(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンド粒子と炭化ケイ素粒子とを含む複合層と、化学気相成長（ＣＶＤ）で成長した前記複合層上のダイヤモンド層と、を備え、前記ダイヤモンド層のダイヤモンドは、前記複合層を構成する前記ダイヤモンド粒子および／または前記炭化ケイ素粒子の結晶表面上でＣＶＤ成長したものである、多層基材の形成方法であって、
（ａ）ダイヤモンド粒子と、炭化ケイ素粒子とを含む複合層を形成することであって、前記複合層は、前記複合層内にケイ素を浸透させるようにキャスティングおよび熱処理によって形成されること、
（ｂ）反応器の基材保持部上に前記複合層を位置させること、および、
（ｃ）前記反応器の前記基材保持部上に位置する前記複合層上に、前記ダイヤモンド層を成長させることであって、前記ダイヤモンド層のダイヤモンドが、前記複合層を構成する前記ダイヤモンド粒子の結晶表面上で直に成長すること、を備え、
前記ダイヤモンド層は多結晶ダイヤモンドを含み、
前記ダイヤモンド層のダイヤモンドは、Ｃ−Ｃｓｐ3化学結合によって前記複合層に結合されている、
多層基材の形成方法。
【請求項２】
前記ダイヤモンド層は、ドープされていない、ｎ型の元素または化合物でドープされている、またはｐ型の元素または化合物でドープされている、のうちのいずれか一つである、
請求項１に記載の多層基材の形成方法。
【請求項３】
前記ダイヤモンド層は、パターニングされるか、または選択的にエッチングされている、
請求項１に記載の多層基材の形成方法。
【請求項４】
前記複合層中の前記ダイヤモンド粒子は、前記複合層内において０％〜１００％の間の濃度勾配を有する、
請求項１に記載の多層基材の形成方法。
【請求項５】
前記複合層内におけるダイヤモンド粒子の担持レベル（体積基準）は、≧５％、≧２０％、≧４０％、または、≧６０％、のうちのいずれか一つである、
請求項１に記載の多層基材の形成方法。
【請求項６】
前記ダイヤモンド層の厚さは、１０-9メータ〜１０-6メータ、５×１０-6メータ〜２０×１０-3メータ、５００×１０-6メータ〜１０×１０-3メータ、１×１０-6メータ〜５×１０-3メータ、３×１０-6メータ〜３×１０-3メータ、５０×１０-6メータ〜５０×１０-2メータ、１００×１０-6メータ〜１０×１０-2メータ、２００×１０-6メータ〜５×１０-2メータ、５００×１０-6メータ〜２×１０-2メータ、のうちのいずれか一つである、
請求項１に記載の多層基材の形成方法。
【請求項７】
前記多層基材の厚さは、≧２００×１０-6メータ、≧２０×１０-3メータ、≧４０×１０-3メータ、または≧７５×１０-3メータ、≧５０×１０-6メータ、≧５００×１０-6メータ、または、≧１×１０-3メータ、のうちのいずれか一つである、
請求項１に記載の多層基材の形成方法。
【請求項８】
前記多層基材は、円、正方形、長方形、多角形、楕円、湾曲状、球体、非球体、円筒、円錐、凹状、または、凸状、の形状のうちの一つ、またはこれらの形状の２以上の組み合わせを有する、
請求項１に記載の多層基材の形成方法。
【請求項９】
前記多層基材は、光学デバイス、高エネルギー放射粒子を検出するための検出器、電磁波を検出するための検出器、切断、穿孔、機械加工、粉砕、ラッピング、研磨、コーティング、接合、またはブレイジングのためのデバイス、ブレーキデバイス、シール、熱導体、電磁波伝達デバイス、高腐食条件下、強酸化条件下、強還元条件下、高温下、または極低温条件下での使用のために構成される化学的に不活性なデバイス、または、半導体デバイス、半導体ウェハまたは半導体フィルム、光学デバイス、光学ウェハまたは光学フィルム、および／または電子デバイス、電子ウェハまたは電子フィルムの研磨または平坦化のためのデバイス、のうちの一つとしての使用のために構成される、
請求項１に記載の多層基材の形成方法。
【請求項１０】
前記光学デバイスは、平面状の光学部品または非平面状の光学部品のいずれかである、
請求項９に記載の多層基材の形成方法。
【請求項１１】
前記平面状の光学部品は、ミラーまたはレンズである、
請求項１０に記載の多層基材の形成方法。
【請求項１２】
前記非平面状の光学部品は、球体、または非球体、または円錐、または円筒である、
請求項１０に記載の多層基材の形成方法。
【請求項１３】
前記光学デバイスは、電磁波の取り扱いのための光学コーティングを含む、
請求項９に記載の多層基材の形成方法。
【請求項１４】
ステップ（ｃ）は、化学気相成長によって、前記複合層上に前記ダイヤモンド層を成長させることを含む、
請求項１に記載の多層基材の形成方法。
【請求項１５】
ステップ（ａ）は、前記複合層を機械加工すること、ラッピングすること、研磨すること、切断すること、または穿孔することをさらに含む、
請求項１に記載の多層基材の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、２０１４年１月２４日に出願された米国仮特許出願第６１／９３１，２２７号の優先権を主張し、その開示内容は、参照により本願明細書に包含される。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、ダイヤモンド層と、ダイヤモンドおよび炭化ケイ素の粒子を含み、かつ任意にケイ素の粒子を含む複合層とを備える多層基材、および該多層基材の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ダイヤモンドは、最も硬い公知の材料であり、そのモース硬度は１０である。ダイヤモンドは、このような硬度を有することにより、切断、機械加工、穿孔、粉砕などの用途において最も有用である。また、ダイヤモンドは、熱伝導性が最も高い公知の材料であり、その熱伝導率は、２０００〜２２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。ダイヤモンドは、このような熱伝導率を有するので、要求の厳しい条件下における温度管理の用途において極めて望ましい。さらに、ダイヤモンドは、摩擦係数が極めて低い。ダイヤモンドは、このような摩擦係数を有するので、ブレーキなどの使用のために、多目的に使用できる材料である。
【０００４】
ダイヤモンドは、マイクロ波、赤外、可視、およびそれ以外の紫外の電磁波を伝達するための優れた光学材料でもある。また、ダイヤモンドは、高フルエンスの核放射線のための検出器として使用される場合に、安定性が高い。加えて、ダイヤモンドは、強酸、強塩基、強酸化剤、または強還元剤を含み得る化学的環境において、高温または極低温条件であっても、不活性度の高い材料でもある。さらに、ダイヤモンドは、高屈折率材料のうちの一つであり、その結果、宝石産業において、人気があり最高級の価値がある。
【０００５】
ダイヤモンドに関する情報は、以下の参考文献中に見出すことができる。（１）”Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，Ｇｒｏｗｔｈ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｄｉａｍｏｎｄ“、刊行者：Ｔｈｅ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ、刊行年：２００１年、編者：Ｍ．Ｈ．ＮａｚａｒｅおよびＡ．Ｊ．Ｎｅｒｖｅｓ、（２）”Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｆｉｌｍｓ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ“、刊行者：Ｍａｒｃｅｌ  Ｄｅｋｋｅｒ、刊行年：２００２年、編者：Ｊｅｓ  Ａｓｍｕｓｓｅｎｎおよび、Ｄ．Ｋ．Ｒｅｉｎｈａｒｄ、および（３）”Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｆｉｌｍｓ，Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｏｒｉｅｎｔｅｄ  ａｎｄ  Ｈｅｔｅｒｏｅｐｉｔａｘｉａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ“、刊行者：Ｅｌｓｅｖｉｅｒ、刊行年：２００５年、編者：Ｋｏｊｉ  Ｋｏｂａｓｈｉ。
【０００６】
ダイヤモンドは、最も多目的に使用できる最高級の材料の一つであるが、その入手法は、天然において非常に限られている。さらに、地中から採掘されるダイヤモンドは、典型的には、単結晶のものであり、その幾何学的な寸法は、大きさの点で非常に限られていて、殆どの場合、大きな寸法が要求される工業的利用のためには、小さすぎる。また、多くの場合、天然で形成されるダイヤモンドは、不純物および結晶欠陥を含んでいる。結晶サイズが比較的大きく、化学物質含有量の点で純度が比較的高く、比較的結晶欠陥がないダイヤモンド結晶は、非常に高価であり、多くの場合、極めて貴重である。
【０００７】
高温および高圧（ＨＴＨＰ）プロセスと呼ばれる極めて高圧かつ極めて高温条件下において、化学反応器内で工業的に製造される合成ダイヤモンドが知られている。過酷な成長条件のために、前記反応器のサイズは、制限を受けることが多く、これと同様に、ＨＴＨＰプロセスから製造されるダイヤモンドの寸法も制限を受けることが多い。また、このとき、プロセス面、設備面、および安全面においてコストがかかることは言うまでもない。多くの場合、前記ＨＴＨＰプロセスでは、ダイヤモンド格子中に触媒不純物が入ることにより、黄ばみを有するダイヤモンドが製造される。
【０００８】
工業的には、単結晶ダイヤモンドは、いわゆる化学気相成長（ＣＶＤ）プロセスにおいて、反応器内で成長されてもよい。ここで、好適な成長条件は、マイクロ波で強調されたプラズマ、タングステン熱フィラメント、ＤＣジェットプラズマ、レーザ誘起プラズマ、アセチレントーチなどによって得られてもよい。ＣＶＤ成長プロセスによって、種々の基材上に多結晶ダイヤモンドの薄い膜を成長できること、および／または自立型のダイヤモンドの厚い膜を成長できることに成功していることは、当該技術分野において公知であるが、低応力の膜またはサイズが重要であるクラックのないダイヤモンドを得ることは難しいことである。しかしながら、前記ＣＶＤプロセスによれば、典型的には、天然からの単結晶ダイヤモンドの直径、またはＨＴＨＰプロセスから成長された単結晶ダイヤモンドの直径よりも顕著に大きくなり得るダイヤモンド片が製造される。それにも関わらず、ＣＶＤプロセスまたは何らかのダイヤモンド成長プロセスにおけるダイヤモンドの成長速度は、概してゆっくりであり、成長速度は、１ミクロン／時間未満〜僅か約１０乃至２０ミクロン／時間の範囲にある。一方で、速い成長速度で単結晶を成長させることができると言われているものの、欠陥が多くなる。
【０００９】
基板上にダイヤモンドの厚い膜を成長させて、前記基板の層上にダイヤモンド膜の層を含む複合物を形成することは、過度の応力が存在するために難しいことである。この応力は、前記ダイヤモンドと前記ダイヤモンドが成長する基板との間で、熱伝導率、導電率、熱膨張係数、ヤング率などのような物理的および化学的特性が全く異なることが原因となることによるものである。化学的には、前記基材の材料は、カーバイドを形成できることが必要である。該カーバイドは、前記基材の化学元素の原子と炭素原子との間に必要不可欠な結合である。これにより、ダイヤモンド結晶がシードオンするように、少なくともファンデルワールス力のような表面の物理的相互作用によって付着する材料を含む他の炭素結合に対する、ある種の親和力を有する界面が生じるようになる。また、前記界面は、ダイヤモンドと前記基材との間の幾つかの化学的相違の橋渡しもする。ケイ素、タングステン、モリブデン、炭化ケイ素、タンタル、ニオブなどは、カーバイド前駆体であり、カーバイド由来の炭素は、この前駆体に対して、ダイヤモンドを固定するためのアンカリング機構を提供する。このことは、所定の成長条件下で、ダイヤモンド層をこの種の基材上に堆積させる点において、従来技術が幾つかの成功を示すことができたことの理由である場合がある。しかしながら、ダイヤモンドと前記基材との間の相互作用は、最大でも、ファンデルワールス力による物理的相互作用レベル内にあってもよいし、または幾つかの炭素−炭素結合を伴う化学レベルであってもよく、ダイヤモンド格子と金属カーバイド格子との間の結晶格子不整合が存在することを言うまでもなく、該結晶格子不整合によって、ダイヤモンドの炭素と基材の炭素との間の炭素−炭素結合は不完全になり、前記界面での破損の原因となる応力欠陥を生ずると考えられる。
【００１０】
前記物理的特性に関して、また、ダイヤモンドおよび前記基材材料は全く異なる。例えば、ケイ素は、熱伝導率が１４９Ｗ／ｍ−Ｋであり、タングステンは１７３Ｗ／ｍ−Ｋであり、モリブデンは１３８Ｗ／ｍ−Ｋであり、タンタルは５７．５Ｗ／ｍ−Ｋであり、ニオブは５３．７Ｗ／ｍ−Ｋなどである一方で、ダイヤモンドの熱伝導率は２０００〜２２００Ｗ／ｍ−Ｋである。ケイ素の熱膨張係数は、２．７×１０−６／ｍ／ｍ−Ｋであり、タングステンは、４．６×１０−６／ｍ／ｍ−Ｋであり、モリブデンは４．８×１０−６／ｍ／ｍ−Ｋであり、タンタルは３．６×１０−６／ｍ／ｍ−Ｋであり、ニオブは４．０×１０−６／ｍ／ｍ−Ｋなどであるのに対し、ダイヤモンドの熱膨張係数は、僅か１．０×１０−６／ｍ／ｍ−Ｋである。ケイ素の電気抵抗率は、１０３Ω−ｍであり、タングステンは５２．８×１０−９Ω−ｍであり、モリブデンは５３．４×１０−９Ω−ｍであり、タンタルは１３１×１０−９Ω−ｍであり、ニオブは１５２×１０−９Ω−ｍであるのに対し、ダイヤモンドの電気抵抗率は１０１１Ω−ｍである。ここで、単位を示すために数値が用いられる場合、“ｍ”はメータであり、“Ｋ”は絶対温度である。
【００１１】
ダイヤモンドと、このような基材材料との間の物理的特性の大きな相違は、もしあるとするならば、ダイヤモンドと基材との化学結合から生じる本来的な制限に加えて、層剥離を生じさせずに、これらの基材材料上に厚いダイヤモンドのフィルムまたは層を成長させることの困難さを生じさせる。これらの基材上でＣＶＤ成長されたダイヤモンドのフィルムは、前記基材からの層剥離前に、恐らく、高い応力が与えられることが想定される。前記層剥離は、堆積中に起こる場合があり、前記反応を停止した後に起こる場合がある。ダイヤモンドのフィルムが、層剥離せずに残存したとしても、このダイヤモンドのフィルムは、殆どの場合、薄いフィルムであり、依然として高い応力が与えられている。前記フィルムは、独立している間に層剥離し、または、種々の目的で使用されている間に層剥離するので、このことは種々の用途において、甚だ望ましくない。
【００１２】
従来技術は、基材上のダイヤモンドのフィルムの層剥離挙動を利用して、前記ダイヤモンドフィルムを基材から分離し、ダイヤモンドの自立型のフィルムを生成するが、これは困難である。前記層剥離プロセスが、極めて多くの応力を伴う場合がある。厚いダイヤモンドフィルムは、粉々になる可能性があるので、そのために、クラックのないダイヤモンドの厚いフィルムを得ることは難しい。ダイヤモンドのフィルムまたは層の直径または幾何学的寸法が増加すると、クラックを生じさせずに、その形状寸法を厚くまたは薄く保つことは、より一層困難、または不可能になる。ダイヤモンドのフィルムの一部が層剥離し、層剥離しなかったダイヤモンドを有する基材領域が残る場合があるが、このことは、次のダイヤモンドの成長での、この基材の再利用を妨げる。ダイヤモンドは、地球上において最も硬い材料なので、基材からダイヤモンドフィルムの残部を剥がすように研削することは難しく、時間を浪費し、費用がかかる。層剥離後に残存した場合であっても、ダイヤモンドの薄いフィルムは、極めて小さな寸法を有しているので、極めて壊れ易く、取扱いが難しい。このことは、産業的な実用的な用途として、ダイヤモンドの自立型の薄いフィルムを使用することを不可能にする。
【００１３】
多くの実用的な用途において、基材の層上にある固有かつ無傷のダイヤモンドの複合物は、自立している間または使用している間に、クラックを生じずに、若しくは粉砕せずに、またはクラックが生じるリスク、若しくは粉砕されるリスクなしに、ダイヤモンド層と前記基材の層との間の応力が最小であるか、または低減されていることが極めて望ましい。安価な基材上に支持されている場合、薄いダイヤモンド層が望ましい場合があり、この場合、機械加工、穿孔、切断、粉砕などにみられる過酷な条件において、最小のまたは小さな応力で上手く使用することが可能になっている。大きな幾何学的寸法の基材の層上にある厚いダイヤモンド層の複合物は、最小の応力または小さな応力を有していて、クラックがなく、または最小レベルのクラックを有していて、光学ミラー、温度管理、摩擦制御のような用途、穿孔、機械加工、切断、粉砕などのような機械的使用のために望ましい場合がある。
【発明の概要】
【００１４】
本明細書では、ダイヤモンド層と、ダイヤモンドおよび炭化ケイ素の粒子、および、任意にケイ素の粒子を含む複合層とを備える多層基材が開示される。前記多層基材は、低い応力または最小応力のダイヤモンド層を有し、該応力は、ラマン分光法において示され、前記ダイヤモンド層は、厚くても、薄くても何れであってもよく、このことは、用途の要求および前記ダイヤモンドの成長法によって規定される。前記ダイヤモンド層は、ダイヤモンドおよび炭化ケイ素、および任意にケイ素を備える複合物の表面上にあり、もしあるのであれば、ダイヤモンドのシード結晶の炭素−炭素結合の前記基材材料のカーバイド（炭化ケイ素とダイヤモンドの結晶シードとの間の界面において、ダイヤモンド格子と金属カーバイド格子との間の実質的な結晶格子不整合を有する）に対して生じ得る物理的相互作用（ファンデルワールス力など）および／または生じ得る化学的相互作用を越えて前記複合層に強固に固定する露出されたダイヤモンド粒子に対して、ダイヤモンド格子レベルにおいて、ｓｐ３炭素−炭素結合によって前記複合層に結合してもよい。加えて、前記ダイヤモンド層および前記複合層の物理的特性は、更なる利点を付与する。例えば、ヤング率、熱伝導率、および熱膨張係数である。これらの利点は、前記ダイヤモンド層と前記複合層との間の化学的な固定機構および物理的特性の類似の結果から生じ得る可能性があり、この利点により、前記多層基材が、これらに限られる訳ではないが、機械的（穿孔、切断、機械加工、または粉砕など）、温度管理（エレクトロニクスデバイス、レーザデバイス、光学デバイス、半導体デバイス、または発光デバイスなど）、検出器（高エネルギー放射粒子、紫外線、およびプローブなど）、光学部品（ミラーまたはレンズなど）、摩擦制御（ブレーキシステム）、電磁波および音波制御（音響コンダクタンスなど）、化学的不活性、（ポンプシールまたは地下ドリルのシールのような）摩耗制御、または温度変動が比較的高い可能性があり、応力制御の価値が重要となる領域のような用途において使用できるようになる。しかしながら、本発明の範囲は、本開示において提供される説明に限られるものではない。
【００１５】
また、開示されるのは、ダイヤモンド層と、ダイヤモンドおよび炭化ケイ素の粒子を含み、場合によってはケイ素を含む複合層とを備える多層基材の作製方法である。該方法は、ダイヤモンドおよび炭化ケイ素の粒子、および任意にケイ素を含む複合層を形成することを含む。このプロセスの間、複合物またはその前駆体は、機械加工され、ラッピングされ、研磨され、切断され、穿孔され、または任意の他の方法で加工されてもよい。次に、ダイヤモンド層（薄いまたは厚い）は、これに限られる訳ではないが、化学気相成長によって、前記複合層上に形成され、または堆積される。
【００１６】
前記ダイヤモンド層の化学気相成長は、これらに限られる訳ではないが、マイクロ波プラズマ化学気相成長、熱フィラメント化学気相成長、直流噴流／熱プラズマ化学気相成長、燃焼噴霧プラズマ化学気相成長、レーザ補助化学気相成長などを含む。
【００１７】
前記多層基材は、機械的（穿孔、切断、機械加工、または粉砕など）、温度管理（エレクトロニクスデバイス、レーザデバイス、光学デバイス、半導体デバイス、または発光デバイスなど）、検出器（高エネルギー放射粒子、紫外線、およびプローブなど）、光学部品（ミラーまたはレンズなど）、摩擦制御（ブレーキシステム）、電磁波および音波管理（音響コンダクタンスなど）、化学的不活性、（ポンプシールまたは地下ドリルのシールのような）摩耗制御、または温度変動が比較的高い可能性があり、応力制御の価値が重要となる領域、または、大きな幾何学的寸法が要求される場合がある領域、または迅速な熱除去または熱運搬が要求される領域、または摩耗抵抗または摩擦抵抗が要求される領域では、ダイヤモンドの優れた特性が要求されるが、固体片ダイヤモンドが高すぎるなどの領域のような用途のために、（切断、粉砕、機械加工、穿孔、ラッピング、結合、ブレイジング、研磨、コーティングなどの）加工をさらにされてもよい。
【００１８】
本発明の種々の好適および非限定的な実施形態および態様は、ここで説明され、以下の番号付けされた節で明らかにされるであろう。
【００１９】
（第１節）
ダイヤモンド粒子と炭化ケイ素粒子とを含む複合層と、化学気相成長（ＣＶＤ）で成長した前記複合層上のダイヤモンド層と、を備え、前記ダイヤモンド層のダイヤモンドは、前記複合層を構成する前記ダイヤモンド粒子および／または前記炭化ケイ素粒子の結晶表面上でＣＶＤ成長したものであり、前記ダイヤモンド層は多結晶ダイヤモンドを含み、前記複合層は、ケイ素粒子を含む、多層基材。
【００２２】
（第４節）
前記ダイヤモンド層は、ドープされていない、ｎ型の元素または化合物でドープされている、ｐ型の元素または化合物でドープされている、または、ホウ素でドープされている、のうちのいずれかで一つである、節１に記載の多層基材。
【００２３】
（第５節）
前記ダイヤモンド層は、パターニングされるか、または選択的にエッチングされている、節１に記載の多層基材。
【００２４】
（第６節）
前記複合層中の前記ダイヤモンド粒子は、前記複合層内において０％〜１００％の間の濃度勾配を有する、節１に記載の多層基材。
【００２５】
（第７節）
前記複合層内におけるダイヤモンド粒子の担持レベル（体積基準）は、≧５％、≧２０％、≧４０％、または、≧６０％、のうちのいずれか一つである、節１に記載の多層基材。
【００２６】
（第８節）
前記ダイヤモンド層の厚さは、１０−９メータ〜１０−６メータ、５×１０−６メータ〜２０×１０−３メータ、５００×１０−６メータ〜１０×１０−３メータ、１×１０−６メータ〜５×１０−３メータ、３×１０−６メータ〜３×１０−３メータ、５０×１０−６メータ〜５０×１０−２メータ、１００×１０−６メータ〜１０×１０−２メータ、２００×１０−６メータ〜５×１０−２メータ、５００×１０−６メータ〜２×１０−２メータ、のうちのいずれか一つである、節１に記載の多層基材。
【００２７】
（第９節）
前記多層基材の厚さは、≧２００×１０−６メータ、≧２０×１０−３メータ、≧４０×１０−３メータ、または≧７５×１０−３メータ、≧５０×１０−６メータ、≧５００×１０−６メータ、または、≧１×１０−３メータ、のうちのいずれか一つである、節１に記載の多層基材。
【００２８】
（第１０節）
前記多層基材は、円、正方形、長方形、多角形、楕円、湾曲状、球体、非球体、円筒、円錐、凹状、または、凸状、の形状のうちの一つまたはこれらの形状の２以上の組み合わせを有する、節１に記載の多層基材。
【００２９】
（第１１節）
前記ダイヤモンド層の表面は、所望の粗さの値および平坦さの値となるように成長している、または研磨されている、節１に記載の多層基材。
【００３０】
（第１２節）
光学デバイス、高エネルギー放射粒子を検出するための検出器、電磁波を検出するための検出器、切断、穿孔、機械加工、粉砕、ラッピング、接合、またはブレイジングのためのデバイス、ブレーキデバイス、シール、熱伝導体、電磁波伝達デバイス、高腐食環境下、強酸化条件下、または強環境条件下、高温下、または極低温条件下での使用のために構成される化学的に不活性なデバイス、または半導体デバイス、半導体ウェハまたは半導体フィルム、パッド、光学デバイス、光学ウェハまたは光学フィルム、および／または電子デバイス、電子ウェハまたは電子フィルムの研磨または平坦化のためのデバイス、のうちの一つとしての使用のために構成される、節１に記載の多層基材。
【００３１】
（第１３節）
前記光学デバイスは、平面状の光学部品または非平面状の光学部品のいずれかである、節１２に記載の多層基材。
【００３２】
（第１４節）
前記平面状の光学部品は、ミラーまたはレンズである、節１３に記載の多層基材。
【００３３】
（第１５節）
前記非平面状の光学部品は、球体、または非球体、または円錐、または円筒である、節１３に記載の多層基材。
【００３４】
（第１６節）
前記光学デバイスは、電磁波の取り扱いための光学コーティングを含む、節１乃至１５のいずれか１つに記載の多層基材。
【００３５】
（第１７節）
節１に記載の多層基材の形成方法であって、
（ａ）ダイヤモンド粒子と、炭化ケイ素粒子と、ケイ素粒子とを含む複合層を形成すること、（ｂ）反応器の基材保持部上に前記複合層を位置させること、および、（ｃ）前記反応器の前記基材保持部上に位置する前記複合層上に、ダイヤモンド層を成長させることであって、前記ダイヤモンド層のダイヤモンドが、前記複合層を構成する前記ダイヤモンド粒子の結晶表面上で直に成長し、前記ダイヤモンド層は、多結晶ダイヤモンドを含んでいること、を備える、多層基材の形成方法。
【００３７】
（第１９節）
ステップ（ｃ）は、化学気相成長によって、前記複合層上に前記ダイヤモンド層を成長させることを含む、節１７に記載の多層基材の形成方法。
【００３８】
（第２０節）
ステップ（ａ）は、前記複合層を機械加工すること、ラッピングすること、研磨すること、切断すること、または穿孔することをさらに含む、節１７に記載の多層基材の形成方法。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、ダイヤモンド層と、ダイヤモンドおよび炭化ケイ素、および任意にケイ素を含む複合層とを備える、一例示的な多層基材である。
【図２】図２は、図１の多層基材を作製するための使用され得る種々のステップを示す図である。
【図３】図３は、複合層上にダイヤモンド層を堆積させて図１の多層基材を形成するために使用され得る、一例示的なマイクロ波プラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）システムを示す模式図である。
【図４】図４（ａ）は、図１の複合層のような複合層の表面のＳＥＭ画像であり、複合層上にダイヤモンドをＣＶＤ堆積させる前のものであり、図４（ｂ）は、前記複合層上へのダイヤモンドのＣＶＤ堆積を約２０時間行った後の図４Ａの複合層上に成長されたダイヤモンド層のＳＥＭ画像であり、図４（ｃ）は、前記複合層上へのダイヤモンドのＣＶＤ堆積を約１１７時間行った後の図４（ａ）の複合層上に成長されたダイヤモンド層の成長表面のＳＥＭ画像である。
【図５】図５は、ラッピングおよび研磨後の図４（ｃ）のダイヤモンド層を示す紫外可視光近赤外反射分光法のグラフである。
【図６】図６は、７０％（体積基準）のダイヤモンドを含む複合層上にＣＶＤ成長したダイヤモンド層の中心部の成長表面のＳＥＭ画像である。
【図７】図７（図７（ａ）〜（ｅ））は、図６に示されるＣＶＤダイヤモンド層の異なる５点の位置でのラマンスペクトルである。
【図８】図８は、天然の単結晶ダイヤモンドの一例示的なラマンスペクトルである。
【図９】図９（図９（ａ）〜（ｄ））は、ＣＶＤ光学ダイヤモンド窓のラマンスペクトルであり、該ラマンスペクトルは、ダイヤモンド窓の中心部、ダイヤモンド窓の成長側および核生成側からの端部で収集されたものである。
【図１０】図１０は、タングステン基材上にＣＶＤ成長したダイヤモンド層の成長表面の中心部のＳＥＭ画像である。
【図１１】図１１（図１１（ａ）〜（ｃ））は、図１０に示されるＣＶＤダイヤモンド層の異なる３点の位置でのラマンスペクトルである。
【図１２】図１２は、４０％（体積基準）のダイヤモンドを含む複合層上でＣＶＤ成長したダイヤモンド層の中心部の成長表面のＳＥＭ画像である。
【図１３】図１３（図１３（ａ）〜（ｅ））は、図１２に示されるＣＶＤダイヤモンド層の異なる５点の位置で得られたラマンスペクトルである。
【図１４】図１４（図１４（ａ）〜（ｅ））は、前記複合基材の、図１２に示されたＣＶＤダイヤモンド層が堆積された側と反対側に堆積されたＣＶＤ成長ダイヤモンド層の異なる５点の位置で得られたラマンスペクトルである。
【図１５】図１５（図１５（ａ）〜（ｅ））は、０％のダイヤモンドを含む複合層上で成長したＣＶＤ成長ダイヤモンド層の異なる５点の位置でのラマンスペクトルであり、１５（ｆ）は、天然単結晶ダイヤモンド（天然ＳＣＤ）の参照ラマンスペクトルである。
【図１６】図１６は、天然単結晶ダイヤモンド（天然ＳＣＤ）、成長した自立型のダイヤモンド窓（０４Ａ０５９０１）、および、本願明細書で開示される複合層を含む、種々の基材（すなわち、タングステン、４０％のダイヤモンド粒子を含む複合層、７０％のダイヤモンド粒子を含む複合層、ダイヤモンド粒子を含まないＳｉＣ／Ｓｉ基材（１Ａ１７８））上で成長したダイヤモンド層のためのラマンデータの表である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
図１を参照すると、本願明細書では、少なくともダイヤモンド層４と、ダイヤモンドおよび炭化ケイ素を含み、任意でケイ素を含む複合層６とを備える多層基材２が開示される。
【００４１】
ダイヤモンド層４は、どのように作製されたかを問わず、（ナノ結晶質、マイクロ結晶質、大型の結晶質、および／または単結晶質を含む）多結晶質ダイヤモンドを備える。複合層６は、どのように形成されたかを問わず、ダイヤモンドおよび炭化ケイ素の粒子を含み、任意にケイ素を含む。
【００４２】
驚くべきことに、薄いまたは厚いダイヤモンド層４は、ダイヤモンド堆積後に、剥離、クラッキング、破砕を受けることなく、複合層６上に成長し、または堆積されることができた。さらに驚くべきことに、複合層６上に成長し、または堆積されたダイヤモンド層４にかかる応力は、ラマンピークのシフトによって示されたように低かった。これにより、多層基材２の固有のものであることが説明されるであろう。しかしながら、本発明の範囲は、本願明細書の説明によって限定されるように解釈されるべきではない。
【００４３】
複合層６中のダイヤモンド粒子は、複合層６の表面に曝されていてもよいし、あるいは一部が該表面に曝されていてもよい。したがって、例えば、ＣＶＤ堆積の間に、複合層６上にダイヤモンドから形成されるダイヤモンド層４は、複合層６の一部であるダイヤモンド粒子および／または炭化ケイ素粒子の結晶表面上で成長する。これにより、ダイヤモンド格子の継目のない固有のＣ−Ｃｓｐ３化学結合となる。したがって、新たに成長されたダイヤモンド層４と複合層６中のダイヤモンド粒子との間の結合は、金属カーバイドを含んだ基材表面上にダイヤモンド結晶をシードさせた従来技術とは異なり、本質的に、強く、良好な固定性を示すものとなる。
【００４４】
複合層６の表面のダイヤモンド粒子は、ダイヤモンド層４のＣＶＤ成長のために露出されたダイヤモンド結晶格子を有さなくてもよいことが想定される。より詳細には、複合層６を作製している間、ケイ素が複合層６のダイヤモンド粒子と反応し、例えば、これらに限られる訳ではないが、複合層６のダイヤモンド粒子の露出された表面上に炭化ケイ素の界面層を形成してもよいことが想定される。ダイヤモンド層４を複合層６上にＣＶＤ堆積させる前に、複合層６が加工されている、例えば、ラッピングされたり研磨されたりしている場合、炭化ケイ素の界面層は、複合層６のダイヤモンド粒子の露出されたダイヤモンド結晶表面上に存在しないであろうことと、ダイヤモンド層４が、これらの露出されたダイヤモンド結晶表面上および複合層６を形成する炭化ケイ素粒子上で直接成長できることとが想定される。一方で、ダイヤモンド層４が、非加工の複合層６上、例えば、炭化ケイ素の界面層を含む複合層６のダイヤモンド粒子のダイヤモンド結晶表面上に堆積される場合、ダイヤモンド層４が、炭化ケイ素のこの界面層上、および複合層６を形成する炭化ケイ素粒子上で成長するであろうことが想定される。金属カーバイドを含む従来技術の基材表面は、ダイヤモンドの炭素原子に対して、ファンデルワールス力のような物理的相互作用による所定レベルの親和性を有し、前記基材表面上の新たに核とされるダイヤモンド粒子の付着を提供してもよく、あるいは、最大でも、炭素−炭素結合の単分子層結合を有してもよく、一個の炭素原子は、金属カーバイドの基材由来であり、一個の炭素原子は、新たにシードされたダイヤモンド粒子由来である。しかしながら、結合によって、ダイヤモンド結晶格子と基材の金属カーバイド結晶格子との不整合のために、大きな欠陥を生じることが予想されるであろう。したがって、ダイヤモンドおよび炭化ケイ素を含み、任意でケイ素を含む複合層６を形成する複合システムに、任意の量のダイヤモンド粒子を加えることは、有利である。
【００４５】
複合層６は、（体積基準で）望ましくは≧５％、より望ましくは≧１０％、さらに望ましくは≧２０％、さらにより望ましくは≧３０％、非常に望ましくは≧４０％、さらに望ましくは≧５０％、またはそれより多く、最適には≧６０％担持したダイヤモンドを含んでいた。
【００４６】
多層基材２の複合層６は、所定の幾何学的寸法に沿って、低い場合には０％程度から高い場合には１００％程度までのダイヤモンドの濃度勾配を有していてもよい。
【００４７】
ダイヤモンド層４は、ドープされていなくてもよいし、ｐ型のドープをされていてもよいし、またはｎ型のドープをされていてもよい。また、ダイヤモンド層４は、例えば、種々の用途のために、パターニングされてもよいし、選択的にエッチングされてもよい。
【００４８】
ダイヤモンド層６を構成するダイヤモンド粒子のサイズは、数ナノメータから数百ミクロン以上の範囲であってもよい。そのようなダイヤモンド粒子は、幾つかの固有の用途のための電気導電率のような他の特性を得るために、他の化学元素、例えば、ホウ素によってドープされていてもよい。
【００４９】
複合層６を構成する炭化ケイ素粒子は、そのサイズが数ナノメータから数百または数千ミクロン以上の範囲にあってもよい。このような炭化ケイ素粒子は、時には、経済的理由のために、他の化学不純物を含んでいてもよい。
【００５０】
複合層６中の任意のケイ素は、そのサイズが数ナノメータから数百ミクロン以上の範囲にあってもよい。ケイ素粒子は、結晶性または非晶質性であってもよい。前記ケイ素は、純度において半導体グレードであってもよし、あるいは純度において工業グレードであってもよい。
【００５１】
多層基材２は、任意の厚さであってもよく、任意の直径の円であってもよく、任意の寸法の正方形であってもよく、任意の寸法の長方形であってもよく、または任意の大きさを有する任意の幾何学形状であってもよく、あるいは幾何学的に不規則な形状であってもよい。大きさ、寸法、および形状は、用途によって、または複合層６上にダイヤモンド層４を成長または堆積させるために使用されるＣＶＤ法によって規定されてもよい。
【００５２】
ダイヤモンド層４は任意の厚さであってもよい。薄いフィルムまたはコーティング用途の場合、その厚さは、数ナノメータから数ミクロンと同程度の薄さであってもよい。このような薄いコーティングは、光透過性、反射性、平滑性、または平坦性のための性質において、ダイヤモンドまたはダイヤモンドライクカーボンであり得る。厚いフィルム用途の場合、その厚さは、数ミクロンから数ミリメータ以上であってもよい。望ましくは、ダイヤモンド層４の厚さは、数ナノメータ〜５ミリメータの範囲であり、より望ましくは、２０ミクロン〜４ミリメータの範囲であり、さらに望ましくは、５０ミクロン〜３ミリメータの範囲であり、最適には１００ミクロン〜３ミリメータの範囲である。表面粗さおよび平坦性などの望ましい光学的な表面仕上げのパラメータは、アズグロウン（ａｓ-ｇｒｏｗｎ）ダイヤモンド層４、または一般的な研磨プロセスまたは電子ビーム研磨プロセスなどの種々の表面仕上げ技術を適用した後のアズグロウン（ａｓ-ｇｒｏｗｎ）ダイヤモンド層４のいずれかのために得られてもよく、これにより、薄いフィルムのダイヤモンドまたは厚いフィルムのダイヤモンドのいずれにも適用できるようになる。
【００５３】
複合層６は、任意の厚さであってもよい。例えば、複合層６の厚さは、用途に応じて、数ミクロンのオーダーであってもよく、数ミリメータのオーダーであってもよく、数センチメータのオーダーであってもよく、それより大きなオーダーであってもよい。
【００５４】
多層基材２の直径または最大の横方向寸法は、用途に応じて、並びに複合層６上へのダイヤモンド層４の化学気相成長のために用いられる方法および反応器の寸法に応じて、数ミリメータであってもよく、数十ミリメータであってもよく、数百ミリメータであってもよく、あるいはそれより大きくてもよい。
【００５５】
機械的硬度が付与されると、ダイヤモンド層４は、長寿命および長期耐性を有するようになり、所定の厚さが付与されると、ダイヤモンド層４は、ダイヤモンド層４の応力が原因となる場合がある欠陥が生じる機会が少なくなるので、ダイヤモンド層４は、機械的用途において使用される製品にとって極めて望ましい。機械的用途の例には、これらに限られる訳ではないが、穿孔、切断、粉砕、機械加工などが含まれる。さほど過酷でない環境の場合、薄いダイヤモンド層４のみが必要とされてもよい。より過酷な作業条件の場合、より厚いダイヤモンド層４が、複合層６上に成長され得る。これにより、多層基材２の寿命を延ばすことができ、より過酷な条件において、ダイヤモンド層４をより一貫して機能させることができる。
【００５６】
複合層６上にＣＶＤによって成長されたダイヤモンド層４の熱伝導率は、ダイヤモンド層４が、これらに限られる訳ではないが、光学用途、エレクトロニクス用途（熱スプレッダ）、航空宇宙用途、化学用途などのような、以前は当該技術分野で公知でなかった温度管理用途で使用され得るようになる。
【００５７】
ダイヤモンド層４の熱伝導率に加えて、複合層６中でのダイヤモンド担持量が７０％の場合、複合層６は、６２５Ｗ／ｍ−Ｋ程度またはそれより高い（銅の熱伝導率４０１Ｗ／ｍ−Ｋよりも遥かに高い）熱伝導率を有している。複合層６中でのダイヤモンド担持量が４２％のレベルでは、複合層６は、４５０Ｗ／ｍ−Ｋの熱伝導率を有している。この値は、依然として銅の熱伝導率（４０１Ｗ／ｍ−Ｋ）よりも高い。複合層６の熱伝導率は、複合層６のダイヤモンド担持量が増すにつれ、先行技術の製品（Ｍ−Ｃｕｂｅｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ‘ｓ  ＳＳＣ−７０２）である炭化ケイ素とケイ素との複合物の熱伝導率１７０Ｗ／ｍ−Ｋからダイヤモンドの熱伝導率、すなわち、２０００〜２２００Ｗ／ｍ−Ｋを目指すように改善されている。
【００５８】
線形モデルを用いて熱伝導率を計算すると、複合層６の熱伝導率は、４２％のダイヤモンド担持の場合は、９８１Ｗ／ｍ−Ｋであり、７０％のダイヤモンド担持の場合は、１５２１Ｗ／ｍ−Ｋであるので、このような複合層の熱伝導率特性の結果は予想外となる。多層基材２におけるダイヤモンド層４と複合層６という特有の組み合わせは、ダイヤモンド層４が、密度の濃い、熱い、および／または熱を発生する領域からダイヤモンド層４に沿って横方向または水平方向に熱エネルギーを伝達することを許容するとともに、純粋なダイヤモンドの層を用いることを比べて、より厚く、より安価に、およびより簡単に形成されてもよい複合層６の集合体内に、前記エネルギーを垂直方向に散逸することを許容する。このことは、レーザ光学、エレクトロニクス、航空宇宙、または迅速な熱除去が望まれるあらゆる場合での使用にとって特に好ましい。あるいは、前記組み合わせは、熱エネルギーの迅速な運搬を要求する用途で使用されてもよい。
【００５９】
ダイヤモンド層４は、任意に、光学仕上げのために、ラッピングされ、研磨され、および／または任意に、マイクロ波、赤外、可視などの電磁波を取り扱うための１以上の光学コーティング、または種々の目的のための他の種類のコーティングでコートされてもよい。種々の目的のための、ラッピング、ポリッシング、およびコーティングプロセスは、当該技術分野において公知である。多層基材２を用いて形成される光学部品は、平面を有してもよく、またはこれらに限られる訳ではないが、球面、円錐、円筒、あるいは、当該技術分野において光学用途で使用されている何らかの表面などの非平面を有していてもよい。多層基材２のダイヤモンド層４は、実用用途の要求を満たす粗さの値および平坦さの値の範囲内となるように、後処理によって研磨されてもよく、成長されてもよい。他の種類のコーティングが、多層基材２の表面、すなわち、ダイヤモンド層４の表面または複合層６の表面のいずれかに適用されてもよい。
【００６０】
ダイヤモンド層４および複合層６の両者の寸法安定性によって、ダイヤモンド層４が有する特性を要求するとともに顕著な温度変動が生じる環境での使用に対して、予想されない利点が付与される。複合層６の熱膨張係数は、予想外なことに、ダイヤモンド粒子を含まない複合物（Ｍ−Ｃｕｂｅｄ  ＳＳＣ−７０２）の標準品の場合の２．９×１０−６／ｍ／ｍ−Ｋから、４２％のダイヤモンド粒子を含む複合層６の場合の１．５×１０−６／ｍ／ｍ−Ｋ（線形モデル計算によれば、その熱膨張係数は、丁度２．１×１０−６／ｍ／ｍ−Ｋまで低減されるはずであった）まで低減し、７０％のダイヤモンド粒子を含む複合層６の場合の、１．２×１０−６／ｍ／ｍ−Ｋ（線形モデル計算によれば、その熱膨張率は、丁度１．６×１０−６／ｍ／ｍ−Ｋまで低減されるはずであった）まで低減し、これは、ほぼダイヤモンドライク材料（ダイヤモンドの熱膨張係数は１．０×１０−６／ｍ／ｍ−Ｋ）の値である。このことは、ダイヤモンドの優れた摩擦抵抗を要求する摩擦に関与するブレーキシステムであって、膨大な量の熱が発生した後に、極度に温度が上昇することなしに、迅速に熱除去することに関与し、多層基材２の上質な寸法安定性を要求する場合があるブレーキシステムのような用途において非常に望ましい。しかしながら、本発明の範囲は、これらの用途に限定されて解釈されるべきではない。
【００６１】
ダイヤモンドは、高エネルギー粒子の放射のための優れた検出器であることが知られている。多層基材２の固有の組成は、より安価かつより簡単に作製することができ、クラッキングまたは粉砕のために、多層基材２は寸法制限を受けない。これらの望ましい特性の全ては、高エネルギー放射、音伝達機構、および他の多くの用途に対して、検出器としての使用のために、多層基材２を実現可能かつ経済的にする。
【００６２】
ダイヤモンドは化学的に不活性であるために、高温であっても、多層基材２の固有の組成は、化学的に過酷な環境かつ腐食環境に関与する要求の厳しい用途において使用されてもよい。
【００６３】
さらに、あるいはこれに代えて、図１の想像線で示されるように、１以上の追加のダイヤモンド層４’が、ダイヤモンド層４’の成長のための化学気相成長（ＣＶＤ）の反応器が許容する限りにおいて、複合層６の一側面、または両側面、および／または底面に適用されてもよい。ダイヤモンド層４’は、何らかの適用可能な手段によって、複合層６の１以上の表面に接合され、あるいは該表面に成長されてもよいことが想定される。
【００６４】
ダイヤモンドの固有の品質のために、ダイヤモンド層４の表面は、種々の用途に対して、パターニングされ、または選択的にエッチングなどされてもよい。
【００６５】
複合層６上へのダイヤモンド層４の固有の固定機構のために、多層基材２は、半導体デバイスウェハまたはフィルム、光学デバイスウェハまたはフィルム、および／または電子デバイスウェハまたはフィルムの化学機械的な平坦化または研磨のための研磨調整材または平坦化調整材として使用されてもよい。
【００６６】
（ダイヤモンド層４および複合層６を含む多層基材２を作製するプロセス）
引き続き図１を参照しつつ図２を参照すると、図２は、ダイヤモンド層４と、ダイヤモンドおよび炭化ケイ素を含む複合層６とを少なくとも備え、任意に、ケイ素を備える多層基材２を作製するために使用され得る種々ステップを示す図である。より詳細なプロセスは以下に開示される。
【００６７】
第１ステップは、ダイヤモンドと炭化ケイ素とを備え、任意にケイ素を備える複合層６を調製することである。ダイヤモンド粒子を、炭化ケイ素（ＳｉＣ）粒子または炭化ケイ素（ＳｉＣ）形成前駆体、任意にケイ素粒子、および任意に、グラファイト、カーボンブラックおよび／または炭素形成前駆体と混合する。次に、前記混合物を、キャスティング、プレス、または静水圧プレスによって、固形物を形成するために使用する。前記固形物を、任意に、炭素質種を形成するのに十分な温度まで加熱する。
【００６８】
次に、前記固形物は、任意に、焼結のために熱プレスされ、または任意に、高圧条件下かつ高温で焼結され、または常圧若しくは大気圧条件下高温で焼結され、常圧若しくは大気圧よりも高い圧力下、常圧若しくは大気圧条件下、または真空条件下において、ケイ素を高温で浸透させる。焼結、熱プレス、または浸透プロセスの間、ダイヤモンド粒子の一部をケイ素と反応させて炭化ケイ素を形成させるとともに、グラファイト、カーボンブラック、カーボンファイバー、および／または中間温度で形成された炭素質種などの付加的なダイヤモンドを含まない炭素をケイ素と反応させて、炭化ケイ素を形成させてもよい。非ダイヤモンド炭素源は、ケイ素と完全に反応しなくてもよく、ケイ素は、ダイヤモンドおよび炭素源と完全に反応しなくてもよい。得られた複合層６は、ダイヤモンドと炭化ケイ素とを含んでいてもよいし、ダイヤモンド、炭化ケイ素、およびケイ素を含んでいてもよいし、ダイヤモンド、炭化ケイ素、および炭素を含んでいてもよいし、またはダイヤモンド、炭化ケイ素、ケイ素、および非ダイヤモンド炭素を含んでいてもよい。このプロセス中またはこのプロセスの最後に、前記複合物を任意の方法によって、機械的に加工し、処理し、任意の形状または寸法することができる。
【００６９】
前記第１ステップで調製した複合層６を、（次に説明される）前記第２ステップ、すなわち、調製した複合層６上にダイヤモンド層４を堆積し、または接合する前に、何らかの方法によって、任意に、ラッピングし、研磨し、切断し、処理してもよい。第２ステップとして、ダイヤモンド層４を、調製した複合層６上に接合させて、多層基材２を形成してもよい。ダイヤモンド層４を、これらに限られる訳ではないが、マイクロ波プラズマ、熱フィラメント、直流プラズマ、燃焼フレーム、高周波および／または超短波プラズマ、レーザなどのような化学気相成長（ＣＶＤ）法（詳細については以下の段落）によって、複合層６の表面上に堆積させて、多層基材２を形成してもよい。
【００７０】
ダイヤモンド層４を、複合層６の一方または両方の側面上に、または全ての側面上に接合または堆積させて、多層基材２を形成してもよい。
【００７１】
ステップ３として、調製された多層基材２を、次に、種々の用途のために、任意に、これらに限られる訳ではないが、切断、穿孔、機械加工、ラッピング、研磨、コーティング、結合、ブレイジング、などを含む異なるプロセスによってさらに処理してもよい。前記種々の用途は、これらに限られる訳ではないが、機械的（これらに限られる訳ではないが、切断、穿孔、機械加工、または粉砕など）、光学的（これらに限られる訳ではないが、ミラー、レンズなど）、温度管理（これらに限られる訳ではないが、エレクトロニクス、半導体、レーザ、急速な熱除去または急速な熱運搬、または高温での、あるいは極低温条件下での）、化学不活性（これらに限られる訳ではないが、強酸、強塩基、強酸化環境、強還元環境、高温、または極低温条件下などの腐食条件）、摩擦制御（これらに限られる訳ではないが、適切な摩擦および早期の熱制御を要求するブレーキシステムなど）、電磁波または音波制御（これに限られる訳ではないが、音波コンダクタンスなど）、摩耗部品（これらに限られる訳ではないが、ポンプシール、地下ドリルシールなど）、検出器（これらに限られる訳ではないが、高エネルギー放射粒子、紫外線、電極など）、または多層基材２を使用できる任意の他の用途を含む。
【００７２】
（本発明において使用するための、ダイヤモンドと炭化ケイ素とを含み、任意に、ケイ素を含む複合物の作製方法）
複合層２は、ＵＳ８，４７４，３６２（参照により本願明細書に含まれる）に開示されたように作製することができる。すなわち、（１）炭化ケイ素粒子とダイヤモンド粒子とを所定量計量して、容器に入れる。（２）次に、フェノール樹脂を前記容器内に加えて、該混合物を混合する。（３）次に、得られた混合物をダイ中において、プレスまたはキャストして、予備成形物にする。（４）次に、プレスまたはキャストされて得られた予備成形物を炉内に配置し、不活性環境下で炭化する。（５）次に、所望の期間、高温状態で真空下において、炭化された予備成形物に金属ケイ素を浸透させる。前記炉から取り出された前記予備成形物が複合層６である。
【００７３】
あるいは、複合層６を、ＵＳ４，１７１，３３９および／またはＵＳ４，３５３，９６３（両者は参照により本願明細書に包含される）に開示されたように作製してもよい。これらの文献においては、ダイヤモンドと炭化ケイ素との複合物を、冷間静水圧プレスされた、ダイヤモンド、ケイ素、および炭化ケイ素基材またはケイ素−炭化ケイ素基材の混合物を熱プレスすることによって作製する。あるいは、複合層６を、ＵＳ４，４１７，９０６、４，４２８，７５５および４，４５３，９５１（これら全ては参照により本願明細書に包含される）に開示されたように作製してもよい。これらの文献においては、ダイヤモンド−炭化ケイ素複合物は、ダイヤモンドとカーボンブラックとをパラフィン中で混合して第１分散体を形成させ、炭素繊維とカーボンブラックとをパラフィン中で混合して第２分散体を形成させ、続いて、これら２種の分散体を一緒に圧縮して、二層複合物を作製し、さらに続いて、真空下でパラフィンを除去し、続いて高温状態でケイ素浸透を行うことによって作製される。
【００７４】
さらに、複合層６を、ＵＳ４，６４３，７４１（その内容は参照により本願明細書に包含される）に開示されたように作製してもよい。この文献においては、ダイヤモンドと炭化ケイ素との複合物を、苛性ソーダ洗浄されたダイヤモンド粒子およびケイ素を高温かつ高圧処理に曝すことによって形成する。
【００７５】
あるいは、複合層６を、ＵＳ５，０１０，０４３（その内容は参照により本願明細書に包含される）に開示されたように作製してもよい。その開示内容は、苛性ソーダを用いてダイヤモンド粒子を洗浄するステップを回避することを除いて、ＵＳ４，６４３，７４１の開示内容と類似している。
【００７６】
さらに、複合層６を、ＵＳ６，９３９，５０６およびＵＳ７，０６０，６４１（両者は参照により本願明細書に包含される）に開示されたように作製してもよい。これらの文献においては、ダイヤモンドおよび炭化ケイ素の複合層を、微結晶ダイヤモンド粒子およびアモルファスケイ素粉末のボールミル処理された混合物の焼結／浸透によって作製する。アモルファスケイ素の一部は、６００℃において、部分的に微結晶ケイ素に転換され、より高温において、微結晶炭化ケイ素に転換される。
【００７７】
あるいは、複合層６を、ＵＳ７，９５９，８４１に開示されたダイヤモンドおよび炭化ケイ素の複合物の作製方法、またはＵＳ８，１６８，１１５に開示されたダイヤモンドおよび炭化ケイ素の複合物の超砥粒子圧縮物の製造方法（両者は参照により本願明細書に包含される）のように作製してもよい。
【００７８】
あるいは、複合層６を、ＵＳ２０１１／０２８３６２９（その内容は参照により本願明細書に包含される）に開示されたように作製してもよい。この文献においては、粒径の異なるダイヤモンドと粒径の異なるケイ素とを混合し、続いて、この混合物を熱プレスすることによって、未反応ケイ素を約２％以下有し、かつグラファイトを約１％有する高強度化ダイヤモンド−炭化ケイ素圧縮物を作製する。
【００７９】
（本発明の多層基材を作製するために、ダイヤモンドおよび炭化ケイ素、並びに、任意にケイ素を備える複合層上にダイヤモンド層を堆積させる方法）
複合層６上のダイヤモンド層４を、ＵＳ５，２５０，１４９、ＵＳ５，６２８，８２４、またはＵＳ５，５２３，１６０（これらの全ては参照により本願明細書に包含される）に開示されたように、化学気相成長によって堆積させてもよい。これらの文献においては、マイクロ波プラズマ条件下において、真空下、高温状態、かつ制御されたマイクロ波出力を用いた条件で、メタンおよび水素が反応ガスとして使用される。
【００８０】
ダイヤモンド層４を、ＵＳ５，０１５，４９４（これは参照により本願明細書に包含される）に開示されたように、複合層６上に堆積させてもよい。この文献においては、２．４５ＧＨｚで操作するプラズマ反応器を使用して、水素と共に、炭素源としてのアセチレン、エチレン、メタノール、エタノール、またはメタンを用いることによってダイヤモンドのフィルムを基材上に堆積させる。この特許は、窒素およびホウ素含有化学物質が、炭素および水素を含むガスと共に、前記反応システムに導入されてもよいことをさらに開示している。
【００８１】
ＵＳ４，９５８，５９０（これは参照により本願明細書に包含される）は、水素とメタンと二酸化炭素とのガス混合物を用いた、２．４５ＧＨｚのマイクロ波プラズマの反応器における基材上への成長速度約６ミクロン／ｈｒとなるダイヤモンド堆積を教示している。ＵＳ５，６６０，８９４（これは参照により本願明細書に包含される）は、マイクロ波プラズマを用いて、アセチレンと二酸化炭素とのガス混合物でケイ素基材上にダイヤモンドを堆積させる方法を開示している。ＵＳ５，７４９，９６６（これは参照により本願明細書に包含される）は、２５０℃〜９５０℃までの種々の成長温度で、反応ガス組成物、すなわち、水素とメタンと酸素とアルゴンとの混合物を、任意にバイアスをかけて制御することによって、多結晶ダイヤモンド、ナノ結晶ダイヤモンド、およびダイヤモンドライクカーボンをケイ素基材上に堆積させるためのマイクロ波プラズマの使用を開示している。ＵＳ６，１１０，５４１（これは参照により本願明細書に包含される）は、核形成段階の間に、マイクロ波プラズマを用いて、任意に負のバイアスを印加してメタンを含むガス混合物からケイ素基材上にダイヤモンドフィルムを堆積させることを開示している。ＵＳ７，１１５，２４１、ＵＳ７，４５２，４２０、ＵＳ７，７１３，５０７、ＵＳ７，７５４，１８０およびＵＳ２０１０／０１１６１９７（これらの全ては参照により本願明細書に包含される）は、マイクロ波プラズマを用いて、窒素およびメタンを含み、かつ窒素濃度が０．５％〜約５％の範囲にあるガス混合物から、化学気相成長によって単結晶ダイヤモンドを成長させることを開示している。
【００８２】
ＵＳ５，２７０，１１４（これは参照により本願明細書に包含される）は、ダイヤモンド粉末でケイ素単結晶上面を削った後に、二段階プロセスのマイクロ波プラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）によって、水素とメタンとのガス混合物から、厚さ約３５０ミクロンのダイヤモンド層をケイ素単結晶上に堆積させることを開示している。次に、ダイヤモンドフィルムは、化学エッチングによって剥離される。この特許はまた、ダイヤモンド粒子、窒化ケイ素粒子、タングステン粒子、炭化タングステン粒子、モリブデン粒子、およびケイ素粒子を含む基材の多孔質または不規則な表面を圧密化し、かつ該基材表面に浸透するように、ＣＶＤを用いることを開示している。より詳細には、前記基材は、多結晶ダイヤモンド圧縮物からの金属の化学的除去によって調製される。多結晶ダイヤモンド圧縮物は、（１）複数の金属コートダイヤモンド粒子を調製し、（２）これらの金属コートダイヤモンド粒子をより高い高圧および高温条件下で一緒に圧縮することによって製造される。（２）において、金属コーティングは溶融し、これにより、下側にあるダイヤモンド粒子が一緒に部分的に成長できるようになる。酸エッチングによる金属除去後の基材は、ＣＶＤダイヤモンドが堆積する多孔質のダイヤモンド基材を含む。該ＣＶＤダイヤモンドは、前記多孔質ダイヤモンド基材の物理的特性を改善するように、孔内に浸透し、この多孔質ダイヤモンド基材を圧密化し、強固なダイヤモンド片にする。ＵＳ６，３４４，１４９（これは参照により本願明細書に包含される）は、ダイヤモンド−金属複合物から触媒を除去することにより生じる多孔質表面に浸透するようにＣＶＤダイヤモンドを使用する同様なプロセスを開示している。
【００８３】
多層基材２を作製するために、ダイヤモンド層４を、ＵＳ５，４７９，８７４、ＵＳ５，４４５，１０６，ＵＳ５，４３７，８９１、ＵＳ５，４３７，７２８、ＵＳ５，４２４，０９６、ＵＳ５，３９１，２２９、ＵＳ５，２８６，５２４，ＵＳ４，９７０，９８６、および／またはＵＳ５，５２３，１２１（これらの全ては、参照により本願明細書に包含される）に開示されたように、熱フィラメント反応器を用いて、化学気相成長によって複合層６上に堆積させてもよい。このプロセスにおいて、水素とメタンなどの炭化水素とのガス混合物であって、時には幾つかの窒素付加物を伴うガス混合物が供給原料として使用され、適切な分解温度（熱フィラメントによって制御された）まで加熱される。この分解温度において、メタンが使用される場合には、水素分子は、水素ラジカルに転換され、最初の炭化水素は、種々の中間物である、ＣＨ３、ＣＨ２、ＣＨなどのような炭化水素ラジカルに転換される。基材は、炭化水素ラジカルからのダイヤモンドの核生成および成長を促進する温度に維持される。
【００８４】
多層基材２を作製するために、また、ダイヤモンド層４を、ＵＳ５，２７０，０７７（これは参照により本願明細書に包含される）に開示されたのと同様の方法を用いた化学気相成長によって堆積させてもよい。この文献は、剥離中または剥離後にダイヤモンドの応力に対抗するために、凸状のモリブデン基材を使用する方法を開示している。
【００８５】
多層基材２はまた、ＵＳ５，１９０，８２３（これは参照により本願明細書に包含される）に開示されたように作製されてもよい。この文献には、シラン層が、モリブデン基材上に付与されていて、その結果、熱フィラメント反応器内で堆積されたダイヤモンド厚さは、層剥離することなく、１０〜２０ミクロンから１００ミクロンまで、さらには３００ミクロン程度まで増加できた。
【００８６】
また、多層基材２を、以下の米国特許文献のいずれか一つに開示されたように作製してもよい。ＵＳ６，４１４，３３８（これは参照により本願明細書に包含される）は、水素とメタンとの反応ガス混合物を用いたレニウム熱フィラメントプラズマを用いて、基材としてのモリブデン箔上にダイヤモンドを堆積させる方法を開示している。ＵＳ６，９８１，４６５（これは参照により本願明細書に包含される）は、ケイ素基材上へのダイヤモンドの化学気相成長のために熱フィラメントプラズマを用いる方法を開示している。ＵＳ４，７０７，３８４（これは参照により本願明細書に包含される）は、熱フィラメントＣＶＤプロセスを用いて、ダイヤモンドフィルムを、遷移金属のカーバイド類、ニトリド類、炭窒化物類、オキシカーバイド類、およびホウ化物類の基材上に堆積させる方法を開示している。この後者の特許においては、ダイヤモンドフィルムを基材上に固定させることが困難であったため、この特許は、前記基材上へのダイヤモンドフィルムのより良好な付着を得るために、どのように、前記ダイヤモンドフィルムと前記基材との間に中間層を介在させるかを開示している。このような介在した中間層は、主に、炭化チタンであり、炭化チタンは、単層結合によって、主には、ファンデルワールス力の物理的相互作用によって、ダイヤモンドに対して良好な親和性を有する。ＵＳ２００５／００６４０９７（これは参照により本明細書に包含される）は、鉄ホウ化物類を形成するためのホウ素を用いた前処理によって、数ミクロンのダイヤモンドフィルムを鉄系基材上に成長させる方法を開示している。ダイヤモンドフィルムは、剥離しなかった。しかしながら、ダイヤモンドフィルムには２ＧＰａの応力がかかっていて、ラマンシフトにおいては、単結晶ダイヤモンドに相当する１３３２．５４ｃｍ−１から１３３５ｃｍ−１への約２．５ｃｍ−１の正のシフトが見られる。これは、このダイヤモンドフィルム上に実質的な圧縮応力が及ぼされていることを意味している。この特許公報は、ダイヤモンドの厚さが僅かに約８０〜３００ｎｍの場合、前記応力が低減されることを教示している。ラマンシフトによって測定したところ、約４０〜５０ミクロンのダイヤモンドフィルムが８ＧＰａ程度の応力を有し、それらの幾つかは１．４ＧＰａの応力を有することが報告されている。タングステン炭化物基材から金属コバルトを除去することによって、ダイヤモンドフィルムのより良好な付着が可能になる。ＵＳ５，９５２，１０２（これは参照により本願明細書に包含される）に開示されたように、このダイヤモンドフィルムは、機械用途のための熱フィラメントによって作製され、３０ミクロンを越えても、タングステン炭化物に対する応力が５００ＭＰａである。ＵＳ６，０４２，８８６（これは参照により本願明細書に包含される）は、研磨具の表面を粗くすることによって、熱フィラメントＣＶＤダイヤモンドを前記研磨具の表面に固定でき、そうでなければ、殆どの場合、前記ダイヤモンドフィルムの実質的な応力のために、ダイヤモンドは固定できなくなるであろうことを開示している。加えて、ＵＳ２００５／０２７６９７９およびＵＳ２００５／００２５９７３（両者は参照により本願明細書に包含される）は、８〜２００ミクロンのダイヤモンドフィルムを、直径２インチの炭化ケイ素とケイ素との複合物の表面上に配置されたダイヤモンド砂（１０〜７５ミクロン）周りに堆積させるために熱フィラメントＣＶＤ法を用いることを開示している。開示された製品は、ＣＭＰ（化学機械研磨）パッドの調整、熱スプレッダ、および摩耗部品のために使用された。
【００８７】
あるいは、多結晶ダイヤモンド層４を、ＵＳ５，４０３，３９９およびＵＳ５，３６８，８９７（両者は参照により本明細書に包含される）において教示されたのと同様の化学気相成長によって、複合層６上に堆積させてもよい。これらの文献においては、アーク放電ジェットプラズマまたは直流熱プラズマの条件下において、ケイ素基材上へのダイヤモンド堆積のために水素およびガス状の炭素をラジカル化する。ダイヤモンド層４を、ＵＳ特許５，３１４，６５２号（これは参照により本願明細書に包含される）に開示されたように複合層６上に堆積させてもよい。この文献においては、窒化チタン、チタン炭化物、窒化ハフニウム、窒化ジルコニウム、窒化アルミニウム、または酸化アルミニウムから作製される中間層を付与することによって、２００〜１０００ミクロンの厚さの自立型のダイヤモンドのフィルムを堆積させ、モリブデンで作製された基材から分離するために、直流アークプラズマを使用する。ＵＳ５，５０７，９８７（これは参照により本願明細書に包含される）は、ダイヤモンドフィルムを堆積させ、１２７０ミクロン程度の厚さの自立型のダイヤモンドのフィルムを得るために、直流ジェットプラズマを用いる方法を開示している。ＵＳ５，７９２，２５４（これは参照により本願明細書に包含される）は、水素とメタンとのガス混合物を用いて、表面処理されたグラファイト基材上にダイヤモンドフィルムを成長させるために、直流プラズマを使用することを開示している。ＵＳ５，８９７，９２４（これは参照により本願明細書に包含される）は、ダイヤモンドをガラス基材上に成長させるために、マイクロ波プラズマを用いることを開示している。ＵＳ７，３０６，７７８、ＵＳ７，７７１，８２３およびＵＳ７，７６７，１８４（これらの全ては参照により本願明細書に包含される）は、炭素源としてのアセチレンを用いて、ポリカーボネート基材上に１００ｎｍ以下のダイヤモンド層を堆積させるための直流プラズマの使用を開示している。ＵＳ２０１０／０１７８７３０（これは参照により本願明細書に包含される）は、モリブデン基材上に８０ミクロンのダイヤモンドフィルムを堆積させるための直流プラズマＣＶＤ装置を開示している。ＵＳ７，８３３，５８１（これは参照により本願明細書に包含される）は、ダイヤモンドフィルム成長を通じて堆積温度が増加する複数のステップによってダイヤモンドフィルムを形成することによって、チタンなどの金属基材をコーティングする方法を開示している。
【００８８】
ＵＳ５，４８０，６８６およびＵＳ５，４１８，０１８（両者は参照により本願明細書に包含される）は、水系プラズマ放電を用いた化学気相成長によって、複合層上に堆積させることにより多結晶ダイヤモンド層を形成することを開示している。このプロセスは、炭素源としてのアルコールおよび炭化水素と、グラファイト種をエッチングで取り除く反応性酸素のための酸素源としての水とを含む。
【００８９】
ＵＳ５，４３３，９７７、ＵＳ５，５０５，１５８およびＵＳ５，６５５，４３０（これらの全ては参照により本願明細書に包含される）は、燃焼フレームの条件下において高純度酸素およびアセチレンガスから生じたトーチを用いた化学気相成長によって、多結晶ダイヤモンド層を形成することを開示している。これらの特許は１０ミクロンの厚さの一般的なダイヤモンドフィルムがタングステン炭化物およびコバルトから作製された複合物の基材および／または窒化ケイ素基材上に堆積されることを開示している。ＵＳ５，４９１，０２８（これは参照により本願明細書に包含される）は、高温バインダによってダイヤモンド付着を増すための燃焼フレームによって、ＷＣ−Ｃｏ（タングステン炭化物−コバルト）基材上にダイヤモンドのフィルムを堆積させる方法を開示している。
【００９０】
ＵＳ５，９０２，５６３（これは参照により本願明細書に包含される）は、多結晶ダイヤモンド層が、高周波（ＲＦ、３ｋＨｚ〜３００ＧＨｚ）プラズマ条件下、または超高周波数（ＶＨＦ、５０〜３００ＭＨｚ）プラズマ条件下において、ケイ素および／またはモリブデン基材上へのダイヤモンド堆積のために、水素とメタンとのガス混合物がラジカル化される化学気相成長によって堆積されてもよいことを開示している。
【００９１】
ＵＳ５，３０２，２３１（これは参照により本明細書に包含される）は、多結晶ダイヤモンド層が、ダイヤモンド成長のために、典型的な水素およびメタンに代えて、水素が不足したハロゲン化炭素分子（ＣＣｌ４、ＣＦ４、ＣＢｒ４、およびＣＩ４）のような他の代替的な化学物質が使用される化学的気相成長によって堆積されてもよいことを開示している。ＵＳ５，０７１，６７７（これは参照により本明細書に包含される）は、高温状態で基材上にダイヤモンドを堆積させるために、炭素、水素、およびハロゲンを供給することができるガス混合物を用いたプロセスを開示している。
【００９２】
ＵＳ５，１５４，９４５（これは参照により本願明細書に包含される）は、赤外レーザを用いることによって、炭素すすの形態の純粋な炭素から得られるメタンと水素とのガス混合物から多結晶ダイヤモンド層が化学気相成長によって堆積されてもよいことを開示している。ＵＳ４，９４８，６２９（これは参照により本願明細書に包含される）は、有機酸から多結晶ダイヤモンド層を堆積させるために、紫外レーザを用いることを開示している。
【００９３】
ＵＳ５，４７４，８０８（これは参照により本明細書に包含される）は、多結晶ダイヤモンド層が、任意に、水系または非水系の液体に混合されるダイヤモンド粒子を付与することによって種添加された複合物表面に直接堆積されてもよいことを開示している。
【００９４】
ＵＳ２００８／０２５６８５０（これは参照により本願明細書に包含される）は、種々の厚さの炭化ケイ素でコーティングしたダイヤモンド表面から得られる酸化耐性および固有の光学的特徴を目的として、種々の厚さの炭化ケイ素でダイヤモンド片をコーティングする方法を開示している。ＵＳ２００２／００１５７９４（これは参照により本願明細書に包含される）は、ＣＶＤダイヤモンドをカーバイド／延性金属のフィルムの薄い層でコーティングする方法を開示している。また、前記薄い層は、その後、ニッケル、コバルト、鉄、または１以上のこれらの金属を含む合金を有する焼結炭化物に接合されることも開示している。自立型のＣＶＤダイヤモンドは高価であり、大型のＣＶＤダイヤモンドの大型片を得ることは難しい。このプロセスは、非経済的であると思われる。しかしながら、このような処理は、ダイヤモンド層と、ダイヤモンドおよび炭化ケイ素とを少なくとも備え、任意にケイ素を備える複合層とを少なくとも有する本発明の多層基材のダイヤモンド層の表面に適用可能であってもよい。
【００９５】
（特性評価方法）
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の画像を、エネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＡＸ）検出器を搭載したＴｅｓｃａｎ社のＶｅｇａ走査型電子顕微鏡上で収集した。
【００９６】
ラマンスペクトルを共焦点ラマン顕微鏡によって収集した。レーザラマン顕微鏡は、単結晶または多結晶などのダイヤモンドの特性評価のためのスタンダードとして広く用いられている。この顕微鏡は、炭素（例えば、ダイヤモンド、グラファイト、フラーレン）の異なる形（同素体）のそれぞれの容易に区別可能な特徴を供する。光ルミネッセンス（ＰＬ）技術と組み合わされると、ラマンスペクトルは、ダイヤモンド結晶およびフィルムの、相純度、結晶サイズおよび配向、欠陥レベルおよび構造、不純物種および濃度、並びに応力および歪みを含むダイヤモンドの種々の特性を研究するための非破壊的な方法を提供する。特に、１３３２ｃｍ−１にあるダイヤモンドの一次ラマンピークの幅（半値全幅、ＦＷＨＭ）は、ダイヤモンドのピークとグラファイトのピークとの間（１３５０ｃｍ−１にあるＤ−バンドと１６００ｃｍ−１にあるＧ−バンドとの間）のラマン強度と同様に、ダイヤモンド品質の直接的な指標である。さらに、ダイヤモンド粒子およびフィルムにおける応力および歪みレベルがダイヤモンドのラマンピークシフトから見積もられることができる。静水圧応力下でのダイヤモンドのラマンピークシフト割合は、約３．２ｃｍ−１／ＧＰａであり、ピークは、引張応力下では低い波数にシフトし、圧縮応力下では高い波数にシフトすることが報告されている。本明細書で示されるラマンスペクトルは、５１４ｎｍの励起レーザを用いる共焦点顕微鏡を用いて収集された。また、ダイヤモンドの特性評価のためにラマン分光法を用いることに関する更なる情報は、参考文献（１）Ａ．Ｍ．Ｚａｉｔｓｅｖ，Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｄｉａｍｏｎｄ，２００１，Ｓｐｒｉｎｇｅｒおよび（２）Ｓ．Ｐｒａｗｅｒ，Ｒ．Ｊ．Ｎｅｍａｎｉｃｈ，Ｐｈｉｌ．Ｔｒａｎｓ．Ｒ．Ｓｏｃ．Ｌｏｎｄ．Ａ（２００４）３６２，２５３７−２５６５において得ることができる。
【００９７】
紫外可視近赤外スペクトロメータによって、反射型紫外可視近赤外スペクトルを収集した。
【００９８】
密度をＡＳＴＭ  Ｃ１３５−８６に準じて水浸実験によって測定した。
【００９９】
ヤング率をＡＳＴＭ  Ｅ４９４−９５に準じて超音波測定法によって測定した。
【０１００】
熱膨張係数（ＣＴＥ）をＡＳＴＭ  Ｅ  ８３１に準じて膨張率測定法によって測定した。
【０１０１】
熱伝導率をＡＳＴＭ  Ｅ  １４６１に準じてレーザフラッシュ法によって測定した。
【０１０２】
（マイクロ波プラズマによるダイヤモンドの化学気相成長）
マイクロ波プラズマによって強調されるダイヤモンドの化学気相成長は、当該技術分野において公知であり、本明細書において実質的に説明されている。図３は、複合層６上へのダイヤモンド層４の堆積を実行するときに使用されたマイクロ波プラズマＣＶＤシステムの概略図を示す。具体的には、水素およびメタンを含む反応ガスの混合物が、マイクロ波プラズマＣＶＤ反応器内に流入され、水素およびメタンの流速は、独立型のマスフローコントローラによって制御された。消費されたガスは、前記ＣＶＤ反応器から流出し、一般に真空ポンプに向かう。マイクロ波は、一般に、マグネトロンによって発生させられ、石英窓を通って反応器に案内される。前記反応器の内側において、マイクロ波エネルギーは、水素分子を水素フリーラジカルにラジカル化するとともに、メタン分子をメチルフリーラジカル（ＣＨ３）、メチレンフリーラジカル（ＣＨ２）、メチンフリーラジカル（ＣＨ）および２以上の炭素を含む二次的または三次的なフリーラジカルにラジカル化するプラズマに転換される。前記反応器の底部には、基材を支持する基材保持部が据え付けられている。ダイヤモンドおよび炭化ケイ素を含む、および任意にケイ素を含む、ダイヤモンド成長のための基材としての複合層６は、前記基材保持部に据え付けられる。
【０１０３】
前記プラズマが存在している間、炭素を含むラジカル化されたフリーラジカルは、前記基材表面に衝突する。このことは、いわゆる「ヒットアンドスティック」と呼ばれるメカニズムによる炭素固定へと繋がる。次に、水素フリーラジカルは、固定された表面にある、依然として水素原子を含んでいる炭素種に衝突し、そのような固定された炭素種から水素原子を抜き取る。その結果、全ての水素原子が抜き取られるまで、水素原子の数が少ないＣ−Ｃ結合を形成するための炭素フリーラジカルが表面に形成される。ある純粋なＣ−Ｃ結合は、実質的にｓｐ３であってもよいが、このことはダイヤモンド格子にとって望ましい。ある純粋なＣ−Ｃ結合は、実質的にｓｐ２であってもよいが、このことは実質的にグラファイト状ということになるので望ましくない。しかしながら、水素フリーラジカルは、ダイヤモンド格子からｓｐ３炭素を取り去るよりも早く、黒鉛種からｓｐ２炭素を取り去ることができる。
【０１０４】
プラズマの大きさが前記基材表面を十分に覆う程度の大きさに調整されるならば、前記ガス混合物中での水素およびメタン濃度は、成長温度に加えて、ダイヤモンド成長にとって重要な因子であることは当該技術分野において公知である。すなわち、マイクロ波の出力および前記ＣＶＤ反応器内の圧力は、基材の大きさに大きく依存する。当業者であれば、本開示の手順および指示に従えば、プラズマを、高品質グラファイトの種添加、堆積、および成長を目的とする、種々の大きさの基材を覆うのに十分である適切な大きさに調整することができると考えられる。
【実施例】
【０１０５】
（実施例１：ダイヤモンドと炭化ケイ素とを含み、任意にケイ素を含む、多層基材２を作製するために使用される複合層６を調製すること）
ダイヤモンドと炭化ケイ素とを含み、任意にケイ素を含む複合層４を作製する詳細なプロセスは、以下の実施例４および５において、およびＵＳ８，４７４，３６２（これは参照による本願明細書に包含される）において開示されている。基本プロセスは、（１）所定量のダイヤモンド粒子（直径７６ミクロン、直径３００ミクロン、および直径５００ミクロン）および炭化ケイ素（５４グリット、２４０グリット、または５００グリット）を混合した後、バインダ（フェノール樹脂）および試薬用アルコールと共に、表面から液体を定期的に除去しながら、混合物を振動下でゴム製モールド内に投入した。（２）次に、前記モールドをオーブン内に入れて、１４０℃で２〜３時間加熱する。続いて、予期成形物とも呼ばれる前記内容物を含むゴム製モールドを入れたオーブンを大気温度まで冷却した。前記ゴム製モールドから前記予備成形物を取り除き、グラファイト板上に載置した後、該グラファイト板を不活性雰囲気状態にある炉内に配置した。その後、その中に予備成形物を有する炉の内側を６５０℃などの高温で２時間保持し、室温まで冷却した。その後、前記予備成形物は炭化された。さらに、前記予備成形物をフェノール樹脂に浸して、同様な条件下で２回目の炭化を行った。（３）次に、前記予備成形物をケイ素の塊とともにグラファイトボートの内側に配置した後、該グラファイトボートを真空焼結炉の内側に配置した。例えば、前記炉を０．１Ｔｏｒｒを下回る圧力まで排気し、前記炉の内温を１４５０℃まで上昇させ、１時間保持した。その後、前記炉の内部の温度を室温まで低下させた。これにより、金属ケイ素は溶融されて、前記予備成形物内に滲み込んで（ｗｉｃｋｅｄ）、ダイヤモンド、グラファイト、炭素室種由来であり得る炭素と反応されて、炭化ケイ素が形成された。その結果、ダイヤモンドと炭化ケイ素とを含み、任意にケイ素を含む複合物となったが、幾らかの過剰または未反応ケイ素は残っていた。
【０１０６】
代替の手順は、アルコールを添加するステップおよびゴム製モールド内に投入するステップを飛ばして、代わりに、炭化ケイ素、ダイヤモンドおよびフェノール樹脂の混合物をダイ内で圧縮して予備成形物を形成するステップを有することを含む。次に、不活性雰囲気下において、例えば、６００℃の高温で、前記予備成形物を炭化した後、真空下において、一定期間１４８３℃でケイ素浸透を行った。この代替手順の結果、複合層６は十分な密度となった、つまり、多孔性でなくなった。製造された複合層６は、ダイヤモンドと炭化ケイ素とを含み、任意にケイ素を含んでいたが、幾らかの過剰または未反応ケイ素は複合層６に残存していた。
【０１０７】
以下の表１は、反応焼結炭化ケイ素（ＲＢＳＣ）複合物の標準品と比較して、ダイヤモンドと炭化ケイ素とを含み、任意にケイ素を含が、過剰または未反応のケイ素が存在している複合層６（上述の手順に準じて作製された）について、密度、ヤング率、熱膨張係数（ＣＴＥ）、および熱伝導率を含む物理的特性を示している。表１から理解できるように、ダイヤモンド含有量（または担持量）が（体積基準で）０％〜４２％、さらには７０％に増えるにつれて、複合層６の密度は、２．９５ｇ／ｃｍ３から３．２７ｇ／ｃｍ３、さらには３．３０ｇ／ｃｍ３にそれぞれ増える。同時に、ヤング率は、３５０ＧＰａから６３０ＧＰａに、さらには７００ＧＰａにそれぞれ増える。注目すべきは、密度およびヤング率の両者の増加は、必ずしも、ダイヤモンド担持レベルの増加と線形な相関がある訳ではないことである。このことは、予想外であった。純粋なダイヤモンドの密度は、約３．５２ｇ／ｃｍ３であると報告され、純粋なダイヤモンドのヤング率は、約１，２２０ＧＰａであると報告されている。それにも関わらず、前記複合物中のダイヤモンド担持レベルが増えるにつれて、密度およびヤング率などの物理的特性は、純粋なダイヤモンドの特性に次第に類似するようになる。
【０１０８】
表１はまた、ダイヤモンド担持レベル（体積基準）が、０％〜４２％、さらには７０％に増すにつれて、熱膨張係数（ＣＴＥ）が２．９×１０−６／ｍ／ｍ−Ｋから１．５×１０−６／ｍ／ｍ−Ｋ、さらには１．２×１０−６／ｍ／ｍ−Ｋにそれぞれ減少することを示している。一方で、純粋なダイヤモンドの熱膨張係数は、１．０×１０−６／ｍ／ｍ−Ｋである。線形モデル計算によれば、４２％のダイヤモンドを含む複合物の熱膨張係数は、僅か、２．１×１０−６／ｍ／ｍ−Ｋに減少され、７０％のダイヤモンドを含む複合物の熱膨張係数は、１．６×１０−６／ｍ／ｍ−Ｋに減少されることが予想される。このことは、極めて驚くべきことである。それにも関わらず、このような結果は、ダイヤモンド担持レベル（体積基準）が増すにつれて、ダイヤモンドと炭化ケイ素とを含み、任意にケイ素を含む複合層６は、ダイヤモンドの物理的特性に関して、特に、熱膨張係数において、ダイヤモンドに次第に類似するようになることを示している。
【０１０９】
ダイヤモンド担持レベル（体積基準）の増加の結果、ＲＢＳＣ標準品の１７０Ｗ／ｍ−Ｋから４２％のダイヤモンドを含む複合層６の４５０Ｗ／ｍ−Ｋまで、７０％のダイヤモンドを含む複合層６の６２５Ｗ／ｍ−Ｋ（これは、純粋な銅の熱伝導率（４０１Ｗ／ｍ−Ｋ）よりも遥かに優れている）まで、熱伝導率が増加するが、これらの熱伝導率は、理論的に予想される（線形モデルにより算出される）熱伝導率（４２％のダイヤモンドを含む複合層６は９８１Ｗ／ｍ−Ｋであり、７０％のダイヤモンドを含む複合層６は１５２１Ｗ／ｍ−Ｋである）よりも遥かに低い。このことは全く予想外である。それにも関わらず、前記結果は、ダイヤモンド担持レベルが増すにつれて、ダイヤモンドと炭化ケイ素とを含み、任意にケイ素を含む複合層６が、その物理的特性において、純粋な、または天然のダイヤモンドに次第に類似するようになるという結果を依然として支持する。
【０１１０】
【表１】
0006479825.tif 000002
【０１１１】
上述の手順およびプロセスに類似するプロセスを用いて、ダイヤモンドと炭化ケイ素とを含み、任意にケイ素を含む複合層６の多層部品を、種々の幾何学的寸法で作製し、マイクロ波プラズマ反応器内において、ダイヤモンド層４の化学気相成長のための基材として使用した。これは、先述のマイクロ波プラズマによるダイヤモンドの化学気相成長の説明に加えて、以下でさらに説明される。
【０１１２】
（実施例２：ダイヤモンドと炭化ケイ素とを含み、任意にケイ素を含む複合層６の露出されたダイヤモンド粒子上に引き続きダイヤモンドを成長させることによって、複合層６中のダイヤモンド粒子にダイヤモンド層４を強固に固定すること）
４０％（体積基準）のダイヤモンドを含み、残部が炭化ケイ素、かつ場合によってはケイ素である複合層６（直径６８ｍｍ、厚さ１２ｍｍ）を、マイクロ波プラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）反応器において基材として使用した。１８５０ｍＬ／ｍｉｎの水素と１３．７ｍＬ／ｍｉｎのメタンとの混合物を前記マイクロ波ＣＶＤ反応器に流入させた。プラズマを開始した後、プラズマが複合層６を覆う大きさとなるように、マイクロ波出力および反応器圧を調整し、前記マイクロ波プラズマＣＶＤ反応器において、複合層６を保持する基材保持部を冷却することによって、複合層６の温度を８２０℃に制御した。複合層６上へのダイヤモンド層４の化学気相成長を約２０時間行った後、前記反応を停止させ、前記マイクロ波プラズマＣＶＤ反応器から多層基材２を抜き取り、多層基材２を光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡、およびラマン分光法によって分析した。ラマン分光法の検討結果から、成長したダイヤモンドのフィルムまたは層４は、損傷がなく、新たに成長したダイヤモンド層４は、約１３３２ｃｍ−１でのラマンシフトのシャープな特徴的ピークを有する高品質ダイヤモンドであることが確認された。約２０時間の成長後、ダイヤモンド層４は約３０ミクロンの厚さを有すると見積もられた。
【０１１３】
図４（ａ）は、複合層６の上にダイヤモンド層４を化学気相成長させるのに使用する前の、複合層６表面のＳＥＭの後方散乱画像を示している。電子密度の違いのために、図４（ａ）のダイヤモンド粒子は、暗色画像として示され、炭化ケイ素は、灰色の連続相として示され、ケイ素は、前記複合物の孔を満たす区別可能な明るい灰色として示される。このことは、ダイヤモンド、炭化ケイ素、およびケイ素を含む複合層６が高密度であることを示している。複合層６表面に露出された複合層６のダイヤモンド粒子の最大寸法は、約１０〜３０ミクロンであった。
【０１１４】
複合層６表面上への３０ミクロンのダイヤモンド層４の成長約２０時間後、驚くべきことに、図４（ｂ）の多層基材に示されるように、成長したダイヤモンド粒子がより大きく成長しており、複合層６中の炭化ケイ素およびケイ素の領域が小さなダイヤモンド結晶で種添加されることが見出された。
【０１１５】
次に、同じガス流量条件において全部で１１７時間のさらなるダイヤモンド堆積のために、図４（ｂ）の多層基材をマイクロ波ＣＶＤ反応器に戻した。次に、ＣＶＤ反応器から多層基材を取り除くと、ダイヤモンド層４は依然として損傷していないことが分かった。ダイヤモンド層４の厚さは約１９０ミクロンであると見積もられたので、このことも驚くべきことである。従来は、厚さ約１９０ミクロンのダイヤモンド層４は、一般に、モリブデンまたはタングステン基材から剥離すると考えられていた。図４（ｃ）から分かるように、元のダイヤモンド結晶が約１００ミクロン以上であるのに対し、大きなダイヤモンド粒子の間で２０時間成長させた後に確認される小さなダイヤモンド結晶が、数ミクロンから約２０〜３０ミクロンに成長していたことを見出したことは、さらに驚くべきことである。
【０１１６】
先の観察に基づくと、ダイヤモンド層４と、ダイヤモンドおよび炭化ケイ素を含み、任意にケイ素を含む複合層６とを備える多層基材２は、数多くの利点を有する。化学的には、ダイヤモンド層４は、結晶格子レベルで、複合層６の表面上にある露出されたダイヤモンド結晶上で成長し続ける。ダイヤモンド層４は、複合層６のマトリックスに強固に固定されることが想定される。このような結晶−格子間の固定により、多層基材２は本質的に強くなる。この利点によって、多層基材２が、膨大な量の外力、応力、および温度変動に関与する機械的用途などにおいて、物理的および化学的困難に耐えるための並外れた能力と並はずれた容量との両方を有することが確実になってもよい。このような利点は、ＣＶＤ反応器が許容する限りにおいて、任意の厚さのダイヤモンド層４を複合層６上に成長させることができるという利益に繋がる。
【０１１７】
物理的特性の見地から、複合層６は、上述の実施例１に示したように、ダイヤモンド担持レベルが増すにつれて、ダイヤモンド層４に次第に類似する。このような物理的特性の類似によって、複合層２の、これらの二個の異なる層が、より良好な相互作用を及ぼし合うようになる。このことは、外部応力により効果的に耐えるのに役立つ。特に、ダイヤモンド層４と複合層６との熱膨張係数は、温度変動が原因となって生じる熱応力がより低くなるという利益に繋がる。
【０１１８】
前記複合物中のダイヤモンド担持レベルが増えるにつれて、炭化ケイ素またはケイ素と種添加されたダイヤモンド粒子との間の物理的相互作用が及ぼされる領域は低減し、ダイヤモンド格子結合による化学的相互作用を有する領域は増加する。ファンデルワールス力が原因となる相互作用は、恐らく、化学結合、特に、ダイヤモンド格子中におけるｓｐ３Ｃ−Ｃ結合が原因となる相互作用よりも小さいと考えられている。これらの観察の全ては、多層基材２は従来技術を越える利益を有することを示唆する。しかしながら、本発明の範囲は、本願明細書で提供される説明に限定されるものではない。
【０１１９】
ダイヤモンド層４（厚さ約１９０ミクロン）と、４０％（体積基準）のダイヤモンドを含み、残りが炭化ケイ素、場合によってはケイ素である複合層６とを含む多層基材６は、光学仕上げのために、ラッピングされ、研磨される。反射角８°で、波長２５００ｎｍ〜３００ｎｍのダイヤモンド層６の紫外可視近赤外反射スペクトルを収集した。図５に示すように、これは、実質的に、単一表面からの反射光だけを収集することができる。このスペクトルにおける単一表面反射は、これらの波長に相当する高品質ダイヤモンド反射指数に良く一致していた。
【０１２０】
（実施例３：低応力または低減された応力を有し、複合層６上に化学的に固定された厚いダイヤモンド層４）
ダイヤモンド粒子を７０％（体積基準）含み、残部が炭化ケイ素、場合によってはケイ素である複合層６（直径１４０ｍｍ、厚さ１０ｍｍ）を、ダイヤモンド層４の化学気相成長のための基材として使用した。１８５０ｍｌ／分の水素と１３．７ｍｌ／分のメタンとの混合物を、マイクロ波プラズマＣＶＤ反応器内に流入させた（図３参照）。プラズマを開始した後、プラズマが複合層６を覆うことができる大きさとなるように、マイクロ波の出力および反応器の圧力を調整した後、基材保持部を冷却することによって基材温度を８２０℃に制御した。ダイヤモンド層４を約１７時間化学気相成長させた後、前記反応を停止し、マイクロ波ＣＶＤ反応器から多層基材２を抜き取った。約３０ミクロンのダイヤモンド層４は、複合層６上において凝集した状態で観察された。次に、全部で成長時間が約１３０時間となる更なるダイヤモンド成長のために、約７０％のダイヤモンドを含む複合層６上に約３０ミクロンのダイヤモンド層４を有する多層基材２を、マイクロ波ＣＶＤ反応器に戻した。次に、ダイヤモンドのマイクロ波化学気相成長反応を再度停止し、前記マイクロ波ＣＶＤ反応器から多層基材２を抜き取った。約２００ミクロンのダイヤモンド層４が７０％のダイヤモンドを含む複合層６上に凝集して存在していた。次に、全部で約２９０時間の、さらなる追加のダイヤモンド成長のために、この多層基材２を前記マイクロ波反応器に再度戻した。反応停止後、前記マイクロ波ＣＶＤ反応器から多層基材２を抜き取った。驚くべきことに、約４５０ミクロンのダイヤモンド層４が、複合基材６上に依然として凝集して存在していた。一般に、直径が１４０ｍｍの基材（タングステンなど）上にある、約４５０ミクロンの、このような厚さのダイヤモンド層４は、剥離から逃れることは難しい。ダイヤモンド層４と、ダイヤモンドおよび炭化ケイ素を含み、任意にケイ素を含む複合層６とを含む多層基材２の断片を、基材１Ａ１７５として認定した。
【０１２１】
図６は、直径１４０ｍｍであり、７０％ダイヤモンドを含む、複合層６（基材１Ａ１７５）上のダイヤモンド層４（マイクロ波反応器内で約２９０時間堆積された）の中心部の成長表面のＳＥＭ画像を示している。ダイヤモンド粒子の大きさは、数百ミクロンよりも大きいように見える。一方で、依然として成長プロセス中にある小さなダイヤモンド粒子が観察される。
【０１２２】
図７（ａ）〜（ｅ）は、５点の異なる位置、つまり、中心、北側端部、東側端部、南側端部、および西側端部における基材１Ａ１７５のダイヤモンド層４のラマンスペクトルを示している。ダイヤモンドを示すラマンピークは、１３３２．７５ｃｍ−１、１３３３．２７ｃｍ−１、１３３３．５２ｃｍ−１、１３３２．４５ｃｍ−１、１３３２．８９ｃｍ−１にそれぞれ位置していて、平均は１３３２．９８ｃｍ−１である。ラマンピーク幅（半値全幅、ＦＷＨＭ）は、３．２０ｃｍ−１、３．４０ｃｍ−１、３．８２ｃｍ−１、３．４３ｃｍ−１、および４．２９ｃｍ−１であり、平均は３．６３ｃｍ−１である。これらのラマン分光法のベースラインは、平坦であり、黒鉛状炭素に関連するｓｐ２炭素間結合の特徴は、実質的に検出されない。したがって、基材１Ａ１７５のダイヤモンド層４の品質は高く、直径１４０ｍｍの多層基材２表面の全体に亘って品質が高い。天然の単結晶ダイヤモンド（ＳＣＤ）のためのラマンデータ、成長した自立型のダイヤモンド窓（０４Ａ０５９０１）、および本願明細書で開示された複合層を含む種々の基材上で成長されたダイヤモンドが、図１６に示される。
【０１２３】
多層基材２からダイヤモンド層４の品質をより良く分析するために、高品質の天然単結晶ダイヤモンド（天然ＳＣＤ）のラマンスペクトルを収集して、ベースラインとして使用した。これらのスペクトルの一つを図８に示す。この天然単結晶ダイヤモンドのダイヤモンドに特徴的なラマンスペクトルは、１３３２．５３ｃｍ−１に位置し、そのラマンピーク幅（半値全幅、ＦＷＨＭ）は、４．０４ｃｍ−１であり、前記単結晶のこのラマンスペクトルのベースラインは、極めて平坦であり、実質的に黒鉛状炭素に関連するｓｐ２炭素−炭素結合の特徴も検出されない。図８の単結晶ダイヤモンドのラマンスペクトルと多層基材２（基材１Ａ１７５−図７（ａ）〜７（ｅ））のダイヤモンド層４のラマンスペクトルとを比較すると、多層基材２のダイヤモンド層４の品質が高品質であるというだけでなく、多層基材２のダイヤモンド層４の応力が低いことが観察される。これは、単結晶ダイヤモンドのラマンピーク（１３３２．５３ｃｍ−１）からのラマンピークシフトが小さいこと、つまり中心部において＋０．２２ｃｍ−１、北側端部において＋０．７４ｃｍ−１、東側端部において＋０．９９ｃｍ−１、南側端部において−０．０８ｃｍ−１、および西側端部において＋０．３６ｃｍ−１、平均すると＋０．４５ｃｍ−１であることによって実証される。これらの結果は、約４５０ミクロンの厚さおよび１４０ｍｍの直径の場合、多層基材２（基材１Ａ１７５）のダイヤモンド層４のダイヤモンドの応力が並外れて低いことを示唆している。一般に、ダイヤモンドフィルムの厚さおよび／またはダイヤモンドフィルムの直径（または寸法）の増加に伴って、ダイヤモンドフィルムのダイヤモンドの応力は増加する。
【０１２４】
多層基材１Ａ１７５の品質をさらに示すために、自立型のＣＶＤ光学ダイヤモンド窓（基材０４Ａ０５９０１）を検討する（両者の表面は、光学用途のために、研磨され仕上げられている）。これらは、図９（ａ）〜９（ｄ）に示すように、中心部および端部で、成長側および核形成側から収集される。自立型のＣＶＤダイヤモンド窓０４Ａ０５９０１のダイヤモンドを示すラマンピークは、１３３２．６７ｃｍ−１、１３３２．３６ｃｍ−１、１３３２．５３ｃｍ−１、および１３３２．６１ｃｍ−１であり、その平均は、１３３２．５４ｃｍ−１である。単結晶ダイヤモンドのラマンピーク（１３３２．５３ｃｍ−１）からのラマンピークシフトは、それぞれ＋０．１４ｃｍ−１、−０．１７ｃｍ−１、０．００ｃｍ−１、および＋０．０８ｃｍ−１であり、その平均は＋０．０１ｃｍ−１である。このことは、高品質の自立型のダイヤモンドの断片が、どのような観察可能な応力にも曝されていないことを示唆している。基材１Ａ１７５のダイヤモンドフィルム４の応力は、界面において２個の異なる材料の基材、つまり、ダイヤモンド層４と、ダイヤモンドと炭化ケイ素とを含み、任意にケイ素を含む複合層６との相互作用から生じる。
【０１２５】
図１０〜１１（ｃ）を参照すると、ダイヤモンド層４と複合層６とを含む多層基材２の品質をさらに示すために、厚さ１０ｍｍを有する１４０ｍｍのタングステン基材（基材＃１２４）を、マイクロ波ＣＶＤ反応器の内部に配置した（図３参照）。１８５０ｍＬ／分の水素と１３．７ｍＬ／分のメタンとの混合物を、マイクロ波ＣＶＤプラズマ反応器内に流入させた。プラズマを開始した後、プラズマがタングステン基材を覆う大きさとなるようにマイクロ波の出力および反応器の圧力を調整し、冷却によってタングステン基材の温度を８２０℃に制御した。前記タングステン基材へのダイヤモンド層の化学的気相成長を２４時間行った後、前記反応を停止し、マイクロ波ＣＶＤ反応器からダイヤモンド層を備えたタングステン基材を取り除いた。ダイヤモンド層は依然として前記タングステン基材に固定されていて、このダイヤモンド層の厚さは３０ミクロン以下と見積もられた。一般に、タングステン基材上にダイヤモンド層を２４時間以上成長させることは、前記タングステン基材からの前記ダイヤモンド層またはフィルムの剥離に繋がる。
【０１２６】
図１０は、前記タングステン基材（つまり、基材＃１２４）で成長していて、（依然として前記タングステン基材に固定されている）前記ダイヤモンド層またはフィルムの中心部の成長表面のＳＥＭ画像である。該層またはフィルムおいて、粒子サイズは約２０ミクロン以下である。
【０１２７】
図１１（ａ）〜１１（ｃ）は、一晩のマイクロ波ＣＶＤダイヤモンド成長後にタングステン基材上に成長したダイヤモンドフィルムの、それぞれ、中心部、端部１、および端部２に由来する３点のラマンスペクトルを示している。ダイヤモンドに特徴的なラマンピークは、１３３５．８５ｃｍ−１、１３３５．８７ｃｍ−１、および１３３５．８５ｃｍ−１にそれぞれ位置していて、その平均は１３３５．８６ｃｍ−１である。単結晶ダイヤモンドのラマンピーク（１３３２．５３ｃｍ−１）からのラマンピークシフトは、それぞれ＋３．３２ｃｍ−１、＋３．３４ｃｍ−１、＋３．３２ｃｍ−１であり、その平均は＋３．３３ｃｍ−１である。単結晶ダイヤモンドからの、このレベルのラマンピークシフトは、ダイヤモンド層（例えば、図１０に示される）が３０ミクロンよりも薄かったとしても、この薄いダイヤモンド層と前記タングステン基材との間の応力は、実質的なレベルで存在することを示唆している。上述のように、ダイヤモンドのフィルムの厚さが基材１Ａ１７５（約４５０ミクロン）のダイヤモンド層４と同程度の厚さであれば、前記タングステン基材上のダイヤモンドのフィルムの応力は非常に高くなる。
【０１２８】
（実施例４：多層基材２について、ダイヤモンド層４の応力は、ダイヤモンドと炭化ケイ素とを含み、任意にケイ素を含む複合層６中に担持しているダイヤモンドによって影響を及ぼされてもよい）
まず、４０％ダイヤモンドを担持し、残部が炭化ケイ素であり、場合によってはケイ素である複合層６（直径１４０ｍｍ、厚さ１０ｍｍ）を研磨スラリーでラッピングした。次に、ダイヤモンド粉末で擦って、イソプロパノールでフラッシュ洗浄した。次に、マイクロ波ＣＶＤ反応器内において、ダイヤモンド層４の化学気相成長のための基材として、複合層６を用いた。基材保持部に複合層６を載置した後、１８５０ｍＬ／分の水素と１３．７ｍＬ／分のメタンとの混合物をマイクロ波ＣＶＤ反応器内に流入させた（図３参照）。プラズマを開始した後、前記プラズマが複合層６を覆える大きさにするようにマイクロ波出力および反応器の圧力を調整し、複合層６の温度を、前記基材保持部を冷却することによって８２０℃に制御した。多層基材２を形成するための複合層６上へのダイヤモンド層４の化学気相成長を約３０１時間継続した。その後、反応を停止した。次に、前記マイクロ波ＣＶＤ反応器から多層基材２を取り除いた。多層基材２の堆積されたＣＶＤダイヤモンド層４は、約４８０ミクロンの厚さで観察され、ダイヤモンドと炭化ケイ素とを含み、場合によってはケイ素を含む複合層６に凝集していた。そのため、多層基材２を、基材１Ａ１７７Ｂとして認定した。
【０１２９】
図１２は、直径１４０ｍｍであり、４０％のダイヤモンドを含む複合層６（基材１Ａ１７７Ｂ）上のダイヤモンド層４（マイクロ波ＣＶＤ反応器内で約３０１時間堆積された）の中心部の成長表面のＳＥＭ画像を示している。ダイヤモンドの粒子サイズは、数百ミクロンよりも大きいように観察された。一方で、依然として成長プロセス中にある小さなダイヤモンドも観察された。
【０１３０】
図１３（ａ）〜１３（ｆ）は、５点の異なる位置、つまり、中心部、北端部、東端部、南端部、および西端部での基材１Ａ１７７Ｂのラマンスペクトルを示している。ダイヤモンドに特徴的なラマンピークは、１３３３．６７ｃｍ−１、１３３４．３５ｃｍ−１、１３３３．４３ｃｍ−１、１３３３．６２ｃｍ−１、１３３３．５８ｃｍ−１に位置していて、その平均は１３３３．７３ｃｍ−１であった。前記ラマンピークの幅（半値全幅、ＦＷＨＭ）は、３．２０ｃｍ−１、５．８２ｃｍ−１、３．４２ｃｍ−１、３．１０ｃｍ−１、および６．４３ｃｍ−１であり、その平均は４．３９ｃｍ−１（ラマンピーク幅または半値全幅（ＦＷＨＭ）を有する、半値高さが４．０４ｃｍ−１である単結晶ダイヤモンドに近い品質）であり、これらのラマン分光法のベースラインは平坦であり、実質的に黒鉛質炭素に関連するｓｐ２炭素間結合の特徴は検出できなかった。そのため、このダイヤモンド層４の品質は、表面全体において極めて高い。
【０１３１】
天然単結晶ダイヤモンドのラマン分光スペクトル（図８）と基材１Ａ１７７Ｂのダイヤモンド層４由来のダイヤモンドのラマン分光スペクトル（図１３（ａ）〜１３（ｅ））とを比較すると、多層基材２のダイヤモンド層４の品質が良好であるだけでなく、基材１Ａ１７７Ｂのダイヤモンド層４のダイヤモンドの応力が、タングステン基材（基材＃１２４、図１１（ａ）〜１１（ｃ））上に成長した薄いダイヤモンド層（＜３０ミクロン）の応力よりも低いことが分かった。これらの結果は、ダイヤモンドの厚さが４５０ミクロン程度の厚さであり、直径が１４０ｍｍの大きさである場合、多層基材２（基材１Ａ１７７Ｂ、４０％のダイヤモンド粒子を含む複合層６を有する）のダイヤモンド層４のダイヤモンドの応力は、依然として並外れて低いということを示唆している。これは、単結晶ダイヤモンドのラマンピーク（１３３２．５３ｃｍ−１）からのラマンピークシフトが中心部において＋１．１４ｃｍ−１、北端部において＋１．８２ｃｍ−１、東端部において＋０．９０ｃｍ−１、南端部において＋１．０９ｃｍ−１、および西端部において＋１．０５ｃｍ−１であり、その平均が＋１．２０ｃｍ−１である一方で、タングステン基材（基材＃１２４、図１１（ａ）〜１１（ｃ））上の薄いダイヤモンドのフィルム（＜３０ミクロン）は平均ラマンピークシフトが＋３．３３ｃｍ−１であることによって立証される。しかしながら、基材１Ａ１７５の複合層６は、７０％のダイヤモンドを有し、１Ａ１７７Ｂの複合層６は、４０％のダイヤモンドしか有していないので、ダイヤモンド層４のダイヤモンドの応力に関して、基材１Ａ１７７Ｂ（図１３（ａ）〜１３（ｅ）は、実際には、基材１Ａ１７５（図７（ａ）〜７（ｅ））よりも劣っている。したがって、これらの結果は、恐らく、（１）ダイヤモンド担持量がより多い複合層６は、その物理的特性において天然ダイヤモンドに類似すること、および（２）複合層６中のより多くのダイヤモンド粒子が、ダイヤモンド層４がＣＶＤ固有のｓｐ３炭素間ダイヤモンド格子結合を形成した複合層６表面において露出されることのために、複合層６中に高い量（体積基準）のダイヤモンドを担持することがより望ましいことを示唆しているように思われる。その結果、新たに形成されたダイヤモンド層４は、結晶格子レベルでの化学相互作用を伴って、ダイヤモンドと炭化ケイ素とを含み、任意にケイ素を含む複合層６のマトリックス内に固定される。
【０１３２】
（実施例５：多層基材２について、ダイヤモンド層４の応力は、ダイヤモンド層４と、ダイヤモンドと炭化ケイ素とを含み、任意にケイ素を含む複合層６とを含む多層基材２のダイヤモンド層４の厚さによって影響を及ぼされてもよい）
先に実施例４において説明されたように、直径１４０ｍｍ、厚さ１０ｍｍのダイヤモンド層４の反対側にある多層基材１Ａ１７７Ｂの側を、ダイヤモンド層４の反対側の複合層６の表面上へのダイヤモンド層４’（図１に想像線で示す）の堆積のために、マイクロ波ＣＶＤ反応器内に配置した。１８５０ｍＬ／分の水素と１３．７ｍＬ／分のメタンとの混合物をマイクロ波プラズマＣＶＤ反応器内に流入させた。プラズマを開始した後、プラズマがダイヤモンド層４の反対側の複合層６の表面を覆う大きさになるように、マイクロ波の出力および反応器の圧力を調整した後、基材保持部を冷却することによって、複合層６の温度を８２０℃に制御した。ダイヤモンド層４’の化学気相成長を約５０．５時間継続した後、ＣＶＤ反応を停止させた。前記マイクロ波ＣＶＤ反応器から基材１Ａ１７７Ｂを取り除き、堆積されたＣＶＤダイヤモンド層４’を観察したところ、ダイヤモンド層４’は約８０ミクロンの厚さであり、ダイヤモンド層４と反対側の複合層６側に、ダイヤモンド層４’が凝集していた。この多層基材２を、基材１Ａ１７７Ａとして認定した。
【０１３３】
図１４（ａ）〜１４（ｆ）は、５点の異なる位置、つまり、中央部、北端部、東端部、南端部、および西端部での基材１Ａ１７７Ａのダイヤモンド層４’のラマンスペクトルを示している。ダイヤモンドを示すラマンピークは、１３３３．９３ｃｍ−１、１３３２．９９ｃｍ−１、１３３３．４０ｃｍ−１、１３３２．９３ｃｍ−１、１３３２．９８ｃｍ−１に位置していて、その平均は１３３３．２５ｃｍ−１であった。前記ラマンピークの幅（半値全幅、ＦＷＨＭ）は、４．６８ｃｍ−１、６．３５ｃｍ−１、６．４８ｃｍ−１、４．４２ｃｍ−１、および５．３１ｃｍ−１であり、その平均は５．４５ｃｍ−１（４．０４ｃｍ−１のラマンピーク幅ＦＷＨＭを有する単結晶ダイヤモンドよりも品質が良好でないが、依然として優れた品質であるＣＶＤダイヤモンド）であった。図１４（ａ）〜１４（ｅ）に示すラマンスペクトルのベースラインは平坦であり、実質的に黒鉛質炭素に関連するｓｐ２炭素間結合の特徴は検出できなかった。そのため、このダイヤモンド層４’の品質は高く、比較的基材１Ａ１７７Ａの表面全体でも品質は高い。
【０１３４】
天然単結晶ダイヤモンドのラマン分光スペクトル（図８）と基材１Ａ１７７Ａのダイヤモンド層４’由来のダイヤモンドのラマン分光スペクトル（図１４（ａ）〜１４（ｅ））とを比較すると、ダイヤモンド層４’の品質が良好であるだけでなく、ダイヤモンド層４’のダイヤモンドの応力が、タングステン基材（図１１（ａ）〜１１（ｃ））上に成長した薄いダイヤモンド層４（＜３０ミクロン）の応力よりも低いことが注目される。このことは、天然単結晶ダイヤモンド（図８）のラマンピーク（１３３２．５３ｃｍ−１）からのラマンピークシフトが中心部において＋１．４０ｃｍ−１、北端部において＋０．４６ｃｍ−１、東端部において＋０．８７ｃｍ−１、南端部において＋０．４０ｃｍ−１、および西端部において＋０．４５ｃｍ−１であり、その平均が＋０．７２ｃｍ−１である一方で、図１１Ａ〜１１Ｃに示されるように、タングステン基材上の薄いダイヤモンド層４（＜３０ミクロン）は平均ラマンピークシフトが＋３．３３ｃｍ−１であることによって立証される。これらの結果は、基材１Ａ１７７Ａ（この場合、複合層６は４０％のダイヤモンド粒子を含む）のダイヤモンド層４’は、ダイヤモンド層４’の厚さに関連することを示唆している。多層基材２の複合層６上のダイヤモンド層４’が厚く成長するにつれて、ダイヤモンド層４’を構成するダイヤモンドの応力は増加することが観察された。より明確なダイヤモンドのラマンピークシフトによって観察されるように、このことはより大きな圧縮応力を示唆している。
【０１３５】
図１に示すように、ダイヤモンド層４および４’は、複合層６の両側面に堆積または形成されてもよい。さらに、または、これに代えて、ダイヤモンド層４および／または４’は、ダイヤモンドと炭化ケイ素とを含み、任意にケイ素を含む複合層６の全ての側面に適用されてもよい。種々の用途によって、この種の多層基材２が要求されてもよい。
【０１３６】
（実施例６：反応結合された炭化ケイ素、を含み、場合によってはケイ素を含み、ダイヤモンド粒子を備えない複合層６’上で成長した高応力ダイヤモンド層４（対照））
対照として機能する、反応結合された炭化ケイ素を含み、場合によってはケイ素を含み、複合層６’にダイヤモンド粒子を加えていない複合層６’上に成長したダイヤモンド層４は、高い応力を有し、ラマン分光の研究においてより高いラマンピークシフトを示すと考えられている。したがって、炭化ケイ素を含み、場合によってはケイ素を含む（ダイヤモンドを有さない）対照となる複合層６’の断片を対照実験において使用した。この対照実験においては、複合層６’の断片を、マイクロ波プラズマＣＶＤの基材保持部上に配置した。１８５０ｍＬ／分の水素と１３．７ｍＬ／分のメタンとの混合物を前記マイクロ波プラズマＣＶＤ反応器内に流入させた。プラズマを開始した後、プラズマが対照となる複合層６’を覆える大きさとなるように、マイクロ波の出力および反応器の圧力を調整し、前記基材保持部を冷却することによって、複合層６’の温度を８２０℃に制御した。複合層６’上でのダイヤモンド層４のＣＶＤ成長を１１２時間行った後、前記ＣＶＤ反応を停止して、ダイヤモンド層４を備える複合層６’を前記マイクロ波プラズマＣＶＤ反応器から抜き取り、基材１Ａ１７８（図１５（ａ）〜１５（ｅ））として認定した。基材１Ａ１７８のダイヤモンド層４は、複合層６’（炭化ケイ素、および場合によってはケイ素を含み、ダイヤモンド粒子を加えていない）上で約１８０ｍｍの厚さを有していて、光学電子顕微鏡で分析されるとともに、５点の異なる位置においてラマン分光法によって分析された。
【０１３７】
図１５（ａ）〜１５（ｅ）は、５点の異なる位置、中心部、北端部、東端部、南端部、および西端部における基材１Ａ１７８のラマンスペクトルを示している。ダイヤモンドを示すラマンピークは、それぞれ１３３５．０３ｃｍ−１、１３３５．３３ｃｍ−１、１３３４．５２ｃｍ−１、１３３４．５６ｃｍ−１、１３３４．５６ｃｍ−１であり、その平均は１３３４．８０ｃｍ−１であった。ラマンピーク幅（半値全幅、ＦＷＨＭ）は４．７１ｃｍ−１、３．６４ｃｍ−１、３．７１ｃｍ−１、３．８４ｃｍ−１、および４．１７ｃｍ−１であり、その平均は４．０１ｃｍ−１（ラマンピークＦＷＨＭが４．０４ｃｍ−１である単結晶ダイヤモンドと同程度に良好な品質）であり、これらのラマンスペクトルのベースラインは極めて平坦であり、本来的に黒鉛質炭素に関連するｓｐ２炭素間結合の特徴は検出できなかった。そのため、基材１Ａ１７８のダイヤモンド層４の品質は、その表面全体に亘って高く均一であった。
【０１３８】
天然単結晶ダイヤモンド（図１５（ｆ））のラマンスペクトルと基材１Ａ１７８（図１５（ａ）〜１５（ｅ））のダイヤモンド層４のダイヤモンドのラマンスペクトル（これら全てのラマンスペクトルは実質的に同時に得られる）とを比較すると、基材１Ａ１７８のダイヤモンド層４のダイヤモンドの品質は良好であるが、基材１Ａ１７８のダイヤモンド層４の応力は基材１Ａ１７５、１Ａ１７７Ｂ、および１Ａ１７７Ａ（先に説明した）のダイヤモンド層４の応力よりも実質的高いことが確認された。このことは、天然単結晶ダイヤモンドのラマンピーク（１３３１．９１ｃｍ−１）からのラマンピークシフトがより高くなる、つまり、中心部において＋３．１２ｃｍ−１、北端部において＋３．４２ｃｍ−１、東端部において＋２．６１ｃｍ−１、南端部において＋２．６５ｃｍ−１、および西端部において＋２．６５ｃｍ−１であり、その平均が＋２．８９ｃｍ−１となる基材層１Ａ１７８のダイヤモンド層４によって立証される。一方で、基材１Ａ１７５、１Ａ１７７Ｂおよび１Ａ１７７Ａのダイヤモンド層４のラマンピークシフトは、より低くなる、つまり、１Ａ１７５の場合は＋０．４５ｃｍ−１であり、１Ａ１７７Ｂの場合は＋１．２０ｃｍ−１であり、１Ａ１７７Ａの場合は０．７２ｃｍ−１であった。
【０１３９】
ダイヤモンド層４と、ダイヤモンド、炭化ケイ素、および任意にケイ素を含む複合層６とを含む多層基材２は、固有であり、予想外であり、種々の用途に対して高い価値を有することが確認されるので、基材１Ａ１７８について観察されたラマンシフトピークは、興味深いものである。
【０１４０】
本発明は、添付の図面を参照して説明された。先の詳細な説明を読んで理解すると、明らかな修正および代替が、他に思い浮かぶであろう。添付の特許請求の範囲またはそれと等価なものの範囲に包含される限りにおいて、本発明は、そのような全ての修正および代替を含むものと解釈されることが意図されている。
【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】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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