ラボ・クリエイテッド・ダイヤモンドができるまで：CVDとHPHTの比較

著者アレックス・K、LabrillianteのCMO 更新日: 2009-09-192025-09-19 読了時間：8分

伝統的なダイヤモンド業界の支持者たちは、天然ダイヤモンドのロマンチックな魅力と投資価値を生み出している、何十億年もの歳月とユニークな地質学的条件を、実験室のプロセスで再現することは決してできないと主張している。彼らは、CVDやHPHT法は技術的に洗練されているにもかかわらず、天然ダイヤモンドをエンゲージリングや家宝のジュエリーにする希少性、感情的な意義、長期的な価値の保持に欠ける「製造された製品」を生み出すと主張する。

このような見方は、出所と独占性が購買の意思決定を左右する高級品市場ではメリットがある。しかし、宝石学の現実は、ラボダイヤモンドが化学的、物理的、光学的に採掘された石と同一であることを証明している。感情的な価値は主観的なものであることに変わりはありませんが、ラボで作られたダイヤモンドの客観的な品質、美しさ、耐久性は、天然ダイヤモンドに匹敵するものであり、その上、コストが大幅に削減されるため、ダイヤモンドを特別なものにしている基本的な特性を損なうことなく、優れたダイヤモンドをより多くの市場に提供することができるのです。

化学気相蒸着法（CVD）は、2000℃のプラズマチャンバー内でメタンガスを分解し、炭素原子を1時間あたり1～10マイクロメートルの速度で種結晶に蒸着させることで、ラボ用ダイヤモンドを生成します。この制御されたプロセスにより、HPHT法よりも金属内包物の少ないタイプIIAダイヤモンドが生成されます。

このプロセスは、超高真空の準備から始まります。2～6週間の成長サイクルの間、コンタミネーションを防ぐため、チャンバーの圧力は10^-6 torr以下に下がります。ダイヤモンドのシードは、原始的な環境内の基板ホルダーに配置されます。

2.45GHzのマイクロ波エネルギーは、メタンと水素の混合物をプラズマに変える。このプラズマがメタン分子を分解し、炭素原子を遊離させ、冷却されたシード表面に向かって移動する。水素原子がグラファイトをエッチングし、ダイヤモンド結晶の適切な成長を可能にするのです。

500を超えるB2Bパートナーシップを通じた当社のCVD改良により、プラズマ分布が最適化され、一貫したクラリティ・グレードが実現します。リアルタイムのモニタリングにより、IGIとGIAの認定フィードバックに基づいて条件を調整します。

ガス組成は水素中に1～5％のメタンを含み、流量は精密に制御されている。メタン濃度が高いほど成長速度は向上するが、グラファイト形成のリスクがある。低濃度では、低速でも優れた品質が得られます。

チャンバー圧力は10-100torrの間で作動します。このバランスは重要です。圧力が低いとプラズマ形成は有利ですが、カーボン供給率は低下します。圧力が高いと成長は促進されるが、プラズマ制御が複雑になる。

ガス純度は両成分とも99.999％を超える。百万分の一の水蒸気汚染でさえ、成長パターンを変化させる水酸基を導入する。チャンバー壁は200～400℃に保たれ、不要な炭素析出を防ぎます。

ベルトプレスシステムは、油圧ラムがベルト状のアセンブリを圧縮する円筒形の圧力容器を使用します。この設計は、数立方センチメートルにわたって6 GPaを超える圧力を達成し、複数の小さなダイヤモンドまたは数カラットまでの単一の石に理想的です。

キュービックプレスシステムは、6つのアンビルをキューブ状に配置し、それぞれが中央の成長セルに向かって内側に力を加えます。ベルトプレスに比べ、より均一な圧力分布が得られますが、成長量は小さくなります。

BARS（スプリットスフィア）テクノロジーは、8つの球状セグメントを使用した先進的なキュービックプレスです。これらのシステムは、卓越した圧力均一性を達成しますが、複雑な機械的アライメントを必要とし、市販されている最高品質のHPHTダイヤモンドを製造します。

ベルトプレスは、小粒のダイヤモンドの大量生産に優れています。キュービックプレスは、ハイエンドジュエリー用の特別な品質の大きな石を生産します。選択は、絶対的な品質の違いよりも、仕様によって決まります。

炭素の結晶化は、グラファイトからダイヤモンドへの相転移を支配する熱力学的原理に従う。4GPa、1200℃を超えると、ダイヤモンドは熱力学的に安定になり、グラファイトからの相転移が促進される。

5～6GPaの範囲が最適なバランスである。圧力が低いと温度が高くなり（コストが上昇する）、圧力が高いと堅牢な装置が必要になるが、それに比例して品質は向上しない。

成長セル全体で±20℃以内の温度均一性が、一貫した結晶品質を保証する。鉄触媒は低温で動作するが、インクルージョンが発生する可能性がある。コバルト触媒はより高い温度を必要とするが、よりクリーンな結晶を生成する。

当社のプロセス開発では、用途に応じた最適な温度プロファイルを特定しました。宝飾品グレードのダイヤモンドは、工業用サイクルの高速化に対して、ゆっくりとした昇温と安定化期間の延長が必要です。

CVDダイヤモンドは、通常、金属インクルージョンが少なく、優れた無色グレードを実現します。一方、HPHTダイヤモンドは、3次元成長環境により、結晶の均一性が向上します。それぞれの方法には明確な特徴があります：CVD法はひずみパターンを示し、HPHT法はフラックス・インクルージョンを示す。

色の特徴も大きく異なります。CVDは無色から無色に近いグレードに到達しやすい。HPHTは、窒素の取り込みによる茶色や黄色の色合いを示すことがありますが、どちらの方法も不純物の導入を制御することで完全なカラースペクトルを生成します。

内部構造が物語っている：CVDはフォトルミネッセンス下で層状の成長パターンを示すが、HPHTは天然ダイヤモンドに似たランダムな特徴を示す。このため、HPHTの検出は特殊な装置なしでは困難です。

GIA、IGI、GCALが数千個のダイヤモンドから得た提携データによると、CVDはタイプIIAの無色産出において優れており、HPHTは3カラット以上の大きさで優れた結晶均一性を達成しています。

形状の柔軟性は、複雑な形状や薄いプレートではCVDが有利です。HPHTは、伝統的な丸い結晶や大きなカラット数で優れています。成長の制約は重要です：HPHTは結晶の対称性の制約に従います。

成長後の要件は大きく異なります。CVDダイヤモンドの多くは、色調を改善するためにHPHT処理を受けますが、HPHTダイヤモンドは追加処理をほとんど必要としません。