KR100280116B1 - 액상 유기 화합물을 전구체로 한 다이아몬드의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액상 유기 화합물을 고주파 플라즈마에 의해 분해시켜 다이아몬드를 제조하는 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 액상 유기 화합물을 전구체 (precursor)로 사용하고, 보조가스로 수소를 첨가하여 액상 유기 화합물을 고주파 플라즈마에 의해 분해시킴으로써 기판 위에서 다이아몬드가 합성되도록 하는 것을 골자로 하며, 본 발명의 제조방법은 다이아몬드의 원료로서 액상의 유기 화합물을 사용하여 기존의 다이아몬드 합성 공정상의 전구체로 사용되던 기체상 전구체가 가지고 있던 보관 및 취급의 곤란으로 인한 사용상의 제한을 극복하고, 다양한 액상 유기화합물을 다이아몬드 합성의 전구체로 사용함에 있어서 최적 공정조건을 확인함으로써 이를 통해 상용화가 가능하도록 한 다이아몬드 합성공정이다.

Description

액상 유기 화합물을 전구체로 한 다이아몬드의 제조방법

본 발명은 액상 유기 화합물을 고주파 플라즈마에 의해 분해시켜 다이아몬드를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액상 유기 화합물을 전구체 (precursor)로 사용하고, 보조가스로 수소를 첨가하여 액상 유기 화합물을 고주파 플라즈마에 의해 분해시킴으로서 기판 위에서 다이아몬드가 합성되도록 하는 다이아몬드의 제조방법에 관한 것이다.

다이아몬드는 그 자체가 갖는 독특한 물리·화학적 특성으로 인해 1950년대 이후 구 소련을 위시한 미국, 유럽, 일본 등 많은 나라에서 인공적으로 다이아몬드를 합성하기 위해 노력하고 있다. 그러나 다이아몬드는, 뛰어난 물성을 갖고 있음에도 불구하고 용도 개발에 이은 상용화 기술은 아직 부분적으로만 이루어진 상황이어서, 향후 폭 넓은 제조공정 및 용도의 개발을 통해 인류의 삶에 크게 기여할 수 있는 재료이다.

다이아몬드는 5.45 eV의 넓은 밴드 갭 (Band gap)을 가지고 있어 고온반도체로서 사용이 유력시되고 있으며 10¹³∼10¹⁶Ω-cm의 저항을 가지고 있어 이상적인 저항체일 뿐만 아니라, 광학적으로 투명하고 마찰계수가 0.03으로 낮기 때문에 이상적인 윤활재로도 유용하게 사용될 수 있다. 또한 20.0 W/cm·K의 열전도도 계수로 인해 이상적인 열발산재로도 사용될 수 있으며, 최고의 강도특성을 가짐으로 인하여 절삭공구로서 사용이 진행중이거나 용도개발이 진행중인 재료이다.

현재 천연의 다이아몬드와 거의 동등한 특성을 갖는 합성 다이아몬드의 개발이 보고되고 있는데, 현재까지 인공적으로 합성되어 용도 개발이 완료된 대부분의 공업용 다이아몬드는 고온, 고압하에서 벌크 (Bulk) 상태로 합성된 다음 분쇄 및 세척, 입도경 분류, 소결 등의 후처리공정을 통하여 상용화가 진행되고 있다. 그러나 고온·고압법의 경우 초기설비 투자가 크고 연속 공정이 어려운 배치식 공정 (Batch-type process)이며 공정간 소요시간이 길다는 단점을 지니고 있다.

1980년대 중반 이후 본격적인 연구가 진행되어온 화학증착 (chemical vapor deposition; 이하 "CVD"라 약칭함) 기법은 다양한 종류의 고기능성 재료들을 직접 기판에 합성할 수 있다는 커다란 장점으로 인해 많은 관심과 주목을 받아온 기술로서, 복잡한 형상의 기재에도 증착이 가능하며 상용화에 필요한 공정과 시간을 단축할 수 있고 고온·고압법에 비해 설비투자 및 설비 소요공간이 작으며 연속 공정이 가능하다는 점과 생산비용을 낮출 수 있다는 점에서 특히 다이아몬드 합성에 있어서 기존의 고온·고압법의 단점을 보완할 수 있는 경쟁성 있는 대체 공정이다.

한편 CVD 공정을 통한 다이아몬드 합성에 있어서 전구체로는 메탄 (CH₄)을 포함한 탄화수소 화합물의 기체상 전구체가 사용되고 있다. 그러나 이들 전구체의 경우 임계점이 높아 기체상태로 고압 충진되어 보관 및 취급, 사용되고 있는 관계로 특별한 법적 규제를 필요로 할뿐만 아니라 인·발화점이 낮아 누출시 발화되거나 폭발될 위험성을 갖고 있는바 사용시 주의를 요하는 단점을 가지고 있다.

이에 본 발명자들은 보다 효과적인 다이아몬드 제조방법을 개발하고자 노력하여 오던 중, 전구체로서 액상의 유기화합물을 사용하면 기존의 기체상의 전구체가 가지고 있는 보관 및 취급상의 단점 등을 극복할 수 있다는 점을 알아내고, 또한 고주파 플라즈마를 사용하는 공정에 있어서의 최적 공정조건을 발견하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 액상 유기 화합물을 고주파 플라즈마에 의해 분해시켜 다이아몬드를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 액상 유기 화합물을 이용한 다이아몬드 합성공정에 사용된 유도결합 열 플라즈마 장치 개략도이다.

도 2은 액상 유기 화합물을 CVD 공정에 이용하기 위한 전달체계 예시도로서

도 2a는 액상 전구체를 기화시키기 위한 버블링 시스템 (bubbling system) 체계도이고,

도 2b는 액상 전구체를 정량적으로 기화시키기 위한 전자제어변 전송체계도이다.

도 3은 액상 유기 화합물로서 아세톤을 이용하고 수소에 대한 아세톤의 유량비가 1.4 %이며 증착시간이 45분 일 때, 실리콘 기판의 온도 변화에 따른 다이아몬드 합성 결과에 대한 전자현미경 사진으로서,

도 3a는 기판온도가 980 ℃인 경우이고,

도 3b는 기판온도가 1010 ℃인 경우이며,

도 3c는 기판온도가 1060 ℃인 경우이고,

도 3d는 기판온도가 1140 ℃인 경우이다.

도 4는 도 3에서 온도 변화에 따라 합성된 다이아몬드에 대한 X선 회절패턴에 대한 분석도이다.

도 5는 액상 유기 화합물로서 아세톤을 이용하고 온도 1060 ℃의 몰리브덴 기판을 사용하며 증착시간이 1시간일 때, 수소에 대한 아세톤의 유량비 변화에 따른 다이아몬드 합성 결과에 대한 전자현미경 사진으로서,

도 5a는 수소에 대한 아세톤의 유량비가 1 %인 경우이고,

도 5b는 수소에 대한 아세톤의 유량비가 2 %인 경우이며,

도 5c는 수소에 대한 아세톤의 유량비가 3 %인 경우이고,

도 5d는 수소에 대한 아세톤의 유량비가 4 %인 경우이다.

도 6은 기판의 표면조도 변화에 따른 다이아몬드 합성 결과에 대한 전자현미경 사진으로서,

도 6a는 기판을 #300 SiC 페이퍼 (grit)로 전처리한 경우이고,

도 6b는 기판을 #600 SiC 페이퍼로 전처리한 경우이며,

도 6c는 기판을 #1000 SiC 페이퍼로 전처리한 경우이다.

도 7은 액상 유기 화합물로서 이소프로필 알코올을 이용하고 온도 1040 ℃의 기판을 사용하며 증착시간이 1시간일 때, 수소에 대한 이소프로필 알코올의 유량비 변화에 따른 다이아몬드 합성 결과에 대한 전자현미경 사진으로서,

도 7a는 수소에 대한 이소프로필 알코올의 유량비가 0.8 %인 경우이고,

도 7b는 수소에 대한 이소프로필 알코올의 유량비가 2.5 %인 경우이며,

도 7c는 수소에 대한 이소프로필 알코올의 유량비가 3.5 %인 경우이고,

도 7d는 수소에 대한 이소프로필 알코올의 유량비가 4.5 %인 경우이다.

도 8은 도 7에서 수소에 대한 이소프로필 알코올의 유량비 변화에 따라 합성된 다이아몬드에 대한 X선 회절 분석도이다.

도 9는 액상 유기 화합물로서 이소프로필 알코올을 이용하고 수소에 대한 이소프로필 알코올의 유량비가 2.5 %이며 증착시간이 45분 일 때, 기판의 온도 변화에 따른 다이아몬드 합성 결과에 대한 전자현미경 사진으로서,

도 9a는 기판온도가 1000 ℃인 경우이고,

도 9b는 기판온도가 1050 ℃인 경우이며,

도 9c는 기판온도가 1100 ℃인 경우이고,

도 9d는 기판온도가 1200 ℃인 경우이다.

도 10은 아세톤 및 이소프로필 알코올을 전구체로 사용하여 합성된 다이아몬드에 대한 라만 분광 분석도이다.

도 11은 아세톤을 전구체로 사용하여 합성된 다이아몬드 필름의 AFM (atomic force microscope)사진이다.

도 12는 본 발명에서 사용되는 열 플라즈마 토치의 개략도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 설명 *

1 : R.F (Radio-Frequency; 고주파)공급부 2 : 감지기

3 : 조절 밸브 및 배기 라인 4 : 냉벽(수냉) 반응기

5 : 석영관 보호용 아르곤 가스 질량 유량 제어기

6 : 플라즈마 발생용 아르곤 가스 질량 유량 제어기

7 : 기화기 8 : 운반 가스 질량 유량 제어기

9 : 수소 가스 질량 유량 제어기 10 : 고주파 작동 코일

11 : 반응성 가스 공급 노즐

12 : 석영과 보호용 아르곤 가스 질량 유량 제어기

13 : 반응성 수소 가스 질량 유량 제어기

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 액상 유기 화합물을 전구체로 사용하고, 보조가스로 수소를 첨가하여 액상 유기 화합물을 고주파 플라즈마에 의해 분해시킴으로써 기판 위에서 다이아몬드가 합성되도록 하는 다이아몬드의 제조방법을 제공한다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

전술한 바와 같이 본 발명에서는 액상 유기 화합물을 고주파 플라즈마에 의해 분해시켜 다이아몬드를 제조하는 방법을 제공한다.

액상 타입의 유기 화합물은 상온에서 액체로 존재하여 운반, 보관 및 취급이 용이할 뿐만 아니라 합성 공정상의 고온 플라즈마 하에서 비다이아몬드의 선택적 식각종으로 널리 알려진 원자상 탄소, 수소 및 산소를 다량 포함하고 있어 다이아몬드 고속성장을 실현할 수 있고, 더욱이 전하운반자로서 보론이나 포스핀 등을 배위자로 결합시켜 칵테일 타입의 액상 전구체 합성이 가능하여 반도체적 응용이 가능할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 또한 이들 액상 전구체의 경우 생활주변에서 쉽게 얻을 수 있으므로 인해 값이 싸고, 부대설비의 소요면적 및 부피를 작게 유지할 수 있는 장점을 가지고 있어 경제적으로 다이아몬드를 합성할 수 있는 전구체이다.

본 발명에서는 전구체인 액상 유기 화합물로서 아세톤 (CH₃COCH₃), 에탄올 (C₂H₅OH), 이소프로필 알코올 ((CH₃)₂CHOH) 또는 벤젠 (C₆H₆) 등을 사용할 수 있으며, 보조가스로 수소를 첨가하여 원료물질을 4 MHz의 고주파 플라즈마로 분해시킴으로써 실리콘 (Si) 또는 몰리브덴 (Mo) 등의 기판 위에서 다이아몬드를 합성시킨다.

또한 본 발명에서는 공정변수를 변화시킴으로써 양질의 다이아몬드를 합성하고 또한 합성에 있어서의 최적 공정조건을 찾아내어 바람직한 다이아몬드의 제조방법을 제공한다.

공정의 변수로서는 첨가된 수소와 원료의 비율, 기판의 온도 및 기판의 상태 등이 있는데, 수소와 원료의 비율은 수소에 대한 액상 유기 화합물의 유량비가 0.8 ∼4.5 %이고, 기판의 온도는 1000∼1100 ℃인 것이 바람직하다. 이 때 기판의 온도는 일반 탄화수소종 가스를 전구체로 사용할 때의 최적 공정온도인 900∼1000 ℃ 보다는 상대적으로 고온임을 알 수 있다. 또한 기판의 상태는 탄화규소 페이퍼 (SiC grit)로 연마하는 전처리 과정을 거쳐서 표면조도를 조절한 것을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 제조방법은 액상 전구체에 포함된 탄소, 수소, 산소 또는 할로겐 원소 등이 공정의 진행중 비다이아몬드의 선택적 식각을 통한 다이아몬드의 고속 성장을 실현할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 뿐만 아니라 본 발명에서 채택한 고주파 열플라즈마의 경우, 다이아몬드 합성의 활성종 생성에 유리한 고온 (약 10,000 K) 및 고밀도 특성을 가지고 있어, 주입된 유기 화합물을 빠르게 분해하여 다이아몬드의 고속성장을 실현할 수 있으며 전극을 사용하지 않는 청정 플라즈마로 불순물 혼입이 적은 다이아몬드를 합성할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

본 발명의 다이아몬드 제조방법을 본 발명에서 사용된 장치를 예로 들어 설명하면 하기와 같다.

본 발명의 합성공정에 사용된 실험장치는 약 4 MHz 정도의 고주파로 운용되는 유도결합 열 플라즈마 장치와 이에 부속된 여러 가지 보조장치로 구성되어 있다 (도 1 참조). 특히, 기판의 온도제어가 가능한 기판조절장치 (2; 기판고정부)와 각각의 가스 흐름을 정밀하게 제어하기 위한 유량제어기 (5, 6, 9, 12, 13)를 비롯하여 액상의 전구체를 효율적으로 반응기에 도입하기 위한 주변 장치 등은 재현성 있는 합성결과를 얻을 수 있도록 한다. 아울러 좀더 정확한 재현성을 얻기 위한 장치를 도 2b에 예시하였다.

기판 온도는 비접촉식 방법으로 광학 고온계 (Optical Pyrometer)를 이용하여 측정하였으며 재현성을 확인하기 위하여 5회 측정 산술평균값을 취하였다. 기판은 경면 연마된 (100)면 결정방향을 가진 실리콘과 몰리브덴 등을 사용할 수 있으며, 적절한 기판 전처리과정을 거쳐 공정에 필요한 다이아몬드 고속성장에 부가적인 역할을 수행한다.

사용된 액상 전구체는 전술한 바와 같이 알코올류로서 에틸알코올, 이소프로필 알코올, 케톤류로서 아세톤, 방향족류로서 등이 사용될 수 있는데, 이들 각각은 도 2a에 예시된 항온조 안에서 운반 가스 (carrier gas)와 온도제어기가 설치된 열선에 감겨진 전송 라인을 통해 기화공급된다. 운반 가스의 유량 범위는 0.15∼1 ℓ/분 사이에서 운용되는 것이 바람직하며, 이는 기화된 액상 전구체를 이상기체로 가정하여 하기 수학식 1과 같은 질량 평형 방정식 (Mass balance equation)을 도입하여 계산되었다.

상기 수학식 1에서 Q 는 유량 (1/hr), P 는 압력 (mmHg),

Pprecursor : 전구체 압력 (mmHg),

Qprecursor : 전구체 유량 (1/hr),

Pbubbler : 기화기 전체 압력 (mmHg),

Qcarrier : 운반가스 유량 (1/hr)을 나타낸다.

도 12에서는 본 발명에서 사용하고 있는 열 플라즈마 토치를 개략화하여 나타내고 있다. 종래의 동제 중앙노즐은 열 플라즈마의 고온 분위기로부터 용융되는 것을 방지하기 위하여, 3중의 수냉관으로 구성되어 있어 이를 통과하는 액상 유기 화합물의 노즐내 응축을 방지하기가 어려웠으며, 응축된 액상 유기화합물이 노즐 출구 부위에서 탄화됨으로써 연속 공정을 방해하였다. 따라서 본 발명에서는 고주파 작동 코일의 최상 부위와 중앙 노즐의 출구 끝 부위간의 거리를 2∼3 mm 정도 이격시킴으로써 응축된 액상 화합물의 재기화를 돕고 안정한 플라즈마를 형성하여 원활한 공정 진행을 할 수 있도록 한다.

이하 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명하기로 한다. 단 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1> 아세톤을 전구체로 사용한 다이아몬드 합성에 있어서 기판 온도가 미치는 영향

기판으로 (100)면의 실리콘을 이용하고, 고정된 수소 유량 (2.5ℓ/분)에 대한 아세톤의 유량비를 1.4 %, 증착시간을 45 분으로 고정시킨 다음 기판온도를 980∼1140 ℃ 범위에서 변화시키면서 다이아몬드를 기판 위에 증착시켜 그 결과를 SEM 사진으로 도 3에 나타내었다. 전체적으로, 기판온도 변화에 따라 결정면의 형태는 (111)면이 우세하게 증착되었으며 기판 온도가 고온으로 증가할수록 다이아몬드 밀도가 증가함을 보였다. 980 ℃에서 (111)면 결정이 부분 관찰되지만 결정사이즈가 100∼200 nm로 아주 작은 입경분포를 보인 반면 (도 3a 참조) 1010 ℃에서는 평균입경 1 ㎛로 결정크기가 증가되었으며 밀도도 증가함을 볼 수 있었다 (도 3b 참조). 1060 ℃에서의 SEM 결과로부터 완전히 발달한 (111)면의 다이아몬드가 관찰되었으며 평균입경 2∼3 ㎛로 성장함을 볼 수 있었다 (도 3c 참조). 그러나 1140 ℃의 상대적 고온 영역에서는 다이아몬드가 완전히 구형화되어 고유의 형태를 잃었음을 볼 수 있는데 (도 3d 참조), 이는 고온으로 인하여 표면 활성화도가 증가함으로써 주 반응종의 증착밀도가 증가하였기 때문이다.

동일한 실험조건에서의 박막 X선 회절 분석결과를 도 4에 나타내었다. 1060 ℃에서의 회절결과로부터 (111)면과 (220)면, 그리고 (311)면의 다이아몬드 피크를 확인할 수 있었으며 (111)면과 (220)면 사이의 완만한 피크로부터 무정형 실리콘 피크를 확인할 수 있었다.

상기 실험결과에서 알 수 있듯이 1000∼1100 ℃의 기판 온도에서 최적의 다이아몬드가 합성됨을 알 수 있었다.

<실시예 2> 아세톤을 전구체로 사용한 다이아몬드 합성에 있어서 수소에 대한 아세톤의 유량비가 미치는 영향

몰리브덴 기판을 사용하고, 증착시간을 1시간, 증착온도를 1060 ℃로 고정시킨 다음, 고정된 수소 유량 (2.5ℓ/분)에 대한 아세톤 (CH₃COCH₃/H₂)의 유량비 변화에 따라 다이아몬드를 기판 위에 증착시켜 그 실험결과를 도 5에 SEM 사진으로 나타내었다. 유량비가 1 %로부터 4 %로 증가할수록 2차 핵생성 의해 다이아몬드가 점차 구형화됨을 확인하였으며 수소에 대한 아세톤의 유량비 2 %에서 (111)면과 (100)면이 혼재하는 팔면체 입방정 (Cubo-octahedral) 구조의 다이아몬드 결정이 생성됨을 확인할 수 있었다 (도 5b 참조).

상기 실험 결과, 전구체가 아세톤인 경우 수소에 대한 아세톤의 유량비는 1∼4 % 사이에서 다이아몬드의 결정성이 향상됨을 알 수 있었다.

<실시예 3> 아세톤을 전구체로 사용한 다이아몬드 합성에 있어서 기판 전처리 가 미치는 영향

증착시간을 1시간, 기판온도를 1050 ℃, 고정된 수소 유량 (2.5ℓ/분)에 대한 아세톤의 유량비를 2 %로 고정시키고, Mo 기판을 탄화규소 페이퍼 (SiC Grit) No. 300∼1000으로 각각 표면처리하여 기판의 표면 거칠기를 달리하여 다이아몬드를 증착시키고, 그 결과를 도 6에 SEM 사진으로 나타내었다. 기판을 #300 SiC 로 표면처리 하였을 경우 평균 입경 2∼3 ㎛의 팔면체 입방정 구조의 다이아몬드를 확인할 수 있었고 (도 6a 참조), #600 SiC 페이퍼를 이용하여 전처리 하였을 경우 #300 SiC 페이퍼 전처리 기판보다 밀도가 증가하는 동시에 결정크기가 0.5∼1 ㎛로 작아짐을 확인할 수 있었다 (도 6b 참조). #1000 SiC 페이퍼를 기판 전처리 매질로 사용하였을 경우 상대적으로 균일한 증착양상을 보인 반면 평균입경 크기는 상대적으로 더 작아짐을 확인할 수 있었다 (도 6c 참조). 이는 표면반응으로 진행하는 다이아몬드 증착 양상에 있어서, 표면 거칠기가 작아질수록 킨크 (Kink) 위치를 찾기 위한 활성종의 표면이동 속도가 증가하기 때문이다. 따라서 기판의 표면 거칠기를 조절함으로써 다이아몬드의 크기 및 결정 형태를 목적하는 바대로 얻을 수 있음을 알 수 있다.

<실시예 4> 이소프로필 알코올을 전구체로 사용한 다이아몬드 합성에 있어서 수 소에 대한 이소프로필 알코올의 유량비가 미치는 영향

몰리브덴 기판을 사용하여, 증착시간 1시간, 기판온도 1040 ℃로 고정시키고 고정된 수소 유량 (2.5ℓ/분)에 대한 이소프로필 알코올의 유량비를 0.8∼4.5 % 범위 내에서 변화시켜서 다이아몬드를 증착시키고, 그 결과를 도 7의 SEM 사진과 도 8의 X선 회절분석으로 나타내었다. 2.5 %의 유량비로부터 (100)면과 (111)면이 혼재하는 다이아몬드를 합성할 수 있었으며 (도 7b 참조), 3.5 %의 유량비로부터 (100)면의 쌍정면 (Twin planed facet)을 갖는 다이아몬드 합성을 관찰하였다 (도 7c 참조). 아울러, 4.5 %의 유량비로부터 2차 핵생성에 의해 구형화된 양배추꽃 (Qualiflower) 형태를 띄는 다이아몬드 합성을 관찰하였다 (도 7d 참조). X선 회절결과로부터는 2.5 %의 이소프로필 알코올 유량비에서 상대적으로 큰 다이아몬드 피크를 확인할 수 있었으며 (도 8 참조) 이는 상대적으로 잘 발달된 결정면을 보여주고 있는 SEM 결과와도 일치하는 것이었다.

상기 실험 결과 전구체로 이소프로필 알코올을 사용한 경우, 수소에 대한 이소프로필 알코올의 유량비는 0.8∼4.5 % 사이에서 결정성이 우수한 다이아몬드를 합성할 수 있었다.

<실시예 5> 이소프로필 알코올을 전구체로 사용한 다이아몬드 합성에 있어서 기판 온도가 미치는 영향

증착시간을 45 분, 고정된 수소 유량 (2.5ℓ/분)에 대한 이소프로필 알코올의 유량비를 2.5%로 고정시키고, 증착 온도변화에 따른 실험결과를 도 9에 SEM 사진으로 나타내었다. 기판온도가 1000 ℃에서 1200 ℃로 증가할수록 핵생성 밀도는 증가하는 반면 입자의 구형화가 진행함을 확인할 수 있었다. 기판온도 1000∼1050 ℃에서는 입경 1∼2 ㎛ 크기의 팔면체 입방정 구조의 결정이 관찰된 반면 (도 9a 및 도 9b 참조), 1100 ℃에서는 부분 결정에 2차 핵생성이 관찰되다가 (도 9c 참조) 1200 ℃ 근처에서는 2차 핵생성이 완전히 발달한 구형을 띄고 있음을 확인하였다 (도 9d 참조). 이는, 고온에서는 표면활성종의 증가와 표면활성화 에너지 증가로 인한 상대적인 핵생성 밀도의 증가에 기인한다.

상기 실시예의 결과로부터 이소프로필 알코올을 전구체로 사용할 경우 기판온도 1050 ℃, 수소에 대한 유량비 2.5%에서 가장 결정성이 향상된 다이아몬드를 합성할 수 있었으며 고온으로 증가할수록 2차 핵생성에 의한 구형화가 진행됨을 확인하였다.

한편 도 10의 라만 분광 분석도 (Raman spectrum) 결과로부터 아세톤과 이소프로필 알코올을 전구체로 사용하였을 경우 1332 cm^-1의 다이아몬드 고유피크를 확인할 수 있었으며 아세톤을 전구체로 사용하였을 경우 1400∼1500 cm^-1범위에서 완만한 무정형 탄소의 피크를 확인하였다.

또한 도 11에서 볼 수 있는 바와 같이 아세톤을 전구체로 사용하여 다이아몬드를 합성한 결과 10,000 ㎛²넓이의 실리콘 기판 위에 평균조도 1023 ㎛ 다이아몬드를 증착할 수 있음을 확인하였다.

<실시예 6> 벤젠을 전구체로 사용한 다이아몬드 합성에 있어서 기판 온도가 미 치는 영향

증착시간 45분, 고정된 수소 유량 (2.5ℓ/분)에 대한 벤젠의 유량비 0.5%에서 기판온도 변화에 대한 실험결과에서 기판온도가 950 ℃일 경우 2차 핵생성이 진행된 (111)면의 입방 (cubic)형의 다이아몬드 구조를 확인할 수 있었다. 반면, 1040 ℃의 상대적으로 고온인 조건에서는 팔면체 입방정 구조의 결정면에 부분적으로 2차 핵생성이 진행됨을 확인하였다. 또한 기판온도가 1090 ℃일 경우 (111)면의 결정이 우세하게 합성되었고 2차 핵생성이 진행됨을 확인하였다.

<실시예 7> 에탄올을 전구체로 사용한 다이아몬드 합성에 있어서 수소에 대한 에탄올의 유량비가 미치는 영향

기판온도 1000 ℃, 증착시간 1시간, 고정된 수소 유량 (2.5ℓ/분)에 대한 에탄올의 유량비 0.5∼1.2 %에서 수소에 대한 에탄올의 유량비 변화에 대한 실험결과로부터 수소에 대한 에탄올의 유량비 0.5 %에서 팔면체 입방정 구조의 결정이 합성됨을 확인하였다. 수소에 대한 에탄올의 유량비가 0.7 %일 경우 부분적으로 2차 핵생성이 진행함을 관찰하였고 1 % 및 1.2 %로 유량비가 증가할수록 2차 핵생성에 의한 구형화가 진행됨을 확인하였다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 방법을 이용하면 수 ㎛∼수십 ㎛ 크기로 품질에 있어서는 천연 다이아몬드와 거의 유사한 만족할 만한 수준의 다이아몬드를 제조할 수 있다. 본 발명에서 사용된 액상 유기 화합물은 다이아몬드 합성의 전구체로서 전술한 여러 장점들을 충분히 만족시킬 수 있는 원재료로서 양산을 겨냥한 다량생산 공정에 있어서도 응용될 수 있는 유용한 원재료이다. 또한 증기압이 높은 액상 유기화합물을 플라즈마 안으로 유입시키는 과정 중에 발생하는 응축으로 인한 탄화물의 생성과 플라즈마의 불안정을 극복하기 위하여 고주파 작동코일과 중앙노즐 사이에 2∼3 mm의 간극을 띄움으로써 지속적이고 안정한 플라즈마를 통한 공정상의 문제점을 해결할 수 있으며 액상 유기화합물을 전구체로 할 경우, 일반 탄화수소종 가스를 전구체로 사용할 경우의 최적 공정온도 (900∼1000 ℃)보다 높은 1000∼1100 ℃ 사이의 기판온도에서 최적의 공정조건이 형성됨을 확인하는 등 다양한 공정 조건을 적용함으로써 최적의 다이아몬드 입도와 결정성, 입경 등을 얻을 수 있다.

Claims (6)

1. 액상 유기 화합물을 전구체로 사용하고, 보조가스로 수소를 첨가하여 액상 유기 화합물을 고주파 플라즈마에 의해 분해시킴으로써 기판 위에서 다이아몬드가 합성되도록 하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드의 제조방법
2. 제 1항에 있어서, 유기 화합물은 아세톤, 에탄올, 이소프로필 알코올 및 벤젠 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드의 제조방법
3. 제 1항에 있어서, 고주파는 4 MHz인 것을 특징으로 하는 다이아몬드의 제조방법
4. 제 1항에 있어서, 열 플라즈마 토치의 고주파 작동코일과 중앙노즐 사이에 2∼3 mm의 간극을 띄움으로써 액상 유기화합물이 응축되는 것을 방지하고 안정한 플라즈마를 형성하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드의 제조방법
5. 제 1항에 있어서, 기판은 탄화규소 (SiC) 페이퍼 (grit)로 연마하여 전처리된 기판을 사용하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드의 제조방법
6. 제 1항에 있어서, 고주파 플라즈마에 의한 분해는 1000∼1100 ℃ 온도의 기판에서 수소에 대한 액상 유기 화합물의 유량비가 0.8∼4.5 % 의 범위 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 다이아몬드의 제조방법