WO2017069051A1 - 単結晶ダイヤモンド、これを用いた工具及び単結晶ダイヤモンドの製造方法 - Google Patents

単結晶ダイヤモンド、これを用いた工具及び単結晶ダイヤモンドの製造方法 Download PDF

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crystal diamond
impurity concentration
tool
main surface
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西林　良樹
夏生 辰巳
拓也 野原
小林　豊
暁彦 植田
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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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    • C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure

Definitions

  • the present invention relates to single crystal diamond, a tool using the same, and a method for producing single crystal diamond.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2015-205482, which is a Japanese patent application filed on October 19, 2015. All the descriptions described in the Japanese patent application are incorporated herein by reference.
  • Single crystal diamond has excellent performance such as high hardness, high thermal conductivity, and high light transmission, so various products such as cutting tools, grinding tools, anti-wear tools, optical components, semiconductors, electronic components, etc. (Hereinafter also referred to as “diamond products”). Examples of the single crystal diamond used in such a diamond product include natural diamond and synthetic diamond. Natural diamonds vary widely in quality and supply is not stable, so synthetic diamonds are also used today.
  • HPHT high temperature high pressure synthesis method
  • CVD chemical vapor deposition
  • a hot filament CVD (Chemical Vapor Deposition) method a microwave excitation plasma CVD method
  • a DC plasma CVD method a chemical vapor deposition method
  • single crystal diamond can be obtained by growing single crystal diamond (epitaxial growth layer) on the surface of the substrate and then separating the substrate and single crystal diamond.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2013-35723
  • at least one layered conductive layer obtained by a vapor phase synthesis method is formed substantially parallel to the main surface, and the conductive layer is insulated.
  • a single crystal diamond which is formed inside a single crystal diamond and the conductive layer penetrates to the side surface of the single crystal diamond and a tool using the same.
  • a single crystal diamond according to one embodiment of the present invention is a single crystal diamond that includes a pair of opposing main surfaces, and the impurity concentration of the main surface varies along a first direction.
  • a tool according to an aspect of the present invention is a tool including the single crystal diamond of (1) above.
  • a method for producing a single crystal diamond according to one embodiment of the present invention is the method for producing a single crystal diamond according to (1) above, wherein the impurity concentration changes along the crystal growth direction by a vapor phase synthesis method.
  • a method for producing single crystal diamond comprising: obtaining a synthetic single crystal diamond; and cutting the synthetic single crystal diamond in a direction in which the impurity concentration changes.
  • FIG. 1A is a plan view of single-crystal diamond in Embodiment 1.
  • FIG. 1B is a perspective view of single crystal diamond in the first exemplary embodiment.
  • FIG. 2 is a graph showing the impurity concentration in the main surface of the single crystal diamond of FIGS. 1A and 1B.
  • FIG. 3A is an example of the method for producing single-crystal diamond according to Embodiment 1, and is a diagram illustrating one process thereof.
  • FIG. 3B is an example of the method for producing single-crystal diamond of Embodiment 1, and is a diagram showing a process different from the above.
  • FIG. 3C is an example of the method for producing single-crystal diamond of Embodiment 1, and is a diagram showing a process different from the above.
  • FIG. 3A is a plan view of single-crystal diamond in Embodiment 1.
  • FIG. 1B is a perspective view of single crystal diamond in the first exemplary embodiment.
  • FIG. 2 is a graph showing the im
  • FIG. 4A is a plan view of single crystal diamond in the second exemplary embodiment.
  • FIG. 4B is a perspective view of the single crystal diamond in the second exemplary embodiment.
  • FIG. 5 is a graph showing the impurity concentration in the main surface of the single crystal diamond of FIGS. 4A and 4B.
  • FIG. 6A is an example of the method for producing single-crystal diamond of Embodiment 2, and is a diagram showing one step thereof.
  • FIG. 6B is an example of the method for producing single-crystal diamond of Embodiment 2, and is a diagram showing a process different from the above.
  • FIG. 6C is an example of the method for producing single-crystal diamond of Embodiment 2, and is a diagram showing a step different from the above.
  • FIG. 6A is an example of the method for producing single-crystal diamond of Embodiment 2, and is a diagram showing one step thereof.
  • FIG. 6B is an example of the method for producing single-crystal diamond of Embodiment
  • FIG. 7A is a diagram illustrating a cutting tool according to the third embodiment.
  • FIG. 7B is a diagram for explaining the cutting bit according to the third embodiment after cutting the work material 5.
  • FIG. 7C is a diagram for explaining the cutting tool according to Embodiment 3 in which the angle of the flank 9 with respect to the rake face 8 is 55 ° or greater and 90 ° or less.
  • FIG. 7D is a top view of the cutting tool according to the third embodiment.
  • FIG. 8A is a diagram illustrating a cutting tool according to the fourth embodiment.
  • FIG. 8B is a diagram for explaining the cutting bit according to the fourth embodiment after cutting the work material 5.
  • FIG. 8A is a diagram illustrating a cutting tool according to the fourth embodiment.
  • FIG. 8B is a diagram for explaining the cutting bit according to the fourth embodiment after cutting the work material 5.
  • FIG. 8C is a diagram for explaining the cutting tool according to the fourth embodiment in which the angle of the flank 9 with respect to the rake face 8 is 55 ° or more and 90 ° or less.
  • FIG. 8D is a top view of the cutting tool according to the fourth embodiment.
  • FIG. 9A is a diagram for explaining a drawing die according to the fifth embodiment.
  • FIG. 9B is a diagram illustrating the wire drawing die of the fifth embodiment after being used for wire drawing.
  • FIG. 9C is a diagram for explaining a drawing die of the fifth embodiment in which a region having an impurity concentration [1] and a region having an impurity concentration [2] are shown.
  • FIG. 10A is an example of a method for producing single-crystal diamond in samples 50, 51, 60, and 61, and is a diagram showing one process thereof.
  • FIG. 10B is an example of a method for producing single-crystal diamond in samples 50, 51, 60, 61, and is a diagram showing a process different from the above.
  • a boron doped layer or an ion implanted layer is formed as a conductive layer in single crystal diamond.
  • the side surface on which the conductive layer capable of electrical contact with the external member of the single crystal diamond is exposed is arranged to be the flank of the tool. Since the single crystal diamond layer and the conductive layer have different impurity concentrations, the crystallinity is different, and thus the hardness and wear rate are also different. Therefore, the tool using the single crystal diamond has a problem that the flank surface is unevenly worn with use, so that the work material is damaged and the work surface of the work material is not uniform.
  • an object of the present invention is to provide a single crystal diamond in which uneven wear of the tool is suppressed when used as a tool material, a tool using the same, and a method for producing the single crystal diamond.
  • the single crystal diamond according to one embodiment of the present invention is a single crystal diamond having a pair of main surfaces facing each other, the impurity concentration of the main surface changing along a first direction.
  • the impurity concentration is substantially uniform on the main surface along a second direction orthogonal to the first direction.
  • the substantially uniform impurity concentration means that the concentration range is within a range of ⁇ 20% to + 20% from the average value. According to this, when used as a tool material, it is possible to obtain a single crystal diamond capable of effectively suppressing uneven wear of the tool.
  • the first direction and the second direction have different crystal orientations. According to this, when used as a tool material, it is possible to obtain a single crystal diamond capable of effectively suppressing uneven wear of the tool. Among them, it is more preferable that the direction with the largest wear rate or the direction with the smallest wear rate coincides with the first direction among the orientations in the main surface. Furthermore, it is preferable that the direction with the largest wear rate and the direction with the smallest wear rate are orthogonal among the orientations in the main surface, and any one of them coincides with the first direction.
  • the impurity concentration is preferably 10 ppb or more and 10,000 ppm or less.
  • the impurity concentration is less than 10 ppb, cracks are likely to propagate, a sufficient crack propagation suppressing effect cannot be obtained, and the fracture resistance is lowered.
  • the impurity concentration exceeds 10,000 ppm, the wear resistance is remarkably lowered.
  • the impurity concentration has periodicity along the first direction, and the distance of one period on the main surface is 0.1 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less. According to this, a single crystal diamond having improved wear resistance and fracture resistance in a well-balanced manner can be obtained.
  • the periodicity indicates that a layer having a high impurity concentration and a layer having a low impurity concentration are repeated, and is not a limitation that the lengths of the respective periods are all constant. For example, the length of the period may change in the middle of a plurality of consecutive periods.
  • the periodicity may be based not on the end portion of the main surface but on the inner side with a predetermined interval from the end portion, or on the inner side with a predetermined interval from the end portion.
  • the impurity concentration only needs to have periodicity in at least a portion along the first direction on the main surface. This is because a suitable pattern varies depending on the use of single crystal diamond.
  • each period is the same length, and a layer having a high impurity concentration and a layer having a low concentration are repeated at the same interval.
  • each period has the same length means “impurity concentration reaches a predetermined high concentration again from a predetermined high concentration location through a low concentration location along the first direction. It means that “one cycle” corresponding to “distance to” is the same length.
  • the same interval between the high-concentration layer and the low-concentration layer means that the width of the high-concentration layer and the low-concentration layer have the same length along the first direction. It means that. According to this, single crystal diamond can be suitably applied to various uses. It is preferable that the impurity concentration does not change sharply at the boundary between the high impurity concentration layer and the low impurity concentration layer. This is because the tool performance is superior when the wear rate does not change sharply in the applied tool.
  • the impurity concentration preferably has central symmetry along the first direction. According to this, single crystal diamond can be suitably applied to various uses.
  • the single crystal diamond has an ion implantation layer on a side surface along the second direction. According to this, it is possible to obtain single crystal diamond having a reduced impurity concentration with the distance from the ion implantation layer.
  • the angle of the side surface with respect to the main surface is preferably 55 ° or more and 125 ° or less.
  • the impurity concentration on the side surface can be made substantially uniform.
  • the substantially uniform impurity concentration means that the concentration range is within a range of ⁇ 20% to + 20% from the average value.
  • the impurity includes at least one element selected from the group consisting of nitrogen, boron, aluminum, silicon, phosphorus, and sulfur.
  • the crystallinity of the single crystal diamond is changed, the propagation of cracks can be suppressed, and the fracture resistance is improved.
  • a tool according to an aspect of the present invention is a tool including the single crystal diamond according to any one of the above [1] to [9].
  • the tool according to one embodiment of the present invention has a well-balanced improvement in wear resistance and fracture resistance, and has an excellent tool life.
  • the tool is a cutting bit, and the amount of change in the impurity concentration of the single crystal diamond on the flank face of the cutting bit is smaller than the amount of change in the impurity concentration of the single crystal diamond on the rake face of the cutting bit. It is preferable. According to this, since uneven wear of the cutting tool can be suppressed, the work material can be processed uniformly.
  • the tool is a cutting tool, and the rake face of the cutting tool has a relationship in which a difference in wear rate resulting from a difference in surface orientation and a difference in wear rate resulting from a difference in impurity concentration cancel each other. It is preferable. Since the cutting tool is a tool having a curved surface in a cutting part or a wear part, a difference in surface orientation occurs in these parts. Therefore, in these parts, uneven wear usually occurs with the use of the tool. According to one embodiment of the present invention, in these portions, the difference in level of impurity concentration is formed so as to offset the difference in wear rate resulting from the difference in surface orientation, thereby reducing uneven wear. Can do.
  • the tool is a drawing die, and a hole is formed through the pair of opposing main surfaces along a direction perpendicular to the main surface of the single crystal diamond. According to this, since uneven wear of the drawing dies can be suppressed, the work material can be processed uniformly.
  • the tool is a drawing die, and in a direction parallel to the main surface of the single crystal diamond, there is a difference in wear rate due to a difference in surface orientation and a difference in wear rate due to a difference in impurity concentration. It is preferable to have a canceling relationship. Since the drawing die is a tool having a curved surface at a cutting part or a worn part, a difference in surface orientation occurs at these parts. Therefore, in these parts, uneven wear usually occurs with the use of the tool. According to one embodiment of the present invention, in these portions, the difference in level of impurity concentration is formed so as to offset the difference in wear rate resulting from the difference in surface orientation, thereby reducing uneven wear. Can do.
  • a method for producing a single crystal diamond according to an aspect of the present invention is the method for producing a single crystal diamond according to any one of [1] to [9] above, wherein crystal growth is performed by a vapor phase synthesis method.
  • a method for producing single crystal diamond comprising: obtaining a single crystal diamond whose impurity concentration changes along a direction; and cutting the single crystal diamond in a direction where the impurity concentration changes.
  • single crystal diamond capable of processing a work material more uniformly when used as a tool material can be obtained.
  • FIG. 1A, FIG. 1B, and FIG. 1A and 1B are a plan view and a perspective view of a single crystal diamond in Embodiment 1, respectively.
  • FIG. 2 is a graph showing the impurity concentration in the main surface of the single crystal diamond of FIGS. 1A and 1B.
  • the plan view is a view seen from above the main surface of the single crystal diamond.
  • the main surface means the surface having the largest area among the surfaces constituting the surface of the single crystal diamond.
  • the single crystal diamond 10 has a pair of main surfaces facing each other.
  • the impurity high concentration region 1 extending in a band shape along a second direction (Y axis direction) orthogonal to the first direction (X axis direction), and a band shape along the second direction
  • the impurity low-concentration regions 2 extending in the direction are alternately arranged adjacent to each other.
  • 1A and 1B show the case where the shape of the single crystal diamond 10 is a rectangular parallelepiped, but the shape of the single crystal diamond 10 is not particularly limited as long as it has a pair of opposing main surfaces. In FIG. 1A and FIG.
  • a plurality of high impurity concentration regions 1 and a plurality of low impurity concentration regions 2 are arranged, but the number of each region is not particularly limited as long as they are alternately arranged.
  • One high impurity concentration region 1 and one low impurity concentration region 2 may be provided.
  • the high impurity concentration region 1 and the low impurity concentration region 2 extending in a strip shape have a length (width) along the first direction (X-axis direction) of 1 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m, respectively.
  • the following is preferable, and 5 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less is more preferable.
  • the range of the length is matched with the curvature of the curved surface formed on the wear surface of the tool using single crystal diamond. Therefore, the tool using such a single crystal diamond can suppress the occurrence of uneven wear rate (uneven wear) due to the difference in surface orientation in a specific portion of the wear surface.
  • the width of the high impurity concentration region 1 and the width of the low impurity concentration region 2 may be the same or different.
  • FIG. 2 is a graph showing an example of a change in impurity concentration along the first direction (X-axis direction) on the main surface of the single crystal diamond 10 of FIGS. 1A and 1B.
  • the distance along the first direction means the distance along the first direction from the left side surface along the second direction of the single crystal diamond 10 of FIGS. 1A and 1B.
  • the impurity concentration changes along the first direction on the main surface. Specifically, along the first direction, regions where the impurity concentration is higher than the predetermined concentration P1 and regions where the impurity concentration is lower appear alternately with a certain periodicity.
  • FIG. 2 is a graph showing an example of a change in impurity concentration along the first direction (X-axis direction) on the main surface of the single crystal diamond 10 of FIGS. 1A and 1B.
  • the distance along the first direction means the distance along the first direction from the left side surface along the second direction of the single crystal diamond 10 of FIGS. 1A and 1B.
  • the impurity concentration changes along the first
  • the region where the impurity concentration is equal to or higher than the predetermined concentration P1 corresponds to the high impurity concentration region 1 in FIGS. 1A and 1B, and the region where the impurity concentration is lower than the predetermined concentration P1 is the low impurity concentration in FIGS. 1A and 1B.
  • the predetermined concentration P1 is in a range of 10 ppb or more and 10000 ppm or less, and is an intermediate value between the maximum value of the high impurity concentration region and the minimum value of the low impurity concentration region.
  • the high impurity concentration region is a region where the impurity concentration is from the maximum value to 60% of the maximum value, and the width is in the range of 0.5 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the low impurity concentration region is a region where the impurity concentration is less than 60% of the maximum value.
  • the value of P1 is located almost at the boundary between the high impurity concentration region and the low impurity concentration region, but when the minimum value of the low impurity concentration region is less than 20% of the maximum value of the high impurity concentration region, the P1 value is It will be located in the low concentration region.
  • the impurity concentration on the main surface of the single crystal diamond 10 is a value measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS).
  • SIMS secondary ion mass spectrometry
  • Cs + is used as a primary ion
  • an acceleration voltage is 15 kV
  • a detection region is 35 ⁇ m ⁇
  • a concentration at a place where 0.5 ⁇ m is sputtered from the sample outermost surface is obtained.
  • the concentration is determined by comparison with a separately prepared standard sample (a diamond single crystal with a known impurity concentration produced by ion implantation). If the impurity concentration is small, the measured value may deviate from the true value due to the accuracy of the instrument. In order to obtain a more accurate value, it is necessary to measure at a depth of up to 0.5 ⁇ m at at least three points located at a distance of at least 100 ⁇ m from each other and take an average of these values (depth and position). preferable.
  • the impurity concentration along the second direction (Y-axis direction) perpendicular to the first direction (X-axis direction) is substantially uniform on the main surface of the single crystal diamond 10.
  • the substantially uniform impurity concentration means that the concentration range is within a range of ⁇ 20% to + 20% from the average value.
  • the impurity concentration along the depth direction, which is perpendicular to the main surface is substantially uniform.
  • the substantially uniform impurity concentration means that the concentration range is within a range of ⁇ 20% to + 20% from the average value.
  • the surface with the substantially uniform impurity concentration described above may or may not be the same as the crystal growth surface.
  • a surface with a substantially uniform impurity concentration may be inclined with respect to the growth surface.
  • the main surface of the single crystal diamond 10 and the surface having a substantially uniform impurity concentration are preferably substantially perpendicular, but may be inclined within a range of ⁇ 35 ° from the perpendicular.
  • the flank face is inclined with respect to the rake face.
  • the surface having a substantially uniform impurity concentration escapes when the main surface is a rake face. It can be a surface.
  • the impurity concentration is preferably 10 ppb or more and 10,000 ppm or less. If the impurity concentration is less than 10 ppb, cracks are likely to propagate, a sufficient crack propagation suppressing effect cannot be obtained, and the fracture resistance is lowered. On the other hand, when the impurity concentration exceeds 10,000 ppm, the wear resistance is remarkably lowered.
  • the impurity concentration is more preferably from 100 ppb to 1000 ppm, and further preferably from 500 ppb to 100 ppm.
  • the maximum value of the impurity concentration is preferably 1 ppm or more and 10,000 ppm or less, and more preferably 5 ppm or more and 1000 ppm or less.
  • the minimum value of the impurity concentration is preferably 10 ppb or more and 100 ppm or less, and more preferably 100 ppb or more and 50 ppm or less.
  • the ratio (minimum value / maximum value) between the maximum value and the minimum value of the impurity concentration is preferably 10 ⁇ 6 or more and less than 0.8, and more preferably 10 ⁇ 4 or more and 0.5 or less.
  • the impurity concentration has periodicity along the first direction, and the distance of one cycle in the main surface is preferably 2 ⁇ m or more and 2000 ⁇ m or less, more preferably 10 ⁇ m or more and 600 ⁇ m or less.
  • the distance of one period on the main surface is the sum of the distances (widths) in the X-axis direction between a pair of adjacent high impurity concentration regions 1 and low impurity concentration regions 2 in FIGS. 1A and 1B. It corresponds to.
  • the number of periods in the single crystal diamond 10 is at least one, the effect of reducing uneven wear can be obtained.
  • the number of periods is represented by n + 0.5 (n represents an integer) (for example, 1.5, 2.5, etc.).
  • n represents an integer
  • the impurity concentration can be arranged symmetrically about the line passing through the center of the main surface. It is.
  • only the central portion of the main surface may be a high impurity concentration region or a low impurity concentration region. This case is suitable for use in a tool for making a hole in the center (a drilling tool such as a drawing die).
  • the impurities present on the main surface of the single crystal diamond 10 preferably contain at least one element selected from the group consisting of nitrogen, boron, aluminum, silicon, phosphorus and sulfur.
  • an impurity contains at least any one of nitrogen and boron.
  • the impurity has a smaller ratio of impurities mixed in with carbon and substitution type, and the ratio is, for example, preferably 20% or less, and more preferably 10% or less. According to this, the mechanical characteristics as a tool (characteristic that it is hard and hard to chip) are good.
  • the ratio of substitutional impurities is the value measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS) (total impurity concentration) and the value measured by electron spin resonance (ESR) (substitution resonance). (Concentration of mold).
  • the plane orientation of the direction in which the impurity concentration is substantially uniform and the direction in which the impurity concentration changes are different. More preferably, the direction with the smallest wear rate matches the direction in which the impurity concentration is substantially uniform or the direction in which the impurity concentration changes.
  • the wear rate varies depending on the plane orientation and impurity concentration. Therefore, by appropriately combining the difference in wear rate resulting from the difference in surface orientation and the difference in wear rate resulting from the difference in impurity concentration, the difference in wear rate (uneven wear) can be offset.
  • a layer with a low impurity concentration (generally a low impurity concentration layer is difficult to wear, so the low impurity concentration layer) is centered on the hole, and an impurity concentration layer (high impurity concentration layer) that is easily worn at the end of the hole. It is preferable to contact or overlap. In the case of producing a cutting tool, it is preferable that the tip of the cutting tool is in contact with or overlaps an impurity concentration layer (impurity high concentration layer) that is easily worn.
  • Impurity-concentrated layers generally low-impurity layers are difficult to wear, so high-impurity layers are centered on the holes), and impurity-concentrated layers (low-impurity layers are hard to wear)
  • the layer is preferably in contact with or overlapping.
  • the tip of the cutting tool is in contact with or overlaps an impurity concentration layer (impurity low concentration layer) that is difficult to wear.
  • FIGS. 3A to 3C are diagrams showing an example of the method for producing single crystal diamond according to the first embodiment.
  • the method for producing single crystal diamond includes a step of obtaining a synthetic single crystal diamond in which the impurity concentration varies along the crystal growth direction by a vapor phase synthesis method; Cutting in the direction of changing.
  • a single crystal diamond substrate 4 is prepared.
  • the single crystal diamond substrate 4 for example, a single crystal substrate (type: Ib) having a flat plate shape and made of diamond manufactured by a high temperature high pressure synthesis method can be used.
  • Single-crystal diamond substrate 4 has a main surface made of (100) plane and side surfaces made of (001) plane and (010) plane perpendicular to the main surface.
  • the shape of the single crystal diamond substrate 4 is not particularly limited, and can be a desired shape. Further, it is preferable that the surface of the main surface of the diamond single crystal substrate is smoothed by mechanical polishing or the like and etched by about 1 ⁇ m to 50 ⁇ m by reactive ion etching.
  • the single crystal diamond substrate 4 is placed in the chamber of the CVD apparatus, and a synthetic single crystal diamond whose impurity concentration varies along the crystal growth direction is obtained by a vapor phase synthesis method (FIG. 3B).
  • synthetic single crystal diamond is epitaxially grown on the main surface of the single crystal diamond substrate 4 by a CVD method while introducing a gas containing carbon into the chamber.
  • the carbon in the gas becomes the carbon source for the synthetic single crystal diamond.
  • the gas containing carbon for example, CH 4 , C 2 H 6 , C 2 H 4 , C 2 H 2 , CH 3 OH, C 2 H 5 OH, (CH 3 ) 2 CO, or the like can be used.
  • CO and CO 2 can also be used.
  • CH 4 because carbon radicals that are precursors for diamond film formation are easily generated.
  • nitrogen can be introduced into the chamber by introducing nitrogen gas into the chamber simultaneously with the gas containing carbon.
  • the concentration of impurity nitrogen in the synthetic single crystal diamond can be changed along the crystal growth direction.
  • the impurity concentration can be changed along the growth direction by changing the total pressure, input power, substrate temperature, and the like.
  • diborane gas B 2 H 6
  • trimethylaluminum (CH 3 ) 3 Al)
  • silane gas SiH 4
  • Phosphine gas PH 3
  • hydrogen sulfide H 2 S
  • organic gases can be used.
  • the pressure in the chamber is controlled to, for example, 6.6 kPa to 26.6 kPa, microwave power is introduced, and the chamber temperature is heated to 800 ° C. to 1200 ° C.
  • Synthetic single crystal diamond is epitaxially grown on the main surface of the diamond substrate 4.
  • a microwave plasma CVD method MP-CVD method
  • a hot filament (HF) CVD method a DC plasma method, or the like can be used.
  • the synthetic single crystal diamond is cut in the direction in which the impurity concentration changes.
  • cutting in the direction in which the impurity concentration changes means cutting so as to cross the surfaces having a uniform impurity concentration. This is not limited to cutting in a direction perpendicular to a surface with a substantially uniform impurity concentration, but cutting at a predetermined angle (for example, ⁇ 35 °) with respect to a surface with a substantially uniform impurity concentration. Including. This is because, depending on the use of the single crystal diamond, it may be convenient for the plane having a substantially uniform impurity concentration and the cut plane to intersect at an angle other than perpendicular.
  • the synthetic single crystal diamond can be cut by laser cutting.
  • the synthetic single crystal diamond and the diamond single crystal substrate 4 are separated using a laser to obtain single crystal diamond.
  • a laser it can also be separated by electrochemical etching.
  • the obtained single crystal diamond has as its main surface a plane substantially parallel to the crystal growth direction of the synthetic single crystal diamond. Therefore, in this case, in the single crystal diamond, the impurity concentration changes along the crystal growth direction on the main surface.
  • Another method for producing the single crystal diamond according to the first embodiment will be described. This method is the same as the method described above except for the method of changing the impurity concentration.
  • a method for changing the impurity concentration will be described.
  • the main surface of the diamond single crystal substrate is flat, and the direction of change in impurity concentration is perpendicular to the growth surface.
  • the direction of change in the impurity concentration is not necessarily the direction perpendicular to the growth surface by performing special processing on the substrate.
  • an off-angle substrate is prepared as a diamond single crystal substrate.
  • One or more line-shaped protrusions are formed on the main surface of the substrate.
  • the height of the protrusion is preferably 10 ⁇ m or less.
  • the aspect ratio (height / width) of the protrusion is preferably 1 or less.
  • the protrusion interval (adjacent interval) is preferably larger than the protrusion height.
  • FIG. 4A and 4B are a plan view and a perspective view, respectively, of the single crystal diamond in the second embodiment.
  • FIG. 5 is a graph showing the impurity concentration in the main surface of the single crystal diamond of FIGS. 4A and 4B.
  • the plan view is a view seen from above the main surface of the single crystal diamond.
  • the single crystal diamond 20 has a rectangular parallelepiped shape having a pair of opposing main surfaces.
  • an ion implantation layer 3 On the main surface, an ion implantation layer 3, a high impurity concentration region 1, and a low impurity concentration region 2 extending in a strip shape along the Y-axis direction are arranged adjacent to each other in the order described above.
  • the ion implantation layer 3 is located at one end of the single crystal diamond 20 in the X-axis direction and is disposed along one side surface substantially parallel to the Y-axis direction.
  • FIG. 5 is a graph showing an example of a change in impurity concentration along the first direction (X-axis direction) on the main surface of the single crystal diamond 20 of FIGS. 4A and 4B.
  • the distance along the first direction means the distance along the first direction from the side surface where the ion-implanted layer 3 of the single crystal diamond 20 of FIGS. 4A and 4B exists.
  • the impurity concentration changes along the first direction on the main surface. Specifically, the impurity concentration gradually decreases from the ion implantation layer 3 existing on the side surface of the diamond single crystal 20 toward the low impurity concentration region 2 along the first direction.
  • FIG. 5 is a graph showing an example of a change in impurity concentration along the first direction (X-axis direction) on the main surface of the single crystal diamond 20 of FIGS. 4A and 4B.
  • the distance along the first direction means the distance along the first direction from the side surface where the ion-implanted layer 3 of the single crystal diamond 20 of FIGS. 4A and
  • the region where the impurity concentration is equal to or higher than the predetermined concentration P2 corresponds to the ion implantation layer 3 and the high impurity concentration region 1 in FIGS. 4A and 4B, and the region where the impurity concentration is lower than the predetermined concentration P2 is This corresponds to the low impurity concentration region 2 in FIG. 4B.
  • the predetermined concentration P2 is in the range of 10 ppb or more and 10,000 ppm or less, and is an intermediate value between the maximum value of the high impurity concentration region and the minimum value of the low impurity concentration region.
  • the high impurity concentration region is a region where the impurity concentration is from the maximum value to 60% of the maximum value, and the width is in the range of 0.5 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the low impurity concentration region is a region where the impurity concentration is less than 60% of the maximum value.
  • the value of P2 is located almost at the boundary between the high impurity concentration region and the low impurity concentration region, but when the minimum value of the low impurity concentration region is less than 20% of the maximum value of the high impurity concentration region, the P2 value is It will be located in the low concentration region.
  • the ions contained in the ion implantation layer 3 are preferably at least one selected from the group consisting of carbon ions, boron ions, nitrogen ions, argon ions, phosphorus ions, silicon ions, and sulfide ions. This is because, when a synthetic single crystal diamond is grown on the ion-implanted layer, these ions are likely to be mixed into the synthetic single crystal diamond and easily form an impurity concentration gradient.
  • the ion species for ion implantation and the ion species having a concentration gradient in diamond may be the same or different.
  • ions are implanted into a substrate in a predetermined amount (preferably a dose amount of 3 ⁇ 10 16 cm ⁇ 2 ) or more.
  • the single crystal diamond is synthesized while the substrate is slightly etched as an initial state at the time of synthesis. At that time, implanted ions in the substrate are released into the atmosphere.
  • single crystal diamond is formed while some of the implanted ions in the atmosphere are taken in. As time elapses, new diamond is formed on the substrate, so that implanted ions in the substrate are not released into the atmosphere, and the amount of implanted ions in the atmosphere gradually decreases. Therefore, the number of implanted ions taken into the single crystal diamond gradually decreases. Thereby, a concentration gradient of impurities is formed in the synthetic single crystal diamond.
  • an impurity element is included in or around the atmosphere when single-crystal diamond is synthesized.
  • a trace gas may be introduced, or a solid raw material may be placed on the holder.
  • a graphite layer is formed on the substrate by ion implantation for later electrochemical separation.
  • the ion species to be ion-implanted is not limited, but carbon ions, boron ions, nitrogen ions, argon ions, phosphorus ions, silicon ions, sulfide ions and the like are preferable. Especially, since a graphite layer is formed, a carbon ion is more preferable.
  • the substrate When synthesizing single crystal diamond, it is preferable not to etch the substrate in the initial stage. Crystals are disordered on the surface of the substrate into which ions have been implanted, and diamond synthesized on the surface is synthesized with crystal fluctuations and single crystal diamonds with many defects. As the crystal is synthesized, the fluctuation of the crystal is reduced, and single crystal diamond with good crystallinity is gradually formed.
  • the crystal element has many crystal fluctuations, and an impurity element is likely to be mixed in a crystal having many defects. When the crystal fluctuation is eliminated, the impurity element is reduced. Thereby, a concentration gradient of impurities is formed in the synthetic single crystal diamond.
  • the impurity concentration along the second direction (Y-axis direction) orthogonal to the first direction (X-axis direction) is substantially uniform on the main surface of the single crystal diamond 20.
  • the substantially uniform impurity concentration means that the concentration range is within a range of ⁇ 20% to + 20% from the average value.
  • the impurity concentration along the depth direction which is perpendicular to the main surface is uniform.
  • the uniform impurity concentration means that the concentration range is within a range of ⁇ 20% to + 20% from the average value.
  • the impurity concentration is preferably 10 ppb or more and 10,000 ppm or less. If the impurity concentration is less than 10 ppb, cracks are likely to propagate, a sufficient crack propagation suppressing effect cannot be obtained, and the fracture resistance is lowered. On the other hand, when the impurity concentration exceeds 10,000 ppm, the wear resistance is remarkably lowered.
  • the impurity concentration is more preferably from 100 ppb to 1000 ppm, and further preferably from 500 ppb to 100 ppm.
  • the impurity concentration is a value measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS).
  • the maximum value of the impurity concentration is preferably 1 ppm or more and 10,000 ppm or less, and more preferably 5 ppm or more and 1000 ppm or less.
  • the minimum value of the impurity concentration is preferably 10 ppb or more and 100 ppm or less, and more preferably 100 ppb or more and 50 ppm or less.
  • the ratio (minimum value / maximum value) between the maximum value and the minimum value of the impurity concentration is preferably 10 ⁇ 6 or more and less than 0.8, and more preferably 10 ⁇ 4 or more and 0.5 or less.
  • the angle of the side surface having the ion implantation layer with respect to the main surface is preferably 55 ° or more and 125 ° or less.
  • the impurity concentration on the side surface can be made uniform.
  • the uniform impurity concentration means that the concentration range is within a range of ⁇ 20% to + 20% from the average value.
  • the impurities present on the main surface of the single crystal diamond 20 preferably contain at least one element selected from the group consisting of nitrogen, boron, aluminum, silicon, phosphorus and sulfur. This is because even if these impurities are mixed in the diamond, the crystallinity of the diamond is not greatly deteriorated, and defects suitable for the tool performance are appropriately generated. Especially, it is preferable that an impurity contains at least any one of nitrogen and boron.
  • FIGS. 6A to 6C are diagrams showing an example of the method for producing single crystal diamond of the second embodiment.
  • the method for producing a single crystal diamond includes a step of obtaining a synthetic single crystal diamond in which an impurity concentration varies along a crystal growth direction by a vapor phase synthesis method, and the crystal growth of the synthetic single crystal diamond. Cutting along the direction.
  • a single crystal diamond substrate 24 including an ion implantation layer 3 at a certain depth from the main surface is prepared.
  • the single crystal diamond substrate 24 has a flat plate shape, for example, and can be produced by performing ion implantation on a single crystal substrate (type: Ib) made of diamond manufactured by a high temperature high pressure synthesis method.
  • the surface 24a of the single crystal diamond substrate 24 maintains the crystallinity of the single crystal substrate before ion implantation to such an extent that it can be epitaxially grown by a vapor phase synthesis method.
  • the implantation energy is preferably 80 keV or more and 10,000 keV or less, and more preferably 180 keV or more and 350 keV or less.
  • the irradiation amount is preferably 3 ⁇ 10 15 pieces / cm 2 or more and 5 ⁇ 10 17 pieces / cm 2 or less, more preferably 1 ⁇ 10 16 pieces / cm 2 or more and 1 ⁇ 10 17 pieces / cm 2 or less.
  • the ion implantation layer 3 is formed inside the substrate 24 while maintaining the crystallinity of the main surface of the substrate 24 to such an extent that the epitaxial growth by the vapor phase synthesis method is possible. Can do.
  • ions to be ion-implanted at least one selected from the group consisting of carbon ions, boron ions, nitrogen ions, argon ions, phosphorus ions, silicon ions and sulfur ions can be used.
  • the diamond single crystal substrate 24 is placed in the chamber of the CVD apparatus, and a synthetic single crystal diamond whose impurity concentration changes along the crystal growth direction is obtained by a vapor phase synthesis method (FIG. 6B). Specifically, synthetic single crystal diamond is epitaxially grown on the main surface of the single crystal diamond substrate 24 by CVD while introducing a gas containing carbon into the chamber.
  • the carbon in the gas becomes the carbon source for the synthetic diamond single crystal.
  • the gas containing carbon for example, CH 4 , C 2 H 6 , C 2 H 4 , C 2 H 2 , CH 3 OH, C 2 H 5 OH, (CH 3 ) 2 CO, or the like can be used.
  • CO and CO 2 can also be used.
  • CH 4 because carbon radicals that are precursors for diamond film formation are easily generated.
  • the pressure in the chamber is controlled to, for example, 6.6 kPa to 26.6 kPa, microwave power is introduced, and the chamber temperature is heated to 800 ° C. to 1200 ° C.
  • Synthetic single crystal diamond is epitaxially grown on the main surface of the diamond substrate 24.
  • a microwave plasma CVD method MP-CVD method
  • a hot filament (HF) CVD method a DC plasma method, or the like can be used.
  • the synthetic single crystal diamond is cut along the crystal growth direction.
  • the synthetic single crystal diamond can be cut by laser cutting.
  • the synthetic single crystal diamond and the single crystal diamond substrate 24 are separated from each other by electrochemically etching the ion implantation layer 3 to obtain single crystal diamond.
  • the obtained single crystal diamond has as its main surface a plane parallel to the crystal growth direction of the synthetic single crystal diamond, and has an ion implantation layer on its side surface. Therefore, the impurity concentration of the single crystal diamond changes along the crystal growth direction on the main surface.
  • FIG. 7A is a diagram illustrating the cutting of the workpiece 5 using the cutting tool 6 of the third embodiment.
  • FIG. 7B is a diagram showing the cutting bit 6 of Embodiment 3 after cutting the work material 5.
  • the cutting tool 6 of the third embodiment is manufactured using the single crystal diamond 10 of the first embodiment.
  • the cutting tool 6 uses the main surface of the single crystal diamond 10 as the rake face 8 of the cutting tool 6, and of the side surfaces of the single crystal diamond 10, the main surface is orthogonal to the first direction (X-axis direction). It is preferable that the side surface parallel to the second direction (Y-axis direction) is made as the flank 9 of the cutting tool 6. That is, it is preferable that the amount of change in the impurity concentration of single crystal diamond on the rake face 8 of the cutting tool is larger than the amount of change in the impurity concentration of single crystal diamond on the flank face 9 of the cutting tool.
  • the angle of the flank 9 with respect to the rake face 8 is preferably 55 ° or more and 90 ° or less.
  • the angle of the flank 9 with respect to the rake face 8 can be adjusted to the above range by performing laser processing so that the angle of the side with respect to the main surface is 55 ° or more and 90 ° or less.
  • FIG. 7C it is preferable that the angle of the flank 9 with respect to the rake face 8 and the angle with the substantially uniform surface of the impurity concentration with respect to the main surface coincide. Further, as shown in the top view of the cutting tool in FIG.
  • the direction of the impurity concentration change is preferably matched with the surface orientation A of the curved surface at the tip of the tool. That is, when the wear rates in the plane orientation A and the plane orientation B in FIG. 7D are A> B, the wear rates of the region having the impurity concentration [1] and the region having the impurity concentration [2] are [1] ⁇ [2 ] On the other hand, when A ⁇ B, it is better to set [1]> [2]. Furthermore, the periodicity in the concentration change is advantageous because the same concentration change situation can be repeatedly created when the tool is reground and used.
  • the cutting tool 6 is in contact with the work material over portions having different impurity concentrations. This can prevent uneven wear.
  • FIG. 8A is a diagram illustrating the cutting of the work material 5 using the cutting tool 26 according to the fourth embodiment.
  • FIG. 8B is a diagram illustrating the cutting bit 26 of Embodiment 4 after cutting the work material 5.
  • the cutting tool 26 of the fourth embodiment is manufactured using the single crystal diamond 20 of the second embodiment.
  • the main surface of the single crystal diamond 20 is the rake face 8 of the cutting bit 26, and the side surface of the single crystal diamond 20 where the ion implantation layer 3 is disposed is the cutting bit 26.
  • the flank 9 is produced. That is, the amount of change in the impurity concentration of single crystal diamond on the rake face of the cutting tool is preferably larger than the amount of change in the impurity concentration of single crystal diamond on the flank face of the cutting tool.
  • the angle of the flank 9 with respect to the rake face 8 is preferably 55 ° or more and 90 ° or less.
  • laser processing is performed so that the angle of the side surface on which the ion implantation layer 3 is disposed with respect to the main surface is 55 ° or more and 90 ° or less, so that the angle of the flank 9 with respect to the rake surface 8 is Can be adjusted within the range.
  • FIG. 8C it is preferable that the angle of the flank 9 with respect to the rake face 8 and the angle with the substantially uniform surface of the impurity concentration with respect to the main surface coincide. Further, as shown in the top view of the cutting tool in FIG.
  • the direction of the impurity concentration change is preferably matched with the surface orientation A of the curved surface at the tip of the tool. That is, when the wear rates in the plane orientation A and the plane orientation B in FIG. 8D are A> B, the wear rates in the region of the impurity concentration [1] and the region of the impurity concentration [2] are [1] ⁇ [2 ] On the other hand, when A ⁇ B, it is better to set [1]> [2]. Furthermore, the periodicity in the concentration change is advantageous because the same concentration change situation can be repeatedly created when the tool is reground and used.
  • the cutting tool 6 is in contact with the work material over portions having different impurity concentrations. This can prevent uneven wear.
  • FIG. 9A is a plan view of the drawing die 7 according to the fifth embodiment.
  • FIG. 9B is a diagram showing the wire drawing die 7 of Embodiment 5 after being used for wire drawing.
  • the drawing die 7 of the fifth embodiment is manufactured using the single crystal diamond 10 of the first embodiment. Specifically, the drawing die 7 uses the main surface of the single crystal diamond 10 as the main surface of the drawing die 7 and sets a pair of opposing main surfaces along a direction perpendicular to the main surface of the single crystal diamond 10. It is preferable that a through-hole is formed.
  • the drawing die 7 has a hole center in the high impurity concentration region 1 and, in the circumference on the main surface forming the outer edge of the hole, in the second direction (Y-axis direction) of the single crystal diamond 10 from the center of the hole.
  • the two farthest points along each are located in the high impurity concentration region 1 of the single crystal diamond 10, and the two farthest points along the first direction (X-axis direction) of the single crystal diamond 10 from the center of the hole.
  • the drawing die 7 is located at the center of the hole on the symmetry axis along the second direction (Y-axis direction) of the high impurity concentration region 1 of the single crystal diamond 10. Further, the impurity concentration along the first direction (X-axis direction) on the main surface of the drawing die 7 passes through the center of the hole, and the line along the second direction (Y-axis direction) is a symmetry axis. It is preferable to change with. According to this, at the time of wire drawing using the wire drawing die 7, uneven wear of the wire drawing die 7 can be effectively suppressed.
  • the high impurity concentration region 1 and the low impurity concentration region 2 have different optical transmittances. This is because the position of the impurity region can be numerically grasped by using a laser or an optical microscope, and one of the most convenient ones can be selected to make a hole. Even if the optical transmittance is approximate, if the geometric center of the main surface is understood to be the high impurity concentration region or the low impurity concentration region, it is possible to determine which one is convenient. You can pick and drill holes.
  • the low impurity concentration region 2 is arranged on both sides of the high impurity concentration region 1 on the main surface of the drawing die 7 .
  • the arrangement of the high impurity concentration region 1 and the low impurity concentration region 2 is as follows. The reverse is also acceptable.
  • the drawing die 7 has a surface orientation A and a surface when the wear rate of the region having the impurity concentration [1] and the region having the impurity concentration [2] is [1] ⁇ [2].
  • the wear rate in the direction B is preferably [B]> [A].
  • the region having the impurity concentration [1] may be the high impurity concentration region 1 or the low impurity concentration region 2 in some cases. According to this, at the time of wire drawing using the wire drawing die 7, uneven wear of the wire drawing die 7 can be suppressed. Therefore, also in the drawing die 7 after the wire drawing, the roundness of the hole is not easily lost, and the outer edge of the hole can maintain a circular shape on the main surface.
  • Example 1 (Single crystal diamond) An artificial Ib type single crystal ⁇ 100 ⁇ substrate having a size of 5 mm ⁇ 5 mm and a thickness of 0.5 mm was prepared, and epitaxial growth was performed by a microwave plasma CVD method. The substrate temperature was 1100 ° C. and the pressure was 100 torr. The introduced gas was methane 150 sccm (Standard Cubic cm) and hydrogen 1000 sccm. The growth was performed so that the growth thickness of the single crystal diamond was in the range of 0.7 mm to 1 mm.
  • the nitrogen gas added during the growth of the single crystal diamond was 100% nitrogen gas or 1% nitrogen gas diluted with hydrogen. 100% nitrogen gas and 1% nitrogen gas were alternately introduced. When one nitrogen gas was flowing, the flow rate of the other nitrogen gas was set to zero. The concentration of impurities contained in the growth film was controlled by changing the flow rate of each nitrogen gas (0.1 to 5 sccm) and the introduction time.
  • the obtained synthetic single crystal diamond was cut along a direction perpendicular to a surface having a uniform impurity concentration (see FIG. 3C) to obtain a single crystal diamond having a thickness of 0.8 mm.
  • samples 50 and 51 the obtained synthetic single crystal diamond was cut along a direction parallel to a surface having a uniform impurity concentration (see FIG. 10A) to obtain a single crystal diamond having a thickness of 0.8 mm.
  • Sample 52 was obtained by growing single crystal diamond without introducing nitrogen gas and then cutting out single crystal diamond having a thickness of 0.8 mm.
  • the main surface of the obtained single crystal diamond was measured for nitrogen atom (impurity) content with respect to carbon atoms by secondary ion mass spectrometry. The results are shown in Table 1.
  • Cutting tools were prepared using the single crystal diamonds of Samples 1, 2, and 50. Specifically, as shown in FIGS. 7A to 7D, the main surface of the single crystal diamond is the rake face of the cutting tool, and the first surface (X-axis direction) of the main surface among the side surfaces of the single crystal diamond. A side surface parallel to the direction perpendicular to the Z axis direction (Z-axis direction) was prepared as a flank of the cutting tool.
  • the tip angles of the cutting tools were all 80 °, and the tip R, the tip position, and the center position of the tip diameter were as shown in Table 2.
  • Cutting was performed under the following conditions.
  • Work material A4032 (Al-Si material)
  • Cutting speed 600 m / min
  • Cutting distance 20km
  • Feed rate 2 ⁇ m / rev Stock removal: 2 ⁇ m
  • the cutting tools of Samples 1 and 2 were evenly worn and no chipping occurred.
  • the work material was processed smoothly and uniformly, and no scratches were generated. Further, when the curved surfaces of the rake surfaces of Samples 1 and 2 were observed, the curved surfaces maintained the roundness before processing. That is, the wear was very low in uneven wear.
  • the surface of the cutting tool of Sample 50 was rougher than that of Samples 1 and 2. When the rake face was observed, the curved face was greatly unevenly worn before processing.
  • FIGS. 9A to 9C the drawing dies have the main surface of the single crystal diamond as the main surface of the drawing dies, and face each other along a direction perpendicular to the main surface of the single crystal diamond. A hole penetrating the pair of main surfaces is formed. Table 3 shows the hole diameter and the center position of the hole.
  • wire drawing was performed under the following conditions.
  • Wire drawing material SUS306 Drawing speed: 600 m / min Drawing distance: 20km
  • the wire drawing dies of Samples 3 and 4 were evenly worn and there was very little uneven wear of the holes.
  • the drawn material was processed smoothly and uniformly, and no scratch was generated on the drawn material.
  • Example 2 (Single crystal diamond) An artificial Ib type single crystal ⁇ 100 ⁇ substrate having a size of 5 mm ⁇ 5 mm and a thickness of 0.5 mm was prepared, and epitaxial growth was performed by a microwave plasma CVD method. The substrate temperature was 1100 ° C. and the pressure was 100 torr. The introduced gas was methane 150 sccm (Standard Cubic cm) and hydrogen 1000 sccm. The growth was performed so that the growth thickness of the single crystal diamond was in the range of 0.7 mm to 1 mm.
  • the diborane gas (hydrogen dilution 100 ppm) added during the growth of the single crystal diamond was repeatedly and alternately introduced at flow rates of 5 sccm and 0 sccm while controlling the respective introduction times.
  • the obtained synthetic single crystal diamond was cut along a direction perpendicular to the surface having a uniform impurity concentration (see FIG. 3C) to obtain a single crystal diamond having a thickness of 0.8 mm.
  • samples 60 and 61 the obtained synthetic single crystal diamond was cut along a direction parallel to a surface having a uniform impurity concentration (see FIG. 10A) to obtain a single crystal diamond having a thickness of 0.8 mm.
  • Sample 62 was obtained by growing single crystal diamond without introducing diborane gas and then cutting out single crystal diamond having a thickness of 0.8 mm.
  • the main surface of the obtained single crystal diamond was measured for boron atom (impurity) content with respect to carbon atoms by secondary ion mass spectrometry. The results are shown in Table 4.
  • Cutting tools were prepared using the single crystal diamonds of Samples 11, 12, and 60. Specifically, as shown in FIGS. 7A to 7D, the main surface of the single crystal diamond is the rake face of the cutting tool, and the first surface (X-axis direction) of the main surface among the side surfaces of the single crystal diamond. A side surface parallel to the direction perpendicular to the Z axis direction (Z-axis direction) was prepared as a flank of the cutting tool.
  • the tip angles of the cutting tools were all 80 °, the tip R, the tip position, and the center position of the tip diameter were as shown in Table 5.
  • the surface of the cutting tool of sample 60 was rougher than that of samples 11 and 12. When the rake face was observed, the curved face was greatly unevenly worn before processing.
  • FIGS. 9A to 9C Samples 13, 14, 61, 62 single crystal diamond was used to produce a drawing die. Specifically, as shown in FIGS. 9A to 9C, the drawing die has a main surface of the single crystal diamond as the main surface of the drawing die, and is opposed to the main surface of the single crystal diamond along a direction perpendicular to the main surface of the single crystal diamond. A hole penetrating the main surfaces of the set is formed. Table 6 shows the hole diameter and the center position of the hole.
  • wire drawing was performed under the following conditions.
  • Wire drawing material SUS306 Drawing speed: 600 m / min Drawing distance: 20km
  • the drawing dies of Samples 13 and 14 were uniformly worn, and the uneven wear of the holes was very small.
  • the drawn material was processed smoothly and uniformly, and no scratch was generated on the drawn material.
  • the single crystal diamond of the present invention is useful when used for tools such as cutting tools, grinding tools, and anti-wear tools.

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Abstract

単結晶ダイヤモンドは、対向する一組の主面を備え、前記主面において、第１の方向に沿って不純物濃度が変化する。

Description

単結晶ダイヤモンド、これを用いた工具及び単結晶ダイヤモンドの製造方法
　本発明は、単結晶ダイヤモンド、これを用いた工具及び単結晶ダイヤモンドの製造方法に関する。本出願は、２０１５年１０月１９日に出願した日本特許出願である特願２０１５－２０５４８２号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。
　単結晶ダイヤモンドは、高い硬度、高い熱伝導率、高い光透過性などの優れた性能を有することから、切削工具、研削工具、耐摩工具などの工具、光学部品、半導体、電子部品などの各種製品（以下、「ダイヤモンド製品」ともいう。）に幅広く用いられている。このようなダイヤモンド製品に用いられる単結晶ダイヤモンドとしては、天然ダイヤモンドと合成ダイヤモンドとを挙げることができる。天然ダイヤモンドは品質のばらつきが大きく、供給量も安定しないことから、現在合成ダイヤモンドも多く用いられている。
　上述の合成ダイヤモンドの製造方法の１つとして、高温高圧合成法（ＨＰＨＴ：High　Pressure　High　Temperature　Method）が知られている。この方法により製造される単結晶ダイヤモンドは、品質のばらつきが小さく、供給量も安定しているが、使用される製造設備のコストが高いという問題がある。
　また、合成ダイヤモンドの製造方法の他の１つとして、熱フィラメントＣＶＤ（Chemical　Vapor　Deposition）法、マイクロ波励起プラズマＣＶＤ法およびＤＣプラズマＣＶＤ法などの化学気相合成（ＣＶＤ）法がある。ＣＶＤ法では、基板の表面上に単結晶ダイヤモンド（エピタキシャル成長層）を成長させ、その後、基板と単結晶ダイヤモンドとを分離することにより、単結晶ダイヤモンドを得ることができる。
　例えば、特許文献１（特開２０１３－３５７２３号公報）には、気相合成法により得られた、少なくとも一つ以上の層状の導電層が主面にほぼ平行に形成され、該導電層は絶縁性の単結晶ダイヤモンドの内部に形成されており、該単結晶ダイヤモンドの側面まで前記導電層が貫通している単結晶ダイヤモンド及びそれを用いた工具が開示されている。
特開２０１３－３５７３２号公報
　（１）本発明の一態様に係る単結晶ダイヤモンドは、対向する一組の主面を備え、前記主面において、第１の方向に沿って不純物濃度が変化する、単結晶ダイヤモンドである。
　（２）本発明の一態様に係る工具は、上記（１）の単結晶ダイヤモンドを備える、工具である。
　（３）本発明の一態様に係る単結晶ダイヤモンドの製造方法は、上記（１）の単結晶ダイヤモンドの製造方法であって、気相合成法により、結晶成長方向に沿って不純物濃度が変化する合成単結晶ダイヤモンドを得る工程と、前記合成単結晶ダイヤモンドを、前記不純物濃度が変化する方向に切断する工程とを備える、単結晶ダイヤモンドの製造方法である。
図１Ａは、実施の形態１における単結晶ダイヤモンドの平面図である。 図１Ｂは、実施の形態１における単結晶ダイヤモンドの斜視図である。 図２は、図１Ａおよび図１Ｂの単結晶ダイヤモンドの主面における不純物濃度を示すグラフである。 図３Ａは、実施の形態１の単結晶ダイヤモンドの製造方法の一例であって、その一工程を示す図である。 図３Ｂは、実施の形態１の単結晶ダイヤモンドの製造方法の一例であって、上記とは別の工程を示す図である。 図３Ｃは、実施の形態１の単結晶ダイヤモンドの製造方法の一例であって、上記とは別の工程を示す図である。 図４Ａは、実施の形態２における単結晶ダイヤモンドの平面図である。 図４Ｂは、実施の形態２における単結晶ダイヤモンドの斜視図である。 図５は、図４Ａおよび図４Ｂの単結晶ダイヤモンドの主面における不純物濃度を示すグラフである。 図６Ａは、実施の形態２の単結晶ダイヤモンドの製造方法の一例であって、その一工程を示す図である。 図６Ｂは、実施の形態２の単結晶ダイヤモンドの製造方法の一例であって、上記とは別の工程を示す図である。 図６Ｃは、実施の形態２の単結晶ダイヤモンドの製造方法の一例であって、上記とは別の工程を示す図である。 図７Ａは、実施の形態３の切削バイトを説明する図である。 図７Ｂは、被削材５を切削した後の実施の形態３の切削バイトを説明する図である。 図７Ｃは、すくい面８に対する逃げ面９の角度が５５°以上９０°以下である、実施の形態３の切削バイトを説明する図である。 図７Ｄは、実施の形態３の切削バイトの上面図である。 図８Ａは、実施の形態４の切削バイトを説明する図である。 図８Ｂは、被削材５を切削した後の実施の形態４の切削バイトを説明する図である。 図８Ｃは、すくい面８に対する逃げ面９の角度を５５°以上９０°以下である、実施の形態４の切削バイトを説明する図である。 図８Ｄは、実施の形態４の切削バイトの上面図である。 図９Ａは、実施の形態５の線引きダイスを説明する図である。 図９Ｂは、伸線加工に用いた後の実施の形態５の線引きダイスを説明する図である。 図９Ｃは、不純物濃度[１]の領域と、不純物濃度［２］の領域を記した実施の形態５の線引きダイスを説明する図である。 図１０Ａは、試料５０，５１，６０，６１における単結晶ダイヤモンドの製造方法の一例であって、その一工程を示す図である。 図１０Ｂは、試料５０，５１，６０，６１における単結晶ダイヤモンドの製造方法の一例であって、上記とは別の工程を示す図である。
[本開示が解決しようとする課題]
　特許文献１の技術では、単結晶ダイヤモンド中の導電層として、ホウ素ドープ層やイオン注入層を形成している。該単結晶ダイヤモンドを用いた工具では、単結晶ダイヤモンドの外部部材との電気的なコンタクトが可能な導電層が露出している側面を、工具の逃げ面となるように配置している。単結晶ダイヤモンド層と導電層とは、不純物濃度が異なるため、結晶性が異なり、このため硬度や摩耗率も異なっている。したがって、該単結晶ダイヤモンドを用いた工具は、使用に伴い逃げ面が偏摩耗するため、被削材を傷つけてしまい、被削材の加工面が均一とならないという問題がある。
　そこで、本目的は、工具材料として用いた場合に、工具の偏摩耗が抑制された単結晶ダイヤモンド、これを用いた工具及び単結晶ダイヤモンドの製造方法を提供することを目的とする。
[本開示の効果]
　上記態様によれば、工具材料として用いた場合に、工具の偏摩耗が抑制された単結晶ダイヤモンド、これを用いた工具及び単結晶ダイヤモンドの製造方法を提供することが可能となる。
　［本発明の実施形態の説明］
　最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
　［１］本発明の一態様に係る単結晶ダイヤモンドは、対向する一組の主面を備え、前記主面において、第１の方向に沿って不純物濃度が変化する、単結晶ダイヤモンドである。
　上記態様によれば、工具材料として用いた場合に、工具の偏摩耗が抑制された単結晶ダイヤモンドを得ることができる。
　［２］前記主面において、前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って、前記不純物濃度は略均一であることが好ましい。ここで、不純物濃度が略均一とは、濃度の幅が平均値より－２０％～＋２０％の範囲内であることを意味する。これによると、工具材料として用いた場合に、工具の偏摩耗を効果的に抑制することができる単結晶ダイヤモンドを得ることができる。
　［３］前記主面内において、前記第１の方向と前記第２の方向とは、結晶方位が異なることが好ましい。これによると、工具材料として用いた場合に、工具の偏摩耗を効果的に抑制することができる単結晶ダイヤモンドを得ることができる。中でも、主面内の方位の中で、摩耗率の一番大きい方位又は一番小さい方位が、第１の方向と一致していることがより好ましい。さらに、主面内の方位の中で、摩耗率の一番大きい方位と一番小さい方位とが直交しており、そのいずれかが、第１の方向と一致していることが好ましい。
　［４］前記不純物濃度は、１０ｐｐｂ以上１００００ｐｐｍ以下であることが好ましい。前記不純物濃度が１０ｐｐｂ未満であると、亀裂が伝搬しやすく、十分なクラック伝播抑制効果が得られず、耐欠損性が低下する。一方、前記不純物濃度が１００００ｐｐｍを超えると、耐摩耗性が著しく低下する。
　［５］前記不純物濃度は前記第１の方向に沿って周期性を有し、前記主面における一周期の距離は０．１μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。これによると、耐摩耗性と耐欠損性とがバランスよく向上した単結晶ダイヤモンドを得ることができる。ここで、周期性とは、不純物濃度の高い層と低い層とが繰り返されていることを指しており、各周期の長さが、全て一定であるという限定ではない。例えば、周期の長さは、複数の連続する周期の途中で変わってもよい。また、周期性は、主面の端部からではなく、端部から所定の間隔を空けた内側を起点としてもよいし、端部から所定の間隔を空けた内側を終点としてもよい。すなわち、不純物濃度は、主面上の第１の方向に沿った少なくとも一部において、周期性を有していればよい。これは、単結晶ダイヤモンドの用途によって、好適なパターンが異なるからである。
　不純物濃度の高い層と低い層との配置は、主面内で中心対称性があることが好ましい。不純物濃度の周期性は、各周期が同じ長さで、不純物濃度が高濃度の層と低濃度の層が同じ間隔で繰り返すことが好ましい。ここで、「各周期が同じ長さ」とは、「不純物濃度が、第１の方向に沿って、所定の高濃度の場所から、低濃度の場所を経て、再び所定の高濃度に到達するまでの距離」に該当する「一周期」が、同じ長さであることを意味する。「不純物濃度が高濃度の層と低濃度の層が同じ間隔」とは、第１の方向に沿って、不純物濃度が高濃度の層の幅と、低濃度の層の幅が、同じ長さであることを意味する。これによると、単結晶ダイヤモンドを、種々の用途に好適に適用することができる。不純物濃度は、不純物濃度の高い層と低い層の境界で、急峻に変化しないことが好ましい。これは、応用する工具において、摩耗率が急峻に変化しない方が、工具性能が優れるからである。
　［６］前記不純物濃度は、前記第１の方向に沿って中心対称性を有することが好ましい。これによると、単結晶ダイヤモンドを、種々の用途に好適に適用することができる。
　［７］前記単結晶ダイヤモンドは、前記第２の方向に沿った側面にイオン注入層を有することが好ましい。これによると、イオン注入層からの距離の大きさに伴い、不純物濃度が低下した単結晶ダイヤモンドを得ることができる。
　［８］前記主面に対する前記側面の角度は、５５°以上１２５°以下であることが好ましい。これによると、側面における不純物濃度を略均一とすることができる。ここで、不純物濃度が略均一とは、濃度の幅が平均値より－２０％～＋２０％の範囲内であることを意味する。
　［９］前記不純物は、窒素、ホウ素、アルミニウム、ケイ素、リン及び硫黄からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を含むことが好ましい。単結晶ダイヤモンド中にこれらの元素が存在すると、単結晶ダイヤモンドの結晶性が変化し、クラックの伝播を抑制でき、耐欠損性が向上する。
　［１０］本発明の一態様に係る工具は、上記［１］～［９］のいずれかに記載の単結晶ダイヤモンドを備える、工具である。本発明の一態様に係る工具は、耐摩耗性及び耐欠損性がバランスよく向上し、工具寿命が優れている。
　［１１］前記工具は切削バイトであり、前記切削バイトの逃げ面における前記単結晶ダイヤモンドの不純物濃度の変化量は、前記切削バイトのすくい面における前記単結晶ダイヤモンドの不純物濃度の変化量よりも小さいことが好ましい。これによると、切削バイトの偏摩耗を抑制できるため、被削材を均一に加工することができる。
　［１２］前記工具は切削バイトであり、前記切削バイトのすくい面において、面方位の相違に由来する摩耗率の相違と、不純物濃度の相違に由来する摩耗率の相違とが相殺する関係を有することが好ましい。切削工具は切削部又は摩耗部に曲面を有した工具であるため、これらの部位において面方位の差が生じている。したがって、通常、これらの部位では、工具の使用に伴い偏摩耗が発生する。本発明の一実施の形態よれば、これらの部分において、面方位の相違に由来する摩耗率の相違を相殺するように、不純物濃度の高低差が形成されているため、偏摩耗を減少することができる。
　［１３］前記工具は線引きダイスであり、前記単結晶ダイヤモンドの主面に垂直な方向に沿って、前記対向する一組の主面同士を貫通する穴が形成されることが好ましい。これによると、線引きダイスの偏摩耗を抑制できるため、被削材を均一に加工することができる。
　［１４］前記工具は線引きダイスであり、前記単結晶ダイヤモンドの主面に平行な方向において、面方位の相違に由来する摩耗率の相違と、不純物濃度の相違に由来する摩耗率の相違とが相殺する関係を有することが好ましい。線引きダイスは切削部又は摩耗部に曲面を有した工具であるため、これらの部位において面方位の差が生じている。したがって、通常、これらの部位では、工具の使用に伴い偏摩耗が発生する。本発明の一実施の形態よれば、これらの部分において、面方位の相違に由来する摩耗率の相違を相殺するように、不純物濃度の高低差が形成されているため、偏摩耗を減少することができる。
　［１５］本発明の一態様に係る単結晶ダイヤモンドの製造方法は、上記［１］～［９］のいずれかに記載の単結晶ダイヤモンドの製造方法であって、気相合成法により、結晶成長方向に沿って不純物濃度が変化する単結晶ダイヤモンドを得る工程と、前記単結晶ダイヤモンドを、前記不純物濃度が変化する方向に切断する工程とを備える、単結晶ダイヤモンドの製造方法である。
　本発明の一態様に係る単結晶ダイヤモンドの製造方法によると、工具材料として用いた場合に、被削材をより均一に加工することのできる単結晶ダイヤモンドを得ることができる。
　［本発明の実施形態の詳細］
　本発明の実施形態にかかる単結晶ダイヤモンド、工具及び単結晶ダイヤモンドの製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、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。本明細書中においては、個別方位を［］、集合方位を＜＞、個別面を（）、集合面を｛｝でそれぞれ示している。
　＜実施の形態１＞
　実施の形態１の単結晶ダイヤモンドについて、図１Ａ、図１Ｂ及び図２を用いて説明する。図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ実施の形態１における単結晶ダイヤモンドの平面図及び斜視図である。図２は、図１Ａ及び図１Ｂの単結晶ダイヤモンドの主面における不純物濃度を示すグラフである。平面図とは、単結晶ダイヤモンドの主面の上から見た図である。本明細書中、主面とは、単結晶ダイヤモンドの表面を構成する面のうち、最も面積の大きい面を意味する。
　図１Ａ及び図１Ｂに示されるように、単結晶ダイヤモンド１０は対向する一組の主面を備える。主面の両面において、第１の方向（Ｘ軸方向）と直交する第２の方向（Ｙ軸方向）に沿って帯状に延在する不純物高濃度領域１と、第２の方向に沿って帯状に延在する不純物低濃度領域２とが、交互に隣接して配置されている。図１Ａ及び図１Ｂでは、単結晶ダイヤモンド１０の形状が直方体の場合を示しているが、単結晶ダイヤモンド１０の形状は、対向する一組の主面を備える形状であれば、特に限定されない。図１Ａ及び図１Ｂでは、不純物高濃度領域１と不純物低濃度領域２とがそれぞれ複数配置されているが、それぞれが交互に配置されていれば、それぞれの領域の数は特に限定されない。不純物高濃度領域１と不純物低濃度領域２とは、それぞれ１つずつであってもよい。
　単結晶ダイヤモンド１０の主面において、帯状に延在する不純物高濃度領域１及び不純物低濃度領域２は、それぞれ第１の方向（Ｘ軸方向）に沿った長さ（幅）は、１μｍ以上１０００μｍ以下が好ましく、５μｍ以上３００μｍ以下がさらに好ましい。前記の長さの範囲は、単結晶ダイヤモンドを用いた工具の摩耗面に形成された曲面の曲率と相関して適合している。したがって、このような単結晶ダイヤモンドを用いた工具は、摩耗面の特定の部分において、面方位の相違に由来する摩耗率の偏り（偏摩耗）の発生を抑制することができる。なお、不純物高濃度領域１の幅と不純物低濃度領域２の幅は、同じでもよいし、異なっていてもよい。
　図２は、図１Ａ及び図１Ｂの単結晶ダイヤモンド１０の主面における、第１の方向（Ｘ軸方向）に沿った不純物濃度の変化の一例を示すグラフである。図２において、第１の方向に沿った距離とは、図１Ａ及び図１Ｂの単結晶ダイヤモンド１０の第２の方向に沿った左側の側面からの第１の方向に沿った距離を意味する。図２に示されるように、主面において、不純物濃度は第１の方向に沿って変化する。具体的には、第１の方向に沿って、不純物濃度が所定濃度Ｐ１よりも高い領域と低い領域とが、交互に一定の周期性を持って出現する。図２において、不純物濃度が所定濃度Ｐ１以上の領域は、図１Ａ及び図１Ｂの不純物高濃度領域１に該当し、不純物濃度が所定濃度Ｐ１よりも低い領域は、図１Ａ及び図１Ｂの不純物低濃度領域２に該当する。ここで、所定濃度Ｐ１は、１０ｐｐｂ以上１００００ｐｐｍ以下の範囲にあり、不純物高濃度領域の最大値と、不純物低濃度領域の最小値の中間値とする。不純物高濃度領域は、不純物濃度が、最大値から、前記最大値の６０％までの領域であり、幅は０．５μｍ以上５００μｍ以下の範囲である。不純物低濃度領域は、不純物濃度が最大値の６０％未満の領域である。Ｐ１の値は、不純物高濃度領域と不純物低濃度領域のほぼ境界に位置するが、不純物低濃度領域の最小値が、不純物高濃度領域の最大値の２０％未満の場合は、Ｐ１値は不純物低濃度領域の中に位置することとなる。
　単結晶ダイヤモンド１０の主面における不純物濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary　Ion　Mass　Spectrometry）によって測定した値である。ＳＩＭＳ分析は、一次イオンとしてＣｓ＋を用いて、加速電圧１５ｋＶ、検出領域３５μｍΦとして、試料最表面から０．５μｍスパッタした場所での濃度を求める。濃度定量は、別途用意した標準試料（イオン注入により作製した不純物濃度既知のダイヤモンド単結晶）との比較により行う。不純物濃度は、値が小さいと、機器の精度により、測定値が真の値とずれることがある。より正確な値を得るためには、相互に少なくとも１００μｍ離れた位置の少なくとも３点において、０．５μｍまでの深さで測定し、これら（深さ及び位置）の値の平均値をとることが好ましい。
　単結晶ダイヤモンド１０の主面において、第１の方向（Ｘ軸方向）と直交する第２の方向（Ｙ軸方向）に沿った不純物濃度は略均一であることが好ましい。ここで、不純物濃度が略均一とは、濃度の幅が平均値より－２０％～＋２０％の範囲内であることを意味する。
　単結晶ダイヤモンド１０において、主面に対して垂直方向である、深さ方向に沿った不純物濃度は略均一であることが好ましい。ここで、不純物濃度が略均一とは、濃度の幅が平均値より－２０％～＋２０％の範囲内であることを意味する。
　上述の不純物濃度が略均一な面は、結晶成長面と同一であってもよいし、同一でなくてもよい。単結晶ダイヤモンドの作製方法により、不純物濃度が略均一な面が、成長面より傾く場合がある。単結晶ダイヤモンド１０における主面と、不純物濃度が略均一な面は、ほぼ垂直であることが好ましいが、垂直から±３５°の範囲で傾いていても構わない。切削バイトでは、逃げ面がすくい面に対して傾いている。したがって、単結晶ダイヤモンドの主面と不純物濃度が略均一な面とが垂直から±３５°の範囲で傾いていると、主面をすくい面とした場合に、不純物濃度が略均一な面を逃げ面とすることができる。
　単結晶ダイヤモンド１０の主面において、不純物濃度は、１０ｐｐｂ以上１００００ｐｐｍ以下であることが好ましい。不純物濃度が１０ｐｐｂ未満であると、亀裂が伝搬しやすく、十分なクラック伝播抑制効果が得られず、耐欠損性が低下する。一方、前記不純物濃度が１００００ｐｐｍを超えると、耐摩耗性が著しく低下する。不純物濃度は、１００ｐｐｂ以上１０００ｐｐｍ以下がさらに好ましく、５００ｐｐｂ以上１００ｐｐｍ以下がさらに好ましい。
　単結晶ダイヤモンド１０の主面において、不純物濃度の最大値は１ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下が好ましく、５ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下がさらに好ましい。また、不純物濃度の最小値は１０ｐｐｂ以上１００ｐｐｍ以下が好ましく、１００ｐｐｂ以上５０ｐｐｍ以下がさらに好ましい。不純物濃度の最大値と最小値との比（最小値／最大値）は、１０－６以上０．８未満が好ましく、１０－４以上０．５以下がさらに好ましい。これによると、単結晶ダイヤモンドを加工工具の材料として使用する場合、不純物濃度の相違に由来する材料の偏摩耗が、面方位の相違に由来する偏摩耗と相殺されて、工具全体としての偏摩耗を抑制することができる。
　単結晶ダイヤモンド１０の主面において、不純物濃度は第１の方向に沿って周期性を有し、主面における一周期の距離は２μｍ以上２０００μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以上６００μｍ以下がさらに好ましい。ここで、主面における一周期の距離とは、図１Ａ及び図１Ｂにおける、隣接する一組の不純物高濃度領域１と不純物低濃度領域２とのそれぞれのＸ軸方向の距離（幅）の合計に該当する。ここで、単結晶ダイヤモンド１０の中に周期の数は少なくとも１つあれば、偏摩耗の低減効果を得ることができる。周期の数は、ｎ＋０．５（ｎは整数を示す）で表される（例えば、１．５、２．５等）ことがより好ましい。これによると、不純物高濃度領域と、不純物低濃度領域とを、同じ幅、同じ周期で形成した時に、不純物濃度を、主面の中心を通過する線を軸として対称に配置することができるからである。同じ理由で、主面の中央部のみが不純物高濃度領域、又は、不純物低濃度領域であって構わない。この場合は、中心に穴をあけるような工具（線引きダイスなどの穿孔工具）に使用する場合に好適である。
　単結晶ダイヤモンド１０の主面に存在する不純物は、窒素、ホウ素、アルミニウム、ケイ素、リン及び硫黄からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を含むことが好ましい。単結晶ダイヤモンド１０中にこれらの元素が存在すると、単結晶ダイヤモンド１０の結晶性が変化し、クラックの伝播を抑制でき、耐欠損性が向上する。中でも、不純物は、窒素及びホウ素の少なくともいずれかを含むことが好ましい。さらに、不純物は、炭素と置換型で混入した不純物の割合が小さい方が好ましく、該割合は、例えば、２０％以下が好ましく、１０％以下がより好ましい。これによると、工具としての機械的特性（硬くて欠けにくいという特性）が良好となる。置換型の不純物の割合は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary　Ion　Mass　Spectrometry）で測定した値（全不純物濃度）と、電子スピン共鳴法（ＥＳＲ：Electron　Spin　Resonance）で測定した値（置換型の濃度）から算出できる。
　単結晶ダイヤモンドの主面において、不純物濃度が略均一な方向と、不純物濃度が変化する方向の面方位が異なることが好ましい。摩耗率の一番小さい方位が、不純物濃度が略均一な方向、あるいは不純物濃度が変化する方向と一致していることがより好ましい。一般的に、摩耗率は、面方位や不純物濃度によって異なる。よって、面方位の相違に由来する摩耗率の相違と、不純物濃度の相違に由来する摩耗率の相違とを適宜組み合わせると、それぞれの摩耗率の相違（偏摩耗）の相殺が可能になる。
　線引きダイス等の穿孔工具を作製する際に、不純物濃度が均一な方向と摩耗しやすい面方位とを一致させる場合は、不純物濃度が変化する方向と摩耗し難い面方位とを一致させ、摩耗し難い不純物濃度の層（一般には不純物濃度が低いと摩耗し難いので、不純物低濃度層）に孔の中心がくるようにし、孔の端に摩耗しやすい不純物濃度の層（不純物高濃度層）が接するかあるいは重なるようにすることが好ましい。切削バイトを作製する場合では、切削工具の先端が摩耗しやすい不純物濃度の層（不純物高濃度層）に接するかあるいは重なるようにすることが好ましい。
　また、線引きダイス等の穿孔工具を作製する際に、不純物濃度が均一な方向と摩耗し難い面方位とを一致させ、不純物濃度が変化する方向と摩耗しやすい面方位とを一致させる場合は、摩耗しやすい不純物濃度の層（一般には不純物濃度が低いと摩耗し難いので、不純物高濃度層）に孔の中心がくるようにして、孔の端に摩耗し難い不純物濃度の層（不純物低濃度層）が接するかあるいは重なるようにすることが好ましい。切削バイトを作製する場合では、切削工具の先端が摩耗し難い不純物濃度の層（不純物低濃度層）に接するかあるいは重なるようにすることが好ましい。
　実施の形態１の単結晶ダイヤモンドの製造方法の一例について、図３Ａ乃至図３Ｃを用いて説明する。図３Ａ乃至図３Ｃは、実施の形態１の単結晶ダイヤモンドの製造方法の一例を示す図である。本実施の形態において、単結晶ダイヤモンドの製造方法は、気相合成法により、結晶成長方向に沿って不純物濃度が変化する合成単結晶ダイヤモンドを得る工程と、前記合成単結晶ダイヤモンドを、前記不純物濃度が変化する方向に切断する工程とを備える。
　初めに、図３Ａに示されるように、単結晶ダイヤモンド基板４を準備する。単結晶ダイヤモンド基板４としては、たとえば平板形状を有し、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（タイプ：Ｉｂ）を用いることができる。単結晶ダイヤモンド基板４は、（１００）面からなる主面と、主面に対して垂直な（００１）面及び（０１０）面からなる側面とを有している。なお、単結晶ダイヤモンド基板４の形状は特に限定されず、所望の形状とすることができる。さらに、ダイヤモンド単結晶基板の主面の表面を機械研磨などによって平滑化し、反応性イオンエッチングによって、１μｍ～５０μｍ程度エッチングしておくことが好ましい。
　次に、単結晶ダイヤモンド基板４を、ＣＶＤ装置のチャンバ内に配置し、気相合成法により、結晶成長方向に沿って不純物濃度が変化する合成単結晶ダイヤモンドを得る（図３Ｂ）。具体的には、チャンバ内に炭素を含むガスを導入しながら、単結晶ダイヤモンド基板４の主面上にＣＶＤ法により合成単結晶ダイヤモンドをエピタキシャル成長させる。
　ガス中の炭素は合成単結晶ダイヤモンドの炭素源になる。炭素を含むガスとしては、たとえばＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ２、ＣＨ３ＯＨ、Ｃ２Ｈ５ＯＨ、（ＣＨ３）２ＣＯなどを用いることができる。なお、これらのガスに加えて、ＣＯ、ＣＯ２も用いることもできる。中でも、ＣＨ４を用いることがダイヤ膜形成の前駆体となる炭素ラジカルが生成されやすいとされている点から好ましい。
　チャンバには、炭素を含むガスと同時に、窒素ガスを導入することによって、合成単結晶ダイヤモンド中に、不純物として窒素を導入することができる。チャンバ内に導入するガス中の窒素ガスの添加量を制御することにより、合成単結晶ダイヤモンド中の不純物窒素濃度を結晶成長方向に沿って変化させることができる。添加ガスの流量比以外にも、全圧力、投入電力、基板温度などを変化させることによって、不純物濃度を成長方向に沿って変化させることができる。
　合成単結晶ダイヤモンド中に不純物として、ホウ素、アルミニウム、ケイ素、リン、硫黄を導入する場合は、それぞれ、ジボランガス（Ｂ２Ｈ６）、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ）、シランガス（ＳｉＨ４）、フォスフィンガス（ＰＨ３）、硫化水素（Ｈ２Ｓ）等を用いることができる。アルミニウム以外の元素においても、一般的に知られている有機系のガスを用いることができる。
　上記のガスを導入しながら、チャンバ内の圧力をたとえば６．６ｋＰａ～２６．６ｋＰａに制御し、マイクロ波パワーを導入して、チャンバ内温度を８００℃～１２００℃に加熱した上で、単結晶ダイヤモンド基板４の主面上に合成単結晶ダイヤモンドをエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長層の形成方法は、たとえばマイクロ波プラズマＣＶＤ法（ＭＰ－ＣＶＤ法）、熱フィラメント（ＨＦ：Hot　Filament）ＣＶＤ法やＤＣプラズマ法などを用いることができる。
　次に、図３Ｃの破線で示されるように、合成単結晶ダイヤモンドを、不純物濃度が変化する方向に切断する。ここで、不純物濃度が変化する方向に切断するとは、不純物濃度が均一な面同士を横切るように切断することを意味する。これは、不純物濃度が略均一な面に対して、垂直な方向に切断することに限定されず、不純物濃度が略均一な面に対して、所定の角度（例えば±３５°）で切断することも含む。単結晶ダイヤモンドの用途によっては、不純物濃度が略均一な面と切断面とが、垂直以外の角度で交差していることが都合がよい場合があるからである。合成単結晶ダイヤモンドの切断は、レーザー切断によって行うことができる。
　続いて、合成単結晶ダイヤモンドと、ダイヤモンド単結晶基板４とを、レーザーを用いて分離し、単結晶ダイヤモンドを得る。レーザーを用いる代わりに、電気化学的にエッチングして分離することもできる。この場合は、結晶成長する前に、あらかじめ基板にイオン注入でグラファイト層を内部に形成しておく必要がある。得られた単結晶ダイヤモンドは、合成単結晶ダイヤモンドの結晶成長方向に略平行な面を主面として有する。したがって、この場合、単結晶ダイヤモンドは、主面において、結晶成長方向に沿って不純物濃度が変化している。
　実施の形態１の単結晶ダイヤモンドの他の製造方法について、説明する。この方法は、不純物濃度を変化させる方法に関して以外は、前述の方法と同じである。以下では、不純物濃度を変化させる方法について説明する。前述の方法では、ダイヤモンド単結晶基板の主面は平坦であり、不純物濃度の変化の方向は成長面に垂直であった。一方、本方法では、基板に特殊な加工を施すことによって、不純物濃度の変化の方向が、必ずしも成長面に垂直な方向とはならない。
　初めに、ダイヤモンド単結晶基板として、オフ角の基板を用意する。該基板の主面上に、ライン状の突起を１つ以上形成する。突起の高さは１０μｍ以下が好ましい。突起のアスペクト比（高さ／幅）は１以下が好ましい。突起が複数の場合は、突起間隔（隣接する間隔）は突起高さより大きい方が好ましい。該基板の主面上にダイヤモンドを成長させると、突起側面に基板主面と異なる高次の面方位が発生し、突起上部はオフ角が解消したジャスト面となる。突起側面の高次面と、基板主面とでは、不純物含有効率の違いが生じ、かつ結晶成長速度が異なるので、主面に対して傾きを有する帯状の不純物濃度の異なる部分が形成される。この傾き（θｄ）は、主面と垂直方向への成長速度（Ｒｖ）と高次面の横方向の成長速度（Ｒｈ）の比を使って、ｔａｎ（θｄ）＝Ｒｖ／Ｒｈの式で算出される。すなわち、本製法では、結晶成長面からθｄだけ傾いた、不純物濃度が略均一な面が生じることとなる。
　＜実施の形態２＞
　実施の形態２の単結晶ダイヤモンドについて、図４Ａ、図４Ｂ及び図５を用いて説明する。図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ実施の形態２における単結晶ダイヤモンドの平面図及び斜視図である。図５は、図４Ａ及び図４Ｂの単結晶ダイヤモンドの主面における不純物濃度を示すグラフである。平面図とは、単結晶ダイヤモンドの主面の上から見た図である。
　図４Ａ及び図４Ｂに示されるように、単結晶ダイヤモンド２０は対向する一組の主面を備える直方体形状である。主面において、Ｙ軸方向に沿って帯状に延在する、イオン注入層３、不純物高濃度領域１及び不純物低濃度領域２が、前記の順に隣接して配置されている。イオン注入層３は、単結晶ダイヤモンド２０のＸ軸方向の端部に位置し、Ｙ軸方向に略平行な一つの側面に沿って配置されている。
　図５は、図４Ａ及び図４Ｂの単結晶ダイヤモンド２０の主面における、第１の方向（Ｘ軸方向）に沿った不純物濃度の変化の一例を示すグラフである。図５において、第１の方向に沿った距離とは、図４Ａ及び図４Ｂの単結晶ダイヤモンド２０のイオン注入層３が存在する側面からの第１の方向に沿った距離を意味する。図５に示されるように、主面において、不純物濃度は第１の方向に沿って変化する。具体的には、不純物濃度が第１の方向に沿って、ダイヤモンド単結晶２０の側面に存在するイオン注入層３から不純物低濃度領域２へ向かって、漸減する。図５において、不純物濃度が所定濃度Ｐ２以上の領域は、図４Ａ及び図４Ｂのイオン注入層３及び不純物高濃度領域１に該当し、不純物濃度が所定濃度Ｐ２よりも低い領域は、図４Ａ及び図４Ｂの不純物低濃度領域２に該当する。ここで、所定濃度Ｐ２は、１０ｐｐｂ以上１００００ｐｐｍ以下の範囲にあり、不純物高濃度領域の最大値と、不純物低濃度領域の最小値の中間値とする。不純物高濃度領域は、不純物濃度が、最大値から、前記最大値の６０％までの領域であり、幅は０．５μｍ以上５００μｍ以下の範囲である。不純物低濃度領域は、不純物濃度が最大値の６０％未満の領域である。Ｐ２の値は、不純物高濃度領域と不純物低濃度領域のほぼ境界に位置するが、不純物低濃度領域の最小値が、不純物高濃度領域の最大値の２０％未満の場合は、Ｐ２値は不純物低濃度領域の中に位置することとなる。
　イオン注入層３に含まれるイオンは、炭素イオン、ホウ素イオン、窒素イオン、アルゴンイオン、リンイオン、ケイ素イオン、硫化物イオンからなる群より選択される少なくとも１種であることが好ましい。これらのイオンは、イオン注入層上に合成単結晶ダイヤモンドを成長させた場合、該合成単結晶ダイヤモンド中に混入しやすく、不純物の濃度勾配を形成しやすいためである。イオン注入のイオン種と、ダイヤモンド中の濃度勾配のあるイオン種とは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。
　不純物の濃度勾配を形成する方法の一例を以下に述べる。まず、基板中に、イオンを所定量（好ましくはドーズ量３ｘ１０１６ｃｍ－２）以上注入しておく。次に、単結晶ダイヤモンドを合成時に、初期状態として、基板を若干エッチングしながら合成する。その際に、基板中の注入イオンが、雰囲気中に放出される。基板上にダイヤモンドを合成すると、雰囲気中の注入イオンが若干取り込まれながら単結晶ダイヤモンドが形成される。時間が経過すると、基板上に新しいダイヤモンドが形成されるので、雰囲気中には、基板中の注入イオンが放出されなくなり、雰囲気中の注入イオンの量も次第に減少する。したがって、単結晶ダイヤモンド中に取り込まれる注入イオンも次第に減少してゆく。これにより、合成単結晶ダイヤモンド中に、不純物の濃度勾配が形成される。
　不純物の濃度勾配を形成する方法の他の例を以下に述べる。基板に注入するイオン種とは関係なく、単結晶ダイヤモンドの合成時に、雰囲気中にあるいは周辺に不純物元素を含ませておく。微量ガスを導入してもよいし、ホルダー上に固体原料を置いておいてもよい。基板には、後に電気化学的に分離を行うために、イオン注入によりグラファイト層を形成しておく。イオン注入されるイオン種は限定されないが、炭素イオン、ホウ素イオン、窒素イオン、アルゴンイオン、リンイオン、ケイ素イオン、硫化物イオン等が好ましい。中でも、グラファイト層を形成するので、炭素イオンがより好ましい。単結晶ダイヤモンドの合成の際は、初期に、基板をエッチングしないことが好ましい。イオン注入をした基板の表面は結晶が乱れており、その上に合成するダイヤモンドは結晶の揺らぎ、及び、欠陥の多い単結晶ダイヤモンドが合成される。結晶の合成とともに結晶の揺らぎが低減し、徐々に結晶性の良い単結晶ダイヤモンドが形成される。結晶の揺らぎが多く、欠陥の多い結晶中には不純物元素が混入しやすく、結晶の揺らぎが解消されると不純物元素の混入が減少する。これにより、合成単結晶ダイヤモンド中に、不純物の濃度勾配が形成される。
　単結晶ダイヤモンド２０の主面において、第１の方向（Ｘ軸方向）と直交する第２の方向（Ｙ軸方向）に沿った不純物濃度は略均一であることが好ましい。ここで、不純物濃度が略均一とは、濃度の幅が平均値より－２０％～＋２０％の範囲内であることを意味する。
　単結晶ダイヤモンド２０において、主面に対して垂直方向である深さ方向に沿った不純物濃度は均一であることが好ましい。ここで、不純物濃度が均一とは、濃度の幅が平均値より－２０％～＋２０％の範囲内であることを意味する。
　単結晶ダイヤモンド２０の主面において、不純物濃度は、１０ｐｐｂ以上１００００ｐｐｍ以下であることが好ましい。不純物濃度が１０ｐｐｂ未満であると、亀裂が伝搬しやすく、十分なクラック伝播抑制効果が得られず、耐欠損性が低下する。一方、前記不純物濃度が１００００ｐｐｍを超えると、耐摩耗性が著しく低下する。不純物濃度は、１００ｐｐｂ以上１０００ｐｐｍ以下がさらに好ましく、５００ｐｐｂ以上１００ｐｐｍ以下がさらに好ましい。不純物濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary　Ion　Mass　Spectrometry）によって測定した値である。
　単結晶ダイヤモンド２０の主面において、不純物濃度の最大値は１ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下が好ましく、５ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下がさらに好ましい。また、不純物濃度の最小値は１０ｐｐｂ以上１００ｐｐｍ以下が好ましく、１００ｐｐｂ以上５０ｐｐｍ以下がさらに好ましい。不純物濃度の最大値と最小値との比（最小値／最大値）は、１０－６以上０．８未満が好ましく、１０－４以上０．５以下がさらに好ましい。これによると、単結晶ダイヤモンドを加工工具の材料として使用する場合、不純物濃度の相違に由来する材料の偏摩耗が、面方位の相違に由来する偏摩耗と相殺されて、工具全体としての偏摩耗を防ぐことができる。
　単結晶ダイヤモンド２０において、主面に対するイオン注入層を有する側面の角度は、５５°以上１２５°以下であることが好ましい。これによると、側面における不純物濃度を均一とすることができる。ここで、不純物濃度が均一とは、濃度の幅が平均値より－２０％～＋２０％の範囲内であることを意味する。
　単結晶ダイヤモンド２０の主面に存在する不純物は、窒素、ホウ素、アルミニウム、ケイ素、リン及び硫黄からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を含むことが好ましい。これらの不純物は、ダイヤモンド中に混入しても、ダイヤモンドの結晶性を大きく崩すことなく、工具性能に適した欠陥を適度に生じさせるためである。中でも、不純物は、窒素及びホウ素の少なくともいずれかを含むことが好ましい。
　実施の形態２の単結晶ダイヤモンドの製造方法について、図６Ａ乃至図６Ｃを用いて説明する。図６Ａ乃至図６Ｃは、実施の形態２の単結晶ダイヤモンドの製造方法の一例を示す図である。本実施の形態において、単結晶ダイヤモンドの製造方法は、気相合成法により、結晶成長方向に沿って不純物濃度が変化する合成単結晶ダイヤモンドを得る工程と、前記合成単結晶ダイヤモンドを、前記結晶成長方向に沿って切断する工程とを備える。
　初めに、図６Ａに示されるように、主面から一定の深さにイオン注入層３を含む単結晶ダイヤモンド基板２４を準備する。単結晶ダイヤモンド基板２４は、たとえば平板形状を有し、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（タイプ：Ｉｂ）に、イオン注入を行って作製することができる。単結晶ダイヤモンド基板２４の表面２４ａは、イオン注入前の単結晶基板の結晶性を、気相合成法によるエピタキシャル成長が可能な程度に維持している。
　注入エネルギーは、８０ｋｅＶ以上１００００ｋｅＶ以下が好ましく、１８０ｋｅＶ以上３５０ｋｅＶ以下がさらに好ましい。照射量は、３×１０１５個/ｃｍ２以上５×１０１７個/ｃｍ２以下が好ましく、1×１０１６個/ｃｍ２以上１×１０１７個/ｃｍ２以下がさらに好ましい。注入エネルギーおよび照射量が前記範囲であると、基板２４の主面の結晶性を、気相合成法によるエピタキシャル成長が可能な程度に維持したまま、基板２４の内部にイオン注入層３を形成することができる。
　イオン注入されるイオンとしては、炭素イオン、ホウ素イオン、窒素イオン、アルゴンイオン、リンイオン、ケイ素イオン、硫黄イオンからなる群より選択される少なくとも１種を用いることができる。
　次に、ダイヤモンド単結晶基板２４を、ＣＶＤ装置のチャンバ内に配置し、気相合成法により、結晶成長方向に沿って不純物濃度が変化する合成単結晶ダイヤモンドを得る（図６Ｂ）。具体的には、チャンバ内に炭素を含むガスを導入しながら、単結晶ダイヤモンド基板２４の主面上にＣＶＤ法により合成単結晶ダイヤモンドをエピタキシャル成長させる。
　ガス中の炭素は合成ダイヤモンド単結晶の炭素源になる。炭素を含むガスとしては、たとえばＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ２、ＣＨ３ＯＨ、Ｃ２Ｈ５ＯＨ、（ＣＨ３）２ＣＯなどを用いることができる。なお、これらのガスに加えて、ＣＯ、ＣＯ２も用いることもできる。中でも、ＣＨ４を用いることがダイヤ膜形成の前駆体となる炭素ラジカルが生成されやすいとされている点から好ましい。
　単結晶ダイヤモンド基板２４上に合成ダイヤモンド単結晶を成長させる際に、イオン注入層３に存在するイオンが合成ダイヤモンド単結晶中に拡散し、合成ダイヤモンド中の不純物となる。したがって、合成ダイヤモンド単結晶において、イオン注入層３から結晶成長方向に沿った距離の増加に伴い、不純物濃度が漸減する。
　上記のガスを導入しながら、チャンバ内の圧力をたとえば６．６ｋＰａ～２６．６ｋＰａに制御し、マイクロ波パワーを導入して、チャンバ内温度を８００℃～１２００℃に加熱した上で、単結晶ダイヤモンド基板２４の主面上に合成単結晶ダイヤモンドをエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長層の形成方法は、たとえばマイクロ波プラズマＣＶＤ法（ＭＰ－ＣＶＤ法）、熱フィラメント（ＨＦ：Hot　Filament）ＣＶＤ法やＤＣプラズマ法などを用いることができる。
　次に、図６Ｃの破線で示されるように、合成単結晶ダイヤモンドを、結晶成長方向に沿って切断する。合成単結晶ダイヤモンドの切断は、レーザー切断によって行うことができる。続いて、合成単結晶ダイヤモンドと、単結晶ダイヤモンド基板２４とを、イオン注入層３を電気化学的にエッチングを用いて分離し、単結晶ダイヤモンドを得る。得られた単結晶ダイヤモンドは、合成単結晶ダイヤモンドの結晶成長方向に平行な面を主面として有し、側面にはイオン注入層を有する。したがって、単結晶ダイヤモンドは、主面において、結晶成長方向に沿って不純物濃度が変化している。
　＜実施の形態３＞
　実施の形態３の切削バイトについて、図７Ａ乃至図７Ｄを用いて説明する。図７Ａは、実施の形態３の切削バイト６を用いた被削材５の切削を示す図である。図７Ｂは、被削材５を切削後の実施の形態３の切削バイト６を示す図である。
　実施の形態３の切削バイト６は、実施の形態１の単結晶ダイヤモンド１０を用いて作製される。具体的には、切削バイト６は、単結晶ダイヤモンド１０の主面を切削バイト６のすくい面８とし、単結晶ダイヤモンド１０の側面のうち、主面において第１の方向（Ｘ軸方向）に直交する第２の方向（Ｙ軸方向）に平行な側面を切削バイト６の逃げ面９として作製されることが好ましい。すなわち、切削バイトのすくい面８における単結晶ダイヤモンドの不純物濃度の変化量は、切削バイトの逃げ面９における単結晶ダイヤモンドの不純物濃度の変化量よりも大きいことが好ましい。
　切削バイト６において、すくい面８に対する逃げ面９の角度は、５５°以上９０°以下であることが好ましい。例えば、単結晶ダイヤモンド１０において、主面に対する側面の角度が５５°以上９０°以下となるようにレーザ加工することにより、すくい面８に対する逃げ面９の角度を前記の範囲に調整することができる。図７Ｃに示されるように、すくい面８に対する逃げ面９の角度と、主面に対する不純物濃度の略均一な面との角度が、一致していることが好ましい。また、図７Ｄの切削バイトの上面図に示されるように、不純物の濃度変化の方向は、工具の先端曲面の面方位Ａに合わせるのがよい。すなわち、図７Ｄの面方位Ａと面方位Ｂの摩耗率が、Ａ＞Ｂの場合、不純物濃度[１]の領域と、不純物濃度[２]の領域の摩耗率を、[１]＜[２]とするのがよい。一方、Ａ＜Ｂの場合は、[１]＞[２]とするのがよい。さらに、濃度変化に周期性があると、工具を再研磨して使用する場合に、同じ濃度変化の状況を繰り返し作製できるので、好都合である。
　図７Ａに示されるように、切削バイト６を用いて被削材５を切削する際、切削バイト６の不純物高濃度領域１のみが被削材５と接触する。不純物高濃度領域１では、不純物濃度が一定範囲内に制御されているため、単結晶ダイヤモンドの結晶性がほぼ均一である。したがって、被削材５の切削時に、逃げ面９で偏摩耗が発生することなく、被削材を均一に加工することができる。
　一方、切削バイト６の面方位の異なる複数の面が、被削材と接触する場合は、切削バイト６は、不純物濃度の異なる部分に渡って被削材と接していることが好ましい。これによって偏摩耗を防ぐことができる。
　＜実施の形態４＞
　実施の形態４の切削バイトについて、図８Ａ乃至図８Ｄを用いて説明する。図８Ａは、実施の形態４の切削バイト２６を用いた被削材５の切削を示す図である。図８Ｂは、被削材５を切削後の実施の形態４の切削バイト２６を示す図である。
　実施の形態４の切削バイト２６は、実施の形態２の単結晶ダイヤモンド２０を用いて作製される。具体的には、切削バイト２６は、単結晶ダイヤモンド２０の主面を切削バイト２６のすくい面８とし、単結晶ダイヤモンド２０の側面のうち、イオン注入層３が配置された側面を切削バイト２６の逃げ面９として作製されることが好ましい。すなわち、切削バイトのすくい面における単結晶ダイヤモンドの不純物濃度の変化量は、切削バイトの逃げ面における単結晶ダイヤモンドの不純物濃度の変化量よりも大きいことが好ましい。
　切削バイト２６において、すくい面８に対する逃げ面９の角度は、５５°以上９０°以下であることが好ましい。例えば、単結晶ダイヤモンド２０において、主面に対するイオン注入層３が配置された側面の角度が５５°以上９０°以下となるようにレーザ加工することにより、すくい面８に対する逃げ面９の角度を前記の範囲に調整することができる。図８Ｃに示されるように、すくい面８に対する逃げ面９の角度と、主面に対する不純物濃度の略均一な面との角度が、一致していることが好ましい。また、図８Ｄの切削バイトの上面図に示されるように、不純物の濃度変化の方向は、工具の先端曲面の面方位Ａに合わせるのがよい。すなわち、図８Ｄの面方位Ａと面方位Ｂの摩耗率が、Ａ＞Ｂの場合、不純物濃度[１]の領域と、不純物濃度[２]の領域の摩耗率を、[１]＜[２]とするのがよい。一方、Ａ＜Ｂの場合は、[１]＞[２]とするのがよい。さらに、濃度変化に周期性があると、工具を再研磨して使用する場合に、同じ濃度変化の状況を繰り返し作製できるので、好都合である。
　図８Ａに示されるように、切削バイト２６を用いて被削材５を切削する際、切削バイト２６のイオン注入層３のみが被削材５と接触する。イオン注入層３では、不純物濃度が一定範囲内に制御されているため、単結晶ダイヤモンドの結晶性がほぼ均一である。したがって、被削材５の切削時に、逃げ面９で偏摩耗が発生することなく、被削材を均一に加工することができる。
　一方、切削バイト６の面方位の異なる複数の面が、被削材と接触する場合は、切削バイト６は、不純物濃度の異なる部分に渡って被削材と接していることが好ましい。これによって偏摩耗を防ぐことができる。
　＜実施の形態５＞
　実施の形態５の線引きダイスについて、図９Ａ乃至図９Ｃを用いて説明する。図９Ａは、実施の形態５の線引きダイス７の平面図である。図９Ｂは、伸線加工に用いた後の実施の形態５の線引きダイス７を示す図である。
　実施の形態５の線引きダイス７は、実施の形態１の単結晶ダイヤモンド１０を用いて作製される。具体的には、線引きダイス７は、単結晶ダイヤモンド１０の主面を線引きダイス７の主面とし、単結晶ダイヤモンド１０の主面に垂直な方向に沿って、対向する一組の主面同士を貫通する穴が形成されていることが好ましい。
　線引きダイス７は、穴の中心が不純物高濃度領域１にあり、穴の外縁を形成する主面上の円周において、穴の中心から単結晶ダイヤモンド１０の第２の方向（Ｙ軸方向）に沿った２つの最遠点は、それぞれ単結晶ダイヤモンド１０の不純物高濃度領域１に位置し、穴の中心から単結晶ダイヤモンド１０の第１の方向（Ｘ軸方向）に沿った２つの最遠点は、それぞれ単結晶ダイヤモンド１０の主面の不純物低濃度領域２に位置することが好ましい。これによると、線引きダイス７を用いた伸線加工時に、線引きダイス７の偏摩耗を抑制できる。したがって、伸線加工後の線引きダイス７においても、穴の真円度が崩れにくく、主面において、穴の外縁が円形を保持することができる。
　線引きダイス７は、穴の中心が、単結晶ダイヤモンド１０の不純物高濃度領域１の第２の方向（Ｙ軸方向）に沿った対称軸上に位置することが好ましい。また、線引きダイス７の主面における第１方向（Ｘ軸方向）に沿った不純物濃度が、穴の中心を通り、第２の方向（Ｙ軸方向）に沿った線を対称軸として、対称性を持って変化していることが好ましい。これによると、線引きダイス７を用いた伸線加工時に、線引きダイス７の偏摩耗を効果的に抑制できる。
　不純物高濃度領域１と不純物低濃度領域２とは、光学的な透過率が異なることが好ましい。これは、レーザーあるいは光学顕微鏡を使って、不純物領域の位置を数値的に把握することができ、そのいずれか都合の良い方を選んで、穴をあけることができるからである。光学的な透過率が近似している場合でも、主面の幾何学的中心が、不純物高濃度領域又は不純物低濃度領域であるかが分かるようにしておけば、そのいずれか都合の良い方を選んで、穴をあけることができる。
　上記では、線引きダイス７の主面において、不純物高濃度領域１の両側に、不純物低濃度領域２が配置されている場合を説明したが、不純物高濃度領域１と不純物低濃度領域２の配置は、逆であっても構わない。
　図９Ｃに示されるように、線引きダイス７は、不純物濃度[１]の領域と、不純物濃度［２］の領域の摩耗率が、[１]＜[２]の場合、面方位Ａと、面方位Ｂの摩耗率が、[Ｂ]＞[Ａ]であることが好ましい。一方、[１]＞[２]の場合は、[Ｂ]＜[Ａ]であることが好ましい。ここで、不純物濃度[１]の領域は不純物高濃度領域１である場合もあり、不純物低濃度領域２である場合もある。これによると、線引きダイス７を用いた伸線加工時に、線引きダイス７の偏摩耗を抑制できる。したがって、伸線加工後の線引きダイス７においても、穴の真円度が崩れにくく、主面において、穴の外縁が円形を保持することができる。
　本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。ただし、これらの実施例により本発明が限定されるものではない。
　［実施例１］
　（単結晶ダイヤモンド）
　５ｍｍ×５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの人工Ｉｂ型単結晶｛１００｝基板を用意して、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によるエピタキシャル成長を行った。基板温度は１１００℃、圧力１００ｔｏｒｒでおこなった。導入したガスはメタン１５０ｓｃｃｍ（Standard　Cubic　cm）、水素１０００ｓｃｃｍとした。単結晶ダイヤモンドの成長厚が０．７ｍｍ～１ｍｍの範囲になるように成長を行った。
　単結晶ダイヤモンドの成長時に添加する窒素ガスは、１００％窒素ガス、又は、水素で希釈した１％窒素ガスを用いた。１００％窒素ガスと、１％窒素ガスとは、交互に導入した。片方の窒素ガスが流れているときは、他方の窒素ガスの流量はゼロとした。各窒素ガスの流量（０．１～５ｓｃｃｍ）、及び、導入時間を変化させることにより、成長膜中に含まれる不純物濃度を制御した。
　試料１～４では、得られた合成単結晶ダイヤモンドを、不純物濃度の均一な面に垂直な方向に沿って切断し（図３Ｃ参照）、０．８ｍｍ厚みの単結晶ダイヤモンドを得た。試料５０、５１では、得られた合成単結晶ダイヤモンドを、不純物濃度の均一な面に平行な方向に沿って切断し（図１０Ａ参照）、０．８ｍｍ厚みの単結晶ダイヤモンドを得た。試料５２は、窒素ガスを導入せずに単結晶ダイヤモンドを成長させた後、０．８ｍｍ厚みの単結晶ダイヤモンドを切り出した。
　得られた単結晶ダイヤモンドの主面について、二次イオン質量分析法により、炭素原子に対する窒素原子（不純物）含有量の計測を行った。結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　試料１～４では、主面において、窒素濃度の高濃度領域と低濃度領域とが、繰り返して分布していた。
　試料１～４の不純物高濃度条件と同じである試料５２において、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）により孤立置換型窒素濃度を調べたところ、８００ｐｐｂであり、全窒素の１％以下であった。
　（切削バイト）
　試料１，２，５０の単結晶ダイヤモンドを用いて、切削バイトを作製した。具体的には、図７Ａ乃至図７Ｄに示されるように、単結晶ダイヤモンドの主面を切削バイトのすくい面とし、単結晶ダイヤモンドの側面のうち、主面において第１の方向（Ｘ軸方向）に直交する方向（Ｚ軸方向）に平行な側面を切削バイトの逃げ面として作製した。切削バイトの先端角は全て８０°とし、先端Ｒ、先端位置、先端径の中心位置は表２の通りとした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　得られた切削バイトを用いて、以下の条件で切削加工を行った。
　被削材：Ａ４０３２（Ａｌ-Ｓｉ系材料）
　切削速度：６００ｍ／ｍｉｎ
　切削距離：２０ｋｍ
　送り速度：２μｍ／ｒｅｖ
　取り代：２μｍ
　試料１，２の切削バイトは、均一に摩耗し、欠損は生じなかった。被削材は滑らかに均一に加工されており、傷は発生していなかった。さらに、試料１，２のすくい面の曲面を観察すると、曲面が加工前の真円度を維持していた。すなわち偏摩耗の非常に少ない摩耗であった。
　試料５０の切削バイトは、試料１，２に比べて、被削材は表面が荒れていた。すくい面を観察すると、曲面が加工前から大きく偏摩耗していた。
　（線引きダイス）
　試料３，４，５１，５２の単結晶ダイヤモンドを用いて、線引きダイスを作製した。具体的には、図９Ａ乃至図９Ｃに示されるように、線引きダイスは、単結晶ダイヤモンドの主面を線引きダイスの主面とし、単結晶ダイヤモンドの主面に垂直な方向に沿って、対向する一組の主面同士を貫通する穴が形成されている。穴直径、穴の中心位置は表３の通りとした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　得られた線引きダイスを用いて、以下の条件で伸線加工を行った。
　被伸線材：ＳＵＳ３０６
　伸線速度：６００ｍ／ｍｉｎ
　伸線距離：２０ｋｍ
　試料３，４の線引きダイスは、均一に摩耗し、穴の偏摩耗は非常に少なかった。被伸線材は滑らかに均一に加工されており、伸線材には傷は発生していなかった。
　試料５１、５２の線引きダイスは、穴の偏摩耗が大きく（真円度が大きく）なった。
　［実施例２］
　（単結晶ダイヤモンド）
　５ｍｍ×５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの人工Ｉｂ型単結晶｛１００｝基板を用意して、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によるエピタキシャル成長を行った。基板温度は１１００℃、圧力１００ｔｏｒｒでおこなった。導入したガスはメタン１５０ｓｃｃｍ（Standard　Cubic　cm）、水素１０００ｓｃｃｍとした。単結晶ダイヤモンドの成長厚が０．７ｍｍ～１ｍｍの範囲になるように成長を行った。
　単結晶ダイヤモンドの成長時に添加するジボランガス（水素希釈１００ｐｐｍ）は、流量５ｓｃｃｍと０ｓｃｃｍとを、それぞれの導入時間を制御して交互に繰り返して導入した。
　試料１１～１４では、得られた合成単結晶ダイヤモンドを、不純物濃度の均一な面に垂直な方向に沿って切断し（図３Ｃ参照）、０．８ｍｍ厚みの単結晶ダイヤモンドを得た。試料６０、６１では、得られた合成単結晶ダイヤモンドを、不純物濃度の均一な面に平行な方向に沿って切断し（図１０Ａ参照）、０．８ｍｍ厚みの単結晶ダイヤモンドを得た。試料６２は、ジボランガスを導入せずに単結晶ダイヤモンドを成長させた後、０．８ｍｍ厚みの単結晶ダイヤモンドを切り出した。
　得られた単結晶ダイヤモンドの主面について、二次イオン質量分析法により、炭素原子に対するボロン原子（不純物）含有量の計測を行った。結果を表４に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　試料１１～１４では、主面において、ボロン濃度の高濃度領域と低濃度領域とが、繰り返して分布していた。
　（切削バイト）
　試料１１，１２，６０の単結晶ダイヤモンドを用いて、切削バイトを作製した。具体的には、図７Ａ乃至図７Ｄに示されるように、単結晶ダイヤモンドの主面を切削バイトのすくい面とし、単結晶ダイヤモンドの側面のうち、主面において第１の方向（Ｘ軸方向）に直交する方向（Ｚ軸方向）に平行な側面を切削バイトの逃げ面として作製した。切削バイトの先端角は全て８０°、先端Ｒ、先端位置、先端径の中心位置は表５の通りとした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　得られた切削バイトを用いて、以下の条件で切削加工を行った。
　被削材：Ａ４０３２（Ａｌ-Ｓｉ系材料）
　切削速度：６００ｍ／ｍｉｎ
　切削距離：２０ｋｍ
　送り速度：２μｍ／ｒｅｖ
　取り代：２μｍ
　試料１１，１２の切削バイトは、均一に摩耗し、欠損は生じなかった。被削材は滑らかに均一に加工されており、傷は発生していなかった。さらに、試料１１，１２のすくい面の曲面を観察すると、曲面が加工前の真円度を維持していた。すなわち偏摩耗の非常に少ない摩耗であった。
　試料６０の切削バイトは、試料１１，１２に比べて、被削材は表面が荒れていた。すくい面を観察すると、曲面が加工前から大きく偏摩耗していた。
　（線引きダイス）
　試料１３，１４，６１，６２単結晶ダイヤモンドを用いて、線引きダイスを作製した。具体的には、図９Ａ乃至図９Ｃに示されるように線引きダイスは、単結晶ダイヤモンドの主面を線引きダイスの主面とし、単結晶ダイヤモンドの主面に垂直な方向に沿って、対向する一組の主面同士を貫通する穴が形成されている。穴直径、穴の中心位置は表６の通りとした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　得られた線引きダイスを用いて、以下の条件で伸線加工を行った。
　被伸線材：ＳＵＳ３０６
　伸線速度：６００ｍ／ｍｉｎ
　伸線距離：２０ｋｍ
　試料１３，１４の線引きダイスは、均一に摩耗し、穴の偏摩耗は非常に少なかった。被伸線材は滑らかに均一に加工されており、伸線材には傷は発生していなかった。
　試料６１、６２の線引きダイスは、穴の偏摩耗が大きく（真円度が大きく）なってしまった。
　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実施の形態ではなく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は、切削工具、研削工具、耐摩工具などの工具に用いると有益である。
１　不純物高濃度領域、２　不純物低濃度領域、３　イオン注入層、４，２４　単結晶ダイヤモンド基板、５　被削材、６，２６　切削バイト、７　線引きダイス、８　すくい面、９　逃げ面、１０，２０　単結晶ダイヤモンド。

Claims (15)

  1. 　対向する一組の主面を備え、
    　前記主面において、第１の方向に沿って不純物濃度が変化する、
    　単結晶ダイヤモンド。
  2. 　前記主面において、前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って、前記不純物濃度は略均一である、
    　請求項１に記載の単結晶ダイヤモンド。
  3. 　前記主面において、前記第１の方向と前記第２の方向とは、結晶方位が異なる、
    　請求項１又は請求項２に記載の単結晶ダイヤモンド。
  4. 　前記不純物濃度は、１０ｐｐｂ以上１００００ｐｐｍ以下である、
    　請求項１又は請求項２に記載の単結晶ダイヤモンド。
  5. 　前記不純物濃度は前記第１の方向に沿って周期性を有し、前記主面における一周期の距離は０．１μｍ以上１０００μｍ以下である、
    　請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド。
  6. 　前記不純物濃度は、前記第１の方向に沿って中心対称性を有する、
    　請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド。
  7. 　前記単結晶ダイヤモンドは、前記第２の方向に沿った側面にイオン注入層を有する、
    　請求項２～請求項５のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド。
  8. 　前記主面に対する前記側面の角度は、５５°以上１２５°以下である、
    　請求項７に記載の単結晶ダイヤモンド。
  9. 　前記不純物は、窒素、ホウ素、アルミニウム、ケイ素、リン及び硫黄からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を含む、
    　請求項１～請求項８のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド。
  10. 　請求項１～請求項９のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンドを備える、工具。
  11. 　前記工具は切削バイトであり、
    　前記切削バイトの逃げ面における前記単結晶ダイヤモンドの不純物濃度の変化量は、前記切削バイトのすくい面における前記単結晶ダイヤモンドの不純物濃度の変化量よりも小さい、
    　請求項１０に記載の工具。
  12. 　前記工具は切削バイトであり、
    　前記切削バイトのすくい面において、面方位の相違に由来する摩耗率の相違と、不純物濃度の相違に由来する摩耗率の相違とが相殺する関係を有する、
    　請求項１０又は１１に記載の工具。
  13. 　前記工具は線引きダイスであり、
    　前記単結晶ダイヤモンドの主面に垂直な方向に沿って、前記対向する一組の主面同士を貫通する穴が形成される、
    　請求項１０に記載の工具。
  14. 　前記工具は線引きダイスであり、
    　前記単結晶ダイヤモンドの主面に平行な方向において、面方位の相違に由来する摩耗率の相違と、不純物濃度の相違に由来する摩耗率の相違とが相殺する関係を有する、
    　請求項１０又は１３に記載の工具。
  15. 　請求項１～請求項９のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンドの製造方法であって、
    　気相合成法により、結晶成長方向に沿って不純物濃度が変化する合成単結晶ダイヤモンドを得る工程と、
    　前記合成単結晶ダイヤモンドを、前記不純物濃度が変化する方向に切断する工程とを備える、
    　単結晶ダイヤモンドの製造方法。
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