CN107848002B - 金刚石拉丝模 - Google Patents

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Abstract

一种金刚石拉丝模，其包括设置有用于拉拔丝材的孔的金刚石，所述金刚石是CVD单晶金刚石，所述孔的轴相对于所述金刚石的晶面的法线方向倾斜。

Description

金刚石拉丝模
技术领域
本申请要求基于2015年7月22日提交的日本专利申请2015-145027号的优先权，并通过引用的方式将其全部内容并入本文中。本发明涉及一种金刚石拉丝模。
背景技术
以往，拉丝模公开于专利文献1至4。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2002-102917号公报
专利文献2：日本特开平4-127913号公报
专利文献3：日本特开平6-170435号公报
专利文献4：日本特表2006-518699号公报
发明内容
专利文献1记载了采用单晶金刚石的拉丝模。不利的是，在使用天然金刚石作为单晶金刚石的情况下，近年来不能稳定地得到高品质的天然金刚石材料。因此，考虑使用人造金刚石，诸如高温高压合成金刚石；然而，与采用天然金刚石的金刚石拉丝模相比，取决于要被拉拔的丝材，采用这样的人造金刚石的金刚石拉丝模在其孔中被更大程度地磨损。这可能导致其寿命短。此外，在单晶金刚石拉丝模的情况下，取决于晶体取向的设定，会促进孔的磨损，或者在孔中更易于发生局部磨损。这样的现象的发生可能会导致拉丝模的寿命短。
同时，还有采用作为多晶金刚石的金刚石烧结材料的金刚石拉丝模；然而，在这种情况下，与使用采用单晶金刚石的拉丝模的情况相比，丝材的表面粗糙度变得劣化。因此，采用金刚石烧结材料的这样的金刚石拉丝模目前在对丝材的品质有要求的领域中几乎不被使用。
为了解决这样的问题，已经考虑使用专利文献2至4中记载的采用CVD金刚石的金刚石拉丝模。
然而，专利文献2至4中记载的各金刚石拉丝模的使用都不能确保容易地获得具有长寿命且允许拉拔的丝材具有优异的表面粗糙度的金刚石拉丝模。此外，专利文献3示出一种示例性孔形状，其不一定是优选的形状。
此外，在专利文献4中，拉丝模的内表面(即孔的表面)是磨损表面。据记载，为了降低磨损表面的磨损率，所述表面被构造成具有各种晶面如(100)面、(113)面、(111)面和(110)面。在设置有具有圆形横截面形状的孔的普通拉丝模的情况下，磨损的状态如上所述取决于设定的晶面而变化。因此，认为磨损不能被稳定地降低，这可能会导致诸如由于孔的一部分被剥离而造成丝材的表面粗糙度劣化或在拉丝期间丝材断开的担忧。
根据以上说明，本公开提出一种金刚石拉丝模，其可以通过稳定地增加高精度金刚石拉丝模的寿命来改善丝材的品质并且防止丝材在拉丝期间断开。
本公开的一个实施方式的金刚石拉丝模包含设置有用于拉拔丝材的孔的金刚石，所述金刚石是CVD单晶金刚石，所述孔的轴相对于金刚石的晶面的法线方向倾斜。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的金刚石拉丝模的平面图。
图2是沿着图1中的II-II线的横截面图。
图3是示出图2中的金刚石的放大横截面图。
图4示出单晶金刚石20的晶体缺陷。
图5示出金刚石籽晶10和单晶金刚石20的晶体缺陷。
图6示出金刚石籽晶10和单晶金刚石20的晶体缺陷。
图7示出金刚石籽晶10和单晶金刚石20的晶体缺陷。
图8是示出晶面排列的透视图。
图9是说明切割面201的单晶金刚石20的透视图。
图10是说明切割面201的单晶金刚石20的平面图。
图11是示出当使用本发明的金刚石拉丝模的制品和比较制品的金刚石拉丝模进行拉丝时孔径相对于拉丝距离的变化的图。
图12是示出当使用本发明的金刚石拉丝模的制品和比较制品的金刚石拉丝模进行拉丝时磨损量的图。
图13是示出本发明的金刚石拉丝模的制品中磨损量关于相对于(110)面的倾斜度的变化的图。
图14是说明切割面202的单晶金刚石20的透视图。
图15是说明切割面202的单晶金刚石20的平面图。
图16是说明切割面203的单晶金刚石20的透视图。
图17是说明切割面203的单晶金刚石20的透视图。
具体实施方式
[本发明实施方式的说明]
首先，列出并说明本申请发明的实施方式。
本公开的一个实施方式的金刚石拉丝模包含设置有用于拉拔丝材的孔的金刚石，所述金刚石是CVD单晶金刚石，所述孔的轴相对于金刚石的晶面的法线方向倾斜。
由于在金刚石中形成的孔的轴如此相对于金刚石的晶面的法线方向倾斜，所以在拉丝期间解理面相对于在孔的轴向方向上从丝材施加到缩小部(リダクション部)或定径部(ベアリング部)的应力倾斜，结果是金刚石不易于被解理并且孔的一部分不易于被剥离。
当在金刚石中形成的孔的轴优选相对于金刚石晶面的法线方向倾斜0.1°至15°、更优选1°至8°、进一步优选1°至5°时，上述效果变得明显。此外，由于通过使用CVD单晶金刚石材料可以容易地进行用于使晶面倾斜的控制，所以获得了使用天然金刚石或高温高压合成金刚石无法获得的效果。
以下说明通过使用CVD单晶金刚石材料可以容易地进行用于使晶面倾斜的控制的原因。
CVD单晶金刚石材料通常通过在由单晶金刚石构成的基体基板上进行同质外延生长且然后分离基体基板而获得。
单晶金刚石可以是天然单晶金刚石或通过高温高压合成(HPHT)方法或化学气相沉积(CVD)方法制造的单晶金刚石。此外，根据作为单晶金刚石中的杂质的氮的混入状态来区分单晶金刚石的类型。对于基体基板，可以使用任何类型的单晶金刚石如Ia型、Ib型、IIa型或IIb型。同质外延生长法的实例包括微波等离子体CVD法、热丝CVD法、直流放电等离子体CVD法、电弧放电喷射CVD法、高频等离子体CVD法等，可以使用它们中的任一种方法。为了从基体基板上分离，可以使用采用激光的切割加工方法。
在同质外延生长中，基体基板的晶面取向是决定所获得的CVD单晶金刚石材料的品质的因素之一。(100)面是允许高品质地进行生长的基体基板的晶面；然而，不一定必须使用(100)面来进行生长。根据气体流量、基体基板温度和其他生长条件而存在适当的晶面。对于该平面，使用相对于(100)面以20°以下的角度倾斜的偏离面。
因此，在使用如上所述精密地控制了晶面取向的基体基板时，可以容易地识别通过同质外延生长而获得的CVD单晶金刚石的晶体取向，从而在对金刚石拉丝模进行机械加工时也容易进行用于使晶面倾斜的控制。
优选地，在本申请发明的一个实施方式中，金刚石的上下表面是相对于(110)面倾斜0.1°至15°的表面。上下表面是指金刚石的上表面和下表面，并且拉丝模的孔从上表面延伸到下表面。
通过采用如此倾斜的表面，不易于发生孔的局部磨损，并且真圆度也不易于劣化，由此改善寿命。金刚石的上下表面相对于(110)面倾斜更优选1°至8°且进一步优选1°至5°。
优选地，金刚石的上下表面是相对于(100)面倾斜0.1°至15°的表面。
通过采用如此倾斜的表面，不易于发生孔的局部磨损，并且真圆度也不易于劣化，由此改善寿命。金刚石的上下表面相对于(100)面倾斜更优选1°至8°且进一步优选1°至5°。
优选地，金刚石的上下表面是相对于(111)面倾斜0.1°至15°的表面。
通过采用这样的晶面取向，抑制孔的磨损，同时维持不易于发生局部磨损的状态，因此获得不易于增加孔径的效果。金刚石的上下表面相对于(111)面倾斜更优选1°至8°且进一步优选1°至5°。
优选地，在从丝材流动的上游侧到下游侧的方向上，所述孔包括缩小部、具有直径D的定径部、出口角部(バックリリーフ部)和出口部(エクジット部)以限定所述孔，并且在沿着孔的轴的横截面中的孔的形状中，定径部的长度为0.4D以上且1.5D以下。
通过以这种方式使定径部增加到比通常情况下长，即使是在由本申请发明的材料构成且具有本申请发明的形状的拉丝模中也不易于发生磨损，由此改善孔的耐磨性，不易于改变真圆度，且不易于剥离定径部的一部分。
优选地，直径D小于50μm，并且从出口角部到出口部的孔的横截面形状是凹的曲线形状。
孔的这样的形状有助于在拉丝期间排出切削屑，从而防止由于切削屑被卡在孔中而导致发生局部磨损和在丝表面上出现缺陷。
优选地，所述金刚石拉丝模以在拉丝期间面积缩小率为8％以上且25％以下的方式使用。
面积缩小率被设定为8％以上，因为需要用上述形状的孔高效地进行拉丝，并且面积缩小率被设定为25％以下，以防止在拉丝期间由于阻力变得太大而导致的断丝。通过以上述面积缩小率进行拉丝，在使用设置有具有上述形状的孔的金刚石拉丝模的拉丝期间，有效地抑制阻力，从而实现金刚石拉丝模寿命的延长，且防止丝在拉丝期间断开。
优选地，金刚石拉丝模用于拉拔金属丝或设置有各种类型的金属镀层的所述金属丝的丝中的任一种，这些金属丝包括铜基金属丝、铁基金属丝、金丝、银丝、黄铜丝、铝丝、铝合金丝和钨丝。
在这样的丝材的拉丝过程中，使用上述金刚石拉丝模可以使磨损率降低、有效抑制局部磨损、且延长金刚石拉丝模的寿命，同时可以使拉制的丝材具有高品质。
为了有效地显示金刚石拉丝模的这样的特性，优选使用具有以下特性的CVD单晶金刚石。在所述单晶金刚石中，在单晶金刚石的晶体生长主表面的X射线形貌图像中，晶体缺陷点的组聚集而存在，各个晶体缺陷点是到达晶体生长主表面的晶体缺陷线的前端点，晶体缺陷线表示其中存在晶体缺陷的线。
优选地，金刚石的晶面是(110)面、(100)面和(111)面中的一个。在这种情况下，可以可靠地抑制金刚石拉丝模的磨损。
根据本申请发明的金刚石拉丝模，可以在不增加金刚石拉丝模成本的情况下改善金刚石拉丝模的寿命和拉制丝材的品质，由此使得拉丝中不易于发生断开。
以下参考附图说明本申请发明的一个方面的实施方式。
图1是本发明的实施方式的金刚石拉丝模的平面图。图2是沿着图1中的II-II线的横截面图。参考图1和图2，金刚石拉丝模4包括：位于金刚石拉丝模4的中心的金刚石1；设置在金刚石1周围以保持金刚石1的烧结合金2；以及保持烧结合金2的壳体3。
金刚石1固定到烧结合金2并与烧结合金2嵌合。金刚石1是由通过化学气相沉积合成的CVD金刚石构成的金刚石单晶材料，并且为被抛光以具有一定厚度的板形状。
图3是示出图2中的金刚石的放大的横截面图。参考图3，金刚石1具有入口11和出口12，并且设置有从入口11延伸到出口12的孔14。另外，从入口11侧，金刚石1具有喇叭口部(ベル部)1a、变形锥部(アプローチ部)1b、缩小部1c、定径部1d、出口角部1e和出口部1f。设置在金刚石1中的孔14允许丝材从入口11侧插入并且被向出口12侧拉拔。
侧壁13的倾斜度相对于作为中心轴的轴15逐渐改变。需要说明的是，在图3中所示的横截面中，孔14被构造成具有相对于轴15对称的形状。孔的直径越靠近定径部1d变得越小。此外，限定孔14的侧壁13的倾斜度越靠近定径部1d变得越小，且在侧壁13与轴15之间的角度越靠近定径部1d变得越小。构成定径部1d与缩小部1c之间的边界部分的曲面由平滑曲线的组合构成。设定径部1d中的孔14的内径为D，则在金刚石拉丝模4被沿着包含轴15并平行于轴15的平面切割时出现的横截面(图2中的横截面)中，定径部的长度为0.4D以上且1.5D以下。出口角部1e被设置成接续定径部1d且具有较大的孔径。此外，在出口12侧，出口部1f被设置成具有凹的曲线形状。
在金刚石1中，与轴15垂直的上表面5被设置在入口11侧，且与轴15垂直的下表面6被设置在出口12侧。上表面5和下表面6各自由相对于(110)面倾斜0.1°至15°的平面构成。在轴15的方向上的晶体取向是相对于<110>方向具有0.1°至15°的角度的取向。孔14从上表面5延伸到下表面6。
当在与金刚石的晶面平行的方向上施加应力时，在晶面中易于发生解理；然而，当施加应力的方向相对于晶面仅倾斜0.1°时，不易于发生解理。
在拉丝模的情况下，在拉丝期间，应力沿轴向方向施加到定径部和缩小部的首先与丝材接触的部分。在所述缩小部处，以线接触施加应力。在所述定径部处，以面接触施加应力。
定径部是与轴向方向平行的表面。如果该表面平行于晶面，则易于引起解理的(111)面在镜像对称和两重旋转对称的四个位置(在这种情况下，轴向方向对应于<110>)、三重旋转对称的三个位置(在这种情况下，轴向方向对应于<111>)、或四重旋转对称的四个位置(在这种情况下，轴向方向对应于<100>)表现为薄弱点。当仅偏离0.1°时，该对称性受到破坏以减少薄弱点的总数，从而极大地降低了解理面中出现最大应力的可能性。因此，不易于发生解理。此外，当晶面与其平行时，薄弱点位于与轴向方向对应的位置处；然而，当仅偏离0.1°时，薄弱点大幅地前后偏移(随着径向上的曲率变小，它们更大幅地偏移，且该偏移变得能与定径长度相当)。因此，最大应力点易于从薄弱点偏移。发现这样的效果对补偿磨损的不对称性是有利的。特别地，当孔的轴向方向对应于<110>方向时，应力方向的矢量易于匹配解理(111)面，由此该效果变大。此外，由于使丝材表面在定径部与定径表面面接触，所以应力变得非常大。
因此，当拉丝模的定径部相对于晶面仅倾斜0.1°时，防止解理的效果急剧增加。
以选择丝材的直径而使得获得8％以上且25％以下的面积缩小率的方式使用上述金刚石拉丝模。此外，使用金刚石拉丝模来拉拔金属丝、设置有各种类型的金属镀层的该金属丝的丝等。金属丝的实例包括铜基金属丝、铁基金属丝、金丝、银丝、黄铜丝、铝丝、铝合金丝和钨丝。
上述金刚石拉丝模在拉拔具有约10μm至约500μm的丝直径的各种丝材时提供所述效果。
本申请发明的实施方式的单晶金刚石优选如下构造。也就是说，在单晶金刚石拉丝模的晶体生长主表面的X射线形貌图像中，晶体缺陷点的组聚集而存在，各个晶体缺陷点是到达晶体生长主表面的晶体缺陷线的前端点，晶体缺陷线表示其中存在晶体缺陷的线，且晶体缺陷点的密度可以大于2mm-2。由于在这样的单晶金刚石中晶体缺陷点的密度大于2mm-2，所以与没有缺陷的单晶金刚石相比，由于晶体缺陷线提供的应力松弛而抑制了大的缺损的出现。
本实施方式的单晶金刚石优选如下构造。也就是说，晶体缺陷点的组合位错点的密度可以大于2mm-2，各个组合位错点是到达晶体生长主表面的组合位错的前端点，所述组合位错由多个刃型位错和多个螺旋位错中的至少任一者的组合产生。由于作为到达晶体生长主表面的组合位错的前端点的组合位错点的密度大于2mm-2，并且在这样的单晶金刚石中由组合位错提供的应力松弛的效果大，所以进一步抑制了大的缺损的出现。
本实施方式的单晶金刚石优选如下构造。也就是说，本实施方式的单晶金刚石可以包括多个单晶金刚石层。由于单晶金刚石包括多个单晶金刚石层，因此促进了晶体缺陷线的形成，从而进一步防止了大的缺损的出现。
具体地，单晶金刚石具有这样的结构：单晶金刚石的晶体缺陷线从晶体缺陷点支化成多条晶体缺陷线，该晶体缺陷点是到达作为边界的单晶金刚石层的点。结果，该结构使得随着单晶金刚石层的数量增加，晶体缺陷线的数量沿朝向一个主表面的方向增加。
本申请发明的某一实施方式的单晶金刚石优选如下构造。也就是说，在单晶金刚石的晶体生长主表面的X射线形貌图像中，多个晶体缺陷线状聚集区域平行存在，并且在所述多个晶体缺陷线状聚集区域中，晶体缺陷点的组聚集并以线状延伸，各个晶体缺陷点是到达晶体生长主表面的晶体缺陷线的前端点，晶体缺陷线表示其中存在晶体缺陷的线。
本实施方式的单晶金刚石优选如下构造。也就是说，可以包含1ppm以上的氮原子作为杂质原子。这样的单晶金刚石含有1ppm以上的氮原子作为杂质原子，且氮原子是提供缺损或裂纹的起始点的凝聚型氮原子，而不是不提供缺损或裂纹的起始点的孤立置换型氮原子；然而，由于由多条晶体缺陷线提供的应力松弛而抑制了大的缺损的出现。为了中断缺损的发展，期望包含3ppm以上的氮原子。此外，更期望包含30ppm以上的氮原子。然而，如果存在太多的氮原子，即使在晶体缺陷线的密度高的情况下，在出现缺损之前，应力也不会松弛。因此，期望氮原子的浓度为1000ppm以下。
本实施方式的单晶金刚石优选如下构造。也就是说，当单晶金刚石的厚度为500μm或被换算成500μm并且单晶金刚石被镜面抛光达到可以进行光学评价的程度(表面散射为2％以下)时，对400nm光的透射率可以为60％以下。由于缺陷和杂质的协同效果，这样的单晶金刚石吸收波长为400nm以下的光，因此降低了透射率。利用这种效果，抑制了大的缺损的出现。
<单晶金刚石材料的实施方式的详情>
包含在拉丝模中的单晶金刚石优选具有以下特征。单晶金刚石可以不具有该特征。
[单晶金刚石]
参考图4和图5，在本实施方式的单晶金刚石20中，在单晶金刚石20的晶体生长主表面20m的X射线形貌图像中，晶体缺陷点20dp的组聚集而存在，各个晶体缺陷点20dp是到达单晶金刚石20的至少一个某一表面的晶体缺陷线20dq(例如位错线等)的前端点，晶体缺陷线20dq表示其中存在晶体缺陷20d的线。在此，在本申请的发明中，表述“缺陷点的组聚集而存在”具有如下的具体含义。也就是说，一组晶体缺陷点是从一个起始点支化的多个缺陷点的集合或从上述多个晶体缺陷点支化的晶体缺陷点的集合。从不同起始点支化的缺陷点的集合被视为不同的组。因此，假定将整体包括一个组的最小圆表示为该组的区域，则当某个组的区域与另一个组的区域接触或重叠时表示这些组聚集。
在本实施方式的单晶金刚石材料20中，在X射线形貌图像中指示晶体缺陷点20dp和晶体缺陷线20dq的存在。具体地，由于晶体缺陷点20dp和晶体缺陷线20dq具有比晶体中的除晶体缺陷点20dp和晶体缺陷线20dq以外的部分(具有较少缺陷的部分，即具有高结晶度的部分)的那些部分高的X射线反射强度，因此晶体缺陷点20dp和晶体缺陷线20dq的存在在正的X射线形貌图像的情况下显示为暗部分，并且在负的X射线形貌图像的情况下显示为亮部分。晶体缺陷线显示为线状的暗部分或亮部分，而晶体缺陷点显示为晶体表面与晶体缺陷线之间的交点。
[晶体缺陷]
在此，晶体缺陷20d包括诸如点缺陷、位错、缺损、裂纹和晶体应变的各种类型的缺陷。此外，位错包括刃型位错、螺旋位错和由多个刃型位错和多个螺旋位错中的至少任一者的组合产生的组合位错。
当重新产生晶体缺陷线20dq或晶体缺陷线20dq到达晶体生长主表面20m时，由这些位错等构成的晶体缺陷线20dq各自停止。已经到达晶体生长主表面20m的一侧被称为“晶体缺陷点20dp”，并且在本申请的发明中，对晶体缺陷点20dp的数量进行计数以定义晶体缺陷点20dp的密度。由于实际上不可能像本申请的发明中那样计数104以上个晶体缺陷点，所以如下取得在有限范围内的至少五个位置处的晶体缺陷点的平均值。当预计小于10个晶体缺陷点/mm2时，在整个晶体中计数晶体缺陷点20dp，并将由此计数的晶体缺陷点除以整个晶体的面积，由此换算成mm-2的单位。在如下具有有限范围的区域内计数晶体缺陷点20dp，例如当预计10个晶体缺陷点/mm2以上且小于100个晶体缺陷点/mm2时的1mm见方的区域；当预计102个以上晶体缺陷点/mm2且小于5×102个晶体缺陷点/mm2时的500μm见方的区域；当预计5×102个晶体缺陷点/mm2以上且小于3×103个晶体缺陷点/mm2时的200μm见方的区域；当预计3×103个晶体缺陷点/mm2以上且小于104个晶体缺陷点/mm2时的140μm见方的区域；当预计104个晶体缺陷点/mm2以上且小于2×104个晶体缺陷点/mm2时的100μm见方的区域；或者当预计2×104个晶体缺陷点/mm2以上时的50μm见方的区域。然后，将如此计数的晶体缺陷点换算成mm-2的单位。这样做时，计数晶体缺陷点数20dp的区域必须是包括晶体缺陷聚集区域20r的区域。晶体缺陷聚集区域20r是指晶体缺陷点20dp的组聚集的区域。线状的晶体缺陷聚集区域20r被称为“晶体缺陷线状聚集区域”。如果不清楚晶体缺陷线20dq的停止部分中的哪一个到达晶体生长主表面，则通过改变透射型X射线形貌图像的入射角和衍射面或通过拍摄反射型X射线形貌图像来明确化晶体缺陷点。
另一方面，晶体缺陷线20dq在晶体生长表面处是晶体缺陷点20dp，使得晶体生长表面附近的晶体缺陷线20dp的密度等于晶体缺陷点20dp的密度。晶体缺陷线20dq也存在于晶体内部，并且存在其与任意表面的交点。这类交点的密度对应于表面中晶体缺陷线的密度。任意表面的实例包括以层形式生长的边界表面等。
各个晶体缺陷聚集区域20r由作为晶体缺陷线20dq的前端点且以线状聚集在晶体生长主表面20m处的晶体缺陷点20dp形成，晶体缺陷线20dq各自是其中存在晶体缺陷20d的线。因此，在与单晶金刚石20的晶体生长方向平行的方向(即，垂直于晶体生长主表面20m的方向)上以透射型测定的X射线形貌图像中，晶体缺陷线20dq在晶体缺陷聚集区域20r中重叠，结果难以识别晶体缺陷点20dp的聚集状态。由于在本申请的发明中需要观察高密度的晶体缺陷点20dp，所以对于X射线形貌图像优选使用作为同步辐射的X射线。对于透射型，例如使用波长为7.1nm的X射线和2θ＝32.9°的(220)衍射进行测定。同时，对于反射型，可以使用波长为9.6nm的X射线和2θ＝52.4°的(113)衍射进行测定。如果如上所述不能识别晶体缺陷点20dp，则通过以不同的波长和以不同的衍射角拍摄照片来识别晶体缺陷点。类似地，可以使用实验室系统的X射线衍射仪进行测定。例如，可以使用Mo辐射源观察(111)衍射，或者可以使用Cu辐射源观察(113)衍射；然而，需要较长的测定时间才能以高分辨率拍摄照片。尽管可以使用CCD相机进行测定，但是希望使用核照相板来增加分辨率。期望在10℃以下的冷却环境中进行核照相板的储存、显影和定影的全部。在显影后，利用光学显微镜拍摄照片以量化晶体缺陷点20dp和晶体缺陷线20dq。尽管还有采用双折射来测定这样的晶体缺陷20d的方法(双折射法)，但是一些位错可能不在双折射图像中出现、或者不是结构缺陷的点缺陷可能出现在双折射图像中。因此，X射线形貌法比双折射法更优选。
在本实施方式的单晶金刚石20中，晶体缺陷点20dp的密度大于2mm-2，优选大于20mm-2，更优选大于300mm-2，进一步优选大于1000mm-2，且尤其优选大于1×104mm-2。由于在这样的单晶金刚石材料中晶体缺陷点20dp的密度大于2mm-2，所以由于由对应于高密度的晶体缺陷点20dp的高密度的晶体缺陷线20dq提供的应力松弛而抑制了大的缺损的出现。特别地，当密度大于1000mm-2时，耐缺损性特别优异。
在本实施方式的单晶金刚石20中，晶体缺陷点20dp的组合位错点的密度大于2mm-2，优选大于20mm-2，更优选大于30mm-2，进一步优选大于300mm-2，且尤其优选大于3000mm-2。各个组合位错点是到达晶体生长主表面的组合位错的前端点，组合位错由多个刃型位错和多个螺旋位错中的至少任一者的组合产生。由于作为到达晶体生长主表面的组合位错的前端点的组合位错点的密度大于20mm-2，并且在这样的单晶金刚石中由组合位错提供的应力松弛的效果大，所以进一步抑制了大的缺损的出现。特别地，当密度大于300mm-2时，耐缺损性特别优异。
在本实施方式的单晶金刚石材料20中，在X射线形貌图像中，多个晶体缺陷聚集区域20r平行存在，并且在各个晶体缺陷聚集区域20r中，晶体缺陷点20dp的组聚集并以线状延伸，各个晶体缺陷点20dp是到达单晶金刚石的至少一个某一表面的晶体缺陷线20dq的前端点，晶体缺陷线20dq表示其中存在晶体缺陷的线。可以基于晶体缺陷点20dp在从具有某一宽度的一条固定线旋转了某一角度(例如，10°以上且90°以下)的线上存在的概率与晶体缺陷点20dp在所述固定线上存在的概率相比急剧减少而确定线状。也就是说，当至少提取五条线且在图中画出角度和线上的晶体缺陷点20dp时，出现以固定线为中心的峰，从而确定线状。
在此，可以通过改变X射线形貌中的X射线衍射方向(g矢量)来观察组合位错。例如，在以透射型观察作为金刚石单晶的晶面的(001)面时，刃型位错可以在[440]方向的g矢量上观察到，但在与上述g矢量正交的[4-40]方向等的g矢量上不能观察到，而组合位错可以在[440]方向、[4-40]方向等的彼此正交的多个g矢量上观察到。需要说明的是，当观察具有伯格斯向量的其它位错时，这样的位错能够例如以反射型在[044]方向、[004]方向、[111]方向、[113]方向等的g向量上观察到，所述伯格斯向量不与位错即晶体缺陷线20dq延伸的<001>方向垂直而且也在<001>方向上具有分量。然而，在反射型的情况下，晶体缺陷线如位错在图像中彼此重叠，结果变得难以识别晶体缺陷是否呈本申请发明的结构的形式。本文中的测定和术语在WO 2016/013588中进行了详细说明，并且定义相同。
由于如此观察到的组合位错也是晶体缺陷线20dq，因此可以以与通过使用上面在[晶体缺陷]部分中记载的方法测定晶体缺陷线20dq的密度相同的方式来测定组合位错的密度。
参考图6，本实施方式的单晶金刚石20优选包括多个单晶金刚石层21、22。由于单晶金刚石20包括多个单晶金刚石层21、22，因此促进了晶体缺陷线21dp、22dp的形成，从而进一步抑制了大的缺损的出现。
第一单晶金刚石层21通过CVD法在具有籽晶缺陷线状聚集区域的金刚石籽晶10的主表面10m上生长，其中在所述籽晶缺陷线状聚集区域中，晶体缺陷点10dp的组在主表面10m处聚集并以线状延伸，且在第一单晶金刚石层21中，承接自主表面10m处的籽晶缺陷点10dp的缺陷的晶体缺陷线21dq在晶体生长方向上延伸。在通过CVD法在第一单晶金刚石层21上生长的第二单晶金刚石层22中，晶体缺陷点20dp是晶体缺陷线22dq的前端点，晶体缺陷线22dq具有承接自晶体缺陷线21dq的缺陷并且在晶体生长方向上延伸到达单晶金刚石20的晶体生长主表面20m。
在这种情况下，通常，在第一单晶金刚石层21中，多条晶体缺陷线21dq承接自金刚石籽晶10的一个籽晶缺陷点10dp，且在第二单晶金刚石层22中，多条晶体缺陷线22dq承接自第一单晶金刚石层21的一条晶体缺陷线21dq。因此，随着单晶金刚石层21、22的数量增加，单晶金刚石20的晶体缺陷点20dp的数量增加。结果，单晶金刚石20具有如下结构：随着单晶金刚石层的数量增加，晶体缺陷线的数量沿朝向一个主表面的方向增加，由此获得具有较高耐缺损性的晶体。本实施方式的单晶金刚石20优选含有1ppm以上的氮原子作为杂质原子。该单晶金刚石20含有1ppm以上的氮原子作为杂质原子，并且这些氮原子是处于使得氮原子不是孤立置换型氮原子的状态的氮。这样的氮杂质的浓度可以通过从通过SIMS(二次离子质谱法)测定的氮中减去通过ESR(电子自旋共振法)测定的氮来计算。发现如此定义的氮是混入的并且与本申请发明中的晶体缺陷线接合，以抑制大的缺损的出现，由此增加耐缺损性。鉴于上述情况，在单晶金刚石中作为杂质原子而包含的氮原子的浓度为1ppm以上，更优选3ppm以上，更优选10ppm以上，且进一步优选30ppm以上。特别地，当浓度为10ppm以上时，显示优异的耐缺损性。当晶体缺陷点20dp的组聚集而存在时，在金刚石中更易于形成较大量的非孤立置换型氮，以提供高耐缺损性。
在本实施方式的单晶金刚石20中，当单晶金刚石20的厚度为500μm或者被换算成500μm时，对400nm光的透射率为60％以下，优选为30％以下，更优选为10％以下，并且尤其优选为5％以下。此外，在单晶金刚石材料20的厚度为500μm时，对600nm光的透射率优选为60％以下，更优选为30％以下，且进一步优选为10％以下，并且特别优选为5％以下。透射率较小表示本申请发明的晶体缺陷线20dq的数量较大，并且在本申请发明中定义的氮的量较大，结果裂纹得到抑制，并且显示耐缺损性。对较长波长的透射率较小表示本申请发明的晶体缺陷线的数量较大，并且在本申请发明中定义的氮的量较大，结果裂纹得到抑制，并且显示耐缺损性。只有在这样的多条晶体缺陷线的情况下，对光的透射率不一定具有很大的影响；然而，当非孤立置换型氮与晶体缺陷线相组合时，非孤立置换型氮和晶体缺陷线影响对光的透射率。在这种情况下，对光的透射率作为耐缺损性的良好指标。在此，“对光的透射率”是指对入射光的实质透射率，而不是排除反射率之外的仅内部的透射率。因此，即使在没有吸收或散射时，最大透射率也将达到约71％。可以使用考虑了多次反射的通常已知的公式来获得在不同厚度的情况下的透射率的换算值。
[制造单晶金刚石的方法]
参考图7，本实施方式的制造单晶金刚石材料20的方法包括：准备具有籽晶缺陷聚集区域的金刚石籽晶10的步骤(图7(A))，在所述籽晶缺陷聚集区域中籽晶缺陷点10dp聚集在主表面10m处；和通过化学气相沉积法在金刚石籽晶10的主表面10m上生长单晶金刚石材料20的步骤(图7(B))。籽晶缺陷点是指在籽晶基板中的晶体缺陷点。籽晶缺陷聚集区域是指其中晶体缺陷点在籽晶基板中聚集的区域。在上述金刚石籽晶基板的主表面处的籽晶缺陷聚集区域中，更优选籽晶缺陷点10dp的组聚集，进一步优选籽晶缺陷点10dp聚集并以线状延伸，并且尤其优选籽晶缺陷点10dp的组聚集并以线状在籽晶缺陷点10dp中延伸。
在本实施方式的制造单晶金刚石20的方法中，籽晶缺陷点10dp、籽晶缺陷聚集区域和籽晶缺陷线状聚集区域适当地显示在以透射型在垂直于金刚石籽晶10的主表面10m的方向上测定的X射线形貌图像(即，金刚石籽晶10的主表面10m的X射线形貌图像)中。
(具有籽晶缺陷聚集区域的金刚石)
参考图7(A)，准备具有其中籽晶缺陷点10dp在金刚石籽晶10的主表面10m处聚集的籽晶缺陷聚集区域的金刚石籽晶10的步骤不受特别限制；然而，为了有效地准备具有其中籽晶缺陷点10dp的组在金刚石籽晶10的主表面10m处聚集并以线状延伸的晶体缺陷线状聚集区域的金刚石籽晶10，该步骤可以包括：准备金刚石籽晶10的子步骤；形成其中籽晶缺陷点10dp在金刚石籽晶10的主表面10m处聚集的籽晶缺陷聚集区域的子步骤；以及通过向金刚石籽晶10中注入离子而在金刚石籽晶10的主表面10m处形成离子注入区域10c的子步骤。
在准备金刚石籽晶10的步骤中，作为金刚石籽晶10，准备了通过高温高压方法生长的Ib型单晶金刚石或IIa型单晶金刚石，或者使用Ib型单晶金刚石或IIa型单晶金刚石作为籽晶通过CVD法生长的单晶金刚石。
在形成其中籽晶缺陷点10dp在金刚石籽晶10的主表面10m处聚集的籽晶缺陷聚集区域的子步骤中，在籽晶缺陷点10dp中包括各种类型的缺陷点，如籽晶缺陷点、籽晶位错点10dd(诸如刃型位错、螺旋位错和由多个刃型位错与多个螺旋位错中的至少任一者的组合产生的组合位错的到达主表面10m的位错的前端点)、籽晶缺损点10dv、籽晶裂纹点和籽晶损伤点10di。此外，籽晶缺陷聚集区域优选例如通过使用磨石以500rpm至3000rpm的转速和0.5kgf至50kgf的负载进行机械抛光来形成。在磨石中，使用金属固定平均粒径为9μm至35μm的金刚石磨粒。随着平均粒径越大、旋转速度越大和负载越大，越容易在籽晶的主表面中形成籽晶缺陷点。负载优选为0.5kgf以上且小于5kgf，更优选为5kgf以上且小于10kgf，进一步优选为10kgf以上且小于20kgf，并且尤其优选为20kgf以上。随着负载越大，为了避免基板破损，需要用于抑制振动的机构。另一方面，允许高频率的振动。这导致在基板表面处产生微小裂纹，从而有助于形成本申请发明的晶体缺陷点的组的起始点。当在抛光方向上旋转籽晶时，籽晶缺陷点更易于聚集形成。另一方面，当籽晶被固定时，籽晶缺陷点更易于以线状聚集形成。由于当负载大时基板容易破损，因此需要相对于基板的尺寸增加基板的厚度。当负载为0.5kgf以上且小于5kgf时，基板的尺寸优选为4mm见方，并且基板的厚度优选为0.8mmt以上。当负载为5kgf以上且小于20kgf时，基板的尺寸优选为4mm见方，并且基板的厚度优选为1.6mmt以上。当负载为20kgf以上时，基板的尺寸优选为4mm见方，并且基板的厚度优选为3.2mmt以上。通过在机械抛光之后还进行反应性离子蚀刻(RIE)、微波等离子体蚀刻、离子研磨等，可以精细地调节产生的缺陷点的密度，并且基本上保持其效果。
在金刚石籽晶10的主表面10m侧形成离子注入区域10c的子步骤可以通过将离子注入金刚石籽晶10的主表面10m侧来进行。对于离子，优选使用碳离子、氮离子、硅离子或磷离子。
[生长单晶金刚石的步骤]
参考图7(B)，通过经由化学气相沉积(CVD)法在金刚石籽晶10的主表面10m上生长单晶金刚石20来进行生长单晶金刚石20的步骤。作为CVD法，适当地使用微波等离子体CVD法、DC等离子体CVD法、热丝CVD法等。使用氢气、甲烷、氩气、氮气、氧气、二氧化碳等作为单晶生长气体，单晶金刚石中非孤立置换型氮原子的浓度(通过从所有氮原子的浓度中减去孤立置换型氮原子获得的浓度)优选被调节为1ppm以上，更优选为5ppm以上，且进一步优选为8ppm以上。此外，可以添加掺杂气体，例如乙硼烷、三甲基硼、膦、叔丁基磷或硅烷。单晶金刚石20的晶体生长表面优选具有(100)的平面取向。在单晶金刚石20的厚度在晶体生长初始阶段为1μm至7μm的区域中，优选在至少生长参数(α)为2以上且金刚石籽晶10的温度为1100℃以下的条件下生长单晶金刚石20。生长参数(α)是指通过将<100>方向的晶体生长速率对<111>方向的晶体生长速率的比乘以3的平方根而获得的值。
要生长的单晶金刚石20的厚度没有特别限制，但为了适当地形成切削工具、抛光工具、光学部件、电子部件、半导体材料等，优选为300μm以上且优选为500μm以上。为了防止由于与金刚石籽晶10的应力而产生裂纹，单晶金刚石20的厚度优选为3mm以下且优选为1.5mm以下。在生长厚度大于1mm的单晶金刚石材料20的情况下，优选在生长厚度为500μm以下的第一单晶金刚石层21且然后如下所述分离金刚石籽晶10之后，在第一单晶金刚石层21上生长作为附加的单晶金刚石材料20的第二单晶金刚石层22。
需要说明的是，如图6中所示在生长包含多个单晶金刚石层21、22的单晶金刚石20的情况下，可以在金刚石籽晶10上作为单晶金刚石20连续地生长第一单晶金刚石层21和第二单晶金刚石层22。然而，在生长具有大厚度(例如，大于1mm的厚度)的单晶金刚石材料20的情况下，为了防止金刚石籽晶10由于因单晶金刚石20的大厚度导致的应力而破裂，优选生长厚度为500μm以下的第一单晶金刚石层21，然后分离金刚石籽晶，然后另外生长第二单晶金刚石层22。在第一单晶金刚石层21的形成与第二单晶金刚石层22的形成之间，环境由生长环境回到室温下的标准大气压，然后再次变为生长环境。因此，在本申请发明中预先形成的晶体缺陷线更容易支化，由此增加晶体缺陷点。同时，也可以进行本申请发明中的机械抛光。在这种情况下，单晶金刚石层21作为籽晶基板而变成图6中所示的单晶金刚石籽晶10，从而实现初始起始点数增加的生长。
(分离金刚石籽晶的步骤)
参考图7(C)，为了有效地获得单晶金刚石材料20，本实施方式的制造单晶金刚石材料20的方法可以还包括分离金刚石籽晶10的步骤。
为了有效地剥离金刚石籽晶10，在剥离金刚石籽晶10的步骤中，优选通过进行电化学蚀刻如电解蚀刻而分解去除通过向金刚石籽晶10中进行离子注入而形成的离子注入区域10c的导电层区域。
(另外生长单晶金刚石的步骤)
参考图7(D)，为了获得其中进一步抑制大的缺损的出现的单晶金刚石20，制造本实施方式中的单晶金刚石20的方法可以还包括另外生长单晶金刚石20的步骤。
通过用CVD法在第一单晶金刚石层21的主表面上生长第二单晶金刚石层22而进行另外生长单晶金刚石20的步骤，所述第一单晶金刚石层21是已经生长的单晶金刚石20。在第一单晶金刚石层21中，如图7(C)中所示，具有承接自金刚石籽晶10的主表面10m的籽晶缺陷点10dp的缺陷的晶体缺陷线21dq在晶体生长方向上延伸。在通过CVD法在第一单晶金刚石层21上生长的第二单晶金刚石层22中，晶体缺陷点20dp是具有承接自晶体缺陷线21dq的缺陷且在晶体生长方向上延伸并到达单晶金刚石20的晶体生长主表面20m的晶体缺陷线22dq的前端点。
在这种情况下，一般来讲，在第一单晶金刚石层21中，多个晶体缺陷线21dq承接自金刚石籽晶10的一个籽晶缺陷点10dp，且在第二单晶金刚石层22中，多个晶体缺陷线22dq承接自金刚石籽晶10的一个晶体缺陷线21dq。因此，随着第一和第二单晶金刚石层21、22的数目增加，单晶金刚石20的晶体缺陷点20dp的数目增加，从而进一步抑制大的缺损的出现。
[实施例1]
(拉丝模用金刚石材料的准备)
1.准备在主表面处具有籽晶缺陷线状聚集区域的金刚石籽晶
参考图7(A)，作为金刚石籽晶10，准备通过高温高压法生长的金刚石籽晶10的基板。主表面10m具有相对于<100>方向的(001)面为2°的偏角，并且金刚石籽晶10的尺寸为如下：4mm×4mm×厚1mm。
通过使用经由使用金属固定具有9μm至35μm的平均粒径的金刚石磨粒获得的磨石，在以下条件下在金刚石籽晶10的主表面10m处形成在<100>方向上以线状延伸的划痕作为籽晶缺陷线状聚集区域：转速为500rpm至3000rpm；且负载在10kgf至20kgf范围内(样品1)。在此，以如下方式施加负载：在使用具有抑制磨石振动的机构的设备以避免负载超过52kgf的同时，以3kgf/分钟以下的速率逐渐增加负载。接着，通过使用氧气和CF4气体干式蚀刻金刚石籽晶的主表面来调节籽晶缺陷点和籽晶损伤点的密度。需要说明的是，平均粒径是指由供应金刚石磨具的制造商指定的平均粒径，且本文中的平均粒径是指由国际钻石(International Diamond)提供的磨具的规格中的平均粒径。这通常通过使用筛筛选晶粒来确定，并且基本上对应于#600至#1500。
接着，在设置有籽晶缺陷线状聚集区域的主表面处，在300keV至10MeV的能量下以1×1015cm-2至1×1018cm-2的剂量将碳离子注入各个金刚石籽晶中，由此形成导电层区域。当通过电解蚀刻从籽晶基板分离通过化学气相沉积生长的单晶金刚石材料时进行该步骤。在随后的步骤中用激光切割金刚石的情况下省略该步骤。
2.单晶金刚石的生长
接着，采用微波等离子体CVD法在设置有籽晶缺陷线状聚集区域的各个金刚石籽晶的主表面处于所述各个金刚石籽晶上生长单晶金刚石。对于晶体生长气体，使用氢气、甲烷气体和氮气。甲烷气体相对于氢气的浓度设定为5摩尔％至20摩尔％，且氮气相对于甲烷气体的浓度设定为0摩尔％至5摩尔％。晶体生长压力设定为5kPa至15kPa，且晶体生长温度(金刚石籽晶的温度)设定为800℃至1200℃。
3.金刚石籽晶的分离
接着，通过进行电解蚀刻以分解在金刚石籽晶中的导电层区域而从金刚石籽晶中分离相应的单晶金刚石。或者，在没有进行离子注入的情况下，使用激光进行切割以将相应的单晶金刚石从籽晶基板分离。
作为评价各个分离的单晶金刚石的结果，晶体缺陷点的密度为1200mm-2，组合位错的密度为400mm-2，单晶金刚石层的数量为2，单晶金刚石的厚度为1.0mm，且非置换型氮原子(非孤立置换型氮原子)的浓度为35ppm。如[晶体缺陷]部分中所述测定晶体缺陷点的密度和组合位错的密度。需要说明的是，组合位错的密度是组合位错在晶体生长表面处的密度，且作为位错到达表面处的点的密度进行测定。
单晶金刚石被机械加工成切割器刃的形状，并用于切割工件以评价耐缺损性。表1示出一系列的评价和条件。
[表1]
Figure GDA0002282331860000241
在此，为了抛光，关注抛光方向的选择，因此表1区别地示出了抛光方向。在表1中，“旋转→固定”表示通过一般方法制成相对平坦的基板在被旋转(转动)的同时抛光2小时，然后固定并抛光1小时的方法。在这种情况下，易于以线状引入缺陷。
对于切割器，使用由住友电工硬质合金株式会社提供的RF 4080R。对于修光刃薄片(ワイパーチップ)，使用由住友电工硬质合金株式会社提供的SNEW 1204ADFR-WS。作为车床，使用由森精机株式会社(MORI SEIKI)提供的NV 5000。切割速度设定为2000m/分钟，切割量设定为0.05mm，且进给量设定为0.05毫米/切削刃。对于该工件，使用铝材料A5052。在切割30km工件后，基于切割器刃中5μm以上的缺损的数量进行耐缺损性评价(表1中的“耐缺损性A(缺损的数量)”)。结果，缺损的数量为零，因此单晶金刚石非常优异。对于不同的更严苛的条件，切割速度设定为2000m/分钟，切割量设定为0.10mm，且进给量设定为0.10毫米/切削刃。对于该工件，使用铝材料A5052。在切割30km工件后，基于切割器刃中5μm以上的缺损的数量进行耐缺损性评价(表1中的“耐缺损性B(缺损的数量)”)。结果，得到优异的耐缺损性。
在耐缺损性评价A中，当缺损的数量为1以下时，该材料足以作为制品使用。在更严苛的评价B中，允许小于5个缺损。
将上述单晶金刚石的生长表面抛光至平坦并进行评价。评价结果呈现与抛光前的值相同的值。具体地，在抛光之后的评价中，晶体缺陷点的密度为1200mm-2，组合位错的密度为400mm-2，单晶金刚石层的数量为2，单晶金刚石的厚度为1.0mm，且非置换型氮原子(非孤立置换型氮原子)的浓度为35ppm。对于各单晶金刚石材料，在从籽晶基板分离的步骤中进行离子注入和电解蚀刻；然而，在采用使用激光进行切割的方法时在评价结果上没有大的差别。在使用激光进行切割的方法中，在评价之后，进行机械抛光以形成正常的平坦表面，然后进行下一个拉丝模薄片(ダイチップ)形成。
该板通过激光切割成所需尺寸，由此获得拉丝模用薄片。然后，制造拉丝模。然后，评价拉丝模。
(拉丝模的准备和评价)
使用通过上述方法制造的CVD单晶金刚石(样品1)以准备各自具有图1至图3中所示的形状的金刚石拉丝模的样品。如图8至图10中所示，在各个拉丝模的形成中，通过以如下方式将单晶金刚石20切割成长方体来准备拉丝模：垂直于相对于<001>方向具有2°的偏角的主表面并在主表面内在<100>方向相对于与<110>方向的平行性倾斜角度θ1(0.5°、1.2°、6.2°和7.3°)的方向上切割单晶金刚石20，使得得到的切割面201作为要形成拉丝模的孔的主表面(所述孔垂直于该主表面形成)。结果，相对于<1-10>方向，孔的轴的倾斜角分别为1.9°、2.6°、7.6°和8.7°。
此外，为了与上述CVD单晶金刚石进行比较，准备使用天然金刚石和高压合成单晶金刚石制造的金刚石样品。这些样品的详情如下所示。
[表2]
Figure GDA0002282331860000261
在以下条件下使用上述1至6号样品的拉丝模进行拉丝。
面积缩小率：13％
拉丝速度：500m/分钟
丝材：SUS 304
润滑剂：合成油基润滑剂
在拉丝之后，测定各个拉丝模的孔的扩大量。图11至图13示出其结果。
如图11至图13中所示，应当理解相对于(110)面的倾斜度越小，耐磨性越优异。此外，应当理解，当倾斜度为8°以下时，显示大于或等于比较例的单晶金刚石拉丝模的耐磨性的耐磨性。
在左上图的拉丝指数中，1表示0.5km的拉丝距离。
在左下图中，将在进行1km的拉丝时拉丝模的孔的直径的扩大量显示为磨损量。
在作为本发明的制品的1号至4号样品(CVD单晶金刚石；上下表面基本上对应于(110)面)的拉丝模中，倾斜角为0.1°至15°，且没有观察到导致部分剥离的磨损。随着倾斜角变小，磨损程度变小。在作为比较例的6号样品(高压合成单晶金刚石(HPHT)；上下表面基本上对应于(111)面))的拉丝模中，磨损量大于本发明的各制品的磨损量。在作为比较例的5号样品(天然单晶金刚石(ND)；上下表面基本上对应于(111)面))的拉丝模中，磨损量大于本发明的制品的磨损量。在具有10.4°的倾斜角的制品中，观察到导致部分剥离的磨损。
需要说明的是，虽然在本实施例中未示出，但在另一拉丝模(高压合成单晶金刚石(HPHT)；上下表面对应于(110)面)中，磨损量基本上与本发明的各制品的磨损量相当；然而，由于难以制造具有对应于(110)面的上下表面的金刚石，因此成本增加。
[实施例2]
(拉丝模用金刚石材料的准备)
Figure GDA0002282331860000281
Figure GDA0002282331860000291
以与实施例1类似的步骤，准备稍微不同的样品(样品11至样品21)。在此，准备金刚石籽晶基板，其具有在<1-10>方向上相对于(001)面具有2°至15°的偏角的主表面、具有4mm×4mm的面积且具有0.7mm至3.5mm的厚度。孔的轴的倾斜角与表3的籽晶基板的偏角一致。除了表3中所示的那些以外，准备籽晶基板的条件与实施例1中所示的条件一致。获得表4中示出的单晶。
表3中“旋转→固定”的含义与表1中所述的含义相同。“固定→旋转”表示将通过一般方法制成相对平坦的基板固定并抛光1小时、然后在旋转的同时抛光2小时的方法。在这种情况下，易于引入不以线状聚集的缺陷。表1中的在抛光期间的负载是在“旋转→固定”和“固定→旋转”的情况下的负载。由于通过CVD法形成的基板的原生表面(AsGrownの表面)是光滑的，所以可以在其上生长单晶金刚石而不必抛光。因此，也对于未抛光的籽晶基板(样品21)进行了实验。各自在表3和表4中，表述“聚集的组”表示组的区域彼此接触或重叠并且彼此连接。表述“以线状聚集的组”表示组以延长的线状彼此连接而聚集。表述“组”是指基于从相同的起始点支化的晶体缺陷线的晶体缺陷点的集合。表述“籽晶的晶体缺陷点”是指单晶层的晶体缺陷线的组的起始点与不在组中的晶体缺陷线的起始点的组合。表述“聚集”表示当收集在特定范围内的70％的缺陷点时，缺陷点范围的总和可以被限制为所述特定范围的面积的50％以下。关于缺陷点范围，一个缺陷点的范围是具有由到最近缺陷点的距离表示的半径的范围。表述“散布”是指不存在如上定义的聚集的状态。
(初步评价)
单晶金刚石20被机械加工成切割器刃的形状，并用于切割工件以评价耐缺损性。对于切割器，使用由住友电工硬质合金株式会社提供的RF 4080R。对于修光刃薄片(ワイパーチップ)，使用由住友电工硬质合金株式会社提供的SNEW 1204ADFR-WS。作为车床，使用由森精机株式会社提供的NV 5000。切割速度设定为2000m/分钟，切割量设定为0.05mm，且进给量设定为0.05毫米/切削刃。对于该工件，使用铝材料A5052。在切割30km工件后，基于切割器刃中5μm以上的缺损的数量进行耐缺损性评价(评价A)。对于不同的更严苛的条件，切割速度设定为2000m/分钟，切割量设定为0.10mm，且进给量设定为0.10毫米/切削刃。对于该工件，使用铝材料A5052。在切割30km工件后，基于切割器刃中5μm以上的缺损的数量进行耐缺损性评价(评价B)。其结果示于表4的最下部分中。
(拉丝模的准备和评价)
以与实施例1中相同的方式，使用通过上述方法制造的CVD单晶金刚石(样品11至样品21)以准备各自具有图1至图3中所示的形状的金刚石拉丝模的样品。在各拉丝模中，如图14和图15中所示，垂直于相对于<001>方向具有偏角的单晶金刚石20的主表面切割并且平行于<110>方向切割单晶金刚石20。为了准备拉丝模，将单晶金刚石20切割成长方体，使得得到的切割面202作为要形成拉丝模的孔14的主表面(上表面5和下表面6；孔14垂直于该主表面形成)。由此，制造各个拉丝模样品A11至A21，使得孔的轴的倾斜角与表3的籽晶基板相对于<1-10>方向的偏角一致。拉丝模样品A11至A21由样品11至21构成。
此外，在使用样品12、样品17、样品20和样品21形成各自具有对应于基本上(001)面的上下表面且设置有具有轴的孔的拉丝模的情况下，将各单晶金刚石切割成长方体，从而具有相对于<001>方向具有偏角的主表面，所述主表面作为要形成拉丝模的孔的主表面(该孔将垂直于该主表面形成)。在这种情况下，孔的轴的倾斜角与表3中相对于(001)面的偏角一致(拉丝模样品B12、B17、B20、B21)。拉丝模样品B12、B17、B20、B21由样品12、17、20、21构成。
同时，在使用样品13、样品18和样品19形成各自具有对应于基本上(111)面的上下表面并设置有具有轴的孔的拉丝模的情况下，如图16中所示垂直于相对于<001>方向具有偏角的主表面且平行于<110>方向切割各单晶金刚石20，并且如图17中所示垂直于得到的切割面203且垂直于通过从<001>方向旋转θ2(54.7°：(1-10)面内角度)到<110>方向获得的方向切割各单晶金刚石20。由于将单晶金刚石20切割成长方体，使得得到的切割面作为要形成拉丝模的孔的主表面(垂直于这些主表面形成孔)，因此孔的轴相对于(111)面的倾斜角为1.7°、2.9°和4.6°(拉丝模样品C13、C18、C19)。拉丝模样品C13、C18、C19由样品13、18、19构成。在初步评价中具有小的耐缺损性的样品即在评价A中具有5个以上缺损的样品在制造金刚石拉丝模时出现缺损，结果不能制成拉丝模；然而，本实施例的拉丝模样品A11至A21中的各个样品都显示与实施例1的表2的样品1至4相当的耐磨性。本实施例的拉丝模样品B12、B17、B20、B21、C13、C18、C19各自的磨损量均小于实施例1的表2的样品5和6的磨损量。
各个拉丝模的金属部分被熔化以分离单晶金刚石。通过使用X射线形貌法、SIMS、ESR和显微镜评价设置有孔的单晶金刚石前端的透射率等。结果，可以确认，由金刚石单晶制成的拉丝模具有表1和表4的原始特性。在将薄片固定到基板上以使得垂直方向对应于当使用显微镜在孔轴方向上观察时多个孔的轮廓(孔与芯片的长方体交叉的最外侧的环、可确认为孔中的最小直径的最内侧的环等的轮廓)同轴的方向的情况下，使用X射线衍射确认并评价孔轴和晶面取向。以与评价板状单晶晶体的涨落(揺らぎ)、偏角或极像图的一般方法相同的方式进行用X射线的评价。由于基板的垂直方向与孔的轴的方向一致，所以能够确认孔轴的倾斜角。
本文公开的实施方式和实施例在任何方面都是说明性的而非限制性的。本发明的范围是由权利要求限定的，而不是由上述的实施方式限定，并且旨在包括在与权利要求等同的范围和含义内的任何修改。
标号说明
1：金刚石；1a：喇叭口部；1b：变形锥部；1c：缩小部；1d：定径部；1e：出口角部；1f：出口部；2：烧结合金；3：壳体；4：金刚石拉丝模；5：第一表面；6：第二表面；11：入口；12：出口；13：侧壁；14：孔；15：轴。

Claims (12)

1.一种金刚石拉丝模，其包含设置有用于拉拔丝材的孔的金刚石，
所述金刚石为CVD单晶金刚石，
所述孔的轴相对于所述金刚石的晶面的法线方向倾斜，
其中，所述金刚石的上下表面是相对于(110)面倾斜0.1°至15°的表面，所述上下表面是指所述金刚石的上表面和下表面，并且所述金刚石拉丝模的孔从上表面延伸到下表面。
2.根据权利要求1所述的金刚石拉丝模，其中，
在从所述丝材流动的上游侧到下游侧的方向上，所述孔包括缩小部、具有直径D的定径部、出口角部和出口部以限定所述孔，并且
在沿着所述孔的轴的横截面中的所述孔的形状中，所述定径部的长度为0.4D以上且1.5D以下。
3.根据权利要求2所述的金刚石拉丝模，其中，
所述直径D小于50μm，并且从所述出口角部到所述出口部的所述孔的横截面形状是凹的曲线形状。
4.根据权利要求1所述的金刚石拉丝模，其中，
所述金刚石拉丝模以在拉丝期间面积缩小率为8％以上且25％以下的方式使用。
5.根据权利要求1所述的金刚石拉丝模，其中，
所述金刚石拉丝模用于拉拔金属丝或设置有各种类型的金属镀层的所述金属丝的丝中的任一种，所述金属丝包括铜基金属丝、铁基金属丝、金丝、银丝、黄铜丝、铝丝、铝合金丝和钨丝。
6.根据权利要求1所述的金刚石拉丝模，其中，
将单晶金刚石用于所述金刚石，且在所述单晶金刚石的晶体生长主表面的X射线形貌图像中，晶体缺陷点的组聚集而存在，各个所述晶体缺陷点是到达所述晶体生长主表面的晶体缺陷线的前端点，所述晶体缺陷线表示其中存在晶体缺陷的线，且所述晶体缺陷点的密度大于2mm-2。
7.根据权利要求6所述的金刚石拉丝模，其中，
所述晶体缺陷点中的组合位错点的密度大于2mm-2，各个所述组合位错点是到达所述晶体生长主表面的组合位错的前端点，所述组合位错由多个刃型位错和多个螺旋位错中的至少任一者的组合产生。
8.根据权利要求6所述的金刚石拉丝模，其中，
所述金刚石包括两个主表面和位于所述两个主表面之间的多个单晶金刚石层，并且所述晶体缺陷线在所述两个单晶金刚石层之间的边界处支化成多个晶体缺陷线以增加朝向所述主表面中的一个主表面的所述晶体缺陷线的数量。
9.根据权利要求6所述的金刚石拉丝模，其中，
多个晶体缺陷线状聚集区域平行存在，并且在所述多个晶体缺陷线状聚集区域中，所述晶体缺陷点的组以线状延伸。
10.根据权利要求6所述的金刚石拉丝模，其中，
1ppm以上的氮原子作为杂质原子包含在所述单晶金刚石中，且所述氮原子是除孤立置换型氮原子以外的氮原子。
11.根据权利要求6所述的金刚石拉丝模，其中，当所述单晶金刚石以500μm厚度测定或被换算成500μm时，对400nm光的透射率为60％以下。
12.根据权利要求1所述的金刚石拉丝模，其中，
所述孔的轴相对于所述金刚石的晶面的法线方向倾斜1°至8°。
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