JP2019536730A - 化学気相成長による単結晶合成ダイヤモンド材料 - Google Patents

Abstract

単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料を開示し、当該材料は、少なくとも３ｐｐｍの、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定される総窒素濃度；及び低光学複屈折であって、少なくとも１．３ｍｍ×１．３ｍｍの面積を有する前記単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料のサンプル中で、かつ１×１μｍ2から２０×２０μｍ2の範囲の面積のピクセルサイズを用いて測定して、Δｎ[平均]の最大値が１．５×１０-4を超えず、Δｎ[平均]が、遅相軸及び進相軸に平行に偏光した光の屈折率間の差をサンプル厚さにわたって平均化した平均値である、低光学複屈折を含む。当該材料の製作方法も開示する。

Description

本発明は、単結晶化学気相成長（ＣＶＤ）合成ダイヤモンド材料、及び、特に、有意量の窒素ドーパントを含有する単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の層の合成に関連する。

１９８０年代及び１９９０年代において、世界中の様々なグループによって、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の合成に向けた多くの研究が行われた。この仕事の多くは、ホモエピタキシャル成長による単結晶ダイヤモンド基板上の単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の薄層の成長を明らかにした。高品質単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の比較的厚い層の製作が望まれていたものの、実際問題としてこれを達成するのは難しいことが証明された。単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の合成は極限条件を必要とし、当該極限条件は生み出され、そして、長期間にわたって安定な様式に維持される必要があり、それにより高品質単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の厚い層がうまく成長する。さらに、合成されるダイヤモンド材料には、複合多次元合成パラメータ空間を形成する多数の合成パラメータの影響を受けやすいという性質がある。この多次元合成パラメータ空間の小領域のみが、高品質単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の厚い層を達成することができる。このような合成体制を発見すること、並びにこのような合成体制のうちの一つの範囲内で安定した成長を実現し、かつ維持するのに必要なパラメータの正しい組み合わせを生み出すための方法論を開発することは、決して取るに足らないことではない。

２０００年代の初期に、Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｓｉｘ Ｌｔｄ（Ｄｅ Ｂｅｅｒｓ Ｇｒｏｕｐ）は、多数の異なる種類の高品質単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の成長に向けた一連の特許出願を行った。これらの特許出願は長年にわたる、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料に対する多次元合成パラメータ空間の理解を発展させ、かつ選択した合成体制の範囲内での安定した成長を実現し、かつ維持するのに必要なパラメータの正しい組み合わせを生み出し及び維持するための方法論を発展させる、広範な研究に基づく。

単結晶ＣＶＤダイヤモンド成長に重要な合成パラメータは、基板の種類、基板の加工及び成長表面処理、基板の幾何学、基板の温度及び温度管理、マイクロ波パワー、ガス圧、ガス組成並びに流速を含むことがわかった。これらのパラメータの正しい組み合わせは選択され、生み出され及び安定な様式に維持される必要があり、かつこれらのパラメータのうちの多くは、もし１つのパラメータが変更された場合には、安定した成長体制に留まるよう他のパラメータもまた正しい挙動で変更されるように、相互関係を持つ。２０００年代に出願されたＥｌｅｍｅｎｔ Ｓｉｘ Ｌｔｄの特許出願のいくつかの例を、以下に簡単に論じる。

一定の用途では、ダイヤモンド格子構造中の欠陥、又は少なくとも一定の種類の欠陥の数を最小限にすることが望ましい。例えば、放射線検出器又は半導体スイッチング装置のような一定の電子工学用途においては、ダイヤモンド材料中の固有の電荷キャリアの数を最小化にすること及び使用される材料中に意図的に導入された電荷キャリアの移動性を増加させることが望ましい。このような材料は、低濃度の、さもなければダイヤモンド格子構造に電荷キャリアを導入し得る不純物を有する、単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の製作によって設計することができる。このような電子工学／検出器グレードの単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料に関連する特許文献は、ＷＯ０１／０９６６３３及びＷＯ０１／０９６６３４を含む。

一定の光学用途では、低光学吸光度及び低光学複屈折を有する材料を供給することが望ましい。このような材料は、低濃度の、さもなければ材料の光学吸光度を増加させ得る不純物、及び低濃度の、さもなければ異方的な歪みをダイヤモンド格子構造に導入して複屈折を引き起こし得る拡張欠陥を有する、単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の製作によって設計することができる。このような光学グレードの単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料に関連する特許文献は、ＷＯ２００４／０４６４２７及びＷＯ２００７／０６６２１５を含む。

上記の低欠陥材料とは対照的に、一定の用途では、有意であるが制御された量、種類、及び分布の欠陥を、ダイヤモンド格子構造に意図的に導入することが望ましい。例えば、ＣＶＤプロセスガス中のホウ素含有ガスを供給することによりダイヤモンド格子にホウ素を導入することで、ダイヤモンド材料のバンド構造中のアクセプタ準位を供給し、したがってｐ型半導体を形成する。極度に高レベルのホウ素がダイヤモンド格子構造に導入された場合、材料は金属のような伝導性を示す。このような材料は、電極として、電気化学電極として、及び電子工学用途において、有用である。このようなホウ素をドープした単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料に関連する特許文献は、ＷＯ０３／０５２１７４を含む。

別の例は、窒素をドープした単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料のものである。窒素は、ＣＶＤプロセスガスへの窒素の供給が、材料の成長速度を増加させ、かつ転位のような結晶学的欠陥の形成にも影響を与え得ることがわかっているため、ＣＶＤダイヤモンド材料合成における最も重要なドーパントのうちの１つである。従って、単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の窒素ドーピングは、文献中で広く調査及び報告されている。窒素をドープしたＣＶＤ合成ダイヤモンド材料は、茶色になりやすい。従って、前に論じた用途、例えば光学用途にとっては、ＣＶＤプロセスガスから窒素を意図的に除去する技術を開発することが有利であることがわかっている。しかしながら、光学、電子工学、及び量子結合のパラメータと関係のない機械用途にとっては、有意のレベルまでの窒素ドーピングが、ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の厚い層の成長を達成するのに有益であり得る。このような窒素をドープした単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料に関連する特許文献は、ＷＯ２００３／０５２１７７を含む。

一定の用途では、２以上のドーパントのＣＶＤ合成過程への導入を伴う合成方法論を利用することが有利であることも、わかっている。例えば、前に論じたように、窒素をドープしたＣＶＤ合成ダイヤモンド材料は、茶色になりやすい。しかしながら、もしホウ素又はケイ素のような共ドーパント（ｃｏ−ｄｏｐａｎｔ）が窒素と共に合成過程に導入された場合には、さもなければ茶色の呈色という結果をもたらす窒素レベルにおいて、無色又はほぼ無色の単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料を製作することが可能であることが、わかっている。このような共ドープした（ｃｏ−ｄｏｐｅｄ）単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料に関連する特許文献は、ＷＯ２００６／１３５９２９を含む。

共ドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）は、材料の視覚的な品質に有害な影響を与えることなく、材料を合成であると鑑定する方法として、別個にドープした材料の１以上の層を単結晶ＣＶＤダイヤモンドに意図的に導入する手段として、使用することができる。例えば、通常の観察条件下では目に見えないが蛍光条件下では目に見える、共ドープした材料の１以上の層を有する、無色又はほぼ無色の単結晶ＣＶＤダイヤモンドを製造することができる。このような取り組みは、ＷＯ２００５／０６１４００に記載されている。

最後に、ＥＰ２９８５３６８（住友）は、チッピングを抑制するための機械工具用途のために、様々な異なる種類の欠陥を、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料に組み込むことを提案している。この機械工具構成要素を達成するため、溝が彫られた基板、イオン注入、並びに比較的高レベルのメタン及び窒素が、製品材料中の様々な欠陥を作成するために利用された。様々な横寸法を有する単結晶ＣＶＤダイヤモンド製品が達成され、一方で０．７ｍｍの比較的低い厚みであった。

上記に照らして、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料が様々な異なる形態を有し、かつ特定の用途における様々な異なる特質を有するように設計され得ることが明らかであろう。

商業的用途での最も重要な合成体制の１つは、ＷＯ２００４／０４６４２７に記載されたものである。本明細書の背景技術の章に記載したように、ＷＯ２００４／０４６４２７は、低吸光度及び低光学複屈折を有する単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の製作に向けられている。このような材料が一定の光学用途に必要であることがわかっている一方で、そこに記載された合成体制は、必ずしも製品材料のすべての有利な光学的品質を必要としない用途にとって有用であることもまた、了知されている。例えば、低光学複屈折を必要としない用途にとってさえ、ＷＯ２００４／０４６４２７に記載の合成方法論が、他の工程に比べて比較的良好な成長率及び比較的高い産出量を有する、高品質で、厚い、単結晶ＣＶＤダイヤモンドを一貫して製造可能であるため、商業生産に有利であり得ることがわかっている。

ＷＯ２００４／０４６４２７の実施形態は、実質的に高複屈折領域を有さず、かつ電子常磁性共鳴分光分析（ＥＰＲ）によって３×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³から５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³の範囲に測定される濃度の単一置換窒素を含有する、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の層の生産を記載している。このような材料は、低く及び制御されたレベルの窒素を有し、かつ低歪みが、３００ｐｐｂから５ｐｐｍの濃度領域以内で低く及び制御されたレベルの気相窒素が合成雰囲気に導入される化学気相成長技術を用いて製造されるものとして記載されている。本発明者らは、一定の用途では、ＷＯ２００４／０４６４２７の実施形態に記載された窒素濃度よりも高い窒素濃度を用いて、低歪み単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料を製作することが有利であり得ることに気づいた。しかしながら、合成雰囲気中の窒素レベルを増加させて単結晶ＣＶＤダイヤモンド製品材料中の窒素濃度を増加させることは、製品材料中の歪み及び複屈折を増加させることが了知されている。さらに、増加した歪みは合成処理中又は合成処理後においてひび割れの増加ももたらし、これにより産出量を減少させ得る。

前述の問題は、基板上に低窒素単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の薄層を成長させ、そして高窒素単結晶ＣＶＤダイヤモンド製品材料のための高窒素成長過程に移行することで解決された。理論にとらわれないが、高窒素単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料は基板中のピット（例えば、基板ダメージを除去するためのプラズマエッチングにより形成される）を、ピットを適切に埋めることなく過成長させ、歪み／転位の形成という結果をもたらす。低窒素、低成長速度の初期層が、高窒素、高成長速度の合成に移行する前にこれらのピットを埋める。このようにして、低歪みも有する高窒素濃度単結晶ＣＶＤダイヤモンド製品材料を製作することができる。もちろん、成長前の基板のエッチングの間に基板に形成されるピッティングの問題を回避するための代替方法は、ピットを形成する基板エッチングの使用を減少させ又は回避することである。しかしながら、基板エッチング過程は、機械的加工の結果としての、表面又は表面下の基板ダメージを除去するように設計されている。この基板ダメージがエッチングにより除去されない場合、これは転位形成及び歪みも引き起こす。本解決策は、このようにして基板エッチング工程を維持して基板成長表面から機械的加工ダメージを除去するが、次いでエッチングの後かつ高窒素、高成長速度合成過程への移行の前に、低窒素、低成長速度の合成過程を用いてピット及び凹凸を埋める。この方法により、高窒素含有量及び低複屈折の両方を有する単結晶ＣＶＤダイヤモンド製品を達成することが可能になる。

本発明の第１の側面によると、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料であって：
少なくとも３ｐｐｍの、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定される総窒素濃度；及び
低光学複屈折であって、少なくとも１．３ｍｍ×１．３ｍｍの面積を有する前記単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料のサンプル中で、かつ１×１μｍ²から２０×２０μｍ²の範囲の面積のピクセルサイズを用いて測定して、Δｎ_[平均]の最大値が１．５×１０^-4を超えず、Δｎ_[平均]が、遅相軸及び進相軸に平行に偏光した光の屈折率間の差をサンプル厚さにわたって平均化した平均値である、低光学複屈折、を含む、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料が提供される。

本発明の第２の側面によると、本発明の第１の側面に係る単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の製作方法が提供され、前記方法は：
単結晶ダイヤモンド基板を機械的に加工することにより複数の前記基板を調製し、次いで前記基板をエッチングして機械的加工ダメージを除去する工程であって、
各基板の成長表面が欠陥密度を有し、暴露プラズマエッチングにより形成された欠陥に関連する表面エッチング特徴部が５×１０³／ｍｍ²よりも小さくなる、工程；
各単結晶ダイヤモンド基板の成長表面の上に、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の第１の層を成長させる工程、及び
単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の第１の層の上に、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の第２の層を成長させる工程、を含み、
単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の第２の層を、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の第１の層よりも高い窒素条件下で成長させ、合成条件を、本発明の第１の側面の単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料を達成するために制御する。

単結晶ＣＶＤダイヤモンド製品材料は、高窒素含有量及び低歪みを有し、かつ厚い層で形成され得る。合成条件を、黄色の着色材料を成長したままの形態で形成するために、又はアニーリング処理後に茶色の着色を除去するために、制御することができる。成長したままの製品材料を照射して、青色の着色材料を製造することができる。あるいは、成長したままの材料を照射及びアニールして、ピンク色の着色材料を製造することができる。そのような材料を、宝飾用途のためにカットされた宝石用原石に製作することができる。あるいは、そのような材料を、歪みの減少がより安定な窒素空孔欠陥及び感度の増加をもたらし得る量子センシング及び情報処理の用途に用いることができる。若しくは、そのような材料を、機械用途に用いることができる。すべての場合において、より低い歪みは、より高い合成産出量並びに改善された表面加工品質及び産出量ももたらし得る。

本発明のより良い理解のため、かつ本発明をどのように実施できるかを示すため、本発明の実施形態を、添付の図面の参照しながら例としてのみ説明する。

図１は、本発明に係る単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の製作に伴う基礎的工程を説明する。

本明細書の発明の概要の章に記載したように、本発明を達成するための鍵は、高窒素含有量並びに低い歪み及び複屈折の両方を有する、単結晶ＣＶＤダイヤモンド製品材料を達成する方法論を提供することである。

基礎的方法論を図１に説明する。工程１において、基板１０を望ましい幾何学及び表面仕上げに機械的に加工する。機械的加工は、望ましい厚さにラッピング加工し、次いで望ましい表面粗さ及び平坦さに研磨する工程を含む。そのような機械的加工は、基板１０の成長表面に、表面及び表面下のダメージ１２を生み出す。この表面及び表面下のダメージ１２は、そのような表面の上に成長させた単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料中で転位を核生成し（ｎｕｃｌｅａｔｅ）、かつ歪みを生じ得る。したがって、工程２においては、このダメージを除去するためにエッチング加工を基板の成長表面１０に適用する。このエッチング加工は表面及び表面下のダメージを除去する一方で、特に転位などの欠陥が基板１０内にある場合には、基板１０の成長表面にもピット１４を形成させる。単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料は、転位を核生成しかつ歪みを生み出すことなくピットを埋める傾向があるため、そのようなピット１４は、通常は低くかつ制御された窒素濃度を有する合成雰囲気を用いて、そのような表面の上に成長した単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料にとって、問題ではない。しかしながら、高窒素、高速成長速度の合成過程を利用する場合、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料は埋めることなく基板内にピットを過成長させる傾向があり、ダイヤモンド格子を不連続にして転位及び歪みを生み出す。この問題を解決するため、工程３において、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の薄層１６を、低くかつ制御された窒素濃度を用いて成長させて、工程４のより高い窒素成長過程に移行する前に基板１０上のピット１４を埋め、高窒素、低歪みダイヤモンド材料１８を産出する。

概して、本発明に係る方法は、以下の工程を含む：
単結晶ダイヤモンド基板を機械的に加工することにより複数の前記基板を調製し、次いで前記基板をエッチングして機械的加工ダメージを除去する工程であって、各基板の成長表面が欠陥密度を有し、暴露プラズマエッチングにより形成された欠陥に関連する表面エッチング特徴部が５×１０³／ｍｍ²よりも小さくなる、工程；
各単結晶ダイヤモンド基板の前記成長表面の上に、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の第１の層を成長させる工程、及び
単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の前記第１の層の上に、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の第２の層を成長させる工程、を含み、
単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の前記第２の層を、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の前記第１の層よりも高い窒素条件下で成長させる。

単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の第１の層を、５ｐｐｍ、３ｐｐｍ、１ｐｐｍ、又は０．８ｐｐｍよりも少ない窒素を含有する合成雰囲気下で成長させることができる。一定の実施形態によると、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料１６の薄層を、高純度合成プロセス（例えば、ＷＯ２００１／０９６６３３による）又は低くかつ制御された窒素付加を用いる合成プロセス（例えば、ＷＯ２００４／０４６４２７による）を用いて製作することができる。

単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の第２の層を、５ｐｐｍ、７ｐｐｍ １０ｍｍ、１５ｐｐｍ、２０ｐｐｍ、又は３０ｐｐｍよりも多い窒素、任意で３００ｐｐｍ以下の窒素を含有する合成雰囲気を用いて成長させる。第１の層を、少なくとも５マイクロメートル及び／又は２００マイクロメートル以下の厚さまで成長させることができる。第１の層を、結晶格子の良好な連続状態を維持する一方で、基板中の欠陥を埋めることを確実にする状況下で成長させるべきである。

成長の後、初期基板１０及び低窒素単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の薄層１６を（例えば、レーザー切断、電子ビーム、又は他の方法を介して）除去して、高窒素、低歪み材料１８の独立の単結晶ＣＶＤダイヤモンド製品を産出することができる。単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料は：少なくとも３ｐｐｍの、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定される総窒素濃度；及び低光学複屈折であって、少なくとも１．３ｍｍ×１．３ｍｍの面積を有する単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料のサンプル中で、かつ１×１μｍ²から２０×２０μｍ²の範囲の面積のピクセルサイズを用いて測定して、Δｎ_[平均]の最大値が１．５×１０^-4を超えず、Δｎ_[平均]が、遅相軸及び進相軸に平行に偏光した光の屈折率間の差をサンプル厚さにわたって平均化した平均値である、低光学複屈折、を含む。一定の実施形態は、８×１０^-5を超えず、又は５×１０^-5以下のΔｎ_[平均]の最大値を有し得る。通常、Δｎ_[平均]の最大値の下限は１×１０^-7であり得る。ここに記載の方法論を用いて製作した単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料は、少なくとも０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍ、２．５ｍｍ、３．０ｍｍ、又は５ｍｍ、及び任意で２０ｍｍ以下の厚さを有し得る。１ｍｍ厚を超過するより厚い実施形態においては、０．５ｍｍから１．０ｍｍの範囲の厚さを有するような材料のサンプルを抽出し、かつ複屈折特徴を測定するのに用いることができる。

光学複屈折は、±１０°以内の最大複屈折の方向で測定され得るが、転位は材料を通して成長方向に増殖する傾向があるため、これは一般的に単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の成長方向に一致する。

単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料は、少なくとも５ｐｐｍ、７ｐｐｍ １０ｍｍ、１５ｐｐｍ、２０ｐｐｍ、又は３０ｐｐｍの、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定される総窒素濃度を有し得、及び任意で５０ｐｐｍ以下であり得る。単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料は、５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、８×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、又は１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³よりも大きい、電子常磁性共鳴により測定される中性単一置換窒素（Ｎ_s ⁰）濃度を有し得、及び任意で１×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下であり得る。

成長したままの製品材料は、ＷＯ２００３／０５２１７７に記載のものと類似して、茶色であり得る。あるいは、成長したままの製品材料は、例えばＷＯ２０１１／０７６６４３に記載のものと類似して、黄色であり得る。成長したままの材料は、合成の後にＷＯ２００４／０２２８２１に記載のアニーリング処理を適用することにより、処理できる。青色の着色材料を、ＷＯ２０１０／１４９７７９に記載の方法と類似した方法で照射することにより、製作することができる。ピンク色の着色材料を、ＷＯ２０１０／１４９７７５に記載の方法と類似した方法で照射及びアニーリングすることにより、製作することができる。そのような着色製品は、先行技術に記載のものと色が類似するが、より低歪みを有し、ＷＯ２００４／０４６４２７の無色又はほぼ無色の製品材料により匹敵し得る。

本発明に係る単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料は、光学用途、熱用途、カットされた宝石用原石、量子センシング及び情報処理用途の形での宝飾用途、並びに（例えば、低欠陥成長表面を有する基板を形成するための垂直スライスを経た）さらなるＣＶＤダイヤモンド成長のための基板としての用途を含む、幅広い用途に用いることができる。

本発明を、実施形態を参照して詳しく示し及び説明したが、形式及び細部における様々な変更が、添付の特許請求の範囲により定義される本発明の範囲を逸脱することなく加えられ得ることは、当技術分野の当業者に理解されるであろう。

本発明を、実施形態を参照して詳しく示し及び説明したが、形式及び細部における様々な変更が、添付の特許請求の範囲により定義される本発明の範囲を逸脱することなく加えられ得ることは、当技術分野の当業者に理解されるであろう。
本発明のまた別の態様は、以下のとおりであってもよい。
〔１〕単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料であって：
少なくとも３ｐｐｍの、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定される総窒素濃度；及び
低光学複屈折であって、少なくとも１．３ｍｍ×１．３ｍｍの面積を有する前記単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料のサンプル中で、かつ１×１μｍ ² から２０×２０μｍ ² の範囲の面積のピクセルサイズを用いて測定して、Δｎ _[平均] の最大値が１．５×１０ ^-4 を超えず、Δｎ _[平均] が、遅相軸及び進相軸に平行に偏光した光の屈折率間の差をサンプル厚さにわたって平均化した平均値である、低光学複屈折、
を含む、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料。
〔２〕前記単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料が、少なくとも０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍ、２．５ｍｍ、３．０ｍｍ、又は５ｍｍの厚さを有する、前記〔１〕に記載の単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料。
〔３〕複屈折の測定に用いられる単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の前記サンプルが、０．５ｍｍから１．０ｍｍの範囲の厚さを有する、前記〔１〕又は〔２〕に記載の単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料。
〔４〕前記単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の前記総窒素濃度が、少なくとも５ｐｐｍ、７ｐｐｍ １０ｍｍ、１５ｐｐｍ、２０ｐｐｍ、又は３０ｐｐｍである、前記〔１〕から〔３〕のいずれか一項に記載の単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料。
〔５〕前記Δｎ _[平均] の最大値が、８×１０ ^-5 を超えない、前記〔１〕から〔４〕のいずれか一項に記載の単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料。
〔６〕前記Δｎ _[平均] の最大値が、５×１０ ^-5 を超えない、前記〔１〕から〔５〕のいずれか一項に記載の単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料。
〔７〕前記光学複屈折が、±１０°以内の最大複屈折の方向で測定される、前記〔１〕から〔６〕のいずれか一項に記載の単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料。
〔８〕前記単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料が、電子常磁性共鳴により測定される５×１０ ¹⁷ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ³ 、８×１０ ¹⁷ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ³ 、又は１×１０ ¹⁸ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ³ よりも大きい中性単一置換窒素（Ｎ _s ⁰ ）濃度を有する、前記〔１〕から〔７〕のいずれか一項に記載の単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料。
〔９〕前記単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料が、茶色、黄色、青色、又はピンク色に着色されている、前記〔１〕から〔８〕のいずれか一項に記載の単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料。
〔１０〕前記単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料が、カットされた宝石用原石の形である、前記〔１〕から〔９〕のいずれか一項に記載の単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料。
〔１１〕前記〔１〕から〔１０〕のいずれか一項に記載の単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の製造方法であって、前記方法が：
単結晶ダイヤモンド基板を機械的に加工することにより複数の前記基板を調製し、次いで前記基板をエッチングして機械的加工ダメージを除去する工程であって、各基板の成長表面が欠陥密度を有し、暴露プラズマエッチングにより形成された欠陥に関連する表面エッチング特徴部が５×１０ ³ ／ｍｍ ² よりも小さくなる、工程；
各単結晶ダイヤモンド基板の前記成長表面の上に、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の第１の層を成長させる工程、及び
単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の前記第１の層の上に、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の第２の層を成長させる工程、を含み、
単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の前記第２の層を、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の前記第１の層よりも高い窒素条件下で成長させる、方法。
〔１２〕単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の前記第１の層を、５ｐｐｍ、３ｐｐｍ、１ｐｐｍ、又は０．８ｐｐｍよりも少ない窒素を含有する合成雰囲気を用いて成長させる、前記〔１１〕に記載の方法。
〔１３〕単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の前記第２の層を、５ｐｐｍ、７ｐｐｍ １０ｍｍ、１５ｐｐｍ、２０ｐｐｍ、又は３０ｐｐｍよりも多い窒素を含有する合成雰囲気を用いて成長させる、前記〔１１〕又は〔１２〕に記載の方法。
〔１４〕前記第１の層を、少なくとも５マイクロメートルの厚さまで成長させる、前記〔１１〕から〔１３〕のいずれか一項に記載の方法。
〔１５〕前記第１の層を、２００マイクロメートル以下の厚さまで成長させる、前記〔１１〕から〔１４〕のいずれか一項に記載の方法。
〔１６〕単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の前記第２の層が、黄色又は茶色である、前記〔１１〕から〔１５〕のいずれか一項に記載の方法。
〔１７〕単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の前記第２の層が、照射されて青色の着色材料を生じる、前記〔１１〕から〔１６〕のいずれか一項に記載の方法。
〔１８〕単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の前記第２の層が、照射及びアニールされてピンク色の着色材料を生じる、前記〔１１〕から〔１６〕のいずれか一項に記載の方法。

Claims (18)

1. 単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料であって：
   少なくとも３ｐｐｍの、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により測定される総窒素濃度；及び
   低光学複屈折であって、少なくとも１．３ｍｍ×１．３ｍｍの面積を有する前記単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料のサンプル中で、かつ１×１μｍ²から２０×２０μｍ²の範囲の面積のピクセルサイズを用いて測定して、Δｎ_[平均]の最大値が１．５×１０^-4を超えず、Δｎ_[平均]が、遅相軸及び進相軸に平行に偏光した光の屈折率間の差をサンプル厚さにわたって平均化した平均値である、低光学複屈折、
   を含む、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料。
2. 前記単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料が、少なくとも０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍ、２．５ｍｍ、３．０ｍｍ、又は５ｍｍの厚さを有する、請求項１に記載の単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料。
3. 複屈折の測定に用いられる単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の前記サンプルが、０．５ｍｍから１．０ｍｍの範囲の厚さを有する、請求項１又は２に記載の単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料。
4. 前記単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の前記総窒素濃度が、少なくとも５ｐｐｍ、７ｐｐｍ １０ｍｍ、１５ｐｐｍ、２０ｐｐｍ、又は３０ｐｐｍである、請求項１から３のいずれか一項に記載の単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料。
5. 前記Δｎ_[平均]の最大値が、８×１０^-5を超えない、請求項１から４のいずれか一項に記載の単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料。
6. 前記Δｎ_[平均]の最大値が、５×１０^-5を超えない、請求項１から５のいずれか一項に記載の単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料。
7. 前記光学複屈折が、±１０°以内の最大複屈折の方向で測定される、請求項１から６のいずれか一項に記載の単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料。
8. 前記単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料が、電子常磁性共鳴により測定される５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、８×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、又は１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³よりも大きい中性単一置換窒素（Ｎ_s ⁰）濃度を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料。
9. 前記単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料が、茶色、黄色、青色、又はピンク色に着色されている、請求項１から８のいずれか一項に記載の単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料。
10. 前記単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料が、カットされた宝石用原石の形である、請求項１から９のいずれか一項に記載の単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の製造方法であって、前記方法が：
    単結晶ダイヤモンド基板を機械的に加工することにより複数の前記基板を調製し、次いで前記基板をエッチングして機械的加工ダメージを除去する工程であって、各基板の成長表面が欠陥密度を有し、暴露プラズマエッチングにより形成された欠陥に関連する表面エッチング特徴部が５×１０³／ｍｍ²よりも小さくなる、工程；
    各単結晶ダイヤモンド基板の前記成長表面の上に、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の第１の層を成長させる工程、及び
    単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の前記第１の層の上に、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の第２の層を成長させる工程、を含み、
    単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の前記第２の層を、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の前記第１の層よりも高い窒素条件下で成長させる、方法。
12. 単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の前記第１の層を、５ｐｐｍ、３ｐｐｍ、１ｐｐｍ、又は０．８ｐｐｍよりも少ない窒素を含有する合成雰囲気を用いて成長させる、請求項１１に記載の方法。
13. 単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の前記第２の層を、５ｐｐｍ、７ｐｐｍ １０ｍｍ、１５ｐｐｍ、２０ｐｐｍ、又は３０ｐｐｍよりも多い窒素を含有する合成雰囲気を用いて成長させる、請求項１１又は１２に記載の方法。
14. 前記第１の層を、少なくとも５マイクロメートルの厚さまで成長させる、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記第１の層を、２００マイクロメートル以下の厚さまで成長させる、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の前記第２の層が、黄色又は茶色である、請求項１１から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の前記第２の層が、照射されて青色の着色材料を生じる、請求項１１から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の前記第２の層が、照射及びアニールされてピンク色の着色材料を生じる、請求項１１から１６のいずれか一項に記載の方法。