JP5284575B2 - ダイヤモンド単結晶及びその製造方法 - Google Patents
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Description
特許文献1におけるCVDダイヤモンド単結晶は、50〜90GPaの硬度と11〜20MPa m1/2の破壊靱性値を有し、これはある特定の成長条件で得られることが示されている。
本発明は、前記課題を克服すべくなされたもので、切削工具、耐磨工具等の機械的用途、及び半導体材料、電子部品、光学部品等の機能品用途に用いられるダイヤモンド単結晶及びその製造方法を提供することを目的とする。
(1)化学気相合成法により得られたダイヤモンド単結晶であって、2925cm −1 付近のC−H関連吸収を持ち、結晶全体にわたり、波数1332cm−1(波長7.5μm)のピーク吸収係数が0.05cm−1以上10cm−1以下であることを特徴とするダイヤモンド単結晶。
(2)炭素原子に対する窒素原子の数が3ppm以上80ppm以下であることを特徴とする、前記(1)に記載のダイヤモンド単結晶。
(3)炭素原子に対する水素原子の数が5ppm以上100ppm以下であることを特徴とする、前記(1)または(2)に記載のダイヤモンド単結晶。
(4)前記ダイヤモンド単結晶において、{100}面における<100>方向の硬度が、110GPa以上130GPa以下であることを特徴とする、前記(1)〜(3)のいずれかに記載のダイヤモンド単結晶。
(5)前記ダイヤモンド単結晶において、破壊靱性値が10MPa m1/2以上16MPa m1/2以下であることを特徴とする、前記(4)に記載のダイヤモンド単結晶。
(6)化学気相合成法により、ダイヤモンド単結晶を製造する方法であって、合成時の気相における元素の組成比率が、水素原子に対する炭素原子濃度が2%以上10%以下かつ、炭素原子に対する窒素原子濃度が0.1%以上6%以下かつ、炭素原子に対する酸素原子濃度が0.1%以上5%以下であることを特徴とする、ダイヤモンド単結晶の製造方法。
本発明者らはダイヤモンド単結晶の気相成長条件と、得られた単結晶の赤外光学吸収特性、不純物濃度、硬度、及び破壊靱性の関係について鋭意調査した結果、波数1332cm−1(波長7.5μm)のピーク吸収係数とその硬度に明確な相関があり、かつ、特定の成長条件では従来のCVDダイヤモンド単結晶よりも高硬度なものが得られることを見出した。波数1332cm−1の吸収ピークはダイヤモンドのラマン吸収に相当するが、窒素等の不純物が特定の形態で導入された際にのみ発生するため、通常の高温高圧ダイヤモンド単結晶やCVDダイヤモンド単結晶では計測されず、一部の天然産ダイヤモンド単結晶のみに計測されていた。本発明者らは特定の気相成長条件でダイヤモンド単結晶を成長させると1332cm−1に吸収ピークが現れ、これが硬度との相関があることを発見し、本発明を想起するに至った。
[実施例1]
本実施例では、天然産ダイヤモンド単結晶から気相成長させ、ダイヤモンド単結晶を得た例について述べる。種基板は天然産ダイヤモンド単結晶で、凝集型の窒素を不純物として含むIa型である。サイズは縦横4mm、厚さ0.5mmの平板状で、主面・側面は機械的に研磨済みである。主面・側面の面方位はいずれも{100}とした。
この種基板を公知のマイクロ波プラズマCVD装置内に配置して、ダイヤモンド単結晶をホモエピタキシャル成長させた。成長条件を表1に示す。
次に、この単結晶の種基板部分と気相合成部分とをレーザーで切断・分離し、気相合成単結晶のレーザー切断面と、成長面をそれぞれ機械的に研磨した。この結果、厚さ1mmで上下面が鏡面の気相合成ダイヤモンド単結晶が得られた。
図1から、波数1332cm−1のダイヤモンドラマン吸収と、2925cm−1及び3123cm−1付近のC−H関連吸収を読み取ることができる。これから計算した1332cm−1の吸収係数は0.51cm−1であった。さらに2925cm−1及び3123cm−1付近のC−H関連吸収から計算された結晶中の炭素原子に対する水素原子の数(水素濃度)は28ppmであった。また、2次イオン質量分析で不純物窒素量を定量した結果、炭素原子に対する窒素原子の数(窒素濃度)は7.5ppmであった。
実施例1におけるCH4、N2及びO2の流量を変更すると共に、成長厚さを揃えるために成長時間を変更することによって、結晶性を変化させた実施例2、3及び比較例1、2の単結晶を得た。
種基板は全て高温高圧合成のIb型ダイヤモンド単結晶基板とし、種基板、ガス組成及び成長時間以外の諸条件は実施例1と同様とした。それぞれのガス条件と、波数1332cm−1のピーク吸収係数、窒素、水素濃度、硬度及び破壊靱性値について、表2に示す。
以上の結果から、実施例に代表されるダイヤモンド単結晶は、工具等の機械的用途や機能品用途に利用できる高品質な単結晶であることが示された。
Claims (6)
- 化学気相合成法により得られたダイヤモンド単結晶であって、2925cm −1 付近のC−H関連吸収を持ち、結晶全体にわたり、波数1332cm−1(波長7.5μm)のピーク吸収係数が0.05cm−1以上10cm−1以下であることを特徴とするダイヤモンド単結晶。
- 炭素原子に対する窒素原子の数が3ppm以上80ppm以下であることを特徴とする、
請求項1に記載のダイヤモンド単結晶。 - 炭素原子に対する水素原子の数が5ppm以上100ppm以下であることを特徴とする、請求項1または2に記載のダイヤモンド単結晶。
- 前記ダイヤモンド単結晶において、{100}面における<100>方向の硬度が、110GPa以上130GPa以下であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載のダイヤモンド単結晶。
- 破壊靱性値が10MPa m1/2以上16MPa m1/2以下であることを特徴とする、請求項4に記載のダイヤモンド単結晶。
- 化学気相合成法により、ダイヤモンド単結晶を製造する方法であって、合成時の気相における元素の組成比率が、水素原子に対する炭素原子濃度が2%以上10%以下かつ、炭素原子に対する窒素原子濃度が0.1%以上6%以下かつ、炭素原子に対する酸素原子濃度が0.1%以上5%以下であることを特徴とする、ダイヤモンド単結晶の製造方法。
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