(57)【要約】  単結晶ダイヤモンド材は、非置換型窒素原子の濃度が２００ｐｐｍ以下であり、非置換型窒素原子の濃度より置換型窒素原子の濃度が低く、かつ、結晶成長主面のオフ角が２０°以下である。単結晶ダイヤモンドチップは、非置換型窒素原子の濃度が２００ｐｐｍ以下であり、非置換型窒素原子の濃度より置換型窒素原子の濃度が低く、かつ、単結晶ダイヤモンドチップの主面のオフ角が２０°以下である。穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスにおける非置換型窒素原子の濃度が２００ｐｐｍ以下であり、非置換型窒素原子の濃度より置換型窒素原子の濃度が低く、かつ、伸線用の孔の方位に対する単結晶ダイスのミラー指数が−５以上５以下の整数で表示される低指数面の垂線のオフ角が２０°以下である単結晶ダイヤモンドダイスを含む。
2017014311.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非置換型窒素原子の濃度が２００ｐｐｍ以下であり、前記非置換型窒素原子の濃度より置換型窒素原子の濃度が低く、かつ、結晶成長主面のオフ角が２０°以下である単結晶ダイヤモンド材。
【請求項２】
前記結晶成長主面のオフ角が７°未満である請求項１に記載の単結晶ダイヤモンド材。
【請求項３】
置換型窒素原子の濃度が８０ｐｐｍ未満である請求項１または請求項２に記載の単結晶ダイヤモンド材。
【請求項４】
前記非置換型窒素原子および前記置換型窒素原子の全体である全窒素原子の濃度が０．１ｐｐｍ以上である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド材。
【請求項５】
前記結晶成長主面に反対側の主面と前記結晶成長主面との平行からのずれ角が２°未満であり、前記結晶成長主面に反対側の主面は、そのうねりの最大高低差Ｄｍが１０μｍ／ｍｍ以下であり、かつ、その算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド材。
【請求項６】
前記結晶成長主面についてのＸ線トポグラフィー像において結晶欠陥が存在する線を示す結晶欠陥線が前記結晶成長主面に達する先端の点である結晶欠陥点の群が集合して存在する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド材。
【請求項７】
前記結晶欠陥点の密度が２ｍｍ-2より大きい請求項６に記載の単結晶ダイヤモンド材。
【請求項８】
前記結晶欠陥点のうち、複数の刃状転位および複数の螺旋転位の少なくともいずれかが複合した複合転位が前記結晶成長主面に達する先端の点である複合転位点の密度が２ｍｍ-2より大きい請求項６または請求項７に記載の単結晶ダイヤモンド材。
【請求項９】
複数の単結晶ダイヤモンド層を含む請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド材。
【請求項１０】
各前記単結晶ダイヤモンド層の界面で、前記結晶欠陥線が新たに発生または分岐しており、前記結晶成長主面の前記結晶欠陥点の密度が、前記結晶成長主面に反対側の主面の前記結晶欠陥点の密度より高い請求項９に記載の単結晶ダイヤモンド材。
【請求項１１】
前記結晶欠陥点の群が集合して線状に延びる結晶欠陥線状集合領域が複数並列に存在する請求項６から請求項１０のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド材。
【請求項１２】
前記非置換型窒素原子の濃度が１ｐｐｍ以上である請求項６から請求項１１のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド材。
【請求項１３】
前記単結晶ダイヤモンド材の厚さを５００μｍとしたときの波長４００ｎｍの光の透過率が６０％以下である請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド材。
【請求項１４】
非置換型窒素原子の濃度が２００ｐｐｍ以下であり、前記非置換型窒素原子の濃度より置換型窒素原子の濃度が低く、かつ、単結晶ダイヤモンドチップの主面のオフ角が２０°以下である単結晶ダイヤモンドチップ。
【請求項１５】
請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド材から切り出された単結晶ダイヤモンドチップ。
【請求項１６】
前記単結晶ダイヤモンドチップの主面が、ミラー指数が−５以上５以下の整数で表示される低指数面である請求項１４または請求項１５に記載の単結晶ダイヤモンドチップ。
【請求項１７】
前記単結晶ダイヤモンドチップは、結晶成長主面および前記結晶成長主面に平行な主面のいずれかの主面についてのＸ線トポグラフィー像において結晶欠陥が存在する線を示す結晶欠陥線が前記結晶成長主面および前記結晶成長主面に平行な主面のいずれかの主面に達する先端の点である結晶欠陥点の群が集合して存在し、前記結晶欠陥点の密度が２ｍｍ-2より大きい、請求項１４から請求項１６のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンドチップ。
【請求項１８】
単結晶ダイヤモンドダイスにおける非置換型窒素原子の濃度が２００ｐｐｍ以下であり、前記非置換型窒素原子の濃度より置換型窒素原子の濃度が低く、かつ、伸線用の孔の方位に対する前記単結晶ダイスのミラー指数が−５以上５以下の整数で表示される低指数面の垂線のオフ角が２０°以下である前記単結晶ダイヤモンドダイスを含む穿孔工具。
【請求項１９】
請求項１４から請求項１７のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンドチップから形成される単結晶ダイヤモンドダイスを含む穿孔工具。
【請求項２０】
前記単結晶ダイヤモンドダイスは、結晶成長主面についてのＸ線トポグラフィー像において結晶欠陥が存在する線を示す結晶欠陥線が前記結晶成長主面に達する先端の点である結晶欠陥点の群が集合して存在し、前記結晶欠陥点の密度が２ｍｍ-2より大きい、請求項１８または請求項１９に記載の穿孔工具。
【請求項２１】
前記結晶欠陥点のうち、複数の刃状転位および複数の螺旋転位の少なくともいずれかが複合した複合転位が結晶成長主面に達する先端の点である複合転位点の密度が２ｍｍ-2より大きい、請求項２０に記載の穿孔工具。
【請求項２２】
前記単結晶ダイヤモンドダイスは複数の単結晶ダイヤモンド層を含み、
各前記単結晶ダイヤモンド層の界面で、前記結晶欠陥線が新たに発生または分岐しており、前記結晶成長主面の前記結晶欠陥点の密度が、前記結晶成長主面に反対側の主面の前記結晶欠陥点の密度より高い、請求項２０または請求項２１に記載の穿孔工具。
【請求項２３】
前記単結晶ダイヤモンドダイスには、前記結晶欠陥点の群が集合して線状に延びる結晶欠陥線状集合領域が複数並列して存在する、請求項２０から請求項２２のいずれか１項に記載の穿孔工具。
【請求項２４】
前記単結晶ダイヤモンドダイスは、前記非置換型窒素原子の濃度が１ｐｐｍ以上である請求項１８から請求項２３のいずれか１項に記載の穿孔工具。
【請求項２５】
前記単結晶ダイヤモンドダイスは、前記単結晶ダイヤモンドダイスの厚さを５００μｍとしたときの波長４００ｎｍの光の透過率が６０％以下である請求項１８から請求項２４のいずれか１項に記載の穿孔工具。
【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材、単結晶ダイヤモンドチップおよび穿孔工具に関する。本願は、２０１５年７月２２日出願の日本出願第２０１５−１４５０２５号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、単結晶ダイヤモンドを用いた穿孔工具、耐磨工具、切削工具などは、天然のものを利用することが多く、時として高圧合成のものを用いたものであった。たとえば、特開２０００−２８８８０４号公報（特許文献１）、特表２０００−５１５８１８号公報（特許文献２）、および特開２００２−１０２９１７号公報（特許文献３）は、インサート本体およびダイス本体と、天然または人造のダイヤモンドを材料とする砥石チップと、を有する工具インサートおよび伸線ダイスを開示する。【０００３】
単結晶ダイヤモンドは他の材料から比較すると圧倒的に硬いものであるので、穿孔工具、耐磨工具や切削工具として、どのようなダイヤモンドを利用したとしても、ほとんど摩耗し難く、等しく使えるものとして利用されてきた。実際、特に問題もなく使用されていることは事実である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２８８８０４号公報
【特許文献２】特表２０００−５１５８１８号公報
【特許文献３】特開２００２−１０２９１７号公報
【発明の概要】
【０００５】
本開示のある態様にかかる単結晶ダイヤモンド材は、非置換型窒素原子の濃度が２００ｐｐｍ以下であり、非置換型窒素原子の濃度より置換型窒素原子の濃度が低く、かつ、結晶成長主面のオフ角が２０°以下である。
【０００６】
本開示の別の態様にかかる単結晶ダイヤモンドチップは、非置換型窒素原子の濃度が２００ｐｐｍ以下であり、非置換型窒素原子の濃度より置換型窒素原子の濃度が低く、かつ、単結晶ダイヤモンドチップの主面のオフ角が２０°以下である。
【０００７】
本開示のさらに別の態様である穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスにおける非置換型窒素原子の濃度が２００ｐｐｍ以下であり、非置換型窒素原子の濃度より置換型窒素原子の濃度が低く、かつ、伸線用の孔の方位に対する単結晶ダイスのミラー指数が−５以上５以下の整数で表示される低指数面の垂線のオフ角が２０°以下である単結晶ダイヤモンドダイスを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明のある形態にかかる単結晶ダイヤモンド材の結晶成長主面についてのＸ線トポグラフィー像のある例を示す概略図である。
【図２】図２は、本発明のある態様にかかる単結晶ダイヤモンド材の結晶成長主面に垂直な断面のある例を示す概略断面図である。
【図３】図３は、本発明のある態様にかかる単結晶ダイヤモンド材の結晶成長主面に垂直な断面の別の例を示す概略断面図である。
【図４】図４は、本発明のある態様にかかる単結晶ダイヤモンド材を製造する方法を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[本開示が解決しようとする課題]
しかしながら、注意深く観察すると、同じように使ってきたはずの穿孔工具、耐磨工具や切削工具（たとえば、伸線ダイス、切削バイト）でも、大きな欠損の発生程度や摩耗率に違いがあることが確認できる。これは加工（たとえば、伸線）という行為が非常に複雑なメカニズムで起こっている現象であることから、その違いに対して、特に注意を払ってこなかった。すなわち、まず被加工材自体が全く同じ特性というわけではなく、弾性率、ヤング率、硬さ、強度などにおいて微妙にばらついている。また、機械で加工するのであるが、モーターや被加工材への圧力や張力に微妙なばらつきが伴い、被加工材に押し当てる力や引く力が微妙に違っている。加工をドライ方式で行う場合は、室温、湿度の影響を受けると考えられるが、同じ室温、同じ湿度でいつも加工しているわけではない。また、ウェット方式で行う場合でも、冷却剤や潤滑剤も種類が多く、品質にも若干のムラがある。等々のようにあらゆるパラメータが絡んでいるのであるから、何かが少しずつ違うだけでも、大きく摩耗に影響すると考えられる。このような現象の複雑さがあるために、穿孔工具、耐磨工具や切削工具側の違いもあると認識したとしても、明確に制御の対象として注目はされてこなかった。
【００１０】
一方で、実際問題として穿孔工具、耐磨工具や切削工具に大きな欠損を発生させたり、穿孔工具、耐磨工具や切削工具の摩耗率に大きなばらつきを生じてしまう。このことは、被加工材を製造しているところでは、穿孔工具、耐磨工具や切削工具を管理し、適切な時間で、工具を交換し、常に均一な被加工材を製造することは、高い品質のかつ低いコストの被加工材を製造する上で、極めて重要なことであり、課題であった。
【００１１】
そこで、上記課題を解決するために、大きな欠損の発生が抑制されるとともに摩耗率のばらつきが小さい単結晶ダイヤモンド材、単結晶ダイヤモンドチップおよび穿孔工具を提供することを目的とする。
【００１２】
[本開示の効果]
上記によれば、大きな欠損の発生が抑制されるとともに摩耗率のばらつきが小さい単結晶ダイヤモンド材、単結晶ダイヤモンドチップおよび穿孔工具が提供できる。
【００１３】
[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
【００１４】
［１］本発明のある実施形態にかかる単結晶ダイヤモンド材は、非置換型窒素原子の濃度が２００ｐｐｍ以下であり、非置換型窒素原子の濃度より置換型窒素原子の濃度が低く、かつ、結晶成長主面のオフ角が２０°以下である。かかる単結晶ダイヤモンド材は、大きな欠損の発生が抑制されるとともに摩耗率のばらつきが小さい。
【００１５】
［２］本実施形態の単結晶ダイヤモンド材は、さらに、結晶成長主面のオフ角を７°未満とすることができる。かかる単結晶ダイヤモンド材は、大きな欠損の発生が抑制されるとともに摩耗率のばらつきがより小さい。
【００１６】
［３］本実施形態の単結晶ダイヤモンド材は、さらに、置換型窒素原子の濃度を８０ｐｐｍ未満とすることができる。かかる単結晶ダイヤモンド材は、大きな欠損の発生が抑制されるとともに摩耗率のばらつきがより小さい。
【００１７】
［４］本実施形態の単結晶ダイヤモンド材は、さらに、非置換型窒素原子および置換型窒素原子の全体である全窒素原子の濃度を０．１ｐｐｍ以上とすることができる。かかる単結晶ダイヤモンド材は、大きな欠損の発生が抑制されるとともに摩耗率のばらつきがより小さい。
【００１８】
［５］本実施形態の単結晶ダイヤモンド材は、さらに、結晶成長主面に反対側の主面と結晶成長主面との平行からのずれ角を２°未満とし、結晶成長主面に反対側の主面は、そのうねりの最大高低差Ｄｍを１０μｍ／ｍｍ以下とし、その算術平均粗さＲａを０．１μｍ以下とすることができる。かかる単結晶ダイヤモンド材は、それから切り出すチップの主面のオフ角の制御が容易である。
【００１９】
［６］本実施形態の単結晶ダイヤモンド材は、さらに、結晶成長主面についてのＸ線トポグラフィー像において結晶欠陥が存在する線を示す結晶欠陥線が結晶成長主面に達する先端の点である結晶欠陥点の群が集合して存在することができる。かかる単結晶ダイヤモンド材は、大きな欠損の発生がさらに抑制される。
【００２０】
［７］本実施形態の単結晶ダイヤモンド材は、さらに、結晶欠陥点の密度を２ｍｍ-2より大きくできる。かかる単結晶ダイヤモンド材は、大きな欠損の発生がさらに抑制される。
【００２１】
［８］本実施形態の単結晶ダイヤモンド材は、さらに、結晶欠陥点のうち、複数の刃状転位および複数の螺旋転位の少なくともいずれかが複合した複合転位が結晶成長主面に達する先端の点である複合転位点の密度を２ｍｍ-2より大きくできる。かかる単結晶ダイヤモンド材は、大きな欠損の発生がさらに抑制される。
【００２２】
［９］本実施形態の単結晶ダイヤモンド材は、さらに、複数の単結晶ダイヤモンド層を含むことができる。かかる単結晶ダイヤモンド材は、大きな欠損の発生がさらに抑制される。
【００２３】
［１０］本実施形態の単結晶ダイヤモンド材は、さらに、各単結晶ダイヤモンド層の界面で、結晶欠陥線が新たに発生または分岐し、結晶成長主面の結晶欠陥点の密度が、結晶成長主面に反対側の主面の結晶欠陥点の密度より高くできる。かかる単結晶ダイヤモンド材は、大きな欠損の発生がさらに抑制される。
【００２４】
［１１］本実施形態の単結晶ダイヤモンド材は、さらに、結晶欠陥点の群が集合して線状に延びる結晶欠陥線状集合領域が複数並列に存在することができる。かかる単結晶ダイヤモンド材は、大きな欠損の発生がさらに抑制される。
【００２５】
［１２］本実施形態の単結晶ダイヤモンド材は、さらに、非置換型窒素原子の濃度を１ｐｐｍ以上とすることができる。かかる単結晶ダイヤモンド材は、大きな欠損の発生がさらに抑制される。
【００２６】
［１３］本実施形態の単結晶ダイヤモンド材は、さらに、単結晶ダイヤモンド材の厚さを５００μｍとしたときの波長４００ｎｍの光の透過率を６０％以下とすることができる。かかる単結晶ダイヤモンド材は、大きな欠損の発生がさらに抑制される。
【００２７】
［１４］本発明の別の実施形態にかかる単結晶ダイヤモンドチップは、非置換型窒素原子の濃度が２００ｐｐｍ以下であり、非置換型窒素原子の濃度より置換型窒素原子の濃度が低く、かつ、単結晶ダイヤモンドチップの主面のオフ角が２０°以下である。かかる単結晶ダイヤモンドチップは、大きな欠損の発生が抑制されるとともに摩耗率のばらつきが小さい。
【００２８】
［１５］また、本発明の別の実施形態にかかる単結晶ダイヤモンドチップは、上記実施形態の単結晶ダイヤモンド材から切り出されたものである。かかる単結晶ダイヤモンドチップは、大きな欠損の発生が抑制されるとともに摩耗率のばらつきが小さい。
【００２９】
［１６］本実施形態の単結晶ダイヤモンドチップは、さらに、単結晶ダイヤモンドチップの主面を、ミラー指数が−５以上５以下の整数で表示される低指数面とすることができる。かかる単結晶ダイヤモンドチップは、大きな欠損の発生が抑制されるとともに摩耗率のばらつきが小さい。
【００３０】
［１７］本実施形態の単結晶ダイヤモンドチップは、さらに、結晶成長主面および結晶成長主面に平行な主面のいずれかの主面についてのＸ線トポグラフィー像において結晶欠陥が存在する線を示す結晶欠陥線が結晶成長主面および結晶成長主面に平行な主面のいずれかの主面に達する先端の点である結晶欠陥点の群が集合して存在し、結晶欠陥点の密度を２ｍｍ-2より大きくできる。かかる単結晶ダイヤモンドチップは、大きな欠損の発生がさらに抑制される。
【００３１】
［１８］本発明のさらに別の実施形態にかかる穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスにおける非置換型窒素原子の濃度が２００ｐｐｍ以下であり、非置換型窒素原子の濃度より置換型窒素原子の濃度が低く、かつ、伸線用の孔の方位に対する単結晶ダイスのミラー指数が−５以上５以下の整数で表示される低指数面の垂線のオフ角が２０°以下である。かかる穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスの大きな欠損の発生が抑制されるとともに摩耗率のばらつきが小さい。
【００３２】
［１９］また、本発明のさらに別の実施形態にかかる穿孔工具は、上記実施形態の単結晶ダイヤモンドチップから形成される単結晶ダイヤモンドダイスを含む。かかる穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスの大きな欠損の発生が抑制されるとともに摩耗率のばらつきが小さい。
【００３３】
［２０］本実施形態の穿孔工具は、さらに、単結晶ダイヤモンドダイスの結晶成長主面についてのＸ線トポグラフィー像において結晶欠陥が存在する線を示す結晶欠陥線が結晶成長主面に達する先端の点である結晶欠陥点の群が集合して存在し、結晶欠陥点の密度を２ｍｍ-2より大きくできる。かかる穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスの大きな欠損の発生がさらに抑制される。
【００３４】
［２１］本実施形態の穿孔工具は、さらに、結晶欠陥点のうち、複数の刃状転位および複数の螺旋転位の少なくともいずれかが複合した複合転位が結晶成長主面に達する先端の点である複合転位点の密度を２ｍｍ-2より大きくできる。かかる穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスの大きな欠損の発生がさらに抑制される。
【００３５】
［２２］本実施形態の穿孔工具は、さらに、単結晶ダイヤモンドダイスが複数の単結晶ダイヤモンド層を含み、各単結晶ダイヤモンド層の界面で、結晶欠陥線が新たに発生または分岐して、結晶成長主面の結晶欠陥点の密度を、結晶成長主面に反対側の主面の結晶欠陥点の密度より高くすることができる。かかる穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスの大きな欠損の発生がさらに抑制される。
【００３６】
［２３］本実施形態の穿孔工具は、さらに、単結晶ダイヤモンドダイスには、結晶欠陥点の群が集合して線状に延びる結晶欠陥線状集合領域が複数並列して存在することができる。かかる穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスの大きな欠損の発生がさらに抑制される。
【００３７】
［２４］本実施形態の穿孔工具は、さらに、単結晶ダイヤモンドダイスは、非置換型窒素原子の濃度を１ｐｐｍ以上とすることができる。かかる穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスの大きな欠損の発生がさらに抑制される。
【００３８】
［２５］本実施形態の穿孔工具は、さらに、単結晶ダイヤモンドダイスは、単結晶ダイヤモンドダイスの厚さを５００μｍとしたときの波長４００ｎｍの光の透過率が６０％以下とすることができる。かかる穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスの大きな欠損の発生がさらに抑制される。
【００３９】
[本発明の実施形態の詳細]
＜実施形態１：単結晶ダイヤモンド材＞
図１〜図３を参照して、本実施形態の単結晶ダイヤモンド材２０は、非置換型窒素原子の濃度が２００ｐｐｍ以下であり、非置換型窒素原子の濃度より置換型窒素原子の濃度が低く、かつ、結晶成長主面のオフ角が２０°以下である。本実施形態の単結晶ダイヤモンド材２０は、大きな欠損の発生が抑制されるとともに摩耗率のばらつきが小さい。ここで、単結晶ダイヤモンド材２０の結晶成長主面２０ｍとは、単結晶ダイヤモンド材において結晶成長により形成される結晶成長側の主な表面をいう。単結晶ダイヤモンド材の主面とは、単結晶ダイヤモンド材としての物性を有する主な表面をいい、結晶成長主面２０ｍ、結晶成長主面に平行な主面および結晶成長主面２０ｍに反対側の主面２０ｎなどを含む。なお、単結晶ダイヤモンド材の主面が、結晶成長主面、結晶成長主面に平行な主面、および結晶成長主面に反対側の主面のいずれであるかは、後述のように、上記主面および／または上記主面と交わる断面におけるＸ線トポグラフィー像により識別できる。
【００４０】
発明者らは、穿孔工具、耐磨工具、切削工具（たとえば、伸線ダイス）などの摩耗率のばらつきの要因として、多くの要因の中から、単結晶ダイヤモンド材中の不純物のばらつきと面方位のばらつきとを見出した。
【００４１】
しかしながら、従来、不純物のばらつきおよび面方位のばらつきを抑えることは、困難である。たとえば、単結晶ダイヤモンド材として、天然の単結晶ダイヤモンドを利用する場合は、その面方位を指定することができても、２０°以下の高い精度で角度を保証できるものではなく、時として、異なる面方位のものが混在することすらもあるのが通常であった。さらに、自然に地球内部で形成されることから、不純物である窒素原子の濃度のばらつきは大きく、±５００ｐｐｍのばらつきは同じ単結晶ダイヤモンド材として許容範囲とされていた。
【００４２】
一方で、単結晶ダイヤモンド材として、人工の高圧合成法による単結晶ダイヤモンドを利用する場合は、面方位の異なるものが混在することはなかったが、１０°以上外れるものが１０分の数％以上混入すること、または、５°以上外れるものが数％以上混入することは、同一の単結晶ダイヤモンド材として許容範囲であった。また、１００％の確率でオフ角が３°未満のものが揃っていることはなく、全て特定の面方位のものとして利用されていた。さらに、高圧合成法により得られる単結晶ダイヤモンド材でも、窒素は自然に混入されるものであり、その混入濃度に関しても製造上、保証されるものではなく、８０〜２５０ｐｐｍの範囲にばらついており、±８５ｐｐｍの範囲のばらつきは許容範囲であった。
【００４３】
このように、天然の単結晶ダイヤモンド材はもちろんのこと、人工の高圧合成により得られた単結晶ダイヤモンド材でさえも、不純物である窒素原子のばらつきと面方位のばらつきを有し、穿孔工具、研磨工具、切削工具などにおいて、かかる単結晶ダイヤモンド材を用いて形成される単結晶ダイヤモンドチップまたは単結晶ダイヤモンドダイスの摩耗率に５０％〜２００％（すなわち、平均値の０．５倍になったり２．０倍になったりすること）以上の範囲のばらつきを生じる。
【００４４】
単結晶ダイヤモンド材は、単結晶ダイヤモンド材の摩耗率のばらつきを小さくするため、以下の方策を含む。第１の方策は、単結晶ダイヤモンド材は気相合成法により形成する。高圧合成法では、窒素は原料の炭素材料中や溶媒の金属材料中や合成時の雰囲気中から混入し、それをモル単位（分子数量単位）として制御することはできない。一方、気相合成法によれば、合成ガスの各原子のモル比を制御できる。すなわち、原料の合成ガスの各原子のモル比を標準状態のガス流量で制御し、容器中の余分な（想定外の）気体も原料ガスに比べて非常に小さくすることにより、単結晶ダイヤモンド材中の窒素原子の濃度を一定になるよう制御することができるから、原料や溶媒や合成雰囲気からの不測のガス混入による窒素原子の濃度のばらつきを避けることができる。しかし、気相合成法によっても、周囲の大気中の窒素ガスがごくわずかながら混入するために、単結晶ダイヤモンド材中の全窒素原子を一定濃度以上とすることが好ましく、全くゼロでない方が単結晶ダイヤモンド材中の窒素原子の濃度は安定する。また、合成ガスのモル比を一定にすれば、素材中の窒素不純物が一定になるわけではないことにも注意する必要がある。圧力、温度、パワーなどの外部制御要因に依存するが、これは精密に制御できる要因である。次に挙げる要因は、制御が困難で、重要となるものである。
【００４５】
第２の方策は、単結晶ダイヤモンド材を形成するための種基板であるダイヤモンド種結晶の主面のオフ角を制御する。ダイヤモンド種結晶の主面のオフ角は、不純物の混入に影響を及ぼすが、精密な制御が難しい要因である。ダイヤモンド種結晶の主面のオフ角の低減は、角度の基準となる面の出し方と平行度のよいレーザーを使って切断する方法、あるいは平行度を算出し、それを補正されたレーザーを使って切断する方法によって達成される。
【００４６】
詳細に説明すると、レーザーは平行性の高い光であるが、加工に利用するとその径方向の強度分布のために、切り口が数度の角度を持ったくさび状になる。しかも、レーザー加工は破壊加工であるので、いつも同じ状態に加工できるわけではなく、加工後の表面の最大高さ粗さＲｚは、１０μｍ以上になる。ここで、最大高さ粗さＲｚとは、ＪＩＳ  Ｂ０６０１：２０１３で規定する最大高さ粗さＲｚをいう。また、レーザーに加工するために何かに接着をして加工するのであるが、いつも同じ状態に接着されているわけでなく、接着時にも数度傾くことは常に起こっていることである。さらに、研磨の際にも、一度取り外し、研磨用の治具に取り付けるのであるが、この時も数度傾くこととなる。研磨表面も表面が荒れているので、研磨の仕上がりが数度傾き、得られる単結晶ダイヤモンド材の主面のオフ角はトータルとして２０°以上ばらついてしまう。
【００４７】
そこで、本発明者らは、通常のレーザー加工機を独自に改良（焦点深度を規格外に変更し、平行度を維持するなど）し、１°未満の平行度を持ったレーザー光とし、レーザー光の内部の強度にも工夫（独自に設計されたＤＯＥレンズなどを利用する）し、加工後の平行度（本明細書においては、平行からのずれ角をいう。以下同じ。）も１°未満の加工を実現した。調整が不足しても、加工後の平行度が２°未満の場合は、レーザー光の軸に対して切断方向を±１°の補正を板加工の両面で行うことで、加工後の板の平行度を１°未満とすることに成功した。この方法では、平坦性も加工後の表面の最大高さ粗さＲｚで５μｍ以下の種結晶を作製できるようになった。平坦性と平行度を確保した板状の種結晶を作製すると、平坦面ができているので、研磨時の接着によっても大きなばらつきが生じず、トータルでも２０°以内のオフ角の主面を有する単結晶ダイヤモンド材の形成が可能となる。ただし、単結晶ダイヤモンド材のオフ角はゼロちょうどでない方が好ましい。それは、オフ角がゼロならば、原子ステップがほとんどなくなり、窒素などの不純物の取り込み量が逆に不安定になるからである。
【００４８】
第３の方策は、単結晶ダイヤモンド材中の非置換型窒素原子および／または置換型窒素原子の濃度を制御する。これは、不純物の入り方による単結晶ダイヤモンド材の違いに注目して、不純物として単結晶ダイヤモンド材に入る窒素原子の内、置換型窒素原子および非置換型窒素原子の濃度の違いが単結晶ダイヤモンド材の大きな欠損の発生および摩耗率に影響を与えることを見出したことによるものである。
【００４９】
本実施形態の単結晶ダイヤモンド材２０は、非置換型窒素原子の濃度が２００ｐｐｍ以下とし、非置換型窒素原子の濃度より置換型窒素原子の濃度を低くすることにより、単結晶ダイヤモンド材の大きな欠損の発生を抑制するとともに、単結晶ダイヤモンド材の摩耗率のばらつきが小さくなる。また、本実施形態の単結晶ダイヤモンド材２０は、主面のオフ角を２０°以下とすることにより上記の面方位のばらつきを抑制することができる。このため、本実施形態の単結晶ダイヤモンド材２０は、非置換型窒素原子の濃度が２００ｐｐｍ以下であり、非置換型窒素原子の濃度より置換型窒素原子の濃度を低く、かつ、結晶成長主面のオフ角が２０°以下であることにより、大きな欠損の発生が抑制されるとともに摩耗率のばらつきが小さくなる。
【００５０】
本実施形態の単結晶ダイヤモンド材２０において、非置換型窒素原子とは、全窒素原子から置換型窒素原子を除いたものをいう。非置換型窒素原子の濃度は、全窒素原子の濃度から置換型窒素原子の濃度を差し引いたものをいう。ここで、全窒素原子の濃度はＳＩＭＳ（２次イオン質量分析法）により測定され、置換型窒素原子の濃度はＥＳＲ（電子スピン共鳴法）により測定される。
【００５１】
本実施形態の単結晶ダイヤモンド材２０は、特に制限はないが、気相合成法により形成されることが好ましい。気相合成法は、合成ガスの各原子のモル比を制御することができるため、他の方法に比べて、単結晶ダイヤモンド材２０中の窒素原子の濃度をより高精度で制御できる。
【００５２】
本実施形態の単結晶ダイヤモンド材２０は、摩耗率のばらつきが小さい観点から、非置換型窒素原子の濃度は、２００ｐｐｍ以下であり、１１０ｐｐｍ以下が好ましく、５５ｐｐｍ以下がより好ましい。
【００５３】
本実施形態の単結晶ダイヤモンド材２０は、摩耗率のばらつきが小さい観点から、主面のオフ角は、２０°以下であり、１０°未満が好ましく、７°未満がより好ましく、５°未満がさらに好ましく、３°未満がさらに好ましく、１°未満が特に好ましい。これは、耐摩耗性と関連する炭素の結合がオフ角をθとして１／ｃｏｓθで弱くなり、そのばらつきはその微分の大きさに関連するので、ほぼｓｉｎθに相関することを考えると、θが小さいほどばらつきが小さくなることを示している。また、それに加えて、オフ角が小さいほどステップ数が少なくなり、ステップでの不純物を取り込む確率が小さくなり、不純物のばらつきが小さくなり、摩耗率のばらつきが小さくなることも示している。しかし、オフ角がゼロになると、逆に不純物の取り込みが不安定になることは前述の通りである。定量的に説明すると、窒素の不純物はオフ角によって決まる表面上の原子ステップの数（線長）に影響を受ける。原子ステップの間隔はオフ角θの１／ｓｉｎθに比例するので、θがゼロの場合は、極端に長くなり（理論上は無限大）、極端に不純物が取り込まれ難くなるが、オフ角が０．００５°になると、ステップ間隔が１μｍ程度になり、不純物も５°のオフ角（数ｐｐｍ）と比べると、数ｐｐｂオーダーとなる。全窒素は１ｐｐｂ以上含まれることが摩耗率のばらつきの観点で好ましいことを前述したが、同じ観点から、オフ角は、０．００５°以上、さらには０．０５°以上あることが好ましい。ここで、主面のオフ角とは、任意に特定される結晶面に対するオフ角をいう。任意に特定される結晶面は、特に制限はないが、摩耗率のばらつきが小さい観点から、ミラー指数が−５以上５以下の整数で表示される低指数面が好ましく、｛１００｝、｛１１０｝、｛１１１｝、｛２１１｝、｛３１１｝および｛３３１｝からなる群から選ばれる少なくとも１つの面方位面がより好ましい。
【００５４】
本実施形態の単結晶ダイヤモンド材２０は、大きな欠損の発生が抑制されるとともに摩耗率のばらつきが小さい観点から、置換型窒素原子の濃度が非置換型窒素原子の濃度より低い。非置換型窒素原子の濃度より置換型窒素原子の濃度が高いと、摩耗量が大きくなり、摩耗率のばらつきが大きくなる要因となるとともに大きな欠損の発生の要因となるからである。また、本実施形態の単結晶ダイヤモンド材２０は、摩耗率のばらつきが小さい観点から、置換型窒素原子の濃度は、８０ｐｐｍ未満が好ましく、２０ｐｐｍ未満がより好ましく、１５ｐｐｍ未満がさらに好ましく、１０ｐｐｍ以下がさらに好ましく、１ｐｐｍ以下がさらに好ましく、０．５ｐｐｍ以下がさらに好ましく、０．３ｐｐｍ以下が特に好ましく、０．１ｐｐｍ以下が最も好ましい。
【００５５】
本実施形態の単結晶ダイヤモンド材２０は、大きな欠損を抑制するとともに摩耗率のばらつきがより小さい観点から、非置換型窒素原子および置換型窒素原子の全体である全窒素原子の濃度は、１ｐｐｂ（０．００１ｐｐｍ）以上が好ましく、０．０１ｐｐｍ以上がより好ましく、０．１ｐｐｍ以上がより好ましく、１ｐｐｍ以上がさらに好ましく、１０ｐｐｍ以上が特に好ましい。全窒素原子の濃度が０．１ｐｐｂ未満となると、自然に混入する窒素不純物が安定しなくなり、単結晶ダイヤモンド材が脆くなる。
【００５６】
本実施形態の単結晶ダイヤモンド材２０においては、ダイヤモンド種結晶からばらつきの少ないオフ角の単結晶ダイヤモンド材を容易に成長させる観点から、および単結晶ダイヤモンド材２０から切り出すチップの主面のオフ角の制御が容易である観点から、結晶成長主面に反対側の主面と結晶成長主面との平行からのずれ角は、２°未満が好ましく、０．１°未満がより好ましく、０．０５°未満がさらに好ましい。ここで、「結晶成長主面との平行からのずれ角」というのは、厳密には「成長する時のダイヤモンド種結晶の主面との平行からのずれ角」という意味であり、主面の平行は結晶成長主面にそっくりそのまま転写していることから、その同等性を利用している。ただし、このように平行度を利用する結晶成長主面の凹凸が大きくなり、平行度の精度が落ちた場合は、単結晶ダイヤモンド材の結晶成長主面はダイヤモンド種結晶の主面から１００μｍ以内に成長した初期の結晶成長主面で考える。これは、後に成長縞となって現れるので、その断面の光学顕微鏡やＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）やＣＬ（カソードルミネッセンス）やＰＬ（フォトルミネッセンス）で観察すると成長初期の結晶成長主面は縞模様となってその平行面を評価することができる。したがって、板厚が２００μｍより大きくなると、結晶成長主面に反対側の主面から２００μｍ以内、好ましくは１００μｍ以内、より好ましくは５０μｍ以内の成長初期の結晶成長主面との平行からのずれ角を用いる。また、上記と同じ観点から、結晶成長主面に反対側の主面において、そのうねりの最大高低差Ｄｍは、１０μｍ／ｍｍ以下が好ましく、５μｍ／ｍｍ以下がより好ましく、０．６μｍ／ｍｍ以下がさらに好ましく、また、その算術平均粗さＲａは、０．１μｍ以下が好ましく、５０ｎｍ以下がより好ましく、１０ｎｍ以下がさらに好ましく、５ｎｍ以下がさらに好ましく、１ｎｍ以下が特に好ましい。
【００５７】
単結晶ダイヤモンド材２０の結晶成長主面に反対側の主面と結晶成長主面（あるいは上記の成長初期の結晶成長主面）との平行からのずれ角は、単結晶ダイヤモンド材２０を成長させるためのダイヤモンド種結晶１０の主面１０ｍのオフ角と単結晶ダイヤモンド材２０の結晶成長主面２０ｍのオフ角とのずれ角に相当する。また、うねりの最大高低差Ｄｍとは、数百μｍ範囲のＰＶ値ではなく、１ｍｍの範囲に亘る緩やかな表面の高低における最高値と最低値との差であり、サンプルの実際の傾斜分（主面の傾斜分）は除くが、相対的な値ではなく、主面の水平を基準とする絶対値である。通常の白色干渉を用いた表面粗さ測定装置で０．５ｍｍ範囲の視野を繋いで測定可能である。また、算術平均粗さＲａとは、ＪＩＳ  Ｂ０６０１：２０１３で規定する算術平均粗さＲａをいい、白色走査型白色干渉型顕微鏡（キャノン社製ＺＹＧＯ）により測定可能である。
【００５８】
単結晶ダイヤモンド材２０の結晶成長主面２０ｍに反対側の主面２０ｎと結晶成長主面２０ｍとの平行からのずれ角が小さいことは、ダイヤモンド種結晶１０の主面１０ｍオフ角と単結晶ダイヤモンド材２０の結晶成長主面２０ｍに反対側の主面２０ｎのオフ角のずれが小さいことの証明となる。ダイヤモンド種結晶１０上に成長したままの単結晶ダイヤモンド材２０の結晶成長主面２０ｍに反対側の主面２０ｎのオフ角は、成長後にダイヤモンド種結晶１０から分離された単結晶ダイヤモンド材２０の結晶成長主面２０ｍに反対側の主面２０ｎのオフ角と正確に一致しているとは限らないからである。通常の手法のレーザーにより、単結晶ダイヤモンド材２０をダイヤモンド種結晶１０から分離し研磨すると、単結晶ダイヤモンド材２０のダイヤモンド種結晶１０から分離した面側の主面（すなわち、結晶成長主面に反対側の主面２０ｎ）と、単結晶ダイヤモンド材２０の結晶成長主面２０ｍとの平行のずれ角が２°以上に大きくなる。そうすると、この時点で既に、最終的にオフ角のバラツキの少ない工具を作製することができない。したがって、結晶成長主面に反対の主面２０ｎと結晶成長主面２０ｍとの平行からのずれ角が小さいことは、オフ角のバラツキの少ない工具を作製するために必要なことである。また、結晶成長主面に反対の主面２０ｎのうねりの最大高低差Ｄｍが小さいことは、単結晶ダイヤモンド材から単結晶ダイヤモンドチップを切り出した時に、個々の単結晶ダイヤモンドチップの結晶成長主面に反対の主面のオフ角のバラツキが少ないことの証明となる。単結晶ダイヤモンドチップは１ｍｍ角より小さくなることが多いが、そのサイズで表面が１０μｍ以上うねっていると、前後も含め１°以上のオフ角のばらつきになる。そうすると、やはり、最終的にオフ角のバラツキの少ない工具を作製することができない。したがって、結晶成長主面に反対の主面２０ｎのうねりの最大高低差Ｄｍが小さいことも、オフ角のバラツキの少ない工具を作製するために必要なことである。これに加えて、結晶成長主面に反対の主面２０ｎの算術平均粗さＲａが小さいことも同様に必要なポイントとなる。
【００５９】
図１および図２を参照して、本実施形態の単結晶ダイヤモンド材２０は、大きな欠損の発生が抑制される観点から、結晶成長主面２０ｍについてのＸ線トポグラフィー像において結晶欠陥が存在する線を示す結晶欠陥線２０ｄｑが結晶成長主面２０ｍに達する先端の点である結晶欠陥点２０ｄｐの群が集合して存在することが好ましい。ここで、結晶成長主面とは、結晶成長により形成される結晶成長側の主な表面をいう。ここで、結晶欠陥点２０ｄｐの群が集合するという表現は、本発明においては以下のように踏み込んだ内容である。すなわち、結晶欠陥点２０ｄｐは、一つの起点から枝分かれした複数の結晶欠陥点あるいはそれらの途中から枝分かれした結晶欠陥点の集まりを一つの群とし、別の起点由来のものは別の群とする。同じ群を全て包含する最小の円を群のエリアと表現すると、ある群のエリアと別の群のエリアが接触もしくは重なる場合に、群が集合していると表現する。
【００６０】
本実施形態の単結晶ダイヤモンド材２０において、結晶欠陥点２０ｄｐおよび結晶欠陥線２０ｄｑは、Ｘ線トポグラフィー像においてそれらの存在が示される。すなわち、結晶欠陥点および結晶欠陥線は、結晶のそれら以外の部分（欠陥がより少ない部分、すなわち、結晶性が高い部分）に比べてＸ線の反射強度が高いため、Ｘ線トポグラフィー像において、ポジ像の場合は暗部として、ネガ像の場合は明部としてそれらの存在が示される。結晶欠陥線２０ｄｑは暗部や明部が線状として現れ、結晶欠陥点２０ｄｐは結晶成長主面２０ｍなどの主面と結晶欠陥線２０ｄｑとの交点として現れる。
【００６１】
ここで、結晶欠陥２０ｄには、点欠陥、転位、欠損、亀裂、結晶歪みなどの各種の欠陥が含まれる。また、転位には、刃状転位、螺旋転位、複数の刃状転位および複数の螺旋転位の少なくともいずれかが複合した複合転位などが含まれる。
【００６２】
これらの結晶欠陥２０ｄなどからなる結晶欠陥線２０ｄｑは新たに発生するか、結晶成長主面２０ｍに達するときに線が停止する。結晶成長主面２０ｍに達した結晶欠陥線２０ｄｑの先端を結晶欠陥点２０ｄｐと呼ぶ。本発明では単位面積当たりの結晶欠陥点２０ｄｐの個数を数えて密度を定義する。本発明において１×１０4個以上の結晶欠陥点を数えるのは事実上不可能であるため、次のように範囲を限定した任意の領域の少なくとも５ヶ所の平均値をとってもよい。結晶欠陥点が１０個／ｍｍ2以上ある場合は１ｍｍ角の領域を、１００個／ｍｍ2以上では５００μｍ角の領域を、１×１０4個／ｍｍ2以上では１００μｍ角など範囲を限定して結晶欠陥点２０ｄｐの個数を数え、ｍｍ-2単位に換算する。このとき、結晶欠陥点２０ｄｐの個数を数える領域は、必ず結晶欠陥集合領域を含む箇所とする。ここで、結晶欠陥集合領域とは、結晶欠陥点２０ｄｐの集合した領域をいう。線状に延びている結晶欠陥集合領域を結晶欠陥線状集合領域２０ｒと呼ぶ。結晶欠陥線２０ｄｑが停止した部分のどちら側が結晶成長主面２０ｍに達したか分からない場合は、透過型のＸ線トポグラフィー像の入射角と回折面を変更する、もしくは反射型のＸ線トポグラフィーの撮影も行うことによって、結晶欠陥点を明確化する。
【００６３】
一方、結晶欠陥線２０ｄｑは、結晶成長主面２０ｍでは結晶欠陥点２０ｄｐとなるので、結晶成長主面２０ｍ付近での結晶欠陥線の密度は結晶欠陥点の密度と等しい。結晶欠陥線は、結晶内部にも存在し、任意の面との交点も存在する。この交点の密度は、その面における結晶欠陥線の密度に相当する。任意の面とは、たとえば、図３に示す層状に成長している単結晶ダイヤモンド層２１，２２の界面２１２ｉやその近傍のそれに平行な面などが想定できる。
【００６４】
結晶欠陥線状集合領域２０ｒは、結晶欠陥が存在する線である結晶欠陥線２０ｄｑの先端の点である結晶欠陥点２０ｄｐが結晶成長主面２０ｍにおいて線状に集合することにより形成されている。このため、結晶欠陥線状集合領域２０ｒは、単結晶ダイヤモンド材の結晶成長方向に平行な方向（すなわち、結晶成長主面に垂直な方向）に透過型で測定されたＸ線トポグラフィー像において好適に示される。反射型でも測定可能であるが、反射型で測定されたＸ線トポグラフィー像においては、結晶欠陥線が重なった像となるため、結晶欠陥点の集合状態が判明しにくくなるからである。本発明では高密度の結晶欠陥点を観察する必要があることから、Ｘ線トポグラフィー像は放射光のＸ線を用いるのが好ましい。透過型で測定する場合は、たとえば、波長０．７１ÅのＸ線を用い、２θ＝３２．９°の（２２０）回折を用いて測定する。また、反射型で測定する場合は、波長０．９６ÅのＸ線を用い、２θ＝５２．４°の（１１３）回折を用いて測定しても良い。上記のように結晶欠陥点２０ｄｐが明確でない場合は、波長を変えて回折角を変えて撮影することによって特定する。同様に実験室系のＸ線回折装置を用いて測定しても良く、たとえばＭｏ線源で（１１１）回折を、Ｃｕ線源で（１１３）回折を観察しても良いが、高解像度で撮影するには長い測定時間を要する。測定にはＣＣＤカメラを使用することも可能だが、解像度を高めるために原子核乾板を用いるのが望ましい。原子核乾板の保管、現像、定着は全て１０℃以下の冷却環境で行うのが望ましい。現像後、光学顕微鏡で画像を取り込み、結晶欠陥点２０ｄｐおよび結晶欠陥線２０ｄｑの定量化を行う。このような結晶欠陥２０ｄの測定について、複屈折を利用する方法（複屈折法）もあるが、複屈折像に現れない転位や、逆に構造欠陥ではない点欠陥が複屈折像に現れる場合がるため、Ｘ線トポグラフィーが複屈折法より好ましい。
【００６５】
本実施形態の単結晶ダイヤモンド材２０は、結晶欠陥点２０ｄｐの密度が、２ｍｍ-2より大きいことが好ましく、２０ｍｍ-2より大きいことがより好ましく、３００ｍｍ-2より大きいことがさらに好ましく、１０００ｍｍ-2より大きいことがさらに好ましく、１×１０4ｍｍ-2より大きいことが特に好ましい。かかる単結晶ダイヤモンド材は、結晶欠陥点２０ｄｐの密度が２ｍｍ-2より大きいことから、高密度の結晶欠陥点に対応する高密度の結晶欠陥線による応力緩和により大きな欠損の発生が抑制される。特に、結晶欠陥点２０ｄｐの密度が１０００ｍｍ-2より大きい場合は、耐欠損性にも特に優れる。
【００６６】
本実施形態の単結晶ダイヤモンド材２０は、結晶欠陥点２０ｄｐのうち、複数の刃状転位および複数の螺旋転位の少なくともいずれかが複合した複合転位が結晶成長主面に達する先端の点である複合転位点の密度が、２ｍｍ-2より大きくことが好ましく、３０ｍｍ-2より大きくことがより好ましく、３００ｍｍ-2より大きくことがさらに好ましく、３０００ｍｍ-2より大きくことが特に好ましい。かかる単結晶ダイヤモンド材は、複合転位が結晶成長主面に達する先端の点である複合転位点の密度が２０ｍｍ-2より大きいため、また、複合転位による応力緩和の効果が大きいため、大きな欠損の発生がさらに抑制される。特に、複合転位点の密度が３００ｍｍ-2より大きい場合は、耐欠損性に特に優れる。
【００６７】
ここで、複合転位は、Ｘ線トポグラフィーにおいて、Ｘ線の回折方向（ｇベクトル）を変えることにより観察できる。たとえばダイヤモンド単結晶の結晶面である（００１）面を透過型で観察するとき、［４４０］方向のｇベクトルで観察できてもそのｇベクトルに直交する［４−４０］方向などのｇベクトルで観察できない場合は刃状転位であるが、［４４０］方向および［４−４０］方向などの互いに直交する複数のｇベクトルで観察できる場合は複合転位である。なお、結晶欠陥線である転位の進行方向である＜００１＞方向と垂直ではなく、＜００１＞方向にも成分を持つバーガースベクトルを持つ他の転位を観察する場合は、たとえば反射型で［０４４］方向、［００４］方向、［１１１］方向、［１１３］方向などのｇベクトルなどで観察できる。ただし、反射型の場合は、転位などの結晶欠陥線が重なった像となるため、結晶欠陥が本発明の構造となっているか判別しにくくなる。このように観察した複合転位もまた、結晶欠陥線であるので、複合転位の密度は、上述の結晶欠陥線の密度と同様に測定できる。
【００６８】
図３を参照して、本実施形態の単結晶ダイヤモンド材２０は、複数の単結晶ダイヤモンド層２１，２２を含むことが好ましい。かかる単結晶ダイヤモンド材は、複数の単結晶ダイヤモンド層２１，２２を含むことから、大きな欠損の発生がさらに抑制される。
【００６９】
図３を参照して、主面１０ｍに種結晶欠陥点１０ｄｐの群が集合して線状に延びる種結晶欠陥線状集合領域を有するダイヤモンド種結晶１０の主面１０ｍ上にＣＶＤ（化学気相堆積）法により成長された第１の単結晶ダイヤモンド層２１には、主面１０ｍ上の種結晶欠陥点１０ｄｐの欠陥を引き継ぐ結晶欠陥線２１ｄｑが結晶成長方向に延びる。第１の単結晶ダイヤモンド層２１上にＣＶＤ法により成長された第２の単結晶ダイヤモンド層２２には、結晶欠陥線２１ｄｑの欠陥を引き継ぐ結晶欠陥線２２ｄｑが結晶成長方向に延びて単結晶ダイヤモンド材２０の結晶成長主面２０ｍに達する先端が結晶欠陥点２０ｄｐとなる。
【００７０】
このとき、一般的に、第１の単結晶ダイヤモンド層２１においてはダイヤモンド種結晶１０の１つの種結晶欠陥点１０ｄｐから複数の結晶欠陥線２１ｄｑが引き継がれ、第２の単結晶ダイヤモンド層２２においては第１の単結晶ダイヤモンド層２１の１つの結晶欠陥線２１ｄｑから複数の結晶欠陥線２２ｄｑが引き継がれるため、単結晶ダイヤモンド層２１，２２の数が多くなるほど、単結晶ダイヤモンド材２０の結晶欠陥点２０ｄｐは多くなる。その結果、単結晶ダイヤモンド層２１，２２の層数が増えるごとに、結晶成長主面２０ｍに反対側の主面２０ｎから結晶成長主面２０ｍに向かって結晶欠陥線２１ｄｑ，２２ｄｑが増加する構造となり、より耐欠損性の高い結晶が得られる。
【００７１】
本実施形態の単結晶ダイヤモンド材２０は、各単結晶ダイヤモンド層２１，２２の界面２１２ｉで、結晶欠陥線２１ｄｑ，２２ｄｑが新たに発生または分岐し、結晶成長主面２０ｍの結晶欠陥点２０ｄｐの密度が、結晶成長主面２０ｍに反対側の主面２０ｎの結晶欠陥点の密度より高いことが好ましい。かかる単結晶ダイヤモンド材は、大きな欠損の発生がさらに抑制される。
【００７２】
図１を参照して、実施形態の単結晶ダイヤモンド材２０は、ある主面（たとえば結晶成長主面２０ｍ）についてのＸ線トポグラフィー像において結晶欠陥２０ｄが存在する線を示す結晶欠陥線２０ｄｑが単結晶ダイヤモンド材２０の少なくともある一つの面（たとえば結晶成長主面２０ｍ）に達する先端の点である結晶欠陥点２０ｄｐの群が集合して線状に延びる結晶欠陥線状集合領域２０ｒが複数並列して存在することが好ましい。かかる単結晶ダイヤモンド材は、大きな欠損の発生が抑制される。ここで、線状とは、ある幅を持ち、一つの固定した線状に位置する結晶欠陥点の存在確率が、その固定された線状からある角度φ（たとえば、１０°以上９０°以下）をもって回転した場合に、結晶欠陥点２０ｄｐの存在確率が急激に減少することで判断できる。すなわち、少なくとも５つの線を抽出して、角度と線状に入る結晶欠陥点をグラフにすると、固定した線状を中心にピークが現れるので、判断できる。
【００７３】
ここで、結晶欠陥線状集合領域２０ｒは長さＬで、線状に延びる方向に間隔Ｄを有する。また、複数の結晶欠陥線状集合領域２０ｒがピッチＰで並列して存在している。結晶欠陥線状集合領域２０ｒの長さＬは、大きいほど好ましく、３００μｍ以上が好ましく、５００μｍ以上がより好ましい。結晶欠陥線状集合領域２０ｒの間隔Ｄは、小さいほど好ましく、５００μｍ以下が好ましく、２５０μｍ以下がより好ましい。結晶欠陥線状集合領域２０ｒ間のピッチＰは、小さいほど好ましく、５００μｍ以下が好ましく、２５０μｍ以下がより好ましい。また、ピッチＰは、一定でなくても良い。また、結晶欠陥線状集合領域２０ｒが線状に延びる方向は、複数の結晶欠陥線状集合領域２０ｒが線状に延びる方向の平均の方向をいい、各結晶欠陥線状集合領域２０ｒが線状に延びる方向は、平均の方向とのなす角θは、３０°以下が好ましい。
【００７４】
本実施形態の単結晶ダイヤモンド材２０においては、非置換型窒素原子の濃度は１ｐｐｍ以上が好ましく、３ｐｐｍ以上がより好ましく、５ｐｐｍ以上がさらに好ましく、８ｐｐｍ以上がさらに好ましく、１０ｐｐｍ以上がさらに好ましく、３０ｐｐｍ以上が特に好ましい。単結晶ダイヤモンド材２０中の非置換型窒素原子が結晶欠陥線２０ｄｑと融合するため、単結晶ダイヤモンド材２０は、大きな欠損の発生が抑制され、耐欠損性が増す。特に、非置換型窒素原子の濃度が１０ｐｐｍ以上の場合は優れた耐欠損性を示す。非置換型窒素は、結晶欠陥点２０ｄｐの群が集合して存在すると、耐欠損性の高い状態でダイヤモンド中に形成されやすく、より多く含まれやすくなる。かかる非置換型窒素原子の濃度は、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析法）によって測定される全窒素原子の濃度からＥＳＲ（電子スピン共鳴法）によって測定される置換型窒素原子の濃度を差し引いて算出される。
【００７５】
本実施形態の単結晶ダイヤモンド材２０は、単結晶ダイヤモンド材２０の厚さを５００μｍとしたときの波長４００ｎｍの光の透過率が、６０％以下が好ましく、３０％以下がより好ましく、１０％以下がさらに好ましく、５％以下が特に好ましい。さらには、単結晶ダイヤモンド材２０の厚さを５００μｍとしたときの波長６００ｎｍの光の透過率が、６０％以下が好ましく、３０％以下がより好ましく、１０％以下がさらに好ましく、５％以下が特に好ましい。波長４００ｎｍの光の透過率が小さいと、本実施形態の単結晶ダイヤモンド材の結晶欠陥線が多く、また本実施形態の単結晶ダイヤモンド材の非置換型窒素も多く、結果として亀裂を抑制し、耐欠損性を示すものとなる。より長波長の波長６００ｎｍの光の透過率が小さいと、本実施形態の単結晶ダイヤモンド材の結晶欠陥線が多く、また本実施形態の単結晶ダイヤモンド材の非置換型窒素も多く、結果として亀裂を抑制し、耐欠損性を示すものとなる。結晶欠陥線が多いだけでは、光の透過率が大きく影響するわけではないが、非置換型窒素と結晶欠陥線とが相互に（非置換型窒素は結晶欠陥線の隙間に入り、結晶欠陥線は窒素の間を縫うように）絡まると、非置換型窒素と結晶欠陥線とは相乗効果で増加し、周辺の炭素のｓｐ２成分も微量増えることによって、光の透過率に影響し、絡まった結晶欠陥線と非置換型窒素は亀裂や欠けの拡大を防ぐことに影響しているので、その場合の光の透過率が耐欠損性の良い指標となる。
【００７６】
ここで、光の透過率とは、入射光に対する実質的な透過率であり、反射率を除いた内部のみの透過率ではない。従って、吸収や散乱がないときでも、透過率は最大約７１％となる。板厚の異なる透過率の換算値は、板内部の多重反射を考慮した一般的に知られている式を用いて行うことができる。また、単結晶ダイヤモンド材の厚さを５００μｍとしたときの光の透過率とは、その厚さが５００μｍのときに測定した光の透過率、または、その厚さが５００μｍ以外のときに測定した光の透過率を測定して厚さが５００μｍのときに換算した光の透過率をいう。
【００７７】
＜実施形態２：単結晶ダイヤモンドチップ＞
本実施形態にかかる単結晶ダイヤモンドチップは、非置換型窒素原子の濃度が２００ｐｐｍ以下であり、非置換型窒素原子の濃度より置換型窒素原子の濃度が低く、かつ、単結晶ダイヤモンドチップの主面のオフ角が２０°以下である。かかる単結晶ダイヤモンドチップは、摩耗率のばらつきが小さい。一般に単結晶ダイヤモンドチップは単結晶ダイヤモンド材からその主面に垂直に切り出し、双方のオフ角の数値が一致していることが製法上有利である。しかしながら、単結晶ダイヤモンド材の主面のオフ角は、多結晶化を抑制するなどの合成上の都合により、一般的に大きなオフ角を有する。したがって、主面のオフ角が大きい場合も、単結晶ダイヤモンドチップは単結晶ダイヤモンド材からオフ角分だけ斜めに切り出して、単結晶ダイヤモンドチップの主面のオフ角を２０°以下にすることが、摩耗率のばらつきがより小さい観点から有効である。かかる観点から、主面のオフ角は、１０°未満が好ましく、７°未満がより好ましく、５°未満がさらに好ましく、３°未満がさらに好ましく、１°未満が特に好ましい。
【００７８】
単結晶ダイヤモンドチップのオフ角のばらつきは単結晶ダイヤモンド材のオフ角のばらつきに左右され、単結晶ダイヤモンド材のオフ角が小さい方が単結晶ダイヤモンドチップのオフ角を小さくしやすいので好ましい。また、単結晶ダイヤモンド材の結晶成長主面（あるいは上記の成長初期の結晶成長主面）と単結晶ダイヤモンドチップの主面とのオフ角の差が小さい方（たとえば５°以下）が前述の説明の通りバラツキが小さくしやすく、５°を超えると１０°以上のオフ角を超えてバラツキやすくなる傾向はあるが、最終的には、単結晶ダイヤモンドチップの主面のオフ角の方が最終製品の磨耗のばらつきを左右するために単結晶ダイヤモンド材料のオフ角よりも優先される。ここで、単結晶ダイヤモンドチップの主面とは、その大きさの大小を問わず、工具に実装された際にその工具としての機能を発揮する主役となる表面をいい、たとえば、穿孔工具の場合は孔をあけることが想定される主面、切削工具の場合はすくい面と想定される主面などをいう。
【００７９】
ただし、工具を想定することが困難な場合は、次のような定義に従う。単結晶ダイヤモンドチップの主面とは、最大の面積を有する面ではなく、対象性のより高い面を指すこととする。円柱ならば円形の面であり、直方体や四角柱ならばより正方形に近い面が主面であるとする。いずれの面も８％の誤差内で正方形に近い場合は、平行度のより高い対となっている面が主面であるとする。立方体の場合は、ダイヤモンドの結晶構造が面心立方なので、どの面を想定してもオフ角が同じになるので問題はない。
【００８０】
また、本実施形態にかかる単結晶ダイヤモンドチップは、実施形態１の単結晶ダイヤモンドから切り出されたものである。したがって、本実施形態にかかる単結晶ダイヤモンドチップは、略多角柱の形状のもの（主面が略多角形面）、たとえば、略四角柱、略正四角柱、略直方体、略立方体の形状のもの、あるいは、略円柱の形状のもの（主面が略円形面）などの全体を指しており、略とは目視においてそのように見える形状を指し、厳密に精密な形状ではないことを指している。およそ精度は±１０％以内を見込む。したがって、単結晶ダイヤモンド材のオフ角と単結晶ダイヤモンドチップのオフ角は等しいとは限らない。また、単結晶ダイヤモンドチップは、基本的に単結晶ダイヤモンド材から並進対称性の切り出し方をすることが材料を効率よく利用する観点で好ましい。かかる単結晶ダイヤモンドチップは、摩耗率のばらつきがより小さい。
【００８１】
本実施形態の単結晶ダイヤモンドチップは、単結晶ダイヤモンド材を切り出して作製するが、単に切り出すだけでは、単結晶ダイヤモンド材で揃っているオフ角などがばらついてしまう。そこで、平行度２°以下のレーザーを使って切断することが好ましい。かかるレーザーの平行度は、１°以下がより好ましく、０．５°以下がさらに好ましく、０．２°以下が特に好ましい。平行度は焦点深度を犠牲にして、光学系を改良するなどの工夫を要する。レーザーが楔上の切断形状を示すことを利用すると、相対する辺の切断方向を変えることでさらに１／４の角度（０．０５°）の制御が可能である。かかる技術によって、単結晶ダイヤモンドチップの主面のオフ角はバラツキの少ない角度を制御できることとなる。
【００８２】
さらに、単結晶ダイヤモンドチップは、立方体のような対称性の高い形状であると、利用する面が分かりにくいのでよくない。直方体や縦、横、長さがそれぞれ異なる形状は、利用する面が分かりやすいので好ましい。ただし、立方体や直方体でも目印となるものが形成されていると、利用する面が分かりやすいので好ましい。レーザーでは面に垂直に切っても斜めに切っても、辺に垂直に切っても、斜めに切っても平行度が出ていれば構わない。これらの工夫によって、窒素原子濃度やオフ角の制御を行った単結晶ダイヤモンドチップを作製することができる。
【００８３】
本実施形態の単結晶ダイヤモンドチップは、単結晶ダイヤモンドチップの主面が、ミラー指数が−５以上５以下の整数で表示される低指数面が好ましい。かかる単結晶ダイヤモンドチップは、摩耗率のばらつきがより小さい。ここで、低指数面は、上記の観点から、｛１００｝、｛１１０｝、｛１１１｝、｛２１１｝、｛３１１｝および｛３３１｝からなる群から選ばれる少なくとも１つの面方位面がより好ましい。
【００８４】
本実施形態の単結晶ダイヤモンドチップは、結晶成長主面および結晶成長主面に平行な主面（この主面は、単結晶ダイヤモンド材からの切り出しにより形成される主面である、以下同じ。）のいずれかの主面についてのＸ線トポグラフィー像において結晶欠陥が存在する線を示す結晶欠陥線が結晶成長主面および結晶成長主面に平行な主面のいずれかの主面に達する先端の点である結晶欠陥点の群が集合して存在し、結晶欠陥点の密度を２ｍｍ-2より大きいことが好ましい。かかる単結晶ダイヤモンドチップは、大きな欠損の発生が抑制される。また、単結晶ダイヤモンドチップの結晶成長主面および結晶成長主面に平行な主面は、特に制限はないが、単結晶ダイヤモンドチップの大きな欠損の発生が抑制される観点から、単結晶ダイヤモンドチップの主面と平行または垂直であることが好ましい。
【００８５】
本実施形態の単結晶ダイヤモンドチップは、単結晶ダイヤモンドチップの厚さを５００μｍとしたときの波長４００ｎｍの光の透過率が、６０％以下が好ましく、３０％以下がより好ましく、１０％以下がさらに好ましく、５％以下が特に好ましい。さらには、単結晶ダイヤモンド材２０の厚さを５００μｍとしたときの波長６００ｎｍの光の透過率が、６０％以下が好ましく、３０％以下がより好ましく、１０％以下がさらに好ましく、５％以下が特に好ましい。これらの波長の光の透過率が小さいと、本実施形態の単結晶ダイヤモンド材の結晶欠陥線が多く、また本実施形態の単結晶ダイヤモンド材の非置換型窒素も多く、結果として亀裂を抑制し、耐欠損性を示すものとなる。ここで、単結晶ダイヤモンドチップは単結晶ダイヤモンド材よりも小さくしているので、一般の顕微の分光光度計で測定するのが有効である。光の入射面と出射面は、表面での散乱が極力ないように、光学的に平坦に研磨していることが好ましい。
【００８６】
＜実施形態３：穿孔工具＞
本実施形態にかかる穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスにおける非置換型窒素原子の濃度が２００ｐｐｍ以下であり、非置換型窒素原子の濃度より置換型窒素原子の濃度が低く、かつ、伸線用の孔の方位に対する単結晶ダイスのミラー指数が−５以上５以下の整数で表示される低指数面の垂線のオフ角が２０°以下である。かかる穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスの大きな欠損の発生が抑制されるとともに摩耗率のばらつきが小さい。
【００８７】
また、本実施形態にかかる穿孔工具は、実施形態２の単結晶ダイヤモンドチップから形成される単結晶ダイヤモンドダイスを含む。かかる穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスの摩耗率のばらつきが小さい。
【００８８】
本実施形態の穿孔工具に含まれる単結晶ダイヤモンドダイスは、実施形態２の単結晶ダイヤモンドチップから作製する。単結晶ダイヤモンドチップは、少なくとも一つ以上の平坦な面を有しているので、穿孔工具を作製する時にこの面を基準とすると、一定の方向を持った伸線用の孔をあけることができる（ここで、基準面は、基本的に単結晶ダイヤモンドチップの主面であるが、単結晶ダイヤモンドチップの主面を定義した面と異なる面に穿孔する場合も時としてある。）。たとえば、この平坦面とダイスを作製する時に載せる面を合わせておくようにするなどである。この面がばらつくと穿孔工具の孔が面方位に対してばらついてしまう。直方体の形状によって、間違って面を設定しないようにできる。縦、横、長さが全て違うことが好ましいが、正方形を含む直方体でも、立方体でも目印となるもの（レーザーによる点やグラファイト層面を含む）が形成されていれば、間違うことがなければ利用することができる。以上の方法によって、窒素原子濃度や主面のオフ角の制御を行った単結晶ダイヤモンドチップから単結晶ダイヤモンドダイスを作製することができる。
【００８９】
本実施形態の穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスの結晶成長主面についてのＸ線トポグラフィー像において結晶欠陥が存在する線を示す結晶欠陥線が結晶成長主面に達する先端の点である結晶欠陥点の群が集合して存在し、結晶欠陥点の密度が２ｍｍ-2より大きいことが好ましい。かかる穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスの大きな欠損の発生が抑制される。また、単結晶ダイヤモンドダイスの結晶成長主面は、特に制限はないが、単結晶ダイヤモンドダイスの大きな欠損の発生が抑制される観点から、単結晶ダイヤモンドダイスの孔の方向と平行または垂直であることが好ましい。
【００９０】
本実施形態の穿孔工具は、結晶欠陥点のうち、複数の刃状転位および複数の螺旋転位の少なくともいずれかが複合した複合転位が結晶成長主面に達する先端の点である複合転位点の密度が２ｍｍ-2より大きいことが好ましい。かかる穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスの大きな欠損の発生が抑制される。
【００９１】
本実施形態の穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスが複数の単結晶ダイヤモンド層を含み、各単結晶ダイヤモンド層の界面で、結晶欠陥線が新たに発生または分岐して、結晶成長主面の結晶欠陥点の密度が、結晶成長主面に反対側の主面の結晶欠陥点の密度より高いことが好ましい。かかる穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスの大きな欠損の発生が抑制される。
【００９２】
本実施形態の穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスには、結晶欠陥点の群が集合して線状に延びる結晶欠陥線状集合領域が複数並列して存在することが好ましい。かかる穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスの大きな欠損の発生が抑制される。
【００９３】
本実施形態の穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスは、非置換型窒素原子の濃度が１ｐｐｍ以上であることが好ましい。かかる穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスの大きな欠損の発生が抑制される。
【００９４】
本実施形態の穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスは、単結晶ダイヤモンドダイスの厚さを５００μｍとしたときの波長４００ｎｍの光の透過率が６０％以下であることが好ましく、３０％以下がより好ましく、１０％以下がさらに好ましく、５％以下が特に好ましい。さらには、波長６００ｎｍの光の透過率が、６０％以下が好ましく、３０％以下がより好ましく、１０％以下がさらに好ましく、５％以下が特に好ましい。かかる穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスの大きな欠損の発生が抑制される。
【００９５】
［実施形態４：単結晶ダイヤモンド材の製造方法］
図４を参照して、本実施形態の単結晶ダイヤモンド材２０の製造方法は、主面１０ｍ上に種結晶欠陥点１０ｄｐが集合している種結晶欠陥集合領域を有するダイヤモンド種結晶１０を準備する工程（図４（Ａ））と、ダイヤモンド種結晶１０の主面１０ｍ上に、化学気相堆積法により単結晶ダイヤモンド材２０を成長させる工程（図４（Ｂ））と、を備える。種結晶欠陥点１０ｄｐとは、ダイヤモンド種結晶１０の主面１０ｍ上における種結晶欠陥点１０ｄｐの意味であり、種結晶欠陥集合領域とはダイヤモンド種結晶１０の主面１０ｍ上に結晶欠陥点が集合している領域である。上記のダイヤモンド種結晶１０の主面１０ｍ上の種結晶欠陥集合領域は、種結晶欠陥点１０ｄｐの群が集合していることがより好ましく、種結晶欠陥点１０ｄｐが集合して線状に延びていることがさらに好ましく、種結晶欠陥点１０ｄｐの群が集合して線状に延びている種結晶欠陥線状集合領域であることが特に好ましい。
【００９６】
本実施形態の単結晶ダイヤモンド材２０の製造方法において、種結晶欠陥点１０ｄｐ、種結晶欠陥集合領域および種結晶欠陥線状集合領域は、ダイヤモンド種結晶１０の主面１０ｍに垂直な方向に透過型で測定されたＸ線トポグラフィー像（すなわち、ダイヤモンド種結晶１０の主面１０ｍについてのＸ線トポグラフィー像）において好適に示される。
【００９７】
（種結晶欠陥集合領域を有するダイヤモンド種結晶の準備工程）
図４（Ａ）を参照して、主面１０ｍ上に種結晶欠陥点１０ｄｐの集合している種結晶欠陥集合領域を有するダイヤモンド種結晶１０を準備する工程は、特に制限はないが、主面１０ｍ上に種結晶欠陥点１０ｄｐの群が集合して線状に延びる種結晶欠陥線状集合領域を有するダイヤモンド種結晶１０を効率的に準備する観点から、ダイヤモンド種結晶１０を準備するサブ工程と、ダイヤモンド種結晶１０の主面１０ｍ上に種結晶欠陥点１０ｄｐが集合している種結晶欠陥集合領域を形成するサブ工程と、ダイヤモンド種結晶１０の主面１０ｍ側に、イオンを注入することにより、イオン注入領域にダイヤモンドが破壊されてグラファイトに転化した導電層領域１０ｃを形成するサブ工程と、を含むことができる。
【００９８】
ダイヤモンド種結晶１０を準備するサブ工程においては、ダイヤモンド種結晶１０として、ＨＰＨＴ（高圧高温）法により成長されたＩｂ型単結晶ダイヤモンドまたはＩＩａ型単結晶ダイヤモンド、あるいは、Ｉｂ型単結晶ダイヤモンドまたはＩＩａ型単結晶ダイヤモンドを種結晶として上記ＣＶＤ法により成長された単結晶ダイヤモンドが準備される。
【００９９】
ダイヤモンド種結晶１０の主面１０ｍ上に種結晶欠陥点１０ｄｐが集合している種結晶欠陥集合領域を形成するサブ工程において、種結晶欠陥点１０ｄｐには、種結晶欠陥点、種結晶転位点１０ｄｄ（刃状転位、螺旋転位、複数の刃状転位および複数の螺旋転位の少なくともいずれかが複合した複合転位などの転位が主面１０ｍに達する先端の点）、種結晶欠損点１０ｄｖ、種結晶亀裂点、種結晶損傷点１０ｄｉなどの各種の欠陥点が含まれる。また、種結晶欠陥集合領域を形成する方法は、たとえば、平均粒径９μｍ〜３５μｍのダイヤモンド砥粒をメタルで固定した砥石を用いて、回転数５００ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍ、荷重０．５ｋｇｆ〜５０ｋｇｆの条件で機械研磨を行うことが好ましい。平均粒径が大きく、回転数が大きく、荷重が大きいほど種結晶の主面に種結晶欠陥点を形成しやすい。荷重は、０．５ｋｇｆ〜５０ｋｇｆの範囲内で、０．５ｋｇｆ以上が好ましく、５ｋｇｆ以上がより好ましく、１０ｋｆ以上がさらに好ましく、２０ｋｇｆ以上が特に好ましい。
【０１００】
荷重が大きくなると、振動を抑える機構が必要で、基板を割れにくくする必要がある。一方、高い振動数の振動は許容されるようにしておく。これは、ダイヤモンド種結晶１０の表面に微小な亀裂を発生し、種結晶欠陥点１０ｄｐの群の起点に寄与する。研磨方向に対して、ダイヤモンド種結晶１０を回転させると種結晶欠陥点１０ｄｐを集合して形成しやすく、ダイヤモンド種結晶１０を固定すると種結晶欠陥点１０ｄｐを線状に集合して形成しやすい。荷重が大きいとダイヤモンド種結晶は割れ易くなるので、ダイヤモンド種結晶のサイズに対して厚さを大きくする必要がある。ダイヤモンド種結晶のサイズに対する厚さは、荷重が０．５ｋｇｆ以上５ｋｇｆ未満のとき４ｍｍ角に対して０．８ｍｍ厚さ以上が好ましく、荷重が５ｋｇｆ以上２０ｋｇｆ未満のとき４ｍｍ角に対して１．６ｍｍ厚さ以上が好ましく、荷重が２０ｋｇｆ以上のとき４ｍｍ角に対して３．２ｍｍ厚さ以上が好ましい。荷重を加える際の荷重増加速度をゆっくり慎重に上げれば、この範囲外でも割れずに研磨できるが、時間がかかる。かかる機械研磨の後に反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、マイクロ波プラズマエッチング、イオンミリングなどを行うことでも、種結晶欠陥点発生の密度が微調整でき、その効果はほぼ持続する。
【０１０１】
また別に、微細な亀裂は、フォトリソとエッチング技術あるいはレーザーを使ってダイヤモンドに溝を形成し、その溝を埋めるようにダイヤモンドを合成して左右から成長したダイヤがぶつかったところに形成できる。ただし、オフ角の方向と溝の方向が±１０°の範囲で平行であることが好ましい。オフ角の方向と溝の方向が前記範囲で平行でないと、特に垂直に近いときれいに溝が接合して消失してしまい、本発明に効果のある微小亀裂が得られない。この場合の微小亀裂は、当然ながら溝形成のところまで、反応性イオンエッチングやプラズマエッチングやイオンミリングすると本発明の効果はなくなる。
【０１０２】
ダイヤモンド種結晶１０の主面１０ｍ側に導電層領域１０ｃを形成するサブ工程は、ダイヤモンド種結晶１０の主面１０ｍ側にイオンを注入してイオン注入領域を形成することにより行う。注入するイオンは、炭素又は窒素又はシリコン又はリンのイオンが好ましく用いられる。
【０１０３】
（単結晶ダイヤモンド材の成長工程）
図４（Ｂ）を参照して、単結晶ダイヤモンド材２０を成長させる工程は、ダイヤモンド種結晶１０の主面１０ｍ上に、ＣＶＤ（化学気相堆積）法により、単結晶ダイヤモンド材２０を成長させることにより行なう。ＣＶＤ法としては、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、ＤＣプラズマＣＶＤ法、ホットフィラメントＣＶＤ法などが好適に用いられる。単結晶成長用ガスとしては、水素、メタン、アルゴン、窒素、酸素、二酸化炭素などを用いて、単結晶ダイヤモンド材中の非置換型窒素原子の濃度（全窒素原子濃度から置換型窒素原子濃度を差し引いた濃度）が、好ましくは１ｐｐｍ以上、より好ましくは３ｐｐｍ以上、さらに好ましくは５ｐｐｍ以上、さらには好ましくは８ｐｐｍ以上、さらに好ましくは１０ｐｐｍ以上、特に好ましくは３０ｐｐｍ以上になるように調整する。さらに、ジボラン、トリメチルボロン、ホスフィン、ターシャルブチルリン、シランなどのドーピングガスを添加してもよい。単結晶ダイヤモンド材２０の結晶成長主面が（１００）面方位であることが好ましく、結晶成長初期の厚さが１μｍ〜７μｍの領域は、少なくとも成長パラメーター（α）が２以上かつダイヤモンド種結晶１０の温度が１１００℃以下で成長することが好ましい。ここで、成長パラメーター（α）とは、＜１１１＞方向の結晶成長速度に対する＜１００＞方向の結晶成長速度の比を√３倍した値である。
【０１０４】
成長させる単結晶ダイヤモンド材２０の厚さは、特に制限はないが、切削工具、研磨工具、光学部品、電子部品、半導体材料などを好適に形成する観点から、３００μｍ以上が好ましく、５００μｍ以上がより好ましい。ダイヤモンド種結晶１０との応力による割れが発生するのを防止する観点から、３ｍｍ以下が好ましく、１．５ｍｍ以下がより好ましい。厚さが１ｍｍより大きい単結晶ダイヤモンド材２０を成長させる場合は、厚さが５００μｍ以下の第１の単結晶ダイヤモンド層２１を成長させた後、後述のようにダイヤモンド種結晶１０を分離した後、第１の単結晶ダイヤモンド層２１上に、追加の単結晶ダイヤモンド材２０として、第２の単結晶ダイヤモンド層２２を成長させることが好ましい。
【０１０５】
なお、図３に示すように、複数の単結晶ダイヤモンド層２１，２２を含む単結晶ダイヤモンド材２０を成長させる場合、ダイヤモンド種結晶１０上に単結晶ダイヤモンド材２０として第１の単結晶ダイヤモンド層２１および第２の単結晶ダイヤモンド層２２を続けて成長させることもできる。しかし、厚さの大きい（たとえば厚さが１ｍｍより大きい）単結晶ダイヤモンド材２０を成長させる場合は、単結晶ダイヤモンド材２０の厚さが大きくなることによりダイヤモンド種結晶１０が応力により割れることを防止する観点から、厚さ５００μｍ以下の第１の単結晶ダイヤモンド層２１を成長した後、ダイヤモンド種結晶を分離し、その後に、第２の単結晶ダイヤモンド層２２を追加して成長させることが好ましい。第１の単結晶ダイヤモンド層２１と第２の単結晶ダイヤモンド層２２の間は、一度成長環境から室温の標準環境に戻した後に再び成長環境にしているので、本発明で予め形成されている結晶欠陥線は分岐されやすくなっており、結晶欠陥点は増える方向である。一方、第１の単結晶ダイヤモンド層２１の結晶成長主面に上記の機械研磨を行うこともでき、その場合は第１の単結晶ダイヤモンド層２１は、新たな種基板として、図３に示すダイヤモンド種結晶１０となって、初期の起点も増える成長となる。
【０１０６】
（ダイヤモンド種結晶の分離工程）
図４（Ｃ）を参照して、本実施形態の単結晶ダイヤモンド材２０の製造方法は、効率よく単結晶ダイヤモンド材２０を得る観点から、ダイヤモンド種結晶１０を分離する工程をさらに備えることができる。
【０１０７】
ダイヤモンド種結晶１０を分離する工程は、ダイヤモンド種結晶１０を効率よく分離する観点から、電解エッチングなどの電気化学的エッチングにより、ダイヤモンド種結晶１０にイオン注入することにより形成されたイオン注入領域である導電層領域１０ｃを分解除去することにより、ダイヤモンド種結晶１０を分離することが好ましい。
【０１０８】
（単結晶ダイヤモンド材の追加成長工程）
図４（Ｄ）を参照して、本実施形態の単結晶ダイヤモンド材２０の製造方法は、大きな欠損の発生がさらに抑制される単結晶ダイヤモンド材２０を得る観点から、単結晶ダイヤモンド材２０を追加して成長させる工程をさらに備えることができる。
【０１０９】
単結晶ダイヤモンド材２０を追加して成長させる工程は、既に成長させた単結晶ダイヤモンド材２０である第１の単結晶ダイヤモンド層２１の主面上に、ＣＶＤ法により、第２の単結晶ダイヤモンド層２２を成長させることにより行なう。第１の単結晶ダイヤモンド層２１には、図４（Ｃ）に示すように、ダイヤモンド種結晶１０の主面１０ｍ上の種結晶欠陥点１０ｄｐの欠陥を引き継ぐ結晶欠陥線２１ｄｑが結晶成長方向に延びている。第１の単結晶ダイヤモンド層２１上にＣＶＤ法により成長された第２の単結晶ダイヤモンド層２２には、結晶欠陥線２１ｄｑの欠陥を引き継ぐ結晶欠陥線２２ｄｑが結晶成長方向に延びて単結晶ダイヤモンド材２０の結晶成長主面２０ｍに達する先端が結晶欠陥点２０ｄｐとなる。
【０１１０】
このとき、一般的に、第１の単結晶ダイヤモンド層２１においてはダイヤモンド種結晶１０の１つの種結晶欠陥点１０ｄｐから複数の結晶欠陥線２１ｄｑが引き継がれ、第２の単結晶ダイヤモンド層２２においてはダイヤモンド種結晶１０の１つの結晶欠陥線２１ｄｑから複数の結晶欠陥線２２ｄｑが引き継がれるため、単結晶ダイヤモンド層２１，２２の数が多くなるほど、単結晶ダイヤモンド材２０の結晶欠陥点２０ｄｐは多くなり、大きな欠損の発生がさらに抑制される。
【実施例】
【０１１１】
＜実施例１＞
（試料の作製）
１．ダイヤモンド種結晶の準備
図４（Ａ）を参照して、ダイヤモンド種結晶１０として、ＨＰＨＴ（高圧高温）法により成長させた主面が（００１）面から＜１００＞方向に２°のオフ角を有するサイズが４ｍｍ×４ｍｍで表１に示す厚さのＩｂ型単結晶ダイヤモンドを準備した。【０１１２】
各々のダイヤモンド種結晶１０の主面に、平均粒径９μｍ〜３５μｍのダイヤモンド砥粒をメタルで固定した砥石を用いて、回転数５００ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍ、表１に示す荷重（具体的には、１０ｋｇｆ〜２０ｋｇｆまたは０．５ｋｇｆ〜５ｋｇｆ）の条件で、行った。ここで、表１の研磨時の研磨方向の選び方について、注意して研磨を行ったので、その区別を記載した。表１中「固定」というのは、比較的研磨しやすい方向（たとえば、（１００）面に対してほぼ＜１００＞方向）に研磨盤が流れるように単結晶ダイヤモンド材を固定して研磨することを示しており、一般的な研磨方法（荷重も小さい）である。「回転→固定」というのは、一般的な方法で比較的平坦になった基板を、まずは回転（自転）させながら２時間研磨し、その後固定させて１時間研磨する手順のことである。線状に欠陥を導入しやすい。表１中の研磨時の荷重は、「固定」あるいは「回転→固定」中の荷重である。こうして、例１−１〜例１−３においては結晶欠陥点が線状に集合した種結晶欠陥線状集合領域として＜１００＞方向に線状に延びる研磨傷を形成し、例１−４および例１−５においては結晶欠陥点が点在する研磨傷を形成した。ここで、荷重を加える際には、３ｋｇｆ／ｍｉｎ以下の速度で徐々に増加し、荷重の上記範囲の最大値の１１０％の値を超えないように砥石の振動を抑える機構を付けた装置を用いて行った。【０１１３】
次いで、ダイヤモンド種結晶の主面を酸素（Ｏ2）ガスと四フッ化炭素（ＣＦ4）ガスを用いてドライエッチングを行い、種結晶欠陥点１０ｄｐおよび種結晶損傷点１０ｄｉの密度を調節した。なお、平均粒径とは、ダイヤモンド研磨盤を供給するメーカーの指定する平均粒径のことであり、ここではインターナショナルダイヤモンド株式会社の研磨盤の仕様にある平均粒径のことである。かかる平均粒径はふるいによって粒子を選別する方法で一般的に決められており、平均粒径３５μｍ〜９μｍは＃６００〜＃１５００（１インチ当たり６００〜１５００本のふるい目）のふるいによって選別される粒径に相当する。【０１１４】
さらに、例１−２、例１−３、および例１−５においては、フォトリソグラフィーによって、表１に示すように、アスペクト比が２、溝の幅が３μｍ、溝の間隔が２００μｍの溝を形成した後に、さらに窒素添加をせずにＣＶＤ成長を行った。【０１１５】
次いで、各々のダイヤモンド種結晶１０の主面１０ｍ側に、３００ｋｅＶ〜１０ＭｅＶのエネルギーで１×１０15個・ｃｍ-2〜１×１０18個・ｃｍ-2のドーズ量で炭素をイオン注入することにより、導電層領域１０ｃを形成した。この工程は、ダイヤモンド種結晶と気相成長した単結晶ダイヤモンド材を電解エッチングで分離する場合に行った。後の工程で、ダイヤモンドをレーザーでスライスする場合は、この工程は省略した。【０１１６】
２．単結晶ダイヤモンド材の形成
次に、図４（Ｂ）を参照して、各々のダイヤモンド種結晶１０の種結晶欠陥線状集合領域が形成された主面１０ｍ上に、マイクロ波プラズマＣＶＤ（化学気相堆積）法により、単結晶ダイヤモンド材２０を成長させた。結晶成長用ガスとして、水素（Ｈ2）ガス、メタン（ＣＨ4）ガス、および窒素（Ｎ2）ガスを使用し、Ｈ2ガスに対するＣＨ4ガスの濃度を５モル％〜２０モル％、ＣＨ4ガスに対するＮ2ガスの濃度を０〜５モル％とした。結晶成長圧力は５ｋＰａ〜１５ｋＰａとし、結晶成長温度（ダイヤモンド種結晶の温度）は８００℃〜１２００℃とした。【０１１７】
３．ダイヤモンド種結晶の分離
次に、図４（Ｃ）および（Ｄ）を参照して、各々の単結晶ダイヤモンド材２０から各々のダイヤモンド種結晶１０を、電解エッチングにより、ダイヤモンド種結晶中の導電層領域を分解除去することにより、ダイヤモンド種結晶から分離した。あるいはイオン注入をしなかった場合にはレーザーを用いてスライスして、ダイヤモンド種結晶から分離した。イオン注入およびその後の電解エッチングにより得られた単結晶ダイヤモンド材の分離した面（結晶成長主面に反対側の主面）のうねりの最大高低差Ｄｍおよび算術平均粗さＲａは、白色走査型白色干渉型顕微鏡（キャノン社製ＺＹＧＯ）により測定したところ、Ｄｍは１μｍ／ｍｍ以下で、Ｒａは１０ｎｍ以下であった。レーザーを用いてスライスした場合は分離後に研磨を必要とし、研磨をすれば、単結晶ダイヤモンド材の分離した面（結晶成長主面に反対側の主面）のうねりの最大高低差Ｄｍは１μｍ／ｍｍ以下で、算術平均粗さＲａは１０ｎｍ以下とすることができた。算術平均粗さＲａを１０ｎｍ以下とすることで、透過率評価において、散乱の影響をなくすことができた。レーザーを用いて分離した場合は、その平行度をできるだけ小さくするとともに、広がり角度を勘案して、成長面と分離面とのズレをなくしておき、研磨後にも維持する必要があるが、０．５°以下で実現した。イオン注入を用いた分離では、０．０２°以下で実現した。例１−４のみレーザーを用いて分離し、その他の試料はイオン注入およびその後の電解エッチングを用いて分離した。以上のような精密な分離方法を用いない場合は、すでにこの時点で±２°以上のばらつきが生じた。光学測定のための研磨においては平行度を特に気にしなくともよかったが、オフ角のばらつきを小さく制御する本実施例では重要なポイントなので、イオン注入を用いた分離の方が好ましい。【０１１８】
分離してできた単結晶ダイヤモンド材２０について、主面の結晶欠陥点の状態、結晶欠陥線状集合領域の並列数、結晶欠陥点の密度、複合転位点の密度、単結晶ダイヤモンド層の層数、単結晶ダイヤモンド材の厚さ、主面のオフ角、非置換型窒素原子の濃度（平均濃度）、置換型窒素の濃度（平均濃度）、全窒素原子の濃度（平均濃度）、波長４００ｎｍの光の透過率、および波長６００ｎｍの光の透過率を表１にまとめた。ここで、主面の結晶欠陥点の状態、結晶欠陥線状集合領域の並列数、結晶欠陥点の密度、および複合転位点の密度は、主面におけるＸ線トポグラフィー像により観察および算出した。主面のオフ角は、精密なＸ線回折により測定および算出した。全窒素原子の濃度は、ＳＩＭＳにより測定した。置換型窒素原子の濃度は、ＥＳＲにより測定した。非置換型窒素原子の濃度は、全窒素原子の濃度と置換型窒素原子濃度との差から算出した。波長４００ｎｍの光の透過率および波長６００ｎｍの光の透過率は、分光光度計により測定した。【０１１９】
単結晶ダイヤモンド材２０は、カッター刃の形状に加工し、ワークの切削加工を行って耐欠損性を評価した。カッターは住友電工ハードメタル株式会社製ＲＦ４０８０Ｒを用い、ワイパーチップは同ＳＮＥＷ１２０４ＡＤＦＲ−ＷＳを用いた。旋盤は株式会社森精機製のＮＶ５０００を用いた。切削速度は２０００ｍ／ｍｉｎ、切込量０．０５ｍｍ、送り量０．０５ｍｍ／刃とした。ワークはアルミ材Ａ５０５２を用い、ワークを３０ｋｍ切削した後に、カッター刃の５μｍ以上の欠損の数（欠損数）により、耐欠損性評価Ｉを行った。結果を表１にまとめた。耐欠損性評価Ｉにおいて、欠損数が１以下は、使用可能な良品とした。また、切削速度が２０００ｍ／ｍｉｎ、切込量０．１０ｍｍ、送り量０．１０ｍｍ／刃の条件で、ワークはアルミ材Ａ５０５２を用い、ワークを３０ｋｍ切削した後に、カッター刃の５μｍ以上の欠損の数（欠損数）により、耐欠損性評価ＩＩを行った。結果を表１にまとめた。耐欠損性評価ＩＩにおいて、欠損数が４以下は、使用可能な良品とした。【０１２０】
【表１】
2017014311.tif 000003
【０１２１】
表１を参照して、例１−１〜例１−３においては、非置換型窒素原子の濃度が２００ｐｐｍ以下であり、非置換型窒素原子の濃度より置換型窒素原子の濃度が低く、かつ、結晶成長主面のオフ角が２０°以下であり、また、主面である結晶成長主面において結晶欠陥点の群が線状に集合して存在していたため、耐欠損性評価Ｉおよび耐欠損性評価ＩＩのいずれにおいても欠損数が低かった。これに対して、例１−４および例１−５は、非置換型窒素原子の濃度が２００ｐｐｍ以下かつ主面のオフ角が２０°以下であったが、非置換型窒素原子の濃度より置換型窒素原子の濃度が高く、主面である結晶成長主面において結晶欠陥点が集合しておらず点在していたに過ぎなかったため、耐欠損性評価Ｉおよび耐欠損性評価ＩＩのいずれにおいても欠損数が高かった。ここで、結晶欠陥点の観察は、単結晶ダイヤモンド材の最表面である結晶成長主面での点であるが、オフ角を測定した主面は成長初期の結晶成長主面で測定した。成長初期の結晶成長主面は、単結晶ダイヤモンド材の中央５０％での結晶成長主面の平均面とほぼ一致した。成長初期の結晶成長主面はそれにほぼ垂直に直交する２つの切断面をＣＬ（カソードルミネッセンス）で単結晶ダイヤモンド材の中央１ｍｍで計測し、傾きの方向を算出して計算した。【０１２２】
本単結晶ダイヤモンド材は、結晶成長主面を研磨し、平坦にしたが、研磨する前と評価結果は同じ値であった。本単結晶ダイヤモンド材は、ダイヤモンド種結晶からの分離工程で、イオン注入を行って、電解エッチングを行う手法を用いたが、レーザーでスライスする方法によっても、評価結果に大きな違いはなかった。レーザーでスライスする方法では、評価後、機械研磨をして、通常の平坦な面を形成した後に、この板を所望のサイズにレーザーで切って、伸線用のダイスのチップとし、伸線ダイスを作製した。【０１２３】
ダイスにする直前の単結晶ダイヤモンドチップの状態で光の透過率を測定したが、光の透過率はいずれも単結晶ダイヤモンド材の場合とほぼ同じであった。ダイスの透過率は、顕微可視紫外分光光度計で測定した。レーザーは単結晶ダイヤモンド材の主面に厳密に垂直に切断し、方向は＜１００＞方向であったので、単結晶ダイヤモンドチップの主面は（１００）となった。伸線ダイスの孔は単結晶ダイヤモンドチップの主面に厳密に垂直に加工したもの（Ａグループ）と、２°オフしている方向に伸線ダイスの孔を２°オフさせて加工したもの（Ｂグループ）を作製した。オフの方向は単結晶ダイヤモンド材の合成時、チップの形成時からその主面との関係においてわかっているので、その方向に印をつけておき、同じ向きに揃えることができた。【０１２４】
ＡグループおよびＢグループについて、それぞれ伸線ダイスを５個ずつ評価した結果、Ｂグループの孔の軸は結晶面（１００）の低指数面に対して、１°未満（孔の軸のばらつきは０．２°未満）であり、Ａグループの孔の軸は結晶面（１００）の低指数面に対して、３°未満（孔の軸のばらつきは０．２°未満）であった。ＡグループおよびＢグループの各グループ内の非置換型窒素原子の濃度のばらつき（平均濃度に対するばらつき）を表２に示した。また、ＡグループおよびＢグループの各グループ内の摩耗率のばらつき（平均摩耗率に対するばらつき）およびＡグループおよびＢグループの全体内の摩耗率のばらつき（平均摩耗率に対するばらつき）を表２に示した。【０１２５】
【表２】
2017014311.tif 000004
【０１２６】
表２を参照して、例１−１〜例１−３については、ＡグループおよびＢグループの各グループ内の非置換型窒素原子の濃度のばらつきは±２０％以内、ＡグループおよびＢグループの各グループ内の摩耗率のばらつきは±３％以内、およびＡグループおよびＢグループの全体内の摩耗率のばらつきは±５％以内と、いずれも小さかった。また、例１−４および例１−５については、大きな欠損が発生したため、ＡグループおよびＢグループのいずれのグループにおいても摩耗率のばらつきの測定が困難であった。【０１２７】
例１−１〜例１−３においては、ＡグループとＢグループのようにそれぞれで孔の軸の角度のばらつきが０．２°未満であったので、孔の軸の角度が１°と３°と違っていても、摩耗率のばらつきは小さかった。しかしながら、ＡグループとＢグループを合わせた全体では、孔の軸の角度のばらつきは３°以上になるので、全体の摩耗率のばらつきも大きくなることが分かった。これは、もともとダイヤモンド素材のオフ角のばらつきも起因していた。さらにはダイヤモンド素材のオフ角が小さいと、このばらつきを抑えることが容易であることも分かった。また、さらに、ダイヤモンドチップの主面の指数面からのオフ角が小さいと孔の軸の角度のばらつきが小さくなり、より好ましいことも分かった。【０１２８】
＜実施例２＞
表３および表４に示す条件以外は、実施例１と同様にして、例２−１〜例２−１２の単結晶ダイヤモンド材を作製し、それらの耐欠損性評価Ｉおよび耐欠損性評価ＩＩを行なった。結果を表３および表４に示した。ここで、表３および４の研磨時の研磨方向の選び方について、注意して研磨を行ったので、その区別を記載した。表３および４中「回転→固定」というのは、一般的な方法で比較的平坦になった基板を、まずは回転（自転）させながら２時間研磨し、その後固定させて１時間研磨する手順のことである。線状に欠陥を導入しやすい。「固定→回転」というのは、一般的な方法で比較的平坦になった基板を、まずは固定して１時間研磨し、その後２時間回転して研磨する手順のことである。線状ではない集合した欠陥を導入しやすい。表３および４中の研磨時の荷重は、「回転→固定」、「固定→回転」中の荷重である。ＣＶＤ法で形成した基板は、ＡｓＧｒｏｗｎの表面がきれいであるので、研磨をしなくとも成長させることができるので、研磨無しの条件のダイヤモンド種結晶についても実験した。【０１２９】
【表３】
2017014311.tif 000005
【０１３０】
【表４】
2017014311.tif 000006
【０１３１】
表３および表４を参照して、例２−１〜例２−１２においては、非置換型窒素原子の濃度が２００ｐｐｍ以下かつ主面のオフ角が２０°以下であり、また、主面である結晶成長主面において結晶欠陥点の群が集合あるいは線状に集合して存在していたため、耐欠損性評価Ｉおよび耐欠損性評価ＩＩのいずれにおいても欠損数が低かった。ここで、例１−１から例２−１０までは、単結晶ダイヤモンド材はダイヤモンド種結晶から分離することが前提であった。例２−１１だけは、単結晶ダイヤモンド材は、ダイヤモンド種結晶から分離しておらず、例２−１１に示した研磨していないＣＶＤダイヤモンド種結晶を含む評価であった。一方、例２−１２においては、単結晶ダイヤモンド材は、例２-１２に示した研磨していないＣＶＤダイヤモンド種結晶から分離しており、分離した単結晶ダイヤモンド材の評価であった。例２−１２においては、研磨せず分離しているために、結晶成長主面に反対側の主面のうねりは大きくなった。【０１３２】
例２−１３として、非置換型窒素原子の濃度が２５０ｐｐｍの単結晶ダイヤモンド材の合成を試みたが、非単結晶ダイヤモンドおよび非ダイヤモンドが１５％以上含まれるダイヤモンド材となったので、表３および表４における評価ができなかった。従って、穿孔工具を作製することも困難であった。例２−１４として、ダイヤモンド種結晶のオフ角のみ２５°の条件とし、その他は例２−４と同じ条件で、単結晶ダイヤモンド材の作製を試みたが、非単結晶ダイヤモンドおよび非ダイヤモンドが５％以上含まれるダイヤモンド材となったので、表３および表４における評価ができなかった。【０１３３】
表３、表４においても、結晶欠陥点の観察は、単結晶ダイヤモンド材の最表面である結晶成長主面での点であるが、オフ角を測定した主面は成長初期の結晶成長主面で測定した。成長初期の結晶成長主面は、単結晶ダイヤモンド材の中央５０％での結晶成長主面の平均面とほぼ一致した。成長初期の結晶成長主面はそれにほぼ垂直に直交する２つの切断面をＣＬ（カソードルミネッセンス）で単結晶ダイヤモンド材の中央１ｍｍで計測し、傾きの方向を算出して計算した。【０１３４】
なお、上記の表１、表３および表４の表中において、「点の群が集合」とは、点の群のエリアが接するか重なりあって繋がっていることを指す。「点の群が線状に集合」とは、点の群の集合が細長く線状に繋がっていることを指す。「点の群」とは、同じ起点から枝分かれしている結晶欠陥線を基にする結晶欠陥点の集まりをいう。「種結晶の結晶欠陥点」とは、単結晶層の結晶欠陥線の群の起点と群となっていない結晶欠陥線の起点を合わせたものである。「集合」とは、特定の範囲における結晶欠陥点の全個数の７０％の個数の点が、その特定の範囲の全面積の５０％の面積内に集中していることをいう。ここで、結晶欠陥点の上記の特定の範囲において、１つの結晶欠陥点の範囲は、最近接の結晶欠陥点までの距離を半径とする範囲とする。「点在」とは、上記定義の集合していない状態を指す。【０１３５】
なお、比較のために、例２−１５、例２−１６および例２−１７として、ＨＰＨＴ（高圧高温）法により作製したＩｂ型の単結晶ダイヤモンド材および天然のＩａ型の単結晶ダイヤモンド材について、上記表３および表４における評価を行なった。結果を表５にまとめた。【０１３６】
【表５】
2017014311.tif 000007
【０１３７】
＜実施例３＞
耐欠損性評価Ｉにおいて欠損数が１個以下の例２−１〜例２−１１の単結晶ダイヤモンド材について、ダイヤモンドチップとダイヤモンド穿孔工具を作製し、オフ角のばらつきと摩耗率のばらつきを評価した。結果を表５〜表７にまとめた。また、対比のために、ＨＰＨＴ（高圧高温）法で作製したＩｂ型の単結晶ダイヤモンド材および天然のＩａ型の単結晶ダイヤモンド材についても、ダイヤモンドチップとダイヤモンド穿孔工具を作製し、オフ角のばらつきと摩耗率のばらつきを評価した。結果を表６〜表８にまとめた。【０１３８】
孔軸と結晶面方位の確認は、顕微鏡で孔軸方向から覗いた時に見える複数の孔の輪郭（孔とチップの直方体が交差する最も外側の円と孔の中で最小径で確認できる最も内側の円などの輪郭）が同心円となる方向が垂直になるようにチップを台座に固定した状態で、Ｘ線回折で評価した。Ｘ線の評価は、板状の単結晶ダイヤモンドの結晶の揺らぎやオフ角やポールフィギュアを評価する一般的な方法と同じ要領で行なった。Ｘ線回折測定の垂線方向を孔軸の方向と一致させたことにより、結晶面のオフの傾きを測定することで、孔軸の傾斜角度を確認できた。【０１３９】
【表６】
2017014311.tif 000008
【０１４０】
【表７】
2017014311.tif 000009
【０１４１】
【表８】
2017014311.tif 000010
【０１４２】
表６〜表８を参照して、耐欠損性評価Ｉにおいて欠損数が１個以下であった例２−１〜例２−１２の単結晶ダイヤモンド材を用いた例３−１〜例３−１８のダイヤモンドチップについては、いずれもオフ角のばらつき（例３−１〜例３−１７については±１．０°以内、例３−１８については±３．０°以内）および摩耗率のばらつき（例３−１〜例３−１７については±５．０％以内、例３−１８については±１０％以内）が小さかった。これに対して、ＨＰＨＴ（高圧高温）法で作製したＩｂ型の単結晶ダイヤモンド材（例２−１５および例２−１６）および天然のＩａ型の単結晶ダイヤモンド材（例２−１７）の単結晶ダイヤモンド材を用いた例３−１９〜例３−２１のダイヤモンドチップについては、いずれもオフ角のばらつき（例３−１９については±５．０°以内、例３−２０については±２．０％以内、例３−２１については±２２°以内）および摩耗率のばらつき（例３−１９〜例３−２１については±３０％以内〜±９０％以内）が大きかった。【０１４３】
また、実施例３におけるオフ角のばらつきおよび摩耗率のばらつきの評価から、単結晶ダイヤモンドチップの主面のオフ角が小さいものが、伸線による摩耗率のばらつきが小さく好適であることが分かった。ここで、単結晶ダイヤモンドチップの主面のオフ角は、伸線ダイスの孔の軸の結晶面方位からのオフ角に一致していた。基本的に単結晶ダイヤモンドチップは、単結晶ダイヤモンド材を垂直に切り離すことから、単結晶ダイヤモンド材の主面のオフ角が小さい方が良いことが判断される。しかしながら、単結晶ダイヤモンド材のオフ角と単結晶ダイヤモンドチップのオフ角とが異なるように切り離す場合は、最終製品に近い単結晶ダイヤモンドチップのオフ角の方が影響がおおきいいことが十分理解された。単結晶ダイヤモンドチップの主面のオフ角は、伸線ダイス（穿孔工具）の孔軸の結晶面方位からのオフ角に、ほとんど一致して反映された。【０１４４】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１４５】
１０  ダイヤモンド種結晶、１０ｃ  導電層領域、１０ｄｐ  種結晶欠陥点、１０ｄｄ  種結晶転位点、１０ｄｉ  種結晶損傷点、１０ｄｖ  種結晶欠損点、１０ｍ，２０ｎ  主面、２０  単結晶ダイヤモンド材、２０ｄ  結晶欠陥、２０ｄｐ，２０ｎｄｐ  結晶欠陥点、２０ｄｑ，２１ｄｑ，２２ｄｑ  結晶欠陥線、２０ｍ  結晶成長主面、２０ｒ  結晶欠陥線状集合領域、２１，２２  単結晶ダイヤモンド層、２１２ｉ  界面。
【図１】
2017014311.tif 000011
【図２】
2017014311.tif 000012
【図３】
2017014311.tif 000013
【図４】
2017014311.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成29年2月17日(2017.2.17)
【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】
非置換型窒素原子の濃度が２００ｐｐｍ以下であり、前記非置換型窒素原子の濃度より置換型窒素原子の濃度が低く、かつ、結晶成長主面のオフ角が２０°以下である単結晶ダイヤモンド材。
【請求項２】
前記結晶成長主面のオフ角が７°未満である請求項１に記載の単結晶ダイヤモンド材。
【請求項３】
置換型窒素原子の濃度が８０ｐｐｍ未満である請求項１または請求項２に記載の単結晶ダイヤモンド材。
【請求項４】
前記非置換型窒素原子および前記置換型窒素原子の全体である全窒素原子の濃度が０．１ｐｐｍ以上である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド材。
【請求項５】
前記結晶成長主面に反対側の主面と前記結晶成長主面との平行からのずれ角が２°未満であり、前記結晶成長主面に反対側の主面は、そのうねりの最大高低差Ｄｍが１０μｍ／ｍｍ以下であり、かつ、その算術平均粗さＲａが０．１μｍ以下である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド材。
【請求項６】
前記結晶成長主面についてのＸ線トポグラフィー像において結晶欠陥が存在する線を示す結晶欠陥線が前記結晶成長主面に達する先端の点である結晶欠陥点の群が集合して存在する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド材。
【請求項７】
前記結晶欠陥点の密度が２ｍｍ-2より大きい請求項６に記載の単結晶ダイヤモンド材。
【請求項８】
前記結晶欠陥点のうち、複数の刃状転位および複数の螺旋転位の少なくともいずれかが複合した複合転位が前記結晶成長主面に達する先端の点である複合転位点の密度が２ｍｍ-2より大きい請求項６または請求項７に記載の単結晶ダイヤモンド材。
【請求項９】
複数の単結晶ダイヤモンド層を含む請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド材。
【請求項１０】
各前記単結晶ダイヤモンド層の界面で、前記結晶欠陥線が新たに発生または分岐しており、前記結晶成長主面の前記結晶欠陥点の密度が、前記結晶成長主面に反対側の主面の前記結晶欠陥点の密度より高い請求項９に記載の単結晶ダイヤモンド材。
【請求項１１】
前記結晶欠陥点の群が集合して線状に延びる結晶欠陥線状集合領域が複数並列に存在する請求項６から請求項１０のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド材。
【請求項１２】
前記非置換型窒素原子の濃度が１ｐｐｍ以上である請求項６から請求項１１のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド材。
【請求項１３】
前記単結晶ダイヤモンド材の厚さを５００μｍとしたときの波長４００ｎｍの光の透過率が６０％以下である請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド材。
【請求項１４】
非置換型窒素原子の濃度が２００ｐｐｍ以下であり、前記非置換型窒素原子の濃度より置換型窒素原子の濃度が低く、かつ、単結晶ダイヤモンドチップの主面のオフ角が２０°以下である単結晶ダイヤモンドチップ。
【請求項１５】
請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド材から切り出された単結晶ダイヤモンドチップ。
【請求項１６】
前記単結晶ダイヤモンドチップの主面が、ミラー指数が−５以上５以下の整数で表示される低指数面である請求項１４または請求項１５に記載の単結晶ダイヤモンドチップ。
【請求項１７】
前記単結晶ダイヤモンドチップは、結晶成長主面および前記結晶成長主面に平行な主面のいずれかの主面についてのＸ線トポグラフィー像において結晶欠陥が存在する線を示す結晶欠陥線が前記結晶成長主面および前記結晶成長主面に平行な主面のいずれかの主面に達する先端の点である結晶欠陥点の群が集合して存在し、前記結晶欠陥点の密度が２ｍｍ-2より大きい、請求項１４から請求項１６のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンドチップ。
【請求項１８】
単結晶ダイヤモンドダイスにおける非置換型窒素原子の濃度が２００ｐｐｍ以下であり、前記非置換型窒素原子の濃度より置換型窒素原子の濃度が低く、かつ、伸線用の孔の方位に対する前記単結晶ダイヤモンドダイスのミラー指数が−５以上５以下の整数で表示される低指数面の垂線のオフ角が２０°以下である前記単結晶ダイヤモンドダイスを含む穿孔工具。
【請求項１９】
請求項１４から請求項１７のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンドチップから形成される単結晶ダイヤモンドダイスを含む穿孔工具。
【請求項２０】
前記単結晶ダイヤモンドダイスは、結晶成長主面についてのＸ線トポグラフィー像において結晶欠陥が存在する線を示す結晶欠陥線が前記結晶成長主面に達する先端の点である結晶欠陥点の群が集合して存在し、前記結晶欠陥点の密度が２ｍｍ-2より大きい、請求項１８または請求項１９に記載の穿孔工具。
【請求項２１】
前記結晶欠陥点のうち、複数の刃状転位および複数の螺旋転位の少なくともいずれかが複合した複合転位が結晶成長主面に達する先端の点である複合転位点の密度が２ｍｍ-2より大きい、請求項２０に記載の穿孔工具。
【請求項２２】
前記単結晶ダイヤモンドダイスは複数の単結晶ダイヤモンド層を含み、
各前記単結晶ダイヤモンド層の界面で、前記結晶欠陥線が新たに発生または分岐しており、前記結晶成長主面の前記結晶欠陥点の密度が、前記結晶成長主面に反対側の主面の前記結晶欠陥点の密度より高い、請求項２０または請求項２１に記載の穿孔工具。
【請求項２３】
前記単結晶ダイヤモンドダイスには、前記結晶欠陥点の群が集合して線状に延びる結晶欠陥線状集合領域が複数並列して存在する、請求項２０から請求項２２のいずれか１項に記載の穿孔工具。
【請求項２４】
前記単結晶ダイヤモンドダイスは、前記非置換型窒素原子の濃度が１ｐｐｍ以上である請求項１８から請求項２３のいずれか１項に記載の穿孔工具。
【請求項２５】
前記単結晶ダイヤモンドダイスは、前記単結晶ダイヤモンドダイスの厚さを５００μｍとしたときの波長４００ｎｍの光の透過率が６０％以下である請求項１８から請求項２４のいずれか１項に記載の穿孔工具。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本開示のさらに別の態様である穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスにおける非置換型窒素原子の濃度が２００ｐｐｍ以下であり、非置換型窒素原子の濃度より置換型窒素原子の濃度が低く、かつ、伸線用の孔の方位に対する単結晶ダイヤモンドダイスのミラー指数が−５以上５以下の整数で表示される低指数面の垂線のオフ角が２０°以下である単結晶ダイヤモンドダイスを含む。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
［１８］本発明のさらに別の実施形態にかかる穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスにおける非置換型窒素原子の濃度が２００ｐｐｍ以下であり、非置換型窒素原子の濃度より置換型窒素原子の濃度が低く、かつ、伸線用の孔の方位に対する単結晶ダイヤモンドダイスのミラー指数が−５以上５以下の整数で表示される低指数面の垂線のオフ角が２０°以下である単結晶ダイヤモンドダイスを含む。かかる穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスの大きな欠損の発生が抑制されるとともに摩耗率のばらつきが小さい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６４】
結晶欠陥線状集合領域２０ｒは、結晶欠陥が存在する線である結晶欠陥線２０ｄｑの先端の点である結晶欠陥点２０ｄｐが結晶成長主面２０ｍにおいて線状に集合することにより形成されている。このため、結晶欠陥線状集合領域２０ｒは、単結晶ダイヤモンド材の結晶成長方向に平行な方向（すなわち、結晶成長主面に垂直な方向）に透過型で測定されたＸ線トポグラフィー像において好適に示される。反射型でも測定可能であるが、反射型で測定されたＸ線トポグラフィー像においては、結晶欠陥線が重なった像となるため、結晶欠陥点の集合状態が判明しにくくなるからである。本発明では高密度の結晶欠陥点を観察する必要があることから、Ｘ線トポグラフィー像は放射光のＸ線を用いるのが好ましい。透過型で測定する場合は、たとえば、波長０．７１ÅのＸ線を用い、２θ＝３２．９°の（２２０）回折を用いて測定する。また、反射型で測定する場合は、波長０．９６ÅのＸ線を用い、２θ＝５２．４°の（１１３）回折を用いて測定しても良い。上記のように結晶欠陥点２０ｄｐが明確でない場合は、波長を変えて回折角を変えて撮影することによって特定する。同様に実験室系のＸ線回折装置を用いて測定しても良く、たとえばＭｏ線源で（１１１）回折を、Ｃｕ線源で（１１３）回折を観察しても良いが、高解像度で撮影するには長い測定時間を要する。測定にはＣＣＤカメラを使用することも可能だが、解像度を高めるために原子核乾板を用いるのが望ましい。原子核乾板の保管、現像、定着は全て１０℃以下の冷却環境で行うのが望ましい。現像後、光学顕微鏡で画像を取り込み、結晶欠陥点２０ｄｐおよび結晶欠陥線２０ｄｑの定量化を行う。このような結晶欠陥２０ｄの測定について、複屈折を利用する方法（複屈折法）もあるが、複屈折像に現れない転位や、逆に構造欠陥ではない点欠陥が複屈折像に現れる場合があるため、Ｘ線トポグラフィーが複屈折法より好ましい。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７９】
ただし、工具を想定することが困難な場合は、次のような定義に従う。単結晶ダイヤモンドチップの主面とは、最大の面積を有する面ではなく、対称性のより高い面を指すこととする。円柱ならば円形の面であり、直方体や四角柱ならばより正方形に近い面が主面であるとする。いずれの面も８％の誤差内で正方形に近い場合は、平行度のより高い対となっている面が主面であるとする。立方体の場合は、ダイヤモンドの結晶構造が面心立方なので、どの面を想定してもオフ角が同じになるので問題はない。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８６】
＜実施形態３：穿孔工具＞
本実施形態にかかる穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスにおける非置換型窒素原子の濃度が２００ｐｐｍ以下であり、非置換型窒素原子の濃度より置換型窒素原子の濃度が低く、かつ、伸線用の孔の方位に対する単結晶ダイヤモンドダイスのミラー指数が−５以上５以下の整数で表示される低指数面の垂線のオフ角が２０°以下である単結晶ダイヤモンドダイスを含む。かかる穿孔工具は、単結晶ダイヤモンドダイスの大きな欠損の発生が抑制されるとともに摩耗率のばらつきが小さい。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００９９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００９９】
ダイヤモンド種結晶１０の主面１０ｍ上に種結晶欠陥点１０ｄｐが集合している種結晶欠陥集合領域を形成するサブ工程において、種結晶欠陥点１０ｄｐには、種結晶欠陥点、種結晶転位点１０ｄｄ（刃状転位、螺旋転位、複数の刃状転位および複数の螺旋転位の少なくともいずれかが複合した複合転位などの転位が主面１０ｍに達する先端の点）、種結晶欠損点１０ｄｖ、種結晶亀裂点、種結晶損傷点１０ｄｉなどの各種の欠陥点が含まれる。また、種結晶欠陥集合領域を形成する方法は、たとえば、平均粒径９μｍ〜３５μｍのダイヤモンド砥粒をメタルで固定した砥石を用いて、回転数５００ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍ、荷重０．５ｋｇｆ〜５０ｋｇｆの条件で機械研磨を行うことが好ましい。平均粒径が大きく、回転数が大きく、荷重が大きいほど種結晶の主面に種結晶欠陥点を形成しやすい。荷重は、０．５ｋｇｆ〜５０ｋｇｆの範囲内で、０．５ｋｇｆ以上が好ましく、５ｋｇｆ以上がより好ましく、１０ｋｇｆ以上がさらに好ましく、２０ｋｇｆ以上が特に好ましい。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１３８】
孔軸と結晶面方位の確認は、顕微鏡で孔軸方向から覗いた時に見える孔の複数の輪郭（孔とチップの直方体が交差する最も外側の円と孔の中で最小径で確認できる最も内側の円などの輪郭）が同心円となる方向が垂直になるようにチップを台座に固定した状態で、Ｘ線回折で評価した。Ｘ線の評価は、板状の単結晶ダイヤモンドの結晶の揺らぎやオフ角やポールフィギュアを評価する一般的な方法と同じ要領で行なった。Ｘ線回折測定の垂線方向を孔軸の方向と一致させたことにより、結晶面のオフの傾きを測定することで、孔軸の傾斜角度を確認できた。
【国際調査報告】
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