JP7256753B2 - 大単結晶ダイヤモンドおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、大単結晶ダイヤモンドおよびその製造方法に関する。

ダイヤモンドは、これらの結晶品質が最も高くかつ物理的、光学的、および誘電特性が極めて高いことで周知である。しかしながら、ダイヤモンドの希少性および一様な品質を備えた大きなダイヤモンドの利用性の制限は常に、種々の用途のための主流リソースとしてのその潜在的可能性の障害となっていた。

希少性は、ダイヤモンド成長業界によって改善された。現時点においては、成長方法の２つの主要な形式としては、高圧高温（ＨＰＨＴ）成長法と化学気相成長または蒸着（ＣＶＤ）成長方法が挙げられる。

ダイヤモンドの希少性の改善にもかかわらず、一様な品質を備えた大きなダイヤモンドの利用性の制限は、依然として解決されるべきである。これは、大面積単結晶ダイヤモンドが今までのところ１センチメートル（ｃｍ）×１ｃｍ未満の面積を有するに過ぎないという現代における事実から判断したときに明白である。

大面積ＣＶＤ単結晶ダイヤモンドを成長させる際の困難な問題のうちの１つは、大単結晶ダイヤモンド基材の非利用性（または利用性の制限）である。この困難な問題を解決するための既知の方法は、ほぼ同じ高さの幾つかの利用可能な単結晶ダイヤモンド基材をモザイクフォーメーションで組み立て、次にＣＶＤ成長方法を用いて成長させることである。しかしながら、かかる成長方法は、１つまたは２つ以上の欠陥、例えば非エピタキシャル結晶子、熱分解カーボンおよび／または２つの単結晶ダイヤモンド基材相互間のインターフェースのところのヒロック（hillock）を生じさせる。これら欠陥は、ダイヤモンドの成長につれて数が増え、その結果、２つの単結晶ダイヤモンド基材のインターフェースのところの単結晶ダイヤモンドに大きな応力が加わる（または、多結晶ダイヤモンド材料がさらに劣化する）。成長した大面積ＣＶＤ単結晶ダイヤモンド上のかかる大きな応力が加わった単結晶インターフェースまたは多結晶インターフェースは、これらダイヤモンドを熱化学的研磨だけに制限する場合があり、しかも機械的研磨を用いた加工を完全にできなくする。

さらに、所望の数の単結晶ダイヤモンド基材がモザイクフォーメーションで配置した後の成長のために一様な基材特性を有する所望の数の単結晶ダイヤモンド基材を得ることもまた困難である。これらの基材が一様な品質およびほぼ同じ厚さのものでない場合、基材相互間の小さな応力を達成することは困難であろう。

上述の理由で、しかも強い技術の追求にもかかわらず、実用的用途向けに採用できる一様な品質を備えた大面積単結晶ダイヤモンドは、依然として利用可能ではない。

本発明の一実施形態によれば、大単結晶ダイヤモンドを製造する方法であって、（ｉ）２つまたは３つ以上の単結晶ダイヤモンド基材をダイヤモンド成長チャンバ内に互いに隣接して配置するステップを含み、各単結晶ダイヤモンド基材は、互いに異なる結晶方位を有する少なくとも２つの互いに隣り合う表面を備え、（ｉｉ）ダイヤモンド成長プロセスを用いて単結晶ダイヤモンド基材を上方成長方向ならびに側方成長方向に成長させるステップを含むことを特徴とする方法が提供される。

本発明の別の実施形態によれば、単結晶化学気相成長（ＣＶＤ）ダイヤモンドであって、６ミリメートル（ｍｍ）を超える少なくとも１つのエッジを備えた表面を有し、表面は、６ｍｍを超える表面のエッジに垂直に延びる少なくとも１つの応力ゾーンを備えていることを特徴とする単結晶ＣＶＤダイヤモンドが提供される。

次に、本発明を良好に理解するためそして本発明をどのように実施することができるかについて示すために、添付の図面を参照して本発明を例示としてのみ説明する。

本発明の一実施形態に係る例示の成長したダイヤモンドの例示の平面図および側面図である。 本発明の一実施形態に係る隣り合うダイヤモンド相互間の境界部のところの例示の表面形態実施形態を示す図（Ａ）および本発明の一実施形態に従って６つの互いに異なる箇所における例示の成長ダイヤモンドに関する例示のラマン線幅分析チャートを示す図（Ｂ）である。 本発明の一実施形態に従って成長前におけるアレイ状フォーメーションで配列された例示の単結晶ダイヤモンドプレートを示す図である。 本発明の一実施形態に従って一次元アレイ状フォーメーションにおけるダイヤモンド基材の例示の配列状態を示す図である。 本発明の一実施形態に係る例示の単結晶ダイヤモンド基材を示す図である。 本発明の一実施形態に従って断面水平面に沿う２つの基材の成長方向を示す図である。 本発明の一実施形態に従ってそれぞれ｛１１１｝および｛１１３｝の結晶方位を有する大型基材を示す図（Ａ，Ｂ）である。 本発明の一実施形態に係る大きなプレート状単結晶ダイヤモンドを製造する例示の方法の流れ図を示す図である。

本発明の一実施形態によれば、大単結晶ダイヤモンド（成長ダイヤモンドとも呼ばれる場合がある）を製造する方法であって、２つまたは３つ以上の単結晶ダイヤモンド基材をダイヤモンド成長チャンバ内に互いに隣接して配置するステップを含み、各単結晶ダイヤモンド基材は、互いに異なる結晶方位を有する少なくとも２つの互いに隣り合う表面を備え、この製造方法は、ダイヤモンド成長プロセスを用いて単結晶ダイヤモンド基材を上方成長方向ならびに側方成長方向に成長させるステップをさらに含む。一実施形態では、２つの隣り合う表面は、第１の表面と追加の表面か、第２の表面と追加の表面か、追加の表面と別の追加の表面、もしくは別の表面に隣接した任意の表面かのいずれかと称される場合がある。上述のことに加えて、２つまたは３つ以上の単結晶ダイヤモンド基材の隣り合う表面は、互いに接触状態にある表面と呼ばれる場合がある。

２つまたは３つ以上の単結晶ダイヤモンド基材が単結晶ダイヤモンド基材の１つまたは２つ以上の追加の表面のところで互いに隣接して位置している場合、隣接した側面は、同一の結晶方位または所定の範囲の許容誤差を備えたほぼ同じ結晶方位を有する。追加の表面は、側面であるのが良い。

単結晶ダイヤモンド基材の各々は、単結晶方位を備えた表面を有しかつ成長面として機能する。第１の表面は、頂面であるのが良い。単結晶ダイヤモンド基材の各々は、第２の表面を有し、この第２の表面は、底面であるのが良い。単結晶ダイヤモンド基材の各々は、同一の厚さまたは互いに所定の範囲の許容誤差を備えたほぼ同じ厚さを有する。加うるに、単結晶ダイヤモンド基材の各々は、所定の範囲の表面粗さを有する。

単結晶ダイヤモンド基材を最初に、ダイヤモンド成長プロセスを作動させることができるチャンバ内に配置する。ダイヤモンド成長プロセスは、化学気相成長または蒸着（ＣＶＤ）ダイヤモンド成長プロセスであるのが良い。単結晶ダイヤモンド基材の少なくとも１つの追加の表面が少なくとも１つの他方の単結晶ダイヤモンド基材の少なくとも１つの追加の表面と接触状態にあるよう単結晶ダイヤモンド基材を配置する。接触状態にある追加の表面を接触状態にはない追加の表面によって境界づけ、追加の表面は、互いに同一の、類似のまたは互いに異なる結晶方位を有する。接触状態にある側面は、「接触」面とも称される場合があり、接触状態にない側面は、「非接触」側面とも称される場合がある。

ダイヤモンド成長プロセス中、単結晶ダイヤモンド基材は、適当な動作条件を受け、かかる条件としては、例えば７００℃から１２００℃までの温度範囲が挙げられる。単結晶ダイヤモンド基材は、頂面のところで上方成長を生じ、その結果、単一の成長層が互いに隣接させた単一のダイヤモンド基材の頂部上に形成されるようになる。

それと同時に、単結晶ダイヤモンド基材は、側面のところでは側方成長をも生じ、その結果、接触側面は、互いに融合し、その結果、単一の拡大頂面領域ならびに均一の品質を備えた１つの大単結晶ダイヤモンド基材が形成される。接触側面の融合は、接触側面の融合インターフェースに沿って応力パターンを生じさせる。

制御されたダイヤモンド成長プロセスは、ｓｐ³結合立方晶ダイヤモンド構造体の形成に有利であるが欠陥（例えば、非エピタキシャル結晶子、熱分解カーボン、ヒロックまたは任意他の結晶成長）の形成には不利である結晶成長形成を考慮に入れている。したがって、２つまたは３つ以上の単結晶ダイヤモンド基材を互いに隣接して配置すると、この制御された成長は、これら基材の融合インターフェースのところに比較的小さな応力を有する大単結晶ダイヤモンドを形成する。かかる比較的小さな応力領域は、単結晶ダイヤモンド基材の融合インターフェースのところでのＸ線結晶学的測定法および／またはラマン測定法を用いて確認できる。

本発明の別の実施形態によれば、単結晶化学気相成長（ＣＶＤ）ダイヤモンドは、６ミリメートル（ｍｍ）を超える少なくとも１つのエッジを備えた表面（すなわち、頂面）を有し、この表面は、６ｍｍを超える表面のエッジに垂直に延びる少なくとも１つの応力ゾーンを呈する。

応力ゾーンは、少なくとも１つのエッジの長さをＮで除算した値のところまで延び、このＮの値は、１よりも大きい整数である。この表面のところの応力の測定値は、追加の表面（すなわち、底面）に加わる応力の測定値未満である。この応力は、単結晶ＣＶＤダイヤモンドの他の領域と比較して、応力ゾーン周りの方が大きい。この表面および追加の表面は、｛１００｝という結晶方位を有する。単結晶ＣＶＤダイヤモンドは、少なくとも０．１ｍｍの厚さを有する。理解されるべきこととして、Ｘ線トポグラフィー画像化および交差分極顕微鏡検査から成る選択された画像化方法のうちの一方を用いて提示できる。一実施形態では、応力ゾーン内の応力は、単結晶ＣＶＤダイヤモンドに対する機械的研磨を可能にするほど低い。ラマン分析法を用いて測定したときの応力パターンゾーン内の応力は、３．３ｃｍ^-1から３．８ｃｍ^-1までの範囲にあるラマン線幅を生じさせる。

大面積単結晶ダイヤモンドは、融合インターフェースに沿って応力ゾーンを呈する。かかる応力ゾーンは、単結晶ダイヤモンド基材の隣接の側面を融合させ、そしてこの上にダイヤモンド成長を続行させた結果である。融合インターフェース内の応力は、隣り合う基材のそれぞれの上における単結晶ダイヤモンド成長のバルク内の内部応力値と同じほど低いのが良く、または単結晶ダイヤモンドの隣り合う領域内の応力値よりも高いが単結晶ダイヤモンドの任意の既知の成長後の加工を可能にするほど低いのが良い。特に、この方法は、機械的に研磨される必要のある大面積ダイヤモンドにとって有利である。応力が融合インターフェースのところで小さいので、機械的研磨は、ダイヤモンドの表面上に新たな欠陥を生じさせることはない。

本発明は、追加の実施形態によってさらに理解できる。

一実施形態では、単結晶ダイヤモンド基材は、頂面、底面、および４つの側面で構成されている。頂面および底面は、｛１００｝結晶方位を有する。４つの側面は、｛１００｝結晶方位を有し、４つの側面の各々は、｛１１０｝結晶方位を備えた追加の側面によって境界づけられる。４つの側面および追加の側面は、少なくとも０．１ｍｍという単結晶ダイヤモンド基材の厚さを定める。最初に、単結晶ダイヤモンド基材を化学気相成長（ＣＶＤ）チャンバ内に配置する。単結晶ダイヤモンド基材を単結晶ダイヤモンド基材の少なくとも１つの側面が別の単結晶ダイヤモンド基材の少なくとも１つの側面と接触関係をなすよう配置する。接触側面は、｛１００｝結晶方位を有し、非接触側面は、｛１１０｝結晶方位を有する。ＣＶＤプロセス中、単結晶ダイヤモンド基材は、適当な成長条件を受ける。非接触側面の｛１１０｝結晶方位に起因して、｛１００｝結晶方位を備えた側面は、ＣＶＤ成長プロセスを受けると、成長して「想像上の」先端部（すなわち、ピラミッド形構造の形成に類似している）に収斂する。換言すると、単結晶ダイヤモンド基材は、｛１１０｝の結晶方位を有する側部に平行な方向に成長する。制御されたＣＶＤ成長は、ｓｐ³結合立方晶ダイヤモンド構造体の形成に有利であるが欠陥（例えば、非エピタキシャル結晶子、熱分解カーボン、ヒロックまたは任意他の結晶成長）の形成には不利である結晶成長形成を考慮に入れている。したがって、２つまたは３つ以上の単結晶ダイヤモンド基材を互いに隣接して配置すると、この制御された成長は、これら基材の融合インターフェースのところに比較的小さな応力を有する大面積単結晶ダイヤモンドを形成する。かかる比較的小さな応力領域は、単結晶ダイヤモンド基材の融合インターフェースのところでのＸ線結晶学的測定法および／またはラマン測定法を用いて確認できる。

「想像上の」先端部に収斂する仕方での単結晶ダイヤモンド基材の制御成長とは別に、２つの隣り合う単結晶ダイヤモンド基材を融合させるインターフェースのところの応力は、同一のかつ一様な品質の基材を選択することによって減少する。一実施形態では、単結晶ダイヤモンド基材は、その高さ、結晶方位、欠陥密度、欠陥存在場所などの面で一様であるのが良い。理解されるべきこととして、非一様な単結晶ダイヤモンド基材は、２つの隣り合って配置された単結晶ダイヤモンド基材相互間の融合インターフェースのところの応力を悪化させる場合がある。したがって、一実施形態では、単結晶ダイヤモンド基材の選択および調製方法は、本質的に、互いに類似しかつ一様な品質の単結晶ダイヤモンド基材を融合させるのを助けることができる。これら基材は、同一の結晶方位または３°、好ましくは２°、より好ましくは１°の最大許容方位偏差を有するほぼ同じ結晶方位を有する側面の形態をした接触追加表面を有するべきである。結晶方位のかかる測定は、ラウェ法によって達成できる。さらに、単結晶ダイヤモンド基材は、１５μｍ未満、好ましくは１０μｍ未満、より好ましくは５μｍ未満の各基材相互間の厚さのばらつきを有するに過ぎないのが良い。同一かつ一様な品質の単結晶ダイヤモンド基材の選択はまた、厚手のかつ大面積の単結晶ダイヤモンドを成長させる目的上、必要不可欠である。

図１は、本発明の一実施形態に係る大単結晶ダイヤモンド（成長ダイヤモンド）の平面図および側面図である。一実施形態では、化学気相成長（ＣＶＤ）プロセスを用いて成長ダイヤモンド１１０を成長させるのが良い。かかる成長ダイヤモンド１１０をＣＶＤダイヤモンドとも言う場合がある。成長ダイヤモンド１１０は、単結晶ダイヤモンドであるのが良い。一実施形態では、成長ダイヤモンド１１０は、タイプＩＩａ単結晶ダイヤモンドである。

成長ダイヤモンド１１０は、寸法を有するそのエッジによって画定される。一実施形態では、成長ダイヤモンド１１０の平面図は、寸法ＸおよびＹを有するエッジによって画定される。図１では、成長ダイヤモンド１１０の寸法Ｘは、６ミリメートル（ｍｍ）である。成長ダイヤモンド１１０の寸法Ｙは、３ｍｍである。別の実施形態では、成長ダイヤモンドの寸法Ｘおよび寸法Ｙは、それぞれ、６ｍｍおよび３ｍｍを超える（図示せず）のが良い。

成長ダイヤモンド１１０の側面図には、追加の寸法Ｚが示されている。理解されるべきこととして、寸法Ｚを成長ダイヤモンド１１０の厚さとも言う場合がある。図１では、成長ダイヤモンド１１０の寸法Ｚは、１ｍｍである。別の実施形態では、成長ダイヤモンドの寸法Ｚは、０．１ｍｍを超える任意の値であって良い。

図１の平面図はまた、成長ダイヤモンド１１０内の２つの応力ゾーン１２０，１３０を示している。応力ゾーン１２０は、寸法Ｙによって定められかつ寸法Ｘによって定められたエッジから垂直に延びるエッジに平行である。応力パターン線１３０は、寸法Ｘによって定められかつ寸法Ｙによって定められたエッジから垂直に延びるエッジに平行である。

２本の応力パターン線１２０，１３０は、４つのダイヤモンド基材が成長ダイヤモンド１１０を成長させるために用いられたので形成されている。これら４つのダイヤモンド基材は、二次元アレイ状フォーメーション（すなわち、２×２アレイ状フォーメーション）で配置されている。次の図全体を通じてそれ以上の詳細が提供される。理解されるべきこととして、多数の応力パターン線は、多数のダイヤモンド基材が大きなプレート状ダイヤモンドを成長させるために用いられた場合に形成されることがある。かかる応力ゾーンの長さおよび方位は、ダイヤモンド基材の配置状態およびこれらの形状によってのみ限定される。

応力ゾーン１２０，１３０は、各ダイヤモンド基材が互いに異なる結晶面（例えば、｛１００｝および｛１１０｝結晶方位面）の隣り合う側部を有する。応力ゾーン１２０，１３０は、収斂して隣り合う基材の境界部に沿って著しく大きな応力を生じさせるダイヤモンド結晶成長を反映している。

成長ダイヤモンド１１０の側面図もまた、応力ゾーン１２０を示している。一実施形態では、応力は、応力ゾーン１２０に沿って上方成長方向に動くにつれて変化する。例えば、応力ゾーン１２０に沿って、表面１１２の近傍の応力は、表面１１１の近傍の応力よりも大きい。別の実施形態では、これまたこれらゾーン１２０に沿って、表面１１１の近傍の応力は、表面１１２の近傍の応力よりも大きい。応力は、基材が成長に先立って互いに隣接して配置された基材側部の近くの表面（表面１１１か１１２かのいずれか）の近傍で最も大きい。しかしながら、最も大きな応力は、依然として、成長後加工、特に機械的研磨を実施可能にするのに足るほど低いであろう。応力は、応力ゾーン１２０に基材を有する側部から遠ざかってかつＺ寸法に沿って（すなわち、上方成長方向に）動くにつれて次第に減少する。応力は、応力が成長ダイヤモンド１１０のバルクの内部応力にほぼ等しくまたは同一である場合のある値まで減少することがある。理解されるべきこととして、応力のかかる同様な変化は、表面１１１，１１２を互いに連結しかつ応力ゾーンに垂直な線（図示せず）についても観察可能である。

一実施形態では、応力が成長ダイヤモンド１１０のバルクの内部応力にほぼ等しくまたは同一である場合のある点まで応力値がいったん減少すると、成長ダイヤモンド１１０の応力ゾーン１２０およびバルクは、本発明の実施形態において開示した方法なしで成長させたダイヤモンドと同一でありまたはほぼ同じである応力を含む場合がある。例示の一実施形態では、応力ゾーン１２０内の成長方向に沿う結果として得られる結晶品質は、１．５ｃｍ^-1またはそれどころかこれ以上のラマン線幅を示すことができる。

理解されるべきこととして、応力は、成長ダイヤモンドのバルクが単一ユニットとして現れるよう上方成長方向に沿って次第に減少する場合がある。したがって、一実施形態（ここには図示せず）では、応力ゾーンは、表面１１１または１１２のうちの一方だけを介してのみ観察可能である場合がある。

依然として図１を参照すると、成長ダイヤモンド１１０を横切る応力ゾーン１２０，１３０は、対称の形態をなしている。例えば、応力ゾーン１２０，１３０は、成長ダイヤモンド１１０を寸法Ｘ，Ｙによって定められたエッジを横切って均等に分割している。変形例として、応力ゾーンは、別の実施形態では、成長ダイヤモンドを横切って非対称の形態（図示せず）をなしていても良い。例えば、応力ゾーンのうちの一方は、エッジのうちの一方に沿って１／３のところに位置した点から延びていても良い。理解されるべきこととして、非対称応力ゾーンは、非対称ダイヤモンド基材を用いて成長させたダイヤモンドの結果として得られる場合がある。

応力ゾーン１２０，１３０は、Ｘ線トポグラフィー画像化および交差分極顕微鏡検査により観察できる。

一実施形態では、応力ゾーン１２０，１３０内の応力は、成長ダイヤモンド１１０（すなわち、応力パターン線１２０，１３０によって覆われていない領域）内の内部応力値と同じほど小さいのが良い。変形実施形態では、応力ゾーン１２０，１３０内の応力は、成長後のダイヤモンド１１０のバルク内に存在することがある内部応力よりも高いが成長後の加工、特に機械的研磨プロセスを可能にするほど低いのが良い。

図２Ａは、一実施形態に係る隣り合うダイヤモンド相互間の境界部のところの例示の表面形態の一例を示す図である。一実施形態では、ダイヤモンドは、図１の成長ダイヤモンド１１０とほぼ同じであるのが良い。成長層は、約２．１２ｍｍ（すなわち、成長ダイヤモンドの厚さ）である。２つの隣り合うダイヤモンド基材の下に位置する境界部は、ぼやけた水平ダークライン（破線のボックス内）として明確に見える。一実施形態では、ラマン線幅分析は、ダイヤモンドの６つの互いに異なる点、すなわち、点１～６について実施された。点１～６のうちの点５は、スケッチ風に見える断層線のところに位置している。

図２Ｂは、上述の６つの互いに異なる点、すなわち、点１～６のところにおける成長ダイヤモンドに対するラマン線幅分析チャートを示している。ラマン分析は、０．７５、０．４、０．２５、および０．１の開口数（Ｎ．Ａ．）を有する集束レンズを用いて実施された。理解されるべきこととして、大きなＮ．Ａ．を有する集束レンズは、拡大焦点深度およびレーザスポットの焦点ボリュームの実現を可能にする。かかる拡大焦点深度およびレーザスポットの焦点ボリュームは、表面下成長の品質を適正に評価することができるようにするのを助けることができる。

この試験で採用される４つのＮ．Ａ．値の全てに関し、６つの測定スポットの線幅は、狭い広がりを維持した。この例示の実施形態で示されているように、ラマン線幅は、３．３ｃｍ^-1から３．８ｃｍ^-1までの範囲にある。かかる範囲は、境界部のところに任意の多結晶成長なしで２つのダイヤモンド基材相互間の完全な融合が得られていることを指示している。スケッチ風に見える断層線についての場合でさえ、ラマン線幅分析は依然として、単結晶ダイヤモンド格子を示している。

図３は、本発明の一実施形態に従って成長前におけるアレイ状フォーメーションに配置された多数の単結晶ダイヤモンド基材を示している（例示であることを意味するものであって本発明を限定するものではない）。ダイヤモンド基材のアレイ３００がこれらを１つの大面積単結晶ダイヤモンド（例えば、図１の成長ダイヤモンド１１０に類似している）に成長させる前における仕方で組み立てられている。

図３の実施形態に示されているように、ダイヤモンド基材のアレイ３００は、６つのダイヤモンド基材３１０Ａ～３１０Ｆを含む。一実施形態では、これらダイヤモンド基材３１０Ａ～３１０Ｆをダイヤモンドプレートまたは固有の形を持つダイヤモンド基材とも言う場合がある。ダイヤモンド基材３１０Ａ～３１０Ｆは、アレイ状フォーメーションの状態に配列されている。図３の実施形態に示されているように、ダイヤモンド基材３１０Ａ～３１０Ｆは、２×３アレイ状フォーメーションの状態に配列されている。

注目されるべきこととして、ダイヤモンド基材のアレイは、アレイ状フォーメーションの状態に配列された任意の数のダイヤモンド基材を有するのが良く、これは、図３に示されているような単に６つのダイヤモンド基材には限定されない。例えば、ダイヤモンド基材の別のアレイ（図示せず）は、４つのダイヤモンド基材（図１の成長ダイヤモンド１１０を成長させる数および構成において類似している）を含むことができる。別の実施形態では、ダイヤモンド基材の別のアレイ（図示せず）は、１０個のダイヤモンド基材を含むことができる。

ダイヤモンド基材３００は、その全長（寸法Ｘで示されている）および全幅（寸法Ｙで示されている）によって画定されるのが良い。例示の一実施形態では、寸法Ｘ，Ｙは、それぞれ、１５ｍｍおよび１０ｍｍであるのが良い。かかる実施形態では、これらダイヤモンド基材３１０Ａ～３１０Ｆの各々は、約５ｍｍ×５ｍｍの寸法を有するのが良い。ダイヤモンド基材のアレイ３００の厚さは、ダイヤモンド基材３１０Ａ～３１０Ｆの厚さによって定められる。例示の一実施形態では、ダイヤモンド基材３１０Ａ～３１０Ｆの厚さは、約１ｍｍである。他の例示の実施形態では、ダイヤモンド基材（図示せず）の厚さは、５μｍ、１０μｍまたは１５μｍであるのが良い。

これらダイヤモンド基材３１０Ａ～３１０Ｆは、一実施形態では成長させることができた単結晶ダイヤモンドであるのが良い。例えば、一実施形態では、高圧高温（ＨＰＨＴ）プロセスを用いてこれらダイヤモンド基材３１０Ａ～３１０Ｆを成長させても良い。別の実施形態では、化学気相成長（ＣＶＤ）プロセスを用いてこれらダイヤモンド基材３１０Ａ～３１０Ｆを成長させても良い。変形例として、これらダイヤモンド基材３１０Ａ～３１０Ｆを大地から採掘したダイヤモンドから得ても良い。これらダイヤモンド基材３１０Ａ～３１０Ｆは、欠陥、例えば、点欠陥、拡張欠陥、亀裂および／または不純物が少なくまたはゼロであるのが良い。これらダイヤモンド基材３１０Ａ～３１０Ｆの各々のそれ以上の細部が図５の一部として提供される。

図４は、本発明の一実施形態に係るダイヤモンド基材の一次元アレイを示している（例示であることを意味するものであって本発明を限定するものではない）。ダイヤモンド基材の一次元アレイは、一実施形態では、図３のアレイ状ダイヤモンド基材３００内のダイヤモンド基材の一次元アレイに類似しているのが良い。

しかしながら、図４のダイヤモンド基材は、図３のダイヤモンド基材３１０Ａ～３１０Ｆと比較して異なる数の側面を有している。例えば、図３のダイヤモンド基材３１０Ａ～３１０Ｆは、８個の側面を有し、図４のダイヤモンド基材は、６つの側面を有しているに過ぎない。一実施形態では、ダイヤモンド基材に関する側面の数は、特に造形された成長ダイヤモンドを得るために注意深く選択される。例えば、大面積成長ダイヤモンドを得るためには、８つの側面（すなわち、ダイヤモンド基材３１０Ａ～３１０Ｆに類似している）を有しかつ図３に示されているような仕方で配列されたダイヤモンド基材を用いることが必要不可欠である。変形例として、幅が狭くかつ長いプレート状成長ダイヤモンドの場合、６つの側面しか有しておらずかつ図４に示されているように配列されたダイヤモンド基材を用いることが必要不可欠である。

図４の実施形態は、｛１００｝の結晶面を有する少なくとも１つの表面を示している。これら表面をダイヤモンドの主要面とも言う場合がある。図４では、これら表面は、Ａで指示されている。一実施形態では、主要面のうちの一方は、基材ホルダに向いているのが良く、他方の主要面は、成長が行われるようにするために露出されるのが良い。

図４の実施形態もまた、｛１００｝および｛１１０｝の結晶面を有する隣り合う側面を示している。図４の実施形態に示されているように、互いに結合されている互いに異なるダイヤモンド基材の接触側面は、｛１００｝の結晶方位を有するのが良い。ダイヤモンド基材のこれら接触側面は、図４の実施形態では、Ｃで指示されている。変形実施形態では、Ｃで指示されているこれら接触側面は、他の結晶方位（例えば、｛１１０｝，｛１１３｝および｛１１１｝）をさらに有しても良い。

例示の一実施形態では、側面の結晶方位は、３°以下の角度を有するのが良い。別の例示の実施形態では、主要面の結晶方位は、２°以下または１°以下の角度を有するのが良い。

さらに、図４の実施形態に開示されているダイヤモンド基材上の｛１１０｝の側面は、｛１００｝の結晶方位を有する側面に隣接して位置している。これら非接触側面は、図４の実施形態では、Ｂで指示されている。変形実施形態では、Ｂとして指示されているこれら非接触側面は、他の結晶方位（例えば、｛１１３｝および｛１１１｝）をさらに有しても良い。

さらに、２つの主要面（表面Ａ／頂面）に関する結晶方位の軸外角度は、３°を超えてはならず、側面に関する結晶方位の軸外角度は、５°を超えてはならない。

また、ダイヤモンド基材の表面粗さ（Ｒａ）もまた、５ｎｍを超えてはならないことが注目されるべきである。

図５は、本発明の一実施形態に係る単結晶ダイヤモンド基材を示している（例示であることを意味するものであって本発明を限定するものではない）。単結晶ダイヤモンド基材は、図４の一次元アレイまたは図３のマルチアレイの一部として形成されるダイヤモンド基材のうちの１つに類似しているのが良い。単結晶ダイヤモンド基材は、単結晶高圧高温（ＨＰＨＴ）基材であるのが良い。単結晶ダイヤモンド基材は、ＣＶＤ成長基材であるのが良い。

１つの成長させたまたは採掘したダイヤモンドをレーザ切断して研磨した後に単結晶ダイヤモンド基材を得ることができる。図５に示されているように、主要面（すなわち、頂面および底面）は、｛１００｝の結晶方位を有するのが良い。図４の実施形態で説明したように、主要面のうちの一方をＣＶＤチャンバの基材ホルダ上に配置するのが良く、別の主要面は、成長プロセスを受ける。

さらに、図３および図４と同様、成長前に単結晶ダイヤモンド基材のために互いに触れあう接触側面は、｛１００｝，｛１１０｝，｛１１３｝または｛１１１｝の結晶方位を有するのが良い。成長前に互いに触れあわないダイヤモンド基材の非接触側面は、｛１００｝，｛１１０｝，｛１１３｝または｛１１１｝の結晶方位を有するのが良い。

図６は、本発明の一実施形態に従って互いに隣接して配置された２つのダイヤモンド基材の水平面に沿う側方成長方向を示している（例示であることを意味するものであって本発明を限定するものではない）。単結晶ダイヤモンド基材６１０，６２０は、図５の単結晶ダイヤモンド基材と類似しているのが良い。図６に示されている側方成長方向は、頂面からの上方成長方向に加えて示されている。

一実施形態では、側方成長方向は、側面の結晶方位で決まる。図６に基づき、｛１００｝の結晶方位を有する側面の側方成長方向は、その側面に垂直である。さらに、｛１１０｝の結晶方位を有する側面の側方成長方向は、その側面に平行である。さらに、｛１１１｝または｛１１３｝の例示の結晶面を有する側面の側方成長方向は、｛１００｝または｛１１０｝の結晶方位について示されている方向とは異なっているのが良い。

さらに図６を参照すると、破線は、大単結晶ダイヤモンドを形成するよう収斂するためにある期間にわたる成長の進捗状況を示している。一実施形態では、２つのダイヤモンド基材相互間の物理的境界線（形成されるのが良い図１に示されている応力パターン線からのコントラスト）は、最早存在していないのが良い。大単結晶ダイヤモンドは、一実施形態では、図１の成長ダイヤモンド１００に類似しているのが良い。

一実施形態では、ダイヤモンド基材は、隣り合うダイヤモンド基材相互間の隙間が少なくとも目視検査に基づいて無視できるようダイヤモンド基材を傾斜させることによって複数形態に配列される。さらに、２つのダイヤモンド基材相互間の厚さの差は、２０μｍ未満である。変形例として、２つのダイヤモンド基材相互間の厚さの差は、１５μｍ未満、１０μｍ未満または５μｍ未満であるのが良い。

エピタキシャルダイヤモンド成長は、ＣＶＤ成長技術を用いて全ての表面（主要面および側面）に沿って起こる。一実施形態では、ＣＶＤ成長技術としては、マイクロ波プラズマＣＶＤ（ＭＰＣＶＤ）、プラズマ促進ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）、ホットフィラメントＣＶＤ（ＨＦＣＶＤ）、ＤＣアークジェットＣＶＤ、高周波ＣＶＤ（ＲＦＣＶＤ）などが挙げられる。

理解されるべきこととして、隣り合うダイヤモンド基材の境界部に沿う成長は、エピタキシーおよび成長高さに不一致が存在する場合には大きな応力を受けることになる。したがって、ダイヤモンド基材は、高さが互いに一致しかつダイヤモンド基材相互間の隙間が無視できるほどであるとき、非エピタキシャル成長を基材境界部に沿って著しく抑制することができ、かくして応力を著しく減少させることができる。

図７Ａおよび図７Ｂは、本発明の一実施形態にかかる｛１１１｝および｛１１３｝の結晶方位を有する大きな基材を示している。

図７Ａは、｛１１３｝の結晶方位を有するダイヤモンド基材を示している。図７Ｂは、｛１１１｝の結晶方位を有するダイヤモンド基材を示している。図７Ａおよび図７Ｂの両方のダイヤモンドを図１の成長ダイヤモンド１００に類似した大きなダイヤモンドから得ることができる。図７Ａおよび図７Ｂに示されているように、面積が１０×５．７ｍｍ²および１０×１０．８６ｍｍ²の寸法を有する相当大きな｛１１１｝および｛１１３｝ダイヤモンド基材は、結晶方位｛１００｝の主要面および結晶方位｛１１０｝の４つの側面を有する１０×１０×５ｍｍ³成長ダイヤモンドからレーザにより切り分けられたものである。

図８は、本発明の一実施形態に係る大きなプレート状単結晶ダイヤモンドを製造する方法の流れ図を示している（例示であることを意味するものであって本発明を限定するものではない）。一実施形態では、大きなプレート状単結晶ダイヤモンドは、図１、図２、図７Ａまたは図７Ｂのダイヤモンドに類似しているのが良い。

ステップ８１０では、第１および第２の中間ＣＶＤダイヤモンド基材を用意する。中間ＣＶＤダイヤモンド基材は、図３、図４および図５に記載されているダイヤモンド基材に類似しているのが良い。これら第１および第２の中間ＣＶＤダイヤモンド基材の各々は、互いに異なる結晶方位の少なくとも２つの隣り合う側部を有する。中間ＣＶＤダイヤモンド基材の側面のうちの一方は、｛１００｝／｛１１０｝／｛１１３｝／｛１１１｝の結晶方位を有し、他方の側面は、これとは異なっており、｛１１０｝／｛１１３｝／｛１１１｝から選択されている。例示の一実施形態では、側面のうちの一方は、｛１００｝の結晶方位を有し、これに隣接した側面は、｛１１０｝の結晶方位を有している。

ステップ８２０では、第１および第２の中間ＣＶＤダイヤモンド基材をダイヤモンド成長チャンバ内に互いに隣接して配置する。一実施形態では、配置状態は、図３、図４または図６に類似しているのが良い。理解されるべきこととして、成長チャンバは、単結晶ＣＶＤダイヤモンドを成長させるために用いられる成長チャンバに類似しているのが良い。

ステップ８３０では、第１の中間ＣＶＤダイヤモンド基材と第２の中間ＣＶＤダイヤモンド基材を互いに隣接して配置し、結晶成長プロセスを用いて単一のＣＶＤダイヤモンドを形成する。一実施形態では、隣接／成長は、図６に類似して起こる。

一実施形態では、一様な品質を有する大面積単結晶ダイヤモンドは、種々の用途に望ましい。例えば、以下が挙げられる。
・機械的用途、例えば研磨雰囲気、切削、および摩耗用途における観察窓。
・光学用途、例えばエタロン、レーザ窓、光学レフレクタ、回折光学素子、アンビルなど。
・電子用途、例えば検出器、ヒートスプレッダ（heat spreader ）、発電所における大電力スイッチ、高周波電界効果トランジスタ、および発光ダイオードなど。
・マイクロ波用途、例えばウィンドウ‐ジャイロトロン（window-gyrotron）、マイクロ波コンポーネント、アンテナ。
・音響用途、例えば表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタ。
・審美的用途、例えば宝石用原石。
・および他の多くの用途。

Claims (21)

1. 単結晶ダイヤモンドを製造する方法であって、
   （ｉ）２つまたは３つ以上の単結晶ダイヤモンド基材をダイヤモンド成長チャンバ内に互いに隣接して用意するステップを含み、各単結晶ダイヤモンド基材は、少なくとも、頂面、側面および前記側面に隣接した別の側面を有し、前記側面および前記別の側面の結晶方位を表わす３つの整数のうちの１つだけが異なり、前記各単結晶ダイヤモンド基材の前記側面の結晶方位は互いに等しく、
   （ｉｉ）前記同一の結晶方位の側面が互いに接触状態にありかつ前記別の側面が互いに接触状態にはないが、互いに直接隣接し、しかも前記２つまたは３つ以上の単結晶ダイヤモンド基材の収斂成長を助けるような仕方で前記単結晶ダイヤモンド基材を配置するステップを含み、
   （ｉｉｉ）ダイヤモンド成長プロセスを用いて前記単結晶ダイヤモンド基材のダイヤモンド成長を可能にするステップを含む、方法。
2. 前記単結晶ダイヤモンド基材の各々は、｛１００｝結晶方位を備えた前記頂面を有しかつ成長面として機能する、請求項１記載の方法。
3. 前記単結晶ダイヤモンド基材の各々は、少なくとも０．１ｍｍの厚さを有する、請求項２記載の方法。
4. 前記単結晶ダイヤモンド基材相互間の前記厚さのばらつきは、１５μｍ未満である、請求項３記載の方法。
5. 前記単結晶ダイヤモンド基材の各々は、５ｎｍ以下の表面粗さ（Ｒａ）を有する、請求項１～４のうちいずれか一に記載の方法。
6. 前記ダイヤモンド成長プロセスは、化学気相成長（ＣＶＤ）ダイヤモンド成長プロセスである、請求項１～５のうちいずれか一に記載の方法。
7. 接触状態にある前記側面は、｛１００｝，｛１１０｝，｛１１３｝または｛１１１｝のうちの任意の１つの結晶方位を有する、請求項１～６のうちいずれか一に記載の方法。
8. 接触状態にはない前記別の側面が｛１００｝，｛１１０｝，｛１１３｝または｛１１１｝のうちの任意の１つの結晶方位を有する、請求項１～７のうちいずれか一に記載の方法。
9. 結晶方位の軸外角度は、５°以下である、請求項７または８記載の方法。
10. 前記ダイヤモンドの側方成長は、接触状態にある前記側面を融合させる、請求項１～９のうちいずれか一に記載の方法。
11. 接触状態にある前記側面の融合は、融合インターフェースを包囲した応力ゾーンを作り、前記融合インターフェース内の応力は、前記単結晶ダイヤモンド基材の前記頂面上に成長させた単結晶ダイヤモンド内の応力と同じほど低い、請求項１０記載の方法。
12. 前記応力ゾーン内の応力は、前記単結晶ダイヤモンドの任意の既知の成長後加工を可能にするほど低い、請求項１１記載の方法。
13. 前記頂面に関する前記結晶方位の軸外角度は、３°以下である、請求項１～１２のうちいずれか一に記載の方法。
14. 請求項１～１３のうちいずれか一に記載の前記方法を用いて成長させた単結晶ダイヤモンド。
15. ６ミリメートル（ｍｍ）を超える少なくとも１つのエッジを備えた表面をさらに有し、前記表面は、６ｍｍを超える前記表面の前記エッジに垂直に延びる少なくとも１つの応力ゾーンを備えている、請求項１４記載の単結晶ダイヤモンド。
16. 側面の形態をした１つまたは２つ以上の追加の表面をさらに有し、前記表面のところの応力の測定値は、前記追加の表面に加わる測定値よりも小さい、請求項１５記載の単結晶ダイヤモンド。
17. 前記応力は、前記単結晶ダイヤモンドの他の領域と比較したときに前記応力ゾーンの周りにおいて大きい、請求項１５記載の単結晶ダイヤモンド。
18. 前記表面および前記追加の表面は、｛１００｝の結晶方位を有する、請求項１６記載の単結晶ダイヤモンド。
19. 前記ダイヤモンドは、少なくとも０．１ｍｍの厚さを有する、請求項１６記載の単結晶ダイヤモンド。
20. 前記応力ゾーン内の応力は、前記単結晶ダイヤモンドに対する機械的研磨を可能にするほど低い、請求項１５記載の単結晶ダイヤモンド。
21. ラマン分析法を用いて測定したときの前記応力ゾーン内の応力は、３．３ｃｍ^-1から３．８ｃｍ^-1までの範囲にあるラマン線幅を生じさせる、請求項１５記載の単結晶ダイヤモンド。

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