金刚石单晶、其制造方法以及单晶金刚石工具的制作方法

金刚石单晶、其制造方法以及单晶金刚石工具的制作方法
【专利摘要】根据本发明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。
【专利说明】金刚石单晶、其制造方法w及单晶金刚石工具

【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于切削工具、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，W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。

【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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W稳定状态存在的条件下，即在约1100? 290(TC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W及珠宝的金刚石已经被商业化生产。
[0004] 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 铅合金和铜合金W及塑料如丙帰酸类树脂的镜面加工和精密加工。由于单晶金刚石工具通 常比在比较粗趟的加工中经常使用的烧结金刚石工具更贵，所W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。
[0005] 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、修整器和平就刀。该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。
[0006] 如上所述，将单晶金刚石工具如切削工具（车刀）、修整器和平就刀用于工业基础 加工中。因此稳定地供给用于该些单晶金刚石工具的金刚石单晶是重要的。
[0007] 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。
[0008] 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。该是因为， CVD金刚石单晶的初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W将CVD金刚石单晶加工成工具如车刀或平就刀的形状，或者在工件的加 工期间倾向于形成碎屑或裂纹。该与如下情况类似：因为与高温高压合成扣型金刚石单晶 相比晶体中的氮杂质量少，因而比较脆的高温高压合成Ila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。
[0009] 引用列表
[0010] 专利文献
[0011] 专利文献1 ;日本特许第4344244号公报
[0012] 专利文献2 ;日本特开2008-207334号公报
[0013] 非专利文献
[0014] 非专利文献 1 ;I?izwan U. A. Khan et al.，Color alterations in CVD synthetic diamond with heat and UV exposure ：implications for color grading and identi円cation, Gem&Gemology, spring 2010pp.18-26


【发明内容】

[001引技术问题
[0016] 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扣型金刚石 更低的初性，难W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。该些问题是CVD金刚石单晶的应用受限的原因。
[0017] 本发明的目的是解决相关领域的该种问题并提供具有高硬度和高初性、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。
[001引解决问题的手段
[001引为了解决上述问题，本发明包括下列方面。
[0020] (1)根据本发明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25cnTi W上且SOcm4 W下的吸收系数的金刚石单晶。
[0021] (5)根据本发明的制造金刚石单晶的方法包括：将碳W外的离子注入至金刚石单 晶巧晶基板的主面中，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° W下的偏角；和在气相中含碳分子的数目Nc对氨分子的数目Nh的比Nc/Nh为10%W上 且40%W下，气相中氮分子的数目Nw对含碳分子的数目Nc的比Nw/Nc为0. 1%W上且10% W下，且巧晶基板温度T为85(TC W上且小于l〇〇(TC的合成条件下，利用化学气相合成法在 所述巧晶基板的离子注入后的主面上均相外延生长金刚石单晶。
[0022] 所述含碳分子的数目是指当含碳分子为甲焼气体时甲焼分子的数目或者当含碳 分子为己焼气体时己焼分子的数目。
[0023] (9)根据本发明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-i的吸收系数。
[0024] 发明有利效果
[00巧]本发明可W提供具有高硬度和高初性、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。

【专利附图】

【附图说明】
[0026] [图1]图1是在根据本发明的制造方法中使用的巧晶基板的图。
[0027] [图2]图2是根据本发明的单晶金刚石工具的结构的图。
[0028] [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】
[0029] 首先，下面列出本发明的实施方式。
[0030] (1)根据本发明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25cnTi W上且SOcm4 W下的吸收系数的金刚石单晶。
[003。 似在根据（1)的金刚石单晶中，所述吸收系数优选为30細1 W上且80畑14 W下。
[0032] 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35化m)为25cnTi W上且80畑14 W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 成扣型金刚石相比，对波长为350皿的光具有30cm-i W上且80cm-i W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。
[0033] (3)根据本发明的金刚石单晶是通过气相合成制造的金刚石单晶。
[0034] 所述金刚石单晶包含对波长为350皿的光具有不同吸收系数的两层W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350皿的光具有小于25cnTi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350皿的光具有25cnTi W上且 SOcm4 W下的吸收系数。所述两层W上金刚石单晶层中的任意者对波长为350nm的光都具 有SOcnfi W下的吸收系数。
[00巧]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-i的吸收 系数，具有另一个主面的金刚石单晶层对波长为350皿的光具有25cnTi W上且SOcnfi W下 的吸收系数，且所述两层W上金刚石单晶层中的任意者对波长为350nm的光都具有SOcnfi W下的吸收系数时，具有较低吸收系数的金刚石单晶层可W非常有效地实现高硬度和高初 性，且所述金刚石单晶的特性可W优于在工具应用中通常使用的高温高压合成Ib型金刚 石单晶的特性。
[0036] (4)在根据（3)的金刚石单晶中，所述金刚石单晶优选包含两层W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25cnTi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25cnTi W上且SOcnfi W下的吸收系数的金刚 石单晶层，对波长为350nm的光的吸收系数优选单调增加。
[0037] 发现当金刚石单晶包含两层W上金刚石单晶层并且从具有一个主面且对波长 为350nm的光具有小于25cnTi的吸收系数的金刚石单晶层到具有另一个主面且对波长为 350nm的光具有25cnTi W上且SOcnfi W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时，上述效果更加显著。
[0038] (5)根据本发明的制造金刚石单晶的方法包括：将碳W外的离子注入至金刚石单 晶巧晶基板的主面中，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° W下的偏角；和在气相中含碳分子的数目Nc对氨分子的数目Nh的比Nc/Nh为10%W上 且40 % W下，氮分子的数目Nw对含碳分子的数目Nc的比Nw/Nc为0. 1 % W上且10 % W下， 且巧晶基板温度T为85(TC W上且小于l〇〇(TC的合成条件下，利用化学气相合成法在所述 巧晶基板的离子注入后的主面上均相外延生长金刚石单晶。
[0039] 作为深入研究W解决上述问题的结果，本发明人发现，通过如下制造的金刚石单 晶比已知金刚石单晶具有更高的初性并且比天然金刚石或高温高压合成扣型金刚石具有 相等或更高的加工性和耐破裂或耐碎裂性：利用例如离子注入装置，经由金刚石单晶巧晶 基板的主面将碳W外的离子注入到金刚石单晶巧晶基板的比所述主面更深的位置中，破坏 金刚石单晶的晶体结构并形成石墨，从而降低波长为800nm的光的透射率，并在气相中含 碳分子的数目Nc对氨分子的数目Nh的比Nc/Nh为10% W上且40% W下，气相中氮分子的数 目Nw对含碳分子的数目Nc的比Nw/Nc为0. 1 % W上且10 % W下，且巧晶基板温度T为85(TC W上且小于l〇〇(TC的合成条件下，利用化学气相合成法如微波等离子体CVD法在离子注入 后的巧晶基板的主面上具有未被破坏的金刚石结构的表面上均相外延生长金刚石单晶。金 刚石单晶巧晶基板的主面相对于正（just) {100}面具有7° W下的偏角。将由此制造的金 刚石单晶用于切削工具或耐磨工具的刀尖可W提高工具性能如刀尖精度或耐断裂性。在所 述化学气相合成法的合成条件中，压力优选为30巧W上且400巧W下，更优选65巧W上且 小于110巧。
[0040] (6)根据巧）的制造金刚石单晶的方法优选还包括在如下条件下，利用化学气相 合成法在已均相外延生长了金刚石单晶的生长表面上均相外延生长金刚石单晶：气相中含 碳分子的数目Nc对氨分子的数目Nh的比Nc/Nh大于0%且小于10%、或者氮分子的数目Nw 对含碳分子的数目Nc的比Nw/Nc小于0. 1 %，并且巧晶基板温度T小于lOOCrC。该步骤中 的压力优选为30巧W上且400巧W下，更优选110巧W上且400巧W下。
[0041] 本发明人发现，利用气相合成法制造且对波长为350nm的光具有不同吸收系数的 金刚石单晶具有不同的硬度和初性。本发明人还发现，波长为350nm的光的吸收系数为 SOcnfi W下时，增加吸收系数导致硬度降低且初性提高。由于通过气相合成法在金刚石单 晶巧晶基板上外延生长金刚石单晶，所W可W改变合成条件从而形成包含在生长方向即在 厚度方向具有截然不同吸收系数的多个层的金刚石单晶。因此，可W形成包含具有不同吸 收系数，即不同硬度和初性的两层W上的金刚石单晶。发现在由此制造的金刚石单晶中，像 日本刀那样，利用具有高吸收系数和低硬度但是初性高的下层补偿具有低吸收系数和高硬 度但是初性低的层的初性，因此可W实现在单层金刚石单晶中未实现的高硬度和高初性。
[0042] 发现可W如上所述制造该种金刚石单晶。更具体地，可W通过如下制造该种金刚 石单晶：利用例如离子注入装置，经由金刚石单晶巧晶基板的主面将碳W外的离子注入到 金刚石单晶巧晶基板的比所述主面更深的位置中，破坏金刚石单晶的晶体结构并形成石 墨，从而降低波长为800nm的光的透射率；在气相中含碳分子的数目吨对氨分子的数目Nh 的比Nc/Nh为10%W上且40%W下，气相中氮分子的数目Nw对含碳分子的数目Nc的比V Nc为0. 1 % W上且10% W下，且巧晶基板温度T为85(TC W上且小于l〇〇(TC的合成条件下， 利用化学气相合成法如微波等离子体CVD法在离子注入后的巧晶基板的主面上具有未被 破坏的金刚石结构的表面上均相外延生长金刚石单晶；在如下条件下，利用化学气相合成 法在所述生长表面上均相外延生长金刚石单晶；Nc/Nh大于0%且小于10%或者Nw/Nc小于 0.1%，且巧晶基板温度T小于loocrc 及通过经由激光切片或对由离子注入形成的石墨 层进行电化学蚀刻而将巧晶基板与在巧晶基板上生长的金刚石单晶分离。金刚石单晶巧晶 基板的主面相对于正{100}面具有7° W下的偏角。发现在由此制造的金刚石单晶中，与已 知的CVD金刚石单晶相比，具有低吸收系数的单晶层具有更高的硬度和初性，且与天然金 刚石或高温高压合成Ib型金刚石相比，金刚石单晶具有更高的加工性和耐破裂或耐碎裂 性。
[004引 （7)在根据妨或做的制造金刚石单晶的方法中，所述偏角优选为3° W下，更 优选0.5° W下。
[0044] 发现当所述金刚石单晶巧晶基板的主面相对于正{100}面具有3° W下，优选 0. 5° W下的偏角时，在作为均相外延生长的生长模式的岛状生长和阶梯流动生长中，与其 中所述金刚石单晶巧晶基板的主面具有7° W下的偏角的情况相比，可W进一步抑制作为 低初性的原因的阶梯流动生长，因此与天然金刚石或高温高压合成扣型金刚石相比，所述 金刚石单晶具有更高的加工性和耐破裂或耐碎裂性。
[0045] (8)根据（5)?（7)中任一项的制造金刚石单晶的方法优选还包括将所述巧晶基 板与在所述巧晶基板上均相外延生长的金刚石单晶分离。
[0046] 在所述巧晶基板上均相外延生长金刚石单晶之后，可W通过经由激光切片或对由 离子注入形成的石墨层进行电化学蚀刻而将巧晶基板与在巧晶基板上生长的金刚石单晶 分离。该种将所述巧晶基板与所述金刚石单晶分离的步骤使得可W将巧晶基板再利用。
[0047] (9)根据本发明的单晶金刚石工具是具有由根据（3)或（4)的金刚石单晶制成的 刀尖的单晶金刚石工具。所述刀尖具有由所述金刚石单晶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25cnTi的吸收系数。
[0048] 在包含多个具有不同吸收系数的金刚石单晶层的所得金刚石单晶中，具有低吸收 系数的单晶层具有在单层金刚石单晶中未得到实现的高初性。因此，所述金刚石单晶具有 高硬度和高初性两者。因此，发现与使用已知的金刚石单晶如高温高压合成Ib型金刚石单 晶或天然金刚石单晶制造的切削工具和耐磨工具相比，使用该种金刚石单晶制造的切削工 具和耐磨工具具有更长的寿命和更高的耐破裂或耐碎裂性。
[0049] 特别地，发现在使用该种包含多个具有不同吸收系数的金刚石单晶层的金刚石单 晶制造的金刚石单晶车刀中，在对波长为350nm的光具有较低吸收系数的高硬度和高初性 主面上形成前刀面可W非常有效地实现长寿命和高耐破裂或耐碎裂性。
[0050] (10)根据本发明的单晶金刚石工具是包含接合至工具的柄的金刚石单晶的单晶 金刚石工具，其中所述金刚石单晶包含通过离子注入至所述金刚石单晶的与所述柄接合一 侧的晶面中而形成的离子注入层。
[0051] (11)根据（10)的单晶金刚石工具优选为单晶金刚石切削工具。
[0052] 首先，如下所述可能造成已知的单晶金刚石工具的刀尖在切削期间的破裂或碎 裂。在单晶金刚石工具中，利用例如银焊料将单晶金刚石刀片牢固地针焊至金属柄。在切 削期间，对单晶金刚石刀片的刀尖施加切削力，并对单晶金刚石刀片的底面施加应力W欲 将单晶金刚石刀片与柄分开。还对刀片的切削部施加相当的应力。在该种条件下，当源自 工件的特异点的大钉状切削力对切削部的一点进行冲击时，切削部可能不能抵抗所述力并 具有微小的碎裂或破裂。
[0053] 该种刀片刀尖的缺陷非常小，且通常继续切削。然而，所述缺陷增大了工件的表面 粗趟度。然而，在利用单晶金刚石工具进行切削的情况下，通常关注工件的低表面粗趟度， 即镜面加工的程度。因此，将天然金刚石或高温高压合成Ib型金刚石用作较少造成微小缺 陷的材料。相反，高温高压合成Ila或CVD金刚石单晶倾向于比较硬和脆且很少使用。
[0054] 为了解决可低成本量产的CVD金刚石单晶的利用受限制的问题，本发明人进 行了深入研究。结果，本发明人发现，在通过如下制造的单晶金刚石工具中，由于离子注入 层在切削期间充当冲击缓和层，所W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比，所述单晶金刚石工具具有相等或更高的耐破裂或耐碎裂性， 所述制造方式为：通过气相合成金刚石单晶的与柄接合的晶面进行注入离子，在比所述晶 面略深的位置处形成离子注入层，并通过针焊将金刚石单晶接合至柄。因此，尽管根据本发 明的单晶金刚石工具包含金刚石单晶作为工具的刀片，但是所述单晶金刚石工具具有提高 的工具性能如高抗断裂性。
[00巧]发现离子注入层的该种冲击缓和效果在单晶金刚石工具中的单晶金刚石切削工 具中特别显著。
[0056] (12)在根据（10)或（11)的单晶金刚石工具中，在具有所述离子注入层的金刚石 单晶中，垂直于离子注入层的方向的波长为800nm的光的透射率优选因离子注入层的除去 而变化10 % W上。
[0057] 其中垂直于离子注入层的方向的波长为800nm的光的透射率因离子注入层的除 去而变化10% W上的该种离子注入层是优选的，因为通过破坏离子注入层中的金刚石晶体 结构而形成的石墨具有更有效的冲击缓和效果。
[0058] (13)在根据（10)?（12)任一项的单晶金刚石工具中，所述离子注入前的金刚石 单晶对垂直于金刚石单晶的形成离子注入层的面的方向的的波长为350nm的光优选具有 25cm-i W上且80cm-i W下的吸收系数。
[0059] 发现离子注入层除去后的金刚石单晶对波长为350皿的光具有25cnTi W上且 SOcm4 W下的吸收系数时，金刚石单晶中存在的许多缺陷如空穴、氨原子、氮原子或其复合 缺陷倾向于阻挡晶体破坏的传播和提高金刚石单晶的初性。通过结合根据本发明的离子注 入层，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，金刚石单晶具有更高的 耐破裂或耐碎裂性。
[0060] 下面将参考附图对根据本发明的金刚石单晶、制造金刚石单晶的方法和单晶金刚 石工具的优选实施方式进行详细说明。在图中各处，相同的标号表示相同的部分，且不再重 复说明。图中的尺寸不一定与它们的说明一致。
[0061] [金刚石单晶巧晶基板的准备]
[0062] 首先，例如，准备图1中所示的金刚石单晶巧晶基板11。尽管高温高压合成金刚石 单晶化PHT)因为其较小的结晶应变因而是优选的，但是也可W使用CVD金刚石单晶（CVD)。 巧晶基板的厚度优选为100 ym W上W方便处理、并且就可得性而言优选为3mm W下。在巧 晶基板的主面中也附近测定巧晶基板的厚度。
[006引主面12是{100}面，且表面粗趟度Ra优选为40nm W下。大于40nm的Ra可能导 致在主面上生长的金刚石单晶中的破裂。
[0064] 在本发明中，将相对于{100}正面的偏角为7° W下的情况称作{100}面。将偏 角控制在7° W下的目的是通过如下而提供根据本发明的对波长为350nm的光具有25cnTi W上且SOcnfi W下的吸收系数的金刚石单晶层；在作为在主面12上均相外延生长金刚石单 晶时的晶体生长模式的岛状生长和阶梯流动生长中，抑制作为低初性的原因的阶梯流动生 长，所述低初性是大部分金刚石单晶切削工具所不期望的性能。为了进一步抑制阶梯流动 生长，偏角优选为3° W下，更优选0.5° W下。
[0065] 主面12的形状通常为四边形且可W为多边形或圆形。
[0066] 关于金刚石单晶巧晶基板11的光学性能，在例如通过离子蚀刻将在其上要外延 生长金刚石单晶的前主面12或后主面粗趟化至100皿W上的Ra之前，或者在例如通过离 子注入在晶体中形成缺陷之前，利用紫外可见分光光度计测定的在800nm波长处的光透射 率优选大于0%。光透射率为0%的黑色巧晶基板是不合适的，因为晶体品质差且在气相生 长中无外延生长。
[0067] [离子注入]
[0068] 然后通过由此准备的金刚石单晶巧晶基板11的主面12将离子注入到巧晶基板 11中，从而破坏金刚石晶体结构并形成石墨，由此与离子注入前的光透射率相比，降低在 8(K)nm波长处的光透射率。离子注入处理的目的是适度破坏主面12的最上表面层的金刚石 晶体结构并引入点缺陷，从而使得在主面12上外延生长的金刚石单晶的品质可W为根据 本发明的金刚石单晶。特别地，离子注入处理的目的是获得对波长为350nm的光具有25cnTi W上且SOcnfi W下的吸收系数的金刚石单晶层。本文中所用的术语"适度"是指保持金刚石 结构，使得在下游工序的金刚石单晶生长中，可W在主面12的整个表面上进行外延生长。 即使在主面12的一部分上，生长金刚石单晶W外的金刚石如多晶金刚石也在本发明的范 围之外。
[0069] 在离子注入后的主面具有如上所述的表面状态的离子注入条件下，可W选择任何 要注入的离子种类、任何注入能量和任何注入剂量。在作为构成金刚石的元素的碳的离子 注入中，在下一步骤中对波长为350nm的光具有25cnTi W上且SOcnfi W下吸收系数的金刚 石单晶层的外延生长的温度巧5(TC W上且小于l〇〇(TC )下，晶体结构的表面状态返回到注 入前晶体结构所具有的表面状态是不期望的。离子注入温度小于lOOOC。通常，即使没有 温度控制，注入时也不会将温度提高至lOOOC。因此，在没有温度控制的情况下进行注入。 没有外延生长的离子注入处理在本发明的范围之外。
[0070] 当注入深度小时，可小剂量或在短时间内有效地实现具有适度破坏的结构的 表面状态。因此，优选较大的质量和较低的能量。更具体地，注入深度优选为lumW下，更 优选0. 5 y m W下。更具体的注入条件包括例如，当离子种类是测（质量数11)且能量为 17化eV时为lX10"?0.8X10l7cm- 2，或者当离子种类是娃（质量数28)、磯（质量数31) 或硫（质量数32)且能量为3(K)keV时为lX10"?5X10l 6c^^2。因此，相对于测、碳和氮， 娃、磯和硫是优选的。
[0071] 在注入之后测定在800nm波长处的光透射率W检查光透射率的下降。由离子注入 造成的波长为800皿的光的透射率的下降率应大于0%。下降率优选为10% W上，更优选 20% 社。
[0072] 如下定义由离子注入造成的波长为800nm的光的透射率的下降率：
[0073] 下降率={(离子注入前的透射率）-(离子注入后的透射率）}/ (离子注入前的透 射率）X 100
[0074] [金刚石单晶生长]
[00巧]然后，在布置于金刚石CVD生长炉中的基板支架上的巧晶基板上生长金刚石单 晶。生长方法可w是热丝法、燃烧火焰法或电弧喷射法且为了制造含有较少量不期望杂质 的金刚石，优选微波等离子体法。
[0076] 在使用微波等离子体CVD的金刚石的外延生长中，将氨、甲焼和氮作为原料气体 引入到合成炉中。将炉内压力保持在30?400巧的范围内。在100W?60kW范围内的电 力下施加具有2.456化（±501化）或9151化（±501化）频率的微波^产生等离子体并在巧 晶基板上沉积活性物质，从而外延生长金刚石单晶。如上所述，炉内压力优选为30巧W上 且400巧W下，更优选65巧W上且小于110巧。
[0077] 在根据本发明的金刚石单晶的合成条件下，引入到合成气相中的氨、甲焼和氮的 比率为使得含碳分子的数目Nc对氨分子的数目Nh的比Nc/Nh为10 % W上且40 % W下，氮 分子的数目Nw对含碳分子的数目Nc的比Nw/Nc为0. 1 % W上且10% W下，并且用于利用等 离子体加热巧晶基板的巧晶基板温度T为85(TC W上且小于l〇〇(TC。由此制造的金刚石单 晶对波长为350nm的光具有25cnTi W上且SOcm4 W下的吸收系数。吸收系数优选为30cnTi W上且SOcm4 W下，更优选35cnTi W上且64cnTi W下。例如，Nc/Nh、Nw/Nc和T在该些范围 之外，省略所述离子注入步骤，或者例如通过在离子注入步骤和金刚石单晶生长步骤之间 在lOOCrC W上进行退火而改变主面的表面状态的步骤会导致对波长为350nm的光的吸收 系数小于25cm-i或大于80cm-i。
[0078] 为了制造包含多个对波长为350nm的光具有不同吸收系数的金刚石单晶层的金 刚石单晶，在生长步骤中，形成[1]对波长为350nm的光具有25cnTi W上且SOcnfi W下的吸 收系数的金刚石单晶层，并且然后形成[2]对波长为350nm的光具有小于25cnTi的吸收系 数的金刚石单晶层。该是因为[1]的层形成需要在由离子注入造成的对波长为800皿的光 的透射率下降的基板的表面上的外延生长。
[0079] 本文中使用的术语"层"是指在厚度方向上将其中吸收系数在厚度方向上的变化 率在IcnTVo. 1 y m W上变化的区域对分的主面和界面之间的区域，或者是指一个界面和另 一个界面之间的区域。即使在层中存在小于IcnTVO. 1 y m的吸收系数变化，也将所述层作 为一个层计算平均吸收系数。
[0080] 当生长如上所述的[1]对波长为350nm的光具有25cnTi W上且80畑14 W下的吸 收系数的金刚石单晶层时，引入到合成气相中的氨、甲焼和氮的比率为使得含碳分子的数 目Nc对氨分子的数目Nh的比Nc/Nh为10%W上且40%W下，氮分子的数目Nw对含碳分子 的数目Nc的比Nw/Nc为0. 1 % W上且10% W下，并且用于利用等离子体加热巧晶基板的巧 晶基板温度T为85(TC W上且小于l〇〇(TC。合成压力优选为30巧W上且400巧W下，更优 选65巧W上且小于110巧。
[0081] 当生长具有特定吸收系数的层时，在合成期间固定所述H个中的各个参数。Nc/Nh、 Nw/N。和T在该些范围之外，省略所述离子注入步骤，或者例如通过在离子注入步骤和生长 步骤之间在loocrc W上进行退火而改变主面的表面状态的步骤会导致对波长为350nm的 光的吸收系数小于25cm-i或大于80畑1一1。
[0082] 当形成与具有特定吸收系数的层具有不同吸收系数的一个或多个层时，改变所述 H个参数中的至少一个参数W合成对波长为350nm的光具有25cnTi W上且SOcnfi W下的吸 收系数的层。在形成具有特定吸收系数的层的时间点可W暂时停止合成，或者可不同 的参数继续合成。覆盖层对波长为350nm的光的吸收系数优选小于底层的吸收系数，但是 可W大于底层的吸收系数。在该种情况下，不应该合成对波长为350nm的光具有大于SOcnfi 的吸收系数的层。
[0083] 当覆盖层对波长为350nm的光的吸收系数小于底层的吸收系数时，根据本发明的 金刚石单晶可W具有高硬度和高初性。
[0084] 然后，生长所述[2]对波长为350皿的光具有小于25cnTi的吸收系数的金刚石单 晶层。弓I入到合成气相中的氨、甲焼和氮的比率为使得Nc/Nh大于0%且小于10%或者N/ Nc小于0. 1 %，且T小于1000°C。
[00财在T为lOOOCW上时，早先生长的山对波长为350皿的光具有25cm-i W上且 SOcm4 W下的吸收系数的金刚石单晶层可能被退火并具有小于25cnTi的吸收系数。通常，T 不大于早先生长的[1]的合成温度，从而不改变[1]中形成的层的吸收系数。
[0086] 当生长具有特定吸收系数的层时，固定所述H个参数。Nc/Nh、Nw/Nc和T在该些范 围之外会不期望地导致对波长为350nm的光的吸收系数为25cnTi W上或者在晶体中具有石 墨黑点的金刚石/石墨复合层。
[0087] 如上所述，当形成与具有特定吸收系数的层具有不同吸收系数的一个或多个层 时，在合成中改变所述H个参数中的至少一个参数，并且最终合成对波长为350nm的光具 有小于25cnTi的吸收系数的层。在形成具有特定吸收系数的层的时间点可W暂时停止合 成，或者可不同的参数继续合成。
[008引[巧晶基板和金刚石单晶之间的分离]
[0089] 在完成单层或多层金刚石单晶层的生长之后，将金刚石单晶从CVD生长炉中取 出，并优选将巧晶基板与在巧晶基板上生长的金刚石单晶分离。尽管也可W使用其中巧晶 基板与在巧晶基板上生长的金刚石单晶结合的金刚石单晶，但是更优选将巧晶基板与金刚 石单晶分离并使用CVD生长的金刚石单晶。
[0090] 当金刚石单晶的主面尺寸为约10mm2 W下时，可W通过激光切片将巧晶基板与金 刚石单晶分离，并且可W对激光切断表面进行研磨。当主面尺寸大于10mm2时，巧晶基板或 金刚石单晶可能因激光切断而破裂，因而可W对在离子注入步骤中在巧晶基板中形成的石 墨层进行电化学蚀刻从而将巧晶基板与金刚石单晶分离。在不必回收或再利用巧晶基板的 情况下，可W通过研磨或反应性离子蚀刻将巧晶基板除去。
[0091] 为了准确地测定各个层对波长为350nm的光的吸收系数，例如通过研磨对从巧晶 基板分离的金刚石单晶进行处理，使得两主面间的平行度为lOym W下且表面粗趟度为 40皿W下。在由此制造的金刚石单晶为单层的情况下，金刚石单晶对波长为350皿的光具 有25cnTi W上且SOcm4 W下的吸收系数。在由此制造的金刚石单晶为多层的情况下，金刚 石单晶由对波长为350nm的光具有不同吸收系数的两层W上金刚石单晶层构成。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25cnTi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350皿的光具有25cnTi W上且SOcm4 W下的吸收系 数。
[0092] 使用下面等式计算单层金刚石单晶的吸收系数a。
[0093] t,, = tV(l-r^) Xexp(-a L)
[0094] a ;吸收系数
[0095] tex ;外部透射率（利用例如紫外可见分光光度计测定的透射率）
[0096] t;内部透射率=0.83
[0097] r ;反射率=0. 17
[009引 L ;金刚石单晶的主面之间的距离或厚度
[0099] 在外部透射率的测定和通过最上表面层的蚀刻或研磨而重复除去之后使用下面 等式计算多层金刚石单晶的吸收系数。
[0100] tex 二 t]/ (l-r]) X exp (- a 山-a gLg- a 3L3. . . - a 山1)
[0101] t。，；外部透射率（利用例如紫外可见分光光度计测定的透射率）
[0102] t;内部透射率=0.83 [010引 r ;反射率=0. 17
[0104] n ;n = 1是指包含主面且对波长为350皿的光具有25cm-i W上且80cm-i W下的吸 收系数的金刚石单晶层，且n是指第n个生长的金刚石单晶层。
[010引 a。；第n个生长的金刚石单晶层的吸收系数
[0106] L。；第n个生长的金刚石单晶层的厚度
[0107] 如果存在没有杂质的理想的金刚石单晶，则所述金刚石单晶对波长为350nm的光 具有Ocm 4的吸收系数。然而，现实地，不管是什么合成方法如高温高压合成或气相合成， 都在向晶体中引入杂质如氮、氨和媒、W及空穴的同时生长晶体，并且该些杂质和空穴吸收 光。金刚石单晶对波长为350nm的光的吸收可能是因为在CVD生长期间引入到晶体中的氮、 空穴和氨的复合缺陷。当吸收增大时，外观颜色发生如下变化：淡踪色一踪色一深踪色一黑 色，并且偏离通常认为昂贵的透明金刚石珠宝的颜色。
[010引例如，当具有1mm的厚度时，根据本发明的具有25cnTi W上且SOcnfi W下的吸收系 数的金刚石单晶明显呈现踪色到黑色。除了外观价值低之外，与本发明中所述的合成条件 相比，使用常规技术的生长还需要更低的温度T、更高的吨/邸或更高的Nw/N。。因此，存在如 下技术问题；仅制造了在晶体中包含许多石墨黑点的石墨/金刚石复合材料。
[0109] 本发明人认为，比已知的CVD金刚石单晶具有更多的缺陷且基本上不含石墨黑点 的金刚石单晶可具有略低的硬度，因为晶体的完整性降低，但是具有提高的初性，因为缺陷 阻挡晶体破坏的传播。本发明人认为，该可W解决已知的CVD金刚石单晶的如下问题；它们 比天然金刚石单晶或高温高压合成Ib型金刚石单晶更脆，难W加工成例如车刀和平就刀 的工具形状，且在工件的加工期间倾向于碎裂或破裂。
[0110] 为了实现该种金刚石单晶，必须解决使用常规技术合成的石墨/金刚石复合材料 总是具有许多黑点的问题。
[0111] 作为深入研究的结果，本发明人认为，在CVD生长的巧晶基板的表面上预先形成 的适当数目的点缺陷可W导致包含许多点缺陷的金刚石单晶的生长，通过所述点缺陷，即 使在生长不含石墨黑点的金刚石单晶的合成条件下也可W将许多氨和氮引入到金刚石单 晶中。本发明人发现，为了使得即使当在生长前预加热到作为根据本发明的金刚石单晶的 生长温度的85(TC W上且小于l〇〇(TC时点缺陷也不被修复并且保留，通过注入碳W外的离 子如氮、氣、氛、娃、磯、硫、氯、氮或神而引入使得可W在表面上外延生长的缺陷。
[0112] 结果，实现了对波长为350皿的光具有25cnTi W上且SOcnfi W下的吸收系数、具有 高初性且基本上不含石墨黑点的金刚石单晶。当吸收系数小于25cnTi时，金刚石单晶具有 低初性和低抗断裂性，因此通常不适合用于工具应用。当吸收系数大于SOcnfi时，金刚石单 晶具有太多的缺陷而不能保持其金刚石结构、变脆，因此不适合用于工具应用。根据本发明 的金刚石单晶就其本质而言基本上不含石墨。本文中所用的术语"基本上"是指在20倍放 大下在金刚石单晶各处都观察不到石墨黑点。
[0113] 此外，本发明人认为，在作为均相外延生长时的生长模式的岛状生长和阶梯流动 生长中，可W使作为低初性的原因的阶梯流动生长最小化，从而生长适合用于工具应用的 金刚石单晶，并且要进行CVD生长的金刚石单晶巧晶基板的主面相对于正{100}面应具有 7° W下，更优选3° W下，还更优选0.5° W下的偏角。
[0114] 结果，实现了对波长为350皿的光具有25cnTi W上且SOcnfi W下的吸收系数、具有 适合用于切削工具应用的高初性、且基本上不含石墨黑点的金刚石单晶。对波长为350皿 的光的吸收系数优选为SOcnfi W上且80畑14 W下。
[01巧]当如在已知的CVD金刚石单晶中那样对波长为350nm的光的吸收系数小于25cnTi 时，金刚石单晶具有低初性和低抗断裂性，因此通常不适合用于工具应用。然而，作为深入 研究的结果，本发明人发现，在布置在对波长为350nm的光具有25cnTi W上且SOcnfi W下的 吸收系数且具有比较高初性的金刚石单晶层上的对波长为350nm的光具有小于25cnTi的吸 收系数的金刚石单晶层中，像日本刀那样，利用具有高初性的下层补偿具有高硬度但是初 性低的层的弱点，因此可W实现在单层金刚石单晶中未实现的高硬度和高初性。
[0116] 包含多个具有不同吸收系数的金刚石单晶层的金刚石单晶由对波长为350nm的 光具有不同吸收系数的两层W上金刚石单晶层构成。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25cnTi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25cnTi W上且SOcnfi W下的吸收系数。所述两层W上金刚石单晶 层的任意者对波长为350nm的光均具有SOcnfi W下的吸收系数。
[0117] 优选地，从具有一个主面且对波长为350皿的光具有小于25cnTi的吸收系数的金 刚石单晶层到具有另一个主面且对波长为350nm的光具有25cnTi W上且SOcnfi W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。
[0118] 在包含两层W上金刚石单晶层的金刚石单晶中，尽管各个层对波长为350nm的光 的吸收系数优选从一个主面到相反的主面单调增加，但是各个层的吸收系数可W是随机的 而不是单调增加。在该种情况下，两个主面之间的任意中间层应对波长为350皿的光具有 SOcnfi W下的吸收系数。
[0119] 还发现，当对波长为350nm的光的吸收系数从一个主面到相反的主面单调增加 时，金刚石单晶可W非常有效地实现高硬度和高初性。
[0120] [单晶金刚石工具的制备和评价]
[0121] 制备例如图2中所示的单晶金刚石工具21。单晶金刚石工具21包含由根据本发 明的金刚石单晶形成的金刚石单晶刀片22和支架23。例如，通过针焊至支架23 -端的切 削部从而接合对应于金刚石单晶刀片22的底面24的{100}或{110}面。金刚石单晶刀片 的背面25通常为{100}面，但是也可W为{110}面。当确定了背面25的晶面时，确定了金 刚石单晶刀片22相对于支架23的晶体取向。金刚石单晶刀片22的底面24是对波长为 350nm的光具有较大吸收系数（25cnTi W上且SOcm4 W下）的根据本发明的金刚石单晶的 主面。因此，前刀面是具有较小吸收系数（小于25cnTi)的主面。包含前刀面的吸收系数的 厚度为100 ym W下。如日本刀中那样，该种厚度导致显著高的硬度和初性。
[0122] 根据本发明的单晶金刚石工具具有使用已知的金刚石单晶未实现的高硬度和高 初性。因此，与使用已知的高温高压合成Ib型金刚石单晶制造的切削工具相比，根据本发 明的单晶金刚石工具具有更高的硬度，且具有高耐磨损性和长寿命。因为其初性比使用已 知的CVD金刚石单晶制造的切削工具更高，所W根据本发明的单晶金刚石工具具有高抗断 裂性。因为在切削期间很少产生微小的碎屑，所W切削后的工件具有小的表面粗趟度和较 平滑的镜面加工。
[0123] 根据本发明实施方式的单晶金刚石工具可W是包含接合至工具的柄的金刚石单 晶的任意工具，且可W是切削工具、修整器或平就刀。其中，优选切削工具。
[0124] 下面对图3中所示的单晶金刚石切削工具31进行说明。单晶金刚石切削工具31 包含金刚石单晶刀片32和充当柄的支架33。例如，通过针焊至支架33 -端的切削部从而 接合对应于金刚石单晶刀片32的底面34的{100}或{110}面。金刚石单晶刀片的背面35 通常为{100}面，但是也可W为{110}面。当确定了背面35的晶面时，确定了金刚石单晶 刀片32相对于支架33的晶体取向。
[01巧]通常在距离要接合至柄的金刚石单晶刀片32的底面34为50 y m W下，更优选 30 y m W下，还更优选10 y m W下的深度处布置离子注入层36。
[0126] 注入到晶体中的离子在深度方向上具有浓度分布。本发明中离子注入层的深度是 指在晶体的深度方向上注入的离子具有峰值浓度的位置。
[0127] 该种结构，特别是在比通过针焊接合的底面略深的位置包含离子注入层的结构， 与使用已知的CVD金刚石单晶制造的切削工具相比，显著提高刀尖的抗断裂性。因此，与使 用高温高压合成Ib型金刚石单晶制造的切削工具的工具性能相比，该种单晶金刚石切削 工具具有相等或更高的工具性能。在根据本发明的单晶金刚石工具中，可W使用包括已知 手段的任意手段将金刚石单晶接合至柄。
[012引根据本发明实施方式的单晶金刚石工具中使用的金刚石单晶包含离子注入层。离 子注入层在预定的注入条件如要注入的离子种类、注入能量、注入剂量和注入角度下形成。 形成离子注入层的目的在于破坏在通过离子注入形成的离子注入层中的金刚石晶体结构 并形成石墨，从而缓和在切削期间对单晶金刚石刀片的突然冲击。因此，可W选择可注入到 金刚石中的任何离子种类。例如，可W注入磯、测、碳、氨、氮、氮、氧或氮的离子种类。
[0129] 确定离子注入条件，使得即使在形成离子注入层之后也在最外表面上保持金刚石 结构。最上表面层上金刚石结构的破坏和石墨的形成使得柄的针焊困难。注入层的位置优 选尽可能深。更具体地，晶体中注入的离子种类具有峰值浓度的位置优选在0. 20 y m W上， 更优选0. 30 y m W上，还更优选0. 50 y m W上的深度处。该种深度位置确保了通过针焊实 现的对柄的接合。
[0130] 与不包含离子注入层的金刚石单晶相比，由此形成的离子注入层优选使得对垂直 于金刚石单晶的离子注入层的方向的波长为800nm的光的透射率减少。减少的透射率指示 由离子注入造成的金刚石晶体结构的破坏和石墨的形成。因此，离子注入层在切削期间有 效地充当冲击缓和层。该种效果更优选降低透射率10% W上。在该种情况下，离子注入层 更有效地充当冲击缓和层。使用下列两种方法中的一种来确定本发明中由离子注入层造成 的透射率的减少值。尽管使用两种方法通常获得相同的值，但是如果获得不同的值，则使用 较大的值。
[0131] {确定透射率减少值的方法A}
[0132] 1.将金刚石单晶从单晶金刚石工具取出。
[0133] 2.将粘合剂如针料从金刚石单晶完全除去。
[0134] 3.巧IJ定金刚石单晶中的透射率（测定值山）.
[0135] 4.通过研磨或离子蚀刻除去离子注入层。
[0136] 5.在除去离子注入层之后测定金刚石单晶中的透射率（测定值巧])。
[0137] 6.从测定值凹中减去测定值山。
[013引 {确定透射率减少值的方法B}
[0139] 1.将金刚石单晶从单晶金刚石工具取出。
[0140] 2.将粘合剂如针料从金刚石单晶完全除去。
[0141] 3.使用二次离子质谱法（SIM巧确认离子注入层的形成。
[0142] 4.使用例如离子注入模拟（TRIM)确认离子注入条件。
[0143] 5.准备与从单晶金刚石工具取出的金刚石单晶不同的金刚石单晶板，并且将其两 个主面都研磨至40nm W下的表面粗趟度。
[0144] 6.测定在5中准备的金刚石单晶板中的透射率（测定值山）。
[0145] 7.在4中确认的离子注入条件下通过5中准备的金刚石单晶板的一个主面注入离 子。
[0146] 8.使用例如SIMS确认在7中离子注入后的金刚石单晶板上的与3中观察到的离 子注入层基本相同的离子注入层的形成。
[0147] 9.巧IJ定在7中离子注入后的金刚石单晶板中的透射率（测定值巧])。
[014引10.从测定值凹中减去测定值山。
[0149] 根据本发明实施方式的单晶金刚石工具中使用的金刚石单晶包含离子注入层。离 子注入层W外的部分优选对波长为350nm的光具有25cnTi W上且SOcm4 W下的吸收系数。 换句话说，离子注入前的气相合成金刚石单晶对垂直于形成离子注入层的面的方向的波长 为350nm的光优选具有25cnTi W上且SOcm4 W下的吸收系数。
[0150] 金刚石单晶中在350nm处的吸收起因于晶体中空穴、氨原子和氮原子的许多复合 缺陷。该些缺陷倾向于阻挡与破裂或碎裂相关的晶体破坏的传播。因为金刚石单晶的高初 性，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，包含其上形成了离子注入 层的金刚石单晶的单晶金刚石工具具有更高的耐破裂或耐碎裂性。
[0151] 在对波长为350皿的光具有25cnTi W上且SOcm4 W下的吸收系数的金刚石单晶 中，尽管有时用肉眼在晶体中观察到黑点，但是该些黑点不影响切削性能，除非黑点在刀尖 附近。如下所述测定吸收系数。
[0152] {测定吸收系数的方法}
[0153] 1.将金刚石单晶从单晶金刚石工具取出。
[0154] 2.将粘合剂如针料从金刚石单晶完全除去。
[0155] 3.通过研磨或离子蚀刻除去离子注入层。
[0156] 4.在除去离子注入层之后测定金刚石单晶中的透射率。
[0157] 5.使用下式计算吸收系数 a ;tex = tV(l-r2) Xexp(-a L)。
[015引 t。，；外部透射率（利用例如紫外可见分光光度计测定的透射率）
[0159] t;内部透射率=0.83
[0160] r;反射率=0.17
[0161] L ;金刚石单晶的主面之间的距离或厚度
[016引可W如上所述W CVD法制造对波长为350nm的光具有25cnTi W上且SOcnfi W下的 吸收系数的该种金刚石单晶。
[0163] 实施例
[0164] 尽管在下列实施例中对本发明进行了更具体地描述，但是本发明不限于该些实施 例。本发明的范围由从属权利要求书限定且包括落在权利要求书的范围及其等价范围内的 所有变化。
[0165] [实施例 1-1]
[0166] 首先，准备表I中列出的金刚石单晶巧晶基板No. 1-01?No. 1-22。该些金刚石单 晶巧晶基板各自具有4X4X0. 5mm厚的尺寸。No. 1-01?No. 1-13为高温高压合成扣型金 刚石单晶（HPHT扣）。No. 1-14?No. 1-17为高温高压合成Ila型金刚石单晶（HPHT Ila)。 No. 1-18?No. 1-22为气相合成金刚石单晶（CVD)。
[0167] 4X4mm主面（{100}面）具有40nm W下的表面粗趟度Ra。表I示出要在下游工 序中在其上生长金刚石单晶的各巧晶基板的主面的偏角和波长为800皿的光的透射率。
[0168] 通过经由所述主面的离子注入，使得波长为800nm的光通过各巧晶基板的透射 率如表I中所示下降。关于离子注入条件，将磯用作离子种类，注入能量的范围为100? 800keV，且注入剂量的范围为lX10"?5X10l5cm-2。
[0169] 在离子注入后的主面上外延生长金刚石单晶。将微波等离子体CVD装置用于生 长。将原料气体氨、甲焼和氮引入到装置中。对气体的量进行调节，从而在合成中满足表I 中列出的Nc/Nh、VNc和T。更具体地，Nc/Nh为10%W上且40%w下，VNc为0. 1%W上且 10% W下，T为85(TC W上且小于1000。并且压力P为65巧W上且小于110巧。
[0170] 在生长之后，通过激光切断将金刚石单晶从各巧晶基板分离。对金刚石单晶的生 长表面侧的主面和激光切断表面侧的主面进行研磨，使得主面之间的距离（厚度）为1mm， 主面间的平行度为10 ym W下，且表面粗趟度Ra为40皿W下。
[017。 利用紫外可见分光光度计对在各巧晶基板上制造的金刚石单晶对波长为350nm 的光的吸收系数进行测定。表I示出结果。当巧晶基板具有7° W下的偏角时，吸收系数的 范围为25?SOcm4,且当巧晶基板具有0. 5° W下的偏角时吸收系数的范围为30?SOcnfi。
[0172] 利用立体显微镜观察金刚石单晶显示在任意金刚石单晶中都没观察到由石墨造 成的黑点。
[017引使用对波长为350皿的光具有25?SOcnfi范围内的吸收系数的金刚石单晶制造 精密车刀。对精密车刀的切削性能进行评价。
[0174] 选择圆筒状铅合金AC4B作为工件。在相同的条件下在600m/分钟的切削速度下 将工件的外周旋削50km。之后，通过显微镜观察各车刀的刀尖。在观察中计数在各车刀中 长度为0. 5 y m W上的碎屑的数目。碎屑的数目小于或等于W相同方式评价的使用高温高 压合成Ib型金刚石单晶制造的精密车刀中计数的碎屑的数目。特别地，在具有0.5° W下 的偏角的各巧晶基板上制造的具有30?SOcnfi范围内的吸收系数的金刚石单晶中碎屑的 数目小于在使用高温高压合成化型金刚石单晶制造的精密车刀中计数的碎屑的数目。
[0175] [表 I]
[0176]

【权利要求】
1. 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 25CHT1以上且80CHT1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30CHT1以上且SOcnT1以下。
3. -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25CHT1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25CHT1以上且SOcnT1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SOcnT1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25CHT1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25CHT1以上且SOcnT1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. -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/Nc为0. 1 %以上且10%以下，并且籽晶 基板温度T为850°C以上且小于1000°C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。
6. 根据权利要求5的制造金刚石单晶的方法，进一步包括： 在气相中含碳分子的数目N。对氢分子的数目乂的比Ne/NH大于0%且小于10%、或者氮 分子的数目Nn对含碳分子的数目Nc的比Nn鳥小于0. 1 %，并且籽晶基板温度T小于1000°C 的合成条件下， 利用化学气相合成法在已均相外延生长了金刚石单晶的生长表面上均相外延生长金 刚石单晶。
7. 根据权利要求5或6的制造金刚石单晶的方法，其中所述偏角为3°以下。
8. 根据权利要求5?7中任一项的制造金刚石单晶的方法，进一步包括将所述籽晶基 板与在所述籽晶基板上均相外延生长的金刚石单晶分离。
9. 一种单晶金刚石工具，包含由根据权利要求3或4的金刚石单晶制成的刀尖，其中所 述刀尖具有由所述金刚石单晶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25CHT1的吸收系数。
10. -种单晶金刚石工具，包含接合至所述工具的柄的金刚石单晶，其中所述金刚石单 晶包含通过离子注入至所述金刚石单晶的与所述柄接合一侧的晶面中而形成的离子注入 层。
11. 根据权利要求10的单晶金刚石工具，其中所述单晶金刚石工具是单晶金刚石切削 工具。
12. 根据权利要求10或11的单晶金刚石工具，其中，在具有所述离子注入层的金刚石 单晶中，垂直于离子注入层的方向的波长为800nm的光的透射率因离子注入层的除去而变 化10%以上。
13. 根据权利要求10?12中任一项的单晶金刚石工具，其中所述离子注入之前的金刚 石单晶对垂直于金刚石单晶的形成离子注入层的面的方向的波长为350nm的光具有25CHT1以上且SOcnT1以下的吸收系数。
【文档编号】C01B31/06GK104395508SQ201380034864
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2013年6月27日 优先权日:2012年6月29日
【发明者】植田晓彦, 西林良树, 角谷均 申请人:住友电气工业株式会社