JPS63153275A - ダイヤモンド被覆アルミナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈発明の属する技術分計〉 この発明は、アルミナの表面に気相成長法でダイヤモン
ドを被覆したダイヤモンド被覆アルミナに関する。

本発明のダイヤモンド被覆アルミナは切削工具、スピー
カ振動板、耐摩耗部品などに利用可能であり、さらには
ダイヤモンド自体の誘電率が低いこと及び熱伝導率が高
いことからｔＣ基板等にも応用可能なものである。

〈発明の技術的背景〉 周知のごとく、ダイヤモンドは炭素（Ｃ）の結晶である
が、常圧の下で、のＣの安定な結晶構造は黒鉛であり、
ダイヤモンドの結晶構造は黒鉛に比べて高いエネルギー
状態にある。

一般に、Ｃ−原子は低温低圧の条件の下では黒鉛、高温
高圧の条件の下ではダイヤモンドとして安定な結晶構造
をとる。

したがって、低いエネルギー状態にある黒鉛をダイヤモ
ンドに転換する場合は、何らかのエネルギーを与えなけ
ればならない。その手段として１，４５０度Ｃで５５，
０００気圧という高温度と圧力の条件が必要である。

さらに触媒を使ってダイヤモンドへ転換を促進させるこ
とが一般的に行われており、ニッケル（Ｎｉ）やコバル
ト（Ｃｏ）等の金属合金が触媒として用いられている。

現在、こうした超高圧による方法で工業用ダイヤモンド
が製造されているが、その多くは旋盤のバイトやドリル
の先端等に埋めこんで、切削工具として使用されている
。

このようにダイヤモンドの合成には超高圧と高温度が不
可欠というのが、これまでの一般常識であった。しかし
、最近になりガスを分解して固体を成長させる化学気相
成長法、つまりＣＶＤ法により、超高圧によらず、低温
でガスから膜状ダイヤモンドを合成できるようになり、
種々の技術分野へ応用できると考えられている。現在、
結晶性゛のよいダイヤモンド膜を気相成長させる条件は
１０倍以上の水素で希釈した炭化水素を用い基板温度７
００〜１０００℃、ガスをプラズマか白熱したタングス
テンフィラメントで励起すると・いうのがよく知られた
条件で、特開昭５８−１３５１１７号公報、特開昭５８
−１１０４９４号公報、特開昭５９−３０９８号公報等
に詳細に示されている。このようにして、金属材料の表
面にダイヤモンド膜を形成すると、耐摩耗性を向上させ
たり、摩擦係数を下げたりすることができる。ただ、上
述したＣＶＤ法によるダイヤモンド膜の合成温度が通常
、７００度Ｃ以上のため、膜形成させる基材が限られる
という問題がある。一方、たとえばセラミック材にダイ
ヤモンド膜を形成することにより、耐摩耗性の向上や耐
食性の向上等の基材にはなかった他の機能を与えること
もできる。

このようなＣＶＤ法によるダイヤモンドの合成の中で、
本願に近い先行文献としては、特開昭６１−１０６４７
８号公報が知られている。この技術文献には、セラミッ
クス焼結体の上に周期律表第４ｍ、５ｍ、Ｓａ族金属の
炭化物、窒化物、酸化物、ホウ化物等よりなる第１層の
上に窒化ケイ素、炭化ケイ素よりなる第２内層を設け、
しかる後、ダイヤモンド及び／又はダイヤモンド状カー
ボンを被覆してなるダイヤモンド疲覆部品が開示されて
いる。

〈発明が解決しようとする問題点〉 ところが、単にアルミナの表面を上述のＣＶＤ法により
ダイヤモンド膜で被覆しようとすると剥離してしまい、
使用に耐えるものができなかった。これは、ダイヤモン
ド膜の合成温度が（通常は７００度Ｃ以上）高いため、
熱歪が発生することや、膜内の残留応力が大きいことに
原因があるものと考えられる。

また、特開昭６１−１０６４７８号には、上述したよう
にセラミック焼結体の菖類としては種々挙げられている
が、これに第１．第２の内層を設けた上で、さらにダイ
ヤモンドを被覆している。確かにこのような構造の被覆
層も有力なものであるが、多層にすればするほど、製造
時の工程が多くなり必然的に高価なものとなることは言
うまでもない。その上に、多層にすることによってダイ
ヤモンド以外の被覆層の厚さが厚くなり、ダイヤモンド
自体の効果が弱められる結果となる。

一方、本出願人は先に出願した特開昭６１−１６１８９
７号公報により、アルミナ層に直接ダイヤモンドもしく
はダイヤモンド状カーボンを被覆したスピーカー振動板
が開示している。しかしながら、この技術によっても十
分な剥離強度を有するダイヤモンド被膜は得られなかっ
た。

本発明はこのような事情に鑑み特開昭６１−１６１８９
７号公報に開示した発明を改良し、さらに剥離強度を高
めたダイヤモンド被膜を有するダイヤモンド被覆アルミ
ナを提供することを目的とする。

く問題点を解決するための手段〉 本発明者等は、前記目的を達成するために、種々実験を
重ねたところ、アルミナ表面を、還元性雰囲気で損われ
ないか、または損われたとしてもその影響が接着強度に
影響しない程度に軽微な中間層を介してダイヤモンド膜
を形成すればよいとの知見を得、この発明を完成させる
ことができた。ダイヤモンド膜の合成は通常、還元性の
雰囲気中で行われるため、アルミナ（Ａ　１，０．）上
にダイヤモンドを形成させようとすると、極めて不安定
な表面の上にダイヤモンドの生成様をつくることになり
、上述したＣＶＤ法によって直接アルミナ上に形成され
るダイヤモンド膜は、きわめて弱い接着力でアルミナ材
表面に付着しているものと考えられる。

すなわち、この発明はアルミナの表面に、ＳｉＣ膜を介
在させてダイヤモンド膜を形成したことを特徴とするも
のである。

この発明において、アルミナ材の上に形成させるＳｉＣ
膜は結晶性のものでも、あるいは非結晶性のものでもよ
い。

しかしながら、結晶質と非晶質のＳｉＣ膜を比較すると
、非晶質の膜の方が均質で膜厚が均一となる点で結晶質
より望ましい。またダイヤモンドの初期の核発生密度も
非晶質の方が高（、シたがって得られるダイヤモンド膜
質も良好となる。

ＳｉＣの膜厚は０．１〜３０Ａ１ｍであるが、より好ま
しくは０．２〜５μｍである。ＳｉＣ膜の膜厚は基材と
ダイヤモンド間の熱応力の緩和　　−および両者の密着
性の向上の面からは厚い方がよい。しかしながら、Ｓｉ
Ｃはダイヤモンドに比較して重いのでダイヤモンドの硬
さを生かすためには薄い方がよい。また厚くすると、被
覆に長時間を要するので、望ましくは、０．２〜５μｍ
である。また結晶質のＳｉＣ膜を用いる場合は結晶粒径
が、５μｍ以下が望ましく、さらには１μｍ以下が、望
ましい。その理由は、結晶粒径が大きくなると表面の均
一性が保持しにくくなるためである。

一方ダイヤモンド膜は結晶性のもので構成され、その膜
厚は０．５〜３０μｍの範囲が良好である。３０μｍ以
上の膜厚になると、膜にクラックが入ったり、また被覆
に長時間を要するので望ましくない。０．５μｍ以下で
はダイヤモンド被覆の効果は少ない。したがってこのよ
うな条件からすると１〜１０μｍの範囲が、さらに望ま
しい。

く作　　　用〉 乙のように、アルミナの表面を一旦ＳｉＣ膜で被覆した
後、ＳｉＣ膜上面に気相成長法でダイヤモンド膜を合成
させる構成になっているから、還元性雰囲気下でＣＶＤ
法でダイヤモンドを合成しても、アルミナ表面が還元性
雰囲気の影響を受けることなくダイヤモンド膜が形成さ
れる。

一般にダイヤモンドの気相合成は還元性雰囲気で行われ
る。したがって、どのようなダイヤモンドの気相合成法
を用いても本発明による効果は現われる。

く実　施　例〉 実施例１ 次２と、この発明にかかるダイヤモンド被覆アルミナの
実施例について、比較例を挙げて具体的に説明する。

まず、通常（ＤＨＩ　Ｐ処理（Ｈｏｔｉｓｏｓｔａｔｉ
ｅ　Ｐｒｅｓｓ）により、９９．９８％の密度を有する
ように焼結したアルミナ材を作り、これを１０ｍＸ１０
識×２１ｗ１１の寸法に切断した後、８０番のダイヤモ
ンド砥石で最終研■し、得られたアルミナ板を基板とし
て使用した。

第１図には本実施例に用いた反応装置を示す。図中、１
は基板とするアルミナ、２は石英管であり、石英管２は
真空ポンプと連通ずる真空排気経路３及び供給ガス導入
口４を有している。また、５はマグネトロン、６は導波
管、７はプランジャーである。

まず、反応容器である石英管２内に５ｉＣｊ４１０　ｖ
ｏ１％、ＣＨ４１０ｖｏｊ％、Ｈ２８０ｖｏｊ％の混合
ガスを導入口４より導入し、５Ｔｏｒｒに調整した。次
にマイクロ波プラズマを発生せしめて、基板温度を９０
０℃として１時間マイクロ波プラズマＣＶＤを行った。

これにより、アルミナ基板１上には１μｍのＳｉＣ膜が
被覆されていた。

その後、このようにして得られた。Ｓ　ｉ　Ｃ膜被覆ア
ルミナ基板を、再び第１図に示す石英管２内に入れ、１
ｖｏｊ％のＣＨ４ガス残部へガスからなる混合ガスを導
入口４より導入し圧力を５０Ｔｏｒｒに調整した。次に
マイクロ波プラズマを発生せしめて前記ＳｉＣが被覆さ
れたアルミナ基板を９００℃とし、２時間マイクロ波プ
ラズマＣＶＤを行ったところ、３μｍの厚さのダイヤモ
ンド膜が形成できた。

上述のプラズマＣＶＤで形成されたＳｉＣ膜およびダイ
ヤモンド膜をプラズマ放電終了後、Ｓ　ｉ　ＣｇはＸ線
回折では何らピークが認められなかったがＥ　Ｓ　ＣＡ
　（Ｅｌｅｅｔｒｏｎ　５ｐｅｃｔｒｏｓｅｏｐｙ　ｆ
ｏｒＣｈｅｍｉｃａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ）およびオー
ジェ電子分光（ＡｕｇｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎ　５ｐｅｅ
ｔｒｏｓｃｏｐｙ）ではＳｉのＣ結合をもちＳｉＣとか
らなっており非結晶性のものであることが確認された。

第２図にオージェスペクトル、第３図に赤外吸収スペク
トルを示す。Ｘ線では検出できなかったが、これらのス
ペクトルにはＳｉＣが形成されていることが示されてい
る。

また、ダイヤモンド膜についてはＸ線回折でピークが観
測され、結晶性ダイヤモンドを主体とする膜であること
が判った。

上記実施例はアルミナ基板面を被覆する５ｉＣ１ｌｌが
非結晶性のものについて説明したが、結晶性の場合も、
同様の結果になることが確認された。

実施例２ ３０Ｘ３０Ｘ５閣の９９．５％以上の純度を有するアル
ミナ基板の上に、実施例１と同様にしてＳｉＣ膜および
ダイヤモンド膜を被覆した。得られたダイヤモンド被覆
アルミナの特性を第１表に示す。またこれらの各ダイヤ
モンド被覆アルミナについて、第４図に示す剥離テスト
装置を用いて剥離テストを行った。

図中、１１はアルミナ基板、１２は５ｉＣ３ｌｌ、１３
はダイヤモンド膜、１４はエポキシ樹脂、１５は金属棒
である。

剥離テストは１０５ｗｍφＸ　１００　ｗｍｌの金属棒
１５をダイヤモンド膜１３面にエポキシ樹脂１４で接着
した後、棒１５の上端に横向きの力Ｆを加えて引き倒し
、この時のダイヤモンド膜１３が剥離した力を測定する
ことにより行った。この結果は第１表に示す。なお、第
１表の「剥離せず」というのはエポキシ樹脂１４と、金
属棒１５あるいはダイヤモンド膜第１表 実施例３ ３０．４ｍＸ　１０ｍｎ＋Ｘ　４０ｍｍの純度９９．５
％以上のアルミナ板を用意した。実施例１と同様に、Ｓ
ｉＣを１μｍ１ダイヤモンドを３μｍの厚さに被覆した
。得られたダイヤモンド被覆アルミナの端面を固定して
、共振周波数を測定した。ダイヤモンドを被覆していな
いものでは９４００　ｍ／ｓｅｃの音速であったが、被
覆したものは１１．　ＯＱＯｍ／ｓｅｅと約２割音速が
上昇していた。

実施例４ アルミナにＭｇＯ，ＮｉＯなどを添加した当社製品Ｗ−
８０，およびアルミナにＴｉＣを添加した当社製品Ｂ−
９０よりなる型番５ＮＧＮ１２０４０８型の切削工具を
準備した。これを以下に示す方法を用いて第２表に示す
ようなダイヤモンド被覆アルミナ切削工具を用意した。

なお、それぞれの膜の被覆条件は以下の通りである。

〔ダイヤモンド膜〕

ＣＨ４：　Ｉ（２＝１：　　５０．基板温度９３０℃。

タングステンフィラメントを用いたタングステンフィラ
メントＣＶＤ法によりフィラメントと［ｉＥの距離１０
　ｒｍ　、フィラメントの温度２２５０℃にて合成。

［ＳｉＣ非晶質〕 実施例１と同じ条件。

（ＳｉＣ結晶質膜〕 熱ＣＶＤ法ニヨルｏｃＩＨｈ：　Ｓ＋Ｃｊ４：　％　＝
　５：　１：　５０で基板温度１２５０℃。

（Ｔｉｃ膜〕 熱ＣＶＤ法１ｃ　Ｊ：　７４　。ＣｋＴ、　：　ＴｉＣ
ｊ、：　Ｈ，＝　３＝　１．３０で、基板温度１０５０
℃。

１：３ｉ３Ｈ４膜〕 プラスマＣｖＤ法ニヨル。ｋｎ％　：　５ｉＣｊ、：　
１１．　＝　１：４：４０．基板温度９００℃、　１３
．５６ＭＨｚの高周波プラズマ中で被覆した。投入電力
は３００Ｗであった。

［ＴｉＮ１ｉ］ プラスマＣｖＤ法ニＪ：　ル、％：　ＴｉＣｊ４：　Ｈ
２＝　５：１：２０基板温度７００℃、　１３．５６Ｍ
Ｈｚの高周波２００Ｗでプラズマを発生させた。

とのようにして得られた、ダイヤモンド被覆アルミナ切
削工具を用いて息下の条件で切削テストを行った。

切削条件　：被削材　　１２％５ｉ−Ａ１合金切削速度
　３００ｍ／■ｉｎ 送　　　　　　　リ　　　　　０．１ｍ　／　　ｒｅｖ
切り込み　０．２− く比　較　例〉 アルミナ基板表面をＳｉＣ膜で被覆せずに、アルミナ基
板表面に、直接ダイヤモンド膜をプラズマ放電により合
成させた以外は実施例と同様の方法でダイヤモンド被覆
アルミナを形成させた。

ついで、以上の実施例および比較例にしたがって作製し
た試料（ダイヤモンド被覆アルミナ）の特性を長時間放
置して調べたところ、実施例の方法にしたがって作製し
た試料の場合は１年間放置しても膜に変化がみとめられ
なかったが、比較例の方法にしたがって作製した試料は
一昼夜放置しただけで、表面の４０％のダイヤモンド膜
が剥離してしまった。

〈発明の効果〉 以上の説明から明らかなように、アルミナ材表面にＳｉ
Ｃ膜を介在させてダイヤモンド膜を形成した本発明のダ
イヤモンド被覆アルミナは、 ■　アルミナ材表面に直接ダイヤモンドを形成させたも
のに比べて、ダイヤモンド膜が剥がれ難く、格段に耐摩
耗性が優れている。

■　使用目的に応じ、複雑な形状のアルミナ基板に対し
ても、ＳｉＣ膜を介するだけで、容易に剥がれ難いダイ
ヤモンドを形成することができる。

■　本発明にかかるダイヤモンド被覆アルミナは、表面
にダイヤモンドの特性をもつアルミナ板として切削工具
、メカニカルシール等耐摩耗性を必要とする分野、ある
いは高周波が流れる集積回路基板として低誘電率を必要
とする分野、あるいはスピーカ等の振動板として高比弾
性率を必要とする分野等への利用が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例で用いた反応容器を示す説明図
、第２図はＳｉＣオージェスペクトル、第３図は赤外吸
収スペクトル、第４図は剥離テスト装置を示す説明図で
ある。 図　　面　　中、 １はアルミナ基板、 ２は石英管、 ３は真空排気経路、 ４はガス導入口、 ５はマグネトロン発信響、 ６は導波管、 ７はプランジャーである。 特　　許　　出　　願　　人 住友電気工業株式会社 代　　　　理　　　　人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）アルミナ基板の表面に、炭化ケイ素膜を介在させて
   ダイヤモンド膜を形成してなることを特徴とするダイヤ
   モンド被覆アルミナ。 ２）炭化ケイ素膜の厚みが０．１〜３０μｍであること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のダイヤモンド
   被覆アルミナ。 ３）ダイヤモンド膜の厚みが０．５〜３０μｍであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の
   ダイヤモンド被覆アルミナ。 ４）炭化ケイ素膜が非晶質であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項、第２項又は第３項記載のダイヤモン
   ド被覆アルミナ。