(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長単結晶CVDダイヤモンド基板の製造方法であって、以下の工程：
(a)(001)主要表面を提示する第1のダイヤモンド基板を準備する工程、ここで、この主要表面は、少なくとも1つの<100>稜で境界が定められ、前記少なくとも1つの<100>稜の長さは、前記少なくとも1つの<100>稜に直交する表面のいずれの寸法をも少なくとも1.3:1の比で超えている；及び
(b)化学蒸着(CVD)合成条件下で前記ダイヤモンド材料表面の(001)主要表面上でダイヤモンド材料をホモエピタキシャル成長させる工程、ここで、このダイヤモンド材料は、主要(001)表面に垂直、及び主要(001)表面から横方向の両方に成長する、
を含み、前記準備された第1のダイヤモンド基板が(001)主要表面を提示し、この主要表面が少なくとも1つの<100>稜で境界が定められており、前記方法が、前記ダイヤモンド材料の(001)主要表面上でダイヤモンド材料をホモエピタキシャル成長させる工程を含み、この成長は、成長ダイヤモンド材料の厚さが、ダイヤモンド材料の関連する横方向成長がダイヤモンド材料の前記(001)主要表面の完全有効回転を達成するのに十分に大きくなる十分な厚さになるまで1以上の工程で続けられ、前記CVDプロセス中に、αの値が1.4〜2.6の範囲内であり、ここで、α=(√3×<001>の成長速度)÷<111>の成長速度である、前記方法。
【請求項２】
前記開始ダイヤモンド基板が、矩形である(001)主要表面を提示する、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記矩形の基板が、<100>稜で境界が定められている、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
(001)主要表面を有する前駆ダイヤモンド基板を準備する初期工程と、この前駆ダイヤモンド基板から内接矩形ダイヤモンド基板をカットする工程とを含み、この内接矩形基板は<100>稜を有するようにカットされ、このカットされた内接矩形基板が前記第1のダイヤモンド基板を提供する、請求項２又は３に記載の方法。
【請求項５】
前記カットされる矩形が、a+bの値を最大にするようにカットされる（ここで、a及びbは、前記矩形基板のそれぞれ長辺及び短辺である）、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記前駆基板からn個(n>1)の矩形基板をカットする工程を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記n個の各矩形基板を請求項1〜６のいずれか1項に記載の方法の第1の基板として使用する請求項６に記載の方法であって、各成長ダイヤモンド材料が主要(001)表面を有し、かつ前記成長ダイヤモンド材料の前記主要(001)表面の総面積が、カットしないで主要(001)表面による完全有効回転まで成長した場合に前記前駆基板から成長するダイヤモンド材料の面積の少なくとも120%である、前記方法。
【請求項８】
前記第1のダイヤモンド基板が、三角形である(001)主要表面を提示する、請求項1に記載の方法。
【請求項９】
前記三角形の主要表面が、1つの<100>稜と2つの<110>稜、又は2つの<100>稜と1つの<110>稜で境界が定められる直角三角形である、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
(a)前記成長単結晶ダイヤモンド基板の横方向成長領域からダイヤモンド材料のセクションをカットして、このカットされたダイヤモンドセクションが、<100>稜を有する(001)表面を提供する工程、及び(b)前記カットされたダイヤモンドセクションの当該(001)表面上でダイヤモンド材料をホモエピタキシャル成長させる工程
を含む、請求項1〜９のいずれか1項に記載の方法。
【請求項１１】
前記カットされた横方向成長セクションが、矩形又は三角形の(001)表面を提供する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
それぞれ相互に隣接する(001)主要表面と、少なくとも1つの<100>稜とを有する2つ以上の矩形基板を、前記2つ以上の矩形基板のどちらかの最長<100>稜の長さを超える連続的な<100>稜を提供するように配置する工程を含む、請求項２〜７のいずれか1項に記載の方法。
【請求項１３】
αが1.8〜2.2の範囲内である、請求項１〜１２のいずれか1項に記載の方法。
【請求項１４】
単結晶ダイヤモンドプレートを製造するための請求項1〜１３のいずれか1項に記載の方法であって、ホモエピタキシャルCVD成長ダイヤモンド材料をプレートに加工する工程を含む方法。
【請求項１５】
転位の複数の列を含む成長単結晶CVDダイヤモンド材料であって、各列は<001>方向に伸長しており、転位の各列は、(001)平面上に投影されると点を画定し、これらの点を結ぶと、<100>方向に伸長する第1の長さと、前記第1の線と交差し、かつ<100>又は<110>方向に伸長する第2の長さとを画定し、前記第1の長さと第2の長さの比、又はその逆の比が、少なくとも1.3:1である、成長単結晶CVDダイヤモンド材料。
【請求項１６】
転位の各列が、(001)平面上に投影されると点を画定し、これらの点を結ぶと、<100>方向に伸長する4つの長さを画定し、これらの長さが、少なくとも1.3:1のアスペクト比を有する矩形を形成する、請求項１５に記載の成長単結晶CVDダイヤモンド材料。
【請求項１７】
転位の各列が、(001)平面上に投影されると点を画定し、これらの点を結ぶと、2つの<100>長さと1つの<011>長さ、又は1つの<100>長さと2つの<011>長さを画定し、これらの長さが直角二等辺三角形を形成する、請求項１５に記載の成長単結晶CVDダイヤモンド材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学蒸着(CVD)による単結晶ダイヤモンド材料の成長方法、及び成長CVDダイヤモンド材料自体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンド材料は、光の透過、熱伝導性、剛性、耐摩耗性及びその電子特性などの様々な独特の特性を提供する。複数タイプのダイヤモンド材料においてダイヤモンド材料の多くの機械的特性を認め得るが、他の特性は、使用するダイヤモンド材料のタイプに非常に敏感である。いくつの用途では、例えば、最良の電子特性のためには、CVDで成長した多結晶ダイヤモンド材料、既知の高圧高温(HPHT)技術で作製したダイヤモンド材料、及び天然ダイヤモンドより性能が優れている場合、CVDで成長した単結晶ダイヤモンド材料の使用が好ましい。
CVDプロセスで単結晶ダイヤモンド材料を成長させる工程は、典型的に既存ダイヤモンドプレート上にダイヤモンド材料をホモエピタキシャル成長させる工程を含む。このプロセスは「CVDホモエピタキシャル合成」として知られ、技術上周知である。それは典型的に炭素源などの可変量のガスをチャンバーに供給する工程と、ガスにエネルギーを与える工程と、炭素プラズマを既存ダイヤモンドプレートの最上部に生じさせて、その上にプラズマ蒸着由来の炭素原子がダイヤモンド材料を形成するような条件を与える工程を含む。典型的に、その上でCVDダイヤモンド材料が成長する底基板として働くべき既存ダイヤモンド材料プレートは天然ダイヤモンド材料であるか、又は天然ダイヤモンド材料から切り取られ、或いは製造されたHPHTダイヤモンドプレートであるか、又はHPHTダイヤモンドプレートから切り取られ。通常はこの既存ダイヤモンドプレートを典型的にはCVD成長チャンバー内でモリブデン、タングステン、シリコン又はシリコンカーバイドから形成された基板キャリア上に置く。
【０００３】
ダイヤモンド底基盤は典型的に、成長プロセスに提示され、その上で成長が起こる第1の主要面を含む。用語「面」によって、我々は平ら又は実質的に平らな表面を意味する。その上で成長が起こる面は、底基板の「成長面」と呼ばれる。典型的に、底基板は、必ずではないが、第1の主要面と概して平行であり、かつプレート厚である垂直距離だけ第1の主要面と離れている第2の主要面を含むプレートであり、前記プレート厚は、典型的にこれら主要面の横方向寸法より小さく、普通はかなり小さい。第2の主要面は、成長プロセスに第3の主要面を提示するために底基板をマウントするという便利な手段を与える。主要面は、面a、b(a≧b)内にある2つの直交寸法が、いずれの他の面内のいずれの2つの直交寸法に比べてもa1b1(a1≧b1)が要件(a≧a1)及び(b≧b1)を満たすと分かる面である。この明細書では、2つの寸法は、小さい寸法が大きい寸法の5%以内であればほぼ同一とみなす。
天然に存在するダイヤモンド及びHPHTダイヤモンド底基板の成長面はいずれの形状をも有し得る。ダイヤモンド底基板の成長面の形状について述べる場合、周囲表面によって形成される面の二次元の輪郭を指しており、この周囲表面は成長表面を有する他の表面の交差によって形成されている。HPHTダイヤモンド底基板は、例えば、4つの<100>稜を有する形状の矩形であってよい。本明細書では、用語「矩形」は正方形を包含する。代替として、HPHTダイヤモンド底基板は、例えば、4つの<110>辺（<100>稜と同一又は異なる長さであってよい）によって分離された4つの<100>稜を有する八角形であり得る。天然に存在するダイヤモンド又はHPHTダイヤモンド底基板の角又は稜が損なわれているか又は欠かていることもある。典型的にCVD基板として使うのに適した天然に存在するダイヤモンド又はHPHTダイヤモンド底基板は、各寸法が数mmである成長用主要面を提示し、例えば1〜8mmの範囲の最短及び最長寸法を有する。
【０００４】
既知のCVDプロセスでは、底基板の成長面は種々の結晶方位であってよい。高品質CVD材料の成長のために用いられる多くの通常の方位は、一般的にミラー指数(001)で定義される平面である。この明細書全体を通じて、軸x、y及びzに基づいて平面を定義するミラー指数{hkl}は、z方向が、底基板の成長面に対する当該法線であるか或いは法線の15°以内又は10°以内又は6°以内、又は3°以内であり、かつ成長方向に平行であると仮定して表現されであろう。そして、軸x及びyは底基板の成長面の平面内にあり、一般的に対称によって等価である。
ホモエピタキシャル単結晶成長中、いずれの特定の結晶方位表面についても成長によって形成された材料を一般的に当該表面の「成長セクター」と呼ぶ。例えば、(001)表面上の成長によって形成された材料は(001)成長セクターと呼ばれる。
CVDダイヤモンド材料プロセス中に主要成長表面(典型的には(001)表面)からのホモエピタキシャル単結晶成長がある。この成長は、底基板の成長表面に垂直のみならず、底基板から横方向にも伸長し得る。従って成長プロセスが起こるとき、CVD成長ダイヤモンド層の肥厚化と、底基板ダイヤモンドに対して横方向の成長ダイヤモンド層の拡張とが両方ともある。横方向成長は、主要成長表面(通常の場合は(001)成長セクター)と同一のセクターであってよく、次に底基板の成長表面の領域に対して横方向の領域に拡大する。或いは横方向成長が他の成長セクター、例えば{113}であり得る。横方向成長が主要成長表面と同一の成長セクターであるか又は異なる成長セクターであるかは成長条件によって決まる。
主要成長表面からのホモエピタキシャル単結晶成長に加えて、底基板の側面からのホモエピタキシャル単結晶成長もある。従って、成長表面が(001)表面である典型例では、成長は(001)面上のみならず側面上でも起こり、正方形又は矩形表面の場合、例えば、{100}表面であり得る。成長するダイヤモンド単結晶は、典型的に、異なる成長ファセットによって形成された成長領域間の成長セクター境界を越えて連続的である。
【０００５】
US6096129は、成長ダイヤモンド材料が開始基板より大きい面積を有するような基板表面上でダイヤモンド材料を成長させる方法を開示している。この参考文献は、その上に単結晶ダイヤモンド材料がホモエピタキシャル蒸着される初期単結晶ダイヤモンド底基板を供給して結果としてのダイヤモンド材料を提供し、これをカットし、研磨して連続底基板を提供し、この上に単結晶材料を再び成長させることによって、大きい面積を有する単結晶ダイヤモンド材料を形成すると記載している。US6096129の図4A〜4Cに最良と例示されているように、初期底材料は{100}側面を有する実質的に正方形であり、成長は主に上方{001}表面上で起こり、当該成長は、成長表面が初期底材料の寸法に比べて拡大した横方向寸法を有するように上方{001}表面から垂直のみならず横方向にも起こる。この成長ダイヤモンド材料からカットされる連続底材料は断面が正方形である。正方形の辺は初期底材料の辺に対して45°回転しており、<110>稜を有する。連続底材料の正方形断面の面積は、成長ダイヤモンド材料における{111}面の侵入のため、初期底材料の正方形断面領域の面積より2倍小さい。この連続底材料を次にさらなる成長用に使用し、このさらなる成長は、<110>稜からである。好ましい成長速度比α(比[√3×<001>の成長速度]÷[<111>の成長速度]で定義される)は少なくとも3:1と言われている。
【０００６】
WO 2004/027123(Element Six Ltd)は、基板上で成長したCVDダイヤモンド材料から単結晶ダイヤモンド材料のプレートを製造する代替法を開示しており、この場合、開始基板より成長プレートが大きくなり得る。この方法は、ホモエピタキシャルCVD成長ダイヤモンド材料、及び上にダイヤモンド材料が成長した基板を、上でダイヤモンド材料成長が起こった基板の表面を横切って切断して、単結晶CVDダイヤモンド材料のプレートを製造する工程を含む。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第1の態様は、単結晶ダイヤモンド材料の成長方法であって、以下の工程：
(a)  (001)主要表面（この主要表面は少なくとも1つの<100>稜で境界が定められ、前記少なくとも1つの<100>稜の長さは前記少なくとも1つの<100>稜に直交する表面のいずれの寸法をも少なくとも1.3:1の比で超えている）を提示する第1のダイヤモンド基板を準備する工程；及び
(b)  化学蒸着(CVD)合成条件下で前記ダイヤモンド材料表面の(001)主要表面上でダイヤモンド材料をホモエピタキシャル成長させる工程（ダイヤモンド材料は主要(001)表面に垂直、及び主要(001)表面から横方向の両方に成長する）
を含む方法を提供する。
【０００８】
本発明の方法によれば、第1のダイヤモンド基板が、成長用の主要面(成長表面)を提示する底基板を提供する。成長表面は、成長表面の周囲の一部を形成する少なくとも1つの稜（本質的に直線であり、<100>方向に沿って配向され、かつその長さは成長表面内にあるいずれの他の垂直寸法をも(ひいては<100>方向も)1.3:1を超える比、或いは1.3と表現される比で超える）を有する(001)表面である。少なくとも1つの<100>稜が「いずれの」他の垂直寸法をも超えるとは、前記少なくとも1つの稜に垂直の「ありとあらゆる」他の寸法を意味する。従って<100>方向の少なくとも1つの稜は、少なくとも1つの<100>稜に垂直の最長寸法(前記表面内)の少なくとも1.3倍長い。
少なくとも1つの<100>稜(基板表面の)の長さとその最長垂直寸法の比をこの明細書では表面のアスペクト比と呼ぶ。この用語は基板表面の形状に関係なく使われる。辺長a、b(a>b)の矩形基板表面では、アスペクト比はa/bである。本発明の方法で使用する第1の基板のアスペクト比は少なくとも1.3:1であり、今までに記載された典型的に正方形面の基板(すなわち、アスペクト比が1の基板)が使われていたCVD成長プロセスで使用する当該比より実質的に高い。
【０００９】
好ましくは、第1の基板は、成長用の主要面であって、この成長表面の周囲の一部を形成する少なくとも3つの稜を有し、各々の当該稜は本質的に直線であり、かつ<100>又は<110>方向のどちらかに沿って配向されている主要面を提示する。さらに好ましくは、第1の基板は、成長用の主要面であって、この成長表面の周囲の一部を形成する少なくとも4つの稜（直交する<100>稜の2つの平行対を含む）を有する主要面を提示する。さらに好ましくは直交する<100>稜のこれらの2つの平行対が存在する唯一の稜である。
上述したように、本発明の方法で使用する第1の基板のアスペクト比を、本質的に直線であり、かつ<100>方向に沿って配向されている、成長表面の周囲の一部を形成する稜(典型的に最長稜)の、成長平面(ひいては<110>方向も)内にある最長垂直寸法に対する比と呼ぶ。我々の本発明のこのアスペクト比は少なくとも1.3:1である。
本発明の第1の基板のアスペクト比は少なくとも1.3：1であり、好ましくは1.3:1を超え又は3:1を超え又は4:1を超え、5:1以上を超えてさえよい。
第1の基板は、成長面を形成する主要          表面に平行な第2の主要表面を有するプレートの形であってよく、第2の主要表面が基板の裏面を形成する。或いは第1の基板の裏面がより複雑な幾何学を有してよい。便宜上、通常はプレートの具体的幾何学にさらに言及するであろうが、その最も広い態様では本発明は成長表面を形成する主要面以外の基板の表面は成長表面に平行な第2の主要面を含まないことに留意すべきである。
本明細書では、用語「主要(001)表面」又は「{001}表面である成長用主要面(成長表面)」のような句で言及される面は、有利には正確に(001)である方位を有する表面であり得るが、当該表面の法線が15°まで、好ましくは10°まで、さらに好ましくは6°までさらに好ましくは3°まで[001]方向からそれている表面であてもよい。同様に、主要(001)表面の平面内にある<100>方向への言及は、正確に<100>でなくてよいが、主要表面の平面内にある関連する<100>に最も近い方向であり、関連する<100>方向からせいぜい15°、好ましくはせいぜい10°、好ましくはせいぜい6°、さらに好ましくはせいぜい3°だけそれている。
【００１０】
主要成長表面から横方向の成長について述べる場合、当然のことながら、このような横方向成長は、主要成長表面からの垂直成長(主要成長表面に垂直な成長を意味する)と関連し、すなわち「主要表面の成長セクター」の横方向成長は成長セクターの肥厚化と関連する。本発明の第1の態様の方法で成長したCVD単結晶ダイヤモンド材料は、本明細書では、便宜上、2つの個別領域を有すると定義され、以下のとおりである：その上で成長が起こる基板表面の平面上かつ当初の基板の周囲境界の外側(基板の主要成長面に垂直方向に沿って見たとき)に伸長する材料は「横方向成長領域」と呼ばれ；当初の基板上(すなわち、当初の基板の主要成長面に垂直方向に沿って見たとき、該基板の周囲境界内に限定される)を伸長する材料は「基板成長領域」と呼ばれる。この横方向成長領域は、CVDプロセス中に第1のダイヤモンド基板の側面上に直接沈着する炭素の結果として起こるいずれの横方向に伸長する成長とも、それは当初の主要成長面によって画定される平面(すなわち成長方向)上にあるので、区別され得る。
第1の基板上にCVDダイヤモンド材料成長によって形成された物体を本明細書では、成長CVDダイヤモンド材料と表す。代わりに成長CVDダイヤモンド石と呼ぶこともある。
【００１１】
本発明は、従来技術からは逸脱してり、特有のCVD合成条件下で、開始基板の横方向寸法に比べて増加した横方向寸法を有するダイヤモンド材料を提供するためのCVD成長が、今まで使用していたアスペクト比より高い(本明細書で考察かつ定義したように)アスペクト比、詳細には少なくとも13.1:1のアスペクト比の成長表面を有する底基板から達成可能であることを初めて認識している。本発明は、適切な条件下でこのような開始基板を使用することは、弊害をもたらすこともなく、問題もないことを認識する。今まで通常の慣行は、利用可能な最大の開始基板を利用するか、或いはカットを行う場合は、主要成長表面の平面内にある2つの最大の直交する<100>寸法が同様である(すなわち、それらの比が1.3:1より有意に低い)最大の可能な基板からカットしていた。さらに典型的に従来技術で使われた基板は本質的に正方形、すなわちアスペクト比が1であり、1つ以上の角が欠けている場合もあった。
【００１２】
好ましい実施形態では、準備された第1のダイヤモンド基板は、(001)主要表面を提示し、この主要表面は、少なくとも1つの<100>稜で境界が定められ、かつこの方法は、該ダイヤモンド材料の(001)主要表面上でダイヤモンド材料をホモエピタキシャル成長させる工程を含み、この成長は、成長ダイヤモンド材料の厚さが、ダイヤモンド材料の関連する横方向成長がダイヤモンド材料の前記(001)主要表面の完全有効回転(full effective rotation)を達成するのに十分に大きくなる十分な厚さになるまで1以上の工程で続けられる。
ダイヤモンド材料の前記(001)主要表面の完全有効回転を達成するとは、少なくとも1つの<100>稜によって開始基板内で境界が定められている前記(001)主要表面の辺が、2つの直交する<110>稜（相互に交差し、かつ当初は少なくとも1つの<100>稜によって画定されていた稜全体を包囲かつ置換する）によって成長基板内で境界が定められることを意味する。
本発明の好ましい実施形態では、ダイヤモンド基板の前記(001)主要表面が2つの隣接かつ交差する<100>稜を有し、かつダイヤモンド材料の前記(001)主要表面の完全有効回転が、2つの<100>稜を包囲かつ置換する3つの<110>稜の形成を提供し、2つの<110>稜は相互に平行であり、かつ第3の<110>稜に直交する。第3の<110>稜は、それらの間にあり、かつ当初の第1の基板の主要成長面によって画定される平面上に投影されると、当初の<100>稜の交差点に触れるか、又は横方向成長による当該交差点から横方向外側に移動している。
【００１３】
本発明の別の好ましい実施形態では、前記(001)主要表面が第1の基板内で4つの<100>稜によってのみ境界が定められ、かつダイヤモンド材料の前記(001)主要表面の完全有効回転が、第1の基板の4つ全ての<100>稜を包囲する、相互に交差する2つの平行対の形の4つの<110>稜の形成を提供する。各<110>稜は、当初の基板の主要成長面によって画定される平面上に投影されると、当初の<100>稜の4つの交差点(基板の成長面の角)のそれぞれに触れるか、又は横方向成長による当該交差点から横方向外側に移動しており、本質的に正方形である主要成長表面を有する最終成長ダイヤモンド材料を形成する。
本明細書では、用語<100>稜及び<110>稜は、有利にはそれぞれ正確に<100>及び<110>稜である稜を包含するが、15°まで、好ましくは10°まで、さらに好ましくは6°までさらに好ましくは3°までそれぞれ<100>及び<001>方向からそれている稜でもある。
このダイヤモンド材料の前記主要表面の完全有効回転の達成は、US6096129に記載の従来技術のプロセスとは、第1のダイヤモンド基板が本明細書に記載したようにより高いアスペクト比を有するのみならず、当該従来技術の公報に記載のプロセスでは、該従来技術の目的ではない、完全有効回転が起こらないため、逸脱している。成長ダイヤモンド材料内の主要(001)面上への{111}面の侵入のため、完全有効回転が起こらない。
【００１４】
本発明の好ましい方法では、成長ダイヤモンド材料は、第1の基板の(001)主要表面の前記主要表面の面積の少なくとも200%、さらに好ましくは220%、さらに好ましくは250%、さらに好ましくは270%、なおさらに好ましくは300%である面積を有する(001)主要表面を有する。
本発明のいくつかの実施形態では、本発明の第1の態様の方法で使用する第1のダイヤモンド基板が実質的に矩形であり、好ましくは少なくとも1.3:1、又は1.3:1を超えるアスペクト比を有する。すなわち、第1の基板が辺a、b（a/b≧1.3）を有する矩形である。本発明の特定実施形態では、第1のダイヤモンド基板が、好ましくは1.5:1を超え、又は1.7:1を超え、又は2:1を超え、又は2.5:1を超え、又は3:1を超え、又は4:1を超え、又は5:1を超えるアスペクト比を有する実質的に矩形であってよい。
第1の基板が矩形である実施形態では、基板の主要表面は、好ましくは<100>稜を有する好ましくは{001}主要表面、特に(001)主要表面である。
本発明の他の実施形態では、第1のダイヤモンド基板が実質的に三角形であり、好ましくは(001)主要表面を提示する。好ましくは実質的に三角形の主要表面は直角三角形であり、好ましくは少なくとも1つの<100>稜と1つの<110>稜によって、さらに好ましくは1つの<100>稜と2つの<110>稜によって、又は2つの<100>稜と1つの<110>稜によって境界が定められている。
【００１５】
完全有効回転が、実質的に矩形の第1の基板、例えば、[100]及び[010]に平行な稜及びa×b(aがbより大きい場合)の横方向寸法を有する基板では、「完全有効回転」は、成長ダイヤモンド材料が実質的に断面が正方形である(001)上部表面を有するように、十分な横方向ダイヤモンド材料成長が(001)成長セクター内で起こったときに達成される場合の好ましい実施形態では、成長ダイヤモンド材料の(001)上部表面の対称軸は、第1の基板の矩形の(001)主要表面の対称軸に対して45°の角度回転している。これらの好ましい実施形態では、完全有効回転において、成長ダイヤモンド材料の正方形の(001)上部表面は、[110]及び[
【００１６】
【数１】
0005916133.tif 000002
【００１７】
]方向に平行な稜で境界が定められ、かつ幾何学によって、(a+b)/√2×(a+b)/√2の横方向寸法を有すると計算可能である。第1の基板は典型的に天然ダイヤモンド又はHPHT合成ダイヤモンド材料であるが、CVDダイヤモンド材料であってもよい。市販されている形態の該基板は、形状が不均等又は不規則なことがある。例えばHPHT合成ダイヤモンド材料(一般的に形状がほぼ正方形であるように製造される)では、一般的にHPHT合成ダイヤモンド材料の1つ以上の角が損なわれているか又は欠けていることさえある。これらの不均等又は不規則な形状の天然又は合成ダイヤモンド材料を用いて、まず、最初の不均等な形状部分から規則的な形状部分を切り取ることによって、本発明に適した第1の基板を与えることができる。従って、本発明の好ましい実施形態は、(001)主要表面を有する前駆ダイヤモンド基板、例えば不均等な形状のダイヤモンド基板を準備する初期工程、及びこの不均等な形状のダイヤモンド基板を主要(001)表面上に少なくとも1つの<100>稜を形成するようにカットする工程、さらに好ましくは前駆ダイヤモンド基板から内接矩形ダイヤモンド基板をカットする工程（この内接矩形基板は<100>稜を有するようにカットされる）を含む。幾何学によって、辺長a及びbの矩形基板から成長した正方形面の表面の面積は0.5(a+b)2で与えられることが分かる。それゆえにこの面積は(a+b)が最大のときに最大である。従って、本発明の好ましい実施形態では、準備された前駆(例えば不均等又は不規則な形状の)基板からカットされた内接矩形基板はa+bの値が最大になるように（ここで、a及びbはそれぞれ矩形基板の長辺又は短辺である）カットされ、このカットされた内接矩形基板が本発明の第1の態様の方法の前記第1のダイヤモンド基板を提供する。当然のことながら、本発明で第1の基板として使用する予定の最適な内接矩形基板を提供するようにカットするためには前駆ダイヤモンド基板の辺のいくつかのみが必要な場合もある、或いは全てが必要なこともある。同様に、まだプレートの形に調製されていないいずれの三次元要素のダイヤモンド材料でも、形成するように選択され、かつ底基板の(001)表面を形成するであろう好ましい{100}表面は、寸法a+b（a及びbは、全体的に基板主要面の境界となる<100>稜の2つの直交対の寸法を表す）の合計が最大の基板を提供する当該表面である。例えば、この規則を利用して、主要表面が形成される場合のダイヤモンド材料の高さを選択することができる。
同様に、本発明の別の好ましい実施形態は、(001)主要表面を有するダイヤモンド基板、例えば不均等な形状のダイヤモンド基板を準備する初期工程、及び前駆形状のダイヤモンド基板から内接三角形ダイヤモンド基板をカットする工程（カットされた内接三角形ダイヤモンド基板が本発明の第1の態様の方法の前記「第1の基板」を提供する）を含む。カットされる内接三角形は、少なくとも1つの<100>稜を有するようにカットされる。
このように本発明は、当該基板からは正方形だけがカット可能であり、利用するには小さ過ぎると考えられていたので今までは捨てられていたであろう基板をCVD単結晶ダイヤモンド材料成長基板用の開始材料として使用できるようにする。不均等又は不規則な形状の(001)プレートを受け入れてそれを本発明に従って使用する能力は、商業的に入手可能な基板材料の利用における有意な改善をもたらす。
【００１８】
本発明の他の実施形態では、不均等又は不規則又は均等又は規則的形状の基板、例えば正方形又は矩形の基板をいずれかの数のより小さい規則的形状、例えばn個の等しい矩形又は三角形（ここで、nは1より大きく、2より大きく、3より大きい等、8以上より大きいことさえある）にカットし、それによって本発明の第1の態様の方法で使用する「第1の基板」を生じさせ得る。これらの規則的形状が矩形の場合、これらは好ましくは2、3より大きく、また8ほど大きいことさえあるアスペクト比を有する。矩形プレートがカットされる場合、これらには好ましくは<100>稜がある。三角形がカットされる場合、これらは好ましくは少なくとも1つの<100>稜及び少なくとも1つの<110>稜を有する。これらの好ましい稜要件を満たす矩形及び三角形のいずれの組合せも単一の基板からカットすることができる。
n個の矩形基板が前駆基板からカットされる好ましい実施形態では(n>1)、カットされる矩形基板は大きさが同一でも異なってもよい。カットされる基板の1つの寸法が前駆基板の1つの寸法と同一、又はそれより小さくてよい。
本発明の好ましい実施形態では、n個の各矩形基板を本発明の方法で第1の基板として使用し、各成長ダイヤモンド材料は主要(001)表面を有し、かつn個の成長ダイヤモンド材料の前記主要(001)表面の総面積は、カットせずかつ完全有効回転まで成長した場合、主要(001)表面を有する前駆基板から成長したダイヤモンド材料の面積より少なくとも20%、さらに好ましくは50%、さらに好ましくは100%、最も好ましくは200%大きい。
本発明の特定の実施形態では、辺長aの正方形基板をn個の等しい矩形基板にカットし（nは1より大きく、2又は3より大きく、或いは8ほどに大きくてもよい）、各矩形は好ましくは長い辺長a及び短い辺長a/nを有し、成長表面のすべての稜は好ましくは<001>である。カットされた各矩形は、本発明の第1の態様で使用する「第1の基板」を提供する。
本発明の他の実施形態では、辺長aの正方形基板を好ましくは<001>稜を有する等しくない矩形基板にカットし、カットされた各矩形基板が本発明の第1の態様の方法で使用する「第1の基板」を提供する。
規則的形状の基板、例えば矩形又は三角形の基板がカットされる正方形の基板は、商業的に入手可能なダイヤモンド材料であってよく、或いは別のダイヤモンド材料の完全有効回転によって成長した正方形面のダイヤモンド材料であってよい。従って、本発明は、ダイヤモンド材料調製用の「成長-カット-成長」サイクルを予想する。
【００１９】
規則的基板を2つ以上のより小さい規則的形状の基板にカットするこれらの実施形態の利点は、未カットの開始基板を成長基板として使用した場合に達成される面積増加に比べて成長CVDダイヤモンドプレートの全体的面積の増加を獲得できることである。
本発明の好ましい実施形態は、(a)成長単結晶ダイヤモンド基板(第1の合成工程で成長した)の横方向成長領域からダイヤモンド材料のセクションをカットして、このカットされたダイヤモンド材料セクションが<100>稜のある(001)表面を提供するようにする工程、及び(b)(第2の合成工程において)カットされたダイヤモンドセクションの当該(001)表面上にダイヤモンド材料をホモエピタキシャル成長させる工程を含む。
この実施形態の利点は、横方向成長が、基板成長より有意に低い転位密度を有する傾向があり(本明細書で後述するように)、結果としてカットされた横方向成長セクションから成長したダイヤモンド材料も低転位密度を有し、低転位密度が望ましい場合の用途に特に適したものにする。例えば、転位は歪みを導入することが知られており、これは光学要素で使用する場合に材料の光学的均質性に影響を及ぼす。また転位は材料のバンドギャップに関連するトラップを有することも知られており、これは材料の真性キャリア特性に影響を及ぼすので、電子工学用途では低欠陥密度で成長したダイヤモンド結晶が特に有用であることを意味する。これらの好ましい実施形態、すなわち、第2の合成工程で使うために第1の合成工程の横方向成長からセクションをカットする実施形態では、カットされた横方向成長セクションが好ましくは三角形又は矩形である。
本発明の別の実施形態は、それぞれ相互に隣接する(001)主要表面と、少なくとも1つの<100>稜を有する2つ以上の矩形基板を、前記2つ以上の矩形基板のどれかの最長<100>稜の長さを超える連続的<100>稜を提供するように配置する工程を含む。隣接基板は、「タイル状」基板と言われ、連続的<100>稜から、タイル状基板からのCVD成長が起こる。2つ以上の基板は好ましくは矩形、さらに好ましくは少なくとも1.3:1のアスペクト比を有する矩形である。それらを好ましくは、それらの長稜を一列にして端と端を接続して連続的<100>稜を提供する。
【００２０】
我々は、少なくとも1.3:1のアスペクト比を有する第1の基板から完全有効回転を達成するためには加工パラメーターの慎重な制御が有利であることを見い出した。CVD単結晶ダイヤモンド材料プロセスでモニターすることができ、かつCVDによるダイヤモンド材料合成の分野で良く理解されている1つのパラメーターは、いわゆる「αパラメーター」である。このαパラメーターは、<001>方向の成長速度(GR)対<111>方向の成長速度の比に比例し、α=√3×(<001>のGR)÷(<111>のGR)と定義される。
本発明の好ましい実施形態では、所望のαパラメーターは好ましくは1.4〜2.6の範囲内、さらに好ましくは1.6〜2.4の範囲内、なおさらに好ましくは1.8〜2.2の範囲内であり、一部の実施形態では1.9〜2.1の範囲内である。
既知のCVDプロセスでは、αパラメーターが<1と>3の間で変化し、αの値はとりわけ、圧力、温度及びガス流条件などの適所の合成条件セット並びにそれほどではないにせよ、CVD反応容器等のパラメーターの詳細によって決まることが知られている。合成が完了した後に成長したままのダイヤモンド材料について測定を行い、簡単な幾何学的関係及び結晶学を利用してαを計算することによって、αを計算することが知られている。当該技術分野では、様々な圧力、温度及びガス組成の組合せ下で成長したダイヤモンド材料を（この場合もやはり事後測定で）測定することによって特定の合成反応器の「αパラメーターマップ」を作成することも知られている。所定セットの条件についてαパラメーターを特徴づける方法論は広く報告されているが、Silva et al, Diamond & Related Materials, 18 (2009), 683-697は特に有用な参考文献である。Silvaらは、1.8〜2.2という我々の好ましい範囲内のαの値を含めたαパラメーターの所定値を達成するために、いかにして温度、ガス圧、電力及びプロセス化学(例えばメタン、酸素、窒素、水素及びアルゴンガス等の量)を選択すべきかを開示している。これらの各特性の正確な値は、Silvaが用いた反応器に特有であるあるが(当該分野では知られているように、αは反応器依存性でもあるので)、当業者は、Silvaの教示を利用して容易にいずれの他の反応器をも特徴づけ、かつ所望のαパラメーターを達成するために上記各特性の適切な値を選択できる。
【００２１】
本発明によれば、好ましい実施形態において、我々は、安定しており、かつ合成が開始されて所要αの結晶が逐次もたらされる前に演繹的にαの個々の値(又は狭い範囲のα値)を特定でき、そのためSilvaの刊行物に記載の方法論に従って特徴づけできるように十分に良く特徴づけられた合成プロセスと合成反応器の組合せを提供する。
我々は、例えば上記好ましい範囲のαを有するCVDダイヤモンド材料を成長させることによって、CVD合成条件を調整することによって、[001]方向の成長速度が、主要(001)成長表面の直下かつ隣接する{111}ファセットの形成を実質的に妨げる<111>方向の成長速度と比較してちょうど十分に高く、かつ主要(001)成長表面自体が不安的になってヒロック及び／又は他の不利なフィーチャー(feature)を形成するのを実質的に妨げるのにちょうど十分に低いことを見い出した。我々は、αが好ましい制限を超えれば、全ての他のことも同等であり、{111}ファセットが生じ、かつ対をなしてその対が主要(001)成長面上に侵入することによって成長結晶の横方向寸法のいずれのさらなる増加をも妨害又は停止し得ることを見い出した。同様に、我々は、αの好ましい制限未満であれば、全ての他のことも同等であり、横方向成長が制限され、かつ(001)表面上の円滑な成長が失われることを見い出した。
【００２２】
本発明の方法で成長した単結晶ダイヤモンド材料は、本明細書で前述したように、2つの個別領域、すなわち横方向成長領域と基板成長領域を有するであろう。我々は、これらの2つの個別領域は、それらの拡張欠陥の濃度によって区別可能であり、横方向成長領域は一般的に基板成長領域よりずっと低い濃度の拡張欠陥を含むことに気付いた。用語「拡張欠陥」は、ある点で(典型的に第1の基板の表面内又は表面で)始まってから成長結晶に(典型的にほぼ成長方向に)拡張する1以上の転位などの欠陥を意味する。2つの領域内の拡張欠陥の相対的比率は、電子工学特性の測定、複屈折測定、エッチング技術及び他の欠陥密度を比較できる光学技術等の技術によって推定できる。ダイヤモンド材料においては転位が典型的に<100>成長方向又はその近傍で進むので、横方向領域及び成長領域に拡張欠陥の密度の差異があると考えらる。横方向成長領域内では、その直下に<100>成長方向に転位を伝播するための表面を提供する基板がないので、横方向成長領域は、基板成長領域(基板の真上で成長する)より結晶性が向上する(転位密度が低い)。
さらに、我々は、横方向成長領域及び基板成長領域が、一般的に成長結晶のどこでも起こる高密度の転位によって分離されることに気付いた。この高密度の転位は当初の基板の稜から始まる。この高密度領域は、複屈折、「Metripol」(Oxford Cryosystems UK)、透過型電子顕微鏡(TEM)及びX線トポグラフィー等の機器を用いた光複屈折の特徴づけによって同定可能である。
【００２３】
例として、基板成長領域内のCVDダイヤモンド材料の転位密度は典型的に103〜105cm-2の範囲であるが、横方向成長領域内では<500cm-2であり得ることが分かった。基板成長領域と横方向成長領域の間の境界の近傍では、転位密度が典型的に103〜106cm-2の範囲であり、隣接する基板成長領域におけるより典型的に約10〜1000倍まで高い。
実質的に正方形の成長CVDダイヤモンド材料又は実際には<100>稜と少なくとも1.3:1のアスペクト比(本明細書の前記定義どおり)を有する第1の基板から成長した成長CVDダイヤモンド材料からカットされたいずれのダイヤモンド基板も、特に第1の基板の成長表面の形状に対応する配置に該配列の転位を組み入れているもの（<100>稜と少なくとも1.3:1のアスペクト比(本明細書の前記定義どおり)を有する第1の基板からのCVD成長を示している）は、それ自体新規と考えられる。
【００２４】
本発明の第2の態様は、第1のダイヤモンド基板の(001)主要表面からCVDプロセスで成長した実質的に正方形の成長表面を有する成長ダイヤモンド材料を提供する。第1のダイヤモンド基板の(001)主要表面は、少なくとも1つの<100>稜で境界が定められており、前記少なくとも1つの<100>稜の長さは、少なくとも1.3:1の比で少なくとも1つの<100>稜に直交したいずれの寸法(該表面の)をも超える。
典型的に成長ダイヤモンド材料は転位を含む。これらは典型的に第1のダイヤモンド基板の成長表面の稜を核として成長方向、実質的に<001>方向にダイヤモンド材料の至る所に伝播する。それゆえに成長ダイヤモンドには、実質的に<001>方向に伸長する転位の複数の列が存在する。従ってこれらの転位の列は、開始基板の輪郭の該成長ダイヤモンド内における記録を提示する。典型的に転位は、第1のダイヤモンド基板の成長表面の稜に沿った全てではないがいくつかの点を核とするであろう。転位のないセクション、及び複数の転位のあるセクションもあり得る。第1の基板の開始方位に鑑みると、これらの転位は典型的には、通常は(100)及び(010)平面、或いは当該平面の15°以内の平面内の列に広がる。転位の各列は、(001)平面上に投影されると、点を提示し、これらの点を結ぶと、第1のダイヤモンド基板の稜の方向に1又は複数の線(又は1若しくは複数の長さ)を生成する。従ってそのようにして形成された線は、第1の基板の成長表面の輪郭の形状とサイズ内にある。
【００２５】
本明細書において我々が、点((001)平面上への転位の列の投影である)を結ぶことによって生成された1又は複数の線(又は1若しくは複数の長さ)が成長表面の輪郭を画定すると言う場合、我々は、線が実際には交差しないが、相互に交差するよに伸長する可能性をも含める。例えば、第1の基板の1以上の角から伝播する転位の列がない場合もあり、この場合、線(長さ)が伸長して交差し、ひいては該角の輪郭を画定する。典型的に、基板のいずれの辺に沿って点を結んだいずれの線も、第1の基板の該辺の少なくとも50%、好ましくは少なくとも60%、又は70%又は80%の長さに沿って伸長するであろう。
一実施形態では、成長ダイヤモンド材料は、少なくとも1.3:1のアスペクト比を有する矩形表面を有した第1のダイヤモンド基板から成長し、かつ成長ダイヤモンド基板は、それぞれ典型的に、通常は<001>方向、又は当該方向の15°以内、10°以内、若しくは6°以内、若しくは3°以内に伸長する転位の複数の列を含み、これらの列は、(001)平面上に投影されると点を提示し、これらの点を結ぶと、矩形を形成する2対の平行線又は長さを生じさせ、この矩形は、第1のダイヤモンド基板の稜（これらの稜から転位の列が核を成した）の位置の記録である。
別の実施形態では、成長ダイヤモンド基板は、少なくとも1つの<100>稜を有する三角形の表面(好ましくは直角三角形の表面)を有した第1のダイヤモンド基板から成長した基板であり、前記少なくとも1つの<100>稜の長さは、少なくとも1.3:1の比で前記少なくとも1つの<100>稜に直交する該表面のいずれの寸法をも超え、かつ成長ダイヤモンド基板は、それぞれ典型的に、<001>方向、又は当該方向の15°、10°、6°、若しくは3°以内に伸長する転位の複数の列を含み、これらの列は、(001)平面上に投影されると点を提示し、これらの点を結ぶと、交差して三角形を形成する線を生じさせ、この三角形は、第1のダイヤモンド基板の稜（これらの稜から転位の列が核を成した）の位置の記録である。
上述したように、転位の位置は既知の技術で確認できる。
開始基板の稜の記録としての役割を果たし、この記録が開始基板が少なくとも1.3:1のアスペクト比(本明細書で説明したとおり)を有したことを示している、これらの転位の列を含む成長CVDダイヤモンド自体が新規である。
【００２６】
本発明の第3の態様は、転位の複数の列を含み、各列は実質的に<001>方向に伸長し、転位の各列は、(001)平面上に投影されると点を画定し、これらの点(転位のそれぞれの列からの)を結ぶと、<100>方向に伸長する第1の長さと、<001>方向又は<110>方向に伸長する第2の長さとを画定し、第1の長さと第2の長さの比、又はその逆の比は少なくとも1.3:1であり、或いはそれは1.3:1を超え、又は1.5:1を超え、又は1.7:1を超え、又は2:1を超え、又は2.5:1を超え、又は3:1を超え、又は4:1を超え、又は5:1さえ超え得る。
特定の実施形態では、転位の各列が(001)平面上に投影されると点を画定し、これらの点(転位のそれぞれの列からの)を結ぶと<100>方向に伸長する4つの長さを画定し、この長さが矩形を形成する。
本発明の他の実施形態では、転位の各列が(001)平面上に投影されると点を画定し、これらの点(転位のそれぞれの列からの)を結ぶと2つの<100>長さと1つの<011>長さ、又は1つの<100>長さと2つの<011>長さを画定し、これらの長さが直角二等辺三角形を形成する。
点を結んで1以上の線又は長さを画定すると言及する場合、前記点を通じて最良のフィットとなるように描かれる一次直線である。
本発明の好ましい方法では、第1の基板の厚さは典型的に0.2〜1.2mmの範囲であるが、この範囲に限定するものではない。
本発明の好ましい方法では、成長ダイヤモンド材料の厚さは、開始基板の最長<100>稜の長さの約半分である。当該厚さへの成長は、本明細書の前記定義どおりの完全回転に対応する。しかしながら、より高いか又は低い厚さの成長が達成されることもあり、特定用途にとって望ましいこともある。
本発明の好ましい方法は、単結晶ダイヤモンドプレートを製造し、この好ましい方法は、ホモエピタキシャルCVD成長ダイヤモンド材料をプレートに加工する工程を含む。
ここで、添付図面を参照して本発明の実施形態を例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の方法で使用するのに適した第1のダイヤモンド基板を示す斜視図である。
【図２】図1の基板からのCVD成長プロセスの逐次段階を示す平面図である。
【図３】図2dの線Xに沿った断面図である。
【図４】図2dの線Yに沿った断面図である。
【図５】図2〜4に示すCVDダイヤモンド材料成長プロセス中の転位の伝播を示す略図である。
【図６ａ】図2eに示す成長段階に対応する成長ダイヤモンド結晶の平面視で撮った光学顕微鏡写真である。
【図６ｂ】当初の底基板の除去後に平面視で撮った、図6a中、点線Zで示したセクションの複屈折画像である。
【図６ｃ】図2eに示す成長段階に対応する別の成長ダイヤモンド結晶の平面視で撮った光学顕微鏡写真である。
【図６ｄ】当初の底基板の除去後に図6cの成長ダイヤモンド結晶を通じて平面方位で撮った{008}X線トポグラフ(XRT画像)である。
【図７】本発明のCVDダイヤモンド材料成長方法を利用して成長ダイヤモンド材料の総面積を増やす方法を示す略図である。
【図８】本発明のCVDダイヤモンド材料成長方法を利用して成長ダイヤモンド材料の総面積を増やす別の方法を示す略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図を参照すると、図1は、本発明の方法で使用するのに適した第1のダイヤモンド基板1を示す。ダイヤモンド基板1は、長さa、幅b及び厚さtを有する（a>b>t）実質的に矩形である。第1のダイヤモンド基板1の寸法は、a=5mm、b=1mm、t=0.5mmである。
ダイヤモンド基板1は、<100>稜4で境界が定められる(001)主要表面3と、4つの{010}側面5(図1ではそのうちの2つが見える)を有する。ダイヤモンド基板1は、シリコンを含む表面7、或いは前述したようにいずれかの他の適切な基板上に配置され、実施例を参照して後述する条件下、特にα(本明細書の前記定義どおり)が1.9〜2.1の範囲内である条件下でCVDチャンバー内に置く。
CVD成長プロセス中、主要な単結晶成長は(001)成長セクター、すなわち、(001)面3からの成長であるが、(100)、(010)、(-100)及び(0-10)成長セクター、すなわち、側面5上の単結晶成長があることもあろう。さらにタングステン表面7から始まる競合する多結晶性成長もあるであろう。
図2a〜2d並びに図3及び4から分かるように、成長ダイヤモンド材料の(001)成長セクターは、(001)表面に垂直のみならず(すなわち、基板1の厚さtに平行、かつ図2a〜2dで見えるように紙から外へ)、横方向にも伸長する。
<100>稜の成長は、<110>稜の成長より有意に速いので、横方向成長は、<001>稜から、成長する(001)表面が<110>稜を提示するまで続く。図2aに示すように第1の段階では、成長表面が4つの<100>稜4'及び4つの<110>稜6'で境界が定められる八角形を有するように、(001)成長表面3が、横方向外側に<100>方向に成長した。従って、4つの横方向成長領域(当初の基板面3の真上でない成長部分)があり、全て形状が台形であり、2つは基板1の長稜(以降、「a稜」と称する)に沿っており、2つは基板1の短辺(以降、「b稜」と称する)に沿っている。横方向成長の広がりgは基板1の全ての稜から同一である。
【００２９】
図2bに示す成長の第2段階では、成長表面は横方向にb/2に等しい距離だけ全ての方向に成長して、4つの<110>稜6''と2つの<100>稜4''で境界が定められ、形状が六角形の成長表面3''を形成した。この段階では、当初の基板のb稜が、基板の当初のb稜(三角形の斜辺を形成する)、及び1対の相互に垂直な<110>方向で境界が定められた直角二等辺三角形のような形をした横方向成長の領域を形成する。この三角形の直角からb稜の中点までの距離はb/2である。この段階で当初の基板のa稜は、幅がb/2で、(i)基板の当初の<100>稜、(ii)当初のa稜に平行な<100>稜及び(iii)b稜上の横方向成長の<110>稜の続きである1対の<110>稜で境界が定められた横方向成長の台形領域を形成する。この段階で成長表面3''の成長面積は、当初の成長表面3の当該成長面積の2倍である。
成長の次の段階を図2cに示してある。<100>稜の成長は<110>稜の成長より有意に速いので、短いb稜からのさらなる横方向成長はほとんどなく、代わりに長い稜からの成長が続く。これは、成長表面3'''は未だに2つの<100>稜4'''と4つの<110>稜6'''を有する六角形であるが、<100>稜4'''の長さが図2bの表面3''の対応する<100>稜より短く、さらに<110>稜6'''の長さが図2bの<110>稜6''より長いことを意味する。
この段階に到達すると、<110>稜からのいずれの遅い横方向成長も典型的に乏しく、典型的には双晶形成を含む。このさらなる双晶成長は図2c〜2e、又は図3〜5には示していないが、後述する図6の後の顕微鏡写真で明白である。
このようにして<110>稜が長くなり、かつ<100>稜が短くなって、<100>稜が全く消失し、かつ成長する<110>稜のそれぞれの対が相互に交差するするまで成長が続く。この段階で、成長した表面は、図2dに示すように4つの<110>稜6ivで境界が定められた正方形3ivを提示する。これらの<110>稜6iv対は相互に交差し、第1の基板1の前記<100>稜のそれぞれの角10で第1の基板1の前記<100>稜4と交差する(110)平面内にもある。図2dに示す段階では、成長表面の「完全有効回転」が起こったと考えられる。正方形の成長表面3ivの軸は、当初の基板1の成長表面3の軸に対して45°回転している。
図2dに示す段階後には、さらなる成長は、<100>稜からより有意に遅い<110>稜からの成長に左右される。しかしながら、合成条件を最適化すれば、遅くはあるが、成長表面3vが連続して図2dの正方形の成長表面3ivの軸と一致する軸を有する形(図2e参照)の正方形になる、すなわちさらなる回転が起こらなくなるように、各<110>稜から同一速度で起こる成長によって、さらなる横方向成長が達成され得る。
【００３０】
図3及び4は、図2dのそれぞれX-X及びY-Yに沿った断面図である。これらは、(001)成長セクター15から、(010)成長セクター17から(基板1の側面5から)及び(011)成長セクター19から(基板1の頂点から)の単結晶成長があることを示している。断面図の明瞭さのため、異なる単結晶ダイヤモンド材料の成長セクターには異なるハッチングを掛けてあるが、実際にはそれらは連続結晶を形成する。この単結晶成長15、17、19は、基板7によって提供される多結晶成長21に会う。
図3及び4は、前記本発明の定義どおりの横方向成長領域23と垂直成長領域25の間の差異をも示す。
図5は、基板表面3及び5又はその近傍に核を成す転位が一般的に起こり得る位置を示す略図である。転位位置を点線27で示してある。前述したようにいくつかの既知技術で該転位を見えるようにすることができる。基板稜の外側、すなわち、横方向成長領域23を除いては、開始ダイヤモンド基板1の主要(001)表面3上に、より低い転位密度のゾーンがあることが分かるであろう。横方向成長領域23からカットしたダイヤモンドプレートは、低転位密度が望ましい用途で有利に使用し得る。
【００３１】
図6aは、成長ダイヤモンド材料の平面視で撮った光学顕微鏡写真である。それは上記図2eに示す成長段階、すなわち完全有効回転を越えた段階に対応する。図6a中、第1の矩形基板1は未だに適所にあり、平面視顕微鏡写真では、重なっている透明の成長結晶を通して見える。完全有効回転を越えて成長したCVD成長ダイヤモンド材料は、<110>稜6vを有する実質的に正方形の成長表面3vを提示する。これらの4つの<110>稜6vは、第1の開始基板1の当初の成長表面の平面内に投影されると、第1の基板1の角10を越えて伸長する。図6aでは、<110>稜3vを越えた乏しい成長、特に双晶成長31も明白である。
図6bは、第1の基板1の除去後だが、図6aの点線Zに沿ってカットした矩形断面を通して、成長CVDダイヤモンド材料の全厚を通して平面方位で撮った複屈折画像である。複屈折技術を利用して結晶内の歪み領域を示し（コントラストの大きい領域は、歪みがより大きい領域を示す）、この歪みは、高い転位(又は他の欠陥)密度の領域に相当すると解釈される。
図6bは、第1の基板1の当初の成長表面の形状に相当する矩形形状を形成するさらに暗い線33を示す。従って、これらの線33は、成長した結晶の周囲の領域より高い転位(又は他の欠陥)密度を有する、当初の(今や除去したが)第1の基板1の稜の位置から成長結晶の厚さ方向まで伸長する平面の証拠である。
図6bは、線33の矩形配列内の中心領域35が線33の矩形配列外の外側領域37より大きいコントラストを有することをも示す。中心領域35は、前述し、図3〜5中の参照番号23で表されるように「基板成長」領域であり、一方、外側領域37は、前述し、図3〜5中の参照番号25で表されるように「横方向成長」領域である。成長した結晶内における領域35と領域37の間のコントラストのこの差異は、ダイヤモンド材料の基板成長領域と比較したダイヤモンド材料の横方向成長領域に関連する転位(又は他の欠陥)密度が低い証拠である。
図6cは、矩形開始基板から成長し、完全回転を越えた別の成長CVDダイヤモンド材料の平面視で撮った光学顕微鏡写真である。図6aの成長ダイヤモンド材料におけるように、成長したダイヤモンド材料の成長表面3vは、<110>稜6vを有する正方形であり、該ダイヤモンド材料は、ちょうど完全回転を越えて成長した。この場合もやはり双晶領域31が、成長したダイヤモンド材料の<110>稜6vを越えて明白である。
図6dは、第1の基板1の除去後の図6cの成長CVDダイヤモンド材料の{008}XRT画像である。XRT(X線トポグラフィー)は、結晶内の散乱能を示し、それによって転位その他の欠陥などの変則性を明らかにし得る複屈折画像法の代替技術である。XRT画像では、欠陥密度が高い領域ほどコントラストが高い領域として見える。図6d中、暗い矩形線39は、今や除去された開始基板1の成長表面の稜の位置に対応して表れている。従って、矩形線39は、第1の基板1の成長表面の当初周囲から成長結晶を通じて広がってる高い欠陥密度の平面の証拠である。
【００３２】
図6a〜6dに示される上記実施形態は、どのようにしてCVD成長ダイヤモンド材料の成長歴の説明に役立つ証拠を得ることができるかを示しているが、現在又は将来の方法がこのような転位又は他の欠陥を除去できるであろうことを認識すべきである。従って、開始ダイヤモンド基板の稜並びに／又は基板成長及び横方向成長に対応して記載したタイプの欠陥が成長CVDダイヤモンド材料のいずれの複屈折又XRT画像にも存在しないことは、単結晶ダイヤモンド材料を成長させるために本発明の方法を使用しなかったことを必ずしも意味しない。
使用する条件のため、{111}表面が生じる傾向がある前述した従来技術の参考文献と本発明を対比することができる。{111}表面は成長表面上に侵入しているので、該表面は、双晶形成する高い傾向を有し、かつ横方向成長が可能な範囲を制限するであろう。
上述したように、横方向寸法がa×bで、上面(001)及び側面{100}を有する矩形プレートは、b/2に等しい距離外側に成長して六角形(図2bを参照して示されるように)、すなわち、より短いb稜は完全に伸びたが、1セットの稜、より長いa稜は伸びなかった形状を形成する。今まではCVDダイヤモンド材料の成長は典型的に(001)成長表面が極端に安定している条件下で行われており、矩形基板で開始する当該条件下では、完全に伸びた{100}成長セクター上(すなわち、短いb稜から伸びた{100}成長セクター上)で双晶形成が起こり、これが急速に下方(001)表面に広がり、これによって図2bに示す形状（1セットの稜が完全に伸びる）を越えるいずれのさらなる成長をも乱してしまうであろう。従来、正方形の開始基板を使用したので、開始結晶は全ての横方向に同時に完全に伸び（すなわちa/2成長後）、そのため双晶形成の問題は起こらなかった。開始基板が非正方形、例えば矩形である場合の本発明の第1の態様の方法では、全ての稜が完全に同時に伸びるわけではないので、今まで一般的に使われた条件では、開始基板の短い<100>稜が完全に伸びて<110>稜を形成したら(図2b)双晶形成が起こり、より長い<100>稜についてのいずれのその後の成長をも乱すであろう。今まで典型的に使われた当該条件とは異なり、成長条件の適切な選択により、我々は有利に管理して、b稜のみならず、a稜も完全に伸びて、図2d、さらには図2eに示す形状を有する成長基板を生じさせるように、b/2距離を越える安定した成長を達成した。
【００３３】
図7a〜7cを参照すると、これらは、<110>稜を有する完全に回転した正方形63に成長した、辺「a」の<100>稜を有する正方形61を示す(合成の第1の段階)。正方形63をその<100>対角線65(図7bに波線で示す)に沿ってカットし、それぞれ<100>稜(斜辺)と2つの他の<110>辺を有する2つの直角三角形66を形成する。次にソース材料として各三角形66を用いて<100>稜から完全有効回転に成長させて、<110>稜で境界が定められた正方形面66'を有する結晶を生成する(合成の第2の段階)。従って、正方形66'への合成の第2の段階中、三角形のソース基板66はそれぞれ横方向に成長して三角形の成長セクション67を生成する。この三角形セクション67は、本明細書の定義では全て「横方向成長」であり、この横方向成長の三角形セクション67は、当初の基板66上に重なる三角形の「基板成長」セクション68と斜辺を共有する。横方向成長セクション67と基板成長セクションは実際には連続した単結晶であるが、全て横方向成長であるセクション67は、基板成長と比べて有意に低い欠陥(例えば転位)を有するであろう(図5を参照して前述したように)。合成の第3の段階では、低欠陥セクション67を切り取って、完全有効回転で(001)正方形の表面67'を有する結晶が成長し得る<100>稜を有する開始基板として使用できる。この場合、開始基板67は低欠陥領域なので、合成のこの第3の段階で成長した基板67'も少数の欠陥を含むであろう。図7の実施形態では、面積増加が各合成段階で100%である。図7を参照して述べた実施形態の利点は、大面積の低転位密度のダイヤモンド材料を提供し得ることである。明瞭さのため、図7c及び7dでは、低いか又は実質的に転位密度のない領域をハッチング陰影で示してある。
図7の実施形態は、三辺基板上の成長に依存しており、この三角形基板は1つの<100>方位辺と2つの<110>方位辺を有する。
当初は正方形のプレートから調達する予定の三辺基板を図7に示してある。代わりにいずれの他の形状のプレートからそれらを調達してもよい。同様に、図7に示す三辺基板は二等辺三角形であるが、異なる長さの辺を有する三角形の形状を使用し得る。
【００３４】
図8に示す実施形態では、合成の第1の段階は、辺長「a」の正方形基板71からの成長を含み、正方形71は、(001)成長表面と<100>稜を有し(図8a)、距離a/2の横方向成長が起こって完全有効回転を果たして<110>稜を有する正方形面の結晶73を形成する(図8b)。当該正方形を次にその両斜線に沿ってカットして(波線75で示すように)それぞれ2つの<100>稜と1つの<110>稜を有する4つの三角形部分77を生成する。簡便さのため図8cには1つの三角形部分77のみを示してあるが、当然のことながら、3つの同様の部分が存在し、それらについて第2及び第3の合成成長を達成できる。次に合成の第2の段階では、各部分77を使用して距離a/2伸ばして三角形部分79を生成する(図8c)。部分77からの横方向成長は、図8c中81及び83で参照される2つの三角形の部分であり、全ての横方向成長部分81及び83はそれぞれ基板成長領域より有意に少ない転位を含む。これらの低転位密度の領域をこの図ではハッチングを掛けて示してある。基板成長は図8c中77'で参照され、低転位密度の領域ではないので、ハッチングを掛けて示していない。第3の合成段階では、部分81及び83を成長矩形79からカットし、それぞれ完全有効回転に伸ばし、それぞれの<100>稜から成長させて、正方形表面を有する基板84及び84'を形成することができる。三角形の成長セクション85及び87は、それぞれ三角形の基板81及び83からの横方向成長である。横方向成長から開始し、かつ横方向成長を起こす基板84及び84'は、両方とも図8dでハッチングを掛けて示してあるように、低転位密度の領域である。次に最初の三角形の基板（その基板過成長77'を有する）を用いて2つのさらなる三角形の成長セクション89及び90を生成することができる(図8c)。これらもやはり低転位密度の領域なのでハッチングを掛けて示してある。部分89及び90を切り取って、このプロセスを繰り返すことができるであろう。図8に示す実施形態は、単一の基板71から開始して、中間サイズのCVD成長ダイヤモンド材料の低転位密度プレートの理論的には無限のソースを提供する方法を示す。
図8を参照して示した例におけるように、<100>方位の2つの辺がある場合、次の段階に行くのに必要な成長時間が、<100>方位の辺が1つしかない場合(図7の実施形態におけるように)の当該時間に比べて少ないことに留意すべきである。これは、2つの面上で同時に良い成長が達成されるという事実を利用するからである。
【００３５】
前述した実施形態のいずれの組合せをも利用してよい。当業者には、どのようにこれらの異なる例を組み合わせて異なる結果生成物を得られるか、また例えば特に向上した個々の領域、又は複数の中間体若しくは小面積基板の特に向上した総面積、及び実質的に転移のない基板についてどのような特定の結果生成物が特に有利であるかが明らかであろう。
図面を参照して上述した実施形態は、2つの異なる<100>方向を分離する直角の角を有する基板として一般的に記載されている。実際には、本発明は、2つの垂直な<100>方向が第2又はそれ以上の方向の成分、例えば<110>の小セクションで分離され得る場合の基板に適用する。当業者は、いくつかの実施形態を参照して言及したように、横方向面積の正確な数的増加は、当業者は計算できるように、該幾何学的論点によってわずかに修正されるであろうが、主に<110>方位稜を有するプレートにもこれらの概念の多くを適用することを認めるであろう。
図に示す実施形態では、紙面内の<100>成長速度が紙面と垂直な[001]成長速度と同一であると仮定する。例えば、横方向<100>成長速度が垂直[001]成長速度より速い結晶を成長させ得ることは分かってる。これらの因子は、図解例で示した個々の各合成段階にかかる成長時間に影響を与える。図中、成長して次の合成段階に行くのに必要な厚さ(例えばa/2)を、ある段階から次の段階への進行を示す矢印の上に示してある場合、この厚さは、横方向<100>成長速度と垂直{001}成長速度が同一である条件を仮定している。
図解実施形態では、回転成長は当初の基板の角にのみ存続することをも仮定する。実際には条件が良ければ該成長は基板の当初の角を越えて拡大し得るであろうが、このようなさらなる成長は{111}双晶の形成によって阻止され得る。
記載した面積増加を達成するために好ましいプロセスパラメーターは、αパラメーターと称して前述したように、望ましい、例えば温度、ガス圧力、電力、プロセス化学(メタン、窒素、水素、酸素、アルゴンガス等の量)等である。しかしながら、特定の用途では、好ましい面積増加を達成するのに最も好ましいプロセスパラメーターが成長結晶の他の所望特性について好ましくないこともある。
ここで、例として以下の非限定例をさらに説明する。
【実施例】
【００３６】
実施例1−全て<100>稜を有する矩形基板
約5°以内でほぼ平行の1対の主要面(001)を有する合成タイプ1bのHPHTダイヤモンドプレートを選択した。下記工程を含むプロセスによって、ホモエピタキシャル合成単結晶CVDダイヤモンド材料に適した矩形基板にプレートを加工した。
i)基板をレーザー切断して全て<100>稜を有するプレートを生成する工程；
ii)その上で成長が起こる主要表面を粗研磨及び研磨する工程（この粗研磨及び研磨した部分は約5.0mm×7.6mmの寸法、400μmの厚さを有し、全ての面が{100}である）。この段階の表面粗さRaは、少なくとも50×50μmの測定面積にわたって10nm未満だった。Ra(「RA」又は「中心線平均」又は「c.l.a.」と呼ばれることもある)は、触針プロフィロメーター(stylus profilometer)で測定した平均線からの表面プロファイルの絶対偏差の算術平均を表し、British Standard BS 1134 Part 1及びPart 2に準拠して測定され、0.08mmの長さにわたって測定される。Raの数学的記述は以下のとおりである(“Tribology”, I. M. Hutchings, Pub. Edward Arnold (London), 1992, 8〜9ページ)。
【００３７】
【数２】
0005916133.tif 000003
【００３８】
(すなわち、一般的に0.08mmの長さにわたって触針プロフィロメーターで測定された表面プロファイルの絶対偏差の算術平均)。触針プロフィロメーターを用いたRaの測定は技術上周知であり、該測定を行うのに適した多くの機器がある；例えば発明者らは“Taylor Hobson FormTalysurf 50”, (Taylor Hobson Ltd, Leicester, UK)を使用した。
図1に示すように、基板をタングステン基板キャリア上に高温ダイヤモンド材料ろう付けを利用してマウントして、本発明の第1の態様の方法の第1の基板を準備した。この基板とそのキャリアを次にCVD反応器チャンバーに導入し、チャンバーに以下のようにガスを供給することによってエッチング及び成長サイクルを開始した。
まず、30260Pa(230トル)の圧力及び787℃の基板温度でインサイツ酸素プラズマエッチングを行った後、水素エッチングを行い、この段階でガス流から酸素を除去した。次に22sccm(標準立法センチメートル毎秒(standard cubic centimetre per second))のメタン及びドーパントガスを添加して成長プロセスを開始した。窒素及び水素もプロセスガス中に存在した。この段階の基板温度は827℃だった。その後24時間にわたってメタン含量を30sccmに増やした。これらの成長条件を選択して、結晶学検査でレトロスペクティブに(retrospectively)測定した場合に2.0±0.2の範囲内のαパラメーターを得た。
成長CVDダイヤモンドプレートの研究により、(001)面上に双晶及びクラックがない、プレートのほぼ完全な回転が明らかになった。双晶のない最上部(001)面の合成後寸法は9.4mm×9.4mmであり、CVDダイヤモンド材料層厚は2.3mmだった。このプロセスは、例えば図2dに示す実施形態を参照して述べたように、完全有効回転で達成されるであろう、式0.5(a+b)2から計算される予測値8.9mm×8.9mmより1.06倍大きいプレートを与えた。当初の基板を超えて増えた面積百分率は、予測値100%に対して132%であり、従って、図2eを参照して上述したように、完全有効回転を越えた成長に相当する。さらに、サンプルの最上部(001)表面には、その稜までずっと全ての双晶及び他の欠陥がなかった。
【００３９】
実施例2−<110>稜を有する矩形基板
実施例1と同じ選択基準に従う基板として合成タイプ1bのHPHTダイヤモンドプレートを選択した。このプレートをレーザー切断して、<110>稜で境界が定められた4つのマイナー{110}側面と2つの主要{001}面から成るプレートを得た。次に実施例1のプレートと同様にプレートを粗研磨及び研磨した。この方法を利用して、寸法が6.38mm×5.65mmで、厚さが0.60mmの基板を調製した。
基板を主要{001}面の1つを用いてキャリア上にマウントした。このプレートを反応器中に導入し、以下に示すようにエッチング及び成長サイクルを開始した。
まず、21kPaで酸素プラズマエッチングを行った後、水素エッチングと同時にガス流からO2を除去した。次にメタンをドーパントガスと共に添加して成長プロセスを開始した。40sccmでメタンを導入した。窒素と酸素もプロセスガス中に存在した。その後24時間にわたってメタン含量を165sccmまで増やした。これらの成長条件を選択して2.0±0.2の範囲内のαパラメーターを得た。これらの条件下の成長を100時間より長く続けた。
成長時間が完了したら、基板を反応器から取り出し、基板からCVDダイヤモンドプレートを除去した。
成長CVDダイヤモンド層の研究により、(001)成長面に双晶及びクラックのないプレートが明らかになった。双晶のない最上部(001)面の合成後の寸法は8.0mm×6.4mmであり、CVDダイヤモンド層厚は3.1mmだった。当初の面積を超える面積の増加予測は0%であった({110}側面を有する(001)基板は「回転」を受けないので面積が増加すると予測されないだろう)が、このプロセスは当初の基板より42%面積百分率が増加したプレートを与えた。予測より高い増加の理由は、α=2に近い条件下で成長があったためと考えられる。実際にその後に成長結晶の測定からαを計算すると、αパラメーター値が2.3であることが分かった。さらに、サンプルの最上部(001)表面には、予想外にその稜までずっと全ての双晶及び他の欠陥がなかった；普通は(110)稜面は双晶形成しやすく、双晶が最上部の成長表面上に侵入するので、垂直方向の成長を制限する。上述したように、α=2に近い成長条件が、(001)成長表面上の成長の不安定性の回避と{110}側面上の双晶形成との間の優れたバランスの維持を可能にしたと考えられる。
【００４０】
実施例3−高アスペクト比の矩形基板
前記実施例と同じ選択基準を利用して合成タイプ1bの3つのHPHTダイヤモンドプレートを選択し、合成用に調製した。この実施例で用いた3つの各プレートは以下のように3を超えるアスペクト比を有した。
プレート1は、寸法4.16mm×0.88mm(4.73のアスペクト比)及び0.51mmの厚さを有した。
プレート2は、寸法3.89mm×0.64mm(6.08のアスペクト比)及び0.51mmの厚さを有した。
プレート3は、寸法3.66mm×0.97mm(3.77のアスペクト比)及び0.61mmの厚さを有した。
これらのプレートをレーザー切断し、粗研磨及び研磨して全て{100}稜面及び{001}主要面を有する基板を得てから、この切断、粗研磨及び研磨した基板を適切なキャリア上にマウントし、いくつかの異なる合成実行中に成長させた。条件はできる限り同一にした。いったん反応器内でエッチング及び成長サイクルを開始した。エッチング条件は実施例1と同一だった。成長条件は、メタン導入を約70時間にわたって22sccmから34sccmに増やしたこと以外は実施例1と同一だった。これらの成長条件を選択して、2.0±0.2の範囲内のαパラメーター値を得た。
成長後、3つのCVDダイヤモンド層の研究により、(001)成長面に双晶及びクラックのない、プレートの完全回転が明らかになった。双晶のない最上部(001)面の3つのプレートについての合成後の寸法は以下のとおりだった。
プレート1−6.0mm×6.0mm及びCVDダイヤモンド層厚3.19mm。
プレート2−5.6mm×5.6mm及びCVDダイヤモンド層厚3.13mm。
プレート3−5.6mm×5.6mm及びCVDダイヤモンド層厚3.08mm。
このプロセスは、開始基板の完全回転によって達成されるであろう式[(a+b)/√2]から計算される、1、2、及び3について、それぞれ予測した3.56mm×3.56mm、3.20mm×3.20mm、及び3.27mm×3.27mmよりずっと大きい寸法のプレートを与えた。各プレートについて当初の基板面積を超える面積増加百分率は以下のとおりだった。
プレート1−453%(予測値250%)
プレート2−642%(予測値191%)
プレート3−350%(予測値201%)
成長ダイヤモンド材料を測定し、αパラメーター値を計算すると、1、2及び3についてそれぞれ2.3、2.2及び2.3だった。さらに、3つ全てのサンプルの最上部(001)表面には、それらの稜までずっと全て双晶及び他の欠陥がなかった。
この実施例のプレート1を処理して0.42カラットのラウンド・ブリリアント・カットの合成宝石用原石を作製した。
本発明は、さらにいずれの新規なフィーチャーをも提供し、或いは熟練読者が理解するであろう本明細書で前述したフィーチャーのいずれの新規な組合せをも組み合わせて選択できるであろう。
本発明は、更に以下の態様であり得る。
〔１〕成長単結晶ダイヤモンド基板の製造方法であって、以下の工程：
(a)(001)主要表面を提示する第1のダイヤモンド基板を準備する工程、ここで、この主要表面は、少なくとも1つの<100>稜で境界が定められ、前記少なくとも1つの<100>稜の長さは、前記少なくとも1つの<100>稜に直交する表面のいずれの寸法をも少なくとも1.3:1の比で超えている；及び
(b)化学蒸着(CVD)合成条件下で前記ダイヤモンド材料表面の(001)主要表面上でダイヤモンド材料をホモエピタキシャル成長させる工程、ここで、このダイヤモンド材料は、主要(001)表面に垂直、及び主要(001)表面から横方向の両方に成長する、
を含む方法。
〔２〕前記〔1〕に記載の方法であって、前記準備された第1のダイヤモンド基板が(001)主要表面を提示し、この主要表面が少なくとも1つの<100>稜で境界が定められており、前記方法が、前記ダイヤモンド材料の(001)主要表面上でダイヤモンド材料をホモエピタキシャル成長させる工程を含み、この成長は、成長ダイヤモンド材料の厚さが、ダイヤモンド材料の関連する横方向成長がダイヤモンド材料の前記(001)主要表面の完全有効回転を達成するのに十分に大きくなる十分な厚さになるまで1以上の工程で続けられる、前記方法。
〔３〕前記成長ダイヤモンド材料が、前記第1の基板の(001)主要表面の前記主要表面の面積の少なくとも200%の面積である(001)主要表面を有する、前記〔1〕又は〔2〕に記載の方法。
〔４〕前記成長ダイヤモンド材料が、前記第1の基板の(001)主要表面の前記主要表面の面積の少なくとも220%の面積である(001)主要表面を有する、前記〔3〕に記載の方法。
〔５〕前記開始ダイヤモンド基板が、実質的に矩形である(001)主要表面を提示する、前記〔1〕〜〔4〕のいずれか1項に記載の方法。
〔６〕前記矩形の基板が、<100>稜で境界が定められている、前記〔5〕に記載の方法。
〔７〕(001)主要表面を有する前駆ダイヤモンド基板を準備する初期工程と、この前駆ダイヤモンド基板から内接矩形ダイヤモンド基板をカットする工程とを含み、この内接矩形基板は<100>稜を有するようにカットされ、このカットされた内接矩形基板が前記第1のダイヤモンド基板を提供する、前記〔5〕又は〔6〕に記載の方法。
〔８〕前記カットされる矩形が、a+bの値を最大にするようにカットされる（ここで、a及びbは、前記矩形基板のそれぞれ長辺及び短辺である）、前記〔7〕に記載の方法。
〔９〕前記前駆基板からn個(n>1)の矩形基板をカットする工程を含む、前記〔7〕に記載の方法。
〔１０〕前記n個の各矩形基板を前記〔1〕〜〔9〕のいずれか1項に記載の方法の第1の基板として使用する前記〔9〕に記載の方法であって、各成長ダイヤモンド材料が主要(001)表面を有し、かつ前記n個の成長ダイヤモンド材料の前記主要(001)表面の総面積が、カットしないで主要(001)表面による完全有効回転まで成長した場合に前記前駆基板から成長するダイヤモンド材料の面積の少なくとも120%である、前記方法。
〔１１〕前記カットされた矩形基板のサイズが同一であるか又は異なる、前記〔9〕又は〔10〕に記載の方法。
〔１２〕前記第1のダイヤモンド基板が、実質的に三角形である(001)主要表面を提示する、前記〔1〕〜〔4〕のいずれか1項に記載の方法。
〔１３〕前記実質的に三角形の主要表面が、1つの<100>稜と2つの<110>稜、又は2つの<100>稜と1つの<110>稜で境界が定められる直角三角形である、前記〔12〕に記載の方法。
〔１４〕(a)前記成長単結晶ダイヤモンド基板の横方向成長領域からダイヤモンド材料のセクションをカットして、このカットされたダイヤモンドセクションが、<100>稜を有する(001)表面を提供する工程、及び(b)前記カットされたダイヤモンドセクションの当該(001)表面上でダイヤモンド材料をホモエピタキシャル成長させる工程
を含む、前記〔1〕〜〔13〕のいずれか1項に記載の方法。
〔１５〕前記カットされた横方向成長セクションが、実質的に矩形又は三角形の(001)表面を提供する、前記〔14〕に記載の方法。
〔１６〕それぞれ相互に隣接する(001)主要表面と、少なくとも1つの<100>稜とを有する2つ以上の矩形基板を、前記2つ以上の矩形基板のどちらかの最長<100>稜の長さを超える連続的な<100>稜を提供するように配置する工程を含む、前記〔5〕〜〔11〕のいずれか1項に記載の方法。
〔１７〕前記CVDプロセス中に、αの値が1.4〜2.6の範囲内であり、ここで、α=(√3×<100>の成長速度)÷<111>の成長速度である、前記〔1〕〜〔16〕のいずれか1項に記載の方法。
〔１８〕αが1.8〜2.2の範囲内である、前記〔17〕に記載の方法。
〔１９〕単結晶ダイヤモンドプレートを製造するための前記〔1〕〜〔18〕のいずれか1項に記載の方法であって、ホモエピタキシャルCVD成長ダイヤモンド材料をプレートに加工する工程を含む方法。
〔２０〕第1のダイヤモンド基板の(001)主要表面からCVDプロセスによって成長した、実質的に正方形の成長表面を有する成長ダイヤモンド材料であって、前記第1のダイヤモンド基板の前記(001)主要表面が、少なくとも1つの<100>稜によって境界が定められており、前記少なくとも1つの<100>稜の長さが、前記少なくとも1つの<100>稜に直交する表面のいずれの寸法をも少なくとも1.3:1の比で超えている、前記成長ダイヤモンド材料。
〔２１〕前記成長ダイヤモンド材料が、転位の複数の列を含み、各列は実質的に<001>方向に伸長しており、これらの転位の列は、(001)平面上に投影されると交差して複数の点を形成し、これらの点を結ぶと<100>長さ及び<010>長さを画定し、ここで、前記<100>長さ及び<010>長さは交差し、かつ前記<100>長さと<010>長さの比、又はその逆の比が、少なくとも1.3:1である、前記〔20〕に記載の成長ダイヤモンド材料。
〔２２〕前記第1のダイヤモンド基板が少なくとも1.3:1のアスペクト比の矩形基板を有し、かつ前記成長ダイヤモンド基板が、転位の複数の列を含み、各列は実質的に<001>方向に伸長しており、これらの転位の列は、(001)平面上に投影されると点を提示し、これらの点を結ぶと、前記第1のダイヤモンド基板の前記成長表面の輪郭である矩形を画定する、前記〔21〕に記載の成長ダイヤモンド材料。
〔２３〕前記第1のダイヤモンド基板が少なくとも1つの<100>稜を含む三角形の表面を有し、前記少なくとも1つの<100>稜の長さは、前記少なくとも1つの<100>稜に直交していた表面のいずれの寸法をも少なくとも1.3:1の比で超えており、かつ前記成長ダイヤモンド基板が、転位の複数の列を含み、各列は実質的に<001>方向に伸長しており、これらの列は、(001)平面上に投影されると点を提示し、これらの点を結ぶと、前記第1のダイヤモンド基板の成長表面の輪郭である三角形を画定する、前記〔21〕に記載の成長ダイヤモンド材料。
〔２４〕転位の複数の列を含む成長CVDダイヤモンド材料であって、各列は実質的に<001>方向に伸長しており、転位の各列は、(001)平面上に投影されると点を画定し、これらの点を結ぶと、<100>方向に伸長する第1の長さと、前記第1の線と交差し、かつ<100>又は<110>方向に伸長する第2の長さとを画定し、前記第1の長さと第2の長さの比、又はその逆の比が、少なくとも1.3:1である、成長CVDダイヤモンド材料。
〔２５〕転位の各列が、(001)平面上に投影されると点を画定し、これらの点を結ぶと、<100>方向に伸長する4つの長さを画定し、これらの長さが、少なくとも1.3:1のアスペクト比を有する矩形を形成する、前記〔24〕に記載の成長CVDダイヤモンド材料。
〔２６〕転位の各列が、(001)平面上に投影されると点を画定し、これらの点を結ぶと、2つの<100>長さと1つの<011>長さ、又は1つの<100>長さと2つの<011>長さを画定し、これらの長さが直角二等辺三角形を形成する、前記〔24〕に記載の成長CVDダイヤモンド材料。
【図１】
0005916133.tif 000004
【図２ａ】
0005916133.tif 000005
【図２ｂ】
0005916133.tif 000006
【図２ｃ】
0005916133.tif 000007
【図２ｄ】
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【図２ｅ】
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【図３】
0005916133.tif 000010
【図４】
0005916133.tif 000011
【図５】
0005916133.tif 000012
【図６ａ】
0005916133.tif 000013
【図６ｂ】
0005916133.tif 000014
【図６ｃ】
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【図６ｄ】
0005916133.tif 000016
【図７ａ−７ｂ】
0005916133.tif 000017
【図７ｃ】
0005916133.tif 000018
【図７ｄ】
0005916133.tif 000019
【図８ａ−８ｂ】
0005916133.tif 000020
【図８ｃ】
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【図８ｄ】
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