(57)【要約】  化学気相蒸着による単結晶ダイヤモンドの形成方法であって、（ａ）少なくとも一つのダイヤモンドのシードを提供すること、（ｂ）ダイヤモンドを成長させるための炭素含有ガスおよび水素と、窒素含有ガスとを含む反応ガスを供給することを含む、化学気相蒸着によりダイヤモンドを成長させるための条件にシードを曝露すること、（ｃ）ダイヤモンドが、内包物なしに欠陥のないステップを有するように、ステップ成長できるように、反応ガス中の他のガスに対する窒素含有ガスの量を制御することを含む、方法。窒素は、０．０００１〜０．０２体積％の範囲に存在する。ジボランは、０．００００２〜０．００２体積％の範囲に存在することもできる。炭素含有ガスは、メタンであり得る。
2011524847.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学気相蒸着による単結晶ダイヤモンドの形成方法であって、
（ａ）少なくとも一つのダイヤモンドのシードを提供すること、
（ｂ）ダイヤモンドを成長させるための炭素含有ガスと、窒素含有ガスとを含む反応ガスを供給することを含む、化学気相蒸着によりダイヤモンドを成長させるための条件にシードを曝露すること、
（ｃ）ダイヤモンドが、欠陥やグラファイト内包物なしにステップ成長できるように、反応ガス中の他のガスに対する窒素含有ガスの量を制御すること
を含む、方法。
【請求項２】
前記反応ガス中の窒素含有ガスの量は、０．０００１〜０．０２体積％の範囲である、請求項１に記載の単結晶ダイヤモンドの形成方法。
【請求項３】
ジボランを反応ガス中にさらに含む、請求項１に記載の単結晶ダイヤモンドの形成方法。
【請求項４】
前記ジボランは、０．０００２〜０．００２体積％の範囲に存在する、請求項３の単結晶ダイヤモンドの形成方法。
【請求項５】
前記窒素含有ガスは、水素中の窒素、酸素中の窒素、ヘリウム中の窒素、いずれかまたは窒素酸化物中の窒素、およびジボラン中の窒素からなる群より選択される、請求項１に記載の形成単結晶ダイヤモンドの形成方法。
【請求項６】
前記化学蒸着は、７５０〜１２００℃の範囲の温度でシードを維持することを含む、請求項１に記載の単結晶ダイヤモンドの形成方法。
【請求項７】
前記化学蒸着は、１２０〜の１６０ミリバール範囲の圧力でシードを維持することを含む、請求項１に記載の単結晶ダイヤモンドの形成方法。
【請求項８】
前記炭素含有ガスはメタンを含む、請求項１に記載の単結晶ダイヤモンドの形成方法。
【請求項９】
前記反応ガスは、さらに水素を含む、請求項１に記載の単結晶ダイヤモンドの形成方法。
【請求項１０】
前記化学蒸着は、マイクロ波プラズマの存在下で、反応ガス中の水素により発生する、請求項１に記載の単結晶ダイヤモンドの形成方法。
【請求項１１】
前記マイクロ波プラズマは、６０００ワット、２．４５ＧＨｚで動作するマグネトロンによって生成される、請求項１０に記載の単結晶ダイヤモンドの形成方法。
【請求項１２】
前記反応ガスは、約３０ｌ／時間のガス流量で反応チャンバーを通過する、請求項１に記載の単結晶ダイヤモンドの形成方法。
【請求項１３】
前記シードは（１００）結晶配向に配向される、請求項１に記載の単結晶ダイヤモンドの形成方法。
【請求項１４】
前記反応ガスは、メタン：２０〜８０  ＳＣＣＭ（標準立方センチ／分）、水素：３００〜８００  ＳＣＣＭ、窒素：０．０００５〜０．２  ＳＣＣＭ、ジボラン：０．０００１〜０．０１  ＳＣＣＭ、及び酸素：１〜１０  ＳＣＣＭの相対量である、請求項１に記載の単結晶ダイヤモンドの形成方法。
【請求項１５】
前記ダイヤモンドのシードサイズは３×３ｍｍ×０．５ｍｍの間である、請求項１に記載の単結晶ダイヤモンドの形成方法。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれかの一項に記載の方法により製造される、ダイヤモンド。
【請求項１７】
前記ダイヤモンドは宝石品質のダイヤモンドである、請求項１６のダイヤモンド。
【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の成長方法に関連する。 特に本発明は、化学気相蒸着（ＣＶＤ）プロセスによるダイヤモンドの成長に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
多結晶だけでなく、単結晶のダイヤモンドは、さまざまなＣＶＤ技術を使って成長される。単結晶ダイヤモンドと同様の性質を有するにもかかわらず、多結晶ダイヤモンドは、新たな用途のための潜在的な材料ではない。
【０００３】
例えば、多結晶ダイヤモンドの熱伝導率は、まだ天然ダイヤモンドの熱伝導率を超えていない。実際には、結晶粒界は、フォノンの散乱中心として振舞い、結果として熱特性およびその他の特性を劣化させるため、多結晶ダイヤモンドでは、結晶粒界は、ダイヤモンドに固有の表面特性の露出を阻害する。高角粒界だけでなく、小角粒界の存在は、多結晶ダイヤモンドの利用における主な欠点である。
【０００４】
利用における単結晶ダイヤモンドを使用する明確な優先順位はないが、単結晶ダイヤモンドは、天然ダイヤモンドと同じような構造、透明度、純度、および仕上げを有するように成長させるのは困難である。単結晶ダイヤモンドは、多結晶ダイヤモンドと比較して優れた特性を有し、微視的および巨視的グラファイト内包物、ならびに非グラファイト内包物、羽（長手方向の欠陥）は、ＣＶＤ成長させた単結晶ダイヤモンドでは、非常に一般的である。その結果、宝石品質の製品として使用される、ＣＶＤ成長させたダイヤモンドの単結晶の可能性は減少する。
【０００５】
ラマン分光とＸ線回折（ＸＲＤ）による、単結晶ＣＶＤ成長させたダイヤモンド内の欠陥の詳細な解析は、単結晶ダイヤモンド以外は、欠陥が、サブミクロン〜数ミクロンの範囲のサイズを有するグラファイト領域を有することを明らかにした。
【０００６】
単結晶ＣＶＤダイヤモンドを成長させる上でのもう一つの問題は、成長率である。７０〜１００ミクロン／時間の成長率では、ＣＶＤガスに窒素を添加することもできるが、しかし、欠陥が蔓延し、かつ一般的に欠陥密度は成長率と共に増加する。
【０００７】
日本国特許第０７２７７８９０号のＤｅｒｗｅｎｔの要約は、半導体、電子部品もしくは光学部品、または切削工具用のダイヤモンドを合成する方法を開示している。具体的には、日本国特許第０７２７７８９０号に開示されている方法は、水素に対する窒素の割合が３〜１０００ ｐｐｍで含まれる窒素、または炭素に対する酸素の割合が３〜１００％で含まれる酸素を含む、気体の存在下でダイヤモンドを成長させて、成長率を高めることを含む。
【０００８】
Ｙａｎ等による技術論文（ＰＮＡＳ，１ Ｏｃｔｏｂｅｒ  ２００２，Ｖｏｌ．９９， ｎｏ． ２０，１２５２３‐１２５２５）は、５０〜１５０ミクロン／時間の範囲の成長率で、マイクロ波プラズマ化学気相蒸着（ＭＰＣＶＤ）による単結晶ダイヤモンドの製造方法を開示している。
【０００９】
該方法は、１５０トルで行われるＣＶＤプロセスを含み、かつメタンに対する窒素の比が１〜５％Ｎ２／ＣＨ４となるように、ＣＶＤガスに窒素を添加することを含む。Ｙａｎ等は、より使用可能な成長部位が作成されるため、所定の比率の窒素は、成長率を高めると考えられている。これは、成長の＜１１１＞結晶面から＜１００＞結晶面への変更を引き起こす結果であると考えられている。
【００１０】
ＣＶＤガス中の窒素含有量の重要性は、所望の利用にカスタマイズした特性を有するダイヤモンドを成長させる方法を教示している、米国特許第５０１５４９４号（Ｙａｍａｚａｋｉ）で認識されている。
【００１１】
Ｙａｍａｚａｋｉは、電子サイクロトロン共鳴ＣＶＤによってダイヤモンドを形成することを開示し、また「外部または内部応力により、成長の格子欠陥を防ぐため」に窒素を添加することを開示している。窒素は、炭素化合物ガスに対する窒素化合物ガスの割合が０．１〜５％で、添加される。得られたダイヤモンドは、０．０１〜１重量％の窒素濃度を有する。
【００１２】
また、Ｙａｍａｚａｋｉは、基板上に蒸着されて、形成されたダイヤモンドの基板への密着性を向上させる、窒化ホウ素を形成するためのＣＶＤガスに、ホウ素ガスを添加するための必要条件を開示している。
【００１３】
Ｙａｎ等、及びＹａｍａｚａｋｉによると、窒素は、２つの目的のために必要である。具体的には、窒素は、ＣＶＤ成長単結晶ダイヤモンドの成長率を高めるために、かつ、電子サイクロトロン共鳴におけるＣＶＤ成長単結晶ダイヤモンドの格子欠陥を防止するために使用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、実質的に欠陥のない単結晶ダイヤモンドを成長させるためのＣＶＤプロセスを提供することである。
【００１５】
出願人は、随意に窒素に加えたジボランが、単結晶ダイヤモンドを成長させるためのＣＶＤプロセスで果たす役割について、大規模な実験的研究を行ってきた。実験研究は、Ｙａｎ等およびＹａｍａｚａｋｉが提案した量の窒素を使用すると、微小亀裂、微小内包物などの、窒素ベースの欠陥を示すダイヤモンドの成長をもたらすことを発見した。実験研究は、随意にジボラン、酸素、ヘリウムを加えた、ＣＶＤガス中のごく少量の窒素ガスが、宝石に有用であり、かつ非常に高品質の、実質的に無欠陥の単結晶ダイヤモンドをもたらすこと、および出願人が同定した、有益となる窒素及びジボランの量は、Ｙａｍａｚａｋｉが開示した窒素に対する炭素の比率よりかなり低いことも発見した。
【００１６】
具体的には、出願人は、ガス混合物中に比較的少量の窒素、及び随意に加えたジボランを含むＣＶＤガスは、ダイヤモンドの単結晶の色の劣化や純度につながる、Ｃ−ＮおよびＣ−Ｂ−Ｎ結合に関連する光学中心が形成されたダイヤモンドをもたらすことを発見した。混合ガス中の高濃度の窒素は、結晶中の微小内包物と亀裂成長をもたらす。窒素−炭素、炭素−炭素、及びホウ素−炭素間の結合距離の違いにより、欠陥はフォノン散乱中心として作用し、これにより形成された単結晶ダイヤモンドの電気的、光学的および機械的特性を損なう。
【００１７】
内包物の形態は、ＣＶＤガス中の窒素の濃度に依存すると考えられている。
【００１８】
また、出願人は、比較的少量の窒素が必要ではあるが、成長率を高めるには、ＣＶＤガス中に随意のジボランガスと共にある程度の窒素が存在する必要があること、及びＣＶＤプロセスによって蒸着されたダイヤモンドにおいてグラファイト内包物の形成を防ぐのに有利であることを発見した。
【００１９】
本発明は、化学気相蒸着による単結晶ダイヤモンドの形成方法であって、
（ａ）少なくとも一つのダイヤモンドのシードを提供すること、
（ｂ）ダイヤモンドの成長用の炭素含有ガスを含み、かつガス窒素含有ガスを含む反応ガスを供給することを含む、化学気相蒸着によりダイヤモンドを成長させるための条件にシードを曝露すること、および
（ｃ）ダイヤモンドが、欠陥やグラファイト内包物なしにステップ成長できるように、反応ガス中の他のガスに対する窒素含有ガスの量を制御すること
を含む方法を提供する。
【００２０】
反応ガス中の窒素含有ガスの量は、０．０００１〜０．０２体積％の範囲であり得る。
【００２１】
反応ガスは、ジボランをさらに含むことができる。
【００２２】
ジボランは、０．００００２〜０．００２体積％の範囲で存在させることができる。
【００２３】
それゆえ、本発明により、出願人は、比較的少量の、および随意にＣＶＤガス中にジボランガスと共に窒素を使用することは、ダイヤモンドの成長機構を、ダイヤモンドの層が、エッジを有し、ステップで定義され、フロントとしてエッジで成長する、ステップ成長機構とすることを引き起こすことを発見した。この成長機構は、典型的なＣＶＤプロセスであり、かつＣＶＤのガス中の窒素を比較的大量に利用する可能性のある、層成長機構とは異なる。
【００２４】
本出願に詳細に述べられている窒素とジボランの量を有するステップ成長機構によって成長した単結晶ダイヤモンドは、ミクログラファイトおよびマクログラファイト内包物、中でも注目すべきは窒素ベースの内包物、並びに層成長によるダイヤモンドの成長に関連する欠陥がない。その結果、ステップ成長機構よって成長したダイヤモンドは、おそらく高濃度の窒素をガス混合物で使用するため、層成長によって成長したダイヤモンドと比較して、電気的光学的および機械的性質が強化している。
【００２５】
成長したダイヤモンド内で形成されるグラファイト内包物を回避するために、少なくとも少量の窒素がＣＶＤガスに含まれる必要がある。
【００２６】
好ましくは、反応ガス中の窒素およびジボラン含有ガスの量は、０．００００２〜０．０２体積％の範囲である。
【００２７】
好ましくは、窒素含有ガスは、水素中のＮ２、酸素中のＮ２、ヘリウム中のＮ２、または亜酸化窒素中のＮ２、およびジボラン中のＮ２からなる群より、１つ以上が選択される。
【００２８】
好ましくは、化学蒸着条件は、７５０〜１２００℃の範囲の温度でシードを維持することを含む。
【００２９】
好ましくは、化学蒸着条件は、１２０〜１６０ミリバールの範囲の圧力でシードを維持することを含む。
【００３０】
好ましくは、炭素含有ガスはメタンを含む。
【００３１】
好ましくは、反応ガスは、水素も含む。
【００３２】
好ましくは、化学蒸着は、マイクロ波プラズマの存在下で発生し、反応ガス中の水素により発生する。
【００３３】
好ましくは、反応ガスは、以下の相対量である：メタン２０〜８０  ＳＣＣＭ（標準立方センチ／分）、水素は３００〜８００ＳＣＣＭ、窒素０．０００５〜０．２  ＳＣＣＭ、ジボラン０．０００１〜０．０１  ＳＣＣＭ、酸素１〜１０  ＳＣＣＭ。本発明はまた、本発明の方法に従って形成された宝石品質の単結晶ダイヤモンドを提供する。
【００３４】
好ましくは、本方法は、宝石品質のダイヤモンドを製造することを特徴とする。
【００３５】
好ましくは、シードは（１００）結晶配向で配向されなければならない。
【００３６】
２ｍｍの厚さまでシード上に成長させたダイヤモンドは、（１００）結晶配向に正確に配向されていないが、配向性を失い、かつ他の結晶配向も存在している。
【００３７】
我々は、２ｍｍを超える厚さに成長したダイヤモンドの結晶配向をチェックし、その結果、他の結晶配向も少量で存在することができることを見出した。図１０は、（ａ）ＣＶＤ、（ｂ）それぞれの市販のＨＰＨＴダイヤモンド単結晶、および（ｃ）色座標の配向マッピングイメージを示す。
【００３８】
図１１は、（ａ）ＣＶＤ、および（ｂ）ＨＰＨＴダイヤモンド単結晶のＥＢＳＤ（１００）逆極点図を示す。これらの写真は明らかに、他の配向を含む小さな領域も存在していることを示している。
【００３９】
しかしながら、０．５ ｍｍの初期層は、（１００）結晶配向およびその他の配向が存在しない。ダイヤモンドの結晶が成長するにつれ、小さな配向の粒も形成されるため、配向が失われる。
【００４０】
本発明の好ましい実施形態は、以下の添付図面を参照して、一例としてのみ説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】ＣＶＤガス中に０．０００２〜０．００２％の範囲で含まれる窒素を利用した、ＣＶＤプロセス中に蒸着されたダイヤモンドのフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）スペクトルである。混合物中のジボラン流は、０．０００１〜０．０００５％で保持される。５００〜１５００ｃｍ−１で、ＢＮのバンド、およびＮに関連するピークが存在しないことに注意されたい。
【図２】ジボラン０．０００８〜０．００１％と共に、ＣＶＤガス中に０．００５〜０．００２％の範囲で含まれる窒素を利用した、ＣＶＤプロセス中に蒸着されたダイヤモンドのＦＴＩＲスペクトルを示す。
【図３】本発明ＣＶＤプロセスで蒸着され、かつＣＶＤガス中に０．００５〜０．００２％の範囲で含まれる窒素と、混合物中に０．００００５〜０．０００５％に保たれているジボラン流とを利用した、ダイヤモンドの発光スペクトルである。０．００７ＳＣＣＭの最低流量について（０．００１２体積％）、５７５ｎｍでのピークは窒素中心部に対応する。これは、本発明に従って作成した試料は、窒素を含まないわけではないが、実質的により少ない窒素中心欠陥を有することを示す。欠陥の濃度は、体積％中の窒素流が増加するにつれて増加する。
【図４】本発明に従った、０．０２％の窒素と０．００１％のジボランを含むＣＶＤプロセスで成長したダイヤモンドと、ダイヤモンドのステップ成長を示す、高倍率での光学顕微鏡画像である。図４は、ＣＶＤガス中での窒素の流量が０．０３％の場合の、ダイヤモンドの試料の成長の画像である。成長している結晶中のステップが、明らかである。ステップは、本発明に従って成長するダイヤモンドのラインに沿う。
【図５】本発明に従った、０．０２％の窒素と０．００１％のジボランを含むＣＶＤプロセスで成長したダイヤモンドと、ダイヤモンドのステップ成長を示す、高倍率での光学顕微鏡画像である。ステップの成長は明らかである。しかしながら、ステップは清浄かつで連続してなく、不均一かつ欠陥を有していた。
【図６】本発明に従った、０．０２％の窒素と０．００１％のジボランを含むＣＶＤプロセスで成長したダイヤモンドと、ダイヤモンドのステップ成長を示す、高倍率での光学顕微鏡画像である。
【図７】０．０００１％のジボランと共に、０．０００５体積％〜０．０００８体積％の量の、ＣＶＤガス中の窒素を利用する、ＣＶＤプロセス中に蒸着されたダイヤモンドの光学顕微鏡写真である。光学顕微鏡写真は、ダイヤモンドの成長のステップ成長機構を示す。窒素は、本発明で指定されたよりも低く、かつ試料中のグラファイト（黒）内包物を生じさせる量で使用されている。
【図８】０．０００２％のジボランと共に、０．０００５体積％〜０．０００８体積％の量の、ＣＶＤガス中の窒素を利用する、ＣＶＤプロセス中に蒸着されたダイヤモンドの光学顕微鏡写真である。光学顕微鏡写真は、ダイヤモンドの成長のステップ成長機構を示す。窒素は、本発明で指定されたよりも低く、かつ試料中のグラファイト（黒）内包物を生じさせる量で使用されている。
【図９】本発明による０．００１２体積％の量のＣＶＤガス中の窒素を利用してＣＶＤプロセスにおいて蒸着された、ダイヤモンドの光学顕微鏡写真である。写真は、黒のグラファイト内包物を含まず、かつ等間隔のきれいな成長を示している。
【図１０】（ａ）ＣＶＤ、（ｂ）市販のＨＰＨＴダイヤモンド単結晶の配向マッピングイメージ、および（ｃ）色座標をそれぞれ示す。
【図１１】（ａ）ＣＶＤ、および（ｂ）ＨＰＨＴダイヤモンド単結晶のＥＢＳＤ（１００）逆極点図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
本発明の単結晶ダイヤモンドの成長方法は、マイクロ波プラズマを利用するＣＶＤプロセスが含まれる。
【００４３】
基板上に成長させるダイヤモンドは、３×３ｍｍ、及び５×５ｍｍの間でサイズが異なることがある、ダイヤモンドのシードを含む。この方法は、マイクロ波プラズマチャンバーで行われる。チャンバーのサイズに応じて、複数のシードは、本発明の一回実行中にダイヤモンドを成長させるために使用することができる。
【００４４】
シードの結晶配向が決定され、（１００）以外の配向を有するシードは排除される。（１００）の配向を有するシードは、ＣＶＤプロセスのための準備として、ミクロンオーダーの粗さで光学研磨仕上げされる。
【００４５】
一旦シードがチャンバー内に配置されていると、チャンバー内の温度は周囲温度から７５０〜１２００℃の範囲に増加し、かつチャンバー内の圧力は１２０〜１６０ミリバールの範囲の圧力に減少する。
【００４６】
チャンバーは、ダイヤモンドを成長させるガスが供給され、該ガスは、メタン（ＣＨ４）、水素（Ｈ２）、窒素（Ｎ２）、ヘリウム（Ｈｅ）を含み、かつ３０ｌ／時のガス流量でチャンバーを通過する。しかし、窒素ガスを、ジボラン、酸素、水素とヘリウムとの組み合わせでチャンバーに供給しても良い。
【００４７】
ダイヤモンドの成長のために、窒素およびジボランガスが、ガスの０．０００１〜０．０２体積％を含む量で供給される。
【００４８】
チャンバー内のガスから生成されたプラズマが、シードを囲むように、電界が適用される。電界は、６０００ワット、２．４５ ＧＨｚで、マグネトロンオペレーティングシステムにより生成される。生成された電界は、水素ガスをイオン化し、それによってダイヤモンドシードの近傍にプラズマを形成するようになる。これらのプロセスの条件下では、ダイヤモンドはダイヤモンドのシード上で成長する。
【００４９】
ダイヤモンドの成長パターンは、図３および５に示すように、段階的であるため、実質的に欠陥や不純物がないダイヤモンドを成長させることができる。
【００５０】
比較の方法では、窒素の供給が供給されたガスの０．００５〜０．０２体積％を含むように、すなわち、本発明によって供給される窒素の少なくとも１０倍の量の窒素を含むように変更された、同じプロセス条件が使用された。
【００５１】
試料のＦＴＩＲ分析は、試料中の窒素およびホウ素の濃度および結合を決定するために使用される。本発明によって、および窒素供給の変更によって成長した試料の赤外吸収スペクトルは、それぞれ図１および図２に示す。
【００５２】
本発明によって成長ダイヤモンドのＦＴＩＲスペクトル（図１）は、2つのフォノン領域で、１９７８ｃｍ−１、２０２６ｃｍ−１、２１６０ｃｍ−１、の基本的なＣＣのモードを示している。この興味深い結果は、しかしながら、窒素に関連するバンドは、これらの試料のＦＴＩＲスペクトルで観察されないということである。
【００５３】
０．００５〜０．０２％の範囲の窒素および０．０００８〜０．００１％の範囲のジボランで成長させた試料のＦＴＩＲスペクトル（図２）は、いくつかの典型的な窒素中心と共に、試料のホウ素−窒素中心の明確かつ強度の特徴（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）を示す。 具体的には、ホウ素−窒素中心に関連する強度のバンドは、１３７０ｃｍ− １で明らかである。１２１０ｃｍ−１および１２８０ｃｍ−１のバンドは、２０２６ｃｍ−１、ｃｍ−１、および１９７８ｃｍ−１のＣ−Ｃのバンドと共に窒素中心に属している可能性がある。ダイヤモンド試料中の窒素中心は、以下で詳細される多くの構成で存在し得る。
【００５４】
一原子置換：
【化１】
2011524847.tif 000003
【００５５】
１１３０ｃｍ−１および１３５０ｃｍ−１に存在するＦＩＴＲスペクトルの特性ピーク、およびＥＰＲは、２．００２４の「ｇ」値を与える。この中心は、０．００５〜０．０２％の範囲の窒素で成長した試料中の、弱い痕跡として１１００ｃｍ−１周辺に表示される。
【００５６】
「Ａ」凝集体：
【化２】
2011524847.tif 000004
【００５７】
４８０〜４９０ｃｍ−１と１２８２ｃｍ−１は、ＦＴＩＲにおけるＡ凝集体の特徴的なピークである。これらのピークは、本発明の窒素より大きい濃度の窒素で生成した試料については、図２で明らかである。Ａ凝集体はまた、本例の基板として使用された、天然ダイヤモンドの試料に高濃度で含まれている。
【００５８】
「Ｂ」凝集体：
【化３】
2011524847.tif 000005
【００５９】
ダイヤモンド内のＢ凝集体は、炭素原子とペアで４／８の窒素原子から成ると考えられている。これらのピークは、主に天然ダイヤモンドで明らかにされ、本発明の試料中には存在し得ない。
【００６０】
Ｎ３中心：
【化４】
2011524847.tif 000006
【００６１】
Ｎ３中心は赤外活性ではないため、図１と図２には表示されていない。しかし、Ｎ３中心は、４１５ｎｍのフォトルミネッセンス（ＰＬ）と、紫外分光法で、シャープなバンドを示している。この中心は、空孔（Ｖ）を囲む3つの窒素原子で構成されている。
【００６２】
- プレートレット（ｐｌａｔｅｌｅｔ）：
プレートレットはダイヤモンド格子に挿入された１つまたは２つの追加の原子層からなる。プレートレットの性質は未だにダイヤモンド格子で詳細に分析されている。ただし、対応する赤外バンドは、かなりの量の窒素を含むダイヤモンドにのみ観測されているという事実は、プレートレットが窒素を含み、かつ、おそらく部分的または完全に窒素で構成されていることを示唆している。プレートレットピークの位置は、試料間で１３５４〜１３８４ｃｍ−１の範囲で変化した。この位置の変化は、ＡおよびＢ凝集体の欠陥による、結晶への誘起歪みに対するプレートレットの感受性に起因する。プレートレット吸収の存在は、Ａ凝集体は、Ｂ凝集体を形成して拡散を開始することを示す。プレートレットのピーク位置が、プレートレットのサイズと逆相関している。
【００６３】
上記の結果から、０．００５〜０．０２％の範囲の流量の窒素で成長した試料中では、窒素は単一置換体および低濃度の凝集体の形で存在していると結論付けることができる。
【００６４】
フォトルミネッセンス分光法は、０．０００２〜０．００２体積％の窒素ガス流と、０．００００２〜０．０００５％のジボラン流とで生成した試料で実施された。分光の結果は図３に示し、また、窒素のＮ−Ｖ中心および（Ｎ−Ｖ）−中心に対応する６３９ｎｍ（１．９４ｅＶ）、および５７５ｎｍ（２．１４ｅＶ）のピークが示されている。従って、本発明に従って製造された試料は、窒素がないわけではないが、ＣＶＤガス中に比較的高濃度の窒素を使用したＹａｍａｚａｋｉの結果よりも、大幅に少ない窒素中心欠陥を有する。ホウ素は、窒素に光学的透明性と単結晶ダイヤモンドの純度の増加を補償するため、可能な限りホウ素中心は、ＰＬスペクトルでは見られなかった。
【００６５】
本発明の範囲内の窒素濃度で成長した試料の光学顕微鏡画像を、図４および図５の画像で示す。画像は倍率５００〜５０００の範囲で撮影され、またダイヤモンドの段階的な成長は、画像に示されるダイヤモンドの表面から明らかである。
【００６６】
図４は、ＣＶＤガス流中の窒素流が０．０３％で成長させた、ダイヤモンドの試料の画像である。成長している結晶中のステップは、図４で明らかである。ステップは、本発明に従って成長するダイヤモンドのラインに沿う。同じ試料の表面形態は、高密度のステップ成長が疑いもなく明白である、図５および６中で明らかである。
【００６７】
本発明の窒素流による成長した、試料の表面上のステップ成長の高密度は、図６にも明らかである。これらのステップ成長は、複数の材料の結晶成長プロセスで観察されるらせん転位に起因して存在し、かつ本発明の系によるダイヤモンドが、転位の補助を受けて、かつステップ成長機構で成長することの、明らかな特徴である。
【００６８】
ＣＶＤガス中の窒素を比較的少量に選択することは、ダイヤモンドの純度と品質が維持されることを保証する。窒素を比較的少量に選択することはまた、段階的な方法でのダイヤモンドの成長、すなわち、ステップで定義されるフロントとして成長するエッジを有するダイヤモンドの層をもたらす。ステップ成長の存在は、図４〜６で明白である。
【００６９】
０．００１ 体積％未満の窒素がＣＶＤガス中に存在している条件下では、ダイヤモンドは、ダイヤモンドの特性に有害な影響を与えるグラファイト内包物とともに成長する。
【００７０】
例えば、図７および図８は、それぞれジボランなしで、０．０００５体積％および０．０００８ 体積％の窒素でＣＶＤ成長させたダイヤモンド中のグラファイト内包物（暗部）を示す。図７および図８の各々において、ダイヤモンドの層中のステップは、不規則かつ不完全であり、かつグラファイト内包物の原因であると考えられている。
【００７１】
対照的に、０．０００８％ジボラン流を含む、本発明の０．００１２体積％の窒素を含むガス中で成長したＣＶＤダイヤモンドは、均一に等距離のステップが含まれており、また図９に示すように、実質的にグラファイト内包物がない。このようなダイヤモンドは、ＣＶＤガス中に０．００１体積％以上の窒素と共にジボランを含む、ＣＶＤプロセスの結果であると考えられている。
【００７２】
具体的には、窒素のこの閾値量は、不純物や欠陥が除かれたステップと共にダイヤモンドの成長を引き起こすことに不可欠であると考えられている。
【００７３】
ガス相の窒素の濃度が０．００１６体積％以上であると、ミクログラファイトおよびマクログラファイト内包物をもたらす。このような内包物や欠陥は、形成されたダイヤモンドの特性に悪影響を与える。
【００７４】
本発明で特定された窒素濃度領域でのステップ成長機構は、形成されたダイヤモンド中に取り込まれた欠陥および内包物の影響は小さく、その結果、形成されたダイヤモンドは実質的に欠陥および内包物がないため、有利であることが考えられる。このように形成されたダイヤモンドは、宝石の品質であり、かつＣＶＤ法により成長したダイヤモンドの他の形態と比較して、優れた電気的、光学的および機械的特性、並びに天然ダイヤモンドの特性に匹敵する特性を有する。
【００７５】
この先行技術は、オーストラリアまたは他の国において一般的な知識の一部を形成するため、本明細書内の任意の先行技術への参照は、承認または任意の形式の提案と解釈されず、かつ解釈されるべきではない。
【００７６】
本発明の精神および範囲から逸脱することなく、多くの変更を上記の本発明の好ましい実施の形態にすることができる。
【００７７】
本明細書中および特許請求の範囲中で使用される用語「ｃｏｍｐｒｉｓｅ」、またはその文法的な類義語は、「ｉｎｃｌｕｄｅ」という用語に相当し、かつ他の特性や要素の存在を除くと解釈されるものではないことが理解されるであろう。
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０（ａ）】
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【図１０（ｂ）】
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【図１０（ｃ）】
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【図１１（ａ）】
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【図１１（ｂ）】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年12月22日(2010.12.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学気相蒸着による、宝石級の単結晶ダイヤモンドの形成方法であって、
（ａ）少なくとも一つのダイヤモンドのシードを提供すること、
（ｂ）ダイヤモンドを成長させるための炭素含有ガスと、窒素含有ガスとを含む反応ガスを供給することを含む、化学気相蒸着によりダイヤモンドを成長させるための条件にシードを曝露すること、
（ｃ）ダイヤモンドが、欠陥やグラファイト内包物なしにステップ成長できるように、反応ガス中の他のガスに対する窒素含有ガスの量を制御すること
を含み、
前記反応ガス中の窒素含有ガスの量は、０．０００１〜０．０２体積％の範囲であり、ジボランを前記反応ガス中にさらに含む、方法。
【請求項２】
前記反応ガス中の前記ジボランは、０．００００２〜０．００２体積％の範囲に存在する、請求項１に記載の宝石級の単結晶ダイヤモンドの形成方法。
【請求項３】
前記窒素含有ガスは、水素中の窒素、酸素中の窒素、ヘリウム中の窒素、窒素酸化物中の窒素、およびジボラン中の窒素からなる群より選択されるいずれか一つ以上である、請求項１に記載の宝石級の単結晶ダイヤモンドの形成方法。
【請求項４】
前記化学蒸着は、７５０〜１２００℃の範囲の温度でシードを維持することを含む、請求項１に記載の宝石級の単結晶ダイヤモンドの形成方法。
【請求項５】
前記化学蒸着は、１２０〜１６０ミリバール範囲の圧力でシードを維持することを含む、請求項１に記載の宝石級の単結晶ダイヤモンドの形成方法。
【請求項６】
前記炭素含有ガスはメタンを含む、請求項１に記載の宝石級の単結晶ダイヤモンドの形成方法。
【請求項７】
前記反応ガスは、水素をさらに含む、請求項１に記載の宝石級の単結晶ダイヤモンドの形成方法。
【請求項８】
前記化学蒸着は、マイクロ波プラズマの存在下で、反応ガス中の水素により発生する、請求項１に記載の宝石級の単結晶ダイヤモンドの形成方法。
【請求項９】
前記マイクロ波プラズマは、６０００ワット、２．４５ＧＨｚで動作するマグネトロンによって生成される、請求項８に記載の宝石級の単結晶ダイヤモンドの形成方法。
【請求項１０】
前記反応ガスは、約３０ｌ／時間のガス流量で反応チャンバーを通過する、請求項１に記載の宝石級の単結晶ダイヤモンドの形成方法。
【請求項１１】
前記シードは（１００）結晶配向に配向される、請求項１に記載の宝石級の単結晶ダイヤモンドの形成方法。
【請求項１２】
前記反応ガスは、メタン：２０〜８０  ＳＣＣＭ（標準立方センチ／分）、水素：３００〜８００  ＳＣＣＭ、窒素：０．０００５〜０．２  ＳＣＣＭ、ジボラン：０．０００１〜０．０１  ＳＣＣＭ、及び酸素：１〜１０  ＳＣＣＭの相対量である、請求項１に記載の宝石級の単結晶ダイヤモンドの形成方法。
【請求項１３】
前記ダイヤモンドのシードのサイズは３×３ｍｍ〜５×５ｍｍの間である、請求項１に記載の宝石級の単結晶ダイヤモンドの形成方法。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかの一項に記載の方法により製造される、宝石級のダイヤモンド。
【国際調査報告】
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