(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性の単結晶ダイヤモンドの内部に形成されている少なくとも１つ以上の層状の導電層と、前記単結晶ダイヤモンドの表面に形成されている導電層と、を含み、
前記内部に形成されている導電層は、前記単結晶ダイヤモンドの主面に平行であり、前記単結晶ダイヤモンドの側面まで貫通している導電層付き単結晶ダイヤモンド。
【請求項２】
前記内部に形成されている導電層は、ボロンドープ層およびイオン注入層のいずれかであり、その厚さが０．０５μｍ〜２０μｍである請求項１に記載の導電層付き単結晶ダイヤモンド。
【請求項３】
前記表面に形成されている導電層は、グラファイト層、金属薄膜、水素終端層、およびボロンドープ層のいずれかである請求項１または請求項２に記載の導電層付き単結晶ダイヤモンド。
【請求項４】
前記単結晶ダイヤモンドの側面に形成されている導電層をさらに含み、
前記側面に形成されている導電層は、前記主面の最表面あるいは最下面に届いており、かつ前記内部に形成されている導電層と電気的に接触している請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の導電層付き単結晶ダイヤモンド。
【請求項５】
前記側面に形成されている導電層は、グラファイト層および金属薄膜のいずれかである請求項４に記載の導電層付き単結晶ダイヤモンド。
【請求項６】
前記単結晶ダイヤモンドの内部、表面および側面のいずれかに形成されている導電層以外の部分は、窒素が添加された絶縁性の単結晶ダイヤモンドである請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の導電層付き単結晶ダイヤモンド。
【請求項７】
前記単結晶ダイヤモンドの前記内部に形成されている導電層以外の部分は、２００℃〜４００℃において前記内部に形成されている導電層より高抵抗である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の導電層付き単結晶ダイヤモンド。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の導電層付き単結晶ダイヤモンドを用いた工具であって、
前記単結晶ダイヤモンドは、少なくとも２つ以上の層状の前記内部に形成されている導電層を含み、
前記内部に形成されている導電層は、前記単結晶ダイヤモンドの側面まで貫通しているとともに、前記内部に形成されている導電層の間隔が５０μｍ〜９００μｍである導電層付き単結晶ダイヤモンドを用いた工具。
【請求項９】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の導電層付きの単結晶ダイヤモンドとそれを支える支持体とを具備し、前記導電層付き単結晶ダイヤモンドと前記支持体とは導電性の接合材で接合されており、前記内部に形成されている導電層と前記支持体とは、接触している前記接合材を介して電気的に接続されている導電層付き単結晶ダイヤモンドを用いた工具。
【請求項１０】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の導電層付きの単結晶ダイヤモンドとそれを支える支持体とを具備し、前記導電層付き単結晶ダイヤモンドと前記支持体とは導電性の接合材で接合されており、前記内部に形成されている導電層と前記支持体とは、接触している接合材を介して電気的に接続されており、前記表面に形成されている導電層は、前記支持体とは別の電気的に絶縁された端子に接合されている導電層付き単結晶ダイヤモンドを用いた工具。
【請求項１１】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の導電層付き単結晶ダイヤモンドの製造方法であって、
前記内部に形成されている導電層は、前記単結晶ダイヤモンドの内部にイオン注入またはボロンドープを行なうことにより形成する導電層付き単結晶ダイヤモンドの製造方法。
【請求項１２】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の導電層付き単結晶ダイヤモンドの製造方法であって、
前記内部に形成されている導電層は、前記単結晶ダイヤモンドの内部または表面にイオン注入またはボロンドープを行ない、その後、前記単結晶ダイヤモンドをさらにエピタキシャル成長させることにより形成する導電層付き単結晶ダイヤモンドの製造方法。
【請求項１３】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の導電層付き単結晶ダイヤモンドの製造方法であって、
前記表面に形成されている導電層は、前記単結晶ダイヤモンドをアニールしてグラファイト層を形成するか、前記単結晶ダイヤモンドの表面に金属を堆積して金属薄膜を形成するか、前記単結晶ダイヤモンドの表面を水素終端して水素終端層を形成するか、前記単結晶ダイヤモンドの表面にボロンドープしてボロンドープ層を形成するか、のいずれかにより形成する導電層付き単結晶ダイヤモンドの製造方法。
【請求項１４】
請求項４に記載の導電層付き単結晶ダイヤモンドの製造方法であって、
前記側面に形成されている導電層は、前記単結晶ダイヤモンドをアニールしてグラファイト層を形成するか、前記単結晶ダイヤモンドの側面に金属を堆積して金属薄膜を形成するか、のいずれかにより形成する導電層付き単結晶ダイヤモンドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶ダイヤモンドを工具に利用する分野に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
切削工具の分野において、ある一定量が磨り減ったら、電気的な信号によって自動的に知らせたりできる寿命検出機構を持つものがある（特許文献１）。また、工具の刃先を損傷させないために削り始めのどの時点で被削材に当たったかなどもわかる接触検出機能を持つものもある（特許文献２）。精密加工の切削工具として単結晶ダイヤモンドを用いたものがあるが、ダイヤモンドは基本的に絶縁体であるので、上記検出の機能を持たせることはできなかった。しかしながら、導電性の単結晶ダイヤモンドができれば、電気的なコンタクトを実現するので、上記検出機能を実現する単結晶ダイヤモンド工具が作製できる。高価な単結晶ダイヤモンドの破損を防いだり、効率よく寿命を検知したりすることが可能となる。
【０００３】
従来使用されている単結晶ダイヤモンドは、天然あるいは高圧合成法の単結晶ダイヤモンドあるいは気相合成で形成した単結晶ダイヤモンド、または、それらの基板の上に気相合成法で形成された単結晶ダイヤモンドのいずれかであったが、ほとんどは絶縁性のものである。導電性を有するダイヤモンドは天然では稀少であり、また、高圧合成法により導電性のダイヤモンドを形成する場合においても、成長セクタの影響で、大型のダイヤモンドを均質に成長させることは簡単ではなかった。このため、気相合成法によって導電性を付与したダイヤモンドを合成することが、大型のものや均質なものを作製するのに最も有効な手段である。
【０００４】
しかしながら、気相合成法によって容易にダイヤモンドに導電性を付与する手段はボロンをドーピングすることであるが、必ずしも工具に使えるような厚い板状のダイヤモンドを形成することに適しているわけではない。厚い板状のダイヤモンドを形成するのには、時間を要したり、その分コストがかかったり、途中で一部でも多結晶になってしまえば、もはや単結晶として利用できなくなったりするからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０８−１４１８０４号公報
【特許文献２】特開２００２−１２０１２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は単結晶ダイヤモンドの一部に導電性を付与しつつ、上記課題が解決する構造を提供するものである。すなわち、寿命検出機構、接触検出機構を備えた工具の刃先として利用可能な、導電層を有する単結晶ダイヤモンドを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者等は上記課題を解決すべく鋭意探求を重ねた結果、単結晶ダイヤモンドの成長中にある一定の短い時間内にボロンを含むガスを混入し、ボロンドープ層を層状に形成することが有効であることを見出した。また、ボロンドープ層の変わりにイオン注入層を形成することにより単結晶ダイヤモンドの内部に導電層を形成しても良い。その場合には、導電層はダイヤモンドの格子が損傷し、グラファイト成分による層が導電層を成していても構わない。
【０００８】
ダイヤモンドの構造において、ボロンをドープした層を積層させるという構造は以前にも報告がある。例えば、特開平０７−０６９７９５号公報では、ボロンドープ層を層状に形成し、分離する方法が報告されている。しかしながら、最終的に分離することを目的としており、層状のもののままの応用（特に工具応用など）についてどのように使えばよいかの示唆はない。
【０００９】
また、単純に導電層が層状に形成されているだけでは、本発明の課題解決の十分条件ではない。すなわち、外部に電気的信号を取り出す構造が必要である。そのために、層状の導電層は単結晶ダイヤモンドの端面に露出していることが必要であり、更に表面や側面の導電層ともコンタクトが取れていることが好ましい。
【００１０】
いずれにしても、外部からそれぞれの主要な導電層に電気的コンタクトが取れて、再研磨などで再生する場合にも、初めから作り直す必要のない構造であることが好ましい。すなわち、ボロンドープを行うことによって得られた導電層を層状に形成することで、断面は金太郎飴のように同じ層状の導電層が端面に顔を出すことになることが好ましい。
【００１１】
具体的には、本発明及び本発明に関連する発明は以下の通りである。
（１）絶縁性の単結晶ダイヤモンドの内部に形成されている少なくとも１つ以上の層状の導電層と、上記単結晶ダイヤモンドの表面に形成されている導電層と、を含み、上記内部に形成されている導電層は、単結晶ダイヤモンドの主面に平行であり、単結晶ダイヤモンドの側面まで貫通している導電層付き単結晶ダイヤモンド。
【００１２】
上記の、単結晶ダイヤモンドの表面に形成されている導電層（以下、表面導電層ともいう）の厚さは、０．２μｍより薄く、より好ましくは０．０５μｍより薄いものが適している。なお、本発明に係る導電層付き単結晶ダイヤモンドにおいては、外部に電気的なコンタクトが可能な部位（導電層の単結晶ダイヤモンドの側面に現れている部分）が具備されている。
【００１３】
（２）上記内部に形成されている導電層は、ボロンドープ層およびイオン注入層のいずれかであり、その厚さが０．０５μｍ〜２０μｍである上記（１）に記載の導電層付き単結晶ダイヤモンド。
【００１５】
（３）上記表面に形成されている導電層は、グラファイト層、金属薄膜、水素終端層、およびボロンドープ層のいずれかである上記（１）または（２）に記載の導電層付き単結晶ダイヤモンド。
【００１６】
（４）上記単結晶ダイヤモンドの側面に形成されている導電層をさらに含み、上記側面に形成されている導電層は、上記主面の最表面あるいは最下面に届いており、かつ上記内部に形成されている導電層と電気的に接触している上記（１）〜（３）のいずれかに記載の導電層付き単結晶ダイヤモンド。
【００１７】
（５）上記側面に形成されている導電層は、グラファイト層および金属薄膜のいずれかである上記（４）に記載の導電層付き単結晶ダイヤモンド。
【００１８】
（６）上記単結晶ダイヤモンドの内部、表面および側面のいずれかに形成されている導電層以外の部分は、窒素が添加された絶縁性の単結晶ダイヤモンドである上記（１）〜（５）のいずれかに記載の導電層付き単結晶ダイヤモンド。
【００１９】
（７）上記単結晶ダイヤモンドの上記内部に形成されている導電層以外の部分は、２００℃〜４００℃において上記内部に形成されている導電層より高抵抗である上記（１）〜（６）のいずれかに記載の導電層付き単結晶ダイヤモンド。なお、上記において高抵抗であるとは、導電層以外の部分が導電層と比較して抵抗が大きいことをいうのであり、たとば、表面導電層や内部導電層はそれぞれ単独で導通した際に１００Ω以下になるように設定することが好ましいので、この場合には、窒素添加層（単結晶ダイヤモンド部分）は１ｋΩ以上あると利用できる。ばらつきの安全をみて１０ｋΩ以上あることがより好ましい。しかしながら、表面導電層は後述するように薄くする必要もあるので、１００Ωを超えて１０ｋΩ以下の設定になってしまうこともある。その場合は、窒素添加層は１００ｋΩ以上、好ましくは１ＭΩ以上に設定することが必要である。抵抗値は重要であるが、一意的に決めるのではなく、導電層の状況に合わせて設定できることがよい。また、上記単結晶ダイヤモンドの表面は室温で高抵抗であるが、光励起によって抵抗値が下がり、該光励起に伴う抵抗値の変化を検出できることが好ましい。
【００２２】
（８）上記（１）〜（７）のいずれかに記載の導電層付き単結晶ダイヤモンドを用いた工具であって、上記単結晶ダイヤモンドは、少なくとも２つ以上の層状の上記内部に形成されている導電層を含み、上記内部に形成されている導電層は、上記単結晶ダイヤモンドの側面まで貫通しているとともに、上記内部に形成されている導電層の間隔が５０μｍ〜９００μｍである導電層付き単結晶ダイヤモンドを用いた工具。
【００２３】
（９）上記（１）〜（７）のいずれかに記載の導電層付き単結晶ダイヤモンドとそれを支える支持体とを具備し、上記導電層付き単結晶ダイヤモンドと上記支持体とは導電性の接合材で接合されており、上記内部に形成されている導電層と上記支持体とは、接触している上記接合材を介して電気的に接続されている導電層付き単結晶ダイヤモンドを用いた工具。
【００２４】
（１０）上記（１）〜（７）のいずれかに記載の導電層付きの単結晶ダイヤモンドとそれを支える支持体とを具備し、上記導電層付き単結晶ダイヤモンドと上記支持体とは導電性の接合材で接合されており、上記内部に形成されている導電層と上記支持体とは、接触している接合材を介して電気的に接続されており、上記表面に形成されている導電層は、上記支持体とは別の電気的に絶縁された端子に接合されている導電層付き単結晶ダイヤモンドを用いた工具。
【００２５】
（１１）上記（１）〜（７）のいずれかに記載の導電層付き単結晶ダイヤモンドの製造方法であって、上記内部に形成されている導電層は、上記単結晶ダイヤモンドの内部にイオン注入またはボロンドープを行なうことにより形成する導電層付き単結晶ダイヤモンドの製造方法。
【００２６】
（１２）上記（１）〜（７）のいずれかに記載の導電層付き単結晶ダイヤモンドの製造方法であって、上記内部に形成されている導電層は、上記単結晶ダイヤモンドの内部または表面にイオン注入またはボロンドープを行ない、その後、上記単結晶ダイヤモンドをさらにエピタキシャル成長させることにより形成する導電層付き単結晶ダイヤモンドの製造方法。
【００２７】
（１３）上記（１）〜（７）のいずれかに記載の導電層付き単結晶ダイヤモンドの製造方法であって、上記表面に形成されている導電層は、上記単結晶ダイヤモンドをアニールしてグラファイト層を形成するか、上記単結晶ダイヤモンドの表面に金属を堆積して金属薄膜を形成するか、上記単結晶ダイヤモンドの表面を水素終端して水素終端層を形成するか、上記単結晶ダイヤモンドの表面にボロンドープしてボロンドープ層を形成するか、のいずれかにより形成する導電層付き単結晶ダイヤモンドの製造方法。
【００２８】
（１４）上記（４）に記載の導電層付き単結晶ダイヤモンドの製造方法であって、上記側面に形成されている導電層は、上記単結晶ダイヤモンドをアニールしてグラファイト層を形成するか、上記単結晶ダイヤモンドの側面に金属を堆積して金属薄膜を形成するか、のいずれかにより形成する導電層付き単結晶ダイヤモンドの製造方法。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の導電層付きの単結晶ダイヤモンドを切削工具として利用すると、通電状態のＯＮ、ＯＦＦの機能を発揮し、切削工程の初期の刃先を損傷させる間違いや何回使ったかなどの途中の刃先管理ができるようになるだけでなく、例えば、チャージアップを防止して、何かのゴミがかむことを防いだりできる。通電して、ある一定の温度に制御することもでき、高温での加工に利用することができる。また、導電性部分は一般的に黒いので、本来の機能をなくすことなく、層状の一部に模様や字を書くこともでき、上部から見て、簡単に識別することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る導電層付き単結晶ダイヤモンドの構成の一例の概略を表す図である。
【図２】本発明に係る導電層付き単結晶ダイヤモンドの使用例の概略を表す図である。
【図３】本発明に係る導電層付き単結晶ダイヤモンドの特徴を説明する概略図である。
【図４】本発明に係る工具の一例の概略を表す図である。
【図５】実施例３において作製した工具の概略を表す図である。
【図６】実施例１において作製した工具の概略を表す図である。
【図７ａ】実施形態４において説明した本発明の工具の概略を表す図である。
【図７ｂ】実施形態４において説明した本発明の工具の概略を表す図である。
【図８】実施例４において作製した工具の概略を表す図である。
【図９】実施例４において作製した工具の使用状態の概略を表す図である。
【図１０】実施例４において作製した工具の抵抗変化の概要を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明は、以下の部分が特徴となっている。すなわち、本発明に係る導電層付き単結晶ダイヤモンドは、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ており、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ことを特徴とする。なお、本発明に係る導電層付き単結晶ダイヤモンドにおいては、外部に電気的なコンタクトが可能な部位が具備されている。具体的には、前記導電層の単結晶ダイヤモンドの側面に現れている部分は、外部部材との電気的なコンタクトが可能な部位である。また、後述するように、単結晶ダイヤモンドの外部（表面あるいは側面）に備えられる導電層によっても外部部材との電気的なコンタクトをとることができる。図１に単結晶ダイヤモンドの内部に導電層としてイオン注入層、ボロンドープ層を設けた例を示す。
【００３３】
更に、層状の内部導電層が少なくとも１層あること、内部導電層を窒素添加層で挟む構造であること、導電層を単結晶ダイヤモンドの表面あるいは側面にも配置すること、導電層が外部への電気的コンタクトを実現すること、外部からの光照射や、電流導入を実現することなどであり、これらの構成の少なくとも２つ以上の組み合わせによって、本発明の課題をより良好に解決できる。
【００３４】
なお、本発明において、グラファイトの文言については、結晶質のグラファイトに限らず、炭素のｓｐ2結合が多く存在する層や成分を指している。多く存在するという意味はｓｐ2結合がパーコレーションなどし、電気的に結合した層を含んで指しているので、１０％や２０％の存在においても含まれる。電気的特性を評価し、抵抗値が低くなっていることによって検知できる。
【００３５】
本発明の具体的な実施の形態を以下に述べる。
（実施形態１）
まず、基板として単結晶ダイヤモンドを準備する。当該単結晶ダイヤモンドは、天然の単結晶ダイヤモンド、あるいは高圧合成法により形成した単結晶ダイヤモンドあるいは、気相合成法で形成した単結晶ダイヤモンドのいずれであっても良い。そして、基板として板状の形状をしており、裏表に平坦研磨が成されているものを使用する。
【００３６】
次に気相合成法で単結晶ダイヤモンド上にダイヤモンドのホモエピタキシャル成長を行う。一定膜厚を形成したら、続いてボロンドープ層を一定膜厚形成する。初期のホモエピタキシャル成長やボロンドープ層の上に行うホモエピタキシャル成長は、成長パラメータ（α）が２以上の値になる成長条件を使うことが好ましい。ここで、成長パラメータ（α）とは、（１００）面方位の成長速度をＶ１とし、（１１１）面方位の成長速度をＶ２としたとき、α＝√３×（Ｖ１／Ｖ２）で定義される値である。
【００３７】
窒素を添加した条件を使うことは、成長パラメータが大きくでき、好ましい。
また、ボロンドープ層は、形成する層のボロンドープ量が多いほどより薄い層で高い導電性を有するようにできるので好ましいが、ボロンドープ量が多すぎて結晶が大きく乱れると好ましくない。このため、ボロンドープ量は２×１０19ｃｍ-3〜１×１０22ｃｍ-3が好ましく、より好ましくは７×１０19ｃｍ-3〜５×１０21ｃｍ-3である。
【００３８】
ボロンドープ層は、薄い方が簡単に形成でき、また、その上のホモエピタキシャル膜を乱さないので好ましい。しかし、あまり薄いと外部からのコンタクトが困難になるので、適当な厚さがある方が好ましい。すなわち、ボロンドープ層の厚さは、０．０５μｍ〜２０μｍが好ましく、０．５μｍ〜５μｍがより好ましい。
【００３９】
また、ボロンドープ層を形成するかわりに、上記の単結晶ダイヤモンド基板にイオン注入を行うことにより導電層を形成してもよい。そして、上記のように気相合成法でダイヤモンド膜をエピタキシャル成長させることにより、内部に導電層を有する単結晶ダイヤモンドを作製することができる。
【００４０】
ボロンドープ層は１回だけ形成してもよいし、多数回形成してもよい。多数回ボロンドープ層を形成する場合は、一つのボロンドープ層ともう一つのボロンドープ層の間は少なくとも５０μｍ以上、多くとも９００μｍ以下で形成されることが好ましく、８０μｍ以上、５００μｍ以下の範囲であることがより好ましい。その間の層には窒素が微量添加（０．１〜１００ｐｐｍ、好ましくは１〜５０ｐｐｍ、更に好ましくは１０〜５０ｐｐｍ）されていることが好ましい。
【００４１】
単結晶ダイヤモンドの上面部分（最表面部分）は窒素添加層で終了している構造の方が良い。また、後述するように、最表面部分には、非常に薄い（０．０１μｍ以下の）グラファイト層か、あるいは水素終端の導電層か、あるいはボロンドープを行うことによって得られた導電層か、あるいは金属薄膜が形成されていることが好ましいが、別の手段を準備できる場合は必ずしもなくとも良い。
【００４２】
上記特徴の構造のダイヤモンドの利用方法について以下に述べる。まずは、一番簡便な方法で、単結晶ダイヤモンドの最表面に導電層が形成されていない場合から説明する。その構造としては、単結晶ダイヤモンドの基板を準備し、イオン注入を０．０１〜１μｍもしくはボロンドープ層を０．１〜１０μｍ程度形成して、導電層を形成したものを利用する。イオン注入の場合は、例えば、Ｂイオン、Ｐイオン、ＡｒイオンもしくはＣイオンを２００ｋｅＶ〜８ＭｅＶで１０15〜１０16ｃｍ-2オーダー注入すると、ダイヤモンドの内部に黒いグラファイト層が形成される。エネルギーを変えて多段注入すると注入幅が制御できる。最表面はダイヤモンドの単結晶構造を維持しているので、この上にダイヤモンドを合成するとエピタキシャルに成長させることができる。結果として、全体として単結晶ダイヤモンドに導電層を内部に形成できたものを作製できる。
【００４３】
ボロンドープの場合は、基板の上にダイヤモンド合成条件中にホウ素原子が含まれているジボランやトリメチルホウ素などのガスを用いるとドーピングできる。約０．１〜１０μｍほど成長させた後に、ボロン含有ガスの添加をやめ、別の合成条件に設定を変えるとボロンドープ層の上に絶縁性の単結晶ダイヤモンドが合成できる。
【００４４】
導電層を作製する場合以外のＣＶＤ合成条件としては窒素を添加することが好ましい。導電層および絶縁層の合成条件は、成長パラメーター（α）が２以上の値になる条件が、単結晶がきれいに成長できて好ましい。
【００４５】
絶縁層部分は室温で抵抗率が１０6Ωｃｍ以上となることが好ましいが、刃先から内部導電層を経由して、工具までの抵抗が１ｋΩ以上あれば利用でき、好ましくは１０ｋΩ以上である。内部導電層から工具までの抵抗は数Ω以下なので、ほぼ刃先部分の抵抗である。
【００４６】
基板の板厚が０．２ｍｍ〜０．９ｍｍで、導電層上部の板厚が同じく０．２ｍｍ〜０．９ｍｍ程度が好ましい。合計の板厚は０．５〜１．９ｍｍの範囲がこの構造では使いやすくてよい。
【００４７】
このような板状の単結晶ダイヤモンドを切削工具の形状に加工し、工具本体に取り付ける。取り付ける際には活性銀蝋材などの金属を使用するので、後ろの部分で端面に露出している内部導電層に接触している構造とした。
【００４８】
イオン注入やボロンドープ層形成の際、あるいはその後のエピタキシャル成長の際に導電層が端面（単結晶ダイヤモンドの側面）に露出していないことがしばしばあるが、レーザーカットなどにより、最終的に導電層が端面に露出した構造としておくことが重要である（図３参照）。
【００４９】
切削加工時に刃先の先端に２３０ｎｍより短波長の紫外線や波長４５０ｎｍより短い光やそれらの波長のレーザーを照射し、被削材との間にバイアスをかけておくと、接触したときに導電層を介して、通電し、刃先が被削材に接触したことが電気的にわかる（図４参照）。
【００５０】
刃先となる単結晶ダイヤモンド部分に不純物があまり添加されていない場合は、２３０ｎｍより短波長の紫外線が好ましく、窒素が添加されている場合は５３０ｎｍより短い波長の光を照射すると効果がある。接触を感知した後は光の照射を絶ってもよく、その際抵抗は高くなるが、そのまま切削を継続すればよい。そして、切削を継続することにより刃先の摩耗の進行が内部導電層のところまでくると、内部導電層に電気的接触の信号が検出され、刃先部分の所定の量が切削に費やされたことが分かる（図５参照）。刃先となる単結晶ダイヤモンドの最表面から内部の導電層までの厚さを、被削材をきれいに削れる所定量に設定したり、寿命に設定したりしておくと便利に使える。
【００５１】
適用される導電層付き単結晶ダイヤモンドのサイズは、特に限定は無い。工具として使用されるサイズに合わせて必要なサイズで適用できる。例えば、２ｍｍ角〜６ｍｍ角が一般的であるが、６ｍｍ角〜１２ｍｍ角やモザイク状に接合した基板においては１０ｍｍ角〜２５ｍｍやそれ以上も可能である。
（実施形態２）
次に、実施形態１の導電層付き単結晶ダイヤモンドに、更に単結晶ダイヤモンド表面に導電層を形成した場合の実施形態を述べる。
【００５２】
単結晶ダイヤモンドの表面に導電層としてグラファイト層を形成する場合には、単結晶ダイヤモンドを低真空中１２００℃以上で、熱アニールすることでダイヤモンド表面に形成することができる。あるいは炭素含有のターゲットをスパッタリング蒸着することでも作製可能である。なお、単結晶ダイヤモンドの側面に形成されたグラファイトは、工具への加工仕上げによって除去でき、最表面のグラファイトのみを残すことができる。
【００５３】
内部にある導電層の形成方法などの他の部分は、実施形態１と同じ方法である。前述のように単結晶ダイヤモンドの最表面にグラファイト層が形成されていると、実施形態１で述べたように光を当てることや、実施形態５で説明するように加熱することは不要である。電圧を印加した状態で、工具が被削材に接触すると電気が流れて通電する（図６参照）。
【００５４】
なお、工具の刃先となる部分にグラファイト層が形成されていても、極薄いグラファイト層であれば切削加工時に直ぐに除去され、切削加工自体は単結晶ダイヤモンドの母体部分が担うので、工具の切削性能には関係がない。また、工具の寿命が来た際には、実施形態１と同様に内部導電層に通電して検知できる。
【００５５】
グラファイト層を形成する代わりに、単結晶ダイヤモンド表面に水素プラズマ処理を施して単結晶ダイヤモンド表面を水素終端すること、あるいは単結晶ダイヤモンド表面に金属薄膜を形成すること、あるいは単結晶ダイヤモンドの表面を、ボロンドープを行うことによって得られた層にすることによっても導電層を形成することができる。なお、ボロンドープ層は前記の内部導電層と同様にして形成することができる。
【００５６】
水素プラズマ処理は、１００％水素中で、マイクロ波あるいは高周波でプラズマを発生させ、６００℃〜１，１００℃の基板温度に維持することにより行われる。ガス圧力は１０〜２００Ｔｏｒｒが好ましいが、プラズマが発生すれば、１〜５００Ｔｏｒｒでも問題は無い。ただし、基板温度が高い状態（５００℃以上）で、大気中あるいは酸素中に取り出すと水素プラズマ処理の効果が消失するのでよくない。真空中で冷却して取り出すことが必要である。水素プラズマ処理で形成した導電層は、グラファイト膜による表面導電層と同様に利用することができる。また、工具の切削加工性能には何の支障もない。
【００５７】
また、グラファイト層や水素終端した導電層の代わりに、金属薄膜を形成してもよい。金属薄膜としては、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｌ等が好ましく、この中でＴｉがより好ましく、Ｔｉをコーティングした後に、３００℃〜６００℃で３〜１０分間アニールし、その後、酸処理でＴｉを除去した後に残ったＴｉＣ膜が最も好ましい。
【００５８】
このような表面導電層の厚さは、０．２μｍより薄く、より好ましくは０．０５μｍより薄いものが適している。これは、内部の硬度と異なる表面導電層の厚さが厚い場合には、被切削材表面に縞模様として残ってしまうが、薄い場合には初期の一瞬でなくなり、この問題を避けることができるからである。
【００５９】
（実施形態３）
次に、実施形態１の導電層付き単結晶ダイヤモンドに、更に単結晶ダイヤモンドの側面にグラファイト膜を形成した場合の実施形態を述べる。
【００６０】
実施形態３は、実施形態１と同じように導電層を単結晶ダイヤモンドの内部に形成し、実施形態２と同じように熱アニールすることでグラファイト層を形成することができる。ただし、グラファイト層を形成してから側面の加工は行わない。側面を工具に仕上げてからグラファイト層を形成する。また、実施形態２とは異なり、グラファイト層を形成してから、単結晶ダイヤモンドの最表面を平坦加工し、表面部分のグラファイト層を除去する。グラファイトはやわらかいので、ダイヤモンドを加工する砥石で加工しなくとも除去される。
【００６１】
単結晶ダイヤモンドの側面に形成されたグラファイトは、切削開始時に被削材に接触する瞬間の信号を検出するのに利用することができる。実施形態２とは違って、加工している間中、信号は出っ放しとなるが、印加電圧をオフしておけば問題は無い。
【００６２】
（実施形態４）
次に、単結晶ダイヤモンドの内部の導電層を多層に形成した場合の実施形態を述べる。
【００６３】
実施形態１と同じように導電層を単結晶ダイヤモンドの内部に形成するが、これを複数回繰り返して多層に形成しておく。一つの導電層ともう一つ次の導電層の間は工具寿命と判断する厚さ分（Ａ）と加工代分を取っておくと寿命の検知と同一単結晶の再利用が連動してよい（図７ａ、図７ｂ参照）。前記厚さＡは５０μｍ〜９００μｍが好ましい。その他の機能は実施形態１や２と同じにしておけばよい。
【００６４】
（実施形態５）
実施形態１では、被削材との接触時に紫外線照射することにより信号を検知できることを示しているが、実施形態５では、単結晶ダイヤモンドの内部導電層の両端に端子を設ける形態を説明する。
【００６５】
実施形態５では、実施形態１と同様な単結晶のサンプルを準備し、導電層付きの単結晶ダイヤモンドを作製する。そして、内部導電層に通電できるように２端子を接続できるように工具を作製する。これにより、切削を開始する直前に通電し、ダイヤモンドチップの温度を上昇させることができる。このとき、内部導電層にバイアスを掛けると、被削材に接触したときに電流が検知され導通させることができる。この現象を利用すると、刃先と被削材の接触を検知することができる。また、切削を開始した後は通電を切って、通常の切削工具として切削加工を行うことができる。
【００６６】
更に、途中で切削を中止し、その後に再度切削を始める際にも、初期と同様の手順で、被削材と工具との接触時の導通を検知できる。これは単結晶ダイヤモンドの内部導電層への通電により、チップ温度が上昇し、チップの抵抗を小さくして、バイアスを印加することで、被削材との通電を確認できるためであると考えている。これは単結晶ダイヤモンド全てを導電性にしなくとも、同じ効果を引き出したことに他ならない。切削が始まれば、通電を切れば、通常の切削工具として使える。
【００６７】
さらに、実施形態１でも説明したが、内部導電層に被削材が到達した際に電気信号を検知することができ、これにより工具の寿命を判断することができる。また同様に、切削時は摩擦熱でダイヤモンド単結晶チップの温度が若干上昇し、周辺に若干ともキャリアが拡散するので、内部導電層に被削材が到達しなくとも、かなり近づいた時点で検知するようにすることもできる。
【００６８】
（実施形態６）
実施形態１および２において、ある一定の切削量を終えたチップは信号を検知して、寿命を知らせる機能があったが、切子が側面について導通し、誤検知する可能性がある。しかしながら、これはソフト上で導通の時間の変化量を分析すれば除外できるので、本質的な問題ではない。具体的には、瞬間的に導通したことを示す信号はしばらくの時間は切削状態を保持し、ある一定時間が同じ状態が続くかを確認した後に停止する工夫をすればよい。あるいは、予めある一定以上の工具寿命があることは分かっているので、それまでは誤動作であると判断することもできる。すなわち寿命の時間管理とセンシング管理の併用をすればよい。
【００６９】
以上のように、単結晶ダイヤモンドの内部に層状に導電層が形成されており、外部から接続して電気信号を検知できるようにすると、被削材との接触時の検知ができたり、寿命の検知を自動的に行うことができたりする。
【００７０】
また、単結晶ダイヤモンドの最表面にグラファイト層や他の導電層を形成して組み合わせることで、初期の接触センサー機能も盛り込むことができる。単結晶ダイヤモンドの側面にグラファイト層を形成することによっても、初期接触センサーを備えた工具として利用することができるものである。
【００７１】
さらに、単結晶ダイヤモンド全体が導電体である場合でも、被削材との接触時の検出は同様な効果があるが、本発明では被削材の接触検知と寿命の検知が両方できるようになるので、より優れた機能といえる。それは、光照射や加熱効果で、通常のオフ状態では絶縁であるが、オンにして部分的にあるいは全体に導電状態を作り出すことによって、その両方を実現できることが特徴となるものである。
【００７２】
本発明における特徴をまとめておくと、単結晶ダイヤモンドの全てが導電性を有しているものと比較すると、初期加工時の接触センサーの機能はどちらにもあるが、寿命検知機能との両立は本発明の構造のみにある。切削性能は全てが導電性のものは不純物の影響で全てが絶縁性の物と比べると若干やわらかくなる影響を受けるが、本発明の構造は全てが絶縁性のものと同等である。次に、絶縁性の単結晶ダイヤモンドの表面全体に金属層を形成したものと比べると、やはり接触センサーと寿命検知の両立性は本発明の構造のみにある。切削性能は通常の絶縁性の単結晶ダイヤモンドと同等なのは本発明の構造である。金属層を形成したものは、金属層の切削抵抗や磨耗量において、大きく影響を受けるが、本発明の構造ではほとんど影響を受けない。図２に本発明に係る導電層付き単結晶ダイヤモンドの使用例の概略をまとめる。
【００７３】
本発明の単結晶ダイヤモンドは、内部導電層は基本的に一つであるが、近接して、２層以上を形成して１層の代わりにすることができる。すなわち、２層以上の内部導電層の機能をひとまとめにして、１層と同じ機能にすることもできるからである。
【００７４】
しかしながら、これだけでは新しい機能の追加にはならない。さらに新しい機能（再研磨で再利用を容易にするという機能）を追加するためには、２つの導電層間の絶縁層（単結晶ダイヤモンド部分）の厚さを少なくとも１００μｍ以上にしなければならないし、導電層は１００μｍ未満にすることが必要である。
【実施例】
【００７５】
以下、実施例に基いて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００７６】
［実施例１］
３ｍｍ角３００μｍｔと６ｍｍ角５００μｍｔと６ｍｍ角９００μｍｔの高圧合成のダイヤモンドの基板を用意し、その上にマイクロ波プラズマＣＶＤ法でダイヤモンドをエピタキシャルに合成した。最初の５μｍは、メタンガスがメタンガス／水素ガス比で９％となるようにガスを導入し、窒素ガスも窒素／メタンガス比で１０００ｐｐｍとなるようにし、マイクロ波パワー６ｋＷ、全圧力１００Ｔｏｒｒで合成を行った。次の２μｍはメタンガス／水素ガス比７％とし、ジボランを水素に対して１０００ｐｐｍ導入した。他の条件は同じで、プラズマを停止することなく行うことができた。次の５００μｍ、８００μｍ、及び９５０μｍは最初の窒素を添加したときと同じ条件で合成を行った。
【００７７】
合成後、端面をレーザーカットし、ボロンをドーピングした層を端面に露出させた。全体として、３ｍｍ角、０．８ｍｍｔ、１．１ｍｍｔ、及び１．２５μｍｔの単結晶ダイヤモンドと、６ｍｍ角、１．０ｍｍｔ、１．３ｍｍｔ、及び１．４５ｍｍｔの単結晶ダイヤモンドと、６ｍｍ角１．４ｍｍｔ、１．７ｍｍｔ、及び１．８５ｍｍｔの単結晶ダイヤモンドを作製することができた。
【００７８】
通常の単結晶ダイヤモンドと同様にバイト形状に仕上げて、刃先としてロウ付けして切削工具を作ることができた。５×１０-3Ｔｏｒｒ以下の真空中で、１２００℃で１０分アニールして、単結晶ダイヤモンドの表面にグラファイト膜を形成した。側面のグラファイトは刃先の加工をする際に機械加工で除去した。ロウ付けは中間のボロンドープ層と接触するようにし、工具本体に接触させた。表面はピンで別途コンタクトした。表面と内部導電層には導通がなかった。上記内容は図６に図示した通りである。
【００７９】
切削開始時に、接触する瞬間に工具のピン経由の導通が検知され、初心者が行ってもチップに破損以上の圧力を加えることなく、破損することはなかった。加工初期には内部導電層経由の導通は無いままであった。切削途中はピン経由の導通は継続したままであり、一度切削をやめた後に、刃先を再度当てるときにも接触が確認され、破損して失敗することはなかった。工具性能は通常の単結晶ダイヤモンドとなんら変わるところがなかった。切削が進んで内部導電層経由の導通が確認された時点で、信号が入り切削をやめる操作に移行した。
【００８０】
上記サンプルは、刃先を基板の高圧合成法により合成した単結晶側（以下、高圧単結晶側という）にしたときも、刃先をＣＶＤ法により合成した単結晶側（以下、ＣＶＤ単結晶側という）にしたときも同様に同じ機能を達成した。高圧単結晶側にした場合、基板厚が３００μｍｔと５００μｍｔと９００μｍｔの場合で、それぞれの厚さ分だけ切削を停止する信号が発生する時間がかかったのは予想通りの結果であった。ＣＶＤ単結晶側にした場合は、同様な厚さなので、大きくは変らなかった。高圧単結晶とＣＶＤ単結晶では大きな違いは見られなかったが、６ｍｍ角の結晶で比べるとＣＶＤ単結晶の方が、磨耗の偏りが小さかった。これは窒素の分布状態が違っているためである、すなわちＣＶＤ単結晶は窒素濃度の分布が小さいためであると考えられた。磨耗の偏りが小さいと被削材の研磨痕もなくきれいに仕上げることができた。
【００８１】
基板のサイズを８ｍｍ角や１２ｍｍ角に変えても同様に適用でき、複数枚接合した１６ｍｍ角や２５ｍｍ角のモザイク基板においても同様基本的な動作（接触センシング、寿命検知）について確認できた。このような大きめのサイズやモザイク基板は天然や高圧合成ダイヤでは困難なので、ＣＶＤ基板を利用した。
【００８２】
［実施例２］
実施例１と同じ形状の基板を用意して、イオン注入を行った。注入条件はカーボン原子を３ＭｅＶおよび２００ｋｅＶで注入した。注入ドーズ量は１×１０15ｃｍ-2および８×１０15ｃｍ-2であった。その後、マイクロ波プラズマＣＶＤ法により、ダイヤモンドをエピタキシャルに成長させた。条件はメタンガスがメタンガス／水素ガス比で９％となるガスを導入し、窒素ガスも窒素／メタンガス比で１０００ｐｐｍとなるようにし、マイクロ波パワー６ｋＷ、全圧力１００Ｔｏｒｒで行った。その他は、実施例１と同じように工具を作製し、工具使用時の動作試験を行ったが、ほとんど同じ結果が得られ、同じように利用することができた。
【００８３】
［実施例３］
実施例１と同様の単結晶のサンプルを準備した。すなわち、内部に導電層をもった単結晶ダイヤモンドを作製した。そして、実施例１とは異なり、当該内部に導電層をもった単結晶ダイヤモンドの表面にグラファイト層を形成せずに工具を作製した。その代わりに、工具を利用する際に、刃先に２００〜２５０ｎｍの波長の紫外線を照射して、キャリアを誘起した（図４参照）。その状態で内部導電層にバイアスを掛けることにより、被削材に接触させると同時に導通が確認された。それを信号として、被削材に近づけることを停止した後、適度な応力が発生するまで極ゆっくり進めてゆくと、切削がスムースに進められた。
【００８４】
この手順に従うと刃先を破損することがなく切削することができた。また、紫外線を照射した状態では導通はしたままであったが、紫外線をきると導通はなくなった。切削を連続に継続している間は接触しているかどうかの信号は不要なので、紫外線を切っても問題はなかった。切削を一時中断して、再度切削を開始するときは、再度紫外線を照射すると同様に繰り返すことができた。
【００８５】
刃先が高圧合成単結晶ダイヤモンド側の場合もＣＶＤ単結晶ダイヤモンド側の場合も同じように接触を検出することができた。また、紫外線の代わりに５３０ｎｍよりも短波長のレーザー光線に換えて行ったが、高圧合成Ｉｂタイプの単結晶ダイヤモンドが刃先の場合に接触を感度よく検知できた。一方、ＣＶＤ単結晶ダイヤモンドの場合には、あまり感度が良くなかったので、検知の増幅を行った。これにより感度良く検知できるようになった。また、ボロンドープ層の代わりに、実施例２と同様にイオン注入層を形成することで導電層付き単結晶を形成しても、同じように紫外線照射やレーザー光線照射が利用することができた。
【００８６】
実施例１と同様に、工具の摩耗が進むと内部導電層と被削材とが接触し、信号が検知された（図５参照）。切削時は摩擦熱で単結晶ダイヤモンドチップの温度が若干上昇し、周辺に若干ともキャリアが拡散するので、内部導電層に被削材が到達しなくとも、かなり近づいた時点で検知するようにできた。
［実施例４］
実施例３と同様にして導電層付き単結晶ダイヤモンドのサンプルを準備した。ここでは、紫外線照射ではなく、内部導電層に通電できるように２端子を接続できるように工具を作製した（図８参照）。
【００８７】
切削を開始する直前に通電し、ダイヤモンドチップの温度を上昇させた。そして、内部導電層にバイアスを掛けることにより、刃先が被削材に接触したときに電流が検知され導通した。この時のチップの温度は１００℃以上であれば電流を増幅して微小検出すれば有効に検出可能であった。更に、チップの温度を３００℃以上にすることで検出を楽に行うことができた。この現象を利用して、通電で接触を検知することができた。
【００８８】
また、切削を開始した後に通電を切ると通常の切削状態となり、別段問題がなかった。途中で切削を中止した後に再度切削を始める際にも、同様に通電し、接触時の導通を利用することが繰り返し行えた。これは導通により、チップ温度が上昇し、内部導電層と刃先部分との抵抗が小さくなったことによるものであると考えている。これは単結晶ダイヤモンド全てを導電性にしなくとも、同じ効果を引き出したことに他ならない。切削が始まれば、通電を切れば、通常の切削工具として使える。
【００８９】
また、実施例３と同様に、被削材が内部導電層に到達すると信号を検知でき、これにより切削を終了した。また同様に、切削時は摩擦熱で単結晶ダイヤモンドチップの温度が若干上昇したので、内部導電層に被削材が到達しなくとも、かなり近づいた時点で検知することができた（図９参照）。摩擦熱で加熱される温度は、周辺からの放熱もあり小さいので、図８での通電時の加熱とは明確に温度が異なる。従って、抵抗の違いによって明確に差をつけられる（図１０参照）。
【００９０】
［実施例５］
まず、実施例１および実施例２と同じように、ボロンドープ層又はイオン注入層を有するサンプルの単結晶ダイヤモンドを作製した。グラファイトも同様に作製したが、側面のグラファイトは除去せず、表面のグラファイトは研磨で削除した。できたダイヤモンドチップは側面に導電性をもっているので、切削を開始時、被削材に刃先が接触したときに電気的に検知できることは実施例１および実施例２と同様であった。しかしながら、導通が継続しているので、終了時の電子信号の変化は特に検出されなかった。すなわち、本実施例は、初期の接触のみを検出するものである。ただし、内部導電層がある場合では、ない場合と比較して安定して接触の導通が検出されたので、内部導電層が有効であることがわかった。なお、内部導電層を形成しない場合としては、従来の単結晶ダイヤモンドを使用した。
【００９１】
［実施例６］
実施例１と同様にして導電層付き単結晶ダイヤモンドのサンプルを準備したが、実施例１で作製したグラファイト層は形成しなかった。その代わり、単結晶ダイヤモンドに水素プラズマ処理を行った。水素プラズマ処理は水素１００％中で、マイクロ波出力３ｋＷ、基板温度８００℃で行った。この処理で単結晶ダイヤモンドの形状が変化することはなかった。単結晶ダイヤモンドの側面は導電層とはならなかった。実施例１と同じように工具を作製したところ、被削材との接触の検知を行うことができた。一度、切削を終了して、再度切削を始める場合は、水素プラズマ処理を再度行った方が有効に検知できた。
【００９２】
［実施例７］
実施例１と同じ基板を用意し、その上にマイクロ波プラズマＣＶＤ法でダイヤモンドをエピタキシャルに合成した。最初の５μｍはメタンガスがメタンガス／水素ガス比で９％となるようにガスを導入し、窒素ガスも窒素／メタンガス比で１０００ｐｐｍとなるようにし、マイクロ波パワー６ｋＷ、全圧力１００Ｔorrで、室温で絶縁性のダイヤモンドの合成を行った。次の２μｍはメタンガス／水素ガス比７％とし、ジボランを水素に対して１０００ｐｐｍ導入した。他の条件は同じで、プラズマを停止することなく室温で導電性のダイヤモンドの合成を行うことができた。次に最初の条件で、３００μｍ合成を行った後に、２μｍボロンドープ層を先ほどと同じ条件で形成した。その後、３００μｍ（絶縁層）、２μｍ（導電層）、３００μｍ（絶縁層）、２μｍ（導電層）と繰り返し、合計９１５μｍ形成し、基板とあわせて、１．２ｍｍおよび１．４ｍｍの厚さの導電層付き単結晶ダイヤモンドを得た。表面のグラファイトは実施例１と同様にして形成した。
【００９３】
この導電層付き単結晶ダイヤモンドを使って、工具を作製し、実施例１同じ評価を行った。その結果、切削時の接触の検知は同様に実行でき、破損することはなかった。切削の一時中断や切削時の工具性能も同じ結果となった。切削を実行中、被削材がチップの表面から第１層目の内部導電層に達したところで、導通し、第１回目の寿命あるいは切削消耗期限の到達が検知できた。そこで、単結晶ダイヤモンドチップを工具から取りはずして再度研磨を行い、新しい工具として再生した。最初の基板より薄い基板であったが、それと同様に最初から本発明の工具の特徴（被削材との接触検知、寿命検知）を再現した。積層した層の回数だけ同じように再研磨し、使用することができた。３回目には、最表面のグラファイトを形成せずに、実施例３や実施例４のように紫外線やレーザー光線、あるいは通電加熱の方法で、接触検知を試みたが、前例と同様に検知することができた。
【００９４】
絶縁層を３００μｍから５００μｍ、９００μｍと変えて行っても、同様にうまくいったが、１００μｍにすると薄すぎるので、研磨の平行度が導電層の平行度と異なったり、導電層の平坦性が悪かったりすると、２回目、３回目の研磨がうまくいかなかった。一方、内部導電層も１００μｍ以上となると、再研磨時の時間がかかるとか、平行度や平坦性が悪い場合の加工がうまくいかなかった。せいぜい５０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下が工具用チップ作製の点でよかった。
【００９５】
今回開示された実施の形態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特許請求の範囲によって示され、特許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。
【図１０】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【図９】
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