JP6228404B2 - Diamond composite, diamond bonded body, single crystal diamond and tool including the same - Google Patents
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Description
本発明は、ダイヤモンド複合体、ダイヤモンド接合体、単結晶ダイヤモンドおよびこれを備える工具に関する。 The present invention relates to a diamond composite, a diamond bonded body, a single crystal diamond, and a tool including the same.
単結晶ダイヤモンドは、高い硬度、高い熱伝導率、高い光透過性などの優れた性能を有することから、切削工具、研削工具、耐摩工具などの工具、光学部品、半導体、電子部品などの各種製品(以下、「ダイヤモンド製品」ともいう。)に幅広く用いられている。このようなダイヤモンド製品に用いられる単結晶ダイヤモンドとしては、天然ダイヤモンドと合成ダイヤモンドとを挙げることができるが、天然ダイヤモンドは品質のばらつきが大きく、供給量も安定しないことから、現在合成ダイヤモンドが多く用いられている。 Single crystal diamond has excellent performance such as high hardness, high thermal conductivity, and high light transmission, so various products such as cutting tools, grinding tools, anti-wear tools, optical components, semiconductors, electronic components, etc. (Hereinafter also referred to as “diamond products”). Single-crystal diamonds used in such diamond products include natural diamonds and synthetic diamonds. However, natural diamonds are widely used because of their large variations in quality and unstable supply. It has been.
上述の合成ダイヤモンドの製造方法の1つとして、高温高圧合成法(HPHT:High Pressure High Temperature Method)が知られている。この方法により製造される単結晶ダイヤモンドは、品質のばらつきが小さく、供給量も安定しているが、使用される製造設備のコストが高いという問題がある。 As one of the methods for producing the synthetic diamond described above, a high pressure high temperature method (HPHT) is known. Single crystal diamond produced by this method has small variations in quality and stable supply, but has a problem that the cost of production equipment used is high.
また、合成ダイヤモンドの製造方法の他の1つとして、熱フィラメントCVD(Chemical Vapor Deposition)法、マイクロ波励起プラズマCVD法およびDCプラズマCVD法などの化学気相合成(CVD)法がある。CVD法では、基板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、その後、基板と単結晶ダイヤモンドとを分離することにより、単結晶ダイヤモンドを得ることができる。 As another synthetic diamond manufacturing method, there is a chemical vapor deposition (CVD) method such as a hot filament CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a microwave excitation plasma CVD method, and a DC plasma CVD method. In the CVD method, single crystal diamond can be obtained by growing single crystal diamond (epitaxial growth layer) on the surface of the substrate and then separating the substrate and single crystal diamond.
たとえば、特開2006−315942号公報(特許文献1)には、高温高圧合成法により製造された単結晶ダイヤモンドからなる種基板上にマイクロ波励起プラズマCVD法により単結晶ダイヤモンド(エピタキシャル成長層)を製造する方法が開示されている。このようなCVD法により得られる単結晶ダイヤモンドは、品質のばらつきが小さく、供給量も安定しており、かつ、上記の高温高圧合成法と比して製造設備のコストは低い。 For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-315942 (Patent Document 1), a single crystal diamond (epitaxial growth layer) is manufactured by a microwave-excited plasma CVD method on a seed substrate made of a single crystal diamond manufactured by a high temperature and high pressure synthesis method. A method is disclosed. Single crystal diamond obtained by such a CVD method has a small variation in quality, a stable supply amount, and the cost of manufacturing equipment is lower than that of the above high-temperature and high-pressure synthesis method.
しかしながら、CVD法により得られる単結晶ダイヤモンドは、エピタキシャル成長層であり、その製造法上、エピタキシャル成長層と基板との間に応力が蓄積し易い。このため、単結晶ダイヤモンドの残留応力が増加し、結果的に、単結晶ダイヤモンドに歪み、クラック、割れなどの不具合が発生する場合がある。不具合が発生した単結晶ダイヤモンドはダイヤモンド製品に用いるには不適である。また、製造直後の単結晶ダイヤモンドに不具合が発生していなくても、大きな残留応力を有しているために、その加工時、加工後の使用時などに不具合が発生することも懸念される。 However, single crystal diamond obtained by the CVD method is an epitaxially grown layer, and stress is likely to accumulate between the epitaxially grown layer and the substrate due to its manufacturing method. For this reason, the residual stress of the single crystal diamond increases, and as a result, defects such as distortion, cracks and cracks may occur in the single crystal diamond. Single crystal diamonds with defects are not suitable for use in diamond products. Further, even if there is no defect in the single crystal diamond immediately after production, since it has a large residual stress, there is a concern that a defect may occur during its processing, use after processing, and the like.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ダイヤモンド製品に適したダイヤモンド複合体、ダイヤモンド接合体、単結晶ダイヤモンドおよびこれを備える工具を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said subject, and it aims at providing the diamond composite_body | complex suitable for a diamond product, a diamond joined body, a single crystal diamond, and a tool provided with this.
本発明者らは、CVD法によって基板上に単結晶ダイヤモンドを製造する場合に、用いる基板を通常とは異なる特異的な態様としたり、CVD法における各種条件を通常とは異なる特異的な条件とした場合に、基板上に形成される単結晶ダイヤモンドの表面に非ダイヤモンド炭素を含む炭素質層が形成されたダイヤモンド複合体が形成されることを発見した。そして、このダイヤモンド複合体について鋭意検討を重ねたところ、これより得られる単結晶ダイヤモンドがこれまでのCVD法による単結晶ダイヤモンドよりも不具合の発生する確率が低いことを知見し、本発明を完成させたものである。 When manufacturing single-crystal diamond on a substrate by the CVD method, the present inventors set the substrate to be used in a specific mode different from usual, or various conditions in the CVD method with specific conditions different from normal. In this case, it has been found that a diamond composite in which a carbonaceous layer containing non-diamond carbon is formed on the surface of a single crystal diamond formed on a substrate is formed. As a result of intensive studies on this diamond composite, it was found that the single crystal diamond obtained therefrom had a lower probability of occurrence of defects than the single crystal diamond obtained by the conventional CVD method, and the present invention was completed. It is a thing.
すなわち、本発明は、ダイヤモンド種結晶からなる基板と、基板の主面上に形成された単結晶ダイヤモンドと、単結晶ダイヤモンドの側面を被覆する炭素質層と、を備え、炭素質層は非ダイヤモンド炭素を含む、ダイヤモンド複合体である。 That is, the present invention includes a substrate made of a diamond seed crystal, a single crystal diamond formed on the main surface of the substrate, and a carbonaceous layer covering the side surface of the single crystal diamond, and the carbonaceous layer is a non-diamond. It is a diamond composite containing carbon.
また、本発明は、上記ダイヤモンド複合体から基板または炭素質層を除去することにより得られる、ダイヤモンド接合体である。 Moreover, this invention is a diamond joined body obtained by removing a board | substrate or a carbonaceous layer from the said diamond composite_body | complex.
また、本発明は、上記ダイヤモンド複合体から基板および炭素質層を除去することにより得られる、単結晶ダイヤモンドである。 Further, the present invention is a single crystal diamond obtained by removing a substrate and a carbonaceous layer from the diamond composite.
また、本発明は、上記単結晶ダイヤモンドを備える工具である。 Moreover, this invention is a tool provided with the said single crystal diamond.
本発明によれば、ダイヤモンド製品に適したダイヤモンド複合体、ダイヤモンド接合体、単結晶ダイヤモンドおよびこれを備える工具を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the diamond composite suitable for a diamond product, a diamond joined body, a single crystal diamond, and a tool provided with this can be provided.
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施の形態を列記して説明する。
[Description of Embodiment of Present Invention]
First, embodiments of the present invention will be listed and described.
(1)本発明の第1の態様は、ダイヤモンド種結晶からなる基板と、基板の主面上に形成された単結晶ダイヤモンドと、単結晶ダイヤモンド側面を被覆する炭素質層と、を備え、炭素質層は非ダイヤモンド炭素を含む、ダイヤモンド複合体である。 (1) A first aspect of the present invention includes a substrate comprising a diamond seed crystal, a single crystal diamond formed on a main surface of the substrate, and a carbonaceous layer covering the side surface of the single crystal diamond, The material layer is a diamond composite containing non-diamond carbon.
本発明のダイヤモンド複合体から分離した単結晶ダイヤモンドは残留応力が小さいため、歪み、クラック、割れなどの不具合の発生が抑制される。また、これをダイヤモンド製品に利用した場合、ダイヤモンド製品における不具合の発生が抑制される。したがって、本発明のダイヤモンド複合体によれば、ダイヤモンド製品に適した単結晶ダイヤモンドを提供することができる。 Since the single crystal diamond separated from the diamond composite of the present invention has a small residual stress, the occurrence of defects such as strain, cracks and cracks is suppressed. Moreover, when this is utilized for a diamond product, generation | occurrence | production of the malfunction in a diamond product is suppressed. Therefore, according to the diamond composite of the present invention, single crystal diamond suitable for diamond products can be provided.
(2)上記ダイヤモンド複合体において、好ましくは炭素質層の1体積%以上が非ダイヤモンド炭素である。これにより、ダイヤモンド複合体から分離される単結晶ダイヤモンドは残留応力がより小さくなり、もって、よりダイヤモンド製品に適した単結晶ダイヤモンドを提供することができる。 (2) In the above diamond composite, preferably 1% by volume or more of the carbonaceous layer is non-diamond carbon. As a result, the single crystal diamond separated from the diamond composite has a smaller residual stress, thereby providing a single crystal diamond more suitable for a diamond product.
(3)また、上記ダイヤモンド複合体において、基板の主面は、(001)面に対するオフ角が0°以上7°以下であり、主面と接する基板の側面は、(100)面に対するオフ角が8°より大きく37°より小さい第1側面と、(−100)面に対するオフ角が8°より大きく37°より小さい第2側面と、(0−10)面に対するオフ角が8°より大きく37°より小さい第3側面と、(010)面に対するオフ角が8°より大きく37°より小さい第4側面とを含むことが好ましい。これにより、さらにダイヤモンド製品に適した単結晶ダイヤモンドを提供することができる。 (3) In the diamond composite, the main surface of the substrate has an off angle with respect to the (001) plane of 0 ° to 7 °, and the side surface of the substrate in contact with the main surface has an off angle with respect to the (100) surface. A first side surface having an angle greater than 8 ° and smaller than 37 °, a second side surface having an off angle with respect to the (-100) plane of greater than 8 ° and smaller than 37 °, and an off angle with respect to the (0-10) surface greater than 8 °. It is preferable to include a third side surface smaller than 37 ° and a fourth side surface whose off angle with respect to the (010) plane is larger than 8 ° and smaller than 37 °. Thereby, the single crystal diamond suitable for a diamond product can be provided further.
(4)また、上記ダイヤモンド複合体において、単結晶ダイヤモンドは0.5mm以上の厚みを有することができる。上記ダイヤモンド複合体は、単結晶ダイヤモンドの厚みが0.5mm以上であっても、十分に不具合の発生が抑制されたものとなる。 (4) In the above diamond composite, the single crystal diamond can have a thickness of 0.5 mm or more. In the diamond composite, even when the thickness of the single crystal diamond is 0.5 mm or more, the occurrence of defects is sufficiently suppressed.
(5)また、本発明の第2の態様は、上記ダイヤモンド複合体から基板または炭素質層を除去することにより得られる、ダイヤモンド接合体である。本発明のダイヤモンド接合体から分離した単結晶ダイヤモンドは残留応力が小さいため、ダイヤモンド製品に利用した場合、ダイヤモンド製品における不具合の発生が抑制される。したがって、本発明のダイヤモンド接合体によれば、ダイヤモンド製品に適した単結晶ダイヤモンドを提供することができる。 (5) Moreover, the 2nd aspect of this invention is a diamond joined body obtained by removing a board | substrate or a carbonaceous layer from the said diamond composite_body | complex. Since the single crystal diamond separated from the diamond joined body of the present invention has a small residual stress, occurrence of defects in the diamond product is suppressed when used in a diamond product. Therefore, according to the diamond joined body of the present invention, it is possible to provide single crystal diamond suitable for diamond products.
(6)本発明の第3の態様は、上記ダイヤモンド複合体から基板および炭素質層を除去することにより得られる、単結晶ダイヤモンドである。本発明の単結晶ダイヤモンドは残留応力が小さいため、ダイヤモンド製品に利用した場合、ダイヤモンド製品における不具合の発生が抑制される。したがって、本発明の単結晶ダイヤモンドはダイヤモンド製品に適している。 (6) A third aspect of the present invention is a single crystal diamond obtained by removing a substrate and a carbonaceous layer from the diamond composite. Since the single crystal diamond of the present invention has a small residual stress, when used in a diamond product, occurrence of defects in the diamond product is suppressed. Therefore, the single crystal diamond of the present invention is suitable for a diamond product.
(7)本発明の第4の態様は、上記単結晶ダイヤモンドを備える工具である。本発明の工具によれば、残留応力の小さい単結晶ダイヤモンドを備えるため、単結晶ダイヤモンドでの不具合の発生が抑制される。したがって、工具としての高い性能を有することができる。 (7) A fourth aspect of the present invention is a tool comprising the above single crystal diamond. According to the tool of the present invention, since the single crystal diamond having a small residual stress is provided, the occurrence of defects in the single crystal diamond is suppressed. Therefore, it can have high performance as a tool.
[本願発明の実施形態の詳細]
以下、本発明に係るダイヤモンド複合体、ダイヤモンド接合体、単結晶ダイヤモンドおよびこれを備える工具について、さらに詳細に説明する。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、個別の方向を[]で示し、結晶幾何学的に等価な方向を含む総称的な方向を<>で示し、個別の面方位を()で示し、結晶幾何学的に等価な面方位を含む総称的な面方位を{}で示す。また、負の指数については、結晶幾何学上は「−」(バー)を指数を表す数字の上に付けて表わすのが一般的であるが、本明細書中では指数を表す数字の前に負の符号(−)を付けて表わす。
[Details of the embodiment of the present invention]
Hereinafter, the diamond composite according to the present invention, the diamond bonded body, the single crystal diamond, and the tool including the same will be described in more detail. In the following drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated. Further, in this specification, individual directions are indicated by [], generic directions including crystal geometrically equivalent directions are indicated by <>, individual plane orientations are indicated by (), and crystal geometry A generic plane orientation including a plane equivalent plane is indicated by {}. As for the negative index, in crystal geometry, it is common to express “−” (bar) on the number representing the index, but in this specification, before the number representing the index. Represented with a negative sign (-).
<ダイヤモンド複合体>
図1は、本実施形態のダイヤモンド複合体の概略的な断面図である。図1を参照し、ダイヤモンド複合体10は、ダイヤモンド種結晶からなる基板1と、基板1の主面1a上に形成された単結晶ダイヤモンド2と、単結晶ダイヤモンド2の表面を被覆する炭素質層3と、を備え、炭素質層3は非ダイヤモンド炭素を含む。
<Diamond composite>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the diamond composite of this embodiment. Referring to FIG. 1,
基板1は、立方晶の単結晶構造からなるダイヤモンドである。ダイヤモンド複合体10の製造法上、基板1が高い結晶性を有することにより、単結晶ダイヤモンド2もまた高い結晶性を有することができるため、基板1は高い結晶性を有することが好ましい。上述の高温高圧法によって製造された単結晶ダイヤモンドは、結晶構造が均質であってその結晶性が高いことから、基板1は、高温高圧法によって製造された単結晶ダイヤモンドであることが好ましい。また、本発明のダイヤモンド複合体から得られる単結晶ダイヤモンドを加工したものであってもよい。通常、基板1の厚みは0.2mm〜2.0mm程度であり、その1辺の長さは、3.0mm以上である。製造される単結晶ダイヤモンド2の成長方向の断面積を大きくする観点からは、1辺の長さは大きいことが好ましいが、実用的には、1つの基板の1辺の長さは3〜12mm程度であり、複数の基板を複合させた接合基板の1辺の長さは8〜40mm程度である。これよりも大きな基板または接合基板は現時点で入手が困難である。
The
単結晶ダイヤモンド2は、立方晶の単結晶構造からなるダイヤモンドであって、基板1の主面1a上に位置する。具体的には、単結晶ダイヤモンド2はCVD法により形成されるエピタキシャル成長層であり、その成長方向は図中上方向である。単結晶ダイヤモンド2の上面2aは、基板1の主面1aの面方位を引き継いでおり、単結晶ダイヤモンド2の側面2bは、基板1の側面1b〜1e(図2参照。)に連なる面であって各側面1b〜1eの面方位を引き継いでいる。なお、単結晶ダイヤモンド2が下記の非ダイヤモンド炭素を含まないことはいうまでもない。
The
炭素質層3は、非ダイヤモンド炭素を含む層であって、単結晶ダイヤモンド2の側面2bを被覆している。非ダイヤモンド炭素とは、立方晶の単結晶構造を構成しない炭素を意味する。このような非ダイヤモンド炭素としては、sp2混成軌道を有するグラファイト、sp2混成軌道およびsp3混成軌道を含む非晶質カーボンなどを挙げることができる。炭素質層3中におけるグラファイトの有無は、たとえば、X線回折、ラマン分光法、電子エネルギー損失分光法(EELS:Electron Energy-Loss Spectroscopy)、X線光電子分光法(XPS:X-ray Photoelectron Spectroscopy)、カソードルミネッサンス(CL:Cathode Luminescence)によって確認できる。
The
また、立方晶の単結晶構造からなるダイヤモンドが高い透明度を有するのに対し、グラファイトの透明度が低いことから、グラファイトの含有量によっては目視によってその有無を確認することもできる。炭素質層3のうちの非ダイヤモンド炭素以外の領域は、単結晶単体以外の構造を有しており、たとえば、多結晶ダイヤモンドによって構成されることができる。炭素質層3の厚みは10μm以上であり、主面2aに近い部分の厚みはより厚く、主面2aと反対側の底面に近い部分の厚みはより薄い。炭素質層3は基本的には側面2bを被覆しているが、ダイヤモンド複合体の取り扱い等によってその一部が欠落することに伴って、側面2bの一部が露出している場合もある。
In addition, the diamond having a cubic single crystal structure has high transparency, whereas the transparency of graphite is low. Therefore, depending on the graphite content, the presence or absence can be confirmed visually. The region other than non-diamond carbon in the
本実施形態のダイヤモンド複合体に関し、これより得られる単結晶ダイヤモンドにおいて歪み、クラック、割れなどの不具合の発生が抑制されることの理由については明確ではないが、種々の検討の結果から、本発明者らは以下のように推察している。 Regarding the diamond composite of the present embodiment, it is not clear why the occurrence of defects such as strain, cracks and cracks is suppressed in the single crystal diamond obtained from this, but the present invention is based on the results of various studies. They speculate as follows.
すなわち、通常、CVD法により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は基板の主面上のみならず、基板の側面上にも形成されている。換言すれば、単結晶ダイヤモンドは基板の主面上および側面上に固着している。これは、基板の主面上から単結晶ダイヤモンドが成長するとともに、基板の主面と接する側面上からも単結晶ダイヤモンドが成長して、これらが基板の主面の上方で接合しているためと考えられる。このような単結晶ダイヤモンドは、その成長過程上および形状上、大きい残留応力を有する。 That is, normally, when single crystal diamond is grown on the substrate by the CVD method, the single crystal diamond is formed not only on the main surface of the substrate but also on the side surface of the substrate. In other words, the single crystal diamond is fixed on the main surface and side surfaces of the substrate. This is because single crystal diamond grows from the main surface of the substrate, and single crystal diamond also grows from the side surface in contact with the main surface of the substrate, and these are bonded above the main surface of the substrate. Conceivable. Such single crystal diamond has a large residual stress due to its growth process and shape.
これに対し、本発明のダイヤモンド複合体において、単結晶ダイヤモンドは基板の主面上に形成され、単結晶ダイヤモンドの側面には炭素質層が形成されている。換言すれば、基板の主面上には単結晶ダイヤモンドが固着しており、基板の側面上には炭素質層が固着している。これは、基板の主面上から単結晶ダイヤモンドが成長するとともに、基板の主面と接する側面上から炭素質層が成長して、これらが基板の主面の上方で接合しているためと考えられる。そして、このような構成を有するダイヤモンド複合体において、単結晶ダイヤモンドの残留応力は炭素質層によって分散されあるいは低減されるために、結果的に、不具合の発生が抑制される。 On the other hand, in the diamond composite of the present invention, single crystal diamond is formed on the main surface of the substrate, and a carbonaceous layer is formed on the side surface of the single crystal diamond. In other words, single crystal diamond is fixed on the main surface of the substrate, and a carbonaceous layer is fixed on the side surface of the substrate. This is because single crystal diamond grows from the main surface of the substrate, and a carbonaceous layer grows from the side surface in contact with the main surface of the substrate, and these are bonded above the main surface of the substrate. It is done. In the diamond composite having such a configuration, the residual stress of the single crystal diamond is dispersed or reduced by the carbonaceous layer, and as a result, occurrence of defects is suppressed.
図1に戻り、ダイヤモンド複合体10において、好ましくは炭素質層の1体積%以上が非ダイヤモンド炭素であり、より好ましくは8体積%以上が、さらに好ましくは20体積%以上が非ダイヤモンド炭素である。なお、本明細書において「体積%」は各単体ガスの標準状態での値である。この場合、単結晶ダイヤモンド2における不具合の発生がさらに抑制される。この理由は明確ではないが、炭素質層3がさらに脆い構造となることによって単結晶ダイヤモンドの残留応力がより効果的に分散または減少されるためと考えられる。より好ましくは、炭素質層3は非ダイヤモンド炭素からなる。
Returning to FIG. 1, in the
また、炭素質層3と単結晶ダイヤモンド2との接合力は弱く、容易に両者を分離することができるが、炭素質層3における非ダイヤモンド炭素の割合が高くなるほど、さらに上記接合力は弱くなる。したがって、ダイヤモンド複合体10において、炭素質層3の1体積%以上、より好ましくは8体積%以上、さらに好ましくは20体積%以上が非ダイヤモンド炭素である場合、ダイヤモンド複合体10からの炭素質層3の分離がさらに容易となる。また、このような炭素質層3を有するダイヤモンド複合体10に関し、目視によって炭素質層3の存在、および炭素質層3と単結晶ダイヤモンド2との境界を確認することがさらに容易となるため、単結晶ダイヤモンド2の分離がさらに容易となる。
Further, the bonding force between the
また、ダイヤモンド複合体10において、単結晶ダイヤモンド2の厚み(図中上下方向)が効率的に厚く形成されるためには、基板1の主面1aは(001)面であることが好ましい。また、単結晶ダイヤモンド2の結晶の均質性をより高めるためには、基板1の主面は(001)面に対するオフ角が0°以上7°以下であることが好ましく、1.5°以上6°以下であることがより好ましい。
Further, in the
また、主面1aの形状は単結晶ダイヤモンド2に影響するため、単結晶ダイヤモンド2の均質性をより高めるためには、主面1aは平滑化、清浄化されていることが好ましい。したがって、主面1aに対し、レーザ切断、プラズマエッチング、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)、ダイヤ砥粒を埋め込んだメタルボンドの研磨盤、鋳鉄を用いた研磨盤などを用いた機械研磨、酸化物(Al2O3、SiO2など)の研磨盤を用いた化学的機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)などの各種処理が行われていることが好ましい。たとえば、主面1aは機械研磨後にプラズマエッチングしてもよく、またはレーザ切断後に化学的機械研磨してもよい。
Moreover, since the shape of the
また、図2を参照し、基板1の主面1aと接する各側面1b〜1eは以下のような面であることが好ましい。すなわち、第1側面としての側面1bは、(100)面に対するオフ角が8°より大きく37°より小さい面であることが好ましい。第2側面としての側面1cは、(−100)面に対するオフ角が8°より大きく37°より小さい面であることが好ましい。第3側面としての側面1dは、(0−10)面に対するオフ角が8°より大きく37°より小さい面であることが好ましい。第4側面としての側面1eは、(010)面に対するオフ角が8°より大きく37°より小さい面であることが好ましい。なお、側面1bおよび側面1cはそれぞれ対向する面であり、側面1dおよび側面1eはそれぞれ対向する面である。
Further, referring to FIG. 2, each of the side surfaces 1 b to 1 e in contact with the
本発明者らは、この場合に、不具合の少ない単結晶ダイヤモンド2を備えるダイヤモンド複合体10を特に効率的に製造できることを確認している。この理由は明確ではないが、この角度の場合に、基板1の側面1b〜1e上からのエピタキシャル層の成長に関し、非ダイヤモンド炭素の成長が特に優勢になるためと考えられる。上記各オフ角は、より好ましくは10°以上30°以下であり、さらに好ましくは13°以上20°以下である。なお、各側面1b〜1eのオフ角の大きさ(絶対値)は同じでも異なっていてもよいが、基板1の製作容易性の観点からは、主面1aに対する角度が対称であることが好ましい。
In this case, the present inventors have confirmed that the
すなわち、主面1aが(001)ジャスト面である場合には、4つの側面1b〜1eの全てのオフ角の大きさ(絶対値)が同じであることが好ましい。一方、主面1aが(001)面ジャスト面ではなく、(001)面からオフ角を有する面である場合には、主面1aに対する側面1b〜1eの各角度を同じにすると、主面1aに関する上記オフ角により、側面1b〜1eの各オフ角の大きさ(絶対値)にずれが生じる。このため、主面1aが(001)面からオフ角を有する面である場合に、側面1b〜1eの各オフ角の大きさ(絶対値)を同じにすることは製作容易性を低下させる。したがって、この場合には側面1b〜1eの上記オフ角は異なっていることが好ましい。
That is, when the
ここで、オフ角とは、一般的に、各面の法線を基準にした角度ではなく、各面により近い低指数結晶面の法線を基準にした傾きであり、各面の面方位はオフ角とオフ角の方向によって決定される。また、本明細書において、各面のオフ角に関し、主面(100)面からの縦方向への傾き角度と主面(100)面からの横方向への傾き角度とで表している場合には、各傾き方向のベクトルを合成してオフ角へと換算する必要がある。これについて理解を容易とするために、図3(A)〜(D)を用いて、第1側面としての側面1bの(100)面に対するオフ角について具体的に説明する。なお、側面1c〜1eのオフ角についても、側面1bの説明と同様の説明となるため、その説明は繰り返さない。
Here, in general, the off-angle is not an angle based on the normal line of each surface, but an inclination based on the normal line of a low index crystal plane closer to each surface, and the surface orientation of each surface is It is determined by the off angle and the off angle direction. Further, in this specification, when the off-angle of each surface is expressed by the inclination angle in the vertical direction from the main surface (100) surface and the inclination angle in the horizontal direction from the main surface (100) surface. Needs to synthesize vectors in the respective tilt directions and convert them to off-angles. In order to make this easy to understand, the off angle with respect to the (100) plane of the
図3(A)は基板の一例の概略的な側面図であり、基板1の主面1aは(001)面であり、紙面に平行である図中の矢印は[001]方向を示す。図3(B)は基板の他の一例の概略的な側面図であり、基板1の主面1aは(001)面であり、紙面に平行である図中の矢印は[001]方向を示す。図3(C)は基板のさらに他の一例の概略的な上面図であり、基板1の主面1aは(001)面であり、図中の矢印は[010]方向を示す。図3(D)は基板のさらに他の一例の概略的な上面図であり、基板1の主面1aは(001)面であり、図中の矢印は[010]方向を示す。図3(C)および(D)において、紙面を直交するように貫く方向が[001]方向となる。
FIG. 3A is a schematic side view of an example of the substrate. The
側面1bは、図3(A)に示すように(100)面に対する<001>方向へのオフ角α1が8°より大きく37°より小さい(8°<α1<37°)面であってもよく、図3(B)に示すように(100)面に対する<00−1>方向へのオフ角α2が8°より大きく37°より小さい(8°<α2<37°)面であってもよい。また、側面1bは、図3(C)に示すように(100)面に対する<0−10>方向へのオフ角β1が8°より大きく37°より小さい(8°<β1<37°)面であってもよく、図3(D)に示すように(100)面に対する<010>方向へのオフ角β2が8°より大きく37°より小さい(8°<β2<37°)面であってもよい。
As shown in FIG. 3A, the
上記において、図3(A)および(B)を用いて、側面1bが主面1aの垂直方向(以下、「主面縦方向」ともいう。)に関してオフする態様を例示し、図3(C)および(D)を用いて、側面1bが主面1aの面内方向(以下「主面横方向」ともいう。)に関してオフする態様を例示したが、本実施形態の基板1は上記態様に限られない。たとえば、側面1bは、主面縦方向および主面横方向のいずれの方向にもオフするように構成されていもよい。この場合、側面1bの(100)面に対するオフ角は、縦方向および横方向の各傾き方向のベクトルを合成したものがオフ角となる。すなわち、たとえば、側面1bが主面(100)面から<001>方向に2°オフし、かつ<010>方向に2°オフしている場合、これらのベクトルを合成することにより、側面1bのオフ角は<011>方向に2.8°となる。
3A and 3B, an example in which the
なお、各側面1b〜1eは、主面1aと接する面である。したがって、図4に示すように、基板1の各側面1b〜1eが多面形状である場合、各側面1b〜1eは、図4中の主面1aと接している面となる。すなわち、図4に示す形状において、図中主面1aに対し垂直に示される側面のオフ角については特に制限されない。
Each of the side surfaces 1b to 1e is a surface in contact with the
また、ダイヤモンド複合体10において、基板1の各側面1b〜1eは、その表面粗度が大きいことが好ましい。具体的には、各側面1b〜1eの表面粗度は好ましくは0.5μm以上であり、より好ましくは10μm以上である。なお、本明細書において表面粗度とは最大高さ粗さ(Rz)を意味し、たとえば、触針式表面形状測定器、走査型白色干渉顕微鏡、レーザ顕微鏡などによって測定することができる。本明細書では、走査型白色干渉顕微鏡によって測定された値を表面粗度として記載する。
In the
本発明者らは、基板の主面と接する側面の表面粗度が大きい場合に、ダイヤモンド複合体から得られる単結晶ダイヤモンドの残留応力がさらに低くなることを知見している。この理由は明確ではないが、側面の表面形状が荒いことにより、基板1の側面1b〜1e上からのエピタキシャル成長層の成長に関し、非ダイヤモンド炭素の成長が特に優勢になるためと考えられる。
The present inventors have found that when the surface roughness of the side surface in contact with the main surface of the substrate is large, the residual stress of single crystal diamond obtained from the diamond composite is further reduced. The reason for this is not clear, but it is considered that the growth of the non-diamond carbon is particularly dominant with respect to the growth of the epitaxial growth layer from the side surfaces 1b to 1e of the
各側面1b〜1eの表面粗度を大きくするには、たとえば、各側面1b〜1eをレーザ切断により切断された面とすることが好ましい。単結晶ダイヤモンドをレーザ切断により切断した場合、これにより露出する面の表面粗度は大きくなる。また、レーザ切断により各側面1b〜1eを形成することにより、各側面1b〜1eのオフ角の設計も容易となる。 In order to increase the surface roughness of each of the side surfaces 1b to 1e, for example, it is preferable that each of the side surfaces 1b to 1e is a surface cut by laser cutting. When single crystal diamond is cut by laser cutting, the surface roughness of the exposed surface increases. In addition, by forming the side surfaces 1b to 1e by laser cutting, it is easy to design the off angles of the side surfaces 1b to 1e.
また、ダイヤモンド複合体10において、単結晶ダイヤモンド2は好ましくは0.5mm以上の厚み(たとえば図1中の上下方向)を有し、より好ましくは1mm以上の厚みを有する。通常、CVD法により基板上に単結晶ダイヤモンドを形成させた場合、その厚みが大きくなるほど残留応力による影響が大きく、不具合が発生し易い傾向にある。これに対し、本実施形態のダイヤモンド複合体10によれば、単結晶ダイヤモンド2の残留応力が小さいため、単結晶ダイヤモンド2の厚みが0.5mm以上であっても、不具合の発生を十分に抑制することができる。
Moreover, in the
以上詳述したように、本実施形態のダイヤモンド複合体は、歪み、クラック、割れなどの不具合の発生が抑制された単結晶ダイヤモンドを備えることができる。したがって、この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製品に利用した場合、ダイヤモンド製品における不具合の発生が抑制されるため、ダイヤモンド製品に好適に利用することができる。なかでも、この単結晶ダイヤモンドを切削工具、研削工具、耐摩工具などの工具に用いた場合、その特徴を顕著に発揮することができる。 As described above in detail, the diamond composite of the present embodiment can include single crystal diamond in which occurrence of defects such as distortion, cracks, and cracks is suppressed. Therefore, when the single crystal diamond separated from the diamond composite is used for a diamond product, the occurrence of defects in the diamond product is suppressed, so that it can be suitably used for a diamond product. Among these, when this single crystal diamond is used for a tool such as a cutting tool, a grinding tool, and an anti-abrasion tool, the characteristics can be remarkably exhibited.
なお、本実施形態のダイヤモンド複合体は、基板の主面と単結晶ダイヤモンドとの間に他の層を介在していてもよい。他の層としては、たとえば、後述する導電層が挙げられる。ダイヤモンド複合体において、基板の主面と単結晶ダイヤモンドとの間に導電層が介在することにより、単結晶ダイヤモンドと基板との分離が容易となる。 In the diamond composite of this embodiment, another layer may be interposed between the main surface of the substrate and the single crystal diamond. Examples of the other layer include a conductive layer described later. In the diamond composite, since the conductive layer is interposed between the main surface of the substrate and the single crystal diamond, the single crystal diamond and the substrate can be easily separated.
<ダイヤモンド複合体の作製方法の一例>
本実施形態に係るダイヤモンド複合体は、たとえば、以下のように作製することができる。
<Example of method for producing diamond composite>
The diamond composite according to the present embodiment can be produced, for example, as follows.
図2を参照し、まず、基板1として、高温高圧法によって作製された単結晶ダイヤモンドを準備する。そして、基板1の主面1aの(001)面に対するオフ角が0°以上7°以下となるようにレーザ切断し、さらに、主面1aの表面を機械研磨などによって平滑化し、アルコールまたは酸(熱混酸)で清浄化する。また、基板2の主面1aと接する側面1b〜1eのそれぞれが、(100)面に対するオフ角が8°より大きく37°より小さい面、(−100)面に対するオフ角が8°より大きく37°より小さい面、(0−10)面に対するオフ角が8°より大きく37°より小さい面、(010)面に対するオフ角が8°より大きく37°より小さい面となるように、各側面をレーザ切断する。
Referring to FIG. 2, first, single-crystal diamond produced by a high-temperature and high-pressure method is prepared as a
次に、上記処理を行った基板1をRIE装置内に配置して、機械研磨に起因する主面1a上のダメージを除去する。なお、RIE装置内において、主面1aと接する側面1b〜1eもプラズマに曝されるため、側面1b〜1e上のダメージまでもが除去されてしまうことが懸念され得る。しかし、側面1b〜1eの表面粗度は主面1aと比して大きく、このような表面は、その表面がプラズマに曝されないようにコーティングを施した場合と同様の機能を有することができる。したがって、プラズマに曝されることによって表面のダメージが除去される主面1aに対し、側面1b〜1eにおいては、プラズマに曝されることによる影響は生じない。
Next, the
次に、主面1aを有する単結晶ダイヤモンド層に、カーボン(C)、窒素(N)、シリコン(Si)、リン(P)または硫黄(S)などの不純物をイオン注入する。これにより、主面1aの表面から1μmに満たない深さ領域に導電層が形成される。なお、イオン注入における注入エネルギーは250〜350keVが好ましく、その注入量は5×1015〜5×1017個/cm3であることが好ましい。
Next, impurities such as carbon (C), nitrogen (N), silicon (Si), phosphorus (P) or sulfur (S) are ion-implanted into the single crystal diamond layer having the
次に、真空チャンバ内の圧力を70〜110Torrとした上で、メタンなどの炭化水素ガス、水素ガス、および、不活性ガス、窒素などの添加ガスを導入し、単結晶ダイヤモンドから成るエピタキシャル成長層を主面1a上に形成する。具体的には、まず、添加ガスと、水素ガスのみが導入される装置内で800〜1100℃に加熱され、その後さらに炭化水素ガスと添加ガスとが導入される。これにより、図1に示すように、エピタキシャル成長層である単結晶ダイヤモンド2が導電層(図1において不図示)上に形成される。また、同時に、単結晶ダイヤモンド2の側面1b〜1eを覆うように炭素質層3が形成される。なお、導電層が形成された後の主面1aの最表面には、ダイヤモンドの結晶構造が保たれているため、上記のように導電層形成後の主面1a上に対してエピタキシャル成長層を形成させることができる。
Next, after the pressure in the vacuum chamber is set to 70 to 110 Torr, a hydrocarbon gas such as methane, a hydrogen gas, and an additive gas such as an inert gas and nitrogen are introduced to form an epitaxial growth layer made of single crystal diamond. It is formed on the
以上のようにして、本実施形態のダイヤモンド複合体を作製することができる。このダイヤモンド複合体に関し、単結晶ダイヤモンドと炭素質層との接合は弱いため、両者を容易に分離することができる。分離の方法としては、レーザ照射による分離、熱混酸(240℃、HNO3:H2SO4=1:3)による炭素質層の除去による分離、酸素を含む雰囲気中でのアニール処理またはプラズマ処理による炭素質層の除去による分離、物理的衝撃を加えることによる分離、あるいはこれらを組み合わせることによる分離などがある。 As described above, the diamond composite of this embodiment can be produced. With regard to this diamond composite, since the bonding between the single crystal diamond and the carbonaceous layer is weak, both can be easily separated. As a separation method, separation by laser irradiation, separation by removing a carbonaceous layer with a hot mixed acid (240 ° C., HNO 3 : H 2 SO 4 = 1: 3), annealing treatment or plasma treatment in an atmosphere containing oxygen Separation by removing the carbonaceous layer by means of separation, separation by applying a physical impact, or separation by combining these.
また、炭素質層の成長起点、たとえば、図1中の炭素質層3の下部は、基板1の側面1b〜1eに固着しているが、炭素質層3と基板1との接合もまた弱いため、この両者もまた容易に分離することができる。さらに、以上のようにして作製されたダイヤモンド複合体によれば、基板と単結晶ダイヤモンドとの間に導電層が介在するため、この導電層を電気化学的にエッチングすることにより、ダイヤモンド複合体から容易に基板を除去することができる。したがって、結果的に、ダイヤモンド複合体から単結晶ダイヤモンドを容易に分離することができる。
Moreover, although the growth origin of the carbonaceous layer, for example, the lower part of the
また、本発明者らは、上記の作製方法に関し、CVD法における条件を{100}面以外の面における単結晶ダイヤモンドの成長が起こり難く、{100}面における単結晶ダイヤモンドの成長が特に優勢に起こり易くなる条件にすることにより、さらに効率的にダイヤモンド複合体を形成することができ、また、これから得られる単結晶ダイヤモンドも不具合の発生がさらに抑制された高品質なものであることを知見している。これは、このような条件とすることにより、{100}面である主面上には単結晶ダイヤモンドが特に成長し易くなり、{100}面から8°より大きく37°より小さくオフしている側面上には単結晶ダイヤモンドが特に成長し難くなり、かつ炭素質層の成長が特に優勢となることにより、非ダイヤモンド炭素の割合の高い炭素質層が形成されるためと考えられる。 In addition, regarding the above-described manufacturing method, the present inventors have made it difficult to grow single crystal diamond on a surface other than the {100} plane, and the growth of single crystal diamond on the {100} plane is particularly dominant. It was found that the diamond composite can be formed more efficiently by making the conditions that are likely to occur, and that the single crystal diamond obtained from this is also of high quality with further reduced occurrence of defects. ing. This is because, under such a condition, single-crystal diamond is particularly easy to grow on the main surface which is the {100} plane, and is off by more than 8 ° and less than 37 ° from the {100} plane. This is probably because the single-crystal diamond is difficult to grow on the side surface, and the growth of the carbonaceous layer is particularly dominant, thereby forming a carbonaceous layer with a high proportion of non-diamond carbon.
上記の{100}面における単結晶ダイヤモンドの成長が優勢となる条件としては、たとえば、(1)真空チャンバ内に導入する炭化水素の量を多くする、(2)真空チャンバ内に窒素ガスを導入する、などの条件が挙げられる。具体的には、上記(1)に関し、真空チャンバ内に導入するガスの総導入量に対する炭化水素ガスの体積割合を5〜20体積%にすることが好ましく、8〜15体積%にすることがより好ましい。また、上記(2)に関し、真空チャンバ内に導入するガスの総導入量に対する窒素ガスの体積割合を0.005〜4体積%にすることが好ましく、0.02〜1体積%にすることがより好ましい。また、上記(1)および(2)を組み合わせてもよい。なお、炭化水素ガスの体積割合は炭素換算された値である。したがって、たとえば、炭化水素ガスとしてエタンガスを用いた場合は、メタンガスを用いた場合の半分の体積割合となる。 Conditions for the growth of single crystal diamond on the {100} plane are, for example, (1) increasing the amount of hydrocarbons introduced into the vacuum chamber, and (2) introducing nitrogen gas into the vacuum chamber. And the like. Specifically, with regard to (1) above, the volume ratio of hydrocarbon gas to the total amount of gas introduced into the vacuum chamber is preferably 5 to 20% by volume, and 8 to 15% by volume. More preferred. Regarding (2) above, the volume ratio of nitrogen gas to the total amount of gas introduced into the vacuum chamber is preferably 0.005 to 4% by volume, and 0.02 to 1% by volume. More preferred. Further, the above (1) and (2) may be combined. In addition, the volume ratio of hydrocarbon gas is a value converted into carbon. Therefore, for example, when ethane gas is used as the hydrocarbon gas, the volume ratio is half that when methane gas is used.
<ダイヤモンド接合体>
図5および図6は、本実施形態のダイヤモンド接合体の概略的な断面図である。具体的には、図5は、ダイヤモンド複合体から基板を除去することにより得られるダイヤモンド接合体の概略的な断面図であり、図6は、ダイヤモンド複合体から炭素質層を除去することにより得られるダイヤモンド接合体の概略的な断面図である。
<Diamond bonded body>
5 and 6 are schematic cross-sectional views of the diamond joined body of the present embodiment. Specifically, FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a diamond bonded body obtained by removing a substrate from a diamond composite, and FIG. 6 is obtained by removing a carbonaceous layer from the diamond composite. It is a schematic sectional drawing of the diamond joined body obtained.
まず、図5を参照し、ダイヤモンド接合体20は、単結晶ダイヤモンド2と、単結晶ダイヤモンド2の側面2bを被覆する炭素質層3とを備え、炭素質層3は非ダイヤモンド炭素を含む。このダイヤモンド接合体20は上述のダイヤモンド複合体10から基板1が除去された構成を有しているため、上記と同様の説明は繰り返さない。なお、ダイヤモンド複合体10から基板1を除去する方法としては、イオン注入層を形成した部分を電気化学的にエッチングする方法、レーザ照射により切断する方法などが挙げられる。
First, referring to FIG. 5, the diamond bonded
また、図6を参照し、ダイヤモンド接合体30は、ダイヤモンド種結晶からなる基板1と、基板1の主面1a状に形成された単結晶ダイヤモンド2とを備える。このダイヤモンド接合体30は上述のダイヤモンド複合体10から炭素質層3が除去された構成を有しているため、上記と同様の説明は繰り返さない。なお、ダイヤモンド複合体から炭素質層3を除去する方法としては、ダイヤモンド接合体30と炭素質層3とを分離する方法がある。具体的には、レーザ照射による分離、熱混酸(240℃、HNO3:H2SO4=1:3)による炭素質層の除去による分離、酸素を含む雰囲気中でのアニール処理またはプラズマ処理による炭素質層の除去による分離、物理的衝撃を加えることによる分離、あるいはこれらを組み合わせることによる分離などがある。また、ダイヤモンド複合体10において、炭素質層3は基板1および単結晶ダイヤモンド2と接合しているものの、その接合力は低いため、炭素質層3は容易に除去することができ、もって、ダイヤモンド接合体30はダイヤモンド複合体10から容易に形成することができる。
Referring to FIG. 6, the diamond bonded
本実施形態のダイヤモンド接合体は、上述のダイヤモンド複合体から基板または炭素質層を除去することにより得られるものであり、これらが備える単結晶ダイヤモンドは、従来のエピタキシャル成長層である単結晶ダイヤモンドと比して、歪みが少なく、また、クラック、割れなどの不具合の発生頻度が低い。したがって、本実施形態のダイヤモンド接合体は、ダイヤモンド製品に適した単結晶ダイヤモンドを提供することができる。 The diamond joined body of the present embodiment is obtained by removing the substrate or the carbonaceous layer from the above-mentioned diamond composite, and the single crystal diamond included in these is compared with the single crystal diamond that is a conventional epitaxial growth layer. Therefore, there is little distortion and the frequency of occurrence of defects such as cracks and cracks is low. Therefore, the diamond joined body of this embodiment can provide single crystal diamond suitable for diamond products.
<単結晶ダイヤモンド>
図7は、本実施形態の単結晶ダイヤモンドの概略的な断面図である。図7を参照し、単結晶ダイヤモンド2は、ダイヤモンド複合体10から基板1および炭素質層3を除去することにより得られる単結晶ダイヤモンドであり、主面2aと側面2bとを備えるエピタキシャル成長層である。
<Single crystal diamond>
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of the single crystal diamond of the present embodiment. Referring to FIG. 7,
本実施形態の単結晶ダイヤモンドは、上述のダイヤモンド複合体から分離された単結晶ダイヤモンドであり、従来のエピタキシャル成長層である単結晶ダイヤモンドと比して、歪みが少なく、また、クラック、割れなどの発生頻度が低い。したがって、本実施形態の単結晶ダイヤモンドはダイヤモンド製品に好適に用いることができる。 The single crystal diamond of the present embodiment is a single crystal diamond separated from the above-mentioned diamond composite, has less distortion than the conventional single crystal diamond that is an epitaxial growth layer, and also generates cracks, cracks, etc. Infrequent. Therefore, the single crystal diamond of this embodiment can be suitably used for diamond products.
<工具>
図8は、本実施形態の工具の一例であるダイヤモンドバイトの概略的な断面図である。図8を参照し、ダイヤモンドバイト50は、台金4と、ろう付け層5と、メタライズ層6と、単結晶ダイヤモンド22とを主に備えている。単結晶ダイヤモンド22は、ろう付け層5およびメタライズ層6を介して台金4に固定されている。単結晶ダイヤモンド22はすくい面22bおよび逃げ面22cを含み、すくい面22bおよび逃げ面22cの接触部において切れ刃22dが構成されている。
<Tool>
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a diamond tool that is an example of the tool of the present embodiment. Referring to FIG. 8, the
ダイヤモンドバイト50が備える単結晶ダイヤモンド22は、上述の単結晶ダイヤモンドが適宜所望の形状に加工されたものであり、換言すれば、本実施形態の工具は上述の単結晶ダイヤモンドを備える工具である。上述の単結晶ダイヤモンドは、従来のエピタキシャル成長層である単結晶ダイヤモンドと比して、歪みが少なく、また、クラック、割れなどの発生頻度が低い。したがって、これを用いた本実施形態の工具によれば、単結晶ダイヤモンド部分における歪み、クラック、割れなどの発生が抑制されるため、長い使用寿命を有することができ、また、工具の破損などによって生じる被加工部材の損傷を抑制することができる。したがって、本実施形態の工具は、工具としての高い性能を有することができる。
The
また、本発明の工具は、上記ダイヤモンドバイト50のような工具に限定されず、たとえば、ドリル、エンドミル、ドリル用刃先交換型切削チップ、エンドミル用刃先交換型切削チップ、フライス加工用刃先交換型切削チップ、旋削加工用刃先交換型切削チップ、メタルソー、歯切工具、リーマ、タップなどの他の切削工具でもよい。また、本発明の工具は切削工具に限られず、研削工具、耐摩工具、部品などでもよい。研削工具としては、ドレッサなどを挙げることができる。耐摩工具、部品としては、ダイス、スクライバー、水または粉末噴出ノズル、ワイヤなどのガイドなどを挙げることができる。
Further, the tool of the present invention is not limited to the tool such as the
<検討1>
検討1においては、側面の面方位が異なる種々の基板を準備し、同条件のCVD法により各基板上に単結晶ダイヤモンドを形成させたサンプル(No.1〜10)を作製し、作製された各サンプルの評価を行った。以下、具体的に説明する。
<
In
(基板の作製)
図2を参照し、まず、基板として、高温高圧法によって作製されたIbタイプの単結晶ダイヤモンドからなる基板1(厚み500μm、5mm角)を準備した。この基板1の主面1aの面方位は(001)面であり、側面1b〜1eの各面方位は(100)面、(−100)面、(0−10)面、(010)面であった。
(Production of substrate)
Referring to FIG. 2, first, a substrate 1 (thickness: 500 μm, 5 mm square) made of Ib type single crystal diamond produced by a high-temperature high-pressure method was prepared as a substrate. The plane orientation of the
準備した基板の主面1aに関し、(001)面から[100]方向に2°オフするように機械研磨し、その後、研磨傷が微分干渉顕微鏡によって観察できない程度にまで機械研磨した後、さらに、酸素ガスおよびCF4ガスを用いたRIEにより厚み方向に2μmエッチングした。また、準備した基板の側面1b〜1eに関し、主面縦方向のオフ角および主面横方向(すなわち、主面面内方向)のオフ角が表1に示す値となるように、各側面をレーザ切断した。
The
ここで、表1に示すオフ角は絶対値である。すなわち、主面縦方向に関し、図3(A)に示す方向へオフさせた場合と、図3(B)に示す方向にオフさせた場合との両方を実施し、主面横方向に関し、図3(C)に示す方向へオフさせた場合と、図3(D)に示す方向にオフさせた場合との両方を実施した。主面縦方向および主面横方向のそれぞれに関し、いずれの方向へオフさせた場合においても同じ結果であったため、表1では各オフ角を絶対値で示すこととした。 Here, the off angles shown in Table 1 are absolute values. That is, with respect to the longitudinal direction of the main surface, both the case where it is turned off in the direction shown in FIG. 3A and the case where it is turned off in the direction shown in FIG. Both the case where it was turned off in the direction shown in FIG. 3C and the case where it was turned off in the direction shown in FIG. Since the same result was obtained when turning off in either direction with respect to the longitudinal direction of the principal surface and the transverse direction of the principal surface, in Table 1, each off angle is indicated by an absolute value.
(単結晶ダイヤモンドの形成)
まず、作製した各基板1の主面1aにカーボンを用いたイオン注入を行った。なお、イオン注入における注入エネルギーは330keVとし、その注入量は1×1017個/cm3とした。これにより、基板1の主面1a上の厚み方向内側にわずか(1μm未満)に入った部分に、炭素の過剰な導電層が形成された。なお、最表面にはダイヤモンド構造を有する層が残っていた。各基板1を主面1aが露出するようにマイクロ波プラズマCVD装置の真空チャンバ内に配置した。そして、基板1を1100℃の温度で加熱し、真空チャンバ内の圧力を90Torrとした後、真空チャンバ内に水素ガス、メタンガス、窒素ガスを導入してマイクロ波プラズマCVD法を行い、基板1上に0.5mmの厚みの単結晶ダイヤモンド層を形成した。このときの各ガスの混合割合(体積%)は水素ガス:メタンガス:窒素ガス=91.5:8:0.5とした。
(Formation of single crystal diamond)
First, ion implantation using carbon was performed on the
なお、単結晶ダイヤモンドの形成において、イオン注入処理は必須ではないが、イオン注入処理によって形成された導電層を電気化学エッチングすることによって基板1と単結晶ダイヤモンドを容易に分離できるというメリットがある。また、イオン注入処理を行う場合、行わない場合のいずれにおいても、単結晶ダイヤモンドを得るに際し、レーザー処理によって基板1と単結晶ダイヤモンドを分離する方法を採用することができる。
In the formation of single crystal diamond, an ion implantation process is not essential, but there is an advantage that the
次に、引き続き、基板1を1100℃の温度で加熱し、真空チャンバ内の圧力を90Torrとした後、真空チャンバ内に水素ガス、メタンガス、窒素ガスを導入してマイクロ波プラズマCVD法を行い、導電層が形成された側の表面上に1.5mmの厚みの単結晶ダイヤモンドを形成した。なお、このときの各ガスの混合割合(体積%)は水素ガス:メタンガス:窒素ガス=91.5:8:0.5とした。
Next, the
(評価)
サンプル1〜10に関し、サンプル3、4、7、8および9(実施例)のそれぞれにおいて、基板1上に形成された単結晶の側面を被覆する層が形成されていることが目視により確認された。また、その層に関し、レーザ切断によって単結晶ダイヤモンドから分離してSEM観察、ラマン分光分析、およびEELS分析の少なくともいずれかを実施したところ、グラファイトを多く含む炭素質層であることが理解された。ただし、観察において、レーザ切断によって飛散したグラファイトは含まれないように注意を払った。
(Evaluation)
Regarding
また、サンプル1、2、5、6および10(比較例)、ならびに炭素質層除去後のサンプル3、4、7、8および9(実施例)に関し、導電層を電気化学エッチングして基板を除去することにより単結晶ダイヤモンドを分離し、分離された単結晶ダイヤモンドにおけるクラックの有無および割れの有無を確認した。なお、クラックとは、結晶内部にある比較的微小な劈開の状態の不具合を意味し、割れとは、亀裂が結晶の表面に現れた、クラックと比して大きな劈開の状態の不具合を意味する。確認においては、大小関係ではなく、劈開が結晶の表面に亀裂として現れているかどうかで区別した。その結果を表1に示す。
In addition, regarding
表1を参照し、サンプル3、4、7、8および9ではいずれの不具合も確認されなかった。また、サンプル2、6および10ではクラックの発生が確認され、サンプル5ではクラックおよび割れの発生が確認された。また、サンプル1、2においては、イオン注入しないサンプルを別途作製し、レーザ処理によって基板と単結晶ダイヤモンドとを分離した場合についても同評価を行ったところ、クラックの有無および割れの有無は、それぞれ表1に示すサンプル1、2の各結果と同様であった。すなわち、基板と単結晶ダイヤモンドとの分離方法は、欠陥の発生の評価に関し影響していないことがわかった。
Referring to Table 1, in
なお、サンプル9に関し、一つの幾何学的方位を示すと、側面1bの(100)面に対する<011>方向へのオフ角、側面1cの(−100)面に対する<0−11>方向へのオフ角、側面1dの(0−10)面に対する<101>方向へのオフ角、および側面1eの(010)面に対する<−101>方向へのオフ角は、それぞれ8.5°である。また、サンプル10に関し、側面1bの(100)面に対する<011>方向へのオフ角、側面1cの(−100)面に対する<0−11>方向へのオフ角、側面1dの(0−10)面に対する<101>方向へのオフ角、および側面1eの(010)面に対する<−101>方向へのオフ角は、それぞれ7.1°である。すなわち、サンプル9、10に関し、表1に示されるオフ角は、各オフ角の方向をベクトル合成したオフ角である。
In addition, regarding the sample 9, when showing one geometric orientation, the off-angle in the <011> direction with respect to the (100) plane of the
<検討2>
検討2においては、側面の面方位、側面の表面粗度が異なる種々の基板を準備し、メタンガスの導入量が異なる各条件のCVD法により各基板上に単結晶ダイヤモンドを形成させたサンプル(No.11〜20)を作製し、作製された各サンプルの評価を行った。以下、具体的に説明する。
<
In
(基板の作製)
図2を参照し、まず、基板として、高温高圧法によって作製されたIbタイプの単結晶ダイヤモンドからなる基板1(厚み500μm、5mm角)を準備した。この基板1の主面1aの面方位は(001)面であり、側面1b〜1eの各面方位は(100)面、(−100)面、(0−10)面、(010)面であった。
(Production of substrate)
Referring to FIG. 2, first, a substrate 1 (thickness: 500 μm, 5 mm square) made of Ib type single crystal diamond produced by a high-temperature high-pressure method was prepared as a substrate. The plane orientation of the
準備した基板の主面1aに関し、(001)面から[100]方向に2°オフするようにレーザ切断し、その後、研磨傷が微分干渉顕微鏡によって観察できない程度にまで機械研磨した後、さらに、酸素ガスおよびCF4ガスを用いたRIEにより厚み方向に2μmエッチングした。また、準備した基板の側面1b〜1eに関し、主面縦方向のオフ角および主面横方向のオフ角が表2に示す値となるように、各側面をレーザ切断した。
The
ここで、表2に示すオフ角は絶対値である。すなわち、主面縦方向に関し、図3(A)に示す方向へオフさせた場合と、図3(B)に示す方向にオフさせた場合との両方を実施し、主面横方向に関し、図3(C)に示す方向へオフさせた場合と、図3(D)に示す方向にオフさせた場合との両方を実施した。主面縦方向および主面横方向のそれぞれに関し、いずれの方向へオフさせた場合においても同じ結果であったため、表2では各オフ角を絶対値で示すこととした。 Here, the off angles shown in Table 2 are absolute values. That is, with respect to the longitudinal direction of the main surface, both the case where it is turned off in the direction shown in FIG. 3A and the case where it is turned off in the direction shown in FIG. Both the case where it was turned off in the direction shown in FIG. 3C and the case where it was turned off in the direction shown in FIG. Since the same result was obtained when turning off in either direction with respect to the longitudinal direction of the principal surface and the transverse direction of the principal surface, in Table 2, each off angle is indicated by an absolute value.
さらに、表2に示すように、サンプル11〜14、17および19に関し、荷重や回転速度を調整することによって各側面1d〜1eを機械研磨し、その表面粗度を小さくした。ただし、研磨の程度については、機械研磨後の側面の表面粗度が、一般的な研磨処理が行われた場合の側面の表面粗度よりも大きくなるように調整した。表2に示す表面粗度の値は、研磨を行ったサンプルについては研磨後の側面の表面粗度、研磨を行わなかったサンプルについてはレーザ切断後の側面の表面粗度の値である。 Further, as shown in Table 2, with respect to Samples 11 to 14, 17 and 19, the side surfaces 1d to 1e were mechanically polished by adjusting the load and rotation speed to reduce the surface roughness. However, the degree of polishing was adjusted so that the surface roughness of the side surface after mechanical polishing was larger than the surface roughness of the side surface when a general polishing process was performed. The value of the surface roughness shown in Table 2 is the value of the surface roughness of the side surface after polishing for the sample that was polished, and the value of the surface roughness of the side surface after laser cutting for the sample that was not polished.
(単結晶ダイヤモンドの形成)
マイクロ波プラズマCVD法におけるメタンガスの混合割合(体積%)を6〜12体積%の範囲で変化させた以外は、検討1と同様の方法により基板1上に導電層および単結晶ダイヤモンドを形成した。なお、各サンプルにおけるメタンガスの混合割合は表2に示す通りであり、この変化に伴って水素ガスの導入量も変化した。ただし、窒素ガスの混合割合は常に0.5体積%とした。
(Formation of single crystal diamond)
A conductive layer and single crystal diamond were formed on the
(評価)
サンプル11〜20(実施例)の全てにおいて、基板1上の形成された単結晶の側面を被覆する層が形成されていることが目視により確認された。また、その層に関し、レーザ切断によって単結晶ダイヤモンドから分離してSEM観察、ラマン分光分析、およびEELS分析の少なくともいずれかを実施したところ、グラファイトを多く含む炭素質層であることが理解された。
(Evaluation)
In all of Samples 11 to 20 (Examples), it was visually confirmed that a layer covering the side surface of the single crystal formed on the
また、炭素質層除去後のサンプル11〜20に関し、導電層を電解エッチングして基板を除去することにより単結晶ダイヤモンドを分離し、分離された単結晶ダイヤモンドの残留応力を測定した。なお、残留応力の測定は、ラマン分光法を用いて行い、具体的には、1332cm-1のピークのシフト量に定数を乗じて応力に換算した。その結果を表2に示す。 Moreover, regarding the samples 11 to 20 after removing the carbonaceous layer, the single-crystal diamond was separated by electrolytically etching the conductive layer to remove the substrate, and the residual stress of the separated single-crystal diamond was measured. The residual stress was measured using Raman spectroscopy. Specifically, the residual stress was converted to stress by multiplying the shift amount of the peak at 1332 cm −1 by a constant. The results are shown in Table 2.
表2を参照し、基板の側面の表面粗度が0.2μm以上の場合に、残留応力が十分に低下することが確認された。なかでも、基板の側面の表面粗度が0.7μm以上場合に、残留応力がより十分に低下することが確認された。また、特に、機械研磨されていない、レーサ切断された側面を有する基板を用いることが好ましいことが確認された。ただし、表面粗度を基板の厚み以上としても、表2に示すような良い結果は得られなかった。また、表2に示す範囲において、CVD法におけるメタンガスの導入割合が高いほど、残留応力が小さいことが分かった。また、基板の側面の表面粗度が高く、かつメタンガスの導入割合が高い場合に、特に残留応力が小さいことが分かった。なお、通常のCVD法により形成されたエピタキシャル成長層である単結晶ダイヤモンドの残留応力は、サンプル11〜20の単結晶ダイヤモンドの残留応力よりも大きい。 Referring to Table 2, it was confirmed that the residual stress was sufficiently reduced when the surface roughness of the side surface of the substrate was 0.2 μm or more. In particular, it was confirmed that the residual stress was more sufficiently reduced when the surface roughness of the side surface of the substrate was 0.7 μm or more. In particular, it was confirmed that it is preferable to use a substrate having a laser-cut side surface that is not mechanically polished. However, good results as shown in Table 2 were not obtained even when the surface roughness was set to be equal to or greater than the thickness of the substrate. Moreover, in the range shown in Table 2, it turned out that a residual stress is so small that the introduction ratio of the methane gas in CVD method is high. Further, it was found that the residual stress was particularly small when the surface roughness of the side surface of the substrate was high and the introduction ratio of methane gas was high. In addition, the residual stress of the single crystal diamond which is the epitaxial growth layer formed by the normal CVD method is larger than the residual stress of the single crystal diamond of Samples 11 to 20.
今回開示された実施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。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 基板、2 単結晶ダイヤモンド、3 炭素質層、4 台金、5 ろう付け層、10 ダイヤモンド複合体、20,30 ダイヤモンド接合体、40 単結晶ダイヤモンド。 1 substrate, 2 single crystal diamond, 3 carbonaceous layer, 4 base metal, 5 brazing layer, 10 diamond composite, 20, 30 diamond bonded body, 40 single crystal diamond.
Claims (10)
前記基板の主面上に形成された単結晶ダイヤモンドと、
前記単結晶ダイヤモンドの側面を被覆する炭素質層と、を備え、
前記炭素質層は非ダイヤモンド炭素を含む、ダイヤモンド複合体。 A substrate made of a diamond seed crystal;
Single-crystal diamond formed on the main surface of the substrate;
A carbonaceous layer covering a side surface of the single crystal diamond,
The carbonaceous layer is a diamond composite comprising non-diamond carbon.
前記主面と接する前記基板の側面は、(100)面に対するオフ角が8°より大きく37°より小さい第1側面と、(−100)面に対するオフ角が8°より大きく37°より小さい第2側面と、(0−10)面に対するオフ角が8°より大きく37°より小さい第3側面と、(010)面に対するオフ角が8°より大きく37°より小さい第4側面とを含む、請求項1または請求項2に記載のダイヤモンド複合体。 The main surface of the substrate has an off angle with respect to the (001) plane of 0 ° or more and 7 ° or less,
The side surface of the substrate in contact with the main surface has a first side surface having an off angle with respect to the (100) plane of greater than 8 ° and smaller than 37 °, and a first side surface with an off angle with respect to the (-100) surface of greater than 8 ° and smaller than 37 °. Two side surfaces, a third side surface with an off angle greater than 8 ° and smaller than 37 ° with respect to the (0-10) plane, and a fourth side surface with an off angle with respect to the (010) plane greater than 8 ° and smaller than 37 °. The diamond composite according to claim 1 or claim 2.
前記基板の主面上に単結晶ダイヤモンドを成長させつつ、前記基板の側面上に、前記単結晶ダイヤモンドの側面を被覆する非ダイヤモンド炭素を含む炭素質層を成長させる工程と、Growing a carbonaceous layer containing non-diamond carbon covering the side surface of the single crystal diamond on the side surface of the substrate while growing single crystal diamond on the main surface of the substrate;
前記基板と前記炭素質層とを除去する工程とを含む、単結晶ダイヤモンドの製造方法。A method for producing single crystal diamond, comprising a step of removing the substrate and the carbonaceous layer.
前記単結晶ダイヤモンドの主面は、(001)面に対するオフ角が0°以上7°以下であり、The main surface of the single crystal diamond has an off angle with respect to the (001) plane of 0 ° or more and 7 ° or less,
前記主面と接する前記側面は、(100)面に対するオフ角が8°より大きく37°より小さい第1側面と、(−100)面に対するオフ角が8°より大きく37°より小さい第2側面と、(0−10)面に対するオフ角が8°より大きく37°より小さい第3側面と、(010)面に対するオフ角が8°より大きく37°より小さい第4側面とを含む、ダイヤモンド接合体。The side surface in contact with the main surface includes a first side surface having an off angle with respect to the (100) plane of greater than 8 ° and less than 37 °, and a second side surface with an off angle with respect to the (-100) surface of greater than 8 ° and less than 37 °. And a third side surface having an off angle greater than 8 ° and smaller than 37 ° with respect to the (0-10) plane, and a fourth side surface having an off angle greater than 8 ° and smaller than 37 ° with respect to the (010) plane body.
前記主面は、(001)面に対するオフ角が0°以上7°以下であり、The main surface has an off angle with respect to the (001) plane of 0 ° or more and 7 ° or less,
前記主面と接する前記側面は、(100)面に対するオフ角が8°より大きく37°より小さい第1側面と、(−100)面に対するオフ角が8°より大きく37°より小さい第2側面と、(0−10)面に対するオフ角が8°より大きく37°より小さい第3側面と、(010)面に対するオフ角が8°より大きく37°より小さい第4側面とを含む、単結晶ダイヤモンド。The side surface in contact with the main surface includes a first side surface having an off angle with respect to the (100) plane of greater than 8 ° and less than 37 °, and a second side surface with an off angle with respect to the (-100) surface of greater than 8 ° and less than 37 °. And a third side surface having an off angle greater than 8 ° and smaller than 37 ° with respect to the (0-10) plane, and a fourth side surface having an off angle greater than 8 ° and smaller than 37 ° with respect to the (010) plane. diamond.
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