JPH1171197A - Surface-reinforced diamond and its production - Google Patents

Surface-reinforced diamond and its production

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JPH1171197A
JPH1171197A JP21840597A JP21840597A JPH1171197A JP H1171197 A JPH1171197 A JP H1171197A JP 21840597 A JP21840597 A JP 21840597A JP 21840597 A JP21840597 A JP 21840597A JP H1171197 A JPH1171197 A JP H1171197A
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crystal
diamond crystal
stress
concentration
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P Develin Mark
マーク・ピー・ディヴェリン
Park Dong-Sail
ドング−サイル・パーク
Thomas R Anthony
トーマス・リチャード・アンソニー
Clifford L Spiro
クリフォード・ローレンス・スパイロ
Meng Yue
ユエ・メング
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a diamond crystal increased in compression crushing strength by heterogeneously introducing a dopant element into the diamond crystal so that the concentration of the dopant element impurity increases between the center and surface of the diamond crystal or so that the concentration gradient of a positive dopant element exists in the diamond crystal. SOLUTION: This method for producing the diamond crystal improved in the compression crushing strength comprises a process for producing a diamond crystal having three-dimensional small surfaces and having a diameter of maximally about 2 cm, and a process for introducing a dopant element impurity selected from the group consisting of B, N, H, Li, Ni, Co, Na, K, Al, P, O and their mixtures into the outermost surfaces of the diamond crystal in an amount of about 10-10,000 ppm and in a depth of about 0.25-50 μm from the outermost surfaces to expand the diamond lattices with the introduced dopant element and generate a compression stress of maximally about 5,000 mega pascal in the tangent direction on at least one small surface of the crystal.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の分野】本発明は、高温高圧下で製造されかつ圧
縮破壊強さ(CFS)の増大を示すダイヤモンド組成物
及び製品に関するものである。更に詳しく言えば本発明
は、ダイヤモンド結晶の外面に向かってかつ(あるい
は)外面の付近に特定の元素を不均一に導入することに
よって破壊強さ及び性能を増大させることに関する。本
発明はまた、圧縮破壊強さを増大させる元素で表面冨化
され強化されたダイヤモンド結晶の製造方法にも関す
る。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to diamond compositions and products manufactured at elevated temperatures and pressures and exhibiting an increase in compressive fracture strength (CFS). More particularly, the present invention relates to increasing the fracture strength and performance by heterogeneously introducing certain elements towards and / or near the outer surface of the diamond crystal. The present invention also relates to a method for producing diamond crystals surface-enriched and strengthened with elements that increase the compressive fracture strength.

【0002】[0002]

【発明の背景】通例、ダイヤモンド結晶は砥石車、砥石
車用の目直し又は形直し工具、及びのこ刃のごときダイ
ヤモンド工具の製造のために使用されている。上記のご
とき用途において効果的に機能するためには、ダイヤモ
ンド結晶は圧縮破壊強さをはじめとして最高度の強度を
有することが望ましい。圧縮破壊強さはダイヤモンド結
晶にとっての基本的な特性であって、これはかかる用途
におけるダイヤモンドの性能と相関していることが多
い。特に、ロールクラッシャーによって測定される結晶
破壊強さは、石切りのごとき用途におけるダイヤモンド
の性能と相関している。
Background of the Invention Diamond crystals are commonly used for the manufacture of diamond tools such as grinding wheels, dressing or reshaping tools for grinding wheels, and saw blades. In order to function effectively in the above applications, it is desirable that the diamond crystal has the highest strength including the compressive fracture strength. Compressive fracture strength is a fundamental property for diamond crystals, which is often correlated with the performance of diamond in such applications. In particular, the crystal fracture strength as measured by a roll crusher correlates with the performance of the diamond in applications such as quarrying.

【0003】圧縮破壊強さは、処理の前後においてダイ
ヤモンド結晶粒の集団を圧縮破壊することによって測定
することができる。ロールクラッシャー法においては、
1対の硬質逆転ローラーと、該ローラーによってそれら
の間を通過する結晶粒に加えられる圧縮力を結晶粒破壊
の瞬間に測定するための手段とを具備した装置が使用さ
れる。すなわち、適当な変換器(たとえば線形差動変圧
器)を用いて一方のローラーの運動を測定することによ
り、該ローラーの振れに比例し、従ってダイヤモンド結
晶粒に加わる圧縮力に比例した電圧信号が発生される。
[0003] Compressive fracture strength can be measured by compressive fracture of a population of diamond grains before and after treatment. In the roll crusher method,
An apparatus is used which comprises a pair of hard reversing rollers and means for measuring at the moment of the grain breakage the compressive force exerted by the rollers on the grains passing between them. That is, by measuring the movement of one roller using a suitable transducer (eg, a linear differential transformer), a voltage signal proportional to the wobble of the roller and thus to the compressive force applied to the diamond grains is generated. Generated.

【0004】ダイヤモンドは脆い固体であって、割れに
よって破壊する。それの弾性定数(ダイヤモンドのヤン
グ率)は高くて、1.143×1012ギガパスカルであ
る。ダイヤモンドの延性・脆性転移温度は約1150℃
である。上記のごとき用途の場合、ダイヤモンドは室温
から約1000℃までの脆性破壊領域において使用され
る。
[0004] Diamond is a brittle solid that breaks down by cracking. Its elastic constant (the Young's modulus of diamond) is high, 1.143 × 10 12 gigapascal. The ductile-brittle transition temperature of diamond is about 1150 ° C
It is. For such applications, diamond is used in brittle fracture areas from room temperature to about 1000 ° C.

【0005】ダイヤモンド結晶中に溶解した不純物原子
(たとえば、ホウ素、窒素及び水素)は、それらが引起
こす顕著な格子拡張のために応力を生じる。たとえば、
溶解した窒素、ホウ素及び水素原子は周囲のダイヤモン
ド格子をそれぞれ40%、33.7%及び31%だけ拡
張させる。溶解した窒素、ホウ素又は水素の分布がダイ
ヤモンド結晶中において一様であれば、格子は均一に拡
張するだけであって、長距離応力は生じない。しかる
に、溶解した窒素、ホウ素又は水素の分布が一様でなけ
れば、ダイヤモンド中に不均一なひずみが発生する。か
かる不均一なひずみは大きな長距離応力を生じる。
[0005] Impurity atoms dissolved in diamond crystals (eg, boron, nitrogen and hydrogen) create stress due to the significant lattice expansion they cause. For example,
Dissolved nitrogen, boron and hydrogen atoms expand the surrounding diamond lattice by 40%, 33.7% and 31%, respectively. If the distribution of dissolved nitrogen, boron or hydrogen is uniform in the diamond crystal, the lattice will only expand uniformly and no long-range stress will occur. However, non-uniform distribution of dissolved nitrogen, boron or hydrogen will result in non-uniform strain in the diamond. Such non-uniform strain results in large long-range stresses.

【0006】現在、合成ダイヤモンド結晶中における不
純物濃度はダイヤモンド結晶の半径の増加と共に減少す
る。これには幾つかの理由が存在する。たとえば、ダイ
ヤモンド結晶を合成するために使用される高温高圧法
(HTHP法)においては、成長するダイヤモンドが融
液から窒素を吸収するため、融液中の窒素濃度が時間と
共に減少する。(融液とは、高温高圧下で黒鉛原料から
成長するダイヤモンド結晶に炭素を輸送するために役立
つ溶融した金属触媒/溶媒を意味する。)もう1つの理
由は、ダイヤモンド結晶の成長速度が半径の増加と共に
減少し、かつ不純物の取込みが成長速度の減少と共に減
少することである。更にまた、ダイヤモンド結晶中にお
ける不純物濃度は成長セクターに依存することもある。
成長セクターとは、成長が起こる(又は起こりつつあ
る)結晶学的方向、及び同じ方向に沿って成長が起こっ
た結晶中の領域を意味する。
At present, the impurity concentration in a synthetic diamond crystal decreases as the radius of the diamond crystal increases. There are several reasons for this. For example, in a high-temperature and high-pressure method (HTHP method) used for synthesizing a diamond crystal, the nitrogen concentration in the melt decreases with time because the growing diamond absorbs nitrogen from the melt. (A melt is a molten metal catalyst / solvent that serves to transport carbon to diamond crystals grown from a graphite source under high temperature and pressure.) Another reason is that the growth rate of diamond crystals is Decrease with increasing, and impurity incorporation decreases with decreasing growth rate. Furthermore, the impurity concentration in the diamond crystal may depend on the growth sector.
By growth sector is meant the crystallographic direction in which growth is (or is occurring), and the area in the crystal where growth has occurred along the same direction.

【0007】このように半径の増加と共に減少する不純
物濃度(すなわち、負の濃度勾配)は、ダイヤモンドの
表面に接線方向引張応力を生じる。ダイヤモンドは脆い
固体であるから、かかる接線方向引張応力によってそれ
の圧縮破壊強さは低下する。技術の進歩に伴い、次世代
のダイヤモンドはより高い強度を要求することになろ
う。このようなわけで、圧縮破壊強さの増大したダイヤ
モンド結晶が要望されている。また、かかるダイヤモン
ド結晶の製造方法も要望されている。
[0007] Such an impurity concentration (ie, a negative concentration gradient) that decreases with increasing radius results in tangential tensile stress on the diamond surface. Since diamond is a brittle solid, such tangential tensile stress reduces its compressive fracture strength. As technology advances, the next generation of diamonds will require higher strength. For this reason, there is a demand for a diamond crystal having an increased compressive fracture strength. There is also a need for a method for producing such diamond crystals.

【0008】[0008]

【発明の概要】上記の要望に従って本発明は、ダイヤモ
ンド結晶の中心と表面との間でドーパント元素不純物の
濃度が増加することによってダイヤモンド結晶の表面に
接線方向圧縮応力が生じることを特徴とする圧縮破壊強
さの増大した元素導入ダイヤモンド結晶を提供する。本
発明はまた、ダイヤモンド結晶の中心と表面との間に正
のドーパント元素濃度勾配が存在することによってダイ
ヤモンド結晶の表面に接線方向圧縮応力が生じることを
特徴とする圧縮破壊強さの増大した元素導入ダイヤモン
ド結晶から成るダイヤモンド結晶をも提供する。ドーパ
ント元素の実例としては、ホウ素、窒素、水素、リチウ
ム、ニッケル、コバルト、ナトリウム、カリウム、アル
ミニウム、リン及び酸素が挙げられるが、それらのみに
限定されるわけではない。本明細書中においては、ドー
パント元素は不純物原子、不純物元素又は不純物濃度と
呼ばれることもある。不純物のその他の実例は、結晶構
造中における格子間原子(格子間炭素原子を含む)及び
空孔である。
SUMMARY OF THE INVENTION In accordance with the above needs, the present invention provides a method for compressing a diamond crystal in which a tangential compressive stress is generated on the surface of the diamond crystal by increasing the concentration of dopant element impurities between the center and the surface of the diamond crystal. Provided is an element-introduced diamond crystal having an increased fracture strength. The present invention also provides an element having increased compressive fracture strength, characterized in that a tangential compressive stress is generated on the surface of a diamond crystal by the presence of a positive dopant element concentration gradient between the center and the surface of the diamond crystal. A diamond crystal comprising the introduced diamond crystal is also provided. Illustrative examples of dopant elements include, but are not limited to, boron, nitrogen, hydrogen, lithium, nickel, cobalt, sodium, potassium, aluminum, phosphorus, and oxygen. In this specification, a dopant element may be called an impurity atom, an impurity element, or an impurity concentration. Other examples of impurities are interstitial atoms (including interstitial carbon atoms) and vacancies in the crystal structure.

【0009】本発明の別の側面に従えば、本発明のダイ
ヤモンド結晶を含んだ製品(たとえば、のこぎり、砥石
車及び石切り工具)が提供される。本発明の更に別の側
面に従えば、圧縮破壊強さの増大したダイヤモンド結晶
の製造方法が提供される。不均一な不純物濃度又は不純
物分布を生み出すためには、相異なる結晶成長セクター
中に相異なる量の不純物を導入するか、あるいは半径方
向の不純物濃度勾配を生み出すように成長条件を一時的
に変化させるかすればよい。ダイヤモンド中における不
純物の分布は成長条件によって制御されるから、本発明
のダイヤモンドは相異なる成長条件の使用によって強化
することができる。
According to another aspect of the present invention, there is provided a product (eg, a saw, a grinding wheel and a stone cutting tool) comprising the diamond crystal of the present invention. According to still another aspect of the present invention, there is provided a method for producing a diamond crystal having an increased compressive fracture strength. In order to create a non-uniform impurity concentration or distribution, different amounts of impurities are introduced into different crystal growth sectors or the growth conditions are temporarily changed to create a radial impurity concentration gradient. I just need to do it. Since the distribution of impurities in the diamond is controlled by the growth conditions, the diamond of the present invention can be enhanced by using different growth conditions.

【0010】本発明の目的の1つは、工具において使用
されるダイヤモンドグリットのごとき合成ダイヤモンド
の圧縮破壊強さを増大させることにある。本発明のもう
1つの目的は、ダイヤモンド中又はそれの表面付近にお
ける不純物原子の濃度を増加させることによって合成ダ
イヤモンドの圧縮破壊強さを増大させることにある。
One object of the present invention is to increase the compressive fracture strength of synthetic diamond, such as diamond grit used in tools. It is another object of the present invention to increase the compressive fracture strength of synthetic diamond by increasing the concentration of impurity atoms in or near the surface of the diamond.

【0011】本発明の更にもう1つの目的は、合成ダイ
ヤモンド結晶の圧縮破壊強さを増大させるための方法を
提供することにある。本発明のその他の目的は、添付の
図面を参照しながら以下の説明を読めば自ずから明らか
となろう。
Yet another object of the present invention is to provide a method for increasing the compressive fracture strength of synthetic diamond crystals. Other objects of the present invention will become apparent from reading the following description with reference to the accompanying drawings.

【0012】[0012]

【発明の詳細な記述】ダイヤモンド格子の拡張を引起こ
す不純物元素の正の半径方向濃度勾配(すなわち、半径
の増大に伴う濃度の増加)はダイヤモンド表面に接線方
向圧縮応力を生じ、それにより強化ガラスと同様にして
ダイヤモンドが強化されることが見出された。かかる不
純物又はドーパント元素の理想的な実例としては、ホウ
素、窒素、水素、リチウム、ニッケル、コバルト、ナト
リウム、カリウム、アルミニウム、リン及び酸素が挙げ
られる。また、結晶中における格子間原子(格子間炭素
原子を含む)及び空孔も不純物と見なすことができる。
ホウ素、水素及び窒素は、成長時においてダイヤモンド
中に容易に導入することができる。ホウ素は、耐酸化性
を向上させるという追加の利点を有している。本発明に
おいては、約0〜1000ppmの局部濃度で窒素を使
用することができ、約0〜1000ppmの濃度で水素
を使用することができ、また約0〜10000ppmの
濃度でホウ素、窒素及び水素の混合物を使用することが
できる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The positive radial concentration gradient (ie, increasing concentration with increasing radius) of the impurity element causing the expansion of the diamond lattice creates a tangential compressive stress on the diamond surface, thereby strengthening the tempered glass. It has been found that the diamond is strengthened in the same way as. Ideal examples of such impurities or dopant elements include boron, nitrogen, hydrogen, lithium, nickel, cobalt, sodium, potassium, aluminum, phosphorus and oxygen. In addition, interstitial atoms (including interstitial carbon atoms) and vacancies in the crystal can also be regarded as impurities.
Boron, hydrogen and nitrogen can be easily introduced into the diamond during growth. Boron has the additional advantage of improving oxidation resistance. In the present invention, nitrogen can be used at a local concentration of about 0 to 1000 ppm, hydrogen can be used at a concentration of about 0 to 1000 ppm, and boron, nitrogen and hydrogen can be used at a concentration of about 0 to 10000 ppm. Mixtures can be used.

【0013】天然の同位体存在比のダイヤモンドは、2
種の炭素同位体、すなわち98.9%の12C及び1.1
%の13Cから成っている。1.1%を越える13C同位体
は、天然の同位体存在比のダイヤモンド中における不純
物と見なすことができる。13C同位体はダイヤモンド格
子の収縮を引起こす。それ故、ダイヤモンド結晶中に 13
C同位体の負の濃度勾配を生み出せば、ダイヤモンドの
表面に接線方向圧縮応力が生じることによってダイヤモ
ンドが強化される。
The natural isotope abundance diamond is 2
Species carbon isotopes, ie 98.9%12C and 1.1
%of13Consists of C. More than 1.1%13C isotope
Impure impurities in natural isotope abundance diamonds
Can be considered a thing.13C isotope is diamond case
Causes child to contract. Therefore, in the diamond crystal 13
Creating a negative concentration gradient of C isotope
The tangential compression stress on the surface causes the diamond
Is strengthened.

【0014】本発明において使用されるダイヤモンド結
晶は合成ダイヤモンドであって、これはダイヤモンドが
熱力学的に好適な相を成すような炭素のP−T領域内に
おいて約45キロバールを越える圧力と1200℃を越
える温度とを併用することから成る高温高圧法によって
製造されるのが通例である。それにより、各種のダイヤ
モンド結晶を製造することができる。本発明においては
また、ダイヤモンドを製造するために化学蒸着法(CV
D法)を使用することもできる。
The diamond crystals used in the present invention are synthetic diamonds, which have a pressure in excess of about 45 kbar and a temperature of 1200 ° C. in the PT region of carbon such that the diamond forms a thermodynamically favorable phase. It is customarily produced by a high-temperature and high-pressure method comprising a combination of a temperature higher than Thereby, various diamond crystals can be manufactured. The present invention also provides a method for producing diamond by chemical vapor deposition (CV).
D method) can also be used.

【0015】本発明の方法はまた、各種の原料ダイヤモ
ンド結晶(以後は「研磨材粒子」と呼ぶこともある)と
共に使用するためにも適していることを理解すべきであ
る。市販のダイヤモンド研磨材粒子としては、様々な強
度及び靱性のものが入手可能である。ダイヤモンド研磨
材粒子の性質を制御するために使用し得る1つの因子
は、製造時の成長速度を変化させることである。完全な
ダイヤモンド結晶は、より規則正しい劈開及び摩耗を示
す傾向がある。結晶欠陥、双晶化などが生じることもあ
るが、これらはダイヤモンド結晶の性質の変化をもたら
すことがある。
It should be understood that the method of the present invention is also suitable for use with a variety of raw diamond crystals (hereinafter sometimes referred to as "abrasive particles"). Commercially available diamond abrasive particles of various strengths and toughness are available. One factor that can be used to control the properties of diamond abrasive particles is to vary the growth rate during manufacture. Perfect diamond crystals tend to show more regular cleavage and wear. Crystal defects, twinning and the like may occur, but these may result in changes in the properties of the diamond crystal.

【0016】原料ダイヤモンド結晶は、未被覆の表面を
有することが好ましい。本発明の方法は、工具への取付
けに先立ってダイヤモンドの圧縮破壊強さを増大させる
ために使用されるものである。たとえば、本発明のダイ
ヤモンド結晶は少なくとも公称的には単結晶であるが、
1つ以上の双晶面を有することもある。それが三次元
(3−D)的な小面付きのダイヤモンド結晶である。本
発明のダイヤモンド結晶は、最大約2センチメートル
(2cm)までの直径を有している。かかるダイヤモン
ド結晶は半径の増大に伴って増加する不純物濃度を有し
ていて、それにより結晶の表面に接線方向圧縮応力が生
じる。本発明の実施の一態様に従えば、不純物濃度は結
晶の表面において極大値を示し、半径の縮小と共に減少
し、そしてダイヤモンド結晶の表面から少なくとも約5
マイクロメートルだけ下方の位置で極小値に達する。0
〜50マイクロメートルの最外層部分における不純物濃
度は、約10〜10000ppmの範囲内にある。本発
明はまた、結晶の一部の小面の応力状態を構成する一成
分(すなわち、接線方向成分)が約10〜5000メガ
パスカル(MPa)の範囲内の圧縮応力である三次元的
なダイヤモンド結晶をも含む。接線方向の圧縮表面応力
は最大5000MPaまでのものである。なお、半径方
向の表面応力は常に0MPaである。また、本発明のダ
イヤモンド結晶に加わる接線方向圧縮応力は、該結晶に
加わる既存の接線方向引張応力に重ね合わせることがで
きる。ダイヤモンド結晶において既存の接線方向引張応
力に重ね合わされる接線方向圧縮応力の範囲は、約10
〜5000MPaである。
The raw diamond crystal preferably has an uncoated surface. The method of the present invention is used to increase the compressive fracture strength of diamond prior to attachment to a tool. For example, the diamond crystal of the present invention is at least nominally a single crystal,
It may have one or more twin planes. It is a three-dimensional (3-D) faceted diamond crystal. The diamond crystals of the present invention have a diameter of up to about 2 centimeters (2 cm). Such diamond crystals have an impurity concentration that increases with increasing radius, thereby creating a tangential compressive stress on the surface of the crystal. According to one embodiment of the present invention, the impurity concentration exhibits a maximum at the surface of the crystal, decreases with decreasing radius, and is at least about 5 mm from the surface of the diamond crystal.
The local minimum is reached at a position below the micrometer. 0
The impurity concentration in the outermost layer portion of 5050 micrometers is in the range of about 10 to 10000 ppm. The present invention also provides a three-dimensional diamond in which one component (ie, the tangential component) that constitutes the stress state of some facets of the crystal is a compressive stress in the range of about 10 to 5000 megapascals (MPa). Including crystals. The tangential compressive surface stress is up to 5000 MPa. The surface stress in the radial direction is always 0 MPa. Also, the tangential compressive stress applied to the diamond crystal of the present invention can be superimposed on the existing tangential tensile stress applied to the crystal. The range of tangential compressive stress superimposed on existing tangential tensile stress in diamond crystals is about 10
55000 MPa.

【0017】以下、ホウ素、窒素及び水素を用いて本発
明を実証しよう。ダイヤモンドの結合エネルギー及び原
子密度は極めて高いため、ホウ素、窒素及び水素はダイ
ヤモンド中にかなりの程度まで溶解することができる。
とは言え、ホウ素、窒素及び水素の場合であっても、溶
解度は窒素について数百ppm未満までに制限され、ま
たホウ素について1%未満までに制限される。ダイヤモ
ンド中における溶解度が制限されているにもかかわら
ず、溶解した窒素、ホウ素又は水素は応力を発生させる
ことができる。その理由は、それらが引起こす格子の拡
張が大きいことにある。窒素、ホウ素又は水素の分布が
均一でなければ、ダイヤモンド中には不均一なひずみが
生じる。これらの不均一なひずみは大きい長距離応力を
生じる。かかる応力の大きさの概算値は、ダイヤモンド
のヤング率(1012パスカル)と不純物によって発生す
るひずみとを掛けることによって求めることができる。
ダイヤモンド中の窒素に関しては、ダイヤモンド中にお
ける窒素の最大溶解度において最大ひずみが発生する
が、それは4.5×10-4程度である。このようなひず
み量は5×108 パスカルの大きさの応力を生じる。こ
れは実験的なダイヤモンド圧潰強さである0.2→2×
1010パスカルに匹敵している。すなわち、ダイヤモン
ド中における窒素の不均一な分布によって生じる応力は
ダイヤモンドの圧潰強さの2.5〜25%にも上ること
がある。
The invention will now be demonstrated using boron, nitrogen and hydrogen. Due to the extremely high binding energy and atomic density of diamond, boron, nitrogen and hydrogen can dissolve to a significant extent in diamond.
However, even in the case of boron, nitrogen and hydrogen, the solubility is limited to less than a few hundred ppm for nitrogen and to less than 1% for boron. Despite the limited solubility in diamond, dissolved nitrogen, boron or hydrogen can generate stress. The reason is that they cause a large lattice expansion. If the distribution of nitrogen, boron or hydrogen is not uniform, uneven strain will occur in the diamond. These non-uniform strains result in large long-range stresses. The approximate value of the magnitude of the stress can be obtained by multiplying the Young's modulus of the diamond (10 12 Pascal) by the strain generated by the impurity.
Regarding nitrogen in diamond, the maximum strain occurs at the maximum solubility of nitrogen in diamond, which is about 4.5 × 10 −4 . Such an amount of strain produces a stress of the order of 5 × 10 8 Pascal. This is an experimental diamond crush strength of 0.2 → 2 ×
It is comparable to 10 10 Pascal. That is, the stress caused by the uneven distribution of nitrogen in diamond can be as high as 2.5-25% of the crush strength of diamond.

【0018】ダイヤモンド中における窒素又はホウ素の
不均一な分布は、2つの相異なる原因から生じることが
ある。窒素又はホウ素の不均一な分布の第1の原因は、
ダイヤモンドの結晶成長面に応じてホウ素及び窒素の分
布係数(液相及び固相中における不純物の溶解度の比)
が変化することである。たとえば、窒素の取込みは(1
11)成長セクター中において最も多く、(100)成
長セクター中においてやや少なく、また(113)及び
(110)成長セクター中において更に少ないのが通例
である。通常、窒素の濃度は数百ppmにも達する。典
型的な合成ダイヤモンド結晶の中心を通る断面を作れ
ば、かかる断面は(111)及び(100)成長セクタ
ーを示すのが通例である。(111)成長セクター中に
おいて窒素により引起こされる大きい格子拡張は、窒素
濃度の低い(100)成長セクター中におけるより小さ
い格子拡張と両立し得ない。これらの両立し得ないひず
みは、(100)成長セクター中に引張応力を生じると
共に、(111)成長セクター中に圧縮応力を生じる。
(100)成長セクター中における引張応力は、機械的
な研削及びのこ引き用途に際してダイヤモンド結晶を弱
くすることがある。
[0018] The non-uniform distribution of nitrogen or boron in diamond can result from two different sources. The first cause of the uneven distribution of nitrogen or boron is:
Distribution coefficient of boron and nitrogen depending on the crystal growth surface of diamond (ratio of solubility of impurities in liquid phase and solid phase)
Is to change. For example, nitrogen uptake is (1
11) Most often in the growth sector, slightly less in the (100) growth sector, and even less in the (113) and (110) growth sectors. Normally, the concentration of nitrogen reaches several hundred ppm. If a cross-section is made through the center of a typical synthetic diamond crystal, such a cross-section will typically show (111) and (100) growth sectors. The large lattice expansion caused by nitrogen in (111) growth sectors is incompatible with the smaller lattice expansion in (100) growth sectors with low nitrogen concentrations. These incompatible strains create tensile stress in the (100) growth sector and compressive stress in the (111) growth sector.
Tensile stresses in the (100) growth sector can weaken diamond crystals during mechanical grinding and sawing applications.

【0019】ホウ素もまた、ダイヤモンドの結晶成長面
に依存した分布係数を有する。考察の対象となるホウ素
の高濃度領域においては、宝石ダイヤモンド及びCVD
ダイヤモンドのいずれの場合でも、ホウ素は(111)
成長セクター中に優先的に取込まれる。ホウ素はダイヤ
モンド格子を33.7%も拡張させ、またダイヤモンド
におけるそれの溶解度は0.9%にも達することがあ
る。従って、ホウ素の取込みもまた窒素の場合と同様に
してダイヤモンド結晶中に応力を生じる。ダイヤモンド
中のホウ素に関しては、ダイヤモンド中におけるホウ素
の最大溶解度において最大のひずみが生じるが、それは
3×10-3程度である。このようなひずみ量は3.4×
109 パスカルの大きさの応力を生じ得るが、これは実
験的なダイヤモンド圧潰強さである0.2→2×1010
パスカルに比べて顕著なものである。すなわち、ダイヤ
モンド中におけるホウ素の不均一な分布によって生じる
応力はダイヤモンドの圧潰強さの17〜170%にも達
することがある。
Boron also has a distribution coefficient that depends on the crystal growth surface of diamond. In the high boron concentration regions of interest, gem diamonds and CVD
In any case of diamond, boron is (111)
Priority in the growth sector. Boron expands the diamond lattice by as much as 33.7%, and its solubility in diamond can reach as high as 0.9%. Therefore, the incorporation of boron also causes stress in the diamond crystal as in the case of nitrogen. For boron in diamond, the largest strain occurs at the maximum solubility of boron in diamond, which is of the order of 3 × 10 −3 . Such a strain amount is 3.4 ×
Stresses of the order of 10 9 Pascals can be produced, which is the experimental diamond crush strength of 0.2 → 2 × 10 10
It is remarkable compared to Pascal. That is, the stress caused by the uneven distribution of boron in diamond can be as high as 17-170% of the crush strength of diamond.

【0020】ダイヤモンド結晶中におけるホウ素又は窒
素の不均一な分布の第2の原因は、結晶の成長に際して
生じる成長セル条件の変化である。圧力、温度、融液中
の不純物濃度、及び(又は)結晶成長速度の一時的な変
化は、結晶中に取込まれるホウ素又は窒素の量を時間の
関数として変化させることがある。このような原因から
生じる不均一性は、結晶中に半径方向の不純物濃度勾配
を生み出す。かかる半径方向の濃度勾配から生じる応力
は、結晶の成長に際して成長セル条件を適宜に変化させ
ることによってダイヤモンド結晶を強化し得ることを示
唆している。
A second cause of the non-uniform distribution of boron or nitrogen in the diamond crystal is a change in growth cell conditions that occurs during crystal growth. Temporary changes in pressure, temperature, impurity concentration in the melt, and / or crystal growth rate may change the amount of boron or nitrogen incorporated into the crystal as a function of time. The non-uniformity resulting from such causes creates a radial impurity concentration gradient in the crystal. The stresses resulting from such radial concentration gradients suggest that diamond crystals can be strengthened by appropriately changing the growth cell conditions during crystal growth.

【0021】解析的な回答を得るため、サッカーボール
に似た小面付き形状の等軸ダイヤモンド結晶をダイヤモ
ンド球体によって近似させよう。実際、これは球に近い
形状を持った最高級のダイヤモンドグリットに対する適
度に良好な近似である。更にまた、不純物濃度勾配がも
っぱらダイヤモンド結晶の中心からの半径方向距離Rの
関数である場合のみを詳細に考察しよう。
In order to obtain an analytical answer, an equiaxed diamond crystal having a faceted shape similar to a soccer ball will be approximated by a diamond sphere. In fact, this is a reasonably good approximation to the finest diamond grit with a shape close to a sphere. Furthermore, let us consider in detail only the case where the impurity concentration gradient is exclusively a function of the radial distance R from the center of the diamond crystal.

【0022】任意の小さい球状素子の力学的平衡は、素
子の対向面に加わる微分的な半径方向力の間の釣合いを
要求する。球状素子が2つの接線方向に対して成す角を
φ、半径方向応力をσr 、接線方向応力をσt 、そして
球状素子の半径をRで表わせば、半径方向力の釣合いの
ためには次式が要求される。
The mechanical balance of any small spherical element requires a balance between the differential radial forces on the opposing faces of the element. If the angle formed by the spherical element with respect to the two tangential directions is φ, the radial stress is σ r , the tangential stress is σ t , and the radius of the spherical element is R, then to balance the radial force, An expression is required.

【0023】[0023]

【数1】 (Equation 1)

【0024】dR及びdφが0に近づく場合、上記の式
は式(2)に還元される。
When dR and dφ approach zero, the above equation reduces to equation (2).

【0025】[0025]

【数2】 (Equation 2)

【0026】ダイヤモンド中のひずみは、応力によって
引起こされると共に、ダイヤモンド格子の拡張又は収縮
をもたらす不純物の存在によって引起こされる。不純物
によって引起こされるひずみεi は次式によって与えら
れる。
Strain in diamond is caused by stress as well as by the presence of impurities that cause the diamond lattice to expand or contract. The strain ε i caused by impurities is given by the following equation.

【0027】[0027]

【数3】 (Equation 3)

【0028】式中、αは不純物に依存する定数、そして
Cは格子中における不純物の原子濃度である。ダイヤモ
ンド中の窒素、ホウ素及び水素に関しては、αはそれぞ
れ0.4、0.337及び0.31である。ダイヤモン
ド中に生じる応力は、フックの法則によってひずみと関
係づけられる。
Where α is a constant depending on the impurity, and C is the atomic concentration of the impurity in the lattice. For nitrogen, boron and hydrogen in diamond, α is 0.4, 0.337 and 0.31, respectively. The stress that develops in diamond is related to strain by Hooke's law.

【0029】[0029]

【数4】 (Equation 4)

【0030】式中、νはポアソン比、Eはダイヤモンド
のヤング率、εr は半径方向ひずみ、そしてεt は接線
方向ひずみである。式4a及び4b中の不純物ひずみε
i は、それぞれ弾性ひずみεr 及びεt から差引かれて
いる。なぜなら、不純物ひずみは弾性応力によって維持
されるものではなく、過大又は過小な大きさの不純物原
子によって引起こされる格子寸法の変化によって生み出
されるものだからである。ダイヤモンドに関して一般に
認められているポアソン比の値は0.07である。配向
方向について平均化されたダイヤモンドのヤング率は
1.143×1012N/m2 である。
Where ν is the Poisson's ratio, E is the Young's modulus of the diamond, ε r is the radial strain, and ε t is the tangential strain. Impurity strain ε in equations 4a and 4b
i is subtracted from the respective elastic strain epsilon r and epsilon t. This is because impurity strain is not maintained by elastic stress, but rather is created by a change in lattice size caused by an oversized or undersized impurity atom. The generally accepted Poisson's ratio value for diamond is 0.07. The Young's modulus of the diamond averaged in the orientation direction is 1.143 × 10 12 N / m 2 .

【0031】式4a及び4bは、半径方向応力σr 及び
接線方向応力σt について解くことができる。
Equations 4a and 4b can be solved for radial stress σ r and tangential stress σ t .

【0032】[0032]

【数5】 (Equation 5)

【0033】半径方向ひずみεr 及び接線方向応力εt
は、半径方向変位uによって表わすことができる。
Radial strain ε r and tangential stress ε t
Can be represented by a radial displacement u.

【0034】[0034]

【数6】 (Equation 6)

【0035】式6a及び6bを式5a及び5bに代入
し、次いで式2に代入すれば、
Substituting equations 6a and 6b into equations 5a and 5b and then into equation 2 gives

【0036】[0036]

【数7】 (Equation 7)

【0037】又はOr

【0038】[0038]

【数8】 (Equation 8)

【0039】が得られるが、これは球座標におけるラプ
ラス方程式である。式7bを積分することによって変位
u(R)が求められる。
Which is the Laplace equation in spherical coordinates. The displacement u (R) is obtained by integrating the equation (7b).

【0040】[0040]

【数9】 (Equation 9)

【0041】式中A及びBは積分定数、そしてC(r)
は半径の関数を成すダイヤモンド中の窒素又はホウ素の
濃度である。中実のダイヤモンド球に関しては、対称性
により、R→0の時に変位u→0となり、従ってB=0
となる。式8を式6a、6b、5a及び5bに再代入す
れば、ダイヤモンド中の半径方向応力及び接線方向応力
が求められる。
Where A and B are integration constants and C (r)
Is the concentration of nitrogen or boron in diamond as a function of radius. For a solid diamond sphere, due to symmetry, the displacement u → 0 when R → 0, and therefore B = 0
Becomes Rearranging Equation 8 into Equations 6a, 6b, 5a and 5b yields the radial and tangential stresses in diamond.

【0042】[0042]

【数10】 (Equation 10)

【0043】ダイヤモンドの外部自由表面(R=S)に
おける半径方向応力σr は0でなければならない(R=
Sにおいてσr =0)。従って、式9aから定数Aが次
のように求められる。
The radial stress σ r at the external free surface (R = S) of diamond must be zero (R =
Σ r = 0 at S). Therefore, the constant A is obtained as follows from Expression 9a.

【0044】[0044]

【数11】 [Equation 11]

【0045】式中、Sはダイヤモンドの半径である。式
9a及び9bに定数Aを導入すれば、次式が得られる。
Where S is the radius of the diamond. If the constant A is introduced into the expressions 9a and 9b, the following expression is obtained.

【0046】[0046]

【数12】 (Equation 12)

【0047】式10aは興味深い物理的解釈を与える。
すなわち、半径方向応力はダイヤモンド全体における平
均不純物濃度(式10a中の第1の積分)と考察の対象
である半径Rまでのダイヤモンド部分における平均不純
物濃度(式10a中の第2の積分)との差に比例するの
である。半径Rまでの平均不純物濃度がダイヤモンド全
体における平均不純物濃度よりも高い場合、格子を拡張
させる不純物に関して言えば、半径方向応力は圧縮応力
となる。
Equation 10a gives an interesting physical interpretation.
That is, the radial stress is obtained by calculating the average impurity concentration in the entire diamond (the first integral in the expression 10a) and the average impurity concentration in the diamond portion up to the radius R to be considered (the second integral in the expression 10a). It is proportional to the difference. When the average impurity concentration up to the radius R is higher than the average impurity concentration in the entire diamond, the radial stress becomes a compressive stress with respect to the impurity that expands the lattice.

【0048】ここで実証される3つの場合は、不純物濃
度が半径方向に沿って増加する場合、不純物濃度が半径
方向に沿って減少する場合、及び不純物の薄い外殻が存
在する場合である。これらの相異なる不純物分布はダイ
ヤモンド結晶中に相異なる応力状態を生み出し、そして
結晶を強化することがある。以下の考察は、半径方向に
沿って特定の不純物分布状態を有するダイヤモンド結晶
中に生じる応力に関するものである。
The three cases demonstrated here are the case where the impurity concentration increases along the radial direction, the case where the impurity concentration decreases along the radial direction, and the case where a thin shell of impurities exists. These different impurity distributions create different stress states in the diamond crystal and may strengthen the crystal. The following considerations relate to the stresses that occur in diamond crystals having a particular impurity distribution along the radial direction.

【0049】考察すべき第1の場合は、不純物の濃度が
半径に伴って直線的に増加する場合、すなわちr=0か
らr=Sまでの範囲内においてC(r)=Co r/Sと
なるような場合である。式10a及び10b中への代入
によって次式が得られる。
The first case to be considered is when the concentration of the impurity increases linearly with radius, ie, in the range from r = 0 to r = S, C (r) = Cor / S This is the case. Substitution into equations 10a and 10b yields:

【0050】[0050]

【数13】 (Equation 13)

【0051】以下に述べるのは、αが正である場合、す
なわち不純物がダイヤモンド格子の拡張を引起こす場合
である。半径方向応力は引張応力(すなわち正)であっ
て、それはダイヤモンドの中心において最大値を示し、
そしてダイヤモンドの表面で0になるまで直線的に減少
する。接線方向応力もまたダイヤモンドの中心において
最大値を有していて、そこでは引張応力である。しかる
に、ダイヤモンドの全半径の2/3 に等しい半径において
接線方向応力はゼロとなる。以後、接線方向応力は圧縮
応力(すなわち負)となり、そしてダイヤモンドの表面
で最大圧縮状態に達する。ダイヤモンドの表面における
このような接線方向圧縮応力は、ダイヤモンドの引張状
態での破壊及び割れを起こり難くし、従ってダイヤモン
ドを強化する。
The following is the case when α is positive, ie when the impurities cause the diamond lattice to expand. Radial stress is tensile (ie, positive), which has a maximum at the center of the diamond,
And it decreases linearly until it becomes zero on the surface of the diamond. The tangential stress also has a maximum at the center of the diamond, where it is the tensile stress. However, at a radius equal to 2/3 of the total radius of the diamond, the tangential stress is zero. Thereafter, the tangential stress becomes a compressive stress (ie, negative) and reaches maximum compression at the diamond surface. Such tangential compressive stresses on the surface of the diamond make the diamond less susceptible to fracture and cracking in tension, thus strengthening the diamond.

【0052】不純物がダイヤモンド格子の収縮を引起こ
す場合(α<0)には、応力の符号がちょうど逆にな
る。すなわち、半径方向応力は圧縮応力であって、それ
はダイヤモンドの中心において最大絶対値を示し、そし
てダイヤモンドの表面で0になるまで直線的に減少す
る。接線方向応力もまた圧縮応力であって、結晶の中心
において最大絶対値を有する。ダイヤモンドの全半径の
2/3 に等しい半径において接線方向応力は圧縮応力から
引張応力に変化し、そしてダイヤモンドの表面で最大値
に達する。ダイヤモンドの表面におけるこのような接線
方向引張応力は、引張状態での破壊及び微小な掻き傷に
よる割れを起こり易くすることによってダイヤモンドを
弱くすることがある。
If the impurities cause the diamond lattice to shrink (α <0), the signs of the stresses are just reversed. That is, the radial stress is a compressive stress, which has a maximum absolute value at the center of the diamond and decreases linearly to zero at the diamond surface. Tangential stress is also a compressive stress and has a maximum absolute value at the center of the crystal. Of the full radius of the diamond
At a radius equal to 2/3, the tangential stress changes from compressive to tensile, and reaches a maximum at the diamond surface. Such tangential tensile stresses on the surface of the diamond can weaken the diamond by making it more susceptible to fracture in tension and cracking due to small scratches.

【0053】また、剪断降伏強さが温度の上昇に伴って
急速に低下するため、剪断応力も特に高温においてダイ
ヤモンドの破壊を引起こすことがある。半径方向の濃度
勾配を有するダイヤモンド中における最大剪断応力σs
は、半径方向応力σr と接線方向応力σt との差の1/2
によって与えられる。
Further, since the shear yield strength rapidly decreases with an increase in temperature, the shear stress may cause diamond breakage, especially at high temperatures. Maximum shear stress σ s in diamond with radial concentration gradient
Is 1/2 of the difference between the radial stress σ r and the tangential stress σ t
Given by

【0054】[0054]

【数14】 [Equation 14]

【0055】剪断応力は半径と共に増加し、そしてダイ
ヤモンドの表面で最大値に達することに注意されたい。
剪断応力が図3に示されるようなダイヤモンドの剪断降
伏応力Kを越えるとダイヤモンドは破壊するが、その剪
断降伏応力は結晶方向、結晶面及び温度に依存する。図
5には、ホウ素又は窒素のごとき不純物がダイヤモンド
格子を拡張させる場合に関し、不純物の濃度並びに半径
方向応力、接線方向応力及び剪断応力が半径に対してプ
ロットされている。
It should be noted that the shear stress increases with radius and reaches a maximum at the surface of the diamond.
When the shear stress exceeds the shear yield stress K of the diamond as shown in FIG. 3, the diamond breaks, but the shear yield stress depends on the crystal direction, crystal plane and temperature. FIG. 5 plots the concentration of the impurity and the radial, tangential and shear stress versus radius for the case where an impurity such as boron or nitrogen expands the diamond lattice.

【0056】(先行技術を実証する)考察すべき第2の
場合は、不純物の濃度が半径に伴って直線的に減少する
場合、すなわちr=0からr=Sまでの範囲内において
C(r)=Co (1−r/S)となるような場合であ
る。式10a及び10b中への代入によって次式が得ら
れる。
The second case to consider (demonstrating the prior art) is that if the concentration of the impurity decreases linearly with radius, that is, C (r) in the range from r = 0 to r = S ) = C o (1−r / S). Substitution into equations 10a and 10b yields:

【0057】[0057]

【数15】 (Equation 15)

【0058】前述の場合に比べて応力の絶対値は変化せ
ず、それらの符号のみが変化する。濃度式C(r)=C
o (1−r/S)中の第1項(すなわちCo )は一様な
濃度項を表わしているから、それが応力を生じることは
ない。残された−Co r/S項は、符号を別にすれば、
前述の場合と同じ濃度分布を示している。ダイヤモンド
における通常の場合(すなわち、αが正である場合)、
不純物はダイヤモンド格子の拡張を引起こす。半径方向
応力は圧縮応力(すなわち負)であって、それはダイヤ
モンドの中心において最大絶対値を示し、そしてダイヤ
モンドの表面で0になるまで直線的に減少する。接線方
向応力もまたダイヤモンドの中心において最大絶対値を
有していて、そこでは圧縮応力である。しかるに、ダイ
ヤモンドの全半径の2/3 に等しい半径において接線方向
応力はゼロとなる。以後、接線方向応力は引張応力(す
なわち正)となり、そしてダイヤモンドの表面で最大値
に達する。ダイヤモンドの表面におけるこのような接線
方向引張応力は、ダイヤモンドの引張状態での破壊及び
割れを起こり易くし、従ってダイヤモンドを弱くする。
The absolute value of the stress does not change as compared with the case described above, and only the signs thereof change. Concentration formula C (r) = C
The first term in o (1-r / S) (i.e., C o ) represents a uniform concentration term, so it does not create stress. -C o r / S section left is Apart from code,
The same density distribution as in the case described above is shown. In the normal case for diamonds (ie, when α is positive),
Impurities cause the expansion of the diamond lattice. Radial stress is a compressive stress (ie, negative), which exhibits a maximum absolute value at the center of the diamond and decreases linearly to zero at the surface of the diamond. Tangential stress also has a maximum absolute value at the center of the diamond, where it is the compressive stress. However, at a radius equal to 2/3 of the total radius of the diamond, the tangential stress is zero. Thereafter, the tangential stress becomes tensile (ie, positive) and reaches a maximum at the diamond surface. Such tangential tensile stresses on the surface of the diamond predispose to fracture and cracking of the diamond in tension, thus weakening the diamond.

【0059】不純物がダイヤモンド格子の収縮を引起こ
す場合(α<0)には、応力の符号がちょうど逆にな
る。すなわち、半径方向応力は引張応力であって、それ
はダイヤモンドの中心において最大値を示し、そしてダ
イヤモンドの表面で0になるまで直線的に減少する。接
線方向応力もまた引張応力であって、結晶の中心におい
て最大値を有する。ダイヤモンドの全半径の2/3 に等し
い半径において接線方向応力は引張応力から圧縮応力に
変化し、そしてダイヤモンドの表面で最大絶対値に達す
る。ダイヤモンドの表面におけるこのような接線方向圧
縮応力は、引張状態での破壊及び表面欠陥や掻き傷によ
る割れを起こり難くすることによってダイヤモンドを強
化することがある。
If the impurities cause the diamond lattice to shrink (α <0), the signs of the stresses are just reversed. That is, the radial stress is a tensile stress, which has a maximum at the center of the diamond and decreases linearly to zero at the surface of the diamond. Tangential stress is also tensile stress and has a maximum at the center of the crystal. At a radius equal to 2/3 of the total radius of the diamond, the tangential stress changes from tensile to compressive, and reaches a maximum absolute value at the surface of the diamond. Such tangential compressive stresses on the diamond surface may strengthen the diamond by making it less prone to fracture in tension and cracks due to surface defects and scratches.

【0060】不純物による拡張を収縮に変えた場合に
は、半径方向応力及び接線方向応力の符号が逆転するだ
けであるから、半径方向応力と接線方向応力との差から
導かれる剪断応力は前述の場合と同じである。半径方向
に沿って減少する濃度勾配の場合を示す図4(先行技
術)には、ホウ素又は窒素のごとき不純物がダイヤモン
ド格子を拡張させる場合に関し、不純物の濃度並びに半
径方向応力、接線方向応力及び剪断応力が半径に対して
プロットされている。
When the expansion due to impurities is changed to a contraction, the signs of the radial stress and the tangential stress are only reversed, so that the shear stress derived from the difference between the radial stress and the tangential stress is as described above. Same as case. FIG. 4 (prior art), which shows the case of a concentration gradient decreasing along the radial direction, shows the concentration of the impurities and the radial, tangential and shear stresses for the case where impurities such as boron or nitrogen expand the diamond lattice. Stress is plotted against radius.

【0061】考察すべき第3の場合は、不純物がダイヤ
モンドの外面に隣接する厚さxの薄い外殻中に存在する
場合である。このような場合は、ダイヤモンドが高温下
でホウ素、窒素又は水素に暴露された結果、ホウ素、窒
素又は水素がダイヤモンド結晶の薄い外殻中に拡散する
ことによって生じることがある。同様に、ダイヤモンド
が水素、窒素又はホウ素を含有する高エネルギープラズ
マに暴露された場合、かかる不純物がダイヤモンドの外
面に隣接した薄い外殻中に注入されることもある。
A third case to consider is when the impurities are present in a thin shell of thickness x adjacent to the outer surface of the diamond. Such cases may be caused by boron, nitrogen or hydrogen diffusing into the thin shell of the diamond crystal as a result of exposure of the diamond to boron, nitrogen or hydrogen at elevated temperatures. Similarly, when diamond is exposed to a high energy plasma containing hydrogen, nitrogen or boron, such impurities may be implanted in a thin shell adjacent to the outer surface of the diamond.

【0062】このような不純物の分布は、数学的には次
のように記述される。すなわち、外殻の厚さをxとすれ
ば、0<R<(S−x)においてC=0、かつ(S−
x)<R<SにおいてC=Co である。式10a及び1
0b中への代入により、薄い外殻の条件(すなわち、x
≪S)に対して次式が得られる。
The distribution of such impurities is mathematically described as follows. That is, assuming that the thickness of the outer shell is x, when 0 <R <(S−x), C = 0 and (S−
x) C = Co when <R <S. Equations 10a and 1
0b, the thin shell condition (ie, x
The following equation is obtained for ≪S).

【0063】[0063]

【数16】 (Equation 16)

【0064】αが正である場合、すなわち不純物がダイ
ヤモンド格子の拡張を引起こす場合、不純物を含有しな
いダイヤモンドの内部区域における半径方向応力は一定
の小さな引張応力である。不純物の外殻を横切る際に半
径方向応力は急速に減少し、そして予測される通りダイ
ヤモンドの表面でゼロに達する。不純物を含有しないダ
イヤモンドの内部区域においては、接線方向応力もまた
小さい引張応力である。しかるに、接線方向応力はダイ
ヤモンドの表面で大きい圧縮応力に変化する。ダイヤモ
ンド表面におけるこのような圧縮応力状態は、ダイヤモ
ンドの引張状態での破壊及び割れを起こり難くし、それ
によってダイヤモンドを強化する。図6には、外面に不
純物の薄い外殻を有するダイヤモンド結晶に関する不純
物濃度分布及び応力分布が示されている。
If α is positive, that is, if the impurities cause the diamond lattice to expand, the radial stress in the inner area of the diamond without impurities is a constant small tensile stress. Radial stress decreases rapidly as it traverses the outer shell of the impurity and reaches zero at the diamond surface, as expected. In the inner area of the diamond, which does not contain impurities, the tangential stress is also a low tensile stress. However, the tangential stress changes to a large compressive stress on the surface of the diamond. Such a state of compressive stress on the diamond surface makes the diamond less susceptible to fracture and cracking in tension, thereby strengthening the diamond. FIG. 6 shows an impurity concentration distribution and a stress distribution with respect to a diamond crystal having a thin outer shell on the outer surface.

【0065】不純物がダイヤモンド格子の収縮を引起こ
す場合(α<0)には、応力の符号がちょうど逆にな
る。すなわち、一様なレベルの不純物を含有するダイヤ
モンドにおいて、(たとえば、結晶成長後における不純
物の拡散放出により)外面に隣接する薄い外殻から不純
物が喪失した場合、生じる応力の絶対値は式14a〜1
4dによって表わされるものと同じであるが、全ての応
力の符号は逆になる。
If the impurities cause the diamond lattice to shrink (α <0), the signs of the stresses are just reversed. That is, in a diamond containing a uniform level of impurities, if the impurities are lost from the thin outer shell adjacent to the outer surface (eg, due to the diffused release of impurities after crystal growth), the absolute value of the resulting stress is given by Equations 14a through 14a. 1
Same as that represented by 4d, but the signs of all stresses are reversed.

【0066】不純物の薄い外殻によって生み出される剪
断応力σs は、ダイヤモンド中における半径方向応力と
接線方向応力との差によって与えられる。
The shear stress σ s created by the thin shell of impurities is given by the difference between radial and tangential stress in diamond.

【0067】[0067]

【数17】 [Equation 17]

【0068】不純物を含有しない領域では、純粋な静圧
引張状態が存在するために剪断応力はゼロである。不純
物の薄い球状外殻を通過すると剪断応力は増加し、そし
てダイヤモンドの表面で最大値に達する。直線的な結晶
成長の速度は成長過程中に低下するのが普通であると共
に、成長媒質中の不純物は操作全体を通じてダイヤモン
ド中に取込まれるのが普通である。ダイヤモンド結晶を
製造するために高温高圧法を使用する本発明の一方法に
おいては、粉末状ホウ素源〔たとえば、炭化ホウ素(B
4 C)、窒化ホウ素(BN)又は元素状ホウ素〕が炭素
によってカプセル封入され、そして成長セルに添加され
る。粉末状ホウ素源のカプセル封入は、メタンの熱分解
によるCVD、コロイド状黒鉛による被覆と乾燥、スパ
ッタリングなどによって達成される。高温高圧下におけ
るダイヤモンド成長の初期段階では、ダイヤモンド結晶
の成長のためにホウ素を利用することはできない。成長
の進行に伴い、炭素被膜は金属溶媒/触媒中に溶解し、
そして最終的にホウ素源を露出させる。この時点におい
て、ホウ素は溶媒/触媒中に溶解し始め、そしてダイヤ
モンド結晶の外側部分に取込まれることになる。ホウ素
導入層のホウ素レベル及び厚さは、成長媒質中における
ホウ素含有粒子の濃度及び粒度並びに炭素被膜の厚さを
変化させることによって制御することができる。
In the region containing no impurities, the shear stress is zero due to the existence of a pure hydrostatic tension state. The shear stress increases as it passes through the thin spherical shell of impurities and reaches a maximum at the diamond surface. The rate of linear crystal growth typically decreases during the growth process, and impurities in the growth medium are typically incorporated into the diamond throughout the operation. In one method of the present invention using a high-temperature, high-pressure method to produce diamond crystals, a source of powdered boron [eg, boron carbide (B
4 C), boron nitride (BN) or elemental boron] is encapsulated by carbon, and is added to the growth cell. Encapsulation of the powdered boron source is achieved by CVD by thermal decomposition of methane, coating and drying with colloidal graphite, sputtering, and the like. In the initial stage of diamond growth under high temperature and pressure, boron cannot be used for growing diamond crystals. As the growth progresses, the carbon coating dissolves in the metal solvent / catalyst,
Finally, the boron source is exposed. At this point, the boron will begin to dissolve in the solvent / catalyst and will be incorporated into the outer portion of the diamond crystal. The boron level and thickness of the boron-introduced layer can be controlled by varying the concentration and size of the boron-containing particles in the growth medium and the thickness of the carbon coating.

【0069】別の方法は、炭素でカプセル封入された窒
素源(たとえば、Fex N)を使用することにより、正
の半径方向窒素濃度勾配を有する結晶を製造するという
ものである。所望ならば、成長媒質中におけるゲッター
の使用、気孔率の低いコアの使用、又は成長の直前にお
ける成長セルからの空気の排除により、結晶の中心部に
おける窒素レベルを低下させることもできる。
Another method is to produce a crystal with a positive radial nitrogen concentration gradient by using a nitrogen source (eg, Fe x N) encapsulated with carbon. If desired, the use of getters in the growth medium, the use of low porosity cores, or the elimination of air from the growth cell immediately prior to growth can also reduce the nitrogen level in the center of the crystal.

【0070】本発明に基づく別の代替方法は、通常のご
とくにして成長させた低濃度不純物導入又は不純物非導
入ダイヤモンド結晶上にホウ素又は窒素に富む層を形成
するというものである。これを達成するためには、成長
媒質中に十分な量のホウ素、窒素又はそれらの両者を含
有させた第2の高温高圧操作において不純物非導入の結
晶を種晶として使用することにより、該結晶上に不純物
導入エピタキシャル層を形成すればよい。この代替方法
においては、第2の成長操作が必要とされる。とは言
え、厚さ約0.5〜約50マイクロメートルの薄い層し
か要求されないから、成長セル内に収容されるダイヤモ
ンド結晶の数は通常より多くすることができる。
Another alternative in accordance with the present invention is to form a boron or nitrogen rich layer on lightly doped or undoped diamond crystals grown in a conventional manner. This can be achieved by using a non-impurity-introduced crystal as a seed crystal in a second high-temperature, high-pressure operation in which the growth medium contains a sufficient amount of boron, nitrogen or both. An impurity-introduced epitaxial layer may be formed thereon. In this alternative method, a second growth operation is required. However, the number of diamond crystals contained in the growth cell can be higher than usual, since only a thin layer of about 0.5 to about 50 micrometers in thickness is required.

【0071】本発明に基づく更に別の方法は、ホウ素、
窒素又は水素をダイヤモンド結晶中に拡散させるという
ものである。その他の不純物(たとえば、酸素、リチウ
ム、ナトリウム、リン、アルミニウム、ニッケル、コバ
ルト又はそれらの混合物)を拡散させることもできる。
不純物濃度は、ダイヤモンド表面から約0.25〜50
マイクロメートルの範囲内の深さにおいて約10〜10
000ppmであればよい。なお、好適な深さは約0.
25〜10マイクロメートルである。不純物を拡散させ
るためには、水素を含有するプラズマ並びに(あるい
は)窒素及びホウ素を含有するガスに暴露すればよい。
ダイヤモンド中における空孔の拡散距離は、1100℃
で1週間のアニール時間において約100ミクロンであ
ると報告されている。ホウ素又は窒素の拡散はより遅い
が、それでも適当な時間スケールで見ればダイヤモンド
結晶の強化を達成するために十分な速さを有している。
気相中における水素の存在は、ダイヤモンド結晶の安定
化を助け、それにより顕著な黒鉛化なしに1000℃を
越える温度下での長時間処理を可能にすることがある。
Still another method according to the present invention comprises
This is to diffuse nitrogen or hydrogen into the diamond crystal. Other impurities (eg, oxygen, lithium, sodium, phosphorus, aluminum, nickel, cobalt or mixtures thereof) can also be diffused.
The impurity concentration is about 0.25 to 50 from the diamond surface.
About 10 to 10 at a depth in the range of micrometers
It is sufficient if it is 000 ppm. The preferred depth is about 0.3.
25 to 10 micrometers. In order to diffuse the impurities, exposure to a plasma containing hydrogen and / or a gas containing nitrogen and boron may be performed.
The diffusion distance of vacancies in diamond is 1100 ° C.
Reported about 100 microns in one week annealing time. Boron or nitrogen diffusion is slower, but still fast enough to achieve strengthening of the diamond crystal when viewed on a suitable time scale.
The presence of hydrogen in the gas phase may help stabilize the diamond crystals, thereby allowing for long-term processing at temperatures above 1000 ° C. without significant graphitization.

【0072】ダイヤモンド中に原子を拡散させるための
その他の方法は、約700〜1400℃の温度下で約1
0秒〜約100時間の時間にわたり、不純物原子(たと
えば、水素、ホウ素又は窒素)を含有するガスにダイヤ
モンドを暴露するというものである。ダイヤモンド表面
に不純物原子を拡散させるための更に別の方法は、水
素、ホウ素又は窒素を含有する固体又は液体のフィルム
でダイヤモンド結晶の表面を被覆し、次いで不純物原子
をダイヤモンドの外面に拡散させるのに十分な時間にわ
たって被覆した結晶を約700〜1400℃の温度下で
熱処理するというものである。このような時間は、約1
0秒から約100時間にまでわたり得る。
Another method for diffusing atoms into diamond is at about 700 ° -1400 ° C. for about 1 hour.
Exposing the diamond to a gas containing impurity atoms (e.g., hydrogen, boron or nitrogen) for a period of time from 0 seconds to about 100 hours. Yet another method for diffusing impurity atoms to the diamond surface is to coat the surface of the diamond crystal with a solid or liquid film containing hydrogen, boron or nitrogen and then diffuse the impurity atoms to the outer surface of the diamond. The coated crystals are heat treated at a temperature of about 700-1400 ° C. for a sufficient time. Such time is about 1
It can range from 0 seconds to about 100 hours.

【0073】更に別の方法においては、不純物非導入又
は低濃度不純物導入結晶を化学蒸着(CVD)装置内に
配置し、そして通常の原料反応体(すなわち、水素、メ
タン及び酸素)にホウ素又は窒素含有ガスを添加しなが
ら不純物導入エピタキシャル層を成長させることができ
る。740℃にほぼ等しいかあるいはそれよりも低い支
持体温度下で成長させた場合、不純物導入ダイヤモンド
層には追加の固有圧縮応力が付与され、従って不純物導
入なしでも本発明の目的を達成することができる。不純
物導入ダイヤモンド層の厚さは約0.25〜50マイク
ロメートルであり、またかかる外層中における導入不純
物の濃度は下地を成すダイヤモンド結晶の最外面におけ
る不純物の濃度である約10〜10000ppmよりも
高い。
In yet another method, undoped or lightly doped crystals are placed in a chemical vapor deposition (CVD) apparatus, and boron or nitrogen is added to the usual raw reactants (ie, hydrogen, methane and oxygen). The impurity-introduced epitaxial layer can be grown while adding the contained gas. When grown at a support temperature approximately equal to or less than 740 ° C., the doped diamond layer is subjected to an additional intrinsic compressive stress, thus achieving the objectives of the present invention without doping. it can. The thickness of the impurity-introduced diamond layer is about 0.25 to 50 micrometers, and the concentration of the introduced impurity in the outer layer is higher than about 10 to 10000 ppm, which is the impurity concentration on the outermost surface of the underlying diamond crystal. .

【0074】結晶成長条件によってダイヤモンド結晶中
に応力を発生させるための1つの方法は、セル内の圧力
及び温度を時間と共に変動させるというものである。適
当なやり方で制御すれば、かかる変動条件はダイヤモン
ド結晶中に正の半径方向不純物濃度勾配を生み出すこと
ができる。ダイヤモンド格子を拡張させるホウ素、窒素
及び水素のごとき不純物の場合、正の半径方向濃度勾配
はダイヤモンドの表面に圧縮応力状態を生み出し、それ
がダイヤモンドを強化すると共に、引張状態での割れを
起こり難くする。また、ダイヤモンド結晶の成長速度を
半径(時間)の関数として増加させることにより、ダイ
ヤモンド中における不純物の取込量又は濃度を増加させ
ることもできる。更にまた、融液中の不純物濃度を時間
と共に増加させることにより、不純物の濃度を半径に対
して増加させることもできる。
One method for generating stress in a diamond crystal depending on the crystal growth conditions is to vary the pressure and temperature in the cell over time. With proper control, such fluctuations can create a positive radial impurity concentration gradient in the diamond crystal. For impurities such as boron, nitrogen and hydrogen that expand the diamond lattice, a positive radial concentration gradient creates a compressive stress state on the surface of the diamond, which strengthens the diamond and makes it less prone to cracking in tension. . Increasing the diamond crystal growth rate as a function of radius (time) can also increase the uptake or concentration of impurities in the diamond. Furthermore, the impurity concentration can be increased with respect to the radius by increasing the impurity concentration in the melt with time.

【0075】本発明に従ってCFSの増大したダイヤモ
ンド結晶を得るための更に別の方法は、高温高圧法(H
THP法)によって成長させたダイヤモンド結晶の外面
付近を膨張させるというものである。そのためには、イ
オン又は電子衝撃によって放射線損傷を与えればよい。
かかる放射線損傷は、格子間原子や空孔を生み出すこと
によってダイヤモンド格子の膨張を引起こす。この場
合、格子間原子は炭素原子又は不純物原子あるいはそれ
らの組合せから成り得る。このような格子拡張不純物の
薄い外殻は、ダイヤモンド結晶の表面に圧縮応力状態を
生み出し、それによって割れを起こり難くする。半径方
向濃度勾配によって達成される強化とは異なり、このよ
うな薄い圧縮外殻による防護効果は使用中における結晶
の摩耗によって薄い外殻に穴があくと消失してしまう。
表面にイオン注入又は放射線損傷を受けた三次元的な結
晶は、約1〜10000ppmの範囲内の濃度で不純物
原子、格子間原子及び空孔を含有し得る。
Yet another method for obtaining CFS-enhanced diamond crystals in accordance with the present invention is the high temperature high pressure method (H
This is to expand the vicinity of the outer surface of the diamond crystal grown by the THP method). For this purpose, radiation damage may be caused by ion or electron impact.
Such radiation damage causes expansion of the diamond lattice by creating interstitial atoms and vacancies. In this case, the interstitial atoms may consist of carbon atoms or impurity atoms or a combination thereof. Such a thin shell of lattice expanding impurities creates a compressive stress state on the surface of the diamond crystal, thereby making cracking less likely. Unlike the strengthening achieved by a radial concentration gradient, the protective effect of such a thin compressed shell is lost when the thin shell is punctured by wear of the crystals during use.
Three-dimensional crystals that have undergone ion implantation or radiation damage to their surface may contain impurity atoms, interstitial atoms, and vacancies at concentrations in the range of about 1 to 10,000 ppm.

【0076】ダイヤモンド結晶の最外面に不純物を導入
するためのその他の方法としては、熱水成長、電気化学
的成長、液相固体源成長又は溶融塩成長によって不純物
を層状に導入する方法が挙げられる。下記表1は本発明
を実証するものであって、ダイヤモンド結晶の外面にお
ける圧縮破壊強さ(CFS)に対する窒素、ホウ素及び
水素の不純物濃度の影響を示している。
Other methods for introducing impurities into the outermost surface of the diamond crystal include a method of introducing impurities into layers by hydrothermal growth, electrochemical growth, liquid-phase solid source growth, or molten salt growth. . Table 1 below demonstrates the invention and shows the effect of nitrogen, boron and hydrogen impurity concentrations on the compressive fracture strength (CFS) on the outer surface of the diamond crystal.

【0077】[0077]

【表1】 表 1 表面付近における不均一な不純物濃度 によるダイヤモンド結晶の強度の増加 最大接線方向 最大接線方向 強度の増加 強度の増加 不純物 最大濃度 応力(勾配) 応力(薄層) 率(勾配) 率(薄層) [ppm] [メカ゛ハ゜スカル] [メカ゛ハ゜スカル] 窒素 1,000 123 492 7.7% 30.8% ホウ素 10,000 1,040 4,150 65% 259% 水素 1,000 95 381 5.9% 23.8% 40/45MBSダイヤモンドの強度−1.6ギガパス
カル(109パスカル) E0 =1.143×1012パスカル αN =0.4 αB =0.337 αH =0.31 ν=0.07 1−ν=0.93 E0 /(1.ν)=1.23×1012パスカル E0 /4(1−ν)=3.07×1012パスカル 以下の実施例は本発明を更に例証するためのものであ
る。実施例1 出発原料は、当業者にとって公知の高温高圧法によって
製造された、45/50メッシュの粒度を有する市販の
ジーイー・スーパーアブレイシブズ(GE Superabrasive
s) MBS970結晶(ゼネラル・エレクトリック・カ
ンパニイの製品)であった。未処理結晶中における窒素
の分布は表面に約50MPaの接線方向引張応力を生
じ、それによって結晶を弱くしている。未処理結晶の圧
縮破壊強さ(CFS)をロールクラッシャー装置によっ
て測定したところ、63.5ポンド(lbs) であった。
[Table 1]Table 1 Non-uniform impurity concentration near the surface Increases the strength of diamond crystals Maximum tangential direction Maximum tangential direction Increase in strength Increase in strength Impurity Maximum concentration Stress (gradient) Stress (thin layer) Rate (gradient) Rate (thin layer)  [ppm] [Mechanical skull] [Mechanical skull]     Nitrogen 1,000 123 492 7.7% 30.8% Boron 10,000 1,040 4,150 65% 259% Hydrogen 1,000 95 381 5.9% 23.8% 40/45 MBS Diamond strength-1.6 gigapaths
Cal (109Pascal) E0= 1.143 × 1012Pascal αN= 0.4 αB= 0.337 αH= 0.31 ν = 0.07 1−ν = 0.93 E0/(1.ν)=1.23×1012Pascal E0/4(1-ν)=3.07×1012Pascal The following example is intended to further illustrate the invention.
You.Example 1 Starting materials are prepared by high-temperature and high-pressure methods known to those skilled in the art.
Manufactured, commercially available with a particle size of 45/50 mesh
GE Superabrasives
s) MBS970 crystal (General Electric
Product). Nitrogen in raw crystals
Distribution produces a tangential tensile stress of about 50 MPa on the surface.
, Thereby weakening the crystal. Untreated crystal pressure
The crimp strength (CFS) is measured by a roll crusher
It was 63.5 pounds (lbs).

【0078】(100)結晶面における窒素(N)の濃
度を二次イオン質量分析法(SIMS)によって測定し
たところ、4.2ppm(絶対値ではない)であった。
また、(111)結晶面における窒素(N)の濃度をS
IMSによって測定したところ、29.5ppm(絶対
値ではない)であった。イオン注入ダイヤモンド標準試
料を用いてSIMS信号を濃度に変換した。しかしなが
ら、イオン注入は格子の損傷を引起こすと共に、感度に
影響を及ぼす可能性がある。結晶全体の燃焼分析(LE
CO)によって求めた窒素濃度とSIMSデータとを比
較してみると、SIMSによって測定された濃度は2〜
4倍も低過ぎることがわかる。
The concentration of nitrogen (N) on the (100) crystal plane was measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS) and found to be 4.2 ppm (not an absolute value).
Further, the concentration of nitrogen (N) on the (111)
It was 29.5 ppm (not an absolute value) as measured by IMS. The SIMS signal was converted to concentration using an ion-implanted diamond standard sample. However, ion implantation can cause grating damage and affect sensitivity. Combustion analysis of whole crystal (LE
When the nitrogen concentration obtained by CO) and SIMS data are compared, the concentration measured by SIMS is 2 to 2.
It turns out that it is four times too low.

【0079】次いで、マイクロ波プラズマ化学蒸着(C
VD)装置内の支持体上にダイヤモンド結晶を配置し
た。処理ガスは、1,000sccmの水素(H2 )、
5sccmのメタン及び10sccmの窒素(N2 )か
ら成っていた。圧力は約70トル(torr)、支持体温度は
約700〜750℃、そしてマイクロ波出力は約3キロ
ワットであった。このようにして、3時間にわたりダイ
ヤモンド結晶の被覆を行った。被膜の成長を中断して結
晶をころがした後、更に3時間にわたり被膜の成長を繰
返すことによって均一な被膜を得た。
Next, microwave plasma chemical vapor deposition (C
VD) A diamond crystal was placed on a support in the apparatus. The processing gas is hydrogen (H 2 ) of 1,000 sccm,
Consisted 5sccm methane and 10sccm of nitrogen (N 2). The pressure was about 70 torr, the substrate temperature was about 700-750 ° C, and the microwave power was about 3 kilowatts. In this way, the diamond crystal was coated for 3 hours. After the growth of the film was interrupted and the crystals were rolled, the film was repeatedly grown for another 3 hours to obtain a uniform film.

【0080】窒素導入CVDダイヤモンド層の厚さは約
5マイクロメートルであった。被覆結晶の圧縮破壊強さ
(CFS)をロールクラッシャー装置によって測定した
ところ、65.9ポンドであったが、これは3.8%の
増加を示している。被覆結晶の(100)面上における
ダイヤモンド層中の窒素濃度をSIMSによって測定し
たところ、62.5ppm(絶対値ではない)であっ
た。また、被覆結晶の(111)面上における窒素
(N)濃度をSIMSによって測定したところ、79.
5ppmであった。
The thickness of the nitrogen-introduced CVD diamond layer was about 5 micrometers. The compression fracture strength (CFS) of the coated crystals was measured by a roll crusher apparatus to be 65.9 pounds, indicating a 3.8% increase. The nitrogen concentration in the diamond layer on the (100) plane of the coated crystal was measured by SIMS and found to be 62.5 ppm (not an absolute value). The nitrogen (N) concentration on the (111) plane of the coated crystal was measured by SIMS.
It was 5 ppm.

【0081】SIMSによって測定された平均表面濃度
を用いて本発明の理論モデルから予測した場合、かかる
被膜は26.6MPaの接線方向圧縮応力を生じ、それ
によって得られる破壊強さの増加は1.7%となる。し
かるに、SIMSによって測定された表面窒素濃度を前
述のごとく2〜4倍に補正して考察すれば、予測される
破壊強さの増加は3.4〜6.8%となるのであって、
これは3.8%の測定値と良く一致している。
As predicted from the theoretical model of the present invention using the average surface concentration measured by SIMS, such coatings produce a tangential compressive stress of 26.6 MPa, and the resulting increase in fracture strength is 1. 7%. However, if the surface nitrogen concentration measured by SIMS is corrected to 2 to 4 times as described above and considered, the predicted increase in fracture strength is 3.4 to 6.8%.
This is in good agreement with the measured value of 3.8%.

【0082】なお、あばた、表面粗さ(図7及び8参
照)及び被膜層の不均一性(図9参照)のため、得られ
た強化効果は計算値よりもやや低くなっている。実施例2 出発原料は、当業者にとって公知の高温高圧法によって
製造された、45/50メッシュの粒度を有する市販の
ジーイー・スーパーアブレイシブズMBS970結晶
(ゼネラル・エレクトリック・カンパニイの製品)であ
った。未処理結晶中における窒素の分布は表面に約50
MPaの接線方向引張応力を生じ、それによって結晶を
弱くしている。未処理結晶の圧縮破壊強さ(CFS)を
ロールクラッシャー装置によって測定したところ、7
0.6ポンドであった。
Note that the obtained strengthening effect is slightly lower than the calculated value due to pocking, surface roughness (see FIGS. 7 and 8), and unevenness of the coating layer (see FIG. 9). Example 2 The starting material was a commercially available GE Super Abrasives MBS970 crystal with a particle size of 45/50 mesh (a product of General Electric Company) manufactured by a high-temperature high-pressure method known to those skilled in the art. . The distribution of nitrogen in the untreated crystals is approximately 50
A tangential tensile stress of MPa is created, thereby weakening the crystal. When the compressive fracture strength (CFS) of the untreated crystal was measured by a roll crusher, it was 7
0.6 pounds.

【0083】次いで、マイクロ波プラズマ化学蒸着(C
VD)装置内の支持体上にダイヤモンド結晶を配置し
た。処理ガスは900sccmの水素(H2 )から成っ
ていた。圧力は約100トル、支持体温度は約700〜
900℃、そしてマイクロ波出力は約3キロワットであ
った。このようにして、2時間にわたりダイヤモンド結
晶を水素プラズマに暴露した。水素プラズマ操作を中断
して結晶をころがした後、更に各2時間にわたり水素プ
ラズマ操作を2回繰返すことにより、水素プラズマに対
して結晶を均一に暴露した。
Next, microwave plasma chemical vapor deposition (C
VD) A diamond crystal was placed on a support in the apparatus. The processing gas consisted of 900 sccm of hydrogen (H 2 ). Pressure is about 100 Torr, support temperature is about 700-
900 ° C., and the microwave power was about 3 kilowatts. Thus, the diamond crystal was exposed to the hydrogen plasma for 2 hours. After the hydrogen plasma operation was interrupted and the crystal was rolled, the crystal was uniformly exposed to the hydrogen plasma by repeating the hydrogen plasma operation twice for an additional two hours.

【0084】被覆結晶の圧縮破壊強さ(CFS)をロー
ルクラッシャー装置によって測定したところ、75.7
ポンドであったが、これは7.2%の増加を示してい
る。水素プラズマ処理によるダイヤモンド中への水素の
取込みに関する報告文献〔エム・アイ・ランドストラス
(M.I. Landstrass) 等の論文[Appl. Phys. Lett.55, 97
5 (1989)] 、ティー・マキ(T. Maki) 等の論文[Jpn. J.
Appl. Phys. 31,L1446 (1992)]及びジー・ポポビーチ
(G. Popovici) 等の論文[J. Appl. Phys.77, 5103 (199
5)]〕に基づけば、表面水素濃度は1,000ppmに
も達すると推定される。本発明の理論モデルによれば、
拡散導入された水素原子は380MPaもの接線方向圧
縮応力を生じ、それによって得られる破壊強さの増加は
24%に達するという驚くべき結果が予測される。観測
された破壊強さの増加は十分にこの範囲内にある。
The compression crushing strength (CFS) of the coated crystal was measured using a roll crusher apparatus and found to be 75.7.
Pound, which represents a 7.2% increase. Report on the uptake of hydrogen into diamond by hydrogen plasma treatment [MI Landstrass
(MI Landstrass) et al. [Appl. Phys. Lett. 55, 97
5 (1989)] and a paper by T. Maki et al. [Jpn. J.
Appl. Phys. 31, L1446 (1992)] and G Popo Beach
(G. Popovici) et al. [J. Appl. Phys. 77, 5103 (199
5)]], the surface hydrogen concentration is estimated to reach as high as 1,000 ppm. According to the theoretical model of the present invention,
The surprising result is that the hydrogen atoms introduced by diffusion introduce tangential compressive stresses as high as 380 MPa and the resulting increase in fracture strength reaches 24%. The observed increase in fracture strength is well within this range.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】先行技術に関し、成長速度をダイヤモンド結晶
の半径に対してプロットしたグラフである。
FIG. 1 is a graph plotting growth rate versus radius of a diamond crystal for the prior art.

【図2】やはり先行技術に関し、窒素不純物レベル(単
位ppm)をダイヤモンド結晶の半径に対してプロット
したグラフである。
FIG. 2 is a graph plotting nitrogen impurity levels (in ppm) against the radius of a diamond crystal, also for the prior art.

【図3】やはり先行技術に関し、ダイヤモンドの塑性降
伏応力(実線)を温度に対してプロットしたグラフであ
る。なお、ダイヤモンド−黒鉛間の平衡線(破線)も示
されている。
FIG. 3 is also a graph plotting the plastic yield stress (solid line) of diamond versus temperature for the prior art. In addition, the equilibrium line (dashed line) between diamond and graphite is also shown.

【図4】やはり先行技術に関し、負の半径方向線形不純
物濃度勾配を有するダイヤモンド中における半径方向応
力、接線方向応力及び剪断応力を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing the radial, tangential and shear stresses in diamond having a negative radial linear impurity concentration gradient, also in the prior art.

【図5】本発明に従って正の半径方向線形不純物濃度勾
配を有するダイヤモンド中における半径方向応力、接線
方向応力及び剪断応力を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph illustrating radial, tangential and shear stresses in diamond having a positive radial linear impurity concentration gradient in accordance with the present invention.

【図6】本発明に従ってダイヤモンドの外面に隣接する
不純物の薄い外殻を有するダイヤモンド中における半径
方向応力、接線方向応力及び剪断応力を示すグラフであ
る。
FIG. 6 is a graph showing radial, tangential and shear stresses in diamond having a thin shell of impurities adjacent to the outer surface of the diamond in accordance with the present invention.

【図7】ダイヤモンドの表面上に不純物導入被膜を有す
る本発明のダイヤモンド結晶上の(111)結晶面の結
晶構造の顕微鏡写真である。
FIG. 7 is a micrograph of a crystal structure of a (111) crystal plane on a diamond crystal of the present invention having an impurity-introduced coating on the surface of the diamond.

【図8】ダイヤモンドの表面上に不純物導入被膜を有す
る本発明のダイヤモンド結晶上の(100)結晶面の結
晶構造の顕微鏡写真である。
FIG. 8 is a micrograph of a crystal structure of a (100) crystal plane on a diamond crystal of the present invention having an impurity-introduced coating on the surface of the diamond.

【図9】本発明のダイヤモンドの被膜厚さ方向の横断面
の結晶構造の顕微鏡写真である。
FIG. 9 is a micrograph of a crystal structure of a cross section in the thickness direction of the diamond of the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トーマス・リチャード・アンソニー アメリカ合衆国、ニューヨーク州、スケネ クタデイ、リンウッド・ドライブ、2142番 (72)発明者 クリフォード・ローレンス・スパイロ アメリカ合衆国、ニューヨーク州、ニスカ ユナ、トロイ−スケネクタデイ・ロード、 2801番 (72)発明者 ユエ・メング アメリカ合衆国、オハイオ州、コロンバ ス、ランニング・フォックス・ロード・2 ビー、8125番 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Thomas Richard Anthony, Inventor United States, New York, Schenectady, Lynwood Drive, No. 2142 (72) Inventor Clifford Lawrence Spiro United States, New York, Niska Yuna, Troy − Schenecta Day Road, No. 2801

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ダイヤモンド結晶の表面付近において正
のドーパント元素濃度勾配を有していて、前記ドーパン
ト元素がダイヤモンド格子の拡張を引起こしかつそれが
前記ダイヤモンド結晶の表面に接線方向圧縮応力を生じ
る結果として圧縮破壊強さの増大を示す元素導入ダイヤ
モンド結晶から成ることを特徴とするダイヤモンド結
晶。
1. A diamond material having a positive dopant element concentration gradient near the surface of the diamond crystal, wherein said dopant element causes expansion of the diamond lattice and which results in tangential compressive stress on the surface of said diamond crystal. A diamond crystal comprising an element-introduced diamond crystal exhibiting an increase in compressive fracture strength.
【請求項2】 前記ドーパント元素がホウ素、窒素、水
素、リチウム、ニッケル、コバルト、ナトリウム、カリ
ウム、アルミニウム、リン、酸素及びそれらの混合物か
ら成る群より選ばれる請求項1記載のダイヤモンド結
晶。
2. The diamond crystal according to claim 1, wherein said dopant element is selected from the group consisting of boron, nitrogen, hydrogen, lithium, nickel, cobalt, sodium, potassium, aluminum, phosphorus, oxygen, and mixtures thereof.
【請求項3】 前記結晶中における格子間原子、格子間
炭素原子及び空孔を含む不純物が存在する請求項1記載
のダイヤモンド結晶。
3. The diamond crystal according to claim 1, wherein impurities including interstitial atoms, interstitial carbon atoms, and vacancies are present in the crystal.
【請求項4】 前記ダイヤモンド結晶中の前記ドーパン
ト元素濃度が前記ダイヤモンド結晶の0〜50マイクロ
メートルの最外層中において約10〜10000ppm
の範囲内にある請求項1記載のダイヤモンド結晶。
4. The method according to claim 1, wherein the concentration of the dopant element in the diamond crystal is about 10 to 10,000 ppm in an outermost layer of 0 to 50 micrometers of the diamond crystal.
The diamond crystal according to claim 1, which is within the range of:
【請求項5】 最大2センチメートルまでの直径を有
し、結晶の最外面に向かってあるいは最外面の付近にお
いて前記結晶の中心よりも高い濃度を有する不純物を含
有していて、前記不純物濃度は前記結晶中において半径
の関数として増加し、かつ前記結晶の一小面において最
大5000メガパスカルまでの接線方向圧縮応力を有す
ることを特徴とする三次元的な小面付きのダイヤモンド
結晶。
5. An impurity having a diameter of up to 2 centimeters and having a higher concentration towards or near the outermost surface of the crystal than the center of the crystal, wherein the impurity concentration is A three-dimensional faceted diamond crystal characterized in that it increases as a function of radius in the crystal and has a tangential compressive stress of up to 5000 megapascals in one facet of the crystal.
【請求項6】 元素導入ダイヤモンドのフィルムから成
る厚さ約0.25〜50マイクロメートルの被膜を前記
ダイヤモンド結晶の外面上に有していて、前記被膜中の
不純物は下地を成す前記ダイヤモンド結晶の外面におけ
る不純物濃度である約10〜10000ppmより高い
濃度で存在する、請求項5記載の三次元的な小面付きの
ダイヤモンド結晶。
6. A diamond film having a thickness of about 0.25 to 50 μm on the outer surface of said diamond crystal, wherein impurities in said coating are made of a film of an element-introduced diamond crystal. 6. The three-dimensional faceted diamond crystal according to claim 5, wherein the diamond crystal is present at a concentration higher than the impurity concentration of about 10 to 10000 ppm on the outer surface.
【請求項7】 不純物濃度が約1〜10000ppmの
範囲内となるようにイオン注入又は放射線処理を受けた
表面を有する、請求項5記載の三次元的な小面付きのダ
イヤモンド結晶。
7. The three-dimensional faceted diamond crystal according to claim 5, having a surface that has been subjected to ion implantation or radiation treatment so that the impurity concentration is in the range of about 1 to 10,000 ppm.
【請求項8】 約10〜5000メガパスカルの範囲内
の接線方向圧縮応力が前記ダイヤモンド結晶中の既存の
接線方向引張応力に重ね合わされる、請求項5記載の三
次元的な小面付きのダイヤモンド結晶。
8. The three-dimensional faceted diamond of claim 5, wherein a tangential compressive stress in the range of about 10 to 5000 megapascals is superimposed on an existing tangential tensile stress in the diamond crystal. crystal.
【請求項9】 結晶の外面から約0.25〜50マイク
ロメートルの深さで約10〜10000ppmの範囲内
にある濃度で前記外面を強化する不純物を含有しかつ最
大約2センチメートルまでの直径を有する三次元的なダ
イヤモンド結晶を高温高圧法によって成長させる工程を
含む、一小面において最大約5000メガパスカルまで
の接線方向圧縮応力を有するダイヤモンド結晶の製造方
法。
9. A diameter of up to about 2 centimeters containing impurities that enhance the outer surface at a concentration within the range of about 10 to 10,000 ppm at a depth of about 0.25 to 50 micrometers from the outer surface of the crystal. A method for producing a diamond crystal having a tangential compressive stress of up to about 5000 megapascals on one facet, comprising a step of growing a three-dimensional diamond crystal having the following by a high-temperature and high-pressure method.
【請求項10】 最大約2センチメートルまでの直径を
有する三次元的な小面付きのダイヤモンド結晶を生成さ
せる工程と、前記ダイヤモンド結晶の最外面に約10〜
10000ppmの量の不純物を前記最外面から約0.
25〜50マイクロメートルの深さまで導入することに
より、前記結晶の少なくとも1つの小面に最大約500
0メガパスカルまでの接線方向圧縮応力を発生させる工
程とを含むことを特徴とする、圧縮破壊強さの向上した
ダイヤモンドの製造方法。
10. A process for producing a three-dimensional faceted diamond crystal having a diameter of up to about 2 centimeters, wherein about 10 to 10
Impurities in an amount of 10000 ppm from the outermost surface to about 0.
By introducing to a depth of 25 to 50 micrometers, a maximum of about 500
Generating a tangential compressive stress of up to 0 megapascals.
【請求項11】 イオン又は電子衝撃による放射線損傷
が格子間原子、格子間炭素原子及び空孔を生み出すこと
によって前記ダイヤモンドの最外面の膨張が得られる、
請求項10記載の圧縮破壊強さの向上したダイヤモンド
の製造方法。
11. Radiation damage due to ion or electron bombardment creates interstitial atoms, interstitial carbon atoms and vacancies, resulting in expansion of the outermost surface of the diamond.
A method for producing a diamond having improved compressive fracture strength according to claim 10.
【請求項12】 前記ダイヤモンド結晶を高温高圧法に
よって成長させた後、前記ダイヤモンド結晶を高温高圧
法によって再び成長させることによって不純物の導入さ
れたダイヤモンド層が最外面に形成される、請求項10
記載の圧縮破壊強さの向上したダイヤモンドの製造方
法。
12. The diamond layer into which impurities are introduced is formed on the outermost surface by growing the diamond crystal by a high-temperature and high-pressure method and then growing the diamond crystal again by a high-temperature and high-pressure method.
A method for producing diamond having improved compressive fracture strength as described above.
【請求項13】 熱水成長、電気化学的成長、液相固体
源成長又は溶融塩成長によって前記不純物が層状に導入
される、請求項10記載の圧縮破壊強さの向上したダイ
ヤモンドの製造方法。
13. The method according to claim 10, wherein the impurities are introduced in a layer form by hydrothermal growth, electrochemical growth, liquid-phase solid source growth or molten salt growth.
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