(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の層を備える着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料であって、
前記複数の層は、欠陥組成および色に関して異なる少なくとも２組の層を含み、
前記少なくとも２組の層のそれぞれの欠陥タイプ、欠陥濃度、および層厚さは、前記着色した単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料が、テーブルおよびキューレットを備え、かつ１ｍｍ超のテーブルからキューレットまでの深さを有するラウンドブリリアントカットダイヤモンドに製造される場合、前記ラウンドブリリアントカットダイヤモンドが、前記テーブルから前記キューレットへの少なくとも１つの方向から、標準環境の観察条件下でヒトの裸眼で見たとき、均一な色を有するようなものであり、
前記少なくとも２組の層が、青呈色を生じるのに十分な濃度でホウ素ドーパントを含む第１組の層、および窒素ドーパントを含む第２組の層を含み、
個別層の可視性の良度指数（ＦＭ）が、０．１５以下であり、個別層の可視性の前記良度指数が、次式の積：ＦＭ＝前記第１組の層の層厚さ（ｍｍ）×前記第２組の層の層厚さ（ｍｍ）×前記第１組の層における固体ホウ素濃度（ｐｐｍ）×ラウンドカットブリリアントの深さ（ｍｍ）として計算される、
着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
【請求項２】
前記複数の層が、少なくとも５層、１０層、２０層、３０層、４０層または５０層を含む、請求項１に記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
【請求項３】
前記ラウンドブリリアントカットダイヤモンドが、前記キューレットから前記テーブルへの方向から、標準環境の観察条件下でヒトの裸眼で見たとき、均一な色を有する、請求項１または２に記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
【請求項４】
前記ラウンドブリリアントカットダイヤモンドが、前記テーブルからキューレットへの方向に対し垂直な方向の側方から、標準環境の観察条件下でヒトの裸眼で見たとき、均一な色を有する、請求項１から３のいずれかに記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
【請求項５】
前記ラウンドブリリアントカットダイヤモンドが、０．０１ｃｔ以上、０．０２ｃｔ以上、０．０５ｃｔ以上、０．１０ｃｔ以上、０．５ｃｔ以上、０．７５ｃｔ以上、１．０ｃｔ以上、２．０ｃｔ以上、または５ｃｔ以上のサイズを有する、請求項１から４のいずれかに記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
【請求項６】
前記第１組の層が、０．０１ｐｐｍ以上、０．０３ｐｐｍ以上、０．０９ｐｐｍ以上、０．１５ｐｐｍ以上、０．２０ｐｐｍ以上、０．５０ｐｐｍ以上、１．００ｐｐｍ以上、１．５０ｐｐｍ以上、２．００ｐｐｍ以上、３ｐｐｍ以上、または４ｐｐｍ以上で、かつ５．００ｐｐｍ以下、４．００ｐｐｍ以下、３．００ｐｐｍ以下、２．００ｐｐｍ以下、１．００ｐｐｍ以下、０．５０ｐｐｍ以下、または０．１０ｐｐｍ以下の非補償型ホウ素ドーパント濃度を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
【請求項７】
前記第２組の層が、０．０１ｐｐｍ以上、０．０５ｐｐｍ以上、０．１０ｐｐｍ以上、０．５ｐｐｍ以上、または０．８ｐｐｍ以上で、かつ、１０ｐｐｍ以下、７ｐｐｍ以下、５ｐｐｍ以下、３ｐｐｍ以下、２．５ｐｐｍ以下、２．０ｐｐｍ以下、１．５ｐｐｍ以下、または１ｐｐｍ以下の濃度で単一置換窒素ドーパントを含む、請求項１〜６のいずれかに記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
【請求項８】
前記第２組の層が、前記第１組の層より大きな層厚さを有する、請求項１〜７のいずれかに記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
【請求項９】
前記第１組の層が、０．１ｍｍ以下、０．０８ｍｍ以下、または０．０６ｍｍ以下で、かつ、０．００１ｍｍ以上、０．０１ｍｍ以上、０．０１５ｍｍ以上、または０．０２ｍｍ以上の層厚さを有する、請求項１〜８のいずれかに記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
【請求項１０】
前記第２組の層が、０．１ｍｍ以上、０．１５ｍｍ以上、０．２０ｍｍ以上、０．２５ｍｍ以上、または０．３０ｍｍ以上で、かつ、０．４００ｍｍ以下、０．３７５ｍｍ以下、０．３５０ｍｍ以下、０．３２５ｍｍ以下、０．３００ｍｍ以下、０．２５０ｍｍ以下、０．２００ｍｍ以下、または０．１７５ｍｍ以下の層厚さを有する、請求項１〜９のいずれかに記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
【請求項１１】
個別層の可視性の良度指数（ＦＭ）が、０．１３以下、０．１１以下、０．０９以下、０．０７以下、または０．０５以下である、請求項１〜１０のいずれかに記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかに記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を製造する方法であって、
単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドの成長プロセスにおいてドーパントガス濃度を変化させて、欠陥組成および色に関して異なる複数の層を備える着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を形成させることを含み、
前記ドーパントガス濃度およびドーパントガス濃度の変動期間は、前記着色した単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料が、テーブルおよびキューレットを含み、かつ１ｍｍ超のテーブルからキューレットまでの深さを有するラウンドブリリアントカットダイヤモンドに製造される場合、前記ラウンドブリリアントカットダイヤモンドが、前記テーブルから前記キューレットへの少なくとも１つの方向から標準環境の観察条件下でヒトの裸眼で見たとき、均一な色を有するように制御される方法。
【請求項１３】
前記複数の層が、第１のドーパントを含む第１組の層、および第２のドーパントを含む第２組の層を含み、第１の層および第２の層の間の移行点において、前記第２のドーパントが、より高い濃度で最初に導入され、次いで、前記第２の層の成長中に低減することにより、前記第１および第２の層の間の前記移行点の後で前記第２の層中に組み込まれ続ける前記第１のドーパントを補償する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料をアニールすることをさらに含む、請求項１２または１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、均一な色を有する単結晶化学蒸着（ＣＶＤ）合成ダイヤモンド材料、およびこれらを作製する方法に関する。特に、本発明の特定の実施形態は、均一に着色したダイヤモンド材料のより高い成長速度での製造および／または新規な着色したダイヤモンド材料の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
一連の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料は、茶色、青色、オレンジ色、緑色、赤色、ピンク色および紫色を含めて当技術分野において公知である。着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料は、ＣＶＤ合成プロセス中に１種または複数種のドーパントを導入することによって製造することができる。例えば、茶色の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料は、ＷＯ２００３／０５２１７７に記載されているように窒素ドーピングによって製造することができる。青色の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料は、ＷＯ０３／０５２１７４に記載されているようにホウ素ドーピングによって製造することができる。
上記に加えて、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の色は、合成後に材料をアニールおよび／または照射することによって変化させることができる。一連の色は、出発材料の正確なタイプ、ならびに照射およびアニール処理の性質によって達成し得る。例えば、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料をアニールすることによって、ＷＯ２００４／０２２８２１に記載されているようにその色を変化させることができる。無色またはほぼ無色の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料は、ＷＯ２０１０／１４９７７９において記載されているように、照射されるとき青色となる。照射され、次いで、およそ７００℃超の温度に加熱される場合、最初に無色またはほぼ無色である単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料は、ＷＯ２０１０／１４９７７７に記載されているようにオレンジ色に、またはＷＯ２０１０／１４９７７５に記載されているようにピンク色に変換させることができる。他の色はまた、出発材料の正確なタイプ、任意のアニールステップの温度および期間、任意の照射ステップのエネルギーおよび線量、ならびに照射およびアニールステップの任意の組合せの数および順序によって到達し得る。
【０００３】
多くの光学用途のために、色の均一性は重要であり、宝飾品用途のために、材料の色が、標準環境の観察条件下で、すなわち、色の均一性の変動を検出するために顕微鏡または分光技術を使用しないで、ヒトの裸眼に対して均一であるように見えることは特に重要である。このような用途において、ドーパント濃度の小さな変動は視覚的に検出可能でなく、したがって材料の知覚できる質を損なわない。
均一な色を実現する１つの方法は、ＣＶＤ成長プロセス全体に亘りドーピングを一定のレベルで注意深く制御して、材料の成長方向における色の不均一性を防止することを確実にすることである。さらに、ドーピングを、成長方向に対し垂直な方向において一定のレベルで制御して、成長した状態の材料の横方向に亘って色の不均一性を防止することを確実にすることも重要である。気体流、基板温度、およびマイクロ波プラズマの均一性は、ドーパント取込みの速度に影響を与え得るため、注意深く制御する必要がある。
【０００４】
上記のようにドーパントのレベルを制御することに加えて、ＷＯ０３／０５２１７４は、成長の間に単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の全体に広がる転位欠陥が、ダイヤモンド格子中へのドーパント組込み速度に差を生じ、得られた単結晶材料中のドーパント濃度の変動を生じ得ることを開示している。このような変動が十分に大きい場合、不均一な色をもたらし得る。ＷＯ０３／０５２１７４は、その成長表面において非常に低い転位欠陥濃度を有し、かつ表面および表面下のダメージを組み込むことを回避するように注意深く処理されてきた単結晶ダイヤモンド基板上でＣＶＤ成長を行うことによって、このような不均一性を低減させることができることを開示している。このような低い表面欠陥の基板は、その上に成長している単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の中へとかいくぐって進み、ドーパント原子の取込みに差を生じ得る、転位の濃度を低減させる上で有利であると教示されている。
【０００５】
上記に照らして、注意深く制御され均一な成長条件と組み合わせた注意深い基板の選択は、その色が、標準環境の観察条件下でヒトの裸眼に対して均一であるように見える程度まで均一にドープされ、かつ実際に高度の均一性を必要とする技術的用途のために非常により高いレベルのドーパントの均一性で制御することができる、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料をもたらすことができることは公知である。したがって、従来技術の教示を使用して均一に着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を達成することは技術的に実行可能である。
しかし、技術的実現可能性に加えて、合成プロセスが商業的に成功したものとなるために、これはまた経済的に実行可能でなくてはならない。単結晶ＣＶＤダイヤモンド合成プロセスが経済的に実行可能となるために、これは、十分に高い成長速度および十分に高い収率を有さなくてはならない。材料の色を変化させるために単結晶ＣＶＤダイヤモンド成長プロセス中にドーパントを組み込むことは、これらのパラメーターの両方に影響を与えることができる。
【０００６】
例えば、特定のレベルの気体窒素を単結晶ＣＶＤダイヤモンド成長プロセスに組み込むことは、ダイヤモンド材料の成長速度を増加させることができることは公知であり、これは商業的に有利である。しかし、成長プロセスにおける有意なレベルの窒素は、呈色が茶色である単結晶ＣＶＤダイヤモンド生成物をもたらす傾向があり、これは宝飾品用途のためにそれほど望ましくない。さらに、成長プロセスに高濃度の気体窒素を組み込むことは、成長の間に単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の結晶形態の変化をもたらすことができ、クラッキングをもたらし、したがって収率を低減させ得る。単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の厚い層、例えば、２ｍｍ超の厚さを成長させるとき、これは特に問題であり得る。
【０００７】
単結晶ＣＶＤダイヤモンド成長プロセス中に気体ホウ素を組み込むことによって、青色の材料を生成することができる一方で、単結晶ＣＶＤダイヤモンドのホウ素ドーピングは、少なくとも窒素利用成長プロセスと比較して、材料の成長速度を有意に減少させ、したがって生成コストを増加させ、商業的実行可能性を低減させることはまた公知である。
上記に加えて、一連の異なる着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料は、出発材料の正確なタイプによって、ならびに様々な照射および／またはアニール処方を適用することによって達成することができることが公知である一方、全ての色が今日まで達成されているとは限らず、達成されてきた特定の色は宝飾品用途における美的外観のために最適でない。例えば、特定の成長および成長後の照射およびアニール処方によって達成される特定の色は、濃すぎる。特定の場合において、成長および成長後の処理処方の組合せを使用して、特定の所望の明るい上等な色を達成するために正しい比の欠陥を得ることは困難である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の問題の１つまたは複数を解決することは本発明の特定の実施形態の１つの目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様によると、複数の層を含む着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を提供し、
複数の層は、これらの欠陥組成および色に関して異なる少なくとも２組の層を含み、
少なくとも２組の層のそれぞれについての欠陥タイプ、欠陥濃度、および層厚さは、着色した単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料が、テーブルおよびキューレットを含み、かつ１ｍｍ超のテーブルからキューレットまでの深さを有するラウンドブリリアントカットダイヤモンドに製造される場合、ラウンドブリリアントカットダイヤモンドが、テーブルからキューレットへの少なくとも１つの方向において、標準環境の観察条件下でヒトの裸眼で見たとき、均一な色を含むようなものである。
【００１０】
本発明の第２の態様によると、上記に定義されているような着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を製造する方法を提供し、方法は、
単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド成長プロセスにおいて少なくとも１つのドーパントガス濃度を変化させ、これらの欠陥組成および色に関して異なる複数の層を含む着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を形成させることを含み、
ドーパントガス濃度およびドーパントガス濃度における変動の期間は、着色した単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料が、テーブルおよびキューレットを含み、かつ１ｍｍ超のテーブルからキューレットまでの深さを有するラウンドブリリアントカットダイヤモンドに製造される場合、ラウンドブリリアントカットダイヤモンドが、テーブルからキューレットへの少なくとも１つの方向において、標準環境の観察条件下でヒトの裸眼で見たとき、均一な色を含むように制御される。
【００１１】
ドーパントガス濃度における変動は、各組の層が一貫した厚さおよび／または欠陥濃度を有するように周期的であり得る。代わりに、層厚さおよびドーパント／欠陥濃度は、各組の層について変動し得る。
上記に関して、例えば、光学顕微鏡下で観察したとき、材料の層が異なる色を有するための必要条件は、異なる層が異なる色相を有することを必要としないことに留意すべきである。例えば、本発明による材料は、明るい青色の材料の層および濃い青色の材料の層を含み得る。
【００１２】
特定の文脈において、キューレットという用語は、宝石用原石の底面上のフラットフェースを示すと一部の人に理解されていることにも留意すべきである。本発明に関して、キューレットという用語は、宝石用原石の底面上のフラットフェース、または宝石用原石の下限を意味し得ることが理解される。すなわち、上記の定義は、宝石用原石の底面上にフラットフェースを提供することに限定されない。
【００１３】
本発明の視覚的に均一に着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料は、上記の定義に適合させるために、ラウンドブリリアントカットダイヤモンドにカットすることが必要とされないことにも留意すべきである。むしろ、ラウンドブリリアントカットへの言及は、単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の色の均一性を定義するために行う。したがって、カットされていない単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料、または別の形状にカットされた単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料は、材料が、テーブルおよびキューレットを含み、かつ１ｍｍ超のテーブルからキューレットまでの深さを有するラウンドブリリアントカットダイヤモンドにカット、または再カットされたとき、ラウンドブリリアントカットダイヤモンドが、テーブルからキューレットへの少なくとも１つの方向において、標準環境の観察条件下でヒトの裸眼で見たとき、均一な色を含む場合、上記の定義を依然として満たし得る。これに関しては、ラウンドブリリアントカットのファセットカウントが標準的である一方、実際の釣り合い（クラウンの高さおよびクラウンの角度、パビリオンの深さおよびパビリオンの角度、ならびにテーブルのサイズ）は、普遍的に見解が一致しておらず、様々な僅かな変動が存在することがまた留意し得る。ベンチマークのラウンドブリリアントカットは、アメリカンスタンダード、プラクティカルファインカット、スカンジナビアンスタンダード、ユーリッツブリリアント、アイディアルブリリアント、パーカーブリリアント、およびＡｃｃｒｅｄｉｔｅｄ  Ｇｅｍ  Ａｐｐｒａｉｓｅｒｓ（ＡＧＡ）スタンダードを含む。これらの標準的ラウンドブリリアントカットの任意の１つまたは複数を使用して、本発明を試験し得る。
【００１４】
最後に、ヒトの裸眼によって観察されるような色の均一性の定義は、解像度および色の認知の両方に関して臨床的に正常視力を有するヒト対象（すなわち、色覚異常を有さない標準的な２０／２０の視力）に関して解釈すべきであることにも留意すべきである。さらに、標準雰囲気の観察条件は、アウトドアの場合は日光の下であること、またはインドアに位置する場合は明かりの多い部屋内であることを意味すると解釈すべきである。このような条件下で、およびテーブルおよびキューレットを含み、かつ１ｍｍ超のテーブルからキューレットまでの深さを有するラウンドブリリアントカットダイヤモンドにカットした場合、本発明の材料は、テーブルからキューレットへの少なくとも１つの方向において観察したとき、材料の層状構造に伴う識別可能な帯または環を有さないはずである。
【００１５】
本発明のより良好な理解のために、およびどのように本発明を実行に移し得るかを示すために、本発明の実施形態を、例示のみを目的として添付図面に関連してこれから記載する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１（ａ）】ラウンドブリリアントカット単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドを通る光の内部反射を例示し、異なるドープをした材料の交互層が、テーブルからキューレットへの方向から見たときに、見える理由を例示するダイアグラムを示す。
【図１（ｂ）】テーブルからキューレットへの方向から見た、材料の層状構造に伴う知覚できる多角環の形状の条線を有するラウンドブリリアントカット単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドを例示するダイアグラムを示す。
【図２（ａ）】ホウ素ドープ層および窒素ドープ層の可視交互層を含む成長した状態の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の断面の写真を示す。
【図２（ｂ）】図２（ａ）に示す成長した状態の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料から製造したラウンドブリリアントカットダイヤモンドの写真であって、テーブルからキューレットへの方向から見たときに、該材料の層状構造に伴う可視的な多角環形状の条線を呈する写真を示す。
【図３（ａ）】ホウ素ドープ層および窒素ドープ層の可視交互層を含む別の成長した状態の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の断面の写真を示す。
【図３（ｂ）】図３（ａ）に示す成長した状態の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料から製造したラウンドブリリアントカットダイヤモンドの写真であって、テーブルからキューレットへの方向から見たときに、該材料の層状構造に伴う可視的な多角環形状の条線を呈する写真を示す。
【図４】個別層の可視性の傾向を例示する２つのグラフを示し、（ａ）固定されたサイズのラウンドブリリアントカット単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドについての、青色の発色層における変化する層厚さおよびホウ素ドーパント濃度；ならびに（ｂ）固定されたホウ素ドーパント濃度を有するラウンドブリリアントカット単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドについての、１組の発色層における変化する層厚さおよびサイズである。
【図５（ａ）】ホウ素ドープ層および窒素ドープ層の可視交互層を含む、本発明による成長した状態の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の断面の写真を示す。
【図５（ｂ）】図５（ａ）に示す成長した状態の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料から製造したラウンドブリリアントカットダイヤモンドの写真であって、テーブルからキューレットへの方向から見たときに、該材料の層状構造に伴う可視的な多角環形状の条線を呈していない写真を示す。
【図６（ａ）】ホウ素ドープ層および窒素ドープ層の可視交互層を含む、本発明による別の成長した状態の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の断面の写真を示す。
【図６（ｂ）】図６（ａ）に示す成長した状態の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料から製造したラウンドブリリアントカットダイヤモンドの写真であって、テーブルからキューレットへの方向から見たときに、該材料の層状構造に伴う可視的な多角環形状の条線を呈していない写真を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
見掛け上均一に着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドは、ダイヤモンド材料を宝石用原石にカットしたとき、個別層が標準環境の観察条件下でヒトの裸眼では解像可能でないように、ドーパント／欠陥のタイプ、ドーパント／欠陥の濃度、および層厚さを適正に制御するならば、ドーパント／欠陥組成および色が異なる層（好ましくは、平行層）を有する単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料から製造できるという概念に、本発明の実施形態は基づいている。
【００１８】
異なるドーパント組成を伴う層を有する単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を製造することは、当技術分野において公知であることに留意すべきである。しかし、これらの従来技術の構成は、（ｉ）標準環境の観察条件下で肉眼に完全に見えず、合成ダイヤモンド材料を着色しない；または（ｉｉ）標準環境の観察条件下で肉眼に個別に見えるため、合成ダイヤモンド材料が見掛け上均一に着色されていない、のいずれかであるドーパント層を開示しているのみである。ドーパント組成および色が異なる層を有する単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料から、個別層が標準環境の観察条件下でヒトの裸眼では解像可能でないように、ドーパントタイプ、ドーパント濃度、および層厚さを適正に制御することによって、見掛け上均一に着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドを形成する方法については開示していない。
【００１９】
例えば、オプション（ｉ）によるドーパント層は、単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドの認知される質に影響を与えることなく、天然ダイヤモンドと区別することができるように、単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドを作製する手段としてＷＯ２００５／０６１４００において提案されている。この場合、ドーパントタイプおよび濃度は、ドープ層が肉眼に見えず、かつ標準環境の観察条件下で単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドを着色しないように選択される。しかし、ドープ層は、特別な観察条件下、例えば、蛍光イメージング条件下で可視である。ＷＯ０３／０１４４２７は、オプション（ｉｉ）を考慮して、このような不純物を有さない他の層または匹敵する層と比較した、増加した濃度の１種または複数種の不純物（例えば、ホウ素、および／または炭素の同位体）を有する１つまたは複数の層で製造した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を開示している。このような組成物は、色、強度、音速、導電率、および欠陥の制御を含めた特性の改善された組合せを実現することが示唆されている。しかし、このような層は、ヒトの裸眼に個別に見える（例えば、ホウ素ドーピングの場合）か、または全く呈色しない（例えば、同位体炭素ドーピングの場合）であろう。
【００２０】
本発明により関連するのは、単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドを、着色した合成ダイヤモンドを形成させる１つまたは複数のドーピングの層と共に提供し得ることを開示しているＵＳ２０１００２８５５６である。ピンク色の合成ダイヤモンドの層は、窒素をドープし、照射およびアニールによって処理することによって形成し得ることが開示されている。１つの実施形態は、ピンク色の層を形成するために０．１〜１０ｐｐｍの範囲の高濃度の窒素を伴う層、および無色の層を形成するためにおよそ５０ｐｐｂ未満の窒素の濃度を伴う層を実現することを示唆している。窒素ドープ層は、１μｍ〜１ｍｍの範囲の厚さを有し得ることが示唆されている。青色のダイヤモンド材料の層は、ホウ素でドープすることによって形成させることができることがまた開示されている。１つの実施形態は、０．５ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍの範囲のホウ素濃度を伴うホウ素でドープされた材料の青色の層、および非ドープ材料の層を提供することを示唆している。ホウ素でドープされたダイヤモンドの層は、１μｍ未満から５０μｍの厚さで形成される。
【００２１】
ＵＳ２０１００２８５５６はまた、天然有色ダイヤモンドにおいて、色帯形成が［１１１］成長面上で見出される傾向があることに留意している。ダイヤモンド宝石用原石は、テーブルが［１００］面に近接して通常カットされるため、天然色の宝石において石のテーブルを通して色帯が見られることが多く、望ましくない効果を生じさせると記述されている。ＣＶＤ成長石において、成長は、［１００］面上または付近で起こる。したがって、色帯形成は、［１００］面に対して平行である。テーブルは［１００］面に対して平行近くでカットされるため、テーブルから見えるものは、色帯に対し垂直であるように見え、ＵＳ２０１００２８５５６は、このために色帯は見ることができず、非常に望ましい均一な着色石を有する着色した宝石用原石をもたらすことを示唆している。
【００２２】
ＵＳ２０１００２８５５６において提供される上記の分析は、技術的に正しくない。テーブルが色帯に対して平行である場合、テーブルを通して観察すると色帯は見ることができず、非常に望ましい均一な着色石を有する着色した宝石用原石をもたらすということは事実と異なる。これは、観察者に向かって宝石用原石のクラウンから出る光は、図１（ａ）において例示するようにドープ層の１つの面中に実質的にあり得る方向に沿った対向するパビリオンファセットの間の全内反射が関与する、宝石用原石内の路をたどるからである。したがって、色帯がテーブルに対して平行方向で形成され、したがってテーブル２からキューレット４への観察方向に対して垂直であるときでさえ、多角環の形態の色帯はテーブルを通して可視である。図１（ｂ）は、テーブル２からの方向から観察した、材料の層状構造に伴う知覚できる多角環の形状の条線６を伴うラウンドブリリアントカット単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドを例示するダイアグラムを示す。
【００２３】
図１（ａ）および１（ｂ）は、ＵＳ２０１００２８５５６が理論的観点から技術的に正しくない理由を例示する一方、本発明者らはまた、ＵＳ２０１００２８５５６のアプローチを実験的に試験し、ＵＳ２０１００２８５５６の教示に従うことは、非常に望ましい均一な着色石を有する着色した宝石用原石をもたらさないことを確認した。これに関しては、図２（ａ）は、ホウ素ドープ層および窒素ドープ層の可視交互層６を含む、成長した状態の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の断面の写真を示す。ＵＳ２０１００２８５５６の教示によると、材料が、テーブルが＜１００＞面に対して平行近くである（すなわち、層の面において）ラウンドブリリアントカットダイヤモンドに製造される場合、テーブルを通して見えるものは、色帯に対し垂直であるため、ラウンドブリリアントカットダイヤモンドは、テーブルを通して観察すると均一な色を含むはずである。しかし、テーブルを通した方向から観察した、図２（ａ）に示す成長した状態の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料から製造したラウンドブリリアントカットダイヤモンドの写真を示す図２（ｂ）において例示するように、これは事実とは異なる。以上のように、そのテーブルを通して上から観察したカットした宝石用原石において、層状構造は、図１（ａ）および１（ｂ）において例示した理由のために、明青色および暗青色の多角形（例えば、八面体）の環６のように見える。すなわち、ホウ素ドープ層の面を通して主に内部反射される光路は、より暗い青色のように見え、一方では、窒素ドープ層の面を通して主に内部反射される光路は、より明るい青色またはほぼ無色のように見える。図２（ｂ）に示す写真においてみることができるように、宝石の方位対称によって、これは明るい環および暗い環をもたらす。
【００２４】
図３（ａ）は、ホウ素ドープ層および窒素ドープ層の可視交互層を含む、別の成長した状態の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の断面の写真を示す。図３（ｂ）は、テーブルからキューレットへの方向から観察した、図３（ａ）に示す成長した状態の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料から製造したラウンドブリリアントカットダイヤモンドの写真を示す。ダイヤモンド材料は、図３（ａ）および３（ｂ）に示す例と比較して色が暗いが、材料の層状構造に伴う多角環の形状の条線は、依然として明らかに見える。
【００２５】
上記に照らして、ＵＳ２０１００２８５５６の教示に従うことは、色が均一である着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を必ずしももたらさないことは明らかである。むしろ、図１〜３に関して上記で示した技術的理解を所与として、ＵＳ２０１００２８５５６の教示に従うことは、テーブルからキューレットへの方向から観察したとき、材料の層状構造に伴う着色した多角環を有する着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料をもたらすことを当業者は理解する。さらに、上記の理解を所与として、テーブルからキューレットへの方向から観察したとき、材料の層状構造に伴う着色した多角環を有さなかった着色した層を含む単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を製造することは不可能であるように思われる。しかし、本発明者らは、着色した多角環を解像することができる限りにおいて、この不可能であるように思われることは有効であることを理解した。ヒトの裸眼は限定された解像力しかもたないという事実のために、本発明者らは、潜在的にあるパラメーターウィンドウが存在し得ると仮定したが、そこでは、層状構造に伴う多角環が解像できず、そのため、たとえ層状構造に伴う多角環が必然的に存在し、かつ肉眼より高い解像力を有する光学機器を使用して検出できても、肉眼は見掛け上色が均一な単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドを生じさせるように、着色層が、単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド全体を有意に着色させ得ると思われる。
【００２６】
上記に照らして、本発明者らは、特に、宝石用原石、例えば、ラウンドブリリアントカットダイヤモンドにカットされた場合、どのようなパラメーターが、層状の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドに伴う着色した環または帯の可視性に影響を与え得るかを調査した。こうした際に、本発明者らは、ドーパントタイプ、ドーパント濃度、および層厚さの注意深い制御によって、個別層が標準環境の観察条件下でヒトの裸眼では解像可能でないように、ドーパント組成および色が異なる層を有する単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料から、均一に着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドを首尾よく実現した。この目標の達成において、カットした宝石用原石におけるドープされた着色した層の可視性は、
（ｉ）主要な発色層におけるドーパント濃度、およびこれらの層内のドーパントの分布；
（ｉｉ）主要な発色ドーパントを補償して、このように色を低減させることができる、主要な発色層における他のドーパントの存在および濃度（例えば、ホウ素ドープ層中に存在する窒素は、具体的には、赤色領域における吸収をもたらし、したがって透過して青呈色をもたらす非補償型ホウ素を低減させることによって、ホウ素を補償して青呈色を低減させる）；
（ｉｉｉ）主要な発色層およびこれらの間に配置されている他の層の間のコントラストに影響を与える、他の層におけるドーパント濃度；
（ｉｖ）主要な発色層の厚さ；
（ｖ）主要な発色層の間に配置されている他の層の厚さ；ならびに
（ｖｉ）層状構造を通る光の路長を決定する宝石サイズ
を含めていくつかのパラメーターによって決まることを本発明者らは気付いた。
【００２７】
図４は、個別層の可視性の傾向を例示する２つのグラフを示し、（ａ）固定されたサイズのラウンドブリリアントカット単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドについての発色層における変化する層厚さおよびドーパント濃度；ならびに（ｂ）固定されたドーパント濃度を有するラウンドブリリアントカット単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドについての、１組の発色層における変化する層厚さおよびサイズである。グラフは任意単位（ＡＵ）を示し、特定の関数形を示唆することを意図しておらず、層状のドープされた構造における個別層の可視性の傾向を単に例示することに留意すべきである。グラフは、低窒素濃度のドープ層は相対的に無色であると仮定して、低窒素濃度のドープ層によって分離された青色のホウ素ドープ層についての傾向を示す。しかし、同様の傾向は、他のドーパント／欠陥タイプについて適用されるであろう。
図４（ａ）は、固定されたサイズのラウンドブリリアントカット単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドについて、青色のホウ素ドープ層の個々の可視性が、ホウ素濃度の増加および層厚さの増加と共に増加することを例示する。図４（ｂ）は、ホウ素ドープ層において固定されたホウ素濃度を有するラウンドブリリアントカット単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドについて、青色のホウ素ドープ層の個々の可視性が、層厚さの増加および宝石用原石のサイズの増加と共に増加することを例示する。
【００２８】
したがって、層状のドープされた構造における個別層の可視性は、
（ｉ）主要な発色層におけるドーパント／欠陥の濃度の増加と共に増加し、
（ｉｉ）主要な発色層における補償ドーパントの濃度の増加と共に減少し、
（ｉｉｉ）他の層におけるドーパント濃度の増加と共に減少し、これは主要な発色層およびこれらの間に配置されている他の層の間のコントラストを低下させ、
（ｉｖ）主要な発色層の厚さの増加と共に増加し、
（ｖ）主要な発色層の間に配置されている他の層の厚さの増加と共に増加し、
（ｖｉ）宝石サイズと共に増加し、宝石サイズは層状構造を通る光の路長を決定し、図１において例示されているように光が内部反射されるとき、ドープ層の面を通るより大きな路長によって個別層はより個々に可視であるものとなる。
【００２９】
上記のパラメーターのそれぞれについての値の適切な組合せを選択することによって、標準的な観察条件下で肉眼によって観察すると、異なるドーパント組成および色を伴う層を有する単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料から宝石用原石にカットされたとき、均一に着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドを達成することが可能であることが見出された。どのようにこれが成されるかの例示として、本発明の一実施形態を、ホウ素ドープ層および窒素ドープ層を使用して均一な青色の単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料を達成するためにより詳細に記載する。
ＣＶＤ成長の間にホウ素で単結晶合成ダイヤモンド材料をドープすることは、青色ＣＶＤ合成宝石用原石を作製するのに適した青色材料をもたらすことができる。ダイヤモンド材料を通過する光は、減法による呈色によって青色のように見える。青色（飽和）の量は、下記の式によって決定され、
【００３０】
【数１】
0006047846.tif 000002
式中、［Ｂ0（ｒ）］は、ｒ位における非補償型ホウ素の濃度であり、積分は、ダイヤモンド材料内の光路に沿っている。この量が多いほど、ダイヤモンドは青色がより暗く見える。非補償型ホウ素濃度は、青呈色をもたらす、吸収を消失させるコドーパントによって相殺されるものを超えるホウ素の濃度である。例えば、コドーパント、例えば、ケイ素または窒素は、ＷＯ２００５／０６１４００に記載されているようにホウ素ドーパントからもたらされる青呈色を消失させることができ、ホウ素濃度およびコドーパント濃度のバランスを取ることによって、無色またはほぼ無色の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を製造することが可能であるが、これとは異なり、コドーパントの非存在下では青色に着色されよう。したがって、色の強さに関して、実際に全ホウ素濃度よりはむしろ非補償型ホウ素濃度が重要なパラメーターである。
【００３１】
非補償型ホウ素を含有する単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料は、１２８２ｃｍ-1（１５９ｍｅＶ）に最大値を有する特徴的な１フォノン吸収特性を示す。非補償型ホウ素の濃度と１２８２ｃｍ-1での吸収係数へのこのバンドの寄与との間に直線関係が存在することが見出された。ｐｐｍでの非補償型ホウ素の濃度は、測定が室温で行われるとき、１２８２ｃｍ-1にて１．２×吸収係数である。
非補償型ホウ素を含有する単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料はまた、内因的な２フォノン吸収を差し引くことによって明らかにすることができる、２４５７ｃｍ-1（３０４．５ｍｅＶ）で特徴的な吸収を示す。１２８２ｃｍ-1での特性が、弱すぎて非補償型ホウ素濃度を計算するのに使用可能ではないとき、非補償型ホウ素濃度は、関係：非補償型ホウ素濃度（ｐｐｍ）＝０．００１４２×２４５７ｃｍ-1（ｍｅＶ．ｃｍ-1）での積分吸収係数を使用して、２４５７ｃｍ-1にてバンドの積分吸収係数から得ることができる。
【００３２】
単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド試料における非補償型ホウ素の濃度の代表的なマップは、試料の断面全体の複数の点において室温でＦＴＩＲスペクトルを集め、上記の関係の１つを使用して、各位置の非補償型ホウ素の濃度を誘導することによって、作成することができる。
非補償型ホウ素濃度はまた、紫外線陰極線ルミネセンス分光法を使用して測定することができる。高品質のホウ素をドープしたダイヤモンドの紫外線陰極線ルミネセンススペクトル（７７Ｋで記録）は、５．２２ｅＶ（２３７．５ｎｍ）で強力なホウ素結合励起子発光、および５．２７ｅＶ（２３５．２ｎｍ）で遊離励起子発光を示す。およそ１ｐｐｍまでのホウ素濃度を有する高品質ダイヤモンドについて、７７Ｋで測定したこれらの２つの発光の積分強度の比と非補償型ホウ素の濃度との間におおよその比例関係が存在する。これは、関係：非補償型ホウ素濃度（ｐｐｍ）＝１．８６×Ｉ（Ｂ結合励起子強度）／Ｉ（遊離励起子強度）によって示される。広範囲のホウ素濃度に亘って、試料に亘る異なる位置におけるこの比の測定を使用して、非補償型ホウ素濃度の大きさおよび均一性を判断することができる。帯電効果を防止するため試料を薄い（５ｎｍ）均一な層の金でコーティングし、走査型電子顕微鏡において７７Ｋでマウントし、１５ｋＶの加速電圧、０．２マイクロアンペアの電流および１０μｍ×１０μｍ未満のスポットサイズによってＵＶ陰極線ルミネセンススペクトルを得る。単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド試料全体に亘る非補償型ホウ素の濃度の代表的なマップは、試料の断面全体の複数の点においてスペクトルを集めることによって作成することができる。
【００３３】
全ホウ素濃度は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を使用して、単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド試料において測定することができる。色をアセスメントするとき、全ホウ素濃度よりむしろ非補償型ホウ素濃度の濃度がより重要なパラメーターであるが、ホウ素ドープ層において有意なレベルの補償コドーパントを含まない試料について、ＳＩＭＳによって測定したような全ホウ素濃度は、非補償型ホウ素濃度とおよそ等しい。したがって、ＳＩＭＳをまた、特定の実施形態におけるホウ素含量を測定する手段として使用し得る。
【００３４】
全窒素濃度はまた、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を使用して、単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド試料において測定することができる。対照的に、単一置換窒素濃度は、電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）によって測定することができる。単一置換窒素濃度はまた、１３４４ｃｍ-1の赤外吸収特性を使用して測定することができる。これらの方法は、当技術分野において公知である。
全ての上記の測定方法において、十分な空間解像度が、層状構造を検出するために必要とされる。より単純な非定量的アプローチはまた、伝送モードの光学顕微鏡下で材料の断面を調査することによって、見掛け上均一に着色した試料において層状構造を検出することが可能である。この方法は、十分な光学的コントラストを有する層について適切である。
【００３５】
ホウ素をドープしたＣＶＤ単結晶ダイヤモンドは、相対的に遅い速度で成長する。これは、ＣＶＤ合成宝石用原石のための青色の材料を生成するコストを増加させる。これはまた、より長いＣＶＤ成長運転が、適度に厚い材料を成長させるために必要とされることを意味する。これは運転の失敗の確率を増加させ、したがって運転から完了までの運転比率を低減させ、したがってコストをさらに増加させる。ＣＶＤ成長の間に窒素で単結晶ダイヤモンドをドープすることによって、プロセスに加える窒素の量および他の合成条件によってほぼ無色から茶色／黒色の材料を生成させる。加えた窒素を伴うＣＶＤ合成は一般に、成長速度における増強をもたらす。
したがって、本発明者らは、ホウ素ドープ材料および窒素ドープ材料の交互層を伴う単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドを成長させることを目的とし、平均成長速度における増強をもたらし、一方では全体的な青色を生じさせ、ここでは材料が切子面のある宝石用原石にカットおよび研磨されたとき、層が標準周囲観察条件下でヒトの裸眼に対して可視でない。
【実施例】
【００３６】
層状の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料について、ホウ素ドープ層は、青呈色を生じさせるために、非補償型ホウ素濃度［Ｂ0］＞０を有するべきである。これらの層は、ホウ素含量が単一置換窒素含量Ｎs0より高い限り窒素を共ドープすることができ、いくらかの青色がホウ素ドープ層中に残存するように［Ｂ0］＞［Ｎs0］＞０である。一連の異なる層厚さ、ドーパント濃度、および宝石用原石のサイズを製造して、従前に考察したようなパラメーター空間を調査し、可視的に均一な青呈色をもたらすパラメーターの適切な組合せを同定した。下記の表は、３つの例を示す。
【００３７】
【表１】
0006047846.tif 000003
【００３８】
層状構造の色の均一性は、従前に記載されるように試料の層厚さ、ドーパント濃度、およびサイズ／深さによって決まることを考えれば、個別層の可視性についての大まかな良度指数（ＦＭ）は、次式の積：ＦＭ＝第１組の層についての層厚さ（ｍｍ）×第２組の層についての層厚さ（ｍｍ）×発色ドーパント濃度（ｐｐｍ）×ラウンドカットブリリアント深さ（ｍｍ）として、少なくとも２組の層を含む構造について計算することができる。カットした宝石用原石において、ＦＭ値が大きいほど、層状構造はヒトの裸眼に対して可視である可能性が高い。３つの例の材料についての値を上記の表において示すが、０．１５超のＦＭ値は、カットした宝石用原石において可視の色帯をもたらし、一方、０．１５未満の値は、カットした宝石用原石において可視の色帯をもたらさなかったことを示す。したがって、良度指数は好ましくは、０．１５以下、０．１３以下、０．１１以下、０．０９以下、０．０７以下、または０．０５以下である。しかし、これは、各パラメーターがカットした宝石用原石における層の可視性の寄与において等しい重みを与えられるという仮定に基づいた大まかなガイドであることに留意すべきである。ダイヤモンド材料内の着色した層に伴う着色した帯または環の可視性は、本明細書に記載のような一連の相互に関係のあるパラメーターの複雑な関数であることを理解されたい。したがって、その範囲を過度に制限することなく本発明を規定する最も明確な方法は、標準環境の観察条件下でヒトの裸眼で見たときの、生成物材料の色の均一性に関するものである。生成物のこの特徴は容易に試験可能であり、この明細書において提示する教示に従って、過度の負担を伴わずに容易に達成可能である。
【００３９】
例１は、厚さ６０μｍのホウ素ドープ層および厚さ３１５μｍの窒素ドープ層で製造した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド構造である。およそ２ｐｐｍの固体ホウ素ドーパント濃度が、ホウ素ドープ層において実現された。０．５３ｃｔおよび０．６ｃｔのラウンドブリリアントカットダイヤモンドに研磨されたとき、ラウンドブリリアントカットダイヤモンドは、計器類の補助なしに目によって観察したときに、可視層形成を示さなかった。
【００４０】
例２は、厚さ２０μｍのホウ素ドープ層および厚さ１５５μｍの窒素ドープ層、すなわち、例１より薄い層を伴って製造された単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド構造である。およそ２ｐｐｍの固体ホウ素ドーパント濃度が、ホウ素ドープ層において実現された。０．９６〜２．１４ｃｔのサイズのラウンドブリリアントカットダイヤモンドに研磨されたとき、ラウンドブリリアントカットダイヤモンドは、計器類の補助なしに目によって観察したときに、可視層形成を示さなかった。
例３は、厚さ５４μｍのホウ素ドープ層および厚さ３７５μｍの窒素ドープ層、すなわち例１と同様の層厚さを伴って製造された単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド構造である。およそ２ｐｐｍの固体ホウ素ドーパント濃度が、ホウ素ドープ層において実現された。１．１６ｃｔのサイズの（すなわち、例１より大きい）ラウンドブリリアントカットダイヤモンドに研磨されたとき、ラウンドブリリアントカットダイヤモンドは、計器類の補助なしに目によって観察したときに、可視層形成を示した。
【００４１】
上記に照らして、より大きなサイズ（例えば、１ｃｔ超）の層状のラウンドブリリアントカットダイヤモンドを製造するとき、より低いドーパント濃度および／またはより薄い層が、層状構造がヒトの裸眼に見えないことを確実にする上で、助けとなることができることは明らかである。
対象とする最も大きな単結晶ＣＶＤ合成ラウンドブリリアントカット宝石用原石は、サイズがほぼ１０ｃｔ程度である可能性が高く、これは概ね８．４ｍｍのテーブルからキューレットまでの深さと等しい。「標準」サイズは、ほぼ０．５ｃｔ程度であり、これはラウンドブリリアントカット宝石用原石について、概ね３．１ｍｍの深さを有する。対照的に、「メレ」サイズは、概ね０．０２ｃｔのサイズから始まってもよく、これは、ラウンドブリリアントカット宝石用原石について、概ね１．１ｍｍの深さを有する。したがって、本発明の特定の実施形態において、ラウンドブリリアントカットダイヤモンドは、０．０１ｃｔ以上、０．０２ｃｔ以上、０．０５ｃｔ以上、０．１０ｃｔ以上、０．５ｃｔ以上、０．７５ｃｔ以上、１．０ｃｔ以上、２．０ｃｔ以上、または５ｃｔ以上のサイズを有し得る。さらに、本発明の特定の実施形態において、ラウンドブリリアントカットダイヤモンドは、１０ｃｔ以下、８ｃｔ以下、５ｃｔ以下、３ｃｔ以下、２ｃｔ以下、または１ｃｔ以下のサイズを有し得る。本発明の特定の実施形態において、ラウンドブリリアントカットダイヤモンドは、少なくとも５層、１０層、２０層、３０層、４０層または５０層を含み得る。
【００４２】
上から観察したとき、ラウンドブリリアントカット宝石用原石を通過する光の光路長は、およそ２×深さである。可視の青色は、＞０．２ｐｐｍ．ｍｍの光路長×［Ｂ0］の積として定義され、［Ｂ0］は非補償型ホウ素濃度である。許容される強い暗青色は、＜１０ｐｐｍ．ｍｍの光路長×［Ｂ0］の積として定義され、これを超えると材料の色は過度に暗い。
上記を所与として、サイズ１０ｃｔの非常に淡い青色の層状のラウンドブリリアントカット単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドは、［Ｂ0］＞０．２／（２×８．４）＝０．０１２ｐｐｍまたは２．１×１０15ｃｍ-3を有するホウ素ドープ層を必要とする。サイズ０．５ｃｔの層状のラウンドブリリアントカット単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドは、［Ｂ0］＞０．２／（２×３．１）＝０．０３２ｐｐｍまたは５．７×１０15ｃｍ-3を有するホウ素ドープ層を必要とする。サイズ０．０２ｃｔの層状のラウンドブリリアントカット単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドは、［Ｂ0］＞０．２／（２×１．１）＝０．０９１ｐｐｍまたは１．６×１０16ｃｍ-3を有するホウ素ドープ層を必要とする。
【００４３】
対照的に、サイズ１０ｃｔの強い暗青色の層状のラウンドブリリアントカット単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドは、［Ｂ0］＜１０／（２×８．４）＝０．５９５ｐｐｍまたは１．１×１０17ｃｍ-3を有するホウ素ドープ層を必要とする。サイズ０．５ｃｔの層状のラウンドブリリアントカット単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドは、［Ｂ0］＜１０／（２×３．１）＝１．６１ｐｐｍまたは２．８×１０17ｃｍ-3を有するホウ素ドープ層を必要とする。サイズ０．０２ｃｔの層状のラウンドブリリアントカット単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドは、［Ｂ0］＜１０／（２×１．１）＝４．５４ｐｐｍまたは８．０×１０17ｃｍ-3を有するホウ素ドープ層を必要とする。
【００４４】
ドーパント濃度および層厚さは、着色した単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料が、テーブルおよびキューレットを含み、かつ１ｍｍ超のテーブルからキューレットまでの深さを有するラウンドブリリアントカットダイヤモンドに製造される場合、ラウンドブリリアントカットダイヤモンドが、標準環境の観察条件下でテーブルからキューレットへの少なくとも１つの方向からヒトの裸眼で見たとき、均一な色を含むように制御すべきである。好ましくは、ドーパント濃度および層厚さは、キューレットからテーブルへの方向から、最も好ましくはまたテーブルからキューレットへの方向に対し垂直な方向の側方から見たとき、ラウンドブリリアントカットダイヤモンドがまた、標準環境の観察条件下でヒトの裸眼によって観察して均一な色を有するように制御される。典型的には、この目標を達成するために、ホウ素ドープ層は、層厚さおよび試料サイズによって、０．０１ｐｐｍ以上、０．０３ｐｐｍ以上、０．０９ｐｐｍ以上、０．１５ｐｐｍ以上、０．２０ｐｐｍ以上、０．５０ｐｐｍ以上、１．００ｐｐｍ以上、１．５０ｐｐｍ以上、２．００ｐｐｍ以上、３ｐｐｍ以上、または４ｐｐｍ以上の非補償型ホウ素ドーパント濃度を有し得る。さらに、ホウ素ドープ層は、層厚さおよび試料サイズによって、５．００ｐｐｍ以下、４．００ｐｐｍ以下、３．００ｐｐｍ以下、２．００ｐｐｍ以下、１．００ｐｐｍ以下、０．５０ｐｐｍ以下、または０．１０ｐｐｍ以下の非補償型ホウ素ドーパント濃度を有し得る。
【００４５】
さらに、層状の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料は、ホウ素ドープ層の間に窒素ドープ層を有してもよく、平均成長速度を増加させるために、［Ｎs0］＞０である。窒素ドープ層については、窒素レベルが高いほど、成長速度が速く、したがってプロセスが経済的になる。しかし、高すぎるレベルでは、窒素ドープ層は茶色の外観を帯び、これが層状構造の全体的な色相（色）に影響するであろう。さえない効果を生じさせ始める窒素のレベル（したがって茶呈色）は、青色のホウ素ドープ層の飽和によってある程度決まる。淡い青色のホウ素ドープ層を含有する層状構造について、窒素ドープ層における窒素の許容できるレベルは相対的に低い。０〜５ｐｐｍの単一置換窒素濃度Ｎs0を使用することができる。この範囲の上の末端において、窒素ドープ層は、酸素の存在下で成長して、窒素の存在によって誘発される茶呈色を低減させ得る。さらに、より高いレベルの窒素について、材料を成長後に処理して、茶色の成分を除去し、したがって生成物材料の色相を改善させることができる。典型的には、窒素ドープ層は、層厚さ、試料のサイズ、およびホウ素ドープ層におけるホウ素の濃度によって、１０ｐｐｍ以下、７ｐｐｍ以下、５ｐｐｍ以下、３ｐｐｍ以下、２．５ｐｐｍ以下、２．０ｐｐｍ以下、１．５ｐｐｍ以下、または１ｐｐｍ以下の単一置換窒素濃度を有してもよく、明るい青色の試料ほど、窒素ドープ層の茶呈色に対して耐容性が低い。さらに、窒素ドープ層は、０．０１ｐｐｍ以上、０．０５ｐｐｍ以上、０．１０ｐｐｍ以上、０．５ｐｐｍ以上、または０．８ｐｐｍ以上の単一置換窒素濃度を有し得る。成長速度の増加のためにより高い窒素濃度が望ましいが、窒素濃度が高すぎる場合、窒素ドープ層は過度に茶色となり、材料の全体的な青色に対して有害に影響を与える。
【００４６】
窒素ドープ層はまた、いくらかのホウ素ドーパントを含み得る。しかし、ホウ素は、これらの層の成長速度を遅くする。したがって、窒素ドープ層は、ホウ素より高い濃度の窒素を含むべきである。例えば、窒素ドープ層は、１．０ｐｐｍ以下、０．７５ｐｐｍ以下、０．５ｐｐｍ以下、０．２５ｐｐｍ以下、０．１５ｐｐｍ以下、０．０９ｐｐｍ以下、０．０３ｐｐｍ以下、０．０１ｐｐｍ以下、または０．００５ｐｐｍ以下の濃度でホウ素を含み得る。これに関しては、窒素ドープ層およびホウ素ドープ層の間の界面近くで、窒素ドープ層は、よりホウ素を含むことがまた留意される。しかし、このホウ素レベルは、上記のレベル未満に急速に有利に減少するべきである。
【００４７】
層厚さを考慮して、窒素ドープ層は好ましくは、ホウ素ドープ層より厚い。窒素ドープ層はより速い成長速度で成長し、したがってプロセスの経済的実行可能性を改善させるには、より速く成長する層が、生成物材料の厚さの大部分を占めることが有利である。好ましくは、窒素ドープ層は、０．１ｍｍ以上、０．１５ｍｍ以上、０．２０ｍｍ以上、０．２５ｍｍ以上、または０．３０ｍｍ以上の層厚さを有する。しかし、これは、層状構造がヒトの裸眼に見えるべきではないという必要条件とバランスを取らなくてはならないが、窒素ドープ層がホウ素ドープ層に対して過度に厚く作製されると、該構造が見えてしまう。したがって、好ましくは、窒素ドープ層は、０．４００ｍｍ以下、０．３７５ｍｍ以下、０．３５０ｍｍ以下、０．３２５ｍｍ以下、０．３００ｍｍ以下、０．２５０ｍｍ以下、０．２００ｍｍ以下、または０．１７５ｍｍ以下の層厚さを有する。
【００４８】
好ましくは、ホウ素ドープ層は、０．１ｍｍ以下、０．０８ｍｍ以下、または０．０６ｍｍ以下の層厚さを有する。薄い層ほど成長の観点から好ましいが、ホウ素ドープ層は、所望の青呈色を生じさせるために十分に厚くなくてはならない。したがって、ホウ素ドープ層は好ましくは、０．００１ｍｍ以上、０．０１ｍｍ以上、０．０１５ｍｍ以上、または０．０２ｍｍ以上の層厚さを有する。
図５（ａ）は、ホウ素ドープ層および窒素ドープ層の交互層６を含む、本発明による成長した状態の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の断面の写真を示す。層状構造は成長した状態の材料の写真において可視である一方、このような材料からカットされた宝石用原石において層は肉眼に見えない。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す成長した状態の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料から製造したラウンドブリリアントカットダイヤモンドの写真であって、テーブルからキューレットへの方向から見たときに、該材料の層状構造に伴う可視的な多角環形状の条線を呈していない写真を示す。
【００４９】
図６（ａ）は、ホウ素ドープ層および窒素ドープ層の可視交互層６を含む、本発明による別の成長した状態の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の断面の写真を示す。再び、層状構造は成長した状態の材料の写真において可視である一方、このような材料からカットされた宝石用原石において層は肉眼に見えない。図６（ｂ）は、テーブルからキューレットへの方向から見た、図６（ａ）に示す成長した状態の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料から製造したラウンドブリリアントカットダイヤモンドの写真を示し、材料の層状構造に伴う可視的な多角環形状の条線を示さない。
図５および６における例示した実施形態は、上記のようなホウ素ドープ層および窒素ドープ層を含み、宝石用原石にカットされたとき、視覚的に均一な青呈色を示す。さらに、層状の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料は、均一にホウ素ドープされた単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の単一の層から形成された同等の青色の材料について達成可能なものより非常に高い成長速度で成長した。
【００５０】
従前の記載は、ホウ素ドープおよび窒素ドープ単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の交互層を含む実施形態に殆ど焦点を当ててきた一方、同じ原理は、単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の他の層状系に適用することができる。例えば、より高い窒素濃度を有する層およびより低い窒素濃度を有する層を含む層状系を、実現することができる。この場合、より高い窒素濃度を有する層は、成長速度を増加させるのに有利であるが、茶呈色の生成において有害であり得る。この茶呈色は、より低い窒素含量を有する無色の層をまた実現することによって効果的に希釈することができる。さらに、材料を照射およびアニールすることによって、より高い窒素ドープ層は、ピンク呈色に変換させることができ、層状構造はピンク色および無色の層を含む。従前に記載したような原理に従って、ドーパント濃度、層厚さ、および試料サイズが正しく制御された場合、均一に見えるピンク色の材料を製造することができる。
【００５１】
本発明による着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料は、任意選択で成長後の照射および／またはアニールプロセスを含めた、単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド成長プロセスにおいてドーパントガス濃度を変化させることによって製造し、これらのドーパント／欠陥組成および色に関して異なる複数の層を含む着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を形成することができる。ドーパントガス濃度およびドーパントガス濃度における変動の期間は、着色した単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料が、テーブルおよびキューレットを含み、かつ１ｍｍ超のテーブルからキューレットまでの深さを有するラウンドブリリアントカットダイヤモンドに製造される場合、ラウンドブリリアントカットダイヤモンドが、テーブルからキューレットへの少なくとも１つの方向から、標準環境の観察条件下でヒトの裸眼で見たとき、均一な色を含むように制御される。
【００５２】
上記のような層状構造を成長させることに伴う１つの問題は、１つの層および次の層の間の正確に画定された移行を実現することは困難な場合がある。例えば、ホウ素ドープ材料の層が成長し、次いで、ホウ素ガス源が遮断されて、非ドープ材料または窒素ドープ材料である上を覆っている層が成長する場合、ＣＶＤ反応器におけるホウ素ドーパント濃度は、非常にゆっくりと減少するのみであり、上を覆っている層において有意量のホウ素をもたらし得る。これは、上を覆っている層の成長を有害に遅くすることができる。同様に、窒素ドープ層からホウ素ドープ層への切り換えによって、ホウ素ドープ層への移行後のＣＶＤ反応器において残留する有意量の窒素は、ホウ素ドープ層中への窒素の組込みをもたらし、このようにホウ素を補償し、青呈色の形成に対して有害に影響を与えることができる。ＷＯ２０１２／０８４６５６に記載されたような高いガス流量のＣＶＤプロセスの使用は、より良好に規定されたドーパント濃度、および異なる層の間のより正確に画定された界面を伴う均一にドープ層の達成において有利であり得ることを本発明者らは見出した。例えば、少なくとも３倍、１０倍、３０倍、１００倍、３００倍、１０００倍、３００００倍、または１０００００倍で変化するドーパント濃度、例えば、ホウ素を有する層状の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を、層の間の移行領域において１０μｍ以下、３μｍ以下、１μｍ以下、０．３μｍ以下、０．１μｍ以下、０．０３μｍ以下、０．０１μｍ以下、０．００３μｍ以下、または０．００１μｍ以下の厚さに亘り形成し得る。実施形態はこのように、ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料内の特定の層に亘りドーパントの均一性を維持する一方で、成長した状態のＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の狭い移行領域に亘りドーパントの濃度が急速に変化することを可能とする。すなわち、ＣＶＤダイヤモンド材料におけるドーパントレベルは、非ドープ材料から非常に急速に一定の比率で増加して、ドープ層を形成し、または急速に一定の比率で減少して、ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料内の短距離に亘ってドープ層から非ドープ層に動き得る。後者は、従来技術の方法を使用して特に問題があることが見出されてきた。しかし、ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の成長表面に対して向けられた高いガス流量を使用して、境界明瞭な境界を有するＣＶＤ合成ダイヤモンド材料内でドープ層を形成することは可能である。さらに、このような良好に画定された層は、単一の成長運転において形成させることができる。非常に良好に画定された層を形成させる従前の試みは、ドーパントが単一の成長運転の間にＣＶＤ合成ダイヤモンド材料によって取り入れられることをすばやくカットオフすることは困難であることが見出されたため、１つの成長運転においてドープ層を成長させ、次いで、材料を別の反応器中に移して、その上に非ドープ材料を成長させることが関与した。しかし、この技術は、不純物、典型的には窒素またはケイ素が、ドープ層および上を覆っている層の間の界面において組み込まれることを必然的もたらす。この問題は、ＷＯ２０１２／０８４６５６に記載されている方法を使用することによって解決され、単一の成長運転において鮮明に画定されたドープ層を形成させることができる。すなわち、高速度の気体流および／または適切なレイノルズ数を使用することは、ドープ層および隣接する非ドープ層を含む合成単結晶ＣＶＤダイヤモンドの形成を可能とすることができ、ドープ層および非ドープ層の間の界面は、不純物が実質的に非含有である。不純物が実質的に非含有の界面は、ドープ層の厚さの２０％、５０％、または１００％に及ぶ界面の両側の領域において、不純物濃度が１０14、３×１０14、１０15、３×１０15、１０16、３×１０16、または１０17を超えず、濃度が２倍超、３倍超、５倍超、１０倍超、３０倍超、１００倍超、３００倍超、または１０００倍超まで変化しない界面と定義し得る。複数のプロファイル測定を、界面に亘って行い、この判断基準が実質的に全ての界面に亘り満たされることを示し得る。例えば、測定は、界面に亘るラインに沿って１ｍｍ間隔で１回、２回、３回、５回、または１０回行ってもよく、全ての測定は必要とされる判断基準を満たす。
【００５３】
さらに、または上記のような境界明瞭な界面に代わるものとして、気相ドーパントレベルを制御して、ドーパントガスが遮断されることと、ドーパントが成長しているダイヤモンド材料中に組み込まれることが停止される時間との間のタイムラグを補償することができる。例えば、従前に記載したホウ素ドープ層および窒素ドープ層系において、ホウ素層の成長相後にホウ素ドーパントガスが遮断されることと、ホウ素ドーパントが上を覆っている窒素ドープ層中に組み込まれることが停止される時間との間のタイムラグは、相当なもの、例えば、２０分以上であり得る。したがって、ホウ素ドーパントガスが遮断され、窒素ドーパントガスがオンにされた後で、窒素ドープ層は層の少なくとも第１のポーションにおいて相当な濃度のホウ素を含む。すなわち、成長しているダイヤモンド材料におけるホウ素濃度は、窒素ドープ層中にゆっくりと先細りになって消える。これを理解して、窒素ドープ層の成長相の開始に当たりより高い窒素ガス相のドーパント濃度を意図的に使用して、ゆっくりとしたホウ素ドーパントの先細りを補償し、次いで、ホウ素濃度が低減するにつれ窒素濃度を次第に低減させることは可能である。このように、同時に層の色を実質的に一定に維持する間に、窒素ドープ層において実質的に均一に速い成長速度を維持することが可能である。
【００５４】
任意選択で、着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を、照射および／またはアニールして、成長した状態の材料の色を変化させることができる。様々な照射およびアニール処方は、背景技術セクションにおいて記載されているように着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を生成させることが公知である。さらに、ＵＳ２０１００２８５５６は、層状のピンク色の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を製造することとの関連で照射およびアニールについて記述している。本発明に関して、主要な要因は、照射および／またはアニール後、材料が、ラウンドブリリアントカットダイヤモンドに製造したときに、ヒトの裸眼に対して視覚的に均一な色を有するように、層状構造における欠陥／ドーパントの濃度を制御することである。これに関しては、単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の色の変化は、欠陥／ドーパントの濃度の性質および照射／アニールプロセスの性質によって決まることになることに留意し得る。異なる層に個々の処理を適用することが可能である一方、これは技術的に困難および時間のかかるものであり、したがって生産コストを増加させる。層状構造において少なくとも２つの異なるタイプの単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料が存在することを考え、かつ個別層に照射および／またはアニール技術を適用することが困難であることを考えれば、両方のタイプの層の欠陥構造は、共通の照射および／またはアニール処理が、他の層における有害な色の変化をもたらすことなく、数組の層の少なくとも１つにおける所望の色の変化をもたらすように、注意深く制御しなくてはならない。
【００５５】
例えば、無色またはほぼ無色の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料は、ＷＯ２０１０／１４９７７９に記載されているように、照射されたとき青色または青緑色となる。材料は、少なくとも０．０７２ｐｐｍ  ｃｍおよび最大で０．３６ｐｐｍ  ｃｍの全孤立空格子点濃度×路長の積を有することが記載されている。孤立空格子点濃度は、ＣＶＤ成長の間に気相窒素濃度を制御することによって実現され、一方、孤立空格子点濃度は、例えば、電子を使用して成長した状態の材料を照射することによって生じさせ、これによって孤立空格子点欠陥が形成される。窒素および空格子点濃度の増加は、より暗い青緑呈色をもたらすことがあり、これはそれほど望ましくない。しかし、窒素は材料の成長速度を増加させることができるため、経済的観点から、より高いレベルの窒素ドーパントを使用することが望ましくてもよい。この場合、照射後より暗い呈色を生じさせる、１組の層において増加した窒素濃度、および照射後より明るい呈色を生じさせる、またはほぼ無色もしくは無色の材料を生じさせる、別の組の層において低減した窒素濃度を伴う、層状構造を形成させることによって望ましい淡い青色を依然として製造することは可能であり得る。代わりに、より淡い色が望ましい場合、これを達成する１つの方法は、１組の層が、照射後にＷＯ２０１０／１４９７７９において示されているような判断基準を満たす十分な窒素を有し、一方、他の層が、照射後に材料は無色またはほぼ無色のままであるように非常により低い窒素濃度を有する、層状構造を形成することである。
【００５６】
ＷＯ２０１０／１４９７７７は、オレンジ色の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を製造するための照射およびアニール処方について記載している一方、ＷＯ２０１０／１４９７７５は、ピンク色の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を製造するための照射およびアニール処方について記載している。これらの処方は、層形成が、材料の色の質の制御にさらなる自由度を加えるように、層状構造に移入し得る。例えば、暗い呈色を生じさせる処方は、無色の層と併せて使用して、全体的により淡色の材料を生成することができる。さらに、発色層および無色またはほぼ無色の層を含む層状構造を実現することよりはむしろ、複数の発色層を実現することも可能である。この場合、ドーパント濃度、層厚さ、および試料サイズを制御することによって、ヒトの裸眼にとって解像可能な個別層の色を伴わずに新規な色を達成するために、混色することが可能である。
【００５７】
ここまでは、本発明による層状構造は、成長速度を増加させ、異なる色および色の飽和に到達する点から記載してきた。本発明の特定の実施形態はまた、収率の増加に役立てることができる。例えば、特定の色を生成するためのドーパント処方は、成長の間の単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の結晶形態の変化をもたらすことが見出されてきた。これは、クラッキングをもたらし、したがって特に、材料の厚い層、例えば、２ｍｍ超の厚さを成長させるとき、収率を低減し得る。本明細書に記載のようなこのような材料を層形成することは、結晶形態におけるこのような変化を低減させ、したがって視覚的に均一に着色した材料を依然として得る一方で、収率を増加させることができる。したがって、本発明の実施形態は、下記の有利な特徴の１つまたは複数を有し得る。
（１）非層状の同等物と比較して、増加した成長速度で均一に着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を生成すること；
（２）非層状の同等物と比較して、より明るい色を有する均一に着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を生成すること；
（３）非層状の単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料において従前に到達可能でなかった新規な色を伴う均一に着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を生成すること；ならびに
（４）成長の間にドーパントが結晶形態の変化をもたらし、ストレスおよびクラッキングの原因となる、非層状の同等物と比較して、増加した収率を有する均一に着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を生成すること。
【００５８】
色の均一性を制御するための上記のようなドーパント濃度および層厚さを制御することに加えて、単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料における色の変動の別の源は、傾斜したライザーにおける不純物の取込み差によって生じる。これに関しては、窒素をドープしたＣＶＤ合成ダイヤモンドの成長表面は、成長ステップのシークエンスを示し、テラス領域は傾斜したライザーによって分離されている。これはステップ−フロー成長として公知であり、高い窒素および／または高い基板温度の成長は、特に粗い／大きなステップの形成をもたらすことができることが見出されてきた。ＣＶＤ合成ダイヤモンド試料を調査するとき、条線のあるパターンを観察し得、これらの条線は、高い不純物密度および低い不純物密度の領域に対応する。これらの条線は、高い窒素／高い基板温度の成長について特に著しい。条線の間の間隔は、成長表面上のステップの間の間隔と一致する。理論に束縛されるものではないが、条線は、表面ステップのライザーおよびテラス上の不純物関連欠陥の取込み差によって生じ、ステップのライザー上の欠陥組込み（成長表面に対して角度を成す）は、ステップのテラス上の欠陥組込み（成長表面に対して平行である）より大きいとしたがって考えられる。
【００５９】
上記に照らして、ドーパント濃度および層厚さを制御することに加えて、ライザーにおける不純物の不均一な取込みを低減させ、またはそうではなく、ライザーのサイズを低減させることは有利である。これは、ＣＶＤ合成雰囲気中へ酸素を加えること；ＣＶＤ合成雰囲気中の炭素源ガスの量を低減させること；および／または基板の温度を低減させることの１つまたは複数によって達成し得る。さらに、不純物またはドーパント、例えば、窒素の不均一な取込みは、成長表面における温度の変動によってまだ起こり得、これは不純物／ドーパントの取込みの速度に影響を与える。この温度の変動は、成長運転における特定の点において、成長方向に比して横方向（空間的に分布）の場合、または成長運転の期間に亘る温度の変動により、成長方向に平行（時間的に分布）の場合もある。したがって、（ｉ）成長運転中の任意の一時点において、不純物／ドーパントの取込みの横方向の不均一性を回避するために横方向においても、（ｉｉ）成長運転が進行するにつれて不純物／ドーパントの取込みの垂直方向の不均一性を回避するために成長運転の間中（本明細書に記載のような制御された層形成プロセスによって意図的に導入されたものを除いて）にも、ＣＶＤダイヤモンド材料の成長表面に亘り温度を正確に制御するための有効な熱管理の構成を提供することがまた重要である。いくつかの異なる特徴が、（ｉ）その上にＣＶＤ合成ダイヤモンド材料が成長する単結晶ダイヤモンド基板、および下に横たわる支持基板の間の良好な熱接触；（ｉｉ）高い熱伝導性を有し、かつ成長している単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料から熱エネルギーを除去する有効なヒートシンクとして機能することができ、かつその上に１つまたは複数の単結晶ダイヤモンド基板が乗せられる支持基板の表面に亘り均一な温度を維持することができる、下に横たわる支持基板；（ｉｉｉ）支持基板の温度を急速におよび再現性よく変化させることができ、したがって要点（ｉ）において特定するような単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料および下に横たわる支持基板の間の良好な熱接触の実現によって、急速におよび再現性よく、成長している単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の温度における任意の変動の原因となる温度制御系；ならびに（ｉｖ）任意の温度の変動を検出することができるように、再現性のある様式で、成長している単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料（または、これらが全て良好な熱接触において提供されている場合、下に横たわる単結晶ダイヤモンド基板もしくは支持基板）の温度を測定することができる温度モニタリング系、およびこのような変動に対抗するために使用される温度制御系の１つまたは複数を含めた有効な熱管理の構成の実現に寄与し得る。したがって、均一な色を有する単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を生成するためのドーパント濃度および層厚さの注意深い制御に加えて、これらの熱管理の必要条件を満たす、合成の構成を提供することは有利である。
【００６０】
本発明を好ましい実施形態に関連して特に示し、記載してきた一方、添付の特許請求の範囲によって規定されるように、形態および詳細における様々な変化を本発明の範囲から逸脱することなく行い得ることを当業者は理解する。
本発明は、また、以下の態様であり得る。
〔１〕複数の層を備える着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料であって、
前記複数の層は、欠陥組成および色に関して異なる少なくとも２組の層を含み、
前記少なくとも２組の層のそれぞれの欠陥タイプ、欠陥濃度、および層厚さは、前記着色した単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料が、テーブルおよびキューレットを備え、かつ１ｍｍ超のテーブルからキューレットまでの深さを有するラウンドブリリアントカットダイヤモンドに製造される場合、前記ラウンドブリリアントカットダイヤモンドが、前記テーブルから前記キューレットへの少なくとも１つの方向から、標準環境の観察条件下でヒトの裸眼で見たとき、均一な色を有するようなものである、着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
〔２〕前記複数の層が、平行層である、前記〔１〕に記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
〔３〕前記複数の層が、少なくとも５層、１０層、２０層、３０層、４０層または５０層を含む、前記〔１〕または〔２〕に記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
〔４〕前記ラウンドブリリアントカットダイヤモンドが、前記キューレットから前記テーブルへの方向から、標準環境の観察条件下でヒトの裸眼で見たとき、均一な色を有する、前記〔１〕から〔３〕のいずれかに記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
〔５〕前記ラウンドブリリアントカットダイヤモンドが、前記テーブルからキューレットへの方向に対し垂直な方向の側方から、標準環境の観察条件下でヒトの裸眼で見たとき、均一な色を有する、前記〔１〕から〔４〕のいずれかに記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
〔６〕前記ラウンドブリリアントカットダイヤモンドが、０．０１ｃｔ以上、０．０２ｃｔ以上、０．０５ｃｔ以上、０．１０ｃｔ以上、０．５ｃｔ以上、０．７５ｃｔ以上、１．０ｃｔ以上、２．０ｃｔ以上、または５ｃｔ以上のサイズを有する、前記〔１〕から〔５〕のいずれかに記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
〔７〕前記ラウンドブリリアントカットダイヤモンドが、１０ｃｔ以下、８ｃｔ以下、５ｃｔ以下、３ｃｔ以下、２ｃｔ以下、または１ｃｔ以下のサイズを有する、前記〔１〕から〔６〕のいずれかに記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
〔８〕前記少なくとも２組の層が、青呈色を生じるのに十分な濃度でホウ素ドーパントを含む第１組の層、およびより低い濃度のホウ素ドーパントを含む第２組の層を含む、前記〔１〕から〔７〕のいずれかに記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
〔９〕前記第１組の層が、０．０１ｐｐｍ以上、０．０３ｐｐｍ以上、０．０９ｐｐｍ以上、０．１５ｐｐｍ以上、０．２０ｐｐｍ以上、０．５０ｐｐｍ以上、１．００ｐｐｍ以上、１．５０ｐｐｍ以上、２．００ｐｐｍ以上、３ｐｐｍ以上、または４ｐｐｍ以上の非補償型ホウ素ドーパント濃度を含む、前記〔８〕に記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
〔１０〕前記第１組の層が、５．００ｐｐｍ以下、４．００ｐｐｍ以下、３．００ｐｐｍ以下、２．００ｐｐｍ以下、１．００ｐｐｍ以下、０．５０ｐｐｍ以下、または０．１０ｐｐｍ以下の非補償型ホウ素ドーパント濃度を含む、前記〔８〕または〔９〕に記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
〔１１〕前記第１組の層が、前記ホウ素ドーパントの濃度より低い濃度で単一置換窒素を含む、前記〔８〕から〔１０〕までのいずれか１項に記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
〔１２〕前記第２組の層が、前記単一置換窒素の濃度より低い濃度でホウ素ドーパントを含む、前記〔８〕から〔１１〕までのいずれか１項に記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
〔１３〕前記第２組の層が、１．０ｐｐｍ以下、０．７５ｐｐｍ以下、０．５ｐｐｍ以下、０．２５ｐｐｍ以下、０．１５ｐｐｍ以下、０．０９ｐｐｍ以下、０．０３ｐｐｍ以下、０．０１ｐｐｍ以下、または０．００５ｐｐｍ以下の濃度でホウ素ドーパントを含む、前記〔８〕から〔１２〕までのいずれか１項に記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
〔１４〕前記第２組の層が、１０ｐｐｍ以下、７ｐｐｍ以下、５ｐｐｍ以下、３ｐｐｍ以下、２．５ｐｐｍ以下、２．０ｐｐｍ以下、１．５ｐｐｍ以下、または１ｐｐｍ以下の濃度で単一置換窒素ドーパントを含む、前記〔８〕から〔１３〕までのいずれか１項に記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
〔１５〕前記第２組の層が、０．０１ｐｐｍ以上、０．０５ｐｐｍ以上、０．１０ｐｐｍ以上、０．５ｐｐｍ以上、または０．８ｐｐｍ以上の濃度で単一置換窒素ドーパントを含む、前記〔８〕から〔１４〕までのいずれか１項に記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
〔１６〕前記第２組の層が、前記第１組の層より大きな層厚さを有する、前記〔８〕から〔１５〕までのいずれか１項に記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
〔１７〕前記第１組の層が、０．１ｍｍ以下、０．０８ｍｍ以下、または０．０６ｍｍ以下の層厚さを有する、前記〔８〕から〔１６〕までのいずれか１項に記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
〔１８〕前記第１組の層が、０．００１ｍｍ以上、０．０１ｍｍ以上、０．０１５ｍｍ以上、または０．０２ｍｍ以上の層厚さを有する、前記〔８〕から〔１７〕までのいずれか１項に記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
〔１９〕前記第２組の層が、０．１ｍｍ以上、０．１５ｍｍ以上、０．２０ｍｍ以上、０．２５ｍｍ以上、または０．３０ｍｍ以上の層厚さを有する、前記〔８〕から〔１８〕までのいずれか１項に記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
〔２０〕前記第２組の層が、０．４００ｍｍ以下、０．３７５ｍｍ以下、０．３５０ｍｍ以下、０．３２５ｍｍ以下、０．３００ｍｍ以下、０．２５０ｍｍ以下、０．２００ｍｍ以下、または０．１７５ｍｍ以下の層厚さを有する、前記〔８〕から〔１９〕までのいずれか１項に記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
〔２１〕個別層の可視性の良度指数（ＦＭ）が、０．１５以下、０．１３以下、０．１１以下、０．０９以下、０．０７以下、または０．０５以下であり、個別層の可視性についての前記良度指数が、次式の積：ＦＭ＝前記第１組の層の層厚さ（ｍｍ）×前記第２組の層の層厚さ（ｍｍ）×前記第１組の層における固体ホウ素濃度（ｐｐｍ）×ラウンドカットブリリアントの深さ（ｍｍ）として計算される、前記〔８〕から〔２０〕までのいずれか１項に記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料。
〔２２〕前記〔１〕から〔２１〕のいずれかに記載の着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を製造する方法であって、
単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドの成長プロセスにおいてドーパントガス濃度を変化させて、欠陥組成および色に関して異なる複数の層を備える着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を形成させることを含み、
前記ドーパントガス濃度およびドーパントガス濃度の変動期間は、前記着色した単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料が、テーブルおよびキューレットを含み、かつ１ｍｍ超のテーブルからキューレットまでの深さを有するラウンドブリリアントカットダイヤモンドに製造される場合、前記ラウンドブリリアントカットダイヤモンドが、前記テーブルから前記キューレットへの少なくとも１つの方向から標準環境の観察条件下でヒトの裸眼で見たとき、均一な色を有するように制御される方法。
〔２３〕前記複数の層が、第１のドーパントを含む第１組の層、および第２のドーパントを含む第２組の層を含み、第１の層および第２の層の間の移行点において、前記第２のドーパントが、より高い濃度で最初に導入され、次いで、前記第２の層の成長中に低減することにより、前記第１および第２の層の間の前記移行点の後で前記第２の層中に組み込まれ続ける前記第１のドーパントを補償する、前記〔２２〕に記載の方法。
〔２４〕前記着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を照射することをさらに含む、前記〔２２〕または〔２３〕に記載の方法。
〔２５〕前記着色した単結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料をアニールすることをさらに含む、前記〔２２〕から〔２４〕までのいずれか１項に記載の方法。
【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
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【図２（ａ）】
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【図２（ｂ）】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図６（ａ）】
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【図６（ｂ）】
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