JPWO2019035437A1 - 固体炭素含有材料加工体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

固体炭素含有材料加工体の製造方法は、少なくとも表面が固体炭素で構成されている固体炭素含有材料を準備する工程と、固体炭素含有材料を加工する工程と、を含む。固体炭素含有材料を加工する工程は、固体炭素含有材料の表面の固体炭素を熱処理することにより、非ダイヤモンド炭素を形成するサブ工程と、非ダイヤモンド炭素の少なくとも一部を除去するサブ工程と、を含む。

Description

本開示は、固体炭素含有材料加工体およびその製造方法に関する。本出願は、２０１７年８月１５日に出願した日本特許出願である特願２０１７−１５６８５０号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。

ダイヤモンドなどの固体炭素含有材料を加工する方法としては、切削、研削および／または研磨などによる機械的加工方法、プラズマ、イオンおよび／またはラジカルなどの励起種などによる化学的加工方法、金属固体または金属膜に固体炭素を固溶または反応させるなどによる熱化学的加工方法が挙げられる。

機械的加工方法として、砥粒加工学会誌，第５３巻，第４号，２００９年４月，第２４２−２４７頁（非特許文献１）は、紫外線援用研磨によるＰＣＤ（ダイヤモンド焼結体）の超精密加工を開示する。また、化学的加工方法として、応用物理，第７７巻，第４号，２００８年４月，第３８３−３８９頁（非特許文献２）は、低周波大気圧マイクロプラズマジェットによる固体材料の加工を開示し、New Diamond and Frontier Carbon Technology，Vol.13，No.1，2003 January，pp.19-30（非特許文献３）は、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）による単結晶ダイヤモンドの加工を開示する。また、熱化学的加工方法として、特表昭５６−５００３７１号公報（特許文献１）は、ダイヤモンドを金属もしくは合金で形成された型と接触させることによる加工を開示し、特開２００６−３３５５９１号公報（特許文献２）は、炭素材料の処理面に単結晶金属薄膜を形成して熱処理することにより、炭素材料中の炭素が単結晶金属薄膜と反応して金属炭化物として単結晶金属薄膜中に拡散することによる加工を開示する。

特表昭５６−５００３７１号公報 特開２００６−３３５５９１号公報

砥粒加工学会誌，第５３巻，第４号，２００９年４月，第２４２−２４７頁 応用物理，第７７巻，第４号，２００８年４月，第３８３−３８９頁 New Diamond and Frontier Carbon Technology，Vol.13，No.1，2003 January，pp.19-30

本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法は、少なくとも表面が固体炭素で構成されている固体炭素含有材料を準備する工程と、固体炭素含有材料を加工する工程と、を含み、固体炭素含有材料を加工する工程は、固体炭素含有材料の表面の固体炭素を熱処理することにより、非ダイヤモンド炭素を形成するサブ工程と、非ダイヤモンド炭素の少なくとも一部を除去するサブ工程と、を含む。

本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体は、表面の少なくとも一部が固体炭素で構成されている固体炭素含有材料加工体であって、固体炭素含有材料加工体の表面の形状は、加工表面に形成されている小凹凸の最大高さが２０μｍ以下の平滑な形状または加工表面に形成されている凹凸の最小高さが３０μｍ以上の滑らかな面で凹凸を有する形状であり、加工表面の大きさが１ｍｍ角以上であり、加工表面における研磨損傷点の密度が１０個／ｍｍ²以下である。

図１は、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法の例を示すフローチャートである。 図２は、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法の一例を示す概略立体図である。 図３は、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法の一例を示す概略立体図である。 図４は、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法の一例を示す概略立体図である。 図５は、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法の一例を示す概略立体図である。 図６は、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法の一例を示す概略立体図である。 図７は、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法の一例を示す概略立体図である。 図８は、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法の一例を示す概略立体図である。 図９は、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法の一例を示す概略立体図である。 図１０は、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法の一例を示す概略立体図である。 図１１は、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法の一例を示す概略立体図である。 図１２は、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法の一例を示す概略立体図である。 図１３は、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法の一例を示す概略立体図である。 図１４は、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法の一例を示す概略立体図である。 図１５は、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法の一例を示す概略立体図である。 図１６は、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法において、炭素易固溶性金属元素を含む金属層と炭素易固溶性金属元素を含まない金属層との配置の一例を示す拡大概略立体図である。 図１７は、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法において、炭素易固溶性金属元素を含む金属層と炭素易固溶性金属元素を含まない金属層との配置の一例を示す拡大概略立体図である。 図１８は、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法の一例を示す概略立体図である。 図１９Ａは、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法において、非ダイヤモンド炭素の少なくとも一部を除去する方法の一例を示す概略図である。 図１９Ｂは、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法において、非ダイヤモンド炭素の少なくとも一部を除去する方法における固体炭素含有材料の表面の内接円の一例を示す概略図である。 図２０Ａは、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法において、非ダイヤモンド炭素の少なくとも一部を除去する方法の一例を示す概略図である。 図２０Ｂは、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法において、非ダイヤモンド炭素の少なくとも一部を除去する方法に利用されるマスクの開口部の外接円の一例を示す概略図である。 図２０Ｃは、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法において、非ダイヤモンド炭素の少なくとも一部を除去する方法における固体炭素含有材料の表面の内接円の一例を示す概略図である。 図２１は、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法において、非ダイヤモンド炭素の少なくとも一部を除去する方法の一例を示す概略図である。 図２２は、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の加工表面に形成されている小凹凸の一例を示す概略断面図である。 図２３は、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の加工表面に形成されている小凹凸の最大高さを走査型白色干渉計で測定する範囲の一例を示す概略平面図である。 図２４は、本開示の一態様にかかる固体炭素含有材料加工体の加工表面に形成されている凹凸の一例を示す概略断面図である。

[本開示が解決しようとする課題]
砥粒加工学会誌，第５３巻，第４号，２００９年４月，第２４２−２４７頁（非特許文献１）に開示するような機械的加工方法では、加工面が平滑で精密な加工が可能であるが、ダイヤモンドなどの固体炭素含有材料はその面方位によって硬さが異なり、硬度が高い面方位の固体炭素含有材料の加工に長時間（１μｍの厚さを削るのに１時間以上かかることを意味する）を有するという問題点がある。

また、応用物理，第７７巻，第４号，２００８年４月，第３８３−３８９頁（非特許文献２）およびNew Diamond and Frontier Carbon Technology，Vol.13，No.1，2003 January，pp.19-30（非特許文献３）に開示するような化学的加工方法では、ダイヤモンドなどの固体炭素含有材料の面方位による硬度の高低にかかわらず１０μｍの厚さを削るのに２時間程度の比較的短時間の加工が可能であるが、加工面に急峻な段差および／または細かい突起が残存し、平滑な加工ができないという問題点がある。

また、特表昭５６−５００３７１号公報（特許文献１）に開示するような熱化学的加工方法では、精密な加工ができないという問題点がある。その理由として、（１）金型を形成する金属または合金は一般に多結晶体であるため、部分的にエッチング速度が異なる、（２）金型が高温処理で不均一に膨張する、（３）金型が高温処理で融点以下ではあるものの精度が大きく落ちるほど軟化する、などが挙げられる。

また、特開２００６−３３５５９１号公報（特許文献２）に開示するような熱化学的加工方法では、（１）金属エッジ部分が移動しパターン形状が変形する、（２）そのため、ダイヤモンドが異方性エッチングする、（３）金属エッジ部がパターンのないダイヤモンドの方に拡散し、パターンの幅よりも広くなり制御できない、（４）平面的なエッチング（エッチングの有る無し）は可能だが、立体的な曲面加工（エッチング量の調整）は困難である、などの問題点がある。

そこで、上記の問題点を解決して、固体炭素含有材料の表面をその面方位にかかわらず滑らかにかつ短時間で加工できる固体炭素含有材料加工体の製造方法およびそれにより製造される表面が滑らかな固体炭素含有材料加工体を提供することを目的とする。

[本開示の効果]
上記によれば、固体炭素含有材料の表面をその面方位にかかわらず滑らかにかつ短時間で加工できる固体炭素含有材料加工体の製造方法およびそれにより製造される表面が滑らかな固体炭素含有材料加工体を提供することができる。

[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。

［１］本開示のある実施形態にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法は、少なくとも表面が固体炭素で構成されている固体炭素含有材料を準備する工程と、固体炭素含有材料を加工する工程と、を含む。固体炭素含有材料を加工する工程は、固体炭素含有材料の表面の固体炭素を熱処理することにより、非ダイヤモンド炭素を形成するサブ工程と、非ダイヤモンド炭素の少なくとも一部を除去するサブ工程と、を含む。本実施形態の固体炭素含有材料加工体の製造方法は、固体炭素含有材料の表面をその面方位にかかわらず滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）にかつ短時間（本開示の実施態様においては、１００μｍ厚さを削るのに３時間以下という短時間を意味する、以下同じ）で加工することができる。単純な高さエッチング加工時間は３４μｍ／ｈ以上であることが好ましく、５０μｍ／ｈ以上であることがより好ましく、８０μｍ／ｈ以上であることがさらに好ましく、１００μｍ／ｈ以上であることが特に好ましい。単純な高さエッチング加工時間がより短ければ、平坦化するために走査する全体の加工時間は短縮することができる。ここで、単純な高さエッチング加工速度とは、プラズマやイオンの気流やビームを走査せず、同じ部分を処理し続けた時の単位時間当たりのエッチング加工厚さ（減少厚さ）である。

［２］上記固体炭素含有材料加工体の製造方法において、固体炭素を熱処理する雰囲気の酸素分圧を０．１３３Ｐａ以下とすることができる。かかる固体炭素含有材料加工体の製造方法は、固体炭素含有材料の表面をその面方位にかかわらずより滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）にかつ短時間で高精度に加工することができる。

［３］上記固体炭素含有材料加工体の製造方法において、固体炭素含有材料を加工する工程は、非ダイヤモンド炭素を形成するサブ工程の前に、表面の少なくとも一部上に金属層を形成するサブ工程をさらに含むことができる。かかる固体炭素含有材料加工体の製造方法は、固体炭素含有材料の表面をその面方位にかかわらずより滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）にかつより短時間で加工することができる。

［４］上記固体炭素含有材料加工体の製造方法において、金属層は、鉄、コバルト、ニッケル、ロジウム、パラジウム、白金、イリジウム、およびマンガンからなる群から選ばれる少なくとも１種類の金属元素を含むことができる。かかる固体炭素含有材料加工体の製造方法は、固体炭素含有材料の表面をその面方位にかかわらずより滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）にかつより短時間で加工することができる。

［５］上記固体炭素含有材料加工体の製造方法において、金属層は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデンおよびタングステンからなる群から選ばれる少なくとも１種類の金属元素を含むことができる。かかる固体炭素含有材料加工体の製造方法は、固体炭素含有材料の表面をその面方位にかかわらずより滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）にかつより短時間で加工することができる。

［６］上記固体炭素含有材料加工体の製造方法において、非ダイヤモンド炭素の少なくとも一部を除去する方法は、非ダイヤモンド炭素を、酸素分子、水素分子および水分子からなる群から選ばれる少なくとも１種類の分子を含むガスを含む気相流体で処理する方法、非ダイヤモンド炭素を、酸素原子、水素原子、ヘリウム原子およびアルゴン原子からなる群から選ばれる少なくとも１種類の原子を含むプラズマを含む気相流体で処理する方法、非ダイヤモンド炭素を、酸素イオン、水素イオン、水酸化物イオン、ヘリウムイオンおよびアルゴンイオンからなる群から選ばれる少なくとも１種類のイオンを含むイオンビームで処理する方法、ならびに非ダイヤモンド炭素を、機械的および物理的の少なくともいずれかにより除去する方法、の少なくとも１種類の方法とすることができる。かかる固体炭素含有材料加工体の製造方法は、固体炭素含有材料の表面をその面方位にかかわらずより滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）にかつより短時間で加工することができる。

［７］上記固体炭素含有材料加工体の製造方法において、非ダイヤモンド炭素を除去する部分を、表面の一部とすることができる。かかる固体炭素含有材料加工体の製造方法は、固体炭素含有材料の表面をその面方位にかかわらず滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）にかつ短時間で加工することができる。

［８］上記固体炭素含有材料加工体の製造方法において、非ダイヤモンド炭素の少なくとも一部を除去する方法は、固体炭素含有材料の表面の内接円の半径よりも小さい直径を有する気相流体で処理する方法、固体炭素含有材料の表面の内接円の半径よりも小さい直径を有するイオンビームで処理する方法、固体炭素含有材料の内接円の半径よりも小さい外接円を有する開口部を有するマスクを利用する方法、の少なくとも１種類の方法とすることができる。かかる固体炭素含有材料加工体の製造方法は、固体炭素含有材料の表面をその面方位にかかわらずより滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）にかつ高精度で加工することができる。

［９］本開示の別の実施形態にかかる固体炭素含有材料加工体は、加工表面の少なくとも一部が固体炭素で構成されている固体炭素含有材料加工体であって、固体炭素含有材料加工体の加工表面の形状は、加工表面に形成されている小凹凸の最大高さが２０μｍ以下の平滑な形状または加工表面に滑らかな面で形成されている最小高さが３０μｍ以上の凹凸を有する形状であり、加工表面の大きさが１ｍｍ角（一辺が１ｍｍの正方形をいう、以下同じ）以上であり、加工表面における研磨損傷点の密度が１０個／ｍｍ²以下である。ここで、平滑な加工表面に形成されている小凹凸とは、上記固体炭素含有材料加工体の製造方法により意図せずに形成される最大高さが２０μｍ以下の小さな凹凸をいう。小凹凸の最大高さとは、加工表面の最小二乗平面に平行でかつ加工表面の最大の小凹部の頂点を通るベース平面から加工表面の最大の小凸部の頂点までの距離をいう。また、加工表面に滑らかな面で形成されている凹凸とは、上記固体炭素含有材料加工体の製造方法により意図して形成される最小高さが３０μｍ以上の凹凸をいう。凹凸の最小高さとは、加工表面の最小二乗平面に平行でかつ加工表面の最小の凹部の頂点を通るベース平面から加工表面の最小の凸部の頂点までの距離をいう。また、凹凸を形成する滑らかな面には、小凹凸の最大高さが２０μｍ以下の平滑な形状が含まれる。本実施形態の固体炭素含有材料加工体は、加工表面がその面方位にかかわらず滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）であるとともに、加工表面の結晶品質が高い。

［１０］上記固体炭素含有材料加工体において、加工表面における金属原子の密度を１ｐｐｂ以上とすることができる。かかる固体炭素含有材料加工体は、金属層の形成を経て加工されている場合には、加工表面に一定以上の密度の金属原子を含む。

［１１］上記固体炭素含有材料加工体において、加工表面は周期的な小凹凸曲面を有することができる。かかる固体炭素含有材料加工体は、加工表面がその面方位にかかわらず滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）である。

［１２］上記固体炭素含有材料加工体において、加工表面は、内側に凸の曲面を有する小凹部と、外側に凸の曲面を有する小凸部と、を含み、加工表面をその最小二乗平面に垂直な方向から見たときに、小凹部の全面積を加工表面の全面積の６０％以上とすることができる。本実施形態の固体炭素含有材料加工体は、加工表面がその面方位にかかわらず滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）である。

［１３］上記固体炭素含有材料加工体において、固体炭素は、単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンドの少なくとも１種類を含むことができる。かかる固体炭素含有材料加工体も、加工表面がその面方位にかかわらず滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）である。

[本開示の実施形態の詳細]
＜実施形態１：固体炭素含有材料加工体の製造方法＞
図１〜図１８を参照して、本開示のある実施形態にかかる固体炭素含有材料加工体の製造方法は、少なくとも表面が固体炭素で構成されている固体炭素含有材料１０を準備する工程Ｓ１０と、固体炭素含有材料１０を加工する工程Ｓ２０と、を含む。固体炭素含有材料１０を加工する工程Ｓ２０は、固体炭素含有材料１０の表面の固体炭素を熱処理することにより、非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを形成するサブ工程Ｓ２２と、非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの少なくとも一部を除去するサブ工程Ｓ２３と、を含む。本実施形態の固体炭素含有材料加工体の製造方法は、炭素の強固な結合を化学的に切断した後に、表面の炭素を除去する方法であるので、固体炭素含有材料１０の表面をその面方位にかかわらず滑らかにかつ短時間で加工することができる。すなわち、本実施形態の固体炭素含有材料加工体の製造方法によれば、表面がその面方位にかかわらず滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）に加工された固体炭素含有材料加工体２０が短時間で得られる。

（固体炭素含有材料を準備する工程）
図１ならびに図２〜図９の（Ａ）を参照して、固体炭素含有材料を準備する工程Ｓ１０において準備される固体炭素含有材料１０は、少なくとも表面が固体炭素で構成されている。ここで、固体炭素とは、固体として存在している炭素をいい、炭素がＳＰ３混成軌道により結合しているＳＰ３結合炭素、炭素がＳＰ２混成軌道により結合しているＳＰ２結合炭素などが含まれる。固体炭素には、ダイヤモンド炭素（ＳＰ３結合炭素）および非ダイヤモンド炭素（ＳＰ３結合炭素以外の炭素）が含まれる。ダイヤモンド炭素としては、ダイヤモンド（ＳＰ３結合炭素）が挙げられる。非ダイヤモンド炭素としては、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ：ＳＰ３結合炭素とＳＰ２結合炭素の混合体）、グラッシーカーボン（ＳＰ３結合炭素とＳＰ２結合炭素の混合体）、グラファイト（ＳＰ２結合炭素）、グラフェン（ＳＰ２結合炭素）、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバーなどが挙げられる。準備される固体炭素含有材料としては、バルク状や薄膜状を含んだ板状のものであったり、不定形の形であったりしても構わない。それらの表面の凹凸の最小高さが３０μｍ以上の凹凸を有する面であっても構わない。また、表面の小さな凹凸の最大高さが２０μｍ以下の平坦面であっても、曲面であっても構わない。それらの表面をその面方位にかかわらず滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）に加工された固体炭素含有材料加工体とするための固体炭素含有材料の準備工程である。

上記の固体炭素含有材料１０の少なくとも表面を構成する固体炭素は、ＳＰ３結合固体炭素（たとえばダイヤモンド炭素１０ｄ）およびＳＰ２結合固体炭素の少なくとも１つを含むことができる。上記固体炭素がＳＰ３結合固体炭素およびＳＰ２結合固体炭素の少なくとも１つを含むものであっても、固体炭素含有材料１０の表面をその面方位にかかわらずより滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）にかつ短時間で加工することができる。

上記の固体炭素含有材料１０は、ダイヤモンド炭素１０ｄを含む、すなわち、単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンドの少なくとも１つを含むことができる。固体炭素含有材料１０が単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンドの少なくとも１つを含むものであっても、固体炭素含有材料１０の表面をその面方位にかかわらずより滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）にかつ短時間で加工することができる。

（固体炭素含有材料を加工する工程）
図１、図２の（Ｂ）および（Ｃ）、図３〜図９の（Ｂ）〜（Ｄ）、図１０〜図１５の（Ａ）〜（Ｄ）、図１６、図１７、ならびに図１８の（Ａ）〜（Ｄ）を参照して、固体炭素含有材料１０を加工する工程は、固体炭素含有材料１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの表面の固体炭素を熱処理することにより、非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを形成するサブ工程と、非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの少なくとも一部を除去するサブ工程と、を含む。かかるサブ工程により、固体炭素含有材料１０の表面をその面方位にかかわらず滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）にかつ短時間で加工することができる。

ここで、少なくとも一部を除去するサブ工程は、固体炭素含有材料１０の表面をその面方位にかかわらず滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）に加工するために必要である。なぜなら、平坦でない表面の全面を一様に加工していても平滑な加工表面にはなり難く、所望の形状でない表面の全面を一様に加工していても所望の形状の加工表面にはなり難いからである。すなわち、意図的に、平滑な形状または面が滑らかで所望の形状になるように加工することが必要であるからである。また、表面の一部でなく全体を加工しても、一様でない加工、すなわち、加工部の最中心が最も早い加工で、加工部の周辺が急激に遅い加工となるような不均質な加工を用いれば、これを所望の位置に所望の時間で走査させて、所望の形状に加工することは可能になる。

非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを形成するサブ工程において、固体炭素を熱処理する雰囲気の酸素分圧は、特に制限はないが、均質な非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを形成することにより平滑な形状または所望の形状に加工する精度を高くする観点から、０．１３３Ｐａ以下が好ましく、０．０１３３Ｐａ以下がより好ましく、０．０００１３３Ｐａ以下がさらに好ましい。ここで、固体炭素の熱処理をする雰囲気の酸素分圧が小さくする理由は、酸素分圧が大きければ、熱処理によって形成した非ダイヤモンド炭素が、一様に除去されてしまうからである。平滑な形状にまたは所望の形状に精度よく加工するためには、非ダイヤモンド炭素を一様に除去するのではなく、所望の位置の非ダイヤモンド炭素のみを除去しなければならないからである。酸素分圧が小さいほど、所望の位置と所望でない位置の除去率の差が大きくなるので好ましい。

また、熱処理する温度は、固体炭素含有材料を短時間で加工する観点から、３００℃以上が好ましく、６００℃以上がより好ましく、８００℃以上がさらに好ましい。熱処理の固体炭素の温度は高い方が、除去される速度が速くなるので好ましい。

さらに、処理に用いる気相流体の温度も、室温より大きい方が好ましく、３００℃以上がより好ましく、６００℃以上がより好ましく、８００℃以上がさらに好ましい。処理に用いる気相流体の温度は高い方が、除去される速度が速くなるので好ましい。ただし、酸素分圧が０．０１３３Ｐａ以上ある場合は、固体炭素の温度は６００℃より大きくない範囲で、できるだけ高い温度の気相流体で処理されることがさらに好ましい。

図１、図５〜図８の（Ｂ）および（Ｃ）、図９の（Ｂ）、図１２〜図１４の（Ａ）〜（Ｃ）、図１５の（Ａ）〜（Ｃ）、ならびに図１８の（Ａ）を参照して、固体炭素含有材料１０を加工する工程は、上記の非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを形成するサブ工程の前に、表面の少なくとも一部上に金属層１０ｍｂ，１０ｍｃを形成するサブ工程をさらに含むことが好ましい。かかるサブ工程により、固体炭素含有材料１０の表面をその面方位にかかわらずより滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）にかつより短時間で加工することができる。金属層１０ｍｂ，１０ｍｃがあると、金属層がない場合に比べて、非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを形成することが容易になるため、間接的にダイヤモンドを除去することが容易になるからである。

ここで、図５〜図７の（Ｂ）および（Ｃ）、ならびに図１２、図１３および図１５の（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、金属層１０ｍｂは、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｉｒ（イリジウム）、およびＭｎ（マンガン）からなる群から選ばれる少なくとも１種類の金属元素を含むことが好ましく、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、およびＮｉ（ニッケル）からなる群から選ばれる少なくとも１種類の金属元素を含むことがより好ましい。かかる金属元素は、固体炭素が固溶しやすい金属元素（以下、炭素易固溶性金属元素ともいう）である。このため、表面の少なくとも一部上に炭素易固溶性金属元素を含む金属層１０ｍｂが形成された固体炭素含有材料１０Ｂを熱処理すると、金属層１０ｍｂに接する固体炭素含有材料１０中の固体炭素が金属層１０ｍｂ中に固溶し、固溶した固体炭素が飽和すると、金属層１０ｍｂの露出している表面（固体炭素含有材料と接する表面と反対側の表面）上に非ダイヤモンド炭素１０ｎｄが析出する。このため、かかる非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを除去することにより、固体炭素含有材料１０の表面をその面方位にかかわらず滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）にかつより短時間で加工することができる。ここで、炭素易固溶性金属元素を含む金属層１０ｍｂを用いた熱処理の温度は、固体炭素含有材料を短時間で加工する観点から、６００℃以上が好ましく、８００℃以上がより好ましく、１０００℃以上がさらに好ましい。

また、図８の（Ｂ）および（Ｃ）、図９の（Ｂ）、図１４の（Ａ）および（Ｃ）、ならびに図１６の（Ａ）および（Ｂ）を参照して、金属層１０ｍｃは、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｖ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｏ（モリブデン）およびＷ（タングステン）からなる群から選ばれる少なくとも１種類の金属元素を含むことが好ましく、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆからなる群から選ばれる少なくとも１種類の金属元素を含むことがより好ましい。かかる金属元素は、固体炭素と反応して金属炭化物を形成しやすい金属元素（以下、易炭化性金属元素ともいう）である。このため、易炭化性金属元素を含む金属層１０ｍｃが表面の少なくとも一部上に形成された固体炭素含有材料１０Ｂを熱処理すると、金属層１０ｍｂに接する固体炭素含有材料１０中の固体炭素が上記易炭化性金属元素と反応して非ダイヤモンド炭素１０ｎｄである金属炭化物を形成する。このため、かかる非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを除去することにより、固体炭素含有材料１０の表面をその面方位にかかわらずより滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）にかつより短時間で加工することができる。ここで、易炭化性金属元素を含む金属層１０ｍｃを用いた熱処理の温度は、固体炭素含有材料を短時間で加工する観点から、３００℃以上が好ましく、６００℃以上がより好ましく、８００℃以上がさらに好ましい。

さらに、図２の（Ｂ）および（Ｃ）、図３〜図９の（Ｃ）および（Ｄ）、図１０〜図１５の（Ｂ）〜（Ｄ）、ならびに図１８の（Ｃ）および（Ｄ）に示す非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの少なくとも一部を除去するサブ工程において、非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの少なくとも一部を除去する方法は、非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを、Ｏ₂（酸素）分子）、Ｈ₂（水素）分子およびＨ₂Ｏ（水）分子からなる群から選ばれる少なくとも１種類の分子を含むガスを含む５００℃以上の気相流体で処理する方法（図１９Ａ）、非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを、Ｏ（酸素）原子、Ｈ（水素）原子、Ｈｅ（ヘリウム）原子およびＡｒ（アルゴン）原子からなる群から選ばれる少なくとも１種類の原子を含むプラズマを含む気相流体Ｆで処理する方法（図１９Ａ）、非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを、Ｏ（酸素）イオン、Ｈ（水素）イオン、ＯＨ（水酸化物）イオン、Ｈｅ（ヘリウム）イオンおよびＡｒ（アルゴン）イオンからなる群から選ばれる少なくとも１種類のイオンを含むイオンビームＢで処理する方法（図２０Ａ）、ならびに非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを、機械的および物理的の少なくともいずれかにより除去する方法（図２１）の少なくとも１種類の方法が好ましい。かかる固体炭素含有材料加工体の製造方法は、固体炭素含有材料の表面をその面方位にかかわらずより滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）にかつより短時間で加工することができる。

図１９Ａを参照して、非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを、Ｏ₂分子、Ｈ₂分子およびＨ₂Ｏ分子からなる群から選ばれる少なくとも１種類の分子を含むガスを含む５００℃以上の気相流体Ｆで処理する方法、あるいは、Ｏ原子、Ｈ原子、Ｈｅ原子およびＡｒ原子からなる群から選ばれる少なくとも１種類の原子を含むプラズマを含む気相流体Ｆで処理する方法とは、たとえば、上記気相流体Ｆを流体噴射部１１１から固体炭素含有材料１０の表面に噴射することにより、表面に形成されている非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを除去する方法である。ここで、固体炭素含有材料１０に対して流体噴射部１１１を相対移動させることにより、気相流体Ｆを走査することができる。

図２０Ａを参照して、非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを、Ｏイオン、Ｈイオン、ＯＨイオン、ＨｅイオンおよびＡｒイオンからなる群から選ばれる少なくとも１種類のイオンを含むイオンビームＢで処理する方法とは、たとえば、上記イオンビームＢをビーム放射部１２１から固体炭素含有材料１０の表面に放射することにより、表面に形成されている非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを除去する方法である。ここで、イオンビームＢの放射径を小さくして加工精度を高くする観点から、開口部を有するマスク１２２を用いることができる。また、固体炭素含有材料１０に対してビーム放射部１２１および／またはマスク１２２を相対移動させることにより、イオンビームＢを走査することができる。

図２１を参照して、非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを、機械的および物理的の少なくともいずれかにより除去する方法は、砥石などの除去具１３１を固体炭素含有材料１０の表面に押し当てながら固体炭素含有材料１０に対して往復運動および／または回転運動させることにより、表面に形成されている非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを除去する方法である。ここで、固体炭素含有材料１０に対して除去具１３１を相対移動させることにより、除去具１３１を走査することができる。

また、非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを除去する部分は、表面の一部であることが好ましい。かかる固体炭素含有材料加工体の製造方法は、固体炭素含有材料の表面をその面方位にかかわらず平滑にかつ短時間で所望の形状に加工することができる。平滑な面を形成する時には、その前の表面は平滑でなく、一部を除去することから始めるからであり、所望の形状を形成する時には、曲面形状のことを指しており、一部を除去することが前提になっているからである。

さらに、図２２および図２４を参照して、非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを除去した後の固体炭素含有材料加工体２０の加工表面の形状は、加工表面に形成されている小凹凸の最大高さが２０μｍ以下の平滑な形状または加工表面に滑らかな面で形成されている最小高さが３０μｍ以上の凹凸を有する形状であることが好ましい。ここで、図２２に示すように、平滑な加工表面２０ｐｓに形成されている小凹凸とは、上記固体炭素含有材料加工体の製造方法により意図せずに形成される最大高さが２０μｍ以下の小さな凹凸をいう。小凹凸の最大高さとは、加工表面２０ｐｓの最小二乗平面２０ｌｓｐに平行でかつ加工表面２０ｐｓの最大の小凹部の頂点を通るベース平面２０ｂｐから加工表面の最大の小凸部の頂点までの距離をいう。また、図２４に示すように、加工表面２０ｐｓに滑らかな面で形成されている凹凸とは、上記固体炭素含有材料加工体の製造方法により意図して形成される最小高さが３０μｍ以上の凹凸をいう。凹凸の最小高さとは、加工表面２０ｐｓの最小二乗平面２０ｌｓｐに平行でかつ加工表面２０ｐｓの最小の凹部の頂点を通るベース平面２０ｂｐから加工表面の最小の凸部の頂点までの距離をいう。また、凹凸を形成する滑らかな面には、小凹凸の最大高さが２０μｍ以下の平滑な形状が含まれる。かかる固体炭素含有材料加工体の製造方法は、固体炭素含有材料の表面をその面方位にかかわらずより滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）にかつ短時間で加工することができる。

上記観点から、固体炭素含有材料加工体２０の加工表面２０ｐｓが平滑な形状の場合、平滑な加工表面２０ｐｓに形成されている小凹凸の最大高さは、２０μｍ以下が好ましく、１０μｍ以下がより好ましく、５μｍ以下がより好ましく、３μｍ以下がより好ましく、１μｍ以下がさらに好ましく、０．１μｍ以下が特に好ましい。また、固体炭素含有材料加工体２０の加工表面２０ｐｓが滑らかな面で形成されている凹凸を有する形状の場合、加工表面２０ｐｓの凹凸の最小高さは、３０μｍ以上が好ましく、５０μｍ以上がより好ましく、１００μｍ以上がさらに好ましい。また、加工表面において、平滑な部分は凹凸の最大高さを０．１μｍ以下とし、滑らかな凹凸を有する部分の凹凸の最小高さを１００μｍ以上とすることも可能である。また、加工体の平行度は０．５°以下が好ましく、０．３°以下がより好ましく、０．２５°以下がさらに好ましく、０．１°以下が特に好ましい。以上のような加工の精度は、非ダイヤモンド層形成の金属の種類によって異なり、金属中の炭素の固溶度や拡散度が大きいと平坦加工の精度が高くなる傾向がある。これらの加工精度は、研磨損傷点密度を１０個/ｍｍ²以下に保って実現することは難しく、あるいは研磨損傷点密度を０個/ｍｍ²に保って実現することはさらに難しく、本実施形態の固体炭素含有材料加工体の製造方法によって実現されるものである。

平滑な加工表面２０ｐｓに形成されている小凹凸の最大高さおよび加工表面２０ｐｓに滑らかな面で形成されている凹凸の最小高さは、レーザ変位計（たとえば、神津精機社製表面形状測定システムＤｙｖｏｃｅ−３０００またはその相当品）により測定できる。ただし、レーザ変位計の測定の精度は１μｍ程度であるため、１μｍ未満の小凹凸の高さの測定には走査型白色干渉計（たとえば、キャノン社製（Ｚｙｇｏ）ＮｅｗＶｉｅｗ２００またはその相当品）が好適に用いられる。走査型白色干渉計による小凹凸の高さの測定は、広い領域の測定は困難であり、複数の狭い領域で測定を行う。たとえば、図２３を参照して、走査型白色干渉計による小凹凸の最大高さとは、測定対象とする加工表面２０ｐｓの重心点Ｐ₁およびその重心点Ｐ₁で直交する２直線Ｌ₁，Ｌ₂で分けられる４つの領域のそれぞれの４つの重心点Ｐ₂，Ｐ₃，Ｐ₄，Ｐ₅をそれぞれ中心とする５つの０．４ｍｍ角（一辺が０．４ｍｍの正方形をいう、以下同じ）の範囲Ｒ₁，Ｒ₂，Ｒ₃，Ｒ₄，Ｒ₅で測定して得られる最大高さとする。

さらに、非ダイヤモンド炭素の少なくとも一部を除去する方法は、固体炭素含有材料１０の表面の内接円１０ｉの半径Ｒｉよりも小さい直径Ｄ_Fを有するプラズマジェット（気相流体Ｆ）により処理する方法（図１９Ａおよび図１９Ｂを参照）、固体炭素含有材料１０の表面の内接円１０ｉの半径Ｒｉよりも小さい直径Ｄ_Bを有するイオンビームＢにより処理する方法（図２０Ａおよび図２０Ｃを参照）、固体炭素含有材料１０の内接円１０ｉの半径Ｒｉよりも小さい外接円１２２ｗｃを有する開口部１２２ｗを有するマスク１２２を利用する方法（図２０Ａ、図２０Ｂおよび図２０Ｃを参照）、の少なくとも１種類の方法とすることが好ましい。かかる固体炭素含有材料加工体の製造方法は、固体炭素含有材料の表面をその面方位にかかわらずより滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）にかつ高精度で加工することができる。

（実施形態１Ａ）
図１、図２〜図４、図１０および図１１を参照して、より具体的な実施形態１Ａは、少なくとも表面がダイヤモンド炭素１０ｄを含む材料で構成されている固体炭素含有材料１０を加工する工程Ｓ２０において、固体炭素含有材料１０の表面のダイヤモンド炭素１０ｄを熱処理することにより非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを形成するサブ工程（図２〜図４の（Ｂ）、図１０および図１１の（Ａ））により、表面に非ダイヤモンド炭素１０ｎｄが形成された固体炭素含有材料１０Ａが得られる。かかる固体炭素含有材料１０Ａから非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの少なくとも一部を除去するサブ工程（図２の（Ｃ）、図３および図４の（Ｃ）および（Ｄ）、図１０および図１１の（Ｂ）および（Ｄ））により、固体炭素含有材料加工体２０（図２の（Ｃ）、図３〜図４および図１０〜図１１の（Ｄ））が得られる。このようにして、固体炭素含有材料１０の表面がその面方位にかかわらず滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）にかつ短時間で加工された固体炭素含有材料加工体２０が得られる。

図２〜図４、図１０および図１１に示される工程においては、ダイヤモンド炭素１０ｄは、ダイヤモンドの結合の材料が１００％であることが最も効果がある。非ダイヤモンド炭素の除去のサブ工程で、非ダイヤモンド炭素の除去の効率がダイヤモンド炭素の除去の効率よりも非常に大きいという特徴を利用することにより、所望の形状に加工することを容易にするからである。非ダイヤモンド炭素とダイヤモンド炭素の除去効率を変えることは非常に簡単である。同じ条件でも、一般的には非ダイヤモンド炭素の方が除去しやすい条件となるからである。同一時間内では、非ダイヤモンド炭素が容易に除去されて、ダイヤモンド炭素でほとんどストップした状態となる。

図２の（Ｃ）、図３および図４の（Ｄ）、ならびに図１０および図１１の（Ｄ）は、固体炭素含有材料１０の表面に形成された非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの全部を除去する場合を示す。また、図３および図４の（Ｃ）、ならびに図１０および図１１の（Ｂ）は、固体炭素含有材料１０の表面に形成された非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの一部を除去する場合を示す。ここで、非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの一部を除去する方法は、特に制限はないが、加工精度を高くする観点から、また、制御された平坦面（意図した平坦面）や制御された曲面（意図した曲面）を作製するという観点から、小さい直径を有するプラズマジェットまたはイオンビームにより処理する方法、開口部の小さいマスクを用いる方法、機械的に除去する方法などが好ましい。機械的に除去する方法によっても加工が非常に容易である。なぜなら、非ダイヤモンド炭素１０ｎｄは非常に柔らかく、ダイヤモンド炭素１０ｄの硬さとは大きく違うからである。ただし、加工くずがガス化して飛んでゆくということがないので、加工くずを吹き飛ばすなどの工夫をする必要がある。

図３および図４の（Ｂ）に示す固体炭素含有材料１０の表面に形成された非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの一部がエッチングなどにより除去されてダイヤモンド炭素１０ｄが露出している固体炭素含有材料１０Ａを、図３および図４の（Ｃ）に示すようにさらに熱処理することにより露出していたダイヤモンド炭素１０ｄの表面に非ダイヤモンド炭素１０ｎｄが形成される。このようにして新たに形成された非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを上記と同様の方法によりさらに除去する。このように、固体炭素含有材料１０の表面の所望の部分において非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの形成および除去を繰り返すことにより、表面を所望の形状に加工できる。

図１０に示す例では同じ部分を加工していることで段差状の加工体が形成されているが、図１１に示す例のように、１回目、２回目と違う部分を加工することで、細かい段差状となるものの一つの段差ではなく、何段階もの異なる段差の立体形状の（段差が起伏の等高線のようになった）加工体もできる。全体として滑らかな立体形状の加工体ができる。図２に示す例でも、小さい径のプラズマジェットのようなもので、何度も形を変えて加工すると、一つ一つの段差が急峻にはならないので、一つが滑らかな突起となり、全体としてより滑らかな凹凸を有する加工体を形成することができる。図４に示す例では、表面の凹凸が大きい固体炭素含有材料に対して、凸部分を多目に加工し、凹部分をほとんど加工しなければ、これを繰り返すと凹凸が減少し、平坦で平滑な面を形成することもできる。上記のプロセスを繰り返す代わりに、熱処理をし非ダイヤモンド炭素を形成する環境下で非ダイヤモンド炭素を除去することで、非ダイヤモンド炭素の形成のサブ工程と非ダイヤモンド炭素の除去のサブ工程を同時に進めることも可能である。

実施形態１Ａの固体炭素含有材料１０，１０Ａの熱処理においては、熱処理する雰囲気の酸素分圧は、固体炭素含有材料を高精度に加工する観点から、０．１３３Ｐａ以下が好ましく、０．０１３３Ｐａ以下がより好ましく、０．０００１３３Ｐａ以下が好ましい。また、熱処理する温度は、固体炭素含有材料を短時間で加工する観点から、３００℃以上が好ましく、６００℃以上がより好ましく、８００℃以上がさらに好ましい。

（実施形態１Ｂ）
図１、図５〜図７、図１２、図１３および図１５を参照して、より具体的な実施形態１Ｂは、少なくとも表面がダイヤモンド炭素１０ｄを含む材料で構成されている固体炭素含有材料１０を加工する工程Ｓ２０において、固体炭素含有材料１０の表面の少なくとも一部上に、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｉｒ、およびＭｎからなる群から選ばれる少なくとも１種類の金属元素（炭素易固溶性金属元素）を含む金属層１０ｍｂを形成するサブ工程により、表面の少なくとも一部上に炭素易固溶性金属元素を含む金属層１０ｍｂが形成された固体炭素含有材料１０Ｂが得られる（図５〜図７の（Ｂ）、図１２〜図１３および図１５の（Ａ））。

ここで、図５〜図７の（Ｂ）および、図１２〜図１３の（Ａ）は、固体炭素含有材料１０の表面の全部上に金属層１０ｍｂを形成する場合を示す。また、図１５の（Ａ）は、固体炭素含有材料１０の表面の一部上に金属層１０ｍｂを形成する場合を示す。この場合は炭素易固溶性金属元素を含む金属層を形成した以外の残りの部分は、炭素易固溶性金属元素を含まない金属層を形成することが好ましい。炭素易固溶性金属元素を含む金属層の部分が、炭素が除去されるに従って、炭素易固溶性金属元素を含まない金属層に拡がることを防ぐためである。図１６および図１７に示すように、炭素易固溶性金属元素を含まない金属層１０ｍｎを形成しておくことで、炭素易固溶性金属元素を含まない金属層１０ｍｎ部分は炭素を固溶しないので、炭素が加工されず、万が一、炭素易固溶性金属元素を含む金属層１０ｍｂが拡がったり、変形したりしても、炭素易固溶性金属元素を含まない金属層１０ｍｎがそれを阻止するようにブロックするからである。

固体炭素含有材料１０の表面はダイヤモンドが１００％である表面である必要はない。炭素易固溶性金属元素を含む金属層に固溶する炭素は表面の硬さに依存しないので、必要量の炭素が同じ量固溶するから、同じように加工されてゆくからである。

かかる固体炭素含有材料１０Ｂの表面のダイヤモンド炭素１０ｄを熱処理することにより、金属層１０ｍｂに接する固体炭素含有材料１０中の固体炭素が金属層１０ｍｂ中に固溶し、固溶した固体炭素が飽和すると、金属層１０ｍｂの露出している表面（固体炭素含有材料と接する表面と反対側の表面）上に非ダイヤモンド炭素１０ｎｄが析出した固体炭素含有材料１０Ｂが得られる（図５の（Ｃ）、図６および図７の（Ｂ）、図１２〜図１３および図１５の（Ａ））。炭素易固溶性金属元素を含む金属層１０ｍｂ上に非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの層が形成されると金属層１０ｍｂへの固体炭素含有材料１０からの固体炭素の固溶が止まる。金属層１０ｍｂ上に形成された非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの層を除去すると金属層１０ｍｂへの固体炭素含有材料１０からの固体炭素の固溶が再び始まる。炭素易固溶性金属元素を含む金属層の表面上に形成される非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの層は、金属層の下部のダイヤモンド炭素を含む固体炭素含有材料１０の種類には依存しない。一度、炭素易固溶性金属元素を含む金属層に固溶されると同じ条件では同じものが析出するからである。したがって、実施形態１Ｂでは下部に依存されずに、加工されてゆく利点がある。

かかる固体炭素含有材料１０Ｂから非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの少なくとも一部を除去するサブ工程（図５の（Ｄ）、図６および図７の（Ｂ）および（Ｄ）、図１２および図１３の（Ｂ）および（Ｄ）、図１５の（Ｂ）および（Ｄ））により、固体炭素含有材料加工体２０（図５〜図７および図１２〜図１３および図１５の（Ｄ））が得られる。このようにして、固体炭素含有材料１０の表面がその面方位にかかわらず滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）に高い品質でかつ短時間で加工された固体炭素含有材料加工体２０が得られる。ここで、図５〜図７および図１２〜図１３の（Ｄ）ならびに図１５の（Ｂ）および（Ｄ）は、固体炭素含有材料１０の表面に形成された炭素易固溶性金属元素を含む金属層１０ｍｂおよび非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの全部を除去する場合を示す。また、図６および図７の（Ｃ）ならびに図１２および図１３の（Ｂ）は、固体炭素含有材料１０の表面に形成された炭素易固溶性金属元素を含む金属層１０ｍｂの表面に形成された非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの一部を除去する場合を示す。非ダイヤモンド炭素を除去する条件と炭素易固溶性金属元素を含む金属層を除去する条件は、一般的には異なるので、非ダイヤモンド炭素を除去する条件では、一旦除去が止まるので、一つ一つの工程を順に進めやすい。非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの一部を除去する方法は、特に制限はないが、加工精度を高くする観点から、また、制御された平坦面（意図した平坦面）や制御された曲面（意図した曲面）を作製するという観点から、小さい直径を有するプラズマジェットまたはイオンビームにより処理する方法、開口部の小さいマスクを用いる方法、機械的に除去する方法などが好ましい。ここで、小さい直径から供給されるプラズマやイオンを含む気相流体が、固体炭素含有材料を加工するので、その直径が小さいほど、より近くから供給されるほど、加工精度が高くなる。

図１２の（Ｂ）に示す固体炭素含有材料１０Ｂの金属層１０ｍｂの表面に形成された非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの一部がエッチングなどのより除去されて金属層１０ｍｂが露出している固体炭素含有材料１０Ｂを、さらに熱処理することにより、図１２の（Ｃ）に示すように露出していた金属層１０ｍｂの表面に非ダイヤモンド炭素１０ｎｄが析出する。このようにして新たに形成された非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの層を上記と同様の方法でさらに除去する。このように、固体炭素含有材料１０の表面の所望の部分において、炭素易固溶性金属元素を含む金属層１０ｍｂを用いた非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの析出および非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの除去を繰り返すことにより、表面を所望の形状に加工できる。図１２に示す例では、同じ部分を加工していることで、段差状のものが形成されているが、図１３に示す例のように、１回目、２回目と違う部分を加工することで、細かい段差状となるものの一つの段差ではなく、何段階もの異なる段差の立体形状の（段差が起伏の等高線のようになった）ものも加工できる。全体として滑らかな立体形状のものができる。

図５に示す例においても、小さい径のプラズマジェットのようなもので、何度も形を変えて加工すると、一つ一つの段差が急峻にはならないので、一つが滑らかな突起となり、全体としてより滑らかな起伏の形状を所望のものとして形成することができる。また、図７に示す例では、表面の凹凸が大きい固体炭素含有材料に対して、凸部分を多目に加工し、凹部分をほとんど加工しなければ、これを繰り返すと凹凸が減少し、平坦で平滑な面を形成することもできる。上記のプロセスを繰り返す代わりに、熱処理をして非ダイヤモンド炭素層を形成できる環境下で、同時に非ダイヤモンド炭素層を除去することで、非ダイヤモンド炭素の形成のサブ工程と非ダイヤモンド炭素の除去のサブ工程を同時に進めることも可能である。

図１５の（Ａ）に示すように、炭素易固溶性金属元素を含む金属層１０ｍｂが表面の一部に形成された固体炭素含有材料１０Ｂを熱処理することにより、金属層１０ｍｂの表面上に非ダイヤモンド炭素１０ｎｄが析出する。だたし、図１６および図１７に示すように、炭素易固溶性金属元素を含む金属層１０ｍｂの形成されていない部分は、少なくとも炭素易固溶性金属元素を含む金属層１０ｍｂと接する部分において、炭素易固溶性金属元素を含まない金属層１０ｍｎが形成されているようにする。次いで、図１５の（Ｂ）に示すように、固体炭素含有材料の１０Ｂの金属層１０ｍｂの表面上に析出した非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの層をエッチングなどにより除去して炭素易固溶性金属元素を含む金属層１０ｍｂを露出させる。次いで、図１５の（Ｃ）に示すように、表面の一部に炭素易固溶性金属元素を含む金属層１０ｍｂが露出している固体炭素含有材料の１０Ｂをさらに熱処理することにより、露出していた炭素易固溶性金属元素を含む金属層１０ｍｂの表面に非ダイヤモンド炭素１０ｎｄが析出する。このようにして新たに形成された非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの層をさらに除去して露出する炭素易固溶性金属元素を含む金属層１０ｍｂをさらに熱処理することにより、露出していた炭素易固溶性金属元素を含む金属層１０ｍｂの表面に非ダイヤモンド炭素１０ｎｄが析出する。このように、固体炭素含有材料１０の表面の所望の部分において、炭素易固溶性金属元素を含む金属層１０ｍｂを用いた非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの析出および非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの除去を繰り返すことにより、表面を所望の形状に加工できる。

ここで、図１６および図１７を参照して、一部に形成された炭素易固溶性金属元素を含む金属層１０ｍｂ以外の部分が、何もない状態であるならば、炭素易固溶性金属元素を含む金属層１０ｍｂが何もない状態のエリアにも拡がったり、変形したりするので、精度の良い加工ができない。一部に形成された炭素易固溶性金属元素を含む金属層１０ｍｂ以外の部分が少なくともその接触部分において、炭素易固溶性金属元素を含まない金属層１０ｍｎが形成されている場合には、その金属層によってブロックされる効果によって、炭素易固溶性金属元素を含む金属層１０ｍｂの拡がりや変形を阻止することができるので、精度の良い加工ができる。図８のような方法においては、プラズマジェットやイオンビームを走査させずに、炭素易固溶性金属元素を含む金属層１０ｍｂのパターニングで部分的に加工することができるが、起伏を付けることが困難であるので、プラズマジェットやイオンビームを走査することと併用することによって、起伏を付けることも可能である。

実施形態１Ｂの固体炭素含有材料１０，１０Ｂの熱処理においては、熱処理する雰囲気の酸素分圧は、固体炭素含有材料を高精度に加工する観点から、０．１３３Ｐａ以下が好ましく、０．０１３３Ｐａ以下がより好ましく、０．０００１３３Ｐａ以下がさらに好ましい。また、熱処理する温度は、固体炭素含有材料を短時間で加工する観点から、６００℃以上が好ましく、８００℃以上がより好ましく、１０００℃以上がさらに好ましい。

（実施形態１Ｃ）
図１、図８、図９、図１４および図１８を参照して、より具体的な実施形態１Ｃは、少なくとも表面がダイヤモンド炭素１０ｄを含む材料で構成されている固体炭素含有材料１０を加工する工程Ｓ２０において、固体炭素含有材料１０の表面の少なくとも一部上に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、ＭｏおよびＷからなる群から選ばれる少なくとも１種類の金属元素（易炭化性金属元素）を含む金属層１０ｍｃを形成するサブ工程により、表面の少なくとも一部上に易炭化性金属元素を含む金属層１０ｍｃが形成された固体炭素含有材料１０Ｃが得られる（図８および図９の（Ｂ）、ならびに図１４および図１８の（Ａ））。ここで、図８および図９の（Ｂ）ならびに図１４の（Ａ）は、固体炭素含有材料１０の表面の全部上に易炭化性金属元素を含む金属層１０ｍｃを形成する場合を示す。また、図１８の（Ａ）は、固体炭素含有材料１０の表面の一部上に易炭化性金属元素を含む金属層１０ｍｃを形成する場合を示す。

かかる固体炭素含有材料１０Ｃの表面のダイヤモンド炭素１０ｄを熱処理することにより、易炭化性金属元素を含む金属層１０ｍｃに接する固体炭素含有材料１０中のダイヤモンド炭素１０ｄが金属層１０ｍｃと反応し、表面の少なくとも一部上に非ダイヤモンド炭素１０ｎｄである金属炭化物が形成された固体炭素含有材料１０Ｃが得られる（図８の（Ｃ）、図９の（Ｂ）、図１４の（Ａ）、および図１８の（Ｂ））。

かかる固体炭素含有材料１０Ｃから非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの少なくとも一部を除去するサブ工程（図８の（Ｄ）、図９の（Ｃ）および（Ｄ）、図１４の（Ｂ）および（Ｄ）、ならびに図１８の（Ｃ）および（Ｄ））により、固体炭素含有材料加工体２０（図８、図９、図１４および図１８の（Ｄ））が得られる。このようにして、固体炭素含有材料１０の表面がその面方位にかかわらず滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）に高い品質でかつ短時間で加工された固体炭素含有材料加工体２０が得られる。ここで、図８〜図９および図１４の（Ｄ）ならびに図１８の（Ｃ）および（Ｄ）は、固体炭素含有材料１０の表面に形成された非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの全部を除去する場合を示す。また、図９の（Ｃ）および図１４の（Ｂ）は、固体炭素含有材料１０の表面に形成された非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの一部を除去する場合を示す。非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの一部を除去する方法は、特に制限はないが、加工精度を高くする観点から、また、制御された平坦面（意図した平坦面）や制御された曲面（意図した曲面）を作製するという観点から、小さい直径を有するプラズマジェットまたはイオンビームにより処理する方法、開口部の小さいマスクを用いる方法、機械的に除去する方法などが好ましい。

ここで、小さい直径から供給されるプラズマやイオンを含む気相流体が、固体炭素含有材料を加工するので、その直径が小さいほど、より近くから供給されるほど、加工精度が高くなる。また、プラズマやイオンを含む気相流体の加工で、金属炭化物の加工とダイヤモンド炭素の加工速度の違うものを選ぶことが有効である。ここで一つの例として、フッ素を含むガスを選ぶことが、金属炭化物の加工を容易にし、ダイヤモンド炭素の加工を遅くすることに有効である。ダイヤモンド炭素では加工され難いが、金属炭化物は加工されやすいものを選び、ダイヤモンド炭素が金属炭化物に変化した部分の加工をすることで、ダイヤモンド炭素を加工する方法が本実施形態の工程である。

機械的に除去する方法では、ダイヤモンド炭素の加工速度と金属炭化物の加工速度の違う条件を選ぶ。これは、ダイヤモンドと金属炭化物の間の硬度のものを選べば、たとえば、ＢＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＣ、Ａｌ₂Ｏ₃などのセラミックスを適宜選ぶことで、これを実現することができる。

図１４の（Ｂ）に示す固体炭素含有材料１０の表面に形成された非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの一部がエッチングなどにより除去されてダイヤモンド炭素１０ｄが露出している固体炭素含有材料１０Ｃの露出しているダイヤモンド炭素１０ｄ上にさらに金属層１０ｍｃを形成した後、さらに熱処理することにより、図１４の（Ｃ）に示すように、新たに形成した金属層１０ｍｃに接するダイヤモンド炭素１０ｄが金属層１０ｍｃと反応して非ダイヤモンド炭素１０ｎｄである金属炭化物が形成される。このようにして新たに形成された非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの層を図１４の（Ｂ）および（Ｄ）に示すようにさらに除去する。このように、固体炭素含有材料１０の表面の所望の部分において、易炭化性金属元素を含む金属層１０ｍｃを用いた非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの形成および非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの除去を繰り返すことにより、表面を所望の形状に加工できる。

図１４に示す例では、同じ部分を加工していることで、段差状のものが形成されているが、１回目、２回目と違う部分を加工することで、細かい段差状となるものの一つの段差ではなく、何段階もの異なる段差の立体形状の（段差が起伏の等高線のようになった）ものも加工できる。全体として滑らかな立体形状のものができる。図８に示す例でも、小さい径のプラズマジェットのようなもので、何度も形を変えて加工すると、一つ一つの段差が急峻にはならないので、一つが滑らかな突起となり、全体としてより滑らかな起伏の形状を所望のものとして形成することができる。図９に示す例では、表面の凹凸が大きい固体炭素含有材料に対して、凸部分を多目に加工し、凹部分をほとんど加工しなければ、これを繰り返すと凹凸が減少し、平坦で平滑な面を形成することもできる。上記のプロセスを繰り返す代わりに、金属を形成し、熱処理をし、その環境下で金属炭化物も除去することで、形成のサブ工程と除去のサブ工程を同時に進めることも可能である。

図１８の（Ａ）に示す易炭化性金属元素を含む金属層１０ｍｃが表面の一部に形成された固体炭素含有材料１０Ｃを熱処理することにより、金属層１０ｍｃに接する固体炭素含有材料１０中のダイヤモンド炭素１０ｄが金属層１０ｍｃと反応し、図１８の（Ｂ）に示すように、表面の一部上に非ダイヤモンド炭素１０ｎｄである金属炭化物が形成される。次いで、図１８の（Ｃ）および（Ｄ）に示すように、表面の一部上に形成された非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの層をエッチングなどにより除去する。このように、固体炭素含有材料１０の表面の所望の部分において、易炭化性金属元素を含む金属層１０ｍｃの形成とその熱処理を用いた非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの形成および非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの除去を繰り返すことにより、表面を所望の形状に加工できる。

実施形態１Ｃの固体炭素含有材料１０，１０Ｃの熱処理においては、熱処理する雰囲気の酸素分圧は、固体炭素含有材料を高精度に加工する観点から、０．１３３Ｐａ以下が好ましく、０．０１３３Ｐａ以下がより好ましく、０．０００１３３Ｐａ以下がさらに好ましい。また、熱処理する温度は、固体炭素含有材料を短時間で加工する観点から、３００℃以上が好ましく、６００℃以上がより好ましく、８００℃以上がさらに好ましい。

＜実施形態２：固体炭素含有材料加工体＞
図２２および図２４を参照して、本開示の別の実施形態にかかる固体炭素含有材料加工体２０は、加工表面の少なくとも一部が固体炭素で構成されている固体炭素含有材料加工体であって、固体炭素含有材料加工体の加工表面の形状は、加工表面に形成されている小凹凸の最大高さが２０μｍ以下の平滑な形状または加工表面に滑らかな面で形成されている最小高さが３０μｍ以上の凹凸を有する形状であり、加工表面の大きさが１ｍｍ角以上であり、加工表面における研磨損傷点の密度が１０個／ｍｍ²以下である。ここで、図２２に示すように、平滑な加工表面２０ｐｓに形成されている小凹凸とは、上記固体炭素含有材料加工体の製造方法により意図せずに形成される最大高さが２０μｍ以下の小さな凹凸をいう。小凹凸の最大高さとは、加工表面２０ｐｓの最小二乗平面２０ｌｓｐに平行でかつ加工表面２０ｐｓの最大の小凹部の頂点を通るベース平面２０ｂｐから加工表面の最大の小凸部の頂点までの距離をいう。また、図２４に示すように、加工表面２０ｐｓに滑らかな面で形成されている凹凸とは、上記固体炭素含有材料加工体の製造方法により意図して形成される最小高さが３０μｍ以上の凹凸をいう。凹凸の最小高さとは、加工表面２０ｐｓの最小二乗平面２０ｌｓｐに平行でかつ加工表面２０ｐｓの最小の凹部の頂点を通るベース平面２０ｂｐから加工表面の最小の凸部の頂点までの距離をいう。また、凹凸を形成する滑らかな面には、小凹凸の最大高さが２０μｍ以下の平滑な形状が含まれる。本実施形態の固体炭素含有材料加工体は、加工表面がその面方位にかかわらず滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）であるとともに、加工表面の結晶品質が高い。

上記観点から、固体炭素含有材料加工体２０の加工表面２０ｐｓが平滑な形状の場合、平滑な加工表面２０ｐｓに形成されている小凹凸の最大高さは、２０μｍ以下が好ましく、１０μｍ以下がより好ましく、１μｍ以下がさらに好ましく、０．１μｍ以下が特に好ましい。また、固体炭素含有材料加工体２０の加工表面２０ｐｓが滑らかな面で形成されている凹凸を有する形状の場合、加工表面２０ｐｓの凹凸の最小高さは、３０μｍ以上が好ましく、５０μｍ以上がより好ましく、１００μｍ以上がさらに好ましい。また、加工表面において、平滑な部分は凹凸の最大高さを０．１μｍ以下とし、滑らかな凹凸を有する部分の凹凸の最小高さを１００μｍ以上とすることも可能である。

平滑な加工表面２０ｐｓに形成されている小凹凸の最大高さおよび加工表面２０ｐｓに滑らかな面で形成されている凹凸の最小高さは、レーザ変位計（たとえば、神津精機社製表面形状測定システムＤｙｖｏｃｅ−３０００またはその相当品）により測定できる。ただし、レーザ変位計の測定の精度は１μｍ程度であるため、１μｍ未満の小凹凸の高さの測定には走査型白色干渉計（たとえば、キャノン社製（Ｚｙｇｏ）ＮｅｗＶｉｅｗ２００またはその相当品）が好適に用いられる。走査型白色干渉計による小凹凸の高さの測定は、広い領域の測定は困難であり、複数の狭い領域で測定を行う。たとえば、図２３を参照して、走査型白色干渉計による小凹凸の最大高さとは、測定対象とする加工表面２０ｐｓの重心点Ｐ₁およびその重心点Ｐ₁で直交する２直線Ｌ₁，Ｌ₂で分けられる４つの領域のそれぞれの４つの重心点Ｐ₂，Ｐ₃，Ｐ₄，Ｐ₅をそれぞれ中心とする５つの０．４ｍｍ角の範囲Ｒ₁，Ｒ₂，Ｒ₃，Ｒ₄，Ｒ₅で測定して得られる最大高さとする。

また、表面における研磨損傷点の密度は、加工体表面上に、ダイヤモンドを５μｍエピタキシャル成長することにより、確認される１μｍ以上の多結晶粒子（ミスマッチに積層された粒子）となって現れる。これをカウントすることで、研磨損傷の密度を評価できる。ダイヤモンドは典型的にはメタン濃度３％、圧力１．３３×１０⁴Ｐａ、マイクロ波パワー３ｋＷ以上、基板温度９５０℃で形成するのがよく、単結晶のダイヤモンドが形成できる条件であることが好ましい。これらは、単結晶ダイヤモンド基板上で確認される。５０μｍ以上の粒径を有する多結晶ダイヤモンド基板上では、ダイヤモンドを５μｍ結晶成長することにより、確認される１μｍ以上１０μｍ未満の多結晶粒子をカウントすることで、研磨損傷の密度を評価できる。この場合のダイヤモンドの成長条件は、典型的にはメタン濃度３％、圧力１．３３×１０⁴Ｐａ、マイクロ波パワー６ｋＷ以上、基板温度１０００℃で形成するのがよく、ラマン分光分析でグラファイトの少ない多結晶ダイヤモンドを形成する条件（Ｇバンドがダイヤモンドのピークの１／１００である条件）が好ましい。５０μｍ未満の粒径を有する多結晶ダイヤモンドあるいはその他の固体炭素含有材料加工体では、表面に１ｍｍを超える微分干渉顕微鏡で観察される研磨傷の密度で評価できる。その場合１本／ｍｍ²を１個／ｍｍ²として換算してよい。

本実施形態の固体炭素含有材料加工体２０は、表面における金属原子の密度が１ｐｐｂ以上となる場合があり、５０ｐｐｂ以上となる場合もある。かかる固体炭素含有材料加工体２０であっても、表面は滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）であるとともに、表面の結晶品質が高い。固体炭素含有材料加工体の製造方法において、非ダイヤモンド炭素の形成のために、炭素易固溶性金属元素としてＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、ＩｒおよびＭｎからなる群から選ばれる１種類の金属元素を含む金属層、または、易炭化性金属元素としてＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、ＭｏおよびＷからなる群から選ばれる少なくとも１種類の金属元素を含む金属層を用いる場合には、これらの金属元素の原子が固体炭素含有材料加工体の表面に取り込まれるため、表面における金属原子の密度が１ｐｐｂ以上となる場合がある。

図２２を参照して、本実施形態の固体炭素含有材料加工体２０において、表面は周期的な凹凸曲面を有する場合がある。かかる固体炭素含有材料加工体２０は、表面がその面方位にかかわらず平滑である。実施形態１の固体炭素含有材料加工体の製造方法において、非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの少なくとも一部を除去する方法として、非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを、Ｏ₂分子、Ｈ₂分子およびＨ₂Ｏ分子からなる群から選ばれる少なくとも１種類の分子を含むガスを含む５００℃以上の気相流体で処理する方法（図１９Ａ）、非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを、Ｏ原子、Ｈ原子、Ｈｅ原子およびＡｒ原子からなる群から選ばれる少なくとも１種類の原子を含むプラズマ中で処理する方法（図１９Ａ）、非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを、Ｏイオン、Ｈイオン、ＯＨイオン、ＨｅイオンおよびＡｒイオンからなる群から選ばれる少なくとも１種類のイオンを含むイオンビームで処理する方法（図２０Ａ）、あるいは非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを、機械的および物理的の少なくともいずれかにより除去する方法（図２１）のいずれを用いる場合でも、表面が周期的な凹凸曲面を有する固体炭素含有材料加工体２０が形成され得る。

図２２を参照して、本実施形態の固体炭素含有材料加工体２０において、加工表面２０ｐｓは、内側に凸の曲面を有する小凹部と、外側に凸の曲面を有する小凸部と、を含み、加工表面２０ｐｓをその最小二乗平面２０ｌｓｐに垂直な方向から見たときに、小凹部の全面積は表面の全面積の６０％以上となる場合がある。かかる固体炭素含有材料加工体２０は、加工表面２０ｐｓがその面方位にかかわらず平滑である。実施形態１の固体炭素含有材料加工体の製造方法において、非ダイヤモンド炭素１０ｎｄの少なくとも一部を除去する方法として、非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを、Ｏ₂分子、Ｈ₂分子およびＨ₂Ｏ分子からなる群から選ばれる少なくとも１種類の分子を含むガスを含む室温（たとえば２５℃）より高い温度の気相流体で処理する方法（図１９Ａ）、非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを、Ｏ原子、Ｈ原子、Ｈｅ原子およびＡｒ原子からなる群から選ばれる少なくとも１種類の原子を含むプラズマ中で処理する方法（図１９Ａ）、非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを、Ｏイオン、Ｈイオン、ＯＨイオン、ＨｅイオンおよびＡｒイオンからなる群から選ばれる少なくとも１種類のイオンを含むイオンビームで処理する方法（図２０Ａ）、あるいは非ダイヤモンド炭素１０ｎｄを、機械的および物理的の少なくともいずれかにより除去する方法（図２１）のいずれを用いる場合でも、加工表面２０ｐｓが、内側に凸の曲面を有する小凹部と、外側に凸の曲面を有する小凸部と、を含み、加工表面２０ｐｓをその最小二乗平面２０ｌｓｐに垂直な方向から見たときに、小凹部の全面積は表面の全面積の６０％以上となる固体炭素含有材料加工体２０が形成され得る。

本実施形態の固体炭素含有材料加工体２０において、固体炭素は、単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンドの少なくとも１種類を含むことができる。かかる固体炭素含有材料加工体２０も、表面がその面方位にかかわらず平滑な形状または所望の形状を有する。かかる固体炭素含有材料加工体２０は、単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンドの少なくとも１種類（ダイヤモンド炭素１０ｄ）を含む固体炭素含有材料１０を実施形態１の固体炭素含有材料加工体の製造方法で加工することにより得られる。

（実施例Ｉ）
固体炭素含有材料として、高圧合成法または気相合成法（具体的には、ＣＶＤ（化学気相堆積）法）の単結晶ダイヤモンド（以下、高圧合成ダイヤモンドまたは気相合成ダイヤモンドともいう。）をレーザで切断して、４ｍｍ×４ｍｍの大きさで表１に示す平均厚さの例Ｉ−１〜例Ｉ−９の試料を準備した。全ての試料は片面を通常の研磨盤で機械研磨し、例Ｉ−３〜例Ｉ−５の試料はさらにもう片面を研磨し、比較的平坦な両面研磨の基板を準備した。例Ｉ−１および例Ｉ−２の試料は残りの片面がレーザスライス面であり、例Ｉ−６〜例Ｉ−９の試料は残りの片面は気相成長の表面の凹凸のままにした。全ての試料の裏面と表面（おもてめん）の高さの情報をレーザ変位計で評価して、厚さの情報に変換し、表面の凹凸と平行度のデータを取得した。ここで、全ての試料について、機械研磨した面を裏面とし、もう一方の面を表面（おもてめん）と表現する。

ただし、レーザ変位計による表面（おもてめん）および裏面の高さの測定の精度は１μｍ程度であるため、１μｍ未満の高さの測定には走査型白色干渉計を用いた。走査型白色干渉計による高さの測定は、広い領域の測定は困難であり、複数の狭い領域で測定を行った。たとえば、図２３を参照して、走査型白色干渉計による最大高さは、測定対象とする加工表面２０ｐｓの重心点Ｐ₁およびその重心点Ｐ₁で直交する２直線Ｌ₁，Ｌ₂で分けられる４つの領域のそれぞれの４つの重心点Ｐ₂，Ｐ₃，Ｐ₄，Ｐ₅をそれぞれ中心とする５つの０．４ｍｍ角の範囲Ｒ₁，Ｒ₂，Ｒ₃，Ｒ₄，Ｒ₅で測定して得られる最大高さとした。

固体炭素含有材料の加工は、固体炭素含有材料の表面上に、表１に示す炭素易固溶性金属元素からなる厚さ０．５μｍの金属層を蒸着した場合と蒸着しなかった場合の試料を作製し、熱処理用チャンバーに入れた。熱処理用チャンバー内をまず１．３３×１０^-４Ｐａ未満の真空とした後、Ａｒガスを満たして、表１に示す圧力、酸素分圧および温度（６００℃以上の温度）で熱処理して、ダイヤモンド炭素の表面上または上記金属層の表面上に非ダイヤモンド炭素の層を形成した。

表１において、平均の厚さとは、基板上の５点の厚さをマイクロメーターで測定した値の単なる算術平均のことであり、基板の厚さの指標とするものである。５点とは基板の中央から０．２５ｍｍエリア内、基板の左右前後の端から０．５ｍｍエリア内の５点である。小凹凸の最大の高さとは、加工表面の最小二乗平面に平行でかつ加工表面の最大の小凹部の頂点を通るベース平面から加工表面の最大の小凸部の頂点までの距離である。表面の最小二乗平面と裏面の最小二乗平面ベースの面との成す角が平行度である。

上記表面上に形成された非ダイヤモンド炭素の層を除去することにより、固体炭素含有材料の加工を行った。非ダイヤモンド炭素の層を除去するための処理方法は、Ｏ原子およびＨ原子を含むプラズマを含む気相流体を用いて固体炭素含有材料上を走査することにより非ダイヤモンド炭素の層を除去する「プラズマ気相流体」方法、または、Ｏイオンを含むイオンビームを用いて固体炭素含有材料上を走査することにより非ダイヤモンド炭素の層を除去する「イオンビーム」方法を用いた。すなわち、非ダイヤモンドの形成と非ダイヤモンド除去を繰り返し行うことによって、所望の仕様に近づいたものを形成した。

プラズマ気相流体またはイオンビームの走査の方法は、基板の凹凸情報を用いて、固体炭素含有材料の凸部のところは滞在時間を長めに、固体炭素含有材料の凹部のところは滞在時間を短めに「プラズマ気相流体」または「イオンビーム」を噴射または放射するように走査する。そうすると、固体炭素含有材料において、凸部のダイヤモンド炭素は多めにエッチングされ、凹部のダイヤモンド炭素は少なめにエッチングされた。合わせて、これに平行度の情報を用いて、基板厚さの大きいところは長めに基板厚さの小さいところは短めになるように走査を制御したところ、基板の厚い部分は多めに、薄い部分は少なめにエッチングされて、平行度の向上および凹凸の最大高さの低減ができた。処理後の基板の平行度や凹凸の評価は、基板の金属やグラファイトを酸や水素プラズマで処理して除去した後に、レーザ変位計または走査型白色干渉計によって計測した。加工速度は、単純な高さエッチング加工速度の数値を算出した。これはプラズマやイオンの気流やビームを走査せず、同じ部分を処理し続けた時の単位時間当たりの加工厚さ（減少厚さ）の値である。エッチングによって表面の高さが減少する数値である。いずれの例についても、加工速度は３４μｍ／ｈ以上であり、短時間での加工が可能となった。

また、加工表面の研磨損傷点密度は、固体炭素含有材料加工体上に気相合成法によってアンドープダイヤモンドをメタン濃度が３％程度で５μｍエピタキシャル成長することによって、基板の表面に水素終端化処理された高純度のダイヤモンドを形成した表面を観察し、種基板とは異なる方位を向いた１μｍ以上の多結晶粒を数えた。これらの結果を、表１にまとめた。

表１を参照して、全ての試料において、初期の凹凸の最大高さ、平行度および研磨損傷点密度に比べて、加工後の小凹凸の最大高さ、平行度および研磨損傷点密度はいずれも小さくなり、表面がより平滑で品質の高い固体炭素含有材料加工体が得られた。

（実施例ＩＩ）
固体炭素含有材料として、高圧合成法または気相合成法（具体的には、ＣＶＤ（化学気相堆積）法）の単結晶ダイヤモンド（以下、高圧合成ダイヤモンドまたは気相合成ダイヤモンドともいう。）をレーザで切断して、４ｍｍ×４ｍｍの大きさで表２に示す平均厚さの例ＩＩ−１〜例ＩＩ−４の試料を準備した。例ＩＩ−１および例ＩＩ−２の試料は表裏両面を通常の研磨盤で機械研磨し、比較的平坦な両面研磨の基板を準備した。例ＩＩ−３および例ＩＩ−４の試料は片面がレーザスライス面種基板にイオン注入後にエピ成長して、電気化学的にグラファイト層をエッチングして種基板からエピ成長層を分離した面であり、残りの片面は気相成長の表面の凹凸のままにした。全ての試料の裏面と表面（おもてめん）の高さの情報をレーザ粗さ計または走査型白色干渉計で評価して、厚さの情報に変換し、表面の加工前の凹凸および加工後の小凹凸と平行度のデータを取得した。ここで、全ての試料について、機械研磨した面を裏面とし、もう一方の面を表面（おもてめん）と表現する。

固体炭素含有材料の加工は、固体炭素含有材料の表面上に、表２に示す易炭化性金属元素からなる厚さ０．５μｍの金属層を蒸着した場合の試料を作製し、熱処理用チャンバーに入れた。熱処理用チャンバー内をまず１．３３×１０^-４Ｐａ以下の真空とした後、Ａｒガスを満たして０．１気圧とした後、表２に示す圧力、酸素分圧および温度（３００℃以上の温度）で熱処理して、ダイヤモンド炭素の表面上または上記金属層の表面上に非ダイヤモンド炭素の層を形成した。

上記表面上に形成された非ダイヤモンド炭素の層を除去することにより、固体炭素含有材料の加工を行った。非ダイヤモンド炭素の層を除去するための処理方法は、実施例Ｉと同様の「イオンビーム」方法を用いた。

プラズマ気相流体またはイオンビームの走査の方法は、実施例Ｉと同様の方法としたところ、基板の厚い部分は多めに、薄い部分は少なめにエッチングされて、平行度の向上および凹凸の最大高さの低減ができた。いずれの例についても、加工速度は３４μｍ／ｈ以上であり、短時間での加工が可能であった。処理後の基板の平行度や凹凸の評価は、実施例Ｉと同様に行った。また、表面の研磨損傷点密度は、実施例Ｉと同様にして測定および算出した。これらの結果を、表２にまとめた。

表２を参照して、全ての試料において、初期の凹凸の最大高さ、平行度および研磨損傷点密度に比べて、加工後の凹凸の最大高さ、平行度および研磨損傷点密度はいずれも小さくなり、表面がより平滑で品質の高い固体炭素含有材料加工体が得られた。

（実施例ＩＩＩ）
固体炭素含有材料として気相合成ダイヤモンドを準備し、非ダイヤモンドを形成するための金属の種類と処理方法と処理ガスを変えて、実施例Ｉと同様の実験を行なった。炭素易固溶性金属元素としてＲｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｉｒ、またはＭｎを用いた。結果を表３にまとめた。表３の「非ダイヤモンド層除去」の「処理方法」における「気体中」とは、気流やビームにして表面の高い部位の滞在時間を長く、表面の低い部位の滞在時間を短くするというような一部を除去することではなく、その気体の雰囲気中で処理を行ったことのみを意味する。このとき、固体炭素含有材料の全体が一様に加工され、プラズマ気流やイオンビームを使った場合に比べると、平坦性や平行度が大きく改善されるわけではなく、加工速度も若干遅くなったため、比較例として検討した。また、表３の「非ダイヤモンド層除去」の「処理ガス」において、「Ａｒ＋Ｈ_２Ｏ」は大気圧で６０℃の水中をＡｒでバブリングすることにより得られたＨ_２Ｏを含むＡｒガスを用いたこと、「Ｈｅ＋Ｈ_２Ｏ」は大気圧で６０℃の水中をＨｅでバブリングすることにより得られたＨ_２Ｏを含むＨｅガスを用いたことを意味する。表３を参照して、気体中で熱処理したものに比べて、炭素易固溶性金属元素を用いて非ダイヤモンド炭素を形成し、プラズマ気流やイオンビームを用いて、平坦化や平行度化に必要な一部の非ダイヤモンド炭素を除去したものが、気相合成ダイヤモンドの表面状態を加工して平坦化することができた。いずれの例についても、加工速度は３４μｍ／ｈ以上であり、短時間での加工が可能であった。

（実施例ＩＶ）
固体炭素含有材料として気相合成ダイヤモンドを準備し、非ダイヤモンドを形成するための金属の種類と処理方法と処理ガスを変えて、実施例ＩＩと同様の実験を行なった。易炭化性金属元素としてＶ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、ＭｏまたはＷを用いた。結果を表４にまとめた。表４を参照して、易炭化性金属元素を用いて非ダイヤモンド炭素を形成し、プラズマ気流やイオンビームを用いて、平坦化や平行度化に必要な一部の非ダイヤモンド炭素を除去したものは、気相合成ダイヤモンドの表面状態を加工して平坦化することができた。いずれの例についても、加工速度は３４μｍ／ｈ以上であり、短時間での加工が可能であった。

＜付記＞
上記固体炭素含有材料加工体の製造方法において、固体炭素含有材料加工体の表面の形状は、加工表面に形成されている小凹凸の最大高さが２０μｍ以下の平滑な形状または加工表面に滑らかな面で形成されている最小高さが３０μｍ以上の凹凸を有する形状であることが好ましい。ここで、平滑な加工表面に形成されている小凹凸とは、上記固体炭素含有材料加工体の製造方法により意図せずに形成される最大高さが２０μｍ以下の小さな凹凸をいう。小凹凸の最大高さとは、加工表面の最小二乗平面に平行でかつ加工表面の最大の小凹部の頂点を通るベース平面から加工表面の最大の小凸部の頂点までの距離をいう。また、加工表面に滑らかな面で形成されている凹凸とは、上記固体炭素含有材料加工体の製造方法により意図して形成される最小高さが３０μｍ以上の凹凸をいう。凹凸の最小高さとは、加工表面の最小二乗平面に平行でかつ加工表面の最小の凹部の頂点を通るベース平面から加工表面の最小の凸部の頂点までの距離をいう。また、凹凸を形成する滑らかな面には、小凹凸の最大高さが２０μｍ以下の平滑な形状が含まれる。かかる固体炭素含有材料加工体の製造方法は、固体炭素含有材料の表面をその面方位にかかわらずより滑らか（たとえば、平滑な形状または滑らかな面で所望の凹凸を有する形状）にかつ短時間で加工することができる。

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実施の形態ではなく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。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 固体炭素含有材料、１０ｄ，２０ｄ ダイヤモンド炭素、１０ｉ 表面の内接円、１０ｍｂ，１０ｍｃ 金属層、１０ｎｄ 非ダイヤモンド炭素、２０ 固体炭素含有材料加工体、２０ｂｐ ベース平面、２０ｌｓｐ 最小二乗平面、２０ｐｓ 加工表面、１１１ 流体噴射部、１２１ ビーム放射部、１２２ マスク、１２２ｗ 開口部、１２２ｗｃ 開口部の外接円、１３１ 除去具、Ｂ イオンビーム、Ｄ_B イオンビームの直径、Ｄ_C マスクの開口部の外接円の直径、Ｄ_F 気相流体の直径、Ｄｉ 固体炭素含有材料の表面の内接円の直径、Ｒｉ 固体炭素含有材料の表面の内接円の半径、Ｆ 気相流体、Ｓ１０ 固体炭素含有材料を準備する工程、Ｓ２０ 固体炭素含有材料を加工する工程、Ｓ２１ 金属層を形成するサブ工程、Ｓ２２ 非ダイヤモンド炭素を形成するサブ工程、Ｓ２３ 非ダイヤモンド炭素の少なくとも一部を除去するサブ工程。

Claims (13)

1. 少なくとも表面が固体炭素で構成されている固体炭素含有材料を準備する工程と、前記固体炭素含有材料を加工する工程と、を含み、
   前記固体炭素含有材料を加工する工程は、前記固体炭素含有材料の前記表面の前記固体炭素を熱処理することにより、非ダイヤモンド炭素を形成するサブ工程と、前記非ダイヤモンド炭素の少なくとも一部を除去するサブ工程と、を含む固体炭素含有材料加工体の製造方法。
2. 前記固体炭素を熱処理する雰囲気の酸素分圧は０．１３３Ｐａ以下である請求項１に記載の固体炭素含有材料加工体の製造方法。
3. 前記固体炭素含有材料を加工する工程は、前記非ダイヤモンド炭素を形成するサブ工程の前に、前記表面の少なくとも一部上に金属層を形成するサブ工程をさらに含む請求項１または請求項２に記載の固体炭素含有材料加工体の製造方法。
4. 前記金属層は、鉄、コバルト、ニッケル、ロジウム、パラジウム、白金、イリジウム、およびマンガンからなる群から選ばれる少なくとも１種類の金属元素を含む請求項３に記載の固体炭素含有材料加工体の製造方法。
5. 前記金属層は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデンおよびタングステンからなる群から選ばれる少なくとも１種類の金属元素を含む請求項３に記載の固体炭素含有材料加工体の製造方法。
6. 前記非ダイヤモンド炭素の少なくとも一部を除去する方法は、
   前記非ダイヤモンド炭素を、酸素分子、水素分子および水分子からなる群から選ばれる少なくとも１種類の分子を含むガスを含む気相流体で処理する方法、
   前記非ダイヤモンド炭素を、酸素原子、水素原子、ヘリウム原子およびアルゴン原子からなる群から選ばれる少なくとも１種類の原子を含むプラズマを含む気相流体で処理する方法、
   前記非ダイヤモンド炭素を、酸素イオン、水素イオン、水酸化物イオン、ヘリウムイオンおよびアルゴンイオンからなる群から選ばれる少なくとも１種類のイオンを含むイオンビームで処理する方法、ならびに
   前記非ダイヤモンド炭素を、機械的および物理的の少なくともいずれかにより除去する方法、の少なくとも１種類の方法である請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の固体炭素含有材料加工体の製造方法。
7. 前記非ダイヤモンド炭素を除去する部分は、前記表面の一部である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の固体炭素含有材料加工体の製造方法。
8. 前記非ダイヤモンド炭素の少なくとも一部を除去する方法は、
   前記固体炭素含有材料の前記表面の内接円の半径よりも小さい直径を有する気相流体で処理する方法、
   前記固体炭素含有材料の前記表面の内接円の半径よりも小さい直径を有するイオンビームで処理する方法、
   前記固体炭素含有材料の内接円の半径よりも小さい外接円を有する開口部を有するマスクを利用する方法、の少なくとも１種類の方法である請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の固体炭素含有材料加工体の製造方法。
9. 加工表面の少なくとも一部が固体炭素で構成されている固体炭素含有材料加工体であって、
   前記固体炭素含有材料加工体の前記加工表面の形状は、前記加工表面に形成されている小凹凸の最大高さが２０μｍ以下の平滑な形状または前記加工表面に滑らかな面で形成されている最小高さが３０μｍ以上の凹凸を有する形状であり、
   前記加工表面の大きさが１ｍｍ角以上であり、前記加工表面における研磨損傷点の密度が１０個／ｍｍ²以下である固体炭素含有材料加工体。
10. 前記加工表面における金属原子の密度が１ｐｐｂ以上である請求項９に記載の固体炭素含有材料加工体。
11. 前記加工表面は周期的な小凹凸曲面を有する請求項９または請求項１０に記載の固体炭素含有材料加工体。
12. 前記加工表面は、内側に凸の曲面を有する小凹部と、外側に凸の曲面を有する小凸部と、を含み、
    前記加工表面をその最小二乗平面に垂直な方向から見たときに、前記小凹部の全面積は前記加工表面の全面積の６０％以上である請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載の固体炭素含有材料加工体。
13. 前記固体炭素は、単結晶ダイヤモンドおよび多結晶ダイヤモンドの少なくとも１種類を含む請求項９から請求項１２のいずれか１項に記載の固体炭素含有材料加工体。

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