(57)【要約】【課題】  電気化学的な方法により、簡便かつ安価に、ダイヤモンドを所望の形状に精度良く加工できる加工方法を提供する。【解決手段】  有機化合物を含有する電解質溶液６を収容した電解槽５内に、陽極となる被加工ダイヤモンド１と陰極３とを配置し、通電装置４により電圧を印加することにより、陽極１と陰極３との間に電位差を生じさせて陽極での電気化学反応を利用して前記ダイヤモンドの精密加工を行う。前記ダイヤモンドは、ダイヤモンドにボロン、窒素、リンあるいはイオウなどの不純物を固溶させて導電性を付与しておき、ＰＴＦＥなどのマスク材で非加工部分を覆って電解することでダイヤモンドを所望の形状に加工できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機化合物を含有させた電解質溶液を用い、被加工ダイヤモンドを陽極として、電圧の印加によって前記陽極と陰極との間に電位差を生じさせて前記被加工ダイヤモンドを電気化学的に加工することを特徴とするダイヤモンドの加工方法。
【請求項２】
前記電解質溶液に含まれる有機化合物のＴＯＣ濃度が、１０ｍｇ／Ｌ以上１，０００，０００ｍｇ／Ｌ以下であることを特徴とする請求項１記載のダイヤモンドの加工方法。
【請求項３】
前記電圧の印加によって前記陽極の電位を２Ｖ（水素電極基準）以上にすることを特徴とする請求項１または２に記載のダイヤモンドの加工方法。
【請求項４】
前記被加工ダイヤモンドの非加工部分のうち、少なくとも前記電解質溶液と接触する部位をマスキングして前記電気化学的な加工を行うことを特徴とする請求項１〜３に記載のダイヤモンドの加工方法。
【請求項５】
前記電解質溶液には、０．１Ｍ〜０．５Ｍの濃度で電解質が添加されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のダイヤモンドの加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子デバイスや電極として利用される導電性あるいは半導体のダイヤモンドの加工方法に関し、特に、機械的な加工方法では困難である複雑な形状の加工を可能にする電気化学的なダイヤモンドの加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドは非常に硬度が高く、これを加工する場合、ダイヤモンド同士で研磨する機械的な加工方法によるか、もしくは、真空チャンバー内に入れて酸素プラズマによってエッチングする加工方法などが知られている（例えば特許文献１）。
【特許文献１】特開２０００−００１３９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、前者のダイヤモンド同士の研磨による機械的な加工方法では、加工精度を上げるのは困難であり、また、後者の酸素プラズマによってエッチングする加工方法では、真空装置などの大掛かりで高価な設備を必要とするという問題がある。
なお、金や白金といった貴金属の場合、シアンなど金属表面に特異吸着するアニオンを含む溶液中で電解することで精密電解加工が可能である。しかし、ダイヤモンドは溶液中においては、酸性からアルカリ性までの幅広いｐＨの溶液に対して耐食性が極めて高く、シアンなどの腐食性の強い溶液中に長時間浸漬させても全く侵食されず、溶液中での電解加工は不可能と考えられている。
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、電気化学的な方法により、簡便かつ安価であり、所望の形状に精度良く加工できるダイヤモンドの加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するため本発明のダイヤモンドの加工方法のうち第１の発明は、有機化合物を含有させた電解質溶液を用い、被加工ダイヤモンドを陽極として、電圧の印加によって前記陽極と陰極との間に電位差を生じさせて前記被加工ダイヤモンドを電気化学的に加工することを特徴とする。
【０００５】
なお、上記前記電解質溶液に含まれる有機化合物のＴＯＣ濃度は、１０ｍｇ／Ｌ以上１，０００，０００ｍｇ／Ｌ以下の範囲とすることができる。
また、前記電圧の印加によって前記陽極の電位が２Ｖ（水素電極基準）以上となるようにすることができる。
また、前記前記電気化学的な加工では、被加工ダイヤモンドの非加工部分のうち、少なくとも前記電解質溶液と接触する部位をマスキングしておくことができる。
【０００６】
すなわち、本発明によれば、電解質溶液に有機化合物を加えることにより、電解による陽極酸化を利用してダイヤモンドを効率的に加工することができる。特に、該ダイヤモンドを微細加工する際には、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの耐食性の高い材料で非加工部分をマスキングすることで所望の形状に精密加工することが可能となる。
【０００７】
本発明で使用する溶媒としては通常、水を用いるが、アセトニトリルなどの非水溶媒や常温の溶融塩などであってもよい。また、前記溶媒には電解質を添加することができる。この電解質の書類は特に制限はなく、硫酸イオン、塩化物イオンあるいは他の電解質イオンを与える化合物を使用することができる。また、電解質の濃度としては特に制限はないが、濃度が０．１Ｍ未満であると希薄のため電極間に与える印加電圧が大きくなってエネルギー効率が低下し、また、電解質の濃度が０．５Ｍを超えると効果が飽和してしまうため、下限を０．１Ｍ、上限を０．５Ｍとするのが適当である。
【０００８】
電解質溶液中に加える有機化合物についても特に制限はなく、酢酸やギ酸などの有機酸や、アルコール類、エーテル類あるいはジメチルスルホキシドなどのイオウを含んだ有機化合物などが使用できる。あるいは、テトラメチルアンモニウムヒドロキシドのような窒素を含んだ有機化合物であってもよい。これらの有機化合物の分子量についても特に制限はなく、分子量の小さなものから数万を超えるようなポリマーであってもよい。
【０００９】
また、電解質溶液中の有機化合物の濃度としては特に制限はないが、濃度が高くなるとともに加工速度が大きくなるという特徴があり、ＴＯＣ濃度で１０ｍｇ／Ｌ以上１，０００，０００ｍｇ／Ｌ以下が望ましい。なお、上記範囲としたのは、１０ｍｇ／Ｌ未満では効果が小さく、１，０００，０００ｍｇ／Ｌを超えると効果が飽和するからである。なお、同様の理由で、下限は５００ｍｇ／Ｌがさらに望ましく、上限は１０，０００ｍｇ／Ｌがさらに望ましい。また、有機化合物自体を溶媒にしてもよい。
【００１０】
また、電圧を印加する際には、陽極と陰極との間の電圧を一定にする方法、または、陽極と陰極との間の電流を一定にする方法を採用することができる。また、被加工ダイヤモンドを陽極にして電解加工する場合には、陽極と陰極だけを利用した２電極方式でもよいし、陰極と参照電極を利用した３電極方式であってもよい。ダイヤモンドの加工速度は、電流密度に依存し、該電流密度が大きくなると加工速度は大きくなる。適用できる電流密度としては、１０〜１，０００，０００Ａ／ｍ２程度である。また、電圧の印加によって陽極に与える電位としては２Ｖ（水素電極基準）以上にすることが望ましい。なお、該範囲としたのは、２Ｖ未満では、電気化学的な加工が十分になされないためである。
【００１１】
また、電解質溶液の温度については、水溶液の場合は、５℃〜９５℃が望ましいが、非水溶液の場合は、液体窒素温度まで冷却することもでき、あるいは、１００℃以上に加熱することもできる。電解質溶液の温度としては、−１９０℃〜１８０℃程度が適当である。
【００１２】
また、被加工材であるダイヤモンドは、陽極として機能させるため導電性を付与する必要があり、純粋なダイヤモンドにボロン、窒素、リンあるいはイオウなどの不純物を固溶させている。これらの不純物濃度は、少なすぎると技術的意義が発生せず、多すぎても効果が飽和するため、炭素原子に対して、５０ｐｐｍ〜１０，０００ｐｐｍ程度で導電性を与えるものが望ましい。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明のダイヤモンドの加工方法によれば、従来、不可能とされていたダイヤモンドの電解加工が可能となり、真空装置のような高価で大掛かりな設備を必要とすることなく、安価で簡便な方法で微細な精密加工を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態を説明する。
被加工ダイヤモンドは、種々の方法によって製造することができ、ボロン、窒素、リンあるいはイオウなどの不純物を炭素原子に対して５０ｐｐｍ〜１０，０００ｐｐｍの範囲で固溶させて導電性を与えておく。被加工ダイヤモンドは所望の形状に製造し、これを陽極１とする。この陽極１は、加工部分を除いた非加工部分をＰＴＦＥなどのマスク材２によってマスキングしておく。なお、マスク材には、電解に対し耐性のある種々の材料を用いることができる。一方、陰極３にも種々の材料を用いることができ、ステンレス板、Ｎｉ合金、白金などの貴金属などを用いることができる。
【００１５】
上記陽極１および陰極３は、電解槽５内に配置し、該電解槽５内に有機化合物を含有する電解質溶液６を収容する。電解質溶液６に含有させる有機化合物の種類は特に限定されないが、前記のように、酢酸やギ酸などの有機酸や、アルコール類、エーテル類あるいはジメチルスルホキシドなどのイオウを含んだ有機化合物、テトラメチルアンモニウムヒドロキシドのような窒素を含んだ有機化合物を用いる。有機化合物の濃度はＴＯＣ濃度において、好適には、１０ｍｇ／Ｌ以上、１，０００，０００ｍｇ／Ｌ以下、より好適には５００ｍｇ／Ｌ以上、１０，０００ｍｇ／Ｌ以下とする。
また上記電解質溶液には、好適には０．１〜０．５Ｍの濃度で、硫酸イオン、塩化物イオンなどの電解質イオンを与える電解質を添加する。
【００１６】
上記の電解加工装置において電解質溶液の温度を−１９０℃〜１８０℃の範囲内として、上記陽極１、陰極３間に通電装置４によって電圧を印加する。この際に、陽極の電位を２Ｖ（水素電極基準）以上とするのが望ましく、好適には１０〜１，０００，０００Ａ／ｍ２の範囲の電流密度で電解を行う。
すると、陽極１では、マスク部材２で被覆していない加工部分で電気化学的に加工がなされる。この際に電解時間を適宜選択することによって、図２に示すようにダイヤモンドに所望の深さで凹部１ａを形成することができ、ダイヤモンドを効率よく経済的に精密加工することが可能となる。マスク部材２は、電解加工後に除去することで所望の加工品が得られる。
なお、被加工ダイヤモンドとしては様々な大きさ、形状のものを用いることができ、また、マスク部材の配置箇所の選定によって様々の部位に電解加工を行うことができる。また、電解加工を多段階に行うことで、複雑な形状に加工を行うことができる。
【００１７】
なお、上記実施形態では、陽極、陰極を電解質溶液に浸漬して電解加工を行うものとして説明したが、陽極、陰極を必ずしもを電解質溶液に浸漬することは必要ではない。
図３は、被加工ダイヤモンドからなる陽極１と陰極３とを対面させ、その間に送液管１０を等して電解質溶液６が通液するように構成した電解加工装置である。なお、陽極１には、前記実施形態と同様に非加工部分をマスク部材２によってマスキングしておく。なお、この実施形態では、非加工部分のうち電解質溶液に接触する一部分のみにマスキングをしておけばよい。
【００１８】
この実施形態においても、陽極１と陰極３との間で電解質溶液６を通液させつつ、陽極１と陰極３との間に電圧を印加することで、陽極１に所望の形状で電解加工を行うことができる。
なお、本発明では、電解質溶液は、少なくとも陽極の電解加工を必要とする部分に接触させるものであればよく、例えば、被加工ダイヤモンドの内部に電解加工を行うような場合には、非加工ダイヤモンドの少なくとも内部に電解質溶液を接触させればよい。
なお、本発明は上記各実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の範囲内において適宜変更することができる。
【実施例１】
【００１９】
以下に本発明の実施例を比較例と対比しつつ説明する。
ボロンを不純物として５，０００ｐｐｍドープした被加工ダイヤモンド板（２ｃｍ×２ｃｍ）１枚とステンレス板（２ｃｍ×２ｃｍ）１枚とを、有機化合物としてポリエチレングリコールをＴＯＣ濃度で５，０００ｍｇ／Ｌを含んだ０．５Ｍ硫酸ナトリウム水溶液中に浸漬させた。なお陽極のダイヤモンド板は、中央部１ｃｍ×１ｃｍの領域だけ空けて、周辺部はＰＴＦＥによりマスクした。
そして上記ダイヤモンド板を陽極とし、上記ステンレス板を陰極として、両極間に電流密度が１Ａ／ｃｍ２（１０，０００Ａ／ｍ２）となるように電圧を印加して電解加工を行った。この際の陽極の電位は、８Ｖ（水素電極基準）であった。また、電解質溶液の温度は６０℃に設定した。
【００２０】
上記電解においては、図４に示すように加工時間に比例して加工深さが増加し、１２時間後には図２に示す形状で、深さ４μｍで１ｃｍ角の凹部を得ることができた。
また、比較例として、電解質溶液中にポリエチレングリコールを添加しない以外は上記実施例と同様の条件で試験を行ったところ、図４に示すようにダイヤモンドの溶解は起こらず被加工ダイヤモンドを加工することができなかった。
以上の結果から、電解質溶液に有機化合物を含有させることにより、ダイヤモンドの電解加工が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に用いられる電解加工装置を示す図である。
【図２】同じく電解加工によって加工が施されたダイヤモンドを示す図である。
【図３】同じく電解加工装置の変更例を示す図である。
【図４】同じく実施例における加工時間と加工深さの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
１    陽極
１ａ  凹部
２    マスク部材
３    陰極
４    通電装置
５    電解槽
６    電解質溶液    
【図１】
2005187243.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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