(57)【要約】  人工ダイヤモンドを成長させる装置と方法がここに開示される。人工ダイヤモンドを成長させる装置は、高温高圧装置の内部に画成された反応領域、および反応領域を真空にする手段を有する。人工ダイヤモンドを成長させる方法は、高温高圧装置の内部に画成された反応領域を使用する段階、および反応領域を真空にする段階を含む。
2008546528.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人工ダイヤモンドを成長させる装置であって、
ａ）高温高圧装置内の、前記人工ダイヤモンドの成長が行われる反応領域と、
ｂ）ガス状の不純物を除去するために、前記反応領域を真空にする手段とを有することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記高温高圧装置は、分割球体型装置、ベルト型装置、ピストン・シリンダ型装置、環状ダイ型装置およびトロイド型装置からなる群から選ばれることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記反応領域は、反応コアと、前記反応コアに圧力を掛けるために配置された複数のダイつまりアンビルを有することを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記高温高圧装置は、分割球体型装置であることを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項５】
前記反応領域は、内部に形成された空所、反応コア、および前記反応コアに圧力を掛けるために配置された複数のダイを備えた外側本体内に画成されており、さらに、前記反応コアと前記複数のダイは前記空所に配置されていることを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記複数のダイは、前記反応コアに隣接した複数の小型ダイと、前記複数の小型ダイを囲繞する複数の大型ダイとを含むことを特徴とする請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記真空にする手段は、拡散ポンプ、ベーン・ポンプ、回転ピストン・ポンプ、直結駆動ポンプ、ベルト駆動ポンプ、ねじポンプおよびそれらの組合せからなる群から選ばれた手段であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項８】
前記真空にする手段は、拡散ポンプであることを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項９】
前記反応領域に少なくとも１種類の物質を導入する手段を、さらに有することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１０】
人工ダイヤモンドの少なくとも１つの性質を制御する方法であって、
ａ）前記人工ダイヤモンドを成長させるための種、炭素源および溶融触媒を反応コア内に配置する段階と、
ｂ）前記反応コアを、高温高圧装置の反応領域内に配置する段階と、
ｃ）前記反応領域からガス状の不純物を除去するために、真空にする手段を用いて排気する段階と、
ｄ）前記人工ダイヤモンドの成長に必要な時間、前記反応コアを高温高圧の等温条件の下に保持する段階とを含み、
前記排気する段階は、前記反応コア内の窒素の少なくとも５０％を除去するために必要な時間、約マイナス１水銀柱インチから約マイナス３０水銀柱インチの真空の下で実施されることを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記真空度は、約マイナス２０水銀柱インチから約マイナス３０水銀柱インチであることを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記真空度は、約マイナス２９水銀柱インチであることを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記高温高圧装置は、分割球体型装置、ベルト型装置、ピストン・シリンダ型装置、環状ダイ型装置およびトロイド型装置からなる群から選ばれることを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１４】
前記反応領域は、反応コアと、前記反応コアに圧力を掛けるために配置された複数のダイつまりアンビルを有することを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記高温高圧装置は、分割球体型装置であることを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
前記反応領域は、内部に形成された空所、前記反応コア、および前記反応コアに圧力を掛けるために配置された複数のダイを備えた外側本体内に画成されており、さらに、前記反応コアと前記複数のダイは前記空所に配置されていることを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記複数のダイは、前記反応コアに隣接した複数の小型ダイと、前記複数の小型ダイを囲繞する複数の大型ダイとを含むことを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記真空にする手段は、拡散ポンプ、ベーン・ポンプ、回転ピストン・ポンプ、直結駆動ポンプ、ベルト駆動ポンプ、ねじポンプおよびそれらの組合せからなる群から選ばれた手段であることを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１９】
前記真空にする手段は、拡散ポンプであることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの性質は、色、窒素含有量、屈折率、分散率、光透過率、熱伝導率、電気伝導率、機械的性質およびそれらの組合せからなる群から選ばれることを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの性質は、色であることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
人工ダイヤモンドの少なくとも１つの性質を制御する方法であって、
ａ）前記人工ダイヤモンドを成長させるための種、炭素源および溶融触媒を反応コア内に配置する段階と、
ｂ）前記反応コアを、高温高圧装置の反応領域に配置する段階と、
ｃ）前記反応領域にガスまたは液体を充填する段階と、
ｄ）前記人工ダイヤモンドの成長に必要な時間、前記反応コアを高温高圧の等温条件の下に保持する段階とを含み、
前記ガスは、窒素、酸素、ホウ素、リン、水素、塩素、フッ素、ヘリウム、キセノン、クリプトン、ネオン、アルゴン、ヒ素およびそれらの混合物からなる群から選ばれることを特徴とする方法。
【請求項２３】
前記ガスは窒素であることを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記高温高圧装置は、分割球体型装置、ベルト型装置、ピストン・シリンダ型装置、環状ダイ型装置およびトロイド型装置からなる群から選ばれることを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項２５】
前記反応領域は、反応コアと、前記反応コアに圧力を掛けるために配置された複数のダイつまりアンビルを有することを特徴とする請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
前記高温高圧装置は、分割球体型装置であることを特徴とする請求項２４記載の方法。
【請求項２７】
前記反応領域は、内部に形成された空所、前記反応コア、および前記反応コアに圧力を掛けるために配置された複数のダイを備えた外側本体内に画成されており、さらに、前記反応コアと前記複数のダイは前記空所内に配置されていることを特徴とする請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
前記複数のダイは、前記反応コアに隣接した複数の小型ダイと、前記複数の小型ダイを囲繞する複数の大型ダイとを含むことを特徴とする請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
前記反応領域は、拡散ポンプ、ベーン・ポンプ、回転ピストン・ポンプ、直結駆動ポンプ、ベルト駆動ポンプ、ねじポンプおよびそれらの組合せからなる群から選ばれた手段を用いて充填されることを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項３０】
前記反応領域に充填する手段は、拡散ポンプであることを特徴とする請求項２９記載の方法。
【請求項３１】
前記少なくとも１つの性質は、色、窒素含有量、屈折率、分散率、光透過率、熱伝導率、電気伝導率、機械的性質およびそれらの組合せからなる群から選ばれることを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項３２】
前記少なくとも１つの性質は、色であることを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項３３】
前記反応コアを、真空にする手段を用いて真空にする段階をさらに含むことを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項３４】
前記反応コアを真空にする手段は、拡散ポンプ、ベーン・ポンプ、回転ピストン・ポンプ、直結駆動ポンプ、ベルト駆動ポンプ、ねじポンプおよびそれらの組合せからなる群から選ばれることを特徴とする請求項３３記載の方法。
【請求項３５】
前記反応コアを真空にする手段は、前記反応コアに充填する手段と一体化されていることを特徴とする請求項３４記載の方法。
【請求項３６】
前記反応コアを真空にする手段は、前記反応コアに充填する手段とは別体であることを特徴とする請求項３４記載の方法。
【請求項３７】
人工ダイヤモンドを成長させる装置であって、
ａ）高温高圧装置内の、前記人工ダイヤモンドの成長が行われる反応領域と、
ｂ）ガス状の不純物を除去するために前記反応領域を真空にする手段、または少なくとも１種類の物質を前記反応領域に導入する手段とを有することを特徴とする装置。
【請求項３８】
人工ダイヤモンドを成長させる装置であって、
ａ）高温高圧装置内の、前記人工ダイヤモンドの成長が行われる反応領域と、
ｂ）ガス状の不純物を除去するために前記反応領域を真空にする手段と、
ｃ）少なくとも１種類の物質を前記反応領域に導入する手段とを有することを特徴とする装置。
【請求項３９】
人工ダイヤモンドの少なくとも１つの性質を制御する方法であって、
ａ）前記人工ダイヤモンドを成長させるための種、炭素源および溶融触媒を反応コア内に配置する段階と、
ｂ）前記反応コアを、高温高圧装置の反応領域に配置する段階と、
ｃ）前記反応領域に加圧したガスまたは液体を充填中に、前記反応領域を真空にする段階と、
ｄ）前記人工ダイヤモンドの成長に必要な時間、前記反応コアを高温高圧の等温条件の下に保持する段階とを含み、
前記ガスは、窒素、酸素、ホウ素、リン、水素、塩素、フッ素、ヘリウム、キセノン、クリプトン、ネオン、アルゴン、ヒ素およびそれらの混合物からなる群から選ばれることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工ダイヤモンドを製造する方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
人工ダイヤモンドは、容器に収容された多量の炭素源にたとえば６５ｋｂａｒという極端な高圧力をかけ、そして加圧状態の容器をダイヤモンドが熱力学的に安定化する温度にまで加熱する製法により製造される。炭素源に、必要な圧力と熱を加えることによって黒鉛を熱力学的により安定したダイヤモンドに転換するためには、高圧高温装置がしばしば用いられる。
【０００３】
高温高圧法によってダイヤモンド結晶を合成する操作は、工業的に確立されている。高温高圧法の場合、炭素を特定種類の一連の溶融触媒により形成された金属薄膜を浸透・拡散させることによって、ダイヤモンドの成長が行われる。このような製法は、商業的に大成功となった工業用ダイヤモンドの生産に用いられているが、そのようにして成長させたダイヤモンド結晶の最終的な大きさには、触媒の薄膜を通過する炭素フラクッスの量が黒鉛と育成中のダイヤモンドの溶解度の差によって決まるという事実のために、限界がある。この溶解度の差は、通常は、系の圧力低下および／または被転換材である黒鉛が受ける毒作用のために、時間の経過に伴って大きく低下する。
【０００４】
ダイヤモンドを合成するためのほとんどの工業的な方法は、小さいまたは比較的小さい粒子を製造するものであるが、それよりかなり大きいダイヤモンドを製造する方法が知られている。これらの方法は、一般には、ダイヤモンドの種材料と炭素源の間に予め決められた温度勾配が生じるようにされた反応容器の中でダイヤモンドを製造するものである。ダイヤモンドの種材料は、反応媒体の温度が最小値に近い値になる位置に配置され、炭素源は、その温度が最高値に近い値になる位置に配置される。ダイヤモンド核形成の抑止材および／または隔離材として作用する層が、溶融金属触媒の塊とダイヤモンドの種材料の間に配置されている。
【０００５】
高温高圧装置を用いる場合、成長時間が長くなるよう温度勾配を比較的小さくし、さらに温度と圧力を非常に注意深く調節することとによって、大きいダイヤモンドを製造することができる。しかし、非常に高品質のダイヤモンドを確実に成長させるための従来の方法には、数多くの、相互に排他的でありながら同時に発生する問題があった。これらの問題には、ダイヤモンド結晶の核形成が、ダイヤモンドの種材料に近接した位置で自動的に開始する傾向が強いという問題も含まれる（この問題は、温度勾配が「安全」な値を超えたときに発生する）。もし、約１／２０カラットより大きい核からダイヤモンドを成長させるために、成長させる時間を長くした場合、核形成のための成長がダイヤモンドの核からの成長と競争するために、衝突が多数の結晶間で発生し、成長した結晶に応力破壊が生じる。もう一つの問題は、触媒・溶媒媒体が供給源からの炭素で飽和されて融解する過程で、溶融金属触媒中のダイヤモンドの種材料が、部分的にまたは完全に溶解することである。そのような溶解が生じた場合、離間した複数の位置から成長が始まるために不規則なダイヤモンドの成長が起こることによって、成長部が規則性を持たずに互いに当接するために、成長したダイヤモンド結晶は、多くの欠陥を有することになる。
【０００６】
ダイヤモンド核形成の自動的な開始とダイヤモンドの種材料の溶解という問題を解決することに加え、ダイヤモンドの成長過程を再現するために制御可能であり、よって、たとえば独特な色彩・模様と特徴を有するとともに、得られたダイヤモンドの１つまたはそれ以上の物性を最適化する可能性がある、画期的な製品としてのダイヤモンドを製造することが強く求められている。
【０００７】
独特な色と特徴を備えた石、すなわち人工ダイヤモンドを作り出すために、多くの種類の装置とシステムが開発されている。たとえば、米国特許第３９１４０７８号明細書の中で、Kendallは、対向して配置した一対のブリッジマン型アンビルを用いて超高圧を発生させる操作について開示している。高圧発生の操作は、受ける垂直方向の力をアンビルに軸方向の力として伝動するとともに、脆性破壊に対する抵抗力を向上させるために横方向の圧縮応力を発生させることができる位置において、各々のアンビルの主要部分を円錐台形の分割ジャケットで囲繞することによって改良されている。アンビルの加圧面の端部は、加圧系を囲繞する環状ピストンによって横方向に押し出される金属製の圧力伝達帯片によって同様に圧縮されるとともに、分割された環状リングによって円周方向の応力を受ける位置において、横方向にアンビル間に配置された環状ダイによっても支持されている。ピストンの変位量は、環状リングを最適な状態で支持するために、アンビルの大きさとそれに作用する軸方向の力に応じて制御される。
【０００８】
米国特許第４３０１１３４号明細書の中で、Strongは、不純物の含有量および／または不純物の分布が制御されたダイヤモンド結晶と、該ダイヤモンド結晶を製造できるよう構成された反応容器を開示している。独特な色パターンまたは色領域を有する宝石を作り出すために、特定の目的に適合するよう構成された反応容器の中で、「ドーパント」、「ゲッター」および「補償」材が、組み合わせて用いられる。反応容器は、一対のパンチと、その間のベルトつまりダイ部材を有する。ダイ部材は、中心位置の空所を画成するとともに、パンチと協働して、加圧される二つの環状空間を構成する。
【０００９】
米国特許第４５１８３３４号明細書の中で、石塚は、真円筒形の孔、および孔の各々の端部に隣接し、そして外向きに拡がったほぼ円錐形の面を備えた環状ダイと、ダイと中心軸を合わせ、かつ対向して配置された一対の先細りパンチと、ここで、パンチの各々の円錐形の面はダイの円錐形の面に対してほぼ平行にされている、焼成耐火材を用いて形成し、パンチの円錐形の面とダイの孔に直接突き当たるように配置された一対の内側ガスケットと、中程度の硬度の材料を用いて形成し、内側ガスケットの外面に隣接して配置された一対の外側ガスケットと、柔軟でありながらきわめて強靭な材料を用いて形成し、外側ガスケットの外面に隣接して配置された一対の係止用リングを有する高温高圧装置を開示している。この高温高圧装置は、人工ダイヤモンドまたは立方晶窒化ホウ素の製造に用いられる。
【００１０】
米国特許第５２４４３６８号明細書の中で、Frushourは、ピストンを囲繞コアから電気的に絶縁するために、可動ピストンの一方または両方と囲繞コアの間に配置された電気絶縁用のダイヤモンド被覆または立方晶窒化ホウ素被覆が施されたピストン・シリンダ型の高温高圧装置を開示している。電気絶縁用の被覆は、一方の若しくは両方のピストンの外面にまたはコアの内面に施される。電気絶縁された直円筒形ピストンが、装置の両方の端部に用いられるために、反応用充填材を、高温の下、非常に大きい長さと径の比によって均一に圧縮することが可能である。代替として、電気絶縁材のリングを、各々のピストンの反応用充填材側の端部に装着し、そしてピストンのその他の外面を絶縁体の薄膜で被覆してもよいとしている。
【００１１】
米国特許第５９８０８５２号明細書の中で、Burnsらは、大径で高品質のダイヤモンド結晶を良好な収率で製造するときに用いられる、反応空間と、反応空間に収容された一塊の反応材を含む反応容器を開示している。一塊の反応材は、反応空間の内部にまたは面上に配置された複数の種粒子と、ダイヤモンド合成のための、溶融金属触媒によって種粒子と分離された炭素源を含む。一塊の反応材は、溶融金属触媒の、表面に対して平行にまたはほぼ平行になるよう交互に配置された高炭素含有層と低炭素含有層を含む。反応空間内にも、溶融触媒金属の、交互に配置された一塊の高炭素含有層と低炭素含有層が配置されている。
【００１２】
米国特許第６０３０５９５号明細書の中で、角谷らは、不純物量、結晶欠陥および応力等が小さい高純度の人工ダイヤモンドを開示しており、この人工ダイヤモンドは、窒素含有量が、１０ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下であり、ホウ素含有量が、１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下である、もしくは窒素原子とホウ素原子が結晶に包含されているとともに、窒素原子の数とホウ素原子の数の差が１×１０17原子／ｃｍ3以下である。無歪みの人工ダイヤモンドは、ホウ素含有量が１０ｐｐｍ以下である炭素源と、ホウ素含有量が１ｐｐｍ以下である溶融金属を用いることと、窒素ゲッターを溶融金属に添加することとを含む温度勾配法によって製造される。
【００１３】
また、ダイヤモンドの色、ならびに電気的および機械的性質は、種々の変数、最も一般的には窒素含有量によって影響を受ける。窒素含有量のために顕在化し、最も容易に識別可能な性質は、ダイヤモンドの色である。それほど顕著ではないが、ダイヤモンドに取り込まれたその他の物質の含有量の違いによっても、その性質は影響を受ける。たとえば、ホウ素は窒素ほど一般的ではないが、ホウ素がダイヤモンドの炭素原子のいくつかに置き換わったとき、そのダイヤモンドの電気伝導率と色は変化する。
【００１４】
高温高圧を掛けて人工ダイヤモンドやその他の超硬質物体を作り出すために現在用いられている装置は、ユーザーが人工ダイヤモンドの色や機械的または電気的性質を容易に制御するために、合成されたダイヤモンドに取り込まれる窒素やホウ素のような不純物の量を調節できるようにはなっていない。したがって、人工ダイヤモンドについて所望の成長と品質を確保するためには、理想的な製造条件を整えることができるようになっていることが重要である。
【発明の開示】
【００１５】
本発明の主題の実施形態によると、先に示した欠点を改良することが可能であり、人工ダイヤモンドを成長させる装置は、高温高圧装置内の反応領域、およびガス状の不純物を除去するために反応領域を真空にする手段を有する。真空にする手段は、拡散ポンプ、ベーン・ポンプ、回転ピストン・ポンプ、直結駆動ポンプ、ベルト駆動ポンプ、ねじポンプおよびそれらの組合せからなる群から選ばれた手段である。本発明の主題の一観点によると、真空にする手段は拡散ポンプを含む。
【００１６】
また、本発明の主題は人工ダイヤモンドの少なくとも１つの性質を制御する方法を含み、この方法は、ａ）人工ダイヤモンドを成長させるための種、炭素源および溶融触媒を反応コア内に配置する段階、ｂ）反応コアを高温高圧装置の反応領域に配置する段階、ｃ）反応領域からガス状の不純物を除去するために、真空にする手段を用いて排気する段階、およびｄ）人工ダイヤモンドの成長に必要な時間、反応コアを高温高圧の等温条件の下に保持する段階を含み、排気する段階は、反応コア内の窒素の少なくとも５０％を除去するために必要な時間、約マイナス５水銀柱インチから約マイナス３０水銀柱インチの真空の下で実施される。本発明の適用例においては、真空度を水銀柱インチで表示したが、限定するものではないがトルや大気圧を含むその他の測定単位を用いて真空度を表示することも、本発明の主題の範囲に含まれるものとする。
【００１７】
また、本発明による方法は、約マイナス２０水銀柱インチから約マイナス３０水銀柱インチの真空にすることを含む。別の観点によると、真空度は、約マイナス２９水銀柱インチである。本発明による方法において、真空にする手段は、拡散ポンプ、ベーン・ポンプ、回転ピストン・ポンプ、直結駆動ポンプ、ベルト駆動ポンプ、ねじポンプおよびそれらの組合せからなる群から選ばれた手段であり、好ましくは拡散ポンプである。制御対象の性質は、色、窒素含有量、屈折率、分散率、光透過率、熱伝導率、電気伝導率、機械的特性およびそれらの組合せからなる群から選ばれる。
【００１８】
人工ダイヤモンドの少なくとも１つの性質を制御する別の方法は、人工ダイヤモンドを成長させるための種、炭素源および溶融触媒を反応コア内に配置する段階、反応コアを高温高圧装置の反応領域に配置する段階、反応領域にガスを充填する段階、および人工ダイヤモンドの成長に必要な時間、反応コアを高温高圧の等温条件の下に保持する段階を含み、ガスは、窒素、酸素、ホウ素、リン、水素、塩素、フッ素、ヘリウム、キセノン、クリプトン、ネオン、アルゴン、ヒ素およびそれらの混合物からなる群から選ばれる。一観点において、反応領域の充填に用いられるガスは窒素である。少なくとも１つの性質は、色、窒素含有量、屈折率、分散率、光透過率、熱伝導率、電気伝導率およびそれらの組合せからなる群から選ばれる。
【００１９】
本発明の主題による別の実施形態は、ａ）高温高圧装置内の、人工ダイヤモンドの成長が行われる反応領域、およびｂ）反応領域からガス状の不純物を除去するために反応領域を真空にする、または少なくとも１種類の物質を反応領域に導入する手段を有する、人工ダイヤモンドを成長させる装置に関する。
【００２０】
本発明の主題によるさらに別の実施形態は、ａ）高温高圧装置内の、人工ダイヤモンドの成長が行われる反応領域、ｂ）反応領域からガス状の不純物を除去するために反応領域を真空にする手段、およびｃ）少なくとも１種類の物質を反応領域に導入する手段を有する、人工ダイヤモンドを成長させる装置に関する。
【００２１】
本発明の主題によるさらに別の実施形態は、ａ）人工ダイヤモンドを成長させるための種、炭素源および溶融触媒を反応コア内に配置する段階、ｂ）反応コアを高温高圧装置の反応領域に配置する段階、ｃ）反応領域に加圧したガスまたは液体を充填しているときに、反応領域を真空にする段階、およびｄ）人工ダイヤモンドの成長に必要な時間、反応コアを高温高圧の等温条件の下に保持する段階を含む、人工ダイヤモンドの少なくとも１つの性質を制御する方法に関し、ガスは、窒素、酸素、ホウ素、リン、水素、塩素、フッ素、ヘリウム、キセノン、クリプトン、ネオン、アルゴン、ヒ素およびそれらの混合物からなる群から選ばれる。
【００２２】
当業者は、複数の図面を通して、類似の要素には同様の番号が付された添付図面を参照することによって、本発明の上述したおよびその他の観点をより良く理解できるであろう。
【００２３】
添付図面は、本発明の実施形態を示すが、明細書と一体になって、本発明の原理を説明できるようになっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
当業者には、本発明についての以下の説明が単に説明を目的とするものであって、制限する意図は一切ないものであると了解されるであろう。
【００２５】
本発明の主題は、人工ダイヤモンドを成長させる装置に関する。装置は、高温高圧装置内の反応領域を備える。反応領域は、人工ダイヤモンドの成長が行われる領域である。装置は、また、ガス状の不純物を除去するために反応領域を真空にする手段を有する。本発明の主題によると、高温高圧装置は、分割球体型装置、ベルト型装置、ピストン・シリンダ型装置、環状ダイ型装置およびトロイド型装置からなる群から選ばれる。
【００２６】
図１は、本発明の主題の実施形態による分割球体型高温高圧装置１０の縦断面図である。高温高圧装置１０は、分割球形反応領域１２、および反応領域１２の相対する側に配置された複数の安全クランプ１４を有する。反応領域を真空にする手段が、高温高圧装置とは別体として離間した位置に配置されている。真空にする手段は、一般には図１において符号５４を付して示した可逆ポンプであり、パイプ５８を介して高温高圧装置に接続されている。ポンプは、拡散ポンプ、ベーン・ポンプ、回転ピストン・ポンプ、直結駆動ポンプ、ベルト駆動ポンプ、ねじポンプまたはそれらの組合せであってよい。一般に、真空にする手段は、反応領域を真空にすることができる全ての装置を含む。しかし、ポンプは、拡散ポンプであることが好ましい。
【００２７】
反応領域１２は、上部分割体５０と下部分割体５２を備えるとともに、空所１６が内部に形成された外側本体６０内に画成されている。空所１６には、大型ダイ１８、小型ダイ２０および反応コア２２が配置されている。反応領域を使用する場合、反応領域１２を境にして対向する上部分割体５０と下部分割体５２を位置に付け、そして大型ダイ１８に加圧することによって、小型ダイ２０が加圧される。圧力が加えられた小型ダイ２０は、反応コア２２を加圧する。
【００２８】
反応領域１２に配置する前に、反応コア２２には、人工ダイヤモンドの製造に用いられる黒鉛源、ダイヤモンド種、および溶融金属触媒の混合物が充填される。黒鉛源、ダイヤモンド種および溶融金属触媒は、当業界では周知であり、全ての種類のそのような物質は、本発明の主題を実施するために使用可能な装置に好適である。
【００２９】
高温高圧装置１０は、また、装置１０の外部と反応領域１２を連通する少なくとも１つのマニホルド２８を備える。図１に示した実施形態において、マニホルド２８は、反応領域１２からガスおよびその他の物質を排出する、または反応領域１２に異なる種類のガスまたは物質を導入することができる少なくとも双方向のマニホルドである。たとえば、この装置の特定の実施形態において、可逆ポンプ５４は、パイプ５８を介してマニホルド２８の開口５６に接続されている。可逆ポンプ５４は、反応領域１２から不純物を除去するためにも用いることができる。代替として、可逆ポンプ５４の流れの方向を反転させることによって、マニホルド２８を介して、不活性ガスまたはその他の所望のガスを反応領域１２に導入することもできる。複数の開口に替えてマニホルドを用いることによる利点は、チャンバーを汚染源に曝す箇所の数を最小にできるために、コア内部と分割球形チャンバーを適切に管理することが可能になることである。
【００３０】
装置を操作するとき、コア内部の圧力が上昇する前にまたは上昇中にコアは真空にされる。コア内の圧力が上昇する前にまたは上昇中にだけコアを真空にする操作が行われるが、それは、加圧する段階の実施後には、コアが真空のために密封されてしまうからである。このコアの密封は、圧力の上昇に伴って、大型ダイが小型ダイを締め付けることによって行われる。チャンバーを真空にする操作は、コアから不純物を除去するために行われる。コアが一旦密封された後には、反応コアから不純物を除去することはほとんど不可能になる。
【００３１】
真空にする手段は、反応領域から不純物を除去するために用いることができる。本発明の主題の一観点によると、反応領域を真空にする操作は、反応領域内の窒素の約５０％を除去することが可能な負圧の下で、必要時間持続される。別の観点によると、除去される窒素の量は、約３５〜５０％である。
【００３２】
とりわけこの実施形態において、真空にする操作により、主にガス状の窒素と酸素である空気が反応コアから除去される。また、真空にする操作により、水と環境中のその他の不純物の量が減少する。窒素が、ダイヤモンドの色に最も大きい影響を与える。反応コア内の空気の量、すなわち窒素の量を制御することによって、人工ダイヤモンドの色を容易に制御することができる。可逆ポンプ５４は、反応コアに約マイナス３０水銀柱インチから約マイナス５水銀柱インチの負圧を発生させることができる。この実施形態の一観点によると、ポンプは、約マイナス２９水銀柱インチの真空度を発生させることができる。
【００３３】
また、図１の高温高圧装置１０は、反応領域１２周辺の空所にオイルを導入するために、第２のマニホルド３０を備える。オイルは、大型ダイ１８の各々に対して均等な圧力を確実に掛けるために用いられ、これにより、小型ダイ２０と反応コア２２を含む、反応領域１２内のその他の要素にも均等な圧力が加えられることになる。マニホルド３０を介して導入されるオイルとしては、圧力媒体として通常使用される種類のオイルが用いられる。
【００３４】
図１に示した実施形態のマニホルド２８は、反応領域１２内に水を導入するためにも用いられる。水は、大型ダイ１８と小型ダイ２０を冷却して温度を一定に維持するために必要である。水は大型ダイ１８と小型ダイ２０の周囲を循環するが、小型ダイ２０の間に配置されたガスケット３２が反応コア２２を密封し、反応コア２２への水の侵入を阻止する。
【００３５】
本発明の主題による実施形態の別の観点において、高温高圧装置は、装置の反応領域内に少なくとも１種類の物質を導入する手段を有する。反応領域に導入される物質は、以下でさらに規定するが、ガス、液体、またはガスと液体の組合せである。物質を反応領域内に導入する手段は、真空にする手段とは異なる手段である、または同一の手段であってもよい。
【００３６】
ダイ１８および２０について説明すると、分割球体型の高温高圧装置においては、一般に８つの大型ダイ１８が、６つの小型ダイ２０を囲繞している。大型ダイ１８の製造に適した材料には、加工鉄鋼とタングステンカーバイドが含まれる。同様に、小型ダイ２０の製造に適した材料には、加工鉄鋼とタングステンカーバイドが含まれる。この実施形態の別の観点によると、小型ダイは、タングステンカーバイドを用いて形成されている。
【００３７】
本発明の主題を実施するために、別の種類の高温高圧装置を用いることもできる。限定するものではないが、別の種類の高温高圧装置には、ベルト型装置、ピストン・シリンダ型装置、環状ダイ型装置およびトロイド型装置が含まれる。それぞれの高温高圧装置は、当業界においては周知である。たとえば、Strongに付与された米国特許第４３０１１３４号明細書には、本発明の主題に用いることができるベルト型高温高圧装置についての説明があり、Frushourに付与された米国特許第５２４４３６８号明細書には、本発明の主題に同様に用いることができるピストン・シリンダ型高温高圧装置についての説明がある。また、米国特許第４５１８３３４号明細書には、本発明の主題に用いることができる環状ダイ型高温高圧装置についての説明がある。さらに、Kolchinらに付与された米国特許第４２９０７４１号明細書とD'Evelynらによる米国特許出願公開第２００４／０１３４４１５号明細書には、本発明の主題に用いることができるトロイド型高温高圧装置が開示されている。上述した米国特許明細書と米国公開特許明細書の各々の全記載内容を、本明細書の記載として援用する。
【００３８】
それぞれの高温高圧装置の反応領域に配置する前に、反応コアには、人工ダイヤモンドの製造に用いられる黒鉛源、ダイヤモンド種および溶融金属触媒が充填される。黒鉛源、ダイヤモンド種および溶融金属触媒は、当業界では周知であり、全ての種類のそのような物質は、本発明の主題に用いることができる装置に好適である。
【００３９】
上述したそれぞれの種類の高温高圧装置は、装置内部の加圧に用いられるアンビルつまりダイによって画成された反応領域を備える。また、それぞれの種類の装置の反応領域は、人工ダイヤモンドの成長が行われる反応コア、および反応コアに圧力を掛けるために配置された複数のダイつまりアンビルを有する。本発明の主題は、上述した装置の群から選ばれるとともに、反応領域からガス状の不純物を除去するまたは反応領域に加圧されたガスまたは液体を充填する手段を有する高温高圧装置を製造することを意図している。本発明の主題は、反応領域を真空にする、もしくは反応領域にガスまたは液体を充填する、または真空にする操作とガスまたは液体を充填する操作の両方を行うために必要な要素を、それぞれの種類の高温高圧装置に装着できるようにすることを意図している。
【００４０】
本発明の主題は、また、高温高圧装置の反応領域を真空にすることによって、人工ダイヤモンドの少なくとも１つの性質を制御する方法に関する。この方法は、１）人工ダイヤモンドを成長させるための種、炭素源および溶融触媒を分割球形チャンバーの反応コア内に配置する段階、２）反応コアを、高温高圧装置の反応領域に配置する段階、３）反応領域を真空にする手段を用いて反応領域から排気する段階、４）人工ダイヤモンドの成長に必要な時間、反応コアに熱と圧力を掛ける段階、および５）仕上げ工程にまわすためにダイヤモンドを取り出す段階を含む。段階３の真空にする操作によって発生する負圧は、約マイナス３０水銀柱インチから約マイナス５水銀柱インチであり、反応領域内の窒素の少なくとも半分を除去するために必要な時間持続される。代替例においては、段階３の負圧の許容範囲は、約マイナス３０水銀柱インチから約マイナス２０水銀柱インチである。この実施形態のさらに別の観点によると、負圧の値は、約マイナス２９水銀柱インチである。この真空にする操作により、反応コアから窒素の約５０％までを除去することができるが、それは、原料が多孔構造を有し、不純物が細孔に取り込まれているためである。真空にする操作は、原料の細孔の表面の近くに位置する不純物だけを除去可能であり、黒鉛源、溶融金属触媒およびダイヤモンドの種を含む原料の細孔の内部に位置する不純物を除去することはできない。
【００４１】
本発明による方法は、分割球体型装置、ベルト型装置、ピストン・シリンダ型装置、環状ダイ型装置およびトロイド型装置からなる群から選ばれた高温高圧装置を用いて実施することができる。本発明による方法に用いられる装置は、反応コア、および反応コアに圧力を掛けるために配置された複数のダイつまりアンビルを含む反応領域を有する。限定するものではないが、本発明による方法は、図１に示した装置を用い、そして上述した段階にしたがって実行される。特に、装置は、外側本体内の空所に画成された反応領域を有する。装置は、また、反応コア、および反応コアに圧力を掛けるために配置された複数のダイを有する。反応コアと複数のダイは、空所に配置されている。とりわけ、複数のダイは、反応コアに隣接して配置された小型ダイと、複数の小型ダイを囲繞する複数の大型ダイを含む。段階３の真空にする手段は、可逆ポンプであり、拡散ポンプ、ベーン・ポンプ、回転ピストン・ポンプ、直結駆動ポンプ、ベルト駆動ポンプ、ねじポンプおよびそれらの組合せからなる群から選ばれる。真空にする手段は、拡散ポンプであることが好ましい。この方法は、上述した高温高圧装置のいずれの種類の装置を用いても実行することができる。
【００４２】
この方法により制御可能な人工ダイヤモンドの性質は、色、窒素含有量、屈折率、分散率、光透過率、熱伝導率、および電気伝導率を含む。これらの性質の１つだけまたはすべてを、反応コアに掛かる圧力を低下させることによって制御することができる。これらの性質は、製造した人工ダイヤモンドに含まれる不純物の量、とりわけ窒素の量によって変わる。本発明の主題によると、これら種々の性質は、人工ダイヤモンドに取り込まれるよう、反応コア内に収容した不純物の量を変えることによって制御される。たとえば、色の場合と同様に、人工ダイヤモンドの屈折率は、ダイヤモンドに含まれる窒素の量によって変わる、すなわち窒素含有量が多いほど、屈折率は大きくなる。このように、屈折率は、人工ダイヤモンドの成長時に取り込まれる窒素の量を変えることによって制御可能である。
【００４３】
先に述べたように、真空にする操作は、主としてガス状の窒素と酸素である空気をコアから除去すると同時に、水を含む環境中のその他の不純物の量も減少させる。特に、窒素がダイヤモンドの色に最も大きい影響を与える。しかし、窒素の取り込みは、好ましくない影響を与えるだけではない。たとえば、窒素の量が小さければ小さいほど、ダイヤモンドを成長させることが困難になる。窒素は、ダイヤモンドの成長スピードを増進させるとともに、人工ダイヤモンドへの金属の取り込みを最小限に抑制する効果を有する。窒素はダイヤモンドの色に影響を及ぼすために、本発明による方法は、コア内の、そして大きくは分割球形チャンバー内の窒素の量を制御することを目的とする。
【００４４】
本発明による方法の場合、ダイヤモンドの色は、オレンジ、黄、透明、青またはピンクになる。オレンジ色のダイヤモンドの場合、窒素含有量は、６０〜１００ｐｐｍの範囲にある。オレンジ色のダイヤモンドを製造する場合、コアを真空にする操作は必ずしも必要ではない。同様に、黄色のダイヤモンドの場合、窒素含有量は、１０〜３０ｐｐｍの範囲である。さらに、透明、青色およびピンク色のダイヤモンドの場合、窒素含有量は、１０ｐｐｍ未満である。本発明の主題にしたがって黄色、透明、青色およびピンク色のダイヤモンドを製造する場合、窒素含有量を所望の値にするために、コアまたは分割球形チャンバーは真空にされる。
【００４５】
図２は、反応コアを真空にする操作有りと操作無しの場合に、各々異なる混合物が配置された３つの反応コア内の相対窒素濃度を示す。各々のコアには、異なる黒鉛源、ダイヤモンドの種および溶融金属触媒の混合物が充填されている。各々の反応コア内の窒素濃度は、真空にした場合と、しなかった場合とで、別々に測定した。図２から明らかなように、真空にしなかった場合、各々のコアは異なる窒素濃度を示した。これは、充填した原料の量と種類が異なっていたからである。しかし、真空にした場合、各々のコアは、用いた原料の量と種類が反応開始時には異なっていたにも拘らず、同一の窒素濃度を示したことがわかる。さらに、真空にした反応コア内の窒素濃度は、初めの濃度より大幅に低下した。
【００４６】
本発明の主題の別の実施形態は、人工ダイヤモンドの少なくとも１つの性質を制御する方法に関する。この方法は、１）人工ダイヤモンドを成長させるための種、炭素源および溶融触媒を反応コア内に配置する段階、２）反応コアを、高温高圧装置の反応領域に設置する段階、３）反応領域を、窒素、酸素、ホウ素、リン、水素、塩素、フッ素、ヘリウム、キセノン、クリプトン、ネオン、アルゴン、ヒ素およびそれらの混合物からなる群から選ばれたガスで充填する段階、４）人工ダイヤモンドの成長に必要な時間、反応コアに熱と圧力を掛ける段階、および５）仕上げ工程にまわすためにダイヤモンドを取り出す段階を含む。この実施形態の一観点において、段階３でチャンバーを充填するために用いられるガスは、窒素である。
【００４７】
本発明の主題の一観点において、反応領域に充填されるガスまたは液体は加圧されている。反応領域に充填されるときのガスまたは液体の圧力は約０〜６９０ｋＰａ（０〜１００ｐｓｉ）である。別の観点において、その圧力は約１７２〜５１７ｋＰａ（２５〜７５ｐｓｉ）である。さらに別の観点において、その圧力は約３４５ｋＰａ（５０ｐｓｉ）である。
【００４８】
この実施形態は、上述した装置を用いて実施される。より具体的には、本発明による方法は、分割球体型装置、ベルト型装置、ピストン・シリンダ型装置、環状ダイ型装置およびトロイド型装置からなる群から選ばれた高温高圧装置を用いて実施することができる。本発明によるこの実施形態に用いられる装置は、反応コア、および反応コアに圧力を掛けるために配置された複数のダイつまりアンビルを含む反応領域を有する。限定するものではないが、本発明による方法は、図１に示した装置を用い、そして上述した段階にしたがって実行される。特に、装置は、外側本体内の空所に画成された反応領域を有する。装置は、また、反応コア、および反応コアに圧力を掛けるために配置された複数のダイを有する。反応コアと複数のダイは、空所に配置されている。とりわけ、複数のダイは、反応コアに隣接して配置された小型ダイと、複数の小型ダイを囲繞する複数の大型ダイを含む。段階３の真空にする手段は、可逆ポンプであり、拡散ポンプ、ベーン・ポンプ、回転ピストン・ポンプ、直結駆動ポンプ、ベルト駆動ポンプ、ねじポンプおよびそれらの組合せからなる群から選ばれる。真空にする手段は、拡散ポンプであることが好ましい。この方法は、上述した高温高圧装置のいずれの種類の装置を用いても実行することができる。
【００４９】
本発明のこのさらなる方法は、人工ダイヤモンドの性質を制御するために、別の物質を反応領域に導入する段階を含む。たとえば、反応コアに対してガスによるドーピングを行うことによって、人工ダイヤモンドの色を変えることができる。ガスによるドーピングは、先に説明したように、事前の真空にする操作の有無に拘らず行うことができる。しかし、透明、青色およびピンク色のダイヤモンドを製造する場合、窒素含有量は１０ｐｐｍ未満でなければならないが、そのときは、ドーパントを反応領域に導入する前に真空にする操作が行われる。一般に、ガスによるドーピングは、青色のダイヤモンドを合成するときに行われる。青色のダイヤモンドは、予め決められた量のホウ素を反応コアに導入して製造される。青色のダイヤモンド製造に必要なホウ素の量は１０ｐｐｍ未満である。
【００５０】
真空にする手段は、反応領域に充填する手段とは別に、反応領域に対して使用することができる。たとえば、真空にする手段は、先の実施形態についての説明の中で開示したように、窒素含有量等を調節して人工ダイヤモンドの性質を制御するために使用され、反応領域を充填する手段は、真空にする手段の前もしくは後に、またはそれと同時に使用することができる。両方の手段が容易かつ同時に作用を及ぼすことができるようにするために、たとえば、拡散ポンプ、ベーン・ポンプ、回転ピストン・ポンプ、直結駆動ポンプ、ベルト駆動ポンプ、ねじポンプおよびそれらの組合せからなる群から選ばれた第２のポンプ（図示せず）がマニホルドに接続される。この場合、マニホルドには、両方の手段を反応コアに連通させるために、少なくとも２つのパイプが接続される。先に述べたように、真空にする操作は、主としてガス状の窒素と酸素である空気をコアから除去すると同時に、水を含む環境中のその他の不純物の量も減少させる。特に、窒素がダイヤモンドの色に最も大きい影響を与える。
【００５１】
コアを真空にする操作は、コア内の圧力が上昇する前にまたは上昇中に行われる。コアを真空にする操作は、コア内の圧力が上昇する前にまたは上昇中にだけ必要となるが、それは、加圧する段階の実施後には、コアが真空のために密封されてしまうからである。このコアの密封は、圧力の上昇に伴って、大型ダイが小型ダイを締め付けることによって行われる。チャンバーは、コア内の不純物を除去するために、まず真空にされる。コアが一旦密封された後には、窒素を除去することはほとんど不可能になる。
【００５２】
窒素はダイヤモンドの色に影響を及ぼすために、本発明の方法の一観点によると、コア内の、そして大きくは分割球形チャンバー内の窒素の量が制御される。とりわけ、本発明による方法の利点は、合成したダイヤモンドの色を制御できることである。本発明の方法によると、オレンジ色、黄色、透明、青色またはピンク色のダイヤモンドを製造することが可能である。オレンジ色のダイヤモンドの場合、窒素含有量は６０〜１００ｐｐｍである。
【００５３】
本発明のこのさらなる方法によって制御可能な性質は、先に説明したように、色、窒素含有量、屈折率、分散率、光透過率、熱伝導率、および電気伝導率である。これらの性質の１つだけまたはすべてを、反応コア１６を真空にすることによって制御可能である。とりわけ、色の制御は容易にできる。
【００５４】
最後に、ダイヤモンドは、切削と研磨のような仕上げ段階を実施するために、高温高圧装置から取り出される。また、製造方法が適切であったか否かを判定するために、ダイヤモンドの窒素含有量、透明度、光沢度等が検査される。このように、高温高圧装置は、必要に応じて調節できるようになっている。
【００５５】
本発明の主題は、さらに、高温高圧装置の内部に反応領域を有し、人工ダイヤモンドを成長させることができる装置に関する。反応領域は、人工ダイヤモンドの成長が行われる、高温高圧装置内の場所である。この装置は、また、反応領域からガス状の不純物を除去するために真空にする、または少なくとも１種類の物質を反応領域内に導入する手段を有する。この実施形態は、本発明による装置についてのその他の実施形態として先に説明した構成要素を有する。とりわけ、この実施形態に用いられる高温高圧装置は、詳細は上述したが、分割球体型装置、ベルト型装置、ピストン・シリンダ型装置、環状ダイ型装置およびトロイド型装置からなる群から選ばれる。
【００５６】
代替の実施形態において、本発明の主題は、さらに、高温高圧装置内の反応領域、ガス状の不純物を除去するために反応領域を真空にする手段、および少なくとも１種類の物質を反応領域に導入する手段を有していて、人工ダイヤモンドを成長させることができる装置に関する。反応領域は、人工ダイヤモンドの成長が行われる場所である。上述した実施形態と同様に、この実施形態は、本発明による装置についてのその他の実施形態として先に説明した構成要素を有する。とりわけ、この実施形態に用いられる高温高圧装置は、詳細は上述したが、分割球体型装置、ベルト型装置、ピストン・シリンダ型装置、環状ダイ型装置およびトロイド型装置からなる群から選ばれる。
【００５７】
さらに別の実施形態において、本発明の主題は、人工ダイヤモンドの少なくとも１種類の性質を制御する方法に関する。この方法は、ａ）人工ダイヤモンドを成長させるための種、炭素源および溶融触媒を反応コア内に配置する段階、ｂ）反応コアを、高温高圧装置の反応領域に配置する段階、ｃ）反応領域に加圧したガスまたは液体を充填しているときに、反応領域を真空にする段階、およびｄ）人工ダイヤモンドの成長に必要な時間、反応コアを高温高圧の等温条件の下に保持する段階を含む。反応領域にガスまたは液体を充填するときの圧力は、０〜６９０ｋＰａ（０〜１００ｐｓｉ）である。別の観点において、その圧力は約３４５ｋＰａ（５０ｐｓｉ）である。
【００５８】
反応領域に充填されるガスまたは液体は、窒素、酸素、ホウ素、リン、水素、塩素、フッ素、ヘリウム、キセノン、クリプトン、ネオン、アルゴン、ヒ素およびそれらの混合物からなる群から選ばれる。また、この実施形態に用いられる高温高圧装置は、詳細は上述したが、分割球体型装置、ベルト型装置、ピストン・シリンダ型装置、環状ダイ型装置およびトロイド型装置からなる群から選ばれる。
【００５９】
以上、本発明の主題について説明したが、本発明の主題は、種々変更可能であると了解されるものとする。そのような変更例は本発明の主題の精神と範囲から逸脱すると見なすべきものではなく、そのような変更例のすべてが、添付した特許請求の範囲に含まれることを企図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の主題の実施形態による分割球体型高温高圧装置の縦断面図である。
【図２】真空にする操作有りと無しの場合に、各々異なる混合物が配置された３つの反応コア内の相対窒素濃度を示すグラフである。
【図１】
2008546528.tif 000003
【図２】
2008546528.tif 000004
【国際調査報告】
2008546528.tif 000005
2008546528.tif 000006