合成单晶金刚石及其制造方法与流程

1.本公开涉及合成单晶金刚石及其制造方法。本技术主张基于作为在2020年6月30日申请的日本专利申请的特愿2020-113053号的优先权。将该日本专利申请所记载的全部记载内容通过参照而援引于本说明书中。


背景技术：

2.单晶金刚石由于具有较高的硬度，因此被广泛地使用于切削工具、磨削工具、耐磨工具等工具。在工具中使用的单晶金刚石有天然金刚石和合成金刚石。
3.在大多数的天然金刚石中，作为杂质包含聚集型氮原子(ia型)。金刚石晶体中的聚集型氮原子能够阻止在将金刚石用于工具的情况下产生的塑性变形、裂纹的进展。因此，天然金刚石的机械强度较高。但是，天然金刚石的品质的偏差较大，供给量不稳定，因此在工业用途的利用中存在限制。
4.另一方面，合成金刚石的品质恒定，能够稳定地供给，因此在工业领域中被广泛地使用。
5.在通常的合成金刚石中，作为杂质包含孤立取代型氮原子(ib型)。具有金刚石晶体中的孤立取代型氮原子的浓度越高则金刚石的机械特性越劣化的倾向。因而，在将ib型合成金刚石用于工具的情况下，存在容易产生刀尖的磨损、缺损的倾向。
6.另外，在合成金刚石中，还存在几乎不包含氮杂质的合成金刚石(iia型)。iia型合成金刚石由于不包含阻止裂纹的进展的杂质、晶体缺陷，因此在用于工具的情况下，存在容易产生刀尖的缺损的倾向。
7.因而，在合成金刚石中，正在研究提高耐磨损性、耐缺损性的技术。
8.例如，专利文献1(国际公开第2019/077888号)中公开了具有较高的硬度和优异的耐缺损性的合成单晶金刚石。
9.现有技术文献
10.专利文献
11.专利文献1：国际公开第2019/077888号


技术实现要素：

12.本公开的合成单晶金刚石是按原子数基准计以100ppm以上且1500ppm以下的浓度包含氮原子的合成单晶金刚石，其中，
13.所述合成单晶金刚石包含聚集体，所述聚集体由一个空穴和与所述空穴相邻地存在的三个取代型氮原子构成，
14.所述合成单晶金刚石的一阶拉曼散射光谱中的峰的拉曼位移λ’cm-1
与按原子数基准计以1ppm以下的浓度包含氮原子的合成iia型单晶金刚石的一阶拉曼散射光谱中的峰的拉曼位移λcm-1
示出下述式1的关系，
15.λ
’‑
λ≥0式1。
16.本公开的合成单晶金刚石的制造方法是上述的合成单晶金刚石的制造方法，其中，
17.所述合成单晶金刚石的制造方法具备：
18.第一工序，在所述第一工序中，通过使用了溶剂金属的温度差法，合成按原子数基准计以100ppm以上且1500ppm以下的浓度包含氮原子的金刚石单晶；
19.第二工序，在所述第二工序中，对所述金刚石单晶照射赋予100mgy以上且1000mgy以下的能量的电子束以及粒子束中的一方或双方；以及
20.第三工序，在所述第三工序中，对所述第二工序后的所述金刚石单晶施加1分钟以上且3600分钟以下的3gpa以上的压力以及1850℃以上且2300℃以下的温度，得到所述合成单晶金刚石。
附图说明
21.图1是本公开的一个实施方式所涉及的合成单晶金刚石的荧光光谱的一个例子。
22.图2是表示本公开的一个实施方式所涉及的合成单晶金刚石的制造中使用的试样室构成的一个例子的示意性剖视图。
具体实施方式
23.[本公开所要解决的问题]
[0024]
从近年来的工具的长寿命化的要求出发，要求一种耐磨损性以及耐缺损性更加优异的合成单晶金刚石。
[0025]
因此，本发明的目的在于提供一种具有较高的硬度以及优异的耐缺损性的合成单晶金刚石。
[0026]
[本公开的效果]
[0027]
本公开的合成单晶金刚石能够具有较高的硬度以及优异的耐缺损性。
[0028]
[本公开的实施方式的说明]
[0029]
首先，列举本公开的实施方式进行说明。
[0030]
(1)本公开的合成单晶金刚石是按原子数基准计以100ppm以上且1500ppm以下的浓度包含氮原子的合成单晶金刚石，其中，
[0031]
所述合成单晶金刚石包含聚集体，所述聚集体由一个空穴和与所述空穴相邻地存在的三个取代型氮原子构成，
[0032]
所述合成单晶金刚石的一阶拉曼散射光谱中的峰的拉曼位移λ’cm-1
与按原子数基准计以1ppm以下的浓度包含氮原子的合成iia型单晶金刚石的一阶拉曼散射光谱中的峰的拉曼位移λcm-1
示出下述式1的关系，
[0033]
λ
’‑
λ≥0式1。
[0034]
本公开的合成单晶金刚石能够具有较高的硬度以及优异的耐缺损性。
[0035]
(2)优选地，在所述合成单晶金刚石的荧光光谱中，在荧光波长415
±
2nm的范围内以及荧光波长420nm以上且470nm以下的范围内的一方或双方存在发光峰。
[0036]
由此，能够使合成单晶金刚石具有较高的硬度以及优异的耐缺损性。
[0037]
(3)优选地，在所述合成单晶金刚石的红外吸收光谱中，在波数1370cm-1
以上且
1385cm-1
以下的范围内存在吸收峰。
[0038]
由此，能够使合成单晶金刚石具有较高的硬度以及优异的耐缺损性。
[0039]
(4)优选地，所述合成单晶金刚石的{001}面中的《100》方向上的努氏硬度为100gpa以上。
[0040]
由此，能够使合成单晶金刚石具有优异的耐磨损性。
[0041]
(5)优选地，在将前端半径为50μm的球状的金刚石压头以100n/min的负荷速度按压于所述合成单晶金刚石的表面的破坏强度试验中，龟裂产生载荷为15n以上。
[0042]
由此，能够使合成单晶金刚石具有优异的耐缺损性。
[0043]
(6)本公开的合成单晶金刚石的制造方法是上述的合成单晶金刚石的制造方法，其中，
[0044]
所述合成单晶金刚石的制造方法具备：
[0045]
第一工序，在所述第一工序中，通过使用了溶剂金属的温度差法，合成按原子数基准计以100ppm以上且1500ppm以下的浓度包含氮原子的金刚石单晶；
[0046]
第二工序，在所述第二工序中，对所述金刚石单晶照射赋予100mgy以上且1000mgy以下的能量的电子束以及粒子束中的一方或双方；以及
[0047]
第三工序，在所述第三工序中，对所述第二工序后的所述金刚石单晶施加1分钟以上且3600分钟以下的3gpa以上的压力以及1850℃以上且2300℃以下的温度，得到所述合成单晶金刚石。
[0048]
由此，能够得到具有较高的硬度以及优异的耐缺损性的合成单晶金刚石。
[0049]
[本公开的实施方式的详细内容]
[0050]
在本说明书中，“a～b”这样的形式的表述是指范围的上限下限(即a以上且b以下)，当在a中没有单位的记载、仅在b中记载有单位的情况下，a的单位与b的单位相同。
[0051]
《金刚石晶体中的氮原子的存在形态》
[0052]
首先，为了加深对本公开的合成单晶金刚石的理解，对作为决定金刚石的性能的主要因素之一的、作为晶体中的杂质而存在的氮原子进行说明。
[0053]
金刚石晶体中的氮原子可以根据其存在形态而分类为孤立取代型氮原子、聚集型氮原子等。
[0054]
孤立取代型氮原子(c中心)是指，在金刚石晶体中的碳原子的位置，氮原子以1原子单位取代而存在的氮原子。
[0055]
本发明的发明人们新设想的是，若金刚石晶体中包含孤立取代型氮原子，则在其周围的晶格中产生局部的拉伸应力，这成为塑性变形、破坏的起点，使硬度降低，并使耐磨损性、耐缺损性降低。
[0056]
包含孤立取代型氮原子的合成单晶金刚石在通过傅立叶变换红外分光法测定的红外吸收光谱中，在波数1130cm-1
附近(即，波数1130
±
2cm-1
)显示出吸收峰。
[0057]
在包含孤立取代型氮原子的合成单晶金刚石中，由于存在源自氮原子的不成对电子，因此能够通过esr分析(esr：electron spin resonance，电子自旋共振)对孤立取代型氮原子的浓度进行测定。esr还对除了孤立取代型氮原子以外也具有不成对电子的晶体缺陷等的信号进行检测。在该情况下，能够根据g值或信号的弛豫时间而分离并检测出孤立取代型氮原子。
[0058]
聚集型氮原子是指在金刚石晶体中两个以上的氮原子聚集而存在的氮原子。
[0059]
本发明的发明人们新设想的是，金刚石晶体中的聚集型氮原子能够抑制对金刚石晶体施加负荷时产生的塑性变形、龟裂的进展。本发明的发明人们新设想的是，若金刚石晶体包含聚集型氮原子，则金刚石晶体的耐磨损性、耐缺损性得到大幅改善。
[0060]
聚集型氮原子存在于a中心(氮2原子对)、h3中心(氮2原子聚集)、n3中心(氮3原子聚集)、b中心(氮4原子聚集)、b’中心或片晶等中。
[0061]
a中心(氮2原子对)是指由两个氮原子构成的聚集体，该两个氮原子形成共价键，且各个氮原子取代构成金刚石晶体的碳原子。包含a中心(氮2原子对)的金刚石被称为iaa型。包含a中心(氮2原子对)的合成单晶金刚石在通过傅立叶变换红外分光法测定的红外吸收光谱中，在波数1282cm-1
附近(例如，波数1282
±
2cm-1
)显示出吸收峰。
[0062]
h3中心(氮2原子聚集)是由一个空穴和与该空穴相邻地存在的两个氮原子构成的聚集体，且各个氮原子取代构成金刚石晶体的碳原子。在本说明书中，“与空穴相邻地存在的氮原子”是指，当假定在空穴的位置存在碳原子的情况下，与该碳原子的原子间距离最短的氮原子(即，最近邻原子(nearest neighbor))。在后述的n3中心、b中心中也是同义的。
[0063]
包含h3中心(氮2原子聚集)的合成单晶金刚石在照射大致比500nm短的激发光、例如波长为325nm的激发光而得到的荧光光谱中，在荧光波长503nm附近(例如，荧光波长503
±
2nm)显示出发光峰。
[0064]
n3中心(氮3原子聚集)是由一个空穴和与该空穴相邻地存在的三个氮原子构成的聚集体，且各个氮原子取代构成金刚石晶体的碳原子。
[0065]
包含n3中心(氮3原子聚集)的合成单晶金刚石在照射大致比410nm短的激发光、例如波长为325nm的激发光而得到的荧光光谱中，在荧光波长415nm附近(例如，荧光波长415
±
2nm)以及荧光波长420nm以上且470nm以下的范围内的一方或双方显示出发光峰。
[0066]
b中心(氮4原子聚集)是由一个空穴和与该空穴相邻地存在的四个氮原子构成的聚集体，各个氮原子取代构成金刚石晶体的碳原子。
[0067]
包含氮4原子聚集的金刚石被称为iab型。包含氮4原子聚集的合成单晶金刚石在通过傅立叶变换红外分光法测定的红外吸收光谱中在波数1175cm-1
附近(例如，波数1175
±
2cm-1
)显示出吸收峰。
[0068]
b’中心(也被称为片晶)是由五个以上的氮原子和晶格间碳构成的板状的聚集体，作为内包物被摄入晶体内。
[0069]
包含b’中心(片晶)的金刚石被称为iab’型。包含b’中心(片晶)的合成单晶金刚石在通过傅立叶变换红外分光法测定的红外吸收光谱中在波数1358cm-1
以上且1385cm-1
以下显示出吸收峰。
[0070]
本发明的发明人们对能够提高合成单晶金刚石的特性的聚集型氮原子进行了深入研究，结果新发现n3中心的晶体应变最少，结构最稳定。而且，新发现，通过在合成单晶金刚石中优势地形成n3中心，能够进一步提高合成单晶金刚石的硬度、强度、耐磨损性、耐缺损性等机械特性，从而完成了本公开。
[0071]
以下，参照附图对本公开的合成单晶金刚石及其制造方法的具体例进行说明。在本公开的附图中，相同的附图标记表示相同的部分或相当的部分。另外，长度、宽度、厚度、深度等的尺寸关系为了附图的明确化和简化而适当进行了变更，未必表示实际的尺寸关
ion mass spectrometry)来进行测定。
[0086]
《聚集型氮原子》
[0087]
(n3中心)
[0088]
本公开的合成单晶金刚石包含由一个空穴和与所述空穴相邻地存在的三个取代型氮原子构成的聚集体。即，本公开的合成单晶金刚石包含n3中心。n3中心能够抑制对合成单晶金刚石施加负荷时产生的塑性变形、龟裂的进展。因此，该合成单晶金刚石的耐缺损性提高。
[0089]
进一步地，在聚集型氮原子中，n3中心的晶体应变最少，结构最稳定。因此，包含n3中心的本公开的合成单晶金刚石能够具有较高的硬度、且具有优异的耐磨损性。
[0090]
合成单晶金刚石包含n3中心这一情况可以通过对合成单晶金刚石照射大致比410nm短的激发光、例如波长为325nm的激发光而得到的荧光光谱来进行确认。具体而言，当在对合成单晶金刚石照射波长为325nm的激发光而得到的荧光光谱中，在荧光波长415
±
2nm的范围内以及荧光波长420nm以上且470nm以下的范围内的一方或双方存在发光峰的情况下，判断为合成单晶金刚石包含n3中心。
[0091]
此外，荧光波长415
±
2nm的范围内的峰是相当于n3中心的零声子线的发光峰，荧光波长420nm以上且470nm以下的范围的发光峰是相当于n3中心的子带(声子边带)的发光峰。荧光波长420nm以上且470nm以下的范围的发光峰在该范围内被观察为一个以上的山形的峰。该山形的峰中的至少一个在该范围内显示出最大强度。
[0092]
在图1中示出对本公开的一个实施方式(以下，也记为“本实施方式”)所涉及的合成单晶金刚石照射波长为325nm的激发光而得到的荧光光谱的一个例子。在图1中，x轴表示荧光波长(nm)，y轴表示发光强度。在图1所示的荧光光谱中，存在荧光波长415
±
2nm的范围内的发光峰(用箭头n3表示)以及荧光波长420nm以上且470nm以下的范围内的发光峰(用箭头s表示)。
[0093]
合成单晶金刚石包含n3中心这一情况也可以通过紫外可见分光光谱来进行确认。具体而言，当在紫外可见分光光谱中存在波长393nm的吸收光谱的情况下，判断为合成单晶金刚石包含n3中心。
[0094]
(b’中心(片晶))
[0095]
优选地，在本公开的合成单晶金刚石的红外吸收光谱中，在波数1370cm-1
以上且1385cm-1
以下的范围内存在吸收峰。该吸收峰源自合成单晶金刚石中的b’中心(片晶)。
[0096]
若在合成单晶金刚石的红外吸收光谱中，在波数1370cm-1
以上且1385cm-1
以下的范围内存在吸收峰，则b’中心(片晶)中包含的氮原子的聚集体的大小是适度的，能够阻止塑性变形、龟裂的进展，并且不易成为破坏的起点。因此，能够使合成单晶金刚石具有较高的硬度以及优异的强度。
[0097]
此外，一般而言，包含b’中心(片晶)的合成单晶金刚石在红外吸收光谱中，在波数1358cm-1
以上且1385cm-1
以下显示出吸收峰。但是，若在小于波数1370cm-1
的范围(波数1358cm-1
以上且小于波数1370cm-1
)存在吸收峰，则晶体内的b’中心(片晶)聚集体过大，成为破坏的起点，因此不优选。因此，优选地，在合成单晶金刚石的红外吸收光谱中，在波数1358cm-1
以上且小于波数1370cm-1
的范围内不存在吸收峰。
[0098]
(其他的聚集型氮原子)
[0099]
本公开的合成单晶金刚石可以包含a中心(氮2原子对)、h3中心(氮2原子聚集)、b中心(氮4原子聚集)、b’中心。它们中包含的氮原子的聚集体能够抑制单晶金刚石中裂纹的扩展。因而，该合成单晶金刚石能够具有优异的耐缺损性。
[0100]
合成单晶金刚石包含a中心这一情况可以通过利用傅立叶变换红外分光法测定的红外吸收光谱来进行确认。具体而言，当在该红外吸收光谱中，在波数1282cm-1
附近(例如，1282
±
2cm-1
)存在吸收峰的情况下，判断为该合成单晶金刚石包含a中心。
[0101]
合成单晶金刚石包含h3中心这一情况可以通过照射波长为325nm的激发光而得到的荧光光谱来进行确认。具体而言，当在该荧光光谱中，在波长503nm附近(例如，503
±
2nm)存在发光峰的情况下，判断为该合成单晶金刚石包含h3中心。
[0102]
合成单晶金刚石包含b中心这一情况可以通过利用傅立叶变换红外分光法测定的红外吸收光谱来进行确认。具体而言，在该红外吸收光谱中，在波数1175cm-1
附近(例如，1175
±
2cm-1
)存在吸收峰的情况下，判断为该合成单晶金刚石包含b中心。
[0103]
《孤立取代型氮原子》
[0104]
本公开的合成单晶金刚石优选不包含孤立取代型氮原子(c中心)。由此，本公开的合成单晶金刚石能够具有较高的硬度以及优异的耐缺损性。
[0105]
合成单晶金刚石不包含孤立取代型氮原子这一情况可以通过利用傅立叶变换红外分光法测定的红外吸收光谱来进行判断。包含孤立取代型氮原子的单晶金刚石在通过傅立叶变换红外分光法测定的红外吸收光谱中，在波数1130cm-1
附近(即，1130
±
2cm-1
)显示出峰。因而，能够通过确认在合成单晶金刚石的红外吸收光谱中在波数1130
±
2cm-1
的范围内不存在源自孤立取代型氮原子的吸收峰，判断为不包含孤立取代型氮原子。
[0106]
当在红外吸收光谱中，在波数1130
±
2cm-1
的范围内存在孤立取代型氮以外的聚集型氮原子的吸收光谱的肩峰，且不明确该肩峰是否为源自孤立取代型氮原子的吸收峰的情况下，能够通过进行esr分析来判断有无孤立取代型氮原子。当在合成单晶金刚石中不存在孤立取代型氮原子的情况下，在合成单晶金刚石中不存在不成对电子。因而，这样的合成单晶金刚石在进行esr分析时检测不到信号。由此，能够确认合成单晶金刚石中不存在孤立取代型氮原子。
[0107]
《红外吸收光谱》
[0108]
若在金刚石晶体中存在c中心、a中心、b中心、b’中心(片晶)，则在该金刚石晶体的利用傅立叶变换红外分光法测定的红外吸收光谱中，可观察到源自各中心的吸收峰。由于各中心的波形重叠，因此无法仅根据各波数下的强度值来确定各中心的有无、量。另一方面，根据各波数的强度的相对比较，考虑各中心的大致的波形，由此能够进行各中心的有无的决定以及各中心的含有比率的定性评价。
[0109]
《一阶拉曼散射光谱》
[0110]
本公开的合成单晶金刚石的一阶拉曼散射光谱中的峰的拉曼位移λ’cm-1
与以原子数基准计按1ppm以下的浓度包含氮原子的1ppm以下的合成iia型单晶金刚石的一阶拉曼散射光谱中的峰的拉曼位移λcm-1
示出下述式1的关系。
[0111]
λ
’‑
λ≥0式1
[0112]
影响金刚石的耐磨损性、耐缺损性的因素之一是晶体中的内部应力的状态。若在金刚石晶体内存在拉伸应力，则容易以产生了拉伸应力的地点为起点产生金刚石晶体的塑
性变形、破坏，使耐磨损性、耐缺损性降低。另一方面，若在金刚石晶体内存在压缩应力，则耐缺损性提高。因而，通过使金刚石晶体的内部应力的状态变为尽可能地减小拉伸应力，或者使压缩应力占优势，能够提高单晶金刚石的耐磨损性、耐缺损性。
[0113]
合成单晶金刚石的内部应力的状态可以通过将该合成单晶金刚石的一阶拉曼散射光谱中的峰的拉曼位移λ’(cm-1
)与按原子数基准计以1ppm以下的浓度包含氮原子的合成iia型单晶金刚石(以下，也记为标准试样或合成iia型单晶金刚石)的一阶拉曼散射光谱中的峰的拉曼位移λ(cm-1
)进行比较来进行评价。具体而言，通过由上述λ’与λ之差(λ
’‑
λ)表示的峰位置位移量的大小，能够对合成单晶金刚石的内部应力的状态进行评价。以下对其理由进行说明。
[0114]
用作标准试样的合成iia型单晶金刚石是指通过高温高压下的温度差法合成的高纯度且不存在晶格缺陷、内部应变的单晶金刚石。例如，市售有住友电气株式会社制造的高纯度iia型单晶金刚石。在合成iia型单晶金刚石中，氮原子的原子数基准的浓度为1ppm以下、或0ppm以上且1ppm以下，几乎不包含氮原子，因此在金刚石晶体内不存在内部应力。另外，合成iia型单晶金刚石在一阶拉曼散射光谱中显示出尖锐且较强的一个峰。通常，该峰的拉曼位移在1332cm-1
至1333cm-1
的范围出现。拉曼位移的值根据测定时的环境的温度而变化。在本说明书中，拉曼位移是在室温(20℃以上且25℃以下)下测定的值。
[0115]
若在金刚石晶体内存在孤立取代型氮原子，则与合成iia型单晶金刚石相比，拉曼位移向低频侧位移。此时，在金刚石晶体内产生源自孤立取代型氮原子的拉伸应力。另一方面，若在金刚石晶体内不存在孤立取代型氮原子而存在聚集型氮原子，则与合成iia型单晶金刚石相比，拉曼位移向高频侧位移。此时，在金刚石晶体内未产生拉伸应力，或者产生了压缩应力。
[0116]
因而，通过对合成单晶金刚石的拉曼位移λ’(cm-1
)和合成iia型单晶金刚石的拉曼位移λ(cm-1
)的值进行比较，能够对合成单晶金刚石的内部应力的状态进行评价。
[0117]
基于上述见解，本发明的发明人们对由λ’(cm-1
)与λ(cm-1
)之差(λ
’‑
λ)表示的峰位置位移量的大小与合成单晶金刚石的耐缺损性以及硬度的关系进行了深入研究的结果是，发现在(λ
’‑
λ)显示出下述式1的关系的情况下，合成单晶金刚石具有较高的硬度，并且具有优异的耐缺损性。
[0118]
λ
’‑
λ≥0式1
[0119]
若(λ
’‑
λ)满足上述式1的关系，则合成单晶金刚石中的孤立取代型氮原子的量充分降低，能够使合成单晶金刚石具有优异的耐缺损性以及较高的硬度。(λ
’‑
λ)的下限可以为0以上、0.05以上、0.1以上、0.15以上、0.2以上、0.25以上、0.3以上。(λ
’‑
λ)的上限可以为2以下、1以下。(λ
’‑
λ)可以为0以上且2以下、0以上且1以下、0.05以上且2以下、0.05以上且1以下、0.1以上且2以下、0.1以上且1以下、0.15以上且2以下、0.15以上且1以下、0.2以上且2以下、0.2以上且1以下、0.25以上且2以下、0.25以上且1以下、0.3以上且2以下、0.3以上且1以下。
[0120]
合成单晶金刚石以及标准试样的一阶拉曼散射光谱中的峰的拉曼位移可以利用显微拉曼分光装置进行测定。将波长为532nm的激光作为激发光，在室温(20℃以上且25℃以下)下进行测定。
[0121]
对合成单晶金刚石的任意的表面进行研磨，并对研磨面的一阶拉曼散射光谱中的
峰的拉曼位移(λ’)进行测定。对作为标准试样的高纯度合成iia型单晶金刚石的任意的表面进行研磨，并对研磨面的一阶拉曼散射光谱中的峰的拉曼位移(λ)进行测定。
[0122]
λ’以及λ是一阶拉曼散射光谱信号为最强的波数。峰形状通过洛伦兹函数或高斯函数进行峰拟合处理来进行评价。将试样以及标准试样的测定时的拉曼分光装置的检测器以及光学系统的温度变化抑制在
±
1℃以下。
[0123]
通过计算出(λ
’‑
λ)的值，能够求出峰位置位移量。
[0124]
《努氏硬度》
[0125]
本实施方式所涉及的合成单晶金刚石的{001}面中的《100》方向上的努氏硬度(以下，也记为“{001}《100》努氏硬度”)优选为100gpa以上。此外，在本说明书中，用{}表示包含在晶体几何学上等效的面方位的总称的面方位，用《》表示包含在晶体几何学上等效的方向的总称的方向。{001}《100》努氏硬度为100gpa以上的合成单晶金刚石与包含氮的天然金刚石相比，硬度较高、且耐磨损性优异。
[0126]
{001}《100》努氏硬度的下限可以为105gp以上、110gpa以上、115gpa以上。{001}《100》努氏硬度的上限没有特别限定，从制造上的观点出发，例如可以为150gpa以下。合成单晶金刚石的{001}《100》努氏硬度可以为100gpa以上且150gpa以下、105gpa以上且150gpa以下、110gpa以上且150gpa以下、115gpa以上且150gpa以下。
[0127]
对{001}《100》努氏硬度(以下，也记为hk。单位为gpa)的评价方法进行说明。首先，在合成单晶金刚石的{001}面内的《100》方向上，以4.9n的载荷施加压痕。对所得到的压痕的长的一方的对角线a(μm)进行测定，由下述式a计算出{001}《100》努氏硬度(hk)。
[0128]
hk＝14229
×
4.9/a2式a
[0129]
《龟裂产生载荷》
[0130]
优选地，在本公开的合成单晶金刚石中，在将前端半径(r)为50μm的球状的金刚石压头以100n/min的负荷速度按压于合成单晶金刚石的表面的破坏强度试验中，龟裂产生载荷为15n以上。若龟裂产生载荷为15n以上，则合成单晶金刚石具有优异的破坏强度以及耐缺损性，在用作工具材料的情况下，不易产生刀尖的缺损。
[0131]
龟裂产生载荷的下限可以为17n以上、20n以上、25n以上、30n以上。龟裂产生载荷的上限值没有特别限定，从制造上的观点出发，例如为50n以下。合成单晶金刚石的龟裂产生载荷可以为15n以上且50n以下、17n以上且50n以下、20n以上且50n以下、25n以上且50n以下、30n以上且50n以下。
[0132]
破坏强度试验的具体方法如下。将前端半径(r)为50μm的球状的金刚石压头按压于试样，以100n/min的负荷速度对试样施加载荷，对试样产生龟裂的瞬间的载荷(龟裂产生载荷)进行测定。产生龟裂的瞬间用ae传感器进行测定。龟裂产生载荷越大，表示试样的强度越高，耐缺损性越优异。
[0133]
若使用前端半径(r)小于50μm的压头作为测定压头，则在产生龟裂之前试样发生塑性变形，无法测定出相对于龟裂的准确的强度。另外，即使使用前端半径(r)大于50μm的压头也能够进行测定，但存在如下问题：达到产生龟裂所需的载荷变大，在此基础上，压头与试样的接触面积变大，试样的表面精度对测定精度的影响、单晶的晶体取向的影响变得显著等。因而，在合成单晶金刚石的破坏强度试验中，优选使用前端半径(r)为50μm的压头。
[0134]
[实施方式2：合成单晶金刚石的制造方法]
[0135]
以下对实施方式1的合成单晶金刚石的制造方法的一个例子进行说明。此外，实施方式1的合成单晶金刚石并不限定于通过以下的制造方法制作，也可以通过其他制造方法制作。
[0136]
本公开的合成单晶金刚石的制造方法是实施方式1的合成单晶金刚石的制造方法，具备：第一工序，在该第一工序中，通过使用了溶剂金属的温度差法，合成按原子数基准计以100ppm以上且1500ppm以下的浓度包含氮原子的金刚石单晶；第二工序，在该第二工序中，对该金刚石单晶照射赋予100mgy以上且1000mgy以下的能量的电子束以及粒子束中的一方或双方；以及第三工序，在该第三工序中，对该第二工序后的该金刚石单晶施加1分钟以上且3600分钟以下的3gpa以上的压力以及1850℃以上且2300℃以下的温度，得到该合成单晶金刚石。
[0137]
(第一工序)
[0138]
金刚石单晶例如可以使用具有图2所示的构成的试样室，通过温度差法来制作。
[0139]
如图2所示，在用于制造金刚石单晶1的试样室10中，在由石墨加热器7包围的空间内配置绝缘体2、碳源3、溶剂金属4、晶种5，在石墨加热器7的外部配置压力介质6。温度差法是指在试样室10的内部设置纵向的温度梯度，在高温部(t
high
)配置碳源3，在低温部(t
low
)配置金刚石的晶种5，在碳源3与晶种5之间配置溶剂金属4，保持为在该溶剂金属4熔解的温度以上使金刚石变得热稳定的压力以上的条件而在晶种5上使金刚石单晶1生长的合成方法。
[0140]
作为碳源3，优选使用金刚石粉末。另外，也可以使用石墨(graphite)、热解碳。作为溶剂金属4，可以使用选自铁(fe)、钴(co)、镍(ni)以及锰(mn)等中的一种以上的金属或包含这些金属的合金。
[0141]
在碳源3或溶剂金属4中，作为氮供给源，可以以单体或混合体的形式添加例如氮化铁(fe2n、fe3n)、氮化铝(aln)、氮化磷(p3n4)、氮化硅(si3n4)等氮化物、三聚氰胺、叠氮化钠等有机氮化合物。另外，作为氮供给源，也可以添加包含大量氮的金刚石、石墨。由此，在合成的金刚石单晶中包含氮原子。此时，金刚石单晶中的氮原子主要作为孤立取代型氮原子存在。
[0142]
对碳源3或溶剂金属4中的氮供给源的浓度进行调整，以使得合成的金刚石单晶中的氮原子的原子数基准的浓度为100ppm以上且1500ppm以下。例如，在碳源中，可以使源自氮供给源的氮原子的原子数基准的浓度为200ppm以上且3000ppm以下。另外，在溶剂金属中，例如在溶剂金属为由铁-钴-镍构成的合金、且氮供给源为fe3n的情况下，能够将氮供给源的浓度设为0.01质量％以上且0.2质量％以下。
[0143]
溶剂金属4还可以包含选自由钛(ti)、钒(v)、铬(cr)、锰(mn)、铜(cu)、锆(zr)、铌(nb)、钼(mo)、钌(ru)、铑(rh)、铪(hf)、钽(ta)、钨(w)、锇(os)、铱(ir)以及铂(pt)组成的群组中的一种以上的元素。
[0144]
(第二工序)
[0145]
接着，对所得到的金刚石单晶照射赋予100mgy以上且1000mgy以下的能量的电子束以及粒子束中的任一方或双方。由此，在金刚石单晶内导入晶格缺陷，形成空穴。
[0146]
若照射的能量的量小于100mgy，则存在晶格缺陷的导入变得不充分的隐患。另一方面，若能量的量超过1000mgy，则存在生成过剩的空穴而使结晶性大幅降低的隐患。因而，
能量的量优选为100mgy以上且1000mgy以下。
[0147]
作为粒子束，可以使用中子束、质子束。作为照射条件，只要能够对金刚石单晶赋予100mgy以上且1000mgy以下的能量即可，没有特别限定。例如，在使用电子束的情况下，可以使照射能量为4.6mev以上且4.8mev以下、电流为2ma以上且5ma以下、照射时间为30小时以上且45小时以下。
[0148]
(第三工序)
[0149]
接着，对第二工序后的金刚石单晶施加1分钟以上且3600分钟以下的3gpa以上的压力以及1850℃以上且2300℃以下的温度，得到合成单晶金刚石。由此，金刚石单晶内的孤立取代型氮原子经由空穴移动而聚集，成为聚集型氮原子。
[0150]
通过使第三工序的温度为1850℃以上，促进金刚石单晶中的氮原子的移动，促进由一个空穴和与上述空穴相邻地存在的三个取代型氮原子构成的聚集体(n3中心)的形成。若第三工序的温度低于1850℃，则难以形成n3中心。从成本、生产性的观点出发，第三工序的温度的上限优选为2300℃以下。
[0151]
另一方面，若将金刚石单晶在常压下加热至1850℃以上，则金刚石单晶会石墨化。本发明的发明人们进行了深入研究的结果是，新发现通过在3gpa以上的高压下对金刚石单晶施加1分钟以上且3600分钟以下的1850℃以上的温度，能够在不会使金刚石单晶石墨化的情况下促进金刚石单晶中的氮原子的移动。
[0152]
对金刚石单晶在3gpa以上的高压下施加1850℃以上的温度的时间为1分钟以上且3600分钟以下。对金刚石单晶在3gpa以上的高压下施加1850℃以上的温度的时间可以设为60分钟以上且360分钟以下。此时的压力可以设为3gpa以上且20gpa以下。
[0153]
可以将第二工序以及第三工序分别各进行一次的情况作为一个循环，并重复进行两个循环以上。由此，能够促进金刚石单晶内的孤立取代型氮原子的聚集。
[0154]
[附记1]
[0155]
优选地，本公开的合成单晶金刚石不包含孤立取代型氮原子。由此，合成单晶金刚石的硬度以及耐缺损性进一步提高。
[0156]
[附记2]
[0157]
优选地，在本公开的合成单晶金刚石的红外吸收光谱中，在波数1130
±
2cm-1
的范围内不存在吸收峰。由此，合成单晶金刚石的硬度以及耐缺损性进一步提高。
[0158]
[附记3]
[0159]
优选地，在本公开的合成单晶金刚石的红外吸收光谱中，在波数1358cm-1
以上且小于波数1370cm-1
的范围内不存在吸收峰。由此，合成单晶金刚石的硬度以及耐缺损性进一步提高。
[0160]
[附记4]
[0161]
本公开的合成单晶金刚石中的氮原子浓度可以为100ppm以上且1400ppm以下。
[0162]
本公开的合成单晶金刚石中的氮原子浓度可以为100ppm以上且1300ppm以下。
[0163]
本公开的合成单晶金刚石中的氮原子浓度可以为200ppm以上且1500ppm以下。
[0164]
本公开的合成单晶金刚石中的氮原子浓度可以为200ppm以上且1400ppm以下。
[0165]
本公开的合成单晶金刚石中的氮原子浓度可以为200ppm以上且1300ppm以下。
[0166]
本公开的合成单晶金刚石中的氮原子浓度可以为300ppm以上且1500ppm以下。
[0167]
本公开的合成单晶金刚石中的氮原子浓度可以为300ppm以上且1400ppm以下。
[0168]
本公开的合成单晶金刚石中的氮原子浓度可以为300ppm以上且1300ppm以下。
[0169]
[附记5]
[0170]
在本公开的合成单晶金刚石中，上述(λ
’‑
λ)可以为0以上且2以下。
[0171]
在本公开的合成单晶金刚石中，上述(λ
’‑
λ)可以为0以上且1以下。
[0172]
在本公开的合成单晶金刚石中，上述(λ
’‑
λ)可以为0.05以上且2以下。
[0173]
在本公开的合成单晶金刚石中，上述(λ
’‑
λ)可以为0.05以上且1以下。
[0174]
在本公开的合成单晶金刚石中，上述(λ
’‑
λ)可以为0.1以上且2以下。
[0175]
在本公开的合成单晶金刚石中，上述(λ
’‑
λ)可以为0.1以上且1以下。
[0176]
在本公开的合成单晶金刚石中，上述(λ
’‑
λ)可以为0.15以上且2以下。
[0177]
在本公开的合成单晶金刚石中，上述(λ
’‑
λ)可以为0.15以上且1以下。
[0178]
在本公开的合成单晶金刚石中，上述(λ
’‑
λ)可以为0.2以上且2以下。
[0179]
在本公开的合成单晶金刚石中，上述(λ
’‑
λ)可以为0.2以上且1以下。
[0180]
在本公开的合成单晶金刚石中，上述(λ
’‑
λ)可以为0.25以上且2以下。
[0181]
在本公开的合成单晶金刚石中，上述(λ
’‑
λ)可以为0.25以上且1以下。
[0182]
在本公开的合成单晶金刚石中，上述(λ
’‑
λ)可以为0.3以上且2以下。
[0183]
在本公开的合成单晶金刚石中，上述(λ
’‑
λ)可以为0.3以上且1以下。
[0184]
实施例
[0185]
通过实施例对本实施方式更具体地进行说明。但是，本实施方式并不限定于这些实施例。
[0186]
[合成单晶金刚石的制作]
[0187]
《试样2、试样4～试样7》
[0188]
(第一工序)
[0189]
使用具有图2所示的构成的试样室，通过使用了溶剂金属的温度差法，合成金刚石单晶。
[0190]
作为溶剂金属，准备由铁-钴-镍构成的合金，向其中添加氮化铁(fe3n)粉末作为碳供给源。溶剂金属中的氮化铁的浓度示于表1的“制造条件”的“溶剂金属中氮化铁浓度(质量％)”一栏中。例如，在试样2中，溶剂金属中的氮化铁的浓度为0.02质量％。
[0191]
碳源使用金刚石的粉末，晶种使用约0.5mg的金刚石单晶。利用加热器对试样室内的温度进行调整，以使得在配置有碳源的高温部与配置有晶种的低温部之间产生几十度的温度差。在此基础上，使用超高压发生装置，将压力控制在5.5gpa，并将低温部的温度控制在1370℃
±
10℃(1360℃～1380℃)的范围，保持60小时，在晶种上合成金刚石单晶。
[0192]
(第二工序)
[0193]
接着，对所得到的金刚石单晶照射电子束。照射条件为照射束能量4.6mev、电流2ma、照射时间30小时。这是对金刚石单晶赋予100mgy的能量的照射条件。
[0194]
(第三工序)
[0195]
接着，对于电子束照射后的金刚石单晶，在常压下(试样4)或3gpa以上的高压下(试样2、试样5～试样7，在表1中记载为“高压”)，施加表1的“制造条件”的“第三工序(60分钟)”一栏中记载的温度60分钟，得到合成单晶金刚石。例如，在试样2中，对金刚石单晶施加
3gpa以上(高压)的压力以及2300℃的温度60分钟。
[0196]
《试样1》
[0197]
试样1通过与试样2相同的第一工序，合成金刚石单晶。在试样1中，不进行第二工序以及第三工序。
[0198]
《试样3》
[0199]
试样3通过与试样4相同的第一工序，合成金刚石单晶。在试样1中，不进行第二工序以及第三工序。
[0200]
表1
[0201][0202]
《评价》
[0203]
对于试样2及试样4～试样7的合成单晶金刚石、以及试样1及试样3的金刚石单晶(以下也记为“合成单晶金刚石/金刚石单晶”)，进行氮浓度的测定、拉曼分光分析、荧光光谱的测定、红外分光分析、努氏硬度的测定、以及破坏强度试验。
[0204]
(氮原子浓度的测定)
[0205]
通过sims分析求出各试样的合成单晶金刚石/金刚石单晶中的氮原子的原子数基准的浓度。将结果示于表2的“合成单晶金刚石/金刚石单晶”的“氮原子浓度(ppm)”一栏中。
[0206]
(拉曼分光分析)
[0207]
通过显微拉曼分光法，对各试样的合成单晶金刚石/金刚石单晶的一阶拉曼散射光谱中的峰的拉曼位移λ’cm-1
和按原子数基准计以1ppm以下的浓度包含氮原子的合成iia型单晶金刚石(住友电气株式会社制造的高纯度iia型单晶金刚石)的一阶拉曼散射光谱中的峰的拉曼位移λcm-1
进行测定，并计算出(λ
’‑
λ)的值。具体的测定方法记载于实施方式1，因此不重复其说明。将结果示于表2的“合成单晶金刚石/金刚石单晶”的“拉曼光谱”的“(λ
’‑
λ)(cm-1
)”一栏中。
[0208]
(荧光光谱)
[0209]
对各试样的合成单晶金刚石/金刚石单晶的表面进行镜面研磨后，照射波长为325nm的激发光，并对荧光光谱进行测定。
[0210]
在荧光光谱中，确认荧光波长415
±
2nm的范围内的发光峰的有无、以及荧光波长420nm以上且470nm以下的范围内的发光峰的有无。将结果示于表2的“合成单晶金刚石/金刚石单晶”的“荧光光谱”的“415
±
2nm范围内的发光峰(发光强度)”以及“420-470nm子带(最高发光强度)”一栏中。
[0211]
当在荧光波长415
±
2nm的范围内“有”发光峰的情况下，将峰的发光强度示于括号()内。但是，发光强度并非对应于n3中心的含量(发光强度根据其他杂质、晶体缺陷的状态而变化)。
[0212]
当在荧光波长420nm以上且470nm以下的范围内“有”发光峰的情况下，将峰的最高发光强度示于括号()内。但是，最高发光强度并非对应于n3中心的含量(发光强度根据其他杂质、晶体缺陷的状态而变化)。
[0213]
在荧光波长415
±
2nm的范围内“有”峰的全部的试样(试样2、试样5～试样7)中，在荧光波长420nm以上且470nm以下的范围内也确认到发光峰。
[0214]
在荧光波长415
±
2nm的范围内“无”峰的全部的试样(试样1、试样3、试样4)中，在荧光波长420nm以上且470nm以下的范围内未确认到发光峰。
[0215]
将在荧光波长415
±
2nm的范围内以及荧光波长420nm以上且470nm以下的范围内的一方或双方存在发光峰的情况设为“有”n3中心，将在任一范围均不存在发光峰的情况设为“无”n中心。将结果示于表2的“合成单晶金刚石/金刚石单晶”的“荧光光谱”的“n3中心”一栏中。
[0216]
(红外分光分析)
[0217]
将各试样的合成单晶金刚石/金刚石单晶加工成厚度为1mm左右的板状，将供光透过的两面研磨成镜面后，通过傅立叶变换红外分光法，进行红外区域的吸光度测定，制作红外吸收光谱。
[0218]
将在红外吸收光谱中除了基于其他中心的吸收以外在波数1282
±
2cm-1
存在吸收峰的情况设为“有”a中心，将在波数1282
±
2cm-1
不存在吸收峰的情况设为“无”a中心。将结果示于表2的“合成单晶金刚石/金刚石单晶”的“红外吸收光谱”的“a中心”一栏中。
[0219]
将在红外吸收光谱中除了基于其他中心的吸收以外在波数1175
±
2cm-1
存在吸收峰的情况设为“有”b中心，将在波数1175
±
2cm-1
不存在吸收峰的情况设为“无”b中心。将结果示于表2的“合成单晶金刚石/金刚石单晶”的“红外吸收光谱”的“b中心”一栏中。
[0220]
将在红外吸收光谱中除了基于其他中心的吸收以外在波数1130
±
2cm-1
存在吸收峰的情况设为“有”c中心，将在波数1130
±
2cm-1
不存在吸收峰的情况设为“无”c中心。将结果示于表2的“合成单晶金刚石/金刚石单晶”的“红外吸收光谱”的“c中心”一栏中。
[0221]
将在红外吸收光谱中除了基于其他中心的吸收以外在波数1370～1385cm-1
存在吸收峰的情况设为“有”b’中心(片晶)，将在波数1370～1385cm-1
不存在吸收峰的情况设为“无”b’中心(片晶)。将结果示于表2的“合成单晶金刚石/金刚石单晶”的“红外吸收光谱”的“b’中心/片晶”一栏中。
[0222]
此外，包含b’中心(片晶)的合成单晶金刚石在红外吸收光谱中，在波数1358cm-1
以上且1385cm-1
以下显示出吸收峰。但是，若在小于波数1370cm-1
的范围(波数1358cm-1
以上且
小于波数1370cm-1
)存在吸收峰，则晶体内的b’中心(片晶)聚集体过大，成为破坏的起点，因此不优选。在试样1～试样7中，在波数1358cm-1
以上且小于波数1370cm-1
不存在吸收峰。
[0223]
作为参考值，计算出将金刚石的基于声子的吸收即波数2160cm-1
的吸光度设为1时的、波数1282cm-1
(a中心)的吸光度的值、波数1175cm-1
(b中心)的吸光度的值、波数1130cm-1
(c中心)的吸光度的值、波数1370cm-1
以上且1385cm-1
以下的峰的吸光度的值、波数1358cm-1
以上且小于波数1370cm-1
的峰的吸光度的值。将结果示于表2的“合成单晶金刚石/金刚石单晶”的“红外吸收光谱”的“i(1282)/i(2160)”、“i(1175)/i(2160)”、“i(1130)/i(2160)”、“i(1370-1385)/i(2160)”、“i(1358-1370)/i(2160)”一栏中。
[0224]
关于i(1282)/i(2160)，与“有”a中心的试样2相比，“无”a中心的试样3的i(1282)/i(2160)的值更大。这是因为试样3中c中心的氮较多，因此在源自于该c中心的吸收光谱的肩峰的波数1282cm-1
处的吸收较强，并不表示试样3包含a中心。
[0225]
关于i(1175)/i(2160)，与“有”b中心的试样2、试样4以及试样5相比，“无”b中心的试样3的i(1175)/i(2160)的值更大。这是因为试样3中c中心的氮较多，因此在源自于该c中心的吸收光谱的肩峰的波数1175cm-1
处的吸收较强，并不表示试样3包含b中心。
[0226]
关于i(1130)/i(2160)，与“有”c中心的试样1相比，“无”c中心的试样4～试样7的i(1130)/i(2160)的值更大。这是因为试样4～试样7的a中心以及b中心的氮较多，因此在源自于上述a中心以及b中心的吸收光谱的肩峰的波数1130cm-1
处的吸收较强，并不表示试样4～试样7包含c中心。
[0227]
(努氏硬度的测定)
[0228]
在各试样的合成单晶金刚石/金刚石单晶的{001}面内的《100》方向上，以4.9n的载荷施加压痕。对所得到的压痕的长的一方的对角线a(μm)进行测定，通过下述式a计算出努氏硬度(hk)。将结果示于表2的“合成单晶金刚石/金刚石单晶”的“{001}《100》努氏硬度”一栏中。
[0229]
hk＝14229
×
4.9/a2式a
[0230]
(破坏强度试验)
[0231]
准备r50μm的球状的金刚石压头，在室温(23℃)下，以100n/min的负荷速度对各试样的合成单晶金刚石/金刚石单晶施加载荷，对试样产生龟裂的瞬间的载荷(龟裂产生载荷)进行测定。具体的测定方法记载于实施方式1，因此不重复其说明。龟裂产生载荷越大，表示试样的强度越高，耐缺损性越优异。将结果示于表2的“合成单晶金刚石/金刚石单晶”的“龟裂产生载荷”一栏中。
[0232][0233]
《考察》
[0234]
试样2以及试样5～试样7相当于实施例。试样1、试样3以及试样4相当于比较例。可
以确认，试样2以及试样5～试样7(实施例)与试样1、试样3以及试样4(比较例)相比，具有较高的硬度、且耐缺损性优异。
[0235]
在实施例中，试样5～试样7具有特别高的硬度以及优异的耐缺损性。据认为这是因为，在试样5～试样7中，不存在导致硬度、强度降低的c中心(孤立取代型氮原子)，且存在有助于抑制塑性变形、龟裂的进展的片晶。
[0236]
如以上那样对本公开的实施方式以及实施例进行了说明，但从最初起也预定将上述的各实施方式以及实施例的构成适当组合或进行各种变形。
[0237]
应当认为本次公开的实施方式以及实施例在所有方面都是示例，而不是限制性的。本发明的范围不是由上述的实施方式以及实施例表示，而是由权利要求书表示，意图包含与权利要求书等同的意思以及范围内的全部变更。
[0238]
附图标记说明
[0239]
1：金刚石单晶；2：绝缘体；3：碳源；4：溶剂金属；5：晶种；6：压力介质；7：石墨加热器；10：试样室。