like is applied in advance and then peeled or crushed by an appropriate means or the like, single crystal diamond microcrystals coated with amorphous hydrocarbon are individually separated. The separated fine particles are obtained and can be used as cemented abrasive grains as they are or after decomposing and removing the hydrocarbon coating layer if necessary.

【0027】[0027]

【発明の効果】本発明により提供されるダイヤモンド薄
膜では、単結晶のダイヤモンド微結晶が非晶質炭化水素
で被覆された微粒子として析出され、その被覆層をバイ
ンダとして膜状に堆積されたものからなり、ダイヤモン
ド結晶度と基板に対する密着性に優れる特性を有し、工
具等の保護膜として利用することができる。そして、こ
のダイヤモンド薄膜に混在される非晶質炭化水素を分解
除去して得られる微結晶ダイヤモンドを下地層として利
用することにより、様々の用途、分野に利用価値を有す
る保護膜で被覆されたダイヤモンド薄膜や、その上に配
向性を有する高結晶性のダイヤモンド膜が成膜されたダ
イヤモンド多層薄膜を形成することができるし、さらに
はクラスタダイヤモンドの新たな製造手段としても応用
できる技術的価値を有するものとなる。
EFFECT OF THE INVENTION In the diamond thin film provided by the present invention, single crystal diamond microcrystals are deposited as fine particles coated with amorphous hydrocarbon, and the coating layer is used as a binder to form a film. Therefore, it has excellent characteristics of diamond crystallinity and adhesion to the substrate, and can be used as a protective film for tools and the like. Then, by using microcrystalline diamond obtained by decomposing and removing amorphous hydrocarbons mixed in this diamond thin film as an underlayer, diamond coated with a protective film having utility value in various applications and fields. It is possible to form a thin film and a diamond multi-layered thin film on which a highly crystalline diamond film having orientation is formed, and further, it has a technical value that can be applied as a new manufacturing method of cluster diamond. Will be things.

【0028】[0028]

【実施例】図4と図5に示した直流プラズマジェットC
VD装置を用い、超硬ベース(K01)に、以下のよう
な条件でダイヤモンド薄膜を成膜した。
EXAMPLES DC plasma jet C shown in FIGS. 4 and 5
Using a VD apparatus, a diamond thin film was formed on the carbide base (K01) under the following conditions.

【0029】成膜条件 プラズマガス:水素+アルゴン(水素:20l/min、ア
ルゴン:25l/min) 反応ガス :メタン/水素 10vol%混合ガス:10
l/min チャンバ全圧:120torr(16Pa) アーク電流 :40A アーク電圧 :80V アーク距離 :35mm(ノズル−基板間) 基板温度 :800℃(1073K) ホルダ :水平往復駆動 10mm/sec
Film forming conditions Plasma gas: hydrogen + argon (hydrogen: 20 l / min, argon: 25 l / min) Reaction gas: methane / hydrogen 10 vol% mixed gas: 10
l / min Chamber total pressure: 120 torr (16 Pa) Arc current: 40 A Arc voltage: 80 V Arc distance: 35 mm (between nozzle and substrate) Substrate temperature: 800 ° C. (1073 K) Holder: Horizontal reciprocating drive 10 mm / sec

【0030】実験結果 図8は基板上に得られたダイヤモンド薄膜のTEM像
(高分解透過電子顕微鏡写真)を示し、図9は同膜表面
のSEM像を、図10は図8に現われるダイヤモンド微
結晶の制限視野電子回折像を示す。これらの構造写真と
析出物のラマンスペクトル図形により、基板上に形成さ
れた薄膜が図1に模式的に示したように、単結晶のダイ
ヤモンド微結晶が非晶質炭化水素で被覆された微粒子と
して析出され、その被覆層をバインダとして膜状に堆積
されていることが確かめられる。
Experimental Results FIG. 8 shows a TEM image (high resolution transmission electron micrograph) of the diamond thin film obtained on the substrate, FIG. 9 is an SEM image of the film surface, and FIG. 10 is a diamond microscopic image appearing in FIG. The selected area electron diffraction image of a crystal is shown. From these structural photographs and the Raman spectrum of the precipitates, the thin film formed on the substrate is shown schematically in FIG. 1, and the single crystal diamond microcrystals are fine particles coated with amorphous hydrocarbons. It is confirmed that it is deposited and deposited in the form of a film using the coating layer as a binder.

【0031】次に、上記の基板に成膜したダイヤモンド
薄膜を、大気中無潤滑の条件で、往復摺動型試験機を用
いて、摩擦磨耗試験に供した結果を図7に示す。図7に
は、比較のため、TiN膜と、実施例とメタン濃度を違
えて成膜される多結晶ダイヤモンド膜の特性が併記され
ている。この結果によると、本発明に係る微結晶ダイヤ
モンドが非晶質炭化水素で被覆された微粒子として析出
される薄膜では、TiN膜は勿論、基板上にダイヤモン
ドのみを析出させた多結晶ダイヤモンド膜をも凌駕する
摩擦磨耗特性が得られ、しかも試験後において表面に傷
が全く観察されなかった。かかる優れた特性は、バイン
ダーとしての非晶質炭化水素被膜に負うところが大きい
ものと考えられる。なお、摩擦磨耗によっても、薄膜中
の非晶質炭化水素は十分安定で、そのまま工具等の用途
に適用できることが確認された。
Next, the diamond thin film formed on the above substrate was subjected to a friction and wear test using a reciprocating sliding tester under the condition of no lubrication in the air, and the results are shown in FIG. For comparison, FIG. 7 also shows the characteristics of the TiN film and the polycrystalline diamond film formed with the methane concentration different from that of the example. According to this result, in the thin film in which the microcrystalline diamond according to the present invention is deposited as fine particles coated with amorphous hydrocarbon, not only the TiN film but also the polycrystalline diamond film in which only diamond is deposited on the substrate Outstanding friction and wear properties were obtained and no scratches were observed on the surface after the test. It is considered that such excellent properties are largely attributable to the amorphous hydrocarbon coating film as the binder. It was confirmed that the amorphous hydrocarbon in the thin film was sufficiently stable even by frictional wear, and could be directly applied to applications such as tools.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】基本発明に係るダイヤモンド薄膜の構造を模式
的に示したもので、(A)はダイヤモンド薄膜の断面
図、(B)はその部分拡大図である。
FIG. 1 schematically shows the structure of a diamond thin film according to the basic invention, (A) is a sectional view of the diamond thin film, and (B) is a partially enlarged view thereof.

【図2】応用発明に係るダイヤモンド薄膜の構造を模式
的に示したもので、(A)はダイヤモンド薄膜の断面
図、(B)はその部分拡大図である。
2A and 2B schematically show the structure of a diamond thin film according to an applied invention, where FIG. 2A is a sectional view of the diamond thin film and FIG. 2B is a partially enlarged view thereof.

【図3】応用発明に係るダイヤモンド薄膜の構造を模式
的に示した断面図である。
FIG. 3 is a sectional view schematically showing a structure of a diamond thin film according to an applied invention.

【図4】直流プラズマジェットCVD装置の概要を示す
説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an outline of a DC plasma jet CVD apparatus.

【図5】(A)は反応時における図4の要部拡大図、
(B)は石英管の平面図である。
FIG. 5 (A) is an enlarged view of an essential part of FIG. 4 at the time of reaction,
(B) is a plan view of the quartz tube.

【図6】ダイヤモンド薄膜の構造イメージ例を示し、
(A)は黒鉛とダイヤモンドとが混在した従来薄膜を、
(B)は本発明によって基板上に形成されるダイヤモン
ドとそれを取り囲む非晶質炭化水素とからなる薄膜を示
している。
FIG. 6 shows a structural image example of a diamond thin film,
(A) is a conventional thin film in which graphite and diamond are mixed,
(B) shows a thin film made of diamond formed on a substrate according to the present invention and an amorphous hydrocarbon surrounding the diamond.

【図7】実施例で成膜されたダイヤモンド薄膜の摩擦磨
耗試験結果を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a result of a friction and wear test of a diamond thin film formed in an example.

【図8】実施例で成膜されたダイヤモンド薄膜の電子顕
微鏡写真である。
FIG. 8 is an electron micrograph of a diamond thin film formed in an example.

【図9】実施例で成膜されたダイヤモンド薄膜の電子顕
微鏡写真である。
FIG. 9 is an electron micrograph of a diamond thin film formed in an example.

【図10】実施例で成膜されたダイヤモンド薄膜の電子
回折像を示す写真である。
FIG. 10 is a photograph showing an electron diffraction image of a diamond thin film formed in an example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2 堆積層(ダイヤモンド薄膜) 3 微結晶ダイヤモンド 4 アモルファス水素化カーボン 5 微粒子 6 ひげ状組織 7 保護膜 8 潤滑又は保護剤 9 第1層(微結晶ダイヤモンド) 10 第2層(高配向性ダイヤモンド) 1 Substrate 2 Deposition Layer (Diamond Thin Film) 3 Microcrystalline Diamond 4 Amorphous Hydrogenated Carbon 5 Fine Particles 6 Whiskers 7 Protective Film 8 Lubrication or Protective Agent 9 First Layer (Microcrystalline Diamond) 10 Second Layer (Highly Oriented Diamond) )

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 プラズマCVDにより基板上に合成され
るダイヤモンド薄膜であって、単結晶のダイヤモンド微
結晶が非晶質炭化水素で被覆された微粒子として析出さ
れ、その被覆層をバインダーとして膜状に堆積されたこ
とを特徴とするダイヤモンド薄膜。
1. A diamond thin film synthesized on a substrate by plasma CVD, wherein single-crystal diamond microcrystals are deposited as fine particles coated with amorphous hydrocarbon, and the coating layer is used as a binder to form a film. A diamond thin film characterized by being deposited.
【請求項2】 プラズマトーチに供給される水素ガスと
不活性ガスとを含む放電ガスを直流アーク放電によりプ
ラズマ化して冷却基板上にプラズマジェットとして噴射
させると共に、プラズマフレームと交差する方向から過
剰な水素ガスを含む反応ガスを供給して、基板上にダイ
ヤモンド薄膜を形成することを特徴とするダイヤモンド
薄膜の製造方法。
2. A discharge gas containing hydrogen gas and an inert gas, which is supplied to a plasma torch, is turned into plasma by a direct current arc discharge and jetted as a plasma jet onto a cooling substrate, and an excessive amount of gas is supplied from a direction intersecting the plasma flame. A method for producing a diamond thin film, which comprises supplying a reaction gas containing hydrogen gas to form a diamond thin film on a substrate.
【請求項3】 請求項1記載のダイヤモンド薄膜を加熱
もしくは水素プラズマ照射して非晶質炭化水素の被覆層
を溶融、分解した後、ダイヤモンド微結晶の間隙に潤滑
又は保護剤を浸透させることを特徴とするダイヤモンド
薄膜の製造方法。
3. The diamond thin film according to claim 1 is heated or irradiated with hydrogen plasma to melt and decompose the amorphous hydrocarbon coating layer, and then a lubricant or protective agent is allowed to penetrate into the gaps between the diamond microcrystals. A method for producing a featured diamond thin film.
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