[发明专利]金刚石单晶、其制造方法以及单晶金刚石工具

说明书

技术领域

本发明涉及用于切削工具、耐磨工具、精密工具、散热构件、半导体装置用基板和光学部件的金刚石单晶，制造金刚石单晶的方法，以及用于汽车部件的旋削加工、光学部件的镜面加工、球面加工和微细开槽加工的单晶金刚石工具特别是单晶金刚石切削工具。

背景技术

因为其优异的特性如高硬度、高热导率、高透光率和宽带隙，金刚石被广泛用作各种工具、光学部件、半导体和电子部件的材料，并在未来会变得更加重要。

除了使用天然金刚石之外，还将具有稳定品质的合成金刚石主要用于工业应用中。目前，大部分合成金刚石单晶在金刚石以稳定状态存在的条件下，即在约1100～2900℃范围内的温度和在至少几万大气压的压力下工业合成。除了高温高压合成法之外，另一种确立的金刚石合成方法是气相合成法。随着近来使用气相合成法制造的金刚石单晶，即化学气相沉积(CVD)金刚石单晶的制造技术的发展，如非专利文献1和专利文献1中所述，用于工具和光学应用以及珠宝的金刚石已经被商业化生产。

例如，将单晶金刚石工具用于在汽车、光学装置和电子设备中使用的非铁金属如铝合金和铜合金以及塑料如丙烯酸类树脂的镜面加工和精密加工。由于单晶金刚石工具通常比在比较粗糙的加工中经常使用的烧结金刚石工具更贵，所以例如，在专利文献2中提出了便宜且改进的单晶金刚石工具。

在金刚石单晶的工业应用中，主要将比较大的毫米或厘米尺寸的单晶用于切削工具如车刀、修整器和平铣刀。这些金刚石单晶用于工业基础加工如磨石的修整、非铁金属的超精密加工和树脂的镜面加工。因此，持续且稳定地供给金刚石单晶是重要的。

如上所述，将单晶金刚石工具如切削工具(车刀)、修整器和平铣刀用于工业基础加工中。因此稳定地供给用于这些单晶金刚石工具的金刚石单晶是重要的。

占据大部分工业金刚石的商业天然金刚石单晶的价格和量的波动是与稳定供给相反的因素。因为天然金刚石的储量有限，随着采矿的进行天然金刚石的储量下降。天然金刚石的储量下降会造成商业天然金刚石单晶的价格升高或者其量减少。因此，预期合成金刚石单晶的作用变得更重要。

此外，天然金刚石单晶会逐渐被CVD金刚石单晶代替。然而，在工业应用中，特别是在切削工具应用中，现有的CVD金刚石单晶不如高压合成金刚石单晶普及。这是因为，CVD金刚石单晶的韧性低于天然金刚石单晶和高温高压合成Ib型金刚石单晶，并且存在如下技术问题：难以将CVD金刚石单晶加工成工具如车刀或平铣刀的形状，或者在工件的加工期间倾向于形成碎屑或裂纹。这与如下情况类似：因为与高温高压合成Ib型金刚石单晶相比晶体中的氮杂质量少，因而比较脆的高温高压合成IIa型金刚石单晶很少用于切削工具应用，尽管其可能比较高硬度和长寿命。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本特许第4344244号公报

专利文献2：日本特开2008-207334号公报

非专利文献

非专利文献1：Rizwan U.A.Khan et al.，Color alterations in CVD synthetic diamond with heat and UV exposure：implications for color grading and identification，Gem&Gemology，spring 2010pp.18-26

发明内容

技术问题

如上所述，已知的CVD金刚石单晶具有比天然金刚石或高温高压合成Ib型金刚石更低的韧性，难以加工和可能具有裂纹或碎屑，其应用范围受到限制。与包含天然金刚石或高温高压合成Ib型金刚石的工具相比，包含已知的CVD金刚石单晶的单晶金刚石工具在切削期间更容易破裂或碎裂。这些问题是CVD金刚石单晶的应用受限的原因。

本发明的目的是解决相关领域的这种问题并提供具有高硬度和高韧性、在工具的制造中易于加工、具有与包含天然金刚石或高温高压合成Ib型金刚石的工具相等或更高的耐破裂或耐碎裂性、在切削时具有长寿命和高抗断裂性的金刚石单晶，单晶金刚石工具和制造金刚石单晶的方法。

解决问题的手段

为了解决上述问题，本发明包括下列方面。

(1)根据本发明的金刚石单晶是利用化学气相合成法合成的，且对波长为350nm的光具有25cm^-1以上且80cm^-1以下的吸收系数的金刚石单晶。