KR20180033529A - 다이아몬드 다이스 - Google Patents

다이아몬드 다이스 Download PDF

Info

Publication number
KR20180033529A
KR20180033529A KR1020187004566A KR20187004566A KR20180033529A KR 20180033529 A KR20180033529 A KR 20180033529A KR 1020187004566 A KR1020187004566 A KR 1020187004566A KR 20187004566 A KR20187004566 A KR 20187004566A KR 20180033529 A KR20180033529 A KR 20180033529A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
diamond
crystal
single crystal
plane
defect
Prior art date
Application number
KR1020187004566A
Other languages
English (en)
Inventor
마코토 유카와
분야 스에미츠
다쿠야 기노시타
시게토시 스미모토
유타카 고바야시
아키히코 우에다
나츠오 다츠미
요시키 니시바야시
히토시 스미야
Original Assignee
스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
스미토모덴키고교가부시키가이샤
가부시끼가이샤 아라이도 마테리아루
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤, 스미토모덴키고교가부시키가이샤, 가부시끼가이샤 아라이도 마테리아루 filed Critical 스미또모 덴꼬오 하드메탈 가부시끼가이샤
Publication of KR20180033529A publication Critical patent/KR20180033529A/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C3/00—Profiling tools for metal drawing; Combinations of dies and mandrels
    • B21C3/02—Dies; Selection of material therefor; Cleaning thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C3/00—Profiling tools for metal drawing; Combinations of dies and mandrels
    • B21C3/02—Dies; Selection of material therefor; Cleaning thereof
    • B21C3/025—Dies; Selection of material therefor; Cleaning thereof comprising diamond parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C37/00—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape
    • B21C37/04—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape of bars or wire
    • B21C37/047—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape of bars or wire of fine wires
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/26—Deposition of carbon only
    • C23C16/27—Diamond only
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/56—After-treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-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
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/10—Heating of the reaction chamber or the substrate
    • C30B25/105—Heating of the reaction chamber or the substrate by irradiation or electric discharge
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-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
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
    • C30B25/20—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate the substrate being of the same materials as the epitaxial layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-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
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
    • C30B25/20—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate the substrate being of the same materials as the epitaxial layer
    • C30B25/205—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate the substrate being of the same materials as the epitaxial layer the substrate being of insulating material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-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
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/04—Diamond
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-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
    • C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B33/06—Joining of crystals

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Metal Extraction Processes (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

선재의 신선 가공을 행하기 위한 구멍이 다이아몬드에 마련된 다이아몬드 다이스로서, 다이아몬드는 CVD 단결정 다이아몬드이며, 구멍의 축은 다이아몬드의 결정면의 법선 방향에 대하여 경사져 있다.

Description

다이아몬드 다이스
본 출원은, 2015년 7월 22일 출원의 일본 출원 제2015-145027호에 기초하는 우선권을 주장하고, 상기 일본 출원에 기재된 모든 기재 내용을 원용하는 것이다. 본 발명은 다이아몬드 다이스에 관한 것이다.
종래, 다이스는 특허문헌 1∼4에 개시되어 있다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2002-102917호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허 공개 평4-127913호 공보 특허문헌 3 : 일본 특허 공개 평6-170435호 공보 특허문헌 4 : 일본 특허 공표 제2006-518699호 공보
본 개시의 일양태에 관한 다이아몬드 다이스는, 선재의 신선 가공을 행하기 위한 구멍이 다이아몬드에 마련된 다이아몬드 다이스로서, 상기 다이아몬드는 CVD 단결정 다이아몬드이며, 상기 구멍의 축은 상기 다이아몬드의 결정면의 법선 방향에 대하여 경사져 있는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 다이아몬드 다이스의 평면도이다.
도 2는 도 1 중의 Ⅱ-Ⅱ선을 따르는 단면도이다.
도 3은 도 2 중의 다이아몬드를 확대하여 나타내는 단면도이다.
도 4는 단결정 다이아몬드(20)의 결정 결함을 나타내는 도면이다.
도 5는 다이아몬드 종결정(10) 및 단결정 다이아몬드(20)의 결정 결함을 나타내는 도면이다.
도 6은 다이아몬드 종결정(10) 및 단결정 다이아몬드(20)의 결정 결함을 나타내는 도면이다.
도 7은 다이아몬드 종결정(10) 및 단결정 다이아몬드(20)의 결정 결함을 나타내는 도면이다.
도 8은 결정면의 배치를 나타내는 사시도이다.
도 9는 절단면(201)을 설명하기 위해 나타내는 단결정 다이아몬드(20)의 사시도이다.
도 10은 절단면(201)을 설명하기 위해 나타내는 단결정 다이아몬드(20)의 평면도이다.
도 11은 본 발명품의 다이아몬드 다이스와 비교품의 다이아몬드 다이스로 신선 가공했을 때의 신선 거리에 대한 구멍 직경의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명품의 다이아몬드 다이스와 비교품의 다이아몬드 다이스로 신선 가공했을 때의 마모량을 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명품의 다이아몬드 다이스에서의 (110)면으로부터의 기울기에 대한 마모량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 14는 절단면(202)을 설명하기 위해 나타내는 단결정 다이아몬드(20)의 사시도이다.
도 15는 절단면(202)을 설명하기 위해 나타내는 단결정 다이아몬드(20)의 평면도이다.
도 16은 절단면(203)을 설명하기 위해 나타내는 단결정 다이아몬드(20)의 사시도이다.
도 17은 절단면(203)을 설명하기 위해 나타내는 단결정 다이아몬드(20)의 사시도이다.
[본 개시가 해결하고자 하는 과제]
특허문헌 1에서는, 단결정 다이아몬드를 사용한 다이스가 기재되어 있다. 단결정 다이아몬드로서 천연 다이아몬드를 사용하는 경우, 최근에는 고품질의 천연 다이아몬드 소재를 안정적으로 입수할 수 없게 되었다는 문제가 있다. 그 때문에, 고온 고압 합성 다이아몬드 등의 인조 다이아몬드를 사용하는 것이 고려되지만, 인조 다이아몬드를 사용한 다이아몬드 다이스는 천연 다이아몬드를 사용한 다이아몬드 다이스에 비교하면, 신선하는 선재의 재질에 따라서는 구멍의 마모가 크고, 수명이 짧아지는 경우가 있었다. 또한, 단결정 다이아몬드 다이스의 경우, 결정 방위를 어떤 방향으로 어떻게 설정할지에 따라, 구멍의 마모가 빨라지거나 혹은 편마모가 발생하기 쉬워지는 등의 현상이 나타나고, 다이스의 수명이 짧아지는 일이 발생할 수 있다.
한편, 다결정 다이아몬드인 다이아몬드 소결체를 사용한 다이아몬드 다이스도 있지만, 선재의 표면 거칠기가 단결정 다이아몬드를 사용한 다이스에 비교해서 나빠지기 때문에, 선재의 품질이 요구되는 분야에서는 그다지 사용되지 않는 것이 현상황이다.
이러한 문제를 해결하는 것으로서, 특허문헌 2∼4에 기재된 CVD 다이아몬드를 사용한 다이아몬드 다이스를 사용하는 것이 고려되었다.
그러나, 특허문헌 2∼4에 기재된 다이아몬드 다이스를 사용하더라도, 신선 가공한 선재의 표면 거칠기가 양호하고 고수명인 다이아몬드 다이스를 용이하게 얻을 수 있는 것이 아니며, 특허문헌 3에 구멍 형상의 일례가 개시되어 있지만, 반드시 바람직한 형상이라고는 할 수 없다.
또한, 특허문헌 4에는, 다이스의 내면, 즉 구멍의 면이 마모 표면이 되고, 마모 표면의 마모율을 저감하기 위해, 이 면의 결정면을 (100)면, (113)면, (111)면, (110)면 등 여러가지 면으로 하는 것이 기재되어 있다. 단면 형상이 둥근 구멍을 갖는 일반적인 다이스의 경우, 전술한 바와 같이 설정하는 결정면에 따라서도 마모의 상황은 변화하여, 안정적으로 마모를 저감시킬 수 없다는 것이 고려되고, 구멍의 일부가 박리되어 선재의 표면 거칠기가 악화되거나 신선 가공시에 단선되는 등의 트러블도 발생할 수 있다.
이상의 점에서, 본 개시는, 고정밀도의 다이아몬드 다이스의 수명을 안정적으로 향상시켜, 선재의 품질 향상이나 신선 가공시의 단선을 방지할 수 있는 다이아몬드 다이스를 제안하는 것이다.
[본 발명의 실시형태의 설명]
처음에 본원발명의 실시양태를 열기하여 설명한다.
본 발명의 일양태에 관한 다이아몬드 다이스는, 선재의 신선 가공을 행하기 위한 구멍이 다이아몬드에 마련된 다이아몬드 다이스로서, 상기 다이아몬드는 CVD 단결정 다이아몬드이며, 상기 구멍의 축은 상기 다이아몬드의 결정면의 법선 방향에 대하여 경사져 있는 것이다.
이와 같이, 다이아몬드에 형성된 구멍의 축이 다이아몬드의 결정면의 법선 방향에 대하여 경사져 있음으로써, 신선 가공시에 선재로부터 리덕션부나 베어링부에 가해지는 구멍의 축방향의 응력에 대하여 벽개면이 비스듬해지기 때문에, 다이아몬드가 벽개되기 어렵고, 구멍의 일부가 박리되는 등의 상황이 발생하기 어려워진다.
바람직하게는, 다이아몬드에 형성된 구멍의 축이 다이아몬드의 결정면의 법선 방향에 대하여 0.1∼15°, 보다 바람직하게는 1∼8°, 더욱 바람직하게는 1∼5° 경사져 있으면, 상기 효과는 현저해져 바람직하다. 또한, CVD 단결정 다이아몬드 소재를 사용함으로써, 결정면을 경사지게 하는 제어를 용이하게 할 수 있기 때문에, 천연 다이아몬드나 고온 고압 합성 다이아몬드에서는 얻을 수 없는 효과를 얻을 수 있다.
CVD 단결정 다이아몬드 소재를 사용함으로써, 결정면을 경사지게 하는 제어를 용이하게 할 수 있는 이유를 이하에 설명한다.
CVD 단결정 다이아몬드 소재는, 통상의 경우, 단결정 다이아몬드의 하지 기판 상에 호모에피택셜 성장시키고 하지 기판을 분리함으로써 얻어진다.
단결정 다이아몬드는 천연이나, 고온 고압 합성(HPHT)법 혹은 기상 합성(CVD)법으로 제작한 것이어도 좋다. 또한, 단결정 다이아몬드 중의 불순물인 질소의 혼입 형태에 따라 타입이 구별되지만, Ia형, Ib형, IIa형, IIb형 등 어느 타입이라도 하지 기판으로서 사용 가능하다. 호모에피택셜 성장시키는 방법은, 마이크로파 플라즈마 CVD법, 열필라멘트 CVD법, 직류 방전 플라즈마 CVD법, 아크 방전 제트 CVD법, 고주파 플라즈마 CVD법 등이 있지만, 모든 성장 방법에서 사용 가능하다. 하지 기판으로부터의 분리는, 레이저를 이용한 절단 가공법을 이용할 수 있다.
호모에피택셜 성장에서는, 얻어지는 CVD 단결정 다이아몬드 소재의 품질을 좌우하는 요소의 하나로서, 하지 기판의 결정면 방위를 들 수 있다. 고품질로 성장할 수 있는 하지 기판의 결정면으로서 (100)면이 있지만, 반드시 (100)면을 사용하여 성장시킨다는 것은 아니며, 가스 유량이나 하지 기판 온도 등 그 밖의 성장 조건에 따라 적당한 결정면이 존재하고, 그 면으로서 (100)면으로부터 20° 이내의 각도로 경사지게 한 오프면을 이용한다.
따라서, 상기와 같이 결정면 방위가 정밀하게 컨트롤된 하지 기판을 이용한 경우, 호모에피택셜 성장으로 얻어지는 CVD 단결정 다이아몬드는, 결정 방위의 파악이 용이하기 때문에, 다이아몬드 다이스에 사용할 때의 가공에 있어서도, 결정면을 경사지게 하는 제어를 용이하게 할 수 있다.
바람직하게는, 본원발명의 일양태는, 상기 다이아몬드의 상하면은 (110)면에 대하여 0.1∼15° 경사진 면이다. 상하면이란, 다이아몬드의 상면 및 하면을 의미하며, 상면으로부터 하면까지 다이스의 구멍이 관통한다.
이와 같이 경사진 면으로 함으로써, 구멍의 편마모가 발생하기 어려워지고 진원도도 악화되기 어려워지기 때문에, 수명이 향상된다. 보다 바람직하게는, 상기 다이아몬드의 상하면은 (110)면에 대하여 1∼8°, 더욱 바람직하게는 1∼5° 경사진 면으로 한다.
바람직하게는, 상기 다이아몬드의 상하면은 (100)면에 대하여 0.1∼15° 경사진 면이다.
이와 같이 경사진 면으로 함으로써, 구멍의 편마모가 발생하기 어려워지고 진원도도 악화되기 어려워지기 때문에, 수명이 향상된다. 보다 바람직하게는, 상기 다이아몬드의 상하면은 (100)면에 대하여 1∼8°, 더욱 바람직하게는 1∼5° 경사진 면으로 한다.
바람직하게는, 상기 다이아몬드의 상하면은 (111)면에 대하여 0.1∼15° 경사진 면이다.
이러한 방위의 결정면으로 함으로써, 편마모가 발생하기 어려운 상태를 유지한 채로, 구멍의 마모가 억제되고, 구멍 직경이 확대되기 어려워지는 효과를 얻을 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 다이아몬드의 상하면은 (111)면에 대하여 1∼8°, 더욱 바람직하게는 1∼5° 경사진 면으로 한다.
바람직하게는, 상기 구멍은, 상기 구멍을 규정하도록, 선재의 흐름의 상류측으로부터 하류측을 향하여 리덕션부, 직경 D의 베어링부, 백릴리프부 및 엑시트부를 가지며, 상기 구멍의 축을 따르는 단면에서의 구멍의 형상에 있어서, 베어링부의 길이는 0.4 D 이상 1.5 D 이하인 것이다.
이와 같이 베어링부를 통상보다 길게 함으로써, 본원발명과 같은 소재 및 형상의 다이스라 하더라도 마모되기 어려워져 구멍의 내마모성이 향상되고, 진원도가 변화하기 어려워짐과 함께, 베어링부의 일부가 박리되는 현상도 발생하기 어려워진다.
바람직하게는, 상기 직경 D가 50 ㎛ 미만이고, 상기 백릴리프부로부터 엑시트부에 걸친 구멍의 단면 형상은 오목형의 곡선 형상이다.
이러한 구멍 형상으로 함으로써, 신선 가공시의 가공 부스러기가 배출되기 쉬워져, 가공 부스러기가 맞물려 들어가는 것에 의한 편마모의 발생이나 선재 표면의 손상의 발생을 방지할 수 있다.
바람직하게는, 상기 다이아몬드 다이스는 신선 가공을 행할 때의 감면율을 8% 이상 25% 이하로 하여 사용된다.
감면율을 8% 이상으로 하는 것은, 상기 구멍 형상으로 효율적으로 신선 가공을 행하기 위해 필요하기 때문이고, 25% 이하로 하는 것은 신선 가공시의 저항이 커져 단선되는 것을 방지하기 위해서이다. 이상과 같은 감면율로 신선 가공을 행함으로써, 상기 구멍 형상의 다이아몬드 다이스를 사용하는 경우에, 신선 가공시의 저항은 효과적으로 억제되고, 수명을 연장시킬 수 있음과 함께, 신선 가공시에 단선되는 것을 방지할 수 있다.
바람직하게는, 다이아몬드 다이스는, 구리계 금속선, 철계 금속선, 금선, 은선, 황동선, 알루미늄선, 알루미늄 합금선, 텅스텐선 등의 금속선, 또는 이들 선에 각종 금속 도금을 행한 선 중의 어느 것의 신선 가공에 이용되는 것이다.
이러한 선재의 신선 가공을 행하는 경우에, 상기 다이아몬드 다이스를 사용하면, 마모 속도가 느리고 편마모는 효과적으로 억제되어 수명을 연장시킬 수 있음과 함께, 신선 가공한 선재를 고품질로 마무리할 수 있다.
이와 같은 다이아몬드 다이스의 특징을 유효하게 끌어내기 위해서는, 이하와 같은 특징을 갖는 CVD 단결정 다이아몬드를 이용하는 것이 바람직하다. 단결정 다이아몬드에 있어서는, 결정 성장 주면에 관한 X선 토포그래피 이미지에 있어서 결정 결함이 존재를 나타내는 결정 결함선이 결정 성장 주면에 도달하는 선단의 점인 결정 결함점의 군이 집합하여 존재한다.
바람직하게는, 다이아몬드의 결정면은, (110)면, (100)면 및 (111)면 중의 어느 것이다. 이 경우에는, 다이아몬드 다이스의 마모를 확실하게 억제하는 것이 가능해진다.
본원발명의 다이아몬드 다이스에 의하면, 다이아몬드 다이스의 비용을 높이지 않고, 수명이나 신선한 선재의 품질을 향상시킬 수 있고, 단선이 발생하기 어려운 신선 가공을 행하는 것이 가능해진다.
본원발명의 일양태에 관한 실시형태에 관해, 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은, 본 발명의 실시형태에 따른 다이아몬드 다이스의 평면도이다. 도 2는, 도 1 중의 Ⅱ-Ⅱ선을 따르는 단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하여, 다이아몬드 다이스(4)는, 중심에 위치하는 다이아몬드(1)와, 다이아몬드(1)의 둘레에 마련된 다이아몬드(1)를 유지하는 소결 합금(2)과, 소결 합금(2)을 유지하는 케이스(3)를 갖는다.
다이아몬드(1)는 소결 합금(2)에 감합되는 형태로 고정되어 있다. 다이아몬드(1)는, 화학적 기상 합성법에 의해 합성된 CVD 다이아몬드로 이루어진 다이아몬드 단결정체이며, 일정한 두께가 되도록 연마된 판형상이다.
도 3은, 도 2 중의 다이아몬드를 확대하여 나타내는 단면도이다. 도 3을 참조하여, 다이아몬드(1)는 입구(11) 및 출구(12)를 가지며, 입구(11)로부터 출구(12)로 향하는 구멍(14)이 형성된다. 그리고, 다이아몬드(1)는, 입구(11)측으로부터 벨부(1a), 어프로치부(1b), 리덕션부(1c), 베어링부(1d), 백릴리프부(1e) 및 엑시트부(1f)를 갖는다. 다이아몬드(1)에 구멍(14)이 형성됨으로써 입구(11)측으로부터 선재가 삽입되고, 선재는 출구(12)측으로 빠진다.
측벽(13)의 경사는 중심축으로서의 축(15)에 대하여 서서히 변화하고 있다. 또, 도 3에 나타내는 단면에서는, 구멍(14)은 축(15)에 대하여 대칭인 형상으로 구성되어 있다. 베어링부(1d)에 근접함에 따라 구멍의 직경은 작아진다. 또한, 구멍(14)을 규정하는 측벽(13)의 기울기는 베어링부(1d)에 근접함에 따라 작아지고, 베어링부(1d)에 근접함에 따라 측벽(13)과 축(15)이 이루는 각이 작아진다. 베어링부(1d)와 리덕션부(1c)의 경계부를 구성하는 곡면은, 매끄러운 곡선의 조합으로 구성된다. 베어링부(1d)에서의 구멍(14)의 내경을 D로 하고, 축(15)을 포함하는 축(15)과 평행한 면으로 다이아몬드 다이스(4)를 절단했을 때 나타나는 단면(도 2의 단면)에 있어서, 베어링부의 길이는 0.4 D 이상 1.5 D 이하이다. 베어링부(1d)에 이어서 구멍의 직경이 커지는 백릴리프부(1e)가 마련되고, 또한 출구(12)측에는 오목형의 곡선 형상으로 형성되는 엑시트부(1f)가 마련된다.
다이아몬드(1)에는, 축(15)에 수직인 상면(5)이 입구(11)측에 마련되고, 축(15)에 수직인 하면(6)이 출구(12)측에 마련된다. 상면(5) 및 하면(6)은 (110)면에 대하여 0.1∼15° 경사진 면으로 이루어져 있고, 축(15)방향의 결정 방위는 <110> 방위에 대하여 0.1∼15° 각도의 방위로 되어 있다. 구멍(14)은, 상면(5)으로부터 하면(6)까지 관통하고 있다.
다이아몬드의 결정면에 평행한 방향으로 응력을 가한 경우, 결정면에서 벽개되기 쉽지만, 응력이 가해지는 방향이 결정면에 대하여 0.1°라도 경사져 있으면 벽개되기 어려워진다.
다이스의 경우, 신선 가공시에는 리덕션의 처음에 선재가 접촉하는 부분과 베어링부의 축방향으로 응력이 가해진다. 리덕션부에서는 선접촉으로 응력이 가해지고, 베어링부에서는 면접촉으로 응력이 가해진다.
베어링부는 축방향과 평행한 면이며, 이 면이 결정면과 평행하면, 벽개되기 쉬운 (111)면이, 경면 대칭이며 회전 2회 대칭인 4곳(축방향 <110>의 경우) 혹은 회전 3회 대칭인 3곳(축방향 <111>의 경우), 회전 4회 대칭인 4곳(축방향 <100>의 경우)에서 약한 점이 나타난다. 0.1°라도 오프되어 있으면, 이 대칭성이 무너져 약한 점의 총수가 감소하고, 벽개면에 최대 응력이 발생할 확률이 극단적으로 저하되어, 벽개되기 어려워진다. 더구나, 결정면이 평행하면, 약한 점이 축방향에도 일치한 위치가 되지만, 0.1°라도 오프되어 있으면, 전후로 크게 틀어져(직경 방향의 곡률이 작을수록 크게 틀어지고, 베어링 길이 정도에 도달함) 최대 응력의 포인트를 벗어나기 쉬워진다. 이 효과는, 마모의 비대칭성을 보충하고도 남는다는 것이 발견되었다. 특히, 구멍의 축방향이 <110> 방향인 경우는, 벽개(111)면과 응력 방향의 벡터가 맞기 쉬워 효과가 보다 크다. 더구나, 베어링부에서는 선재 표면과 베어링면은 면접촉이므로 응력은 매우 커진다.
따라서, 다이스의 베어링부는 결정면에 대하여 0.1°라도 경사져 있으면 벽개 방지의 효과는 매우 높아진다.
이상의 다이아몬드 다이스는, 감면율이 8% 이상 25% 이하가 되도록 선재의 직경을 선정하여 사용된다. 또한, 이 다이아몬드 다이스는, 구리계 금속선, 철계 금속선, 금선, 은선, 황동선, 알루미늄선, 알루미늄 합금선, 텅스텐선 등의 금속선, 또는 이들 선에 각종 금속 도금을 행한 선 등의 신선 가공에 사용된다.
상기 다이아몬드 다이스는, 선직경이 10 ㎛∼500 ㎛ 정도인 각종 선재의 신선 가공에 있어서 효과를 얻을 수 있다.
본원발명의 하나의 실시형태에 관한 단결정 다이아몬드는 이하의 것이 바람직하다. 즉, 결정 성장 주면에 관한 X선 토포그래피 이미지에 있어서 결정 결함의 존재를 나타내는 결정 결함선이 결정 성장 주면에 도달하는 선단의 점인 결정 결함점의 군이 집합하여 존재하고, 결정 결함점의 밀도를 2 mm-2보다 크게 할 수 있다. 이러한 단결정 다이아몬드는, 결정 결함점의 밀도가 2 mm-2보다 크기 때문에, 결함이 없는 단결정 다이아몬드와 비교하여 결정 결함선에 의한 응력 완화에 의해 큰 결손의 발생이 억제된다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드는 이하의 것이 바람직하다. 즉, 결정 결함점 중, 복수의 날형 전위 및 복수의 나선 전위 중 적어도 어느 하나가 복합된 복합 전위가 결정 성장 주면에 도달하는 선단의 점인 복합 전위점의 밀도를 2 mm-2보다 크게 할 수 있다. 이러한 단결정 다이아몬드는, 복합 전위가 결정 성장 주면에 도달하는 선단의 점인 복합 전위점의 밀도가 2 mm-2보다 크기 때문에, 또한, 복합 전위에 의한 응력 완화의 효과가 크기 때문에, 큰 결손의 발생이 더욱 억제된다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드는 이하의 것이 바람직하다. 즉, 복수의 단결정 다이아몬드층을 포함할 수 있다. 이러한 단결정 다이아몬드는, 복수의 단결정 다이아몬드층을 포함한다는 점에서, 결정 결함선의 형성이 촉진되기 때문에, 큰 결손의 발생이 더욱 촉진된다.
구체적으로는, 상기 단결정 다이아몬드의 결정 결함선이 경계인 단결정 다이아몬드층에 도달한 점인 결정 결함점을 기점으로 하여, 복수의 결정 결함선으로 분기되는 구조로 한다. 그 결과, 단결정 다이아몬드의 층수가 증가할 때마다 한쪽의 주면을 향해 결정 결함선이 증가하는 구조이다.
본원발명의 하나의 실시형태에 관한 단결정 다이아몬드는 이하의 것이 바람직하다. 즉, 결정 성장 주면에 관한 X선 토포그래피 이미지에 있어서 결정 결함이 존재하는 선을 나타내는 결정 결함선이 결정 성장 주면에 도달하는 선단의 점인 결정 결함점의 군이 집합하여 선형으로 연장되는 결정 결함 선형 집합 영역이 복수 병렬하여 존재한다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드는 이하의 것이 바람직하다. 즉, 불순물 원자로서 1 ppm 이상의 질소 원자를 함유할 수 있다. 이러한 단결정 다이아몬드는, 불순물 원자로서 1 ppm 이상의 질소 원자를 함유하고 있고, 이러한 질소 원자는, 이지러짐 또는 균열의 기점이 되지 않는 고립 치환형의 질소 원자가 아니라, 이지러짐 또는 균열의 기점이 되는 응집형의 질소 원자이지만, 다수의 결정 결함선에 의한 응력 완화로 인해 큰 결손의 발생이 억제된다. 또한 이지러짐의 신전을 교란하기 위해, 바람직하게는 3 ppm 이상의 질소 원자이다. 더욱 바람직하게는 30 ppm 이상의 질소 원자이다. 단, 질소 원자가 지나치게 많으면 결정 결함선의 밀도가 많더라도 응력 완화가 충분하지 않기 때문에, 1000 ppm 이하가 바람직하다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드는 이하의 것이 바람직하다. 즉, 그 두께를 500 ㎛로 하거나, 혹은 500 ㎛로 환산하여, 광학적으로 평가할 수 있을 정도로(표면 산란이 2% 이하로) 경면 연마했을 때의, 400 nm의 광의 투과율이 60% 이하가 될 수 있다. 이러한 단결정 다이아몬드는, 상기 결함과 상기 불순물의 상승 효과에 의해, 400 nm 이하의 파장에 있어서 흡수가 생기고 투과율이 저하된다. 이 효과에 의해, 큰 결손의 발생이 억제된다.
<단결정 다이아몬드 소재의 실시형태의 상세>
다이스를 구성하는 단결정 다이아몬드는, 이하의 특성을 갖는 것이 바람직하다. 이 특성을 갖고 있지 않아도 좋다.
[단결정 다이아몬드]
도 4 및 도 5를 참조하여, 본 실시형태의 단결정 다이아몬드(20)는, 결정 성장 주면(20m)에 관한 X선 토포그래피 이미지에 있어서 결정 결함(20d)이 존재하는 선을 나타내는 결정 결함선(20dq)(예컨대 전위선 등)이 단결정 다이아몬드(20)의 적어도 있는 하나의 면에 도달하는 선단의 점인 결정 결함점(20dp)의 군이 집합하여 존재한다. 여기서, 결함점의 군이 집합한다는 표현은, 본원발명에서는 조금 파고든 내용이다. 즉, 결정 결함점은 하나의 기점으로부터 분기된 복수의 결함점 또는 이들의 도중에서 분기된 결함점의 집합을 하나의 군으로 하고, 다른 기점에서 유래한 것은 별도의 군으로 한다. 따라서, 동일한 군을 전부 포함하는 최소의 원을 군의 영역으로 하면, 어떤 군의 영역과 별도의 군의 영역이 접촉 혹은 중복되는 경우에 군이 집합해 있다고 표현한다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드(20)에 있어서, 결정 결함점(20dp) 및 결정 결함선(20dq)은, X선 토포그래피 이미지에 있어서 이들의 존재가 표시된다. 즉, 결정 결함점(20dp) 및 결정 결함선(20dq)은, 결정의 이들 이외의 부분(결함이 보다 적은 부분, 즉, 결정성이 높은 부분)에 비교해서 X선의 반사 강도가 높기 때문에, X선 토포그래피 이미지에 있어서, 포지티브 이미지의 경우는 암부로서, 네거티브 이미지의 경우는 명부로서 이들의 존재가 표시된다. 결정 결함선은 암부나 명부가 선형으로서, 결정 결함점은 결정의 표면과 결정 결함선의 교점으로서 나타난다.
[결정 결함]
여기서, 결정 결함(20d)에는, 점결함, 전위, 결손, 균열, 결정 왜곡 등의 각종 결함이 포함된다. 또한, 전위에는, 날형 전위, 나선 전위, 복수의 날형 전위 및 복수의 나선 전위 중 적어도 어느 것이 복합된 복합 전위 등이 포함된다.
이들 전위 등으로 이루어진 결정 결함선(20dq)은 새롭게 발생하거나, 결정 성장 주면(20m)에 도달했을 때에 선이 정지한다. 결정 성장 주면(20m)에 도달한 측을 결정 결함점(20dp)이라고 부르고, 본원발명에서는 결정 결함점(20dp)을 세어 밀도를 정의한다. 본원발명과 같이 104개 이상의 결정 결함점(20dp)을 세는 것은 사실상 불가능하므로, 다음과 같이 범위를 한정하여, 적어도 5개소의 평균치를 취한다. 결정 결함점(20dp)이 10개/㎟ 미만인 경우는, 결정 전체에서 결정 결함점(20dp)을 세고, 결정 전체의 면적으로 나누어 mm-2 단위로 환산한다. 10개/㎟ 이상 100개/㎟ 미만인 경우는 사방 1 mm의 영역을, 102개/㎟ 이상 5×102개/㎟ 미만이면 사방 500 ㎛의 영역을, 5×102개/㎟ 이상 3×103개/㎟ 미만이면 사방 200 ㎛의 영역을, 3×103개/㎟ 이상 104개/㎟ 미만이면 사방 140 ㎛의 영역을, 104개/㎟ 이상 2×104개/㎟ 미만이면 사방 100 ㎛의 영역을, 2×104개/㎟ 이상이면 사방 50 ㎛ 등 범위를 한정하여 결정 결함점(20dp)을 세고, mm-2 단위로 환산한다. 이 때, 결정 결함점(20dp)을 세는 영역은, 반드시 결정 결함 집합 영역(20r)을 포함하는 개소로 한다. 결정 결함 집합 영역(20r)이란, 결정 결함점(20dp)의 군의 집합한 영역을 말한다. 결정 결함 집합 영역(20r)이 선형으로 되어 있는 경우, 결정 결함 선형 집합 영역이라고 부른다. 결정 결함선(20dq)이 정지한 부분의 어느 쪽이 결정 성장 주면에 도달했을지 모르는 경우는, 투과형의 X선 토포그래피 이미지의 입사각과 회절면을 변경하거나, 혹은 반사형의 X선 토포그래피의 촬영도 행함으로써, 결정 결함점을 명확화한다.
한편, 결정 결함선(20dq)은, 결정 성장면에서는 결정 결함점(20dp)이 되기 때문에, 결정 성장면 부근에서의 결정 결함선(20dq)의 밀도는 결정 결함점(20dp)의 밀도와 같다. 결정 결함선(20dq)은, 결정 내부에도 존재하며, 임의의 면과의 교점도 존재한다. 이 교점의 밀도는, 그 면에서의 결정 결함선의 밀도에 해당한다. 임의의 면이란, 층형으로 성장하고 있는 경계면 등을 상정할 수 있다.
결정 결함 집합 영역(20r)은, 결정 결함(20d)이 존재하는 선인 결정 결함선(20dq)의 선단의 점인 결정 결함점(20dp)이 결정 성장 주면(20m)에 있어서 선형으로 집합함으로써 형성되어 있다. 이 때문에, 결정 결함 집합 영역(20r)은, 단결정 다이아몬드(20)의 결정 성장 방향에 평행한 방향(즉, 결정 성장 주면(20m)에 수직인 방향)으로 투과형으로 측정된 X선 토포그래피 이미지에 있어서는, 결정 결함선(20dq)이 중복된 이미지가 되므로, 결정 결함점(20dp)의 집합 상태가 판명되기 어려워지기 때문이다. 본원발명에서는 고밀도의 결정 결함점(20dp)을 관찰할 필요가 있다는 점에서, X선 토포그래피 이미지는 방사광의 X선을 이용하는 것이 바람직하다. 투과형으로 측정하는 경우는, 예컨대 파장 7.1 nm의 X선을 이용하고, 2 Theta=32.9도의 (220) 회절을 이용하여 측정한다. 또한 반사형에서는 9.6 nm의 파장이며 2 Theta=52.4도의 (113) 회절을 이용하여 측정해도 좋다. 상기와 같이 결정 결함점(20dp)이 명확하지 않은 경우는, 파장을 바꾸고 회절각을 바꿔 촬영함으로써 특정한다. 마찬가지로 실험실계의 X선 회절 장치를 이용하여 측정해도 좋고, 예컨대 Mo 선원에서 (111) 회절을, Cu 선원에서 (113) 회절을 관찰해도 좋지만, 고해상도로 촬영하기 위해서는 긴 측정 시간이 필요하다. 측정에는 CCD 카메라를 사용하는 것도 가능하지만, 해상도를 높이기 위해 원자핵 건판을 이용하는 것이 바람직하다. 원자핵 건판의 보관, 현상, 정착은 전부 10℃ 이하의 냉각 환경에서 행하는 것이 바람직하다. 현상후, 광학 현미경으로 화상을 캡쳐하여, 결정 결함점(20dp) 및 결정 결함선(20dq)의 정량화를 행한다. 이러한 결정 결함의 측정에 관해, 복굴절을 이용하는 방법(복굴절법)도 있지만, 복굴절 이미지에 나타나지 않는 전위나, 반대로 구조 결함이 아닌 점결함이 복굴절 이미지에 나타나는 경우가 있기 때문에, X선 토포그래피가 복굴절법보다 바람직하다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드(20)에 있어서, 결정 결함점(20dp)의 밀도는 2 mm-2보다 크고, 20 mm-2보다 큰 것이 바람직하고, 300 mm-2보다 큰 것이 바람직하고, 1000 mm-2보다 큰 것이 보다 바람직하고, 1×104 mm-2보다 큰 것이 더욱 바람직하다. 이러한 단결정 다이아몬드는, 결정 결함점(20dp)의 밀도가 2 mm-2보다 크기 때문에, 고밀도의 결정 결함점(20dp)에 대응하는 고밀도의 결정 결함선(20dq)에 의한 응력 완화에 의해 큰 결손의 발생이 억제된다. 특히, 1000 mm-2보다 큰 경우는 내결손성도 특히 우수하다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드(20)에 있어서, 결정 결함점(20dp) 중, 복수의 날형 전위 및 복수의 나선 전위 중 적어도 어느 하나가 복합된 복합 전위가 결정 성장 주면에 도달하는 선단의 점인 복합 전위점의 밀도는, 2 mm-2보다 크고, 20 mm-2보다 큰 것이 바람직하고, 30 mm-2보다 크게 하는 것이 바람직하고, 300 mm-2보다 크게 하는 것이 보다 바람직하고, 3000 mm-2보다 크게 하는 것이 더욱 바람직하다. 이러한 단결정 다이아몬드는, 복합 전위가 결정 성장 주면에 도달하는 선단의 점인 복합 전위점의 밀도가 20 mm-2보다 크기 때문에, 또한, 복합 전위에 의한 응력 완화의 효과가 크기 때문에, 큰 결손의 발생이 더욱 억제된다. 특히 300 mm-2보다 큰 경우는 내결손성이 특히 우수하다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드(20)는, X선 토포그래피 이미지에 있어서 결정 결함의 존재를 나타내는 결정 결함선(20dq)이 단결정 다이아몬드 중 적어도 어느 하나의 면에 도달하는 선단의 점인 결정 결함점(20dp)의 군이 집합하여 선형으로 연장되는 결정 결함 집합 영역(20r)이 복수 병렬하여 존재한다. 선형이란, 어떤 폭을 가지며, 하나의 고정된 선형에 위치하는 결정 결함점(20dp)의 존재 확률이, 그 고정된 선형으로부터 어떤 각도(10° 이상 90° 이하)를 갖고 회전한 경우에, 결정 결함점(20dp)의 존재 확률이 급격히 감소함으로써 판단할 수 있다. 즉, 적어도 5개의 선을 추출하여, 각도와 선형에 들어가는 결정 결함점(20dp)을 그래프로 하면, 고정된 선형을 중심으로 피크가 나타나기 때문에 판단할 수 있다.
여기서, 복합 전위는, X선 토포그래피에 있어서, X선의 회절 방향(g 벡터)을 바꾸는 것에 의해 관찰할 수 있다. 예를 들면 다이아몬드 단결정의 결정면인 (001)면을 투과형으로 관찰할 때, [440] 방향의 g 벡터로 관찰할 수 있더라도 그 g 벡터에 직교하는 [4-40] 방향 등의 g 벡터로 관찰할 수 없는 경우는 날형 전위이지만, [440] 방향 및 [4-40] 방향 등의 서로 직교하는 복수의 g 벡터로 관찰할 수 있는 경우는 복합 전위이다. 또, 결정 결함선(20dq)인 전위의 진행 방향인 <001> 방향과 수직이 아니라, <001> 방향으로도 성분을 갖는 버거스 벡터를 갖는 다른 전위를 관찰하는 경우는, 예를 들면 반사형으로 [044] 방향, [004] 방향, [111] 방향, [113] 방향 등의 g 벡터 등으로 관찰할 수 있다. 단, 반사형의 경우는, 전위 등의 결정 결함선이 중복된 이미지가 되기 때문에, 결정 결함이 본원발명의 구조가 되었는지 판별하기 어려워진다. 본 측정, 본 용어는, 국제 공개 2016/013588에 상세하며, 동등한 것이다.
이와 같이 관찰한 복합 전위도 또한 결정 결함선(20dq)이기 때문에, 복합 전위의 밀도는 [결정 결함]의 란에서 전술한 바와 같은 방법으로 결정 결함선(20dq)의 밀도와 동일하게 측정할 수 있다.
도 6을 참조하여, 본 실시형태의 단결정 다이아몬드(20)는, 복수의 단결정 다이아몬드층(21, 22)을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 단결정 다이아몬드(20)는, 복수의 단결정 다이아몬드층(21, 22)을 포함하기 때문에, 결정 결함선(21dp, 22dq)의 형성이 촉진되므로, 큰 결손의 발생이 더욱 억제된다.
주면(10m) 상에 종결정 결함점(10dp)의 군이 집합하여 선형으로 연장되는 종결정 결함 선형 집합 영역을 갖는 다이아몬드 종결정(10)의 주면(10m) 상에 CVD법에 의해 성장된 제1 단결정 다이아몬드층(21)에는, 주면(10m) 상의 종결정 결함점(10dp)의 결함을 이어받는 결정 결함선(21dq)이 결정 성장 방향으로 연장된다. 제1 단결정 다이아몬드층(21) 상에 CVD법에 의해 성장된 제2 단결정 다이아몬드층(22)에는, 결정 결함선(21dq)의 결함을 이어받는 결정 결함선(22dq)이 결정 성장 방향으로 연장되어 단결정 다이아몬드(20)의 결정 성장 주면(20m)에 도달하는 선단이 결정 결함점(20dp)이 된다.
이 때, 일반적으로, 제1 단결정 다이아몬드층(21)에 있어서는 다이아몬드 종결정(10)의 하나의 종결정 결함점(10dp)으로부터 복수의 결정 결함선(21dq)으로 이어지고, 제2 단결정 다이아몬드층(22)에 있어서는 제1 단결정 다이아몬드층(21)의 하나의 결정 결함선(21dq)으로부터 복수의 결정 결함선(22dq)이 이어지기 때문에, 단결정 다이아몬드층(21, 22)의 수가 많아질수록, 단결정 다이아몬드(20)의 결정 결함점(20dp)은 많아진다. 그 결과, 단결정 다이아몬드의 층수가 증가할 때마다 한쪽의 주면을 향해 결정 결함선이 증가하는 구조가 되어, 보다 내결손성이 높은 결정을 얻을 수 있다. 본 실시형태의 단결정 다이아몬드(20)는, 불순물 원자로서 1 ppm 이상의 질소 원자를 함유하는 것이 바람직하다. 이러한 단결정 다이아몬드(20)는, 불순물 원자로서 1 ppm 이상의 질소 원자를 함유하고 있고, 이러한 질소 원자는, 고립 치환형의 질소 원자가 아닌 상태의 질소이다. 이러한 질소 불순물은 SIMS(2차 이온 질량 분석법)에 의해 측정되는 질소로부터 ESR(전자 스핀 공명법)에 의해 측정되는 질소를 빼어 산출된다. 이 정의의 질소가 혼입되고, 본원발명의 결정 결함선과 융합하여, 큰 결손의 발생이 억제되고, 내결손성이 증가하는 것을 알 수 있다. 상기 관점에서, 단결정 다이아몬드에 불순물 원자로서 함유되는 질소 원자는, 1 ppm 이상이며, 3 ppm 이상이 보다 바람직하고, 10 ppm 이상이 보다 바람직하고, 30 ppm 이상이 더욱 바람직하다. 특히 10 ppm 이상의 경우는 우수한 내결손성을 나타낸다. 고립 치환형이 아닌 질소는, 결정 결함점의 군이 집합하여 존재하면, 내결손성이 높은 상태로 다이아몬드 중에 형성되기 쉽고, 보다 많이 포함되기 쉬워진다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드(20)는, 그 두께를 500 ㎛로 하여, 혹은 500 ㎛로 환산하여, 400 nm의 광의 투과율이 60% 이하이고, 바람직하게는 30% 이하이고, 더욱 바람직하게는 10% 이하이고, 보다 더 바람직하게는 5% 이하이다. 나아가, 단결정 다이아몬드(20)의 두께를 500 ㎛로 했을 때의 600 nm의 광의 투과율이, 60% 이하가 바람직하고, 30% 이하가 보다 바람직하고, 10% 이하가 더욱 바람직하고, 5% 이하가 특히 바람직하다. 투과율이 작으면, 본원발명의 결정 결함선(20dq)이 많고, 또한 본원발명의 정의의 질소도 많아, 결과적으로 균열을 억제하고, 내결손성을 나타내는 것이 된다. 보다 장파장의 투과율이 작으면, 본원발명의 결정 결함선이 많고, 또한 본원발명의 정의의 질소도 많아, 결과적으로 균열을 억제하고, 내결손성을 나타내는 것이 된다. 결정 결함선이 많은 것만으로는, 투과율이 크게 영향을 미치는 것은 아니지만, 고립 치환형이 아닌 치환형 질소와 결정 결함선이 서로 잘 얽히면, 투과율에 영향을 미쳐, 그 경우의 투과율이 내결손성의 좋은 지표가 된다. 여기서, 광의 투과율이란, 입사광에 대한 실질적인 투과율이며, 반사율을 제외한 내부만의 투과율이 아니다. 따라서, 흡수나 산란이 없을 때에도, 투과율은 최대 약 71%가 된다. 판두께가 상이한 투과율의 환산치는, 판 내부의 다중 반사를 고려한 일반적으로 알려져 있는 식을 이용하여 행할 수 있다.
[단결정 다이아몬드의 제조 방법]
도 7을 참조하여, 본 실시형태의 단결정 다이아몬드(20)의 제조 방법은, 주면(10m) 상에 종결정 결함점(10dp)이 집합해 있는 종결정 결함 집합 영역을 갖는 다이아몬드 종결정(10)을 준비하는 공정(도 7의 (A))과, 다이아몬드 종결정(10)의 주면(10m) 상에, 화학 기상 퇴적법에 의해 단결정 다이아몬드(20)를 성장시키는 공정(도 7의 (B))을 구비한다. 종결정 결함점이란, 종기판에서의 결정 결함점의 의미이며, 종결정 결함 집합 영역이란 종기판에 결정 결함점이 집합해 있는 영역이다. 상기 다이아몬드 종결정 기판의 주면 상의 종결정 결함 집합 영역은, 종결정 결함점(10dp)의 군이 집합해 있는 것이 보다 바람직하고, 종결정 결함점(10dp)이 집합하여 선형으로 연장되어 있는 것이 더욱 바람직하고, 종결정 결함점(10dp)의 군이 집합하여 선형으로 연장되어 있는 것이 더욱 바람직하다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드(20)의 제조 방법에 있어서, 종결정 결함점(10dp) 및 종결정 결함 집합 영역 및 종결정 결함 선형 집합 영역은, 다이아몬드 종결정(10)의 주면(10m)에 수직인 방향으로 투과형으로 측정된 X선 토포그래피 이미지(즉, 다이아몬드 종결정(10)의 주면(10m)에 관한 X선 토포그래피 이미지)에 있어서 적합하게 표시된다.
(종결정 결함 집합 영역을 갖는 다이아몬드)
도 7의 (A)를 참조하여, 주면(10m) 상에 종결정 결함점(10dp)이 집합해 있는 종결정 결함 집합 영역을 갖는 다이아몬드 종결정(10)을 준비하는 공정은 특별히 제한은 없지만, 주면(10m) 상에 종결정 결함점(10dp)의 군이 집합하여 선형으로 연장되는 종결정 결함 선형 집합 영역을 갖는 다이아몬드 종결정(10)을 효율적으로 준비하는 관점에서, 다이아몬드 종결정(10)을 준비하는 서브 공정과, 다이아몬드 종결정(10)의 주면(10m) 상에 종결정 결함점(10dp)이 집합해 있는 종결정 결함 집합 영역을 형성하는 서브 공정과, 다이아몬드 종결정(10)의 주면(10m)측에 이온을 주입함으로써 이온 주입 영역(10c)을 형성하는 서브 공정을 포함할 수 있다.
다이아몬드 종결정(10)을 준비하는 공정에 있어서는, 다이아몬드 종결정(10)으로서, 고온 고압법에 의해 성장된 Ib형 단결정 다이아몬드 또는 IIa형 단결정 다이아몬드, Ib형 단결정 다이아몬드 또는 IIa형 단결정 다이아몬드를 종결정으로서 상기 CVD법에 의해 성장된 단결정 다이아몬드가 준비된다.
다이아몬드 종결정(10)의 주면(10m) 상에 종결정 결함점(10d)이 집합해 있는 종결정 결함 집합 영역을 형성하는 서브 공정에 있어서, 종결정 결함점(10dp)에는, 종결정 결함점, 종결정 전위점(10dd)(날형 전위, 나선 전위, 복수의 날형 전위 및 복수의 나선 전위 중 적어도 어느 것이 복합된 복합 전위 등의 전위가 주면(10m)에 도달하는 선단의 점), 종결정 결손점(10dv), 종결정 균열점, 종결정 손상점(10di) 등의 각종 결함점이 포함된다. 또한, 종결정 결함 집합 영역을 형성하는 방법은, 예컨대, 평균 입경 9 ㎛∼35 ㎛의 다이아몬드 지립을 메탈로 고정한 지석을 이용하여, 회전수 500 rpm∼3000 rpm, 하중 0.5 kgf∼50 kgf의 조건으로 기계 연마를 행하는 것이 바람직하다. 평균 입경이 크고, 회전수가 크고, 하중이 클수록 종결정의 주면에 종결정 결함점을 형성하기 쉽다. 하중은 0.5 kgf 이상 5 kgf 미만이 바람직하고, 5 kgf 이상 10 kgf 미만이 보다 바람직하고, 10 kf 이상 20 kgf 미만이 더욱 바람직하고, 20 kgf 이상이 더욱 바람직하다. 하중이 커지면, 진동을 억제하는 기구가 필요하며, 기판을 깨어지기 어렵게 할 필요가 있다. 한편, 높은 진동수의 진동은 허용되도록 해 둔다. 이것은 기판 표면에 미소한 균열을 발생시켜, 본원발명의 결정 결함점의 군의 기점에 기여한다. 연마 방향에 대하여, 종결정을 회전시키면 종결정 결함점을 집합하여 형성하기 쉽고, 종결정을 고정하면 종결정 결함점을 선형으로 집합하여 형성하기 쉽다. 하중이 크면 기판은 깨지기 쉽게 되기 때문에, 기판 사이즈에 대하여 기판의 두께를 크게 할 필요가 있다. 하중이 0.5 kgf 이상 5 kgf 미만이면, 기판 사이즈와 두께는 사방 4 mm, 0.8 mmt 이상이 바람직하고, 5 kgf 이상 20 kgf 미만이면, 사방 4 mm, 1.6 mmt 이상이 바람직하고, 20 kgf 이상이면, 사방 4 mm, 3.2 mmt 이상이 바람직하다. 이러한 기계 연마의 후에 반응성 이온 에칭(RIE), 마이크로파 플라즈마 에칭, 이온 밀링 등을 행하는 것으로도, 결함점 발생의 밀도를 미조정할 수 있고, 그 효과는 거의 지속된다.
다이아몬드 종결정(10)의 주면(10m)측에 이온 주입 영역(10c)을 형성하는 서브 공정은, 다이아몬드 종결정(10)의 주면(10m)측에 이온을 주입함으로써 행한다. 이온은, 탄소 또는 질소 또는 실리콘 또는 인의 이온이 바람직하게 이용된다.
(단결정 다이아몬드의 성장 공정)
도 7의 (B)를 참조하여, 단결정 다이아몬드(20)를 성장시키는 공정은, 다이아몬드 종결정(10)의 주면(10m) 상에, 화학 기상 퇴적(CVD)법에 의해 단결정 다이아몬드(20)를 성장시킴으로써 행한다. CVD법으로는, 마이크로파 플라즈마 CVD법, DC 플라즈마 CVD법, 핫필라멘트 CVD법 등이 적합하게 이용된다. 단결정 성장용 가스로는, 수소, 메탄, 아르곤, 질소, 산소, 이산화탄소 등을 이용하여, 단결정 다이아몬드 중의 비고립 치환형 질소 원자의 농도(전체 질소 원자 농도로부터 고립 치환형 질소 원자 농도를 뺀 농도)가 1 ppm 이상, 보다 바람직하게는 5 ppm 이상, 나아가 8 ppm 이상이 되도록 조정하는 것이 바람직하다. 또한, 디보란, 트리메틸붕소, 포스핀, 터셔리 부틸인(tertiary butylphosphorus), 실란 등의 도핑 가스를 첨가해도 좋다. 단결정 다이아몬드(20)의 결정 성장면이 (100) 면방위인 것이 바람직하고, 결정 성장 초기의 두께가 1 ㎛∼7 ㎛인 영역은, 적어도 성장 파라미터(α)가 2 이상이고 다이아몬드 종결정(10)의 온도가 1100℃ 이하에서 성장하는 것이 바람직하다. 성장 파라미터(α)란, <111> 방향의 결정 성장 속도에 대한 <100> 방향의 결정 성장 속도의 비를 √ 3배한 값이다.
성장시키는 단결정 다이아몬드(20)의 두께는, 특별히 제한은 없지만, 절삭 공구, 연마 공구, 광학 부품, 전자 부품, 반도체 재료 등을 적합하게 형성하는 관점에서, 300 ㎛ 이상이 바람직하고, 500 ㎛ 이상이 바람직하다. 다이아몬드 종결정(10)과의 응력에 의한 균열이 발생하는 것을 방지하는 관점에서, 3 mm 이하가 바람직하고, 1.5 mm 이하가 바람직하다. 두께가 1 mm보다 큰 단결정 다이아몬드(20)를 성장시키는 경우는, 두께가 500 ㎛ 이하인 제1 단결정 다이아몬드층(21)을 성장시킨 후, 후술하는 바와 같이 다이아몬드 종결정(10)을 분리한 후, 제1 단결정 다이아몬드층(21) 상에, 추가의 단결정 다이아몬드(20)로서 제2 단결정 다이아몬드층(22)을 성장시키는 것이 바람직하다.
또, 도 6에 나타낸 바와 같이, 복수의 단결정 다이아몬드층(21, 22)을 포함하는 단결정 다이아몬드(20)를 성장시키는 경우, 다이아몬드 종결정(10) 상에 단결정 다이아몬드(20)로서 제1 단결정 다이아몬드층(21) 및 제2 단결정 다이아몬드층을 계속하여 성장시킬 수도 있다. 그러나, 두께가 큰(예컨대 두께가 1 mm보다 큰) 단결정 다이아몬드(20)를 성장시키는 경우는, 단결정 다이아몬드(20)의 두께가 커지는 것에 의해 다이아몬드 종결정(10)이 응력에 의해 깨어지는 것을 방지하는 관점에서, 두께 500 ㎛ 이하의 제1 단결정 다이아몬드층(21)을 성장시킨 후 다이아몬드 종결정을 분리하고, 그 후에, 제2 단결정 다이아몬드층(22)을 추가하여 성장시키는 것이 바람직하다. 제1 단결정 다이아몬드층(21)과 제2 단결정 다이아몬드층(22)의 사이는, 한번 성장 환경으로부터 실온의 표준 환경으로 되돌린 후에 다시 성장 환경으로 하고 있기 때문에, 본원발명에서 미리 형성되어 있는 결정 결함선은 분기되기 쉽게 되어 있고, 결정 결함점은 증가하는 방향이다. 한편, 본원발명에서의 기계 연마를 행할 수도 있고, 그 경우는 단결정 다이아몬드층(21)은 종기판이 되고, 도 6에 나타내는 단결정의 다이아몬드 종결정(10)이 되어, 초기의 기점도 증가하는 성장이 된다.
(다이아몬드 종결정의 분리 공정)
도 7의 (C)를 참조하여, 본 실시형태의 단결정 다이아몬드(20)의 제조 방법은, 효율적으로 단결정 다이아몬드(20)를 얻는 관점에서, 다이아몬드 종결정(10)을 분리하는 공정을 더 구비할 수 있다.
다이아몬드 종결정(10)을 분리하는 공정은, 다이아몬드 종결정(10)을 효율적으로 분리하는 관점에서, 전해 에칭 등의 전기 화학적 에칭에 의해, 다이아몬드 종결정(10)에 이온 주입함으로써 형성된 이온 주입 영역(10c)의 도전층 영역을 분해 제거하는 것에 의해, 다이아몬드 종결정(10)을 분리하는 것이 바람직하다.
(단결정 다이아몬드의 추가 성장 공정)
도 7의 (D)를 참조하여, 본 실시형태의 단결정 다이아몬드(20)의 제조 방법은, 큰 결손의 발생이 더욱 억제되는 단결정 다이아몬드(20)를 얻는 관점에서, 단결정 다이아몬드(20)를 추가하여 성장시키는 공정을 더 구비할 수 있다.
단결정 다이아몬드(20)를 추가하여 성장시키는 공정은, 이미 성장시킨 단결정 다이아몬드(20)인 제1 단결정 다이아몬드층(21)의 주면 상에, CVD법에 의해, 제2 단결정 다이아몬드층(22)을 성장시킴으로써 행한다. 제1 단결정 다이아몬드층(21)에는, 도 7의 (C)에 나타낸 바와 같이, 다이아몬드 종결정(10)의 주면(10m) 상의 종결정 결함점(10dp)의 결함을 이어받는 결정 결함선(21dq)이 결정 성장 방향으로 연장되어 있다. 제1 단결정 다이아몬드층(21) 상에 CVD법에 의해 성장된 제2 단결정 다이아몬드층(22)에는, 결정 결함선(21dq)의 결함을 이어받는 결정 결함선(22dq)이 결정 성장 방향으로 연장되어 단결정 다이아몬드(20)의 결정 성장 주면(20m)에 도달하는 선단이 결정 결함점(20dp)이 된다.
이 때, 일반적으로, 제1 단결정 다이아몬드층(21)에 있어서는 다이아몬드 종결정(10)의 하나의 종결정 결함점(10dp)으로부터 복수의 결정 결함선(21dq)이 이어지고, 제2 단결정 다이아몬드층(22)에 있어서는 다이아몬드 종결정(10)의 하나의 결정 결함선(21dq)으로부터 복수의 결정 결함선(22dq)이 이어지기 때문에, 제1 및 제2 단결정 다이아몬드층(21, 22)의 수가 많아질수록, 단결정 다이아몬드(20)의 결정 결함점(20dp)은 많아지고, 큰 결손의 발생이 더욱 억제된다.
실시예 1
(신선 다이스용의 다이아몬드 소재의 준비)
1. 주면에 종결정 결함 선형 집합 영역을 갖는 다이아몬드 종결정의 준비
도 7의 (A)를 참조하여, 다이아몬드 종결정(10)으로서, 고온 고압법에 의해 성장시킨 다이아몬드 종결정(10)의 기판을 준비했다. 주면(10m)이 (001)면으로부터 <100> 방향으로 2°의 오프각을 가지며, 다이아몬드 종결정(10)의 치수는 4 mm×4 mm×두께 1 mm였다.
각각의 다이아몬드 종결정(10)의 주면(10m)에, 평균 입경 9 ㎛∼35 ㎛의 다이아몬드 지립을 메탈로 고정한 지석을 이용하여, 회전수 500 rpm∼3000 rpm, 하중 10 kgf∼20 kgf의 범위의 조건으로, 종결정 결함 선형 집합 영역으로서 <100> 방향으로 선형으로 연장되는 연마 손상을 형성했다(시료 1). 여기서, 하중을 가할 때에는, 3 kgf/min 이하의 속도로 서서히 하중을 증가시키고, 하중이 52 kgf를 초과하지 않도록 지석의 진동을 억제하는 기구를 붙인 장치를 이용하여 행했다. 이어서, 다이아몬드 종결정의 주면을 산소와 CF4 가스를 이용하여 드라이 에칭을 행하고, 종결정 결함점 및 종결정 손상점의 밀도를 조절했다. 또, 평균 입경이란, 다이아몬드 연마반을 공급하는 메이커가 지정하는 평균 입경을 말하며, 여기서는 인터내셔널 다이아몬드의 연마반의 사양에 있는 평균 입경을 말한다. 이것은 체에 의해 입자를 선별하는 방법으로 일반적으로 결정되어 있으며, 거의 #600∼#1500에 해당하는 것이다.
이어서, 각각의 다이아몬드 종결정의 종결정 결함 선형 집합 영역이 형성된 주면측에, 300 keV∼10 MeV의 에너지로 1×1015개ㆍcm-2∼1×1018개ㆍcm-2의 도우즈량으로 탄소를 이온 주입함으로써 도전층 영역을 형성했다. 이 공정은, 종기판과 기상 성장한 단결정 다이아몬드를 전해 에칭으로 분리하는 경우에 행했다. 이후의 공정에서, 다이아몬드를 레이저로 슬라이스하는 경우는, 이 공정은 생략했다.
2. 단결정 다이아몬드의 성장
다음으로, 각각의 다이아몬드 종결정의 종결정 결함 선형 집합 영역이 형성된 주면 상에, 마이크로파 플라즈마 CVD법에 의해 단결정 다이아몬드를 성장시켰다. 결정 성장용 가스로서, 수소 가스, 메탄 가스 및 질소 가스를 사용하고, 수소 가스에 대한 메탄 가스의 농도를 5 몰%∼20 몰%, 메탄 가스에 대한 질소 가스의 농도를 0∼5 몰%로 했다. 결정 성장 압력은 5 kPa∼15 kPa로 하고, 결정 성장 온도(다이아몬드 종결정의 온도)는 800℃∼1200℃로 했다.
3. 다이아몬드 종결정의 분리
다음으로, 각각의 단결정 다이아몬드로부터 각각의 다이아몬드 종결정을, 전해 에칭에 의해 다이아몬드 종결정 중의 도전층 영역을 분해 제거함으로써, 다이아몬드 종결정으로부터 분리했다. 혹은 이온 주입을 하지 않은 경우에는 레이저를 이용하여 슬라이스하여, 종기판으로부터 분리했다.
분리하여 생긴 단결정 다이아몬드를 평가한 결과, 결정 결함점의 밀도가 1200 mm-2, 복합 전위의 밀도가 400 mm-2, 단결정 다이아몬드층수가 2층, 단결정 다이아몬드의 두께가 1.0 mm, 비치환형의 질소 원자(고립 치환형이 아닌 질소 원자)의 농도 35 ppm이 되었다. 결정 결함점의 밀도, 복합 전위의 밀도는 [결정 결함]의 란에 기재된 바와 같이 행했다. 또, 복합 전위의 밀도는 결정 성장 표면에서의 밀도이며, 전위가 표면에 도달해 있는 점밀도로서 측정된다.
단결정 다이아몬드는, 커터날의 형상으로 가공하고, 워크의 절삭 가공을 행하여 내결손성을 평가했다. 일련의 평가와 조건을 표 1에 나타낸다.
Figure pct00001
여기서, 표 1의 연마시의 연마 방향의 선정 방법에 관해 주의해서 연마했기 때문에, 그 구별을 기재하고 있다. 표 1 중 「회전→고정」이라는 것은, 일반적인 방법으로 비교적 평탄해진 기판을, 우선은 회전(자전)시키면서 2시간 연마하고, 그 후 고정시켜 1시간 연마하는 순서를 말한다. 선형으로 결함을 도입하기 쉽다.
커터는 스미토모 전공 하드메탈 주식회사 제조 RF4080R을 이용하고, 와이퍼칩은 스미토모 전공 하드메탈 주식회사 제조 SNEW1204ADFR-WS를 이용했다. 선반은 주식회사 모리정기 제조의 NV5000을 이용했다. 절삭 속도는 2000 m/min, 커팅량 0.05 mm, 이송량 0.05 mm/날로 했다. 워크는 알루미늄재 A5052를 이용하여 워크를 30 km 절삭한 후에, 커터날의 5 ㎛ 이상의 결손의 수(결손수)에 의해, 내결손성의 평가(표 1의 「내결손성 A(결손수)」)를 행했다. 그 결과, 결손수도 제로이며, 매우 양호한 단결정 다이아몬드였다. 또한, 별도의 조금 강한 조건으로, 절삭 속도는 2000 m/min, 커팅량 0.10 mm, 이송량 0.10 mm/날로 했다. 워크는 알루미늄재 A5052를 이용하여 워크를 30 km 절삭한 후에, 커터날의 5 ㎛ 이상의 결손의 수(결손수)에 의해, 내결손성의 평가(표 1의 「내결손성 B(결손수)」)를 행했다. 그 결과, 양호한 내결손성의 결과를 얻었다.
내결손성의 평가 A에 있어서 결손수가 1개 이하인 경우는, 제품으로서 충분히 사용 가능한 소재이다. 보다 가혹한 평가 B는 5개 미만은 허용된다.
상기 단결정 다이아몬드의 성장면을 연마하고, 평탄하게 하여 평가했다. 연마하기 전과 평가 결과는 동일한 값이었다. 즉, 연마후의 평가에서는, 결정 결함점의 밀도가 1200 mm-2, 복합 전위의 밀도가 400 mm-2, 단결정 다이아몬드층수가 2층, 단결정 다이아몬드의 두께가 1.0 mm, 비치환형의 질소 원자(고립 치환형이 아닌 질소 원자)의 농도 35 ppm이 되었다. 단결정 다이아몬드는, 종기판으로부터의 분리 공정에서, 이온 주입을 행하여 전해 에칭을 행하는 수법을 이용했지만, 레이저로 슬라이스하는 방법에 의해서도 평가 결과에 큰 차이는 없었다. 레이저로 슬라이스하는 방법에서는, 평가후 기계 연마를 하여 통상의 평탄한 면을 형성한 후에, 다음 다이스칩 형성으로 진행했다.
이 판을 원하는 사이즈로 레이저로 절단하여 신선용의 다이스의 칩으로 하고, 신선 다이스를 제작하여 신선 다이스의 평가로 진행했다.
(신선 다이스 준비와 평가)
상기 방법으로 제조되는 CVD 단결정 다이아몬드(시료 1)를 이용하여, 도 1∼3에 나타내는 형상의 다이아몬드 다이스의 샘플을 작성했다. 도 8∼도 10에 나타낸 바와 같이, 다이스를 형성할 때에는, 단결정 다이아몬드(20)를 <001> 방향으로부터 오프각 2°을 갖는 주면에 수직으로, <110> 방향에 평행으로부터 <100> 방향으로 주면 내의 각도 θ1(0.5°, 1.2°, 6.2°, 7.3°) 되돌린 방향으로 절단하고, 이 절단면(201)을 다이스의 구멍을 형성하는 주면(구멍은 이 주면에 수직으로 형성함)이 되도록 직방체로 절단하여 준비한다. 그 결과, 구멍축의 경사 각도는 <1-10> 방향으로부터 각각 1.9°, 2.6°, 7.6°, 8.7°가 된다.
또한, 상기 CVD 단결정 다이아몬드와 비교하기 위해, 천연 다이아몬드, 고압 합성 단결정 다이아몬드로 제조된 다이아몬드 샘플을 작성했다. 이들 샘플의 상세를 이하에 나타낸다.
Figure pct00002
상기 샘플 No.1-6의 다이스를 이용하여 이하의 조건으로 신선 가공을 행했다.
감면율 : 13%
신선 속도 : 500 m/min
선재 : SUS304
윤활제 : 합성유계 윤활제
신선후, 다이스의 구멍의 확대량을 측정했다. 그 결과를 도 11-13에 나타낸다.
도 11-13에 나타낸 바와 같이, (110)면으로부터의 기울기가 작을수록 내마모성이 양호한 것을 알 수 있다. 또한 기울기가 8° 이내이면, 비교예의 단결정 다이아몬드 다이스 이상의 내마모성을 발휘하는 것을 알 수 있다.
좌상의 그래프의 신선 지수는, 1이 신선 거리 0.5 km이다.
좌하의 그래프는, 1 km 신선했을 때의 다이스 구멍 직경의 확대량을 마모량으로서 나타내고 있다.
본 발명품인 샘플 No.1-4의 다이스(CVD 단결정 다이아, 상하면이 (110)면)에서는, 경사 각도가 0.1∼15°이고, 일부가 박리되는 등의 마모가 보이지 않았다. 경사 각도가 작을수록 마모는 적었다. 비교예인 샘플 No.6의 다이스(고압 합성 단결정 다이아(HPHT), 상하면이 (111)면)에서는, 본 발명품과 비교하여 마모량이 컸다. 비교예인 샘플 No.5의 다이스(천연 단결정 다이아(ND), 상하면이 (111)면)에서는, 본 발명품에 비교해서 마모량이 컸다. 경사 각도가 10.4°인 것은, 일부가 박리되는 등의 마모가 보였다.
또, 이 실시예에서는 나타내지 않지만 별도의 다이스(고압 합성 단결정 다이아(HPHT), 상하면이 (110)면)에서는, 마모량은 본 발명품과 거의 동등하지만, 상하면이 (110)면의 다이아몬드를 제작하기 어렵기 때문에 비용이 높아진다.
실시예 2
(신선 다이스용의 다이아몬드 소재의 준비)
Figure pct00003
Figure pct00004
실시예 1과 동일한 순서로, 약간 상이한 샘플(시료 11∼시료 21)을 준비했다. 여기서, 주면은 (001)면으로부터 <1-10> 방향으로 2°∼15°의 오프각을 가지며, 면적이 4 mm×4 mm이고, 두께가 0.7∼3.5 mm인 다이아몬드 종결정 기판을 준비했다. 구멍축의 경사 각도는, 표 3의 종기판의 오프각에 일치시켰다. 종기판의 준비 조건은 표 3에 나타내는 것 외에는 실시예 1에 나타낸 바와 같고, 표 4에 나타내는 단결정이 얻어졌다.
표 3 중의 「회전→고정」의 의미는, 표 1 중에서 설명한 의미와 동일하다. 「고정→회전」이라는 것은, 일반적인 방법으로 비교적 평탄해진 기판을, 우선은 고정하여 1시간 연마하고, 그 후 2시간 회전시켜 연마하는 순서를 말한다. 선형이 아닌 집합된 결함을 도입하기 쉽다. 표 1 중의 연마시의 하중은, 「회전→고정」, 「고정→회전」중의 하중이다. CVD법으로 형성한 기판은, AsGrown의 표면이 깨끗하기 때문에, 연마를 하지 않더라도 성장시킬 수 있기 때문에, 연마가 없는 조건의 종기판도 실험하고 있다(시료 21). 표 3, 4 중의 「군이 집합」이란, 군의 영역이 접하거나 중복되어 연결되어 있는 것을 가리킨다. 「군이 선형으로 집합」이란, 군의 집합이 가늘고 길게 선형으로 연결되어 있는 것을 가리킨다. 「군」이란, 동일한 기점으로부터 분기되어 있는 결정 결함선을 기초로 하는 결정 결함점의 집합을 말한다. 「종결정의 결정 결함점」이란, 단결정층의 결정 결함선의 군의 기점과 군이 되지 않은 결정 결함선의 기점을 맞춘 것이며, 특정 범위에서의 결함점의 70%를 집합했을 때에 그 범위의 면적의 50% 이내에 결함점 범위의 총합을 한정할 수 있는 경우를 집합되어 있는 것으로 한다. 단, 결함점 범위란, 하나의 결함점의 범위는 최근접 결함점까지의 거리를 반경으로 하는 범위로 한다. 「점재」란, 상기 정의의 집합되지 않은 상태를 가리킨다.
(예비 평가)
단결정 다이아몬드(20)는, 커터날의 형상으로 가공하고, 워크의 절삭 가공을 행하여 내결손성을 평가했다. 커터는 스미토모 전공 하드메탈 주식회사 제조 RF4080R을 이용하고, 와이퍼칩은 스미토모 전공 하드메탈 주식회사 제조 SNEW1204ADFR-WS를 이용했다. 선반은 주식회사 모리정기 제조의 NV5000을 이용했다. 절삭 속도는 2000 m/min, 커팅량 0.05 mm, 이송량 0.05 mm/날로 했다. 워크는 알루미늄재 A5052를 이용하여 워크를 30 km 절삭한 후에, 커터날의 5 ㎛ 이상의 결손의 수(결손수)에 의해 내결손성의 평가(평가 A)를 행했다. 또한, 별도의 조금 강한 조건으로, 절삭 속도는 2000 m/min, 커팅량 0.10 mm, 이송량 0.10 mm/날로 했다. 워크는 알루미늄재 A5052를 이용하여 워크를 30 km 절삭한 후에, 커터날의 5 ㎛ 이상의 결손의 수(결손수)에 의해 내결손성의 평가(평가 B)를 행했다. 그 결과, 표 4의 최하단에 나타낸다.
(신선 다이스 준비와 평가)
상기 방법으로 제조되는 CVD 단결정 다이아몬드(시료 11∼시료 21)를 이용하여, 실시예 1과 동일하게 도 1∼3에 나타내는 형상의 다이아몬드 다이스의 샘플을 작성했다. 각각 다이스는, 도 14 및 도 15에 나타낸 바와 같이 단결정 다이아몬드(20)를 <001> 방향으로부터 오프각을 갖는 주면에 수직으로, 또한 <110> 방향에 평행하게 절단했다. 이 절단면(202)을 다이스의 구멍(14)을 형성하는 주면(상면(5) 및 하면(6)이며, 구멍(14)은 이 주면에 수직으로 형성)이 되도록 직방체로 절단하여 준비했기 때문에, 구멍축의 경사 각도는, <1-10> 방향으로부터의 표 3의 종기판의 오프각에 일치시켜 다이스 샘플 A11∼A21을 제조했다. 다이스 샘플 A11∼A21은, 시료 11∼21로 구성된다.
또한, 상하면이 대략 (001)면의 구멍축의 다이스를 형성하는 경우는, 시료 12, 시료 17, 시료 20, 시료 21을 이용하여, 단결정 다이아몬드를 <001> 방향으로부터 오프각을 갖는 주면이 다이스의 구멍을 형성하는 주면(구멍은 이 주면에 수직으로 형성)이 되도록 직방체로 절단하여 준비했다. 이 경우의 구멍축의 경사 각도는, (001)면으로부터의 표 3의 오프각에 일치했다(다이스 샘플 B12, B17, B20, B21). 다이스 샘플 B12, B17, B20, B21은, 시료 12, 17, 20, 21로 구성된다.
또한, 상하면이 대략 (111)면의 구멍축의 다이스를 형성하는 경우는, 시료 13, 시료 18, 시료 19를 이용하여, 도 16에 나타낸 바와 같이 단결정 다이아몬드(20)를 <001> 방향으로부터 오프각을 갖는 주면에 수직으로, 또한 <110> 방향에 평행하게 절단하고, 도 17에 나타낸 바와 같이, 이 절단면(203)에 수직으로, 또한 <001> 방향으로부터 <110> 방향으로 θ2(54.7° : (1-10)면 내각) 회전한 방향과 수직으로 절단한다. 이 절단면을 다이스의 구멍을 형성하는 주면(구멍은 이 주면에 수직으로 형성)이 되도록 직방체로 절단하여 준비했기 때문에, 구멍축의 경사 각도는 (111)면으로부터 각각 1.7°, 2.9°, 4.6°가 되었다(다이스 샘플 C13, C18, C19). 다이스 샘플 C13, C18, C19는 시료 13, 18, 19로 구성된다. 예비 평가에서 행한 내결손성이 큰 것은, 즉 평가 A에서 결손이 5개 이상인 경우는, 다이아몬드 다이스를 제작할 때 이지러짐이 생겨 다이스를 제작할 수 없지만, 본 실시예의 다이스 샘플 A11∼A21의 시료는, 모두 실시예 1의 표 2의 샘플 1∼4와 동등한 내마모성을 발휘했다. 본 실시예의 다이스 샘플 B12, B17, B20, B21, C13, C18, C19의 시료는, 모두 실시예 1의 표 2의 샘플 5 및 샘플 6보다 마모량이 적었다.
다이스의 금속 부분을 녹여 단결정 다이아몬드를 취출하고, 구멍이 뚫린 단결정 다이아몬드칩인 채로, X선 토포, SIMS, ESR, 현미경에 의한 투과율 등의 평가를 행했다. 그 결과, 다이아몬드 단결정으로 제작한 다이스는 표 1, 표 4의 원래의 특성을 확인할 수 있었다. 구멍축과 결정면 방위의 확인은, 현미경으로 구멍 축방향으로부터 들여다 봤을 때에 보이는 복수의 구멍의 윤곽(구멍과 칩의 직방체가 교차하는 가장 외측의 원과 구멍 중에서 최소 직경으로 확인할 수 있는 가장 내측의 원 등의 윤곽)이 동심원이 되는 방향이 수직이 되도록 기판에 고정한 상태로, X선 회절로 평가했다. X선의 평가는, 판형의 단결정의 결정의 요동이나 오프각이나 극점도를 평가하는 일반적인 방법과 동일한 요령이다. 기판의 수선 방향을 구멍축의 방향과 일치시킴으로써 구멍축의 경사 각도를 확인할 수 있다.
이번에 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기 설명이 아니라 청구범위에 의해 제시되며, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1 : 다이아몬드 1a : 벨부
1b : 어프로치부 1c : 리덕션부
1d : 베어링부 1e : 백릴리프부
1f : 엑시트부 2 : 소결 합금
3 : 케이스 4 : 다이아몬드 다이스
5 : 제1면 6 : 제2면
11 : 입구 12 : 출구
13 : 측벽 14 : 구멍
15 : 축

Claims (17)

  1. 선재의 신선 가공을 행하기 위한 구멍이 다이아몬드에 마련된 다이아몬드 다이스로서,
    상기 다이아몬드는 CVD 단결정 다이아몬드이며,
    상기 구멍의 축은, 상기 다이아몬드의 결정면의 법선 방향에 대하여 경사져 있는 것인 다이아몬드 다이스.
  2. 상기 구멍의 축은, 상기 다이아몬드의 결정면의 법선 방향에 대하여 0.1∼15° 경사져 있는 것인 다이아몬드 다이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다이아몬드의 상하면은 (110)면에 대하여 0.1∼15° 경사진 면인 것인 다이아몬드 다이스.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다이아몬드의 상하면은 (100)면에 대하여 0.1∼15° 경사진 면인 것인 다이아몬드 다이스.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다이아몬드의 상하면은 (111)면에 대하여 0.1∼15° 경사진 면인 것인 다이아몬드 다이스.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구멍은, 상기 구멍을 규정하도록, 선재의 흐름의 상류측으로부터 하류측을 향하여 리덕션부, 직경 D의 베어링부, 백릴리프부 및 엑시트부를 가지며,
    상기 구멍의 축을 따르는 단면에서의 구멍의 형상에 있어서, 상기 베어링부의 길이는 0.4 D 이상 1.5 D 이하인 것인 다이아몬드 다이스.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 직경 D가 50 ㎛ 미만이고, 상기 백릴리프부로부터 상기 엑시트부에 걸친 구멍의 단면 형상은, 오목형의 곡선 형상인 것인 다이아몬드 다이스.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 신선 가공을 행할 때의 감면율을 8% 이상 25% 이하로 하여 사용되는 것인 다이아몬드 다이스.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 구리계 금속선, 철계 금속선, 금선, 은선, 황동선, 알루미늄선, 알루미늄 합금선, 텅스텐선 등의 금속선, 또는 이들 선에 각종 금속 도금을 행한 선 중의 어느 것의 신선 가공에 이용되는 것인 다이아몬드 다이스.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이아몬드가, 결정 성장 주면에 관한 X선 토포그래피 이미지에 있어서 결정 결함의 존재를 나타내는 결정 결함선이 상기 결정 성장 주면에 도달하는 선단의 점인 결정 결함점의 군이 집합하여 존재하고, 결정 결함점의 밀도가 2 mm-2보다 큰 단결정 다이아몬드를 이용한 것인 다이아몬드 다이스.
  11. 제10항에 있어서, 상기 결정 결함점 중, 복수의 날형 전위 및 복수의 나선 전위 중 적어도 어느 하나가 복합된 복합 전위가 결정 성장 주면에 도달하는 선단의 점인 복합 전위점의 밀도가 2 mm-2보다 큰 것인 다이아몬드 다이스.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 다이아몬드는, 2개의 주면과, 그 2개의 주면 사이에 위치하는 복수의 단결정 다이아몬드층을 포함하고, 상기 결정 결함선이 2개의 상기 단결정 다이아몬드층의 경계에서 복수로 분기되고, 한쪽의 상기 주면을 향해 상기 결정 결함선이 증가하고 있는 것인 다이아몬드 다이스.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결정 결함점의 군이 선형으로 연장되는 결정 결함 선형 집합 영역이 복수 병렬하여 존재하는 것인 다이아몬드 다이스.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단결정 다이아몬드 중의 불순물 원자로서 1 ppm 이상의 질소 원자를 함유하고, 상기 질소 원자는 고립 치환형 질소 원자 이외의 질소 원자인 것인 다이아몬드 다이스.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단결정 다이아몬드를 500 ㎛ 두께로 측정하여, 혹은 500 ㎛ 두께로 환산하여, 400 nm의 광의 투과율이 60% 이하인 것인 다이아몬드 다이스.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구멍의 축은, 상기 다이아몬드의 결정면의 법선 방향에 대하여 1∼8° 경사져 있는 것인 다이아몬드 다이스.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이아몬드의 결정면은, (110)면, (100)면 및 (111)면 중의 어느 것인 다이아몬드 다이스.
KR1020187004566A 2015-07-22 2016-07-22 다이아몬드 다이스 KR20180033529A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2015-145027 2015-07-22
JP2015145027 2015-07-22
PCT/JP2016/071600 WO2017014309A1 (ja) 2015-07-22 2016-07-22 ダイヤモンドダイス

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20180033529A true KR20180033529A (ko) 2018-04-03

Family

ID=57834332

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020187004566A KR20180033529A (ko) 2015-07-22 2016-07-22 다이아몬드 다이스

Country Status (9)

Country Link
US (1) US11007558B2 (ko)
EP (1) EP3326729B1 (ko)
JP (1) JP6545264B2 (ko)
KR (1) KR20180033529A (ko)
CN (1) CN107848002B (ko)
ES (1) ES2777627T3 (ko)
MX (1) MX2018000741A (ko)
SG (1) SG11201800522PA (ko)
WO (1) WO2017014309A1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI706061B (zh) * 2017-04-26 2020-10-01 新加坡商二A 科技有限公司 大單晶鑽石及其生產方法
ES2968501T3 (es) * 2018-06-27 2024-05-09 Sumitomo Electric Hardmetal Corp Herramienta con agujero pasante que comprende un componente de diamante
EP4269004B1 (en) 2020-12-24 2024-10-23 Sumitomo Electric Hardmetal Corp. Method for producing diamond tool intermediate and method for determining single crystal diamond

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59229227A (ja) 1983-06-08 1984-12-22 Sumitomo Electric Ind Ltd 合成ダイヤモンド単結晶を用いたダイス
EP0391418B2 (en) 1989-04-06 1998-09-09 Sumitomo Electric Industries, Ltd. A diamond for a dresser
US6007916A (en) 1989-04-06 1999-12-28 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Synthetic single crystal diamond for wiring drawing dies and process for producing the same
JPH0712485B2 (ja) * 1989-04-06 1995-02-15 住友電気工業株式会社 線引きダイス用素材および該素材を用いた線引きダイス
JPH04127913A (ja) 1990-09-20 1992-04-28 Asahi Daiyamondo Kogyo Kk ダイヤモンドダイス
US5571236A (en) 1992-08-28 1996-11-05 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Diamond wire drawing die
JPH06170435A (ja) 1992-08-28 1994-06-21 Sumitomo Electric Ind Ltd ダイヤモンド線引きダイスおよびダイヤモンド線引きダイスの製造方法
US5636545A (en) * 1995-07-07 1997-06-10 General Electric Company Composite diamond wire die
JP3554700B2 (ja) * 2000-09-27 2004-08-18 株式会社アライドマテリアル ダイヤモンドダイス
GB0303860D0 (en) * 2003-02-19 2003-03-26 Element Six Ltd CVD diamond in wear applications
US9133566B2 (en) 2005-12-09 2015-09-15 Element Six Technologies Limited High crystalline quality synthetic diamond
CN101443476B (zh) 2005-12-09 2012-07-18 六号元素技术（控股）公司 高结晶品质的合成金刚石
WO2008111215A1 (ja) 2007-03-15 2008-09-18 A.L.M.T. Corp. ダイヤモンドダイスおよびそれを用いた線材の製造方法
WO2016013588A1 (ja) * 2014-07-22 2016-01-28 住友電気工業株式会社 単結晶ダイヤモンドおよびその製造方法、単結晶ダイヤモンドを含む工具、ならびに単結晶ダイヤモンドを含む部品

Also Published As

Publication number Publication date
WO2017014309A1 (ja) 2017-01-26
US20180207697A1 (en) 2018-07-26
EP3326729A1 (en) 2018-05-30
JP6545264B2 (ja) 2019-07-17
CN107848002A (zh) 2018-03-27
CN107848002B (zh) 2020-03-13
EP3326729A4 (en) 2019-02-20
US11007558B2 (en) 2021-05-18
EP3326729B1 (en) 2020-02-26
JPWO2017014309A1 (ja) 2018-06-14
ES2777627T3 (es) 2020-08-05
MX2018000741A (es) 2018-05-15
SG11201800522PA (en) 2018-02-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102392424B1 (ko) 단결정 다이아몬드 및 그 제조 방법, 단결정 다이아몬드를 포함하는 공구, 및 단결정 다이아몬드를 포함하는 부품
KR102407952B1 (ko) 단결정 다이아몬드, 단결정 다이아몬드의 제조 방법 및 단결정 다이아몬드를 이용한 공구
CN106113293B (zh) 划线轮及其制造方法
KR20180033529A (ko) 다이아몬드 다이스
EP2863212A1 (en) Polycrystalline silicon crystal orientation degree evaluation method, polycrystalline silicon rod selection method, polycrystalline silicon rod, polycrystalline silicon ingot, and polycrystalline silicon fabrication method
US10774442B2 (en) Single-crystal diamond material, single-crystal diamond chip, and perforated tool
EP3834967A1 (en) Lathing tool
JP6752213B2 (ja) 単結晶ダイヤモンド、これを用いた工具及び単結晶ダイヤモンドの製造方法
KR102653291B1 (ko) 단결정 다이아몬드, 단결정 다이아몬드의 제조 방법 및 그것에 이용되는 화학 기상 퇴적 장치
JP6228404B2 (ja) ダイヤモンド複合体、ダイヤモンド接合体、単結晶ダイヤモンドおよびこれを備える工具
JP7232186B2 (ja) 単結晶ダイヤモンドおよびその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right