JP6036948B2 - 導電層付き単結晶ダイヤモンドおよびそれを用いた工具、ならびに導電層付き単結晶ダイヤモンドの製造方法 - Google Patents
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Description
(1)絶縁性の単結晶ダイヤモンドの内部に形成されている少なくとも1つ以上の層状の導電層と、上記単結晶ダイヤモンドの表面に形成されている導電層と、を含み、上記内部に形成されている導電層は、単結晶ダイヤモンドの主面に平行であり、単結晶ダイヤモンドの側面まで貫通している導電層付き単結晶ダイヤモンド。
(実施形態1)
まず、基板として単結晶ダイヤモンドを準備する。当該単結晶ダイヤモンドは、天然の単結晶ダイヤモンド、あるいは高圧合成法により形成した単結晶ダイヤモンドあるいは、気相合成法で形成した単結晶ダイヤモンドのいずれであっても良い。そして、基板として板状の形状をしており、裏表に平坦研磨が成されているものを使用する。
また、ボロンドープ層は、形成する層のボロンドープ量が多いほどより薄い層で高い導電性を有するようにできるので好ましいが、ボロンドープ量が多すぎて結晶が大きく乱れると好ましくない。このため、ボロンドープ量は2×1019cm-3〜1×1022cm-3が好ましく、より好ましくは7×1019cm-3〜5×1021cm-3である。
(実施形態2)
次に、実施形態1の導電層付き単結晶ダイヤモンドに、更に単結晶ダイヤモンド表面に導電層を形成した場合の実施形態を述べる。
次に、実施形態1の導電層付き単結晶ダイヤモンドに、更に単結晶ダイヤモンドの側面にグラファイト膜を形成した場合の実施形態を述べる。
次に、単結晶ダイヤモンドの内部の導電層を多層に形成した場合の実施形態を述べる。
実施形態1では、被削材との接触時に紫外線照射することにより信号を検知できることを示しているが、実施形態5では、単結晶ダイヤモンドの内部導電層の両端に端子を設ける形態を説明する。
実施形態1および2において、ある一定の切削量を終えたチップは信号を検知して、寿命を知らせる機能があったが、切子が側面について導通し、誤検知する可能性がある。しかしながら、これはソフト上で導通の時間の変化量を分析すれば除外できるので、本質的な問題ではない。具体的には、瞬間的に導通したことを示す信号はしばらくの時間は切削状態を保持し、ある一定時間が同じ状態が続くかを確認した後に停止する工夫をすればよい。あるいは、予めある一定以上の工具寿命があることは分かっているので、それまでは誤動作であると判断することもできる。すなわち寿命の時間管理とセンシング管理の併用をすればよい。
3mm角300μmtと6mm角500μmtと6mm角900μmtの高圧合成のダイヤモンドの基板を用意し、その上にマイクロ波プラズマCVD法でダイヤモンドをエピタキシャルに合成した。最初の5μmは、メタンガスがメタンガス/水素ガス比で9%となるようにガスを導入し、窒素ガスも窒素/メタンガス比で1000ppmとなるようにし、マイクロ波パワー6kW、全圧力100Torrで合成を行った。次の2μmはメタンガス/水素ガス比7%とし、ジボランを水素に対して1000ppm導入した。他の条件は同じで、プラズマを停止することなく行うことができた。次の500μm、800μm、及び950μmは最初の窒素を添加したときと同じ条件で合成を行った。
実施例1と同じ形状の基板を用意して、イオン注入を行った。注入条件はカーボン原子を3MeVおよび200keVで注入した。注入ドーズ量は1×1015cm-2および8×1015cm-2であった。その後、マイクロ波プラズマCVD法により、ダイヤモンドをエピタキシャルに成長させた。条件はメタンガスがメタンガス/水素ガス比で9%となるガスを導入し、窒素ガスも窒素/メタンガス比で1000ppmとなるようにし、マイクロ波パワー6kW、全圧力100Torrで行った。その他は、実施例1と同じように工具を作製し、工具使用時の動作試験を行ったが、ほとんど同じ結果が得られ、同じように利用することができた。
実施例1と同様の単結晶のサンプルを準備した。すなわち、内部に導電層をもった単結晶ダイヤモンドを作製した。そして、実施例1とは異なり、当該内部に導電層をもった単結晶ダイヤモンドの表面にグラファイト層を形成せずに工具を作製した。その代わりに、工具を利用する際に、刃先に200〜250nmの波長の紫外線を照射して、キャリアを誘起した(図4参照)。その状態で内部導電層にバイアスを掛けることにより、被削材に接触させると同時に導通が確認された。それを信号として、被削材に近づけることを停止した後、適度な応力が発生するまで極ゆっくり進めてゆくと、切削がスムースに進められた。
[実施例4]
実施例3と同様にして導電層付き単結晶ダイヤモンドのサンプルを準備した。ここでは、紫外線照射ではなく、内部導電層に通電できるように2端子を接続できるように工具を作製した(図8参照)。
まず、実施例1および実施例2と同じように、ボロンドープ層又はイオン注入層を有するサンプルの単結晶ダイヤモンドを作製した。グラファイトも同様に作製したが、側面のグラファイトは除去せず、表面のグラファイトは研磨で削除した。できたダイヤモンドチップは側面に導電性をもっているので、切削を開始時、被削材に刃先が接触したときに電気的に検知できることは実施例1および実施例2と同様であった。しかしながら、導通が継続しているので、終了時の電子信号の変化は特に検出されなかった。すなわち、本実施例は、初期の接触のみを検出するものである。ただし、内部導電層がある場合では、ない場合と比較して安定して接触の導通が検出されたので、内部導電層が有効であることがわかった。なお、内部導電層を形成しない場合としては、従来の単結晶ダイヤモンドを使用した。
実施例1と同様にして導電層付き単結晶ダイヤモンドのサンプルを準備したが、実施例1で作製したグラファイト層は形成しなかった。その代わり、単結晶ダイヤモンドに水素プラズマ処理を行った。水素プラズマ処理は水素100%中で、マイクロ波出力3kW、基板温度800℃で行った。この処理で単結晶ダイヤモンドの形状が変化することはなかった。単結晶ダイヤモンドの側面は導電層とはならなかった。実施例1と同じように工具を作製したところ、被削材との接触の検知を行うことができた。一度、切削を終了して、再度切削を始める場合は、水素プラズマ処理を再度行った方が有効に検知できた。
実施例1と同じ基板を用意し、その上にマイクロ波プラズマCVD法でダイヤモンドをエピタキシャルに合成した。最初の5μmはメタンガスがメタンガス/水素ガス比で9%となるようにガスを導入し、窒素ガスも窒素/メタンガス比で1000ppmとなるようにし、マイクロ波パワー6kW、全圧力100Torrで、室温で絶縁性のダイヤモンドの合成を行った。次の2μmはメタンガス/水素ガス比7%とし、ジボランを水素に対して1000ppm導入した。他の条件は同じで、プラズマを停止することなく室温で導電性のダイヤモンドの合成を行うことができた。次に最初の条件で、300μm合成を行った後に、2μmボロンドープ層を先ほどと同じ条件で形成した。その後、300μm(絶縁層)、2μm(導電層)、300μm(絶縁層)、2μm(導電層)と繰り返し、合計915μm形成し、基板とあわせて、1.2mmおよび1.4mmの厚さの導電層付き単結晶ダイヤモンドを得た。表面のグラファイトは実施例1と同様にして形成した。
Claims (14)
- 絶縁性の単結晶ダイヤモンドの内部に形成されている少なくとも1つ以上の層状の導電層と、前記単結晶ダイヤモンドの表面に形成されている導電層と、を含み、
前記内部に形成されている導電層は、前記単結晶ダイヤモンドの主面に平行であり、前記単結晶ダイヤモンドの側面まで貫通している導電層付き単結晶ダイヤモンド。 - 前記内部に形成されている導電層は、ボロンドープ層およびイオン注入層のいずれかであり、その厚さが0.05μm〜20μmである請求項1に記載の導電層付き単結晶ダイヤモンド。
- 前記表面に形成されている導電層は、グラファイト層、金属薄膜、水素終端層、およびボロンドープ層のいずれかである請求項1または請求項2に記載の導電層付き単結晶ダイヤモンド。
- 前記単結晶ダイヤモンドの側面に形成されている導電層をさらに含み、
前記側面に形成されている導電層は、前記主面の最表面あるいは最下面に届いており、かつ前記内部に形成されている導電層と電気的に接触している請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の導電層付き単結晶ダイヤモンド。 - 前記側面に形成されている導電層は、グラファイト層および金属薄膜のいずれかである請求項4に記載の導電層付き単結晶ダイヤモンド。
- 前記単結晶ダイヤモンドの内部、表面および側面のいずれかに形成されている導電層以外の部分は、窒素が添加された絶縁性の単結晶ダイヤモンドである請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の導電層付き単結晶ダイヤモンド。
- 前記単結晶ダイヤモンドの前記内部に形成されている導電層以外の部分は、200℃〜400℃において前記内部に形成されている導電層より高抵抗である請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の導電層付き単結晶ダイヤモンド。
- 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の導電層付き単結晶ダイヤモンドを用いた工具であって、
前記単結晶ダイヤモンドは、少なくとも2つ以上の層状の前記内部に形成されている導電層を含み、
前記内部に形成されている導電層は、前記単結晶ダイヤモンドの側面まで貫通しているとともに、前記内部に形成されている導電層の間隔が50μm〜900μmである導電層付き単結晶ダイヤモンドを用いた工具。 - 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の導電層付きの単結晶ダイヤモンドとそれを支える支持体とを具備し、前記導電層付き単結晶ダイヤモンドと前記支持体とは導電性の接合材で接合されており、前記内部に形成されている導電層と前記支持体とは、接触している前記接合材を介して電気的に接続されている導電層付き単結晶ダイヤモンドを用いた工具。
- 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の導電層付きの単結晶ダイヤモンドとそれを支える支持体とを具備し、前記導電層付き単結晶ダイヤモンドと前記支持体とは導電性の接合材で接合されており、前記内部に形成されている導電層と前記支持体とは、接触している接合材を介して電気的に接続されており、前記表面に形成されている導電層は、前記支持体とは別の電気的に絶縁された端子に接合されている導電層付き単結晶ダイヤモンドを用いた工具。
- 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の導電層付き単結晶ダイヤモンドの製造方法であって、
前記内部に形成されている導電層は、前記単結晶ダイヤモンドの内部にイオン注入またはボロンドープを行なうことにより形成する導電層付き単結晶ダイヤモンドの製造方法。 - 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の導電層付き単結晶ダイヤモンドの製造方法であって、
前記内部に形成されている導電層は、前記単結晶ダイヤモンドの内部または表面にイオン注入またはボロンドープを行ない、その後、前記単結晶ダイヤモンドをさらにエピタキシャル成長させることにより形成する導電層付き単結晶ダイヤモンドの製造方法。 - 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の導電層付き単結晶ダイヤモンドの製造方法であって、
前記表面に形成されている導電層は、前記単結晶ダイヤモンドをアニールしてグラファイト層を形成するか、前記単結晶ダイヤモンドの表面に金属を堆積して金属薄膜を形成するか、前記単結晶ダイヤモンドの表面を水素終端して水素終端層を形成するか、前記単結晶ダイヤモンドの表面にボロンドープしてボロンドープ層を形成するか、のいずれかにより形成する導電層付き単結晶ダイヤモンドの製造方法。 - 請求項4に記載の導電層付き単結晶ダイヤモンドの製造方法であって、
前記側面に形成されている導電層は、前記単結晶ダイヤモンドをアニールしてグラファイト層を形成するか、前記単結晶ダイヤモンドの側面に金属を堆積して金属薄膜を形成するか、のいずれかにより形成する導電層付き単結晶ダイヤモンドの製造方法。
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