JP2019006629A - 単結晶ダイヤモンドの製造方法、単結晶ダイヤモンド複合体および単結晶ダイヤモンド基板 - Google Patents
単結晶ダイヤモンドの製造方法、単結晶ダイヤモンド複合体および単結晶ダイヤモンド基板 Download PDFInfo
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Abstract
Description
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。なお、本明細書において「M〜N」という形式の表記は、範囲の上限下限(すなわちM以上N以下)を意味し、Mにおいて単位の記載がなく、Nにおいてのみ単位が記載されている場合、Mの単位とNの単位とは同じである。
以下、本発明の一実施形態(以下「本実施形態」と記す)について説明する。ただし、本実施形態はこれらに限定されるものではない。なお以下の実施形態の説明に用いられる図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わす。
図1は、本実施形態に係る単結晶ダイヤモンドの製造方法を模式的に示す図である。図1に示されるように、単結晶ダイヤモンドの製造方法は、種基板30を準備する第1工程と、種基板30に金属膜40を形成する第2工程と、種基板30に溝36を形成する第3工程と、種基板30における金属膜40が形成されていない複数の領域34の上に単結晶ダイヤモンド層50を形成する第4工程と、複数の領域34の上に形成された単結晶ダイヤモンド層50を互いに分離して、単結晶ダイヤモンド基板10を得る第5工程とを含む。なお、単結晶ダイヤモンドの製造方法は、上記の第2〜第4工程を含んでいればよく、第1工程および第5工程を省略してもよい。
まず、単結晶ダイヤモンドを化学気相成長法によりエピタキシャル成長させるための種基板30を準備する。種基板30は、単結晶ダイヤモンドによって構成される。種基板30として、高温高圧合成法によって製造されたI型単結晶ダイヤモンドまたはII型単結晶ダイヤモンドを用いてもよいし、化学気相成長法によって製造された単結晶ダイヤモンドを用いてもよい。特に化学気相成長法によって製造された単結晶ダイヤモンドを種基板30として用いた場合、種基板30とエピタキシャル成長により得られる単結晶ダイヤモンド層50との物性の差が小さくなるので好ましい。
図1に戻って、第2工程は、単結晶ダイヤモンドの種基板30の主面32上に、炭素が固溶可能な金属膜40を線状に形成する工程である。金属膜40は、金属元素を含む。ここで、金属元素とは、希ガス元素、17族元素(フッ素等)、H、B、C、N、O、Si、P、S、As、Se、Te以外の全ての元素のことである。
第3工程は、水素原子および酸素原子の少なくとも一方を含む分子のガス中で種基板30を熱処理することにより、金属膜40によって種基板30を侵食させて、主面32に溝36を形成する工程である。たとえば、種基板30をマイクロ波プラズマ装置内に設置し、種基板30の周囲に水素プラズマまたは酸素原子を含むプラズマを発生させることにより、種基板30に熱を供給し、主面32に溝36を形成すればよい。もしくは、水素原子および酸素原子の少なくとも一方を含む分子のガス中で、種基板30または当該ガスを加熱し、種基板30に熱を供給してもよい。
第4工程は、溝36を形成した後に、主面32において金属膜40が形成されていない領域34の上に、化学気相成長法により単結晶ダイヤモンド層50を形成する工程である。当該工程により、種基板30の主面32上に複数の単結晶ダイヤモンド層50が形成された単結晶ダイヤモンド複合体20が得られる。原料ガスは、たとえばメタン−水素系の混合ガスである。成長方法は、熱フィラメント法、燃焼炎法、アークジェット法等が利用可能であるが、本実施形態では、不純物の混入が少ない高品質なダイヤモンドを得るためにマイクロ波プラズマ法を用いる。
上述したように、第4工程において、主面32上に複数の単結晶ダイヤモンド層50が形成される。第5工程は、当該複数の単結晶ダイヤモンド層50を互いに分離する工程である。これにより、単結晶ダイヤモンド基板10が製造される。本実施形態では、図1に示されるように、種基板30を溝36に沿って劈開することにより、複数の単結晶ダイヤモンド層50を互いに分離する。
図4は、単結晶ダイヤモンドの製造方法の変形例を模式的に示す図である。図4に示されるように、第1工程において、種基板30の主面32に炭素イオンを注入することにより炭素イオン注入層38を形成してもよい。この場合、第5工程において、第4工程により得られた単結晶ダイヤモンド複合体20を純水中で電気化学的エッチングすることにより、種基板30と単結晶ダイヤモンド層50とを分離する。これにより、分離された単結晶ダイヤモンド層50が単結晶ダイヤモンド基板10となる。
本実施形態に係る単結晶ダイヤモンド複合体20は、上記の単結晶ダイヤモンドの製造方法における中間生成物であり、上記の第2〜4工程により製造される(図1および図4参照)。
図6は、本実施形態に係る単結晶ダイヤモンド基板10の一例を示す斜視図である。図6には、上記の製造方法において、金属膜40を格子状に形成し、単結晶ダイヤモンド層50の厚みを矩形状の領域34の短辺長より長い0.5mm以上としたときに得られた単結晶ダイヤモンド基板10が示される。金属膜40を格子状に形成することは、複数の矩形状の領域34の短辺間に金属膜40が位置するとともに、複数の矩形状の領域34の長辺間にも金属膜40が位置することを意味する(図1および図4の左側参照)。
次に、単結晶ダイヤモンド基板10が適用される切削工具の一例について説明する。図13は、切削工具の一例を示す図である。図14は、切削工具の先端を示す平面図である。図15は、図14に示すX−X線に沿った矢視断面図である。
図16は、単結晶ダイヤモンド基板10の別の例を示す斜視図である。図16に示されるように、一対の主面11,12間の距離は、第1方向D1および第2方向D2の一方端から他方端に向かうにつれて短くなる。図16に示す単結晶ダイヤモンド基板10は、上記の製造方法において、成長が進むにつれて徐々に単結晶ダイヤモンド層50の幅が小さくなるようにエピタキシャル成長条件を調整することにより製造される。図16に示す単結晶ダイヤモンド基板10では、主面11と側面13との角度を90度より小さく(たとえば、70〜85度)することができる。
(100)面に対してオフ角3度の主面を有し、かつ6mm×6mm×0.5mmのサイズを有する基板Aを種基板として準備した。具体的には、高圧合成法により作製されたIbタイプ基板の主面を、表面粗さRaが50nm未満となるように研磨し、当該主面に炭素のイオン注入を行なった。Ibタイプ基板の主面は、(100)面に対してオフ角3度である。Ibタイプ基板の主面上に化学気相成長法により単結晶ダイヤモンドをエピタキシャル成長させ、成長した単結晶ダイヤモンドをIbタイプ基板から電気化学的エッチングによって分離することにより、基板Aを得た。Ibタイプ基板の主面の表面粗さRaが50nm未満であったため、基板Aにおける分離面の表面粗さRaも50nm未満であった。
Ni膜のライン幅を50μmとした点を除いて試料No.1と同じ条件で試料No.2の単結晶ダイヤモンド基板を作製した。
種基板の主面に炭素のイオン注入を行なわない点、および、電気化学的エッチングではなく、直線状に形成されたNi膜に沿って種基板を劈開することにより、複数個の単結晶ダイヤモンド層を分離した点を除いて、試料No.1と同じ条件で試料No.3の単結晶ダイヤモンド基板を作製した。
種基板の主面に炭素のイオン注入を行なわない点、および、電気化学的エッチングではなく、直線状に形成されたNi膜に沿って劈開することにより、複数個の単結晶ダイヤモンド層を分離した点を除いて、試料No.2と同じ条件で試料No.4の単結晶ダイヤモンド基板を作製した。
基板Aの代わりに基板Bを種基板として準備した点、および、炭素のイオン注入を行なった後の種基板の主面に対する研磨を省略した点を除いて、試料No.1と同じ条件で試料No.5の単結晶ダイヤモンド基板を作製した。
Ni膜のライン幅を50μmとした点を除いて試料No.5と同じ条件で試料No.6の単結晶ダイヤモンド基板を作製した。
種基板の主面に炭素のイオン注入を行なわない点、および、電気化学的エッチングではなく、直線状に形成されたNi膜に沿って劈開することにより、複数個の単結晶ダイヤモンド層を分離した点を除いて、試料No.5と同じ条件で試料No.7の単結晶ダイヤモンド基板を作製した。
種基板の主面に炭素のイオン注入を行なわない点、および、電気化学的エッチングではなく、直線状に形成されたNi膜に沿って劈開することにより、複数個の単結晶ダイヤモンド層を分離した点を除いて、試料No.6と同じ条件で試料No.8の単結晶ダイヤモンド基板を作製した。
試料No.1と同様に、基板Aを種基板とし、種基板の主面を研磨して平坦化した後に、当該主面に対して、7×1015cm-2のドーズ量の炭素イオンを300keVで注入した。
種基板の主面にレーザーで、100μm幅、深さ220μmの溝を1.2mm間隔で形成した点を除いて、試料No.9と同じ条件で試料No.10の単結晶ダイヤモンド基板を作製した。ただし、溝の幅が試料No.9と比較して大きいため、溝が単結晶ダイヤモンドで埋まることなく、接合層を介して互いに接合された単結晶ダイヤモンド層が成長した。接合層は、単結晶ダイヤモンドではない。そのため、大気中の熱処理によって接合層の一部を昇華させ、一部の結合が弱させることにより、レーザーを用いることなく単結晶ダイヤモンド層を分離することができた。
試料No.5と同様に、基板Bを種基板とし、種基板の主面に対して、7×1015cm-2のドーズ量の炭素を300keVでイオン注入した。
試料No.1〜10の単結晶ダイヤモンド基板の主面は、エピタキシャル成長した単結晶ダイヤモンド層における直線状のNi膜または溝に沿った側面に対応する。単結晶ダイヤモンド層の側面はほぼ(110)面であったため、当該側面を研磨することにより、試料No.1〜10の単結晶ダイヤモンド基板の主面を(110)面とすることができた。つまり、種基板の主面の面方位とは異なる面方位を主面とする単結晶ダイヤモンド基板を得ることができた。
以上の説明は、以下に付記する特徴を含む。
単結晶ダイヤモンドの製造方法は、単結晶ダイヤモンドの種基板の主面上に、炭素が固溶可能な金属膜を線状に形成する工程と、前記種基板の周囲に水素プラズマを発生させることにより、前記金属膜によって前記種基板を侵食させて、前記主面に溝を形成する工程と、前記溝を形成した後に、前記主面において前記金属膜が形成されていない領域の上に、化学気相成長法により単結晶ダイヤモンド層を形成する工程とを備える。
単結晶ダイヤモンドの製造方法は、単結晶ダイヤモンドの種基板の主面上に、炭素が固溶可能な金属膜を線状に形成する工程と、前記種基板をチャンバ内に設置し、前記種基板の周囲に水素プラズマを発生させることにより、前記金属膜によって前記種基板を侵食させて、前記主面に溝を形成する工程と、前記溝を形成した後に前記チャンバ内に原料ガスを導入し、前記主面において前記金属膜が形成されていない領域の上に、化学気相成長法により単結晶ダイヤモンド層を形成する工程とを備える。
単結晶ダイヤモンドの製造方法は、単結晶ダイヤモンドの種基板の主面上に、炭素が固溶可能な金属膜を線状に形成する工程と、前記種基板をチャンバ内に設置し、水素原子および酸素原子の少なくとも一方を含む分子のガス中で前記種基板を熱処理することにより、前記金属膜によって前記種基板を侵食させて、前記主面に溝を形成する工程と、前記溝を形成した後に前記チャンバ内に原料ガスを導入し、前記主面において前記金属膜が形成されていない領域の上に、化学気相成長法により単結晶ダイヤモンド層を形成する工程とを備える。
8 切削工具
10 単結晶ダイヤモンド基板
11,12,32 主面
13,14,15,16 側面
17 第1成長縞
18 断面
19 第2成長縞
20 単結晶ダイヤモンド複合体
30 種基板
34 領域
36,136 溝
38 炭素イオン注入層
40 金属膜
50 単結晶ダイヤモンド層
60 接合層
71,72,73,74 活性種の流れ
80 マイクロ波プラズマ装置
81 チャンバ
82 マイクロ波電源
83 導波管
84 マイクロ波導入窓
85 支持台
86 ガス供給管
87 ガス排出管
88 プラズマ
119,219 成長縞
D1 第1方向
D2 第2方向
S1 対象面
S2 基準面
Z 被削材
a1 オフ方向
a11 面内オフ方向
a2,n 法線方向。
Claims (15)
- 単結晶ダイヤモンドの種基板の主面上に、炭素が固溶可能な金属膜を線状に形成する工程と、
水素原子および酸素原子の少なくとも一方を含む分子のガス中で前記種基板を熱処理することにより、前記金属膜によって前記種基板を侵食させて、前記主面に溝を形成する工程と、
前記溝を形成した後に、前記主面において前記金属膜が形成されていない領域の上に、化学気相成長法により単結晶ダイヤモンド層を形成する工程とを備える、単結晶ダイヤモンドの製造方法。 - 前記金属膜を線状に形成する工程において、前記領域が矩形状となるように、前記金属膜を直線状または格子状に形成し、
前記主面の(001)面に対するオフ角は、1度以上10度以下であり、
前記主面の(001)面に対するオフ方向を前記主面に投影した面内オフ方向と、前記領域の長辺とのなす角度は、前記長辺と前記領域の対角線とのなす劣角以下である、請求項1に記載の単結晶ダイヤモンドの製造方法。 - 前記金属膜を線状に形成する工程において、前記領域が矩形状となるように、前記金属膜を直線状または格子状に形成し、
前記単結晶ダイヤモンド層の厚みは、前記領域の短辺長よりも長い、請求項1に記載の単結晶ダイヤモンドの製造方法。 - 前記金属膜は、強磁性を示す金属を含む、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の単結晶ダイヤモンドの製造方法。
- 前記単結晶ダイヤモンド層を形成する工程において、前記主面上に複数の単結晶ダイヤモンド層が形成され、
前記複数の単結晶ダイヤモンド層を互いに分離する工程をさらに備える、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の単結晶ダイヤモンドの製造方法。 - 主面に溝が形成された、単結晶ダイヤモンドの種基板と、
前記主面における前記溝を除く領域の上に形成された単結晶ダイヤモンド層とを備え、
前記種基板における前記溝の表面に、炭素が固溶された金属膜を含む、単結晶ダイヤモンド複合体。 - 単結晶ダイヤモンド基板であって、
前記単結晶ダイヤモンド基板の表面は、一対の主面を含み、
前記一対の主面の少なくとも一方の主面に、欠陥量および不純物濃度の少なくとも一方の変化を示す第1成長縞が観察され、
前記第1成長縞は、前記少なくとも一方の主面内の第1方向に沿って配列され、
前記少なくとも一方の主面において、前記第1方向の一方端側に観察される前記第1成長縞は直線状であり、前記第1方向の他方端側に観察される前記第1成長縞は前記第1方向の前記一方端から前記他方端に向いた凸状であり、
前記少なくとも一方の主面における前記第1方向の前記一方端から前記他方端までの長さは0.5mm以上である、単結晶ダイヤモンド基板。 - 前記単結晶ダイヤモンド基板の表面は、前記少なくとも一方の主面における前記第1方向の前記一方端に交わる側面を含み、
前記第1方向に平行であり、かつ前記一対の主面に垂直な面で前記単結晶ダイヤモンド基板を切ったときの断面に、欠陥量および不純物濃度の少なくとも一方の変化を示す第2成長縞が観察され、
前記第2成長縞は、前記断面内の第2方向に沿って配列され、
前記断面における前記第2方向の一方端は、前記断面と前記側面との交線であり、
前記断面において、前記第2方向の前記一方端側に観察される前記第2成長縞は直線状であり、前記第2方向の他方端側に観察される前記第2成長縞は前記第2方向の前記一方端から前記他方端に向いた凸状である、請求項7に記載の単結晶ダイヤモンド基板。 - 前記側面は、平らな矩形状であり、
前記側面の(001)面に対するオフ角は、1度以上10度以下であり、
前記側面の(001)面に対するオフ方向を前記側面に投影した面内オフ方向と前記側面の長辺とのなす角度は、前記長辺と前記側面の対角線とで形成される劣角以下である、請求項8に記載の単結晶ダイヤモンド基板。 - 前記一対の主面間の距離は、前記第1方向の前記一方端から前記他方端に向かうにつれて短くなる、請求項7から請求項9のいずれか1項に記載の単結晶ダイヤモンド基板。
- 単結晶ダイヤモンド基板であって、
前記単結晶ダイヤモンド基板の表面は、一対の主面を含み、
前記一対の主面の少なくとも一方の主面に、欠陥量および不純物濃度の少なくとも一方の変化を示す第1成長縞が観察され、
前記第1成長縞は、前記少なくとも一方の主面内の第1方向に沿って配列され、
前記第1方向に平行であり、かつ前記一対の主面に垂直な面で前記単結晶ダイヤモンド基板を切ったときの断面に、欠陥量および不純物濃度の少なくとも一方の変化を示す第2成長縞が観察され、
前記第2成長縞は、前記断面内の第2方向に沿って配列され、
前記断面において、前記第2方向の一方端側に観察される前記第2成長縞は直線状であり、前記第2方向の他方端側に観察される前記第2成長縞は前記第2方向の前記一方端から前記他方端に向いた凸状であり、
前記断面における前記第2方向の前記一方端から前記他方端までの長さは0.5mm以上である、単結晶ダイヤモンド基板。 - 前記単結晶ダイヤモンド基板の表面は、前記断面における前記第2方向の前記一方端を含む平らな矩形状の側面を含み、
前記側面の(001)面に対するオフ角は、1度以上10度以下であり、
前記側面の(001)面に対するオフ方向を前記側面に投影した面内オフ方向と前記側面の長辺とのなす角度は、前記長辺と前記側面の対角線とで形成される劣角以下である、請求項11に記載の単結晶ダイヤモンド基板。 - 前記一対の主面間の距離は、前記第2方向の前記一方端から前記他方端に向かうにつれて短くなる、請求項11または請求項12に記載の単結晶ダイヤモンド基板。
- 前記側面の少なくとも一部分に強磁性を示す金属を含む、請求項8、請求項9および請求項12のいずれか1項に記載の単結晶ダイヤモンド基板。
- 前記少なくとも一方の主面の(110)面に対するオフ角は、0度以上20度以下である、請求項7から請求項14のいずれか1項に記載の単結晶ダイヤモンド基板。
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