金刚石单晶、其制造方法以及单晶金刚石工具技术

根据本发明专利技术的金刚石单晶是利用化学气相合成法合成且对波长为350nm的光具有25cm-1以上且80cm-1以下的吸收系数的金刚石单晶。根据本发明专利技术的制造金刚石单晶的方法包括：将碳以外的离子注入至金刚石单晶籽晶基板的主面中，从而降低波长为800nm的光的透射率，所述主面相对于{100}面具有7°以下的偏角，并在气相中含碳分子的数目NC对氢分子的数目NH的比NC/NH为10％以上且40％以下，气相中氮分子的数目NN对含碳分子的数目NC的比NN/NC为0.1％以上且10％以下，且籽晶基板温度T为850℃以上且小于1000℃的合成条件下，利用化学气相合成法在所述籽晶基板的离子注入后的主面上均相外延生长金刚石单晶。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】金刚石单晶、其制造方法以及单晶金刚石工具
本专利技术涉及用于切削工具、耐磨工具、精密工具、散热构件、半导体装置用基板和光学部件的金刚石单晶，制造金刚石单晶的方法，以及用于汽车部件的旋削加工、光学部件的镜面加工、球面加工和微细开槽加工的单晶金刚石工具特别是单晶金刚石切削工具。
技术介绍
因为其优异的特性如高硬度、高热导率、高透光率和宽带隙，金刚石被广泛用作各种工具、光学部件、半导体和电子部件的材料，并在未来会变得更加重要。除了使用天然金刚石之外，还将具有稳定品质的合成金刚石主要用于工业应用中。目前，大部分合成金刚石单晶在金刚石以稳定状态存在的条件下，即在约1100～2900℃范围内的温度和在至少几万大气压的压力下工业合成。除了高温高压合成法之外，另一种确立的金刚石合成方法是气相合成法。随着近来使用气相合成法制造的金刚石单晶，即化学气相沉积(CVD)金刚石单晶的制造技术的发展，如非专利文献1和专利文献1中所述，用于工具和光学应用以及珠宝的金刚石已经被商业化生产。例如，将单晶金刚石工具用于在汽车、光学装置和电子设备中使用的非铁金属如铝合金和铜合金以及塑料如丙烯酸类树脂的镜面加工和精密加工。由于单晶金刚石工具通常比在比较粗糙的加工中经常使用的烧结金刚石工具更贵，所以例如，在专利文献2中提出了便宜且改进的单晶金刚石工具。在金刚石单晶的工业应用中，主要将比较大的毫米或厘米尺寸的单晶用于切削工具如车刀、修整器和平铣刀。这些金刚石单晶用于工业基础加工如磨石的修整、非铁金属的超精密加工和树脂的镜面加工。因此，持续且稳定地供给金刚石单晶是重要的。如上所述，将单晶金刚石工具如切削工具(车刀)、修整器和平铣刀用于工业基础加工中。因此稳定地供给用于这些单晶金刚石工具的金刚石单晶是重要的。占据大部分工业金刚石的商业天然金刚石单晶的价格和量的波动是与稳定供给相反的因素。因为天然金刚石的储量有限，随着采矿的进行天然金刚石的储量下降。天然金刚石的储量下降会造成商业天然金刚石单晶的价格升高或者其量减少。因此，预期合成金刚石单晶的作用变得更重要。此外，天然金刚石单晶会逐渐被CVD金刚石单晶代替。然而，在工业应用中，特别是在切削工具应用中，现有的CVD金刚石单晶不如高压合成金刚石单晶普及。这是因为，CVD金刚石单晶的韧性低于天然金刚石单晶和高温高压合成Ib型金刚石单晶，并且存在如下技术问题：难以将CVD金刚石单晶加工成工具如车刀或平铣刀的形状，或者在工件的加工期间倾向于形成碎屑或裂纹。这与如下情况类似：因为与高温高压合成Ib型金刚石单晶相比晶体中的氮杂质量少，因而比较脆的高温高压合成IIa型金刚石单晶很少用于切削工具应用，尽管其可能比较高硬度和长寿命。引用列表专利文献专利文献1：日本特许第4344244号公报专利文献2：日本特开2008-207334号公报非专利文献非专利文献1：RizwanU.A.Khanetal.，ColoralterationsinCVDsyntheticdiamondwithheatandUVexposure：implicationsforcolorgradingandidentification，Gem&Gemology，spring2010pp.18-26
技术实现思路
技术问题如上所述，已知的CVD金刚石单晶具有比天然金刚石或高温高压合成Ib型金刚石更低的韧性，难以加工和可能具有裂纹或碎屑，其应用范围受到限制。与包含天然金刚石或高温高压合成Ib型金刚石的工具相比，包含已知的CVD金刚石单晶的单晶金刚石工具在切削期间更容易破裂或碎裂。这些问题是CVD金刚石单晶的应用受限的原因。本专利技术的目的是解决相关领域的这种问题并提供具有高硬度和高韧性、在工具的制造中易于加工、具有与包含天然金刚石或高温高压合成Ib型金刚石的工具相等或更高的耐破裂或耐碎裂性、在切削时具有长寿命和高抗断裂性的金刚石单晶，单晶金刚石工具和制造金刚石单晶的方法。解决问题的手段为了解决上述问题，本专利技术包括下列方面。(1)根据本专利技术的金刚石单晶是利用化学气相合成法合成的，且对波长为350nm的光具有25cm-1以上且80cm-1以下的吸收系数的金刚石单晶。(5)根据本专利技术的制造金刚石单晶的方法包括：将碳以外的离子注入至金刚石单晶籽晶基板的主面中，从而降低波长为800nm的光的透射率，所述主面相对于{100}面具有7°以下的偏角；和在气相中含碳分子的数目NC对氢分子的数目NH的比NC/NH为10％以上且40％以下，气相中氮分子的数目NN对含碳分子的数目NC的比NN/NC为0.1％以上且10％以下，且籽晶基板温度T为850℃以上且小于1000℃的合成条件下，利用化学气相合成法在所述籽晶基板的离子注入后的主面上均相外延生长金刚石单晶。所述含碳分子的数目是指当含碳分子为甲烷气体时甲烷分子的数目或者当含碳分子为乙烷气体时乙烷分子的数目。(9)根据本专利技术的金刚石单晶是具有由金刚石单晶制成的刀尖的单晶金刚石工具。所述刀尖具有由所述金刚石的主面形成的前刀面，且所述主面对波长为350nm的光具有小于25cm-1的吸收系数。专利技术有利效果本专利技术可以提供具有高硬度和高韧性、在工具的制造中易于加工、具有与包含天然金刚石或高温高压合成Ib型金刚石的工具的耐破裂或耐碎裂性相等或更高的耐破裂或耐碎裂性、且在切削时具有长寿命和高抗断裂性的金刚石单晶，单晶金刚石工具和制造金刚石单晶的方法。附图说明[图1]图1是在根据本专利技术的制造方法中使用的籽晶基板的图。[图2]图2是根据本专利技术的单晶金刚石工具的结构的图。[图3]图3是在实施例中制造的单晶金刚石切削工具的结构的示意图。具体实施方式首先，下面列出本专利技术的实施方式。(1)根据本专利技术的金刚石单晶是利用化学气相合成法合成的，且对波长为350nm的光具有25cm-1以上且80cm-1以下的吸收系数的金刚石单晶。(2)在根据(1)的金刚石单晶中，所述吸收系数优选为30cm-1以上且80cm-1以下。与天然金刚石或高温高压合成Ib型金刚石相比，由利用例如紫外可见分光光度计测定的透射率确定的光吸收系数(波长350nm)为25cm-1以上且80cm-1以下的金刚石单晶具有相等或更高的加工性和耐破裂或耐碎裂性。另外，发现与天然金刚石或高温高压合成Ib型金刚石相比，对波长为350nm的光具有30cm-1以上且80cm-1以下的吸收系数的金刚石单晶具有更高的加工性和耐破裂或耐碎裂性。(3)根据本专利技术的金刚石单晶是通过气相合成制造的金刚石单晶。所述金刚石单晶包含对波长为350nm的光具有不同吸收系数的两层以上金刚石单晶层。具有一个主面的一个金刚石单晶层对波长为350nm的光具有小于25cm-1的吸收系数，且具有另一个主面的另一个金刚石单晶层对波长为350nm的光具有25cm-1以上且80cm-1以下的吸收系数。所述两层以上金刚石单晶层中的任意者对波长为350nm的光都具有80cm-1以下的吸收系数。发现当具有一个主面的金刚石单晶层对波长为350nm的光具有小于25cm-1的吸收系数，具有另一个主面的金刚石单晶层对波长为350nm的光具有25cm-1以上且80cm-1以下的吸收系数，且所述两层以上金刚石单晶层中的任意者对波长为350nm的光都具有80cm-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金刚石单晶，其是利用化学气相合成法合成的，且对波长为350nm的光具有25cm‑1以上且80cm‑1以下的吸收系数。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.06.29 JP 2012-146444;2012.07.06 JP 2012-152501.一种金刚石单晶，其是利用化学气相合成法合成的，且对波长为350nm的光具有35cm-1以上且80cm-1以下的吸收系数。2.根据权利要求1的金刚石单晶，其中所述吸收系数为35cm-1以上且64cm-1以下。3.一种金刚石单晶，其是通过气相合成法制得的，其中所述金刚石单晶包含对波长为350nm的光具有不同吸收系数的两层以上金刚石单晶层，具有一个主面的一个金刚石单晶层对波长为350nm的光具有小于25cm-1的吸收系数，且具有另一个主面的另一个金刚石单晶层对波长为350nm的光具有25cm-1以上且80cm-1以下的吸收系数，并且所述两层以上金刚石单晶层中的任意者对波长为350nm的光都具有80cm-1以下的吸收系数。4.根据权利要求3的金刚石单晶，其中所述金刚石单晶包含两层以上金刚石单晶层，且从具有一个主面且对波长为350nm的光具有小于25cm-1的吸收系数的金刚石单晶层向具有另一个主面且对波长为350nm的光具有25cm-1以上且80cm-1以下的吸收系数的金刚石单晶层，对波长为350nm的光的吸收系数单调增加。5.一种制造金刚石单晶的方法，包括：将碳以外的离子注入至金刚石单晶籽晶基板的主面中，从而降低波长为800nm的光的透射率，所述主面相对于{100}面具有7°以下的偏角；和在气相中含碳分子的数目NC对氢分子的数目NH的比NC/NH为10％以上且40％以下，气相中氮分子的数目NN对含碳分子的数目NC的比NN/N...

【专利技术属性】
技术研发人员：植田晓彦，西林良树，角谷均，
申请(专利权)人：住友电气工业株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP