[发明专利]金刚石电极及其制造方法

说明书

本发明涉及利用化学气相沉积(CVD)工艺的商用金刚石电极及其制造方法，在金刚石电极的制造方法中，利用热灯丝化学气相沉积(HFCVD)工艺在碳质材料或导电性基板上形成导电性金刚石薄膜，在实施用于形成金刚石薄膜的工艺条件之前，流入碳源供给气体以在铌基板的表面形成碳化铌(NbC)，在形成导电性金刚石薄膜时，将薄膜分2次以上进行沉积，由此，在形成导电性金刚石薄膜时，填埋随之而来的针孔，最大限度抑制在电解氛围下电解液与基板的接触，使基板的腐蚀缓慢，从而提供具有长时间寿命的金刚石电极。

技术领域

本发明涉及金刚石电极及其制造方法，更详细而言，涉及利用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)的商用金刚石电极及其制造方法。

背景技术

作为利用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)工艺的导电性金刚石薄膜的形成方法，已知利用热灯丝CVD、微波等离子体CVD等的方法。

纯金刚石作为具有5.2eV带隙(band gap)半导体，因几乎没有导电性而无法用作电极。然而，如果在形成金刚石薄膜时添加微量硼(B)或磷(P)等，则因形成导电性金刚石膜而能够用作电极。近年来，硼掺杂金刚石薄膜电极(Boron Doped Diamond Electrode，BDD电极)成为主流。

BDD电极由于电位窗口宽，且与其他电极相比产生氧的过电压高，因此在利用电化学方法来处理水的领域中非常有用。特别是当将BDD电极与被称为DSA(DimensionallyStable Anode，尺寸稳定阳极)电极的不溶性电极进行比较时，在电极表面氢氧自由基(OH)和臭氧(O3)的产生量极高，从而作为水处理用电极非常有用。

进一步，在将BDD电极用于水处理用电极的情况下，产生氢氧自由基(OH)、臭氧(O3)、过氧化氢(H2O2)等氧化剂，除此以外，在包含氯(Cl2)的电解液中，还产生像次氯酸离子(OCl-)一样的强氧化剂，从而能够有效应用于电化学废水处理、电化学净水处理、船舶平衡水处理等领域。

另一方面，大部分BDD电极与其他薄膜的形成过程一样，存在如下缺点：在成膜时会存在针孔，因形成后的薄膜的应力而与基板的密合力降低，在形成无定形碳或石墨相的薄膜的情况下，在电解环境中的寿命差。此外，随着电解工序进行，由于电极自身产生的热或电解液的温度以及化学腐蚀等会使薄膜发生剥离等，因此可能更加缩短BDD电极的寿命。

此外，以往为了弥补成膜后的BDD电极的针孔等缺陷，提出了对基板的表面进行氟化处理的方法(专利文献1)，但由于追加所谓的氟化处理工序，因此整体上延长BDD电极的制造时间而使生产性降低，产生额外费用，从这些方面考虑，存在BDD电极的产业利用只能受限的缺点。

此外，以往对于金刚石薄膜的形成，提出了如下方法：形成包含性质不同的层的多个金刚石层，将最表层的金刚石层的厚度形成为20μm以上(专利文献2)。据此，在涂布相对厚膜的金刚石层的情况下，有可能因拉伸应力而产生薄膜剥离的问题。为了解决这样的问题，提出了在基板的反面也进行成膜的方案，但由于利用CVD法的BDD电极的成膜速度仅为0.1～0.7μm/hr水平，因此存在如下问题：如果欲形成20μm以上的薄膜时，则需要100小时左右的成膜工序。

此外，为了解决上述问题，以往提出了在初期成膜时，形成低品质的金刚石薄膜，仅在最表层形成高品质的金刚石薄膜的方案。然而，由于利用常规CVD法的BDD电极的成膜速度为0.1～0.7μm/hr水平，因此成膜时间过长而难以实际应用。目前为止，虽然有成膜速度与投入的气体的总量在一定程度上成比例的趋势，但仍然未知以每小时数μm水平进行成膜的方法。这样，仅在最表层成膜高品质的金刚石薄膜的方法也仍然存在难以将其有效应用于产业的问题。

现有技术文献