KR100700339B1 - 자립형 다이아몬드 구조 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 1 측면으로는 다수의 교차 패싯을 포함하는 외부 표면을 가지고, 교차 패싯의 일부는 실질적으로 균일한 두께의 다이아몬드 층을 가지는 것을 특징으로 하는, 자립형이고, 내부적으로 유지되며, 3차원인 물체를 만드는 방법을 지향한다.
합성다이아몬드, CVD, 증착, 주형, 실리콘, 플라즈마, 에폭시, 시드
Description
본 출원은 2003년 2월 6일 출원된 제 60/445,237호, 2003년 8월 12일에 출원된 제 60/494,089호, 및 2003년 8월 12일에 출원된 제 60/494,095호의 미국 가출원의 우선권 출원 일자의 이익을 주장한다.
본 발명은 실험실에서 증착한 다이아몬드 표면을 가진 자립형 물체 및 이러한 물체를 가공하기 위한 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 상기 물체의 외면은 다이아몬드 층을 가진 다수의 교차 패싯을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체 및 방법을 지향한다.
다이아몬드는 열 충격에 대한 높은 저항성, 극도의 강도, 뛰어난 적외선 투명도, 및 뛰어난 반도체 특성의 결합에 기인하여 자연에서 발견되는 가장 기술적으로 그리고 과학적으로 가치 있는 물질 중 하나이다.
다이아몬드는 알려진 중 가장 높은 등방 열 전도성 및 상대적으로 낮은 팽창률을 가지고, 따라서 열 충격에 대하여 바람직한 저항성을 제공한다. 이러한 특성 때문에, 다이아몬드는 고출력 레이저 다이오드, 멀티칩 모듈, 및 다른 마이크로 전자 장치와 같은 장치의 전자 패키지에서 열 취급 물질로서의 사용이 증가하고 있 다.
다이아몬드는 또한 알려진 물질 중 가장 단단하고 마모에 대하여 바람직한 저항성을 가진다. 그러므로 다이아몬드 구성 및 코팅은 다양한 기계 장치에서 그리고 절삭 및 연마 기구에 부착되는 저항 부품으로서의 사용이 증가하고 있다. 다이아몬드는 또한 부식에 대하여 높은 저항성을 가진다.
다이아몬드는 또한 좋은 절연체이지만, 증착 환경에 보론과 같은 특정한 원소를 추가하여 전기적으로 전도성이 되도록 합성될 수 있다. 다이아몬드는 또한 고출력 트랜지스터, 저항, 콘덴서, FET, 및 집적회로를 포함하는 많은 반도체 장치에 사용된다.
자연산 다이아몬드의 희귀성 및 높은 가격은 그것이 널리 보급되어 상업적으로 사용되는 것을 불가능하게 하였다. 그러나, 다이아몬드 합성을 위한 다양한 방법의 발전은 다이아몬드가 널리 보급되어 상업적으로 사용되는 것을 가능하게 만들었다. 다이아몬드 합성을 위한 가장 상업적으로 장래성 있는 방법은 화학적 기상증착법(CVD)에 의한 다이아몬드의 증착을 포함한다.
CVD에 의한 다이아몬드 합성은 잘 성립된 기술이 되었다. 자립형 물체뿐만 아니라, 다양한 물체에 대하여 다이아몬드 코팅이 합성될 수 있다는 것이 주지되었다. 일반적으로, 자립형 물체는 평평한 기판 또는 내부에 상대적으로 단순한 공동을 가진 기판에 다이아몬드 침전에 의하여 제작되었다. 예를 들면, 미국 출원 제 6,132,278호는 실리콘 기판에 형성된 공동을 채우기 위하여 다이아몬드 증착에 의한 플라즈마 증강 CVD에 의한 일반적으로 피라피드형 또는 원뿔형 다이아몬드 마이 크로칩 방출기 형성을 개시한다. 그러나, 다수의 교차 패싯(평면 또는 비평면)의 포함하는 외면을 가지고 교차 패싯의 적어도 일부는 다이아몬드 층을 가지는 것을 특징으로 하는, 자립형이고, 내부적으로 유지되며, 3차원인 물체를 만드는 방법에 대한 필요는 남아있다.
따라서, 본 발명은 종래 기술에서 많은 결함을 제거하고 다이아몬드 표면을 가지는 자립형 물체를 만드는 새로운 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 다이아몬드 CVD를 사용하여 구조를 만드는 새로운 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명은 다이아몬드 CVD에 의하여 생성된 새로운 구조를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명은 노출된 다이아몬드 표면을 가진 자립형 구조를 만드는 새로운 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
또한 본 발명은 노출된 다이아몬드 표면을 가진 내부적으로 유지되는 구조를 만드는 새로운 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 그리고 많은 본 발명의 목적 및 이점은, 본 발명이 청구항, 첨부된 도면, 및 후술될 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 관련되어 기술 분야에서 당업자에게 쉽게 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예의 단계도이다.
1 측면에서, 본 발명은 물체의 외부 표면의 적어도 일부에 다이아몬드 층을 가지는 자립형이고, 내부적으로 유지되며, 3차원인 물체를 만드는 방법을 지향한다. 다이아몬드 층은 고압, 고온(HPHT) 방법 또는 CVD와 같은 어떠한 다이아몬드 합성 방법에 의해서도 형성될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 다이아몬드는 CVD에 의하여 합성된다.
본 발명에 따른 다이아몬드 CVD 방법에서, 수소 및 탄소-함유 가스의 혼합물은 다이아몬드가 증착될 기판에 인접한 가스-상태 비평형 지역을 얻기 위하여 활성화된다. 탄소-함유 가스는 메탄올, 지방족 및 방향족 탄화수소, 알코올, 케톤, 아민, 에스테르, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 할로겐을 포함하는 매우 다양한 가스로부터 선택될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 메탄올이 사용된다.
가스 혼합물은 다이아몬드가 증착될 기판에 인접한 가스-상태 비평형 지역을 얻기 위하여 에너지가 주입된다. 다양한 가스-상태 활성화 기술은 사용될 수 있고 이러한 기술은 열-필라멘트 CVD, 플라즈마 CVD, 또는 화염 CVD로 분류된다. 플라즈마 CVD에서, 플라즈마는 마이크로파, 전파, 또는 직접적인 전류 전기장을 포함하는 다수의 에너지원에 의하여 생성될 수 있다.
기판은 반도체, 금속, 절연 물질과 같은 다이아몬드를 응집하고 증착하는데 적당한 어떠한 물질도 될 수 있다. 일반적으로, 응집률은 카바이드 형성 기판(예를 들면, Si, Mo, 및 W)에서 카바이드를 형성하지 않은 기판에서보다 매우 높다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 실리콘 기판이 바람직한 응집률 및 잘 알려진 실리콘의 제조 기술을 고려하여 사용된다.
다이아몬드가 증착될 기판의 표면은 다이아몬드 응집을 강화하고 표면에 다이아몬드의 응집 밀도를 향상시키는 다양한 기술에 의하여 사전 처리될 수 있다. 이러한 방법은 (ⅰ)표면을 다이아몬드 입자 또는 페이스트로 스크래칭, 마모, 또는 블라스팅하는 방법, (ⅱ)표면을 다이아몬드, 실리콘, 또는 cBN과 같은 마이크론 미만의 분말로 시딩하는 방법, (ⅲ)기판을 바이어싱하는 방법, (ⅳ)탄소 처리, (ⅴ)펄스 레이저 투사, 및 (ⅵ)이온 주입을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 자립형이고, 내부적으로 유지되며, 3차원인 물체는, 다수의 교차 패싯을 포함하는 외면을 가지고 교차 패싯의 적어도 부분은 실질적으로 균일한 깊이인 다이아몬드 층을 가지는 것을 특징으로 하는 것으로 제공된다. 여기서 사용된 “패싯”은 평면 또는 비평면인 표면 또는 결정면을 포함한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예의 다양한 단계를 도시한다. 도 1을 참조하면, 실리콘 기판(10)은 교차 패싯의 부분을 규정하는 노출된 표면(12)을 가지는 주형을 형성하기 위하여 통상적인 제작 기술을 사용하여 제작된다. 일반적으로 균일한 두께의 다이아몬드 층(14)은 기판(10)의 노출된 표면(12)에 열-필라멘트 CVD 또는 플라즈마 CVD와 같은 적당한 방법에 의하여 증착된다.
노출된 표면(12)은 노출된 표면에 다이아몬드 응집률 및 응집 밀도를 증대시키는 적당한 기술에 의하여 사전 처리될 수 있다. 일반적으로, 노출된 표면은 표면을 탄소 원자(16)로 시딩하는 것에 의하여 사전 처리된다. 노출된 표면의 사전 처 리는 상대적으로 복잡할 수 있는 패싯의 부분의 형태에서 다이아몬드의 증착을 확실하게 하기 위하여 중요할 수 있다.
어떠한 경우에는, 지지층(18)은, 기판이 제거되었을 때 다이아몬드 층에 대한 구조적인 유지를 제공하기 위하여 새로이 증착된 다이아몬드 층의 노출된 표면의 적어도 부분에 형성될 수 있다. 노출된 다이아몬드에 접착하고 다이아몬드 층(14)의 강도를 증강시키는 어떠한 물질도 지지층(18)에 적당하다(예를 들면, 에폭시, 플라스틱, 경화되는 점성 중합체, 유리 등). 지지층은 원하는 바에 따라 전기적으로 전도성 또는 비전도성일 수 있다.
지지층(18)이 원하는 바에 따라 형성된 경우, 기판(10)은, 기판에 의하여 형성된 주형에 의하여 규정된 기판에 접촉하여 증착된 다이아몬드 층(14)의 표면(20)을 노출시키기 위하여 제거된다. 기판(10)은 화학 에칭과 같은 적당한 수단에 의하여 제거될 수 있다. 그러면 다이아몬드 층(14)은 원하는 바에 따라 처리될 수 있다.
본 발명에 따라 만들어진 자립형 물체는, 다수의 교차 패싯을 포함하는 표면을 가지고 교차 패싯의 부분은 실질적으로 균일한 두께의 다이아몬드 층을 가지는 것이 특징인, 반송파 오실레이터, 연료 전지를 위한 양극판, 진행파 도파관, 미세채널 판, 및 다수의 다른 장치와 같은 다양한 적용에서 유용성을 찾을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들이 기술되었지만, 기술된 실시예는 예시일 뿐이고, 이의 정독으로부터 기술 분야에서 당업자에게 자연적으로 발생하는 균등물의 전 범위, 많은 변화 및 변경에 일치하였을 때 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 의하여 규정되어야 하는 것이 이해되어야 한다.
Claims (34)
- 물체의 외부 표면은 다수의 교차 패싯을 포함하고, 상기 교차 패싯의 적어도 부분은 균일한 깊이의 다이아몬드 층을 가지는 것을 특징으로 하는, 자립형이고, 내부적으로 유지되며, 3차원인 물체를 만드는 방법이고, 상기 방법은:(a) 상기 교차 패싯의 일부를 규정하는 노출된 표면을 가진 주형을 제공하는 단계;(b) 상기 노출된 표면에 균일한 깊이의 다이아몬드 층을 증착하는 단계;(c) 상기 다이아몬드 층의 적어도 부분에 지지층을 침전시키는 단계; 및(d) 상기 주형에 직접 접촉하여 증착된 상기 다이아몬드 층의 상기 표면을 노출시키기 위하여 상기 주형을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 주형은 상기 교차 패싯의 부분을 규정하기 위하여 제작된 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 주형은 화학 에칭에 의하여 제거되는 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 다이아몬드 층의 증착을 강화하기 위하여 상기 주형의 상기 노출된 표면을 사전 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서, 탄소 원자가 상기 다이아몬드 층의 증착을 강화시키기 위하여 상기 주형의 상기 노출된 표면에 침전되는 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 탄소 원자는 상기 표면을 탄소 함유 플라즈마에 노출시키는 것에 의하여 상기 주형의 상기 노출된 표면에 침전되는 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 교차 패싯의 부분은 평면을 포함하는 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 교차 패싯의 부분은 비평면을 포함하는 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 노출된 표면을 가진 다이아몬드 막에 의하여 덮힌 3차원 구조를 포함하는 자립형 물체를 제작하는 방법이고, 상기 방법은:기판의 사전 선택된 노출된 표면에 다이아몬드 막을 증착하는 단계;상기 증착된 다이아몬드 막의 적어도 일부에 지지층을 제공하는 단계; 및상기 다이아몬드 막이 증착된 상기 기판의 상기 사전 선택된 표면에 의하여 규정된 상기 다이아몬드 표면을 노출시키기 위하여 상기 기판을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서, 상기 기판은 실리콘인 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서, 상기 다이아몬드 막의 증착을 강화하기 위하여 상기 사전 선택된 노출된 표면을 사전 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 11 항에 있어서, 탄소 시드 층이 상기 기판의 상기 사전 선택된 노출된 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 9 항에 있어서, 상기 기판의 상기 사전 선택된 표면은 2개 패싯의 교차를 포함하는 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 물체의 외부 표면은 다수의 교차 패싯을 포함하고, 상기 교차 패싯의 적어도 일부는 노출된 다이아몬드 표면을 가지는 것을 특징으로 하는, 자립형이고, 내부적으로 유지되며, 3차원인 물질을 제작하는 방법이고, 상기 방법은:기판의 사전 선택된 노출된 표면에 다이아몬드 막을 증착하는 단계;상기 증착된 다이아몬드 막의 적어도 부분을 덮는 지지층을 제공하는 단계; 및상기 노출된 다이아몬드 표면이 상기 기판에 직접 접촉하여 증착된 상기 표면이 되도록 상기 기판을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 기판은 실리콘인 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 15 항에 있어서, 상기 기판은 화학 에칭에 의하여 제거되는 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 지지층은 상기 다이아몬드 막 전체를 덮는 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 지지층은 전기적으로 전도성인 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 지지층은 전기적으로 비전도성인 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 19 항에 있어서, 상기 지지층은 에폭시인 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 다이아몬드 막의 상기 증착을 용이하게 하기 위하여 상기 기판의 상기 사전 선택된 노출된 표면에 탄소 시드층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 21 항에 있어서, 상기 탄소 시드층은 상기 기판의 상기 사전 선택된 노출된 표면을 탄소 함유 활성화 가스에 노출하여 형성되는 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 22 항에 있어서, 상기 탄소 시드층은:상기 기판을 접지시키는 단계;이온화된 탄소 원자를 제공하는 단계; 및상기 기판의 상기 사전 선택된 노출된 표면을 상기 이온화된 탄소 원자에 노출시키는 단계;에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 22 항에 있어서, 상기 활성화된 가스는 플라즈마인 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 24 항에 있어서, 상기 플라즈마는 수소 및 탄화수소 가스의 혼합물에 에너지를 주입하여 형성된 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 22 항에 있어서, 상기 탄소 시드층은 화학적 기상층착법에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 다이아몬드 막은 화학적 기상증착법에 의하여 증착되는 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 교차 패싯은 평면을 포함하는 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 교차 패싯은 비평면을 포함하는 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 노출된 다이아몬드 표면은 도파관의 표면을 형성하는 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 물체는 연료 전지를 위한 양극판인 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 물체의 외부 표면은 다수의 교차 패싯을 포함하고, 상기 교차 패싯의 적어도 일부는 균일한 깊이의 다이아몬드 층을 가지는 것을 특징으로 하는, 자립형이고, 내부적으로 유지되며, 3차원인 물체를 만드는 방법이고, 상기 방법은:(a) 상기 교차 패싯의 부분을 규정하는 주물 표면을 제공하기 위하여 실리콘 기판을 제작하는 단계;(b) 상기 기판의 상기 주물 표면을 탄소로 시딩하는 단계;(c) 상기 기판의 상기 주물 표면에 균일한 깊이의 다이아몬드 층을 증착하는 단계;(d) 상기 다이아몬드 층에 내부적으로 유지하는 지지층을 형성하는 단계; 및(e) 상기 기판의 상기 주물 표면에 접촉하여 증착된 상기 다이아몬드 층의 상기 표면을 노출시키기 위하여 상기 기판을 화학 에칭하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 32 항에 있어서, 상기 주물 표면은 화학적 기상증착법에 의하여 시딩되는 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
- 제 32 항에 있어서, 상기 다이아몬드 층은 화학적 기상증착법에 의하여 증착되는 것을 특징으로 하는 자립형 다이아몬드 제조 방법.
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