JP2005306674A - 多結晶ダイヤモンド材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】分散媒体に分散されてスラリーとしたときの分散性に優れている多結晶ダイヤモンド材料及びその製造方法を提供する。
【解決手段】多結晶ダイヤモンド材料は、炭素材料よりなり、分散媒体に分散されてスラリーとしたときに分散性の向上に寄与する炭素以外の異種元素を含有する。異種元素としては、珪素（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、遷移金属元素及びハロゲン元素からなる群より選ばれる少なくとも１種が好ましい。その異種元素の含有量は３０ｐｐｍ〜５質量％であることが好ましい。多結晶ダイヤモンド材料は、平均粒子径が１ｎｍ〜２０μｍであり、分散媒体に分散されて例えばシリコンウエハの研磨用スラリーとして用いられる。
【選択図】 なし

Description

本発明は、炭素材料よりなり、炭素以外の異種元素を含有し、例えばシリコンウエハの研磨に用いられる研磨用スラリーとしたときに分散性に優れた多結晶ダイヤモンド材料及びその製造方法に関するものである。

従来から、火薬類の爆発又は高速の飛翔体の衝撃等により発生する衝撃波に伴う動的圧力を利用して、低圧相炭素原料から多結晶ダイヤモンドを得る方法に関して多数提案がなされている。これは炭素原料が衝撃波の通過により高温高圧の状態となって低圧相から高圧相へと転移し、その後圧力は大気圧まで急激に降下する。一方、衝撃圧力により発生した熱が残留すると、合成されたダイヤモンドは逆転移を起こして低圧相から高圧相への転換率を低下させることとなるため、圧力が解放された後、合成された高圧相が安定に存在しうる温度域までできるだけ急速に冷却することが必要となる。このため、冷却媒体として熱容量が大きく、熱伝導率が高い金属粉をマトリックスとして、低圧相原料粉体を均一に分散させた試料を衝撃圧縮処理する方法が行われてきた。

この金属マトリックスは冷却媒体として作用すると同時に、圧力媒体としても作用する。低圧相窒化ホウ素やグラファイトなどの炭素源のみを衝撃処理した場合、衝撃インピーダンスが低いために圧力が上がりにくく、仮に圧力が上がったとしても衝撃圧力下の温度は極めて高くなり、従って残留温度も高くなるため低圧相から高圧相への転換率を大きく低下させる。

低圧相粉体原料を衝撃インピーダンスの高い金属粉と混合することにより、混合物体の衝撃インピーダンスを高くすることができ、高圧力の発生が容易になると同時に、金属マトリックスの冷却媒体としての作用により、残留温度を抑制することができる。こうした金属マトリックスの物理的特性を利用した衝撃加圧合成による製造方法に関しては広く研究が行われている。例えば、高圧相窒化ホウ素或はダイヤモンドなどの高圧相粉体はＢＮ切削工具、精密研磨などの分野で使用されてきた。

上記方法により製造した場合、出発原料である低圧相炭素原料や金属マトリックス原料に不純物が含まれる場合には、得られた高圧相粉体の内外にも不純物を多く含み、衝撃加圧後の精製工程によっても不純物を除去することは困難であった。特に、近年では半導体製品関連部品、精密機械部品の精密研磨などの加工工程における不純物混入が製品の性能に悪影響を及ぼす可能性があることから、不純物の極力少ない研磨材料が求められてきた。

これまで工業的に製造された多結晶ダイヤモンドは、ファインテクノロジー分野で利用する目的でその純度をできるだけ向上させるために、原料中の不純物を除去した原料を用いたりする努力がなされてきた。

ところが、こうして得られた多結晶ダイヤモンドは逆に純度が高いことから、スラリー中において凝集したり、沈降したりする性質があり、様々な界面活性剤などを用いて分散性を制御する工夫がなされてきた。

近年に至っては、精密部品を高度に加工するケミカルメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）技術などが求められ、研磨用スラリーについての表面制御技術は相当高いレベルのものが求められるようになってきた（例えば、非特許文献１を参照）。
「ＣＭＰのサイエンス」ｐ125、サイエンスフォーラム社（1997）

前述のように、多結晶ダイヤモンド材料を利用する際、そのスラリーについて加工精度を向上させるためにはスラリー中における多結晶ダイヤモンド材料の凝集や沈降を避けることが必要であることから高度な分散性が求められている。しかし、現在のところ多結晶ダイヤモンド材料については、研磨対象物に対する傷の発生を防止するために気相成長法による超微粒子ダイヤモンドを使用することが提案されているに止まり、分散性の向上に関しては充分に検討されていなかった。

本発明は、上記のような従来技術の問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、分散媒体に分散されてスラリーとしたときの分散性に優れている多結晶ダイヤモンド材料及びその製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明における第１の発明の多結晶ダイヤモンド材料は、炭素材料よりなり、分散媒体に分散されてスラリーとしたときに分散性の向上に寄与する炭素以外の異種元素を含有することを特徴とするものである。

第２の発明の多結晶ダイヤモンド材料は、第１の発明において、異種元素が珪素（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、遷移金属元素及びハロゲン元素からなる群より選ばれる少なくとも１種であり、その含有量が３０ｐｐｍ〜５質量％であることを特徴とするものである。

第３の発明の多結晶ダイヤモンド材料は、第１又は第２の発明において、平均粒子径が１ｎｍ〜２０μｍであることを特徴とするものである。
第４の発明の多結晶ダイヤモンド材料は、第１から第３のいずれかの発明において、分散媒体に分散されて研磨用スラリーとして用いられることを特徴とするものである。

第５の発明の多結晶ダイヤモンド材料の製造方法は、第１の発明の多結晶ダイヤモンド材料の製造方法であって、炭素以外の異種元素を含有する低圧相炭素原料を金属粉中に分散させ、この原料混合物に動的圧力を作用させ、炭素原料を低圧相から高圧相へ転移させることを特徴とするものである。

第６の発明の多結晶ダイヤモンド材料の製造方法は、第１の発明の多結晶ダイヤモンド材料の製造方法であって、低圧相炭素原料と炭素以外の異種元素とを金属粉中に分散させ、この原料混合物に動的圧力を作用させ、炭素原料を低圧相から高圧相へ転移させることを特徴とするものである。

本発明によれば、以下に示す効果が得られる。
第１の発明の多結晶ダイヤモンド材料には、分散媒体に分散されてスラリーとしたときに分散性の向上に寄与する炭素以外の異種元素が含まれている。このため、そのような異種元素によりダイヤモンド粒子表面に電位が形成され易くなり、ダイヤモンド粒子間の反発力が向上するものと推測される。従って、多結晶ダイヤモンド材料を用いてスラリーを調製したときに優れた分散性を発揮することができる。

第２の発明の多結晶ダイヤモンド材料には、異種元素として珪素、アルミニウム、リン、硫黄、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、遷移金属元素及びハロゲン元素からなる群より選ばれる少なくとも１種が含まれ、その含有量が３０ｐｐｍ〜５質量％である。これらの異種元素は、ダイヤモンド粒子表面にイオンや官能基を吸着し易く、表面電位を形成され易くし、ダイヤモンド粒子間の反発力を向上させることができるものと考えられる。従って、多結晶ダイヤモンド材料を用いてスラリーを調製したときの分散性を向上させることができる。

第３の発明の多結晶ダイヤモンド材料は、平均粒子径が１ｎｍ〜２０μｍに規定されている。このため、多結晶ダイヤモンド材料を用いてスラリーを調製したときの分散性の向上を確実に達成することができる。

第４の発明の多結晶ダイヤモンド材料は、第１から第３のいずれかの発明の多結晶ダイヤモンド材料が分散媒体に分散されて研磨用スラリーとして用いられる。この場合、多結晶ダイヤモンド材料は分散性が良いため、研磨用スラリーを研磨剤として用いたとき加工精度を向上させることができる。

第５及び第６の発明の多結晶ダイヤモンド材料の製造方法によれば、請求項１に係る発明の多結晶ダイヤモンド材料を容易に製造することができる。

以下に、本発明の実施形態につき図面に基づいて詳細に説明する。
本実施形態の多結晶ダイヤモンド材料は、炭素材料よりなり、分散媒体に分散されてスラリーとしたときに分散性の向上に寄与する炭素以外の異種元素を含有する。ここで、ダイヤモンド材料の多結晶とは、結晶方位が異なる複数の単結晶が集合した結晶を意味する。また、分散性の向上に寄与するためには、異種元素の含有量は３０ｐｐｍ未満では不足し、実質上３０ｐｐｍ以上であることが必要である。そして、多結晶ダイヤモンド材料をスラリーとしたときに、多結晶ダイヤモンド材料が例えば凝集したり、沈降したりすることが少なく、分散性に優れている。具体的には、多結晶ダイヤモンド材料は、その平均粒子径が小さくても凝集しずらく、平均粒子径が大きくても沈降しにくい性質を有している。

異種元素としては、珪素（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、遷移金属元素及びハロゲン元素からなる群より選ばれる少なくとも１種が好ましい。アルカリ金属元素としては、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）等が挙げられる。アルカリ土類金属元素としては、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）等が挙げられる。遷移金属元素としては、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タングステン（Ｗ）等が挙げられる。ハロゲン元素としては、フッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）等が挙げられる。その他、スラリー中での分散性の向上に寄与する異種元素としては、ホウ素（Ｂ）等が挙げられる。

異種元素の含有量は、好ましくは３０ｐｐｍ〜５質量％であり、より好ましくは３０ｐｐｍ〜４質量％である。この含有量が３０ｐｐｍ未満の場合にはスラリーとしたときの分散性、分散安定性（沈降性）等の特性について効果が少なく、５質量％を越える場合には多結晶ダイヤモンド粒子の強度低下の傾向が見られる。

前記異種元素の存在により、多結晶ダイヤモンド材料を分散媒体に分散させてスラリーとしたときに分散性が向上する理由としては、異種元素が存在することによってダイヤモンド粒子表面にイオンや官能基を吸着し易く、表面電位が形成され易くなることで、ダイヤモンド粒子間の反発力が向上すること等が考えられる。例えば、異種元素としてＳｉが含まれる場合に多結晶ダイヤモンド材料をスラリーとしたとき、多結晶ダイヤモンド材料中に含まれる表面のＳｉがシラノール基などを形成し、また界面活性剤を加えた場合には界面活性剤の結合を良好にし、表面に安定した電荷層を形成することで分散性が良好になるものと考えられる。また、他の異種元素についても同様な作用により良好な分散性が得られるものと考えられる。

多結晶ダイヤモンド材料の平均粒子径は好ましくは１ｎｍ〜２０μｍ、より好ましくは１ｎｍ〜１０μｍ、さらに好ましくは１ｎｍ〜５μｍの範囲である。このように多結晶ダイヤモンド材料の粒子は微細であるため、多結晶ダイヤモンド材料は、分散媒体に分散させてスラリーの状態で精密研磨用として好適に用いられる。平均粒子径が１ｎｍより小さいと例えば研磨剤としての十分な効果が期待できず、２０μｍを越えると沈降性が増加する傾向にある。

次に、前述した多結晶ダイヤモンド材料の製造方法について説明する。
多結晶ダイヤモンド材料中に炭素以外の異種元素を含有させる方法は二通りある。すなわち、炭素以外の異種元素を含有する低圧相炭素原料を使用する方法又は（純粋な）低圧相炭素材料と炭素以外の異種元素とを併用する方法である。これらの方法のうち、作業性等の観点から前者が好ましい。

前者の製造方法としては、例えば、炭素以外の異種元素を含有する低圧相炭素原料を金属粉中に均一に分散させ、この混合物に動的圧力（高圧力）を作用させ、低圧相から高圧相へと転移させることによる方法である。後者の製造方法は、純粋な低圧相炭素材料と炭素以外の異種元素とを金属粉中に均一に分散させる以外は前者に準じた方法である。炭素原料を低圧相から高圧相に転移させた後、精製することで目的とする多結晶ダイヤモンド材料が得られる。

多結晶ダイヤモンドを研磨用スラリーとして用いる場合、スラリーを調製するための分散媒体としては、親水性媒体でも疎水性媒体でもよく、被研磨対象物等の特性に応じて適宜選択することができる。親水性媒体としては、水（純水、イオン交換水等）、メタノール、エタノール、ブタノール等のアルコール類、エチレングリコール、プロピレングリコール等のグリコール類等を用いることができる。親水性媒体を用いることにより、研磨用スラリーの取扱いを容易にすることができる。また、疎水性媒体としては鉱物油、植物油、シリコーンオイル等の油類等を用いることができる。さらに、適宜界面活性剤等を選択して併用することもできる。

次に、多結晶ダイヤモンド材料の製造時における原料について説明する。
まず、出発原料としての低圧相炭素原料は、例えば天然黒鉛、人造黒鉛、コークス、カーボンブラック、ガラス状炭素、その他有機物を炭化して得られる炭素及び炭素前駆体等を使用することができる。その形状としては、燐状、燐片状、土状等のものが用いられる。但し、天然黒鉛、コークス等は多様な不純物を多く含有している場合があり、材料の選定が重要である。また、含有される不純物の種類によっては、或は純粋なものを使用する場合には、酸処理、アルカリ処理、加熱処理等により予め前処理（精製処理）をして使用することが望ましい。

低圧相炭素原料の平均粒子径は、小さい方が転換率は向上する傾向にあるため、２００μｍ以下でできるだけ細かくすることが望ましい。出発原料としてＣ６０、Ｃ７０などのフラーレン、ナノカーボン、カーボンナノホーンといった工業原料も使用することができる。炭素以外の異種元素として好ましい元素は、Ｓｉ、Ａｌ、Ｐ又はＳであり、これらの異種元素を併用することもできる。

多結晶ダイヤモンド材料の製造時に使用されるマトリックスとしての金属粉は、冷却媒体及び圧力媒体として用いられるものである。そのような金属粉としては、例えば金、白金、銀、銅、鉄、ニッケル、タングステン等が用いられるが、経済性の観点からは銅又は鉄が好ましい。また、その形態は、アトマイズ粉、電解粉、粉砕粉などが知られているが、一般的には充填性が優れている点から球状である方が好ましい。しかしながら、出発原料である低圧相炭素原料をマトリックス中で保持させる目的で電解粉等球状でないものを組み合わせて用いることもできる。その平均粒径としては５００μｍ以下であることが好ましい。この金属粉中にも不純物として炭素以外の異種元素が微量含まれているが、金属粉はマトリックスとして炭素原料の周囲に存在していることから、多結晶ダイヤモンド材料の形成に与える影響は極めて少ない。

金属粉の混合割合は任意であるが、８０質量％以上であることが好ましい。この混合割合が８０質量％未満の場合には試料（生成物）の回収が困難になる。金属粉の混合割合が、９９．９９質量％であっても原理的には炭素原料の低圧相から高圧相への変換が可能であるが、金属粉の割合を増すと、得られる高圧相の割合も減少して製造効率が低下するので、金属粉の割合は９８質量％程度までが好ましい。

また、ダイヤモンド多結晶材料の製造において、後述する試料容器への充填時の空孔率は、衝撃圧縮時の温度上昇を制御するのに重要であり、空孔率が大きいと高い温度上昇となり、溶融したりして試料容器が破損する原因になる。衝撃圧縮時の温度上昇は、圧力が高くなると大きくなるので、空孔率の値は、衝撃圧力の上昇につれて小さくする必要がある。従って、空孔率に合わせて使用する爆薬の種類の選定と組み合わせが重要となる。

次に、ダイヤモンド多結晶材料の具体的な製造方法につき、図面に基づいて作用とともに説明する。
まず、前記の原料を金属製の圧力容器に充填する。圧力容器の材質としては、通常、鉄、銅、真鍮、ステンレス鋼、クロム綱等が用いられ、その形状としてはボックス型、円管状型等が挙げられる。このようにして圧力容器に配設された原料に対し、各種の衝撃圧縮処理装置、例えば特公昭４７−３４５９７号公報に記載されている衝撃圧縮処理装置を用い、爆薬の爆発により生ずる高温、高圧を伴う衝撃圧力（衝撃波）により衝撃圧縮処理を施す。

図１（ａ）は高圧相物質を製造するための衝撃圧縮処理装置を示す平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の１ｂ−１ｂ線における断面図である。これらの図に示すように、衝撃圧縮処理装置１０は円筒状をなす金属製の圧力容器１１を備えている。圧力容器１１の底部には、圧力容器１１の周壁１１ａよりも肉厚の底壁１２が接合されている。圧力容器１１の上端部には、円板状に形成されたブースター爆薬１３が配設され、その中心部上面には雷管１４が立設され、その下端部がブースター爆薬１３内に埋め込まれている。

前記底壁１２の内面中心部には円筒駆動管１５が立設され、その内部には円筒試料管１６が上下両端の固定リング１７を介して同心円状に配設されている。従って、円筒駆動管１５と円筒試料管１６の間には空間部１８が形成されている。円筒試料管１６内の底部には下プラグ１９が配置され、その上には低圧相炭素、異種元素及び金属粉を含有する原料混合物２０が装填され、その上端部が上プラグ２１で密閉されている。

さらに、円筒駆動管１５と円筒試料管１６の上端部には円錐キャップ２２が載置されている。この円錐キャップ２２は円筒試料管１６の中心方向に加わる衝撃圧力を緩和する役目を果たす。圧力容器１１内には円筒駆動管１５及び円錐キャップ２２を覆うように爆薬２３が充填されている。爆薬２３としては、各種のものが使用できるが、例えばダイナマイト、硝安油剤爆薬（ＡＮＦＯ爆薬）、エマルション爆薬・スラリー爆薬等の含水爆薬、テトラメチレンテトラニトロアミン（ＨＭＸ）、プラスチックボンデッドイクスプロシブ（ＰＢＸ）等が挙げられる。

そして、上部の雷管１４を起爆するとブースター爆薬１３を介して爆薬２３が爆発することにより爆轟が発生する。その爆轟により、円筒駆動管１５、さらには円筒試料管１６の中心方向（直径方向）に向かって衝撃圧縮する力、つまり動的圧力（衝撃圧力）が作用する。加えて、衝撃圧力が上部から下部（軸線方向）に伝播することにより円筒試料管１６内の原料混合物２０が高い圧力で圧縮される。従って、原料混合物２０に対して動的圧力が直径方向と軸線方向から有効に作用し、炭素原料が低圧相から高圧相へと転移される。この場合に必要な衝撃圧力としては、１０ＧＰａ以上であるが、高い収率を得るためには１５ＧＰａ以上であることが望ましい。しかし、衝撃圧力があまり高すぎると原料が分解したり、溶融が始まったりして、試料回収が困難になる。

また、爆薬２３の爆発による衝撃波は高速の飛翔体を介して原料混合物２０の入った圧力容器１１に加えることができるほか、直接原料混合物２０の入った圧力容器１１に加えることもできる。すなわち、図１に示す円筒駆動管１５がなく、円筒試料管１６が直接的に爆薬２３と接触した状態で爆薬２３を爆発させ、爆薬２３の爆発による衝撃波を原料混合物２０の入った円筒試料管１６に直接加えることもできる。

次に、このようにして衝撃圧縮処理が施された生成物（多結晶ダイヤモンド材料）を回収し、適当な酸等を用いた精製処理を行って金属分を溶解除去することにより、衝撃加圧後の目的とする生成物を精製回収することができる。例えば、鉄粉を用いた場合には塩酸により鉄分を溶解分離したり、また銅粉であれば硝酸又は王水などにより銅分を溶解分離して生成物を精製して回収することができる。

得られた多結晶ダイヤモンド材料を、例えば親水性媒体である水に分散させてスラリーとすることにより研磨用スラリーが調製される。この研磨用スラリー中には、炭素材料とともに含まれている異種元素によりダイヤモンド粒子表面にイオンや官能基が吸着され、表面電位が形成され易くなっている。そのため、ダイヤモンド粒子間に反発力が作用するものと推測される。その結果、スラリー中におけるダイヤモンド粒子の分散性が高められるとともに、良好な分散状態が長時間にわたって維持される。

前記実施形態により発揮される効果を以下にまとめて記載する。
・ 本実施形態の多結晶ダイヤモンド材料は、炭素材料よりなり、分散媒体に分散させてスラリーとしたときに分散性の向上に寄与する炭素以外の異種元素が含まれている。このため、異種元素によりダイヤモンド粒子表面に電位が形成され易くなり、ダイヤモンド粒子間の反発力が向上するものと推測される。従って、多結晶ダイヤモンド材料を用いてスラリーを調製したときに優れた分散性を発揮することができる。

・ また、異種元素として珪素、アルミニウム、リン、硫黄、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、遷移金属元素及びハロゲン元素からなる群より選ばれる少なくとも１種を含有し、その含有量が３０ｐｐｍ〜５質量％に設定される。これらの異種元素は、ダイヤモンド粒子表面にイオンや官能基を吸着し易く、表面電位が形成され易くし、ダイヤモンド粒子間の反発力を向上させることができるものと推測される。従って、多結晶ダイヤモンド材料を用いてスラリーを調製したときの分散性を向上させることができる。

・ さらに、多結晶ダイヤモンド材料は、平均粒子径が１ｎｍ〜２０μｍに規定されている。このため、多結晶ダイヤモンド材料を用いてスラリーを調製したときの分散性の向上を確実に達成することができる。

・ 加えて多結晶ダイヤモンド材料は、分散媒体に分散されて研磨用スラリーとして好適に用いられる。この場合、多結晶ダイヤモンド材料は分散性が良いため、研磨剤として用いたとき加工精度を向上させることができる。

・ 上記の多結晶ダイヤモンド材料は、炭素材料よりなり、炭素以外の異種元素を含有する低圧相炭素原料を金属粉中に分散させ、又は低圧相炭素原料と炭素以外の異種元素とを金属粉中に分散させ、この原料混合物に動的圧力を作用させ、炭素材料を低圧相から高圧相へ転移させることにより製造される。このため、本実施形態の多結晶ダイヤモンド材料を容易に製造することができる。この場合、低圧相炭素原料に炭素以外の異種元素が含有されておれば、後から異種元素を添加する必要がないため、製造工程を簡略化することができる。

・ 多結晶ダイヤモンド材料は、半導体製品又は精密機器部品に対する精密研磨、塗料の顔料、有機・無機膜材料の屈折率調整又は強度向上材料、メッキ膜の強化材料等の分野に好適に使用される。

以下、実施例及び比較例を挙げて前記実施形態をさらに具体的に説明する。
（実施例１）
異種元素としてＳｉを１５００ｐｐｍ含有する天然黒鉛１０質量％に、平均粒子径１００μｍの高純度銅粉末（純度９９．８％）を９０質量％加え、さらにエタノールを２質量％加えてボールミルで混合して原料混合物を得た。円筒試料管１６の底部には軟鋼製の下プラグ１９を圧入した。下プラグ１９には図示しない脱気用の銅パイプが設けられている。そして、原料混合物を円筒試料管１６（外径２７mm、内径１９mm、長さ２４０mm）内の下プラグ１９上に金型を用いて加圧装填し、円柱状に成形した。このときの円筒試料管１６内の装填密度は６．５ｇ／ｃｍ³、空孔率は２０％となるようにした。その後、円筒試料管１６の上端に軟鋼製の上プラグ２１を圧入した。

この円筒試料管１６の外側に円筒駆動管１５（外径４３mm、内径３６mm、長さ２４０mm）を一対の固定リング１７を介在させて固定し、その上に円錐キャップ２２を載置した。これを４００℃、０．１Ｐａで２時間保持して脱気処理を行った。それを圧力容器１１（外径１１４mm、内径１０５mm、長さ２８０mm）の中心にセットし、円筒駆動管１５と圧力容器１１の周壁１１ａとの間に爆薬２３（爆速６８００ｍ／sec）を装填した。

次に、雷管１４として６号電気雷管を用い、その雷管１４を起爆させ、ブースター爆薬１３からさらに爆薬２３をその長手方向に１５〜３０ＧＰａの衝撃圧力で爆轟させた。衝撃加圧処理の後、円筒試料管１６を回収した。そして、円筒試料管１６から内容物を取り出し、王水中に入れ、銅などを溶解除去した。そこから得られた生成物（粉体）を水洗後、乾燥した。さらに、この乾燥粉体に酸化鉛を混合し、４００℃で１５時間加熱処理し、未転換炭素分を選択的に酸化した。続いて、硝酸により鉛を溶融除去させた後、加水洗浄し、乾燥させた。乾燥した粉体を分析後、分散性試験及び沈降性試験を行った。

分散性試験：本試験は多結晶ダイヤモンド材料の分散性を評価したものである。
すなわち、３００ｍｌのビーカーに純水を２００ｍｌ入れ、多結晶ダイヤモンド材料を２ｇ入れる。前記ビーカーを超音波振動装置に漬け、超音波振動により分散を開始する。そして、底部の堆積物がなくなり、完全に分散するまでの時間を読み取り、下記に示す基準に従って評価を行った。

◎：３０分未満、○：３０分〜６０分、△：６０分〜１２０分、×：１２０分以上
沈降性試験（静置安定性試験）：本試験は多結晶ダイヤモンド材料の分散安定性を評価したものである。

すなわち、３００ｍｌのビーカーに純水を２００ｍｌ入れ、多結晶ダイヤモンド材料を２ｇ入れる。前記ビーカーを超音波振動装置に漬け、超音波振動により1時間分散させてスラリーを調製する。このスラリーの温度を２５±０．５℃に調整する。スラリーを１００ｍｌのメスシリンダーに正確にとり、室温に放置する。そして、透明な上澄みが５０％の高さまで沈降したときの時間を読み取り、下記に示す基準に従って評価を行った。

◎：３ヶ月以上、○：1ヶ月以上〜３ヶ月未満、△：０．５ヶ月以上〜１ヶ月未満、×：０．５ヶ月未満
図２に示すように、Ｘ線回折分析によると、生成物は多結晶ダイヤモンドのピーク〔回折角２θが約４３度のピークは回折面（111）に基づくピーク及び約７５度のピークは回折面（220）に基づくピーク〕であり、異相のピークは検出限界以下であった。一方、蛍光Ｘ線分析により、この多結晶ダイヤモンド材料には異種元素として珪素（Ｓｉ）が１２００ｐｐｍ含まれていた。分散性試験及び沈降性試験の結果を表1に示した。
（実施例２）
黒鉛を王水中に入れ静置後、粉体を水洗、乾燥した。これについて蛍光Ｘ分析を行い、含まれる不純物が２０ｐｐｍ以下であることを確認した。この乾燥品に対して酸化第１鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）の含有量がＦｅ元素換算で１５００ｐｐｍとなるように調整した黒鉛原料１０質量％に、平均粒子径１００μｍの高純度銅粉末（純度９９．８％）を９０質量％加え、さらにエタノールを２質量％加えてボールミルで混合して原料混合物を得た。これを実施例1と同様の方法で衝撃加圧し、精製処理して粉体を得た。このようにして得られた粉体を実施例1と同様の方法にて分散性試験及び沈降性試験を実施した。

Ｘ線回折分析によると、生成物は多結晶ダイヤモンドのピークであり、異相のピークは検出限界以下であった。一方、蛍光Ｘ線分析により、この多結晶ダイヤモンド材料には異種元素として鉄（Ｆｅ）が９００ｐｐｍ含まれていた。分散性試験及び沈降性試験の結果を表1に示した。
（実施例３〜８）
実施例２と同様にして、異種元素として実施例３では酸化カルシウム（ＣａＯ）、実施例４では酸化ニッケル（ＮｉＯ）、実施例５では（ＴｉＯ₂）、実施例６では二酸化クロム（ＣｒＯ₂）、実施例７では酸化ナトリウム（Ｎａ₂Ｏ）及び実施例８では酸化ホウ素（Ｂ₂Ｏ₃）を低圧相炭素原料に含有させた。そして、実施例1と同様の方法で衝撃加圧し、精製処理して粉体を得た。このようにして得られた粉体について、実施例1と同様の方法にて分散性試験及び沈降性試験を実施した。それらの結果を表1にまとめて示した。
（比較例１）
黒鉛を王水中に入れて静置後、粉体を水洗し、乾燥した。これについて蛍光Ｘ線分析により、含まれる不純物が２０ｐｐｍ以下であることを確認した。この黒鉛原料１０質量％に平均粒径１００μｍ、純度９９．８％の銅粉末（酸不溶分となる不純物成分が各々２０ｐｐｍ以下）を９０質量％加え、さらにエタノールを２質量％加えてボールミルにて混合して原料混合物を得た。これを実施例1と同様の方法で衝撃加圧し、精製処理して粉体を得た。このようにして得られた粉体について、実施例1と同様の方法にて分散性試験及び沈降性試験を実施した。

Ｘ線回折分析によると、生成物は多結晶ダイヤモンドのピークであり、異相のピークは検出限界以下であった。一方、蛍光Ｘ線分析により、この多結晶ダイヤモンドに含まれる異種元素は各々２０ｐｐｍ以下であり、異種元素の合計含有量は３０ｐｐｍ未満であった。分散性試験及び沈降性試験の結果を表1に示した。

表１に示したように、実施例１で得られた多結晶ダイヤモンド材料は、分散性試験及び沈降性試験のいずれの試験結果も大変良好であった。実施例２〜８で得られた多結晶ダイヤモンド材料は、分散性試験及び沈降性試験の試験結果が概ね良好であった。これに対し、異種元素の含有量が少ない比較例１の多結晶ダイヤモンド材料は、分散性試験及び沈降性試験のいずれの試験結果も不良であった。つまり、異種元素の含有量が各々２０ｐｐｍ以下で、異種元素の合計含有量が３０ｐｐｍ未満では、スラリーとしたときに分散性の向上に寄与することができないものと判断される。

尚、前記実施形態を次のように変更して実施することもできる。
・ 炭素以外の異種元素を２種以上組合せて用い、それらの含有量を目的に応じて設定することができる。

・ 多結晶ダイヤモンド材料の粒度分布を、要求される研磨精度に応じて狭くしたり、広くしたりすることができる。
・ 多結晶ダイヤモンド材料を、一般工業用のポリッシュ剤、固体潤滑剤等として利用することも可能である。

さらに、実施形態より把握される技術的思想について以下に記載する。
(1) 前記分散媒体は親水性媒体であることを特徴とする請求項４に記載の多結晶ダイヤモンド材料。このように構成した場合、研磨用スラリーの取扱いを容易にすることができる。

(2) 平均粒子径が１ｎｍ〜５μｍであり、精密研磨用スラリーとして用いられることを特徴とする請求項４又は上記技術思想(1)に記載の多結晶ダイヤモンド材料。このように構成した場合、ダイヤモンドの硬さを利用して半導体部品、精密機械部品等の表面を高度に加工することができる。

(3) 前記炭素原料を低圧相から高圧相へ転移させた後、酸による精製処理を行って金属分を除去することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の多結晶ダイヤモンド材料の製造方法。この方法によれば、高純度の多結晶ダイヤモンド材料を得ることができる。

（ａ）は実施形態における多結晶ダイヤモンド材料の製造装置の平面図、（ｂ）は（ａ）の１ｂ−１ｂ線における断面図。 衝撃回収試料のＸ線回折における回折角２θ（度）と強度との関係を示すグラフ。

符号の説明

２０…原料混合物。

Claims (6)

1. 炭素材料よりなり、分散媒体に分散されてスラリーとしたときに分散性の向上に寄与する炭素以外の異種元素を含有することを特徴とする多結晶ダイヤモンド材料。
2. 異種元素が珪素（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、リン（Ｐ）、硫黄（Ｓ）、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、遷移金属元素及びハロゲン元素からなる群より選ばれる少なくとも１種であり、その含有量が３０ｐｐｍ〜５質量％であることを特徴とする請求項１に記載の多結晶ダイヤモンド材料。
3. 平均粒子径が１ｎｍ〜２０μｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の多結晶ダイヤモンド材料。
4. 分散媒体に分散されて研磨用スラリーとして用いられることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド材料。
5. 請求項１に記載の多結晶ダイヤモンド材料の製造方法であって、炭素以外の異種元素を含有する低圧相炭素原料を金属粉中に分散させ、この原料混合物に動的圧力を作用させ、炭素原料を低圧相から高圧相へ転移させることを特徴とする多結晶ダイヤモンド材料の製造方法。
6. 請求項１に記載の多結晶ダイヤモンド材料の製造方法であって、低圧相炭素原料と炭素以外の異種元素とを金属粉中に分散させ、この原料混合物に動的圧力を作用させ、炭素原料を低圧相から高圧相へ転移させることを特徴とする多結晶ダイヤモンド材料の製造方法。

Images