JP2011168487A - 単結晶ダイヤモンド - Google Patents

Abstract

【課題】化学蒸着（ＣＶＤ）による大面積の単結晶ダイヤモンドプレートの製造方法を提供する。
【解決手段】化学蒸着によりダイヤモンド基体上にホモエピタキシャル成長したダイヤモンドを、ダイヤモンド成長が起こった基体の表面を横切って切り離すことにより得られる単結晶ダイヤモンドプレートであって、それの向かい合う側に主表面を有し且つそれら主表面と交差する転位を有している該ダイヤモンドプレートにおいて、主表面と交差する前記転位の密度が、５０／ｍｍ^２を超えておらず、そして、少なくとも１つの長さ寸法が１０ｍｍを超えている
【選択図】なし

Description

（発明の背景）
本発明は、単結晶ダイヤモンドに関する。

ダイヤモンドは、光伝送、熱伝導性、剛性、耐磨耗性及びそれの電子特性を含む、ある範囲の独特の特性を提供する。ダイヤモンドの機械的特性の多くは、１つ以上のタイプのダイヤモンドで実現することができるが、他の特性は、使用されるダイヤモンドのタイプに対して非常に敏感である。例えば、最も優れた電子特性に関し、化学蒸着（ＣＶＤ）による単結晶ダイヤモンドは重要であり、しばしば、多結晶の化学蒸着によるダイヤモンド、高圧高温（ＨＰＨＴ）によるダイヤモンド、及び天然ダイヤモンドよりも性能が優れている。
ダイヤモンドの多くの用途において、入手可能なダイヤモンドの制限されている横方向寸法は、実質的制限がある。多結晶の化学蒸着によるダイヤモンド層は、多結晶構造が用途に適している場合の用途に対するこの問題を実質的に取り除いた。しかし、多くの用途において、多結晶ダイヤモンドは適切でない。

天然ダイヤモンド及び高圧高温によるダイヤモンドは、幾つかの用途には適さないことがあるが、それらダイヤモンドは、基体であって、その上に化学蒸着によるダイヤモンドを成長させるための基体として用いられる。基体は、種々の結晶配向(crystallographic orientation)を有している場合があるが、化学蒸着による高品質ダイヤモンドを成長させるためにつくられる最大で最も適している基体の配向は、概して（００１）である。本明細書を通して、軸ｘ，ｙ，ｚに基づく平面を定義するミラー指数｛ｈｋｌ｝は、ｚ方向が基体表面に対して垂直で、成長方向に対して平行なものであると仮定して記載される。その場合、軸ｘ，ｙは、基体の平面内にあり、しかも、対称性により概して同等であるが、軸ｚとは成長方向のために区別される。

大きい天然の単結晶ダイヤモンドは非常に希少で高価である。また、化学蒸着によるダイヤモンド成長に適した大きい天然のダイヤモンド基体プレートは、それら基体板の製作及び用途に関連する経済的リスクが非常に高いために、例証されていない。天然ダイヤモンドはしばしば、歪んでいて欠陥があり、とりわけ、より大きい基体プレートではそうである。このため、合成を行う間、双晶及び、化学蒸着による結晶成長(overgrowth)又は欠損(fracture)に関する他の問題が生じる。加えて、天然ダイヤモンドの基体において支配的である転位は、ＣＶＤの層において繰り返され、また、該層の電子特性を低下させる。

高圧高温で合成されたダイヤモンドもまた、大きさで制限され、しかも、より大きいダイヤモンドでは概して品質がいっそう劣っており、包含物は大きな問題となっている。合成ダイヤモンドで作成されたより大きいプレートは一般に角(corners)が欠けているので、｛１００｝以外のエッジ小平面（例えば、｛１１０｝）が存在しているか、又はそれらエッジ小平面が含まれているか若しくは歪んでいる。合成を行う間、更なる小平面、例えば、（００１）頂面と｛１１０｝側部小平面の間に存在する｛１１１｝（添付図面の図１を参照）が形成される。近年、モノクロメーター等の用途のために高圧高温による高品質のＨＰＨＴダイヤモンドを合成することに、著しい努力が向けられてきており、幾つかの進歩状況が報告されてきたが、基体に適した、高圧高温によるプレートの大きさは制限されたままである。

とりわけ｛１１１｝面は、化学蒸着により厚い層を合成する間、双晶を形成し、完全な単結晶成長の面積を制限し、また、合成を行う間、しばしば、劣化を引き起こして欠損さえ引き起こし、更に、成長温度に起因する熱応力によって悪化することが一般に知られている。｛１１１｝上に双晶が形成されると、とりわけ、（００１）主表面で作成され｛１００｝側面により範囲が定められることのある最大のプレートの大きさを増大させることが妨げられる。
通常入手することのできる（００１）基体は、｛１００｝エッジによって範囲が定められる場合、約７ｍｍ^２以下の範囲であり、｛１００｝エッジ及び｛１１０｝エッジによって範囲が定められる場合、主表面を横切って、約８．５ｍｍ以下の範囲である。

ダイヤモンドの化学蒸着によるホモエピタキシャル合成は、既存のダイヤモンドプレートの上に化学蒸着によるエピタキシャル成長を包含しており、文献に詳しく記載されている。この合成は、もちろん依然として、既存のダイヤモンドプレートの有用性によって制限される。より大きい面積を達成するために、焦点は、結晶成長したプレート（overgrown plate）の全ての領域を横方向に成長させ、更に、増大させることであった。そのような方法は、ＥＰ０８７９９０４号明細書に記載されている。
ホモエピタキシャル成長に対する代替案は、ヘテロエピタキシャル成長であり、ヘテロエピタキシャル成長において、非ダイヤモンド基体が、エピタキシャル関係によって成長する。しかし、報告されている全てのケースにおいて、このプロセスの生成物は、ホモエピタキシャル成長のものとは全く異なっており、高度に配向しているが正確には配向していない領域(domain)の間に小さい角度の境界を有している。これら境界によって、ダイヤモンドの諸特性は著しく低下する。

化学蒸着板の面積を広くする、ダイヤモンドのホモエピタキシャル成長は、多くの困難を引き起こす。
もし、ダイヤモンドプレート上に理想的なホモエピタキシャル成長を達成することが可能であるならば、達成された該ホモエピタキシャル成長は、実質的に添付図面の図１及び図２に例示されるものである。例示されるその成長形態は、競合する多結晶ダイヤモンド成長が全く存在しないものと考えられる。しかし、実際には、一般に多結晶成長による競合は存在し、その多結晶成長は、表面であってそれに接してダイヤモンド基体のプレートが置かれている該表面から成長する。このことは、添付図面の図３に例示する。

図３に関し、ダイヤモンド基体１０は、表面１２の上に置かれて与えられる。表面１２のための例示的材料には、モリブデン、タングステン、シリコン及び炭化ケイ素が包含される。化学蒸着によりダイヤモンドが成長する間、単結晶ダイヤモンド成長が、（００１）面１４及び側表面で起こり、それら側表面１６の２つは図示されている。側表面１６は、｛０１０｝面である。成長はまた、基体の角及び頂点１８でも起こり、該基体から外へ向かって延びる。そのような成長は全て、ホモエピタキシャル単結晶成長になる。基体に存在する各々の表面の上の該成長、及び、成長している間に生じるあらゆる新しい表面の上の該成長は、成長セクターを構成する。例えば、図３におけるダイヤモンド成長２４は、｛１０１｝平面から生じ、従って、｛１０１｝成長セクターである。

ホモエピタキシャル単結晶成長と競合することは、表面１２で生じる多結晶ダイヤモンド成長２０になるであろう。表面１４上に生成する単結晶ダイヤモンド層の厚さに依っては、図３に例示するように、多結晶ダイヤモンド成長２０は恐らく、線２２に沿って成長するホモエピタキシャル単結晶ダイヤモンド成長と接触するであろう。

図２に基づくと、人は、基体の側面の表面上で完全に横方向の成長が、元の基体の材料を含有するより大きい基体を作るのに用いることができると期待するかも知れない。しかし、図３から明らかなように、そのようなプレートは現実には、競合する多結晶ダイヤモンド成長を含んでいる。プレートは、元の基体に対して平行に作られるが、成長層がより高くなると、双晶を包含するものと思われ、とりわけ、｛１１１｝成長セクターにおける材料からはそうであると思われる。
多結晶ダイヤモンドが単結晶ダイヤモンドと競合しない成長条件下では、ダイヤモンド基体のエッジに存在している異なる形状及び作業条件が多結晶成長を抑制するのに用いられる方法によって悪化される結果として、横方向の単結晶成長の質が、概して乏しくなるという問題が依然として残る。

化学蒸着によるダイヤモンド成長のために使用される基体の欠陥(defects)は、その上に成長する層の中に複製する。明らかに、そのプロセスは、ホモエピタキシャル成長であるので、双晶等の領域は、新たな成長に引き継がれる。加えて、転位等の構造は、引き継がれるが、なぜなら、まさにその本質から、線状転位は、簡単には自己終結することはできず、しかも、２つの向かい合う転位が消滅する可能性は非常に小さいからである。成長プロセスが始まる度に、更なる転位が、主として表面上の異質部分に形成される。それら異質部分は、ピット(pit)、塵粒(dust particle)、成長セクターの境界等である場合がある。このように、単結晶のＣＶＤによるダイヤモンドの基体において、転位は、特殊な問題であり、１つのプロセスからの結晶成長が次の成長のための基体として用いられる一連の成長において、転位密度は実質的に増大する傾向がある。

（発明の概要）
本発明による、単結晶ダイヤモンドのプレートを製造する方法は、実質的に表面欠陥のない表面を有するダイヤモンド基体を与える工程；化学蒸着（ＣＶＤ）によって、前記表面上にホモエピタキシャル成長によりダイヤモンドを成長させる工程；及び、化学蒸着によってホモエピタキシャル成長した前記ダイヤモンドと、ダイヤモンド成長が生じた前記基体の表面を、典型的には該基体表面に垂直に（即ち、９０°又は約９０°で）、横切る前記基体とを切り離して、化学蒸着による単結晶ダイヤモンドのプレートを製造する工程と；を包含する。

基体表面上の、化学蒸着によるダイヤモンドのホモエピタキシャル成長は、ＷＯ０１／９６６３４号明細書に記載されている方法によって起こるのが好ましい。この方法を用いれば、とりわけ、基体上に厚くて高純度の単結晶ダイヤモンドを成長させることが可能である。１０ｍｍより大きい、好ましくは１２ｍｍより大きい、また、より好ましくは１５ｍｍより大きい、化学蒸着によりホモエピタキシャル成長したダイヤモンドの成長厚さを達成することができる。このように、本発明の方法によって、１０ｍｍを超える、好ましくは１２ｍｍを超える、また、より好ましくは１５ｍｍを超える少なくとも１つの長さ寸法を有する、化学蒸着による単結晶ダイヤモンドプレートを製造することが可能である。「長さ寸法」は、主表面上の、又は主表面近辺の２つの地点の間で測定された長さ測定値であれば如何なるものも意味する。例えば、そのような長さ寸法は、基体のエッジの長さ；１つのエッジ若しくは該エッジ上の地点から、もう１つのエッジ若しくは該エッジ上のもう１つの地点までの測定値；軸；又は、他の類似の測定値；である場合もある。

とりわけ、本発明の方法によって、１０ｍｍを超える、好ましくは１２ｍｍを超える、また、より好ましくは１５ｍｍを超える少なくとも１つの長さ寸法（例えば、＜１００＞エッジの長さ寸法）を有する｛１００｝側表面又は面により範囲が定められている、矩形（００１）の単結晶ダイヤモンドプレートを製造することが可能である。
その場合、本方法によって製造された、化学蒸着による単結晶ダイヤモンドのプレートはそれ自体、本発明の方法における基体として使用することができる。化学蒸着による厚い単結晶ダイヤモンドは、該ダイヤモンドプレートの主表面の上にホモエピタキシャル的に成長させることができる。

本発明は、もう１つの面によって、化学蒸着による（００１）単結晶ダイヤモンドプレートであって、それの向かい合う側に、｛１００｝側表面により範囲が定められている主表面を有している該プレート即ち、主表面が｛００１｝面であるプレートであって、各々の主表面が、１０ｍｍを超える少なくとも１つの長さ寸法を有している該プレート；を提供する。本発明の１つの形体において、プレートは、矩形、方形、平行四辺形、又は類似形状を有しており、該プレートの側表面の少なくとも１つ（好ましくは、両方の側表面）は、１０ｍｍを超える、好ましくは１２ｍｍを超える、また、更に好ましくは１５ｍｍを超える寸法を有している。最も好ましいのは、１０ｍｍを超えるプレートのエッジ寸法（又は複数のエッジ寸法）が＜１００＞方向にあるような具合に、これら側表面が｛１００｝の表面又は面であることである。更に、本発明の方法は、ダイヤモンドの大きいプレート又は大きい断片であって、それから｛１００｝側表面及び｛００１｝主表面によって範囲が定められるそのようなプレートを作成することができる該プレート又は断片を提供する。

ダイヤモンド基体の表面に起こるダイヤモンドのホモエピタキシャル成長において、その表面の如何なる転位又は欠陥も、又は基体との界面に生じる如何なる転位又は欠陥も、又は基体のエッジから生じる如何なる転位又は欠陥も、ダイヤモンド成長では概して垂直に伝播する(propagate)。従って、切り離し工程を、ダイヤモンド成長が起こった表面に対して実質的に垂直に行う場合、切り離された表面は、該表面と交差する該材料の内部に転位を実質的に全く有さない。なぜなら、それら転位は、該表面に対して概して平行に進んでいるからである。従って、該材料の体積の転位密度の減少化は、この新たなプレートを基体として使用する方法を繰返すことによって達成することができ、また、その結果、この基体に対して垂直に切り取られたプレートであれば如何なるプレートの主表面でも切り取ることによって、転位密度の更なる減少化が達成される。更に、存在している転位が、主表面に対して概して垂直ではなく、主表面に対して概して平行に進んでいるプレートによって恩恵を受ける用途がある。

概して、化学蒸着による最高品質の成長は、垂直な成長セクター（１００）内に含まれているものである。更に、基体のエッジは、転位を形成することがあり、これら転位は概して上向きに垂直に生じるので、その場合、化学蒸着による成長の最高品質の体積は、基体のエッジから立ち上がっている垂直平面によって範囲が定められるものとなる。本発明の方法によると、完全にこの体積内部から１つ以上の新しい大面積プレートを作成することが可能となり、このようにして、プレート内部の欠陥は最小限に抑えられ、しかも、それの結晶品質は最大となる。

本発明の種々の特徴を組み合わせると、出発基体材料よりも転位密度がより低く；しかも、本方法が繰り返される回数によってのみ、転位密度の下限が設定される；ダイヤモンドを造ることが可能となる。とりわけ、本発明の大面積プレートと、続いてそのプレートの上に合成されるあらゆる層とは、５０／ｍｍ^２未満、好ましくは２０／ｍｍ^２未満、更に好ましくは１０／ｍｍ^２未満、なお更に好ましくは５／ｍｍ^２未満である転位密度を有することがあり、典型的には、成長方向に対して垂直な表面（この表面は概して、化学蒸着によるダイヤモンドでは最大の転位密度を示す）と交差している。欠陥密度は、（暴露プラズマエッチングと呼ばれる）欠陥を暴露するように最適化されたプラズマエッチング又は化学的エッチングを使用した後（例えば、ＷＯ０１／９６６３４号明細書に記載されているタイプの、短いプラズマエッチングを使用した後）、光学的評価を行うことによって非常に容易に特徴付けられる。加えて、プレートの主表面と交差している転位密度が一番の関心事である用途に関し、その場合には、本発明の方法によって作成されるプレートは、５０／ｍｍ^２未満、好ましくは２０／ｍｍ^２未満、いっそう好ましくは１０／ｍｍ^２未満、また、更にいっそう好ましくは５／ｍｍ^２未満である、それの主表面の上の転位密度を示すことがある。

基体が、天然基体又は高圧高温による合成基体である場合、垂直に切り取られたプレートが元の基体からの材料を含有することは、通常、好都合ではないとは言え、このことは行われることがある。基体それ自体が、化学蒸着によるダイヤモンドプレートであって、それ自体本方法によって造られていることもある該プレートである場合、このプレートの中に基体からの材料を含有することは好都合である場合がある。

ダイヤモンドプレートであって、その上に理想的なホモエピタキシャルダイヤモンド成長が起こった該ダイヤモンドプレートの概略斜視図である。 図１の線２−２に沿った断面図である。 単結晶ダイヤモンド成長及び多結晶ダイヤモンド成長を例証する、ダイヤモンドプレートを通る断面図である。 ダイヤモンドプレートであって、その上に本発明の具体例によってホモエピタキシャルダイヤモンド成長が起こった該ダイヤモンドプレートを通る断面図である。 ダイヤモンドプレートの主表面に対する転位方向の角度αを示す該ダイヤモンド板の概略図である。 ダイヤモンドプレートの主表面に対して垂直な転位方向の角度βを示す該ダイヤモンドプレートの概略図である。

（具体例の記述）
次に、添付図面を参照しながら本発明の具体例を記述する。図４に関し、ダイヤモンドプレート３０が与えられている。ダイヤモンドプレート３０は、単結晶ダイヤモンドのプレートである。上部表面３２は（００１）面であり、側表面３４は｛０１０｝面である。表面３２には、実質的に表面欠陥がない；より詳しく言えば、ＷＯ（国際公開）０１／９６６３４号明細書に記載されているような結晶欠陥が実質的にない。
ＷＯ０１／９６６３４号明細書に記載の方法によると、ダイヤモンド成長３６は、ダイヤモンド基体３０の上に起こる。このダイヤモンド成長は、上部表面３２の上に垂直に；基体３０の角３８から外に向かって；また、側表面３４から外に向かって；起こる。このダイヤモンド成長は通常、高品質のホモエピタキシャル単結晶であるとは言え、先に記述したように、｛１１１｝上には転位及び双晶が存在することがある。
表面に接して基体が置かれている該表面の上には、ある種の多結晶ダイヤモンド成長が生じる。この多結晶ダイヤモンド成長は、ダイヤモンド成長領域３６の厚さにもよるが、この領域の下部表面４０と接触する。
ひとたび所望の厚さのダイヤモンド成長３６が生じてしまえば、ダイヤモンド成長領域３６及び基体３０は、線４４によって例示されるように、表面３２に対して垂直に（約９０°で）切り離す。このことによって、高品質の単結晶ダイヤモンドのプレート４６が製造される。元の基体とダイヤモンド成長の間の界面は、実際的には、その試料のバルクから見分けがつかない。元の基体材料は、プレート４６の一部分を成すこともあり、又はそれから取り除くこともある。１枚より多いプレートであって、各々のプレートが次のプレートに平行であり、基体に対して垂直であるそれらプレートを製造することができる。

ＷＯ０１／９６６３４号明細書に記載の方法を用いれば、深さが１０ｍｍを超えるダイヤモンド成長領域３６を製造することが可能である。従って、製造されるダイヤモンドプレート４６は、長さが１０ｍｍを超える側表面４８を有する。
板４６は、本発明の方法のための基体として用いることができる。従って、板４６が、長さが１０ｍｍより大きい側表面４８を有し、しかも、厚さが１０ｍｍを超えるダイヤモンド成長が、該プレートの主表面５０の上に造られている場合、方形、矩形又は類似形状のプレートであって、４つの側表面全てが長さが１０ｍｍを超えている該プレートを造ることが可能である。

図４における切り離し工程は、表面３２に対して垂直に行うように示されている。切り離し工程は、基体に対して平行であるプレートを除き、表面３２に対して垂直以外の角度で行うことができる。基体に対して垂直以外の角度で造られたプレートであって、基体が（００１）主表面を有する該プレートは、｛１００｝以外の主表面、例えば、｛１１０｝、｛１１３｝、｛１１１｝又はより大きい順位の面を有している。
更に、図４の切り離し面４４に対して直角である面であって、｛１００｝主表面を有するプレートともなる該面；又は、切り離し面４４に対して他のあらゆる角度である面であって、タイプ｛ｈｋｏ｝の主表面を有するプレートとなる該面；に沿って切り離すことが可能である。単結晶ダイヤモンドプレートを得るためには、エッジにおける多結晶成長又は欠陥成長に対するある種のトリミングを行う必要がある場合もある。

通常の方法は、（００１）主表面を有する基体に制限されねばならないのではなくて、他の基体、例えば、｛１１０｝主表面、｛１１３｝主表面（又は、｛１１１｝主表面さえも）を有する基体に対して同等に適用することができるのかも知れないが、概して、好ましい方法は、（００１）主表面を有する基体を使用することであるということを、当業者は理解するものと思われる。なぜなら、化学蒸着による最も高い品質のダイヤモンド成長は、この面に最も容易に成長することができ、しかも、この面で成長する化学蒸着により形成される面の蒸着は通常、成長した材料から大きいプレートの切片(plates cut)を造るのに最も適しているからである。

こういう訳で、（００１）主表面を有する基体プレートの重要な寸法は、｛１００｝側表面によってのみ範囲が定められて造ることのできる最も大きい矩形プレートである。このプレートの上での成長によって、図１に示されるように、４５°だけ回転している｛１１０｝の側表面又は面により範囲が定められるプレートを比較的容易に造ることができる。なぜなら、これは、｛１１１｝成長セクター材料の使用を制限するか、又は全くそれを全く使用しないからである。｛１１０｝側表面によって範囲が定められるこの新たなプレートは、｛１００｝により範囲が定められるプレートの面積の少なくとも２倍の面積を有する。しかし、元の｛１００｝により範囲が定められるプレートは通常、記載されている最も大きい｛１００｝により範囲が定められるプレートであって、それから造ることのできる該プレートを残す。こういう訳で、本明細書において、単結晶ダイヤモンドプレートが既に｛１００｝エッジを有していない場合、（００１）主表面を有する単結晶ダイヤモンドプレートの大きさに対する言及はしばしば明示的に、記載されている最も大きい面積の矩形プレートであって｛１００｝エッジにより範囲が定められる該矩形プレートの大きさを指す。

本発明の方法を適用すれば、以前可能ではなかった生成物の製造が可能となる。例えば、透明な開口、支持、機械的保全、真空度の保全、等の理由で、より小さい複数の窓の組立て品が十分ではない場合、今や大面積の窓は、可能性がある。大面積が、高電圧デバイスの活性領域の周辺にアーク放電するのを防ぐ場合、該高電圧デバイスもまた、可能性がある。更に、本発明の、転位密度の低い材料は、例えば、電子デバイスであってその中で転位が電荷担体のトラップ又は電気的短絡回路として作用する該電子デバイスのような用途を可能にする。

化学蒸着によるダイヤモンド層の成長方向は通常、その中の転位構造によって決定されることもある。存在し得る構成の範囲が存在する。
１）最も簡単なケースは、全ての転位が、概ね平行に且つ成長方向に成長し、該成長方向を非常に明らかにしているケースである。
２）もう１つの一般的ケースは、転位が、成長方向の周りに扇形に徐々に広がり、通常、該成長方向の周りに、この軸の周りに典型的には２０°未満、より典型的には１５°未満、更にいっそう典型的には１０°未満、最も典型的には５°未満の角度で対称の形を示しているケースである。また、化学蒸着によるダイヤモンド層の小さい領域からの成長方向は、それら転位から容易に決定される。
３）ときどき、成長面はそれ自体、局部的成長方向に対して直角であるのではなく、これから幾らか小さい角度だけ離れている。そのような状況下、転位は、それらが見出だされる成長領域の基体表面に対して直角な方向に向かって偏ることがある。とりわけ、エッジ近辺において、成長方向は、例えば、｛００１｝成長主表面を有する基体の上の｛１０１｝エッジ面において、層のバルク(bulk)と実質的に異なることがある。これら両方の例において、基体全体を考慮すれば、全般的成長方向は、転位構造から非常に明らかであるが、材料が２以上の成長セクターから形成されることは同等に明らかである。従って、それら転位の方向が重要である用途においては、１つだけの成長セクターからの材料を用いることが一般的には望ましい。

本明細書の目的のための転位の方向は、上記のモデルに基づく転位分布の解析によって、層の成長方向であるように示唆される方向である。従って、典型的には、特定の成長セクター内における転位の方向は、ベクトル平均を用いた転位の平均方向であるのが好ましく、しかも、それら転位の少なくとも７０％、いっそう典型的には８０％、また、更にいっそう典型的には９０％が、その平均方向の２０°以内、いっそう好ましくは１５°以内、更にいっそう好ましくは１０°以内、また、最も好ましくは５°以内である方向に存在している。

転位の方向は、例えば、Ｘ線トポグラフィによって決定することができる。そのような方法は、必ずしも個々の転位を解析するのではなく、転位の群(bundles)であって、通常、その群における転位の合計にある程度比例する強度を有する該群を解析することができる。その場合、単純な強度平均、又は好ましくは強度の荷重ベクトル平均を行うことは、転位方向の平面内の断面を画像化するトポグラフによって可能となり、それの方向に対して垂直に撮られるトポグラフは、線でなくて点のパターンを有することではっきり識別することができる。プレートの元の成長方向が既知である場合は、これは、知覚できる出発点であって、その点から転位方向が決定される該出発点である。

上記の方法によって転位方向を決定した後、その方位の確定は、化学蒸着による単結晶ダイヤモンドプレートの主表面に対して分類することができる。図５に関連するが、ダイヤモンドプレート６０は、向かい合う主表面（６２及び６４）を有している。概して線６６によって示されている転位方向６６が、ダイヤモンドプレート６０の主表面（６２，６４）の少なくとも１つの平面（６８，７０）から３０°未満、好ましくは２０°未満、更に好ましくは１５°未満、更にいっそう好ましくは１０°未満、また、最も好ましくは５°未満の角度αを成している場合、転位方向６６は、ダイヤモンドプレート６０の主表面（６２，６４）に対して概して平行に向けられているものと見なされる。この転位方向は典型的には、化学蒸着による単結晶ダイヤモンドプレートが、成長が起こった基体に対して実質的に垂直に切り離される場合に、とりわけ、垂直な成長セクター（００１）内に含まれている、化学蒸着による最高品質の成長から切り離される場合に達成される。

主表面（６２，６４）に対して概して平行である転位方向によって恩恵を受ける用途には、光学的用途であって、そこでプレートを通過する光線を横切って観測される屈折率の変化に及ぼす影響が、同じ転位分布が主表面に対して実質的に垂直である場合の影響と比べて、それの拡散(spread)を実質的に減少させる該用途が包含される。そのような用途は、今や、本発明の方法によって可能となっているように、プレートの横方向寸法が両方とも、２ｍｍ、更に好ましくは３ｍｍ、更にいっそう好ましくは４ｍｍ、なお更にいっそう好ましくは５ｍｍ、なお更にいっそう好ましくは７ｍｍを超える該プレートを造ることができることによって恩恵を受ける。

転位方向を、プレートの主表面に対して概して平行であるように選択することによって恩恵を受ける更なる用途は、高電圧を使用する用途であってそこで転位が印加電圧の方向に短絡回路を与えることのできる該用途にある。
もう１つの用途は、レーザー窓に関する用途であって、そこで転位に平行に進む光線の影響によって、局部的電界が高められて、破損することもあり得る該用途である。これは、転位方向を光線の方向から偏らせるか、又は、好ましくは、転位方向をレーザー窓の主表面に平行に設定する、ことによって制御することができる。このように、レーザーの最大損失限界は、本発明の方法を実施することによって達成することができる。

転位方向を分類するもう１つの方法は、プレートの主表面に垂直な線に対するその方位の確定である。図６に関連するダイヤモンドプレート８０は、向かい合う主表面（８２及び８４）を有している。転位方向８６の間の角度βが上記の方法によって決定されて、垂線８８が２０°を超え、いっそう好ましくは３０°を超え、更にいっそう好ましくは４０°を超え、また最も好ましくは５０°を超える場合、転位方向８６は、該プレートの主表面（８２，８４）の少なくとも１つに対する垂線８８から偏っているものと見なされる。この転位方向は典型的には、化学蒸着による単結晶ダイヤモンドプレートが、成長が起こった基体の表面に対する角度で切り離されるとき、達成することができる。代替的に、それは、プレートが成長が起こった基体に対して実質的に垂直に切り離される所に生じることがあるものの、成長表面それ自体が、元の基体表面に平行でない領域、例えば、（００１）基体の上に成長した層の｛１０１｝成長セクターには生じない。

実質的な利点は、転位方向が、プレートの主表面の少なくとも１つに対して垂直な線から確実に偏らせることによって、幾つかの用途において達成することができる。そのような必要条件は、エタロン(etalon)にダイヤモンドを施すときに見出だされる。

本発明は、次の非制限的な諸実施例によって更に理解することができる。
（実施例１）
ＷＯ０１／９６６３３号明細書に記載されている方法に従って、化学蒸着によるダイヤモンド成長を行うために、２つの｛００１｝合成ダイヤモンド基体を造った。次いで、これらダイヤモンド基体の上に、層を６．７ｍｍの厚さまで成長させた。それら層は、それらの転位方向について特徴付けを行って、Ｘ線トポグラフィによって認識できる転位の９０％を超えるものは成長方向の２０°以内にあり、また、転位の８０％を超えるものは成長方向の１０°以内にあることが分かった。

これら層の各々から１枚のプレートを切り取ったが、それは、各々のプレートの主表面が＞６×５ｍｍの寸法を有し、しかも、成長方向がそれら主表面の平面に存在するようなやり方で行った。
次いで、化学蒸着によるダイヤモンド成長の第２の段階のために、１枚のプレートを用いた。そのプレートは、ＷＯ０１／９６６３３号明細書に記載されている方法に従って造り、このようにして、４ｍｍを超える厚さの第２の層であって、主表面に成長方向を含むように切断される４×４ｍｍのプレートを造るのに適している該第２の層を生成した。次いで、この層は、小平面を造り、暴露プラズマエッチング(revealing plasma etch)の方法を用いることによって、成長方向における該層の転位密度について特徴付けを行った。そうすることによって、転位密度は非常に小さく、１０／ｍｍ^２の範囲にあることが分かった。

（実施例２）
光学的用途における重要なパラメータは、例えば、複屈折性及び屈折率のような特性値の均一性及び拡散性である。これらの特性は、転位群を取り囲む歪み場(strain fields)によって影響を受ける。
ＷＯ０１／９６６３３号明細書に記載される方法に従って、化学蒸着によるダイヤモンド成長を行うために、２つの｛００１｝合成ダイヤモンド基体を造った。このダイヤモンドの上に、層を４ｍｍの厚さまで成長させた。それら層は、転位方向について特徴付けを行って、平均転位方向は成長方向の１５°以内にあることが分かった。これら層から２枚のプレートを切り取ったが、それは、それらプレートの主表面が＞４×４ｍｍの寸法を有し、しかも、成長方向がそれら主表面の平面に存在するようなやり方で行った。

続いて、これらの層は、第２の成長プロセスにおける基体として用いた。Ｘ線トポグラフィによって、結果として得られた（３．５ｍｍの厚さまで）成長した物は、非常に小さい転位含有量を有していること、及び、新たな過度の成長物における転位は、基体として用いた、化学蒸着による元の層の転位に対して垂直であることが分かった。この第２の成長の後のそれら試料は、非常に小さい散乱性と複屈折性とを必要とする光学的用途に用いた。

（実施例３）
ＷＯ０１／９６６３３号明細書に記載される方法に従って、化学蒸着によるダイヤモンド成長を行うために、１つの合成ダイヤモンド基体を造った。次いで、このダイヤモンドの上に、層を４ｍｍの厚さまで成長させた。その合成条件は、この層が、固体中で測定して、７×１０^１６［Ｂ］原子／ｃｍ^３の濃度までホウ素でドーピングされるような条件であった。該層は、それの転位方向について特徴付けを行って、平均転位方向は成長方向の２５°以内にあることが分かった。この層から２枚のプレートを切り取った。それは、それらプレートの主表面が＞４×４ｍｍの寸法を有し、しかも、成長方向がそれら主表面の平面に存在するようなやり方で行った。
これらプレートは、主表面と交わる転位の密度が、ホウ素によるドーピングと組み合されて低いので、例えば、ダイヤモンドの金属半導体接合電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）のような電子デバイスのための基板としての特殊用途を有した。

（実施例４）
ＷＯ０１／９６６３３号明細書に記載される方法を用いて、合成による６×６ｍｍの基体１ｂを造った。次いで、この基体は、複数の段階で成長させ、典型的には、各々の段階で約３ｍｍの成長を加えながら成長させた。各々の段階の終わりに、層は、該層の周辺に成長した多結晶ダイヤモンド層の中に保持され、この多結晶層は、レーザートリミングを用いてトリミングを行い直径約２５ｍｍのディスクにした。次いで、凹みタングステン又は他の金属のディスクの中に取り付けたが、それは、単結晶が多結晶ダイヤモンド層の上にさらされている地点が、該タングステンディスクの上面の（０．３ｍｍ以内まで）ほぼ均一となるようなやり方で行った。

上記の技術を用いて、１０〜１８ｍｍの範囲の最終厚さを有する層を成長させることが可能となり、該層から、｛１００｝エッジを有するプレートを垂直に切り取ることができた。平面内の第１の＜１００＞の寸法が１０〜１６ｍｍであり、第２の直交寸法が３〜８ｍｍである該プレートを造った。
これらの板は、次いで、再び上記の技術を用いながら、基体として作成して、成長の第２の段階のために用い、１０〜１８ｍｍの厚さの層を生成した。これらの層から、主表面内の＜１００＞の第２の寸法が１０〜１８ｍｍより大きく、しかも、１０〜１８ｍｍの範囲の、第１の＜１００＞の寸法を保持している該垂直プレートを切り取ることができた。例えば、直交する方向＜１００＞で寸法を測定したとき、１５ｍｍ×１２ｍｍより大きいプレートを作成した。

Claims (41)

1. 単結晶ダイヤモンドプレートを製造する方法であって、実質的に表面欠陥のない表面を有するダイヤモンド基体を与える工程；化学蒸着（ＣＶＤ）によって、前記表面上にホモエピタキシャルにダイヤモンドを成長させる工程；及び、化学蒸着によってホモエピタキシャル成長した前記ダイヤモンドと、単結晶のＣＶＤダイヤモンドプレートを製造するために、ダイヤモンド成長が生じた前記基体の表面を横切る前記基体を切り離す工程と；を包含する、上記製造方法。
2. 化学蒸着によってホモエピタキシャル成長した前記ダイヤモンドと前記基体が、前記基体の表面に対して垂直に切り離される、請求項１に記載の方法。
3. 化学蒸着によってホモエピタキシャル成長した前記ダイヤモンドの成長厚さは、約１０ｍｍより大きい、請求項１又は２に記載の方法。
4. 化学蒸着によってホモエピタキシャル成長した前記ダイヤモンドの成長厚さは、約１２ｍｍより大きい、請求項３に記載の方法。
5. 化学蒸着によってホモエピタキシャル成長した前記ダイヤモンドの成長厚さは、約１５ｍｍより大きい、請求項４に記載の方法。
6. 化学蒸着による単結晶ダイヤモンドプレートは、１０ｍｍを超える少なくとも１つの長さ寸法を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. ダイヤモンド基体は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法によって製造された、化学蒸着による単結晶ダイヤモンドプレートである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 化学蒸着による単結晶ダイヤモンドプレートに残存している前記の元の基体は除去される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 化学蒸着による単結晶ダイヤモンドプレートは、矩形、方形、平行四辺形又は類似形状を有する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 化学蒸着による（００１）単結晶ダイヤモンドプレートにおいて、それの向かい合う側に、｛１００｝側表面によって範囲が定められる主表面を有する前記ダイヤモンドプレートであって、各々の主表面が、１０ｍｍを超える少なくとも１つの長さ寸法を有している、上記ダイヤモンドプレート。
11. 少なくとも１つの長さ寸法が１２ｍｍを超えている、請求項１０に記載のダイヤモンドプレート。
12. 少なくとも１つの長さ寸法が１５ｍｍを超えている、請求項１１に記載のダイヤモンドプレート。
13. １０ｍｍを超える第１の長さ寸法及び第２の長さ寸法を有している、請求項１０に記載のダイヤモンドプレート。
14. 第１の長さ寸法及び／又は第２の長さ寸法が１２ｍｍを超えている、請求項１３に記載のダイヤモンドプレート。
15. 第１の長さ寸法及び／又は第２の長さ寸法が１５ｍｍを超えている、請求項１４に記載のダイヤモンドプレート。
16. ダイヤモンドプレートは、｛１００｝側表面によって範囲が定められている、矩形を有する（００１）単結晶ダイヤモンドプレートであり；しかも、少なくとも１つの長さ寸法が、軸寸法、横方向寸法又は横方向エッジ寸法である、請求項１０〜１５のいずれか１項に記載のダイヤモンドプレート。
17. 少なくとも１つの長さ寸法が、｛１００｝側表面と主表面の交差によって形成された＜１００＞エッジである、請求項１０〜１６のいずれか１項に記載のダイヤモンドプレート。
18. 第１の長さ寸法及び第２の長さ寸法が、各々の｛１００｝側表面と主表面の交差によって形成された直交＜１００＞エッジである、請求項１３〜１６のいずれか１項に記載のダイヤモンドプレート。
19. ダイヤモンドプレートが、矩形、方形、平行四辺形又は類似形状を有している、請求項１０〜１８のいずれか１項に記載のダイヤモンドプレート。
20. 化学蒸着による単結晶ダイヤモンドプレートであって、それの向かい合う側に主表面を有し且つそれら主表面と交差する転位を有している該ダイヤモンドプレートにおいて、主表面と交差する前記転位の密度が、５０／ｍｍ^２を超えていない、上記ダイヤモンドプレート。
21. 主表面と交差する転位の密度が、２０／ｍｍ^２を超えていない、請求項２０に記載のダイヤモンドプレート。
22. 主表面と交差する転位の密度が、１０／ｍｍ^２を超えていない、請求項２１に記載のダイヤモンドプレート。
23. 主表面と交差する転位の密度が、５／ｍｍ^２を超えていない、請求項２２に記載のダイヤモンドプレート。
24. ダイヤモンドプレートにおける他の平面と交差する転位の密度が、主表面と交差する転位の各々の密度限界を超えていない、請求項２０〜２３のいずれか１項に記載のダイヤモンドプレート。
25. 少なくとも１つの長さ寸法が１０ｍｍを超えている、請求項２０〜２４のいずれか１項に記載のダイヤモンドプレート。
26. 化学蒸着による単結晶ダイヤモンドプレートであって、それの向かい合う側に主表面を有し且つ成長の間に生じた転位を有している前記ダイヤモンドプレートにおいて、それら転位が、前記主表面の少なくとも１つに概して平行な方向に配列している、上記ダイヤモンドプレート。
27. 転位の方向が、主表面の少なくとも１つに対して３０°より小さい角度である、請求項２６に記載のダイヤモンドプレート。
28. 転位の方向が、主表面の少なくとも１つに対して２０°より小さい角度である、請求項２７に記載のダイヤモンドプレート。
29. 転位の方向が、主表面の少なくとも１つに対して１０°より小さい角度である、請求項２８に記載のダイヤモンドプレート。
30. 転位の方向が、主表面の少なくとも１つに対して５°より小さい角度である、請求項２９に記載のダイヤモンドプレート。
31. 各々の主表面が、転位の全般的方向の方向に対応する第１の長さ寸法であって、２ｍｍを超える前記長さ寸法を有している、請求項２６〜３０のいずれか１項に記載のダイヤモンドプレート。
32. 第１の長さ寸法が３ｍｍを超えている、請求項３１に記載のダイヤモンドプレート。
33. 第１の長さ寸法が４ｍｍを超えている、請求項３２に記載のダイヤモンドプレート。
34. 第１の長さ寸法が５ｍｍを超えている、請求項３３に記載のダイヤモンドプレート。
35. 第１の長さ寸法が７ｍｍを超えている、請求項３４に記載のダイヤモンドプレート。
36. 第１の長さ寸法に直交する各々の主表面の第２の長さ寸法が、第１の長さ寸法に等しいか又はそれより大きい、請求項３１〜３５のいずれか１項に記載のダイヤモンドプレート。
37. 化学蒸着による単結晶ダイヤモンドプレートであって、それの向かい合う側に主表面を有し且つ成長の間に生じた転位を有している前記ダイヤモンドプレートにおいて、平均的な転位方向が、前記主表面の少なくとも１つに対して垂直な線から偏っている方向を向いている、上記ダイヤモンドプレート。
38. 平均的な転位方向が、主表面の少なくとも１つに対して垂直な線から、２０°を超える角度だけ偏っている、請求項３７に記載のダイヤモンドプレート。
39. 平均的な転位方向が、主表面の少なくとも１つに対して垂直な線から、３０°を超える角度だけ偏っている、請求項３８に記載のダイヤモンドプレート。
40. 平均的な転位方向が、主表面の少なくとも１つに対して垂直な線から、４０°を超える角度だけ偏っている、請求項３９に記載のダイヤモンドプレート。
41. 平均的な転位方向が、主表面の少なくとも１つに対して垂直な線から、５０°を超える角度だけ偏っている、請求項４０に記載のダイヤモンドプレート。