KR20180034301A - 단결정 다이아몬드재, 단결정 다이아몬드칩 및 천공 공구 - Google Patents

단결정 다이아몬드재, 단결정 다이아몬드칩 및 천공 공구 Download PDF

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Abstract

단결정 다이아몬드재에서는, 비치환형 질소 원자의 농도가 200 ppm 이하이고, 비치환형 질소 원자의 농도보다 치환형 질소 원자의 농도가 낮으며, 그리고, 결정 성장 주면의 오프각이 20° 이하이다. 단결정 다이아몬드칩에서는, 비치환형 질소 원자의 농도가 200 ppm 이하이고, 비치환형 질소 원자의 농도보다 치환형 질소 원자의 농도가 낮으며, 그리고, 단결정 다이아몬드칩의 주면의 오프각이 20° 이하이다. 천공 공구가, 단결정 다이아몬드 다이스를 포함하고, 단결정 다이아몬드 다이스에서, 비치환형 질소 원자의 농도가 200 ppm 이하이고, 비치환형 질소 원자의 농도보다 치환형 질소 원자의 농도가 낮으며, 그리고, 단결정 다이아몬드 다이스는 -5 이상 5 이하의 정수의 밀러 지수로 표시되는 저지수면을 구비하고, 저지수면의 수선이 신선용의 구멍의 방위에 대해 20° 이하의 오프각을 구비한다.

Description

단결정 다이아몬드재, 단결정 다이아몬드칩 및 천공 공구{SINGLE-CRYSTAL DIAMOND MATERIAL, SINGLE-CRYSTAL DIAMOND CHIP, AND PERFORATED TOOL}
본 발명은, 단결정 다이아몬드재, 단결정 다이아몬드칩 및 천공 공구에 관한 것이다. 본원은, 2015년 7월 22일 출원된 일본 출원 제2015-145025호에 기초하는 우선권을 주장하여, 상기 일본 출원에 기재된 모든 기재 내용을 원용하는 것이다.
종래, 단결정 다이아몬드를 이용한 천공 공구, 내마 공구, 절삭 공구 등은, 천연의 것을 이용하는 경우가 많고, 때로는 고압 합성의 것을 이용한 것이었다. 예를 들면, 일본 특허 공개 제2000-288804호 공보(특허문헌 1), 일본 특허 공표 제2000-515818호 공보(특허문헌 2) 및 일본 특허 공개 제2002-102917호 공보(특허문헌 3)는, 인서트 본체 및 다이스 본체와, 천연 또는 인조의 다이아몬드를 재료로 하는 지석칩을 갖는 공구 인서트(tool insert) 및 신선 다이스(wire drawing die)를 개시한다.
단결정 다이아몬드는 다른 재료와 비교하면 압도적으로 딱딱한 것이기 때문에, 천공 공구, 내마 공구나 절삭 공구로서 어떠한 다이아몬드가 이용되는 경우, 거의 마모되기 어렵고, 동등하게 사용할 수 있는 것으로서 이용되어 왔다. 실제로, 특별한 문제없이 사용되고 있는 것은 사실이다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2000-288804호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허 공표 제2000-515818호 공보 특허문헌 3 : 일본 특허 공개 제2002-102917호 공보
본 개시의 하나의 양태에 따른 단결정 다이아몬드재는, 비치환형 질소 원자의 농도가 200 ppm 이하이고, 비치환형 질소 원자의 농도보다 치환형 질소 원자의 농도가 낮고, 또한, 결정 성장 주면의 오프각이 20° 이하이다.
본 개시의 다른 양태에 따른 단결정 다이아몬드칩은, 비치환형 질소 원자의 농도가 200 ppm 이하이고, 비치환형 질소 원자의 농도보다 치환형 질소 원자의 농도가 낮고, 또한, 단결정 다이아몬드칩의 주면의 오프각이 20° 이하이다.
본 개시의 또 다른 양태인 천공 공구는, 단결정 다이아몬드 다이스에서, 비치환형 질소 원자의 농도가 200 ppm 이하이고, 비치환형 질소 원자의 농도보다 치환형 질소 원자의 농도가 낮으며, 그리고, 단결정 다이아몬드 다이스가 -5 이상 5 이하의 정수의 밀러 지수(Miller index)로 표시되는 저지수면(low-index plane)을 구비하고, 저지수면의 수선이 신선용 구멍의 방위에 대해 20° 이하의 오프각을 구비하는 것인, 단결정 다이아몬드 다이스를 포함한다.
도 1은, 본 발명의 하나의 형태에 따른 단결정 다이아몬드재의 결정 성장 주면에 관한 X선 토포그래피 이미지의 하나의 예를 나타내는 개략도이다.
도 2는, 본 발명의 하나의 형태에 따른 단결정 다이아몬드재의 결정 성장 주면에 수직인 단면의 하나의 예를 나타내는 개략 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 하나의 형태에 따른 단결정 다이아몬드재의 결정 성장 주면에 수직인 단면의 다른 하나의 예를 나타내는 개략 단면도이다.
도 4는, 본 발명의 하나의 형태에 따른 단결정 다이아몬드재를 제조하는 방법을 나타내는 개략 단면도이다.
[본 개시가 해결하고자 하는 과제]
그러나, 주의 깊게 관찰하면, 동일하게 사용해 왔던 천공 공구, 내마 공구나 절삭 공구(예를 들면, 신선 다이스, 절삭 바이트)에서도, 큰 결손의 발생 정도나 마모율에 차이가 있는 것을 확인할 수 있다. 이것은 가공(예를 들면, 신선)이라는 행위가 매우 복잡한 메커니즘으로 일어나는 현상이기 때문에, 그 차이에 대하여 특별히 주의를 기울이지 않았다. 즉, 우선 피가공재 자체가 전혀 동일한 특성을 갖지 않으며, 탄성률, 영률, 경도, 강도 등에 있어서 미묘하게 차이가 있다. 또한, 기계로 가공하는 것이지만, 모터나 피가공재에 대한 압력이나 장력에 미묘한 차이가 있어, 피가공재에 대고 누르는 힘이나 빼는 힘이 미묘하게 다르다. 가공을 드라이 방식으로 행하는 경우는, 실온, 습도의 영향을 받는다고 생각되지만, 항상 동일한 실온, 동일한 습도에서 가공하는 것은 아니다. 또한, 웨트 방식으로 행하는 경우에도, 냉각제나 윤활제도 종류가 많고, 품질에도 약간의 차이가 있다. 이와 같이, 모든 파라미터가 얽혀 있는 것이기 때문에, 어떤 것이 조금씩 달라지는 것만으로도, 마모에 크게 영향을 준다고 생각된다. 이러한 현상의 복잡함이 있기 때문에, 천공 공구, 내마 공구나 절삭 공구측의 차이도 있다고 인식했다 하더라도, 명확하게 제어의 대상으로 주목받지는 않았다.
한편, 실제 문제로서, 천공 공구, 내마 공구나 절삭 공구에 큰 결손을 발생시키거나, 천공 공구, 내마 공구나 절삭 공구의 마모율에 큰 변동이 생겨 버린다. 이것은, 피가공재를 제조하는 곳에서, 천공 공구, 내마 공구나 절삭 공구를 관리하고, 적절한 시간 내에 공구를 교환하여, 항상 균일한 피가공재를 제조하는 것은, 높은 품질 및 낮은 비용의 피가공재를 제조하는 데에 있어서, 매우 중요한 일이자 과제였다.
따라서, 상기 과제를 해결하기 위해, 큰 결손의 발생이 억제됨과 함께 마모율의 변동이 작은, 단결정 다이아몬드재, 단결정 다이아몬드칩 및 천공 공구를 제공하는 것을 목적으로 한다.
[본 개시의 효과]
상기에 의하면, 큰 결손의 발생이 억제됨과 함께 마모율의 변동이 작은 단결정 다이아몬드재, 단결정 다이아몬드칩 및 천공 공구를 제공할 수 있다.
[본 발명의 실시형태의 설명]
먼저, 본 발명의 실시양태를 열거하여 설명한다.
[1] 본 발명의 하나의 실시형태에 따른 단결정 다이아몬드에 있어서, 비치환형 질소 원자의 농도가 200 ppm 이하이고, 비치환형 질소 원자의 농도보다 치환형 질소 원자의 농도가 낮으며, 또한, 결정 성장 주면의 오프각이 20° 이하이다. 이러한 단결정 다이아몬드재는, 큰 결손의 발생이 억제됨과 함께 마모율의 변동이 작다.
[2] 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재에 있어서 또한, 결정 성장 주면의 오프각을 7° 미만으로 할 수 있다. 이러한 단결정 다이아몬드재는, 큰 결손의 발생이 억제됨과 함께 마모율의 변동이 보다 작다.
[3] 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재에 있어서 또한, 치환형 질소 원자의 농도를 80 ppm 미만으로 할 수 있다. 이러한 단결정 다이아몬드재는, 큰 결손의 발생이 억제됨과 함께 마모율의 변동이 보다 작다.
[4] 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재에 있어서 또한, 비치환형 질소 원자 및 치환형 질소 원자의 전체인, 전체 질소 원자의 농도를 0.1 ppm 이상으로 할 수 있다. 이러한 단결정 다이아몬드재는, 큰 결손의 발생이 억제됨과 함께 마모율의 변동이 보다 작다.
[5] 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재에 있어서 또한, 결정 성장 주면과는 반대측의 주면 및 결정 성장 주면의 평행으로부터의 편향각을 2° 미만으로 하고, 결정 성장 주면과는 반대측의 주면은, 그 굴곡의 최대 고저차(Dm)를 10 ㎛/mm 이하로 하고, 그 산술 평균 거칠기(Ra)를 0.1 ㎛ 이하로 할 수 있다. 이러한 단결정 다이아몬드재는, 그로부터 절취되는 칩의 주면의 오프각의 제어가 용이하다.
[6] 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재에 있어서 또한, 결정 성장 주면에 관한 X선 토포그래피 이미지에 있어서, 결정 결함이 존재하는 선을 나타내는 결정 결함선이 결정 성장 주면에 도달하는 선단의 점(tip point)인, 결정 결함점(crystal defect point)의 군이 집합하여 존재할 수 있다. 이러한 단결정 다이아몬드재는, 큰 결손의 발생이 더욱 억제된다.
[7] 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재에 있어서 또한, 결정 결함점의 밀도를 2 mm-2보다 크게 할 수 있다. 이러한 단결정 다이아몬드재는, 큰 결손의 발생이 더욱 억제된다.
[8] 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재에 있어서 또한, 결정 결함점 중, 복수의 칼날 전위(edge dislocation) 및 복수의 나선 전위(screw dislocation) 중의 적어도 어느 것이 복합되는, 복합 전위(combined dislocation)가 결정 성장 주면에 도달하는 선단의 점인 복합 전위점(combined dislocation point)의 밀도를 2 mm-2보다 크게 할 수 있다. 이러한 단결정 다이아몬드재는, 큰 결손의 발생이 더욱 억제된다.
[9] 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재는 또한, 복수의 단결정 다이아몬드층을 포함할 수 있다. 이러한 단결정 다이아몬드재는, 큰 결손의 발생이 더욱 억제된다.
[10] 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재에 있어서 또한, 각 단결정 다이아몬드층의 계면에서, 결정 결함선이 새롭게 발생 또는 분기되고, 결정 성장 주면의 결정 결함점의 밀도가, 결정 성장 주면과는 반대측의 주면의 결정 결함점의 밀도보다 높도록 할 수 있다. 이러한 단결정 다이아몬드재는, 큰 결손의 발생이 더욱 억제된다.
[11] 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재에 있어서 또한, 결정 결함점의 군이 집합하여 선형으로 연장되는, 결정 결함 선형 집합 영역 복수개가 병렬로 존재할 수 있다. 이러한 단결정 다이아몬드재는, 큰 결손의 발생이 더욱 억제된다.
[12] 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재에 있어서 또한, 비치환형 질소 원자의 농도를 1 ppm 이상으로 할 수 있다. 이러한 단결정 다이아몬드재는, 큰 결손의 발생이 더욱 억제된다.
[13] 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재에 있어서 또한, 단결정 다이아몬드재의 두께를 500 ㎛로 했을 때의 파장 400 nm의 광의 투과율을 60% 이하로 할 수 있다. 이러한 단결정 다이아몬드재는, 큰 결손의 발생이 더욱 억제된다.
[14] 본 발명의 다른 실시형태에 따른 단결정 다이아몬드칩에 있어서, 비치환형 질소 원자의 농도가 200 ppm 이하이고, 비치환형 질소 원자의 농도보다 치환형 질소 원자의 농도가 낮으며, 또한, 단결정 다이아몬드칩의 주면의 오프각이 20° 이하이다. 이러한 단결정 다이아몬드칩은, 큰 결손의 발생이 억제됨과 함께 마모율의 변동이 작다.
[15] 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 단결정 다이아몬드칩이, 상기 실시형태의 단결정 다이아몬드재로부터 절취된다. 이러한 단결정 다이아몬드칩은, 큰 결손의 발생이 억제됨과 함께 마모율의 변동이 작다.
[16] 본 실시형태의 단결정 다이아몬드칩에 있어서 또한, 단결정 다이아몬드칩의 주면을, 밀러 지수가 -5 이상 5 이하의 정수로 표시되는, 저지수면으로 할 수 있다. 이러한 단결정 다이아몬드칩은, 큰 결손의 발생이 억제됨과 함께 마모율의 변동이 작다.
[17] 본 실시형태의 단결정 다이아몬드칩에 있어서 또한, 결정 성장 주면 및 결정 성장 주면에 평행한 주면 중의 어느 주면에 관한 X선 토포그래피 이미지에 있어서, 결정 결함이 존재하는 선을 나타내는 결정 결함선이 결정 성장 주면 및 결정 성장 주면에 평행한 주면 중의 어느 주면에 도달하는 선단의 점인 결정 결함점의 군이 집합하여 존재하고, 결정 결함점의 밀도를 2 mm-2보다 크게 할 수 있다. 이러한 단결정 다이아몬드칩은, 큰 결손의 발생이 더욱 억제된다.
[18] 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 단결정 다이아몬드 다이스를 포함하는 천공 공구에 있어서, 단결정 다이아몬드 다이스에서의 비치환형 질소 원자의 농도가 200 ppm 이하이고, 비치환형 질소 원자의 농도보다 치환형 질소 원자의 농도가 낮으며, 그리고, 단결정 다이아몬드 다이스는, -5 이상 5 이하의 정수의 밀러 지수로 표시되는 저지수면을 구비하고, 저지수면의 수선이 신선용의 구멍의 방위에 대해 20° 이하의 오프각을 구비한다. 이러한 천공 공구는, 단결정 다이아몬드 다이스의 큰 결손의 발생이 억제됨과 함께 마모율의 변동이 작다.
[19] 또한, 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 천공 공구가, 상기 실시형태의 단결정 다이아몬드칩으로 형성되는 단결정 다이아몬드 다이스를 포함한다. 이러한 천공 공구는, 단결정 다이아몬드 다이스의 큰 결손의 발생이 억제됨과 함께 마모율의 변동이 작다.
[20] 본 실시형태의 천공 공구에 있어서 또한, 단결정 다이아몬드 다이스의 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 존재하고, 결정 결함점의 밀도를 2 mm-2보다 크게 할 수 있다. 이러한 천공 공구는, 단결정 다이아몬드 다이스의 큰 결손의 발생이 더욱 억제된다.
[21] 본 실시형태의 천공 공구에 있어서 또한, 결정 결함점 중, 복수의 칼날 전위 및 복수의 나선 전위의 적어도 어느 것이 복합되는, 복합 전위가 결정 성장 주면에 도달하는 선단의 점인 복합 전위점의 밀도를 2 mm-2보다 크게 할 수 있다. 이러한 천공 공구는, 단결정 다이아몬드 다이스의 큰 결손의 발생이 더욱 억제된다.
[22] 본 실시형태의 천공 공구에 있어서 또한, 단결정 다이아몬드 다이스는 복수의 단결정 다이아몬드층을 포함하고, 각 단결정 다이아몬드층의 계면에서, 결정 결함선이 새롭게 발생 또는 분기되고, 결정 성장 주면의 결정 결함점의 밀도를, 결정 성장 주면과는 반대측의 주면의 결정 결함점의 밀도보다 높게 할 수 있다. 이러한 천공 공구는, 단결정 다이아몬드 다이스의 큰 결손의 발생이 더욱 억제된다.
[23] 본 실시형태의 천공 공구에 있어서 또한, 단결정 다이아몬드 다이스에서, 결정 결함점의 군이 집합하여 선형으로 연장되는, 결정 결함 선형 집합 영역 복수개가 병렬로 존재할 수 있다. 이러한 천공 공구는, 단결정 다이아몬드 다이스의 큰 결손의 발생이 더욱 억제된다.
[24] 본 실시형태의 천공 공구에 있어서 또한, 단결정 다이아몬드 다이스에서, 비치환형 질소 원자의 농도를 1 ppm 이상으로 할 수 있다. 이러한 천공 공구는, 단결정 다이아몬드 다이스의 큰 결손의 발생이 더욱 억제된다.
[25] 본 실시형태의 천공 공구에 있어서 또한, 단결정 다이아몬드 다이스에서, 단결정 다이아몬드 다이스의 두께를 500 ㎛로 했을 때의 파장 400 nm의 광의 투과율이 60% 이하로 할 수 있다. 이러한 천공 공구는, 단결정 다이아몬드 다이스의 큰 결손의 발생이 더욱 억제된다.
[본 발명의 실시형태의 상세]
<실시형태 1 : 단결정 다이아몬드재>
도 1∼도 3을 참조하면, 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재(20)는, 비치환형 질소 원자의 농도가 200 ppm 이하이고, 비치환형 질소 원자의 농도보다 치환형 질소 원자의 농도가 낮으며, 그리고 결정 성장 주면의 오프각이 20° 이하이다. 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재(20)는, 큰 결손의 발생이 억제됨과 함께 마모율의 변동이 작다. 여기서, 단결정 다이아몬드재(20)의 결정 성장 주면(20m)이란, 단결정 다이아몬드재에 있어서, 결정 성장에 의해 형성되는 결정 성장측의 주된 표면을 말한다. 단결정 다이아몬드재의 주면이란, 단결정 다이아몬드재로서의 물성을 갖는 주된 표면을 말하며, 결정 성장 주면(20m), 결정 성장 주면에 평행한 주면 및 결정 성장 주면(20m)과는 반대측의 주면(20n) 등을 포함한다. 또, 단결정 다이아몬드재의 주면이, 결정 성장 주면, 결정 성장 주면에 평행한 주면, 및 결정 성장 주면과는 반대측의 주면 중의 어느 것인지는, 후술하는 바와 같이, 상기 주면 및/또는 상기 주면과 교차하는 단면에서의 X선 토포그래피 이미지에 의해 식별할 수 있다.
발명자들은, 천공 공구, 내마 공구, 절삭 공구(예를 들면, 신선 다이스) 등의 마모율의 변동의 요인으로서, 많은 요인 중에서, 단결정 다이아몬드재 중의 불순물의 변동과 면 방위(plane orientation)의 변동을 발견했다.
그러나, 종래 불순물의 변동 및 면 방위의 변동을 억제하는 것은 어렵다. 예를 들면, 단결정 다이아몬드재로서 천연의 단결정 다이아몬드를 이용하는 경우는, 그 면 방위를 지정할 수 있더라도, 20° 이하의 높은 정밀도로 각도를 보증할 수 있는 것이 아니며, 때로는 상이한 면 방위인 것이 혼재하는 것조차 있는 것이 통상이었다. 또한, 자연스럽게 지구 내부에서 형성되기 때문에, 불순물인 질소 원자의 농도의 변동은 크고, ±500 ppm의 변동은 동일한 단결정 다이아몬드재로서 허용 범위로 되어 있었다.
한편, 단결정 다이아몬드재로서, 인공의 고압 합성법에 의한 단결정 다이아몬드를 이용하는 경우는, 면 방위가 상이한 것이 혼재하지는 않지만, 10° 이상 어긋나는 것이 10분의 몇% 이상 혼입되는 것, 또는, 5° 이상 어긋나는 것이 몇% 이상 혼입되는 것이, 동일한 단결정 다이아몬드재로서 허용 범위였다. 또한, 100%의 확률로 오프각이 3° 미만인 것이 갖춰지지 않고, 전부 특정한 면 방위인 것으로서 이용되고 있었다. 또한, 고압 합성법에 의해 얻어지는 단결정 다이아몬드재에서도, 질소는 자연스럽게 혼입되는 것이며, 그 혼입 농도에 관해서도 제조상 보증되는 것이 아니며, 80∼250 ppm의 범위에서 변동되며, ±85 ppm의 범위의 변동은 허용 범위였다.
이와 같이, 천연의 단결정 다이아몬드재는 물론, 인공의 고압 합성에 의해 얻어진 단결정 다이아몬드재에서 조차, 불순물인 질소 원자의 변동과 면 방위의 변동을 가지며, 천공 공구, 연마 공구, 절삭 공구 등에 있어서, 이러한 단결정 다이아몬드재를 이용하여 형성되는 단결정 다이아몬드칩 또는 단결정 다이아몬드 다이스의 마모율에 50%∼200%(즉, 평균치의 0.5배가 되거나 2.0배가 되거나 하는 것) 이상의 범위의 변동이 생긴다.
단결정 다이아몬드재는, 단결정 다이아몬드재의 마모율의 변동을 작게 하기 위해 이하의 방책을 포함한다. 제1 방책은, 단결정 다이아몬드재를 기상 합성법에 의해 형성하는 것이다. 고압 합성법에서는, 질소는 원료의 탄소 재료 중이나 용매의 금속 재료 중이나 합성시의 분위기 중으로부터 혼입되고, 그것을 몰 단위(분자수량 단위)로서 제어할 수는 없다. 한편, 기상 합성법에 의하면, 합성 가스의 각 원자의 몰 비를 제어할 수 있다. 즉, 원료의 합성 가스의 각 원자의 몰 비를 표준 상태의 가스 유량으로 제어하고, 용기 중의 여분의(상정 외의) 기체도 원료 가스에 비교해서 매우 작게 함으로써, 단결정 다이아몬드재 중의 질소 원자의 농도가 일정해지도록 제어할 수 있기 때문에, 원료나 용매나 합성 분위기로부터의 예측할 수 없는 가스 혼입에 의한 질소 원자의 농도의 변동을 피할 수 있다. 그러나, 기상 합성법에 의해서도, 주위의 대기중의 질소 가스가 극히 조금이지만 혼입되기 때문에, 단결정 다이아몬드재 중의 전체 질소 원자를 일정 농도 이상으로 하는 것이 바람직하고, 완전히 제로가 아닌 쪽이 단결정 다이아몬드재 중의 질소 원자의 농도는 안정된다. 또한, 합성 가스의 몰 비를 일정하게 하면, 소재 중의 질소 불순물이 일정해지는 것은 아니라는 것에도 주의할 필요가 있다. 압력, 온도, 파워 등의 외부 제어 요인에 의존하지만, 이것은 정밀하게 제어할 수 있는 요인이다. 다음에 언급하는 요인은, 제어가 어렵고 중요한 것이다.
제2 방책은, 단결정 다이아몬드재를 형성하기 위한 종기판(seed substrate)인, 다이아몬드 종결정(seed crystal)의 주면의 오프각을 제어하는 것이다. 다이아몬드 종결정의 주면의 오프각은, 불순물의 혼입에 영향을 미치며 그리고 정밀한 제어가 어려운, 요인이다. 다이아몬드 종결정의 주면의 오프각의 저감은, 각도의 기준이 되는 면을 결정하고 평행도가 좋은 레이저를 사용하여 절단하는 방법, 또는 평행도를 산출하고 보정된 평행도를 갖는 레이저를 사용하여 절단하는 방법에 의해 달성된다.
상세히 설명하면, 레이저는 평행성이 높은 광이지만, 가공에 이용하면 그 직경 방향의 강도 분포로 인해, 절단된 에지가 몇 도의 각도를 갖는 쐐기형으로 형성된다. 게다가, 레이저 가공은 파괴 가공이기 때문에, 항상 동일한 상태로 가공할 수 있는 것은 아니며, 가공 후의 표면의 최대 높이 거칠기(Rz)가 10 ㎛ 이상이 된다. 여기서, 최대 높이 거칠기(Rz)란, JIS B0601:2013에서 규정하는 최대 높이 거칠기(Rz)를 말한다. 또한, 레이저로 가공하기 위해 무엇인가에 접착하여 가공하는 것이지만, 항상 동일한 상태로 접착되는 것은 아니며, 접착시에도 몇 도 기울어지는 것은 항상 일어나는 일이다. 또한, 연마시에도, 한 번 제거하고, 연마용 지그에 부착하는 것이지만, 이 때에도 몇 도 기울어지게 된다. 연마 표면도 표면이 거칠어지기 때문에, 연마의 마무리가 몇 도 기울어져, 얻어지는 단결정 다이아몬드재의 주면의 오프각은 전체적으로 20° 이상 변동되어 버린다.
따라서, 본 발명자들은, 통상의 레이저 가공기를 독자적으로 개량(초점 심도를 규격 외로 변경하고, 평행도를 유지하는 등)하여, 1° 미만의 평행도를 갖는 레이저광이 되도록 하고, 레이저광의 내부의 강도도 연구(독자적으로 설계된 DOE 렌즈 등을 이용)하여, 가공 후의 평행도(본 명세서에 있어서는, 평행으로부터의 편향각을 말한다. 이하 동일) 또한 1° 미만의 가공을 실현했다. 조정이 부족하더라도, 가공 후의 평행도가 2° 미만인 경우는, 가공된 판의 양면에 대해 레이저광의 축을 절단 방향으로 ±1°만큼 보정함으로써, 가공 후의 판의 평행도를 1° 미만으로 하는 것에 성공했다. 이 방법에서, 5 ㎛ 이하의 최대 높이 거칠기(Rz)를 갖는 평탄성 가공 후의 표면을 구비하는 종결정을 제작할 수 있다. 평탄성과 평행도를 확보한 판형의 종결정을 제작하면, 평탄면이 생기기 때문에, 연마시의 접착에 의해서도 큰 변동이 생기지 않고, 전체적으로도 20° 이내의 오프각의 주면을 갖는 단결정 다이아몬드재의 형성이 가능해진다. 단, 단결정 다이아몬드재의 오프각은 정확하게 제로는 아닌 것이 바람직하다. 그것은, 오프각이 제로이면, 원자 단계가 거의 없어져, 질소 등의 불순물의 포함량이 반대로 불안정해지기 때문이다.
제3 방책은, 단결정 다이아몬드재 중의 비치환형 질소 원자 및/또는 치환형 질소 원자의 농도를 제어하는 것이다. 이것은, 불순물의 도입 방법에 따른 단결정 다이아몬드재의 차이에 주목하여, 불순물로서 단결정 다이아몬드재에 들어가는 질소 원자 중, 치환형 질소 원자 및 비치환형 질소 원자의 농도의 차이가, 단결정 다이아몬드재의 큰 결손의 발생 및 마모율에 영향을 미치는 것을 발견한 것에 의한 것이다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드재(20)는, 비치환형 질소 원자의 농도를 200 ppm 이하로 하고, 비치환형 질소 원자의 농도보다 치환형 질소 원자의 농도를 낮게 함으로써, 단결정 다이아몬드재의 큰 결손의 발생을 억제함과 함께, 단결정 다이아몬드재의 마모율의 변동이 감소하도록 한다. 또한, 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재(20)는, 주면의 오프각을 20° 이하로 함으로써 상기 면 방위의 변동을 억제할 수 있다. 이 때문에, 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재(20)에서, 비치환형 질소 원자의 농도가 200 ppm 이하이고, 비치환형 질소 원자의 농도보다 치환형 질소 원자의 농도가 낮으며, 그리고 결정 성장 주면의 오프각이 20° 이하인 것에 의해, 큰 결손의 발생이 억제됨과 함께 마모율의 변동이 작아진다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드재(20)에 있어서, 비치환형 질소 원자란, 전체 질소 원자로부터 치환형 질소 원자를 제외한 것을 말한다. 비치환형 질소 원자의 농도는, 전체 질소 원자의 농도로부터 치환형 질소 원자의 농도를 뺀 것을 말한다. 여기서, 전체 질소 원자의 농도는 SIMS(2차 이온 질량 분석법)에 의해 측정되고, 치환형 질소 원자의 농도는 ESR(전자 스핀 공명법)에 의해 측정된다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드재(20)는, 특별히 제한은 없지만, 기상 합성법에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 기상 합성법은, 합성 가스의 각 원자의 몰 비를 제어할 수 있기 때문에, 다른 방법과 비교해서, 단결정 다이아몬드재(20) 중의 질소 원자의 농도를 보다 정밀하게 제어할 수 있다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드재(20)에서, 마모율의 변동이 작다는 관점에서, 비치환형 질소 원자의 농도는, 200 ppm 이하이고, 110 ppm 이하인 것이 바람직하며, 55 ppm 이하인 것이 보다 바람직하다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드재(20)는, 마모율의 변동이 작다는 관점에서, 주면의 오프각은, 20° 이하이고, 10° 미만인 것이 바람직하며, 7° 미만인 것이 보다 바람직하고, 5° 미만인 것이 더욱 바람직하며, 3° 미만인 것이 더욱 바람직하고, 1° 미만인 것이 특히 바람직하다. 이것은, 내마모성과 관련된 탄소의 결합이 오프각을 θ로 했을 때 1/cosθ로 약해지고, 그 변동은 그 미분의 크기에 관련되기 때문에, 거의 sinθ에 상관되는 것을 고려하면, θ가 작을수록 변동이 작아지는 것을 나타낸다. 또한, 그에 덧붙여, 오프각이 작을수록 단계 수가 적어지고, 단계에서 불순물이 포함될 확률이 작아져, 불순물의 변동이 작아지고, 마모율의 변동이 작아지는 것 또한 나타낸다. 그러나, 오프각이 제로가 되면, 반대로 불순물의 포함이 불안정해지는 것은 전술한 바와 같다. 정량적으로 설명하면, 질소의 불순물은, 오프각에 의해 결정되는 표면 상의 원자 단계의 수(선 길이)에 영향을 받는다. 원자 단계의 간격은 오프각 θ의 1/sinθ에 비례하기 때문에, θ가 제로인 경우는 극단적으로 길어져(이론상으로는 무한대) 극단적으로 불순물이 포함되기 어려워지지만, 오프각이 0.005°가 되면, 단계 간격이 1 ㎛ 정도가 되어, 불순물 또한 5°의 오프각(수 ppm)과 비교하면 수 ppb 정도가 된다. 전체 질소는 1 ppb 이상 포함되는 것이 마모율의 변동의 관점에서 바람직한 것을 전술했지만, 동일한 관점에서, 오프각은 0.005° 이상, 나아가 0.05° 이상인 것이 바람직하다. 여기서, 주면의 오프각이란, 임의로 특정되는 결정면에 대한 오프각을 말한다. 임의로 특정되는 결정면은, 특별히 제한은 없지만, 마모율의 변동이 작다는 관점에서, 밀러 지수가 -5 이상 5 이하의 정수로 표시되는 저지수면인 것이 바람직하고, {100}, {110}, {111}, {211}, {311} 및 {331}로 이루어진 군에서 선택되는 면 방위를 갖는 적어도 하나의 면인 것이 보다 바람직하다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드재(20)에서는, 큰 결손의 발생이 억제됨과 함께 마모율의 변동이 작다는 관점에서, 치환형 질소 원자의 농도가 비치환형 질소 원자의 농도보다 낮다. 비치환형 질소 원자의 농도보다 치환형 질소 원자의 농도가 높으면, 마모량이 커져, 마모율의 변동이 커지는 요인이 됨과 함께, 큰 결손 발생의 요인이 되기 때문이다. 또, 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재(20)에서는, 마모율의 변동이 작다는 관점에서, 치환형 질소 원자의 농도는, 80 ppm 미만인 것이 바람직하고, 20 ppm 미만인 것이 보다 바람직하며, 15 ppm 미만인 것이 더욱 바람직하고, 10 ppm 이하인 것이 더욱 바람직하며, 1 ppm 이하인 것이 더욱 바람직하고, 0.5 ppm 이하인 것이 더욱 바람직하고, 0.3 ppm 이하인 것이 특히 바람직하며, 0.1 ppm 이하인 것이 가장 바람직하다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드재(20)에서는, 큰 결손을 억제함과 함께 마모율의 변동이 보다 작다는 관점에서, 비치환형 질소 원자 및 치환형 질소 원자의 전체인, 전체 질소 원자의 농도는, 1 ppb(0.001 ppm) 이상인 것이 바람직하고, 0.01 ppm 이상인 것이 보다 바람직하고, 0.1 ppm 이상인 것이 보다 바람직하고, 1 ppm 이상인 것이 더욱 바람직하고, 10 ppm 이상인 것이 특히 바람직하다. 전체 질소 원자의 농도가 0.1 ppb 미만이 되면, 자연스럽게 혼입되는 질소 불순물이 불안정해져, 단결정 다이아몬드재가 취약해진다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드재(20)에서는, 다이아몬드 종결정으로부터 변동이 적은 오프각의 단결정 다이아몬드재를 용이하게 성장시키는 관점에서, 그리고 단결정 다이아몬드재(20)로부터 절취되는 칩의 주면의 오프각의 제어가 용이하다는 관점에서, 결정 성장 주면과는 반대측의 주면과 결정 성장 주면의 평행으로부터의 편향각은, 2° 미만인 것이 바람직하고, 0.1° 미만인 것이 보다 바람직하며, 0.05° 미만인 것이 더욱 바람직하다. 여기서, 「결정 성장 주면의 평행으로부터의 편향각」이라는 것은, 엄밀하게는 「성장할 때의 다이아몬드 종결정의 주면의 평행으로부터의 편향각」이라는 의미이며, 주면의 평행은 결정 성장 주면에 완전히 그대로 전사되기 때문에, 그 동등성을 이용한다. 단, 이와 같이 평행도를 이용하는 결정 성장 주면의 요철이 커져 평행도의 정밀도가 떨어지는 경우는, 단결정 다이아몬드재의 결정 성장 주면은, 다이아몬드 종결정의 주면으로부터 100 ㎛ 이내로 성장한 초기의 결정 성장 주면에서 생각한다. 이것은, 나중에 성장 줄무늬가 되어 나타나기 때문에, 그 단면을 광학 현미경이나 SEM(주사형 전자 현미경)이나 CL(캐소드 루미네센스)나 PL(포토 루미네센스)로 관찰하면, 성장 초기의 결정 성장 주면은 줄무늬가 되어 그 평행면을 평가할 수 있다. 따라서, 판두께가 200 ㎛보다 커지면, 결정 성장 주면과는 반대측의 주면으로부터 200 ㎛ 이내, 바람직하게는 100 ㎛ 이내, 보다 바람직하게는 50 ㎛ 이내의 성장 초기의 결정 성장 주면의 평행으로부터의 편향각을 이용한다. 또한, 상기와 동일한 관점에서, 결정 성장 주면과는 반대측의 주면에 있어서, 그 굴곡의 최대 고저차(Dm)는, 10 ㎛/mm 이하인 것이 바람직하고, 5 ㎛/mm 이하인 것이 보다 바람직하며, 0.6 ㎛/mm 이하인 것이 더욱 바람직하고, 또한, 그 산술 평균 거칠기(Ra)는, 0.1 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 50 nm 이하인 것이 보다 바람직하며, 10 nm 이하인 것이 더욱 바람직하고, 5 nm 이하인 것이 더욱 바람직하고, 1 nm 이하인 것이 특히 바람직하다.
단결정 다이아몬드재(20)의 결정 성장 주면과는 반대측의 주면과 결정 성장 주면(혹은 상기 성장 초기의 결정 성장 주면)의 평행으로부터의 편향각은, 단결정 다이아몬드재(20)를 성장시키기 위한 다이아몬드 종결정(10)의 주면(10m)의 오프각과 단결정 다이아몬드재(20)의 결정 성장 주면(20m)의 오프각의 편향각에 해당한다. 또한, 굴곡의 최대 고저차(Dm)란, 수백 ㎛ 범위의 PV값이 아니라, 1 mm의 범위에 걸친 완만한 표면의 고저에 있어서의 최고치와 최저치의 차이며, 샘플의 실제의 경사분(주면의 경사분)은 제외하지만, 상대적인 값이 아니라, 주면의 수평을 기준으로 하는 절대치이다. 통상의 백색 간섭을 이용한 표면 거칠기 측정 장치로 0.5 mm 범위의 시야를 연결하여 측정 가능하다. 또한, 산술 평균 거칠기(Ra)란, JIS B0601:2013에서 규정하는 산술 평균 거칠기(Ra)를 말하며, 백색 주사형 백색 간섭형 현미경(캐논사 제조 ZYGO)에 의해 측정 가능하다.
단결정 다이아몬드재(20)의 결정 성장 주면(20m)에 반대측의 주면(20n)과 결정 성장 주면(20m)의 평행으로부터의 편향각이 작은 것은, 다이아몬드 종결정(10)의 주면(10m) 오프각과 단결정 다이아몬드재(20)의 결정 성장 주면(20m)과는 반대측의 주면(20n)의 오프각의 편향이 작은 것의 증명이 된다. 다이아몬드 종결정(10) 상에 성장한 그대로의 단결정 다이아몬드재(20)의 결정 성장 주면(20m)과는 반대측의 주면(20n)의 오프각은, 성장 후에 다이아몬드 종결정(10)으로부터 분리된 단결정 다이아몬드재(20)의 결정 성장 주면(20m)과는 반대측의 주면(20n)의 오프각과 정확하게 일치하고 있는 것은 아니기 때문이다. 통상의 수법의 레이저에 의해, 단결정 다이아몬드재(20)를 다이아몬드 종결정(10)으로부터 분리하여 연마하면, 단결정 다이아몬드재(20)의 다이아몬드 종결정(10)으로부터 분리한 면측의 주면(즉, 결정 성장 주면과는 반대측의 주면(20n))과, 단결정 다이아몬드재(20)의 결정 성장 주면(20m)과의 평행의 편향각이 2° 이상으로 커진다. 그렇게 되면, 이 시점에서 이미, 최종적으로 오프각의 변동이 적은 공구를 제작할 수 없다. 따라서, 결정 성장 주면과는 반대측의 주면(20n)과 결정 성장 주면(20m)의 평행으로부터의 편향각이 작은 것이, 오프각의 변동이 작은 공구를 제작하기 위해 필요한 것이다. 또한, 결정 성장 주면과는 반대측의 주면(20n)의 굴곡의 최대 고저차(Dm)가 작은 것은, 단결정 다이아몬드재로부터 단결정 다이아몬드칩을 절취했을 때에, 개개의 단결정 다이아몬드칩의 결정 성장 주면과는 반대측의 주면의 오프각의 변동이 작은 것의 증명이 된다. 단결정 다이아몬드칩이 1 mm 정사각형보다 작은 것이 많지만, 그 사이즈에서 표면이 10 ㎛ 이상의 굴곡(undulation)을 구비하면, 굴곡 전후의 부분도 포함하여, 오프각의 변동이 1° 이상이 된다. 그렇게 되면, 역시 최종적으로 오프각의 변동이 적은 공구를 제작할 수 없다. 따라서, 결정 성장 주면과는 반대측의 주면(20n)의 굴곡의 최대 고저차(Dm)가 작은 것도, 오프각의 변동이 적은 공구를 제작하기 위해 필요한 것이다. 이에 덧붙여, 결정 성장 주면과는 반대측의 주면(20n)의 산술 평균 거칠기(Ra)가 작은 것도 마찬가지로 필요한 포인트가 된다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재(20)에서는, 큰 결손의 발생이 억제된다는 관점에서, 결정 성장 주면(20m)에 관한 X선 토포그래피 이미지에 있어서, 결정 결함이 존재하는 선을 나타내는 결정 결함선(20dq)이 결정 성장 주면(20m)에 도달하는 선단의 점인 결정 결함점(20dp)의 군이 집합하여 존재하는 것이 바람직하다. 여기서, 결정 성장 주면이란, 결정 성장에 의해 형성되는 결정 성장측의 주된 표면을 말한다. 여기서, 결정 결함점(20dp)의 군이 집합한다는 표현은, 본 발명에 있어서 이하와 같은 상세한 의미이다. 즉, 결정 결함점(20dp)은, 하나의 기점으로부터 분기된 복수의 결정 결함점 또는 이들의 도중에 분기된 결정 결함점의 집합을 하나의 군으로 하고, 다른 기점으로부터 유래한 것은 별도의 군으로 한다. 동일한 군을 전부 포함하는 최소의 원을 군의 영역으로 표현하면, 어떤 군의 영역과 별도의 군의 영역이 접촉 또는 중복되는 경우에, 군이 집합된다고 표현한다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드재(20)에 있어서, 결정 결함점(20dp) 및 결정 결함선(20dq)은, X선 토포그래피 이미지에서 이들의 존재가 표시된다. 즉, 결정 결함점 및 결정 결함선은, 결정의 이들 이외의 부분(결함이 보다 적은 부분, 즉, 결정성이 높은 부분)에 비해서 X선의 반사 강도가 높기 때문에, X선 토포그래피 이미지에 있어서, 포지티브 이미지의 경우는 암부로서, 네거티브 이미지의 경우는 명부로서 이들의 존재가 표시된다. 결정 결함선(20dq)은 암부나 명부가 선형으로서 나타나며, 결정 결함점(20dp)은 결정 성장 주면(20m) 등의 주면과 결정 결함선(20dq)의 교점으로서 나타난다.
여기서, 결정 결함(20d)에는, 점 결함, 전위, 결손, 균열, 결정 왜곡 등의 각종 결함이 포함된다. 또한, 전위에는, 칼날 전위, 나선 전위, 복수의 칼날 전위 및 복수의 나선 전위 중의 적어도 어느 것이 복합되는 복합 전위 등이 포함된다.
이들 결정 결함(20d) 등으로 이루어진 결정 결함선(20dq)은, 결정 결함선이 새롭게 발생하거나 또는 결정 결함선이 결정 성장 주면(20m)에 도달할 때, 정지하게 된다. 결정 성장 주면(20m)에 도달한 결정 결함선(20dq)의 선단의 점이 "결정 결함점(20dp)"으로 지칭된다. 본 발명에서는, 단위면적당의 결정 결함점(20dp)의 개수를 세어 밀도를 정의한다. 본 발명에 있어서, 1×104개 이상의 결정 결함점을 세는 것은 사실상 불가능하므로, 다음과 같이 범위를 한정한 임의의 영역의 적어도 5개소의 평균치를 취해도 좋다. 결정 결함점이 10개/㎟ 이상 있는 경우는 1 mm 정사각형의 영역을, 100개/㎟ 이상에서는 500 ㎛ 정사각형의 영역을, 1×104개/㎟ 이상에서는 100 ㎛ 정사각형 등 범위를 한정하여, 결정 결함점(20dp)의 개수를 세어 mm-2 단위로 환산한다. 이 때, 결정 결함점(20dp)의 개수를 세는 영역은, 반드시 결정 결함 집합 영역을 포함하는 개소로 한다. 여기서, 결정 결함 집합 영역이란, 결정 결함점들(20dp)이 집합하는 영역을 말한다. 선형으로 연장되는 결정 결함 집합 영역이, "결정 결함 선형 집합 영역(20r)"으로 지칭된다. 결정 결함선(20dq)이 정지한 부분의 어느 쪽이 결정 성장 주면(20m)에 도달했는지 모르는 경우는, 투과형의 X선 토포그래피 이미지의 입사각과 회절면을 변경하거나, 또는 반사형의 X선 토포그래피의 촬영도 행함으로써, 결정 결함점을 명확하게 한다.
한편, 결정 결함선(20dq)은, 결정 성장 주면(20m)에서는 결정 결함점(20dp)이 되기 때문에, 결정 성장 주면(20m) 부근에서의 결정 결함선의 밀도는 결정 결함점의 밀도와 같다. 결정 결함선은, 결정 내부에도 존재하고, 임의의 면과의 교점에도 존재한다. 이 교점의 밀도는, 그 면에서의 결정 결함선의 밀도에 해당한다. 임의의 면이란, 예를 들면, 도 3에 나타내는 층형으로 성장하고 있는 단결정 다이아몬드층(21, 22)의 계면(212i)이나 그 근방의 그것에 평행한 면 등을 상정할 수 있다.
결정 결함 선형 집합 영역(20r)은, 결정 결함이 존재하는 선인 결정 결함선(20dq)의 선단의 점인 결정 결함점(20dp)이 결정 성장 주면(20m)에 있어서 선형으로 집합함으로써 형성된다. 이 때문에, 결정 결함 선형 집합 영역(20r)은, 단결정 다이아몬드재의 결정 성장 방향에 평행한 방향(즉, 결정 성장 주면에 수직인 방향)으로 투과형으로 측정된 X선 토포그래피 이미지에 있어서 적합하게 표시된다. 반사형으로도 측정 가능하지만, 반사형으로 측정된 X선 토포그래피 이미지에 있어서는, 결정 결함선이 중복된 이미지가 되기 때문에, 결정 결함점의 집합 상태가 판명되기 어려워지기 때문이다. 본 발명에서는 고밀도의 결정 결함점을 관찰할 필요가 있기 때문에, X선 토포그래피 이미지는 방사광의 X선을 이용하는 것이 바람직하다. 투과형으로 측정하는 경우는, 예를 들면, 파장 0.71 Å의 X선을 이용하고, 2θ=32.9°의 (220) 회절을 이용하여 측정한다. 또한, 반사형으로 측정하는 경우는, 파장 0.96 Å의 X선을 이용하고, 2θ=52.4°의 (113) 회절을 이용하여 측정해도 좋다. 상기와 같이 결정 결함점(20dp)이 명확하지 않은 경우는, 파장을 바꾸고 회절각을 바꾸어 촬영함으로써 특정한다. 마찬가지로 실험실 시스템의 X선 회절 장치를 이용하여 측정해도 좋고, 예를 들면 Mo 선원으로 (111) 회절을, Cu 선원으로 (113) 회절을 관찰해도 좋지만, 고해상도로 촬영하기 위해서는 긴 측정 시간을 요한다. 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. 현상 후, 광학 현미경으로 화상을 캡쳐하여, 결정 결함점(20dp) 및 결정 결함선(20dq)의 정량화를 행한다. 이러한 결정 결함(20d)의 측정에 관해, 복굴절을 이용하는 방법(복굴절법)도 있지만, 복굴절 이미지에 나타나지 않는 전위나, 반대로 구조 결함이 아닌 점 결함이 복굴절 이미지에 나타나는 경우가 있기 때문에, X선 토포그래피가 복굴절법보다 바람직하다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드재(20)에서는, 결정 결함점(20dp)의 밀도가, 2 mm-2보다 큰 것이 바람직하고, 20 mm-2보다 큰 것이 보다 바람직하며, 300 mm-2보다 큰 것이 더욱 바람직하고, 1000 mm-2보다 큰 것이 더욱 바람직하며, 1×104 mm-2보다 큰 것이 특히 바람직하다. 이러한 단결정 다이아몬드재는, 결정 결함점(20dp)의 밀도가 2 mm-2보다 크기 때문에, 고밀도의 결정 결함점에 대응하는 고밀도의 결정 결함선에 의한 응력 완화에 의해 큰 결손의 발생이 억제된다. 특히, 결정 결함점(20dp)의 밀도가 1000 mm-2보다 큰 경우는, 내결손성도 특히 우수하다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드재(20)는, 결정 결함점(20dp) 중, 복수의 칼날 전위 및 복수의 나선 전위의 적어도 어느 것이 복합되는 복합 전위가 결정 성장 주면에 도달하는 선단의 점인 복합 전위점의 밀도가, 2 mm-2보다 큰 것이 바람직하고, 30 mm-2보다 큰 것이 보다 바람직하며, 300 mm-2보다 큰 것이 더욱 바람직하고, 3000 mm-2보다 큰 것이 특히 바람직하다. 이러한 단결정 다이아몬드재는, 복합 전위가 결정 성장 주면에 도달하는 선단의 점인 복합 전위점의 밀도가 20 mm-2보다 크기 때문에, 그리고 복합 전위에 의한 응력 완화의 효과가 크기 때문에, 큰 결손의 발생이 더욱 억제된다. 특히, 복합 전위점의 밀도가 300 mm-2보다 큰 경우는, 내결손성이 특히 우수하다.
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 칼날 전위이지만, [440] 방향 및 [4-40] 방향 등의 서로 직교하는 복수의 g 벡터로 관찰할 수 있는 경우는 복합 전위이다. 또, 결정 결함선인, 전위의 진행 방향인 <001> 방향과 수직이 아니라, <001> 방향으로도 성분을 갖는, 버거스 벡터(Burgers vector)를 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 본 발명의 구조로 이루어지지 판별하기 어려워진다. 이와 같이 관찰한 복합 전위 또한 결정 결함선이기 때문에, 복합 전위의 밀도는, 전술한 결정 결함선의 밀도와 동일하게 측정할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재(20)는, 복수의 단결정 다이아몬드층(21, 22)을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 단결정 다이아몬드재는, 복수의 단결정 다이아몬드층(21, 22)을 포함하기 때문에, 큰 결손의 발생이 더욱 억제된다.
도 3을 참조하면, 주면(10m)에 종결정 결함점(10dp)의 군이 집합하여 선형으로 연장되는, 종결정 결함 선형 집합 영역을 갖는 다이아몬드 종결정(10)의 주면(10m) 상에 CVD(화학 기상 퇴적)법에 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 다이아몬드재(20)의 결정 성장 주면(20m)에 도달하는 선단의 점이 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)을 이어받고, 제2 단결정 다이아몬드층(22)에 있어서는 제1 단결정 다이아몬드층(21)의 하나의 결정 결함선(21dq)으로부터 복수의 결정 결함선(22dq)을 이어받기 때문에, 단결정 다이아몬드층(21, 22)의 수가 많아질수록, 단결정 다이아몬드재(20)의 결정 결함점(20dp)은 많아진다. 그 결과, 단결정 다이아몬드층(21, 22)의 층수가 증가할 때마다, 결정 성장 주면(20m)에 반대측의 주면(20n)으로부터 결정 성장 주면(20m)으로 갈수록 결정 결함선(21dq, 22dq)이 증가하는 구조가 되어, 보다 내결손성이 높은 결정을 얻을 수 있다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드재(20)에서는, 각 단결정 다이아몬드층(21, 22)의 계면(212i)에서, 결정 결함선(21dq, 22dq)이 새롭게 발생 또는 분기되고, 결정 성장 주면(20m)의 결정 결함점(20dp)의 밀도가, 결정 성장 주면(20m)과는 반대측의 주면(20n)의 결정 결함점의 밀도보다 높은 것이 바람직하다. 이러한 단결정 다이아몬드재는, 큰 결손의 발생이 더욱 억제된다.
도 1을 참조하면, 실시형태의 단결정 다이아몬드재(20)에서, 어떤 주면(예를 들면, 결정 성장 주면(20m))에 관한 X선 토포그래피 이미지에 있어서, 결정 결함(20d)이 존재하는 선을 나타내는 결정 결함선(20dq)이 단결정 다이아몬드재(20)의 적어도 어느 하나의 면(예를 들면, 결정 성장 주면(20m))에 도달하는 선단의 점인 결정 결함점(20dp)의 군이 집합하여 선형으로 연장되는 결정 결함 선형 집합 영역(20r) 복수개가 병렬로 존재하는 것이 바람직하다. 이러한 단결정 다이아몬드재는, 큰 결손의 발생이 억제된다. 여기서, 선형이란, 어떤 폭을 갖는, 하나의 고정된 선으로부터 어떤 각도(φ)(예를 들면, 10° 이상 90° 이하) 만큼 회전한 선 상에서의 결정 결함점(20dp)의 존재 확률의, 상기 고정된 선 상에서의 결정 결함점(20dp)의 존재 확률과 비교되는, 급격한 감소에 기초하여 판단할 수 있다. 즉, 적어도 5개의 선을 추출하고, 선들 상의 결정 결함점들 및 각도들을 그래프에 작도하면, 고정된 선을 중심으로 피크가 나타나기 때문에, 선형을 판단할 수 있다.
여기서, 결정 결함 선형 집합 영역(20r)은, 길이(L) 및, 선형으로 연장되는 방향으로의 간격(D)을 갖는다. 또한, 복수의 결정 결함 선형 집합 영역(20r)이 피치(P)를 갖도록 병렬로 존재한다. 결정 결함 선형 집합 영역(20r)의 길이(L)는, 클수록 바람직하고, 300 ㎛ 이상인 것이 바람직하며, 500 ㎛ 이상인 것이 보다 바람직하다. 결정 결함 선형 집합 영역(20r)의 간격(D)은, 작을수록 바람직하고, 500 ㎛ 이하인 것이 바람직하며, 250 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 결정 결함 선형 집합 영역(20r) 사이의 피치(P)는, 작을수록 바람직하고, 500 ㎛ 이하인 것이 바람직하며, 250 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 피치(P)는 일정하지 않아도 좋다. 또한, 결정 결함 선형 집합 영역(20r)이 선형으로 연장되는 방향은, 복수의 결정 결함 선형 집합 영역(20r)이 선형으로 연장되는 방향의 평균 방향을 말하며, 각 결정 결함 선형 집합 영역(20r)이 선형으로 연장되는 방향은, 평균 방향과 이루는 각(θ)이 30° 이하인 것이 바람직하다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드재(20)에서는, 비치환형 질소 원자의 농도는 1 ppm 이상인 것이 바람직하고, 3 ppm 이상인 것이 보다 바람직하며, 5 ppm 이상인 것이 더욱 바람직하고, 8 ppm 이상인 것이 더욱 바람직하며, 10 ppm 이상인 것이 더욱 바람직하고, 30 ppm 이상인 것이 특히 바람직하다. 단결정 다이아몬드재(20) 중의 비치환형 질소 원자가 결정 결함선(20dq)과 융합하기 때문에, 단결정 다이아몬드재(20)는, 큰 결손의 발생이 억제되어 내결손성이 증가한다. 특히, 비치환형 질소 원자의 농도가 10 ppm 이상인 경우는 우수한 내결손성을 나타낸다. 비치환형 질소는, 결정 결함점(20dp)의 군이 집합하여 존재하면, 내결손성이 높은 상태로 다이아몬드 중에 형성되기 쉬워, 보다 많이 포함되기 쉬워진다. 이러한 비치환형 질소 원자의 농도는, SIMS(2차 이온 질량 분석법)에 의해 측정되는 전체 질소 원자의 농도로부터 ESR(전자 스핀 공명법)에 의해 측정되는 치환형 질소 원자의 농도를 차감하여 산출된다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드재(20)에서는, 단결정 다이아몬드재(20)의 두께를 500 ㎛로 했을 때의 파장 400 nm의 광의 투과율이, 60% 이하인 것이 바람직하고, 30% 이하인 것이 보다 바람직하며, 10% 이하인 것이 더욱 바람직하고, 5% 이하인 것이 특히 바람직하다. 나아가, 단결정 다이아몬드재(20)의 두께를 500 ㎛로 했을 때의 파장 600 nm의 광의 투과율이, 60% 이하인 것이 바람직하고, 30% 이하인 것이 보다 바람직하며, 10% 이하인 것이 더욱 바람직하고, 5% 이하인 것이 특히 바람직하다. 파장 400 nm의 광의 투과율이 작으면, 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재의 결정 결함선이 많고, 또한 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재의 비치환형 질소도 많아, 결과적으로 균열을 억제하여, 내결손성을 나타내게 된다. 보다 장파장의 파장 600 nm의 광의 투과율이 작으면, 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재의 결정 결함선이 많고, 또한 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재의 비치환형 질소도 많아, 결과적으로 균열을 억제하여, 내결손성을 나타내게 된다. 결정 결함선이 많은 것만으로는, 광의 투과율에 크게 영향을 미치는 것은 아니지만, 비치환형 질소와 결정 결함선이 서로 (비치환형 질소는 결정 결함선의 간극에 들어가고, 결정 결함선은 질소의 사이를 꿰도록) 얽히면, 비치환형 질소와 결정 결함선은 상승 효과에 의해 증가하고, 주변의 탄소의 sp2 성분도 미량 증가함으로써, 광의 투과율에 영향을 미치고, 얽혀 있는 결정 결함선과 비치환형 질소는 균열이나 결손의 확대를 방지하는 것에 영향을 미치기 때문에, 그 경우의 광의 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. 또한, 단결정 다이아몬드재의 두께를 500 ㎛로 했을 때의 광의 투과율이란, 그 두께가 500 ㎛일 때에 측정한 광의 투과율, 또는, 그 두께가 500 ㎛ 이외일 때에 측정한 광의 투과율을 측정하여 두께가 500 ㎛일 때로 환산한 광의 투과율을 말한다.
<실시형태 2 : 단결정 다이아몬드칩>
본 실시형태에 따른 단결정 다이아몬드칩에서는, 비치환형 질소 원자의 농도가 200 ppm 이하이고, 비치환형 질소 원자의 농도보다 치환형 질소 원자의 농도가 낮으며, 그리고 단결정 다이아몬드칩의 주면의 오프각이 20° 이하이다. 이러한 단결정 다이아몬드칩은, 마모율의 변동이 작다. 일반적으로 단결정 다이아몬드칩은, 단결정 다이아몬드재로부터 그 주면에 수직으로 절취되고, 쌍방의 오프각의 수치가 일치하는 것이 제법상 유리하다. 그러나, 단결정 다이아몬드재의 주면의 오프각은, 다결정화를 억제하는 등의 합성 상의 상황에 의해, 일반적으로 큰 오프각을 갖는다. 따라서, 주면의 오프각이 큰 경우에도, 단결정 다이아몬드칩은 단결정 다이아몬드재로부터 오프각만큼 비스듬히 절취하여, 단결정 다이아몬드칩의 주면의 오프각을 20° 이하로 하는 것이, 마모율의 변동이 보다 작다는 관점에서 유효하다. 이러한 관점에서, 주면의 오프각은, 10° 미만인 것이 바람직하고, 7° 미만인 것이 보다 바람직하며, 5° 미만인 것이 더욱 바람직하고, 3° 미만인 것이 더욱 바람직하며, 1° 미만인 것이 특히 바람직하다.
단결정 다이아몬드칩의 오프각의 변동은, 단결정 다이아몬드재의 오프각의 변동에 좌우되며, 단결정 다이아몬드재의 오프각이 작은 쪽이 단결정 다이아몬드칩의 오프각을 작게 하기 쉽기 때문에 바람직하다. 또한, 단결정 다이아몬드재의 결정 성장 주면(혹은 상기 성장 초기의 결정 성장 주면)과 단결정 다이아몬드칩의 주면의 오프각의 차가 작은 쪽(예를 들면, 5° 이하)이 전술한 설명과 같이 변동을 작게 하기 쉽고, 5°를 넘으면 10° 이상의 오프각을 넘어 변동하기 쉬워지는 경향은 있지만, 최종적으로는, 단결정 다이아몬드칩의 주면의 오프각 쪽이 최종 제품의 마모의 변동을 좌우하기 때문에, 단결정 다이아몬드 재료의 오프각보다 우선된다. 여기서, 단결정 다이아몬드칩의 주면이란, 그 크기의 대소에 상관없이, 공구에 실장되었을 때에 그 공구로서의 기능을 발휘하는 주역이 되는 표면을 말하며, 예를 들면, 천공 공구의 경우는 구멍을 뚫는 것이 상정되는 주면, 절삭 공구의 경우는 경사면으로 상정되는 주면 등을 말한다.
단, 공구를 상정하는 것이 어려운 경우는, 다음과 같은 정의에 따른다. 단결정 다이아몬드칩의 주면이란, 최대의 면적을 갖는 면이 아니라, 대칭성의 보다 높은 면을 가리킨다. 원기둥이면 원형의 면이고, 직방체나 사각기둥이면 보다 정방형에 가까운 면이 주면이 된다. 모든 면이 8%의 오차 내에서 정방형에 가까운 경우는, 평행도가 보다 높은 쌍으로 이루어지는 면을 주면으로 한다. 입방체의 경우는, 다이아몬드의 결정 구조가 면심 입방이기 때문에, 어느 면을 상정하더라도 오프각이 동일해지기 때문에 문제는 없다.
또한, 본 실시형태에 따른 단결정 다이아몬드칩은, 실시형태 1의 단결정 다이아몬드로부터 절취된 것이다. 따라서, 본 실시형태에 따른 단결정 다이아몬드칩은, 대략 다각기둥 형상인 것(주면이 대략 다각형면), 예를 들면 대략 사각기둥, 대략 정사각기둥, 대략 직방체, 대략 입방체 형상인 것, 또는 대략 원기둥 형상인 것(주면이 대략 원형면) 등의 전체를 가리키고, 대략이란 육안으로 봤을 때 그렇게 보이는 형상을 가리키며, 엄밀하게 정밀한 형상이 아닌 것을 가리킨다. 정밀도는 대략 ±10% 이내를 전망한다. 따라서, 단결정 다이아몬드재의 오프각과 단결정 다이아몬드칩의 오프각은, 같은 것은 아니다. 또한, 단결정 다이아몬드칩은, 기본적으로 단결정 다이아몬드재로부터 병진 대칭성의 절취 방법을 채택하는 것이, 재료를 효율적으로 이용하는 관점에서 바람직하다. 이러한 단결정 다이아몬드칩은, 마모율의 변동이 보다 작다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드칩은, 단결정 다이아몬드재를 절취하여 제작되지만, 단순히 절취하는 것만으로는, 단결정 다이아몬드재에서 일치하는 오프각 등이, 변동되어 버린다. 따라서, 평행도 2° 이하의 레이저를 사용하여 절단하는 것이 바람직하다. 이러한 레이저의 평행도는, 1° 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.5° 이하인 것이 더욱 바람직하며, 0.2° 이하인 것이 특히 바람직하다. 평행도는 초점 심도를 희생하여 광학계를 개량하는 등의 연구를 요한다. 레이저가 쐐기형의 절단 형상을 나타낸다는 점을 이용하면, 마주보는 변의 절단 방향을 바꿈으로써, 1/4의 각도(0.05°)의 제어가 또한 가능하다. 이러한 기술에 의해, 단결정 다이아몬드칩의 주면의 오프각은, 변동이 적은 각도로 제어될 수 있다.
또한, 단결정 다이아몬드칩은, 입방체와 같은 대칭성이 높은 형상이면, 이용하는 면을 알기 어렵기 때문에, 좋지 않다. 직방체나 세로, 가로, 길이가 각각 상이한 형상은, 이용하는 면을 알기 쉽기 때문에 바람직하다. 단, 입방체나 직방체에서도 표지가 되는 것이 형성되면, 이용하는 면을 알기 쉽기 때문에 바람직하다. 레이저에 의한 절단은, 평행도가 달성되는 한, 면에 수직으로 또는 비스듬히, 또는 변에 수직으로 또는 비스듬히 실행될 수 있을 것이다. 이러한 연구에 의해, 질소 원자 농도나 오프각의 제어를 행한 단결정 다이아몬드칩을 제작할 수 있다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드칩에서는, 단결정 다이아몬드칩의 주면이, 밀러 지수가 -5 이상 5 이하의 정수로 표시되는, 저지수면인 것이 바람직하다. 이러한 단결정 다이아몬드칩은, 마모율의 변동이 보다 작다. 여기서, 저지수면은, 상기의 관점에서, {100}, {110}, {111}, {211}, {311} 및 {331}로 이루어진 군에서 선택되는, 면 방위를 구비하는 적어도 하나의 면인 것이 보다 바람직하다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드칩에서는, 결정 성장 주면 및 결정 성장 주면에 평행한 주면(이 주면은, 단결정 다이아몬드재로부터의 절취에 의해 형성되는 주면이다. 이하 동일) 중의 어느 주면에 관한 X선 토포그래피 이미지에 있어서, 결정 결함이 존재하는 선을 나타내는 결정 결함선이 결정 성장 주면 및 결정 성장 주면에 평행한 주면 중의 어느 주면에 도달하는 선단의 점인 결정 결함점의 군이 집합하여 존재하고, 결정 결함점의 밀도가 2 mm-2보다 큰 것이 바람직하다. 이러한 단결정 다이아몬드칩은, 큰 결손의 발생이 억제된다. 또한, 단결정 다이아몬드칩의 결정 성장 주면 및 결정 성장 주면에 평행한 주면은, 특별히 제한은 없지만, 단결정 다이아몬드칩의 큰 결손의 발생이 억제되는 관점에서, 단결정 다이아몬드칩의 주면과 평행 또는 수직인 것이 바람직하다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드칩에서는, 단결정 다이아몬드칩의 두께를 500 ㎛로 했을 때의 파장 400 nm의 광의 투과율이, 60% 이하인 것이 바람직하고, 30% 이하인 것이 보다 바람직하며, 10% 이하인 것이 더욱 바람직하고, 5% 이하인 것이 특히 바람직하다. 나아가, 단결정 다이아몬드재(20)의 두께를 500 ㎛로 했을 때의 파장 600 nm의 광의 투과율이, 60% 이하인 것이 바람직하고, 30% 이하인 것이 보다 바람직하며, 10% 이하인 것이 더욱 바람직하고, 5% 이하인 것이 특히 바람직하다. 이들 파장의 광의 투과율이 작으면, 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재의 결정 결함선이 많고, 또한 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재의 비치환형 질소도 많아, 결과적으로 균열을 억제하여, 내결손성을 나타내게 된다. 여기서, 단결정 다이아몬드칩은 단결정 다이아몬드재보다 작게 이루어지기 때문에, 일반적인 현미 분광 광도계로 측정하는 것이 유효하다. 광의 입사면과 출사면은, 표면에서의 산란이 최대한 없도록, 광학적으로 평탄하게 연마되는 것이 바람직하다.
<실시형태 3 : 천공 공구>
본 실시형태에 따른 단결정 다이아몬드 다이스를 포함하는 천공 공구에 있어서, 단결정 다이아몬드 다이스에서의 비치환형 질소 원자의 농도가 200 ppm 이하이고, 비치환형 질소 원자의 농도보다 치환형 질소 원자의 농도가 낮으며, 그리고, 단결정 다이아몬드 다이스는, -5 이상 5 이하의 정수의 밀러 지수로 표시되는 저지수면을 구비하고, 저지수면의 수선이 신선용의 구멍의 방위에 대해 20° 이하의 오프각을 구비한다. 이러한 천공 공구는, 단결정 다이아몬드 다이스의 큰 결손의 발생이 억제됨과 함께 마모율의 변동이 작다.
또한, 본 실시형태에 따른 천공 공구는, 실시형태 2의 단결정 다이아몬드칩으로 형성되는 단결정 다이아몬드 다이스를 포함한다. 이러한 천공 공구는, 단결정 다이아몬드 다이스의 마모율의 변동이 작다.
본 실시형태의 천공 공구에 포함되는 단결정 다이아몬드 다이스는, 실시형태 2의 단결정 다이아몬드칩으로 제작된다. 단결정 다이아몬드칩은, 적어도 1개 이상의 평탄한 면을 갖기 때문에, 천공 공구를 제작할 때에 이 면을 기준으로 하면, 일정한 방향을 갖는 신선용의 구멍을 뚫을 수 있다(여기서, 기준면은 기본적으로 단결정 다이아몬드칩의 주면이지만, 단결정 다이아몬드칩의 주면을 정의한 면과 상이한 면에 천공하는 경우도 때때로 있다.). 예를 들면, 이 평탄면은, 다이스를 제작할 때에 단결정 다이아몬드칩이 놓이게 되는 면과 정렬된다. 이 면이 변동되면, 천공 공구의 구멍이 면 방위에 대하여 변동되어 버린다. 직방체의 형상에 따라서, 면을 잘못 설정하지 않도록 할 수 있다. 세로, 가로, 길이가 전부 다른 것이 바람직하지만, 정방형을 포함하는 직방체나, 입방체라도 표지가 되는 것(레이저에 의한 점이나 그래파이트층면을 포함)이 형성되면, 잘못 설정하지 않고 이용할 수 있다. 이상의 방법에 의해, 질소 원자 농도나 주면의 오프각의 제어를 행한 단결정 다이아몬드칩으로 단결정 다이아몬드 다이스를 제작할 수 있다.
본 실시형태의 천공 공구에서는, 단결정 다이아몬드 다이스의 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 존재하고, 결정 결함점의 밀도가 2 mm-2보다 큰 것이 바람직하다. 이러한 천공 공구에서는, 단결정 다이아몬드 다이스의 큰 결손의 발생이 억제된다. 또한, 단결정 다이아몬드 다이스의 결정 성장 주면은, 특별히 제한은 없지만, 단결정 다이아몬드 다이스의 큰 결손의 발생이 억제되는 관점에서, 단결정 다이아몬드 다이스의 구멍의 방향과 평행 또는 수직인 것이 바람직하다.
본 실시형태의 천공 공구에서는, 결정 결함점 중, 복수의 칼날 전위 및 복수의 나선 전위 중의 적어도 어느 것이 복합되는, 복합 전위가 결정 성장 주면에 도달하는 선단의 점인 복합 전위점의 밀도가 2 mm-2보다 큰 것이 바람직하다. 이러한 천공 공구에서는, 단결정 다이아몬드 다이스의 큰 결손의 발생이 억제된다.
본 실시형태의 천공 공구에서는, 단결정 다이아몬드 다이스가 복수의 단결정 다이아몬드층을 포함하고, 각 단결정 다이아몬드층의 계면에서, 결정 결함선이 새롭게 발생 또는 분기되며, 결정 성장 주면의 결정 결함점의 밀도가, 결정 성장 주면과는 반대측의 주면의 결정 결함점의 밀도보다 높은 것이 바람직하다. 이러한 천공 공구에서는, 단결정 다이아몬드 다이스의 큰 결손의 발생이 억제된다.
본 실시형태의 천공 공구에서는, 단결정 다이아몬드 다이스 내에, 결정 결함점의 군이 집합하여 선형으로 연장되는. 결정 결함 선형 집합 영역 복수개가 병렬로 존재하는 것이 바람직하다. 이러한 천공 공구에서는, 단결정 다이아몬드 다이스의 큰 결손의 발생이 억제된다.
본 실시형태의 천공 공구에서는, 단결정 다이아몬드 다이스에서, 비치환형 질소 원자의 농도가 1 ppm 이상인 것이 바람직하다. 이러한 천공 공구에서는, 단결정 다이아몬드 다이스의 큰 결손의 발생이 억제된다.
본 실시형태의 천공 공구에서는, 단결정 다이아몬드 다이스 내에서, 단결정 다이아몬드 다이스의 두께를 500 ㎛로 했을 때의 파장 400 nm의 광의 투과율이 60% 이하인 것이 바람직하고, 30% 이하인 것이 보다 바람직하며, 10% 이하인 것이 더욱 바람직하고, 5% 이하인 것이 특히 바람직하다. 나아가, 파장 600 nm의 광의 투과율이, 60% 이하인 것이 바람직하고, 30% 이하인 것이 보다 바람직하며, 10% 이하인 것이 더욱 바람직하고, 5% 이하인 것이 특히 바람직하다. 이러한 천공 공구에서는, 단결정 다이아몬드 다이스의 큰 결손의 발생이 억제된다.
[실시형태 4 : 단결정 다이아몬드재의 제조 방법]
도 4를 참조하면, 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재(20)의 제조 방법이, 주면(10m) 상에 종결정 결함점(10dp)이 집합해 있는 종결정 결함 집합 영역을 갖는 다이아몬드 종결정(10)을 준비하는 공정(도 4의 (A)); 및 다이아몬드 종결정(10)의 주면(10m) 상에, 화학 기상 퇴적법에 의해 단결정 다이아몬드재(20)를 성장시키는 공정(도 4의 (B))을 구비한다. 종결정 결함점(10dp)이란, 다이아몬드 종결정(10)의 주면(10m) 상에서의 종결정 결함점(10dp)의 의미이며, 종결정 결함 집합 영역이란, 다이아몬드 종결정(10)의 주면(10m) 상에 결정 결함점이 집합해 있는 영역이다. 상기 다이아몬드 종결정(10)의 주면(10m) 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 준비 공정 종결정 결함 선형 집합 영역인 것이 특히 바람직하다.
본 실시형태의 단결정 다이아몬드재(20)의 제조 방법에 있어서, 종결정 결함점(10dp), 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)에서 적합하게 표시된다.
(종결정 결함 집합 영역을 갖는 다이아몬드 종결정의 준비 공정)
도 4의 (A)를 참조하면, 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 영역에 다이아몬드가 파괴되어 그래파이트로 전화한 도전층 영역(10c)을 형성하는 서브 공정을 포함할 수 있다.
다이아몬드 종결정(10)을 준비하는 서브 공정에 있어서는, 다이아몬드 종결정(10)으로서, HPHT(고압 고온)법에 의해 성장된 Ib형 단결정 다이아몬드 또는 IIa형 단결정 다이아몬드, 또는, Ib형 단결정 다이아몬드 또는 IIa형 단결정 다이아몬드를 종결정으로 하여 상기 CVD법에 의해 성장된 단결정 다이아몬드가 준비된다.
다이아몬드 종결정(10)의 주면(10m) 상에 종결정 결함점(10dp)이 집합해 있는 종결정 결함 집합 영역을 형성하는 서브 공정에 있어서, 종결정 결함점(10dp)에는, 종결정 결함점, 종결정 전위점(10dd)(칼날 전위, 나선 전위, 복수의 칼날 전위 및 복수의 나선 전위 중의 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, 예를 들면, 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∼50 kgf의 범위 내에서, 0.5 kgf 이상인 것이 바람직하고, 5 kgf 이상인 것이 보다 바람직하며, 10 kgf 이상인 것이 더욱 바람직하고, 20 kgf 이상이 특히 바람직하다.
하중이 커지면, 진동을 억제하는 기구가 필요하고, 기판이 잘 깨지지 않도록 할 필요가 있다. 한편, 높은 진동수의 진동은 허용되도록 해 둔다. 이것은, 다이아몬드 종결정(10)의 표면에 미소한 균열을 발생시켜, 종결정 결함점(10dp)의 군의 기점에 기여한다. 연마 방향에 대하여, 다이아몬드 종결정(10)을 회전시키면 종결정 결함점(10dp)을 집합하도록 형성하기 쉽고, 다이아몬드 종결정(10)을 고정하면 종결정 결함점(10dp)을 선형으로 집합하도록 형성하기 쉽다. 하중이 크면 다이아몬드 종결정은 깨지기 쉬워지므로, 다이아몬드 종결정의 사이즈에 대하여 두께를 크게 할 필요가 있다. 다이아몬드 종결정의 사이즈에 대한 두께는, 하중이 0.5 kgf 이상 5 kgf 미만일 때 4 mm 정사각형에 대하여 0.8 mm 두께 이상인 것이 바람직하고, 하중이 5 kgf 이상 20 kgf 미만일 때 4 mm 정사각형에 대하여 1.6 mm 두께 이상인 것이 바람직하며, 하중이 20 kgf 이상일 때 4 mm 정사각형에 대하여 3.2 mm 두께 이상인 것이 바람직하다. 하중을 가할 때의 하중 증가 속도를 천천히 신중하게 높이면, 이 범위 밖에서도 깨뜨리지 않고 연마할 수 있지만 시간이 걸린다. 이러한 기계 연마 후에, 반응성 이온 에칭(RIE), 마이크로파 플라즈마 에칭, 이온 밀링 등을 행하는 것에 의해서도, 종결정 결함점 발생의 밀도를 미세조정할 수 있고, 그 효과는 거의 지속된다.
또한 별도로, 미세한 균열은, 포토리소그래피와 에칭 기술 또는 레이저를 사용하여 다이아몬드에 홈을 형성하고, 그 홈을 메우도록 다이아몬드를 합성할 때, 좌우로부터 성장한 다이아몬드가 서로 부딪치는 지점에 형성될 수 있다. 단, 오프각의 방향과 홈의 방향이 ±10°의 범위에서 평행한 것이 바람직하다. 오프각의 방향과 홈의 방향이 상기 범위에서 평행하지 않으면, 특히 수직에 가까우면 홈이 깨끗하게 접합하여 소실되어 버려, 본 발명에 효과가 있는 미소 균열을 얻을 수 없다. 이 경우의 미소 균열은, 홈 형성 지점까지 반응성 이온 에칭이나 플라즈마 에칭이나 이온 밀링하면 당연히 본 발명의 효과는 없어진다.
다이아몬드 종결정(10)의 주면(10m)측에 도전층 영역(10c)을 형성하는 서브 공정은, 다이아몬드 종결정(10)의 주면(10m)측에 이온을 주입하여 이온 주입 영역을 형성함으로써 행한다. 주입하는 이온은, 탄소 또는 질소 또는 실리콘 또는 인의 이온이 바람직하게 이용된다.
(단결정 다이아몬드재의 성장 공정)
도 4의 (B)를 참조하면, 단결정 다이아몬드재(20)를 성장시키는 공정은, 다이아몬드 종결정(10)의 주면(10m) 상에, CVD(화학 기상 퇴적)법에 의해 단결정 다이아몬드재(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 다이아몬드재 중의 비치환형 질소 원자의 농도(전체 질소 원자 농도로부터 치환형 질소 원자 농도를 뺀 농도)가, 바람직하게는 1 ppm 이상, 보다 바람직하게는 3 ppm 이상, 더욱 바람직하게는 5 ppm 이상, 더욱 바람직하게는 8 ppm 이상, 더욱 바람직하게는 10 ppm 이상, 특히 바람직하게는 30 ppm 이상이 되도록 조정한다. 또한, 디보란, 트리메틸붕소, 포스핀, 3차 부틸인, 실란 등의 도핑 가스를 첨가해도 좋다. 단결정 다이아몬드재(20)의 결정 성장 주면이 (100) 면 방위인 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. 여기서, 성장 파라미터(α)란, <111> 방향의 결정 성장 속도에 대한 <100> 방향의 결정 성장 속도의 비를 √3배한 값이다.
성장시키는 단결정 다이아몬드재(20)의 두께는, 특별히 제한은 없지만, 절삭 공구, 연마 공구, 광학 부품, 전자 부품, 반도체 재료 등을 적합하게 형성하는 관점에서, 300 ㎛ 이상인 것이 바람직하고, 500 ㎛ 이상인 것이 보다 바람직하다. 다이아몬드 종결정(10)과의 응력에 의한 균열이 발생하는 것을 방지하는 관점에서, 3 mm 이하인 것이 바람직하고, 1.5 mm 이하인 것이 보다 바람직하다. 두께가 1 mm보다 큰 단결정 다이아몬드재(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 다이아몬드재(20)로서 제2 단결정 다이아몬드층(22)을 성장시키는 것이 바람직하다.
또, 도 3에 나타낸 바와 같이, 복수의 단결정 다이아몬드층(21, 22)을 포함하는 단결정 다이아몬드재(20)를 성장시키는 경우, 다이아몬드 종결정(10) 상에 단결정 다이아몬드재(20)로서 제1 단결정 다이아몬드층(21) 및 제2 단결정 다이아몬드층(22)을 계속해서 성장시킬 수도 있다. 그러나, 두께가 큰(예를 들면, 두께가 1 mm보다 큰) 단결정 다이아몬드재(20)를 성장시키는 경우는, 단결정 다이아몬드재(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 추가로 성장시키는 것이 바람직하다. 제1 단결정 다이아몬드층(21)과 제2 단결정 다이아몬드층(22)의 사이는, 한번 성장 환경으로부터 실온의 표준 환경으로 복귀시킨 후에 다시 성장 환경으로 하기 때문에, 본 발명에서 미리 형성되어 있는 결정 결함선은 분기되기 쉽게 되고, 결정 결함점은 증가하는 방향이다. 한편, 제1 단결정 다이아몬드층(21)의 결정 성장 주면에 상기 기계 연마를 행할 수도 있고, 그 경우는 제1 단결정 다이아몬드층(21)은, 새로운 종기판으로서, 도 3에 나타내는 다이아몬드 종결정(10)이 되어, 초기의 기점도 증가하는 성장이 된다.
(다이아몬드 종결정의 분리 공정)
도 4의 (C)를 참조하면, 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재(20)의 제조 방법은, 효율적으로 단결정 다이아몬드재(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 주입하는 것에 의해 형성된 이온 주입 영역인 도전층 영역(10c)을 분해 제거함으로써, 다이아몬드 종결정(10)을 분리하는 것이 바람직하다.
(단결정 다이아몬드재의 추가 성장 공정)
도 4의 (D)를 참조하면, 본 실시형태의 단결정 다이아몬드재(20)의 제조 방법은, 큰 결손의 발생이 더욱 억제되는 단결정 다이아몬드재(20)를 얻는 관점에서, 단결정 다이아몬드재(20)를 추가로 성장시키는 공정을 더 구비할 수 있다.
단결정 다이아몬드재(20)를 추가로 성장시키는 공정은, 이미 성장시킨 단결정 다이아몬드재(20)인 제1 단결정 다이아몬드층(21)의 주면 상에, CVD법에 의해 제2 단결정 다이아몬드층(22)을 성장시킴으로써 행한다. 제1 단결정 다이아몬드층(21)에는, 도 4의 (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 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 다이아몬드재(20)의 결정 성장 주면(20m)에 도달하는 선단의 점이 결정 결함점(20dp)이 된다.
이때, 일반적으로, 제1 단결정 다이아몬드층(21)에 있어서는 다이아몬드 종결정(10)의 하나의 종결정 결함점(10dp)으로부터 복수의 결정 결함선(21dq)을 이어받고, 제2 단결정 다이아몬드층(22)에 있어서는 다이아몬드 종결정(10)의 하나의 결정 결함선(21dq)으로부터 복수의 결정 결함선(22dq)을 이어받기 때문에, 단결정 다이아몬드층(21, 22)의 수가 많아질수록, 단결정 다이아몬드재(20)의 결정 결함점(20dp)은 많아져, 큰 결손의 발생이 더욱 억제된다.
실시예
<실시예 1>
(시료의 제작)
1. 다이아몬드 종결정의 준비
도 4의 (A)를 참조하면, 다이아몬드 종결정(10)으로서, HPHT(고압 고온)법에 의해 성장시킨, 주면이 (001) 면으로부터 <100> 방향으로 2°의 오프각을 갖는, 사이즈가 4 mm×4 mm이며 표 1에 나타내는 두께의, Ib형 단결정 다이아몬드를 준비했다.
각각의 다이아몬드 종결정(10)의 주면에, 평균 입경 9 ㎛∼35 ㎛의 다이아몬드 지립을 메탈로 고정한 지석을 이용하여, 회전수 500 rpm∼3000 rpm, 표 1에 나타내는 하중(구체적으로는, 10 kgf∼20 kgf 또는 0.5 kgf∼5 kgf)의 조건으로 연마를 행했다. 여기서, 표 1의 연마시의 연마 방향의 선정 방법에 관해, 주의해서 연마를 행했기 때문에 그 구별을 기재했다. 표 1 중 「고정」이라는 것은, 비교적 연마하기 쉬운 방향(예를 들면, (100) 면에 대하여 거의 <100> 방향)으로 연마기(grinder)가 움직이도록 단결정 다이아몬드재를 고정하여 연마하는 것을 나타내고 있고, 일반적인 연마 방법(하중도 작은)이다. 「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. 표 1 중의 연마시의 하중은, 「고정」 혹은 「회전→고정」 중의 하중이다. 이렇게 해서, 예 1-1∼예 1-3에 있어서는 결정 결함점이 선형으로 집합한 종결정 결함 선형 집합 영역으로서 <100> 방향으로 선형으로 연장되는 연마 손상을 형성하고, 예 1-4 및 예 1-5에 있어서는 결정 결함점이 점재(點在)하는 연마 손상을 형성했다. 여기서, 하중을 가할 때에는, 3 kgf/min 이하의 속도로 서서히 증가시키고, 하중의 상기 범위의 최대치의 110%의 값을 초과하지 않도록 지석의 진동을 억제하는 기구를 부착한 장치를 이용하여 행했다.
이어서, 다이아몬드 종결정의 주면을 산소(O2) 가스와 4불화탄소(CF4) 가스를 이용하여 드라이 에칭을 행하고, 종결정 결함점(10dp) 및 종결정 손상점(10di)의 밀도를 조절했다. 또, 평균 입경이란, 다이아몬드 연마기를 공급하는 메이커의 지정된 평균 입경을 말하며, 여기서는 인터내셔널 다이아몬드 주식회사의 연마기의 사양에 있는 평균 입경을 말한다. 이러한 평균 입경은 체에 의해 입자를 선별하는 방법으로 일반적으로 결정되고, 평균 입경 35 ㎛∼9 ㎛은 #600∼#1500(1 인치당 600∼1500개의 눈)의 체에 의해 선별되는 입경에 해당한다.
또한, 예 1-2, 예 1-3 및 예 1-5에 있어서는, 포토리소그래피에 의해, 표 1에 나타낸 바와 같이, 형상비(aspect ratio)가 2, 홈의 폭이 3 ㎛, 홈의 간격이 200 ㎛인 홈을 형성한 후에, 질소를 더 첨가하지 않고 CVD 성장을 행했다.
이어서, 각각의 다이아몬드 종결정(10)의 주면(10m)측에, 300 keV∼10 MeV의 에너지로 1×1015개ㆍcm-2∼1×1018개ㆍcm-2의 분량(dose amount)으로 탄소를 이온 주입함으로써, 도전층 영역(10c)을 형성했다. 이 공정은, 다이아몬드 종결정과 기상 성장한 단결정 다이아몬드재를 전해 에칭으로 분리하는 경우에 행했다. 이후의 공정에서, 다이아몬드를 레이저로 슬라이스하는 경우는, 이 공정은 생략했다.
2. 단결정 다이아몬드재의 형성
다음으로, 도 4의 (B)를 참조하면, 각각의 다이아몬드 종결정(10)의 종결정 결함 선형 집합 영역이 형성된 주면(10m) 상에, 마이크로파 플라즈마 CVD(화학 기상 퇴적)법에 의해 단결정 다이아몬드재(20)를 성장시켰다. 결정 성장용 가스로서, 수소(H2) 가스, 메탄(CH4) 가스 및 질소(N2) 가스를 사용하고, H2 가스에 대한 CH4 가스의 농도를 5 몰%∼20 몰%, CH4 가스에 대한 N2 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, 도 4의 (C) 및 (D)를 참조하면, 각각의 다이아몬드 종결정(10)으로부터 각각의 단결정 다이아몬드재(20)를, 전해 에칭에 의해 다이아몬드 종결정 중의 도전층 영역을 분해 제거함으로써, 다이아몬드 종결정으로부터 분리했다. 또는 이온 주입을 하지 않은 경우에는 레이저를 이용하여 슬라이스하여, 다이아몬드 종결정으로부터 분리했다. 이온 주입 및 그 후의 전해 에칭에 의해 얻어진 단결정 다이아몬드재가 분리된 면(결정 성장 주면과는 반대측의 주면)의 굴곡의 최대 고저차(Dm) 및 산술 평균 거칠기(Ra)는, 백색 주사형 백색 간섭형 현미경(캐논사 제조 ZYGO)에 의해 측정한 바, Dm은 1 ㎛/mm 이하이고, Ra는 10 nm 이하였다. 레이저를 이용하여 슬라이스한 경우는 분리 후에 연마를 필요로 하고, 연마를 하면, 단결정 다이아몬드재의 분리된 면(결정 성장 주면과는 반대측의 주면)의 굴곡의 최대 고저차(Dm)는 1 ㎛/mm 이하이고, 산술 평균 거칠기(Ra)는 10 nm 이하로 할 수 있었다. 산술 평균 거칠기(Ra)를 10 nm 이하로 함으로써, 투과율 평가에 있어서 산란의 영향을 없앨 수 있었다. 레이저를 이용하여 분리한 경우는, 그 평행도를 가능한 한 작게 함과 함께, 확대 각도를 감안하여 성장면과 분리면의 어긋남을 없애 두고 연마 후에도 유지할 필요가 있지만, 0.5° 이하로 실현했다. 이온 주입을 이용한 분리에서는 0.02° 이하로 실현했다. 예 1-4만 레이저를 이용하여 분리하고, 그 밖의 시료는 이온 주입 및 그 후의 전해 에칭을 이용하여 분리했다. 이상과 같은 정밀한 분리 방법을 이용하지 않는 경우는, 이미 이 시점에서 ±2° 이상의 변동이 생겼다. 광학 측정을 위한 연마에 있어서는 평행도를 특별히 신경 쓰지 않아도 좋지만, 오프각의 변동을 작게 제어하는 본 실시예에서는 중요한 포인트이기 때문에, 이온 주입을 이용한 분리가 바람직하다.
분리하여 생긴 단결정 다이아몬드재(20)에 관해, 주면의 결정 결함점의 상태, 결정 결함 선형 집합 영역의 병렬수(竝列數), 결정 결함점의 밀도, 복합 전위점의 밀도, 단결정 다이아몬드층의 층수, 단결정 다이아몬드재의 두께, 주면의 오프각, 비치환형 질소 원자의 농도(평균 농도), 치환형 질소의 농도(평균 농도), 전체 질소 원자의 농도(평균 농도), 파장 400 nm의 광의 투과율, 및 파장 600 nm의 광의 투과율을 표 1에 정리했다. 여기서, 주면의 결정 결함점의 상태, 결정 결함 선형 집합 영역의 병렬수, 결정 결함점의 밀도 및 복합 전위점의 밀도는, 주면에서의 X선 토포그래피 이미지에 의해 관찰 및 산출했다. 주면의 오프각은, 정밀한 X선 회절에 의해 측정 및 산출했다. 전체 질소 원자의 농도는 SIMS에 의해 측정했다. 치환형 질소 원자의 농도는 ESR에 의해 측정했다. 비치환형 질소 원자의 농도는, 전체 질소 원자의 농도와 치환형 질소 원자 농도의 차로부터 산출했다. 파장 400 nm의 광의 투과율 및 파장 600 nm의 광의 투과율은, 분광 광도계에 의해 측정했다.
단결정 다이아몬드재(20)는, 커터날의 형상으로 가공하고, 피가공재의 절삭 가공을 행하여 내결손성을 평가했다. 커터는 스미토모 전공 하드메탈 주식회사 제조 RF4080R을 이용하고, 와이퍼칩은 동회사 제조의 SNEW1204ADFR-WS를 이용했다. 선반은 주식회사 모리정기 제조의 NV5000을 이용했다. 절삭 속도는 2000 m/min, 커팅량 0.05 mm, 피딩량 0.05 mm/날로 했다. 피가공재는 알루미늄재 A5052를 이용하여 피가공재를 30 km 절삭한 후에, 커터날의 5 ㎛ 이상의 결손의 수(결손수)에 의해 내결손성 평가 I을 행했다. 결과를 표 1에 정리했다. 내결손성 평가 I에 있어서, 결손수 1 이하는 사용 가능한 양품으로 했다. 또한, 절삭 속도가 2000 m/min, 커팅랑 0.10 mm, 피딩량 0.10 mm/날의 조건으로, 피가공재는 알루미늄재 A5052를 이용하여 피가공재를 30 km 절삭한 후에, 커터날의 5 ㎛ 이상의 결손의 수(결손수)에 의해 내결손성 평가 II를 행했다. 결과를 표 1에 정리했다. 내결손성 평가 II에 있어서, 결손수 4 이하는 사용 가능한 양품으로 했다.
Figure pct00001
표 1을 참조하면, 예 1-1∼예 1-3에 있어서는, 비치환형 질소 원자의 농도가 200 ppm 이하이고, 비치환형 질소 원자의 농도보다 치환형 질소 원자의 농도가 낮으며, 그리고, 결정 성장 주면의 오프각이 20° 이하이고, 또한, 주면인 결정 성장 주면에 있어서 결정 결함점의 군이 선형으로 집합하여 존재했기 때문에, 내결손성 평가 I 및 내결손성 평가 II 모두에 있어서 결손수가 낮았다. 이에 비해, 예 1-4 및 예 1-5는, 비치환형 질소 원자의 농도가 200 ppm 이하이고 주면의 오프각이 20° 이하였지만, 비치환형 질소 원자의 농도보다 치환형 질소 원자의 농도가 높고, 주면인 결정 성장 주면에 있어서 결정 결함점이 집합하지 않고 점재했던 것에 불과했기 때문에, 내결손성 평가 I 및 내결손성 평가 II 모두에 있어서 결손수가 높았다. 여기서, 결정 결함점의 관찰은, 단결정 다이아몬드재의 최외측 표면인 결정 성장 주면에서의 점이지만, 오프각을 측정한 주면은 성장 초기의 결정 성장 주면에서 측정했다. 성장 초기의 결정 성장 주면은, 단결정 다이아몬드재의 중앙 50%에서의 결정 성장 주면의 평균면과 거의 일치했다. 성장 초기의 결정 성장 주면은 그것에 거의 수직으로 직교하는 2개의 절단면을 CL(캐소드 루미네센스)로 단결정 다이아몬드재의 중앙 1 mm에서 계측하여, 기울기의 방향을 산출하여 계산했다.
본 단결정 다이아몬드재는, 결정 성장 주면을 연마하여 평탄하게 했지만, 연마하기 전의 것과 평가 결과는 동일한 값이었다. 본 단결정 다이아몬드재는, 다이아몬드 종결정으로부터의 분리 공정에서 이온 주입을 행하여 전해 에칭을 행하는 수법을 이용했지만, 레이저로 슬라이스하는 방법에 의해서도 평가 결과에 큰 차이는 없었다. 레이저로 슬라이스하는 방법에서는, 평가 후 기계 연마를 하여 통상의 평탄한 면을 형성한 후에, 이 판을 원하는 사이즈로 레이저로 절단하여 신선용의 다이스의 칩으로 하여, 신선 다이스를 제작했다.
다이스로 형성하기 직전의 단결정 다이아몬드칩의 상태에서, 광의 투과율을 측정했지만, 광의 투과율은 모두 단결정 다이아몬드재의 경우와 거의 동일했다. 다이스의 투과율은 현미 가시 자외 분광 광도계(microscopic visible ultraviolet spectroscopy photometer)로 측정했다. 레이저는 단결정 다이아몬드재의 주면에 엄밀하게 수직으로 절단하고, 방향은 <100> 방향이었기 때문에, 단결정 다이아몬드칩의 주면은 (100) 면이 되었다. 신선 다이스의 구멍은 단결정 다이아몬드칩의 주면에 엄밀하게 수직으로 가공한 것(A 그룹)과, 2° 오프된 방향으로 신선 다이스의 구멍을 2° 오프시켜 가공한 것(B 그룹)을 제작했다. 오프의 방향은 단결정 다이아몬드재의 합성시, 칩의 형성시부터 그 주면과의 관계에 있어서 알고 있기 때문에, 그 방향으로 표시해 두어, 동일한 방향으로 일치시킬 수 있었다.
A 그룹 및 B 그룹에 관해, 각각 신선 다이스를 5개씩 평가한 결과, B 그룹의 구멍의 축은 결정면(100)의 저지수면에 대하여 1° 미만(구멍의 축의 변동은 0.2° 미만)이고, A 그룹의 구멍의 축은 결정면(100)의 저지수면에 대하여 3° 미만(구멍의 축의 변동은 0.2° 미만)이었다. A 그룹 및 B 그룹의 각 그룹 내의 비치환형 질소 원자의 농도의 변동(평균 농도에 대한 변동)을 표 2에 나타냈다. 또한, A 그룹 및 B 그룹의 각 그룹 내의 마모율의 변동(평균 마모율에 대한 변동) 및 A 그룹 및 B 그룹의 전체 내의 마모율의 변동(평균 마모율에 대한 변동)을 표 2에 나타냈다.
Figure pct00002
표 2를 참조하면, 예 1-1∼예 1-3에 관해서는, A 그룹 및 B 그룹의 각 그룹 내의 비치환형 질소 원자의 농도의 변동은 ±20% 이내, A 그룹 및 B 그룹의 각 그룹 내의 마모율의 변동은 ±3% 이내, 및 A 그룹 및 B 그룹의 전체 내의 마모율의 변동은 ±5% 이내로 모두 작았다. 또한, 예 1-4 및 예 1-5에 관해서는, 큰 결손이 발생했기 때문에, A 그룹 및 B 그룹 모두에 있어서 마모율 변동의 측정이 어려웠다.
예 1-1∼예 1-3에 있어서는, A 그룹과 B 그룹처럼 각각에서 구멍의 축의 각도의 변동이 0.2° 미만이었기 때문에, 구멍의 축의 각도가 1°와 3° 로 다르더라도 마모율의 변동은 작았다. 그러나, A 그룹과 B 그룹을 합한 전체에서는, 구멍의 축의 각도의 변동은 3° 이상이 되기 때문에, 전체의 마모율 변동도 커지는 것을 알 수 있었다. 이것은, 원래 다이아몬드 소재의 오프각의 변동에도 기인했다. 나아가 다이아몬드 소재의 오프각이 작으면, 이 변동을 억제하는 것이 용이하다는 것도 알았다. 또한, 다이아몬드칩의 주면의 지수면으로부터의 오프각이 작으면 구멍의 축의 각도의 변동이 더욱 작아져, 보다 바람직하다는 것도 알았다.
<실시예 2>
표 3 및 표 4에 나타내는 조건 이외에는 실시예 1과 동일하도록, 예 2-1∼예 2-12의 단결정 다이아몬드재를 제작하여, 이들의 내결손성 평가 I 및 내결손성 평가 II를 행했다. 결과를 표 3 및 표 4에 나타냈다. 여기서, 표 3 및 4의 연마시의 연마 방향의 선정 방법에 관해, 주의해서 연마를 행했기 때문에, 그 구별을 기재했다. 표 3 및 표 4 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. 「고정→회전」이라는 것은, 일반적인 방법으로 비교적 평탄해진 기판을 우선은 고정시켜 1시간 연마하고, 그 후 2시간 회전시켜 연마하는 순서를 말한다. 선형이 아닌 집합한 결함을 도입하기 쉽다. 표 3 및 표 4 중의 연마시의 하중은, 「회전→고정」, 「고정→회전」 중의 하중이다. CVD법으로 형성한 기판은, 원재료(AsGrown)의 표면이 깨끗함에 따라, 연마를 하지 않더라도 성장시킬 수 있기 때문에, 연마없는 조건의 다이아몬드 종결정에 관해서도 실험했다.
Figure pct00003
Figure pct00004
표 3 및 표 4를 참조하면, 예 2-1∼예 2-12에 있어서는, 비치환형 질소 원자의 농도가 200 ppm 이하이고, 주면의 오프각이 20° 이하이며, 또한 주면인 결정 성장 주면에 있어서 결정 결함점의 군이 집합 또는 선형으로 집합하여 존재했기 때문에, 내결손성 평가 I 및 내결손성 평가 II 모두에 있어서 결손수가 낮았다. 여기서, 예 1-1부터 예 2-10까지는, 단결정 다이아몬드재는 다이아몬드 종결정으로부터 분리하는 것이 전제였다. 예 2-11만은, 단결정 다이아몬드재는 다이아몬드 종결정으로부터 분리하지 않았고, 예 2-11에 나타낸 연마하지 않은 CVD 다이아몬드 종결정을 포함하는 평가였다. 한편, 예 2-12에 있어서는, 단결정 다이아몬드재는, 예 2-12에 나타낸 연마하지 않은 CVD 다이아몬드 종결정으로부터 분리했고, 분리한 단결정 다이아몬드재의 평가였다. 예 2-12에 있어서는, 연마하지 않고 분리했기 때문에, 결정 성장 주면과는 반대측의 주면의 굴곡은 커졌다.
예 2-13으로서, 비치환형 질소 원자의 농도가 250 ppm인 단결정 다이아몬드재의 합성을 시도했지만, 비단결정 다이아몬드 및 비다이아몬드가 15% 이상 포함되는 다이아몬드재가 되었기 때문에, 표 3 및 표 4에서의 평가를 할 수 없었다. 따라서, 천공 공구를 제작하는 것도 어려웠다. 예 2-14로서, 다이아몬드 종결정의 오프각만 25°의 조건으로 하고, 그 밖에는 예 2-4와 동일한 조건으로 단결정 다이아몬드재의 제작을 시도했지만, 비단결정 다이아몬드 및 비다이아몬드가 5% 이상 포함되는 다이아몬드재가 되었기 때문에, 표 3 및 표 4에서의 평가를 할 수 없었다.
표 3, 표 4에 있어서도, 결정 결함점의 관찰은, 단결정 다이아몬드재의 최외측 표면인 결정 성장 주면에서의 점이지만, 오프각을 측정한 주면은 성장 초기의 결정 성장 주면에서 측정했다. 성장 초기의 결정 성장 주면은, 단결정 다이아몬드재의 중앙 50%에서의 결정 성장 주면의 평균면과 거의 일치했다. 성장 초기의 결정 성장 주면은 그것에 거의 수직으로 직교하는 2개의 절단면을 CL(캐소드 루미네센스)로 단결정 다이아몬드재의 중앙 1 mm에서 계측하여, 기울기의 방향을 산출하여 계산했다.
또, 상기 표 1, 표 3 및 표 4의 표 중에 있어서, 「점의 군이 집합」이란, 점의 군의 영역이 접하거나 서로 겹쳐서 이어지는 것을 가리킨다. 「점의 군이 선형으로 집합」이란, 점의 군의 집합이 가늘고 길게 선형으로 이어지는 것을 가리킨다. 「점의 군」이란, 동일한 기점으로부터 분기되는 결정 결함선을 기초로 하는 결정 결함점의 집합을 말한다. 「종결정의 결정 결함점」이란, 단결정층의 결정 결함선의 군의 기점과, 군으로 되지 않은 결정 결함선의 기점을 합한 것이다. 「집합」이란, 특정한 범위에서의 결정 결함점의 전체 개수의 70%의 개수의 점이, 그 특정한 범위의 전체 면적의 50%의 면적 내에 집중되는 것을 말한다. 여기서, 결정 결함점의 상기 특정한 범위에 있어서, 하나의 결정 결함점의 범위는 최근접의 결정 결함점까지의 거리를 반경으로 하는 범위로 한다. 「점재」란, 상기 정의의 집합하지 않은 상태를 가리킨다.
비교를 위해, 예 2-15, 예 2-16 및 예 2-17로서, HPHT(고압 고온)법에 의해 제작한 Ib형의 단결정 다이아몬드재 및 천연의 Ia형의 단결정 다이아몬드재에 관해, 상기 표 3 및 표 4에서의 평가를 행했다. 결과를 표 5에 정리했다.
Figure pct00005
<실시예 3>
내결손성 평가 I에 있어서 결손수가 1개 이하인 예 2-1∼예 2-11의 단결정 다이아몬드재에 관해, 다이아몬드칩과 다이아몬드 천공 공구를 제작하여, 오프각의 변동과 마모율의 변동을 평가했다. 결과를 표 5∼표 7에 정리했다. 또한, 대비를 위해, HPHT(고압 고온)법으로 제작한 Ib형의 단결정 다이아몬드재 및 천연의 Ia형의 단결정 다이아몬드재에 관해서도, 다이아몬드칩과 다이아몬드 천공 공구를 제작하여, 오프각의 변동과 마모율의 변동을 평가했다. 결과를 표 6∼표 8에 정리했다.
구멍축과 결정면 방위의 확인은, 현미경으로 구멍 축방향으로부터 들여다 봤을 때에 보이는 구멍의 복수의 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 칩을 지지대(mount)에 고정한 상태에서, X선 회절로 평가했다. X선의 평가는, 판형의 단결정 다이아몬드의 결정의 흔들림이나 오프각이나 극점도(pole figure)를 평가하는 일반적인 방법과 동일한 요령으로 행했다. X선 회절 측정의 수선 방향을 구멍축의 방향과 일치시킨 것에 의해, 결정면의 오프의 기울기를 측정함으로써 구멍축의 경사 각도를 확인할 수 있었다.
Figure pct00006
Figure pct00007
Figure pct00008
표 6∼표 8을 참조하면, 내결손성 평가 I에 있어서 결손수가 1개 이하였던 예 2-1∼예 2-12의 단결정 다이아몬드재를 이용한 예 3-1∼예 3-18의 다이아몬드칩에 관해서는, 모두 오프각의 변동(예 3-1∼예 3-17에 관해서는 ±1.0° 이내, 예 3-18에 관해서는 ±3.0° 이내) 및 마모율의 변동(예 3-1∼예 3-17에 관해서는 ±5.0% 이내, 예 3-18에 관해서는 ±10% 이내)이 작았다. 이에 비해, HPHT(고압 고온)법으로 제작한 Ib형의 단결정 다이아몬드재(예 2-15 및 예 2-16) 및 천연의 Ia형의 단결정 다이아몬드재(예 2-17)의 단결정 다이아몬드재를 이용한 예 3-19∼예 3-21의 다이아몬드칩에 관해서는, 모두 오프각의 변동(예 3-19에 관해서는 ±5.0° 이내, 예 3-20에 관해서는 ±2.0% 이내, 예 3-21에 관해서는 ±22° 이내) 및 마모율의 변동(예 3-19∼예 3-21에 관해서는 ±30% 이내∼±90% 이내)이 컸다.
또한, 실시예 3에서의 오프각의 변동 및 마모율의 변동의 평가로부터, 단결정 다이아몬드칩의 주면의 오프각이 작은 것이, 신선에 의한 마모율의 변동이 작아 적합하다는 것을 알 수 있었다. 여기서, 단결정 다이아몬드칩의 주면의 오프각은, 신선 다이스의 구멍의 축의 결정면 방위로부터의 오프각과 일치했다. 기본적으로 단결정 다이아몬드칩은, 단결정 다이아몬드재를 수직으로 분리하기 때문에, 단결정 다이아몬드재의 주면의 오프각이 작은 편이 좋다고 판단된다. 그러나, 단결정 다이아몬드재의 오프각과 단결정 다이아몬드칩의 오프각이 상이하도록 분리하는 경우에는, 최종 제품에 가까운 단결정 다이아몬드칩의 오프각 쪽이 영향이 큰 것이 충분히 이해되었다. 단결정 다이아몬드칩의 주면의 오프각은, 신선 다이스(천공 공구)의 구멍축의 결정면 방위로부터의 오프각과 거의 일치하도록 반영되었다.
이번에 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기 설명이 아니라 청구범위에 의해 제시되며, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것으로 의도된다.
10: 다이아몬드 종결정, 10c: 도전층 영역
10dp: 종결정 결함점 10dd: 종결정 전위점
10di: 종결정 손상점 10dv: 종결정 결손점
10m, 20n: 주면 20: 단결정 다이아몬드재
20d: 결정 결함 20dp, 20ndp: 결정 결함점
20dq, 21dq, 22dq: 결정 결함선 20m: 결정 성장 주면
20r: 결정 결함 선형 집합 영역 21, 22: 단결정 다이아몬드층
212i: 계면

Claims (25)

  1. 비치환형 질소 원자의 농도가 200 ppm 이하이고, 상기 비치환형 질소 원자의 농도보다 치환형 질소 원자의 농도가 낮으며, 그리고, 결정 성장 주면의 오프각이 20° 이하인 것인, 단결정 다이아몬드재.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 결정 성장 주면의 오프각이 7° 미만인 것인, 단결정 다이아몬드재.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    치환형 질소 원자의 농도가 80 ppm 미만인 것인, 단결정 다이아몬드재.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비치환형 질소 원자 및 상기 치환형 질소 원자의 전체인 전체 질소 원자의 농도가 0.1 ppm 이상인 것인, 단결정 다이아몬드재.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정 성장 주면과는 반대측의 주면과 상기 결정 성장 주면의 평행으로부터의 편향각이 2° 미만이며, 상기 결정 성장 주면과는 반대측의 주면은, 그 굴곡의 최대 고저차(Dm)가 10 ㎛/mm 이하이고, 또한, 그 산술 평균 거칠기(Ra)가 0.1 ㎛ 이하인 것인, 단결정 다이아몬드재.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정 성장 주면에 관한 X선 토포그래피 이미지에 있어서, 결정 결함이 존재하는 선을 나타내는 결정 결함선이 상기 결정 성장 주면에 도달하는 선단의 점인 결정 결함점의 군이 집합하여 존재하는 것인, 단결정 다이아몬드재.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 결정 결함점의 밀도가 2 mm-2보다 큰 것인, 단결정 다이아몬드재.
  8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 결정 결함점 중, 복수의 칼날 전위 및 복수의 나선 전위 중의 적어도 어느 것이 복합되는 복합 전위가 상기 결정 성장 주면에 도달하는 선단의 점인 복합 전위점의 밀도가 2 mm-2보다 큰 것인, 단결정 다이아몬드재.
  9. 제 6항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 단결정 다이아몬드층을 포함하는 것인, 단결정 다이아몬드재.
  10. 제 9항에 있어서,
    각 상기 단결정 다이아몬드층의 계면에서, 상기 결정 결함선이 새롭게 발생 또는 분기되고, 상기 결정 성장 주면의 상기 결정 결함점의 밀도가, 상기 결정 성장 주면과는 반대측의 주면의 상기 결정 결함점의 밀도보다 높은 것인, 단결정 다이아몬드재.
  11. 제 6항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정 결함점의 군이 집합하여 선형으로 연장되는 결정 결함 선형 집합 영역 복수개가 병렬로 존재하는 것인, 단결정 다이아몬드재.
  12. 제 6항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비치환형 질소 원자의 농도가 1 ppm 이상인 것인, 단결정 다이아몬드재.
  13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단결정 다이아몬드재의 두께를 500 ㎛로 했을 때의 파장 400 nm의 광의 투과율이 60% 이하인 것인, 단결정 다이아몬드재.
  14. 비치환형 질소 원자의 농도가 200 ppm 이하이고, 상기 비치환형 질소 원자의 농도보다 치환형 질소 원자의 농도가 낮으며, 그리고, 단결정 다이아몬드칩의 주면의 오프각이 20° 이하인 것인, 단결정 다이아몬드칩.
  15. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 기재된 단결정 다이아몬드재로부터 절취되는 것인, 단결정 다이아몬드칩.
  16. 제 14항 또는 제 15항에 있어서,
    상기 단결정 다이아몬드칩의 주면이, -5 이상 5 이하의 정수의 밀러 지수로 표시되는 저지수면인 것인, 단결정 다이아몬드칩.
  17. 제 14항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단결정 다이아몬드칩은, 결정 성장 주면 및 상기 결정 성장 주면에 평행한 주면 중의 어느 주면에 관한 X선 토포그래피 이미지에 있어서, 결정 결함이 존재하는 선을 나타내는 결정 결함선이 상기 결정 성장 주면 및 상기 결정 성장 주면에 평행한 주면 중의 어느 주면에 도달하는 선단의 점인 결정 결함점의 군이 집합하여 존재하고, 상기 결정 결함점의 밀도가 2 mm-2보다 큰 것인, 단결정 다이아몬드칩.
  18. 단결정 다이아몬드 다이스에서, 비치환형 질소 원자의 농도가 200 ppm 이하이고, 상기 비치환형 질소 원자의 농도보다 치환형 질소 원자의 농도가 낮으며, 그리고, 상기 단결정 다이아몬드 다이스는 -5 이상 5 이하의 정수의 밀러 지수로 표시되는 저지수면을 구비하고, 저지수면의 수선이 신선용의 구멍의 방위에 대해 20° 이하의 오프각을 구비하는 것인, 단결정 다이아몬드 다이스를 포함하는 천공 공구.
  19. 제 14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 기재된 단결정 다이아몬드칩으로 형성되는 것인, 단결정 다이아몬드 다이스를 포함하는 천공 공구.
  20. 제 18항 또는 제 19항에 있어서,
    상기 단결정 다이아몬드 다이스는, 결정 성장 주면에 관한 X선 토포그래피 이미지에 있어서 결정 결함이 존재하는 선을 나타내는 결정 결함선이 상기 결정 성장 주면에 도달하는 선단의 점인 결정 결함점의 군이 집합하여 존재하고, 상기 결정 결함점의 밀도가 2 mm-2보다 큰 것인, 천공 공구.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 결정 결함점 중, 복수의 칼날 전위 및 복수의 나선 전위 중의 적어도 어느 것이 복합되는 복합 전위가 결정 성장 주면에 도달하는 선단의 점인 복합 전위점의 밀도가 2 mm-2보다 큰 것인, 천공 공구.
  22. 제 20항 또는 제 21항에 있어서,
    상기 단결정 다이아몬드 다이스는 복수의 단결정 다이아몬드층을 포함하고,
    각 상기 단결정 다이아몬드층의 계면에서, 상기 결정 결함선이 새롭게 발생 또는 분기되고, 상기 결정 성장 주면의 상기 결정 결함점의 밀도가, 상기 결정 성장 주면과는 반대측의 주면의 상기 결정 결함점의 밀도보다 높은 것인, 천공 공구.
  23. 제 20항 내지 제 22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단결정 다이아몬드 다이스에는, 상기 결정 결함점의 군이 집합하여 선형으로 연장되는, 결정 결함 선형 집합 영역 복수개가 병렬로 존재하는 것인, 천공 공구.
  24. 제 18항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단결정 다이아몬드 다이스는, 상기 비치환형 질소 원자의 농도가 1 ppm 이상인 것인, 천공 공구.
  25. 제 18항 내지 제 24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단결정 다이아몬드 다이스는, 상기 단결정 다이아몬드 다이스의 두께를 500 ㎛로 했을 때의 파장 400 nm의 광의 투과율이 60% 이하인 것인, 천공 공구.
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