JP3834314B2 - ダイヤモンド製造用装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、参照によりそのすべてが本明細書に組み込まれている、２００１年１１月７日に出願した米国仮出願第６０／３３１，０７３号の権利を主張するものである。

本発明は、国立科学財団（米国）によって与えられた認可番号ＥＡＲ−８９２９２３９及びＤＭＲ−９９７２７５０のもとで政府の援助でなされたものである。政府は本発明の一定の権利を有する。

本発明は、ダイヤモンドを製造するための、そしてさらに特定すれば、マイクロ波プラズマ化学蒸着（ＭＰＣＶＤ）を用いて成膜チャンバー内でダイヤモンドを成長させる装置及び方法に関する。

合成ダイヤモンドの大規模な生産は、研究と産業の両方にとって長い間の目標であった。ダイヤモンドは、その宝石としての特性に加えて、最も硬い既知物質であり、最も高い既知の熱伝導率を有しており、幅広い種類の電磁放射線に対して透明である。したがって、それは、宝石としてのその価値に加えて多数の産業におけるその広範な用途のために貴重なものである。

少なくとも過去２０年間、化学蒸着（ＣＶＤ）による少量のダイヤモンドを製造する方法は入手可能であった。Ｂ．Ｖ．Ｓｐｉｔｓｙｎ等、「ダイヤモンド及びその他の表面の蒸気成長（Ｖａｐｏｒ Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ Ｄｉａｍｏｎｄ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｓｕｒｆａｃｅｓ）」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ、ｖｏｌ．５２、２１９〜２２６頁によって報告されているように、その方法は、減圧下及び８００〜１２００℃の温度で、メタンと水素ガスの組合せ、又は、別の単に水素ガスを使用することによる基体上へのダイヤモンドのＣＶＤを必要とする。水素ガスを含むことによってダイヤモンドが核をなし、成長するときに黒鉛の生成が防止される。この技術で、１μｍ／時間までの成長速度が報告されている。

その後の研究、例えば、「マイクロ波プラズマ内ガス相からのダイヤモンドの合成（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｆｒｏｍ Ｇａｓ Ｐｈａｓｅ ｉｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｐｌａｓｍａ）」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ、ｖｏｌ．６２、６４２〜６４４頁、に報告されているＫａｍｏ等のそれは、マイクロ波プラズマ化学蒸着（ＭＰＣＶＤ）を使用して、８００〜１０００℃の温度の中、１〜８Ｋｐａの圧力で、２．４５ＧＨｚの周波数での３００〜７００Ｗのマイクロ波出力により、ダイヤモンドが製造されることを実証した。Ｋａｍｏ等の方法では、１〜３％濃度のメタンガスが使用された。このＭＰＣＶＤ法を使用して、３μｍ／時間の最大成長速度が報告されている。

上記の方法において、そして多数のより最近報告された方法においても、成長速度は、１時間当たりわずか数マイクロメートルに限定されている。既知のより高い成長速度の方法は、ダイヤモンドの多結晶形を生成又は成長させるのみである。一般的に、１時間当たり約１マイクロメートルより高い成長速度で単結晶ダイヤモンドを製造しようと試みても、かなり双晶になった単結晶ダイヤモンド若しくは多結晶ダイヤモンド、又は全くダイヤモンドを生じない結果となる。さらに、ダイヤモンドを成長させるための既知の方法は、通常、１００トルより低い低圧を必要とする。

したがって、本発明は、従来の技術の制約及び不都合による問題の１つ又は複数を実質的に回避するダイヤモンド製造の装置及び方法を対象とする。

本発明の目的は、マイクロ波プラズマ化学蒸着システムで高い成長速度及び適度の圧力においてダイヤモンドを製造する装置及び方法に関する。

本発明のさらなる特徴及び利点は、以後の記述に示すので、ある程度はその記述から明らかになり、あるいは本発明を実施することによって知ることができる。本発明の目標及び他の利点は、本明細書及び本明細書の請求項並びに添付されている図面に指し示した構造によって実現及び獲得されよう。

これら及び他の利点を達成するため並びに本発明の目的に合致するには、具体的に示し、広範に記載すると、成膜チャンバー内でダイヤモンドを製造する装置の実施形態は、ダイヤモンドを保持し、前記ダイヤモンドの成長面の縁に隣接する前記ダイヤモンドの側面と熱的接触をするための放熱ホルダーと、前記ダイヤモンドの前記成長面を横切って前記ダイヤモンドの温度を測定するように配置した非接触温度測定装置と、前記非接触温度測定装置からの温度計測を受け、前記成長面の温度を、前記成長面を横切る全部の温度勾配が２０℃未満となるように制御するための主プロセス制御器とを含む。

他の実施形態においては、ダイヤモンドを製造するための試験片ホルダー組立て品が、ダイヤモンドと、前記ダイヤモンドの成長面の縁に隣接する前記ダイヤモンドの側面と熱的接触をする放熱ホルダー（ただし、前記ダイヤモンドは、前記放熱ホルダー内でスライド可能なように取り付ける）と、前記放熱ホルダーから熱エネルギーを受け取るためのステージと、前記放熱ホルダー内の前記ダイヤモンドを再配置するために前記成長面に対して実質的に直角をなす軸に沿って移動することが可能な第１の作動装置部分とを含む。

他の実施形態においては、ダイヤモンドを製造するための試験片ホルダー組立て品が、ダイヤモンドと、前記ダイヤモンドの成長面の縁に隣接する前記ダイヤモンドの側面と熱的接触をする放熱ホルダーと、前記放熱ホルダーからの熱エネルギーを受け取るための温度塊（ただし、前記ダイヤモンドは、前記温度塊を介して加えられる圧力によって前記放熱ホルダー内に保持される）と、前記放熱ホルダーからの熱エネルギーを前記温度塊を経由して受け取るためのステージとを含む。

本発明の他の実施形態によれば、ダイヤモンドを製造する方法が、前記ダイヤモンドの成長面の縁に隣接する前記ダイヤモンドの側面と熱的接触をするように、ホルダー内にダイヤモンドを配置するステップと、前記ダイヤモンドの前記成長面の温度を測定して温度計測値をもたらすステップと、前記温度測定値に基づいて前記成長面の温度を制御するステップと、前記ダイヤモンドの成長速度が１時間当たり１マイクロメートルより大きいマイクロ波プラズマ化学蒸着により、前記成長面に単結晶ダイヤモンドを成長させるステップとを含む。

本発明の他の実施形態によれば、ダイヤモンドを製造する方法が、ホルダー中にダイヤモンドを配置するステップと、前記ダイヤモンドの成長面の温度を測定して温度計測値をもたらすステップと、前記温度測定値を用いて前記成長面を横切る全部の温度勾配が２０℃未満となるように主プロセス制御器により前記成長面の温度を制御するステップと、前記成長面上にダイヤモンドを成長させるステップと、前記ダイヤモンドを前記ホルダー中で再配置するステップとを含む。

本発明の他の実施形態によれば、ダイヤモンドを製造する方法が、前記ダイヤモンドの成長面の温度を、前記成長面を横切る全部の温度勾配が２０℃未満となるように制御するステップと、少なくとも１３０トルの圧力の雰囲気を有する成膜チャンバー中でマイクロ波プラズマ化学蒸着により前記成長面に成長温度で単結晶ダイヤモンドを成長させるステップとを含む。

本発明の他の実施形態によれば、ダイヤモンドを製造する方法が、前記ダイヤモンドの成長面の温度を、前記成長面を横切る全部の温度勾配が２０℃未満となるように制御するステップと、前記成長面上に、マイクロ波プラズマ化学蒸着により、９００〜１４００℃の温度で単結晶ダイヤモンドを成長させるステップとを含む。

これまでの概要及び以後の詳細な説明は、共に例示のため及び説明のためのものであり、請求した本発明のさらなる説明を提供することを意図したものであることを理解されたい。

本発明のさらなる理解を提供するために含め、本明細書に組み込んで本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の実施形態を図解し、記述と共に本発明の原理を説明するために役立つ。

次に、本発明の好ましい実施形態について詳細に言及し、その例が添付の図面に図解されている。図１は、本発明の実施形態によるダイヤモンド製造システム１００の図であり、蒸着装置１０２の断面が描かれている。そのダイヤモンド製造システム１００は、蒸着装置１０２並びに反応物及びプラズマ制御装置１０６を含有するマイクロ波プラズマ化学蒸着（ＭＰＣＶＤ）システム１０４を含んでいる。例えば、ＭＰＣＶＤシステム１０４は、ウェイブマットインク社（Ｗａｖｅｍａｔ Ｉｎｃ．）製のＷＡＶＥＭＡＴ ＭＰＤＲ３３０ ３１３ＥＨＰであり得る。上記のＭＰＣＶＤシステムは、２．４５ＧＨｚにおいて６キロワットの出力を生み出すことが可能であり約５，０００立方センチメートルのチャンバー容積を有する。しかしながら、ＭＰＣＶＤシステムの仕様は、蒸着面積及び／又は蒸着の速度の大きさの点から見た蒸着プロセスの規模によって変化し得る。

ＭＰＣＶＤシステム１０４は、蒸着装置１０２内にチャンバーを含み、蒸着装置１０２は、チャンバーを密閉するために用いるベル形ジャー１０８によって少なくともある程度輪郭が定まる。ＭＰＣＶＤ操作に先立って、チャンバー内の空気を抜き出す。例えば、一番目の機械式真空ポンプを用いてチャンバーを減圧にし、次に二番目の高真空タイプの真空ポンプ、例えばターボポンプ又はクライオポンプを用いてチャンバーの内側の空気をさらに引き抜く。チャンバー内に間隔をおいて離れているプラズマ電極のセットによって、プラズマをチャンバー内に発生させる。ポンプ又はプラズマ電極のどちらも図１には描かれていない。

蒸着装置１０２は、またＭＰＣＶＤシステム１０４のチャンバー内に設置されている試験片ホルダー組立て品１２０も含む。一般的には、試験片ホルダー組立て品は、図１に示されているように蒸着装置１０２の成膜チャンバーの床１２２の中央に配置されている。図１に示されている試験片ホルダー組立て品１２０は、断面が図示されている。その試験片ホルダー組立て品１２０は、蒸着装置１０２の床に設置されているステージ１２４を含むことができる。

図１に示されているように、ステージ１２０は、ボルト１２６ａ及び１２６ｃを用いて、成膜チャンバーの床１２２に取り付けることができる。ステージ１２４は、モリブデン又は高い熱伝導率を有するその他のタイプの材料であり得る。さらに、ステージ１２４は、ダイヤモンドの成長のプロセスの途中、ステージ１２４内のクーラントパイプ１２８を通るクーラントによって冷却することができる。そのクーラントは、水、冷却剤、又は他のタイプのステージを冷却するのに十分な熱運搬能力を有する流体であり得る。図１でクーラントパイプは、ステージ１２４を通るＵ型の通路を有するように示されているが、クーラントパイプ１２８は、ステージ１２４をより効率的に冷却するために、ステージ１２４内にらせん形をした通路又は他のタイプの通路を有することができる。

図１に示されているように、試験片ホルダー組立て品１２０のステージ１２４上に配置されているのは、セットリング１３０であり、セットリング１３０は、ダイヤモンド１３６を保持するシース１３４の周りのコレット１３２ａ及び１３２ｂを固定するためのねじ１３１ａ及び１３１ｃなどの位置決めねじを有する。シース１３４はホルダーであって、それは、ダイヤモンド１３６の上面の端に隣接するダイヤモンド１３６の側面と熱的に接触させる。コレット１３２ａ及び１３２ｂは、ねじ１３１によってシース１３４に固定されるので、シース１３４は、ダイヤモンド１３６を固定された位置で保持し、ヒートシンクとして作用して双晶ダイヤモンド又は多結晶ダイヤモンドがダイヤモンド１３６の成長面の縁に沿って形成されるのを防ぐ。

ダイヤモンド１３６は、ダイヤモンドの種部分１３８及び成長したダイヤモンド部分１４０を含むことができる。ダイヤモンドの種部分１３８は、人造ダイヤモンド又は天然ダイヤモンドであり得る。図１に示されているように、ダイヤモンド１３６の上面又は成長面は、成膜チャンバーの床１２２の上に高さＨの共振出力を有するプラズマ１４１の領域内に位置している。その共振出力は、プラズマ１４１内の最大共振出力又はその程度のものであり得る。ダイヤモンド１３６の上面又は成長面は、最初はダイヤモンドの種部分１３８であり、次いでダイヤモンドが成長すると成長ダイヤモンド部分１４０となる。

図１に示されているように、シース１３４の上端は、ダイヤモンド１３６の上面又は上端の直ぐ下の間隔Ｄのところにある。その間隔Ｄは、ダイヤモンド１３６の成長面の端をプラズマ１４１にさらすのに十分な大きさでなければならない。しかしながら、その間隔Ｄは、シース１３４の放熱効果を防ぐほど大きくはあり得ないので、ダイヤモンド１３６の成長面の縁に沿った双晶又は多結晶のダイヤモンド形成を防ぐ。したがって、Ｄは、特定の間隔の範囲内、例えば０〜１．５ｍｍであるべきである。間隔Ｄ及び高さＨは、図１に示されているように、ダイヤモンド１３６をシース内に配置し、シースをコレット１３２ａ及び１３２ｂの中に配置し、次にねじ１３１を締め付けることにより、セットリング１３０のねじ１３１を用いて手作業でセットする。

図２は、図１に示されている蒸着装置の透視図である。図２の成膜チャンバーの床１２２の中央に、中央の凹所部分を有する円形のステージ１２４がある。図２に示されているようにそのステージ１２４は、ボルト１２６ａ〜１２６ｄによって適所に保持されている。そのステージは、モリブデン又は高い熱伝導率を有するその他の材料で形成することができる。４つのねじ１３１ａ〜１３１ｂを備えたセットリング１３０は、ステージ１２４の凹所部分１２５内にコレット１３２ａ〜１３２ｂと共に配置されている。別法では、セットリング１３０は、ステージとセットリング間の熱伝導を増すために、ステージ１２４にボルトで締めることができる。

図２ａに示されているように、丈の短い矩形の管又は矩形に折り曲げたシートのいずれかであり得る矩形のシース１３４は、その中にダイヤモンド１３６があるコレット１３２ａ及び１３２ｂの中に配置する。シース１２４は、モリブデン又は高い熱伝導率を有するその他のタイプの材料であり得る。ねじ１３１ａ〜１３１ｄは、シース１３４がダイヤモンド１３６上に固定されるようにコレット１３２ａ〜１３２ｂに締め付け、その結果、シース１３４は、ダイヤモンド１３６の４つの側面のヒートシンクとして作用する。図１に示されているように、シース１３４はまた、ステージ１２４に対する熱的接触もする。コレット１３２ａ〜１３２ｂは、ステージ１２４との熱的接触をして、シース１３４からの熱をステージ１２４に伝達するための温度塊としての役割を果たす。シース１３４のダイヤモンド１３６への締め付けによって、ダイヤモンドとシース間の熱的接触の量が増大する。図１に示されているように、シース１３４は、ステージ１２４に対する熱的接触をすることもできる。図２ａには、シース及びダイヤモンドの両方共矩形の形が示されているが、そのシース及びダイヤモンドは、楕円形、円形、又は多角形など任意の幾何学的形状を持つことができる。そのシースすなわちホルダーの形状は、実質的にダイヤモンドと同じものとすべきである。

図１及び２ａに示されている本発明の典型的な実施形態において、ステージ１２４は、約１０．１ｃｍの直径をもつことが可能であり、シース１３４は、幅が約２．５ｃｍであり得る。ステージ及びシース１３４のために選択した寸法とは関係なく、ステージ１２２の温度塊、モリブデンのシース１２４、及びコレット１３２は、ダイヤモンド１３６の最適の放熱を提供するように調整することができる。加えて、クーラントパイプ１２８の通路及び大きさは、特に特別大きいダイヤモンドを製造する場合は、より大きな冷却効果をだすために修正することが可能である。さらに、冷却剤又は他の低温流体を、クーラントとして使用することができる。

モリブデンは、ステージ１２４、セットリング１３０、コレット１３２、シース１３４、及び他の構成要素に使用する唯一の可能性のある材料である。モリブデンは、それが２６１７℃という高い融点及び高い熱伝導率を有しているため、これらの構成要素に適している。それに加えて、大きな黒鉛の堆積が、モリブデン上に形成される傾向はない。他の材料も、例えば、モリブデン−タングステン合金、又は人工セラミックスなど、加工温度より上の高い融点及びモリブデンのそれに匹敵する熱伝導率を有していれば、選択的にモリブデンの代わりに使用することができる。

図１に戻って、ダイヤモンド製造システム１００の他の構成要素は、赤外線高温計１４２のような非接触測定装置であって、それはダイヤモンドの種１３８及びその後の成長プロセスの間の成長ダイヤモンド１４０の温度をダイヤモンド１３６と接触することなく測定するために使用する。その赤外線高温計１４２は、例えば、米国ニュージャージー州オークランドのＭｉｋｒｏｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．のＭＭＲＯＮ Ｍ７７／７８ ２色赤外線高温計であり得る。その赤外線高温計１４２は、２ｍｍの目標領域寸法をもつダイヤモンドシード１３８又はその後の成長ダイヤモンド１４０の上に焦点を合わせる。その赤外線高温計１４２を使用することにより、ダイヤモンド１３６の成長面の温度が、１℃の範囲内で測定される。

図１のダイヤモンド製造システム１００はまた、ＭＰＣＶＤプロセス制御器１４４を含んでいる。そのＭＰＣＶＤプロセス制御器１４４は、一般的にはＭＰＣＶＤシステム１０４の構成要素として提供される。当分野ではよく知られているように、ＭＰＣＶＤプロセス制御器１４４は、それだけに限定されないが、プロセス温度、ガス流量、プラズマパラメータ、及び、反応物及びプラズマ制御装置１０６の使用による反応物の流速を含む多数のＭＰＣＶＤパラメータに関してフィードバック制御をはたらかせる。そのＭＰＣＶＤプロセス制御器１４４は、主プロセス制御器１４６と相まって作動する。主プロセス制御器１４６は、ＭＰＣＶＤプロセス制御器１４４、赤外線高温計１４２、及び該ダイヤモンド製造システム１００のその他の構成要素の他の測定装置からのインプットを取り上げ、そのプロセスに関する実行水準の制御を行う。例えば、主プロセス制御器１４６は、クーラント制御器１４８を使用する段階において、クーラント温度及び／又はクーラントの流速を測定し且つ制御することができる。

主プロセス制御器１４６は、汎用コンピュータ、特殊用途コンピュータシステム、例えばＡＳＩＣ、又はＭＰＣＶＤプロセスを制御する任意のその他の既知タイプのコンピュータシステムであり得る。主プロセス制御器１４６のタイプによっては、ＭＰＣＶＤプロセス制御器１４４は、主プロセス制御器に統合して２つの構成要素の機能を合併することができる。例えば、主プロセス制御器１４６は、米国テキサス州オースティンのＮａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．のＬａｂＶＩＥＷプログラム言語及びＬａｂＶＩＥＷプログラムを搭載した汎用コンピュータであることが可能で、そうすれば、その汎用コンピュータは、すべてのプロセスパラメーターを制御、記録、及び報告する機能をももつ。

図１の主プロセス制御器１４６は、ダイヤモンドの成長面を横切るすべての温度勾配が２０℃以下となるように成長面の温度を制御する。成長面温度及び成長面温度勾配についての正確な制御により、多結晶又は双晶ダイヤモンドの形成を防止し、その結果、大きな単結晶のダイヤモンドを成長させることができる。ダイヤモンド１３６の成長面を横切るすべての温度勾配を制御する能力は、いくつかの要因に影響されるが、その要因としては、ステージ１２４の放熱性能、プラズマ１４１中のダイヤモンドの上面の位置取り、ダイヤモンドの成長面がさらされるプラズマ１４１の均一性、ホルダーすなわちシース１３４を経由するダイヤモンドの縁からステージ１２４への熱転移の良否、マイクロ波能力の制御の可能性、クーラント流速、クーラント温度、ガス流速、反応物流速、赤外線高温計１４２の検知能力等が挙げられる。高温計１４２からの温度測定値に基づいて、主プロセス制御器１４６は、成長面を横切るすべての温度勾配が２０℃未満となるように、プラズマ１４１に対するマイクロ波能力、クーラント流速、クーラント温度、ガス流速、及び反応物流速の少なくとも１つを調節することによって成長面の温度を制御する。

図２ｂは、図１に示されているダイヤモンド１３６の透視図であって、ダイヤモンド１３６の成長面１３７に沿った典型的な点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４を描いている。図２ｂはまた、成長面１３７すなわちダイヤモンド１３６の上端１３９とシース１３４の端１３５の間の間隔Ｄを描いている。一般的に成長面を横切る温度差に関しては、大きな温度変化が、ダイヤモンドの成長面の縁と中央部の間で起こる。例えば、点Ｐ１とＰ２の間では、点Ｐ１とＰ３の間で起こるより大きな温度勾配が発生する。他の例では、点Ｐ４とＰ２の間では、点Ｐ４とＰ３の間で起こるより大きな温度勾配が発生する。したがって、成長面を横切るすべての温度勾配が２０℃未満となるようにダイヤモンドの成長面の温度を制御するには、少なくとも成長面１３７の中央と縁１３９の間の温度測定を織り込むべきである。例えば、主制御器１４６は、点Ｐ１とＰ２の間の温度勾配が２０℃未満となるように成長面の温度を制御することができる。

赤外線高温計のスポットサイズは、ダイヤモンドの上面を横切る温度勾配を監視する能力及び、それに伴ってダイヤモンドの成長速度に影響することがあり得る。例えば、ダイヤモンドの大きさが赤外線高温計のスポットサイズと比較して大きい場合は、ダイヤモンドの成長面の各縁の温度は、赤外線高温計の視野の外側となり得る。したがって、大きく成長する領域を有するダイヤモンドには多重赤外線高温計を使用すべきである。多重高温計のそれぞれは、ダイヤモンドの表面の周りの異なる縁、好ましくは可能な場合は角付近に焦点を当てるべきである。したがって、図１に示す主プロセス制御器１４６は、部分的に重なり合う多重高温計からの視野を統合して、ダイヤモンドの表面を横切る温度の連続的な「マップ」を作成するか、又は重なり合わない視野の間には中間値を挿入してダイヤモンドの成長面を横切る温度の翻訳「マップ」を作成するように、プログラムを組むべきである。別法では、成長表面の中央に対する単一の縁又は角の点の間の温度勾配をダイヤモンドの成長面を横切って存在する最大の温度勾配を示すものとして監視することができる。

ダイヤモンド製造システム１００には、温度制御のための赤外線高温計１４２に加えて他のプロセス制御器械の装備を含めることができる。追加のプロセス制御器械としては、成長の途中にあるダイヤモンド１３６のタイプ及び品質を測定する装置を含むことができる。そのような装置の例をしては、可視分光計、赤外分光計、及びラマン分光計が挙げられ、それらは、光学的性質をしており赤外線高温計１４２と同じ点に焦点を当て、成長の途中にあるダイヤモンドの構造及び品質に関するデータを得ることができる。追加の装置が提供される場合は、それは主プロセス制御器１４６に接続して、その主プロセス制御器１４６がその器械を制御し、その分析方法の結果を他の状況情報と共に提示するようにすることができる。追加のプロセス制御器械は、実験の設定、より大きいダイヤモンドを製造する方法の「スケールアップ」、及び既存のダイヤモンド製造システム１００及び対応する方法のための品質管理活動に特に有用であり得る。

ダイヤモンド１３６が成長するにつれて、間隔Ｄ及び高さＨが増大する。間隔Ｄが増大するにつれて、ダイヤモンド１３６の成長面の上端１３９のためのシース１３４の放熱能力が低下する。さらに、温度及び／又はコンシステンシーなどプラズマの特性が、ダイヤモンド１３６の成長面がプラズマ１４１中に伸びるに従って変化する。ダイヤモンド製造システム１００においては、ダイヤモンドの位置が、間隔Ｄを減らすためにシース１３４に対して下方に調整することができ、ダイヤモンド及びシース１３４の両方が、高さＨを低下するために成膜チャンバーの床１２２に対して、下方に調整することができるように成長プロセスを周期的に停止する。この再配置は、ダイヤモンド１３６の成長面のダイヤモンドの成長が、プラズマ１４１内の共振出力の望ましい領域内で起こることを可能とし、赤外線高温計１４２及び付加的な装置をダイヤモンド１３６の成長面に焦点が合ったままにすることを可能とし、ダイヤモンド１３６の成長面の縁から放熱させるための効率的な熱的接触を維持する効果を有する。しかしながら、成長プロセスを繰り返して停止することは、大規模生産にとっては不便であり、注意深く実施しない場合はプロセス中に汚染が導入される機会が増すことになる。

図３は、本発明の１実施形態によるダイヤモンド製造装置３００の線図であり、その中にはダイヤモンド成長プロセスの間にダイヤモンド１３６を移動させるための試験片保持組立て品３２０を有する蒸着装置３０４の断面図が描かれている。ダイヤモンド製造装置３００のいくつかの構成要素は、ダイヤモンド製造システム１００のものと実質的に同じであり、したがって、図３の中にある同様の構成要素を説明するには図１に関して上で述べたことで十分であろう。例えば、図３の、高温計１４２、成膜チャンバーの床１２２、クーラントパイプ１２８、ベル形ジャー１０８は、図１で説明したものと実質的に同じである。

図３に示されているように、ダイヤモンド１３６は、試験片ホルダー組立て品３２０のシース１３４内のダイヤモンド作動装置部分３６０の上に乗っている。ダイヤモンド１３６は、シース１３４内で成長面と実質的に直角をなす軸に沿って移動するダイヤモンド作動装置部分３６０の上にスライドできるように乗っている。そのダイヤモンド作動装置部分３６０は、ステージ３２４を通して突きだしており、図３のクーラント及びダイヤモンド／ホルダー制御装置３２９の一部として示されているダイヤモンド制御装置によりステージ３２４の下から制御される。そのダイヤモンド作動装置部分３６０は、ダイヤモンド１３６の成長面と成膜チャンバーの床１２２の間の高さＨを設定するためのものである。図３のダイヤモンド作動装置部分３６０は、ねじ棒として示されているが、そのダイヤモンド作動装置部分は、ダイヤモンド１３６を成膜チャンバー床の上の高さと位置に配置することを可能にする任意の幾何学的形状のものであり得る。ダイヤモンド作動装置部分３６０など、ベル形ジャー内に置かれる構成要素は、必要な雰囲気の維持における問題を避けるために真空に適合するものであるべきであることは、当業者であれば認識するであろう。

ダイヤモンド作動装置部分３６０の作動装置（図示なし）は、モーター（図示なし）である。しかしながら、その作動装置は、成長するダイヤモンドの大きさ、成長速度、及び必要な移動の正確さの程度によって、多数の既知のタイプの作動装置の任意の１つであり得る。例えば、ダイヤモンド１３６の大きさが小さい場合は、圧電アクチュエータを使用することができる。ダイヤモンド１３６が比較的大きいか比較的大きく成長させることができる場合は、モーター付きのコンピュータ制御可能な作動装置が好ましい。特定の作動装置を採用することとは関係なく、主プロセス制御器３４６は、ダイヤモンド作動装置部分３６０の動きを、ダイヤモンド１３６がダイヤモンドの成長の進行に合わせて下方に自動的に移動することができるように制御する。

さらに、ホルダー作動装置部分３６２が、ステージ３２４を通って突き出ており、図３のクーラント及びダイヤモンド／ホルダー制御装置３２９の一部として示されているホルダー制御装置によりステージ３２４の下から制御される。そのホルダー作動装置部分３６２は、成長面と実質的に直角をなす軸に沿って移動し、それはダイヤモンド１３６の成長面の縁とホルダーすなわちシース１３４の上端の間の間隔Ｄを維持するためである。ダイヤモンド製造系は、ダイヤモンド作動装置部分、ホルダー作動装置部分、又はその両方の組合せを持つことができる。

図３においてホルダー作動装置部分３６２は、ステージ３２４中に差し込まれており、ダイヤモンド作動装置部分３６０は、ホルダー作動装置部分３６２の中に差し込まれている。この配列によって、図３に示されているクーラント及びダイヤモンド／ホルダー制御装置３２９のダイヤモンド及びホルダー制御装置は、ダイヤモンド１３６、シース１３４、又はシース１３４及びダイヤモンド１３６の両方を移動させることができる。図３のホルダー作動装置部分３６２は、ダイヤモンド作動装置部分３６０に対して内側がねじ切りされており、ステージ３２４中を通り抜けるために外側をねじで進むねじ切りされた円筒として示されているが、そのホルダー作動装置部分は、ダイヤモンド１３６の成長面の縁とホルダーすなわちシース１３４の上端の間の特定の間隔範囲を維持することが可能な任意の形状のものであり得る。ホルダー作動装置部分３６２又はホルダー作動装置部分及びダイヤモンド作動装置部分の両方の組合せなど、ベル形ジャー内に置かれる構成要素は、必要な雰囲気の維持における問題を避けるために真空に適合するものであるべきであることは、当業者であれば認識するであろう。

図３に示されているように、温度塊３６４が、ステージ３２４の凹所内に配置されている。ホルダーすなわちシース１３４は、熱エネルギーがシース１３４からステージ３２４に転移するように温度塊３６４内でスライドできるように配置されている。温度塊３６４の上面は、熱がシース１３４から転移し、同時にプラズマ３４１に対する温度塊３６４の電気的影響を最小にすることができるように輪郭を付けることができる。図４ａ〜４ｃの温度塊４６６ａ、４６６ｂ、及び４６６ｃは、それぞれ、断面の形状が異なる他の輪郭を示す温度塊の例であって、それらは選択的に、図３に示されている温度塊３６４の代わりに使用することができる。温度塊はモリブデンから作製することができる。他の材料も、例えば、モリブデン−タングステン合金、又は人工セラミックスなど、加工温度より上の高い融点及びモリブデンのそれに匹敵する熱伝導率を有していれば、ダイヤモンドの面からステージに熱を転移する温度塊として使用することができる。

プラズマ３４１に対する温度塊３６４の電気的影響を最低限にすることによって、ダイヤモンドが成長するプラズマ３４１内の領域は、より均一になるであろう。さらに、ダイヤモンドを成長させるのにより高い圧力を使用することが可能となり、それによって単結晶ダイヤモンドの成長速度が増すであろう。例えば、圧力は１３０から４００トルまで変化させることができ、単結晶の成長速度は、１時間当たり５０から１５０ミクロンとすることができる。ダイヤモンドの成長面の縁から熱を除去する輪郭になっている温度塊３６４は、それのプラズマ３４１に対する電気的影響を最低限にし、プラズマ３４１の均一性、形状及び／又は位置が、その温度塊３６４によって容易には影響されないので、４００トルといった高めの圧力を使用することが可能である。さらに、プラズマ３４１を維持するために必要なのは、１〜２ｋＷといった低めのマイクロ波出力である。そうでない場合は、プラズマ３４１の均一性、形状及び／又は位置を維持するために、低めの圧力及び／又は増大したマイクロ波出力を使用しなくてはならない。

ダイヤモンド１３６が成長するのに伴い間隔Ｄ及び高さＨが増加する。間隔Ｄが増加するのに伴い、ダイヤモンド１３６の成長面の上端に対するシース１３４の放熱能力が減少する。さらに、温度などのプラズマの特性が、ダイヤモンド１３６の成長表面がプラズマ３４１中に伸びると変化する。ダイヤモンド製造システム３００において、間隔Ｄ及び高さＨは、ダイヤモンド成長プロセスの間にホルダー作動装置部分３６２及びダイヤモンド作動装置部分３６０を用いるクーラント及びダイヤモンド／ホルダー制御装置３２９を経由した主プロセス制御器３４６によって、制御することができるので、ダイヤモンド１３６が予め決めておいた厚さに到達した時、成長プロセスは停止する。この再配置により、手動によるか又は制御器１４４の制御の下での自動によるかのいずれかで、ダイヤモンド１３６の成長面上のダイヤモンドの成長がプラズマ３４１内の共振出力の望ましい領域内で起こることが可能となる。さらに、再配置は、赤外線高温計１４２及び付加的な装置がダイヤモンド１３６の成長面上に焦点が合ったままにすることを可能とし、ダイヤモンド１３６の成長表面の縁からの効果的な放熱を維持することができる。

図５は、本発明の実施形態によるダイヤモンド製造装置５００の線図であり、そこにはダイヤモンド成長プロセスの間にダイヤモンド１３６を移動させるための試験片ホルダー組立て品５２０を備えた蒸着装置５０４の断面図が描かれている。ダイヤモンド製造装置５００のいくつかの構成要素は、ダイヤモンド製造システム１００及び３００のものと実質的に同じであり、したがって、図５の中にある同様の構成要素を説明するには図１及び図３に関して上で述べたことで十分であろう。例えば、図５の、高温計１４２、成膜チャンバーの床１２２、クーラントパイプ１２８、ベル形ジャー１０８は、図１で説明したものと実質的に同じである。他の例では、図５のクーラント及びダイヤモンド／ホルダー制御装置３２９、及びダイヤモンド作動装置部分３６０は、図３のものと実質的に同じである。

図５に示されているように、ダイヤモンド１３６は、ダイヤモンド作動装置部分３６０上に乗っていて、ホルダーとして作用する輪郭をなす温度塊５６６内にある。ダイヤモンド１３６を成形した温度塊５６６内に直接配置することによって、ダイヤモンド１３６の放熱の熱効率が増大する。しかしながら、プラズマ５４１は、全体の輪郭を示す温度塊が、図３においてクーラント及びダイヤモンド／ホルダー制御装置３２９の一部として示されているダイヤモンドホルダー制御装置を備えたステージ５２４中のホルダー作動装置５６２が移動させるので、一層容易に影響を受ける。したがって、プラズマ及び／又は成長プロセスの他のパラメータを適切に制御するために、主プロセス制御器５４６には上記の要因を織り込むべきである。別法では、図３に示されている凸状の温度塊３６４、図４ｂの脇が傾斜している温度塊４６６ｂ、図４ｃの脇が傾斜していて頂端がシリンダー状の温度塊４６６ｃ、又はその他の幾何学的形態を、図５の凹状の温度塊５６６の代わりに使用することができる。

図６は、図１に示されている試験片ホルダー組立て品と共に使用することができる本発明の実施形態によるプロセス６００を示す流れ図である。プロセス６００は、ステップＳ６７０で始まり、そこでは適当な種ダイヤモンド又は成長の過程にあるダイヤモンドをホルダーに配置する。例えば図１の試験片ホルダー組立て品１２０において、ダイヤモンドの種部分１３８は、シース１３４中に置き、作業者がねじ１３１ａ〜１３１ｄを締める。シース及びダイヤモンドの両方を適所に維持するため他の仕掛けを用いることができ、例えば、バネ仕掛けのコレット、又は油圧その他の仕掛けをホルダーすなわちシースに対して力をはたらかせるために使用することができる。

ステップＳ６７２に記されているように、ダイヤモンド（ダイヤモンドの種又は成長したダイヤモンドのいずれか）の成長面の温度を測定する。例えば、図１の高温計１４２は、成長しつつあるダイヤモンド部分１４０の上面である成長面の測定値を取り、その測定値を主プロセス制御器１４６に提供する。その測定値は、ダイヤモンド１３６の成長面を横切る熱勾配が、主プロセス制御器によって測定できるように、又は少なくともダイヤモンドの成長面の縁の温度が主プロセス制御器に入力されるように取る。

図１に示されている主プロセス制御器１４６のような主プロセス制御器は、図６のＳ６７４に記されているように成長面の温度を測定するために使用される。その主プロセス制御器は、成長面を横切る温度勾配を２０℃未満に維持することにより温度を制御する。成長面の温度を制御する一方で、図６のステップＳ６７５に示されているように、ダイヤモンドをホルダー中で再配置すべきかどうかを決定する。主制御器が、プラズマ、ガス流、及びクーラント流を制御することによって、成長面を横切るすべての温度勾配が２０℃未満であるようにダイヤモンドの成長面の温度を制御できない場合は、図６のステップＳ６７８に示されているように、ダイヤモンドのよりよい放熱のため及び／又はプラズマ内のダイヤモンドのよりよい位置取りのため、ダイヤモンドをホルダー中で再配置することができる。主制御器が、ダイヤモンドの成長面を横切るすべての温度勾配を２０℃未満に維持できる場合は、図６のステップＳ６７６に示されているように、成長面上でのダイヤモンドの成長が起こる。

図６に示されているように、ダイヤモンドの成長面の温度を測定するステップ、成長面の温度を制御するステップ、及び成長面でダイヤモンドが成長するステップは、ダイヤモンドを再配置すべきであることが決定されるまで起こる。測定、制御、成長、及び決定の行為は、ステップとして示されており、説明されているが、それらは必ずしも連続しているものではなく、互いに同時に起こり得る。例えば、成長面上でダイヤモンドを成長させるステップは、ダイヤモンドの成長面の温度を測定するステップ及びその成長面の温度を制御するステップが発生している間に起こり得る。

ダイヤモンドの再配置は、ステップＳ６７８に記されているように、手動又はロボットを利用した手法により行うことができる。さらに、図６のステップＳ６７３に示されているように、決定は、ダイヤモンドが予め決めた厚さ又は必要な厚さに到達したかどうかについて行うことができる。その決定は、機械装置又は光学装置による実測に基づくことができる。他の例では、その測定は、その方法についての既知の成長速度に照らした処理時間の長さに基づくことができる。図６のステップ６８０に記されているように、ダイヤモンドが予め決めた厚さに到達した場合は、そのとき成長プロセスは完了である。ダイヤモンドが予め決めた厚さに到達していない場合は、そのとき成長プロセスは、図６に示されているように、再出発し、ダイヤモンドの成長面の温度を測定するステップと、成長面の温度を制御するステップと、成長面上にダイヤモンドを成長させるステップとが、そのダイヤモンドを再配置する必要があると決定されるまで続けられる。

図７は、図３及び図５に示されている試験片ホルダー組立て品と共に使用することができる本発明の実施形態によるプロセス７００を示す流れ図である。そのプロセス７００は、ステップＳ７７０で始まり、そこでは成長したダイヤモンド、人造ダイヤモンド、天然ダイヤモンド、又はそれらの混合物であってよい適当な種ダイヤモンドをホルダーの中に配置する。例えば図３の試験片ホルダー組立て品３２０において、ダイヤモンドの種部分１３８は、図３に示されているように、シース１３４と共にダイヤモンド作動装置部分３６０の上に置く。試験片ホルダー組立て品の別の例では、ダイヤモンドの種部分１３８は、図５に示されているように、輪郭を付けた温度塊５６６内のダイヤモンド作動装置３６０上に置く。

ステップＳ７７２に記されているように、ダイヤモンド（ダイヤモンドの種又はそのダイヤモンドの種の上に新たに成長したダイヤモンド部分のいずれか）の成長表面の温度を測定する。例えば、図３の高温計１４２は、成長しつつあるダイヤモンド部分１４０の上面である成長面の測定値を取り、その測定値を主プロセス制御器３４６に提供する。別の例において、図５の高温計１４２は、種のダイヤモンド部分１３８の上面である成長面の測定値を取り、その測定値を、主プロセス制御器５４６に提供する。その測定値は、ダイヤモンドの成長面を横切る温度勾配が、主プロセス制御器によって測定され得るように、又は少なくとも成長面の縁及び中央の温度が、主プロセス制御器に入力されるように取られる。

主プロセス制御器３４６又は５４６などの主プロセス制御器は、図７のＳ７７４に記されているように、成長面の温度の制御に用いられる。その主プロセス制御器は、ダイヤモンドの成長面の温度を、成長面を横切るすべての温度勾配が２０℃未満であるように制御する。図７のステップ７７５に示されているように、成長面の温度を制御している間に、そのダイヤモンドがホルダー中で再配置する必要があるかどうかについて決定がなされる。主制御器が、プラズマ、ガス流、及びクーラント流によってダイヤモンドの成長面の温度を、成長面を横切るすべての温度勾配が２０℃未満であるように維持できない場合は、そのとき、ダイヤモンドは、図７に示されているようにダイヤモンドが成長している間に「ＹＥＳ」の進路によってステップＳ７７５からステップＳ７７６及びステップＳ７７８の両方に再配置する。ダイヤモンドをホルダー内で再配置することによって、成長面の縁の放熱が改善される。さらに、成長面は、ダイヤモンドの成長面を横切るすべての熱勾配が２０℃未満を維持するためのコンシステンシーを有するプラズマの最適の領域内に配置することができる。主制御器が、ダイヤモンドの成長面を横切るすべての熱勾配が２０℃未満を維持することができる場合は、成長面上のダイヤモンドの成長は、図７のステップＳ７７５からステップＳ７７６への「ＮＯ」の進路で示されているように、再配置することなく起こる。

ダイヤモンドの成長面の温度を測定するステップ、成長面の温度を制御するステップ、成長面でダイヤモンドを成長させるステップ、及びダイヤモンドをホルダー中で再配置するステップは、そのダイヤモンドが予め決めた厚さに到達したことが測定されるまで起こる。図７のステップＳ７７３に記されているように、測定は、ダイヤモンドが予め決めた厚さ又は所望の厚さに到達したか否かによってなされる。その測定は、機械装置又は光学装置による実測に基づくことができる。例えば、ダイヤモンドを成長プロセスの間に再配置しなければならない間隔についての深さ又は量を記録するトラッキングプログラムによる。他の例では、その測定は、その成長プロセスの既知の成長速度に照らした処理時間の長さに基づくことができる。そのダイヤモンドが、予め決めた厚さに到達した場合は、図７のステップ７８０に記されているようにその成長プロセスは完了である。そのダイヤモンドが、予め決めた厚さに到達していない場合は、図７のステップＳ７７３からステップＳ７７４への「ＮＯ」の進路で示されているように、その成長プロセスは、ダイヤモンドの成長面の温度を測定するステップ、成長面の温度を制御するステップ、成長面上でダイヤモンドを成長させるステップ、及びホルダー中のダイヤモンドを再配置するステップを、そのダイヤモンドを再配置する必要があることが決定されるまで続ける。

プロセス６００及び７００を実行する場合、ダイヤモンドの成長は、通常「ステップ成長」条件が維持することができる限り継続される。一般に、「ステップ成長」条件とは、ダイヤモンドがダイヤモンド１３６の成長面でダイヤモンド１３６が孤立した「突出」又は双晶がなく現実に滑らかであるように成長する成長を指す。その「ステップ成長」条件は、視覚的に実証できる。別法では、レーザーを使用してダイヤモンド１３６の成長面を走査することができる。レーザー反射率の変化が、「突出」又は双晶の形成を示す。そのようなレーザー反射率を、成長プロセスを停止する条件として主プロセス制御器にプログラム化することができよう。例えば、ダイヤモンドが、予め決めた厚さであるか決定することの他に、レーザー反射率を受け入れているか否かの決定もすることができる。

一般的に言って、本発明の典型的な実施形態による方法は、増加した［１００］成長速度をもつ大きくて高品質のダイヤモンドを作り出すように設計されている。プロセス温度は、所望される単結晶ダイヤモンドの特定のタイプによって、又は酸素を使用する場合、約９００〜１４００℃の範囲から選択することができる。多結晶ダイヤモンドは、高温で生成し、ダイヤモンドのような炭素が、より低温で生成する可能性がある。成長プロセスの間、メタン濃度を６〜１２％のメタンの範囲にして１３０〜１４０トルの圧力を使用する。１５％より大きい炭化水素濃度は、ＭＰＣＶＤチャンバーの内側に過剰の黒鉛が析出する原因となり得る。反応物混合物に加える１〜５％のＮ_２／ＣＨ_４は、さらに有効な成長場所を生み出し、成長速度を高め、｛１００｝面の成長を促進する。本発明の他の態様は以下の実施例からこれまでより詳細に理解することができる。

ダイヤモンド成長プロセスを上記の図１のＭＰＣＶＤチャンバー内で実施した。最初に、市販の３．５×３．３×１．６ｍｍ^３の高圧高温（ＨＰＨＴ）合成タイプＩｂダイヤモンドの種を、成膜チャンバーに配置した。そのダイヤモンドの種は、アセトンで超音波洗浄してあり、磨かれた滑らかな表面を有する。蒸着面は、ダイヤモンドの種の｛１００｝表面の２度以内であった。

次に、成膜チャンバーを１０^−３トルのベースプレッシャーまで排気した。赤外線高温計１４２を、石英の窓を通して６５度の入射角でダイヤモンドの成長面に焦点を合わせたが、それは最低２ｍｍ^２の直径のスポットサイズを有していた。ダイヤモンドの成長は、３％Ｎ_２／ＣＨ_４、及び１２％ＣＨ_４／Ｈ_２のガス濃度を用いて１６０トルの圧力で実施した。プロセス温度は１２２０℃であり、ガス流速は、Ｈ_２が５００ｓｃｃｍ、ＣＨ_４が６０ｓｃｃｍ、Ｎ_２が１．８ｓｃｃｍであった。蒸着は１２時間継続した。

得られたダイヤモンドは、磨かないで、４．２×４．２×２．３ｍｍ^３であり、種の結晶に約０．７ｍｍの成長を示し、すなわちそれは、１時間当たり５８ミクロンの成長速度で成長したことになる。成長形態は、＜１００＞側の成長速度が、＜１１１＞成長株の成長速度より速いことを示した。成長パラメータαは、２．５〜３．４と判断された。

蒸着したダイヤモンドを、Ｘ線回折（ＸＲＤ）、ラマン分光法、光ルミネセンス（ＰＬ）分光法、及び電子常磁性共鳴（ＥＰＲ）を用いて特性を明らかにした。得られたダイヤモンドのＸ線回折による検討で、わずかの多結晶性がダイヤモンドの上端に見つかったが、それが単結晶であることが確認された。ＭＰＣＶＤ成長ダイヤモンド及び種ダイヤモンドの可視／近赤外透過スペクトルにより、窒素が結晶構造に効果的に組み込まれることを確認している。ラマン分光法は、ＭＰＣＶＤ成長ダイヤモンドの上面は、種のダイヤモンドとは異なる光学特性を有するが同じ内部応力を有することを立証している。

多数のＭＰＣＶＤダイヤモンドを実施例１の指針に従い、一方でプロセス温度を記載したように変化させて製造した。これらの実験は、本発明の実施形態と一致する成長プロセスにおいて、種々のタイプのダイヤモンドの製造に対しては、プロセス温度が変化することを立証する。表１は、これらの追加の実験の結果を示す。

高品質で厚さが０．６ｍｍを越える純粋ＣＶＤ単結晶ダイヤモンドを、実質的に上の実施例１の手順により、少量（１〜３％）の酸素を加え、成長温度を摂氏９００度に下げることにより作製した。添加した酸素は、低い成長温度を可能にし、そのことが、窒素が関係する不純物を除去し、ケイ素及び水素の不純物濃度を低下させる。この方法を用いた成長速度は、ほぼ１０μｍ／時間であって、実施例１のそれよりは低いが、従来の方法よりは依然として大きい。

上で論じた方法によって形成したダイヤモンドの色は、アニールによって変わる。例えば、褐色のダイヤモンドの黄色は、アニールして緑色のダイヤモンドにすることができる。上記の実施例で製造したダイヤモンドに関するさらなる情報が、その全体が参照により本明細書に組み込まれている、全米科学アカデミー会報、２００２年１０月１日、９９巻、２０号、１２５２３〜１２５２５頁の、題名が、「非常に高い成長速度の単結晶ダイヤモンドの化学蒸着（Ｖｅｒｙ Ｈｉｇｈ Ｇｒｏｗｔｈ Ｒａｔｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）である本発明者等による論文にある。上記の方法及び装置により製造されたダイヤモンドは、十分に大きく、欠点がなく、そして高出力のレーザー応用における窓として又は高圧装置のアンビルとして役立つように透明である。

本発明は、その精神又は基本的な特徴から離れることなくいくつもの形で具現することが可能であるので、特別の定めのない限り、上記の実施形態は、前の説明のどんな細部にも制約されず、むしろ添付の請求項に規定したその精神と範囲に広く入るものと解釈すべきであり、それゆえ、請求項の境界又はその境界と同等のものに該当するすべての変更及び修正は、したがって、添付の請求項に包含されることを意味する。

ダイヤモンド成長過程の間、ダイヤモンドが固定されるように保持するための試験片ホルダー組立て品を備えた蒸着装置の断面が描かれている本発明の実施形態によるダイヤモンド製造装置を示す線図である。 図１に示されている蒸着装置を示す透視図である。 図１に示されているダイヤモンド及びシースを示す透視図である。 ダイヤモンド成長過程の間、ダイヤモンドを移動させるための試験片ホルダー組立て品を備えた蒸着装置の断面が描かれている本発明の実施形態によるダイヤモンド製造装置を示す線図である。 本発明により使用することが可能なホルダー又は温度塊を示す断面図である。 本発明により使用することが可能なホルダー又は温度塊を示す断面図である。 本発明により使用することが可能なホルダー又は温度塊を示す断面図である。 ダイヤモンド成長過程の間、ダイヤモンドを移動させるための試験片ホルダー組立て品を備えた蒸着装置の断面が描かれている本発明の他の実施形態によるダイヤモンド製造装置を示す線図である。 図１に示されている試験片ホルダー組立て品により使用することが可能な本発明の実施形態によるプロセス６００を示す流れ図である。 図３に示されている試験片ホルダー組立て品により、又は図５に示されている試験片ホルダー組立て品により使用することが可能な本発明の実施形態によるプロセス７００を示す流れ図である。

Claims (56)

1. 成膜チャンバー内でダイヤモンドを製造する装置であって、
   ダイヤモンドを保持し、前記ダイヤモンドの成長面の縁に隣接する前記ダイヤモンドの側面と熱的接触をするための放熱ホルダーと、
   前記ダイヤモンドの前記成長面を横切って前記ダイヤモンドの温度を測定するように配置した非接触温度測定装置と、
   前記非接触温度測定装置からの温度計測を受け、前記成長面の温度を、前記成長面を横切る全部の温度勾配が２０℃未満となるように制御するための主プロセス制御器とを備えた前記装置。
2. 前記放熱ホルダーが、モリブデンからなる管状部分品を備えている請求項１に記載の前記装置。
3. 前記放熱ホルダーが、前記成膜チャンバー内に設置されているステージに配置されており、そこに熱エネルギーを伝達する請求項１に記載の前記装置。
4. 前記放熱試験片ホルダーが、温度塊と熱的接触して、それによって熱エネルギーを前記ステージに伝達する請求項３に記載の前記装置。
5. 前記ダイヤモンドを、ねじで前記放熱試験片ホルダーに対して前記温度塊を締め付けることによって前記ホルダー内に保持する請求項４に記載の前記装置。
6. 前記ダイヤモンドが、前記放熱ホルダー内でスライド可能なように取り付けられる請求項１に記載の前記装置。
7. 前記ダイヤモンドが、前記放熱ホルダー内でスライド可能なように取り付けられ、前記成長面に対して実質的に直角をなす軸に沿って移動する第１の作動装置部分上に取り付けられる請求項１に記載の前記装置。
8. 前記放熱ホルダーが第２の作動装置部分上に配置されていて、前記第２の作動装置部分が、前記ダイヤモンドの前記成長面の縁と前記放熱ホルダーの上端部の間の間隔を維持するために前記成長面に対して実質的に直角をなす軸に沿って移動する請求項７に記載の前記装置。
9. 前記放熱ホルダーが、第１の作動装置部分上に、前記ダイヤモンドから熱を受け取るために温度塊内をスライド可能なように配置されている請求項１に記載の前記装置。
10. 前記ダイヤモンドが、前記放熱ホルダー内でスライド可能なように取り付けられ、前記成長面に対して実質的に直角をなす軸に沿って移動する第２の作動装置部分上に取り付けられる請求項９に記載の前記装置。
11. 前記温度塊が、前記成膜チャンバー内に設置されているステージである請求項９に記載の前記装置。
12. 前記第１の作動装置部分が、前記ダイヤモンドの前記成長面の縁と前記放熱ホルダーの上端部の間の間隔を維持するために前記成長面に対して実質的に直角をなす軸に沿って移動する請求項９に記載の前記装置。
13. 前記非接触温度測定装置が、赤外線高温計である請求項１に記載の前記装置。
14. 前記ダイヤモンドが、実質的に単結晶ダイヤモンドである請求項１に記載の前記装置。
15. ダイヤモンドを製造するための試験片ホルダー組立て品であって、
    ダイヤモンドと、
    前記ダイヤモンドの成長面の縁に隣接する前記ダイヤモンドの側面と熱的接触をする放熱ホルダーであって、前記ダイヤモンドは、前記放熱ホルダー内でスライド可能なように取り付けられる放熱ホルダーと、
    前記放熱ホルダーから熱エネルギーを受け取るためのステージと、
    前記放熱ホルダー内の前記ダイヤモンドを再配置するために前記成長面に対して実質的に直角をなす軸に沿って移動することが可能な第１の作動装置部分とを備えた前記組立て品。
16. 前記放熱ホルダーが、モリブデンにより構成されている請求項１５に記載の前記組立て品。
17. 前記放熱試験片ホルダーが、温度塊と熱的接触をして、それによって熱エネルギーを前記ステージに移動させる請求項１５に記載の前記組立て品。
18. 前記放熱ホルダーが、前記ダイヤモンドの前記成長面の縁と前記放熱ホルダーの上端部の間の間隔を維持するために前記成長面に対して実質的に直角をなす軸に沿って移動する第２の作動装置部分上に配置されている請求項１５に記載の前記組立て品。
19. ダイヤモンドを製造するための試験片ホルダー組立て品であって、
    ダイヤモンドと、
    前記ダイヤモンドの成長面の縁に隣接する前記ダイヤモンドの側面と熱的接触をする放熱ホルダーと、
    前記放熱ホルダーからの熱エネルギーを受け取るための温度塊であって、前記ダイヤモンドは、前記温度塊を介して加えられる圧力によって前記放熱ホルダー内に保持される温度塊と、
    前記放熱ホルダーからの熱エネルギーを、前記温度塊を経由して受け取るためのステージとを含む前記組立て品。
20. 前記圧力を、ねじを用いて加える請求項１９に記載の前記組立て品。
21. 前記温度塊が、コレットである請求項１９に記載の前記組立て品。
22. ダイヤモンドを製造する方法であって、
    前記ダイヤモンドの成長面の縁に隣接する前記ダイヤモンドの側面と熱的接触をするように、ホルダー内にダイヤモンドを配置するステップと、
    前記ダイヤモンドの前記成長面の温度を測定して温度計測値をもたらすステップと、
    前記温度測定値に基づいて前記成長面の温度を制御するステップと、
    マイクロ波プラズマ化学蒸着により、前記成長面に単結晶ダイヤモンドを成長させるステップであって、前記ダイヤモンドの成長速度が１時間当たり１マイクロメートルより大きいステップと、
    ダイヤモンドを成長させる前記ステップの後、前記ホルダー中に前記ダイヤモンドを再配置するステップと、
    前記成長面上にマイクロ波プラズマ化学蒸着によりダイヤモンドを再度成長させるステップとを含む、前記方法。
23. ダイヤモンドを製造する方法であって、
    前記ダイヤモンドの成長面の縁に隣接する前記ダイヤモンドの側面と熱的接触をするように、ホルダー内にダイヤモンドを配置するステップと、
    前記ダイヤモンドの前記成長面の温度を測定して温度計測値をもたらすステップと、
    前記温度測定値に基づいて前記成長面の温度を制御するステップと、
    マイクロ波プラズマ化学蒸着により、前記成長面に単結晶ダイヤモンドを成長させるステップであって、前記ダイヤモンドの成長速度が１時間当たり１マイクロメートルより大きいステップと、
    ダイヤモンドを成長させる間に、前記ホルダー中の前記ダイヤモンドを再配置するステップを含む、前記方法。
24. ダイヤモンドを製造する方法であって、
    前記ダイヤモンドの成長面の縁に隣接する前記ダイヤモンドの側面と熱的接触をするように、ホルダー内にダイヤモンドを配置するステップと、
    前記ダイヤモンドの前記成長面の温度を測定して温度計測値をもたらすステップと、
    前記温度測定値に基づいて前記成長面の温度を制御するステップと、
    マイクロ波プラズマ化学蒸着により、前記成長面に単結晶ダイヤモンドを成長させるステップであって、前記ダイヤモンドの成長速度が１時間当たり１マイクロメートルより大きいステップと、
    前記ダイヤモンドを、前記ホルダー中で再配置すべきか否かを決定するステップを含む、前記方法。
25. ダイヤモンドを製造する方法であって、
    ホルダー中にダイヤモンドを配置するステップと、
    前記ダイヤモンドの成長面の温度を測定して温度計測値をもたらすステップと、
    前記温度測定値を用いて前記成長面を横切る全部の温度勾配が２０℃未満となるように主プロセス制御器により前記成長面の温度を制御するステップと、
    前記成長面上にダイヤモンドを成長させるステップと、
    前記ダイヤモンドを前記ホルダー中で再配置するステップとを含む前記方法。
26. さらに、
    前記ダイヤモンドを、前記ホルダー中で再配置すべきか否かを決定するステップを含む請求項２５に記載の前記方法。
27. さらに
    前記ダイヤモンドが予め決めた厚さであるか否かを測定するステップと、
    前記ダイヤモンドが予め決めた厚さである場合はダイヤモンドの前記成長を停止するステップとを含む請求項２５に記載の前記方法。
28. 雰囲気が水素と、メタンの単位当たり１〜５％の窒素と、水素の単位当たり６〜１２％のメタンを含む請求項２５に記載の前記方法。
29. 前記ダイヤモンドが、実質的に単結晶ダイヤモンドである請求項２５に記載の前記方法。
30. 成長温度が、９００〜１４００℃である請求項２５に記載の前記方法。
31. 前記雰囲気が、メタンの単位当たり３％の窒素と、水素の単位当たり１２％のメタンを含む請求項２５に記載の前記方法。
32. 圧力が、１３０〜４００トルである請求項２５に記載の前記方法。
33. 成長温度が、１０００〜１４００℃である請求項２５に記載の前記方法。
34. ダイヤモンドを成長させる前記ステップを、前記ホルダー中の前記ダイヤモンドを再配置した後に繰り返す請求項２５に記載の前記方法。
35. 前記ホルダー中で前記ダイヤモンドを再配置するステップが、ダイヤモンドを成長させる前記ステップの間に起こる請求項２５に記載の前記方法。
36. 前記ダイヤモンドの成長速度が、１時間当たり１マイクロメートルより大きく、前記ダイヤモンドが単結晶ダイヤモンドである請求項２５に記載の前記方法。
37. ダイヤモンドを製造する方法であって、
    前記ダイヤモンドの成長面の温度を、前記成長面を横切る全部の温度勾配が２０℃未満となるように制御するステップと、
    少なくとも１３０トルの圧力の雰囲気を有する成膜チャンバー中でマイクロ波プラズマ化学蒸着により前記成長面に成長温度で単結晶ダイヤモンドを成長させるステップとを含む前記方法。
38. 前記雰囲気が水素と、メタンの単位当たり１〜５％の窒素と、水素の単位当たり６〜１２％のメタンを含む請求項３７に記載の前記方法。
39. 前記雰囲気が、さらに、水素の単位当たり１〜３％の酸素を含む請求項３８に記載の前記方法。
40. 前記成長温度が、９００〜１４００℃である請求項３９に記載の前記方法。
41. 前記雰囲気が、メタンの単位当たり３％の窒素と、水素の単位当たり１２％のメタンを含む請求項３８に記載の前記方法。
42. 前記圧力が、１３０〜４００トルである請求項３７に記載の前記方法。
43. 前記成長温度が、１０００〜１４００℃である請求項３７に記載の前記方法。
44. さらに、
    ホルダー中にダイヤモンドの種を配置するステップを含む請求項３７に記載の前記方法。
45. さらに、
    単結晶ダイヤモンドを成長させる前記ステップの後に前記ホルダー中で前記ダイヤモンドを再配置するステップと、
    単結晶ダイヤモンドを成長させる前記ステップを繰り返すステップとを含む請求項４４に記載の前記方法。
46. さらに、
    前記単結晶ダイヤモンドを成長させる間に前記ホルダー中で前記単結晶ダイヤモンドを再配置するステップを含む請求項４４に記載の前記方法。
47. 前記単結晶ダイヤモンドの成長速度が、１時間当たり１から１５０マイクロメートルである請求項３７に記載の前記方法。
48. ダイヤモンドを製造する方法であって、
    前記ダイヤモンドの成長面の温度を、前記成長面を横切る全部の温度勾配が２０℃未満となるように制御するステップと、
    前記成長面上に、マイクロ波プラズマ化学蒸着により、９００〜１４００℃の温度で単結晶ダイヤモンドを成長させるステップとを含む前記方法。
49. 雰囲気が水素と、メタンの単位当たり１〜５％の窒素と、水素の単位当たり６〜１２％のメタンを含む請求項４８に記載の前記方法。
50. 雰囲気が、さらに、水素の単位当たり１〜３％の酸素を含む請求項４８に記載の前記方法。
51. 前記雰囲気が、メタンの単位当たり３％の窒素と、水素の単位当たり１２％のメタンを含む請求項４９に記載の前記方法。
52. ダイヤモンドの成長が起こる雰囲気の圧力が、１３０〜４００トルである請求項４８に記載の前記方法。
53. さらに、
    ホルダー中にダイヤモンドの種を配置するステップを含む請求項４８に記載の前記方法。
54. さらに、
    単結晶ダイヤモンドを成長させる前記ステップの後に前記ホルダー中で前記ダイヤモンドを再配置するステップと、
    単結晶ダイヤモンドを成長させる前記ステップを繰り返すステップとを含む請求項５３に記載の前記方法。
55. さらに、
    前記単結晶ダイヤモンドを成長させる間に前記ホルダー中で前記単結晶ダイヤモンドを再配置するステップを含む請求項５３に記載の前記方法。
56. 前記単結晶ダイヤモンドの成長速度が、１時間当たり１から１５０マイクロメートルである請求項４８に記載の前記方法。

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