JP2009519193A - 速い成長速度で製造される単結晶ｃｖｄダイヤモンドに基づく新たなダイヤモンドの利用／用途 - Google Patents
速い成長速度で製造される単結晶ｃｖｄダイヤモンドに基づく新たなダイヤモンドの利用／用途 Download PDFInfo
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Abstract
本発明は、速い成長速度で製造される無色の単結晶ダイヤモンドの新たな利用および用途を対象とする。本発明はまた、速い成長速度で様々な色の単結晶ダイヤモンドを製造する方法、ならびにこのような着色した単結晶ダイヤモンドの新たな利用および用途も対象とする。
Description
政府の権益の陳述
本発明は、国立科学財団（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）により授与された補助金ＥＡＲ−０４２１０２０号の下、政府支援を受けて行われた。政府は、本発明に一定の権利を有している。
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本発明は、ダイヤモンドの利用および用途に関する。特に、本発明は、蒸着チャンバ内でマイクロ波プラズマ化学気相成長（ＭＰＣＶＤ）を用いて速い成長速度で製造される単結晶ダイヤモンドの用途および利用に関する。
合成ダイヤモンドの大規模生産が、長い間研究および産業両方の目的とされてきた。ダイヤモンドは、その宝石特性に加えて、既知の材料の中で最も硬く、既知の熱伝導率の中では最も高い熱伝導率を有し、様々な電磁放射に対して透明である。単結晶ダイヤモンドは特に、低い熱膨張係数、既知の熱伝導率の中では最も高い熱伝導率、化学的不活性、耐磨耗性、少ない摩擦、および紫外線（ＵＶ）〜遠赤外（ＩＲ）の光透過性を含めた様々な重要な特性を有する。したがって、ダイヤモンドは、その宝石としての価値に加えて、多くの産業および研究用途におけるその幅広い用途のため貴重である。
少なくとも過去２０年間は、化学気相成長（ＣＶＤ）によって少量のダイヤモンドを製造するプロセスが利用可能であった。Ｂ．Ｖ．Ｓｐｉｔｓｙｎらによって「Ｖａｐｏｒ Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ Ｄｉａｍｏｎｄ ｏｎ Ｄｉａｍｏｎｄ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｓｕｒｆａｃｅｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ、第５２巻、２１９〜２２６頁に報告されているように、このプロセスは、減圧下８００〜１２００℃の温度でメタンまたは別の単純な炭化水素ガスと水素ガスとの組合せを用いることによる基板上でのダイヤモンドのＣＶＤを含む。水素ガスを含むことにより、ダイヤモンドが核形成し成長するときに黒鉛の形成が防止される。この技術では最大１μｍ／時間の成長速度が報告されている。
その後の研究、たとえば、「Ｄｉａｍｏｎｄ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｆｒｏｍ Ｇａｓ Ｐｈａｓｅ ｉｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｐｌａｓｍａ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ、第６２巻、６４２〜６４４頁に報告されているようなＫａｍｏらの研究により、マイクロ波プラズマ化学気相成長（ＭＰＣＶＤ）を使用すると、２．４５ＧＨｚの周波数で３００〜７００Ｗのマイクロ波出力により８００〜１０００℃の温度１〜８ｋＰａの圧力でダイヤモンドが製造されることが実証された。Ｋａｍｏらのプロセスでは、１〜３％の濃度のメタンガスが使用された。このＭＰＣＶＤプロセスを用いることで、３μｍ／時間の最大成長速度が報告されている。上述のプロセスにおいては、また多くの他の報告されているプロセスにおいては、成長速度が１時間当たりほんの数マイクロメートルに限られている。
単結晶化学気相成長（ＳＣ−ＣＶＤ）ダイヤモンドの成長速度を向上させる方法が最近報告されている［１、２、３、４、５］。しかしながら、これまでに報告されたＳＣ−ＣＶＤダイヤモンドは比較的小さく、変色し、かつ／または傷がある。大きく（たとえば、３カラットを超える、市販の高圧高温（ＨＰＨＴ）合成Ｉｂ型の黄色いダイヤモンドのような）、無色で、傷のない合成ダイヤモンドは、成長の遅さおよび他の技術的な困難性のために、未だ課題である［７、８、９］。ＨＰＨＴアニーリングなしのＳＣ−ＣＶＤダイヤモンドの色は、淡褐色から暗褐色に及ぶことがあり、したがって、宝石としての、光学における、科学研究における、またダイヤモンドをベースとする電子工学におけるそれらダイヤモンドの適用性は制限されてしまう［６、７、８］。ＳＣ−ＣＶＤダイヤモンドは、ＩＩａ型として、すなわち、１０ｐｐｍ未満の窒素を有することで特徴付けられており、様々な欠陥および／または不純物から生じる着色および他の光学的特性を有する。
１０カラットのダイヤモンド結晶は、市販のＨＰＨＴダイヤモンドおよび引用文献［７、８、９、１０］に報告されているＳＣ−ＣＶＤダイヤモンドの約５倍である。質量がより大きい（１００カラットを超える）単結晶ダイヤモンドが、高圧研究用のアンビルとして必要とされ、側方寸法(lateral dimensions)が大きい（２．５ｃｍを超える）結晶が、ダイヤモンドをベースとする電子デバイス用のレーザ窓や基板などの用途に必要とされる。高い光学的品質（紫外〜可視〜赤外の透過）および化学的純度が、上記用途のすべてに必要とされる。これまでに製造された大きいＳＣ−ＣＶＤには、茶色がかった色のために問題が生じる。
多結晶ＣＶＤダイヤモンドの成長において酸素を添加する試みが行われている。これらの効果には、ダイヤモンド形成の領域が拡張されること［１２］、シリコンおよび水素の不純物レベルが低減されること［１３］、非ダイヤモンド炭素が優先的にエッチングされること［１１、１４］、および不純物がないためにダイヤモンドの亀裂を防止しようとすること［１３］が含まれる。これらの試みは、主に多結晶ダイヤモンドのエッチングおよび合成を対象としているが、ＳＣ−ＣＶＤダイヤモンドの製造は対象としていない。
形成した単結晶ダイヤモンドの色を意図的に変える試みも行われている。たとえば、見かけがＨＰＨＴ合成によるＩａまたはＩｂ型ダイヤモンドに類似した黄色いダイヤモンドが製造されている［６］。
Ｈｅｍｌｅｙらの米国特許第６８５８０７８号は、ダイヤモンド製造のための装置および方法を対象としている。開示されている装置および方法により、淡褐色を有するダイヤモンドが製造されることがある。
参照によりその全体が本明細書中に組み込まれる２００５年５月２５日に出願した米国特許仮出願第６０／６８４，１６８号は、蒸着チャンバ内でマイクロ波プラズマ化学気相成長（ＭＰＣＶＤ）を用いて速い成長速度で無色の単結晶ダイヤモンドを製造することを対象としている。
これまで、ＭＰＣＶＤによって製造される単結晶ダイヤモンドを使用する製品を開発しようとする試みは少ししか行われていない。さらに、不純物が添加されていない単結晶ダイヤモンドの利用および用途を開発する試みも少ししか行われていない。
したがって、速い成長速度で製造される無色の単結晶ダイヤモンドの新たな利用および用途を開発する必要性がまだ残っている。また、速い成長速度で成長させる様々な色の単結晶ダイヤモンドの新たな利用および用途を開発する必要性もまだ残っている。
したがって、本発明は、速い成長速度で製造される無色の単結晶ダイヤモンドの新たな利用および用途を対象とする。本発明はまた、速い成長速度で様々な色の単結晶ダイヤモンドを製造する方法、ならびにこのような着色した単結晶ダイヤモンドの新たな利用および用途も対象とする。
本発明の追加の特徴および利点を以下の説明に記載するが、一部は説明から明らかとなる、または本発明の実施により習得することができる。本発明の目的および他の利点は、明細書および特許請求の範囲、ならびに添付図面に特に示す構造によって実現され達成される。
本発明のこれらの利点および他の利点を実現するために、また本発明の目的に従って、具体化し広く記載するように、本発明の一実施形態には、高圧水噴射加工に使用されるノズルなど、単結晶ダイヤモンドを含むノズルが含まれる。この単結晶ダイヤモンドは、成長ダイヤモンド結晶の温度が９００〜１４００℃の範囲内にあるように、高融点および高熱伝導率を有する材料で作製されたヒートシンクホルダ内にダイヤモンドを取り付けて、ダイヤモンドの成長表面の温度勾配を最小限に抑えるようにダイヤモンドの成長表面の温度を制御すること、単位Ｈ2当たり約８％から約３０％を超えるＣＨ4(from about 8% to in excess of about 30% CH4 per unit of H2)を含み１５０ｔｏｒｒを超える雰囲気(atmosphere)を有する蒸着チャンバ内でダイヤモンドの成長表面上にマイクロ波プラズマ化学気相成長(microwave plasma chemical vapor deposition)によって単結晶ダイヤモンドを成長させることを含む方法によって製造された。一実施形態では、ダイヤモンドを製造するために使用するヒートシンクホルダがモリブデンを含む。別の実施形態では、ダイヤモンドの成長表面の温度勾配がすべて約３０℃未満である。別の実施形態では、ダイヤモンドの成長表面の温度勾配がすべて約２０℃未満である。別の実施形態では、単結晶ダイヤモンドが、蒸着チャンバ雰囲気中で単位ＣＨ4当たり約５〜約２５％のＯ2を使用することをさらに含む方法によって製造される。
前段落に記載した特徴を有する単結晶ダイヤモンドには追加の用途があり、これら追加の用途には以下が含まれるが、これらに限定されない。
ａ．）耐磨耗材料−水／流体ジェットノズル、切断器具（たとえば、かみそり、ナイフ）、外科手術器具（たとえば、外科手術ブレード、外科手術器具用切断ブレード）、ミクロトーン(microtone)、硬度圧子(hardness indenor)、グラフィカルツール、彫刻刀(stichel)、石版片(lithographic pieces)の修理で使用する器具、ミサイルのレードーム(missile radomes)、超高速機械で使用する軸受けを含めた軸受け、ダイヤモンド−生体分子デバイス、ミクロトームおよび硬度圧子が含まれるが、これらに限定されない。
ｂ．）光学部品−光学窓、反射器、屈折器、レンズ、回折格子、エタロン(etalons)、α粒子検出器およびプリズムが含まれるが、これらに限定されない。
ｃ．）電子部品−マイクロチャネル冷却アセンブリ、半導体部品用高純度ＳＣ−ＣＶＤダイヤモンド、半導体部品用不純物添加ＳＣ−ＣＶＤが含まれるが、これらに限定されない。
ｄ．）高圧装置におけるアンビル−複数の光学センサ、電気センサ、磁気センサおよび音響センサと共に使用することができる「Ｋｈｖｏｓｔａｎｔｓｅｖ」または「Ｐａｒｉｓ−Ｅｄｉｎｂｕｒｇｈ」トロイド状アンビル(toroid shaped anvil)、比較的大きく、可変の高さを有し、優角を有するブリッジマンアンビル(Bridgman anvils)［１５］、マルチアンビル(Multianviles)、Ｄｒｉｃｋａｍｅｒセル、ベルト装置、ピストンシリンダ装置、レーザまたは磁気衝撃波の研究用の予圧試料、水素および他の用途向けの無色で平滑なコーティング、レーザまたは磁気衝撃用の試料を予圧するための装置が含まれるが、これらに限定されない。
ｅ．）容器−６つの縁部｛１００｝がめっきされたダイヤモンドを互いに接続して容器を形成することができること、ＣＶＤダイヤモンドコーティングをさらに使用して真空気密容器を形成することができることが含まれるが、これらに限定されない。
ｆ．）レーザ源−安定したＨ３中心（窒素凝集体、Ｎ−Ｖ中心、Ｓｉ中心または他のドーパントを形成するアニーリングＳＣ−ＣＶＤダイヤモンドが含まれるが、これらに限定されない。
ｇ．）超伝導体および導電性ダイヤモンド−Ｈ、Ｌｉ、Ｎ、Ｍｇ、または大きさが炭素の大きさに近い別の低原子量元素などの不純物と共に成長させたＨＰＨＴアニーリングＳＣ−ＣＶＤダイヤモンドが含まれるが、これらに限定されない。
ｈ．）他のＣＶＤダイヤモンド成長用の基板−ＣＶＤ成長用の基板としてＣＶＤ用の板を使用すると、大きい寸法でまた靱性の点で天然またはＨＰＴ基板より有利である（成長時の亀裂を回避するため）。
ａ．）耐磨耗材料−水／流体ジェットノズル、切断器具（たとえば、かみそり、ナイフ）、外科手術器具（たとえば、外科手術ブレード、外科手術器具用切断ブレード）、ミクロトーン(microtone)、硬度圧子(hardness indenor)、グラフィカルツール、彫刻刀(stichel)、石版片(lithographic pieces)の修理で使用する器具、ミサイルのレードーム(missile radomes)、超高速機械で使用する軸受けを含めた軸受け、ダイヤモンド−生体分子デバイス、ミクロトームおよび硬度圧子が含まれるが、これらに限定されない。
ｂ．）光学部品−光学窓、反射器、屈折器、レンズ、回折格子、エタロン(etalons)、α粒子検出器およびプリズムが含まれるが、これらに限定されない。
ｃ．）電子部品−マイクロチャネル冷却アセンブリ、半導体部品用高純度ＳＣ−ＣＶＤダイヤモンド、半導体部品用不純物添加ＳＣ−ＣＶＤが含まれるが、これらに限定されない。
ｄ．）高圧装置におけるアンビル−複数の光学センサ、電気センサ、磁気センサおよび音響センサと共に使用することができる「Ｋｈｖｏｓｔａｎｔｓｅｖ」または「Ｐａｒｉｓ−Ｅｄｉｎｂｕｒｇｈ」トロイド状アンビル(toroid shaped anvil)、比較的大きく、可変の高さを有し、優角を有するブリッジマンアンビル(Bridgman anvils)［１５］、マルチアンビル(Multianviles)、Ｄｒｉｃｋａｍｅｒセル、ベルト装置、ピストンシリンダ装置、レーザまたは磁気衝撃波の研究用の予圧試料、水素および他の用途向けの無色で平滑なコーティング、レーザまたは磁気衝撃用の試料を予圧するための装置が含まれるが、これらに限定されない。
ｅ．）容器−６つの縁部｛１００｝がめっきされたダイヤモンドを互いに接続して容器を形成することができること、ＣＶＤダイヤモンドコーティングをさらに使用して真空気密容器を形成することができることが含まれるが、これらに限定されない。
ｆ．）レーザ源−安定したＨ３中心（窒素凝集体、Ｎ−Ｖ中心、Ｓｉ中心または他のドーパントを形成するアニーリングＳＣ−ＣＶＤダイヤモンドが含まれるが、これらに限定されない。
ｇ．）超伝導体および導電性ダイヤモンド−Ｈ、Ｌｉ、Ｎ、Ｍｇ、または大きさが炭素の大きさに近い別の低原子量元素などの不純物と共に成長させたＨＰＨＴアニーリングＳＣ−ＣＶＤダイヤモンドが含まれるが、これらに限定されない。
ｈ．）他のＣＶＤダイヤモンド成長用の基板−ＣＶＤ成長用の基板としてＣＶＤ用の板を使用すると、大きい寸法でまた靱性の点で天然またはＨＰＴ基板より有利である（成長時の亀裂を回避するため）。
一実施形態では、たとえば、本発明は単結晶ダイヤモンドを含む切断エッジを備える外科手術器具用切断ブレードを対象とする。この単結晶ダイヤモンドは、成長ダイヤモンド結晶の温度が９００〜１４００℃の範囲内にあるように、モリブデンを含むがこれに限定されない材料で作製されたヒートシンクホルダ内にダイヤモンドを取り付けて、ダイヤモンドの成長表面の温度勾配を最小限に（たとえば、約２０℃未満に）抑えるようにダイヤモンドの成長表面の温度を制御すること、単位Ｈ2当たり約８％から約３０％を超えるＣＨ4を含み１５０ｔｏｒｒを超える雰囲気を有する蒸着チャンバ内でダイヤモンドの成長表面上にマイクロ波プラズマ化学気相成長によって単結晶ダイヤモンドを成長させることを含む方法によって製造した。
別の実施形態では、本発明は単結晶ダイヤモンドを含む切断エッジを備える切断器具を対象とする。この単結晶ダイヤモンドは、成長ダイヤモンド結晶の温度が９００〜１４００℃の範囲内にあるように、モリブデンを含むがこれに限定されない材料で作製されたヒートシンクホルダ内にダイヤモンドを取り付けて、ダイヤモンドの成長表面の温度勾配を最小限に（たとえば、約２０℃未満に）抑えるようにダイヤモンドの成長表面の温度を制御すること、単位Ｈ2当たり約８％から約３０％を超えるＣＨ4を含み１５０ｔｏｒｒを超える雰囲気を有する蒸着チャンバ内でダイヤモンドの成長表面上にマイクロ波プラズマ化学気相成長によって単結晶ダイヤモンドを成長させることを含む方法によって製造した。
別の実施形態では、単結晶ダイヤモンドを含む伸線ダイス(wire drawing die)を対象とする。この単結晶ダイヤモンドは、成長ダイヤモンド結晶の温度が９００〜１４００℃の範囲内にあるように、モリブデンを含むがこれに限定されない材料で作製されたヒートシンクホルダ内にダイヤモンドを取り付けて、ダイヤモンドの成長表面の温度勾配を最小限に（たとえば、約２０℃未満に）抑えるようにダイヤモンドの成長表面の温度を制御すること、単位Ｈ2当たり約８％から約３０％を超えるＣＨ4を含み１５０ｔｏｒｒを超える雰囲気を有する蒸着チャンバ内でダイヤモンドの成長表面上にマイクロ波プラズマ化学気相成長によって単結晶ダイヤモンドを成長させることを含む方法によって製造した。
別の実施形態では、本発明は単結晶ダイヤモンドを含む軸受け(bearing)を対象とする。この単結晶ダイヤモンドは、成長ダイヤモンド結晶の温度が９００〜１４００℃の範囲内にあるように、モリブデンを含むがこれに限定されない材料で作製されたヒートシンクホルダ内にダイヤモンドを取り付けて、ダイヤモンドの成長表面の温度勾配を最小限に（たとえば、約２０℃未満に）抑えるようにダイヤモンドの成長表面の温度を制御すること、単位Ｈ2当たり約８％から約３０％を超えるＣＨ4を含み１５０ｔｏｒｒを超える雰囲気を有する蒸着チャンバ内でダイヤモンドの成長表面上にマイクロ波プラズマ化学気相成長によって単結晶ダイヤモンドを成長させることを含む方法によって製造した。
別の実施形態では、本発明は単結晶ダイヤモンドを含むダイヤモンドアンビル(diamond anvil)を対象とする。この単結晶ダイヤモンドは、成長ダイヤモンド結晶の温度が９００〜１４００℃の範囲内にあるように、モリブデンを含むがこれに限定されない材料で作製されたヒートシンクホルダ内にダイヤモンドを取り付けて、ダイヤモンドの成長表面の温度勾配を最小限に（たとえば、約２０℃未満に）抑えるようにダイヤモンドの成長表面の温度を制御すること、単位Ｈ2当たり約８％から約３０％を超えるＣＨ4を含み１５０ｔｏｒｒを超える雰囲気を有する蒸着チャンバ内でダイヤモンドの成長表面上にマイクロ波プラズマ化学気相成長によって単結晶ダイヤモンドを成長させることを含む方法によって製造した。
別の実施形態では、本発明は単結晶ダイヤモンドを含むエタロン(etalon)を対象とする。この単結晶ダイヤモンドは、成長ダイヤモンド結晶の温度が９００〜１４００℃の範囲内にあるように、モリブデンを含むがこれに限定されない材料で作製されたヒートシンクホルダ内にダイヤモンドを取り付けて、ダイヤモンドの成長表面の温度勾配を最小限に（たとえば、約２０℃未満に）抑えるようにダイヤモンドの成長表面の温度を制御すること、単位Ｈ2当たり約８％から約３０％を超えるＣＨ4を含み１５０ｔｏｒｒを超える雰囲気を有する蒸着チャンバ内でダイヤモンドの成長表面上にマイクロ波プラズマ化学気相成長によって単結晶ダイヤモンドを成長させることを含む方法によって製造した。
別の実施形態では、本発明は単結晶ダイヤモンドを含む光学窓を対象とする。この単結晶ダイヤモンドは、成長ダイヤモンド結晶の温度が９００〜１４００℃の範囲内にあるように、モリブデンを含むがこれに限定されない材料で作製されたヒートシンクホルダ内にダイヤモンドを取り付けて、ダイヤモンドの成長表面の温度勾配を最小限に（たとえば、約２０℃未満に）抑えるようにダイヤモンドの成長表面の温度を制御すること、単位Ｈ2当たり約８％から約３０％を超えるＣＨ4を含み１５０ｔｏｒｒを超える雰囲気を有する蒸着チャンバ内でダイヤモンドの成長表面上にマイクロ波プラズマ化学気相成長によって単結晶ダイヤモンドを成長させることを含む方法によって製造した。
別の実施形態では、本発明は単結晶ダイヤモンドを含むα粒子検出器を対象とする。この単結晶ダイヤモンドは、成長ダイヤモンド結晶の温度が９００〜１４００℃の範囲内にあるように、モリブデンを含むがこれに限定されない材料で作製されたヒートシンクホルダ内にダイヤモンドを取り付けて、ダイヤモンドの成長表面の温度勾配を最小限に（たとえば、約２０℃未満に）抑えるようにダイヤモンドの成長表面の温度を制御すること、単位Ｈ2当たり約８％から約３０％を超えるＣＨ4を含み１５０ｔｏｒｒを超える雰囲気を有する蒸着チャンバ内でダイヤモンドの成長表面上にマイクロ波プラズマ化学気相成長によって単結晶ダイヤモンドを成長させることを含む方法によって製造した。
上記概要も以下の詳細な説明も共に例示的で説明のためのものであり、特許請求の範囲に記載されている本発明をさらに説明するためのものであることを理解されたい。
本発明をさらに理解するために含まれ、また本明細書の一部に組み込まれ本明細書の一部を構成する添付図面は、本発明の諸実施形態を説明し、またその説明と共に本発明の原理を説明する働きをする。
ここで、本発明の用途で使用するダイヤモンドを製造する方法について詳細に言及する。図１は、蒸着装置１０２を断面で示す、本発明の一実施形態によるダイヤモンド製造システム１００の図である。このダイヤモンド製造システム１００は、蒸着装置１０２ならびに反応物およびプラズマの制御機器１０６を含むマイクロ波プラズマ化学気相成長（ＭＰＣＶＤ）システム１０４を備える。たとえば、ＭＰＣＶＤシステム１０４は、日本の東京にあるＳｅｋｉ Ｔｅｃｈｎｏｔｒｏｎ Ｃｏｒｐ．製のＳＥＫＩ ＡＸ６５５０でよい。このシステムは、２．４５ＧＨｚの周波数で６キロワットの出力を生成することが可能である。別の例として、ＭＰＣＶＤシステム１０４は、Ｓｅｋｉ Ｔｅｃｈｎｏｔｒｏｎ Ｃｏｒｐ．製のＳＥＫＩ ＡＸ５２５０であってもよい。このシステムは、２．４５ＧＨｚの周波数で５キロワットの出力を生成することが可能である。別の例として、ＭＰＣＶＤシステム１０４は、Ｗａｖｅｍａｔ，Ｉｎｃ．製のＷＡＶＥＭＡＴ ＭＰＤＲ ３３０ ３１３ ＥＨＰであってもよい。このようなＭＰＣＶＤシステムは、２．４５ＧＨｚの周波数で６キロワットの出力を生成することが可能で、約５，０００立方センチメートルのチャンバ容積を有する。しかしながら、これらのＭＰＣＶＤシステムの仕様は、蒸着領域の寸法および／または蒸着速度の点で蒸着プロセスの規模によって異なることがある。
ＭＰＣＶＤシステム１０４は、ベルジャー(bell jar)１０８によって少なくとも一部が画定されるチャンバを蒸着装置１０２内に備える。このベルジャー１０８は、チャンバを密閉する際に使用する。ＭＰＣＶＤ実施の前に、チャンバ内の空気を抜き出す。たとえば、第１の機械式真空ポンプを使用してチャンバを排気し、次いでターボポンプやクライオポンプ(cryopump)など第２の高真空式真空ポンプにより、チャンバ内の空気をさらに引き出す。チャンバ内に間隔を置いて配置された一組のプラズマ電極によって、チャンバ内にプラズマを発生させる。これらのポンプもプラズマも図１には示されていない。
蒸着装置１０２は、ＭＰＣＶＤシステム１０４のチャンバ内に設置された試料ホルダアセンブリ１２０も備える。通常、試料ホルダアセンブリは、図１に示すように、蒸着装置１０２の蒸着チャンバ床面１２２の中心に位置する。図１に示す試料ホルダアセンブリ１２０は、断面で示してある。試料ホルダアセンブリ１２０は、蒸着装置１０２の床面に設置されたステージ１２４を含むことができる。
図１に示すように、ステージ１２０は、ボルト１２６ａおよび１２６ｃを用いて蒸着チャンバ床面１２２に取り付けることができる。ステージ１２４は、モリブデンであっても、または高い熱伝導率および高い融点を有する任意の他のタイプの材料であってもよい。加えて、ステージ１２４内の冷却剤用パイプ１２８を通過する冷却剤によって、ダイヤモンドを成長させるプロセス中にステージ１２４を冷却することができる。この冷却剤は、水であっても、冷媒であっても、またはステージを冷却するのに十分な熱輸送能力を有する他のタイプの流体であってもよい。ステージ１２４を通り抜けるＵ字型の経路を有するものとして冷却剤用パイプが図１には示されているが、冷却剤用パイプ１２８は、より効率的にステージ１２４を冷却するために、らせん状の経路または他のタイプの経路をステージ１２４内で有することができる。
試料ホルダアセンブリ１２０のステージ１２４上に位置するのは、図１に示すように、ダイヤモンド１３６を保持するシース(sheath)１３４の周りにコレット(collets)１３２ａおよび１３２ｂを締めつけるための、ねじ１３１ａおよび１３１ｃなどねじ一式を有するリング一式１３０である。シース１３４はホルダであり、ダイヤモンド１３６の上面の縁部に隣接するダイヤモンド１３６の側面と熱接触する。コレット１３２ａおよび１３２ｂがねじ１３１によってシース１３４上に締めつけられているため、シース１３４はダイヤモンド１３６を静止位置で保持し、ダイヤモンド１３６の成長表面の縁部に沿った双晶または多結晶ダイヤモンド(twins or polycrystalline diamond)の形成を防止するためのヒートシンクとして働く。
ダイヤモンド１３６は、種ダイヤモンド部分１３８および成長ダイヤモンド部分１４０を含むことができる。種ダイヤモンド部分１３８は、製造ダイヤモンドであっても、または天然ダイヤモンドであってもよい。一実施形態では、この種が、無色の天然Ｉａ型ダイヤモンド、無色のＩＩａ型ダイヤモンド、黄色いＨＰＨＴ合成Ｉｂ型ダイヤモンドおよびＳＣ−ＣＶＤダイヤモンドからなる群の一員である。別の実施形態では、この種がＳＣ−ＣＶＤダイヤモンドである。別の実施形態では、この種が｛１００｝面を有するＳＣ−ＣＶＤダイヤモンドである。別の実施形態では、この種が６つの｛１００｝面を有するＳＣ−ＣＶＤダイヤモンドである。別の実施形態では、この種のすべての｛１００｝上面が約１〜約１００ｍｍ2の面積を有する。
図１に示すように、ダイヤモンド１３６の上面または成長表面は、蒸着チャンバ床面１２２の上高さＨで共振出力(resonant power)を有するプラズマ１４１の領域内に位置している。この共振出力は、プラズマ１４１内の最大共振出力またはその程度でよい。ダイヤモンド１３６の上面または成長表面が最初種ダイヤモンド部分１３８で、その後ダイヤモンドが成長するにつれて成長ダイヤモンド部分１４０となる。
図１に示すように、シース１３４の上縁部は、ダイヤモンド１３６の上面または上縁部のすぐ下距離Ｄにある。この距離Ｄは、ダイヤモンド１３６の成長表面の縁部をプラズマ１４１にさらすために十分に大きくあるべきである。しかしながら、距離Ｄは、ダイヤモンド１３６の成長表面の縁部に沿った双晶または多結晶ダイヤモンドの形成を防止するシース１３４のヒートシンク効果を阻止するほど大きくなることはできない。したがって、Ｄは、０〜１．５ｍｍなど指定の距離範囲内にあるべきである。図１に示す距離Ｄおよび高さＨは、ダイヤモンド１３６をシース内に位置決めし、シースをコレット１３２ａおよび１３２ｂ内に位置決めし、その後ねじ１３１を締めつけることによって、リング一式１３０のねじ１３１を用いて手動で設定する。
図２は、図１に示す蒸着装置の斜視図である。図２の蒸着チャンバ床面１２２の中央には、中央に陥凹部(recess)１２５を有する円形ステージ１２４がある。図２に示すように、ステージ１２４は、ボルト１２６ａ〜１２６ｄによって適位置に保持されている。ステージ１２４は、モリブデンで、または高い熱伝導率および高い融点を有する他の材料で形成することができる。４つのねじ１３１ａ〜１３１ｂを有するリング一式１３０は、コレット１３２ａ〜１３２ｂと共にステージ１２４の陥凹部１２５内に位置している。あるいは、ステージとリング一式との間の熱伝導を増大させるために、リング一式１３０をボルトでステージ１２４に固定することもできる。
図２ａに示すように、長さの短い矩形の管であっても、矩形に折り畳んだシートであってもよい矩形のシース１３４が、コレット１３２ａおよび１３２ｂ内に位置し、その中にはダイヤモンド１３６がある。ステージ１２４は、モリブデンであっても、または高い熱伝導率および高い融点を有する任意の他のタイプの材料であってもよい。ねじ１３１ａ〜１３１ｄは、シース１３４がダイヤモンド１３６の４つの側面上でヒートシンクとして作用するようにシース１３４がダイヤモンド１３６上で締めつけられるよう、コレット１３２ａ〜１３２ｂ上に締めつけられている。図１に示すように、シース１３４は、ステージ１２４とも熱接触する。コレット１３２ａ〜１３２ｂはステージ１２４と熱接触し、シース１３４からステージ１２４内へと熱を伝えるためのサーマルマスとして働く。ダイヤモンド１３６上でシース１３４を締めつけることにより、ダイヤモンドとシースとの間の熱接触の品質が向上する。図１に示すように、シース１３４はステージ１２４とも熱接触することができる。シースについてもダイヤモンドについても図２ａでは矩形の形状が示されているが、シースおよびダイヤモンドは、楕円形、円形、多角形など任意の幾何学的形状を有することができる。シースまたはホルダの形状は、ダイヤモンドと実質的に同じであるべきである。
図１および図２ａに示す本発明の例示的な実施形態において、ステージ１２４は、約１０．１ｃｍの直径を有することができ、シース１３４の幅は約２．５ｃｍでよい。ステージおよびシース１３４について選択した寸法にかかわらず、ステージ１２２、シース１２４およびコレット１３２のサーマルマス(thermal mass)を、ダイヤモンド１３６に最適なヒートシンクを提供するように調整することができる。加えて、特に大きいダイヤモンドを製造しようとする場合は特に、より優れた冷却効果を得るために冷却剤用パイプ１２８の経路および範囲を変更することができる。さらに、冷媒または他の低温流体を冷却剤として使用することができる。
モリブデンは、ステージ１２４、リング一式１３０、コレット１３２、シース１３４および他の構成要素で使用される、熱伝導率が高く融点が高い唯一の潜在的材料である。モリブデンは、２６１７℃の高い融点と、２９８．２Ｋで１．３８Ｗ／ｃｍＫの高い熱伝導率を有するため、これらの構成要素に適している。加えて、大量の黒鉛の堆積がモリブデン上に形成される傾向もない。モリブデン−タングステン合金や工業用セラミックスなど、プロセス温度を上回る高い融点と、モリブデンの熱伝導率に匹敵する熱伝導率とを有する他の材料を、モリブデンの代わりに使用することもできる。上記高融点および高熱伝導率を有し、本発明の方法および装置で使用することができる追加の材料には、クロム、イリジウム、ニオブ、白金、レニウム、ロジウム、ルテニウム、シリコン、タンタル、タングステンおよびこれらの混合物が含まれるが、これらに限定されない。
図１に戻ると、ダイヤモンド製造システム１００の別の構成要素は、ダイヤモンド１３６と接触することなく成長プロセス中に種ダイヤモンド１３８の、また後に成長ダイヤモンド１４０の温度を監視するために使用する、赤外線高温計１４２などの非接触測定装置である。赤外線高温計１４２は、たとえば、ニュージャージー州オークランドのＭｉｋｒｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．製のＭＭＲＯＮ Ｍ７７／８８二色赤外線高温計でよい。標的領域の大きさは２ｍｍで、赤外線高温計１４２の焦点を種ダイヤモンド１３８に、また後に成長ダイヤモンド１４０に合わせる。赤外線高温計１４２を用いることによって、ダイヤモンド１３６の成長表面の温度を１℃以内まで測定する。
図１のダイヤモンド製造システム１００は、ＭＰＣＶＤプロセスコントローラ１４４も備えている。ＭＰＣＶＤプロセスコントローラ１４４は通常、ＭＰＣＶＤシステム１０４の一構成要素として設けられる。当技術分野では周知のように、ＭＰＣＶＤプロセスコントローラ１４４は、反応物およびプラズマの制御機器１０６を用いることによって、プロセス温度、ガス質量流量、プラズマパラメータおよび反応物流量を含むがこれらに限定されない多くのＭＰＣＶＤパラメータのフィードバック制御を行う。ＭＰＣＶＤプロセスコントローラ１４４は、主要プロセスコントローラ１４６と協働して作動する。主要プロセスコントローラ１４６は、ＭＰＣＶＤプロセスコントローラ１４４、赤外線高温計１４２からの、またダイヤモンド製造システム１００における他の構成要素の他の測定装置からの入力を取り込み、プロセスのエグゼクティブレベル(executive-level)の制御を行う。たとえば、主要プロセスコントローラ１４６は、冷却剤コントローラ１４８を用いる段階において、冷却剤温度および／または冷却剤の流量を測定し制御することができる。
主要プロセスコントローラ１４６は、汎用コンピュータ、ＡＳＩＣなどの専用コンピュータシステム、またはＭＰＣＶＤプロセスを制御するための任意の他の公知のタイプのコンピュータシステムでよい。主要プロセスコントローラ１４６のタイプによっては、ＭＰＣＶＤプロセスコントローラ１４４を主要プロセスコントローラに、これら２つの構成要素の機能を統合するために組み込むことができる。たとえば、主要プロセスコントローラ１４６は、テキサス州オースティンのＮａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．製のＬａｂ ＶＩＥＷプログラミング言語と、Ｌａｂ ＶＩＥＷプログラムとを備えた汎用コンピュータでよく、したがってこの汎用コンピュータはプロセスパラメータのすべてを制御し、記録し、また報告する態勢が整っている。
図１における主要プロセスコントローラ１４６は、ダイヤモンドの成長表面の温度勾配がすべて２０℃以下となるように成長表面の温度を制御する。成長表面温度および成長表面温度勾配を精密に制御すると、多結晶ダイヤモンドまたは双晶の形成が阻止され、大きな単結晶ダイヤモンドを成長させることができるようになる。ダイヤモンド１３６の成長表面の温度勾配すべてを制御する能力は、ステージ１２４のヒートシンク性能、プラズマ１４１内でのダイヤモンド上面の位置決め、ダイヤモンドの成長表面をさらすプラズマ１４１の均一性、ダイヤモンドの縁部からホルダまたはシース１３４を介したステージ１２４への熱移動の質、マイクロ波出力の可制御性（ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｉｌｉｔｙ）、冷却剤流量、冷却剤温度、ガス流量、反応物流量、および赤外線高温計１４２の検出能力を含めたいくつかの要因の影響を受ける。高温計１４２による温度測定値に基づき、主要プロセスコントローラ１４６は、プラズマ１４１へのマイクロ波出力、冷却剤流量、冷却剤温度、ガス流量および反応物流量のうち少なくとも１つを調整することによって、成長表面の温度勾配がすべて２０℃未満となるように成長表面の温度を制御する。
図２ｂは、図１に示すダイヤモンド１３６の斜視図であり、ダイヤモンド１３６の成長表面１３７に沿った模範的な点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４を示している。図２ｂはまた、ダイヤモンド１３６の成長表面１３７または上縁部１３９とシース１３４の縁部１３５との間の距離Ｄも示す。通常、ダイヤモンドの成長表面の縁部と中央部との間には、成長表面の温度差の点で大きな温度変化が生じる。たとえば、点Ｐ１と点Ｐ２との間には、点Ｐ１と点Ｐ３との間よりも大きな温度勾配が生じる。別の例では、点Ｐ４と点Ｐ２との間には、点Ｐ４と点Ｐ３との間よりも大きな温度勾配が生じる。したがって、成長表面の温度勾配がすべて２０℃未満となるようにダイヤモンドの成長表面の温度を制御するには、成長表面１３７の中央部と縁部１３９との間の温度測定を少なくとも考慮に入れるべきである。たとえば、主要コントローラ１４６は、点Ｐ１と点Ｐ２との間の温度勾配が２０℃未満となるように成長表面の温度を制御することができる。
赤外線高温計のスポットサイズは、ダイヤモンドの上面の温度勾配を、したがってダイヤモンドの成長速度を監視する能力に影響を与えることがある。たとえば、ダイヤモンドの寸法が赤外線高温計のスポットサイズと比較して大きい場合、ダイヤモンドの成長表面の各縁部の温度は赤外線高温計の視野外となることがある。したがって、成長領域が大きいダイヤモンドには、複数の赤外線高温計を使用すべきである。複数の高温計のそれぞれの焦点を、ダイヤモンド表面についての異なる縁部、好ましくは隅部がある場合には隅部近くの異なる縁部に合わせるべきである。したがって、主要プロセスコントローラ１４６は、図１に示すように、複数の高温計による重複する視野を一体化してダイヤモンド表面全体にわたる温度の隣接「マップ」を作成するように、または重複していない視野間を補間してダイヤモンド成長表面全体にわたる温度の解釈「マップ」を作成するようにプログラムされるべきである。あるいは、成長表面の中央部に対する単一の縁部または隅点の温度勾配を、ダイヤモンドの成長表面全体にわたって存在する最大温度勾配を示す指標として監視することもできる。
温度制御のための赤外線高温計１４２に加えて、他のプロセス制御計装をダイヤモンド製造システム１００に含ませることができる。追加のプロセス制御計装は、成長プロセスの進行中にダイヤモンド１３６のタイプおよび品質を決定するための機器を含むことができる。このような機器の例には、可視、赤外およびラマン分光計が含まれ、これらの分光計は本質的に光学系で、焦点を赤外線高温計１４２と同じ点に合わせて成長進行中にダイヤモンドの構造および品質についてのデータを得ることができる。追加の機器を設ける場合には、主要プロセスコントローラ１４６が計装を制御し、分析法の結果を他の状況情報と共に提示するように、機器を主要プロセスコントローラ１４６に接続することができる。追加のプロセス制御計装は、実験の設定において、すなわちより大きなダイヤモンドを製造するためにプロセスを「拡大する(scaling up)」に当たって、また既存のダイヤモンド製造システム１００および対応するプロセスのための品質管理の取り組みにおいて特に有用となることがある。
ダイヤモンド１３６が成長するにつれて、距離Ｄおよび高さＨが共に増大する。距離Ｄが増大するにつれて、ダイヤモンド１３６の成長表面の上縁部１３９についてのシース１３４のヒートシンク性能が低下する。加えて、温度および／または稠度などプラズマの特性が、ダイヤモンド１３６の成長表面がプラズマ１４１に入り込むため変化する。ダイヤモンド製造システム１００においては、成長プロセスを定期的に中断させ、ダイヤモンド１３６の位置をシース１３４に対して下方に調整して距離Ｄを減少させることができ、またダイヤモンド１３６とシース１３４とを共に蒸着チャンバ床面１２２に対して下方に調整して高さＨを減少させることができる。この再位置決めにより、ダイヤモンド１３６の成長表面上でのダイヤモンド成長は、プラズマ１４１内の共振出力の所望の領域内で生じることが可能となり、赤外線高温計１４２および任意の追加の機器は、ダイヤモンド１３６の成長表面に焦点を合わせたままであることが可能となり、またこの再位置決めは、ダイヤモンド１３６の成長表面の縁部からの熱のヒートシンクのために効率的な熱接触を維持する効果がある。
図３は、ダイヤモンド成長プロセス中にダイヤモンド１３６を移動させるための試料ホルダアセンブリ３２０を有する蒸着装置３０４の断面を示す、本発明の一実施形態によるダイヤモンド製造装置３００の図である。ダイヤモンド製造装置３００の構成要素の一部は、ダイヤモンド製造システム１００の構成要素と実質的に同じであるため、図１に関する上記議論は、図３において同様に番号付けした構成要素を説明するのに十分であろう。たとえば、図３における高温計１４２、蒸着チャンバ床面１２２、冷却剤用パイプ１２８およびベルジャー１０８は、図１に示すものと実質的に同じである。
図３に示すように、ダイヤモンド１３６は、試料ホルダアセンブリ３２０のシース１３４内のダイヤモンドアクチュエータ部材３６０に取り付けられている。ダイヤモンド１３６は、成長表面と実質的に垂直な軸に沿って並進するダイヤモンドアクチュエータ部材３６０上のシース１３４内に摺動可能に取り付けられている。ダイヤモンドアクチュエータ部材３６０はステージ３２４を通って突出し、図３には冷却剤およびダイヤモンド／ホルダ制御機器３２９の一部として示してあるダイヤモンド制御機器で、ステージ３２４の下から制御される。ダイヤモンドアクチュエータ部材３６０は、ダイヤモンド１３６の成長表面と蒸着チャンバ床面１２２との間の高さＨを設定するためのものである。図３のダイヤモンドアクチュエータ部材３６０はねじ棒として示してあるが、このダイヤモンドアクチュエータ部材は、蒸着チャンバ床面よりも上の高さまたは位置でダイヤモンド１３６の位置決めを可能にする任意の幾何学的形状であってよい。ダイヤモンドアクチュエータ部材３６０などベルジャー内に設置する構成要素は、所望の雰囲気を維持する際の問題を回避するために真空に適合すべきであることが当業者には理解されよう。
ダイヤモンドアクチュエータ部材３６０用のアクチュエータ（図示せず）は、モータ（図示せず）である。しかしながら、このアクチュエータは、成長させようとするダイヤモンドの寸法、成長速度および必要とされる移動精度のレベルに応じて、多くの公知のタイプのアクチュエータのうちの任意の１つでよい。たとえば、ダイヤモンド１３６の寸法が小さい場合には、圧電アクチュエータを使用することができる。ダイヤモンド１３６が比較的大きいまたは比較的大きく成長させることができる場合には、電動のコンピュータ制御可能なアクチュエータが好ましい。使用する特定のアクチュエータにかかわらず、主要プロセスコントローラ３４６は、ダイヤモンドの成長が進むにつれてダイヤモンド１３６を自動的に下方へ移動させることができるように、ダイヤモンドアクチュエータ部材３６０の動きを制御する。
加えて、ホルダアクチュエータ部材３６２がステージ３２４を通って突出し、図３には冷却剤およびダイヤモンド／ホルダ制御機器３２９の一部として示してあるホルダ制御機器で、ステージ３２４の下から制御される。ホルダアクチュエータ部材３６２は成長表面と実質的に垂直な軸に沿って並進し、ダイヤモンド１３６の成長表面の縁部とホルダまたはシース１３４の上縁部との間の距離Ｄを維持するためのものである。ダイヤモンド製造システムは、ダイヤモンドアクチュエータ部材、ホルダアクチュエータ部材または両者の組合せを有することができる。
図３中のホルダアクチュエータ部材３６２はステージ３２４に螺入され(threaded)、ダイヤモンドアクチュエータ部材３６０はホルダアクチュエータ部材３６２に螺入されている。この配置によって、図３に示す冷却剤およびダイヤモンド／ホルダ制御機器３２９のダイヤモンドおよびホルダ制御機器は、ダイヤモンド１３６、シース１３４、あるいはシース１３４およびダイヤモンド１３６の両方を移動させることができる。図３のホルダアクチュエータ部材３６２は、内部にダイヤモンドアクチュエータ部材３６０用のねじ山を有するねじシリンダとして示され、ステージ３２４への螺入用に外部にねじ山を有するが、このホルダアクチュエータ部材は、ダイヤモンド１３６の成長表面の縁部とホルダまたはシース１３４の上縁部との間の指定の距離範囲を維持することを可能にする任意の幾何学的形状であってよい。ホルダアクチュエータ部材３６２やホルダアクチュエータ部材およびダイヤモンドアクチュエータ部材の両者の組合せなど、ベルジャー内に設置する構成要素は、所望の雰囲気を維持する際の問題を回避するために真空に適合すべきであることが当業者には理解されよう。
図３に示すように、ステージ３２４の陥凹部内にはサーマルマス３６４が位置する。ホルダまたはシース１３４は、シース１３４からステージ３２４へと熱エネルギーが移動するようにサーマルマス３６４内に摺動可能に位置する。サーマルマス３６４の上面は、サーマルマス３６４のプラズマ３４１への電気的影響を最小限に抑えながらシース１３４から熱を移動させることができるように曲面成形されている。図４ａ〜図４ｃそれぞれのサーマルマス４６６ａ、４６６ｂおよび４６６ｃは、断面形状が異なる他の曲面成形サーマルマスの例であり、図３に示すサーマルマス３６４の代わりに使用することができる。サーマルマスはモリブデンで作製することができる。モリブデン−タングステン合金や工業用セラミックスなど、プロセス温度を上回る高い融点と、モリブデンの熱伝導率に匹敵する熱伝導率とを有する他の材料を、ダイヤモンドの側面からステージに熱を移動させるためのサーマルマスとして使用することができる。
プラズマ３４１へのサーマルマス３６４の電気的影響を最小限に抑えることによって、ダイヤモンドを成長させるプラズマ３４１内の領域がより均一になる。加えて、ダイヤモンドを成長させる際により高い圧力を使用することができ、これにより単結晶ダイヤモンドの成長速度が増大することになる。たとえば、圧力は約１００ｔｏｒｒから約４００ｔｏｒｒまで変化することができ、単結晶成長速度は１時間当たり５０〜３００ミクロンとすることができる。プラズマ３４１の均一性、形状および／または位置は、ダイヤモンドの成長表面の縁部から熱を除去するために曲面成形されプラズマ３４１へのサーマルマス３６４の電気的影響を最小限に抑えるサーマルマス３６４の影響を容易には受けないため、より高い圧力（４００ｔｏｒｒを上回る）を使用することが可能である。加えて、プラズマ３４１を維持するために、１〜２ｋＷなどより少ないマイクロ波出力が必要とされるだけである。そうでなければ、プラズマ３４１の均一性、形状および／または位置を維持するために、より低い圧力および／または高いマイクロ波出力を使用しなければならないはずである。
ダイヤモンド１３６が成長するにつれて、距離Ｄおよび高さＨが共に増大する。距離Ｄが増大するにつれて、ダイヤモンド１３６の成長表面の上縁部についてのシース１３４のヒートシンク性能が低下する。加えて、温度などプラズマの特性が、ダイヤモンド１３６の成長表面がプラズマ３４１に入り込むため変化する。ダイヤモンド製造システム３００においては、ダイヤモンド成長プロセス時にホルダアクチュエータ部材３６２およびダイヤモンドアクチュエータ部材３６０を用いて、冷却剤およびダイヤモンド／ホルダ制御機器３２９を介して主要プロセスコントローラ３４６によって距離Ｄおよび高さＨを制御することができるため、ダイヤモンド１３６が所定の厚さに達したら成長プロセスを中断させる。コントローラ１４４の制御の下、手動でまたは自動的にこのように再位置決めすることにより、ダイヤモンド１３６の成長表面上でのダイヤモンド成長は、プラズマ３４１内の共振出力の所望の領域内で生じることが可能となる。さらに、再位置決めすることにより、赤外線高温計１４２および任意の追加の機器は、ダイヤモンド１３６の成長表面に焦点を合わせたままであることが可能となり、またこの再位置決めは、ダイヤモンド１３６の成長表面の縁部からの熱の効率的なヒートシンクを維持することができる。
図５は、ダイヤモンド成長プロセス中にダイヤモンド１３６を移動させるための試料ホルダアセンブリ５２０を有する蒸着装置５０４の断面を示す、本発明の一実施形態によるダイヤモンド製造装置５００の図である。ダイヤモンド製造装置５００の構成要素の一部は、ダイヤモンド製造システム１００および３００の構成要素と実質的に同じであるため、図１および図３に関する上記議論は、図５において同様に番号付けした構成要素を説明するのに十分であろう。たとえば、図５における高温計１４２、蒸着チャンバ床面１２２、冷却剤用パイプ１２８およびベルジャー１０８は、図１に示すものと実質的に同じである。別の例では、図５における冷却剤およびダイヤモンド／ホルダコントローラ３２９およびダイヤモンドアクチュエータ部材３６０は、図３と実質的に同じである。
図５に示すように、ダイヤモンド１３６はダイヤモンドアクチュエータ部材３６０に取り付けられ、ホルダとして働く曲面成形(contoured)サーマルマス５６６内に取り付けられる。曲面成形サーマルマス５６６内に直接ダイヤモンド１３６を設置することによって、ダイヤモンド１３６のヒートシンクについての熱効率が増大する。しかしながら、図３には冷却剤およびダイヤモンド／ホルダ制御機器３２９の一部として示してあるダイヤモンドホルダ制御機器を伴うステージ５２４内のホルダアクチュエータ５６２によって曲面成形サーマルマス全体を移動させるため、プラズマ５４１はより容易に影響を受けることがある。したがって、主要プロセスコントローラ５４６は、成長プロセスのプラズマおよび／または他のパラメータを適切に制御するためにこのような要因を考慮すべきである。あるいは、図３に示す凸状サーマルマス３６４、図４ｂの側面に傾斜のあるサーマルマス４６６ｂ、図４ｃの側面に傾斜のある／先端部が円筒形のサーマルマス４６６ｃ、または他の幾何学的形状を、図５における凹状サーマルマス５６６の代わりに使用することができる。
図６は、図１に示す試料ホルダアセンブリと共に使用することができる、本発明の諸実施形態によるプロセス６００を示す流れ図である。このプロセス６００は、適切な種ダイヤモンドまたは成長過程にあるダイヤモンドをホルダ内に位置決めするステップＳ６７０で始まる。たとえば、図１の試料ホルダアセンブリ１２０では、種ダイヤモンド部分１３８をシース１３４内に設置し、オペレータがねじ１３１ａ〜１３１ｄを締めつける。シースおよびダイヤモンドを共に適位置に維持するために、ばね仕掛けのコレットなど他の機構を使用することもでき、ホルダまたはシースに対して力を及ぼす際には、油圧または他の機構を使用することができる。
ステップＳ６７２に言及しているように、ダイヤモンド、すなわち種ダイヤモンドまたは成長ダイヤモンドの成長表面の温度を測定する。たとえば、図１の高温計１４２が、成長ダイヤモンド部分１４０の上面である成長表面の測定を行い、測定値を主要プロセスコントローラ１４６に提供する。ダイヤモンド１３６の成長表面の温度勾配を主要プロセスコントローラによって決定することができるように、または少なくともダイヤモンドの成長表面の縁部の温度が主要プロセスコントローラに入力されるように測定を行う。
図６のＳ６７４に言及しているように、成長表面の温度を制御する際には、図１に示す主要プロセスコントローラ１４６などの主要プロセスコントローラを使用する。この主要プロセスコントローラは、成長表面の温度勾配を２０℃未満に維持することによって温度を制御する。成長表面の温度を制御しながら、図６のステップＳ６７５に示すように、ダイヤモンドをホルダ内に再位置決めすべきかどうか判断を下す。主要コントローラが、プラズマ、ガスフローおよび冷却剤フローを制御することによって成長表面の温度勾配がすべて２０℃未満となるようにダイヤモンドの成長表面の温度を制御することができない場合には、成長プロセスを一時中断し、ダイヤモンドのより良いヒートシンクおよび／またはプラズマ内でのダイヤモンドのより良い位置決めのために、図６のステップＳ６７８に示すようにダイヤモンドをホルダ内に再位置決めすることができるようにする。主要コントローラが、ダイヤモンドの成長表面の温度勾配をすべて２０℃未満となるように維持することができる場合には、図６のステップＳ６７６に示すように成長表面上にダイヤモンドを成長させる。
図６に示すように、ダイヤモンドを再位置決めすべきであると判断されるまで、ダイヤモンドの成長表面の温度を測定し、成長表面の温度を制御し、成長表面上にダイヤモンドを成長させることを行う。測定、制御、成長および判断する行為はステップとして示し説明しているが、必ずしも順次行われるとは限らず、互いに同時に行うこともできる。たとえば、成長表面上にダイヤモンドを成長させるステップは、ダイヤモンドの成長表面の温度を測定し、成長表面の温度を制御しながら行うこともできる。
ステップＳ６７８で言及しているようなダイヤモンドの再位置決めは、手動で、またはロボット機構により行うことができる。加えて、図６のステップＳ６７３に示すように、ダイヤモンドが所定のまたは所望の厚さを有するかどうかの判断を下すことができる。この判断は、機械的または光学的装置による実際の測定に基づいて下すことができる。別の例では、プロセスの既知の成長速度を考慮して加工時間の長さに基づいて判断を下すことができる。ダイヤモンドが所定の厚さに達している場合には、図６のステップ６８０で言及しているように、成長プロセスは完了である。ダイヤモンドが所定の厚さに達していない場合には、図６に示すように、成長プロセスを再度開始し、ダイヤモンドを再位置決めする必要があると判断されるまで、ダイヤモンドの成長表面の温度を測定し、成長表面の温度を制御し、成長表面上にダイヤモンドを成長させることを継続する。
図７は、図３および図５に示す試料ホルダアセンブリと共に使用することができる、本発明の諸実施形態によるプロセス７００を示す流れ図である。このプロセス７００は、成長ダイヤモンド、製造ダイヤモンド、天然ダイヤモンドまたはこれらの組合せであってもよい適切な種ダイヤモンドをホルダ内に位置決めするステップＳ７７０で始まる。図３の試料ホルダアセンブリ３２０では、たとえば、種ダイヤモンド部分１３８を、図３に示すように、ダイヤモンドアクチュエータ部材３６０上のシース１３４内に設置する。試料ホルダアセンブリの別の例では、種ダイヤモンド部分１３８を、図５に示すように、ダイヤモンドアクチュエータ３６０上の曲面成形サーマルマス５６６内に設置する。
ステップＳ７７２に言及しているように、ダイヤモンド、すなわち種ダイヤモンドまたは種ダイヤモンド上に新しく成長させたダイヤモンド部分の成長表面の温度を測定する。たとえば、図３の高温計１４２が、成長ダイヤモンド部分１４０の上面である成長表面の測定を行い、測定値を主要プロセスコントローラ３４６に提供する。別の例では、図５の高温計１４２が、種ダイヤモンド部分１３８の上面である成長表面の測定を行い、測定値を主要プロセスコントローラ５４６に提供する。ダイヤモンドの成長表面の温度勾配を主要プロセスコントローラによって決定することができるように、または少なくとも成長表面の縁部および中央部の温度が主要プロセスコントローラに入力されるように測定を行う。
図７のＳ７７４に言及しているように、成長表面の温度を制御する際には、主要プロセスコントローラ３４６または５４６などの主要プロセスコントローラを使用する。この主要プロセスコントローラは、成長表面の温度勾配がすべて２０℃未満となるようにダイヤモンドの成長表面の温度を制御する。成長表面の温度を制御しながら、図７のステップＳ７７５に示すように、ダイヤモンドをホルダ内に再位置決めする必要があるかどうか判断を下す。主要コントローラが、プラズマ、ガスフローおよび冷却剤フローを制御することによって成長表面の温度勾配がすべて２０℃未満となるようにダイヤモンドの成長表面の温度を維持することができない場合には、ダイヤモンドを再位置決めし、一方でダイヤモンドが図７に示すようにステップＳ７７５からステップＳ７７６およびＳ７７８の両ステップへの「ＹＥＳ」経路により成長している。ダイヤモンドをホルダ内に再位置決めすることによって、成長表面の縁部のヒートシンクが改善される。加えて、ダイヤモンドの成長表面の温度勾配をすべて２０℃未満となるように維持するための稠度を有するプラズマの最適な領域内に成長表面を位置決めすることができる。主要コントローラが、ダイヤモンドの成長表面の温度勾配がすべて２０℃未満となるように維持することができる場合には、図７のステップＳ７７５からステップＳ７７６への「ＮＯ」経路に示すように、再位置決めなしで成長表面上にダイヤモンドを成長させる。
ダイヤモンドが所定の厚さに達したと判断されるまで、ダイヤモンドの成長表面の温度を測定し、成長表面の温度を制御し、成長表面上にダイヤモンドを成長させ、ダイヤモンドをホルダ内に再位置決めすることを行う。図７のステップＳ７７３に言及しているように、ダイヤモンドが所定のまたは所望の厚さに達しているかどうかの判断を下す。この判断は、機械的または光学的装置による実際の測定に基づいて下すことができる。たとえば、成長プロセス中に再位置決めしなければならなかった深さまたは距離の量を記録する追跡プログラムである。別の例では、成長プロセスの既知の成長速度を考慮して加工時間の長さに基づいて判断を下すことができる。ダイヤモンドが所定の厚さに達している場合には、図７のステップ７８０で言及しているように、成長プロセスは完了である。ダイヤモンドが所定の厚さに達していない場合には、図７のＳ７７４内のＳ７７３からの「ＮＯ」経路に示すように、ダイヤモンドを再位置決めする必要があると判断されるまで、ダイヤモンドの成長表面の温度を測定し、成長表面の温度を制御し、成長表面上にダイヤモンドを成長させ、ダイヤモンドをホルダ内に再位置決めすることで成長プロセスを継続する。
プロセス６００および７００を実施する際、ダイヤモンド成長は、「ステップ成長(step growth)」条件を維持することができるのであれば通常継続される。一般に、「ステップ成長」条件とは、孤立した露頭(outcropping)または双晶がなくダイヤモンド１３６が実際に平滑になるようにダイヤモンド１３６の成長表面上にダイヤモンドを成長させる成長を指す。この「ステップ成長」条件は、視覚的に検証することができる。あるいは、レーザを使用してダイヤモンド１３６の成長表面を走査することもできる。レーザ反射率の変化が、「露頭」または双晶の形成を示すはずである。このようなレーザ反射率を、成長プロセスを停止させる条件として主要プロセスコントローラにプログラミングすることができる。たとえば、ダイヤモンドが所定の厚さであるかどうかの判断に加えて、レーザ反射率が受信されているかどうかの判断を下すこともできる。
一般に、本発明の例示的な諸実施形態による方法は、｛１００｝成長速度の上昇を伴って、大きくて無色の高品質ダイヤモンドを作り出すように設計されるが、この成長は３次元に沿っている。本発明の一実施形態では、単位ＣＨ4当たり約１〜５０％のＯ2の割合で、酸素をガス混合物中で使用する。本発明の別の実施形態では、単位ＣＨ4当たり約５〜２５％のＯ2の割合で、酸素をガス混合物中で使用する。理論によって束縛されることを望んでいるわけではないが、蒸着チャンバの混合ガス中に酸素が存在すると、ダイヤモンドへの不純物の混入を削減するために役立ち、したがってダイヤモンドが実質的に無色になると考えられている。成長プロセス時には、メタンの濃度は約６〜１２％の範囲内ある。炭化水素濃度が約１５％を超えると、ＭＰＣＶＤチャンバ内で過剰な黒鉛の蒸着が生じることがある。
プロセス温度は、望まれる単結晶ダイヤモンドの特定のタイプまたは酸素を使用するかどうかに応じて約７００〜１５００℃の範囲から選択することができる。より高温では多結晶ダイヤモンドを製造することができ、より低温ではダイヤモンド状炭素(diamond-like carbon)を製造することができる。本発明の一実施形態では、プロセス温度は約７００〜１１００℃の範囲から選択することができる。本発明の別の実施形態では、プロセス温度は約９００〜１１００℃の範囲から選択することができる。成長プロセス時には、約１００〜４００ｔｏｒｒの圧力を使用する。一実施形態では、約１００〜３００ｔｏｒｒの圧力を使用する。別の実施形態では、約１６０〜２２０ｔｏｒｒの圧力を使用する。
本発明の一実施形態では、単結晶ダイヤモンドの成長速度が約１０μｍ／時間を超える。別の実施形態では、単結晶ダイヤモンドの成長速度が約５０μｍ／時間を超える。別の実施形態では、単結晶ダイヤモンドの成長速度が約１００μｍ／時間を超える。
本発明の一実施形態では、単結晶ダイヤモンドが成長して厚さが１．２ｃｍを超える。本発明の別の実施形態では、単結晶ダイヤモンドが成長して重量が５カラットを超える。本発明の別の実施形態では、単結晶ダイヤモンドが成長して１０カラットを超える。本発明の別の実施形態では、単結晶ダイヤモンドが成長して３００カラットを超える。
一実施形態では、ＳＣ−ＣＶＤ種ダイヤモンドの最大６つの｛１００｝面上にダイヤモンドを成長させる。別の実施形態では、ＳＣ−ＣＶＤ種ダイヤモンドの最大６つの｛１００｝面上に成長させたダイヤモンドが、約３００カラットを超えている。別の実施形態では、より長い方の表面の１つを研磨し、次いでその表面上で第２の直行方向にダイヤモンド結晶を成長させることによって、ダイヤモンドの成長を実質的に２次元にして側方寸法が大きい結晶（たとえば、少なくとも約１インチの正方形の板）を製造することができる。別の実施形態では、ダイヤモンドの成長を３次元にすることができる。別の実施形態では、ダイヤモンドの成長は実質的に立方晶系である。別の実施形態では、３次元に沿って成長させた実質的に立方晶系のダイヤモンドの、各寸法が少なくとも１インチである。
ガス混合物はＮ2を含むこともできる。Ｎ2を使用する場合には、単位ＣＨ4当たり約０．２〜３％のＮ2の割合でガス混合物に添加する。Ｎ2をこの濃度でガス混合物に添加することにより、成長速度が上昇し、｛１００｝面の成長が促進される。
図８は、ＨＰＨＴのＩＩａ型ダイヤモンド、本発明の方法に従って、たとえば、単位ＣＨ4当たり約５％〜約２５％のＯ2を含む蒸着チャンバ雰囲気で製造したＳＣ−ＣＶＤダイヤモンド、および蒸着チャンバ雰囲気の一成分として存在するＮ2ガスを用いて製造したＳＣ−ＣＶＤダイヤモンドについての紫外可視スペクトルである。Ｎ2ガスを用いて製造したＳＣ−ＣＶＤダイヤモンドは、見かけが軽く茶色がかっていて、２７０ｎｍ前後に広範な帯域を示した。このことは、ダイヤモンド中の非ダイヤモンド炭素、窒素および空孔の存在と関係している。Ｎ2ガスを用いて製造した見かけがより暗い褐色のＳＣ−ＣＶＤダイヤモンドは、５００ｎｍより下で吸収の増加を示し、また５２０ｎｍに中心がある広範なフィーチャを示す。このことは、天然ダイヤモンドまたはＨＰＨＴ成長の合成ダイヤモンドでは見られない。これらの茶色がかった色および広範な帯域のフィーチャは、ＨＰＨＴ処理、たとえば、アニーリングによって取り除くことができる。本発明の方法によって、たとえば、単位ＣＨ4当たり約５％〜約２５％のＯ2を含む蒸着チャンバ雰囲気で製造したダイヤモンドのスペクトルは、２７０ｎｍの広範な帯域も５２０ｎｍの広範な帯域も示さなかった上に、ＨＰＨＴのＩＩａ型人工ダイヤモンドに匹敵するものでる。理論によって束縛されることを望んでいるわけではないが、添加した酸素により水素不純物のレベルおよび非ダイヤモンド炭素の量が低減されると出願人は考えている。
図９は、本発明の方法によって、たとえば、単位ＣＨ4当たり約５％〜約２５％のＯ2を含む蒸着チャンバ雰囲気で製造した無色のＳＣ−ＣＶＤダイヤモンドを左に、また蒸着チャンバ内でＯ2ではなくＮ2を用いて製造した茶色がかったＳＣ−ＣＶＤダイヤモンドを右に示す。単結晶ダイヤモンドは共に、寸法が約５×５×１ｍｍである。
図１０は、以下に示す４×４×１．５ｍｍの結晶などＨＰＨＴのＩｂ型基板の６つの｛１００｝面上に蒸着によって形成したＳＣ−ＣＶＤダイヤモンドブロックを示す。これは、ダイヤモンド結晶の寸法をさらに増大させようとする試みであり、本発明の方法に従って基板の６つの｛１００｝面上に順次宝石並のＣＶＤダイヤモンドを成長させる。この方法によって、無色の単結晶ダイヤモンドの３次元成長は重量約３００カラット、各寸法が約１インチのダイヤモンドをもたらすことができる。
図１１は、本発明の方法に従って、たとえば、単位ＣＨ4当たり約５％〜約２５％のＯ2を含む蒸着チャンバ雰囲気で製造した無色のＳＣ−ＣＶＤダイヤモンド、および蒸着チャンバ雰囲気の一成分として存在するＮ2ガスを用いて製造した茶色いＳＣ−ＣＶＤダイヤモンドについての赤外吸収スペクトル（２５００〜８０００ｃｍ-1）である。Ｎ2ガスを用いて製造した茶色いＳＣ−ＣＶＤダイヤモンドについてのスペクトルは、２９３１、３１２４、６４２７、６８５７、７２３４および７３５８ｃｍ-1にピークを有していた。それらのピークは、Ｏ2ガスが存在する本発明の方法に従って製造した無色のダイヤモンドについてのスペクトルには見られない。したがって、これらのデータは、Ｏ2ガスが存在する本発明の方法に従って製造した無色のダイヤモンド中の水素による近赤外または中赤外の不純物はないことを示している。このことはさらに、本発明の方法により非常に純度の高い大きい単結晶ダイヤモンドが速い成長速度で製造されることを実証している。
この無色の単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料は、電子工学にける利用、光学における利用および無色の宝石としての利用を含むがこれらに限定されない様々な産業上の用途および他の用途向けに調製することができる。
以下の実施例から本発明の他の態様をより詳細に理解することができる。
上述した図１のＭＰＣＶＤチャンバ内でダイヤモンド成長プロセスを実施した。まず、市販の３．５×３．５×１．６ｍｍ3の高圧高温（ＨＰＨＴ）合成型Ｉｂ型種ダイヤモンドを、蒸着チャンバ内に位置決めした。この種ダイヤモンドは、アセトンで超音波洗浄した平滑な研磨表面を有する。蒸着面は、種ダイヤモンドの｛１００｝表面から２度の範囲内にあった。
次いで、蒸着チャンバを１０-3ｔｏｒｒの基準圧まで排気した。赤外線高温計１４２の焦点を、石英窓を通して６５度の入射角でダイヤモンドの成長表面に合わせ、最小２ｍｍ2の直径スポットサイズとした。Ｏ2／ＣＨ4が１５％、ＣＨ4／Ｈ2が１２％のガス濃度を用いて１６０ｔｏｒｒの圧力でダイヤモンド成長を行った。プロセス温度は１０２０℃、ガス流量はＨ2が５００ｓｃｃｍ、ＣＨ4が６０ｓｃｃｍ、Ｏ2が１．８ｓｃｃｍであった。蒸着を１２時間継続させた。
得られたダイヤモンドは、４．２×４．２×２．３ｍｍ3で研磨されておらず、１時間当たり５８ミクロンの成長速度で成長させた種結晶について約０．７ｍｍの成長を示した。成長形態(growth morphology)は、＜１００＞面の成長速度が＜１１１＞隅部の成長速度よりも速いことを示していた。成長パラメータαは、２．５〜３．０と推定した。
蒸着させたダイヤモンドを、光学顕微鏡法、Ｘ線回折（ＸＲＤ）、ラマン分光法およびフォトルミネセンス（ＰＬ）分光法を用いて特徴付けた。得られたダイヤモンドの光学顕微鏡法およびＸ線回折による調査で、得られたダイヤモンドが単結晶であることが確認された。種ダイヤモンドから分離されたＭＰＣＶＤ成長ダイヤモンドの紫外可視／近赤外透過スペクトルは、Ｎ2ガスの存在下で成長させたＭＰＣＶＤダイヤモンドとは異なり、純粋な（ＩＩａ型）ダイヤモンドに匹敵する。
上述のプロセス温度を変えながら実施例１の指針に従って、多くのＭＰＣＶＤダイヤモンドを製造した。これらの実験により、本発明の諸実施形態による成長プロセスにおいて様々な型のダイヤモンドを製造するためのプロセス温度範囲が実証される。
上記方法および装置によって製造されるダイヤモンドは、たとえば、高出力レーザまたはシンクロトロン用途における窓として、高圧装置におけるアンビルとして、切断器具として、伸線ダイスとして、電子機器用構成部品（ヒートシンク、電子デバイス用基板）として、または宝石として有用となるように、十分に大きく、欠陥がなく、半透明である。上記方法および装置によって作製されるダイヤモンドの利用または用途の他の例には、以下が含まれる。
ａ．）耐磨耗材料−水／流体ジェットノズル、切断器具（たとえば、かみそり、ナイフ）、外科手術器具（たとえば、外科手術ブレード、外科手術器具用切断ブレード）、ミクロトーン(microtone)、硬度圧子(hardness indenor)、グラフィカルツール、ｓｔｉｃｈｅｌ、石版片の修理で使用する器具、ミサイルのレードーム、超高速機械で使用する軸受けを含めた軸受け、ダイヤモンド−生体分子デバイス、ミクロトームおよび硬度圧子が含まれるが、これらに限定されない。
ｂ．）光学部品−光学窓、反射器、屈折器、レンズ、回折格子、エタロン、α粒子検出器およびプリズムが含まれるが、これらに限定されない。
ｃ．）電子部品−マイクロチャネル冷却アセンブリ、半導体部品用高純度ＳＣ−ＣＶＤダイヤモンド、半導体部品用不純物添加ＳＣ−ＣＶＤが含まれるが、これらに限定されない。
ｄ．）高圧装置におけるアンビル−複数の光学センサ、電気センサ、磁気センサおよび音響センサと共に使用することができる「Ｋｈｖｏｓｔａｎｔｓｅｖ」または「Ｐａｒｉｓ−Ｅｄｉｎｂｕｒｇｈ」トロイド状アンビル、比較的大きく、可変の高さを有し、優角を有するブリッジマンアンビル［１５］、マルチアンビル(Multianvile)、Ｄｒｉｃｋａｍｅｒセル、ベルト装置、ピストンシリンダ装置、レーザまたは磁気衝撃波の研究用の予圧試料、水素および他の用途向けの無色で平滑なコーティング、レーザまたは磁気衝撃用の試料を予圧するための装置が含まれるが、これらに限定されない。
ｅ．）容器−６つの縁部｛１００｝がめっきされたダイヤモンドを互いに接続して容器を形成することができること、ＣＶＤダイヤモンドコーティングをさらに使用して真空気密容器を形成することができることが含まれるが、これらに限定されない。
ｆ．）レーザ源−安定したＨ３中心（窒素凝集体、Ｎ−Ｖ中心、Ｓｉ中心または他のドーパントを形成するアニーリングＳＣ−ＣＶＤダイヤモンドが含まれるが、これらに限定されない。
ｇ．）超伝導体および導電性ダイヤモンド−Ｈ、Ｌｉ、Ｎ、Ｍｇ、または大きさが炭素の大きさに近い別の低原子量元素などの不純物と共に成長させたＨＰＨＴアニーリングＳＣ−ＣＶＤダイヤモンドが含まれるが、これらに限定されない。
ｈ．）他のＣＶＤダイヤモンド成長用の基板−ＣＶＤ成長用の基板としてＣＶＤ用の板を使用すると、大きい寸法でまた靱性の点で天然またはＨＰＴ基板より有利である（成長時の亀裂を回避するため）。
ａ．）耐磨耗材料−水／流体ジェットノズル、切断器具（たとえば、かみそり、ナイフ）、外科手術器具（たとえば、外科手術ブレード、外科手術器具用切断ブレード）、ミクロトーン(microtone)、硬度圧子(hardness indenor)、グラフィカルツール、ｓｔｉｃｈｅｌ、石版片の修理で使用する器具、ミサイルのレードーム、超高速機械で使用する軸受けを含めた軸受け、ダイヤモンド−生体分子デバイス、ミクロトームおよび硬度圧子が含まれるが、これらに限定されない。
ｂ．）光学部品−光学窓、反射器、屈折器、レンズ、回折格子、エタロン、α粒子検出器およびプリズムが含まれるが、これらに限定されない。
ｃ．）電子部品−マイクロチャネル冷却アセンブリ、半導体部品用高純度ＳＣ−ＣＶＤダイヤモンド、半導体部品用不純物添加ＳＣ−ＣＶＤが含まれるが、これらに限定されない。
ｄ．）高圧装置におけるアンビル−複数の光学センサ、電気センサ、磁気センサおよび音響センサと共に使用することができる「Ｋｈｖｏｓｔａｎｔｓｅｖ」または「Ｐａｒｉｓ−Ｅｄｉｎｂｕｒｇｈ」トロイド状アンビル、比較的大きく、可変の高さを有し、優角を有するブリッジマンアンビル［１５］、マルチアンビル(Multianvile)、Ｄｒｉｃｋａｍｅｒセル、ベルト装置、ピストンシリンダ装置、レーザまたは磁気衝撃波の研究用の予圧試料、水素および他の用途向けの無色で平滑なコーティング、レーザまたは磁気衝撃用の試料を予圧するための装置が含まれるが、これらに限定されない。
ｅ．）容器−６つの縁部｛１００｝がめっきされたダイヤモンドを互いに接続して容器を形成することができること、ＣＶＤダイヤモンドコーティングをさらに使用して真空気密容器を形成することができることが含まれるが、これらに限定されない。
ｆ．）レーザ源−安定したＨ３中心（窒素凝集体、Ｎ−Ｖ中心、Ｓｉ中心または他のドーパントを形成するアニーリングＳＣ−ＣＶＤダイヤモンドが含まれるが、これらに限定されない。
ｇ．）超伝導体および導電性ダイヤモンド−Ｈ、Ｌｉ、Ｎ、Ｍｇ、または大きさが炭素の大きさに近い別の低原子量元素などの不純物と共に成長させたＨＰＨＴアニーリングＳＣ−ＣＶＤダイヤモンドが含まれるが、これらに限定されない。
ｈ．）他のＣＶＤダイヤモンド成長用の基板−ＣＶＤ成長用の基板としてＣＶＤ用の板を使用すると、大きい寸法でまた靱性の点で天然またはＨＰＴ基板より有利である（成長時の亀裂を回避するため）。
一実施形態では、本発明は高圧装置におけるアンビルを対象とし、これらのアンビルはＣＶＤダイヤモンド、好ましくは単結晶ＣＶＤダイヤモンドを含む。単結晶ＣＶＤダイヤモンドを含むアンビルは、炭化タングステンなど他の材料で作製されたアンビルよりも高い圧力で使用することができる。さらに、単結晶ＣＶＤダイヤモンドを含むアンビルは、より多くのより良い試験結果を容易にする際にも有益である。というのは、このダイヤモンドは、中性子、Ｘ線および他の電磁放射に対して透明であるからである。単結晶ＣＶＤダイヤモンドを含むことができるアンビル設計の例には、比較的大きく、可変の高さを有し、優角を有するブリッジマンアンビルを含むがこれらに限定されないブリッジマンアンビル、および［１５］に議論されているアンビルを含むがこれらに限定されないＰａｒｉｓ−Ｅｄｉｎｂｕｒｇｈトロイド状アンビルが含まれる。
別の実施形態では、本発明は、識別マーク（たとえば、名称、日付、番号）をレーザ彫り込みした単結晶ＣＶＤダイヤモンド、およびこのようなダイヤモンドを調製する方法を対象としている。識別マークは、たとえば、線、文字、図または記号の形をとることができ、単結晶ダイヤモンドを調製するためにＣＶＤプロセスを開始する前に、ダイヤモンド基板上にレーザ彫り込みすることができる。マークは、このプロセスにより単結晶ダイヤモンドに転写される。
単結晶ダイヤモンドのレーザ彫り込みには、ダイヤモンドの保証および起源を含むがこれらに限定されない多くの用途がある。レーザ彫り込みを使用して、「デザイナー」宝石、すなわち、文字や記号など顧客が要求するマークが埋め込まれた個人別の宝石を作り出すこともできる。ダイヤモンドに彫り込まれたマークは、研磨して取り除くことはできない。というのは、１つにはこれらのマークがダイヤモンドの奥深くに埋め込まれているからである。
レーザ彫り込み技術の他の用途は、レーザ彫り込みを使用して「黒鉛化された(graphitized)」導電性パスをダイヤモンドに作り出す、埋め込み回路および電気接点の製造を含むことができる。このような局所的レーザ切断は、合成段階時に結晶性の悪いＣＶＤダイヤモンドの不要な領域を取り除く（たとえば、歯医者が虫歯を一掃するのとほぼ同様にして）ためにも役に立つことができる。この後者の用途は、問題のある成長領域を発生することがある非常に大きなダイヤモンドの長時間の合成時に特に重要となることがある。これらの用途は、既にこの分野で見事な成果を上げている。
紫外線（たとえば、エキシマ）レーザ、赤外線レーザ、高出力可視レーザまたは集束Ｘ線レーザを含むがこれらに限定されない様々なレーザを使用して、レーザ彫り込みを行うことができる。本発明の好ましい諸実施形態では、ベルギーのＢｅｔｔｏｎｖｉｌｌｅ ＮＶによって製造された近赤外線（Ｎｄ−ＹＡＧ）レーザを使用して、単結晶ダイヤモンドにマークを彫り込んだ。
上述の用途の変形形態である別の実施形態は、集束イオンまたは電子ビームの使用である。イオンを注入して導電特性を変化させ、ダイヤモンド表面近くに特定の欠陥を導入することができる。たとえば、大変興味深い１つの分野は、量子計算のために窒素欠陥を導入することである。上記の方法を使用して、特定の要素（たとえば、選択的イオン注入）によるまたは電子ビーム（たとえば、制御された欠陥パターニング）による、ダイヤモンドの後に続くオーバーグロース(overgrowth)を用いたウエハまたはブロック内への「書込み」によって、単結晶ダイヤモンド中に独特の化学的性質の領域を作り出すことができる。
上述の方法によって形成したダイヤモンドの色は、アニーリングによって変えることができる。たとえば、黄色または茶色のダイヤモンドをアニールして緑色のダイヤモンドにすることができる。
他の色の単結晶ＣＶＤダイヤモンドを調製することもできる。アンビルで使用するこのようなダイヤモンドの例には以下、
１．）白色を作り出すための、アンビル内部の赤色、緑色および青色のＣＶＤ層の混合、
２．）鮮明な青色を作り出すための、テーブル上の薄いＣＶＤホウ素層のコーティング、ならびに
３．）レインボー効果をもたらすための、黄色い種による部分的な青色および緑色のＣＶＤの使用
が含まれる。
１．）白色を作り出すための、アンビル内部の赤色、緑色および青色のＣＶＤ層の混合、
２．）鮮明な青色を作り出すための、テーブル上の薄いＣＶＤホウ素層のコーティング、ならびに
３．）レインボー効果をもたらすための、黄色い種による部分的な青色および緑色のＣＶＤの使用
が含まれる。
図１２は、水噴射切断装置の断面図を示す。宝石が高圧（たとえば、約５５，０００ｐｓｉ）の水をせき止めて、粘度が高い水の噴流を形成する。次いで、この水の噴流が、研磨剤が導入されるベンチュリ(venturi)に入る。次いで、研磨剤、水および空気の混合物が混合管内で混ざって、鋼またはほぼ任意の他の材料を切断することができる噴流を形成する。予想外ではないが、宝石および混合管は莫大な圧力下に置かれ、したがって水の急流を受ける。このことは、研磨剤が存在するため混合管に特に当てはまる。一実施形態では、混合管および宝石が、前述の方法によって製造された単結晶ＣＶＤダイヤモンドを含む。別の実施形態では、この水噴射の他の構成要素が単結晶ＣＶＤダイヤモンドを含む。
図１３は、単結晶ＣＶＤダイヤモンドを備える立方容器の構成を示す。このような容器は、たとえば、上述のＣＶＤ技法を用いて３つの別々の｛１００｝面を６つ有する板をＣＶＤダイヤモンドでコーティングすることによって製造することができる。コーティング前の面板は、ＣＶＤダイヤモンド、単結晶ＣＶＤダイヤモンド、ＨＰＨＴダイヤモンドまたは天然ダイヤモンドでよい。これらの面板は基本的に、ＣＶＤダイヤモンドがコーティングされる種として働く。次いで、面積がより小さく薄い板を、レーザによって作り出したほぼ正方形の孔を含む面積がより大きくより厚い板の上に設置することができる。次いで、この組立体全体を蒸着チャンバに戻し、そこで｛１００｝面すべてに沿った追加のＣＶＤダイヤモンドコーティングによりこれらの部品を互いに密封することができる。
図１４は、共に階段状に設置した２枚の板上にＣＶＤダイヤモンド成長させる別の容器デザインを示す。最終的には、より小さい板の段階的なモザイク的融合により、より大きな板を作製する。これらの板のすべてが３つの｛１００｝面を有し、同じ方向に整列している（すなわち、互いに１０度以内に整列している）場合には、これらの板は上面で互いにうまく融合することになる。この方法を用いて作製したより大きい板は、たとえば、さらなるＣＶＤダイヤモンド成長のための種として使用することができる。
図１５ａ）は、結合リングで支持されているダイヤモンドアンビルセルおよびガスケットを示す。
図１５ｂ）は、斜めに切断した(beveled)ダイヤモンドアンビルを示す。太い線は、性能を最大限に発揮するように機械加工されるアンビル表面の形状を示す。これは、以前は炭化タングステンで作製されていたトロイド型のデザインである。
本発明は、その精神または基本的な特徴から逸脱することなく、いくつかの形で具体化することができるが、上述の諸実施形態は特に定めのない限り上記説明の詳細のいずれによっても限定されず、正しくは添付の特許請求の範囲に記載の本発明の精神および範囲内で広く解釈されるべきであり、したがって特許請求の範囲の要素および範囲内にある変形形態および変更形態、あるいはこのような要素および範囲の均等物はすべて、添付の特許請求の範囲に包含されるものであることも理解されたい。
（参考文献）
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１００ ダイヤモンド製造システム
１０２ 蒸着装置
１０４ マイクロ波プラズマ化学気相成長（ＭＰＣＶＤ）システム
１０６ 反応物およびプラズマの制御機器
１０８ ベルジャー
１２０ 試料ホルダアセンブリ
１２２ 蒸着チャンバ床面
１２４ ステージ
１２６ ボルト
１２８ 冷却剤用パイプ
１３０ リング一式
１３１ ねじ
１３２ コレット
１３４ シース
１３６ ダイヤモンド
１３８ 種ダイヤモンド部分
１４０ 成長ダイヤモンド部分
１４１ プラズマ
１４２ 赤外線高温計
１４４ ＭＰＣＶＤプロセスコントローラ
１４６ 主要プロセスコントローラ
１４８ 冷却剤コントローラ
１０２ 蒸着装置
１０４ マイクロ波プラズマ化学気相成長（ＭＰＣＶＤ）システム
１０６ 反応物およびプラズマの制御機器
１０８ ベルジャー
１２０ 試料ホルダアセンブリ
１２２ 蒸着チャンバ床面
１２４ ステージ
１２６ ボルト
１２８ 冷却剤用パイプ
１３０ リング一式
１３１ ねじ
１３２ コレット
１３４ シース
１３６ ダイヤモンド
１３８ 種ダイヤモンド部分
１４０ 成長ダイヤモンド部分
１４１ プラズマ
１４２ 赤外線高温計
１４４ ＭＰＣＶＤプロセスコントローラ
１４６ 主要プロセスコントローラ
１４８ 冷却剤コントローラ
Claims (42)
- 単結晶ダイヤモンドを含むノズルであって、前記単結晶ダイヤモンドが以下を含む方法によって製造される、ノズル。
ｉ）成長ダイヤモンド結晶の温度が９００〜１４００℃の範囲内にあるように、また高融点および高熱伝導率を有する材料で作製されたヒートシンクホルダ内にダイヤモンドを取り付けて、前記ダイヤモンドの成長表面の温度勾配を最小限に抑えるように、前記ダイヤモンドの前記成長表面の温度を制御すること、および
ｉｉ）単位Ｈ2当たり約８％から約３０％を超えるＣＨ4を含み１５０ｔｏｒｒを超える雰囲気を有する蒸着チャンバ内で、ダイヤモンドの前記成長表面上にマイクロ波プラズマ化学気相成長によって単結晶ダイヤモンドを成長させること - 前記ヒートシンクホルダがモリブデンを含む、請求項１に記載のノズル。
- 前記ダイヤモンドの前記成長表面に亘る温度勾配がすべて約３０℃未満である、請求項１に記載のノズル。
- 前記ダイヤモンドの前記成長表面に亘る温度勾配がすべて約２０℃未満である、請求項３に記載のノズル。
- 前記単結晶ダイヤモンドが、前記蒸着チャンバ雰囲気中で単位ＣＨ4当たり約５〜約２５％のＯ2を使用することをさらに含む方法によって製造される、請求項１に記載のノズル。
- 高圧水噴射切断装置で使用される、請求項１に記載のノズル。
- 単結晶ダイヤモンドを含む切断エッジを備える外科手術器具用切断ブレードであって、前記単結晶ダイヤモンドが以下を含む方法によって製造された、切断ブレード。
ｉ）成長ダイヤモンド結晶の温度が９００〜１４００℃の範囲内にあるように、また高融点および高熱伝導率を有する材料で作製されたヒートシンクホルダ内にダイヤモンドを取り付けて、前記ダイヤモンドの成長表面の温度勾配を最小限に抑えるように、前記ダイヤモンドの前記成長表面の温度を制御すること、および
ｉｉ）単位Ｈ2当たり約８％から約３０％を超えるＣＨ4を含み１５０ｔｏｒｒを超える雰囲気を有する蒸着チャンバ内で、ダイヤモンドの前記成長表面上にマイクロ波プラズマ化学気相成長によって単結晶ダイヤモンドを成長させること - 前記ヒートシンクホルダがモリブデンを含む、請求項７に記載の切断ブレード。
- 前記ダイヤモンドの前記成長表面に亘る温度勾配がすべて約３０℃未満である、請求項７に記載の切断ブレード。
- 前記ダイヤモンドの前記成長表面に亘る温度勾配がすべて約２０℃未満である、請求項９に記載の切断ブレード。
- 前記単結晶ダイヤモンドが、前記蒸着チャンバ雰囲気中で単位ＣＨ4当たり約５〜約２５％のＯ2を使用することをさらに含む方法によって製造される、請求項７に記載の切断ブレード。
- 単結晶ダイヤモンドを含む切断エッジを備える切断器具であって、前記単結晶ダイヤモンドが以下を含む方法によって製造された、切断器具。
ｉ）成長ダイヤモンド結晶の温度が９００〜１４００℃の範囲内にあるように、また高融点および高熱伝導率を有する材料で作製されたヒートシンクホルダ内にダイヤモンドを取り付けて、前記ダイヤモンドの成長表面の温度勾配を最小限に抑えるように、前記ダイヤモンドの前記成長表面の温度を制御すること、および
ｉｉ）単位Ｈ2当たり約８％から約３０％を超えるＣＨ4を含み１５０ｔｏｒｒを超える雰囲気を有する蒸着チャンバ内で、ダイヤモンドの前記成長表面上にマイクロ波プラズマ化学気相成長によって単結晶ダイヤモンドを成長させること - 前記ヒートシンクホルダがモリブデンを含む、請求項１２に記載の切断器具。
- 前記ダイヤモンドの前記成長表面に亘る温度勾配がすべて約３０℃未満である、請求項１２に記載の切断器具。
- 前記ダイヤモンドの前記成長表面に亘る温度勾配がすべて約２０℃未満である、請求項１４に記載の切断器具。
- 前記単結晶ダイヤモンドが、前記蒸着チャンバ雰囲気中で単位ＣＨ4当たり約５〜約２５％のＯ2を使用することをさらに含む方法によって製造される、請求項１２に記載の切断器具。
- 単結晶ダイヤモンドを含む伸線ダイスであって、前記単結晶ダイヤモンドが以下を含む方法によって製造された、伸線ダイス。
ｉ）成長ダイヤモンド結晶の温度が９００〜１４００℃の範囲内にあるように、また高融点および高熱伝導率を有する材料で作製されたヒートシンクホルダ内にダイヤモンドを取り付けて、前記ダイヤモンドの成長表面の温度勾配を最小限に抑えるように、前記ダイヤモンドの前記成長表面の温度を制御すること、および
ｉｉ）単位Ｈ2当たり約８％から約３０％を超えるＣＨ4を含み１５０ｔｏｒｒを超える雰囲気を有する蒸着チャンバ内で、ダイヤモンドの前記成長表面上にマイクロ波プラズマ化学気相成長によって単結晶ダイヤモンドを成長させること - 前記ヒートシンクホルダがモリブデンを含む、請求項１７に記載の伸線ダイス。
- 前記ダイヤモンドの前記成長表面に亘る温度勾配がすべて約３０℃未満である、請求項１７に記載の伸線ダイス。
- 前記ダイヤモンドの前記成長表面に亘る温度勾配がすべて約２０℃未満である、請求項１９に記載の伸線ダイス。
- 前記単結晶ダイヤモンドが、前記蒸着チャンバ雰囲気中で単位ＣＨ4当たり約５〜約２５％のＯ2を使用することをさらに含む方法によって製造される、請求項１７に記載の伸線ダイス。
- 単結晶ダイヤモンドを含む軸受けであって、前記単結晶ダイヤモンドが以下を含む方法によって製造された、軸受け。
ｉ）成長ダイヤモンド結晶の温度が９００〜１４００℃の範囲内にあるように、また高融点および高熱伝導率を有する材料で作製されたヒートシンクホルダ内にダイヤモンドを取り付けて、前記ダイヤモンドの成長表面の温度勾配を最小限に抑えるように、前記ダイヤモンドの前記成長表面の温度を制御すること、および
ｉｉ）単位Ｈ2当たり約８％から約３０％を超えるＣＨ4を含み１５０ｔｏｒｒを超える雰囲気を有する蒸着チャンバ内で、ダイヤモンドの前記成長表面上にマイクロ波プラズマ化学気相成長によって単結晶ダイヤモンドを成長させること - 前記ヒートシンクホルダがモリブデンを含む、請求項２２に記載の軸受け。
- 前記ダイヤモンドの前記成長表面に亘る温度勾配がすべて約３０℃未満である、請求項２２に記載の軸受けダイス。
- 前記ダイヤモンドの前記成長表面に亘る温度勾配がすべて約２０℃未満である、請求項２４に記載の軸受け。
- 前記単結晶ダイヤモンドが、前記蒸着チャンバ雰囲気中で単位ＣＨ4当たり約５〜約２５％のＯ2を使用することをさらに含む方法によって製造される、請求項２２に記載の軸受け。
- 単結晶ダイヤモンドを含むダイヤモンドアンビルであって、前記単結晶ダイヤモンドが以下を含む方法によって製造された、ダイヤモンドアンビル。
ｉ）成長ダイヤモンド結晶の温度が９００〜１４００℃の範囲内にあるように、また高融点および高熱伝導率を有する材料で作製されたヒートシンクホルダ内にダイヤモンドを取り付けて、前記ダイヤモンドの成長表面の温度勾配を最小限に抑えるように、前記ダイヤモンドの前記成長表面の温度を制御すること、および
ｉｉ）単位Ｈ2当たり約８％から約３０％を超えるＣＨ4を含み１５０ｔｏｒｒを超える雰囲気を有する蒸着チャンバ内で、ダイヤモンドの前記成長表面上にマイクロ波プラズマ化学気相成長によって単結晶ダイヤモンドを成長させること - 前記ヒートシンクホルダがモリブデンを含む、請求項２７に記載のダイヤモンドアンビル。
- 前記ダイヤモンドの前記成長表面に亘る温度勾配がすべて約３０℃未満である、請求項２７に記載のダイヤモンドアンビル。
- 前記ダイヤモンドの前記成長表面に亘る温度勾配がすべて約２０℃未満である、請求項２９に記載のダイヤモンドアンビル。
- 前記単結晶ダイヤモンドが、前記蒸着チャンバ雰囲気中で単位ＣＨ4当たり約５〜約２５％のＯ2を使用することをさらに含む方法によって製造される、請求項２７に記載のダイヤモンドアンビル。
- 前記単結晶ダイヤモンドが実質的には無色である、請求項２７に記載のダイヤモンドアンビル。
- ブリッジマンアンビルである、請求項２７に記載のダイヤモンドアンビル。
- Ｐａｒｉｓ−Ｅｄｉｎｂｕｒｇｈトロイド状アンビルである、請求項２７に記載のダイヤモンドアンビル。
- 単結晶ダイヤモンドを含むエタロンであって、前記単結晶ダイヤモンドが以下を含む方法によって製造された、エタロン。
ｉ）成長ダイヤモンド結晶の温度が９００〜１４００℃の範囲内にあるように、また高融点および高熱伝導率を有する材料で作製されたヒートシンクホルダ内にダイヤモンドを取り付けて、前記ダイヤモンドの成長表面の温度勾配を最小限に抑えるように、前記ダイヤモンドの前記成長表面の温度を制御すること、および
ｉｉ）単位Ｈ2当たり約８％から約３０％を超えるＣＨ4を含み１５０ｔｏｒｒを超える雰囲気を有する蒸着チャンバ内で、ダイヤモンドの前記成長表面上にマイクロ波プラズマ化学気相成長によって単結晶ダイヤモンドを成長させること - 前記単結晶ダイヤモンドが、前記蒸着チャンバ雰囲気中で単位ＣＨ4当たり約５〜約２５％のＯ2を使用することをさらに含む方法によって製造される、請求項３５に記載のエタロン。
- 単結晶ダイヤモンドを含む光学窓であって、前記単結晶ダイヤモンドが以下を含む方法によって製造された、光学窓。
ｉ）成長ダイヤモンド結晶の温度が９００〜１４００℃の範囲内にあるように、また高融点および高熱伝導率を有する材料で作製されたヒートシンクホルダ内にダイヤモンドを取り付けて、前記ダイヤモンドの成長表面の温度勾配を最小限に抑えるように、前記ダイヤモンドの前記成長表面の温度を制御すること、および
ｉｉ）単位Ｈ2当たり約８％から約３０％を超えるＣＨ4を含み１５０ｔｏｒｒを超える雰囲気を有する蒸着チャンバ内で、ダイヤモンドの前記成長表面上にマイクロ波プラズマ化学気相成長によって単結晶ダイヤモンドを成長させること - 前記単結晶ダイヤモンドが、前記蒸着チャンバ雰囲気中で単位ＣＨ4当たり約５〜約２５％のＯ2を使用することをさらに含む方法によって製造される、請求項３７に記載の光学窓。
- 単結晶ダイヤモンドを含むα粒子検出器であって、前記単結晶ダイヤモンドが以下を含む方法によって製造された、α粒子検出器。
ｉ）成長ダイヤモンド結晶の温度が９００〜１４００℃の範囲内にあるように、また高融点および高熱伝導率を有する材料で作製されたヒートシンクホルダ内にダイヤモンドを取り付けて、前記ダイヤモンドの成長表面の温度勾配を最小限に抑えるように、前記ダイヤモンドの前記成長表面の温度を制御すること、および
ｉｉ）単位Ｈ2当たり約８％から約３０％を超えるＣＨ4を含み１５０ｔｏｒｒを超える雰囲気を有する蒸着チャンバ内で、ダイヤモンドの前記成長表面上にマイクロ波プラズマ化学気相成長によって単結晶ダイヤモンドを成長させること - 前記単結晶ダイヤモンドが、前記蒸着チャンバ雰囲気中で単位ＣＨ4当たり約５〜約２５％のＯ2を使用することをさらに含む方法によって製造される、請求項３９に記載のα粒子検出器。
- 以下を含む方法によって製造されるレーザ彫り込み単結晶ダイヤモンド。
ｉ）単結晶ダイヤモンドを作製するためにＣＶＤプロセスを開始する前に、ダイヤモンド基板上にマークをレーザ彫り込みすること、
ｉｉ）成長ダイヤモンド結晶の温度が９００〜１４００℃の範囲内にあるように、また高融点および高熱伝導率を有する材料で作製されたヒートシンクホルダ内にダイヤモンドを取り付けて、前記ダイヤモンドの成長表面の温度勾配を最小限に抑えるように、前記ダイヤモンドの前記成長表面の温度を制御すること、および
ｉｉｉ）単位Ｈ2当たり約８％から約３０％を超えるＣＨ4を含み１５０ｔｏｒｒを超える雰囲気を有する蒸着チャンバ内でダイヤモンドの前記成長表面上にマイクロ波プラズマ化学気相成長によって単結晶ダイヤモンドを成長させること - 前記単結晶ダイヤモンドが、前記蒸着チャンバ雰囲気中で単位ＣＨ4当たり約５〜約２５％のＯ2を使用することをさらに含む方法によって製造される、請求項４１に記載のレーザ彫り込み単結晶ダイヤモンド。
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