(57)【要約】  ダイヤモンドの成長のための反応セルにおける多層構造が提供される。前記多層構造は、ダイヤモンド種結晶、前記ダイヤモンド種結晶の上に設けられた、第１の濃度の炭素を含む第１の金属触媒層、前記第１の金属層の上に設けられた、前記第１の濃度よりも高い第２の濃度の炭素を含む第２の金属触媒層、及び前記第２の金属層の上に設けられた炭素源層を含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンドの成長のための反応セルにおける多層構造であって、
ダイヤモンド種結晶と、
前記ダイヤモンド種結晶の上に設けられた第１の金属触媒層であり、第１の濃度の炭素を含む、第１の金属触媒層と、
前記第１の金属層の上に設けられた第２の金属触媒層であり、前記第１の濃度よりも高い第２の濃度の炭素を含む、第２の金属触媒層と、
前記第２の金属層の上に設けられた炭素源層と
を含む、多層構造。
【請求項２】
前記ダイヤモンド種結晶及び前記第１の金属触媒層の下に設けられた種パッドをさらに含む、請求項１に記載の多層構造。
【請求項３】
前記ダイヤモンド種結晶と前記第１の金属触媒層との間に設けられた銅箔と、
前記炭素源層の上に設けられたセラミック層と
をさらに含む、請求項２に記載の多層構造。
【請求項４】
前記第１の金属触媒層が前記種パッドの上における複数の結晶の成長を抑制し、前記第２の金属触媒層が前記ダイヤモンド種結晶の溶解を抑制する、請求項２に記載の多層構造。
【請求項５】
前記第１の金属触媒層中の低炭素濃度によって複数の結晶の自然成長が約２８％から約４．９％に低減される、請求項４に記載の多層構造。
【請求項６】
前記第２の金属触媒層中の高炭素濃度によって平均ダイヤモンド成長重量が約２．５５ｃｔから約２．８０ｃｔに増大する、請求項４に記載の多層構造。
【請求項７】
反応セルの中で発生する温度勾配を用いて初期のダイヤモンド成長を安定化させるための反応セルにおける多層金属溶媒触媒であって、
第１の炭素濃度を有し、ダイヤモンド種結晶の上に位置する第１の金属層と、
前記第１の炭素濃度よりも高い第２の炭素濃度を有し、前記第１の金属層の上に位置する第２の金属層と
を含む、多層金属溶媒触媒。
【請求項８】
ダイヤモンド種結晶を用意するステップと、
前記ダイヤモンド種結晶の上に第１の濃度の炭素を含む第１の金属触媒層を堆積させるステップと、
前記第１の金属層の上に前記第１の濃度よりも高い第２の濃度の炭素を含む第２の金属触媒層を堆積させるステップと、
前記第２の金属層の上に炭素源層を堆積させるステップと、
ダイヤモンドを成長させるために充分な温度及び圧力を適用するステップと
を含む、ダイヤモンドを成長させる方法。
【請求項９】
前記ダイヤモンド種結晶及び前記第１の金属触媒層の下に設けられた種パッドをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記ダイヤモンド種結晶と前記第１の金属触媒層との間に銅箔を設けるステップと、
前記炭素源層の上にセラミック層を堆積させるステップと
を、温度及び圧力を適用する前にさらに含む、
請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の金属触媒層が前記種パッドの上における複数の結晶の自然成長を抑制し、前記第２の金属触媒層が前記ダイヤモンド種結晶の溶解を抑制する、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の金属触媒層中の低炭素濃度によって複数の結晶の自然成長が約２８％から約４．９％に低減される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第２の金属触媒層中の高炭素濃度によって平均ダイヤモンド成長重量が約２．５５ｃｔから約２．８０ｃｔに増大する、請求項１１に記載の多層構造。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［発明の背景］
［発明の分野］
本主題は一般に、ダイヤモンドを成長させるための反応セルにおける多層構造及び前記多層構造を形成させる方法に関し、特に温度勾配法によって初期のダイヤモンド結晶成長を安定化させるための多層金属溶媒触媒を含む多層構造及び前記多層構造を形成させる方法に関する。
【０００２】
［関連技術］
温度勾配法による高温高圧プロセスを用いてダイヤモンド結晶を成長させることは当技術分野で一般に公知であり、たとえば米国特許第４，０３４，０６６号に記載されている。その後の大規模生産の結果として、成長したダイヤモンドは放熱板、超精密切削工具、その他の加工製品として市販されている。
【０００３】
ダイヤモンドの成長プロセスには、炭素源としてのグラファイト、ダイヤモンドの種結晶、及び溶媒金属を含む反応セルが含まれる。溶媒金属は炭素源を種結晶から分離する。ダイヤモンド結晶の成長の間、炭素源は加熱により溶媒金属に溶解し、炭素源と種結晶との間に温度勾配が存在する。種結晶の上でのダイヤモンド結晶の成長を可能にするため、温度及び圧力が制御される。圧力及び温度を極めて慎重に調節し、長い成長時間で小さな温度勾配を用いることによって、より大きなダイヤモンドを製造することができる。しかし、結晶寸法を大きくすることを試みると、溶融した触媒−溶媒金属の下面においてダイヤモンド結晶の自然核形成が起こる強い傾向が見られた。これは重大な問題に発展する。それは、種ダイヤモンドの付近で発生するダイヤモンドの核形成が種ダイヤモンドからの成長と競合し、それにより複数の結晶が発生し、それが成長するにつれて衝突するからである。さらに、金属溶媒の組成が適正でないと、種ダイヤモンドが溶解し、そのため種結晶からの成長が全く起こらないことがある。
【０００４】
ダイヤモンドを成長させるための従来技術においては、溶媒触媒の組成が固定された単一層金属触媒が用いられている。単一層金属触媒のみの場合の不利な点は、温度及び／又は圧力を精密に制御することによってのみ、高品質のダイヤモンド単結晶の成長が達成できることである。温度が高過ぎれば種ダイヤモンドは完全に溶解し、それによりダイヤモンドの成長は得られないことになる。一方、温度が低過ぎれば、自然核形成の傾向が増大することになる。生産性を上げるためには、温度勾配はできるだけ高く設定することが好ましい。しかしこれにより、自然核形成の傾向が増大することになる。したがって、単一層金属触媒を採用した従来技術によれば、高品質のダイヤモンド結晶を得るための操作可能な圧力／温度の範囲は狭い。市販の高圧高温（ＨＰＨＴ）ダイヤモンドの生産のためには、高品質のダイヤモンド結晶成長のための操作範囲を広くすることが好ましい。
【０００５】
［発明の概要］
本主題は、ダイヤモンドの成長のための反応セルにおける多層構造及び前記多層構造を形成させる方法を提供する。前記多層構造は、ダイヤモンド種結晶と、前記ダイヤモンド種結晶の上に設けられた、第１の濃度の炭素を含む第１の金属触媒層と、前記第１の金属層の上に設けられた、前記第１の濃度よりも高い第２の濃度の炭素を含む第２の金属触媒層と、前記第２の金属層の上に設けられた炭素源層とを含む。
【０００６】
１つの態様によれば、本主題は、前記ダイヤモンド種結晶及び前記第１の金属触媒層の下に設けられた種パッドを含む。
【０００７】
別の態様によれば、本主題は、前記ダイヤモンド種結晶と前記第１の金属触媒層との間に設けられた銅箔及び前記炭素源層の上に設けられたセラミック層を含む。
【０００８】
本主題のさらなる態様によれば、前記第１の金属触媒層は、前記種パッドの上における複数の結晶の成長を抑制し、前記第２の金属触媒層は前記ダイヤモンド種結晶の溶解を抑制する。
【０００９】
本主題のさらなる態様によれば、前記第１の金属触媒層は、複数の結晶の自然成長を抑制する。
【００１０】
本主題のさらなる態様によれば、前記第２の金属触媒層は、ダイヤモンド種結晶の溶解を抑制し、それにより成長したダイヤモンドの平均ダイヤモンド重量は約２．８０ｃｔとなる。
【００１１】
さらなる態様によれば、本主題は、反応セルの中で発生する温度勾配を用いて初期のダイヤモンド成長を安定化させるための反応セルにおける多層金属溶媒触媒を提供する。前記多層金属溶媒触媒は、ダイヤモンド種結晶の上に位置する、第１の炭素濃度を有する下部金属層と、前記第１の炭素濃度よりも高い第２の炭素濃度を有する上部金属層とを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本主題のこれらの及びその他の態様は、以下の記載における実施例を参照し、また添付図面を参照することによって明らかになる。
【図１】本主題の実施形態による金属触媒層を含む多層構造の概略図である。
【図２】表１に示す実験結果によって宝石の品質に対する金属触媒の設計の効果を示す三次元棒グラフである。
【図３】従来技術による中央ダイヤモンドの周囲の自然核形成を示す典型的な写真である。
【図４】本主題による自然成長のない単結晶ダイヤモンドを示す典型的な写真である。
【００１３】
［発明の詳細な説明］
図は図式的であり、原寸通りではない。図において既述の要素に対応する要素には同じ参照番号が付されている。
【００１４】
図１は本主題の実施形態による金属触媒層を含む多層構造１００を図式的に示す。種パッド１０１の１つの表面上に、ダイヤモンド種結晶１０２を収容する凹部が形成される。次に、低濃度の炭素を含む底部金属ディスク１０４が、種パッド１０１の表面上に堆積される。任意選択で銅（Ｃｕ）箔１０３が種パッド１０１の表面上で底部金属ディスク１０４の下に堆積されてもよい。高濃度の炭素を含む上部金属ディスク１０５が、底部金属ディスク１０４の表面上に堆積される。次に、炭素源としてのグラファイト源１０６が、上部金属ディスク１０５の表面上に堆積される。炭素源１０６の上にセラミック層１０７が含まれてもよい。
【００１５】
底部金属ディスク１０４は上部金属ディスク１０５よりも低い炭素濃度を有している。本開示の１つの実施形態においては、底部金属ディスクは鉄−ニッケル（Ｆｅ−Ｎｉ）合金から作られており、その中でニッケルは約０重量％〜約９０重量％の濃度で存在している。この実施形態においては、炭素濃度は触媒組成中約１．０重量％〜約７．０重量％の間である。
【００１６】
同様に、上部金属ディスク１０５は底部金属ディスク１０４よりも高い炭素濃度を有している。本開示の１つの実施形態においては、上部金属ディスクは鉄−ニッケル（Ｆｅ−Ｎｉ）合金から作られており、その中でニッケルは約０重量％〜約９０重量％の濃度で存在し、炭素は約２．０重量％〜約９．０重量％の濃度で存在している。上部金属ディスクと底部金属ディスクの中の炭素濃度の範囲は重なっているが、底部金属ディスク中の炭素濃度は上部金属ディスク中の炭素濃度よりも低くなることが理解される。
【００１７】
上記の構成は、溶媒触媒として金属の多層１０４、１０５を形成させるためのものである。溶媒触媒の組成は、成長したダイヤモンド結晶の純度及び色相において重要である。高圧高温（ＨＰＨＴ）ダイヤモンド結晶成長プロセスは、用いる溶媒触媒がそれぞれの金属及び炭素の濃度が異なる多層１０４、１０５を有する場合に功を奏する。特に、種パッド１０１に最も近い溶媒触媒層１０４は、グラファイト源１０６に隣接した層１０５よりもやや低い炭素量を含むべきである。種パッド１０１に最も近い炭素の濃度が低いことにより、種パッド１０１の上で複数の結晶が成長しないことが保証される一方、グラファイト源１０６に隣接した炭素の濃度が高いことにより、種１０２を維持し、これが溶解しないようにするために充分な量の炭素が存在することが保証される。本開示において開発された多層金属溶媒触媒は独特であり、初期ダイヤモンド結晶成長の精密な制御を可能にする効率的な手法を提供する。２層金属ディスクを用いた製造運転の実験結果のまとめを以下の表１に示す。
【００１８】
【表１】
2014506555.tif 000003
【００１９】
表１は、宝石の品質に対する２ディスク触媒系の設計の効果を示す。これらの結果は、図２に示す３次元棒グラフによって可視化されている。表１に見られるように、自然核形成を防止するためにダイヤモンド種結晶に隣接して配置された低炭素濃度の金属層によって、自然核形成の発生は約２８．３％から約４．９％に低減した。また、グラファイト源と低炭素濃度層との間に配置された高炭素濃度の金属層によって、ダイヤモンド種結晶は溶解せずに保たれた。表１は、本主題によって極めて広い圧力及び温度範囲において単結晶のダイヤモンドの成長を保証することができることを示している。温度１２００〜２０００℃の間、及び圧力５．０〜７．５ＧＰａの間で成長させれば、２０ｍｇ／ｈｒまでの大きな成長速度で高品質の大きなダイヤモンド結晶を成長させることができる（平均ダイヤモンド重量は表１に示すように２．５５ｃｔから２．８０ｃｔに増大した）。
【００２０】
図３は従来技術による中心ダイヤモンドの周辺の自然核形成を示す典型的な写真であり、図４は本主題による自然成長のない単結晶ダイヤモンドを示す典型的な写真である。見られるように、従来技術のダイヤモンド成長（図３）において典型的に見られる中心ダイヤモンドの周辺の自然核形成は、本主題による多層金属触媒を用いた場合には顕著に低減している。
【００２１】
本主題は、ダイヤモンドを成長させる方法にも関する。本方法には、ダイヤモンド種結晶を用意するステップ、前記ダイヤモンド種結晶の上に第１の濃度の炭素を含む第１の金属触媒層を堆積させるステップ、前記第１の金属層の上に前記第１の濃度よりも高い第２の濃度の炭素を含む第２の金属触媒層を堆積させるステップ、前記第２の金属層の上に炭素源層を堆積させるステップ、並びにダイヤモンドを成長させるために充分な温度（１２００〜２０００℃の間）及び圧力（５．０〜７．５ＧＰａの間）を適用するステップが含まれる。
【００２２】
説明した実施形態を参照して本主題を記述したが、本主題はそれに限定されない。同じことが多くのやり方において変化し得ることは明白であろう。そのような変化は本主題の精神及び範囲から逸脱するとみなすべきではなく、当業者には明白なそのような改変の全ては以下の特許請求の範囲内に含まれることが意図されている。
【図１】
2014506555.tif 000004
【図２】
2014506555.tif 000005
【図３（ａ）】
2014506555.tif 000006
【図３（ｂ）】
2014506555.tif 000007
【図４（ａ）】
2014506555.tif 000008
【図４（ｂ）】
2014506555.tif 000009
【国際調査報告】
2014506555.tif 000010