JPH085055B2 - ダイヤモンドの加工方法 - Google Patents

ダイヤモンドの加工方法

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JPH085055B2
JPH085055B2 JP1277393A JP27739389A JPH085055B2 JP H085055 B2 JPH085055 B2 JP H085055B2 JP 1277393 A JP1277393 A JP 1277393A JP 27739389 A JP27739389 A JP 27739389A JP H085055 B2 JPH085055 B2 JP H085055B2
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    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02Elements
    • C30B29/04Diamond
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28DWORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
    • B28D5/00Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor
    • B28D5/0058Accessories specially adapted for use with machines for fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28DWORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
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Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は切削工具、耐摩工具、半導体用ヒートシン
ク等に工業的に用いられるダイヤモンドの加工方法に関
するものである。
〈従来の技術〉 ダイヤモンドは最高の硬度と熱伝導率を有しており、
切削工具、耐摩工具、半導体用ヒートシンク等の工業的
分野で広く使用されている。
従来からダイヤモンドを分断する方法としては、切
断、劈開の2つの方法が知られており、前者には(1)
切断刃にダイヤモンドパウダーを埋込んで高速回転さ
せ、これをダイヤモンド単結晶に押し当てて切断を進め
る方法に代表されるソーイング。(2)レーザー光線を
当て、熱的にダイヤモンドを切断する方法。等がある。
また、後者の劈開は例えば“結晶工学ハンドブック”
の第411〜412頁に示されているように、ダイヤモンド結
晶に他のダイヤモンドまたは切断刀により溝を入れ、該
溝内にナイフ状の楔を打込んで結晶を分断する方法であ
る。
この後者の方法は、ダイヤモンド単結晶が(111)結
晶面に沿って割れ易い劈開と呼ばれる性質を利用したも
ので、切断代を要さず前者に比べて高価なダイヤモンド
を切断代として大きく失うことなく、また極めて短時間
に加工できる等の長所を持ち、経済的に最も優れたダイ
ヤモンドの分断方法として知られている。
〈発明が解決しようとする課題〉 上記した従来のダイヤモンドの分断方法は“ダイヤモ
ンド”(三洋出版貿易株式会社発行)の第216〜218頁お
よび“セラミックス11(1976)、No.6"の第520頁等に示
されているように、高度な熟練を要し、かつ高価なダイ
ヤモンドを破損する危険を含み、更に分断された面は平
坦になりにくいなどの問題を有しているため、宝飾用の
大粒ダイヤモンドを2つに分断する目的で極く一部の加
工者が用いていたにすぎなかった。
また、同様の理由でヒートシンク等一定形状を有する
製品を製造するうえで不可欠なダイヤモンド結晶を複数
の薄板に加工することは不可能であった。
上記した従来技術の問題は本発明者の研究によれば以
下の原因によることが解明された。
即ち、 ダイヤモンド単結晶に刻む溝は、劈開面で
ある(111)に対して大きくとも0.5°以内の精度で平行
でなければならないが、従来技術であるダイヤモンドで
傷をつける方法又は切断刃を当てる方法ではこのような
精度を得ることは極めて困難である。
同様にかかる溝は大きくとも0.1mm以内の精度を持
つ直線でなければならないが、従来方法では極めて困難
である。
従来技術は天然ダイヤモンド単結晶の加工を対象と
してきたが、天然ダイヤモンド単結晶はその表面が地中
において溶解作用を受け、曲面形状になっている例が多
く、このような場合基準となる(111)面を見付けるこ
とが困難である。
劈開を再現性よく、かつ精度よく行なうためには、
溝の形状は一定の角度を持つV字状であることが望まし
いが、従来技術では形状が不定形になりやすく、劈開に
必要な応力をかける作用点がばらつき、再現性、精度に
問題がある。
〈課題を解決するための手段〉 本発明者は上記に述べたダイヤモンドの劈開加工にお
ける問題を解消すべく検討した結果、その改良法を見出
したものである。
即ち、この発明はダイヤモンド単結晶の成長面である
(111)結晶面を試料台の基準面に押し当てて、単結晶
の表面にイオンビーム、電子ビーム、レーザーの何れか
の手段を用いて(111)結晶面に対して平行な溝を設
け、該溝に楔を打ち込んでダイヤモンド単結晶を分断す
ることを特徴とするダイヤモンドの加工方法を提供する
ものである。
〈作用〉 次に、この発明を詳細に説明するが、この発明で従来
法の問題点を解決した要点は以下の2点である。
(1)ダイヤモンド単結晶の表面にイオンビーム、電子
ビーム、レーザーの何れかの手段によって該単結晶表面
に溝を入れる。その際、一般にX−Yテーブルと呼ばれ
る駆動装置付き試料移動台を併用し、結晶の(111)面
をX軸またはY軸に平行に固定することで容易に目的と
する溝を入れることができる。
これらの操作は従来技術のように熟練を要するもので
はなく、つづく劈開工程を確実に、かつ高精度に行なう
ために極めて有効な手段である。
ダイヤモンド単結晶表面に溝を入れた後の劈開工程
は、該溝に金属、セラミックス等で構成された楔または
ナイフ状の鋭角的先端をもつ板を挿入し、これを押し進
める方向へ力を作用させることにより結晶を分断する。
この際、力をかける手段はハンマーによる打撃、プレ
スによる加圧、熱膨張を利用した応力等を用いることが
できる。
また、前記楔の長さについては、溝の長さより大きい
ことが一般的ではあるが、特に制限はなく、特別な場合
にはその長さは極めて短いこともあり、極端な場合、楔
状ではなく針状のものでも差し支えない。
これら一連の作業により劈開作業は従来とは比較にな
らないほど容易に、確実にかつ高精度にその目的を達成
することができ、従来、最も確実で高精度であったレー
ザーによる切断法に比べてもはるかに上回るほどの優れ
たダイヤモンドの分断加工方法である。
(2)また、この発明の方法において加工するダイヤモ
ンドは天然産のものよりも良質の大型合成ダイヤモンド
単結晶の方が加工を容易に確実に、かつ高精度に行なえ
るうえで好ましい。
その理由は、先に述べたように、天然ダイヤモンドは
地中において溶解作用を受けてその表面が曲面になって
いたり、凹凸のある結晶が多く、劈開加工に必要な(11
1)面の割り出しがその外観から容易に行なえないもの
が多いためである。
この問題を解決する手段としては、半導体結晶の加工
において行なわれているようなX線による結晶方位の同
定があるが、この方法は直径数十mmの大きな半導体結晶
を分断する際には有効であるとしても、ダイヤモンドの
ように直径数mm程度の小さな結晶を分断する際には結晶
1個ずつにして測定を行なう時間と手間がかかるため、
経済的に有利な方法とは言えないのである。
一方、合成ダイヤモンドは一般に(111)面と(100)
面によって囲まれる正確な多面体形状を有しており、こ
の発明の実施に好適であるといえる。
即ち、前述した溝入れ加工のなかで結晶を試料台に固
定する際に、結晶の成長面である(111)面を試料台上
の移動軸に平行に設定した基準面に押し当てるだけで溝
の方向と結晶の(111)面の方向を0.1°以内の精度で容
易に固定することができるのである。
また、使用する合成ダイヤモンド結晶は、一般にダイ
ヤモンド砥粒と呼ばれて市販されている直径1mm以下の
ものは、その大きさ、品質の点からこの発明での適用は
好ましくなく、直径1.5mm以上、重量が1/30カラット以
上の大型で高品質の合成ダイヤモンドが好適であるとい
える。
〈実施例〉 以下、この発明を実施例により詳細に説明する。
実施例1 重量1〜1.1カラットの不純物を含まない八面体天然
ダイヤモンド各10ケづつを1セットとし、これを7セッ
ト計70ケ、同重量の不純物を含まない六−八面体合成ダ
イヤモンド10ケを下記の従来方法(1)〜(4)および
この発明の方法(1)〜(4)でそれぞれの結晶を全て
2分割し、破損せずに得られた分割片の歩留りを調べた
ところ、第1表に示す結果を得た。なお、表中の歩留り
とは破損せず分断された結晶の割合を示したものであ
る。
(従来の方法) (1)切断刃による切断 厚さ0.15mmのリン青銅製の円盤を切断機に取付け、円
板の外周部に粒径10μm程度のダイヤモンドパウダーを
機械油と共に練ったものをすり込み、8000rpmの速度で
回転させ、これを天然ダイヤモンドの結晶面にあてて切
断した。
切断された面には切断刃の送りマークが残り、0.1mm
以上の面の曲がりが生じていた。
(2)レーザーによる切断 天然ダイヤモンドをX−Yテーブル上に固定し、出力
20WのYAGレーザーを用い、X−Yテーブルを所定の方向
に移動させながら切断を行なった。切断面はレーザーの
パルスによる縦筋が入り、レーザーの進行方向、即ちテ
ーブルに対し垂直方向に平行ではなく、2〜6°の傾斜
がついていた。
また、この傾斜はレーザーの入り口付近と出口付近で
は異なるため、切断面は曲面になっていた。
(3)ダイヤで傷を入れた後に劈開 天然ダイヤモンドの表面に他の尖った先端をもつダイ
ヤモンドで傷を入れ、そこに先端角20°の鋼製楔をハン
マーを用いて打込んだ。
その結果は破損するものが多く、歩留りは30%と低か
った。破損せず、分断されたダイヤモンドの破面は貝殻
状の曲面であった。
(4)(1)で用いた切断刃で天然ダイヤモンド表面に
溝を入れ、(3)と同様の作業を行なった。
破面は(3)のものより少し改善されていた。
(本発明の方法) (1)天然ダイヤモンドをX−Yテーブルに(111)面
がY軸に平行になるよう固定し、これをY軸方向に移動
させながら5Wの出力をもつYAGレーザーで結晶表面に溝
を入れた。この時できた溝は開口幅0.08mm、深さ0.3mm
のV字状であった。
この溝に上記の従来の方法の3と同様に楔を打込み結
晶を分断した。
分断された破面は従来法の(3)、(4)で得られた
破面より平坦であった。
(2)天然ダイヤモンドを真空チャンバー内に設置した
X−Yテーブルに(1)と同時に固定し、真空チャンバ
ー内を10-4Torrまで真空引きした後、電子ビームを当
て、開口幅0.1mm、深さ0.25mmのV字状溝をダイヤモン
ド表面に刻んだ。さらに(1)と同様に結晶を分断し
た。
(3)上記(2)における電子ビームの代りにArイオン
を用いたイオンビームを使用し、その他は(2)と同一
にして作業を行なった。
(4)(1)の天然ダイヤモンドに代えて1.0カラット
の六−八面体合成ダイヤモンドを使用した以外は(1)
と同様にして作業を行なった。
実施例2 実施例1と同様の従来の方法(1)〜(4)および本
発明の方法(1)〜(4)にて重量1.0〜1.1カラットの
ダイヤモンド各10ケづつを0.5mm厚の板状に分断した。
その結果は第2表に示した。
尚、従来の方法のうち(3)の天然ダイヤモンド結晶
の表面に他の尖った先端をもつダイヤモンドで傷を入
れ、しかるのち分断する方法では、目的とする0.5mm厚
の板状物は一枚も得られなかった。
尚、分断の条件は全て実施例1と同一とした。
〈発明の効果〉 以上詳述したように、この発明の加工方法はダイヤモ
ンドの分断方法として従来行なわれてきた方法に比べて
その精度、再現性、作業の容易性、加工時間の短縮など
の点において大きな効果を有し、特に経済的にはあらゆ
る従来技術を凌ぐものである。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ダイヤモンド単結晶の成長面である(11
    1)結晶面を試料台の基準面に押し当てて、単結晶の表
    面にイオンビーム、電子ビーム、レーザーの何れかの手
    段を用いて(111)結晶面に対して平行な溝を設け、該
    溝に楔を打ち込んでダイヤモンド単結晶を劈開すること
    を特徴とするダイヤモンドの加工方法。
  2. 【請求項2】ダイヤモンド単結晶が人工的に合成され、
    かつその重量が1/30カラット以上であることを特徴とす
    る請求項(1)記載のダイヤモンドの加工方法。
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