JP2017186255A - 単結晶ダイヤモンドおよびダイヤモンド工具 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイヤモンド工具の性能を向上させることが可能なダイヤモンド複合体、単結晶ダイヤモンドおよびこれらの製造方法、ならびに当該単結晶ダイヤモンドを備えるダイヤモンド工具を提供する。
【解決手段】ダイヤモンド複合体の製造方法は、複数の成長セクタ２１，２２を含むダイヤモンド種結晶２０を準備する工程と、気相合成法によりダイヤモンド種結晶２０の表面２０ａ上に単結晶ダイヤモンド１０を成長させてダイヤモンド複合体３０を得る工程とを備えている。ダイヤモンド複合体を得る工程は、単結晶ダイヤモンド１０の成長温度に達する前にダイヤモンド種結晶２０を加熱する昇温工程を含んでいる。昇温工程では、メタンガスおよび不活性ガスのうち少なくともいずれかのガスを含む雰囲気中においてダイヤモンド種結晶２０が加熱される。
【選択図】図２

Description

本発明は、ダイヤモンド複合体、単結晶ダイヤモンドおよびこれらの製造方法、ならびにダイヤモンド工具に関するものであり、より特定的には、ダイヤモンド工具の性能を向上させることが可能なダイヤモンド複合体、単結晶ダイヤモンドおよびこれらの製造方法、ならびに当該単結晶ダイヤモンドを備えるダイヤモンド工具に関するものである。

従来より、切削工具や耐摩耗工具などのダイヤモンド工具には、天然のダイヤモンドや高温高圧合成法（ＨＰＨＴ：Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｍｅｔｈｏｄ）により製造されたダイヤモンドが用いられている。天然のダイヤモンドは、品質のばらつきが大きく、また供給量も安定しない。また、高温高圧合成法により製造されるダイヤモンドは、品質のばらつきが小さく供給量も安定しているが、製造設備のコストが高いという問題がある。

一方、ダイヤモンドの他の合成方法としては、たとえば熱フィラメントＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、マイクロ波励起プラズマＣＶＤ法またはＤＣプラズマＣＶＤ法などの気相合成法がある。この方法では、まず、高温高圧合成法により製造されたダイヤモンド種結晶が準備され、このダイヤモンド種結晶の表面上に単結晶ダイヤモンド（エピタキシャル成長層）を成長させることによりダイヤモンド複合体が得られる。そして、このダイヤモンド複合体からダイヤモンド種結晶を分離することにより、単結晶ダイヤモンドが得られる。たとえば、特開２００９−５９７９８号公報（以下、特許文献１という）では、高温高圧合成法により製造されたダイヤモンド基板上において、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によりダイヤモンド半導体層が形成されたダイヤモンド電子素子が開示されている。

特開２００９−５９７９８号公報

上述のように、気相合成法に用いられるダイヤモンド種結晶は高温高圧合成法により製造されたものであるため、切り出した基板面には結晶の成長方向が異なる部分が含まれている。そのため、このダイヤモンド種結晶は不純物および欠陥の導入量が互いに異なる複数の成長セクタを含んでいる。このような成長セクタ同士では基板の研磨速度やエッチング速度などが異なるため、研磨やエッチング処理により成長セクタの境界部分に段差が形成される。そして、段差が形成されたダイヤモンド基板上に単結晶ダイヤモンドを成長させた場合には単結晶ダイヤモンドにおいても複数の成長セクタが形成され、これを工具材料として用いた場合には複数の成長セクタの境界部分における段差に起因して被削材に傷痕などが発生し易くなるという問題を本発明者は見出した。

また、ダイヤモンド種結晶のサイズを小さくすることで単一の成長セクタのみを含むものを準備することも可能である。しかし、この場合にはサイズの大きい単結晶ダイヤモンドを成長させることが困難になるという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、サイズが大きく、かつダイヤモンド工具の性能を向上させることが可能なダイヤモンド複合体、単結晶ダイヤモンドおよびこれらの製造方法、ならびに当該単結晶ダイヤモンドを備えるダイヤモンド工具を提供することである。

本発明に従ったダイヤモンド複合体の製造方法は、複数の成長セクタを含むダイヤモンド種結晶を準備する工程と、気相合成法によりダイヤモンド種結晶の表面上に単結晶ダイヤモンドを成長させてダイヤモンド複合体を得る工程とを備えている。ダイヤモンド複合体を得る工程は、単結晶ダイヤモンドの成長温度に達する前にダイヤモンド種結晶を加熱する昇温工程を含んでいる。昇温工程では、メタンガスおよび不活性ガスのうち少なくともいずれかのガスを含む雰囲気中においてダイヤモンド種結晶が加熱される。また、昇温工程では、メタンガス、エタンガスおよび不活性ガスのうち少なくともいずれかのガスを含む雰囲気中においてダイヤモンド種結晶が加熱されてもよい。

本発明者は、複数の成長セクタを含むサイズの大きいダイヤモンド種結晶を用いて気相合成法を行う場合において、より工具性能に優れた単結晶ダイヤモンド（つまり、単一の成長セクタからなる単結晶ダイヤモンド）を成長させることについて、鋭意検討を行った。その結果、複数の成長セクタを含むダイヤモンド種結晶上に単結晶ダイヤモンドを成長させる場合でも、成長温度に達する前までの昇温工程におけるダイヤモンド種結晶の加熱条件を選択することにより単一の成長セクタからなる単結晶ダイヤモンドが得られることを見出し、本発明に想到した。

本発明に従ったダイヤモンド複合体の製造方法では、単結晶ダイヤモンドの成長温度に達する前にダイヤモンド種結晶を加熱する昇温工程が行われ、この昇温工程ではメタンガスおよび不活性ガス（好ましくはメタンガス、エタンガスおよび不活性ガス）のうち少なくともいずれかのガスを含む雰囲気中においてダイヤモンド種結晶が加熱される。これにより、複数の成長セクタを含むダイヤモンド種結晶の表面上において単一の成長セクタからなる単結晶ダイヤモンドが成長したダイヤモンド複合体が得られる。そして、ダイヤモンド複合体から分離した単結晶ダイヤモンドをダイヤモンド工具に用いた場合には、工具性能をより向上させることができる。したがって、本発明に従ったダイヤモンド複合体の製造方法によれば、サイズが大きく、かつダイヤモンド工具の性能を向上させることが可能なダイヤモンド複合体を製造することができる。

上記ダイヤモンド複合体の製造方法は、ダイヤモンド複合体を得る工程の前に、不活性ガスを含む雰囲気中においてダイヤモンド種結晶の上記表面をエッチングする工程をさらに備えていてもよい。

これにより、ダイヤモンド工具の性能をより向上させることが可能なダイヤモンド複合体を製造することができる。

上記ダイヤモンド複合体の製造方法は、ダイヤモンド複合体を得る工程の前に、５０μｍ／ｈ以下の速度でダイヤモンド種結晶の上記表面を研磨する工程をさらに備えていてもよい。

これにより、ダイヤモンド工具の性能をさらに向上させることが可能なダイヤモンド複合体を製造することができる。また、上記研磨速度は、２０μｍ／ｈ以下であることが好ましく、１０μｍ／ｈ以下であることがより好ましい。

上記ダイヤモンド複合体の製造方法において、ダイヤモンド種結晶における窒素濃度は、０．０２ａｔｍ％以下であってもよい。ここで、「ａｔｍ％」とは原子数密度を意味しており、上記ダイヤモンド種結晶では窒素の原子数密度が０．０２％以下となっている。

ダイヤモンド種結晶における窒素濃度の上限値が０．０２ａｔｍ％と高い場合には成長セクタ同士の境界部分においてより段差が形成され易く、単一の成長セクタからなる単結晶ダイヤモンドの成長がより困難である。そのため、このような場合には上記本発明に従ったダイヤモンド複合体の製造方法を好適に用いることができる。また、上記窒素濃度は、０．００５ａｔｍ％以下であることが好ましく、０．０００５ａｔｍ％以下であることがより好ましく、０．０００１ａｔｍ％以下であることがさらに好ましい。

上記ダイヤモンド複合体の製造方法において、ダイヤモンド種結晶は、６ｍｍ以上の幅を有していてもよい。

ダイヤモンド種結晶の幅が６ｍｍ以上と大きい場合には複数の成長セクタがより含まれ易く、単一の成長セクタからなる単結晶ダイヤモンドの成長がより困難である。そのため、このような場合には上記本発明に従ったダイヤモンド複合体の製造方法を好適に用いることができる。また、上記ダイヤモンド種結晶の幅は、８ｍｍ以上であることが好ましく、１０ｍｍ以上であることがより好ましい。

本発明に従った単結晶ダイヤモンドの製造方法は、上記本発明に従ったダイヤモンド複合体の製造方法により、ダイヤモンド種結晶の表面上に単結晶ダイヤモンドが成長したダイヤモンド複合体を準備する工程と、ダイヤモンド複合体からダイヤモンド種結晶を除去することにより単結晶ダイヤモンドを得る工程とを備えている。

本発明に従った単結晶ダイヤモンドの製造方法によれば、サイズが大きく、かつ単一の成長セクタからなる単結晶ダイヤモンドを得ることができる。そして、この単結晶ダイヤモンドをダイヤモンド工具などに用いることで工具性能をより向上させることができる。したがって、本発明に従った単結晶ダイヤモンドの製造方法によれば、サイズが大きく、かつダイヤモンド工具の性能を向上させることが可能な単結晶ダイヤモンドを製造することができる。

本発明に従ったダイヤモンド複合体は、複数の成長セクタを含むダイヤモンド種結晶と、ダイヤモンド種結晶の表面上に成長し、単一の成長セクタからなる単結晶ダイヤモンドとを備えている。

本発明に従ったダイヤモンド複合体によれば、サイズが大きいダイヤモンド種結晶から分離することにより、サイズが大きくかつ単一の成長セクタからなる単結晶ダイヤモンドを得ることができる。また、この単結晶ダイヤモンドをダイヤモンド工具などに用いることで工具性能をより向上させることができる。したがって、本発明に従ったダイヤモンド複合体によれば、サイズが大きく、かつダイヤモンド工具の性能を向上させることが可能なダイヤモンド複合体を提供することができる。

上記ダイヤモンド複合体において、ダイヤモンド種結晶における窒素濃度は０．０２ａｔｍ％以下であってもよい。

上述のように、ダイヤモンド種結晶における窒素濃度の上限値が０．０２ａｔｍ％以下と高い場合には、単一の成長セクタからなる単結晶ダイヤモンドを得ることが困難である。そのため、このような場合には上記本発明に従ったダイヤモンド複合体を好適に用いることができる。また、上記窒素濃度は、０．００５ａｔｍ％以下であることが好ましく、０．０００５ａｔｍ％以下であることがより好ましく、０．０００１ａｔｍ％以下であることがさらに好ましい。

上記ダイヤモンド複合体において、ダイヤモンド種結晶は６ｍｍ以上の幅を有していてもよい。

上述のように、ダイヤモンド種結晶の幅が６ｍｍ以上と大きい場合には、単一の成長セクタからなる単結晶ダイヤモンドを得ることが困難である。そのため、このような場合には上記本発明に従ったダイヤモンド複合体を好適に用いることができる。また、上記ダイヤモンド種結晶の幅は、８ｍｍ以上であることが好ましく、１０ｍｍ以上であることがより好ましい。

本発明に従った単結晶ダイヤモンドは、上記本発明に従ったダイヤモンド複合体からダイヤモンド種結晶を除去することにより得られる。

本発明に従った単結晶ダイヤモンドは、上述のようにサイズが大きくかつ単一の成長セクタからなる単結晶ダイヤモンドであるため、これをダイヤモンド工具などに用いることで工具性能をより向上させることができる。したがって、本発明に従った単結晶ダイヤモンドによれば、サイズが大きく、かつダイヤモンド工具の性能を向上させることが可能な単結晶ダイヤモンドを提供することができる。

本発明に従ったダイヤモンド工具は、ダイヤモンド工具の性能を向上させることが可能な上記本発明に従った単結晶ダイヤモンドを備えている。したがって、本発明に従ったダイヤモンド工具によれば、工具性能がより向上したダイヤモンド工具を提供することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明に従ったダイヤモンド複合体および単結晶ダイヤモンドによれば、サイズが大きく、かつダイヤモンド工具の性能を向上させることが可能なダイヤモンド複合体および単結晶ダイヤモンドを提供することができる。また、本発明に従ったダイヤモンド複合体および単結晶ダイヤモンドの製造方法によれば、サイズが大きく、かつダイヤモンド工具の性能を向上させることが可能なダイヤモンド複合体および単結晶ダイヤモンドを製造することができる。また、本発明に従ったダイヤモンド工具によれば、工具性能がより向上したダイヤモンド工具を提供することができる。

本実施の形態に係るダイヤモンドバイトの構造を示す概略図である。 本実施の形態に係るダイヤモンド複合体および単結晶ダイヤモンドを示す概略図である。 本実施の形態に係るダイヤモンド複合体および単結晶ダイヤモンドの製造方法を概略的に示すフローチャートである。 本実施の形態に係るダイヤモンド複合体の製造方法における工程（Ｓ１０）を説明するための概略図である。 図４中の線分Ｖ−Ｖに沿う断面を示す概略図である。 本実施の形態に係るダイヤモンド複合体の製造方法における工程（Ｓ１０）を説明するための他の概略図である。 本実施の形態に係るダイヤモンド複合体の製造方法における工程（Ｓ４０）を説明するための概略図である。 本実施の形態に係るダイヤモンド複合体の製造方法における工程（Ｓ５０）を説明するための概略図である。 本実施の形態に係る単結晶ダイヤモンドの製造方法における工程（Ｓ６０）を説明するための概略図である。

次に、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。また、本明細書中においては、個別方位を[]、集合方位を＜＞、個別面を（）、集合面を｛｝でそれぞれ示す。

まず、本発明の一実施の形態に係るダイヤモンド工具の一例として、ダイヤモンドバイト１を説明する。図１を参照して、本実施の形態に係るダイヤモンドバイト１は、台金２と、ろう付け層３と、メタライズ層４と、単結晶ダイヤモンド１０とを主に備えている。

単結晶ダイヤモンド１０は、ろう付け層３およびメタライズ層４を介して台金２に固定されている。単結晶ダイヤモンド１０はすくい面１０ｂおよび逃げ面１０ｃを含み、すくい面１０ｂおよび逃げ面１０ｃの接触部において切れ刃１０ｄが構成されている。また、単結晶ダイヤモンド１０は後述する本実施の形態に係る単結晶ダイヤモンドであるため、ダイヤモンドバイト１は工具性能がより向上したものとなっている。

また、本発明のダイヤモンド工具は、上記ダイヤモンドバイト１に限定されず、たとえばドリルやエンドミルなどの他の切削工具（図示しない）でもよく、ドレッサー、スタイラス、ノズルまたはダイスなどの耐摩耗工具（図示しない）でもよい。これらの切削工具および耐摩耗工具においても、単結晶ダイヤモンド１０を備えることにより上記ダイヤモンドバイト１と同様に工具性能を向上させることができる。

次に、本実施の形態に係るダイヤモンド複合体３０および単結晶ダイヤモンド１０について説明する。図２を参照して、本実施の形態に係るダイヤモンド複合体３０は、ダイヤモンド種結晶２０と、ダイヤモンド種結晶２０の表面２０ａに成長した単結晶ダイヤモンド１０とを備えている。そのため、本実施の形態に係る単結晶ダイヤモンド１０は、ダイヤモンド複合体３０からダイヤモンド種結晶２０を除去することにより得られるものである。また、単結晶ダイヤモンド１０は、上述のようにダイヤモンドバイト１などのダイヤモンド工具のための材料として用いられる。

ダイヤモンド種結晶２０は高温高圧合成法により製造されたものである。ダイヤモンド種結晶２０は｛００１｝成長セクタ２１と、｛００１｝成長セクタ２１を挟むように形成された｛１１１｝成長セクタ２２とを含んでいる。また、ダイヤモンド種結晶２０の表面２０ａには、｛００１｝面からなる表面２１ａと、｛１１１｝面からなる表面２２ａとが含まれている。このようにダイヤモンド種結晶２０は、複数の成長セクタを含んでいる。なお、ダイヤモンド種結晶２０内の成長セクタの数は特に限定されず、図２に示すように２個であってもよいし、それ以上であってもよい。たとえば、ダイヤモンド種結晶２０では｛００１｝成長セクタ２１と｛１１１｝成長セクタ２２との間に｛１１３｝成長セクタが含まれていてもよいし、また｛０１１｝成長セクタが含まれていてもよい。

ここで、「成長セクタ」とは、ダイヤモンド結晶内において成長方向が同じ結晶領域であり、その結果、不純物および欠陥濃度などがほぼ同じとなっている領域を意味している。｛００１｝成長セクタ２１は＜００１＞方向に結晶成長した領域であり、また｛１１１｝成長セクタ２２は＜１１１＞方向に結晶成長した領域である。また、異なる成長セクタ同士では研磨速度やエッチング速度などが異なっている。そのため、たとえばダイヤモンド種結晶２０の表面２０ａを研磨またはエッチングした場合には、表面２１ａと表面２２ａとの境界部分に段差が形成される。また、異なる成長セクタ同士では不純物（たとえば窒素原子）や欠陥濃度などが異なっているため、カソードルミネセンス（ＣＬ：Ｃａｔｈｏｄ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）測定やフォトルミネセンス（ＰＬ：Ｐｈｏtｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）測定により異なる成長セクタ同士を区別することができる。また、異なる成長セクタ同士の境界には歪が存在しているため、たとえば偏光像などにより当該境界を確認することもできる。

ダイヤモンド種結晶２０には、故意に制御しない限り、たとえば窒素（Ｎ）原子などの不純物原子が自然に導入（ドープ）される。また、合成条件を制御することにより窒素の導入量を減少させることもできる。ダイヤモンド種結晶２０における窒素濃度は０．０２ａｔｍ％以下であり、好ましくは０．００５ａｔｍ％以下であり、より好ましくは０．０００５ａｔｍ％以下であり、さらに好ましくは０．０００１ａｔｍ％以下である。また、ダイヤモンド種結晶２０の幅Ｗは６ｍｍ以上であり、好ましくは８ｍｍ以上であり、より好ましくは１０ｍｍ以上である。

単結晶ダイヤモンド１０は、たとえばマイクロ波励起プラズマＣＶＤ法などの気相合成法によりダイヤモンド種結晶２０の表面２０ａ上に成長している。単結晶ダイヤモンド１０は単一の成長セクタからなっており、より具体的には｛００１｝成長セクタのみからなっている。また、単結晶ダイヤモンド１０の幅Ｗは、ダイヤモンド種結晶２０と同様に６ｍｍ以上であり、好ましくは８ｍｍ以上であり、より好ましくは１０ｍｍ以上である。

以上のように、本実施の形態に係るダイヤモンド複合体３０によれば、当該ダイヤモンド複合体３０からダイヤモンド種結晶２０を除去することにより、サイズが大きく（６ｍｍ以上）、かつ単一の成長セクタからなる単結晶ダイヤモンド１０を得ることができる。そして、単結晶ダイヤモンド１０をダイヤモンドバイト１などの工具に用いることで工具性能をより向上させることができる。このように、本実施の形態に係るダイヤモンド複合体３０および単結晶ダイヤモンド１０は、サイズが大きく、かつダイヤモンド工具の性能を向上させることが可能なものとなっている。

次に、本実施の形態に係るダイヤモンド複合体および単結晶ダイヤモンドの製造方法について説明する。図３を参照して、本実施の形態に係るダイヤモンド複合体の製造方法では、工程（Ｓ１０）〜（Ｓ５０）が順に実施されることにより上記ダイヤモンド複合体３０が製造される。また、本実施の形態に係る単結晶ダイヤモンドの製造方法では、工程（Ｓ１０）〜（Ｓ５０）に加えて工程（Ｓ６０）がさらに実施されることにより、上記単結晶ダイヤモンド１０が製造される。

本実施の形態に係るダイヤモンド複合体の製造方法では、まず、工程（Ｓ１０）としてダイヤモンド種結晶準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、図４を参照して、まず高温高圧合成法により製造されたダイヤモンド結晶体２０Ａ（タイプ：Ｉｂ）が準備される。ダイヤモンド結晶体２０の表面には、｛００１｝面からなる表面２１ａと、｛１１１｝面からなる表面２２ａとが形成されている。

図５は、図４に示すダイヤモンド結晶体２０Ａの線分Ｖ−Ｖに沿った断面図である。図５を参照して、ダイヤモンド結晶体２０Ａは｛００１｝成長セクタ２１と、｛１１１｝成長セクタ２２とを含んでいる。｛００１｝成長セクタ２１は表面２１ａを含み、また｛１１１｝成長セクタ２２は表面２２ａを含んでいる。また、｛００１｝成長セクタ２１は表面２１ａ側に向かい広がるように形成されており、また｛１１１｝成長セクタ２２は表面２２ａ側に向かい広がるように形成されている。

次に、図５中点線に示すようにダイヤモンド結晶体２０Ａが切断される。これにより、図６に示すように｛００１｝成長セクタ２１と｛１１１｝成長セクタ２２とを含むダイヤモンド種結晶２０が得られる。このように複数の成長セクタを含むダイヤモンド種結晶を切り出すことにより、サイズの大きい種結晶を得ることができる。なお、ダイヤモンド種結晶２０は両端部が適宜切り落とされた状態で用いられる。

また、この工程（Ｓ１０）では、窒素濃度が０．０２ａｔｍ％以下であるダイヤモンド種結晶２０が準備されることが好ましい。また、ダイヤモンド種結晶２０の窒素濃度は０．００５ａｔｍ％以下であることがより好ましく、０．０００５ａｔｍ％以下であることがさらに好ましく、０．０００１ａｔｍ％以下であることが一層好ましい。

また、この工程（Ｓ１０）では、幅Ｗが６ｍｍ以上であるダイヤモンド種結晶２０が準備されることが好ましい。また、ダイヤモンド種結晶２０の幅Ｗは８ｍｍ以上であることがより好ましく、１０ｍｍ以上であることがさらに好ましい。

次に、工程（Ｓ２０）として、研磨工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、図６を参照して、たとえばダイヤモンド砥粒が固定された研磨盤を用いた機械研磨により、ダイヤモンド種結晶２０の表面２０ａおよび裏面２０ｂが研磨される。また、この工程（Ｓ２０）では、研磨速度は５０μｍ／ｈ以下であることが好ましく、２０μｍ／ｈ以下であることがより好ましく、１０μｍ／ｈ以下であることがさらに好ましい。

また、上記低速研磨（研磨速度が５０μｍ／ｈ以下の研磨）は、高速研磨（研磨速度が５０μｍ／ｈを超える研磨）と組合わせて実施されることが好ましい。これにより、研磨時間をより短縮することができる。なお、上記低速研磨は５分以上３０分以下の時間実施されることが好ましい。

次に、工程（Ｓ３０）として、エッチング工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、図６を参照して、たとえばアルゴン（Ａｒ）ガスなどの不活性ガスを含む雰囲気中においてダイヤモンド種結晶２０の表面２０ａおよび裏面２０ｂがエッチングされる。この不活性ガスはアルゴンガスに限定されず、たとえばヘリウム（Ｈｅ）ガスやキセノン（Ｘｅ）などの他の希ガスであってもよい。また、ダイヤモンド種結晶２０のエッチング方法は上記方法に限定されず、たとえば酸素（Ｏ_２）ガスおよび四フッ化炭素（ＣＦ_４）ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）であってもよい。

次に、工程（Ｓ４０）として、イオン注入工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、図７を参照して、表面２０ａ側からカーボン（Ｃ）、窒素（Ｎ）、シリコン（Ｓｉ）、リン（Ｐ）または硫黄（Ｓ）がダイヤモンド種結晶２０内に注入される。これにより、表面２０ａを含む領域に導電層４０が形成される。

次に、工程（Ｓ５０）として、エピタキシャル成長工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、図８を参照して、たとえばマイクロ波励起プラズマＣＶＤ法などの気相合成法により、ダイヤモンド種結晶２０の表面２０ａ上（導電層４０上）にエピタキシャル成長層５０（単結晶ダイヤモンド）が成長する。また、この工程（Ｓ５０）では、以下に説明する昇温工程（Ｓ５１）および成長工程（Ｓ５２）が順に実施される。

まず、昇温工程（Ｓ５１）では、単結晶ダイヤモンドの成長温度（８００〜１１００℃）に達する前に、水素（Ｈ_２）ガスならびにメタンガスおよびアルゴンガス（不活性ガス）のうち少なくともいずれかのガスを含む雰囲気中においてダイヤモンド種結晶２０が加熱される。より具体的には、水素ガスおよびメタンガスを含む雰囲気中においてダイヤモンド種結晶２０が加熱されてもよいし、水素ガスおよびアルゴンガスを含む雰囲気中においてダイヤモンド種結晶２０が加熱されてもよいし、水素ガス、メタンガスおよびアルゴンガスを含む雰囲気中においてダイヤモンド種結晶２０が加熱されてもよい。

また、この工程（Ｓ５１）では、水素ガスの流量に対するメタンガスの流量は好ましくは０．０１体積％以上１２体積％以下であり、より好ましくは０．０５体積％以上５体積％以下である。また、水素ガスの流量に対するアルゴンガスの流量は好ましくは１体積％以上９９体積％以下であり、より好ましくは２０体積％以上８０体積％以下である。

この工程（Ｓ５１）は、成長工程（Ｓ５２）が開始されるまでに基板（ダイヤモンド種結晶２０）の温度を上昇させるための工程である。すなわち、この工程（Ｓ５１）は、電力投入開始から一定温度で成長工程（Ｓ５２）が開始されるまでの時間に相当する。また、温度が上昇し過ぎて温度を下降させている時間もこの工程（Ｓ５１）に含まれる。この工程（Ｓ５１）では、工程（Ｓ５１）全体の時間のうち少なくとも５％以上の時間（好ましくは１５％以上の時間、より好ましくは３０％以上の時間、さらに好ましくは７０％の時間）は、上記ガス雰囲気中においてダイヤモンド種結晶２０が加熱される。

また、この工程（Ｓ５１）では、不活性ガスはアルゴンガスに限定されず、たとえばヘリウムガスやキセノンガスなどの他の希ガスであってもよい。

次に、成長工程（Ｓ５２）では、水素ガス、メタンガスおよび窒素ガスを含む雰囲気中においてダイヤモンド種結晶２０が加熱される。加熱温度は８００〜１１００℃に設定され、かつ圧力は１０．７〜１４．７ｋＰａに設定される。これにより、ダイヤモンド種結晶２０の表面２０ａ上にエピタキシャル成長層５０（単結晶ダイヤモンド）が成長する。また、この工程（Ｓ５２）では、水素ガスの流量に対するメタンガスの流量は５体積％以上２０体積％以下であり、かつ水素ガスの流量に対する窒素ガスの流量は０．１体積％以上１０体積％以下である。このように水素ガスの流量に対するメタンガスの流量の割合は、成長工程（Ｓ５２）よりも昇温工程（Ｓ５１）の方が小さくなる。以上のようにして上記工程（Ｓ１０）〜（Ｓ５０）が実施されることによりダイヤモンド複合体３０が製造され、本実施の形態に係るダイヤモンド複合体の製造方法が完了する。

次に、工程（Ｓ６０）として、分離工程が実施される。この工程（Ｓ６０）では、図９を参照して、導電層４０が電気化学的にエッチングされることにより、ダイヤモンド種結晶２０とエピタキシャル成長層５０とが分離される。このようにして、単結晶ダイヤモンド１０（エピタキシャル成長層５０）が得られる。

また、この工程（Ｓ６０）では、導電層４０を電気化学的にエッチングする場合に限られず、たとえば表面２０ａ側からレーザ光を照射して導電層４０に集光し、エネルギーを吸収させることにより導電層４０が除去されてもよい。また、側面側からレーザ光を照射してダイヤモンド種結晶２０とエピタキシャル成長層５０とが切断されて分離されてもよく、この場合は必ずしも導電層４０が形成されなくてもよい。また、この場合には切り代が大きくなるが、単一の成長セクタからなる単結晶ダイヤモンド１０を得ることができる。以上のようにして上記工程（Ｓ１０）〜（Ｓ６０）が実施されることにより単結晶ダイヤモンド１０が製造され、本実施の形態に係る単結晶ダイヤモンドの製造方法が完了する。

以上のように、本実施の形態に係るダイヤモンド複合体および単結晶ダイヤモンドの製造方法では、単結晶ダイヤモンドの成長温度（８００〜１１００℃）に達する前にダイヤモンド種結晶２０を加熱する昇温工程（Ｓ５１）が行われ、昇温工程（Ｓ５１）ではメタンガスおよびアルゴンガスのうち少なくともいずれかのガスを含む雰囲気中においてダイヤモンド種結晶２０が加熱される。これにより、複数の成長セクタを含むダイヤモンド種結晶２０上に単一の成長セクタからなる単結晶ダイヤモンド１０が成長したダイヤモンド複合体３０が得られ、このダイヤモンド複合体３０からダイヤモンド種結晶２０を除去することで単結晶ダイヤモンド１０が得られる。そして、この単結晶ダイヤモンド１０をダイヤモンドバイト１などの工具に用いることで工具性能をより向上させることができる。したがって、本実施の形態に係るダイヤモンド複合体および単結晶ダイヤモンドの製造方法によれば、サイズが大きく、かつダイヤモンド工具の性能を向上させることが可能なダイヤモンド複合体３０および単結晶ダイヤモンド１０を製造することができる。

一方、本実施の形態に係るダイヤモンド複合体および単結晶ダイヤモンドの製造方法ではない方法においては、ダイヤモンド種結晶２０における成長セクタの境界部分に起因してエピタキシャル成長層に微小な成長セクタが形成される。これは、ＣＬやＰＬなどの評価や偏光像の評価により確認することが可能であり、また工具性能評価によってより明確に確認することが可能である。

また、成長結晶のサイズが大きい場合、たとえば工具の最長サイズ（工具として用いることが可能な領域の最大長さ）が６ｍｍ以上（好ましくは８ｍｍ以上、より好ましくは１０ｍｍ以上）である場合には、ダイヤモンド種結晶２０において複数の成長セクタが含まれ易いため、単一の成長セクタからなる単結晶ダイヤモンドを成長させることがより困難になる。そのため、このような場合には上記本実施の形態に係るダイヤモンド複合体および単結晶ダイヤモンドの製造方法を特に好適に用いることができる。

単結晶ダイヤモンドを用いたダイヤモンド工具の性能向上などについて本発明の効果を確認する実験を行った。
（単結晶ダイヤモンドの作製）
まず、本実施の形態に係る単結晶ダイヤモンドの製造方法を用いて単結晶ダイヤモンド１０を製造した（図３〜図９参照）。工程（Ｓ１０）では、ダイヤモンド結晶体２０Ａの幅Ｗ１は約８ｍｍであり、また表面２１ａの幅Ｗ２は約５ｍｍであった（図４参照）。そして、｛００１｝成長セクタ２１と｛１１１｝成長セクタ２２とが含まれるようにダイヤモンド種結晶２０を切り出した（図５および図６参照）。

工程（Ｓ２０）では、ダイヤモンド砥粒が固定された研磨盤による機械研磨（条件（１）または（２））、またはダイヤモンド砥粒が固定された研磨盤による５０μｍ／ｈ以下の研磨速度での機械研磨（低速機械研磨、条件（３））により、ダイヤモンド種結晶２０の表面２０ａおよび裏面２０ｂを研磨した。

工程（Ｓ３０）では、酸素ガスおよび四フッ化炭素ガスを用いたＲＩＥ（条件（１））、またはアルゴンガスを含む雰囲気中でのエッチング（条件（２）または（３））により、ダイヤモンド種結晶２０の表面２０ａおよび裏面２０ｂをエッチングした。

工程（Ｓ４０）では、エネルギーを３００〜３５０ｋｅＶ、ドーズ量を５×１０１５〜５×１０１７個／ｃｍ^２としてカーボン、シリコンまたはリンイオンをダイヤモンド種結晶２０内に注入し、導電層４０を形成した（図７参照）。なお、注入元素の種類は、後述する評価結果に大きな影響を及ぼすものではなかった。

工程（Ｓ５１）では、水素ガスが導入された雰囲気（条件（４））、水素ガスおよび窒素ガスが導入された雰囲気（条件（５））、水素ガスおよび酸素ガスが導入された雰囲気（条件（６））、水素ガスおよびアルゴンガスが導入された雰囲気（条件（７））、水素ガスおよびメタンガスが導入された雰囲気（条件（８））または水素ガス、メタンガスおよびアルゴンガスが導入された雰囲気（条件（９））において、ダイヤモンド種結晶２０を定常温度（８００〜１１００℃）にまで加熱した（実施例：条件（７）〜（９）、比較例：条件（４）〜（６））。成長工程（Ｓ５２）では、水素ガス、メタンガスおよび窒素ガスが導入された雰囲気中において、厚さ約０．５ｍｍのエピタキシャル成長層５０（単結晶ダイヤモンド）を成長させた。表１および表２は、上記実施例および比較例における各々の処理条件を示している。また、成長工程（Ｓ５２)では、通常行われている一般的な合成条件の範囲内でエピタキシャル成長層５０を形成した。

（単結晶ダイヤモンドの観察）
実施例および比較例の単結晶ダイヤモンドの表面に所定のエッチング処理（たとえば酸素ガスを含む雰囲気中でのＲＩＥ、水素プラズマ、酸素および水素の混合プラズマ、窒素および水素の混合プラズマなど）を施し、その後エッチングされた表面を観察した。その結果、比較例では表面の段差に起因して筋が観察されたのに対し、実施例では筋が観察されなかった。
（ダイヤモンド工具の性能評価）
実施例および比較例の単結晶ダイヤモンドを用いてダイヤモンドバイトを作製し、これを用いて被削材の加工を行った。表３は上記加工実験の結果を示しており、加工後の被削材に切削痕（鏡面である切削表面において筋状に形成されたもの）が発生しなかった場合には「○」と表記し、また切削痕が発生した場合には「×」と表記している。また、「−」の表記は、上記加工実験を行わなかった場合である。

表３から明らかなように、昇温度工程（Ｓ５１）において条件（４）〜（６）を採用した場合には被削材に切削痕が発生したのに対して、条件（７）〜（９）を採用した場合には被削材に切削痕が発生しなかった。また、研磨工程（Ｓ２０）およびエッチング工程（Ｓ３０）において条件（１）を採用した場合にはダイヤモンド種結晶２０の窒素濃度に関わらず被削材に切削痕が発生したのに対して、条件（２）では上記窒素濃度が０．０００５ａｔｍ％以下である場合には切削痕が発生せず、また条件（３）では上記窒素濃度が０．０２ａｔｍ％以下である場合には切削痕が発生しなかった。以上の実験結果より、昇温工程（Ｓ５１）においてメタンガスおよび不活性ガスのうち少なくともいずれかのガスを含む雰囲気中においてダイヤモンド種結晶２０を加熱することにより、単一の成長セクタからなり工具性能に優れた単結晶ダイヤモンドが得られることが分かった。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明のダイヤモンド複合体、単結晶ダイヤモンドおよびこれらの製造方法、ならびにダイヤモンド工具は、ダイヤモンド工具の性能を向上させることが要求されるダイヤモンド複合体、単結晶ダイヤモンドおよびこれらの製造方法、ならびに当該単結晶ダイヤモンドを備えるダイヤモンド工具において、特に有利に適用される。

１ ダイヤモンドバイト、２ 台金、３ ろう付け層、４ メタライズ層、１０ 単結晶ダイヤモンド、１０ｂ すくい面、１０ｃ 逃げ面、１０ｄ 切れ刃、２０Ａ ダイヤモンド結晶体、２０ ダイヤモンド種結晶、２０ａ，２１ａ，２２ａ 表面、２０ｂ 裏面、２１ ｛００１｝成長セクタ、２２ ｛１１１｝成長セクタ、３０ ダイヤモンド複合体、４０ 導電層、５０ エピタキシャル成長層、Ｗ，Ｗ１，Ｗ２ 幅。

Claims (5)

1. 結晶全体が単一の成長セクタからなる、単結晶ダイヤモンド。
2. 酸素ガスを含む雰囲気中での反応性イオンエッチング、水素プラズマ、酸素及び水素の混合プラズマ並びに窒素及び水素の混合プラズマのいずれかでエッチングをした場合に、段差に起因する筋が観察されない、請求項１に記載の単結晶ダイヤモンド。
3. カソードルミネセンス測定、フォトルミネセンス測定又は偏光像の観察により、異なる成長セクタの境界を確認することができない、請求項１に記載の単結晶ダイヤモンド。
4. 成長方向に平行な断面での前記成長方向に垂直な方向における幅は６ｍｍ以上である、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の前記単結晶ダイヤモンドを備える、ダイヤモンド工具。

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