(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを用いる超硬質材料の切削方法であって、前記電子ビームが前記超硬質材料の表面に向けられ、前記電子ビームが１００〜５０００ｍｍｓ−１の範囲の電子ビームスキャン速度で前記超硬質材料の前記表面を横切るように移動するように前記表面に対して移動して、前記超硬質材料を切削し、
前記電子ビームが、５ｍＡ〜１２０ｍＡの範囲のビーム電流を有し、前記電子ビームが、１０ｋＶ〜２００ｋＶの範囲の加速電圧を有し、前記電子ビームが、５００μｍ以下である前記超硬質材料上の接触点におけるスポットサイズを有し、前記電子ビームが、（加速電圧×ビーム電流）／（電子ビームスキャン速度）で定義され、５００〜３００００Ｊｍ−１の範囲内である入力ラインエネルギーを有し、前記電子ビームが、（加速電圧×ビーム電流）／（電子ビームスキャン速度×ビーム幅）で定義され、１０〜６００ＭＪｍ−２の範囲内である表面エネルギー密度を有し、前記電子ビームが、（加速電圧×ビーム電流）／（電子ビームスキャン速度×切削断面積）で定義され、１００〜２５００ＧＪｍ−３の範囲内である、揮発される超硬質材料の単位体積あたりエネルギーを印加する、方法。
【請求項２】
前記電子ビームが、５度以下の発散半角で平行化される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記電子ビームスキャン速度が、２００ｍｍｓ−１以上である、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記電子ビームスキャン速度が、４５００ｍｍｓ−１以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記ビーム電流が、１０ｍＡ以上である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記ビーム電流が、１１０ｍＡ以下である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記加速電圧が、１５ｋＶ以上である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記加速電圧が、１５０ｋＶ以下である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記超硬質材料上の接触点における前記電子ビームのスポットサイズが、３００μｍ以下である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記電子ビームの前記入力ラインエネルギーが、８００Ｊｍ−１〜２５０００Ｊｍ−１の範囲内である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記電子ビームの前記表面エネルギー密度が、１６ＭＪｍ−２〜５００ＭＪｍ−２の範囲内である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記電子ビームによって印加される、揮発される超硬質材料の単位体積あたりエネルギーが、１５０ＧＪｍ−３〜２３００ＧＪｍ−３の範囲内である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記超硬質材料に切削ラインを形成する過程において、前記電子ビームが、周期的にビームダンプへ移動され、その後に前記切削ラインへ戻されて切削が継続される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記超硬質材料に第一の切削ラインを形成する過程において、前記電子ビームが、前記超硬質材料の前記表面上の１つ以上の他の位置へ、または超硬質材料の別のサンプルへ周期的に移動されて、１つ以上のさらなる切削ラインを形成し、その後に前記第一の切削ラインへ戻されて切削が継続され、切削ライン間の前記電子ビームの周期的なスイッチングにより、超硬質材料の１つ以上のサンプルの表面における２つ以上の切削ラインでの並行切削が得られ、前記電子ビームが、連続電子ビームである、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記電子ビームが、パルス化電子ビームである、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記硬質材料が、少なくとも５０重量％のダイヤモンド材料を含み、前記電子ビームの前記加速電圧が、８０ｋＶ以下であり、前記ダイヤモンド材料が、切削領域の側面に黒鉛の被覆を形成する熱切削モードを介して切削される、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超硬質材料を切削する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明の状況において、超硬質材料は、２０００ｋｇ／ｍｍ２以上のビッカース硬度を有する材料として定義される。このような材料は、様々なダイヤモンド材料、立方晶窒化ホウ素材料（ｃＢＮ）、サファイヤ、および前述の材料を含むコンポジットが挙げられる。例えば、ダイヤモンド材料としては、化学蒸着（ＣＶＤ）による様々なグレードの単結晶および多結晶合成ダイヤモンド材料、様々なグレードの高圧高温（ＨＰＨＴ）合成ダイヤモンド材料、天然ダイヤモンド材料、ならびに金属バインダー相を含む多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）またはケイ素／炭化ケイ素バインダー相を含むケイ素結合ダイヤモンド（silicon cemented diamond）（ＳｃＤ）などのダイヤモンドコンポジット材料が挙げられる。
【０００３】
上記に関連して、超硬質材料は、極めて硬質であるものの、一般的には、非常に脆弱で、低い靭性を有する。このため、これらの材料は、切削が困難であることがよく知られている。いかなる切削方法も、切削部を形成するには材料の極度の硬質を克服するのに充分に強力である必要があるが、同時に、その脆弱性および低靭性に起因して材料のマクロ破壊を引き起こすことになる高い度合いのストレスまたは熱ショックを与えてはならない。このため、超硬質材料の切削を成功させるための作業ウィンドウ（operating window）は狭く、多くの利用可能である切削方法は、この作業ウィンドウ内に入らない。例えば、ほとんどの切削方法は、妥当な時間枠内で何らかの有意な度合いまで超硬質材料を切削するのに充分に強力ではない。逆に、もっと強力な切削法は、超硬質材料に過剰なストレスおよび／または熱ショックを与える傾向にあり、従って、クラック形成および材料破壊が引き起こされる。さらに、特定の切削方法は、超硬質材料の有意な切削が達成されないレジームから、切削は達成されるが、超硬質材料のクラック形成および破壊を伴うレジームへと移行するために変更することができる作業パラメーターを有する。この場合、超硬質材料のクラック形成および破壊を起こさずに切削を達成することができるパラメーター範囲の移行ウィンドウ（transitional window of parameter space）が存在する場合も、または存在しない場合もある。超硬質材料のクラック形成および破壊を起こさずに切削を達成することができるパラメーター範囲の適切なウィンドウ内で作業可能であることは、切削技術、そのような技術における移行作業ウィンドウの存在する場合のサイズ、ならびに超硬質材料のクラック形成および破壊を起こさずに切削を達成することができるパラメーター範囲のウィンドウ内に切削を維持することができる作業パラメーター制御のレベルに依存することになる。
【０００４】
上記に照らして、超硬質材料の切削が単純なプロセスではないことが理解され、ならびに多数の研究がこの問題に対処することを目的としてきたものの、現行の切削方法は、依然として比較的時間を要し、高コストなものであり、切削コストが、超硬質材料品の製造コストの大部分を占めている。
【０００５】
超硬質材料は、現在、以下のうちの１つで切削される：
（ｉ）ドーピングされたＣＶＤ合成ダイヤモンド、ＨＰＨＴ合成ダイヤモンド、およびｃＢＮ品などの導電性材料に対してはワイヤＥＤＭ（放電加工）機；
（ｉｉ）未ドープのＣＶＤ合成ダイヤモンド、ＨＰＨＴ合成ダイヤモンド、およびｃＢＮ品などの電気絶縁性材料に対してはハイパワーレーザー；
（ｉｉｉ）ダイヤモンドなどの他の超硬質材料が通常は埋め込まれている切削鋸
【０００６】
ＥＤＭ切削は、導電性材料に対しては効率的であるが、絶縁性材料に対して用いることはまったくできない。従来の鋸は、小切削部を提供するために用いることはできるが、大量の加工に用いられる場合は、時間およびコストの面で非効率的であり、良好な深い切削部の提供は容易には行えない。レーザーによって効率的な切削を得るには、ビームを、小さく、非常に高強度のスポットに収束させる必要がある。収束ビームは、比較的薄い製品には非常に適しているが、より厚みのある材料を切削する場合には、ビームが発散性であり、比較的大きい開始ビームから収束されたものであることに起因して、カーフロスにより、高い量の材料損失およびレーザー切削時間の延長がもたらされる結果となる。このことは、ＣＶＤ合成ダイヤモンドの大きい単結晶、またはｃＢＮのスラグを比較的薄いウェハに切削する必要がある場合に、大きな問題となる。
【０００７】
超硬質材料を切削するためのいかなる方法も、以下の特徴の組み合わせを提供することが理想的である：
（ｉ）低カーフロス、例えば高度平行化切削ビームを用いることによる；
（ｉｉ）高切削速度および短縮された切削時間；
（ｉｉｉ）その切削技術が様々な超硬質材料に適用可能であるように、高度な柔軟性
（ｉｖ）切削位置、切削速度、切削深さ、および切削幅の精密な制御を達成する高度な制御性；ならびに
（ｖ）材料のクラック形成などの損傷を引き起こすことなく超硬質材料の切削を達成する低度の材料損傷。
【０００８】
また、上述の有利な技術的特徴は、商業的プロセスで用いられることになるいかなる切削技術の経済的実現性に対してもつり合いが取れている必要もある。経済的実現性は、以下に依存する：
（ｉ）初期ハードウェアコスト；ならびに
（ｉｉ）以下を含む作業コスト
ａ．電力およびガス供給などの消耗品コスト；
ｂ．切削装置の複雑性および信頼性にある程度依存するメンテナンスのコストおよび切削装置の寿命
ｃ．作業切削時間ｖｓ切削装置のセットアップに要する時間に依存する切削作業間の停止時間
ｄ．人件費、例えば、これも切削装置の複雑性および信頼性にある程度依存する、装置の運転に熟練オペレーターが必要である場合
【０００９】
超硬質材料のための商業的切削プロセスに対する上記の必要条件を考慮して、導電性超硬質材料には、ＥＤＭ切削が工業標準となり、一方電気絶縁性超硬質材料の切削に対しては、ハイパワーレーザーが工業標準となっている。ハイパワーレーザーは、導電性超硬質材料の切削に用いることも可能であるが、レーザー切削と比較した場合の設備および運転コストが低いことから、ＥＤＭ切削が多くの場合好まれる。
【００１０】
本発明者らは、超硬質材料切削の問題を再検討して、広く受け入れられている工業標準と比較して改善された性能を提供し得る別の選択肢が存在するかどうかを評価した。これに関して、本発明者らは、電子ビーム切削が、ハイパワーレーザーよりも優れた性能を示す可能性を有することを見出した。既述のように、ハイパワーレーザーには、特に厚い超硬質材料を切削する場合、発散ビームの適用に起因して、カーフロスおよび比較的遅い切削速度という問題点がある。対照的に、電子ビームは、高度に平行化して非常に小さいスポットサイズとすることができ（すなわち、高輝度ビーム）、従って、カーフロスを低減して、および場合によってはより高い切削速度で切削する可能性を提供することができる。
【００１１】
超硬質材料の電子ビーム切削の実現性を評価する研究プログラムを開始した後、本発明者らは、ハイパワーレーザーが広く利用可能となり、電気絶縁性超硬質材料切削のための工業標準としてレーザーが確立される前に、超硬質材料の電子ビーム切削が、１９６０年代に遡ってすでに提案されていたことを見出した。例えば、１９６５年に申請された米国特許第３，４１７，２２２号には、超硬質材料を切削するための電子ビーム技術が開示されている。さらに、以下で考察するように、米国特許第３，４１７，２２２号は、電子ビーム技術が工業標準として受け入れられず、最終的にハイパワーレーザーに取って代わられた理由についてのいくつかのヒントを与えているように思われる。
【００１２】
ハイパワーレーザーが利用可能となる前、電気絶縁性超硬質材料を加工するための方法は、一般的に、劈開、鋸引き、研削、および研磨に限定されていた。米国特許第３，４１７，２２２号は、電子ビーム切削技術も、ダイヤモンドなどの超硬質材料を切削するために考案されたことを開示している。米国特許第３，４１７，２２２号は、さらに、電子ビーム切削技術には、そのような技術が商業的に許容されることを制限する複雑で高価な装置が関与することを開示している。例えば、当時利用可能であった典型的な電子ビーム装置は、マルチチャンバー真空容器（multi-chambered vacuum vessels）および複雑な真空ポンプシステムの使用が必要であったことが開示されている。そのような装置は、コストがかかり、作業の成功には、オペレーターが真空ポンプの制御に非常に多くの注意を向ける必要があることから、切削作業の監視および制御に使える時間がほとんどないと記載されている。
【００１３】
上記の結果、米国特許第３，４１７，２２２号には、単一真空ポンプシステムによって運転される単一チャンバー真空システムを用いるもっと単純な電子ビーム装置設計の使用が提案されている。しかし、本発明者らは、そのような真空システムのいずれも、あるレベルの複雑性およびコストが上乗せされることに注目し、それはレーザー技術では必要とされないものであり、それが、ダイヤモンドなどの超硬質材料の切削において、レーザー技術が電子ビーム技術に完全に取って代わったように思われる主たる理由であると推定される。この点で、電子ビーム切削は、超硬質材料の商業的切削に適する選択肢として広く受け入れられることは決してなく、レーザー切削が非常に広く普及したために、この明細書を執筆した当時の超硬質材料切削分野の多くの当業者は、超硬質材料のための電子ビーム切削の使用に関する初期の研究に気づくことがなかったことが指摘され得る。
【００１４】
上記にも関わらず、米国特許第３，４１７，２２２号には、その電子ビーム切削技術を用いることによる、ある程度合理的に良好である切削性能が示唆されていると思われる。米国特許第３，４１７，２２２号に記載の装置は、可動性テーブルに搭載された特別に適合された万力に保持された材料サンプルの一点に収束電子ビームを提供するように構成されている。切削は、材料サンプルが電子ビームに対して移動されるようにテーブルを移動することによって達成される。材料サンプル上の電子ビームの焦点にガス流を送るために、ガスランスが提供される。ガス流によって、切削部の質および切削速度が改善されると記載されている。酸素ガス流を用いてダイヤモンド材料を切断する例が示されている。電子ビームの焦点に酸素流を提供することによって、ダイヤモンドの切削速度を５倍増加させることが可能であると記載されており、従来の鋸引きを用いた場合に要する８時間もの時間と比較して、この技術を用いることにより、１カラットの宝石を約１０分間で切削することができると示唆されている。切削速度の５倍の増加が、酸素ガス流を用いない同等の電子ビーム切削技術と比較した場合の酸素ガス流を用いた電子ビーム切削技術についての報告であるとすると、このことは、酸素ガス流なしでこの技術を用いた場合、１カラットの宝石を約５０分間で切削することができると示唆していることになる。この点で、ハイパワーレーザーを用いた同等の切削プロセスには、４０分間のオーダーの時間を要し、これは、酸素ガス流の使用あり、またはなしでの２つの電子ビーム切削時間の中間であることに注目することは興味深い。
【００１５】
上記に照らすと、酸素ガス流を用いた電子ビーム切削技術は、依然として数十分間の同じオーダーではあるが、ハイパワーレーザー技術よりも実際には僅かに速いことは明らかであろう。ハイパワーレーザーと比較した場合の電子ビーム技術のこの明らかな切削速度の利点は、電子ビーム切削技術に伴うより高いコストおよび複雑性を相殺するには充分ではなく、このことが、ダイヤモンドなどの超硬質材料の切削において、レーザー技術が電子ビーム技術に完全に取って代わったと思われる理由であると推測される。
【００１６】
米国特許第３，４１７，２２２号には、１３０ｋＶの加速電圧の電子ビームでダイヤモンドを切削することが開示されている。また、酸素ガス流を用いることで、電子ビーム電流を、１０ｍＡから１ｍＡ未満まで低下させることができるとも開示されている。さらに、酸素ガスの非存在下では、切削過程での結晶破壊を最小限に抑える目的で、低パルスレートの電子ビームが用いられる必要があるが、酸素ガスを添加すると、１秒あたり約３５カウントの非常に速いレートで電子ビームをパルス化することにより、実質的に連続的で円滑な切削が可能となり、従って切削速度が高められることも開示されている。
【００１７】
米国特許第３，４１７，２２２号では、従って、電子ビーム切削技術を用いる場合に、結晶破壊が問題であることが明らかに認識されており、この問題を軽減する目的で、低電流を持つパルス化電子ビーム、および切削される材料上の電子ビーム焦点に向けられるガス流を用いることが提案されている。
【００１８】
本発明者らもまた、ダイヤモンドなどの超硬質材料に対して電子ビーム切削技術を用いる場合、クラック形成および結晶破壊が問題であることを見出した。実際、本発明者らは、本発明の数年前に、超硬質材料に対して電子ビーム切削を試行しており、この理由のために、この技術を考慮しなかった。既に述べたように、超硬質材料は、極めて硬質である一方で、一般的に、非常に脆弱で、低い靭性を有する。そのため、電子ビーム切削は、超硬質材料切削に適する選択肢として、これまで却下されてきた。さらに、米国特許第３，４１７，２２２号に記載のように、低電流を有するパルス化電子ビームおよびガス流を用いることで、これらの問題が軽減される可能性がある一方で、低電流電子ビームの使用は、より単純でコストの低いレーザーシステムを用いることで達成可能であるものに類似のオーダーまで切削速度を大きく低下させてしまう。
【００１９】
上記と対照的に、本発明者らは、米国特許第３，４１７，２２２号に記載の電子ビーム切削技術および現行のハイパワーレーザーの両方と比較した場合に、一桁以上（特定の超硬質材料に対しては、二または三桁までも）の切削時間の短縮を提供し、従って電子ビーム切削技術に伴うより高いコストおよび複雑性を相殺して余りある超硬質材料のための新しい電子ビーム切削技術を開発した。新しい電子ビーム切削技術の概要および米国特許第３，４１７，２２２号に記載のものとの相違点は、以下の発明の概要のセクションにおいて、その後の詳細な既述に示される詳細な実施形態と共に提供される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明者らは、ここで、非常に高いスキャン速度で超硬質材料表面を横切るように電子ビームを移動させ、浅い切削部を形成することにより、より高い電子ビーム電流を用いること、および結晶材料の著しい非局所的なクラック形成または破壊をまったく起こすことなく、二または三桁を超える切削速度の増加、すなわち、現行のハイパワーレーザー技術の１００倍を超える（さらには１０００倍超の）切削速度を達成することが可能となることを見出した。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記に照らして、本発明の第一の態様によると、電子ビームを用いて超硬質材料を切削する方法が提供され、ここで、電子ビームは、超硬質材料の表面に向けられ、電子ビームが１００〜５０００ｍｍｓ−１の範囲の電子ビームスキャン速度で超硬質材料の表面を横切るように移動するように、表面に対して移動されて、超硬質材料が切削される。
【００２２】
その際、マルチパス切削プロセスが用いられ、切削ライン上で繰り返される高スキャン速度のパスによって、より深く切削されてよい。いくつかの点で、マルチパス切削プロセスは、現行のレーザー切削システムで用いられるものに類似しているが、スキャン速度が非常により高く、レーザーではなく、電子ビームが用いられる。
【００２３】
最適な電子ビームスキャン速度は、切削される材料の性質、およびより詳細に以下で考察される様々な電子ビームパラメーターに依存する。しかし、初期データより、１００ｍｍ／ｓよりも低い電子ビームスキャン速度では、切削位置での過剰な熱ストレスおよび／または切削位置を超えて伸びる過剰な局所的破壊に起因して、クラック形成および結晶破壊が問題となることが示される。対照的に、５０００ｍｍ／ｓよりも高い電子ビーム速度では、有意な深さの切削部を達成するための十分な熱ストレスおよび／または切削位置での局所的破壊が得られない。
【００２４】
本発明の実施形態の切削方法に従う電子ビームスキャン速度のための最も広い実現可能なウィンドウは、１００〜５０００ｍｍｓ−１であると考えられているが、所望に応じて、電子ビームスキャン速度は、２００ｍｍｓ−１、４００ｍｍｓ−１、６００ｍｍｓ−１、８００ｍｍｓ−１、１０００ｍｍｓ−１、１２００ｍｍｓ−１、または１４００ｍｍｓ−１以上であってよい。さらに、所望に応じて、電子ビームスキャン速度は、４５００ｍｍｓ−１、４０００ｍｍｓ−１、３５００ｍｍｓ−１、３０００ｍｍｓ−１、２５００ｍｍｓ−１、２０００ｍｍｓ−１１８００ｍｍｓ−１、または１６００ｍｍｓ−１以下であってよい。特定の超硬質材料に対する理想的な電子ビームスキャン速度は、５００〜１５００ｍｍｓ−１の範囲であるが、既に示したように、最適スキャン速度は、以下でより詳細に考察されるように、切削される具体的な超硬質材料、およびその他の電子ビームパラメーターに従って、ある程度変動することが想定される。
【００２５】
米国特許第３，４１７，２２２号に記載のものなど、超硬質材料の電子ビーム切削に関する過去の研究が、この有利な切削方法を開示してこなかった理由は、仮想され得る。１つの可能性としては、米国特許第３，４１７，２２２号に記載の電子ビーム切削方法に少なくとも関連して、切削装置が、そのような高いスキャン速度で超硬質材料の表面に対して電子ビームを移動させるように構成されておらず、従ってこのような高いスキャン速度パラメーター範囲の評価が行われなかったということがある。この点で、米国特許第３，４１７，２２２号には、切削を達成するために、静的電子ビームが、超硬質材料上に収束され、および電子ビームと切削される超硬質材料との間の相対的移動が、可動性搭載ステージ上の超硬質材料の移動によって達成されたと記載されていることに留意されたい。すなわち、電子ビームは固定されていた。米国特許第３，４１７，２２２号に記載の装置の可動性テーブルは、高スキャン速度レジームを利用するように構成されていなかった可能性があると仮想される。
【００２６】
本発明の好ましい実施形態によると、電子ビームと超硬質材料との相対的な移動は、電子ビームが操縦可能である装置構成を提供することによって達成される。そのような構成を用いることにより、切削は、固定された電子ビームに対して切削されるべき超硬質材料を移動させるのではなく、電子ビームを制御し、操縦することによって達成される。好ましい実施形態は、そのような電子ビーム操縦構成を利用するものであるが、本明細書に記載される本発明の教示事項から考えると、切削されるべき超硬質材料を固定電子ビームに対して高いスキャン速度で移動させることができるように、高スキャン速度可動性マウントが提供されてよいことも想定される。そうではあるが、そのような構成では、操縦可能電子ビーム構成ほど精密な制御はできないことが想定される。
【００２７】
本発明のより詳細な理解のために、および本発明を実施し得る方法を示すために、ここで、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して、単なる例として記載する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、電子ビーム切削装置の主コンポーネントを示す簡略的な概略図である。
【図２】図２は、疑似パルス切削モード（quasi-pulsed cutting mode）での電子ビーム切削装置の使用を示す簡略的な概略図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態に従う電子ビーム切削法を用いて作製された切削部のいくつかの例の写真を示す。
【図４】図４は、本発明の実施形態に従う電子ビーム切削法を用いて作製された切削部のいくつかの例の写真を示す。
【図５】図５は、本発明の実施形態に従う電子ビーム切削法を用いて作製された切削部のいくつかの例の写真を示す。
【図６】図６は、本発明の実施形態に従う電子ビーム切削法を用いて作製された切削部のいくつかの例の写真を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
発明の概要のセクションで考察したように、本発明の第一の態様は、電子ビームを用いて超硬質材料を切削する方法に関し、ここで、電子ビームは、高スキャン速度にて超硬質材料の表面を横切るように移動される。電子ビームを高スキャン速度で移動させることにより、クラック形成および結晶損傷の問題を軽減することができることが見出された。さらに、高スキャン速度電子ビーム切削方法により、高電子ビーム電流の使用が可能となり、従って、切削位置での過剰な熱ストレスおよび／または局所的破壊に起因するクラック形成ならびに結晶損傷を引き起こすことなく、より高い切削速度が達成される。発明者らはまた、切削速度、切削深さ、および切削幅（電子貫通深さおよび散乱長、材料密度および電子エネルギーの関数によって決定される）の間に「トレードオフ」が存在し、種々の超硬質材料に対してそれを最適化することができることも見出した。
【００３０】
有利には、電子ビームは、以下の特性の１つ以上を含み得る：
（ｉ）発散半角が５度未満、好ましくは３度未満、より好ましくは１度未満である電子の平行化ビーム；
（ｉｉ）５ｍＡ〜１２０ｍＡの範囲のビーム電流；所望に応じて、１０ｍＡ、１５ｍＡ、２０ｍＡ、３０ｍＡ、４０ｍＡ、５０ｍＡ、６０ｍＡ、または７０ｍＡ以上であってよく；所望に応じて、１１０ｍＡ、１００ｍＡ、９０ｍＡ、８５ｍＡ、または８０ｍＡ以下であってよく；および所望に応じて、上述の上限および下限のいずれかの組み合わせによって定められる範囲内であってもよい；
（ｉｉｉ）１０ｋＶ〜２００ｋＶの範囲の加速電圧；所望に応じて、１５ｋＶ、２０ｋＶ、２５ｋＶ、３０ｋＶ、または３５ｋＶ以上であってよく；所望に応じて、１５０ｋＶ、１２５ｋＶ、１００ｋＶ、９０ｋＶ、８０ｋＶ、７０ｋＶ、または６５ｋＶ以下であってよく；および所望に応じて、上述の上限および下限のいずれかの組み合わせによって定められる範囲内であってもよい；
（ｉｖ）５μｍ〜５００μｍの範囲の超硬質材料上の接触点における電子ビームスポットサイズ；所望に応じて、５００μｍ、３００μｍ、１００μｍ、５０μｍ、または３０μｍ以下であってよく；所望に応じて、１０μｍ、１５μｍ、または２０μｍ以上であってよく；および所望に応じて、上述の上限および下限のいずれかの組み合わせによって定められる範囲内であってもよい；
（ｖ）５００〜３００００Ｊｍ−１の範囲の（加速電圧×ビーム電流）／（電子ビームスキャン速度）で定義される入力ラインエネルギー（input line energy）；所望に応じて、２５０００Ｊｍ−１、２００００Ｊｍ−１、１５０００Ｊｍ−１、１００００Ｊｍ−１、５０００Ｊｍ−１、または１６００Ｊｍ−１以下であってよく；所望に応じて、８００Ｊｍ−１、１１００Ｊｍ−１、１５００Ｊｍ−１、２０００Ｊｍ−１、５０００Ｊｍ−１、または１００００Ｊｍ−１以上であってよく；および所望に応じて、上述の上限および下限のいずれかの組み合わせによって定められる範囲内であってもよい；
（ｖｉ）１０〜６００ＭＪｍ−２の範囲の（加速電圧×ビーム電流）／（電子ビームスキャン速度×ビーム幅）で定義される表面エネルギー密度；所望に応じて、５００ＭＪｍ−２、４００ＭＪｍ−２、３００ＭＪｍ−２、２００ＭＪｍ−２、１００ＭＪｍ−２、または３２ＭＪｍ−２以下であってよく；所望に応じて、１６ＭＪｍ−２、２２ＭＪｍ−２、３０ＭＪｍ−２、４０ＭＪｍ−２、１００ＭＪｍ−２、または２００ＭＪｍ−２以上であってよく；および所望に応じて、上述の上限および下限のいずれかの組み合わせによって定められる範囲内であってもよい；
（ｖｉｉ）１００〜２５００ＧＪｍ−３の範囲の（加速電圧×ビーム電流）／（電子ビームスキャン速度×１／２×切削幅×切削深さ）および／または（入力ラインエネルギー）／（切削断面積）で定義される揮発材料の単位体積あたりのエネルギー；所望に応じて、２３００ＧＪｍ−３、２０００ＧＪｍ−３、１７００ＧＪｍ−３、１４００ＧＪｍ−３、１１００ＧＪｍ−３、８００ＧＪｍ−３、または６００ＧＪｍ−３以下であってよく；所望に応じて、１５０ＧＪｍ−３、２００ＧＪｍ−３、２５０ＧＪｍ−３、３００ＧＪｍ−３、３５０ＧＪｍ−３、４００ＧＪｍ−３、４５０ＧＪｍ−３、または５００ＧＪｍ−３以上であってよく；所望に応じて、上述の上限および下限のいずれかの組み合わせによって定められる範囲内であってもよい。
【００３１】
各ビームパラメーターの最適値は、選択されたその他のビームパラメーターの値、および切削される超硬質材料の正確な性質にある程度依存する。しかし、一般的に、前述の電子ビームパラメーターによって、実質的なクラック形成および結晶損傷を起こすことなく、高切削速度での超硬質材料の良質な切削が達成されることが見出された。電子ビームパラメーターの各々は、以下でより詳細に考察される。
【００３２】
超硬質材料上の接触点における電子ビームスポットサイズは、５μｍ〜５００μｍの範囲に入っていてよく、例えば、１０μｍ〜３００μｍ、１０μｍ〜２００μｍ、１５μｍ〜１００μｍ、または２０μｍ〜５０μｍとして定められるより狭い範囲である。さらに、電子ビームは、有利には、５度、２度、または１度以下の発散半角を持つように、高度に平行化されている。背景セクションで記載したように、超硬質材料の切削にハイパワーレーザーを用いる場合の１つの問題は、レーザービームを、小さく、非常に高強度のスポットに収束させる必要があることであり、ビームが発散性であり、比較的大きい開始ビームから収束されたものであることに起因して、カーフロスが引き起こされる。この結果、より厚い超硬質材料のサンプルを切削する場合、高い量の材料損失およびレーザー切削時間の延長がもたらされる。対照的に、電子ビームは、発散の度合いが低い、高度に平行化されたビームとすることができる。このため、カーフロスを低減し、平滑でより微細な切削部を、より速い切削速度で達成することができる。
【００３３】
ビーム電流は、５ｍＡ〜１２０ｍＡの範囲に入っていてよく、例えば、その他のビームパラメーターおよび切削される材料の正確な性質に応じて１５ｍＡ〜１１０ｍＡ、２０ｍＡ〜１００ｍＡ、３０ｍＡ〜９０ｍＡ、４０ｍＡ〜８５ｍＡ、５０ｍＡ〜８０ｍＡ、６０ｍＡ〜８０ｍＡ、または７０ｍＡ〜８０ｍＡとして定められるより狭い作業範囲である。ビーム電流が低すぎる場合、切削がほとんど行われず、ビーム電流が高過ぎる場合、クラック形成および結晶損傷が問題となってしまう。しかし、本発明者らは、ほとんどの電圧において、より速い切削速度を与えることから、より高いビーム電流が有利であることを見出した。さらに、本発明者らは、電子ビームを高スキャン速度で移動させることにより、超硬質材料のクラック形成および結晶損傷を起こすことなく、比較的高いビーム電流を利用することが可能であることも見出した。このため、ビーム電流は、好ましくは、５ｍＡ、１０ｍＡ、または１５ｍＡ以上であり、最も好ましくは、これらよりも非常に高く、特定の超硬質材料に対する最適値は、加速電圧３５ｋＶでは、約７０〜８０ｍＡ、６５ｋＶでは２０〜４０ｍＡの範囲である。このことは、結晶破壊および材料損失を低減するためにはビーム電流を１ｍＡ未満に低下させるべきと提案する米国特許第３，４１７，２２２号の教示事項と対照的である。
【００３４】
加速電圧は、１０ｋＶ〜２００ｋＶの範囲に入っていてよく、例えば、その他のビームパラメーターおよび切削される材料の正確な性質に応じて１５ｋＶ〜１２５ｋＶ、２０ｋＶ〜１００ｋＶ、２５ｋＶ〜７５ｋＶ、３０ｋＶ〜５０ｋＶ、または３５ｋＶ〜４５ｋＶとして定められるより狭い作業範囲である。加速電圧が低すぎる場合、切削がほとんど行われず、加速電圧が高過ぎる場合、クラック形成および結晶損傷が問題となってしまう。ビーム電流パラメーターについて上記で示した論理に従うと、より速い切削速度を得るには、より高い電圧が好ましいと期待され得る。しかし、本発明者らは、異なる加速電圧により、異なる切削機構がもたらされる場合があり、ＣＶＤ合成ダイヤモンドなどの特定の超硬質材料に対して、８０ｋＶ周辺で発生する異なる切削モード間にその移行領域が存在することを見出した。特に、約８０ｋＶを超える高い加速電圧では、非熱切削モードが観察され、それは、切削部内における激しい局所的破壊を伴う。得られる切削部は、ある程度ざらざらしているが、化学的には清浄である。対照的に、より低い加速電圧で作業され、通常は高いビーム電流でも作業される場合、熱切削モードが観察され、これは、平滑であるが、黒鉛化された切削部をもたらす。電圧を低下させると、高エネルギー電子の貫通深さおよび散乱が減少するため、より微細で平滑な切削部が可能となる。このため、微細で平滑な切削部が望まれる場合、加速電圧が８０ｋＶを大きく超えないことを確保することが有利であり、例えば、８０ｋＶ以下、好ましくはそれより大きく低い加速電圧であり、特定の超硬質材料に対する最適値は、約３５〜６５ｋＶの範囲内である。このことは、１３０ｋＶの加速電圧による電子ビームの使用を提案する米国特許第３，４１７，２２２号の教示事項とは対照的である。米国特許第３，４１７，２２２号は、非常に低いビーム電流と組み合わせて比較的高い加速電圧を用いることを教示していると考えられる。本発明者らは、米国特許第３，４１７，２２２号で教示される非常に低いビーム電流の場合に、このことが、ある程度ざらざらした切削部および比較的低い切削速度をもたらすことになると考える。対照的に、本発明の実施形態は、比較的低い加速電圧および高いビーム電圧を用いている。
【００３５】
ここまで、高ビーム速度が有利であり、特に、低加速電圧、高ビーム電流、および高度に平行化された電子ビームとの組み合わせで有利であると示してきた。加えて、電子ビームが超硬質材料の切削点に印加する入力ラインエネルギーは、充分な加熱および高い切削速度を達成するのに充分に高いが、クラック形成および結晶破壊が発生する程には高過ぎないものである必要がある。入力ラインエネルギーは、（加速電圧×ビーム電流）／（電子ビームスキャン速度×ビーム幅）で定義することができ、５００〜３００００Ｊｍ−１の範囲内に入っていてよく、例えば、８００Ｊｍ−１〜２５０００Ｊｍ−１、１１００Ｊｍ−１〜２００００Ｊｍ−１、１５００Ｊｍ−１〜１５０００Ｊｍ−１、２０００Ｊｍ−１〜１００００Ｊｍ−１、または３０００Ｊｍ−１〜５０００Ｊｍ−１として定められるより狭い範囲である。入力ラインエネルギーは、電子ビームスポットサイズに依存し、より微細（より高い輝度）な電子ビームには、より低い入力ラインエネルギーが必要である。
【００３６】
上記で考察した入力ラインエネルギーに加えて、表面エネルギー密度も、超硬質材料に対する最適な電子ビーム切削レジームを定めるための別の有用なパラメーターである。表面エネルギー密度は、電子ビームが切削の過程で超硬質材料に印加する単位面積あたりのエネルギーであり、（加速電圧×ビーム電流）／（電子ビームスキャン速度×ビーム幅）で定義され得るものであり、これは、（入力ラインエネルギー）／（電子ビーム幅）と同等である。表面エネルギー密度は、１０〜６００ＭＪｍ−２の範囲に入ってよく、例えば、１６ＭＪｍ−２〜５００ＭＪｍ−２、２２ＭＪｍ−２〜４００ＭＪｍ−２、３０ＭＪｍ−２〜３００ＭＪｍ−２、４０ＭＪｍ−２〜２００ＭＪｍ−２、または６０ＭＪｍ−２〜１００ＭＪｍ−２として定められるより狭い範囲である。このパラメーターは、超硬質材料の切削点に送られる表面エネルギー密度が、加速電圧およびビーム電流の増加と共に増加し、電子ビームスキャン速度およびスポットサイズの増加と共に減少するという事実を反映している。表面エネルギー密度が、１０ＭＪｍ−２よりも低い場合、少なくとも特定の超硬質材料において切削が実質的に行われないことが見出された。逆に、表面エネルギー密度が、６００ＭＪｍ−２を超える場合、少なくとも特定の超硬質材料において、クラック形成および結晶破壊が発生することが見出された。理想的には、表面エネルギー密度は、高切削速度を達成するために可能な限り高くするべきであるが、クラック形成および結晶破壊が発生するほど高くしてはならない。
【００３７】
超硬質材料に対する最適な電子ビーム切削レジームを定めるためのなお別の有用なパラメーターは、（加速電圧×ビーム電流）／（電子ビームスキャン速度×１／２×切削幅×切削深さ）で定義される揮発材料の単位体積あたりのエネルギーであり、これは、切削断面をｖ字形状と仮定した場合の（入力ラインエネルギー）／（切削断面積）と同等である。既述の比較的高い表面エネルギー密度を提供することにより、揮発材料の単位体積あたりのエネルギーは減少し、従って、切削プロセスの効率が向上される。このことは、当然、表面エネルギー密度が高過ぎる場合にクラック形成および結晶破壊が発生するという事実と相殺されなければならない。このため、理想的には、表面エネルギー密度は、高切削速度および適切に低い揮発材料の単位体積あたりのエネルギーを達成するために、可能な限り高くするべきであるが、クラック形成および結晶破壊が発生するほど高くしてはならない。電子ビームを用いて超硬質材料の良質な切削を達成するためには、揮発材料の単位体積あたりのエネルギーは、（加速電圧×ビーム電流）／（電子ビームスキャン速度×１／２×切削幅×切削深さ）および／または（入力ラインエネルギー）／（切削断面積）で定義される揮発材料の単位体積あたりのエネルギーの範囲として、１００〜２５００ＧＪｍ−３の範囲に入っていてよく、例えば、１５０ＧＪｍ−３〜２３００ＧＪｍ−３、２００ＧＪｍ−３〜２０００ＧＪｍ−３、２５０ＧＪｍ−３〜１７００ＧＪｍ−３、３００ＧＪｍ−３〜１４００ＧＪｍ−３、３５０ＧＪｍ−３〜１１００ＧＪｍ−３、４００ＧＪｍ−３〜８００ＧＪｍ−３、または５００ＧＪｍ−３〜６００ＧＪｍ−３として定められるより狭い範囲である。
【００３８】
背景セクションで示したように、本発明の好ましい実施形態は、操縦可能電子ビームを用い、切削される超硬質材料を固定電子ビームに対して移動させるのではなく、電子ビームを制御および操縦することによって切削を行うものである。ハイパワー電子ビーム源は、現在、電子ビーム溶接装置で利用可能である。さらに、高スキャン速度電子ビーム切削技術は、部分的に、金属溶接用途のための電子ビームの電磁操縦、および高度に平行化され、所望に応じてパルス化されてよい電子ガンの開発を含む金属溶接分野での開発によって可能とされてきた。電子ビームの電磁制御により、超硬質材料の局所的な過熱および破壊を回避するために用いることができる非常に高速のビーム操作が得られる。驚くべきことに、金属溶接技術におけるこれらの開発を、超硬質材料の分野における切削用途に、切削性能の大幅な改善と共に移行可能であることが見出された。
【００３９】
図１は、上述した電子ビーム切削装置の主コンポーネントを示す簡略的な概略図を示す。この装置は、電子ガン２、ならびに点線および矢印で示されるように電子ビーム６を移動させるための電磁操縦構成４を含む。超硬質材料サンプル８は、電子ビーム６を電磁操縦構成４によってサンプル８全体にわたって移動させてサンプルを切削することができるような位置にて、サンプルホルダー１０上に搭載される。電子ガン２、電磁操縦構成４、サンプル８、およびサンプルホルダー１０は、真空チャンバー１２内に搭載される。使用時、装置は、そうでなければ電子ビーム６を散乱させてしまう種が、少なくとも電子ガン２とサンプル８との間の空間に存在しないように、脱気される。電子ガン２および電磁操縦構成４は、種々の切削ルーチンでプログラム可能であるコントローラー１４に接続される。
【００４０】
特に上述のように高速ビーム操作を提供するように構成される電子ビーム切削装置を用いる場合、４つの異なる切削モードが利用可能である。これらの４つの切削モードは：（ｉ）連続切削；（ｉｉ）ステッチング（stitching）；（ｉｉｉ）疑似パルス切削;または（ｉｖ）真パルスビーム切削（true pulsed beam cutting）を含む。これらの切削モードの各々について以下に記載する。
【００４１】
連続切削は、単一の超硬質材料サンプルの表面へ向けられ、単一の超硬質材料サンプル全体にわたって移動されてサンプルを切削する連続電子ビームの使用を含む。例えば、電子ビームは、単一サンプルの（１もしくは複数の）同じ切削ライン上を繰り返し移動されて、連続的な手法でサンプルを切削してよい。電子ビームパラメーターは、既述のように、単一の超硬質材料サンプルの過熱および破壊を回避するように制御される。
【００４２】
ステッチングは、連続切削の変形であり、この場合、一連の短パスが切削ラインに沿って互いに重なり合い、切削方向に沿って僅かなオフセット有して（すべてのパスで、または少なくとも周期的に）、全体として切削が進行する。これによって、エネルギー表面密度を例とする短い時間スケールのプロセスと、局所的体積加熱などのより長い時間スケールの効果とが別々に制御される。
【００４３】
疑似パルス切削も、超硬質材料サンプルの表面へ向けられ、サンプル全体にわたって移動されて切削ラインを形成する連続電子ビームの使用を含む。しかし、この場合、電子ビームは、サンプルから周期的に外されるか、または少なくともサンプルの異なる部分へ移動され、次に切削ラインへ戻されて切削が継続される。電子ビームを周期的に切削ラインから外すことにより、サンプルを、少なくとも切削ライン周囲において局所的に冷却することができ、従って、サンプルの破壊を引き起こす局所的な過熱の問題が軽減される。超硬質材料に切削ラインを形成する過程にて、電子ビームは、周期的にビームダンプ（beam dump）へ移動され、その後切削ラインへ戻されて切削が継続されてよい。しかし、この方法は、電子ビームが、ビームダンプへ向けられている間、まったく切削を行っていない時間を費やすために効率的ではなく、従って、切削時間が延長され、切削プロセスのパワー効率およびコストが低下する。
【００４４】
好ましい別の選択肢としての疑似パルス切削技術は、超硬質材料に第一の切削ラインを形成する過程にて、電子ビームを、超硬質材料の表面上の１つ以上の他の位置へ、または超硬質材料の別のサンプルへ周期的に移動させて１つ以上のさらなる切削ラインを形成し、その後第一の切削ラインへ戻して切削を継続することを含む。切削ライン間またはサンプル間の電子ビームの周期的なスイッチングにより、超硬質材料の１つ以上のサンプル表面における２つ以上の切削ラインでの並行切削が得られる。これは、電子ビームが大部分の時間を切削に費やすことから、非常に効率的な切削モードである。さらに、切削ライン間で電子ビームを周期的にスイッチングすることにより、各個別の切削ラインは、局所的に冷却する時間が与えられ、従って、サンプルの破壊を引き起こす局所的な過熱の問題が軽減される。そのような疑似切削技術はまた、エネルギー表面密度を例とする短い時間スケールのプロセス、および局所的体積加熱などのより長い時間スケールの効果の制御という意味での追加の自由度を得るために、ステッチング技術と組み合わされてもよい。
【００４５】
図２は、疑似パルス切削モードでの電子ビーム切削装置の使用を示す簡略的な概略図を示す。主コンポーネントは、図１に示されるものと同じであり、同じ部分には同じ符号を用いた。図２での相違点は、複数の超硬質材料サンプル８（ａ）〜８（ｄ）がサンプルホルダー１０上に搭載されていることである。コントローラー１４は、サンプル８（ａ）の切削を開始し、周期的にサンプル８（ｂ）、８（ｃ）、および８（ｄ）の切削にスイッチングされ、その後に戻されてサンプル８（ａ）の切削を継続するようにプログラムされる。このため、サンプル８（ａ）〜８（ｄ）を、並行して加工することができる。既述したように、金属溶接用途のための電子ビームの電磁操縦の開発により、ビームが大部分の時間を切削に費やすように、ビームをサンプル間で非常に素早くスイングさせることができる。さらに、予めプログラムした切削ルーチンを用いてサンプル間でスイッチングすることにより、破壊に繋がる個々のサンプルの過熱を回避することができる。
【００４６】
第四の選択肢は、真パルス電子ビームを用いるものである。電子ビームのパルス化は、クラック形成および結晶破壊の問題を軽減する手段として米国特許第３，４１７，２２２号において提案されている。ビーム電圧および／もしくはビーム電流が周期的に減少または切断されるパルス化電子ビームは、本発明の実施形態でも用いられてよい。周期的に電子ビームを切断するか、または少なくとも加速電圧および／もしくはビーム電流を減少させることにより、超硬質材料が局所的に冷却される時間が得られる。しかし、それは切削速度も減少させ、従って、切削プロセスの効率が低下してしまう。米国特許第３，４１７，２２２号には、切削点に向けられるガス流を用いることで、パルス周波数を増加させ、それによって切削速度を高めることができると記載されている。すなわち、ビームが切断される時間を短縮することができる。本発明の実施形態では、超硬質材料の表面上の特定の点からビームが迅速に移動されることによっても局所的な熱の蓄積が軽減されることから、電子ビームが切断される時間をさらに短縮することができる。
【００４７】
パルス化電子ビームは、連続切削モードで既述した方法と類似の方法で、単一の超硬質材料サンプルの表面へ向けられ、単一の超硬質材料サンプル上を移動されて、サンプルが切削されてよい。別の選択肢として、パルス化電子ビームは、電子ビームを切削ライン間またはサンプル間で周期的にスイッチングさせることによる疑似パルス切削技術と組み合わされて、超硬質材料の１つ以上のサンプルの表面における２つ以上の切削ラインの並行切削が達成されてもよい。パルス化ビームはまた、既述のステッチング技術と共に用いられてもよい。
【００４８】
本発明の実施形態に従ってパルス化電子ビームが用いられ得ることが想定される場合、本発明の特定の実施形態の１つの有利な特徴は、非常に高い電子ビームスキャン速度を用い、および本明細書で述べるその他の電子ビームパラメーターを制御することによって、パルス化電子ビームを用いる必要なく、超硬質材料の良質な切削を達成できることであることには留意されたい。このことは有利であり、それは、電子ビームのパルス化が、ある割合の時間、電子ビームが切断され、切削が行われていないことを必然的に意味するからである。この結果、切削プロセスの効率が低下してしまう。このため、パルス化が望ましいのは、クラック形成および材料破壊を引き起こすことなく良質な切削を達成するのに充分に他のビームパラメーターが良好に制御されない場合だけであり得る。すなわち、パルス化は、他のビームパラメーターが充分良好に制御されない場合、および／または疑似パルス化（pseudo-pulsing）のために必要である制御が得られない場合に、パラメーター範囲の適切なウィンドウ内に切削作業を維持するための別の自由度を提供することができる。
【００４９】
本明細書で述べる電子ビーム切削法を用いて、様々な超硬質材料を切削することができ、以下の１つ以上：ダイヤモンド材料；立方晶窒化ホウ素材料；サファイヤ；または前述の超硬質材料の１つ以上およびバインダーを含むコンポジット材料、が挙げられる。例えば、超硬質材料は、少なくとも５０重量％、６０重量％、７０重量％、８０重量％、９０重量％、９５重量％、または９９重量％のダイヤモンド材料を含んでよい。そのような材料としては、単結晶ダイヤモンド（ＨＰＨＴ、ＣＶＤ、または天然）、多結晶ダイヤモンド（例：多結晶ＣＶＤダイヤモンド）、ナノ多結晶ダイヤモンド（例：超高圧高温ナノ多結晶ダイヤモンド）、金属バインダー相を含む多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）、およびケイ素結合ダイヤモンド（ＳｃＤ）が挙げられる。既述のように、ダイヤモンド含有超硬質材料の場合、ダイヤモンド材料が熱切削モードを介して切削されて、切削領域の側面に黒鉛の被覆が形成されるように、８０ｋＶ以下の加速電圧で電子ビームを用いることが有利であることが見出された。
【実施例】
【００５０】
電子ビームパラメーターを変化させ、電子ビームスキャン速度を大きく増加させることにより、種々の超硬質材料の切削速度が、劇的に増加された。多くの制御可能で非常に高速の切削（レーザー切削速度の２０ｍｍｓ−１未満と比較して、最大３０００ｍｍｓ−１まで）が、多結晶ＣＶＤダイヤモンド（ＣＶＤＰ）で行われた。本発明者らは、単結晶ＣＶＤダイヤモンド（ＣＶＤＳＣ）、ならびにＰＣＤ（ダイヤモンドコバルト成形材料）、ＡＢＮ（立方晶窒化ホウ素と窒化アルミニウムとの多結晶コンポジット）、およびＳｃＤ（ケイ素結合ダイヤモンドコンポジット材料）などのコンポジット材料を含むその他の超硬質材料の切削にも、類似の条件を用いることができることも実証した。
【００５１】
発明者らによって実施された実験に基づくと、多結晶および単結晶ＣＶＤダイヤモンド、ＰＣＤ、ＡＢＮ、ならびにＳｃＤはすべて、本発明に従って、高切削速度での制御された切削を行うことができる。以下の表は、６５ｋｅＶの加速電圧および２０ｍＡのビーム電流を持つ電子ビームを用いるいくつかの選択された例を示す。単一切削パスに対する切削幅および深さを列挙する。
【００５２】
【表１】
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【００５３】
異なるスキャン速度、ビームスポットサイズ、加速電圧、電流、エネルギー入力率（energy input rates）、およびエネルギー密度について調べ、本明細書で述べる最適切削条件を特定した。さらに、いくつかの超硬質材料において、これらのパラメーターと切削速度との間に傾向が見出された。なおさらに、これらのパラメーターと、切削機構および切削品質との間にも傾向が見出された。例えば、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を１３０ｋｅＶで切削する場合、８００Ｊｍ−１を超える入力ラインエネルギーでは、熱切削機構が得られ、１６００Ｊｍ−１を超えると、マクロクラック形成が発生する。８００Ｊｍ−１未満の入力ラインエネルギーでは、マイクロ破壊切削機構が発生し、５００Ｊｍ−１未満のよりも低い入力ラインエネルギーでは、切削が発生しない。しかし、６５ｋｅＶでは、２５０００Ｊｍ−１を超える入力ラインエネルギーであっても、マクロクラック形成は見られず、熱切削開始の閾値は、約８５０〜１３３０Ｊｍ−１であると思われる。深さ２５０μｍにわたる単一パス切削を、約５０ｍｍｓ−１のスキャン速度で行うことができ、これは、典型的なレーザーによるＣＶＤダイヤモンド切削よりも３倍の深さであり、１０倍のスキャン速度である。この結果、全体として、３０倍速い切削速度の改善が得られた。より高いビーム電流を用い、７５０ｍｍｓ−１のスキャン速度で切削する場合、およそ６８μｍの深さの単一パス切削を行うことができ、これは、レーザー切削と比較して、深さは僅かに０．７５倍であるが、スキャン速度は、１５０倍速い。この結果、全体として、１００倍速い切削速度の改善が得られた。
【００５４】
図３〜６は、本発明に従って作製された切削部のいくつかの例の写真を示す。
【００５５】
図３は、多結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の成長面における切削部の平面図を示し、黒鉛化が示されるが、マクロまたはマイクロクラック形成の証拠は示されていない。切削部は、深さ９４μｍ、幅１２５μｍである。１５００ｍｍｓ−１のビームスキャン速度を用いる場合、８６７Ｊｍ−１の入力ラインエネルギーが、熱切削を引き起こすには充分であるが、サンプルに熱ショックおよびクラックを起こす程充分ではないことが見出された。
【００５６】
図４は、加速電圧１３０ｋｅＶ、ビーム電流２０ｍＡ、およびスキャン速度３２００ｍｍｓ−１を持つ電子ビームを用いた多結晶ＣＶＤダイヤモンド材料の表面における切削部の平面図を示す。切削部は、深さ５５μｍ、幅１１０μｍである。切削部は、黒鉛化もマクロクラック形成もその証拠を示しておらず、切削機構は、入力ラインエネルギー（この場合は、８１３Ｊｍ−１）が、サンプルを加熱して黒鉛化を引き起こすには不充分である場合に発生するマイクロ破壊単独によるものであると考えられる。
【００５７】
図５は、加速電圧６５ｋｅＶおよびビーム電流２０ｍＡを持つ電子ビームを用いた自立（free-standing）ＰｃＤに作製した切削部の平面図を示す。図６は、図５に示される切削部の側面図であり、切削部が「ｖ字型溝」の断面形状を有することを示している。
【００５８】
本発明を、好ましい実施形態を参照して特に示し、記載してきたが、当業者であれば、添付の請求項で定められる本発明の範囲から逸脱することなく、形式および詳細事項に種々の変更が成されてよいことは理解されるであろう。
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図３】
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【図４】
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