JPH0687691A - ダイヤモンドの製造方法およびダイヤモンドの製造方法に使用するダイヤモンド単結晶基材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 気相合成によるエピタキシャル成長を長時間
維持し、均質かつ大型のダイヤモンド単結晶の製造方法
を提供する。 【構成】 ダイヤモンドを気相から成長されるダイヤモ
ンドの製造方法であって、実質的に（００１）面からな
る結晶成長面と、実質的に（１１０）面からなる第１の
側面と、実質的に（１^-1１０）面からなる第２の側面
と、実質的に（１１ ^-1０）面からなる第３の側面と、実
質的に（１^-1１^-1０）面からなる第４の側面とからなる
ダイヤモンド単結晶基材、または、この関係と等価な配
置を有するダイヤモンド単結晶基材を準備する工程と、
ダイヤモンド単結晶基材上に気相合成法によるダイヤモ
ンドをエピタキシャル成長させる工程とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ダイヤモンドの製造方
法およびこれに用いるダイヤモンド単結晶基材に関し、
特に切削工具、耐摩耗工具、精密工具、半導体材料、電
子部品、光学部品などに用いられる大型の単結晶、もし
くはそれに準じる微小角粒界のみを含む単体ダイヤモン
ドの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドは、高硬度、高熱伝導率、
透明度などの数多くの優れた性質を有することから、各
種工具、光学部品、半導体、電子部品の材料として幅広
く用いられており、今後さらに重要性が増すものと考え
られる。

【０００３】ダイヤモンドは、過去には天然に産出する
ものが工業用途に使用されたが、現在では、人工合成さ
れたものが中心であり、現在工業的には、ダイヤモンド
を安定とする数万気圧以上の圧力下で合成されているも
のが中心である。しかしながら、このような圧力を発生
する超高圧容器は非常に高価であり、しかも内容積を大
きくできず、また不純物などの制御も困難である。

【０００４】上記した高圧法に代わる新しいダイヤモン
ド合成法としては、気相合成法が挙げられる。この方法
によると、比較的大面積のものが人工的に製造できる
が、気相合成法によるダイヤモンドは多結晶膜であり、
単結晶を得るのは困難である。

【０００５】他方、ダイヤモンドを、特に平滑な面を必
要とする超精密工具や、光学部品や、半導体などに用い
る場合は、結晶方位が均一な単結晶ダイヤモンドを用い
ることが必要であった。そこで、従来から気相合成法に
より単結晶を製造する方法が検討されている。

【０００６】その方法の１つは、ヘテロエピタキシャル
成長である。すなわち、異種単結晶基板上に高圧相物質
を気相合成法によりエピタキシャル成長させることによ
り、大面積の単結晶を得ようというものである。たとえ
ば、ダイヤモンドがヘテロエピタキシャル成長する基板
としては、これまで、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）の
（１１１）面や、ニッケル（Ｎｉ）の（１１１）面や、
ニッケル（Ｎｉ）の（００１）面などが報告されてい
る。しかしながら、ニッケル（Ｎｉ）基板上のダイヤモ
ンドの成長については、ダイヤモンドの方位は揃うもの
のダイヤモンドの連続膜が得られておらず、立方晶窒化
ホウ素（ｃＢＮ）基板については、大面積の単結晶立方
晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）基板を得ること自体が、ダイヤ
モンド単結晶を得る以上に困難である。

【０００７】そこで、比較的単純なホモエピタキシャル
成長に基づく技術が期待されている。

【０００８】そのような技術として、たとえば、高圧合
成法により製造される比較的大きなダイヤモンド単結晶
を気相合成法により大きくする方法や、たとえば、特開
平３−７５２９８号公報に記載される高圧合成法により
製造されるｍｍオーダーのダイヤモンド単結晶を方位を
略同一面にして平面上に並べ、該ダイヤモンド単結晶上
に気相合成法によりダイヤモンド単結晶層を形成する方
法や、また、たとえば、M. W. Geis and H. I. Smith :
Spring Meeting of Electrochemical Soc., Washingto
n DC 1990, Proceeding of International Symposium o
n Diamond Materials., p.605 〜p.607 には、砥粒とし
て用いられるような数１０〜１００μｍ程度の粒子を、
選択的にエッチングしたＳｉ基板上に並べ、その上に気
相合成法によるダイヤモンド単結晶層を形成する方法等
が知られている。

【０００９】こうした方法では、気相合成するダイヤモ
ンドを、単結晶基板等に対しエピタキシャル成長に維持
することができれば、単結晶ではないが、粒界が微小角
粒界のみからなる大面積のダイヤモンド膜を得ることが
できる。

【００１０】しかしながら、従来のこうした方法では、
ダイヤモンド膜の膜厚が厚くなるにつれて、完全なエピ
タキシャル成長ではなくなってくるという問題があっ
た。すなわち、ダイヤモンド膜の膜厚が厚くなるにつれ
て、単結晶基板と、ダイヤモンドの結晶成長方向の方位
のずれが生じてくるからである。この原因としては、二
次的な核形成や、双晶の生成等が考えられる。ダイヤモ
ンドのホモエピタキシャル成長において、平坦な表面モ
ホロジーを与えるとされるのは（００１）面での成長で
あるが（H. Shiomi : Japanese Journal Applied Physi
cs 28 (1990)， p.34 〜p.40参照）、この上にダイヤモ
ンド膜を厚くホモエピタキシャル成長させると、次第に
双晶などに起因する異常成長が支配的となってしまう。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
気相合成法によって、天然や人工のダイヤモンド単結晶
の基板を核としてダイヤモンド単結晶層を成長させる場
合には、天然や人工のダイヤモンド単結晶の大型のもの
を入手することは、現状では困難であり、大面積のダイ
ヤモンド単結晶を製造するのは困難である。また、異種
基板上での気相合成法によるダイヤモンド単結晶の成長
には、ダイヤモンドと基板との格子定数や熱膨張係数が
異なるために、歪が発生し、エピタキシャル欠陥の多い
単結晶しか得られないという問題がある。また、単数も
しくは複数のダイヤモンド基板から大型の単結晶ダイヤ
モンドもしくはそれに準ずるダイヤモンド単体を得る方
法においては、長時間ホモエピタキシャル成長を維持す
ることが困難である。

【００１２】本発明は、このような問題を解決するため
になされたものであって、気相合成法によるエピタキシ
ャル成長を長時間維持し、均質かつ大型のダイヤモンド
単結晶の製造方法およびこれに用いるダイヤモンド単結
晶基材を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明について説明する
前に、本明細書で用いる指数について説明する。本明細
書で用いる結晶中の特定な面や方向を表わす指数は、ミ
ラー指数を表わしている。本明細書で用いる結晶中の特
定な面や方向を表わす指数と、ミラー指数との関係を表
１に例示する。

【００１４】

【表１】

【００１５】本発明者らは、長年、ダイヤモンドの結晶
の気相合成について鋭意研究を行なった結果、ダイヤモ
ンドを気相から成長させる際、ダイヤモンドを成長させ
る結晶成長面を実質的に（００１）面として、該結晶成
長面の側面を、実質的に（１１０）面からなる第１の側
面と、実質的に（１^-1１０）面からなる第２の側面と、
実質的に（１１^-1０）面からなる第３の側面と、実質的
に（１^-1１^-1０）面からなる第４の側面を有するダイヤ
モンド単結晶基材上にダイヤモンドを気相から成長させ
ると、気相合成されるダイヤモンドの多結晶化の抑制効
果が最も大きいことを見出し、本願発明を完成するに至
った。

【００１６】第１の発明に従うダイヤモンドの製造方法
は、ダイヤモンドを気相から成長させるダイヤモンドの
製造方法であって、実質的に（００１）面からなる結晶
成長面と、実質的に（１１０）面からなる第１の側面
と、実質的に（１^-1１０）面からなる第２の側面と、実
質的に（１１^-1０）からなる第３の側面と、実質的に
（１^-1１^-1０）面からなる第４の側面とからなるダイヤ
モンド単結晶基材、または、この関係と等価な配置を有
するダイヤモンド単結晶基材を準備する工程と、ダイヤ
モンド単結晶基材上に気相合成法によりダイヤモンドを
エピタキシャル成長させる工程とを備える。

【００１７】第２の発明に従うダイヤモンドの製造方法
は、ダイヤモンドを気相から成長させるダイヤモンドの
製造方法であって、実質的に（００１）面からなる結晶
成長面と、実質的に（１１０）面からなる第１の側面
と、実質的に（１^-1１０）面からなる第２の側面と、実
質的に（１１^-1０）面からなる第３の側面と、実質的に
（１^-1１^-1０）面からなる第４の側面とからなるダイヤ
モンド単結晶基材、または、この関係と等価な配置を有
するダイヤモンド単結晶基材を複数用い、複数のダイヤ
モンド単結晶基材のそれぞれの結晶成長面が略同一平面
上にあるように、かつ、結晶成長面を略同一方向に向か
せて、気相成長の核となる基板を形成する工程と、上記
基板上に気相合成法によりダイヤモンドをエピタキシャ
ル成長させる工程とを備える。

【００１８】また、本発明に従うダイヤモンド単結晶基
材は、ダイヤモンドの気相成長に使用するダイヤモンド
単結晶基材であって、実質的に（００１）面からなる結
晶成長面と、実質的に（１１０）面からなる第１の側面
と、実質的に（１^-1１０）面からなる第２の側面と、実
質的に（１１^-1０）面からなる第３の側面と、実質的に
（１^-1１^-1０）面からなる第４の側面とからなるダイヤ
モンド単結晶基材、または、この関係と等価な配置を有
するダイヤモンド単結晶基材である。

【００１９】本発明に従うダイヤモンド単結晶基材のダ
イヤモンドを成長させる実質的に｛００１｝面からなる
結晶成長面としては、｛００１｝面ないし｛００１｝面
からな１０°以内の面であることが好ましい。ダイヤモ
ンドを成長させる結晶成長面が、｛００１｝面ないし
｛００１｝面から１０°以内の面であれば、該結晶面
に、気相合成法によりダイヤモンドが良好にエピタキシ
ャル成長するが、｛００１｝面から１０°以上の面を用
いると、ダイヤモンド薄膜の膜厚が厚くなるにつれて、
二次的な核形成や、双晶の生成等を生じる。

【００２０】本発明に従うダイヤモンド単結晶基材の第
１の側面、第２の側面、第３の側面、第４の側面は、そ
れぞれ、本発明に従うダイヤモンド単結晶基材の実質的
に｛００１｝面からなる結晶成長面上に成長するダイヤ
モンドの成長方向である＜００１＞方向から投影したと
きの輪郭の５０％以上ないし全部がそれぞれ＜１１０＞
方向に平行な側面であることが好ましく、より好ましく
は、８０％以上ないし全部がそれぞれ＜１１０＞方向に
平行な側面である。この関係を、説明を容易とするた
め、たとえば、本発明に従うダイヤモンドの単結晶基材
の第１の側面として実質的に（１１０）面からなる第１
の側面を例にとって説明すると、実質的に（１１０）面
からなる第１の側面は、実質的に（００１）面からなる
結晶成長面上に成長するダイヤモンドの成長方向である
［００１］方向から投影したときの輪郭の５０％以上な
いし全部が［１^-1１０］方向、または、［１１^-1０］方
向に平行な側面であることが好ましく、より好ましく
は、８０％以上ないし全部が［１^-1１０］方向、また
は、［１１^-1０］方向に平行な側面である。なお、第２
の側面、第３の側面、および、第４の側面のそれぞれ
は、第１の側面と等価な配置を有していればよいので、
その説明については省略する。

【００２１】本発明に従うダイヤモンド単結晶基材の第
１の側面、第２の側面、第３の側面、第４の側面は、そ
れぞれ、実質的に｛００１｝面からなる結晶成長面上に
成長するダイヤモンドの成長方向である＜００１＞方向
から投影したときの輪郭の５０％以上がそれぞれ＜１１
０＞方向に平行な側面であれば、実質的に｛００１｝面
からなる結晶成長面上に形成するダイヤモンド層の多結
晶化が抑制されるが、５０％以下では、該結晶成長面上
に形成するダイヤモンドの多結晶化が起こりやすい。

【００２２】また、本発明に従うダイヤモンド単結晶基
材の第１の側面、第２の側面、第３の側面、および第４
の側面のそれぞれとして、＜１１０＞方向に実質的に平
行である側面は、それぞれ＜１１０＞方向な平行ないし
＜１１０＞方向から１０°以内の側面であることが好ま
しい。

【００２３】また、本発明に従うダイヤモンド単結晶基
材の第１の側面、第２の側面、第３の側面、第４の側面
のそれぞれは、実質的に｛００１｝面からなる結晶成長
面と実質的に直交していればよい。本発明に従うダイヤ
モンド単結晶基材の第１の側面、第２の側面、第３の側
面、第４の側面のそれぞれは、実質的｛００１｝面から
なる結晶成長面から６０°以上、１２０°以下の側面で
あることが好ましい。上記した範囲内では、実質的に
｛００１｝面からなる結晶成長面上に形成するダイヤモ
ンドの多結晶化が抑制されるが、上記範囲外の角度を有
する側面を用いると、実質的に｛００１｝面からなる結
晶成長面上に形成するダイヤモンドの多結晶化が起こり
やすくなるからである。

【００２４】

【作用】従来、ダイヤモンドをダイヤモンド単結晶基
材、または、複数のダイヤモンド単結晶基材を用いて、
気相成長の核となる基板上に、ダイヤモンドを気相合成
法により厚くホモエピタキシャル成長させると、上記し
たように、ダイヤモンドの膜厚が厚くなるにつれて、完
全なエピタキシャル成長ではなくなってくる。本発明者
らは、この原因を追求した結果、従来、ダイヤモンドの
製造方法に使用するダイヤモンド単結晶基材では、ダイ
ヤモンドを成長させる結晶成長面として｛００１｝面を
用い、｛００１｝面上にダイヤモンドを気相合成により
エピタキシャル成長させた場合、ダイヤモンドの膜厚が
厚くなるにつれて、エピタキシャル成長から、双晶など
に起因する異常成長によるダイヤモンドの多結晶化がダ
イヤモンド単結晶基材の結晶成長面上で均等に発生する
のではなく、主に周辺部分に発生して、その後、結晶成
長面の内部にまで進行していくことを見出した。

【００２５】従来のダイヤモンド単結晶基材では、ダイ
ヤモンドの結晶成長面のみが問題とされ、該結晶成長面
の側面については考慮されていなかった。したがって、
たとえば、ダイヤモンドの結晶成長面を（００１）面と
した場合、側面に（１００）面、（０１０）面、（１^-1
００）面、または、（０１^-1０）面を有する場合があ
る。

【００２６】図１１は、従来のダイヤモンド単結晶基材
の一部を概略的に示す断面図である。図１１を参照し
て、このダイヤモンド単結晶基材６０は、気相合成する
ダイヤモンドの結晶成長面６２が、（００１）面であ
り、該結晶成長面６２の側面６３が（０１０）面で形成
されている。

【００２７】このようなダイヤモンド単結晶基材６０で
は、ダイヤモンドの成長方向である［００１］方向と、
側面６３の法線方向［０１０］方向の間に、［０１１］
方向が存在する。＜０１１＞方向に直交する面｛０１
１｝面に対するダイヤモンドの成長速度は、｛００１｝
面の成長速度の２の平方根（２^1/2 ）倍よりも大きい。
気相合成によるダイヤモンドは、反応条件等にもよる
が、｛０１１｝面で｛００１｝面より成長しやすいため
である。この結果、ダイヤモンド単結晶基材６０を用い
て、ダイヤモンドをダイヤモンド単結晶基材６０の結晶
成長面６２上に気相合成すると、ダイヤモンド単結晶基
材６０の周辺部６４に凸状のダイヤモンド層が形成され
る。

【００２８】図１２は、従来のダイヤモンド単結晶基材
６０の周辺部６４に凸状のダイヤモンド層６５が形成さ
れた状態を概略的に示す断面図である。図１２を参照し
て、このように周辺部６４に凸状のダイヤモンド層６５
が形成されると、凸状部のダイヤモンド層６５の部分の
温度、ラジカル供給等の成長条件が、大きく変化し、そ
の結果、ダイヤモンドの多結晶化が進行する。

【００２９】なお、ダイヤモンドの結晶成長面を（００
１）面とし、該結晶成長面の側面として、（１００）
面、（１^-1００）面、または（０１^-1０）面を用いた場
合についても同様であるので、その説明については省略
する。

【００３０】なお、説明を容易とするため、気相合成に
より形成するダイヤモンドの結晶成長面を（００１）面
とし、該結晶成長面の側面として側面として、（０１
０）面を用いた場合について説明したが、この関係と等
価な配置を有すれば、結晶成長面の周辺部に凸状のダイ
ヤモンド層が形成される。

【００３１】一方、図１は、本発明に従うダイヤモンド
単結晶基材の一部を概略的に示す断面図である。

【００３２】図１を参照して、このダイヤモンド単結晶
基材１は、気相合成により形成するダイヤモンドの結晶
成長面２が、実質的な（００１）面からなり、該結晶成
長面２の側面３が、実質的に（１１０）面からなる。

【００３３】このようなダイヤモンド単結晶基材では、
ダイヤモンドの成長方向である［００１］方向と、側面
３の法線方向［１１０］方向の間に［１１１］方向が存
在する。［１１１］方向に垂直な（１１１）面に対する
ダイヤモンドの成長速度は、（００１）面の成長速度よ
りも速いが、（１１１）面に成長するダイヤモンドは、
［１１１］方向に限られないと考えられる。

【００３４】この結果、ダイヤモンド単結晶基材１を用
いて、ダイヤモンドを結晶成長面２上に気相合成して
も、ダイヤモンド単結晶基材１の周辺部４には凸状のダ
イヤモンド層が形成されない。

【００３５】図２は、本発明に従うダイヤモンド単結晶
基材１上のダイヤモンド層５が形成された状態を概略的
に示す断面図である。図２より明らかなように、たとえ
ば、気相合成により形成するダイヤモンドの結晶成長面
が実質的に（００１）面からなり、該成長面の側面３と
して、実質的に（１１０）面からなる側面を用いると、
ダイヤモンド単結晶基材１の周辺部に凸状のダイヤモン
ド層は形成されず、周辺部４でのダイヤモンドの単結晶
化は抑制される。なお、ダイヤモンドの結晶成長面を実
質的に（００１）面からなる結晶成長面とし、該結晶成
長面の側面として、実質的に（１^-1１０）面からなる側
面を用いた場合や、実質的に（１１^-1０）面からなる側
面を用いた場合や、実質的に（１^-1１^-1０）面からなる
側面を用いた場合についても同様であるので、その説明
については省略する。

【００３６】なお、説明を容易とするため、気相合成に
より形成するダイヤモンドの結晶成長面を実質的に（０
０１）面からなる結晶成長面とし、該結晶成長面の側面
として、実質的に（１１０）からなる側面と、実質的に
（１^-1１０）面からなる側面と、実質的に（１１^-1０）
面からなる側面と、実質的に（１^-1１^-1０）面からなる
側面について説明したが、本発明に従う単結晶基材は、
この関係と等価な配置を有するダイヤモンド単結晶基材
であれば同様の効果を奏する。

【００３７】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。

【００３８】実施例１ 図３は、本発明の実施例において使用するダイヤモンド
単結晶の結晶面の表示を説明するための斜視図である。

【００３９】図３を参照して、実施例１においては、超
高圧法により人工合成された１ｂ型ダイヤモンドの単結
晶を（００１）面がダイヤモンドを成長させる結晶成長
面となり、（１１０）面、（１^-1１０）面、（１１
^-1０）面、（１^-1１^-1０）面が側面となるように、縦４
ｍｍ、横４ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのサイズにスライス、
カット、研摩したものを、ダイヤモンド単結晶基材とし
て用いた。

【００４０】このダイヤモンド単結晶基材上に、公知の
マイクロプラズマＣＶＤ法によって、水素（Ｈ₂ ）、メ
タン（ＣＨ₄ ）ガスの原料ガスを、メタン（ＣＨ₄ ）ガ
スの水素（Ｈ₂ ）に対するモル比が１．５％になるよう
に供給して、ガス圧力を６０Ｔｏｒｒ、基材温度を８０
℃でダイヤモンドの成長を２０００時間かけて行なっ
た。ダイヤモンドの成長を終えた基材を取出して観察し
たところ、２．１ｍｍの膜厚のダイヤモンドのエピタキ
シャル層が成長していた。

【００４１】また、ダイヤモンドの成長終了面の大きさ
は、縦８ｍｍ、横８ｍｍであった。実施例１において
は、ダイヤモンド単結晶基材上に成長したダイヤモンド
は多結晶化が起こっていなかった。

【００４２】なお、多結晶化が起こっているか否かの判
断は、Ｘ線回折法を用いて行なった。この判定は、電子
線回折を用いて行なうこともできる。

【００４３】比較例１ 比較例１として、超高圧法による人工合成された１ｂ型
ダイヤモンドの結晶を（００１）面がダイヤモンドを成
長させる結晶成長面となり、（１００）面、（１^-1０
０）面、（０１０）面、（０１^-1０）面が側面となるよ
うに、縦４ｍｍ、横４ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのサイズに
スライス、カット、研摩したものを、ダイヤモンド単結
晶基材として用いる以外は、実施例１と同様にして、こ
のダイヤモンド単結晶基材上にダイヤモンドの成長を行
なった。ダイヤモンドの成長を終えたダイヤモンド単結
晶基材を取出して観察したところ、ダイヤモンドの成長
層の厚さは、２．１ｍｍであったが、比較例１では、ダ
イヤモンド単結晶基材上に成長したダイヤモンドは、ダ
イヤモンド単結晶基材の周辺部からの多結晶化が成長面
内部にまで進行し、ダイヤモンドの結晶成長終了面の上
面は完全に多結晶化していた。

【００４４】実施例２ 実施例２においては、超高圧法により人工合成された１
ｂ型ダイヤモンドの単結晶を（００１）面からダイヤモ
ンドを成長させる結晶面となり、（１１０）面、（１^-1
１０）面、（１１^-1０）面、（１^-1１^-1０）が側面とな
るように、縦４ｍｍ、横４ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのサイ
ズにスライス、カット、研摩した基材を縦横各４列に計
１６個並べて、気相成長の核となる基板を形成した。１
６個の基材は、それぞれ、隣り合う単結晶のそれぞれの
結晶方位が相互になす角度が１．５°以内になるように
位置した。それぞれのダイヤモンド単結晶基材の結晶方
位同士のなす角度のばらつきは、図４に示すＸ線回折を
利用した測定法を用いた。

【００４５】図４を参照して、この測定法は、Ｘ線発生
装置１１と、Ｘ線検出器１２の位置を固定し、ダイヤモ
ンド単結晶基材１０のダイヤモンドを成長させる結晶成
長面が（００１）面の場合は、Ｘ線の（００４）回折線
１４が、Ｘ線検出器１２に入るように、試料台１５を平
行移動あるいは揺動回転させて調節する。この状態にお
けるダイヤモンド単結晶基材１０の法線方向は、図４に
示す直線ＭＮ方向として一義的に決定される。

【００４６】なお、図４において、ＭはＸ線の（００
１）面の入射点、θ₁ は、Ｘ線１６および（００４）回
折線１４と（００１）面とのなす角、Ｈ₁ およびＨ
₂ は、それぞれＭ点から等距離にあるＸ線１６上および
（００４）回折線１４上の、Ｎ点は、Ｘ線１６と（００
４）回折線１４とのなす平面内において、Ｈ₁ 点およ
び、Ｈ ₂ 点から引いた垂線の交点である。

【００４７】Ｘ線発生装置１１と、Ｘ検出器１２とが固
定されているため、試料台１５の揺動回転角を計測する
ことにより、ダイヤモンド単結晶基材１０の（００１）
面の法線方向のばらつきを検出することができる。この
測定方法による測定精度は０．１°程度である。

【００４８】このようにして形成した基板１３上に公知
のマイクロ波プラズマＣＶＤ法によって、水素
（Ｈ₂ ）、メタン（ＣＨ₄ ）ガスを、メタン（ＣＨ₄ ）
ガスの水素（Ｈ₂ ）に対するモル比が１．５％になるよ
うに供給して、ガス圧力を６０Ｔｏｒｒ、基板温度を８
７０℃でダイヤモンドの成長を２０００時間かけて行な
った。ダイヤモンドの成長を終えた基板１３を取出して
観察したところ、１６枚のダイヤモンド単結晶基材１０
からなる基板１３上に成長したダイヤモンドの結晶は、
すべて一体のダイヤモンド単結晶となっており、多結晶
化が起こっていなかった。なお、一体の単結晶になって
いるか否かの判断は、実施例１と同様、Ｘ線回折法を用
いて行なった。

【００４９】なお、形成されたダイヤモンドの成長層の
厚さは２．１ｍｍであり、ダイヤモンドの成長終了面の
大きさは、縦１８ｍｍ、横１８ｍｍであった。

【００５０】なお、このようにして得られたダイヤモン
ド単結晶層を本発明に従って、スライス、カット、研摩
しダイヤモンド単結晶基材を得、それを実施例２と同様
に略同一平面上に並べて、気相合成法によりダイヤモン
ドをエピタキシャル成長させることにより、さらに大き
な面積で、かつ結晶方位のばらつきの少ないダイヤモン
ド単結晶を得ることができる。

【００５１】図５は、本発明に従う位置としてのダイヤ
モンド単結晶基材２０をダイヤモンドの成長方向である
＜００１＞方向から投影したときの概略的な平面図を示
しており、図６は、ダイヤモンド単結晶基材２０を＜１
^-1１０＞方向に見た場合の正面図である。

【００５２】また、図７は、本発明に従う一実施例とし
てのダイヤモンド基材３０をダイヤモンドの成長方向で
ある＜００１＞方向から投影したときの概略的な平面図
を示しており、図８は、ダイヤモンド単結晶基材３０を
＜１^-1１０＞方向に見た場合の正面図である。

【００５３】図６、図８を参照して、本発明に従うダイ
ヤモンド基材の結晶成長面と、側面との関係について例
示的に詳しく説明する。

【００５４】本発明に従うダイヤモンド単結晶基材は、
気相合成により形成するダイヤモンドの結晶成長面を
（００１）面とすると、該結晶成長面の側面は、（１１
０）面、（１^-1１０）面、（１１^-1０）面、（１^-1１^-1
０）面であることが好ましい。したがって、結晶成長面
と側面のなす角度θ₂ は、９０°であることが好まし
い。

【００５５】しかしながら、ダイヤモンドの成長方向で
ある［００１］方向から投影したときの輪郭が、［１１
０］方向、［１^-1１０］方向、［１１^-1０］方向、［１
^-1１ ^-1０］方向に実質的平行であれば、ダイヤモンドを
成長させる結晶成長面と側面のなす角度θ₂ は、６０°
≦θ₂ ＜１２０°の側面であれば、ダイヤモンド単結晶
基材のダイヤモンドの結晶成長面である実質的に（００
１）面からなる結晶成長面上に、気相合成法によりダイ
ヤモンドをエピタキシャル成長させることができる。

【００５６】なお、実質的に（１００）面からなる結晶
成長面と、実質的に（０１１）面からなる第１の側面
と、実質的に（０１^-1１）面からなる第２の側面と、実
質的に（０１１^-1）面からなる第３の側面と、実質的に
（０１^-1１^-1）面からなる第４の側面とからなるダイヤ
モンド単結晶基材や、実質的に（０１０）面からなる結
晶成長面と、実質的に（１０１）面からなる第１の側面
と、実質的に（１^-1０１）面からなる第２の側面と、実
質的に（１０１^-1）面からなる第３の側面と、実質的に
（１^-1０１^-1）面からなる第４の側面とからなるダイヤ
モンド単結晶基材についても同様の効果を奏する。

【００５７】また、ダイヤモンドの結晶成長面と側面の
なす角度θ₂ が、それぞれ、上記した、６０°以上、１
２０°以下であれば、ダイヤモンド単結晶基材のダイヤ
モンドを成長させる結晶成長面と、結晶成長面の側面の
なす角度は、それぞれ同一であっても、また異なってい
てもよい。

【００５８】また、本発明に従うダイヤモンド単結晶基
材を複数用い、複数のダイヤモンド単結晶基材のそれぞ
れ結晶成長面が略同一平面上にあるように、かつ、結晶
成長面を略同一方向に向かせて、気相成長の核となる基
板を形成する際には、複数のダイヤモンド単結晶基材を
隣り合うダイヤモンド単結晶基材の結晶方位が相互にな
す角度が５°以内で、かつ、その間の欠陥が、１００μ
ｍ以内になるように配置するのが好ましい。

【００５９】その理由は以下のとおりである。図９は、
本発明に従うダイヤモンド単結晶基材のダイヤモンドを
成長させる結晶成長面の法線方向の基板の結晶方位がば
らついている場合の、結晶成長の様子を模式的に示す断
面図である。

【００６０】図９を参照して、隣り合う本発明に従うダ
イヤモンド単結晶基材４０の結晶方位間の角度のうち、
ダイヤモンドを成長させる結晶成長面の法線方向のなす
角度αが５°以内であれば、隣り同士の成長層が合体し
た直後には、明瞭な粒界が観察されるが、成長層の上部
に至ると、粒界は観察されず、ほぼ均質のダイヤモンド
単結晶層４１が成長する。

【００６１】なお、角度αが５°以上である場合は、粒
界が残りやすく、損傷やエピタキシャル欠陥が発生した
りする。

【００６２】図１０は、本発明に従うダイヤモンド単結
晶基材を複数用いたダイヤモンド単結晶の基板を形成す
るダイヤモンド単結晶基材のそれぞれの配置を概略的に
示す平面図である。

【００６３】図１０を参照して、隣り合う本発明に従う
ダイヤモンド単結晶基材５０の成長面に平行な面におけ
る結晶方位の成す角度βも５°以上になると、ダイヤモ
ンド単結晶基材５０の境界に損傷やエピタキシャル欠陥
が発生したりする。α（図９に示すα）、β（図１０に
示すβ）が５°以下で損傷やエピタキシャル欠陥が生じ
にくいのは、不整合を欠陥などで吸収して、粒界が消滅
するためであると考えられる。また、図１０を参照し
て、隣り合うダイヤモンド単結晶基材５０同士の隙間δ
は、１００μｍ以内になるように配置するのが好ましい
としたのは、これは、隙間δが１００μｍを超えると、
ダイヤモンド単結晶基材５０の境界に欠陥が発生したり
するからである。

【００６４】なお、上記実施例では、気相合成法として
プラズマＣＶＤ法を用いたが、ほかの方法を用いること
も可能である。ほかの気相合成法としては、熱電子放射
材を加熱してガスを分解励起する熱ＣＶＤ法や、ガスを
イオン化して基板に照射するイオンビーム法や、レーザ
光線によりガスを分解し励起するレーザＣＶＤ法などが
挙げられるが、これらによっても本発明の方法で、良質
のダイヤモンド単結晶が得られる。これらの気相合成法
の中では、大面積の、基板上に均一にモンドを成長させ
ることができるという点で、プラズマＣＶＤ法、あるい
は、熱ＣＶＤ法を用いることが好ましい。

【００６５】

【発明の効果】本発明は、上記の構成の結果、均質で大
型、かつ大面積のダイヤモンド単結晶を容易に得ること
ができる。

【００６６】また、本発明では、ダイヤモンド単結晶の
成長を気相合成法により行なう結果、ダイヤモンドにホ
ウ素や窒素を容易に含有させる等の種々のドーピングが
可能である。

【００６７】したがって、本発明の製造方法に従って得
られるダイヤモンド単結晶をはじめとする高圧相物質
は、精密工具、刃先、耐摩耗工具、耐熱工具、半導体基
材、放熱基板、高圧相半導体材料、光学材料、音響振動
板などに幅広く用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従うダイヤモンド単結晶基材の一部を
概略的に示す断面図である。

【図２】本発明に従うダイヤモンド単結晶基材上にダイ
ヤモンド層が形成された状態を概略的に示す断面図であ
る。

【図３】本発明の実施例において使用するダイヤモンド
単結晶基材の結晶面の表示を説明するための斜視図であ
る。

【図４】本発明の一実施例におけるダイヤモンド単結晶
基材の（００１）面の法線方向のばらつきをＸ線回折法
を用いて測定する方法を説明するための斜視図である。

【図５】本発明に従う一実施例としてのダイヤモンド単
結晶基材を、ダイヤモンドの成長方向である＜００１＞
方向から投影したときの概略的な平面図である。

【図６】本発明に従う一実施例としてのダイヤモンド単
結晶基材を＜１^-1１０＞方向に見た場合の概略的な正面
図である。

【図７】本発明に従う一実施例としてのダイヤモンド単
結晶基材をダイヤモンドの成長方向である＜００１＞方
向から投影したときの概略的な平面図である。

【図８】本発明に従う一実施例としてのダイヤモンド単
結晶基材を＜１^-1１０＞方向に見た場合の概略的な正面
図である。

【図９】本発明に従うダイヤモンド単結晶基材のダイヤ
モンドを成長させる結晶成長面の法線方向の基板の結晶
方位がばらついている場合の結晶成長の様子を模式的に
示す断面図である。

【図１０】本発明に従うダイヤモンド単結晶基材を複数
用いたダイヤモンド単結晶の基板を形成するダイヤモン
ド単結晶基材のそれぞれの配置を概略的に示す平面図で
ある。

【図１１】従来のダイヤモンド単結晶基材の一部を概略
的に示す断面図である。

【図１２】従来のダイヤモンド単結晶基材の周辺部に凸
状のダイヤモンド層が形成された状態を概略的に示す断
面図である。

【符号の説明】

１、１０、２０、３０、４０、５０、６０ ダイヤモン
ド単結晶基材 ２、６２ 結晶成長面 ３、６３ 側面 ４、６４ 周辺部 ５、４１ ダイヤモンド層 １１ Ｘ線発生装置 １２ Ｘ線検出器 １３、４３，５３ 基板 １４ Ｘ線の（００４）回折線 １５ 試料台 １６ Ｘ線 ６５ 凸状のダイヤモンド層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ダイヤモンドを気相から成長させるダイ
   ヤモンドの製造方法であって、 実質的に（００１）面からなる結晶成長面と、 実質的に（１１０）面からなる第１の側面と、 実質的に（１^-1１０）面からなる第２の側面と、 実質的に（１１^-1０）面からなる第３の側面と、 実質的に（１^-1１^-1０）面からなる第４の側面とからな
   るダイヤモンド単結晶基材、または、この関係と等価な
   配置を有するダイヤモンド単結晶基材を準備する工程
   と、 前記ダイヤモンド単結晶基材上に気相合成法によりダイ
   ヤモンドをエピタキシャル成長させる工程とを備える、
   ダイヤモンドの製造方法。
2. 【請求項２】 ダイヤモンドを気相から成長させるダイ
   ヤモンドの製造方法であって、 実質的に（００１）面からなる結晶成長面と、 実質的に（１１０）面からなる第１の側面と、 実質的に（１^-1１０）面からなる第２の側面と、 実質的に（１１^-1０）面からなる第３の側面と、 実質的に（１^-1１^-1０）面からなる第４の側面とからな
   るダイヤモンド単結晶基材、または、この関係と等価な
   配置を有するダイヤモンド単結晶基材を複数用い、前記
   複数のダイヤモンド単結晶基材のそれぞれの結晶成長面
   が略同一平面上にあるように、かつ、結晶成長面を略同
   一方向に向かせて、気相成長の核となる基板を形成する
   工程と、 前記基板上に気相合成法によりダイヤモンドをエピタキ
   シャル成長させる工程とを備える、ダイヤモンドの製造
   方法。
3. 【請求項３】 ダイヤモンドの気相成長に使用するダイ
   ヤモンド単結晶基材であって、 実質的に（００１）面からなる結晶成長面と、 実質的に（１１０）面からなる第１の側面と、 実質的に（１^-1１０）面からなる第２の側面と、 実質的に（１１^-1０）面からなる第３の側面と、 実質的に（１^-1１^-1０）面からなる第４の側面とからな
   るダイヤモンド単結晶基材、または、この関係と等価な
   配置を有するダイヤモンド単結晶基材。