WO2014168053A1 - 単結晶ダイヤモンドおよびダイヤモンド工具 - Google Patents

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crystal diamond
diamond
phase difference
defect
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西林　良樹
暁彦 植田
角谷　均
小林　豊
関　裕一郎
利也 高橋
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住友電気工業株式会社
住友電工ハードメタル株式会社
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    • 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
    • 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
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a single crystal diamond and a diamond tool, and more particularly to a single crystal diamond having a defect introduced therein and a diamond tool including the single crystal diamond.
  • diamonds produced by natural diamond or high temperature high pressure method are used as diamond tools such as cutting tools and wear-resistant tools.
  • Natural diamonds vary greatly in quality and the supply is not stable.
  • diamond produced by the high-temperature and high-pressure synthesis method has a small quality variation and a stable supply amount, but has a problem that the cost of production equipment is high.
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2005-162525 (hereinafter referred to as Patent Document 1) discloses a diamond produced by a gas phase synthesis method and transparent in the ultraviolet region and having small crystal defects and distortions.
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-315942 (hereinafter referred to as Patent Document 2) discloses a diamond single crystal used for a semiconductor device substrate and having a small strain.
  • Patent Document 3 discloses a CVD single crystal diamond material suitable for use in an optical device or element.
  • diamond produced by such a gas phase synthesis method has a problem that chipping is likely to occur when used as a tool material.
  • Single crystal diamond has the property of being easily cleaved on the (111) plane. For this reason, in single crystal diamond with few impurities and defects, a crack is generated in part along the cleavage plane ((111) plane) due to mechanical impact, and this crack propagates through the crystal, resulting in macro chipping. appear.
  • the present inventor has found that when impurities such as nitrogen and boron are present in the crystal, these impurities work to prevent the development of cracks, so that the generation of large chips is suppressed.
  • defects such as atomic vacancies and dislocations in the crystal have the effect of preventing the growth of cracks as well as impurities.
  • the present inventor has predicted that a diamond having high mechanical strength and hardly chipped can be obtained by introducing impurities and defects in the diamond crystal in a controlled state.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a single crystal diamond in which generation of a chip is suppressed by introducing the defect in a controlled state, and the single crystal diamond. Thus, it is to provide a diamond tool having excellent durability.
  • the single crystal diamond according to the present invention is a single crystal diamond having a defect introduced therein.
  • the defect portion can be detected by a phase difference generated when the single crystal diamond is irradiated with circularly polarized light.
  • the maximum of the average value of the retardation measured in a measurement region having a square shape with a side length of 1 mm is 30 nm or more.
  • the present inventor has intensively studied about introducing a defect portion while controlling the single crystal diamond. As a result, it has been found that the introduction of the defect portion in the crystal in such a manner that the maximum of the average value of the phase difference is within the above range can significantly suppress the occurrence of diamond chipping. did.
  • the defect portion is introduced into the crystal so that the maximum of the average value of the retardation is 30 nm or more. Therefore, according to the single crystal diamond according to the present invention, it is possible to provide a single crystal diamond in which the occurrence of chipping is suppressed.
  • the maximum average value of the phase differences is 30 nm or more.
  • the standard deviation of the phase difference measured in the measurement region may be 30 nm or more.
  • a plurality of peaks may exist in the frequency distribution of the phase difference measured in the measurement region.
  • the first peak that exists at a value smaller than the average value of the phase difference and a value that is larger than the average value of the phase difference exist.
  • a second peak may be present.
  • the defect portion may be introduced in a straight line. Moreover, the defect part may be introduced along with the circular arc shape.
  • the defect portions may be introduced in a state of being arranged so as to form an arbitrary shape.
  • the single crystal diamond may be formed by a gas phase synthesis method. Thereby, it becomes easy to introduce the defect portion in the controlled state in the single crystal diamond.
  • the single crystal diamond may be used for a diamond tool.
  • the single crystal diamond in which the occurrence of chipping is suppressed is suitable as a diamond used in a diamond tool.
  • the diamond tool according to the present invention includes the above-described single crystal diamond in which the occurrence of chipping is suppressed. Therefore, according to the diamond tool according to the present invention, a diamond tool having excellent durability can be provided.
  • the single crystal diamond according to the present invention it is possible to provide a single crystal diamond in which the occurrence of chipping is suppressed. Moreover, according to the diamond tool according to the present invention, a diamond tool having excellent durability can be provided.
  • FIG. 8 is a diagram showing a height profile on the surface of the single crystal substrate along the line segment VIII-VIII in FIG. It is the schematic for demonstrating the process (S30) in the manufacturing method of the single crystal diamond which concerns on this Embodiment. It is the schematic for demonstrating the process (S40) in the manufacturing method of the single crystal diamond which concerns on this Embodiment. It is the schematic for demonstrating the process (S50) in the manufacturing method of the single crystal diamond which concerns on this Embodiment. It is a phase difference distribution photograph of single crystal diamond in an example. It is a phase difference distribution photograph of single crystal diamond in a comparative example. It is a graph which shows the relationship between feed and the surface roughness of a workpiece
  • a diamond tool 1 will be described as an example of a diamond tool according to an embodiment of the present invention.
  • a diamond tool 1 according to the present embodiment mainly includes a base metal 2, a brazing layer 3, a metallized layer 4, and a single crystal diamond 10.
  • the single crystal diamond 10 is fixed to the base metal 2 through the brazing layer 3 and the metallized layer 4.
  • Single crystal diamond 10 includes rake face 10b and flank face 10c, and a cutting edge 10d is formed at the contact portion between rake face 10b and flank face 10c.
  • the single crystal diamond 10 is a single crystal diamond according to the present embodiment in which generation of chips is suppressed as will be described later. Therefore, the diamond tool 1 is a diamond tool with improved durability.
  • the diamond tool of the present invention is not limited to the diamond tool 1 described above, and may be another cutting tool (not shown) such as a drill or an end mill. ) Also in these cutting tools and wear-resistant tools, the durability can be improved in the same manner as the diamond tool 1 by providing the single crystal diamond 10.
  • FIG. 2 is a schematic plan view of the single crystal diamond 10 as viewed from the main surface 10a side.
  • single crystal diamond 10 is manufactured by a vapor phase synthesis method such as a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, and has, for example, a flat plate shape (square shape, rectangular shape or octagonal shape).
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • defects 11 such as strain, atomic vacancies or dislocations are randomly scattered in the main surface 10a.
  • the defect portion 11 is schematically shown by two straight lines orthogonal to each other. However, the defect portion 11 can be detected by, for example, birefringence distribution measurement described below.
  • the single crystal diamond 10 is processed into a plate shape having a thickness of 700 ⁇ m.
  • the thickness of the single crystal diamond 10 may be processed by, for example, polishing or etching.
  • the single crystal diamond 10 is a thin plate that cannot be processed to a thickness of 700 ⁇ m, the following measurement is performed without performing the above processing, and the measured value is proportional to the plate thickness and the thickness is 700 ⁇ m. You may convert into a case.
  • circularly polarized light is irradiated from one main surface side of the single crystal diamond 10 substantially perpendicularly to the main surface. Since diamond is an isotropic crystal, it usually has an isotropic refractive index (dielectric constant), whereas the portion where the defect 11 is introduced has a birefringence that differs in refractive index depending on the direction. . For this reason, when the circularly polarized light is irradiated on the defect portion 11, a phase difference is generated and the light is emitted as elliptically polarized light (including linearly polarized light), while the circular light is irradiated on the portion excluding the defective portion 11.
  • the optical axis and the phase difference can be obtained by obtaining the orientation of the major and minor axes of the ellipse in elliptically polarized light and the ratio of the major and minor axes. Further, by combining a lens and a microscope, it is possible to obtain information on a local phase difference in a fine part. Further, by disposing an integrated polarizer in front of the pixel of the digital detector, information in each pixel (that is, information on the local position of the sample) can be obtained two-dimensionally. By measuring the value of the phase difference (nm) due to the presence of the defect portion 11 using such a principle, the defect portion 11 introduced into the single crystal diamond 10 can be detected.
  • the above measurement can be performed using, for example, a birefringence distribution measuring apparatus (manufactured by Photonic Lattice Co., Ltd., WPA-micro or WPA-100). Generally, it is difficult to discriminate when the phase difference exceeds 90 degrees (1/4 of the wavelength). However, since the birefringence distribution measuring apparatus is changed from the integrated polarizer method to the integrated wavelength plate method, the measurement range is limited. The phase difference is expanded to 180 degrees (1/2 wavelength). It has been experimentally verified that when three types of wavelengths (one central wavelength and two wavelengths close thereto) are used, the measurement range is extended to 5 to 6 times the wavelength.
  • the maximum average value of the phase difference is 30 nm or more, preferably 50 nm or more, more preferably 100 nm or more. It is. Further, the standard deviation of the phase difference measured in the measurement region M is 30 nm or more, preferably 100 nm or more, and more preferably 200 nm or more. Further, the maximum value of the phase difference measured in the measurement region M is 100 nm or more.
  • the defect portion 11 is controlled so that the maximum of the average value of the phase difference, the standard deviation of the phase difference, and the maximum value of the phase difference are in the above range (mainly In a state of being scattered at high density and randomly in the surface 10a). Therefore, the single crystal diamond 10 is a diamond in which the occurrence of chipping is suppressed.
  • FIG. 3 is a graph showing the frequency distribution of the phase difference measured in the measurement region M (see FIG. 2) in the single crystal diamond 10.
  • the horizontal axis and the vertical axis indicate the phase difference and the frequency, respectively, and the broken line along the vertical axis indicates the average value of the phase difference.
  • the first peak P1 that exists at a value smaller than the average value of the phase difference and the first peak P1 that exists at a value larger than the average value of the phase difference, and the frequency is smaller than the first peak P1.
  • the second peak P2 has a value of 5% or more of the maximum value of the phase difference, preferably 10% or more of the maximum value of the phase difference, more preferably 20% or more of the maximum value of the phase difference. Exists in the value of.
  • the frequency distribution is not limited to the case where two peaks are present, and for example, three peaks may be present or more peaks may be present.
  • the single crystal diamond 10 is not limited to the case where the defect portions 11 are introduced so as to be randomly scattered, and may be introduced in a straight line as shown in FIG. As shown, they may be introduced side by side in an arc. Moreover, the straight line and the circular arc in which the defect portions 11 are arranged may be periodically formed along each other. The number of straight lines and arcs is not particularly limited, and may be four as shown in FIGS. 4 and 5 or more.
  • the defect portion 11 is introduced into the crystal in a controlled state so that the maximum average value of the phase difference is 30 nm or more. Therefore, the single crystal diamond 10 is a diamond in which the occurrence of chipping is suppressed.
  • the standard deviation of the phase difference measured in the measurement region M may be 30 nm or more.
  • the defect portions 11 are more uniformly dispersed.
  • the occurrence of chipping in the single crystal diamond 10 can be more effectively suppressed.
  • a plurality of peaks may exist in the frequency distribution of the phase difference measured in the measurement region M. Further, the first peak P1 may exist at a value smaller than the average value of the phase difference, and the second peak P2 may exist at a value larger than the average value of the phase difference.
  • the defect portions 11 are further uniformly dispersed. As a result, the occurrence of chipping in the single crystal diamond 10 can be more effectively suppressed.
  • steps (S10) to (S50) are sequentially performed to produce single crystal diamond 10 according to the present embodiment. can do.
  • a single crystal substrate preparation step is performed.
  • step (S10) referring to FIG. 7, single crystal substrate 20 (type: Ib) having a flat plate shape (square shape) and made of diamond manufactured by a high-temperature high-pressure synthesis method is prepared.
  • the single crystal substrate 20 has a surface 20a composed of a (100) plane and a side surface 20b composed of a (001) plane perpendicular to the surface 20a.
  • the shape of single crystal substrate 20 is not limited to a square shape as shown in FIG. 7, and may be, for example, a rectangular shape or an octagonal shape.
  • a plurality of grooves 21 are formed on the surface 20a of the single crystal substrate 20 so as to be along each other.
  • An interval L between adjacent grooves 21 is more than 10 ⁇ m and 100 ⁇ m or less, preferably more than 10 ⁇ m and less than 20 ⁇ m, or 20 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • Groove 21 forms a line-shaped resist pattern on surface 20a using, for example, photolithography, and then etches surface 20a of single crystal substrate 20 with plasma in a portion where the resist pattern is not formed. May be formed.
  • the groove part 21 may be formed by processing the surface 20a of the single crystal substrate 20 into a line shape (grooving process) using a laser processing machine.
  • the groove 21 may be formed by mechanically cutting the surface 20a of the single crystal substrate 20 (mechanical polishing). In this mechanical polishing, for example, a polishing machine in which diamond abrasive grains are embedded, a polishing machine using cast iron, or a polishing machine using silicon dioxide (SiO 2 ) can be used.
  • the line-shaped groove portions 21 can be formed, and a plurality of line-shaped groove portions 21 can be formed in a lattice shape.
  • a groove portion having an arc shape or another shape can be formed.
  • it can also cut
  • a periodic height difference can be formed on the surface 20 a of the single crystal substrate 20.
  • the grooves 21 can be formed in a state of being appropriately dispersed on the surface 20a of the single crystal substrate 20.
  • the groove part 21 should just be formed in the surface 20a in appropriate dispersion
  • FIG. 8 shows a height profile on the surface 20a of the single crystal substrate 20 along the line segment VIII-VIII in FIG.
  • the horizontal direction indicates the distance along the surface 20a of the single crystal substrate 20
  • the vertical direction indicates the height.
  • the height difference H which is the difference between the minimum height (portion where the groove 21 is formed) and the maximum height is 15 nm or more, preferably 50 nm or more, more preferably 300 nm or more. It is.
  • the surface 20a of the single crystal substrate 20 is processed so that the distance L between the grooves 21 and the height difference H are within the above ranges. Therefore, in the step (S40) described later, an epitaxial growth layer introduced in a state where the defect portion is controlled can be grown on the single crystal substrate 20.
  • an etching process is implemented as process (S20).
  • the surface 20a is formed by reactive ion etching (RIE) using, for example, oxygen (O 2 ) gas and carbon tetrafluoride (CF 4 ) gas. Etched.
  • RIE reactive ion etching
  • the etching method is not limited to RIE, and may be sputtering using, for example, argon (Ar) gas as a main gas.
  • this step (S20) is a very important step when the surface 20a is processed using a polishing machine in which diamond abrasive grains are embedded. That is, in the case of mechanical polishing using the polishing disk, a large level difference is formed on the surface 20a, so that polishing damage on the surface 20a increases. As a result, abnormal particles grow on the surface 20a and polycrystals are formed. On the other hand, the removal of polishing damage on the surface 20a by ion etching can suppress the formation of polycrystals due to the growth of abnormal particles. When mechanical polishing with a polishing disk using SiO 2 , surface cutting with a laser, or heat treatment in an oxygen atmosphere is performed, polishing damage on the surface 20a is small, so the above step (S20) can be omitted. It is.
  • step (S30) an ion implantation step is performed.
  • this step (S30) referring to FIG. 9, carbon (C) or phosphorus (P) is implanted into single crystal substrate 20 from the surface 20a side. Thereby, the conductive layer 22 is formed in a region including the surface 20a.
  • an epitaxial growth step is performed as a step (S40).
  • step (S40) referring to FIG. 10, epitaxial growth layer 23 made of single-crystal diamond is grown on conductive layer 22 by, for example, microwave plasma (MP: Microwave Plasma) CVD.
  • MP microwave plasma
  • the method of forming the epitaxial growth layer 23 is not limited to the MP-CVD method, and may be, for example, a hot filament (HF) CVD method or a DC plasma method.
  • the epitaxial growth layer 23 has a growth parameter ( ⁇ ) of 2 or more and a temperature of the single crystal substrate 20 of 1050 at least in the region of 1 to 7 ⁇ m at the beginning of growth (region of 1 ⁇ m to 7 ⁇ m in the growth direction from the surface 20a). It is preferable to grow under the condition of °C or less.
  • the growth parameter ( ⁇ ) is a value that is ⁇ 3 times the ratio of the growth rate in the ⁇ 100> direction to the growth rate in the ⁇ 111> direction. Thereby, even when the height difference on the surface 20a of the single crystal substrate 20 is large, the single crystal diamond (epitaxial growth layer 23) can be stably grown.
  • a separation step is performed as a step (S50).
  • step (S50) referring to FIG. 11, conductive layer 22 is electrochemically etched to separate single crystal substrate 20 and epitaxial growth layer 23 from each other.
  • the single crystal diamond 10 epitaxial growth layer 23
  • the steps (S10) to (S50) are performed to manufacture the single crystal diamond 10, and the method for manufacturing the single crystal diamond according to the present embodiment is completed.
  • single crystal diamond 10 was manufactured using the method for manufacturing single crystal diamond according to the present embodiment (see FIGS. 6 to 11).
  • step (S10) a single crystal substrate 20 having a 5 mm ⁇ 5 mm square shape and a thickness of 0.7 mm was prepared (see FIG. 7). Further, the height difference H on the surface 20a of the single crystal substrate 20 was 15 nm or more, and the distance L between the grooves 21 was more than 10 ⁇ m and 100 ⁇ m or less (see FIG. 8).
  • etching was performed from the surface 20a to a depth region of 0.3 ⁇ m by RIE, or etching was performed from the surface 20a to a depth region of 0.1 ⁇ m by sputtering (see FIG. 7).
  • the conductive layer 22 is formed by implanting carbon ions with an ion implantation energy of 300 to 350 keV and a dose of 5 ⁇ 10 15 to 5 ⁇ 10 17 ions / cm 2 (see FIG. 9). ).
  • an epitaxial growth layer 23 having a thickness of 0.7 mm was formed (see FIG. 10). Further, hydrogen (H 2 ) gas, methane (CH 4 ) gas and nitrogen (N 2 ) gas are used, the concentration of CH 4 gas with respect to H 2 gas is set to 5 to 20%, and the N 2 gas with respect to CH 4 gas is The concentration was 0.5-4%.
  • the pressure was set to 9.3 to 14.7 kPa, and the substrate temperature was set to 800 to 1100 ° C.
  • the size of the single crystal diamond 10 was 1 mm ⁇ 1 mm, 3 mm ⁇ 3 mm, or 6 mm ⁇ 6 mm. In this way, single crystal diamond 10 of Examples 1 to 6 was produced. Comparative examples 1 to 3 were produced by producing single crystal diamond with the height difference H on the surface 20a of the single crystal substrate 20 and the interval L between the grooves 21 outside the above ranges.
  • the workpiece was cut using the single crystal diamonds of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3, polycrystalline diamond (D1000), and high-pressure synthetic diamond as cutter blades.
  • the presence or absence of chipping was investigated.
  • RF4080R made by Sumitomo Electric Hardmetal Co., Ltd. was used for the cutter.
  • SNEW1204ADFR-WS manufactured by Sumitomo Electric Hardmetal Co., Ltd. was used as the wiper chip.
  • As a lathe NV5000 manufactured by Mori Seiki Co., Ltd. was used.
  • the cutting speed was 2000 m / min.
  • the incision was 0.05 mm.
  • the feed was 0.05 mm / blade, 0.1 mm / blade, or 0.15 mm / blade.
  • An aluminum material (A5052) was used for the workpiece. After cutting the workpiece under the above conditions, the presence or absence of diamond chipping was investigated. Further, for each feed (mm / blade) condition, the surface roughness ( ⁇ m) of the workpiece and the presence / absence of burrs were also investigated.
  • the single crystal diamonds of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 were subjected to polishing for cutting out the cutting edge for a bite tool. And the number of chippings (chipping) when observed over a length of 2 mm after processing was investigated.
  • the investigation object was a chip with a size of 5 ⁇ m or more.
  • Table 1 shows the result of the phase difference measurement, the investigation result of the chipping occurrence during the blade seat polishing process, and the investigation result of the chipping generation after the cutting process.
  • Table 2 shows the investigation results of the occurrence of burrs after cutting.
  • 12 and 13 show birefringence photographs of the single crystal diamonds of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3, respectively.
  • FIG. 14 is a graph showing the relationship between the feed (mm / blade) and the surface roughness ( ⁇ m) of the workpiece. The horizontal axis shows the feed (mm / blade), and the vertical axis shows the surface roughness of the workpiece. ( ⁇ m).
  • the phase difference was measured using a wavelength of 543 nm, and the maximum value of the phase difference was 2000 nm or less. From this result, in the single crystal diamond formed on the single crystal substrate, the height difference H on the surface of the single crystal substrate is set to 15 nm or more, and the interval L between the grooves 21 is set to more than 10 ⁇ m and 100 ⁇ m or less. It was found that the maximum average value of the phase difference was 30 nm or more.
  • the single crystal diamond and diamond tool of the present invention can be particularly advantageously applied to single crystal diamond required to suppress the occurrence of chipping and diamond tool required to improve durability.

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Abstract

　単結晶ダイヤモンド（１０）は、欠陥部（１１）が導入された単結晶ダイヤモンドである。欠陥部（１１）は、単結晶ダイヤモンド（１０）に円偏光を照射した場合に発生する位相差により検出可能である。単結晶ダイヤモンド（１０）では、１辺の長さが１ｍｍである正方形状を有する測定領域（Ｍ）内で測定された位相差の平均値の最大が３０ｎｍ以上である。

Description

単結晶ダイヤモンドおよびダイヤモンド工具
　本発明は、単結晶ダイヤモンドおよびダイヤモンド工具に関し、より特定的には、欠陥部が導入された単結晶ダイヤモンドおよび当該単結晶ダイヤモンドを備えるダイヤモンド工具に関する。
　従来より、切削工具や耐摩耗工具などのダイヤモンド工具には、天然のダイヤモンドや高温高圧合成法（ＨＰＨＴ：Ｈｉｇｈ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｈｉｇｈ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｍｅｔｈｏｄ）により製造されたダイヤモンドが用いられている。天然のダイヤモンドは、品質のばらつきが大きく、また供給量も安定しない。また、高温高圧合成法により製造されるダイヤモンドは、品質のばらつきが小さく供給量も安定しているが、製造設備のコストが高いという問題がある。
　一方、ダイヤモンドの他の合成法としては、化学気相蒸着法（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの気相合成法がある。たとえば特開２００５－１６２５２５号公報（以下、特許文献１という）では、気相合成法により製造され、紫外域において透明でかつ結晶欠陥や歪が小さいダイヤモンドが開示されている。また、たとえば特開２００６－３１５９４２号公報（以下、特許文献２という）では、半導体デバイス用基板に用いられるダイヤモンド単結晶であり、歪が小さいものが開示されている。また、たとえば特表２００６－５０７２０４号公報（以下、特許文献３という）では、光デバイスや素子に使用する際に好適なＣＶＤ単結晶ダイヤモンド材料が開示されている。しかし、このような気相合成法により製造されたダイヤモンドは、工具材料として用いた場合に欠けが発生し易いという問題がある。
特開２００５－１６２５２５号公報 特開２００６－３１５９４２号公報 特表２００６－５０７２０４号公報
　単結晶ダイヤモンドは、（１１１）面において劈開し易い性質を有している。そのため、不純物や欠陥が少ない単結晶ダイヤモンドでは、機械的な衝撃により劈開面（（１１１）面）に沿って一部にクラックが発生し、このクラックが結晶中を伝搬することでマクロな欠けが発生する。これに対して、窒素や硼素などの不純物が結晶中に存在すると、これらの不純物がクラックの進展を防止するように働くため、大きな欠けの発生が抑制されることを本発明者は見出した。また、結晶中の原子空孔や転位などの欠陥も、不純物と同様にクラックの進展を防止する効果を有していることを本発明者は見出した。しかしながら、不純物や欠陥が少量存在する場合にはマクロな欠けを防止する効果を発揮するには至らないため、適度な量の不純物や欠陥が存在することが必要である。このように、ダイヤモンド結晶中において不純物や欠陥を制御した状態で導入することにより、機械的強度が高く、欠け難いダイヤモンドが得られることを本発明者は予測した。
　上述のように、ダイヤモンド結晶中において不純物や欠陥を制御した状態で導入することにより、欠けの発生が抑制されることが定性的に予測されたものの、これに関する定量的な知見は得られていなかった。これは、高温高圧合成法では、不純物や欠陥を制御した状態で結晶内に導入することは困難であり、また天然のダイヤモンドでは既に不純物や欠陥が導入されているためである。また、気相合成法では、不純物を制御した状態で導入することは比較的容易であるものの、欠陥を制御した状態で導入することは困難であった。そのため、従来では、ＣＶＤ法により結晶成長した場合には、欠陥や歪などが制御されずに結晶内に不規則かつ局所的に残存してしまうため、製造されたダイヤモンドは欠けが発生し易いものとなっていた。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、欠陥が制御された状態で導入されることにより、欠けの発生が抑制された単結晶ダイヤモンド、および当該単結晶ダイヤモンドを備えることにより耐久性に優れたダイヤモンド工具を提供することである。
　本発明に従った単結晶ダイヤモンドは、欠陥部が導入された単結晶ダイヤモンドである。上記欠陥部は、上記単結晶ダイヤモンドに円偏光を照射した場合に発生する位相差により検出可能である。上記単結晶ダイヤモンドでは、１辺の長さが１ｍｍである正方形状を有する測定領域内で測定された上記位相差の平均値の最大が３０ｎｍ以上である。
　本発明者は、単結晶ダイヤモンドにおいて欠陥部を制御しつつ導入することについて鋭意検討を行った。その結果、上記位相差の平均値の最大が上記範囲内になるように欠陥部を制御した状態で結晶内に導入すると、ダイヤモンドの欠けの発生が著しく抑制されることを見出し、本発明に想到した。本発明に従った単結晶ダイヤモンドでは、上記位相差の平均値の最大が３０ｎｍ以上となるように、欠陥部が制御された状態で結晶内に導入されている。したがって、本発明に従った単結晶ダイヤモンドによれば、欠けの発生が抑制された単結晶ダイヤモンドを提供することができる。
　なお、上記単結晶ダイヤモンドでは、複数の上記測定領域において上記位相差を測定した場合に、上記位相差の平均値の最大値が３０ｎｍ以上となっている。
　上記単結晶ダイヤモンドにおいて、上記測定領域内で測定された上記位相差の標準偏差が３０ｎｍ以上であってもよい。
　これにより、単結晶ダイヤモンドにおいて欠陥部をより均一に分散させた状態で導入することができる。その結果、欠けの発生がより効果的に抑制された単結晶ダイヤモンドを提供することができる。
　上記単結晶ダイヤモンドにおいて、上記測定領域内で測定された上記位相差の度数分布では、複数のピークが存在していてもよい。また、上記測定領域内で測定された上記位相差の度数分布では、上記位相差の平均値よりも小さい値において存在する第１のピークと、上記位相差の平均値よりも大きい値において存在する第２のピークとが存在していてもよい。
　これにより、単結晶ダイヤモンドにおいて欠陥部をさらに均一に分散させた状態で導入することができる。その結果、欠けの発生がさらに効果的に抑制された単結晶ダイヤモンドを提供することができる。
　上記単結晶ダイヤモンドにおいて、欠陥部は、直線状に並んで導入されていてもよい。また、欠陥部は、円弧状に並んで導入されていてもよい。
　このように、単結晶ダイヤモンドにおいて欠陥部は任意の形状を形成するように並んだ状態で導入されていてもよい。
　上記単結晶ダイヤモンドは、気相合成法により形成されていてもよい。これにより、単結晶ダイヤモンドにおいて欠陥部を制御した状態で導入することが容易になる。
　上記単結晶ダイヤモンドは、ダイヤモンド工具に用いられてもよい。欠けの発生が抑制された上記単結晶ダイヤモンドは、ダイヤモンド工具に用いるダイヤモンドとして好適である。
　本発明に従ったダイヤモンド工具は、欠けの発生が抑制された上記単結晶ダイヤモンドを備えている。したがって、本発明に従ったダイヤモンド工具によれば、耐久性に優れたダイヤモンド工具を提供することができる。
　以上の説明から明らかなように、本発明に従った単結晶ダイヤモンドによれば、欠けの発生が抑制された単結晶ダイヤモンドを提供することができる。また、本発明に従ったダイヤモンド工具によれば、耐久性に優れたダイヤモンド工具を提供することができる。
本実施の形態に係るダイヤモンドバイトを示す概略図である。 本実施の形態に係る単結晶ダイヤモンドを示す概略図である。 本実施の形態に係る単結晶ダイヤモンドにおける位相差の度数分布を示すグラフである。 本実施の形態に係る単結晶ダイヤモンドにおいて欠陥部が直線状に並んだ状態を示す概略図である。 本実施の形態に係る単結晶ダイヤモンドにおいて欠陥部が円弧状に並んだ状態を示す概略図である。 本実施の形態に係る単結晶ダイヤモンドの製造方法を概略的に示すフローチャートである。 本実施の形態に係る単結晶ダイヤモンドの製造方法における工程（Ｓ１０）を説明するための概略側面図である。 図７中の線分ＶＩＩＩ－ＶＩＩＩに沿う単結晶基板の表面における高さプロファイルを示す図である。 本実施の形態に係る単結晶ダイヤモンドの製造方法における工程（Ｓ３０）を説明するための概略図である。 本実施の形態に係る単結晶ダイヤモンドの製造方法における工程（Ｓ４０）を説明するための概略図である。 本実施の形態に係る単結晶ダイヤモンドの製造方法における工程（Ｓ５０）を説明するための概略図である。 実施例における単結晶ダイヤモンドの位相差分布写真である。 比較例における単結晶ダイヤモンドの位相差分布写真である。 送りとワークの面粗さとの関係を示すグラフである。
　以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
　まず、本発明の一実施の形態に係るダイヤモンド工具の一例として、ダイヤモンドバイト１を説明する。図１を参照して、本実施の形態に係るダイヤモンドバイト１は、台金２と、ろう付け層３と、メタライズ層４と、単結晶ダイヤモンド１０とを主に備えている。
　単結晶ダイヤモンド１０は、ろう付け層３およびメタライズ層４を介して台金２に固定されている。単結晶ダイヤモンド１０は、すくい面１０ｂおよび逃げ面１０ｃを含み、当該すくい面１０ｂおよび逃げ面１０ｃの接触部において切れ刃１０ｄが構成されている。単結晶ダイヤモンド１０は、後述するように欠けの発生が抑制された本実施の形態に係る単結晶ダイヤモンドである。そのため、ダイヤモンドバイト１は、耐久性がより向上したダイヤモンド工具となっている。
　また、本発明のダイヤモンド工具は、上記ダイヤモンドバイト１に限定されず、たとえばドリルやエンドミルなどの他の切削工具（図示しない）でもよく、ドレッサー、スタイラス、ノズルまたはダイスなどの耐摩耗工具（図示しない）でもよい。これらの切削工具および耐摩耗工具においても、単結晶ダイヤモンド１０を備えることにより上記ダイヤモンドバイト１と同様に耐久性を向上させることができる。
　次に、本実施の形態に係る単結晶ダイヤモンド１０について説明する。上述のように、本実施の形態に係る単結晶ダイヤモンド１０は、ダイヤモンドバイト１などのダイヤモンド工具の材料として用いられるものである。図２は、単結晶ダイヤモンド１０の主面１０ａ側から見た概略平面図である。図２を参照して、単結晶ダイヤモンド１０は、たとえばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの気相合成法により製造されたものであり、たとえば平板形状（正方形状、長方形状あるいは該八角形状）を有している。単結晶ダイヤモンド１０には、歪、原子空孔または転位などの欠陥部１１が、主面１０ａ内においてランダムに散在している。図２中において、欠陥部１１は互いに直交する２直線により模式的に示されているが、当該欠陥部１１はたとえば以下に説明する複屈折分布測定により検出することが可能なものである。
　次に、単結晶ダイヤモンド１０に導入された欠陥部１１を検出するための方法の一例について説明する。まず、単結晶ダイヤモンド１０が厚さ７００μｍの板形状に加工される。単結晶ダイヤモンド１０の厚みが大きい場合には、たとえば研磨やエッチングなどにより加工されてもよい。なお、単結晶ダイヤモンド１０が厚さ７００μｍにまで加工することができない薄板の場合には、上記加工を行わずに後述するような測定を行い、その測定値を板厚に比例させて厚み７００μｍの場合に換算してもよい。
　次に、単結晶ダイヤモンド１０の一方の主面側から当該主面に対してほぼ垂直に円偏光を照射する。ダイヤモンドは等方的な結晶であるため、通常は等方的な屈折率（誘電率）を有するのに対して、欠陥部１１が導入された部分では方向により屈折率が異なる複屈折率を有する。そのため、欠陥部１１に円偏光が照射された場合には位相差が発生して楕円偏光（直線偏光を含む）となって出射され、一方で欠陥部１１を除いた部分に円偏光が照射された場合には位相差が発生せず、円偏光のまま出射される。また、楕円偏光における楕円の長軸および短軸の向きや当該長軸および短軸の長さの比を求めることにより、光学軸や位相差を求めることができる。また、レンズや顕微鏡を組合わせることにより、微細な部分における局部的な位相差の情報を得ることができる。また、デジタル検出器の画素の前に集積された偏光子を配置することにより、それぞれの画素における情報（すなわち、試料の局部的な位置の情報）を二次元的に得ることができる。このような原理を用いて欠陥部１１の存在による位相差（ｎｍ）の値を測定することで単結晶ダイヤモンド１０に導入された欠陥部１１を検出することができる。
　また、上記測定は、たとえば複屈折分布測定装置（株式会社フォトニックラティス社製、ＷＰＡ－ｍｉｃｒｏまたはＷＰＡ－１００）を用いて行うことができる。一般に、位相差は９０度（波長の１／４）を超えると判別が困難であるが、上記複屈折分布測定装置では集積偏光子方式から集積波長板方式となっているため、測定範囲が位相差１８０度（波長の１／２）にまで拡張されている。なお、波長を３種類（１つの中心波長とこれに近い２つの波長）用いると、測定範囲が波長の５～６倍にまで拡張されることが実験的に検証されている。
　単結晶ダイヤモンド１０では、測定領域Ｍ（１ｍｍ×１ｍｍ）内で上記位相差を測定した場合に上記位相差の平均値の最大が３０ｎｍ以上であり、好ましくは５０ｎｍ以上であり、より好ましくは１００ｎｍ以上である。また、測定領域Ｍ内で測定された上記位相差の標準偏差は３０ｎｍ以上であり、好ましくは１００ｎｍ以上であり、より好ましくは２００ｎｍ以上である。また、測定領域Ｍ内で測定された上記位相差の最大値は、１００ｎｍ以上である。このように、単結晶ダイヤモンド１０では、上記位相差の平均値の最大、上記位相差の標準偏差および上記位相差の最大値が上記範囲になるように、欠陥部１１が制御された状態（主面１０ａ内において高密度かつランダムに散在した状態）で導入されている。そのため、単結晶ダイヤモンド１０は、欠けの発生が抑制されたダイヤモンドとなっている。
　図３は、単結晶ダイヤモンド１０において測定領域Ｍ内（図２参照）で測定された上記位相差の度数分布を示すグラフである。図３のグラフ中において、横軸および縦軸は位相差および度数をそれぞれ示し、また縦軸に沿った破線は位相差の平均値を示している。この度数分布では、上記位相差の平均値よりも小さい値において存在する第１のピークＰ１と、上記位相差の平均値よりも大きい値において存在し、第１のピークＰ１よりも度数が小さい第２のピークＰ２とが存在している。また、第２のピークＰ２は、上記位相差の最大値の５％以上の値、好ましくは上記位相差の最大値の１０％以上の値、より好ましくは上記位相差の最大値の２０％以上の値において存在している。なお、この度数分布では２つのピークが存在する場合に限定されず、たとえば３つのピークが存在していてもよいし、それ以上のピークが存在していてもよい。
　また、単結晶ダイヤモンド１０では、欠陥部１１がランダムに散在するように導入されている場合に限定されず、図４に示すように直線状に並んで導入されていてもよいし、図５に示すように円弧状に並んで導入されていてもよい。また、欠陥部１１が並んだ直線および円弧は、互いに沿うように周期的に形成されていてもよい。なお、この直線および円弧の数は特に限定されず、図４および図５に示すように４個でもよいし、それ以上でもよい。
　以上のように、本実施の形態に係る単結晶ダイヤモンド１０では、上記位相差の平均値の最大が３０ｎｍ以上となるように、欠陥部１１が制御された状態で結晶内に導入されている。したがって、この単結晶ダイヤモンド１０は、欠けの発生が抑制されたダイヤモンドとなっている。
　また、上述のように、上記単結晶ダイヤモンド１０では、測定領域Ｍ内で測定された上記位相差の標準偏差が３０ｎｍ以上であってもよい。
　これにより、図２に示すように単結晶ダイヤモンド１０において欠陥部１１がより均一に分散した状態となる。その結果、単結晶ダイヤモンド１０において欠けの発生をより効果的に抑制することができる。
　また、上述のように、上記単結晶ダイヤモンド１０において、測定領域Ｍ内で測定された上記位相差の度数分布では、複数のピークが存在していてもよい。また、第１のピークＰ１は上記位相差の平均値よりも小さい値において存在し、かつ第２のピークＰ２は上記位相差の平均値よりも大きい値において存在していてもよい。
　これにより、単結晶ダイヤモンド１０において欠陥部１１がさらに均一に分散した状態となる。その結果、単結晶ダイヤモンド１０において欠けの発生をより効果的に抑制することができる。
　次に、本実施の形態に係る単結晶ダイヤモンドの製造方法について説明する。図６を参照して、本実施の形態に係る単結晶ダイヤモンドの製造方法では、工程（Ｓ１０）～（Ｓ５０）が順に実施されることにより、上記本実施の形態に係る単結晶ダイヤモンド１０を製造することができる。
　まず、工程（Ｓ１０）として、単結晶基板準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、図７を参照して、たとえば平板形状（正方形状）を有し、高温高圧合成法により製造されたダイヤモンドからなる単結晶基板２０（タイプ：Ｉｂ）が準備される。単結晶基板２０は、（１００）面からなる表面２０ａと、表面２０ａに対して垂直な（００１）面からなる側面２０ｂとを有している。なお、単結晶基板２０の形状は、図７に示すような正方形状に限定されず、たとえば長方形状や八角形状などであってもよい。
　単結晶基板２０の表面２０ａ上には、複数の溝２１が互いに沿うように形成されている。隣接する溝２１同士の間隔Ｌは、１０μｍを超え１００μｍ以下であり、好ましくは１０μｍを超え２０μｍ未満であり、または２０μｍ以上１００μｍ以下である。
　また、溝２１は、たとえばフォトリソグラフィ法を用いて表面２０ａ上にライン状のレジストパターンを形成し、その後、当該レジストパターンが形成されていない部分において単結晶基板２０の表面２０ａをプラズマでエッチングすることにより形成されてもよい。また、溝部２１は、レーザ加工機を用いて単結晶基板２０の表面２０ａをライン状に加工（溝入れ加工）することにより形成されてもよい。また、溝２１は、単結晶基板２０の表面２０ａを機械的に削ること（機械研磨）により形成されていてもよい。また、この機械研磨では、たとえばダイヤモンド砥粒が埋め込まれた研磨盤、鋳鉄を用いた研磨盤または二酸化珪素（ＳｉＯ２）を用いた研磨盤を用いることができる。
　上記機械研磨の場合にはライン状の溝部２１を形成することができ、また複数のライン状の溝部２１を格子状に形成することができる。一方で、上記フォトリソグラフィ法を用いたプラズマ加工やレーザ加工の場合には円弧状や他の形状の溝部を形成することができる。また、レーザによりスライスする方向に切断することもできる。これにより、単結晶基板２０の表面２０ａにおいて周期的な高低差を形成することができる。このようにして、単結晶基板２０の表面２０ａにおいて溝部２１を適度に分散させた状態で形成することができる。
　また、溝部２１は、表面２０ａにおいて適度に分散して形成されていればよく、ランダムに形成されていてもよい。この場合には、たとえば上記機械研磨を用いた方法や酸素雰囲気中で熱処理する方法など、より簡便な方法を採用することができる。
　図８は、図７中の線分ＶＩＩＩ－ＶＩＩＩに沿う単結晶基板２０の表面２０ａ上の高さプロファイルを示している。図８中において、横方向は単結晶基板２０の表面２０ａに沿う方向の距離を示し、縦方向は高さを示している。単結晶基板２０の表面２０ａでは、最小高さ（溝２１が形成された部分）と最大高さとの差である高低差Ｈが１５ｎｍ以上であり、好ましくは５０ｎｍ以上であり、より好ましくは３００ｎｍ以上である。このように、単結晶基板２０の表面２０ａは、溝２１同士の間隔Ｌおよび高低差Ｈが上記範囲内になるように処理されている。そのため、後述する工程（Ｓ４０）において、欠陥部が制御された状態で導入されたエピタキシャル成長層を単結晶基板２０上に成長させることができる。
　次に、工程（Ｓ２０）として、エッチング工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、図７を参照して、たとえば酸素（Ｏ２）ガスおよび四フッ化炭素（ＣＦ４）ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）により、表面２０ａがエッチングされる。また、エッチング方法はＲＩＥに限定されず、たとえばアルゴン（Ａｒ）ガスを主ガスとして用いたスパッタリングであってもよい。
　また、この工程（Ｓ２０）は、ダイヤモンド砥粒が埋め込まれた研磨盤を用いて表面２０ａを加工した場合には、極めて重要な工程となる。すなわち、上記研磨盤を用いた機械研磨の場合には表面２０ａに大きな高低差が形成されるため、表面２０ａにおける研磨ダメージが大きくなる。これにより、表面２０ａ上において異常粒子が成長し、多結晶が形成されてしまう。これに対して、イオンエッチングにより表面２０ａの研磨ダメージを除去することにより、異常粒子の成長による多結晶の形成を抑制することができる。なお、ＳｉＯ２を用いた研磨盤による機械研磨、レーザによる表面切断または酸素雰囲気中での熱処理を施した場合には表面２０ａにおける研磨ダメージが少ないため、上記工程（Ｓ２０）を省略することも可能である。
　次に、工程（Ｓ３０）として、イオン注入工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、図９を参照して、表面２０ａ側からカーボン（Ｃ）またはリン（Ｐ）が単結晶基板２０内に注入される。これにより、表面２０ａを含む領域に導電層２２が形成される。
　次に、工程（Ｓ４０）として、エピタキシャル成長工程が実施される。この工程（Ｓ４０）では、図１０を参照して、たとえばマイクロ波プラズマ（ＭＰ：Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｐｌａｓｍａ）ＣＶＤ法により、導電層２２上に単結晶ダイヤモンドからなるエピタキシャル成長層２３が成長する。また、エピタキシャル成長層２３の形成方法は、ＭＰ－ＣＶＤ法に限定されず、たとえば熱フィラメント（ＨＦ：Ｈｏｔ　Ｆｉｌａｍｅｎｔ）ＣＶＤ法やＤＣプラズマ法であってもよい。
　エピタキシャル成長層２３は、少なくとも成長初期の１～７μｍの領域（表面２０ａから成長方向に１μｍ以上７μｍ以下の領域）は、成長パラメーター（α）が２以上であり、かつ単結晶基板２０の温度が１０５０℃以下の条件で成長することが好ましい。成長パラメーター（α）とは、＜１１１＞方向の成長速度に対する＜１００＞方向の成長速度の比の√３倍の値である。これにより、単結晶基板２０の表面２０ａにおける高低差が大きい場合でも、安定して単結晶ダイヤモンド（エピタキシャル成長層２３）を成長させることができる。
　次に、工程（Ｓ５０）として、分離工程が実施される。この工程（Ｓ５０）では、図１１を参照して、導電層２２が電気化学的にエッチングされることにより、単結晶基板２０とエピタキシャル成長層２３とが分離される。このようにして、単結晶ダイヤモンド１０（エピタキシャル成長層２３）が得られる。以上のようにして上記工程（Ｓ１０）～（Ｓ５０）が実施されることにより単結晶ダイヤモンド１０が製造され、本実施の形態に係る単結晶ダイヤモンドの製造方法が完了する。
　（単結晶ダイヤモンドの作製）
　単結晶ダイヤモンドにおける欠けの発生の抑制について、本発明の効果を確認する実験を行った。まず、上記本実施の形態に係る単結晶ダイヤモンドの製造方法を用いて単結晶ダイヤモンド１０を製造した（図６～図１１参照）。工程（Ｓ１０）では、５ｍｍ×５ｍｍの正方形状を有し、厚みが０．７ｍｍの単結晶基板２０を準備した（図７参照）。また、単結晶基板２０の表面２０ａにおける高低差Ｈは１５ｎｍ以上であり、かつ溝２１同士の間隔Ｌは１０μｍを超え１００μｍ以下であった（図８参照）。工程（Ｓ２０）では、ＲＩＥにより表面２０ａから０．３μｍの深さ領域までエッチングし、またはスパッタリングにより表面２０ａから０．１μｍの深さ領域までエッチングした（図７参照）。
　工程（Ｓ３０）では、イオン注入のエネルギーを３００～３５０ｋｅＶとし、ドーズ量を５×１０１５～５×１０１７個／ｃｍ２としてカーボンイオンを注入することにより導電層２２を形成した（図９参照）。工程（Ｓ４０）では、厚みが０．７ｍｍであるエピタキシャル成長層２３を形成した（図１０参照）。また、水素（Ｈ２）ガス、メタン（ＣＨ４）ガスおよび窒素（Ｎ２）ガスを使用し、Ｈ２ガスに対するＣＨ４ガスの濃度を５～２０％とし、ＣＨ４ガスに対するＮ２ガスの濃度を０．５～４％とした。また、圧力は、９．３～１４．７ｋＰａに設定し、基板温度は８００～１１００℃に設定した。単結晶ダイヤモンド１０の大きさは、１ｍｍ×１ｍｍ、３ｍｍ×３ｍｍ、または６ｍｍ×６ｍｍであった。このようにして、実施例１～６の単結晶ダイヤモンド１０を作製した。また、単結晶基板２０の表面２０ａにおける高低差Ｈおよび溝２１同士の間隔Ｌを上記範囲外として単結晶ダイヤモンドを作製したものを比較例１～３とした。
　（位相差の測定）
　上記実施例１～６および比較例１～３の単結晶ダイヤモンドの成長表面を研磨し、その後位相差の測定を行った。位相差の測定には、複屈折分布測定装置（株式会社フォトニックラティス社製、ＷＰＡ－１００）を用い、上述のように単結晶ダイヤモンド１０の主面１０ａ内に複数の測定領域Ｍ（１ｍｍ×１ｍｍ）を設定して測定を行った（図２参照）。また、サンプル（単結晶ダイヤモンド）中において２０μｍ×２０μｍの情報を得ることができるように、レンズを用いて上記測定装置を調整した。なお、上記測定装置では、３種類の波長（５２３ｎｍ、５４３ｎｍ、５７５ｎｍ）を用いて、０～３０００ｎｍの位相差の範囲で測定することが可能である。
　（切削加工後の欠けの発生、ワークの面粗さおよびバリの発生の調査）
　上記実施例１～６および比較例１～３の単結晶ダイヤモンド、ならびに多結晶ダイヤモンド（Ｄ１０００）および高圧合成ダイヤモンドの各々をカッター刃に用いて被削材（ワーク）の切削加工を行い、その際の欠けの発生の有無を調査した。カッターには、住友電工ハードメタル株式会社製のＲＦ４０８０Ｒを用いた。ワイパーチップには、住友電工ハードメタル株式会社製のＳＮＥＷ１２０４ＡＤＦＲ－ＷＳを用いた。旋盤には、株式会社森精機社製のＮＶ５０００を用いた。切削速度は、２０００ｍ／ｍｉｎとした。切込みは、０．０５ｍｍとした。送りは、０．０５ｍｍ／刃、０．１ｍｍ／刃、または０．１５ｍｍ／刃とした。ワークには、アルミ材（Ａ５０５２）を用いた。上記条件によりワークの切削加工を行った後、ダイヤモンドの欠けの発生の有無を調査した。また、各々の送り（ｍｍ／刃）条件について、ワークの面粗さ（μｍ）およびバリの発生の有無も調査した。
　（刃先研磨加工時の欠けの発生の調査）
　上記実施例１～６および比較例１～３の単結晶ダイヤモンドについて、バイト工具用の刃先出しのための研磨加工を行った。そして、加工後に２ｍｍの長さに亘り観察した場合の欠け（チッピング）の数を調査した。なお、調査対象は、５μｍ以上の大きさの欠けとした。
　上記実験結果を表１および２、ならびに図１２～１４に示す。表１は、位相差測定の結果、刃席研磨加工時の欠け発生の調査結果、および切削加工後の欠け発生の調査結果を示している。また、表２は、切削加工後のバリ発生の調査結果を示している。また、図１２および図１３は、それぞれ実施例１～６および比較例１～３の単結晶ダイヤモンドの複屈折写真を示している。また、図１４は、送り（ｍｍ／刃）とワークの面粗さ（μｍ）との関係を示すグラフであり、横軸は送り（ｍｍ／刃）を示し、縦軸はワークの面粗さ（μｍ）を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　（位相差の測定）
　位相差の測定結果について説明する。図１２および図１３の位相差分布写真において、位相差が大きい領域（欠陥部が導入された領域）は白く観察され、一方で位相差が小さい領域は黒く観察された。図１２および図１３から明らかなように、実施例１～６では、位相差分布写真において白く観察される領域が面内に広く形成されていたのに対し（図１２）、比較例１～３では白く観察される領域がほぼ形成されていなかった（図１３）。また、表１から明らかなように、実施例１～６では位相差の平均値の最大がいずれも３０ｎｍ以上となったのに対し、比較例１～３ではいずれも３０ｎｍ未満であった。また、位相差は５４３ｎｍの波長を用いて測定されており、位相差の最大値は２０００ｎｍ以下であった。この結果より、単結晶基板の表面における高低差Ｈを１５ｎｍ以上とし、かつ溝２１同士の間隔Ｌを１０μｍを超え１００μｍ以下に設定することにより、当該単結晶基板上に形成される単結晶ダイヤモンドにおける位相差の平均値の最大が３０ｎｍ以上になることが分かった。
　（切削加工後の欠け発生の調査）
　切削加工後の欠け発生の調査結果について説明する。表１を参照して、送りを０．１５ｍｍ／刃とした場合には、実施例１～６では切削加工後の欠けの発生が見られなかったのに対して、比較例１～３では欠けの発生が見られた。この結果より、単結晶ダイヤモンドにおける位相差の平均値の最大を３０ｎｍ以上とすることにより、欠けの発生が抑制されることが分かった。
　（切削加工後のワークの面粗さの調査）
　切削加工後のワークの面粗さの調査結果について説明する。図１４を参照して、多結晶ダイヤモンドでは、送り（ｍｍ／刃）が大きくなるのに伴いワークの面粗さが大きくなったのに対して、実施例１～６の単結晶ダイヤモンドでは送りが０．１５ｍｍ／刃の時にワークの面粗さが大きく低下した。また、比較例１～３の単結晶ダイヤモンドでは、上述のように送りが０．１５ｍｍ／刃の時に欠けが発生した。
　（切削加工後のバリ発生の調査）
　切削加工後のバリ発生の調査結果について説明する。表２を参照して、多結晶ダイヤモンドでは切削加工後にワークにバリの発生が見られたのに対して、高圧合成ダイヤモンド、実施例１～６および比較例１～３の単結晶ダイヤモンドでは、いずれもバリの発生が見られなかった。
　（刃先研磨加工時の欠けの発生の調査）
　刃先研磨加工時の欠け（チッピング）の発生の調査結果について説明する。表１を参照して、実施例１～６ではチッピングの発生数が０個であったのに対して、比較例１～３では３個以上のチッピングが見られた。この結果より、単結晶ダイヤモンドにおける位相差の平均値の最大を３０ｎｍ以上とすることにより、欠けの発生が抑制されることが分かった。
　今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　本発明の単結晶ダイヤモンドおよびダイヤモンド工具は、欠けの発生を抑制することが要求される単結晶ダイヤモンドおよび耐久性の向上が要求されるダイヤモンド工具において、特に有利に適用され得る。
　１　ダイヤモンドバイト、２　台金、３　ろう付け層、４　メタライズ層、１０　単結晶ダイヤモンド、１０ａ　主面、１０ｂ　すくい面、１０ｃ　逃げ面、１０ｄ　切れ刃、１１　欠陥部、２０　単結晶基板、２０ａ　表面、２０ｂ　側面、２１　溝、２２　導電層、２３　エピタキシャル成長層、Ｈ　高低差、Ｌ　間隔、Ｍ　測定領域、Ｐ１　第１のピーク、Ｐ２　第２のピーク。

Claims (9)

  1. 　欠陥部が導入された単結晶ダイヤモンドであって、
    　前記欠陥部は、前記単結晶ダイヤモンドに円偏光を照射した場合に発生する位相差により検出可能であり、
    　１辺の長さが１ｍｍである正方形状を有する測定領域内で測定された前記位相差の平均値の最大が３０ｎｍ以上である、単結晶ダイヤモンド。
  2. 　前記測定領域内で測定された前記位相差の標準偏差が３０ｎｍ以上である、請求項１に記載の単結晶ダイヤモンド。
  3. 　前記測定領域内で測定された前記位相差の度数分布では、複数のピークが存在する、請求項１または２に記載の単結晶ダイヤモンド。
  4. 　前記測定領域内で測定された前記位相差の度数分布では、前記位相差の平均値よりも小さい値において存在する第１のピークと、前記位相差の平均値よりも大きい値において存在する第２のピークとが存在する、請求項３に記載の単結晶ダイヤモンド。
  5. 　前記欠陥部が直線状に並んで導入されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド。
  6. 　前記欠陥部が円弧状に並んで導入されている、請求項１～５のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド。
  7. 　気相合成法により形成されている、請求項１～６のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド。
  8. 　ダイヤモンド工具に用いられる、請求項１～７のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド。
  9. 　請求項１～８のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンドを備える、ダイヤモンド工具。
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