含有固体碳的材料的加工体和其制造方法与流程

本公开涉及一种含有固体碳的材料的加工体和其制造方法。本申请要求于2017年8月15日提交的日本专利申请号2017-156850的优先权。该日本专利申请中记载的所有描述内容以引用的方式并入本文中。

背景技术：

加工诸如金刚石的含有固体碳的材料的方法的实例包括机械加工方法，如切割、研磨和/或抛光；使用诸如等离子体、离子和/或自由基的激发物种的化学加工方法；和热化学加工方法，其中将固体碳在金属固体或金属膜中固溶或与金属固体或金属膜反应。

作为机械加工方法，《日本磨料技术学会杂志》，第53卷，第4期，2009年4月，第242-247页(非专利文献1)公开了使用紫外线辅助抛光对pcd(金刚石烧结体)进行超精密加工。作为化学加工方法，appliedphysics(《应用物理》)，第77卷，第4期，2008年4月，第383-389页(非专利文献2)公开了使用低频大气压微等离子体射流加工固体材料。newdiamondandfrontiercarbontechnology(《新金刚石与前沿碳技术》)，第13卷，第1期，2003年1月，第19-30页(非专利文献3)公开了使用rie(反应性离子蚀刻)加工单晶金刚石。作为热化学加工方法，日本特表昭56-500371号公报(专利文献1)公开了通过使金刚石与由金属或合金形成的模具接触而提供的加工。日本特开2006-335591号公报(专利文献2)公开了如下的加工，其中在碳材料的处理表面上形成单晶金属薄膜，随后进行热处理以使碳材料中的碳与单晶金属薄膜反应，从而使碳作为金属碳化物在单晶金属薄膜中扩散。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表昭56-500371号公报

专利文献2：日本特开2006-335591号公报

非专利文献

非专利文献1：《日本磨料技术学会杂志》，第53卷，第4期，2009年4月，第242-247页。

非专利文献2：appliedphysics(《应用物理》)，第77卷，第4期，2008年4月，第383-389页。

非专利文献3：newdiamondandfrontiercarbontechnology(《新金刚石与前沿碳技术》)，第13卷，第1期，2003年1月，第19-30页。

技术实现要素：

根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的制造方法包括：准备所述含有固体碳的材料的步骤，所述含有固体碳的材料至少具有由固体碳构成的表面；和加工所述含有固体碳的材料的步骤，其中加工所述含有固体碳的材料的步骤包括：通过对所述含有固体碳的材料的所述表面中的所述固体碳进行热处理而形成非金刚石碳的子步骤；和去除所述非金刚石碳的至少一部分的子步骤。

根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体包含加工表面，所述加工表面的至少一部分由固体碳构成，其中：所述含有固体碳的材料的加工体的所述加工表面具有在所述加工表面中形成的小凹凸的最大高度为20μm以下的平滑形状；或具有如下形状：其具有在所述加工表面中的平滑表面中形成且具有30μm以上的最小高度的凹凸；并且所述加工表面具有1mm见方以上的尺寸，并且所述加工表面中的抛光损伤点的密度为10个点/mm²以下。

附图说明

图1为示出根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的制造方法的实例的流程图。

图2为示出根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的制造方法的实例的示意性立体图。

图3为示出根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的制造方法的实例的示意性立体图。

图4为示出根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的制造方法的实例的示意性立体图。

图5为示出根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的制造方法的实例的示意性立体图。

图6为示出根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的制造方法的实例的示意性立体图。

图7为示出根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的制造方法的实例的示意性立体图。

图8为示出根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的制造方法的实例的示意性立体图。

图9为示出根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的制造方法的实例的示意性立体图。

图10为示出根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的制造方法的实例的示意性立体图。

图11为示出根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的制造方法的实例的示意性立体图。

图12为示出根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的制造方法的实例的示意性立体图。

图13为示出根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的制造方法的实例的示意性立体图。

图14为示出根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的制造方法的实例的示意性立体图。

图15为示出根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的制造方法的实例的示意性立体图。

图16为示出在根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的制造方法中含有碳易固溶性金属元素的金属层和不含碳易固溶性金属元素的金属层的布置的实例的放大的示意性立体图。

图17为示出在根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的制造方法中含有碳易固溶性金属元素的金属层和不含碳易固溶性金属元素的金属层的布置的实例的放大的示意性立体图。

图18为示出根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的制造方法的实例的示意性立体图。

图19a为示出在根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的制造方法中去除非金刚石碳的至少一部分的方法的实例的示意图。

图19b为示出在根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的制造方法中去除非金刚石碳的至少一部分的方法中含有固体碳的材料的表面上的内接圆的实例的示意图。

图20a为示出在根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的制造方法中去除非金刚石碳的至少一部分的方法的实例的示意图。

图20b为示出在根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的制造方法中去除非金刚石碳的至少一部分的方法中利用的掩模的开口部的外接圆的实例的示意图。

图20c为示出在根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的制造方法中去除非金刚石碳的至少一部分的方法中含有固体碳的材料的表面上的内接圆的实例的示意图。

图21为示出在根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的制造方法中去除非金刚石碳的至少一部分的方法的实例的示意图。

图22为示出在根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的加工表面中形成的小凹凸的实例的示意性剖面图。

图23为示出其中使用扫描型白光干涉仪测量在根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的加工表面中形成的小凹凸的最大高度的范围的实例的示意性平面图。

图24为示出在根据本公开的一个方面的含有固体碳的材料的加工体的加工表面中形成的凹凸的实例的示意性剖面图。

具体实施方式

[本公开要解决的问题]

《日本磨料技术学会杂志》，第53卷，第4期，2009年4月，第242-247页(非专利文献1)中公开的机械加工方法可以提供平滑的加工表面以使得能够进行精密加工，但是诸如金刚石的含有固体碳的材料的硬度根据其平面取向而变化。不利的是，需要花费很长时间来加工具有高硬度平面取向的含有固体碳的材料(这意味着需要花费1小时以上来研磨1μm的厚度)。

appliedphysics(《应用物理》)，第77卷，第4期，2008年4月，第383-389页(非专利文献2)和newdiamondandfrontiercarbontechnology(《新金刚石与前沿碳技术》)，第13卷，第1期，2003年1月，第19-30页(非专利文献3)中公开的化学加工方法不管诸如金刚石的含有固体碳的材料的取决于平面取向的硬度的高低如何都使得能够相对短的约2小时的加工来研磨10μm的厚度。然而，不利的是，会在加工表面中残留陡峭的台阶和/或微细的突起而不能提供平滑加工。

日本特表昭56-500371号公报(专利文献1)中公开的热化学加工方法存在不能提供精密加工的问题。该问题的原因的实例包括(1)形成模具的金属或合金一般是多晶，这会引起局部不同的蚀刻速率；(2)模具在高温处理中不均匀地膨胀；和(3)模具在高温处理中在熔点以下的温度下软化，这会导致模具的精度大大降低。

日本特开2006-335591号公报(专利文献2)中公开的热化学加工方法存在例如以下问题，(1)金属边缘部分移动，这会导致图案形状变形；(2)变形导致金刚石的各向异性蚀刻；(3)金属边缘部朝向没有图案的金刚石扩散，并且变得比图案宽度更宽，这无法控制；和(4)平面蚀刻(有或没有蚀刻)是可能的，但是立体曲面加工(蚀刻量的调整)是困难的。

因此，本发明的目的在于解决上述问题，提供一种含有固体碳的材料的加工体的制造方法，所述方法可以在短时间内平滑地加工含有固体碳的材料的表面而不管其平面取向如何；和一种含有固体碳的材料的加工体，所述加工体是由此制造的并且具有平滑表面。

[本公开的有益效果]

根据上文，可以提供一种含有固体碳的材料的加工体的制造方法，所述方法可以在短时间内平滑地加工含有固体碳的材料的表面而不管其平面取向如何；和一种含有固体碳的材料的加工体，所述加工体是由此制造的并且具有平滑表面。

[实施方式的说明]

首先，将列出并且说明本公开的实施方式。

[1]根据本公开的一个实施方式的含有固体碳的材料的加工体的制造方法包括：准备所述含有固体碳的材料的步骤，所述含有固体碳的材料至少具有由固体碳构成的表面；和加工所述含有固体碳的材料的步骤。加工所述含有固体碳的材料的步骤包括：通过对所述含有固体碳的材料的所述表面中的所述固体碳进行热处理而形成非金刚石碳的子步骤；和去除所述非金刚石碳的至少一部分的子步骤。本实施方式的含有固体碳的材料的加工体的制造方法可以在短时间(在本公开的实施方式中，这意味着在3小时以下的短时间内研磨100μm的厚度，以下同样适用)内平滑地加工含有固体碳的材料的表面(例如加工成平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)而不管其平面取向如何。单纯的高度蚀刻加工时间优选为34μm/h以上，更优选为50μm/h以上，还更优选为80μm/h以上，并且特别优选为100μm/h以上。如果单纯的高度蚀刻加工时间更短，那么可以缩短用于扫描以进行平坦化的总加工时间。在此，单纯的高度蚀刻加工速度是在不扫描等离子体、离子气流或束的情况下连续加工同一部分时每单位时间的蚀刻加工厚度(减少的厚度)。

[2]在所述方法中，对所述固体碳进行热处理的气氛中的氧分压可以为0.133pa以下。这样的方法可以在短时间内以高精度更平滑地加工含有固体碳的材料的表面(例如加工成平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)而不管其平面取向如何。

[3]在所述方法中，加工所述含有固体碳的材料的步骤在所述形成非金刚石碳的子步骤之前还可以包括在所述表面的至少一部分上形成金属层的子步骤。这样的方法可以在更短的时间内更平滑地加工含有固体碳的材料的表面(例如加工成平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)而不管其平面取向如何。

[4]在所述方法中，所述金属层可以含有选自由铁、钴、镍、铑、钯、铂、铱和锰构成的组中的至少一种金属元素。这样的方法可以在更短的时间内更平滑地加工含有固体碳的材料的表面(例如加工成平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)而不管其平面取向如何。

[5]在所述方法中，所述金属层可以含有选自由钛、锆、铪、钒、铌、钽、铬、钼和钨构成的组中的至少一种金属元素。这样的方法可以在更短的时间内更平滑地加工含有固体碳的材料的表面(例如加工成平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)而不管其平面取向如何。

[6]在所述方法中，去除所述非金刚石碳的至少一部分的方法可以是以下方法中的至少一种：使用含有气体的气相流体处理所述非金刚石碳的方法，所述气体含有选自由氧分子、氢分子和水分子构成的组中的至少一种分子；使用含有等离子体的气相流体处理所述非金刚石碳的方法，所述等离子体含有选自由氧原子、氢原子、氦原子和氩原子构成的组中的至少一种原子；使用离子束处理所述非金刚石碳的方法，所述离子束含有选自由氧离子、氢离子、氢氧根离子、氦离子和氩离子构成的组中的至少一种离子；和通过机械处理和物理处理中的至少一种去除所述非金刚石碳的方法。这样的方法可以在更短的时间内更平滑地加工含有固体碳的材料的表面(例如加工成平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)而不管其平面取向如何。

[7]在所述方法中，去除所述非金刚石碳的部分可以为所述表面的一部分。这样的方法可以在短时间内平滑地加工含有固体碳的材料的表面(例如加工成平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)而不管其平面取向如何。

[8]在所述方法中，去除所述非金刚石碳的至少一部分的方法可以为以下中的至少一种方法：使用气相流体的处理方法，所述气相流体具有小于所述含有固体碳的材料的所述表面上的内接圆的半径的直径；使用离子束的处理方法，所述离子束具有小于所述含有固体碳的材料的所述表面上的内接圆的半径的直径；和利用具有开口部的掩模的方法，所述开口部具有直径小于所述含有固体碳的材料的内接圆的半径的外接圆。这样的方法可以以高精度更平滑地加工含有固体碳的材料的表面(例如加工成平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)而不管其平面取向如何。

[9]根据本公开的另一个实施方式的含有固体碳的材料的加工体包含加工表面，所述加工表面的至少一部分由固体碳构成，其中：所述含有固体碳的材料的加工体的加工表面具有在所述加工表面中形成的小凹凸的最大高度为20μm以下的平滑形状，或具有如下形状：其具有在所述加工表面中的平滑表面中形成且具有30μm以上的最小高度的凹凸；并且所述加工表面具有1mm见方(被称为具有1mm的边长的正方形，以下应当同样适用)以上的尺寸，并且所述加工表面中的抛光损伤点的密度为10个点/mm²以下。在此，在平滑加工表面中形成的小凹凸指的是不是由含有固体碳的材料的加工体的制造方法有意形成并且具有20μm以下的最大高度的小凹凸。小凹凸的最大高度指的是与加工表面的最小二乘平面平行并且通过加工表面的最大的小凹部的顶点的基准平面与加工表面的最大的小凸部的顶点之间的距离。由加工表面中的平滑表面形成的凹凸指的是由含有固体碳的材料的加工体的制造方法有意形成并且具有30μm以上的最小高度的凹凸。凹凸的最小高度指的是与加工表面的最小二乘平面平行并且通过加工表面的最小凹部的顶点的基准平面与加工表面的最小凸部的顶点之间的距离。其中形成凹凸的平滑表面包括其中小凹凸的最大高度为20μm以下的平滑形状。本实施方式的含有固体碳的材料的加工体具有晶体品质高的平滑的加工表面(例如平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)而不管其平面取向如何。

[10]在所述含有固体碳的材料的加工体中，所述加工表面中金属原子的密度可以为1ppb以上。当在形成金属层之后加工这样的含有固体碳的材料的加工体时，所述加工表面含有具有一定水平以上的密度的金属原子。

[11]在所述含有固体碳的材料的加工体中，所述加工表面可以具有周期性的小凹凸曲面。这样的含有固体碳的材料的加工体具有平滑的加工表面(例如平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)而不管其平面取向如何。

[12]在所述含有固体碳的材料的加工体中，所述加工表面可以包括向内凸起的小凹部和向外凸起的小凸部；并且当从与所述加工表面的最小二乘平面垂直的方向观察所述加工表面时，所述小凹部的总面积可以占所述加工表面的总面积的60％以上。本实施方式的含有固体碳的材料的加工体具有平滑的加工表面(例如平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)而不管其平面取向如何。

[13]在所述含有固体碳的材料的加工体中，所述固体碳可以含有单晶金刚石和多晶金刚石中的至少一种。这样的含有固体碳的材料的加工体也具有平滑的加工表面(例如平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)而不管其平面取向如何。

[本公开的实施方式的详情]

<实施方式1：含有固体碳的材料的加工体的制造方法>

参照图1至图18，根据本公开的一个实施方式的含有固体碳的材料的加工体的制造方法包括：准备含有固体碳的材料10的步骤s10，所述含有固体碳的材料10至少具有由固体碳构成的表面；和加工含有固体碳的材料10的步骤s20。加工含有固体碳的材料10的步骤s20包括：通过对含有固体碳的材料10的表面中的固体碳进行热处理而形成非金刚石碳10nd的子步骤s22；和去除非金刚石碳10nd的至少一部分的子步骤s23。由于本实施方式的含有固体碳的材料的加工体的制造方法是化学断裂碳的强键并且之后去除表面中的碳的方法，因此可以在短时间内平滑地加工含有固体碳的材料10的表面而不管其平面取向如何。也就是说，根据本实施方式的含有固体碳的材料的加工体的制造方法，在短时间内获得了含有固体碳的材料的加工体20，所述加工体具有经过平滑加工(例如被加工成平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)的表面而不管其平面取向如何。

(准备含有固体碳的材料的步骤)

参照图1和图2(a)至图9(a)，在准备含有固体碳的材料的步骤s10中准备的含有固体碳的材料10至少具有由固体碳构成的表面。在此，固体碳指的是以固体形式存在的碳，并且包括通过sp3杂化轨道键合的sp3键合的碳和通过sp2杂化轨道键合的sp2键合的碳等。固体碳包括金刚石碳(sp3键合的碳)和非金刚石碳(除sp3键合的碳以外的碳)。金刚石碳包括金刚石(sp3键合的碳)。非金刚石碳包括类金刚石碳(dlc：sp3键合的碳和sp2键合的碳的混合物)、玻璃碳(sp3键合的碳和sp2键合的碳的混合物)、石墨(sp2键合的碳)、石墨烯(sp2键合的碳)、炭黑、活性炭和碳纤维等。要准备的含有固体碳的材料可以具有块状、包括薄膜状的板状或不定形状。含有固体碳的材料可以具有如下表面，所述表面具有最小高度为30μm以上的凹凸。所述含有固体碳的材料可以具有平坦表面或曲面，其中小凹凸的最大高度为20μm以下。准备含有固体碳的材料的步骤提供含有固体碳的材料的加工体，所述加工体是通过平滑地加工含有固体碳的材料的表面(例如加工成平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)而获得的，而不管其平面取向如何。

至少构成含有固体碳的材料10的表面的固体碳可以含有sp3键合的固体碳(例如金刚石碳10d)和sp2键合的固体碳中的至少一种。即使所述固体碳含有sp3键合的固体碳和sp2键合的固体碳中的至少一种，也可以在短时间内更平滑地加工含有固体碳的材料10的表面(例如加工成平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)而不管其平面取向如何。

含有固体碳的材料10可以含有金刚石碳10d，即含有单晶金刚石和多晶金刚石中的至少一种。即使含有固体碳的材料10含有单晶金刚石和多晶金刚石中的至少一种，也可以在短时间内平滑地加工含有固体碳的材料10的表面(例如加工成平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)而不管其平面取向如何。

(加工含有固体碳的材料的步骤)

参照图1、图2(b)和图2(c)、图3(b)至图3(d)至图9(b)至图9(d)、图10(a)至图10(d)至图15(a)至图15(d)、图16、图17和图18(a)至图18(d)，加工含有固体碳的材料10的步骤包括通过对含有固体碳的材料10、10a、10b、10c的表面中的固体碳进行热处理而形成非金刚石碳10nd的子步骤；和去除非金刚石碳10nd的至少一部分的子步骤。通过这样的子步骤，可以在短时间内平滑地加工含有固体碳的材料10的表面(例如加工成平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)而不管其平面取向如何。

在此，需要去除至少一部分的子步骤，以平滑地加工含有固体碳的材料10的表面(例如加工成平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)而不管其平面取向如何。这是因为，即使均匀地加工整个非平坦表面，也难以获得平滑的加工表面，并且即使均匀地加工具有不期望的形状的整个表面，也很难获得具有所期望的形状的加工表面。也就是说，这是因为，需要有意地加工表面以具有平滑形状或在平滑表面中具有所期望的形状。即使并非加工表面的一部分，而是加工整个表面，也要使用不均匀的加工，即其中在加工部的中心处提供最快的加工而在加工部的周边处提供突然变慢的加工的不均匀的加工，由此可以在所期望的位置处在所期望的时间内对此进行扫描以使得加工成所期望的形状。

在形成非金刚石碳10nd的子步骤中，对固体碳进行热处理的气氛中的氧分压不受特别限制，但是从通过形成均匀的非金刚石碳10nd来提高平滑形状或所期望的形状的加工精度的观点来看，优选为0.133pa以下，更优选为0.0133pa以下，并且还更优选为0.000133pa以下。在此，降低对固体碳进行热处理的气氛中的氧分压的原因在于如果氧分压大，那么通过热处理而形成的非金刚石碳会被均匀地去除。这是因为，为了使得精确地加工成平滑形状或所期望的形状，不需要均匀地去除非金刚石碳，而是仅需要去除所期望的位置处的非金刚石碳。较小的氧分压会引起所期望的位置与不期望的位置之间的去除率之差增加，这是优选的。

从在短时间内加工含有固体碳的材料的观点来看，热处理的温度优选为300℃以上，更优选为600℃以上，并且还更优选为800℃以上。在热处理中更高的固体碳的温度是优选的，这是因为去除速率更快。

此外，用于处理的气相流体的温度也优选地高于室温，更优选为300℃以上，更优选为600℃以上，并且还更优选为800℃以上。更高的用于处理的气相流体的温度是优选的，这是因为去除速率更快。然而，当氧分压为0.0133pa以上时，更优选使用具有在固体碳的温度不高于600℃的范围内的尽可能高的温度的气相流体处理固体碳。

参照图1、图5(b)和图5(c)至图8(b)和图8(c)、图9(b)、图12(a)至图12(c)至图14(a)至图14(c)、图15(a)至图15(c)和图18(a)，优选的是，加工含有固体碳的材料10的步骤在形成非金刚石碳10nd的子步骤之前还包括在表面的至少一部分上形成金属层10mb和10mc的子步骤。通过这样的子步骤，可以在更短的时间内更平滑地加工含有固体碳的材料10的表面(例如加工成平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)而不管其平面取向如何。这是因为，如果存在金属层10mb和10mc，那么与其中不存在金属层的情况相比，更容易形成非金刚石碳10nd，由此容易间接地去除金刚石。

在此，参照图5(b)和图5(c)至图7(b)和图7(c)、图12(a)至图12(c)、图13(a)至图13(c)和图15(a)至图15(c)，金属层10mb优选含有选自由fe(铁)、co(钴)、ni(镍)、rh(铑)、pd(钯)、pt(铂)、ir(铱)和mn(锰)构成的组中的至少一种金属元素，并且更优选含有选自由fe(铁)、co(钴)和ni(镍)构成的组中的至少一种金属元素。这样的金属元素是其中固体碳容易固溶的金属元素(以下也被称为碳易固溶性金属元素)。因此，当对其中在表面的至少一部分上形成含有碳易固溶性金属元素的金属层10mb的含有固体碳的材料10b进行热处理时，与金属层10mb接触的含有固体碳的材料10中的固体碳在金属层10mb中固溶。当固溶的固体碳饱和时，非金刚石碳10nd在金属层10mb的暴露表面(与含有固体碳的材料接触的表面的相反侧的表面)上析出。因此，通过去除非金刚石碳10nd，可以在更短的时间内平滑地加工含有固体碳的材料10的表面(例如加工成平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)而不管其平面取向如何。在此，从在短时间内加工含有固体碳的材料的观点来看，使用含有碳易固溶性金属元素的金属层10mb的热处理的温度优选为600℃以上，更优选为800℃以上，并且还更优选为1000℃以上。

参照图8(b)和图8(c)、图9(b)、图14(a)和图14(c)以及图16(a)和图16(b)，金属层10mc优选含有选自由ti(钛)、zr(锆)、hf(铪)、v(钒)、nb(铌)、ta(钽)、cr(铬)、mo(钼)和w(钨)构成的组中的至少一种金属元素，并且更优选含有选自由ti、zr和hf构成的组中的至少一种金属元素。这样的金属元素是易于与固体碳反应而形成金属碳化物的金属元素(以下也被称为易碳化性金属元素)。因此，当对其中在表面的至少一部分上形成含有易碳化性金属元素的金属层10mc的含有固体碳的材料10b进行热处理时，与金属层10mb接触的含有固体碳的材料10中的固体碳与易碳化性金属元素反应而形成作为非金刚石碳10nd的金属碳化物。因此，通过去除非金刚石碳10nd，可以在更短的时间内更平滑地加工含有固体碳的材料10的表面(例如加工成平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)而不管其平面取向如何。在此，从在短时间内加工含有固体碳的材料的观点来看，使用含有易碳化性金属元素的金属层10mc的热处理的温度优选为300℃以上，更优选为600℃以上，并且还更优选为800℃以上。

此外，在图2(b)和图2(c)、图3(c)和图3(d)至图9(c)和图9(d)、图10(b)至图10(d)至图15(b)至图15(d)以及图18(c)和图18(d)中所示的去除非金刚石碳10nd的至少一部分的子步骤中，去除非金刚石碳10nd的至少一部分的方法优选为以下方法中的至少一种：使用含有气体的500℃以上的气相流体f处理非金刚石碳10nd的方法，所述气体含有选自由o2(氧)分子、h2(氢)分子和h2o(水)分子构成的组中的至少一种分子(图19a)；使用含有等离子体的气相流体f处理非金刚石碳10nd的方法，所述等离子体含有选自由o(氧)原子、h(氢)原子、he(氦)原子和ar(氩)原子构成的组中的至少一种原子(图19a)；使用离子束b处理非金刚石碳10nd的方法，所述离子束b含有选自由o(氧)离子、h(氢)离子、oh(氢氧根)离子、he(氦)离子和ar(氩)离子构成的组中的至少一种离子(图20a)；和通过机械处理和物理处理中的至少一种去除非金刚石碳10nd的方法(图21)。这样的方法可以在更短的时间内更平滑地加工含有固体碳的材料的表面(例如加工成平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)而不管其平面取向如何。

参照图19a，使用含有包含选自由o2分子、h2分子和h2o分子构成的组中的至少一种分子的气体的500℃以上的气相流体f处理非金刚石碳10nd的方法或使用含有包含选自由o原子、h原子、he原子和ar原子构成的组中的至少一种原子的等离子体的气相流体f处理非金刚石碳10nd的方法例如是通过从流体喷射部111将气相流体f喷射到含有固体碳的材料10的表面上来去除在表面上形成的非金刚石碳10nd的方法。在此，可以通过将流体喷射部111相对于含有固体碳的材料10移动来扫描气相流体f。

参照图20a，使用含有选自由o离子、h离子、oh离子、he离子和ar离子构成的组中的至少一种离子的离子束b处理非金刚石碳10nd的方法例如是通过使用来自束放射部121的离子束b照射含有固体碳的材料10的表面来去除在表面上形成的非金刚石碳10nd的方法。在此，从通过减小离子束b的放射直径来提高加工精度的观点来看，可以使用具有开口部的掩模122。可以通过将束放射部121和/或掩模122相对于含有固体碳的材料10移动来扫描离子束b。

参照图21，通过机械处理和物理处理中的至少一种去除非金刚石碳10nd的方法是通过将诸如砂轮的去除工具131相对于含有固体碳的材料10往复运动和/或旋转，同时将去除工具131压向含有固体碳的材料10的表面来去除在表面上形成的非金刚石碳10nd的方法。在此，可以通过将去除工具131相对于含有固体碳的材料10移动来扫描去除工具131。

优选的是，去除非金刚石碳10nd的部分是表面的一部分。这样的含有固体碳的材料的加工体的制造方法可以在短时间内平滑地将含有固体碳的材料的表面加工成所期望的形状而不管其平面取向如何。这是因为，当形成平滑表面时，先前的表面不平滑并且首先去除其一部分，并且当形成所期望的形状时，指示曲面形状，并且以去除其一部分作为前提。

此外，参照图22和图24，在去除非金刚石碳10nd之后含有固体碳的材料的加工体20的加工表面的形状优选为其中在加工表面中形成的小凹凸的最大高度为20μm以下的平滑形状或具有如下形状：其具有在所述加工表面中的平滑表面中形成且具有30μm以上的最小高度的凹凸。在此，如图22中所示，在平滑加工表面20ps中形成的小凹凸指的是不是由含有固体碳的材料的加工体的制造方法有意形成并且具有20μm以下的最大高度的小凹凸。小凹凸的最大高度指的是与加工表面20ps的最小二乘平面20lsp平行并且通过加工表面20ps的最大的小凹部的顶点的基准平面20bp与加工表面的最大的小凸部的顶点之间的距离。此外，如图24中所示，由加工表面20ps中的平滑表面形成的凹凸指的是由含有固体碳的材料的加工体的制造方法有意形成并且具有30μm以上的最小高度的凹凸。凹凸的最小高度指的是与加工表面20ps的最小二乘平面20lsp平行并且通过加工表面20ps的最小凹部的顶点的基准平面20bp与加工表面的最小凸部的顶点之间的距离。其中形成凹凸的平滑表面包括其中小凹凸的最大高度为20μm以下的平滑形状。这样的含有固体碳的材料的加工体的制造方法可以在短时间内更平滑地加工含有固体碳的材料的表面(例如加工成平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)而不管其平面取向如何。

从上述观点来看，当含有固体碳的材料的加工体20的加工表面20ps具有平滑形状时，在平滑的加工表面20ps中形成的小凹凸的最大高度优选为20μm以下，更优选为10μm以下，还更优选为5μm以下，还更优选为3μm以下，进一步优选为1μm以下，并且特别优选为0.1μm以下。当含有固体碳的材料的加工体20的加工表面20ps具有由平滑表面形成的凹凸时，加工表面20ps的凹凸的最小高度优选为30μm以上，更优选为50μm以上，并且还更优选为100μm以上。在加工表面中，平滑部分的凹凸的最大高度可以被设定为0.1μm以下，并且具有平滑凹凸的部分的凹凸的最小高度也可以被设定为100μm以上。加工体的平行度优选为0.5°以下，更优选为0.3°以下，还更优选为0.25°以下，并且特别优选为0.1°以下。如上文所述的加工精度根据其上形成非金刚石层的金属的类型而变化。如果碳在金属中的固溶度或扩散度大，那么平坦加工的精度倾向于高。难以实现在抛光损伤点密度保持在10个点/mm²以下的情况下的这些加工精度，或更难以实现在抛光损伤点密度保持在0个点/mm²的情况下的加工精度。通过本实施方式的含有固体碳的材料的加工体的制造方法实现了所述加工精度。

可以通过激光位移计(例如由神津精机株式会社制造的表面形状测量系统dyvoce-3000或它的等同物)来测量在平滑的加工表面20ps中形成的小凹凸的最大高度和由加工表面20ps中的平滑表面形成的凹凸的最小高度。然而，由于激光位移计的测量精度为约1μm，因此适当地使用扫描型白光干涉仪(例如由佳能公司制造的zygonewview200或它的等同物)来测量小于1μm的小凹凸的高度。扫描型白光干涉仪会使得难以在宽广区域中测量小凹凸的高度，并且在多个狭窄区域中进行测量。例如，参照图23，通过扫描型白光干涉仪测量的小凹凸的最大高度被视为在以要测量的加工表面20ps的重心点p1和由在重心点p1处彼此正交的两条直线l1和l2划分的四个区域的四个重心点p2、p3、p4、p5为中心的0.4mm见方(被称为具有0.4mm的边长的正方形，以下应当同样适用)的五个范围r1、r2、r3、r4、r5中测量并且获得的最大高度。

此外，去除非金刚石碳的至少一部分的方法优选为以下方法中的至少一种：使用等离子体射流(气相流体f)的处理方法，所述等离子体射流具有小于含有固体碳的材料10的表面上的内接圆10i的半径ri的直径df(参见图19a和图19b)；使用离子束b的处理方法，所述离子束b具有小于含有固体碳的材料10的表面上的内接圆10i的半径ri的直径db(参见图20a和图20c)；和利用具有开口部122w的掩模122的方法，所述开口部122w具有直径小于含有固体碳的材料10的内接圆10i的半径ri的外接圆122wc(参见图20a、图20b和图20c)。这样的方法可以以高精度更平滑地加工含有固体碳的材料的表面(例如加工成平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)而不管其平面取向如何。

(实施方式1a)

参照图1、图2至图4、图10和图11，在更具体的实施方式1a中，在加工至少具有由含有金刚石碳10d的材料构成的表面的含有固体碳的材料10的步骤s20中，通过对含有固体碳的材料10的表面中的金刚石碳10d进行热处理而形成非金刚石碳10nd的子步骤(图2(b)至图4(b)、图10(a)和图11(a))，获得在表面上形成有非金刚石碳10nd的含有固体碳的材料10a。通过从含有固体碳的材料10a去除非金刚石碳10nd的至少一部分的子步骤(图2(c)、图3(c)和图3(d)、图4(c)和图4(d)、图10(b)和图10(d)以及图11(b)和图11(d))，获得含有固体碳的材料的加工体20(图2(c)、图3(d)、图4(d)、图10(d)和图11(d))。以这种方式，通过在短时间内平滑地加工含有固体碳的材料10的表面(例如加工成平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)获得含有固体碳的材料的加工体20而不管其平面取向如何。

在图2至图4、图10和图11中所示的步骤中，当金刚石结合材料为100％时，金刚石碳10d最有效。这是因为，在去除非金刚石碳的子步骤中，通过利用非金刚石碳的去除效率比金刚石碳的去除效率大得多的特征，有助于加工成所期望的形状。非金刚石碳和金刚石碳的去除效率是非常容易改变的。这是因为，即使在相同的条件下，一般也更容易去除非金刚石碳。在相同的时间内，容易去除非金刚石碳，因此去除几乎停止在金刚石碳处。

图2(c)、图3(d)、图4(d)、图10(d)和图11(d)示出其中完全去除在含有固体碳的材料10的表面中形成的非金刚石碳10nd的情况。图3(c)、图4(c)、图10(b)和图11(b)示出其中去除在含有固体碳的材料10的表面中形成的非金刚石碳10nd的一部分的情况。在此，去除非金刚石碳10nd的一部分的方法不受特别限制，但是从提高加工精度的观点来看，或从制造受控的平坦表面(预期的平坦表面)或受控的曲面(预期的曲面)的观点来看，使用具有小直径的等离子体射流或离子束的加工方法、使用具有小开口部的掩模的方法、机械去除方法等是优选的。机械去除方法还提供了非常容易的加工。这是因为非金刚石碳10nd非常柔软并且具有与金刚石碳10d显著不同的硬度。然而，加工废物在不气化的情况下不会飞走，这使得有必要设计诸如吹走加工废物的措施。

如图3(c)和图4(c)中所示，对其中通过蚀刻等去除在图3(b)和图4(b)中所示的含有固体碳的材料10的表面上形成的非金刚石碳10nd的一部分以暴露金刚石碳10d的含有固体碳的材料10a进一步进行热处理，以在暴露的金刚石碳10d的表面上形成非金刚石碳10nd。通过与上述相同的方法进一步去除新形成的非金刚石碳10nd。以这种方式，通过在含有固体碳的材料10的表面的所期望的部分中重复形成和去除非金刚石碳10nd，可以将表面加工成所期望的形状。

在图10中所示的实例中，通过加工同一部分而形成台阶状的加工体，但是如图11中所示的实例中那样，通过加工与第一部分和第二部分不同的部分而提供微细的台阶状的部分。然而，也可以获得不具有单个台阶而是具有若干不同的台阶的立体形状(具有起伏的等高线)的加工体。可以获得具有整体上平滑的立体形状的加工体。即使在图2中所示的实例中，当通过小直径的等离子体射流等将含有固体碳的材料多次改变形状进行加工时，每一个台阶也不是陡峭的，由此一个台阶是平滑的突起，并且可以形成具有整体上更平滑的凹凸的加工体。在图4中所示的实例中，如果在表面中具有大的凹凸的含有固体碳的材料中加工许多凸部分而几乎不加工凹部分，那么通过重复该工序来减少凹凸，由此也可以形成平坦且平滑的表面。代替重复上述工序，在其中进行热处理以形成非金刚石碳的环境中去除非金刚石碳，由此也可以使形成非金刚石碳的子步骤和去除非金刚石碳的子步骤同时进行。

在实施方式1a的含有固体碳的材料10、10a的热处理中，从以高精度加工含有固体碳的材料的观点来看，热处理的气氛中的氧分压优选为0.133pa以下，更优选为0.0133pa以下，并且还更优选为0.000133pa以下。从在短时间内加工含有固体碳的材料的观点来看，热处理的温度优选为300℃以上，更优选为600℃以上，并且还更优选为800℃以上。

(实施方式1b)

参照图1、图5至图7、图12、图13和图15，在更具体的实施方式1b中，在加工至少具有由含有金刚石碳10d的材料构成的表面的含有固体碳的材料10的步骤s20中，通过在含有固体碳的材料10的表面的至少一部分上形成含有选自由fe、co、ni、rh、pd、pt、ir和mn构成的组中的至少一种金属元素(碳易固溶性金属元素)的金属层10mb的子步骤，获得含有固体碳的材料10b，其中在表面的至少一部分上形成含有碳易固溶性金属元素的金属层10mb(图5(b)至图7(b)、图12(a)、图13(a)和图15(a))。

在此，图5(b)至图7(b)、图12(a)和图13(a)示出其中在含有固体碳的材料10的整个表面上形成金属层10mb的情况。图15(a)示出其中在含有固体碳的材料10的表面的一部分上形成金属层10mb的情况。在这种情况下，优选的是，在除含有碳易固溶性金属元素的金属层以外的其余部分中形成不含碳易固溶性金属元素的金属层。这是因为，防止在去除碳时含有碳易固溶性金属元素的金属层的部分扩散到不含碳易固溶性金属元素的金属层中。如图16和图17中所示，形成了不含碳易固溶性金属元素的金属层10mn，因此不含碳易固溶性金属元素的金属层10mn的部分不会固溶碳。因此，不会对碳进行加工，并且即使含有碳易固溶性金属元素的金属层10mb扩散或变形，不含碳易固溶性金属元素的金属层10mn也会阻挡金属层10mb以使其停止。

含有固体碳的材料10的表面不必是100％金刚石的表面。这是因为，固溶在含有碳易固溶性金属元素的金属层中的碳不依赖于表面的硬度，因此所需量的碳以相同的量固溶，并且以相同的方式加工。

对含有固体碳的材料10b的表面中的金刚石碳10d进行热处理，由此使与金属层10mb接触的含有固体碳的材料10中的固体碳在金属层10mb中固溶。当固溶的固体碳饱和时，获得含有固体碳的材料10b，其中非金刚石碳10nd在金属层10mb的暴露表面(与含有固体碳的材料接触的表面的相反侧的表面)上析出(图5(c)、图6(b)、图7(b)、图12(a)、图13(a)和图15(a))。当在含有碳易固溶性金属元素的金属层10mb上形成非金刚石碳10nd层时，固体碳从含有固体碳的材料10向金属层10mb中的固溶停止。当去除在金属层10mb上形成的非金刚石碳10nd层时，固体碳从含有固体碳的材料10向金属层10mb中的固溶再次开始。在含有碳易固溶性金属元素的金属层的表面上形成的非金刚石碳10nd层不取决于金属层下方的含有金刚石碳的含有固体碳的材料10的类型。这是因为，一旦固体碳在含有碳易固溶性金属元素的金属层中固溶，就会在相同的条件下析出相同的物质。因此，实施方式1b具有不依赖于下部而进行加工的优势。

通过从含有固体碳的材料10b去除非金刚石碳10nd的至少一部分的子步骤(图5(d)、图6(b)和图6(d)、图7(b)和图7(d)、图12(b)和图12(d)、图13(b)和图13(d)以及图15(b)和图15(d))，获得含有固体碳的材料的加工体20(图5(d)至图7(d)、图12(d)、图13(d)和图15(d))。以这种方式，通过在短时间内以高品质平滑地加工含有固体碳的材料10的表面(例如加工成平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)获得含有固体碳的材料的加工体20，而不管其平面取向如何。在此，图5(d)至图7(d)、图12(d)、图13(d)以及图15(b)和图15(d)示出其中完全去除了在含有固体碳的材料10的表面上形成的含有碳易固溶性金属元素的金属层10mb和非金刚石碳10nd的情况。图6(c)、图7(c)、图12(b)和图13(b)示出其中去除了在含有固体碳的材料10的表面上形成的含有碳易固溶性金属元素的金属层10mb的表面上形成的非金刚石碳10nd的一部分的情况。由于去除非金刚石碳的条件和去除含有碳易固溶性金属元素的金属层的条件一般彼此不同，因此在去除非金刚石碳的条件下先停止去除，由此容易使每一个步骤按顺序进行。去除非金刚石碳10nd的一部分的方法不受特别限制，但是从提高加工精度的观点来看，或从制造受控的平坦表面(预期的平坦表面)或受控的曲面(预期的曲面)的观点来看，使用具有小直径的等离子体射流或离子束的加工方法、使用具有小开口部的掩模的方法和机械去除方法等是优选的。在此，由于从小直径供给的含有等离子体和离子的气相流体加工含有固体碳的材料，因此其直径越小，或从越近的位置供给气相流体，则加工精度越高。

通过对其中通过蚀刻等去除在图12(b)中所示的含有固体碳的材料10b的金属层10mb的表面上形成的非金刚石碳10nd的一部分以暴露金属层10mb的含有固体碳的材料10b进一步进行热处理，使非金刚石碳10nd在暴露的金属层10mb的表面上析出，如图12(c)中所示。以与上述相同的方式进一步去除新形成的非金刚石碳10nd层。以这种方式，在含有固体碳的材料10的表面的所期望的部分中，通过使用含有碳易固溶性金属元素的金属层10mb，重复进行非金刚石碳10nd的析出和去除，可以将表面加工成所期望的形状。在图12中所示的实例中，通过加工同一部分而形成台阶状的部分，但是如在图13中所示的实例中那样，通过加工与第一部分和第二部分不同的部分而提供微细的台阶状的部分。然而，也可以加工不具有单个台阶而是具有若干不同的台阶的立体形状(具有起伏的等高线)的台阶状部分。可以获得具有整体上平滑的立体形状的加工体。

即使在图5中所示的实例中，当通过小直径的等离子体射流等将含有固体碳的材料多次改变形状进行加工时，每一个台阶也不是陡峭的，由此一个台阶是平滑的突起，并且可以如所期望的整体上形成具有更平滑的起伏的形状。在图7中所示的实例中，如果在表面中具有大的凹凸的含有固体碳的材料中加工许多凸部分而几乎不加工凹部分，那么通过重复该工序来减少凹凸，由此也可以形成平坦且平滑的表面。代替重复上述工序，在其中可以进行热处理以形成非金刚石碳层的环境中同时去除非金刚石碳层，由此也可以使形成非金刚石碳的子步骤和去除非金刚石碳的子步骤同时进行。

如图15(a)中所示，对其中在表面的一部分上形成有含有碳易固溶性金属元素的金属层10mb的含有固体碳的材料10b进行热处理，由此使非金刚石碳10nd在金属层10mb的表面上析出。然而，如图16和图17中所示，在其中没有形成含有碳易固溶性金属元素的金属层10mb的部分中，在与含有碳易固溶性金属元素的金属层10mb接触的至少一部分中形成不含碳易固溶性金属元素的金属层10mn。接下来，如图15(b)中所示，通过蚀刻等去除在含有固体碳的材料10b的金属层10mb的表面上析出的非金刚石碳10nd层以暴露含有碳易固溶性金属元素的金属层10mb。接下来，如图15(c)中所示，对其中在表面的一部分中暴露出含有碳易固溶性金属元素的金属层10mb的含有固体碳的材料10b进一步进行热处理，由此使非金刚石碳10nd在暴露的含有碳易固溶性金属元素的金属层10mb的表面上析出。进一步去除新形成的非金刚石碳10nd层，并且对暴露的含有碳易固溶性金属元素的金属层10mb进一步进行热处理以使非金刚石碳10nd在暴露的含有碳易固溶性金属元素的金属层10mb的表面上析出。以这种方式，在含有固体碳的材料10的表面的所期望的部分中，通过使用含有碳易固溶性金属元素的金属层10mb，重复进行非金刚石碳10nd的析出和去除，可以将表面加工成所期望的形状。

在此，参照图16和图17，如果除部分形成并且含有碳易固溶性金属元素的金属层10mb以外的部分处于空的状态，那么含有碳易固溶性金属元素的金属层10mb会在具有空的状态的区域中扩散或变形，从而不能提供精确的加工。当在除部分形成并且含有碳易固溶性金属元素的金属层10mb以外的部分中，至少在其接触部分中形成不含碳易固溶性金属元素的金属层10mn时，由所述金属层提供的阻挡效果可以防止含有碳易固溶性金属元素的金属层10mb扩散和变形，从而可以提供精确加工。在如图8中所示的方法中，可以在不扫描等离子体射流或离子束的情况下利用图案化来部分地加工含有碳易固溶性金属元素的金属层10mb，但是难以施加起伏。因此，也可以与扫描等离子体射流或离子束结合来施加起伏。

在实施方式1b的含有固体碳的材料10、10b的热处理中，从以高精度加工含有固体碳的材料的观点来看，热处理的气氛中的氧分压优选为0.133pa以下，更优选为0.0133pa以下，并且还更优选为0.000133pa以下。从在短时间内加工含有固体碳的材料的观点来看，热处理的温度优选为600℃以上，更优选为800℃以上，并且还更优选为1000℃以上。

(实施方式1c)

参照图1、图8、图9、图14和图18，在更具体的实施方式1c中，在加工至少具有由含有金刚石碳10d的材料构成的表面的含有固体碳的材料10的步骤s20中，通过在含有固体碳的材料10的表面的至少一部分上形成含有选自由ti、zr、hf、v、nb、ta、cr、mo和w构成的组中的至少一种金属元素(易碳化性金属元素)的金属层10mc的子步骤，获得含有固体碳的材料10c，其中在表面的至少一部分上形成含有易碳化性金属元素的金属层10mc(图8(b)、图9(b)、图14(a)和图18(a))。在此，图8(b)、图9(b)和图14(a)示出其中在含有固体碳的材料10的整个表面上形成含有易碳化性金属元素的金属层10mc的情况。图18(a)示出其中在含有固体碳的材料10的表面的一部分上形成含有易碳化性金属元素的金属层10mc的情况。

通过对含有固体碳的材料10c的表面上的金刚石碳10d进行热处理，与含有易碳化性金属元素的金属层10mc接触的含有固体碳的材料10中的金刚石碳10d与金属层10mc反应而获得含有固体碳的材料10c，其中在表面的至少一部分上形成作为非金刚石碳10nd的金属碳化物(图8(c)、图9(b)、图14(a)和图18(b))。

通过从含有固体碳的材料10c去除非金刚石碳10nd的至少一部分的子步骤(图8(d)、图9(c)和图9(d)、图14(b)和图14(d)以及图18(c)和图18(d))，获得含有固体碳的材料的加工体20(图8(d)、图9(d)、图14(d)和图18(d))。以这种方式，通过在短时间内以高品质平滑地加工含有固体碳的材料10的表面(例如加工成平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)获得含有固体碳的材料的加工体20，而不管其平面取向如何。在此，图8(d)、图9(d)、图14(d)以及图18(c)和图18(d)示出其中完全去除在含有固体碳的材料10的表面上形成的非金刚石碳10nd的情况。图9(c)和图14(b)示出其中去除在含有固体碳的材料10的表面上形成的非金刚石碳10nd的一部分的情况。去除非金刚石碳10nd的一部分的方法不受特别限制，但是从提高加工精度的观点来看，或从制造受控的平坦表面(预期的平坦表面)或受控的曲面(预期的曲面)的观点来看，使用具有小直径的等离子体射流或离子束的加工方法、使用具有小开口部的掩模的方法和机械去除方法等是优选的。

在此，由于从小直径供给的含有等离子体和离子的气相流体加工含有固体碳的材料，因此其直径越小，或从越近的位置供给气相流体，则加工精度越高。选择如下的加工是有效的，使用含有等离子体或离子的气相流体并且对于金属碳化物和金刚石碳具有不同的加工速度。在此，作为一个实例，选择含有氟的气体在促进对金属碳化物的加工和减慢对金刚石碳的加工方面是有效的。本实施方式中的步骤是选择不易于加工金刚石碳但易于加工金属碳化物的气相流体并且加工其中金刚石碳变为金属碳化物的部分以加工金刚石碳的方法。

在机械去除方法中，针对金刚石碳加工速度和金属碳化物加工速度选择不同的条件。这可以通过选择具有在金刚石的硬度与金属碳化物的硬度之间的硬度的材料、例如适当地选择诸如bn、si3n4、sic和al2o3的陶瓷来实现。

在其中通过蚀刻等去除在图14(b)中所示的含有固体碳的材料10的表面上形成的非金刚石碳10nd的一部分以暴露金刚石碳10d的含有固体碳的材料10c的暴露的金刚石碳10d上进一步形成金属层10mc。之后，如图14(c)中所示，通过进一步热处理，与新形成的金属层10mc接触的金刚石碳10d与金属层10mc反应，从而形成作为非金刚石碳10nd的金属碳化物。如图14(b)和图14(d)中所示，进一步去除新形成的非金刚石碳10nd层。以这种方式，通过在含有固体碳的材料10的表面的所期望的部分中，使用含有易碳化性金属元素的金属层10mc，重复进行非金刚石碳10nd的形成和去除，可以将表面加工成所期望的形状。

在图14中所示的实例中，通过加工同一部分而形成台阶状的部分，但是通过加工与第一部分和第二部分不同的部分而提供微细的台阶状的部分。然而，也可以加工不具有单个台阶而是具有若干不同的台阶的立体形状(具有起伏的等高线)的台阶状部分。可以获得具有整体上平滑的立体形状的加工体。即使在图8中所示的实例中，当通过小直径的等离子体射流等将含有固体碳的材料多次改变形状进行加工时，每一个台阶也不是陡峭的，由此一个台阶是平滑的突起，并且可以如所期望的整体上形成具有更平滑的起伏的形状。在图9中所示的实例中，如果在表面中具有大的凹凸的含有固体碳的材料中加工许多凸部分而几乎不加工凹部分，那么通过重复该工序来减少凹凸，由此也可以形成平坦且平滑的表面。代替重复上述工序，在其中形成金属并且对其进行热处理的环境中还去除金属碳化物，由此也可以使形成的子步骤和去除的子步骤同时进行。

通过对其中在表面的一部分上形成有图18(a)中所示的含有易碳化性金属元素的金属层10mc的含有固体碳的材料10c进行热处理，与金属层10mc接触的含有固体碳的材料10中的金刚石碳10d与金属层10mc反应，从而在表面的一部分上形成作为非金刚石碳10nd的金属碳化物，如图18(b)中所示。接下来，如图18(c)和图18(d)中所示，通过蚀刻等去除在表面的一部分上形成的非金刚石碳10nd层。以这种方式，在含有固体碳的材料10的表面的所期望的部分中重复进行含有易碳化性金属元素的金属层10mc的形成以及使用热处理的非金刚石碳10nd的形成和去除，由此可以将表面加工成所期望的形状。

在实施方式1c的含有固体碳的材料10、10c的热处理中，从以高精度加工含有固体碳的材料的观点来看，热处理的气氛中的氧分压优选为0.133pa以下，更优选为0.0133pa以下，并且还更优选为0.000133pa以下。从在短时间内加工含有固体碳的材料的观点来看，热处理的温度优选为300℃以上，更优选为600℃以上，并且还更优选为800℃以上。

<实施方式2：含有固体碳的材料的加工体>

参照图22和图24，根据本公开的另一个实施方式的含有固体碳的材料的加工体20是如下的含有固体碳的材料的加工体，其包含加工表面，所述加工表面的至少一部分由固体碳构成，其中：所述含有固体碳的材料的加工体的加工表面具有在所述加工表面中形成的小凹凸的最大高度为20μm以下的平滑形状；或具有如下形状：其具有在所述加工表面中的平滑表面中形成且具有30μm以上的最小高度的凹凸；并且所述加工表面具有1mm见方以上的尺寸，并且所述加工表面中的抛光损伤点的密度为10个点/mm²以下。在此，如图22中所示，在平滑的加工表面20ps中形成的小凹凸指的是不是由含有固体碳的材料的加工体的制造方法有意形成并且具有20μm以下的最大高度的小凹凸。小凹凸的最大高度指的是与加工表面20ps的最小二乘平面20lsp平行并且通过加工表面20ps的最大的小凹部的顶点的基准平面20bp与加工表面的最大的小凸部的顶点之间的距离。此外，如图24中所示，由加工表面20ps中的平滑表面形成的凹凸指的是由含有固体碳的材料的加工体的制造方法有意形成并且具有30μm以上的最小高度的凹凸。凹凸的最小高度指的是与加工表面20ps的最小二乘平面20lsp平行并且通过加工表面20ps的最小凹部的顶点的基准平面20bp与加工表面的最小凸部的顶点之间的距离。其中形成凹凸的平滑表面包括其中小凹凸的最大高度为20μm以下的平滑形状。本实施方式的含有固体碳的材料的加工体具有平滑的加工表面(例如平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)，其具有高的晶体品质，而不管其平面取向如何。

从上述观点来看，当含有固体碳的材料的加工体20的加工表面20ps具有平滑形状时，在平滑的加工表面20ps中形成的小凹凸的最大高度优选为20μm以下，更优选为10μm以下，还更优选为1μm以下，并且特别优选为0.1μm以下。当含有固体碳的材料的加工体20的加工表面20ps具有由平滑表面形成的凹凸时，加工表面20ps的凹凸的最小高度优选为30μm以上，更优选为50μm以上，并且还更优选为100μm以上。在加工表面中，平滑部分的凹凸的最大高度可以被设定为0.1μm以下，并且具有平滑凹凸的部分的凹凸的最小高度也可以被设定为100μm以上。

可以通过激光位移计(例如由神津精机株式会社制造的表面形状测量系统dyvoce-3000或它的等同物)来测量在平滑的加工表面20ps中形成的小凹凸的最大高度和由加工表面20ps中的平滑表面形成的凹凸的最小高度。然而，由于激光位移计的测量精度为约1μm，因此适当地使用扫描型白光干涉仪(例如由佳能公司制造的zygonewview200或它的等同物)来测量小于1μm的小凹凸的高度。扫描型白光干涉仪会使得难以在宽广区域中测量小凹凸的高度，并且在多个狭窄区域中进行测量。例如，参照图23，通过扫描型白光干涉仪测量的小凹凸的最大高度被视为在以要测量的加工表面20ps的重心点p1和由在重心点p1处彼此正交的两条直线l1和l2划分的四个区域的四个重心点p2、p3、p4、p5为中心的0.4mm见方的五个范围r1、r2、r3、r4、r5中测量并且获得的最大高度。

表面中的抛光损伤点的密度表现为通过在加工体的表面上使金刚石外延生长5μm而确认的1μm以上的多晶粒子(错配堆叠的粒子)。通过对此进行计数，可以评价抛光损伤的密度。金刚石通常可以在3％的甲烷浓度、1.33×10⁴pa的压力、3kw以上的微波功率和950℃的基板温度下形成。优选可以形成单晶金刚石的条件。这些在单晶金刚石基板上得到确认。在具有50μm以上的粒径的多晶金刚石基板上，对通过使金刚石进行晶体生长5μm而确认的1μm以上且小于10μm的多晶粒子进行计数，由此可以评价抛光损伤的密度。在这种情况下，在金刚石的生长条件下，通常，金刚石优选地在3％的甲烷浓度、1.33×10⁴pa的压力、6kw以上的微波功率和1000℃的基板温度下形成。形成在拉曼光谱分析中具有更少石墨的多晶金刚石的条件(其中g谱带是金刚石的峰的1/100的条件)是优选的。可以通过使用微分干涉显微镜在表面中观测到的超过1mm的抛光划痕的密度来评价具有小于50μm的粒径的多晶金刚石或其它含有固体碳的材料的加工体。在这种情况下，1条划痕/mm²可以被换算为1个/mm²。

在本实施方式的含有固体碳的材料的加工体20中，表面中的金属原子的密度可以为1ppb以上，并且可以为50ppb以上。即使在这样的含有固体碳的材料的加工体20中，所述表面也是平滑的(具有例如平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)，并且具有高的晶体品质。在含有固体碳的材料的加工体的制造方法中，当使用含有选自由fe、co、ni、rh、pd、pt、ir和mn构成的组中的一种金属元素作为碳易固溶性金属元素的金属层或含有选自由ti、zr、hf、v、nb、ta、cr、mo和w构成的组中的至少一种金属元素作为易碳化性金属元素的金属层形成非金刚石碳时，这些金属元素的原子被并入到含有固体碳的材料的加工体的表面中，因此所述表面中金属原子的密度可以为1ppb以上。

参照图22，在本实施方式的含有固体碳的材料的加工体20中，所述表面可以具有周期性的凹凸曲面。这样的含有固体碳的材料的加工体20具有平滑表面而不管其平面取向如何。在实施方式1的含有固体碳的材料的加工体的制造方法中，即使当使用以下方法作为去除非金刚石碳10nd的至少一部分的方法时，也可以形成具有周期性的凹凸曲面的含有固体碳的材料的加工体20：使用含有气体的500℃以上的气相流体处理非金刚石碳10nd的方法，所述气体含有选自由o2分子、h2分子和h2o分子构成的组中的至少一种分子(图19a)；在等离子体中处理非金刚石碳10nd的方法，所述等离子体含有选自由o原子、h原子、he原子和ar原子构成的组中的至少一种原子(图19a)；使用离子束处理非金刚石碳10nd的方法，所述离子束含有选自由o离子、h离子、oh离子、he离子和ar离子构成的组中的至少一种离子(图20a)；或通过机械处理和物理处理中的至少一种去除非金刚石碳10nd的方法(图21)。

参照图22，在本实施方式的含有固体碳的材料的加工体20中，加工表面20ps可以包括向内凸起的小凹部和向外凸起的小凸部，并且当从与加工表面20ps的最小二乘平面20lsp垂直的方向观察加工表面20ps时，所述小凹部的总面积可以占所述表面的总面积的60％以上。在含有固体碳的材料的加工体20中，加工表面20ps具有平滑表面而不管其平面取向如何。在实施方式1的含有固体碳的材料的加工体的制造方法中，即使当使用以下方法作为去除非金刚石碳10nd的至少一部分的方法时，也可以形成含有固体碳的材料的加工体20，其中加工表面20ps包括向内凸起的小凹部和向外凸起的小凸部，并且当从与加工表面20ps的最小二乘平面20lsp垂直的方向观察加工表面20ps时，所述小凹部的总面积占所述表面的总面积的60％以上：使用含有气体并且具有高于室温(例如25℃)的温度的气相流体处理非金刚石碳10nd的方法，所述气体含有选自由o2分子、h2分子和h2o分子构成的组中的至少一种分子(图19a)；在等离子体中处理非金刚石碳10nd的方法，所述等离子体含有选自由o原子、h原子、he原子和ar原子构成的组中的至少一种原子(图19a)；使用离子束处理非金刚石碳10nd的方法，所述离子束含有选自由o离子、h离子、oh离子、he离子和ar离子构成的组中的至少一种离子(图20a)；或通过机械处理和物理处理中的至少一种去除非金刚石碳10nd的方法(图21)。

在本实施方式的含有固体碳的材料的加工体20中，所述固体碳可以含有单晶金刚石和多晶金刚石中的至少一种。这样的含有固体碳的材料的加工体20也具有如下表面而不管其平面取向如何，所述表面具有平滑形状或所期望的形状。这样的含有固体碳的材料的加工体20是通过根据实施方式1的含有固体碳的材料的加工体的制造方法，加工含有单晶金刚石和多晶金刚石中的至少一种(金刚石碳10d)的含有固体碳的材料10而获得的。

实施例

(实施例1)

作为含有固体碳的材料，通过激光切割高压合成法或气相合成法(具体地是cvd(化学气相沉积)法)的单晶金刚石(以下也被称为高压合成金刚石或气相合成金刚石)以准备实施例i-1至实施例i-9的样品，所述样品各自具有4mm×4mm的尺寸和表1中所示的平均厚度。使用普通的研磨机对所有样品在一面上进行机械抛光，并且对实施例i-3至实施例i-5的样品在另一面上进一步进行抛光以准备相对平坦的双面抛光的基板。在实施例i-1和实施例i-2的样品中，剩余的一面是激光切片平面，并且在实施例i-6至实施例i-9的样品中，剩余的一面留有气相生长的表面中的凹凸。使用激光位移计评价有关所有样品的后表面和前表面的高度的信息，并且将其转换成厚度信息，从而获得表面凹凸和平行度数据。在此，对于所有样品，机械抛光的表面被称为后表面，并且另一个表面被称为前表面。

然而，由于使用激光位移计测量前表面和后表面的高度的精度为约1μm，因此使用扫描型白光干涉仪来测量小于1μm的高度。扫描型白光干涉仪会使得难以在宽广区域中测量高度，并且在多个狭窄区域中进行测量。例如，参照图23，通过扫描型白光干涉仪测量的最大高度被视为在以要测量的加工表面20ps的重心点p1和由在重心点p1处彼此正交的两条直线l1和l2划分的四个区域的四个重心点p2、p3、p4、p5为中心的0.4mm见方的五个范围r1、r2、r3、r4、r5中测量并且获得的最大高度。

为了加工含有固体碳的材料，制备在含有固体碳的材料的表面上气相沉积了和没有气相沉积由表1中所示的碳易固溶性金属元素构成的0.5μm厚的金属层的样品，并且将所述样品放置在热处理室中。首先，将热处理室的内部抽真空到小于1.33×10^-4pa，然后用ar气体填充，以在表1中所示的压力、氧分压和温度(600℃以上的温度)下进行热处理，从而在金刚石碳的表面或金属层的表面上形成非金刚石碳层。

在表1中，平均厚度是通过使用千分尺测量基板上的5个点处的厚度而获得的值的简单算术平均值，并且用作基板厚度的指标。这5个点在距基板的中央0.25mm的区域内以及在距基板的左边缘、右边缘、前边缘和后边缘0.5mm的区域内。小凹凸的最大高度是与加工表面的最小二乘平面平行并且通过加工表面的最大的小凹部的顶点的基准平面与加工表面的最大的小凸部的顶点之间的距离。由前表面的最小二乘平面和后表面的最小二乘平面基面形成的角度是平行度。

通过去除在表面上形成的非金刚石碳层来加工含有固体碳的材料。作为去除非金刚石碳层的加工方法，使用通过在含有固体碳的材料上扫描含有包含o原子和h原子的等离子体的气相流体来去除非金刚石碳层的“等离子体气相流体”方法，或通过在含有固体碳的材料上扫描含有o离子的离子束来去除非金刚石碳层的“离子束”方法。也就是说，通过重复进行非金刚石的形成和非金刚石的去除，形成接近所期望的规格的形状。

扫描等离子体气相流体或离子束的方法使用基板的凹凸信息来扫描“等离子体气相流体”或“离子束”，以使用基板的凹凸信息在以下状态下喷射或发射等离子体气相流体或离子束，所述状态为在含有固体碳的材料的凸部中的停留时间延长，而在含有固体碳的材料的凹部中的停留时间缩短。因此，在含有固体碳的材料中，凸部中的金刚石碳被相对大量地蚀刻，而凹部中的金刚石碳被相对少量地蚀刻。与此同时，使用平行度信息，以使具有大基板厚度的部分长而具有小基板厚度的部分短的方式控制扫描。具有大基板厚度的部分被相对大量地蚀刻，并且具有小基板厚度的部分被相对少量地蚀刻，从而使得能够改善平行度并且降低凹凸的最大高度。在通过用酸或氢等离子体处理而去除基板的金属和石墨之后，通过激光位移计或扫描型白光干涉仪测量经过处理的基板的平行度和凹凸的评价。作为加工速度，计算单纯高度蚀刻加工速度的数值。这是在不扫描等离子体、离子气流或束的情况下连续加工同一部分时每单位时间的加工厚度(减少的厚度)的值。该值是通过蚀刻而减少的表面高度的数值。在每一个实施例中，加工速度为34μm/h以上，这使得能够在短时间内进行加工。

加工表面中的抛光损伤点的密度是通过观测如下表面并且对以与晶种基板的取向不同的取向定向的1μm以上的多晶晶粒进行计数而获得的，所述表面为在其上通过气相合成法在含有固体碳的材料的加工体上在约3％的甲烷浓度下使5μm的未掺杂的金刚石外延生长而形成了在基板表面上氢封端的高纯度金刚石的表面。这些结果汇总在表1中。

参照表1，在所有样品中，在加工之后小凹凸的最大高度、平行度和抛光损伤点的密度小于初始凹凸的最大高度、平行度和抛光损伤点的密度。由此，获得了具有更平滑的表面和高品质的含有固体碳的材料的加工体。

(实施例ii)

作为含有固体碳的材料，通过激光切割高压合成法或气相合成法(具体地是cvd(化学气相沉积)法)的单晶金刚石(以下也被称为高压合成金刚石或气相合成金刚石)以准备实施例ii-1至实施例ii-4的样品，所述样品各自具有4mm×4mm的尺寸和表2中所示的平均厚度。使用普通的抛光机对实施例ii-1和实施例ii-2的样品在前表面和后表面上进行机械抛光，以准备相对平坦的双面抛光的基板。在实施例ii-3和实施例ii-4的样品中，一面是通过在将离子注入到激光切片平面晶种基板中之后外延生长并且电化学蚀刻石墨层以从晶种基板分离外延生长层而获得的表面。剩余的一面留有气相生长的表面中的凹凸。使用激光粗糙度仪或扫描型白光干涉仪评价有关所有样品的后表面和前表面的高度的信息，并且将其转换成厚度信息，以获得在加工前的表面凹凸和在加工后的小凹凸和平行度数据。在此，对于所有样品，机械抛光的表面被称为后表面，并且另一个表面被称为前表面。

为了加工含有固体碳的材料，制备样品，其中在含有固体碳的材料的表面上气相沉积了由表2中所示的易碳化性金属元素构成的0.5μm厚的金属层，并且将所述样品放置在热处理室中。首先，将热处理室的内部抽真空到1.33×10^-4pa以下，然后用ar气体填充以将压力设定为0.1个大气压。之后，在表2中所示的压力、氧分压和温度(300℃以上的温度)下进行热处理，从而在金刚石碳的表面或金属层的表面上形成非金刚石碳层。

通过去除在表面上形成的非金刚石碳层来加工含有固体碳的材料。作为去除非金刚石碳层的处理方法，使用与实施例i中相同的“离子束”方法。

扫描等离子体气相流体或离子束的方法与实施例i中的相同，并且具有大基板厚度的部分可以被相对大量地蚀刻，并且具有小基板厚度的部分可以被相对少量地蚀刻，从而使得能够改善平行度并且降低凹凸的最大高度。在各个实施例中，加工速度为34μm/h以上，这使得能够在短时间内进行加工。以与实施例i中相同的方式评价经过处理的基板的平行度和凹凸。以与实施例i中相同的方式测量和计算表面中的抛光损伤点的密度。这些结果汇总在表2中。

参照表2，在所有样品中，在加工之后凹凸的最大高度、平行度和抛光损伤点的密度小于初始凹凸的最大高度、平行度和抛光损伤点的密度。由此，获得了具有更平滑的表面和高品质的含有固体碳的材料的加工体。

(实施例iii)

准备气相合成金刚石作为含有固体碳的材料，并且通过改变用于形成非金刚石的金属类型、加工方法和加工气体来进行与实施例i中相同的实验。使用rh、pd、pt、ir或mn作为碳易固溶性金属元素。结果汇总在表3中。表3中的“非金刚石层去除”的“加工方法”中的“在气体中”并非是指气流或束在高表面部分中的停留时间长而在低表面部分中的停留时间短以去除一部分，而仅是指在气体的气氛中进行处理。此时，均匀地加工整个含有固体碳的材料，并且与其中使用等离子体气流或离子束的情况相比，平坦性和平行度没有得到很大的改善。加工速度也略微更慢，并且将其作为比较例进行了研究。在表3中的“非金刚石层去除”的“加工气体”中，“ar+h2o”是指使用通过在大气压下将60℃的水用ar鼓泡而获得的含有h2o的ar气体。“he+h2o”是指使用通过在大气压下将60℃的水用he鼓泡而获得的含有h2o的he气体。参照表3，与在气体中进行热处理的那些相比，通过使用碳易固溶性金属元素形成非金刚石碳，并且使用等离子体气流或离子束去除平坦化和平行化所需的一部分的非金刚石碳而获得的那些可以加工和平坦化气相合成金刚石的表面状态。在各个实施例中，加工速度为34μm/h以上，这使得能够在短时间内进行加工。

(实施例iv)

准备气相合成金刚石作为含有固体碳的材料，并且通过改变用于形成非金刚石的金属类型、处理方法和处理气体来进行与实施例ii相同的实验。使用v、nb、ta、cr、mo或w作为易碳化性金属元素。结果汇总在表4中。参照表4，通过使用易碳化性金属元素形成非金刚石碳，并且使用等离子体气流或离子束去除平坦化和平行化所需的一部分的非金刚石碳而获得的那些可以加工和平坦化气相合成金刚石的表面状态。在各个实施例中，加工速度为34μm/h以上，这使得能够在短时间内进行加工。

<补充说明>

在含有固体碳的材料的加工体的制造方法中，含有固体碳的材料的加工体的加工表面优选具有在所述加工表面中形成的小凹凸的最大高度为20μm以下的平滑表面形状，或具有如下表面形状：其具有由所述加工表面中的平滑表面形成并且具有30μm以上的最小高度的凹凸。在此，在平滑加工表面中形成的小凹凸指的是不是由含有固体碳的材料的加工体的制造方法有意形成且具有20μm以下的最大高度的小凹凸。小凹凸的最大高度指的是与加工表面的最小二乘平面平行并且通过加工表面的最大的小凹部的顶点的基准平面与加工表面的最大的小凸部的顶点之间的距离。由加工表面中的平滑表面形成的凹凸指的是由含有固体碳的材料的加工体的制造方法有意形成并且具有30μm以上的最小高度的凹凸。凹凸的最小高度指的是与加工表面的最小二乘平面平行并且通过加工表面的最小凹部的顶点的基准平面与加工表面的最小凸部的顶点之间的距离。其中形成凹凸的平滑表面包括其中小凹凸的最大高度为20μm以下的平滑形状。这样的含有固体碳的材料的加工体的制造方法可以在短时间内更平滑地加工含有固体碳的材料的表面(例如加工成平滑形状或在平滑表面中具有所期望的凹凸的形状)而不管其平面取向如何。

应当了解的是，本文公开的实施方式和实施例在所有方面都是说明性的而非限制性的。本发明的范围是由权利要求限定的，而不是由上述实施方式限定的，并且意图包括与权利要求等同的含义和范围内的任何修改。

标号说明

10、10a、10b、10c：含有固体碳的材料；10d、20d：金刚石碳；10i：表面的内接圆；10mb、10mc：金属层；10nd：非金刚石碳；20：含有固体碳的材料的加工体；20bp：基准平面；20lsp：最小二乘平面；20ps：加工表面；111：流体喷射部；121：束放射部；122：掩模；122w：开口部；122wc：开口部的外接圆；131：去除工具；b：离子束；db：离子束直径；dc：掩模开口部的外接圆的直径；df：气相流体的直径；di：含有固体碳的材料的表面上的内接圆的直径；ri：含有固体碳的材料的表面上的内接圆的半径；f：气相流体；s10：准备含有固体碳的材料的步骤；s20：加工含有固体碳的材料的步骤；s21：形成金属层的子步骤；s22：形成非金刚石碳的子步骤；s23：去除非金刚石碳的至少一部分的子步骤