KR101059661B1 - 광학 품질 다이아몬드 물질 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광학 장치 및 광학 소자에서 또는 광학 장치 및 광학 소자용 CVD 단결정 다이아몬드 물질에 관한 것이다. 이는 예컨대 광학 윈도우, 광학 반사기, 광학 굴절기 및 그레이팅 및 에탈론과 같은 일련의 광학 용도로 사용하기에 적당하다. CVD 다이아몬드 물질은 결정 흠의 발생을 억제하기 위해 낮은 수준으로 제어된 질소의 존재 하에 CVD 방법에 의해 제조되며, 따라서, 광학 용도에 중요한 성질을 갖는 다이아몬드 물질이 제조된다.

Description

광학 품질 다이아몬드 물질{OPTICAL QUALITY DIAMOND MATERIAL}
본 발명은 화학 증착(DVD) 다이아몬드 물질, 이것의 제조 및 이 물질로부터 도출된 광학 장치 및 소자에 관한 것이다.
독특한 요구조건의 결과로서 광학 장치에 사용되는 상기 물질에 대한 높은 요구가 일련의 광학 장치에 있어 왔다. 이들의 예는, 고강도 빔이 일부 단리(isolation)의 형태를 제공하는데 필요한 윈도우를 통해 교란되지 않게 통과하는데 필요한 레이저 윈도우 및 기타 장치, 예컨대 광학 반사기, 회절 그레이팅 및 에탈론을 포함한다.
특정 용도에 따라, 적당한 물질의 선택 또는 제조에 중요한 역할을 할 수 있는 중요한 성질은 낮고 균일한 복굴절률, 균일하고 높은 굴절률, 스트레인의 함수로서의 낮은 유도 복굴절률 또는 굴절률 변이, 낮고 균일한 광학 흡광도, 낮고 균일한 광학 산란도, 높은 광학(레이저) 손상 역가, 높은 열 전도도(광학 소자 내에서의 온도 변이를 최소화 함), 높은 평행도 및 편평도, 기계적 강도, 내마멸성, 화학적 불활성 및 사용시 신뢰할 수 있도록 물질 파라미터에서의 반복성과 함께 높은 표면 연마도(polish)를 보이도록 가공되는 능력을 포함한다.
많은 물질이 이런 요구조건 중 하나 이상을 충족시키지만, 대부분의 사용에 있어서 하나 이상의 조건을 필요로 하고, 종종 선택된 물질은 서로 상충되어 최종 성능을 제한한다.
발명의 요약
본 발명에 의해, 실온(공칭적으로 20℃)에서 측정 시에 CVD 단결정 다이아몬드 물질은 다음과 같은 성질 중 하나 이상, 바람직하게는 둘 이상, 보다 바람직하게는 셋 이상 및 보다 더 바람직하게는 넷 이상을 보인다:
1) 적당한 편평도(flatness)로 가공된 0.5mm 이상, 바람직하게는 0.8mm 이상, 보다 바람직하게는 1.2mm 이상의 특정 두께의 다이아몬드를 통해 투과하는 동안 예상된 기하학적 파면(wavefront)과 상이한 투과된 파면(예, ZYGO GPI 상 시프팅 633nm 피조(Fizeau)-형 레이저 간섭계로 측정)을 갖고, 1.3mm x 1.3mm 이상, 바람직하게는 2.5mm x 2.5mm 이상, 보다 바람직하게는 4.0mm x 4.0mm 이상의 특정 면적에 대해 측정 시, 2 프린지(fringe) 미만, 바람직하게는 1 프린지 미만, 보다 바람직하게는 0.5 프린지 미만, 보다 더 바람직하게는 0.2 프린지 미만(이때, 1 프린지는 633nm의 측정 파장의 1/2에 일치하는 광학 경로 길이에서의 차이에 상응한다)을 갖는 높은 광학 균일도.
2) 197 내지 192 THz 범위의 주파수에 대해 에탈론 형태의 샘플 상으로 입사되는 레이저 빔의 주파수를 스캐닝하고, 주파수의 함수로서 샘플 에탈론의 투과율을 기록하고, 프리 스팩트럼 범위(Free Spectral Range)(이후 정의되는 수학식 1)에 대한 수학식에 적용시킴에 의해 1.55㎛ 부근의 파장에서 측정 시 0.5mm 이상, 바람직하게는 0.8mm 이상, 보다 바람직하게는 1.2mm 이상의 특정 두께의 샘플에서 및 1.3mm x 1.3mm 이상, 바람직하게는 2.5mm x 2.5mm 이상, 보다 바람직하게는 4mm x 4mm 이상의 특정 면적에 대해 2.3964에서 ±0.002의 정확도, 바람직하게는 ±0.001의 정확도, 보다 바람직하게는 ±0.0005의 정확도 내의 값을 갖는 유효 굴절률. 당업자는 2.3964라는 값이 자연에서 많이 나타나는 비의 탄소 동위원소로 구성된 다이아몬드에 기초하고, 2.3964라는 값이 다이아몬드의 동위원소 조성이 변함에 따라 변할 것임을 이해할 것이다.
3) 0.5mm 이상, 바람직하게는 0.8mm 이상, 보다 바람직하게는 1.2mm 이상의 특정 두께의 샘플에서 1.3mm x 1.3mm 이상, 바람직하게는 2.5mm x 2.5mm 이상, 보다 바람직하게는 4mm x 4mm 이상의 특정 면적에 대해 본원에서 기술된 방식으로 측정 시, 545 내지 615nm 범위, 바람직하게는 589.6nm의 방사선을 이용하는 델타스캔 또는 유사 해상도를 갖는 유사 기구에 의해 측정되는 상 전이(shift)의 사인(sine) 모듈러스 ｜sin δ｜가 특정 한계를 초과하지 않도록 하는 낮은 광학 복굴절률(낮은 스트레인의 표지). 구체적으로는 이런 한계는 샘플의 분석된 면적의 98% 이상, 보다 바람직하게는 99% 이상, 보다 더 바람직하게는 100%에 대한 상 전이의 사인 모듈러스 ｜sin δ｜가 1차(first order)(δ는 π/2를 초과하지 않는다) 내에 있고, 그 ｜sin δ｜ 값이 0.9를 초과하지 않고, 바람직하게는 0.6을 초과하지 않고, 보다 바람직하게는 0.4를 초과하지 않고, 보다 더 바람직하게는 0.3을 초과하지 않고, 보다 더 바람직하게는 0.2를 초과하지 않는다.
4) 다이아몬드 물질이 0.5mm 이상, 바람직하게는 0.8mm 이상, 보다 바람직하게는 1.2mm 이상의 특정 두께의 에탈론(etalon)의 형태의 다이아몬드 플레이트로서 제조되고, 1.55㎛ 부근의 파장 및 1.2mm의 공칭 직경을 갖는 레이저 빔을 사용하여 1.3mm x 1.3mm 이상, 바람직하게는 2.5mm x 2.5mm 이상, 보다 바람직하게는 4mm x 4mm 이상의 특정 면적에 대해 측정 시, 플레이트에 대해 상이한 위치에서 측정 시 5 x 10-3cm-1 미만, 바람직하게는 2 x 10-3cm-1 미만, 보다 바람직하게는 5 x 10-4cm-1 미만, 보다 더 바람직하게는 2 x 10-4cm-1 미만으로 변하는 프리 스펙트럼 범위(FSR)를 보이도록 하는 광학 성질의 조합.
5) 다이아몬드 물질이 0.5mm 이상, 바람직하게는 0.8mm 이상, 보다 바람직하게는 1.2mm 이상의 특정 두께의 파브리-페롯 솔리드 에탈론(Fabry-Perot solid etalon)의 형태로 다이아몬드 플레이트로서 제조되고, 광학적으로 제조된 표면에 적용된 코팅을 갖지 않고, 1.55㎛ 부근의 파장 및 1.2mm의 공칭 직경을 갖는 레이저 빔을 사용하여 1.3mm x 1.3mm 이상, 바람직하게는 2.5mm x 2.5mm 이상, 보다 바람직하게는 4mm x 4mm 이상의 특정 면적에 대해 측정 시, 플레이트에 대해 상이한 위치에서 측정할 때 1.5를 초과, 바람직하게는 1.6을 초과, 보다 바람직하게는 1.7을 초과, 보다 더 바람직하게는 1.8을 초과, 가장 바람직하게는 1.9를 초과하는 콘트라스트 비를 보이도록 하는 광학 성질의 조합. 콘트라스트 비는, 투과가 최소값을 갖는 1.55㎛ 부근의 입사 레이저 파장에서의 에탈론 투과 값에 대한 투과가 최대값을 갖는 1.55㎛ 부근의 입사 레이저 파장에서의 에탈론 투과 값의 비로서 정의되고, 투과 값은 에탈론 상으로 입사되는 레이저 파워에 대한 에탈론을 통해 투과되는 레이저 빔의 광학 파워의 비로서 정의된다.
6) 다이아몬드 물질이 0.5mm 이상, 바람직하게는 0.8mm 이상, 보다 바람직하게는 1.2mm 이상의 특정 두께의 에탈론의 형태로 적당하게 제조된 다이아몬드 플레이트가, 1.55㎛ 부근의 파장 및 1.2mm의 직경을 갖는 레이저 빔을 사용하여 1.3mm x 1.3mm 이상, 바람직하게는 2.5mm x 2.5mm 이상, 보다 바람직하게는 4mm x 4mm 이상의 특정 면적에 대해 측정 시, 3dB, 바람직하게는 1dB, 보다 바람직하게는 0.5dB, 보다 더 바람직하게는 0.3dB를 초과하지 않는 삽입 손실을 보이도록 하는 광학 성질의 조합.
7) 0.5mm 이상, 바람직하게는 0.8mm 이상, 보다 바람직하게는 1.2mm 이상의 특정 두께의 샘플이 20℃ 부근에서 10.6㎛의 파장에서 0.04cm-1 미만, 바람직하게는 0.03cm-1 미만, 보다 바람직하게는 0.027cm-1 미만, 보다 더 바람직하게는 0.025cm-1 미만의 광학 흡광 계수를 갖도록 낮고 균일한 광학 흡광도.
8) 0.5mm 이상, 바람직하게는 0.8mm 이상, 보다 바람직하게는 1.2mm 이상의 특정 두께의 샘플이 1.06㎛의 파장에서 0.09cm-1 미만, 바람직하게는 0.05cm-1 미만, 보다 바람직하게는 0.02cm-1 미만, 보다 더 바람직하게는 0.01cm-1 미만의 광학 흡광 계수를 갖도록 낮고 균일한 광학 흡광도.
9) 투과된 빔으로부터 0.3° 내지 45°의 입체각에 대해 통합되는 0.63㎛에서의 순방향(forward) 산란도가 0.5mm 이상, 바람직하게는 0.8mm 이상, 보다 바람직하게는 1.2mm 이상의 특정 두께의 샘플에서 및 1.3mm x 1.3mm 이상, 바람직하게는 2.5mm x 2.5mm 이상, 보다 바람직하게는 4mm x 4mm 이상의 특정 면적에 대해 본원에서 기술된 방식으로 측정 시에 0.2% 미만, 바람직하게는 0.1% 미만, 보다 바람직하게는 0.05% 미만, 보다 더 바람직하게는 0.03% 미만이 되도록 낮고 균일한 광학 산란도.
10) 투과된 빔으로부터 1.1° 내지 45°의 입체각에 대해 통합되는 10.6㎛에서의 순방향 산란도가 0.5mm 이상, 바람직하게는 0.8mm 이상, 보다 바람직하게는 1.2mm 이상의 특정 두께의 샘플에서 및 1.3mm x 1.3mm 이상, 바람직하게는 2.5mm x 2.5mm 이상, 보다 바람직하게는 4mm x 4mm 이상의 특정 면적에 대해 본원에서 기술된 방식으로 측정되고, 0.004% 미만, 바람직하게는 0.002% 미만, 보다 바람직하게는 0.001% 미만, 보다 더 바람직하게는 0.0005% 미만이 되도록 낮고 균일한 광학 산란도.
11) 10.6㎛의 파장에서 50 내지 100ns의 1차 펄스 스파이크를 갖고 100㎛ 1/e 스폿 크기로 정규화된 가우시안(Gaussian) 빔 프로파일을 이용하여, 손상을 일으키는 최저 입사 피크 에너지 밀도 및 손상을 일으키지 않는 최대 입사 피크 에너지 밀도의 평균이 120 Jcm-2 초과, 바람직하게는 220 Jcm-2 초과, 보다 바람직하게는 320 Jcm-2 초과, 보다 더 바람직하게는 420 Jcm-2이 초과되도록 하는 높은 레이저 손 상 역가.
12) 1.06㎛의 파장에서 10 내지 50ns, 바람직하게는 20 내지 40ns의 1차 펄스 스파이크를 갖고 100㎛ 1/e 스폿 크기로 정규화된 가우시안(Gaussian) 빔 프로파일을 이용하여, 손상을 일으키는 최저 입사 피크 에너지 밀도 및 손상을 일으키지 않는 최대 입사 피크 에너지 밀도의 평균이 35 Jcm-2 초과, 바람직하게는 50 Jcm-2 초과, 보다 바람직하게는 80 Jcm-2 초과, 보다 더 바람직하게는 150 Jcm-2이 초과되도록 하는 높은 레이저 손상 역가.
13) 20℃에서 측정 시 자연에서 많이 나타나는 비의 탄소 동위원소로 구성된 물질에 대한 값이 1500 Wm-1K-1 초과, 바람직하게는 1800 Wm-1K-1 초과, 보다 바람직하게는 2100 Wm-1K-1 초과, 보다 더 바람직하게는 2300 Wm-1K-1 초과, 보다 더 바람직하게는 2500 Wm-1K-1 초과하는 높은 열 전도도. 당업자는 이런 값이 자연에서 많이 나타나는 비의 탄소 동위원소로 구성된 다이아몬드에 기초하고, 그 형상(figure)이 다이아몬드의 동위원소 조성이 변함에 따라 변할 것임을 이해할 것이다.
14) 1.3mm x 1.3mm 이상, 바람직하게는 2.5mm x 2.5mm 이상, 보다 바람직하게는 4.0mm x 4.0mm 이상의 특정 면적에 대해 측정 시 2nm 미만, 바람직하게는 1nm 미만, 보다 바람직하게는 0.6nm 미만의 Ra(프로파일을 관통하는 평균 라인으로부터의 절대 편차의 산술 평균)를 갖는 높은 표면 연마도를 보이도록 가공되는 능력.
15) 1.3mm x 1.3mm 이상, 바람직하게는 2.5mm x 2.5mm 이상, 보다 바람직하 게는 4.0mm x 4.0mm 이상의 특정 면적에 대해 측정 시 1 arc minute 보다 우수하고, 바람직하게는 ±30 arc second 보다 우수하고, 보다 바람직하게는 ±15 arc second 보다 우수하고, 보다 더 바람직하게는 ±5 arc second 보다 우수한 평행도(parallelism)를 갖는 높은 평행도를 보이도록 가공되는 능력.
16) 633nm 방사선을 이용하고 1.3mm x 1.3mm 이상, 바람직하게는 2.5mm x 2.5mm 이상, 보다 바람직하게는 4.0mm x 4.0mm 이상의 특정 면적에 대해 측정 시 10 프린지 보다 우수하고, 보다 바람직하게는 0.3 프린지 보다 우수한 편평도를 갖는 높은 편평도를 보이도록 가공되는 능력.
17) 5.0mm x 3.0mm x 0.17 내지 0.35mm(길이 x 폭 x 두께)의 개별적 샘플 치수를 갖는 단일 캔틸레버 빔 기술을 이용하여 측정 시 8 이상, 바람직하게는 10 이상, 보다 바람직하게는 10 이상, 보다 더 바람직하게는 15 이상의 배치(batch) 크기에 대해 시험되는 샘플의 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상, 보다 바람직하게는 90% 이상이 2.5 Gpa 이상, 바람직하게는 3.0 Gpa 이상, 보다 바람직하게는 3.5 Gpa 이상의 강도 값에서만 실패되도록 하는 기계적 설계 강도.
18) 체적이 0.5mm 이상, 바람직하게는 0.8mm 이상, 보다 바람직하게는 1.2mm 이상의 특정 두께의 층을 포함하고, 하나 이상의 플레이트로 제조하는 것을 특징으로 하고, 1.3mm x 1.3mm 이상, 바람직하게는 2.5mm x 2.5mm 이상, 보다 바람직하게는 4.0mm x 4.0mm 이상의 특정 면적에 대해 197 내지 192 THz 범위의 주파수에 대해 에탈론 형태의 샘플 상에 입사되는 레이저 빔의 주파수를 스캐닝하고, 주파수의 함수로서 샘플 에탈론의 투과율을 기록하고, 프리 스팩트럼 범위(이후 정의되는 수학식 1)에 대한 수학식에 적용시킴에 의해 1.55㎛ 부근의 파장에서 측정 시, 굴절률에서의 표준 편차가 0.002 미만, 바람직하게는 0.001 미만, 보다 바람직하게는 0.0005 미만인, 관심(interest) 체적에 대한 굴절률 편차.
19) 0.5mm 이상, 바람직하게는 0.8mm 이상, 보다 바람직하게는 1.2mm 이상의 특정 두께의 샘플에서 및 1.3mm x 1.3mm 이상, 바람직하게는 2.5mm x 2.5mm 이상, 보다 바람직하게는 4mm x 4mm 이상의 특정 면적에 대해 197 내지 192 THz 범위의 주파수에 대해 에탈론 형태의 샘플 상으로 입사되는 레이저 빔의 주파수를 스캐닝하고, 주파수의 함수로서 샘플 에탈론의 투과율을 기록하고, 프리 스팩트럼 범위(이후 정의되는 수학식 1)에 대한 수학식에 적용시킴에 의해 1.55㎛ 부근의 파장에서 측정 시에 2.39695 내지 ±0.001의 정확도 내의 값, 보다 바람직하게는 ±0.0005의 정확도 내의 값을 갖는 유효 굴절률. 당업자는 2.39695라는 값이 자연에서 많이 나타나는 비의 탄소 동위원소로 구성된 다이아몬드에 기초하고, 2.39695라는 값이 다이아몬드의 동위원소 조성이 변함에 따라 변할 것임을 이해할 것이다.
20) 투과된 빔으로부터 3.5° 내지 87.5°의 입체각에 대해 통합되는 1.064㎛에서의 순방향(forward) 산란도가 0.4mm 이상, 바람직하게는 0.8mm 이상, 보다 바람직하게는 1.2mm 이상의 특정 두께의 샘플에서 및 1.3mm x 1.3mm 이상, 바람직하게는 2.5mm x 2.5mm 이상, 보다 바람직하게는 4mm x 4mm 이상의 특정 면적에 대해 본원에서 기술된 방식으로 측정 시에 0.4% 미만, 바람직하게는 0.2% 미만, 보다 바람직하게는 0.1% 미만, 보다 더 바람직하게는 0.05% 미만이 되도록 하는 낮고 균일한 광학 산란도.
21) 575nm 광전발광(PL) 라인 및 637nm PL 라인 중 하나, 보다 바람직하게는 이들 모두의 라만 정규화된 강도가 40 미만, 바람직하게는 10 미만, 보다 바람직하게는 3 미만, 바람직하게는 1 미만이 되도록 하는 514nm에서 광학 여기 하의 낮은 발광도.
22) 0.5mm 이상, 바람직하게는 0.8mm 이상, 보다 바람직하게는 1.2mm 이상의 특정 두께의 샘플에서 및 1.3mm x 1.3mm 이상, 바람직하게는 2.5mm x 2.5mm 이상, 보다 바람직하게는 4mm x 4mm 이상의 특정 면적에 대해 본원에서 기술된 방식으로 측정되고, 545 내지 615nm 범위, 바람직하게는 589.6nm의 방사선을 이용하는 델타스캔 또는 유사 해상도를 갖는 유사 기구에 의해 측정 시, Δn[average], 샘플 두께에 대해 평균된 느린 축 및 빠른 축에 대해 평행한 편광에 대한 굴절률 사이에서의 차이의 평균 값의 최대값이 특정 한계를 초과하지 않도록 하는 낮은 광학 복굴절률(낮은 스트레인을 의미). 구체적으로 이런 한계는, 샘플의 분석된 면적의 98% 이상, 보다 바람직하게는 99% 이상, 보다 더 바람직하게는 100%에 대한 것이고, 복굴절률은 1차(first order)(δ는 π/2를 초과하지 않는다)에 있고, Δn[average]은 1.5 x 10-4를 초과하지 않고, 바람직하게는 5 x 10-5를 초과하지 않고, 보다 바람직하게는 2 x 10-5를 초과하지 않고, 보다 더 바람직하게는 1 x 10-5를 초과하지 않는다.
다이아몬드 물질은 기계적 층으로, 또는 광학 층으로, 또는 연마된 젬스톤으로, 보다 바람직하게는 광학 층으로 바람직하게 형성되고, 다음의 치수 중 하나, 보다 바람직하게는 두개, 보다 더 바람직하게는 세 개를 초과한다:
a) 1mm, 바람직하게는 2mm, 보다 바람직하게는 5mm, 보다 더 바람직하게는 8mm의 측면(lateral) 치수;
b) 1mm, 바람직하게는 2mm, 보다 바람직하게는 5mm, 보다 더 바람직하게는 8mm의 제 2의 직교 측방향 치수; 및
c) 0.1mm, 바람직하게는 0.3mm, 보다 바람직하게는 0.5mm, 보다 더 바람직하게는 0.8mm의 두께.
본 발명은 전술된 바와 같이 광학 장치 또는 소자에 또는 광학 장치 또는 소자로서 이용하기 위한 단결정 CVD 다이아몬드 물질에 관한 것이다. 이런 장치 또는 소자는 광학 윈도우, 레이저 윈도우, 광학 반사기, 광학 굴절기 및 그레이팅 및 에탈론을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는 광범위한 광학 용도에서의 이용에 적당할 수 있다. 빔 스플리터 또는 에탈론과 같이 하나 이상의 표면에서의 반사를 필요로 하는 용도에서, 다이아몬드는 이들 표면 상에 비코팅된 상태로 사용될 수 있다. 또한, 이 물질은 연마된 젬스톤(gemstone)으로서 유리한데, 이 형태에서 연마 이전에 보다 두꺼운 층(전형적으로 2.5mm, 보다 전형적으로 3.5mm 초과)으로서 초기에 제조될 수 있다. 이런 용도에 대해 특히 허용가능한 특성은 특히 이조합되어 보다 브릴리언트한 스톤을 위해 준비되는 광학 성질의 균일도, 낮은 산란도 및 흡광도, 및 가공 용이성 및 가공된 표면의 품질을 포함한다.
본 발명의 다이아몬드 물질은 특정 용도로 조정될 수 있고, 모든 경우에서 상기 성질들 모두가 부여될 수도 있지만, 많은 용도에서 다이아몬드 물질은 특히 유용하게 다이아몬드를 이용할 수 있게 하는 상기 성질들의 실질적 세트 또는 특정 조합을 보인다. 예컨대, 에탈론으로서 이용 시에, 그 물질은 광학 균일도, 낮은 흡광도, 높은 열 전도도 및 편평하고 평행하게 가공될 수 있는 능력을 필요로 하지만, 레이저 손상 역가 및 기계적 강도는 덜 중요하다. 역으로, 시인(viewing) 또는 광학 접근 윈도우로서의 이용 시에, 강도가 중요할 수 있고, 마찬가지로, 산란도, 흡광도 및 이미지 품질에 영향을 미치는 성질이 중요할 수 있다.
본 발명의 CVD 다이아몬드 물질을 포함하는 광학 장치는 이에 열원 장치 또는 온도 또는 다른 측정 장치 또는 이들 모두를 부착시키거나 이들로 조립될 수 있다. 열원 장치는 광학 장치의 온도를 변화시키는 능력 및 이에 따른 임의의 온도 의존 성질, 및 온도를 모니터링하고 일부 경우에는 피드백 제어를 제공하는 수단인 온도 센서를 제공한다. 다이아몬드의 높은 열 전도도가 입력된 열이 매우 신속하게 분포되는 것을 보장하기 때문에 이런 기술은 특히 다이아몬드에 대해 적용가능하다. 본 발명의 이런 형태의 특정 양태는 붕소와 같은 도판트를 이용하여 도핑된 층 또는 트랙을 혼입시켜 히터 소자, 및 온도 측정을 위해 추가 도핑된 구조를 제조할 수 있다. 이런 도핑된 구조들은 이온 주입(implantation)에 의해 또는 다른 표면 가공 기술에 의해 제조될 수 있다.
본 물질은 성장 후, 적당한 형상 및 필요한 표면 가공 후에 유용한 성질을 보일 수 있거나, 또는 이는 어닐링에 의해 가공되어 추가로 특정 성질을 증진시킬 수 있다.
적용 시에, 본 물질은 예컨대 마운팅, 금속화(예, 그레이팅에 대한), 코팅(예, 반사 방지 코팅), 특정 토포그래피로의 표면 에칭(예, 회절 광학에 대한) 등을 포함하는 처리에 의해 추가 처리될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 광학 용도에 적당한 CVD 다이아몬드 물질의 제조 방법은 결정 흠(defect)의 발생을 제어하기 위해 낮은 수준으로 제어된 질소의 존재 하에 CVD 방법에 의해 낮은 결정 흠을 갖는 기재 상에 단결정 다이아몬드를 성장시키는 것을 포함한다.
본 방법에 사용된 질소 수준은, 유해 흡광 및 결정 품질 열화를 방지 또는 감소하기에 충분히 낮으면서, 흠을 발생시키는 국소 스트레인을 방지 또는 감소시키기에 충분하도록 선택된다.
이제, 본 발명은 단지 예시를 위해 다음과 같은 첨부된 도면을 참고하여 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 다이아몬드의 제 1 표면 상의 빔 입사의 전형적 반사 및 투과 패턴을 보여주는 솔리드 에탈론의 개략적 측면도이다.
도 2는 솔리드 에탈론의 전형적 투과 성질을 보여주는 그래프이다.
도 3은 가이어스-투어노이즈 에탈론의 전형적 반사 성질을 보여주는 그래프이다.
도 4는 작은 다이아몬드 샘플에서 1.06㎛에서의 광학 산란도를 측정하기 위한 시스템을 보여주는 다이어그램이다.
도 5는 도 4의 시스템으로부터 수득된 1차원 데이터를 2차원 데이터로 전환시킨 다이어그램이다.
도 6은 실시예 4에 기술된 바와 같은 다이아몬드 샘플에 대한 샘플 두께의 역함수로서 FSR 측정치에 대한 그래프이다.
도 7은 실시예 5에 기술된 바와 같이 시험된 본 발명의 에탈론 플레이트의 콘트라스트 비를 보여주는 그래프이다.
도 8은 실시예 7에 기술된 바와 같이 시험된 본 발명의 에탈론 플레이트의 표면 평면도 값 측정 그래프이다.
도 9는 실시예 15에 기술된 바와 같이 FSR 측정치 데이터를 보여주는 그래프이다. 데이터는 11개의 CVD 단결정 플레이트 각각에 대해 도시되어 있고, 이는 플레이트 상에서 수행된 FSR 측정의 표준 편차 및 평균으로부터의 임의 측정의 최대 편차를 보여준다.
본 발명의 CVD 다이아몬드 물질은 조절된 낮은 수준의 질소의 존재하에서 CVD 방법에 의해 생성된다. 사용되는 질소의 수준은 결정 흠의 발생을 억제하는데, 따라서 본 발명의 핵심적인 특징을 갖는 다이아몬드 물질을 획득하는데 중요하다. 높은 수준의 질소하에서 성장된 물질은 유해한 흡광을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 높은 수준의 질소는 또한 물질의 결정 품질을 열화시킬 수 있다. 반대로, 본질적으로 질소가 없는, 또는 질소가 300ppb 미만인 조건하에서 성장된 물질은 비교적 더 높은 수준의 국부적인 스트레인 발생 흠을 가지며, 이러한 결함은 다이아몬드의 고성능 광학 특성중 다수에 직접적으로 또는 간접적으로 영향을 끼친다. 이의 정확한 메카니즘은 잘 알려져 있지 않지만, 다음과 같이 관찰되었다. 어떤 말이 뒤에 오든, 용어 "전위(dislocation)"는 단리된 전위 및 전위가 함께 군을 이룬 전위 다발 둘 다를 포괄하고자 한다.
다량의 부피에서 전위 및 다른 결정 흠이 전혀 없이 제조될 수 있는 물질은 없다. 이러한 결정 흠에 대한 상이한 특성의 민감도는 변화된다. 예를 들어, 굴절률의 국부적인 변화는 상당히 민감하지만, 평균 굴절률은 비교적 민감하지 않다. 고도의 정밀도가 요구되는 CVD 다이아몬드의 엔지니어링 광학 특성은 전위에 대해 극도로 민감한 것으로 보인다.
본 발명의 방법은 주로 {100} 기재 표면상에서의 성장에 적용될 수 있는데, 일반적인 방법에 의해 다른 특이적인 기재 배향으로 광학 등급 다이아몬드가 성장할 수 있으나, 달리 언급되지 않는 한 이렇게 추정한다.
성장 과정의 기체 혼합물에 충분한 질소가 존재하지 않으면, 기재 물질에 이미 존재하거나 기재/성장 계면에서 발생되는 전위 둘레의 {100} 성장 표면상의 피트(pit)가 형성된다. 이러한 피트 때문이건 아니건, 성장동안 전위는 서서히 증가될 수 있다. 특정 한계까지 이 과정은 기하급수적이며, 전위 증가 속도는 기존의 국부적인 전위 밀도 및 배열에 따라 달라진다.
소량의 질소가 존재하면, 상대적인 각면(facet) 성장 속도가 변화되고, 이들 피트가 제거될 수 있다. 이들 피트의 부재 때문이건 아니건 건에, 전위 증가는 감소되거나 완전히 없어질 수 있다.
이들 피트는 또한 물질의 다른 결함 및 불순물 혼입의 원인이 될 수도 있다.
이 공정의 중요한 부분을 구성할 수 있는 다른 효과가 관찰되었다. 질소 없는 전형적인 공정의 조건에서, <110> 표면 단(step)의 진행이 기재 표면을 가로질러 이동하면서 에피택셜(epitaxial) 성장이 이루어진다. 이들 단은 표준 광학 현미경하에서 전형적으로 보이지만, 이들의 존재는 통상 노마스키(Nomarski) 기법 또는 다른 고감도 기법을 이용하여 가장 잘 확인된다. 올바른 조건하에서, 본 발명의 매우 낮은 농도 수준 내에서의 질소 증가는 이들 표면 단의 형태에 영향을 끼치지 않는다. 이들 단이 존재하면, 다이아몬드 내로의 N의 흡광이 통상 낮다.
질소 수준이 증가함에 따라, 표면 성장 메카니즘은 과도기로 들어간다. 다이아몬드의 표면 단은 더욱 무작위적이 되고, 적어도 거시적 규모에서 <100> 배향 둘레에 통상적으로 중심을 두며, 단은 더욱 커지고 거칠어진다. 이들 단은 현미경에 의해 쉽게 볼 수 있고, 종종 육안으로도 볼 수 있다. 이들 단의 존재하에서는, 질소 혼입이 실질적으로 증가하고 미시적인 규모에서 통상 균일하지 않다. 이러한 과도기가 일어나는 질소의 농도는 온도 및 압력을 비롯한 성장 조건의 민감한 함수이지만, 통상 본원에 기재된 공정의 경우 약 1.8ppm(N2를 사용할 때 총 기체 농도의)이다. 이 한계보다 조금 높게 벗어나는 경우, 본 발명의 이점중 일부, 특히 예컨대 기계적 강도 또는 표면 처리는 여전히 달성될 수 있지만, 광학 흡광 같은 특성은 상당한 질소 혼입(이는 <100> 단이 존재하면 용이하게 이루어짐)에 의해 불리하게 영향을 받는다.
따라서, 공정 기체중 N의 농도의 하한은 피트 형성을 한정하고 스트레인 발생 흠을 억제하고자 하는 필요에 의해 설정되며, 공정 기체중 질소의 농도에 대한 상한은 유해한 흡광의 개시 및 다른 유형의 결함 발생, 및 표면 단 성장 메카니즘의 변화가 이에 대해 갖는 역할에 의해 설정된다. 그러나, 이러한 한계는 N의 실제 기상 공급원을 비롯한 사용되는 공정 조건, 및 요구되는 특정 물질 특성에 따라 변화될 수 있도록 공정 의존성이며, 실시예에 의해 가장 잘 예시된다. 그러나, 전형적으로는 본 발명의 방법에서, 기상중 질소 농도(ppm N2, 또는 동일한 총 N을 제공하는데 사용되는 실제 질소 공급원의 당량)의 상한은 5ppm, 바람직하게는 2ppm, 더욱 바람직하게는 1.5ppm, 더더욱 바람직하게는 1ppm이다. 기상중 질소 수준(ppm N2, 또는 동일한 총 질소를 제공하는데 사용되는 실제 질소 공급원의 당량)의 하한은 300ppb보다 높고, 바람직하게는 500ppb보다 높으며, 더욱 바람직하게는 700ppb보다 높고, 더더욱 바람직하게는 800ppb보다 높다.
물질은 솔리드 중 전형적인 질소 농도를 그 특징으로 할 수 있으나, 이 농도와 기상중 질소 농도 사이의 관계는 자세한 성장 조건의 민감한 함수이다. 전형적으로, 전자 상자성 공명(electron paramagnetic resonance; EPR)에 의해 측정된 단일 치환 질소 농도는 3×1015원자/cm3를 초과하고, 더욱 전형적으로는 1×1016원자/cm3을 초과하며, 더더욱 전형적으로는 5×1016원자/cm3을 초과한다. 뿐만 아니라, 단일 치환 질소의 농도는 전형적으로 5×1017원자/cm3 미만, 더욱 전형적으로는 2×1017원자/cm3 미만이다.
상기 조건을 이용하여, 유리한 광학 특성을 갖는 본 발명의 단결정 CVD 다이아몬드 물질을 전형적으로 층 형태로 생성시킬 수 있다.
본 발명의 다이아몬드 광학 층을 제조함에 있어서는, 실질적으로 결정 흠이 없는 다이아몬드 표면상에서 단결정 CVD 다이아몬드의 층을 성장시키는 것이 중요하다. 이와 관련하여, 결함은 주로 전위 및 미소균열을 의미하지만, 이중 경계, 도판트 N 원자에 고유하게 수반되지 않는 점 결함, 낮은 각도의 경계 및 임의의 다른 연장된 결정 격자 붕괴도 포함한다. 바람직하게는, 기재는 복굴절률이 낮은 유형 Ia 천연 다이아몬드, Ib 또는 IIa 고압/고온 합성 다이아몬드 또는 CVD 합성된 단결정 다이아몬드이다.
실질적으로 결함을 갖지 않는 기재상에서의 성장의 품질은 층이 더욱 두껍게 성장하고 결함 구조가 증가됨에 따라 급속하게 열화되어, 전반적인 결정 열화, 쌍정화(twinning) 및 재-핵형성을 야기한다. 이러한 유형의 결함은 본원에 특히 유해하여, 다수의 핵심적인 특성에 국부적인 변화를 야기시킨다.
결함을 드러내도록 최적화된 플라즈마 또는 화학적 에칭(리빌링(revealing) 플라즈마 에칭으로 일컬어짐), 예컨대 아래 기재된 유형의 간단한 플라즈마 에칭을 이용한 후 광학적 평가에 의해 결함 밀도를 가장 용이하게 특징화시킨다. 두 가지 유형의 결함을 드러낼 수 있다:
1) 기재 물질 품질에 내재하는 것. 선택된 천연 다이아몬드에서는, 이들 결함의 밀도가 50/mm2 정도로 낮을 수 있고, 더욱 전형적인 값은 102/mm2인 반면, 다른 것에서는 106/mm2 이상일 수 있다.
2) 연마 선을 따라 금(chatter track)을 형성하는 전위 구조 및 미소균열을 비롯한, 연마에 의해 생성된 것. 이들의 밀도는 샘플에 따라 상당히 변화될 수 있으며, 전형적인 값은 약 102/mm2 내지 불량하게 연마된 영역 또는 샘플에서의 104/mm2이다.
바람직하게 낮은 결함 밀도는 상기 기재된 바와 같은 결함에 관련된 표면 에칭부의 밀도가 5×103/mm2 미만, 더욱 바람직하게는 102/mm2 미만이도록 하는 것이다.
따라서, 기재를 조심스럽게 제조함으로써, CVD 성장이 이루어지는 기재 표면에서 또한 그 아래에서의 결함 수준을 최소화시킬 수 있다. 각 단계가, 기재로서의 제조가 종결될 때 궁극적으로 기재 표면을 형성하는 평면에서 물질 내의 결함 밀도에 영향을 끼칠 수 있기 때문에, 채광(천연 다이아몬드의 경우)되거나 또는 합성(합성 물질의 경우)되는 물질에 적용되는 임의의 제조 공정이 본원에 포함된다. 특정 공정 단계는 기계적인 소잉(sawing), 래핑(lapping) 및 연마(본원의 경우 낮은 결함 수준을 위해 특수하게 최적화된) 같은 통상적인 다이아몬드 공정, 및 레이저 가공, 반응성 이온 에칭, 이온 빔 분쇄 또는 이온 이식 및 발진(lift-off) 기법, 화학적/기계적 연마, 및 액체 화학적 가공 및 플라즈마 가공 기법 같은 덜 통상적인 기법을 포함할 수 있다. 또한, 첨필 프로파일 측정계에 의해 측정된, 바람직하게는 0.08mm 길이에 걸쳐 측정된 표면 RQ가 최소화되어야 하는데, 임의의 플라즈마 에칭 전의 전형적인 값은 수 나노미터 이하, 즉 10nm 미만이다. RQ는 평면으로부터의 표면 프로파일의 제곱 평균 제곱근(root-mean-square) 편차이다(표면 높이의 가우스 분포의 경우 RQ=1.25Ra; 정의에 대해서는, 예컨대 문헌["Tribology: Friction and Wear of Engineering Materials", IM Hutchings, (1992), Publ. Edward Arnold, ISBN 0-340-56184] 참조).
기재의 표면 손상을 최소화하는 한 가지 구체적인 방법은 호모에피택셜 다이아몬드 성장이 이루어지는 표면에서의 동일 반응계내 플라즈마 에칭을 포함하는 것이다. 원칙적으로, 이 에칭은 동일 반응계내일 필요가 없을 뿐만 아니라 성장 과정 직전일 필요도 없지만, 동일 반응계내일 경우에 추가적인 물리적 손상 또는 화학적 오염의 위험을 피하기 때문에 가장 큰 이득이 달성된다. 동일 반응계내 에칭은 또한 성장 과정이 또한 플라즈마에 기초한 것일 때 통상 가장 편리하다. 플라즈마 에칭은 침착 또는 다이아몬드 성장 과정과 유사한 조건을 이용할 수 있지만, 임의의 탄소 함유 공급 기체가 없는 상태에서 또한 통상 약간 더 낮은 온도에서는 에칭 속도를 더욱 우수하게 조절할 수 있다. 예를 들어, 이는 다음중 하나 이상으로 이루어질 수 있다:
(i) 임의적으로 소량의 Ar 및 요구되는 소량이 O2와 함께 주로 수소를 사용하는 산소 에칭. 전형적인 산소 에칭 조건은 50 내지 450×102Pa의 압력, 1 내지 4%의 산소 함량, 0 내지 30%의 아르곤 함량 및 나머지량의 수소를 갖는 에칭 기체(백분율은 모두 부피 기준임), 600 내지 1100℃(더욱 전형적으로는 800℃)의 기재 온도 및 3 내지 60분의 전형적인 지속시간.
(ii) (i)과 유사하지만 산소가 존재하지 않는 수소 에칭.
(iii) 아르곤, 수소 및 산소만을 기제로 하지 않는 다른 에칭 방법, 예컨대 할로겐, 다른 불활성 기체 또는 질소를 사용하는 에칭 방법을 이용할 수 있다.
전형적으로, 에칭은 산소 에칭 후 수소 에칭을 수행하고, 이어 탄소 공급 기체를 도입함으로써 바로 합성시키는 것으로 이루어진다. 가공으로부터의 잔류 표면 손상을 제거하고 임의의 표면 오염물을 제거할 수 있지만, 매우 거친 표면을 형성하지 않고 연장된 결함(예컨대, 표면을 가로질러 깊은 피트를 야기하는 전위)을 따라 광범위하게 에칭시키지 않도록, 에칭 시간/온도를 선택한다. 에칭이 공격적이기 때문에, 이 단계의 경우 플라즈마에 의해 챔버로부터 기상내로 또는 기재 표면으로 물질이 전달되지 않도록, 챔버 설계 및 그의 성분의 물질 선택이 이루어지는 것이 특히 중요하다. 산소 에칭에 뒤이은 수소 에칭은 결정 흠에 덜 특이적이어서, 결정 흠을 과감하게 공격하는 산소 에칭에 의해 야기되는 뾰족한 모서리를 둥글게 만들고, 후속 성장을 위해 보다 더 매끈하고 더욱 우수한 표면을 제공한다.
CVD 다이아몬드 성장이 이루어지는 다이아몬드 기재의 주요 표면은 바람직하게는 {100} 표면이다. 공정상의 제한 때문에, 실제 샘플 표면 배향은, 재현성에 불리하게 영향을 끼치기 때문에 덜 바람직하기는 하지만, 이 이상적인 배향으로부터 5° 이하, 일부 경우에는 10° 이하로 상이할 수 있다.
본 발명의 방법에서는, CVD 성장이 이루어지는 환경의 불순물 함량을 적절하게 조절하는 것이 또한 중요하다. 더욱 구체적으로, 다이아몬드 성장은 의도적으로 첨가되는 질소 외의 다른 오염물질을 실질적으로 함유하지 않는 대기의 존재하에서 이루어져야 한다. 질소의 이러한 첨가는 어느 쪽이 더 크든 300ppb(총 기체 부피의 몰 분율로서) 미만 또는 기체 상에서의 목표 값의 10% 미만의 오차, 바람직하게는 어느 쪽이 더 크든 200ppb(총 기체 부피의 몰 분율로서) 미만 또는 기체 상에서의 목표 값의 6% 미만의 오차, 더욱 바람직하게는 100ppb(총 기체 부피의 몰 분율로서) 미만 또는 기체 상에서의 목표 값의 3% 미만의 오차, 더더욱 바람직하게는 어느 쪽이 더 크든 50ppb(총 기체 부피의 몰 분율로서) 미만 또는 기체 상에서의 목표 값의 2% 미만의 오차로 정확하게 조절되어야 한다. 300ppb 내지 5ppm의 농도 범위에서 기상에서의 절대 및 상대 질소 농도를 측정하는 데에는, 예컨대 WO 01/96634 호에 기재되어 있는 기체 크로마토그래피에 의해 달성될 수 있는 것과 같은 복잡한 모니터링 설비가 필요하다.
공급 기체는 당해 분야에 공지되어 있는 임의의 것일 수 있으며, 해리되어 라디칼 또는 다른 반응성 기를 생성시키는 탄소-함유 물질을 함유한다. 기체 혼합물은 또한 통상 원자 형태의 수소 또는 할로겐, 및 예컨대 N2 또는 NH3일 수 있는 질소의 공급원을 제공하는데 적합한 기체를 함유한다.
반응기(이의 예는 당해 분야에 공지되어 있음)에서 극초단파 에너지를 사용하여 공급 기체를 바람직하게 해리시킨다. 그러나, 반응기로부터의 임의의 불순물의 전달은 최소화되어야 한다. 극초단파 시스템을 이용하여, 플라즈마를 다이아몬드 성장이 이루어지는 기재 표면 및 그의 마운트(mount)를 제외한 모든 표면으로부터 떨어뜨려 위치시킬 수 있다. 바람직한 마운트 물질의 예는 몰리브덴, 텅스텐, 규소 및 탄화규소를 포함한다. 바람직한 반응기 챔버 물질의 예는 스테인레스 강, 알루미늄, 구리, 금 및 백금을 포함한다.
높은 극초단파 파워(전형적으로는 3 내지 60kW, 25 내지 300mm의 기재 직경의 경우) 및 높은 기체 압력(50 내지 500×102Pa, 바람직하게는 100 내지 450×102Pa)으로부터 발생되는 높은 플라즈마 파워 밀도를 사용해야 한다.
어닐링에 의해 다이아몬드의 특정 특성을 향상시킬 수 있으며, 광범위한 개선된 특성을 수득하는데 있어서 본 발명의 다이아몬드와 어닐링 기법을 조합하는 특정 이점이 있다. 어닐링이란 승온을 조절된 방식으로 이용하여 다이아몬드의 임의의 특성(본 명세서에 상세하게 기재된 특성 또는 이들 특성에 보충적인 특성)을 유익하게 개질시키는 임의의 과정을 의미한다. 열 처리는 성장된 CVD 다이아몬드의 성질 및 이루어질 목적하는 변화에 따라 달라진다. 어닐링에 대해 가장 민감한 다이아몬드의 특성은 광학 산란 및 (낮은) 발광이지만, 복굴절률 및 기계적 설계 강도 같은 다른 특성도 개선될 수 있다. 어닐링 과정은 추측상 다이아몬드 내의 국부적인 스트레인 지점을 추가로 감소시킬 뿐만 아니라 비-다이아몬드 구조의 영역을 변형시킨다. 어닐링은 대기압 또는 고압에서 이루어질 수 있으며, 전형적으로는 1200℃보다 높은 온도, 더욱 전형적으로는 1700℃보다 높은 온도에서 수행된다. 보다 더 고온으로부터 이득이 예상됨에도 불구하고, 현재의 실험능의 한계에 의해 2500 내지 2800℃의 어닐링 온도에 대한 상한이 설정된다. 또한, 다이아몬드 및 흑연 안정성 영역 둘 다에서의 CVD 다이아몬드의 어닐링은 동시 계류중인 국제 특허원 PCT/IB03/03783 호에 기재되어 있는 바와 같이 다이아몬드의 흡광 중심을 감소시켜 광학 투과율을 향상시키는 것으로 밝혀졌으며, 이는 유익할 수 있다.
다른 중요한 요소는 다이아몬드, 구체적으로 본 발명의 다이아몬드의 어닐링이 특정 조건하에서 다이아몬드로부터 관찰되는 발광을 감소시킨다는 것이다. 특히, 다이아몬드가 광학 윈도우로서 사용되는 경우, 윈도우로부터의 발광은 윈도우가 출입을 허용하고자 하는 조사를 차단할 수 있다. 예를 들어, 다이아몬드가 압축 시험중인 샘플에 대한 광학적 접근을 허용하는 앤빌(anvil) 물질로서 사용되는 경우, 앤빌로부터의 발광은 압축되는 물질의 광학적 특징에 대한 연구 능력을 심각하게 제한할 수 있다. 구체적인 비한정적인 예는 중심 575nm 및 637nm로부터의 발광이다. 출발 기체중 또는 다른 이유로 공정에 존재하는 상당한 질소 농도에서 성장한 CVD 합성 다이아몬드는 질소-빈 자리 중심으로부터의 발광을 나타낸다. 중성 및 음으로 하전된 질소-빈 자리 중심은 각각 575nm 및 637nm에 제로-포논(zero-phonon) 선을 갖는다. 이들 두 중심으로부터의 발광은 514nm 아르곤 이온 레이저 또는 다른 비교적 짧은 파장의 방사선원으로 여기될 수 있으며, 강한 경우 이 발광은 이러한 단결정 CVD 다이아몬드를 앤빌 용도에 사용하는데 중요한 단점이 된다. 질소-빈 자리 중심을 해리시키는 어닐링 처리에 의해, 예를 들어 보다 고온의 어닐링을 위한 고압 고온 어닐링을 이용하여 약 1800℃보다 높은 온도에서 어닐링시킴으로써, 질소-빈 자리 발광의 강도를 상당히 감소시킬 수 있다. 예로서, 1800℃ 및 75kBar에서 24시간동안의 고압 고온 어닐링은 575nm 및 637nm에서의 발광을 실질적으로 감소시킬 수 있는 것으로 밝혀졌다.
열계량 수단에 의해 낮은 수준의 광학 흡광을 가장 잘 측정한다. 10.6㎛에서의 광학 흡광의 이전 열계량 측정치가 다중결정 CVD 다이아몬드 층에 대해 보고되어 있다[코(SE Coe) 등, Diamond and Related Materials, Vol. 9, (2000) 1726-1729 및 피클즈(CSJ Pickles) 등, Diamond and Related Materials, Vol. 9 (2000), 916-920]. 전형적으로, 고품질의 광학 등급 다중결정 다이아몬드에서 10.6㎛에서의 흡광 값은 흡광 계수 α=0.03cm-1 - 0.07cm-1의 범위에 속하며, 전형적인 값은 약 0.048cm-1이다. 낮은 흡광을 위해 선택된 천연 다이아몬드의 측정치도 약 0.036cm-1의 값을 갖는 것으로 보고되어 있다. 단결정 천연 다이아몬드 및 다중결정 CVD 다이아몬드에서 보여지는 유사한 하한은 이 영역에서의 두 포논 흡광 꼬리에 기인하였으며, 따라서 근본적인 한계인 것으로 생각되었다.
따라서, 본 발명의 다이아몬드가 0.0262cm-1의 보다 낮은 흡광 계수를 나타낼 수 있다는 것은 놀라운 일이며, 낮은 흡광을 위해 선택된 천연 다이아몬드에서조차도 10.6㎛에서 잔류하는 상당한 외부 흡광이 존재함(이전에는 인식되지 못하였음)을 보여준다.
1.064nm에서의 다이아몬드의 열계량 측정치는 10.6㎛에서의 열계량 측정치보다 덜 잘 기록되어 있으나, 광학 등급 다중결정 다이아몬드에 대한 전형적인 값은 흡광 계수 α=0.119cm-1이다. 대조적으로, 본 발명의 방법에 의해 제조된 다이아몬드는 α=0.0071cm-1의 획득된 값을 갖는다. 이러한 낮은 흡광 계수로 인해 이 다이아몬드는 높은 파워의 레이저 용도 등에 특히 적합해진다. 이는, 물질에서의 낮은 스트레인으로부터의 낮은 빔 왜곡을 또한 고려할 때 더욱 그러하다.
이들 독특한 물질 특성에 의해 가능해지는 본 발명의 CVD 다이아몬드 물질로부터의 용도는 다음을 포함하지만 이들로 한정되는 것은 아니다:
⊙ 광학 윈도우 - 예컨대 매우 높은 이미지 품질이 요구됨. 물질의 일관되게 높은 기계적 강도는 윈도우가 가압되는 용도에 대해 설계하는데 도움이 된다.
⊙ 레이저 윈도우 - 고강도 빔이 특정 단리도를 제공하는 윈도우를 통해 교란되지 않고 통과해야 할 필요가 있음. 레이저 빔이, 예컨대 국부적인 흡광 및 열에 의해 유도되는 스트레인에 의해 빔을 열화시키거나 또는 충분한 에너지가 흡광되게 하여 윈도우를 영구적으로 손상시키는 방식으로 윈도우와 상호작용하지 않는 것이 특히 중요하다.
⊙ 광학 반사기 - 표면이 극도로 편평하거나 또는 매우 정밀하게 규정된 표면 형상을 갖고 안정함.
⊙ 광학 굴절기 및 렌즈 - 광학 투과 성분의 표면중 하나 또는 둘 다가 적어도 부분적으로 평면이 아니거나 평행하지 않지만, 고도로 정밀하게 제조되어야 함.
⊙ 회절성 광학 소자 - 예컨대 다이아몬드 내의 또는 다이아몬드 상의 구조를 이용하여 광 빔을 회절에 의해 변형시킴.
⊙ 에탈론(etalon).
⊙ 시계 유리에, 또는 보석용 젬스톤으로서의 장식 용도.
⊙ 고압 고온 실험용 앤빌 - 이 용도에서 다이아몬드는 바람직하게는 어닐링될 수 있음.
편의상 및 예로서, 본 발명의 다이아몬드 물질의 에탈론으로의 용도를 상세하게 기재하지만, 당해 분야의 숙련자는 상기 표시된 것과 같은 다른 용도에 대한 본 발명의 CVD 다이아몬드 물질의 광학 특성의 보편적인 중요성을 인식할 것이다.
두 반사 표면 사이에서 높은 편평도 및 평행도를 갖는 방식으로 제작된 2개의 부분 반사 표면을 갖는 광학 시스템을 파브리-페롯 에탈론(Fabry-Perot Etalon)이라고 부른다. 전형적으로, 2개의 매우 편평한 부분 반사 거울의 반사 표면이 평행하고 예컨대 공기 또는 조절된 기상 매질 간격 또는 진공 분리에 의해 이격되도록 이들 거울을 정렬시킴으로써 에탈론을 제조할 수 있다. 다르게는, 첨부된 도면중 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 솔리드 에탈론이라고 불리는 광학적으로 투명한 솔리드 물질의 플레이트(14) 상에 2개의 매우 평행한 표면(10, 12)을 연마함으로써 에탈론을 제조할 수 있다.
에탈론의 제 1 표면에 입사하는 빔은 표면의 반사율에 따라 부분적으로 투과되고 부분적으로 반사된다. 투과된 빔은 에탈론을 횡단한 후, 제 2 표면에서 부분적으로 투과되고 부분적으로는 다시 부분적인 투과 및 반사가 일어나는 제 1 표면으로 재반사된다. 그 결과, 에탈론으로부터 나오는 투과된 빔과 반사된 평행한 빔 사이에서 간섭이 일어난다. 에탈론으로부터의 전형적인 투과 특징이 도 2에 도시되어 있다.
에탈론의 두께는 프리 스펙트럼 범위(free spectral range; FSR)로 알려져 있는 에탈론 특징의 후속 최대치/최소치 차이를 조절하며, 수직 입사 광에 대한 FSR은 주파수에 의해 하기 수학식 1과 같이 주어진다:
Figure 112005026642526-pct00001
상기 식에서, c는 진공에서 빛의 속도이고, d는 에탈론의 두께이며, n은 에탈론 물질의 굴절률이다.
투과율 곡선의 형상(예컨대, 피크의 날카로움 및/또는 최소치의 깊이)은 에탈론 표면의 반사율에 의해 또한 영향을 받는다. 당해 분야에 널리 공지되어 있는 바와 같이, 에탈론 표면에 부분 반사성 광학 코팅을 도포함으로써 상이한 반사율 값을 수득할 수 있다. 다르게는, 에탈론 표면에 광학 코팅을 도포하지 않고, 에탈론의 코팅되지 않은 표면의 프레스넬(Fresnel) 반사율을 이용할 수 있다.
에탈론 투과율 곡선이 뾰족한 피크를 나타내는 경우, 이는 피크의 전체 폭의 1/2의 최대치에 대한 연속 피크 사이의 (주파수) 간격의 비로서 정의되는 피네스(finesse; F)에 의해 특징지어질 수 있다. 반사율 값이 높은 경우, 및 에탈론에서의 또는 반사 표면에서의 흡광 또는 산란으로 인한 손실 및 반사 표면의 편평도 및 평행도 편차가 무시될 수 있을 정도로 작은 경우, 피네스는 하기 수학식 2에 의해 정의된다:
Figure 112005026642526-pct00002
상기 식에서, R은 에탈론 표면의 반사율이다.
다르게는, 투과율 피크가 그다지 날카롭지 않은 경우, 콘트라스트 비 C를 규정함으로써 에탈론 투과율 곡선을 특징지을 수 있다. 이는 최대 투과율 값과 최소 투과율 값의 비로서 정의된다:
Figure 112005026642526-pct00003
상기 식에서, T p (T v )는 투과율 곡선에서 피크(밸리)중 하나와 동일한 주파수에서 에탈론의 투과율이다.
편평도 또는 평행도, 굴절률 변화 및 흡광 또는 산란 손실의 편차가 무시될 수 있는 에탈론의 경우, C는 다음과 같이 정의된다:
Figure 112005026642526-pct00004
에탈론 성능을 특징짓는 다른 유용한 매개변수는 데시벨(dB) 단위로 표현되 는 삽입 손실(L)이며, 이는 피크에서의 에탈론의 투과율에 의해 결정된다:
Figure 112005026642526-pct00005
상기 식에서, I p 및 I o 는 투과율 곡선에 있는 피크중 하나와 동일한 주파수의 투과된 강도 및 입사 강도이다.
이렇게 정의된 삽입 손실은 0(손실 없음)에서 무한대(전혀 투과되지 않음)로 변화할 수 있다. 손실이 없고 매우 편평하고 평행한 표면을 갖는 이상적인 에탈론의 경우, 삽입 손실은 0이다.
편평도 또는 평행도, 굴절률 변화 또는 손실의 편차가 무시될 수 없는 경우, 추정 수학식 2 및 4는 더 이상 타당하지 않으며, 삽입 손실(5)은 콘트라스트비가 통상 더욱 낮을 때 증가되는 경향이 있다.
파브리-페롯 에탈론의 변이는 본질적으로 배면의 반사율이 100%인 반사에 사용되는 파브리-페롯 에탈론인 가이어스-투어노이즈(Gires-Tournois) 에탈론이다. 이 에탈론의 반사율은 입사하는 광의 파장과 무관하게 항상 100%이지만, 반사된 광의 상은, 가이어스-투어노이즈 에탈론의 상기 수학식에 정의된 FSR과 동일한 주기를 갖는 입사하는 광의 주파수의 주기적인 함수이다. 이는 δ가 수학식
Figure 112005026642526-pct00006
(여기에서, f는 주파수임)로서 정의되는 도 3에 도시되어 있다.
따라서, 매개변수, 즉 프리 스펙트럼 범위, 삽입 손실, 콘트라스트 비 및/또 는 피네스에 의해 표현되는, 에탈론 성능에 영향을 끼치는 중요한 물질 특성은 다음과 같다:
R - 표면 반사율(코팅되지 않은 경우에는 고유 반사율 또는 코팅의 반사율);
α - 에탈론 벌크 물질에서의 또는 표면에서의 흡광 손실;
α sc - 에탈론 벌크 물질에서의 또는 표면에서의 산란 손실;
n - 에탈론 물질의 굴절률 및 그의 변화(복굴절률, 즉 편광 및 물질에서의 전파 방향에 대한 굴절률의 의존성 포함); 및
d - 반사 표면의 편평도 및 평행도.
다이아몬드는 다른 물질과 비교하여 에탈론으로서 사용될 때 다음과 같은 다수의 이점을 갖는다:
a) 더욱 밀집되고/보다 얇은 에탈론이 되도록 하는 높은 굴절률;
b) 몇몇 용도에서 광학 코팅을 불필요하게 만들 정도로 충분히 높은 프레스넬 반사율;
c) 다이아몬드 에탈론이 몇몇 다른 광학 물질보다 온도 변화에 대해 덜 민감함을 의미하는, 굴절률의 낮은 온도 계수 및 낮은 열 팽창 계수;
d) 환경의 온도 변화에 의해 야기되는 투과율 곡선의 변화 또는 광 빔에 의한 흡광 변화가 최소임을 의미하는(그러나, 열 전도율의 추가적인 증가는 이러한 이유 때문에 유익함) 높은 열 전도율;
e) 다이아몬드를 강하게 하고 긁힘에 대해 손상되지 않도록 하는(코팅되지 않은 경우), 다른 물질에 비해 높은 강도 및 강성, 및 다이아몬드의 높은 경도 - 이는 또한 임의의 세공에 의해 유도되는 응력의 효과를 최소화시킴.
그러나, 다이아몬드의 에탈론 물질로서의 사용은 매우 제한되었다. 한계점은 적합한 특성, 특히 다이아몬드 품질에 민감한 특성을 갖고 적합한 크기를 갖는 물질의 입수가능성이었다. 예를 들어, 가장 풍부한 천연 다이아몬드는 유형 Ia이다. 유형 Ia 다이아몬드는 통상 크기가 한정되고, 이의 가격은 보석용 젬스톤으로서의 이들의 용도에 의해 결정된다. 시판되는 물질은 대부분 담황색이고(흡광), 함유물을 함유하며(응력을 받음, 산란), 또한 스펙트럼의 가시광 범위 및 적외선 범위에서 추가적인 흡광을 나타낼 수 있는 수소를 함유한다. 천연 젬스톤 사이의 굴절률 변화는 1% 정도로 높을 수 있다. 의도된 용도에서의 기능은 각각의 물질에 대한 비용이 많이 드는 선별에 의해서만 보장될 수 있으며, 이러한 선별은 전형적으로 상당한 가공이 이루어진 후에나 수행될 수 있다.
본 발명의 CVD 다이아몬드 물질은 파브리-페롯 에탈론 또는 가이어스-투어노이즈 에탈론에서와 같이 에탈론 물질로서 다른 다이아몬드 및 다른 물질보다 탁월한 물질을 제공한다.
기재된 바와 같은 본 발명의 CVD 단결정 다이아몬드 물질은 하나 이상의 핵심적인 특징을 갖는다. 이제, 이들 특징중 일부 및 이러한 특징을 측정 또는 결정하는데 이용될 수 있는 기법을 기재한다.
광학적 특징 및 측정 기법
광학 균일성
Zygo GPI 상 시프팅(shifting) 633nm 레이저 피조-형(Fizeau-type) 간섭계를 이용하여 광학 균일성을 측정하였다. 샘플은 전형적으로 두께 0.8 내지 1.25mm 및 측방향 치수 5mm×5mm의, 편평한 연마된 표면을 갖는 광학 플레이트으로서 제조되었다. 4% 반사율의 편평한 빔 스플리터(splitter)를 이용하여, 10% 반사율의 편평한 거울에서 중간 반사되도록 하면서 다이아몬드 플레이트를 통해 2회 통과시킨 후 이 빔 스플리터로부터의 반사된 빔을 투과된 빔과 합함으로써 측정하였다. 그러나, 빔 스플리터 및 반사 거울은 직경 100mm에 걸쳐 약 30nm보다 더 우수한 편평도를 갖는 간섭 품질이었다. 생성된 간섭 패턴을 전하 커플링 소자(CCD) 카메라로 기록하고 디지털로 저장하였다. Zygo GPI 간섭계와 함께 표준 소프트웨어로서 공급되는 투과된 파면 측정용 모듈(Transmitted Wavefront Measurement Application module)을 이용하여 간섭 프린지를 분석하였다. 완전히 편평한 파면으로부터의 편차를 기록하였다. 이들 편차는 표면이 편평하지 않은 효과와 다이아몬드 물질의 광학 불균일성의 효과가 조합된 것이다. 표면을 충분히 높은 편평도(30nm보다 우수함)로 연마함으로써 불균일성의 효과가 0.05 프린지보다 더 우수하게 결정될 수 있으며, 보다 낮은 편평도 수준에 비례하여 덜 정확한 측정이 허용된다.
유효 굴절률
0.5㎛보다 더 우수한 해상도를 갖는 디지털 마이크로미터를 사용하여 에탈론 형상으로 가공된 광학 플레이트의 두께를 먼저 측정한 다음, 유효 굴절률에 요구되 는 정확도가 수득될 수 있도록 에탈론에 수직으로 입사하는 광을 이용하여 197THz-192THz의 주파수 범위에 걸쳐 에탈론의 프리 스펙트럼 범위를 측정함으로써 유효 굴절률을 측정하였다. 이어, 앞서 정의된 수학식 1로부터 유효 굴절률을 구하였다. 이 방법에 의해 구해진 유효 굴절률은 예컨대 간단히 스넬(Snell's) 법칙을 적용함으로써 구해진 굴절률(2개의 광학 매질 사이의 계면에서의 광의 굴절)과 약간 상이할 수 있는데, 여기에서 수득된 값이 통상 더 높다. 이러한 차이는, 다이아몬드에 존재하는 불가피한 분산, 및 유효 굴절률을 구하기 위해 본원에서 사용한 방법이 측정에 사용된 주파수 범위에서 수득된 평균의 형태라는 사실 때문에 발생한다.
프리 스펙트럼 범위(FSR)
에탈론(예컨대, 측방향 치수 1.5mm×1.5mm 및 두께 1.25mm, Zygo-NewView 간섭계의 소프트웨어에 포함된 편평도 설명서를 이용하여 Zygo-NewView 간섭계로 측정할 때 40nm보다 더 우수한 피크-밸리 편평도, 및 10아크 초(arcsec)보다 우수한 연마된 표면의 평행도 및 1nm보다 더 우수한 표면 거칠기 Ra)의 형태로 적합하게 가공된 플레이트에 대하여 FSR을 측정하였다. 다이아몬드 에탈론의 평면 내에서 2개의 상호 수직인 축을 따라 평행 이동능 및 회전능을 갖는 광학 스테이지에 이들 플레이트를 장착하였다. 이어, 에탈론을 파장이 1.52 내지 1.62㎛에서 연속적으로 변화될 수 있는 레이저 다이오드로부터의 조준된 빔에 대해 수직으로 위치시키고 또한 이 빔에 대하여 중심을 맞추었다. 광 주파수의 함수로서의, 에탈론을 통해 투과된 파워를 기록하고 컴퓨터에 디지털 형태로 저장하였다. 투과 스펙트럼에서의 연속적인 피크 사이의 주파수 차이로부터 프리 스펙트럼 범위를 직접 결정하였다.
콘트라스트 비 및 삽입 손실
Zygo-NewView 간섭계의 소프트웨어에 포함된 편평도 설명서를 이용하여 Zygo-NewView 간섭계로 측정할 때 40nm보다 더 우수한 피크-밸리 편평도, 및 10arcsec보다 우수한 연마된 표면의 평행도 및 1nm보다 더 우수한 표면 거칠기 Ra를 갖는 개별 에탈론(측방향 치수 4.0mm×4.0mm 및 두께 1.25mm)을 절단해낼 수 있는 형태로 적합하게 가공된 플레이트에 대하여 콘트라스트 비 및 삽입 손실을 측정하였다. 다이아몬드 에탈론의 평면 내에서 2개의 상호 수직인 축을 따라 평행 이동능 및 회전능을 갖는 광학 스테이지에 이들 플레이트를 장착하였다. 이어, 플레이트를 파장이 1.52 내지 1.62㎛에서 연속적으로 변화될 수 있는 레이저 다이오드로부터의 조준된 빔에 수직으로 위치시키고 또한 이 빔에 대하여 중심을 맞추었다. 광 주파수의 함수로서의 플레이트를 통해 투과된 파워를 기록하고 컴퓨터에 디지털 형태로 저장하였다. 약 197200GHz의 주파수에서 측정된 최대 투과율 및 최소 투과율의 비를 계산함으로써, 각 에탈론의 콘트라스트 비를 결정하였다.
복굴절률
무-응력(stress-free) 다이아몬드 같은 등방성 매질의 경우, 굴절귤은 편광 방향에 무관하다. 성장 응력 또는 국부적인 결함으로 인해, 또는 외부에서 가해진 압력으로 인해, 다이아몬드 샘플이 불균일하게 응력을 받는 경우, 굴절률은 이방성 이다. 타원면의 일반적인 형태를 갖는 광학 굴절률 곡면(indicatrix)으로 불리는 표면에 의해 편광 방향에 따른 굴절률 변화를 제시할 수 있다. 임의의 2개의 타원면 축 사이의 차이는 제 3의 축을 따라 배향된 광의 선형 복굴절률이다. 이는 응력을 받지 않은 물질의 굴절률, 즉 응력 및 광-탄성 계수를 포함하는 함수로서 표현될 수 있다.
델타스캔(Deltascan)(옥스포드 크라이오시스템즈(Oxford Cryosystems))은 소정 파장에서의 굴절률이 관찰 방향과 수직인 평면에서의 편광 방향에 의존하는 방식에 대한 정보를 제공한다. 델타스캔의 작업 방법에 대한 설명은 글레이저(A. M. Glazer) 등의 문헌[Proc. R. Soc. Lond. A (1996) 452, 2751-2765]에 기재되어 있다.
한 쌍의 평면 편광 필터의 배향에 대해 상이한 범위에서 획득된 일련의 이미지로부터, 델타스캔은 "느린 축"의 방향, 즉 굴절률이 최대치인 관찰 방향에 수직인 평면에서의 편광 방향을 결정한다. 이는 또한 δ가 수학식 δ=(2π/λ)ΔnL(여기에서, λ는 광의 파장이고, L은 시편의 두께이며, Δn은 느린 축 및 빠른 축에 평행으로 편광된 광의 굴절률 사이의 차이임)로 표시되는 상 전이인 │sinδ│도 측정한다. ΔnL은 '광학 지연(optical retardation)'으로 알려져 있다.
L이 0.6mm이고 λ가 589.6nm인 1차(first order)에서의 지연의 경우, sinδ가 1이고 ΔnL이 λ/4일 때 Δn이 2.45×10-4임을 추론할 수 있고, sinδ가 0.5이고 ΔnL이 λ/12일 때 Δn이 0.819×10-4임을 추론할 수 있다.
델타스캔은 a) "느린 축", b) sinδ 및 c) 작업 파장에서의 흡광율의 공간적인 변화를 보여주는 3색 이미지를 만들어낸다.
샘플을 공지 두께의 광학 으로서 제조하고, 1.3mm×1.3mm 이상, 바람직하게는 2.5mm×2.5mm 이상, 더욱 바람직하게는 4mm×4mm 이상의 구역에 걸쳐 분석한다. 각각 1mm×0.75mm의 구역을 덮는 델타스캔 이미지 또는 '프레임'의 세트를 589.6nm의 파장에서 각 샘플에 대해 기록한다. 각 프레임 내에서, 델타스캔은 640×480 픽셀을 개별적으로 분석하여, 매우 미세한 규모로 샘플을 확실히 분석한다. 이어, 델타스캔 │sinδ│ 이미지의 어레이를 sinδ의 작용에 대해 분석한다. 가장 간단한 분석법은 분석 구역 전체에 걸쳐 각각의 1mm×0.75mm 프레임에서 sinδ의 최대값을 확인하고, 이들 값을 사용하여 분석되는 전체 구역의 최대값을 결정하는 것이다. 1mm×0.75mm 프레임의 어레이가 분석되는 구역에 정확하게 일치되지 않는 경우에는, 그 구역을 완전히 덮는데 최소한의 프레임 수가 필요하도록 프레임을 배열하고, 가장자리 프레임을 가능한한 대칭으로 이용할 수 있게 중심을 맞춘다. 분석되는 구역의 경계 바깥에 있는 임의의 프레임의 데이터 부분을 그 프레임의 분석에서 배제한다. 다르게는, 분석되는 구역의 물질의 각각 98% 또는 99%에 걸친 최대 값을 수득하기 위하여, 분석되는 샘플 구역 내에 놓이는 데이터의 2% 또는 1%를 제외한 후, 남은 최대 값에 대하여 각 1mm×0.75mm 프레임을 분석할 수 있다. 이는 사용시 몇 개의 단리된 보다 높은 복굴절률 지점이 허용될 수 있는 경우에 타당할 수 있다. 그러나, 본원에 제시된 모든 실시예에서는, 모든 데이터 지점(100%)을 분석에 포함시켰다.
sinδ의 작용은, 본원에서 최소 두께를 적용함으로써 유용한 두께의 플레이트로 제한된 물질의 특정 플레이트의 특성이다. sinδ 정보를, 샘플의 두께에 걸쳐 느린 축 및 빠른 축에 평행하게 편광된 광의 굴절률 사이의 차이를 평균낸 값, 즉 Δn[average]으로 전환시킴으로써, 물질의 더욱 근본적인 특성을 수득할 수 있다.
광학 흡광도
요구되는 파장의 레이저 빔이 샘플을 통해 통과함으로써 야기되는 샘플 온도의 상승을 측정하기 위해 시험중인 샘플에 부착되는 열전쌍을 사용하는 레이저 열계량법에 의해 광학 흡광도를 측정한다. 이러한 기법은 당해 분야에 널리 공지되어 있다. 구체적으로, 본원에서 사용되는 방법은 국제 표준 ISO 11551:1997(E)에 따르며, 1.064㎛ 및 10.6㎛에서 이루어졌다.
광학 산란
광학 산란을 측정하는 방법은 널리 공지되어 있다(예를 들어, 해리스(DC Harris)의 문헌["Infrared Window and Dome Materials", SPIE, 미국 워싱턴 1992] 참조). 그러나, 작은 크기(예컨대, 측방향으로 4×4mm) 및 본 발명의 방법에 의해 가능해진 품질을 갖는 다이아몬드 조각에서는, 산란을 정밀하게 측정하는 새로운 기법을 개발할 필요가 있는 것으로 밝혀졌다.
633nm 같은 다른 파장도 가능하지만 주로 1.06㎛에서 측정하기 위한 새로운 기법이 개발되었다. 이 방법을 위해 배치된 실험의 도식은 도 4에 도시되어 있다.
1.06㎛ Nd-YAG 레이저(20)는 샘플(22)을 비추고, 산란된 빔(24)은 한정된 구 멍(26)을 통해 매우 선형인 넓은 동적 범위 검출기(28)로 검출된다. 샘플(22) 및 검출기(28)를 별도의 측각기 스테이지(도시되지 않음)에 장착하여 각각 정밀하게 이동시킬 수 있도록 한다. 전체 시스템은 클래스(class) 100 "청정 텐트"(도시되지 않음)에 존재하여, 대기의 먼지에 의한 산란을 최소화시키고, 청정 텐트 자체는 빗나간 광이 결과에 영향을 끼치지 않도록 하기 위하여 암실에 존재한다.
검출기(28)를, 관통하는 빔에 인접한 영역에서 1°씩 이동시키는 것을 제외하고는, -85 내지 +85°의 호(30) 상에서 5°씩 이동시킨다. 수평으로 또는 수직으로 편광되는 입사 빔으로 측정을 수행한다. 검출기의 입체각은 0.741mSr이다. 다이아몬드 샘플(22)에 대한 측각기 스테이지는 다이아몬드 샘플을 입사하는 빔에 대해 정확하게 정렬시키고 실험 기간동안 고정시킨다. 도 4의 도식은 축척대로 도시되지 않았으며, 샘플과 검출기 사이의 거리를 400mm이다. 산란되지 않은 빔은 참조 번호(32)로 표시한다.
검출기로부터의 데이터를 일련의 개별 단계에서 수집하여, 검출기의 제한된 입체각에 걸쳐 측정된 각도의 함수로서의 산란의 막대그래프를 그린다. 이 데이터를, 본질적으로 반구로부터의 스트립을 덮는 1차원 어레이를 반구 둘레의 밴드를 덮는 2차원 데이터로 전환시킨다. 이는 도 5에 도시되어 있으며, 도면에서 (34)는 측정된 산란된 빔이고, (36)은 아래 더욱 상세하게 기재되는 바와 같이 이 각도에서의 전체 산란 강도를 제공하도록 전환된 데이터이다.
수집된 데이터는 아래와 같이 각도 θ에서 단위 입체각당 산란된 파워의 분율("FSP(θ)")로서 정의된다:
Figure 112005026642526-pct00007
상기 식에서, Pm,θ 는 각도 θ에서 검출기에 의해 측정된 파워이고, Pi 는 입사 빔 파워이며, Ω는 검출기의 입체각이다.
각도 θ에 의해 산란된 광은 둘레 2πRsinθ, 높이 RΔθ 및 따라서 면적 A r =2πRsinθ.RΔθ를 갖는 밴드로 된다.
밴드의 입체각 ΔΩ r 은 수학식
Figure 112005026642526-pct00008
에 의해 정의된다.
이로부터, 요구되는 값인 산란된 전체 파워 TSP는 수학식
Figure 112005026642526-pct00009
로 정의된다.
그러나, 데이터는 연속적이기보다는 불연속적이어서, TSP는 다음과 같은 적분 작업보다는 덧셈에 의해 계산되어야 한다:
Figure 112005026642526-pct00010
상기 식에서, vp 및 hp는 수직 및 수평 편광된 데이터이고, Δθ는 데이터 간격 라디안이다.
데이터 간격이 낮은 각도에서는 1°이고 산란되지 않은 빔으로부터 5°를 넘어가면 5°로 변화되기 때문에, 데이터 간격에 주의해야 한다.
레이저 손상 역가
시험되는 샘플에 레이저의 펄스를 발사하고, 손상을 야기하는 최저 입사 피크 에너지 및 손상을 야기하지 않는 최고 입사 피크 에너지의 평균으로서 파괴 지점을 특징지음으로써, 레이저 손상 역가를 측정한다.
10.6㎛의 파장에서, 전형적으로 총 펄스 에너지의 1/3을 함유하는 50 내지 100ns 수준의 1차 스파이크 및 2μs 수준의 훨씬 더 낮은 피크 파워 이완 펄스를 갖는 CO2 레이저를 사용하였다. 수득된 데이터를 100㎛ 1/e 스폿 크기로 정규화시켰다. 전자 쇄도 이온화가 손상(이는 피크 파워 밀도(즉, 피크 전기장)에 의존함)을 발생시키는 통상적인 모델인 시간 도메인에서 이 시험을 작동시키기 때문에, 이완 펄스는 무시될 수 있다.
1.06㎛의 파장에서 Nd:YAG 레이저를 10 내지 50ns, 더욱 바람직하게는 20 내지 40ns동안 지속되는 단일 스파이크와 함께 사용하였으며, 데이터를 다시 100㎛ 1/e 스폿 크기에 대해 정규화시켰다.
열 전도도
레이저 플래시 기법(예컨대, 트위첸(DJ Twitchen) 등의 문헌[Diamond and Related Materials, 10(2001), p731] 및 워트(CJH Wort) 등의 문헌[Diamond and Related Materials, 3(1994), p1158] 참조)에 의해 열 전도도를 측정한다.
표면 거칠기
Zygo NewView 5000 주사 백색광 간섭계를 이용하여 표면 거칠기를 측정하였다. 간섭계는 미켈슨(Michelson) 또는 미로(Mireau) 유형의 간섭 대물 렌즈가 설치된 현미경을 사용한다. 이 시스템에서는 1배 내지 50배의 배율이 가능하다. 다이아몬드 플레이트의 전체 면적에 걸쳐 측정함으로써, 본 출원인은 표면이 완전히 미세하게 연마되는 경우 표면 거칠기가 플레이트의 전체 면적에 걸쳐 10% 미만으로 변화함을 발견하였다. 따라서, 이 측정시에 거칠기는 약 0.36mm×0.27mm의 대표 면적에 걸친 측정치로 나타내었다.
표면 평행도
Zygo GPI 상 시프팅 633nm 레이저 피조-형 간섭계를 투과된 파면의 측정시와 동일한 배치로 사용하여 표면 평행도를 측정하였다. 빔 경로에 에탈론 없이 측정된 투과된 파면 프린지 패턴과 빔 경로에 다이아몬드 에탈론이 있는 투과된 파면 프린지 패턴을 비교함으로써, 연속 프린지 사이의 방향 및 거리의 변화를 계산하고, 이로부터 에탈론의 2개의 연마된 표면 사이의 평행도 편차를 결정하였다. 몇몇 위치에서는 광을 다이아몬드 에탈론을 통해 통과시키지 않고 10% 반사율의 편평한 거울에 바로 입사시켜 검출기로 다시 반사시키면서, 에탈론을 통해 광의 일부를 통과시킴으로써, 이들 2개의 프린지 패턴을 동시에 측정하였다. 2회 측정이 한번씩 차례로 수행되는 경우보다 연속 측정이 보다 더 높은 정확도를 나타내었다.
표면 편평도
Zygo GPI 상 시프팅 633nm 레이저 피조-형 간섭계를 사용하여 표면 편평도를 측정하였다. 이 간섭계를 사용하여, 633nm 레이저원으로부터의 광을 10% 반사율의 간섭 품질 빔 스플리터로부터 부분적으로 반사시키고, 빔 스플리터에 의해 투과된 광은 본 발명의 물질로부터 제조된 다이아몬드 광 성분의 연마된 표면으로부터 부분적으로 반사시켰다. 2개의 반사된 빔을 합치고, 생성된 프린지 패턴을 CCD 카메라 검출기로 기록한 다음, 컴퓨터에 디지털로 저장하였다. 이어, Zygo GPI 간섭계의 소프트웨어에 표준 설명서로서 포함된 편평도 설명서에 따라 패턴을 분석하였다.
기계적 강도
본 발명의 물질의 실리는 실제 파쇄 시험에 의해 수득된 단결정 다이아몬드의 보고된 강도 데이터가 없음에 의해 명확하게 입증된다. 여기에 보고되는 데이터는 인덴테이션 시험, 및 이 방법에 내재하는 근사 및 추정에 기초한다. 반대로, 본 발명의 방법은 적절한 파쇄 시험을 완결할 수 있기에 충분한 양으로 물질을 이용할 수 있게 한다.
또한, 파쇄 강도 시험은 파괴적인 시험이다. 각 천연 다이아몬드 조각은 독특하므로, 그의 강도가 알려지면 더 이상 출원에 사용되지 못한다. 파쇄 시험은 몇몇 대표 특징에 대한 상세한 강도 값 및 출원에 사용되는 최저 예상 강도를 특징짓는 데에만 이용될 수 있다. 대조적으로, 본 발명의 합성 다이아몬드는 특정 요소의 파쇄 강도가 해당 샘플의 파쇄 통계에 기초하여 합당하게 예측될 수 있도록 잘 특징지어진 일관된 물질이다. 본원에 사용되는 다이아몬드의 설계 강도는 아래 절차를 이용하여 시험된 물질의 해당 샘플의 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상, 더욱 바람직하게는 90% 이상이 나타내는 강도이다.
샘플 크기가 5.0mm×3.0mm×0.18-0.35mm(길이 I×폭 b×두께 d)인 단일 캔틸레버 빔 기법을 이용하여 강도를 측정하였다. 장축이 <110> 방향을 따라 존재하도록 하여(따라서, 두께가 <100>을 따르고, 길이 및 폭이 <110>을 따르게 됨), 샘플을 {100} 배향된 플레이트로부터 절단하였다. 시험 절차에 따라, 빔을 4mm의 노출 길이(즉, 클램프 내부 1mm)로 장착하고 클램프로부터 3.5mm의 거리에 힘을 가하였다.
강도 σb는 수학식 σb = (6Ws)/(bd2)(여기에서, W는 파괴 하중이고, s는 부하 선과 클램핑 선 사이의 거리임)로 정의된다.
호모에피택셜 CVD 다이아몬드 플레이트으로부터 시험 샘플을 절단해내고, 약 0.1㎛의 그릿(grit) 크기까지 점진적으로 더욱 미세해지는 그릿 상에서 스카이프(scaife) 연마함으로써 조심스럽게 준비하였다. 불량한 표면 마무리는 물질의 측정된 강도를 제한할 수 있고, 높은 표면 마무리를 갖는 이 물질의 능력은 그의 전체적인 강도에 기여할 수 있다.
발광
동일한 조건하에서 다이아몬드 라만 산란 수거의 적분된 강도에 대해 관련 발광 선 또는 밴드의 적분된 강도를 정규화시킴으로써, 다이아몬드 샘플의 정량적인 발광 특성을 수득할 수 있다. 300mW 514nm 아르곤 이온 레이저 빔으로 77K에서 측정하고, 홀로그래픽 눈금(1800홈/mm) 및 하마마쓰(Hamamatsu) R928 광전 증폭관이 설치된 Spex 1404 분광계를 사용하여 스펙트럼을 기록한다. 데이터를 보정하 여, 공지 스펙트럼 출력치를 갖는 표준 램프를 사용하여 유도된 분광계 시스템의 스펙트럼 응답 기능을 가능하게 하였다.
이제, 하기 비한정적인 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 논의한다.
실시예 1
본 발명의 단결정 CVD 다이아몬드를 합성하기 적당한 기재는 다음과 같이 제조된다:
i) 스트레인 및 불완전함이 없는 기재를 확인하는 현미경 조사 및 복굴절 이미징에 기초하여 최적화된 원료 물질(유형 Ia 천연 스톤 및 유형 Ib HPHT 스톤)을 선택한다.
ii) 연마 가공에 의해 도입된 흠의 수준을 측정하는 리빌링(revealing) 플라즈마 에칭법을 이용하여 기재 흠(defect)을 최소화하기 위해 레이저 소잉(sawing), 래핑(lapping)한다.
iii) 최적화 이후, 리빌링 에칭 후에 측정가능한 흠의 밀도가 본질적으로 물질 품질에 좌우되며 5 x 103/mm2 미만, 일반적으로 102/mm2 미만인 기재를 일률적으로 제조할 수 있었다. 그 다음, 이런 제조방법에 의해 제조된 기재는 이후의 합성에 사용된다.
고온/고압 합성 유형 1b 다이아몬드를 고압 프레스에서 성장시키고, 전술된 방법을 이용하여 기재 흠을 최소화하여 면적 5mm x 5mm, 두께 500㎛, 모든 면가 {100}인 연마된 플레이트를 기재로서 형성하였다. 이 단계에서의 표면 거칠기 RQ는 1nm 미만이었다. 고온 다이아몬드 브레이즈(braze)를 이용하여 텅스텐 기재 상에 기재를 놓았다. 이를 반응기로 도입하고, 에칭 및 성장 주기를 전술된 바와 같이, 보다 구체적으로는 다음과 같이 하여 개시하였다:
1) 2.45 GHz 반응기에 정화기 사용점으로 예비-피팅하여, 유입 기체 스트림에서 목적하지 않은 오염물 종을 80 ppb로 감소시켰다.
2) 263 x 102 Pa 및 730℃의 기재 온도에서 15/75/600 sccm(표준 세제곱 센티미터/초)의 O2/Ar/H2를 이용하여 동일 반응계 산소 플라즈마 에칭을 실시하였다.
3) 기체 유동으로부터 O2의 제거와 함께 수소 에칭으로 중단 없이 이를 이동시켰다.
4) 탄소 공급원(이 경우에는 CH4) 및 도판트 기체의 첨가에 의해 성장 공정으로 이를 이동시켰다. 이 경우, CH4 유동은 36sccm이고, 1 ppm N2가 가공 기체에 존재하고, 제어를 간단하게 하기 위해 H2 중 100ppm N2의 조정된 공급원으로부터 제공되었다. 이 단계에서의 기재 온도는 800℃였다.
5) 성장 기간이 종료 된 때, 기재를 반응기로부터 제거하고, CVD 다이아몬드 층을 기재로부터 제거하였다.
상기와 같이 성장된 CVD 다이아몬드 층은, CVD 다이아몬드 층의 크기 및 필 요한 에탈론의 크기 및 하나 이상, 바람직하게는 그 이상의 가공용 CVD 다이아몬드 플레이트를 제조하기에 충분히 두꺼운 두께에 좌우되는 다이아몬드 에탈론(2차원적 어레이 형태로)을 하나 이상, 바람직하게는 수개 제조하기에 충분히 클 수 있다.
기재로부터 제거한 후, 전술된 바와 같이 성장된 다이아몬드 층을 많은 다이아몬드 플레이트(필요한 경우)로 소잉(sawing)하고, 이어서 각 다이아몬드 플레이트를 공지의 연마 기술을 이용하여 전술된 1.25mm의 목적 두께(이는 필요한 자유 스펙트럼 범위 및 의도된 작동 파장에 의해 정의되는 목적하는 다이아몬드 에탈론의 두께이다)로 연마하였다.
그 후, 플레이트는 주의 깊게 제조되어진 캐스트 철 다이아몬드 폴리슁 휠 상에서 한 면이 미세하게 연마되었다. 사용된 탱(tang)은 매우 굳기가 매우 높았고, 스카이프(scaife) 표면에 팽행한 기준 표면에 대해 다이아몬드를 고정시켰다.
그 후, 다이아몬드 플레이트를 뒤집고, 동일 스카이프 상에서 다른 면을 목적하는 편평도 및 평행도로 연마하여, 이 시점에서 주의 깊게 최종 에탈론에 필요한 두께를 가져 오게 하였다. 당업자에게 공지되어 있는 피조 원리에 기초한 상업적 Zygo GPI 간섭계측 기구를 이용하여 평행도를 측정하였다. 두께는 초기에는 마이크로미터에 의해 최종 단계 체크로서 자유 스펙트럼 범위(FSR)의 측정을 이용하여 측정되었다. 최종 두께는 물질의 품질이 매우 일정하기 때문에 선형 제거 속도를 측정한 후 필요한 예상 시간 동안 연마함에 의해 수행되었다. 이온 빔 에칭, 플라즈마 에칭 또는 반응 이온 에칭을 포함하는 다른 에칭 또는 물질 제거 방법이 이용되었다.
그 후, 레이저에 의해 플레이트를 개별 단위로 절단하였다. 그 후, 항상 적용 시에 필요한 것은 아니지만, 그 측면을 연마하였다.
생성된 다이아몬드 에탈론은 1.5 mm2, 1.251 mm 두께이고, 다음 톨로런스(tolerance)에 맞았다:
두께: ±0.25㎛
평행도: ±5 arcsec
표면 Ra: 0.5nm
FRS: 1.6678±2x10-4cm-1.
상기 합성 방법으로부터 얻은 다른 다이아몬드 플레이트를 성취가능한 표면 Ra의 특징을 추가로 규명하기 위해 이용하였다. 표면을 전술된 바와 같이 양 면 상에서 주의깊게 연마한 후, Zygo NewView 5000 스캐닝 백광 간섭계를 이용하여 표면 Ra에 대해 측정하였다. 측정은 샘플의 각 면에서 실시되고, 각각의 측정은 1mm x 1 mm 영역 상에서 실시되며, 9개의 영역이 각 면의 중심에서 3mm x 3mm 그리드를 형성하고, 9회 측정의 통계적 평균이 계산되었다. 면 A 상에서 측정된 Ra는 0.53nm ± 0.04nm이고, 면 A은 0.54nm ± 0.05nm이었다.
실시예 2
6mm x 6mm x 0.4mm 플레이트의 호모에피택셜 CVD 다이아몬드 한 세트를 실시예 1에 기술된 방버버에 따라 합성하였다. 이들 플레이트로부터, 성장 섹터 경계로부터 자유로운 절단편이 보장되도록 3mm x 5mm의 측방향 치수 및 0.17 내지 0.22mm의 두께의 직사각형 시험 샘플 한세트를 절단하였다.
0.1㎛ 미만의 범위의 다이아몬드 분말을 이용하여 스카이프 상에서 샘플 세트를 연마하였다. 가능한 한 모든 하부(sub)-표면 손상이 샘플로부터 제거되도록 주의를 기울였다. 최종 표면 결점 크기 분포를 제어하기 때문에 가장 미세한 그리트를 갖는 최종 연마 단계가 중요하다. 상부 및 바닥 표면을 연마한 후, 샘플의 에지를 동일한 표준에 따라서 제조하였다. 연마가 완렬된 후, 표면을 노마르스키 계면 콘트라스트에 의해 조사하고, '마이크로맵(micromap)'을 수행하여 표면 거칠기를 체크하였다. x200 배 확대의 노마르스키 현미경법은 표면에 가시적 흠이 없음을 밝혔다. 비접촉 광학 표면 거칠기 측정 기구('마이크로맵')를 이용하여 Ra 값으로 정의되는 표면 거칠기를 측정하였다. 두 시리즈의 200㎛ 길이의 스캔을 특정 방향으로 실시하고, 측정된 Ra 값을 평균하여 0.25nm 미만의 평균 Ra 값을 수득하였다. 이는 보석 교역에서의 천연 다이아몬드를 연마하기 위해 이용되는 동일한 기술을 이용하여 연마된 다이아몬드에 대한 전형적인 1nm 내지 5nm의 Ra 값과 비교된다.
이온 빔 에칭의 부가 단계가 최종 폴리슁 이전에 일부 샘플의 표면에 적용되었다. 임의적인 추가적 기술이 최종 폴리슁 이전에 샘플을 화학적으로 얇게 하는데 적용될 것이다.
플레이트의 강도를 단일 캔틸레버 빔 벤딩에 의해 측정하였다. 약 0.2mm 두께의 9개 세트의 샘플에 대한 개별적인 강도 값은 GPa 단위로 1.50, 1.63, 2.50, 3.26, 3.30, 4.15, 4.29, 4.83, 5.12이었다. 이 데이터세트 및 다른 데이터세트의 분석은 두 개의 가장 낮은 값은 다른 7개와는 상이한 집단에서 온 것으로, 이 경우에는 측정된 강도에 어떤 영향도 피할 수 있을 정도로 샘플 제조가 충분히 조심스럽지 않았음을 보여 준다. 이런 의심스러운 두 데이터의 점이 포함된 경우라도, 샘플의 77%는 2.5 GPa 이상의 파단(breaking) 강도를 갖고, 이 데이터는 강도가 실제적으로 3 GPa를 초과함을 보여 준다.
비교를 위해, 퍼블릭 도메인에서의 균등한 데이터가 없어서(천연 다이아몬드에 대한 모든 공지의 강도 측정은 인덴테이션 시험에 기초하는데, 이는 적당한 샘플의 제한된 활용성 때문에 간접적이고 신뢰성이 떨어지는 것이다), 5개의 유형 IIa 천연 다이아몬드 플레이트의 배치(batch)의 강도를 또한 측정하였다. 다이아몬드를 약화시킬 수 있는 함유물 및 다른 결함이 없도록 x50 배의 광학 현미경으로 조사하여 이들 플레이트를 조심스럽게 선택하고, 제조하고, 동일한 방법으로 시험하였다. 약 0.18mm 두께의 이런 5개 샘플 세트에 대한 개별적인 강도 값은 GPa 단위로 1.98, 2.08, 2.23, 2.61, 2.94로서, 이는 물질의 고유 성질에 의해 명확하게 한정되었다. 유사하게, 고압-고온 가공에 의해 합성된 유형 Ib 단결정 다이아몬드를 조심스럽게 선택하고, 가공하고, 동일한 방법으로 시험하였다. 약 0.35mm 두께의 이런 14개 샘플 세트에 대한 개별적인 강도 값은 GPa 단위로 0.94, 1.11, 1.16, 1.3, 1.35, 1.38, 1.46, 1.50, 1.54, 1.6, 1.65, 1.72, 1.73, 1.98, 2.17이었다.
본 발명의 CVD 다이아몬드의 강도 집단은 명확하게 구별되고, 천연 또는 HPHT 다이아몬드 중 어느 것 보다도 높다.
고 강도 다이아몬드의 특정 용도는 적외선 분광법에 의한 기체 분석용 광학 윈도우에 있다. 직경 7mm의 특정 윈도우는 5mm의 투명한 어퍼쳐(aperture)를 갖고, 한 편평한 표면의 외부 1mm 주위에 브레이징(brazing) 되어 있고, 안전 인자 4를 갖는 200 기압의 압력 시차에 견디어야 한다.
파단 강도는 두께(t)에 관한 것으로, 이는 다음과 같다:
Figure 112005026642526-pct00011
상기 식에서, r은 투명 어퍼쳐이고, P는 압력이고, σb는 파단 강도이고, k는 구속 인자로서, 다이아몬드에 대해서는 에지에 비구속된 경우 3.1이고, 에지에 전체적으로 구속된 경우에는 1.1이다(다이아몬드에 대한 푸아종(Poissons) 비를 추정하면 0.1의 값을 갖는다). 구속 정도의 측정이 어렵기 때문에, 본 발명자들은 비구속된 에지의 최악의 경우의 시나리오를 취한다.
천연 다이아몬드 윈도우(설계 강도 2.0 MPa)가 이 용도에 사용되면, 0.54mm의 두께가 필요했을 것이다. 본 발명의 강한 단결정 CVD 다이아몬드(설계 강도 3.0 MPa)의 경우, 두께는 0.44mm로 감소될 수 있다. 물질 두께에서의 감소는 윈도우 비용도 감소시킬 것이다.
실시예 3
3개의 플레이트의 호모에피택셜 CVD 다이아몬드 세트를 실시예 1에 기술된 방법에 의해 합성하였다. 이들은 0.60 내지 0.64mm의 두께 및 6mm x 6mm 이하의 측방향 치수의 광학 플레이트로서 제조되었다. 1mm x 0.75mm의 면적을 각각 커버하는 델타스캔 이미지 세트를 589.6nm의 파장에서 각 샘플에 대해 기록하였다.
각 델타스캔 사인 δ 이미지를 데이터의 100%를 이용하여 ｜sin δ｜의 최대값에 대해 분석하였고, 이들 최대값을 아래의 ｜sin δ｜ 맵에 도시한다.
1mm x 0.75mm의 각 프레임에서의 ｜sin δ｜의 최대값을 보여 주는 샘플 E4.1의 델타스캔 맵이 아래에 도시된다.
Figure 112005026642526-pct00012
상기 데이터의 분석은 다음과 같다:
2.0mm x 2.25mm의 면적에 대한 ｜sin δ｜에 대한 최대값은 0.3이고,
3.0mm x 4.0mm의 면적에 대한 ｜sin δ｜에 대한 최대값은 0.6이고,
5.25mm x 4.0mm의 면적에 대한 ｜sin δ｜에 대한 최대값은 0.9이다.
1mm x 0.75mm의 각 프레임에서의 ｜sin δ｜의 최대값을 보여 주는 샘플 E4.2의 델타스캔 맵이 아래에 도시된다.
Figure 112005026642526-pct00013
상기 데이터의 분석은 다음과 같다:
2.0mm x 3.75mm의 면적에 대한 ｜sin δ｜에 대한 최대값은 0.3이고,
3.0mm x 3.75mm의 면적에 대한 ｜sin δ｜에 대한 최대값은 0.4이고,
4.0mm x 4.5mm의 면적에 대한 ｜sin δ｜에 대한 최대값은 0.7이다.
1mm x 0.75mm의 각 프레임에서의 ｜sin δ｜의 최대값을 보여 주는 샘플 E4.3의 델타스캔 맵이 아래에 도시된다.
Figure 112005026642526-pct00014
상기 데이터의 분석은 다음과 같다:
3.0mm x 2.25mm의 면적에 대한 ｜sin δ｜에 대한 최대값은 0.2이고,
3.75mm x 3.0mm의 면적에 대한 ｜sin δ｜에 대한 최대값은 0.6이고,
4.0mm x 4.5mm의 면적에 대한 ｜sin δ｜에 대한 최대값은 0.9이다.
실시예 4
8세트의 호모에피택셜 CVD 다이아몬드 층을 실시예 1에 기술된 방법에 따라 합성하였다. CVD 다이아몬드 층은 6.5mm 이하의 측방향 치수 및 3.2mm 이하의 두게를 가졌다. 이들 CVD 다이아몬드 층으로부터 총 48 플레이트를 전형적으로 4.0 x 4.0mm의 측방향 치수 및 약 1.25mm의 두께를 갖는 에탈론 플레이트로서 제조하였다. 각 플레이트의 두께를 마이크로미터 단위로 ±0.25㎛ 보다 우수한 정확도로 측정하였다.
C-밴드(197200-192200 GHz)에 대한 각 플레이트의 평균 FSR은 수직 입사광에 에 대한 C-밴드의 시점 및 종점에 가장 근접한 에탈론 투과 피크의 피크 위치의 주파수를 측정함에 의해 결정되었다. 1mm 직경의 빔을 사용하였다. 이들 피크 위치를 ±0.5GHz보다 우수한 정확도로 측정할 수 있었다. 유효 FSR은 투과 스펙트럼에서의 피리어드(period)의 수(이 에탈론 두께 및 주파수 밴드의 경우 전형적으로 100 피리어드이다)로 2개의 극대 피크 사이의 주파수 간격을 나누어서 계산되었다. 이와 같은 FSR의 측정에서의 오차는 ±10MHz 보다 우수하였다.
도 6은 각 플레이트에 대한 샘플 두께의 역함수로서의 측정된 FSR를 보여 준다. 데이터에 적용된 최저-스퀘어 직선의 기울기로부터 수학식 1을 이용하여 유효 굴절률을 계산하여, σn=0.00045의 표준 편차와 함께 neff,av=2.39695의 평균 유효 굴절률을 수득하였다.
평균으로부터의 최대 편차는 Δnmax=±0.00092이었다.
그러므로 최대 상대 측정 편차는 다음과 같다:
Figure 112005026642526-pct00015
측정된 이런 편차는 두께 d 및 FSR에서의 측정 오차에 기인하고, 샘플에서부터 샘플로의 굴절률에서의 편차에 기인하고, 물질 불균일도(Δninhom)에 기인한다.
Figure 112005026642526-pct00016
오차 분석은, 두께 d 및 FSR에서의 측정 오차에 기인하는 n에서의 최대 상대 측정 오차가 다음가 같음을 보여 준다:
Figure 112005026642526-pct00017
최대 상대 편차 Δnmax/neff,av 는 두께(Δd) 및 FSR(ΔFSR)에서의 측정 오차에 의해 대부분 결정된다.
그러므로, 굴절률의 값에서의 변이에 대한 상한 Δninhom/n 은 적어도 ±4x10-4보다 우수하다.
실시예 5
8세트의 호모에피택셜 CVD 다이아몬드 층을 실시예 1에 기술된 방법에 따라 합성했다. CVD 다이아몬드 층은 6.5mm 이하의 측방향 치수 및 3.2mm 이하의 두께를 가졌다. 이들 CVD 다이아몬드 층으로부터 총 48 플레이트를 전형적으로 4.0 x 4.0mm의 측방향 치수 및 약 1.25mm의 두께를 갖는 에탈론 플레이트로서 제조하였다.
각 에탈론 플레이트의 콘트라스트 비를 전술된 바와 같이 측정하고, 그 결과를 도 7에 플러팅하였다. 도 7에서 솔리드 라인은 이상적 에탈론에 대한 이론적인 최대값을 의미하고, 이에 대해 표면 반사도는 굴절률에 의해 결정된다.
Figure 112005026642526-pct00018
(여기서 유효 굴절률은 이용하기 위해 보정되지 않은 값이지만, 굴절률의 분산을 기술하는 셀마이어 등식으로부터 결정될 수 있는 n=2.3856의 값을 갖는 고려된 주 파수에서의 실제 굴절률이 사용된다). 콘트라스트 비의 이론적 값은 Cth=1.967이다. 평균된 측정 콘트라스트 비는 Cmeas,av=1.89이고, 표준 편차는 σc=±0.04이다.
에탈론 물질 성질에서의 불완전성(체적에서의 불균일성) 및 에탈론 제조에서의 불완전성(불완전한 평행도, 편평도, 표면 거칠기)은 콘트라스트 비를 감소시킨다. 일정하게 높은 값의 콘트라스트 비는 물질 성질의 균일성 및 에탈론 제조의 정확성을 증명한다.
실시예 6
8세트의 호모에피택셜 CVD 다이아몬드 층을 실시예 1에 기술된 방법에 따라 합성했다. CVD 다이아몬드 층은 6.5mm 이하의 측방향 치수 및 3.2mm 이하의 두께를 가졌다. 이들 CVD 다이아몬드 층으로부터 총 48 플레이트를 전형적으로 4.0 x 4.0mm의 측방향 치수 및 약 1.25mm의 두께를 갖는 에탈론 플레이트로서 제조하였다.
Zygo GPI 상 시프팅 633nm 레이저 피조-형 간섭계를 이용하고, Zygo GPI 간섭계의 소프트웨어에 포함된 각 어플리케이션을 이용하여 9개의 에탈론 플레이트의 평행도를 측정하였다.
비섭동(unperturbed) 빔의 평면 파면에 대해 에탈론을 통해 투과된 빔의 파면으로 최저-스퀘어 피팅면(the least-squares fitted plane)의 각으로부터 평행도가 계산된다. 이는 에탈론의 전면 및 후면 사이의 웨지(wedge) 각을 정의한다.
평균 웨지 각 α는 2.3 내지 13.8 arcsec에서 변하고, 평균 값은 αav=9.2 arcsec이고, 표준 편차는 σα=3.5 arcsec이다.
실시예 7
8세트의 호모에피택셜 CVD 다이아몬드 층을 실시예 1에 기술된 방법에 따라 합성했다. CVD 다이아몬드 층은 6.5mm 이하의 측방향 치수 및 3.2mm 이하의 두께를 가졌다. 이들 CVD 다이아몬드 층으로부터 총 48 플레이트를 전형적으로 4.0 x 4.0mm의 측방향 치수 및 약 1.25mm의 두께를 갖는 에탈론 플레이트로서 제조하였다.
Zygo GPI 상 시프팅 633nm 레이저 피조-형 간섭계를 이용하고, Zygo GPI 간섭계의 소프트웨어에 포함된 각 어플리케이션을 이용하여 48개의 에탈론 플레이트 각각의 한 표면에 대한 표면 편평도를 측정하였다.
이 적용에서, 편평도는 측정 데이터에 평면을 피팅(fitting)한 후의 최대 피크-밸리(peak-valley) 차로서 정의된다. 도 8은 측정된 표면 편평도 값을 보여 준다.
평균 표면 편평도 F는 F=51.1nm 또는 0.16 프린지이고, 표준 편차는 σF=18.2nm 또는 0.058 프린지이다.
실시예 8
8세트의 호모에피택셜 CVD 다이아몬드 층을 실시예 1에 기술된 방법에 따라 합성했다. CVD 다이아몬드 층은 6.5mm 이하의 측방향 치수 및 3.2mm 이하의 두께를 가졌다. 이들 CVD 다이아몬드 층으로부터 총 48 플레이트를 전형적으로 4.0 x 4.0mm의 측방향 치수 및 약 1.2510±0.00025mm의 두께를 갖는 에탈론 플레이트로서 제조하였다.
미레아우(Mireau) 유형의 20x 배율의 간섭계측 대물렌즈 및 Zygo MetroPro 소프트웨어 패캐지를 이용하여 Zygo NewView 5000 스캐닝 백광 간섭계로써 이들 플레이트 중 15개에 대한 표면 거칠기를 측정하였다. 줌은 1X로 설정하였다. 카메라 해상도는 20Hz 리프레시(refresh) 속도의 경우에서 640x460 픽셀이었다. 시인(view) 필드는 0.36 x 0.27mm이고, 측면 해상도는 0.56마이크론이었다. 12.5 및 400 라인/mm의 컷오프 공간 주파수를 갖는 소프트웨어 밴드패스 필터가 사용되었다. 표면 프로파일에 대한 최저 스퀘어 피팅이 전체 표면 위치, 각 배향 및 형태에 관련된 피스톤, 틸트 파워 및 비점수차(astigmatism)가 제거되어 실시되었다. 이와 같이 정의된 기준 표면으로부터의 잔류 편차는 밴드 패스 필터로 여과되고, 편차의 제곱 평균 제곱근(root-mean-square) 값이 계산되었다. 이와 같이 측정된 거칠기는 플레이트 사이에서 0.5 내지 1.5nm 사이에서 변함(평균값: 0.92nm 및 표준 편차: 0.11nm)이 밝혀졌다. 4.0 x 4.0mm의 전체 표면적에 대해서 랜덤하게 선택된 상이한 다섯 위치에서 측정 시에, 개별적인 플레이트는 0.05nm 미만의 훨씬 작은 표준 편차를 보였다.
실시예 9
4개는 단결정 CVD 샘플이고 하나는 IIa 천연 다이아몬드 샘플인 5개 샘플 세트를 측정하였다. 샘플의 세부사항은 하기 표 1에 제공된다.
Figure 112005026642526-pct00019
주 면가 가능한 한 [001]에 근접하도록, 전형적으로는 1.5°내의 광학 연마로 샘플들을 모두 조심스럽게 제조하였다.
측정 이전에, 뜨거운 농축 황산 및 질산 칼륨의 강산화 혼합물에서 모든 샘플들을 세척하여 소량의 임의 표면 오염물을 제거하였다. 세척 후에, 매우 주의를 기울여, 외부 표면 산란 효과를 일으킬 수 있는 임의의 것으로 표면이 재오염되는 것을 방지하였다.
전술된 방법에 따라 1.064㎛에서의 총 산란 파워(TSP)를 측정하고, 계산하고, 값을 표 2에 기재하였다.
Figure 112005026642526-pct00020
이 데이터는, 의도적으로 N을 첨가하지 않고 성장된 물질이 약간의 질소의 첨가와 함께 성장된 물질 보다 실질적으로 높은 산란도를 가짐을 보여 준다. 비교 시에, 적은 수준의 변이가 있지만, 가공에 있어서 상이한 질소수준 및 상이한 가공 압력으로 성장된 3개의 샘플 사이에서 비교적 차이가 거의 없음이 밝혀졌다. 질소 없이 성장된 CVD 및 천연 유형 IIA 스톤 모두에 대한 높은 값의 산란도는 본원에 개시된 방법에 의해 합성된 CVD 다이아몬드의 특징적 장점을 보여 주는 것으로, 이는 천연 유형 IIa 다이아몬드가 응력 및 전위(dislocation)을 함유하는 것으로 알려져 있기 때문에, 산란도는 유사한 메커니즘에 의해 추정가능하다.
실시예 10
호모에피택셜 CVD 다이아몬드 층을 실시예 1에 기술된 방법에 의해 합성하였다. 그 후, 6개의 연마된 {100} 면 및 4.00mm x 3.65mm x 1.31mm의 치수를 갖는 광학 플레이트 E10.1로서 제조되었다.
각각 1mm x 0.75mm를 커버하는 델타스캔 이미지 세트가 샘플의 면에 대해 수직하는 3개의 상호 직각 시인 방향 각각에 대해 589.6nm의 파장에서 기록되었다. 프레임 내에서 수득된 데이터 100%를 이용하여, 전술된 방식으로 sinδ의 최대 값에 대한 각 델타스캔 sinδ 맵 이미지가 분석되었다.
400mm 치수의 플레이트에 평행한 시인 방향으로 기록된 sinδ 맵에 대한 sinδ의 최대 값은 0.1이었다. 마찬가지로, 3.65mm 치수의 플레이트에 평행한 시인 방향으로 기록된 sinδ 맵에 대한 sinδ의 최대 값은 0.1이었다. 다음, Δn[average]의 최대값, 느린 축과 빠른 축에 평행한 편광에 대한 굴절률 사이의 차이의 평균값은 이들 두 시인 배향 각각에 대해 계산되고, 이는 약 3 x 10-6으로 밝혀졌다.
가장 큰 두 치수에 수직하고 1.31mm 치수에 대해 평행한 시인 방향으로 수득된 값이 하기 sinδ 맵에 도시된다. 이런 시인 방향은 CVD 다이아몬드 층의 성장 방향에 상응하고, 이는 물질에서의 전위의 우세한 방향에 평행하다.
1mm x 0.75mm의 각각의 플레임에서 ｜sin δ｜의 최대값을 도시하는, 1.31mm 치수의 플레이트에 평행한 시인 방향을 갖는 실시예 E10.1의 델타스캔 맵이 바로 아래에 도시된다.
Figure 112005026642526-pct00021
이런 시인 방향에서 각각의 프레임에 대해 Δn[average]의 상응하는 최대값은 하기와 같은 값을 갖는 상응하는 sinδ 값 및 샘플 두께를 기초로 계산될 수 있다:
Figure 112005026642526-pct00022
수요가 높은 일부 광학 용도에서, 보다 높은 응력의 랜덤하게 산란된 점(또는 단일 점 조차도)의 존재는 제한될 수 있다. 샘플에 대해 측정된 모든 데이터 픽셀을 이용한 이 데이터는 본 발명의 방법을 이용하여 성장된 물질이 일반적으로 샘플 전체 및 일부 모두에서 매우 낮은 수준의 스트레인 관련 복굴절률을 성취할 수 있음을 보여 준다.
실시예 11
실시예 1에서의 방법에 의해 성장된 일련의 성장 및 어닐링된 단결정 CVD 다이아몬드 샘플에 대해 정량적 발광 측정을 실시하였다. 각 경우에서, 샘플이 최조로 성장된 {100} 합성 Ib 기재의 제거 후에 측정을 실시하였다. 성장 조건은 발광 이미징에 의해 판별되는 균일한 발광 성질을 갖는 <100> 성장 섹터 다이아몬드 물질이 우세하게 성장되는 조건에 친향적이었다. 상이한 발광 성질을 갖는 샘플의 에지에서의 임의의 작은 부가적 성장 섹터가 측정 실시 전에 제거되었다.
전술된 방법을 이용하여 77K에서 발광 측정을 실시하고, 전술된 1332 다이아몬드 라만 라인에 대해 정규화하였다. 수득된 결과를 아래의 표 3에 기재한다:
Figure 112005026642526-pct00023
575nm의 상부 수준 및 637nm PL 강도의 절대값은 성장 가공에서의 질소 농도에 의해 부분적으로 결정될 수 있지만, 이는 여기서 입증된 바와 같이 어닐링에 의해 유용하게 감소될 수 있다.
실시예 12
8세트의 호모에피택셜 CVD 다이아몬드 층을 실시예 1에 기술된 방법에 따라 합성했다. 이들 CVD 다이아몬드 층으로부터 총 48 플레이트를 전형적으로 3.5 x 3.5mm의 측방향 치수 및 약 1.255±0.0005mm의 두께를 갖는 에탈론 플레이트로서 제조하였다.
Zygo GPI 상 시프팅 633 nm 레이저 피조-형 간섭계를 이용하여 상이한 4개의 세트로부터 유래한 6개의 에탈론 플레이트의 광학 균일도를 측정하였다. 스캔된 면적은 전형적으로 3.2 x 3.2mm이었다.
유효 광학 균일도는, 긴-스캐일의 형상에 기인하는 변이의 제거 후에, 에탈론을 통해 투과된 빔과 비섭동된 빔의 파면 차이의 최대 피크-대-밸리 변이(PV)의 관점에서 정의된다. 파면 차이로부터의 틸트를 제거하는 Zygo GPI 간섭계 소프트웨어 옵션은 샘플의 전면 및 후면의 비평행도를 제거하는 반면, 파워 및 비점수차 소프트웨어 옵션은 표면의 굴곡의 축적 효과를 제거한다. 이런 방식으로, 측정된 면적에 대한 굴절률에서의 유효 최대 변이는 다음과 같은 관계에 의해 정의될 수 있다.
Figure 112005026642526-pct00024
하기 표 4에서 측정된 PV 값은 틸트만이 제거된 경우 및 모든 형상 인자가 제거된 경우에 대해 표로 만들어졌다. 첫 번째 경우와 비교 시에 두 번째 경우에서의 보다 낮은 PV 값은, 이런 방식으로 여과되는 굴절률의 일부의 (큰 스캐일의)변이가 또한 제외될 수 없다 할지라도, 플레이트 표면의 비편평도에 기인하는 일부 스캐일 형상이 여전히 존재함을 의미한다.
이런 방식으로 측정된 플레이트에 대한 유효 광학 불균일도 Δn은 약 8x10-5 미만 약 4x10-5 초과이다.
상이한 성장 세트로부터의 플레이트 사이의 변이는 약 1x10-5이다.
Figure 112005026642526-pct00025
실시예 13
두 세트의 호모에피택셜 CVD 다이아몬드 플레이트를 실시예 1에 기술된 방법에 의해 합성하였다. 이들로부터 비코팅된 50 세트의 에탈론을 전형적으로 1.5 x 1.5mm의 측방향 치수 및 약 1.250mm의 두께를 갖도록 제조하였다. 에탈론 전면에 중점을 둔 1.2mm 직경의 핀홀을 이용하여 C-밴드의 시점 및 종점, 즉 약 192200 GHz 및 197200 GHz에서 각 에탈론의 투과 스펙트럼의 최대 투과광 강도 Ip를 측정함에 의해 6개의 에탈론에서 삽입 손실을 측정한다.
별개의 측정에서, 투과광 강도 Io는 동일 주파수에서 에탈론은 없지만, 핀홀은 위치된 상태로 측정되었다. 투과광 강도에서의 상대적 차이는 삽입 손실의 관점에서 정의되고, 등식 5에 따라서 계산되고, 표 5에 기술된다.
0 dB의 삽입 손실을 갖는 이상적 에탈론의 삽입 손실과 비교 시에 실제 에탈론의 삽입 손실은 감소되는데, 이는 몇몇 인자의 조합, 가장 중요한 것은 벌크에의 입사광의 흡광도, 불완전한 표면 마무리(표면 거칠기)에 기인하는 표면 산란도 및 외부면의 비평행도 때문이다. 비평행도 및 표면 산란도가 측정된 삽입 손실을 상당히 설명할 수 있음을 이런 에탈론에 대한 콘트라스트 비에 대한 상이한 측정으로부터 추론할 수 있다.
Figure 112005026642526-pct00026
실시예 14
일련의 단결정 다이아몬드 샘플을 실시예 1의 일반적 방법에 의해 합성하되, 이 방법에 대한 변이 사항을 하기 표 6에 제시하였다. 합성 후, 이들 샘플을 주의 깊에 표면 연마하여 광학 플레이트로서 제조하여, 제시된 치수를 수득하였다. 비교를 위해, 광학 연마된 광학 등급 다중결정 다이아몬드도 또한 후속 측정에 포함되었다.
Figure 112005026642526-pct00027
흡광도 측정은 전술된 바와 같이 실시되었고, 그 결과를 하기 표 7에 도시한다:
Figure 112005026642526-pct00028
실시예 15
3 세트의 호모에피택셜 CVD 다이아몬드 층을 실시예 1에 기술된 방법에 의해 합성하였다. CVD 다이아몬드 층은 전형적으로 6.5mm의 측방향 치수 및 약 3.2mm의 두께를 가졌다. 이들 CVD 다이아몬드 층으로부터 총 11 에탈론 플레이트를 1.250mm 내지 1.258mm 사이에서 변하는 두께를 갖도록 제조하였다. 몇몇 위치에서 마이크로미터를 이용하여 각 플레이트의 두께를 ±0.5㎛ 보다 우수한 정확도로 측정하였다. 각 플레이트에 대한 어떤 두께 변이도 이 정확도 내에서 발견되지 않았다. 플레이트의 측방향 치수를 표 8에 기술한다.
Figure 112005026642526-pct00029
수직 입사광에 대해서 C-밴드의 시점 및 종점에 최근접한 에탈론 투과 피크의 피크 위치의 주파수를 측정함에 의해 각 에탈론 플레이트에서의 몇몇 위치(4 내지 9 위치(평균: 6.7))에 대해서 C-밴드에 대한 FSR(197200-192200 GHz)를 측정하였다. 각 측정 위치로부터 이웃하는 최근접 측정 위치로의 거리는 1.6mm 이상이었다. 에탈론 플레이트에 고정된 핀홀의 어레이를 갖는 금속 플레이트를 이용함에 의해 정의되는 1mm 직경의 빔을 사용하였다. 마이크로미터에 의해 빔에서 플레이트를 이동시킴에 의해 각 위치는 개별적으로 조명될 수 있다. 각 에탈론의 유효 FSR은 투과 스펙트럼에서의 피리어드의 수(이 에탈론 두께 및 주파수 밴드의 경우 전형적으로 100 피리어드이다)로 2개의 최대 피크 사이의 주파수 간격을 나누어서 계산되었다. 한 플레이트 상의 모든 위치에 대한 평균 FSR 뿐만 아니라 표준 편차 σFSR 및 최대 오차 ΔFSRmax를 각 플레이트에 대해 계산하였다.
최대 오차는 다음과 같이 정의된다:
Figure 112005026642526-pct00030
상기 식에서, 지수 i는 플레이트 상에서의 상이한 위치를 의미한다.
이들 플레이트의 FSR은 약 1.66cm-1이었다. 도 9는 상이한 플레이트에 대한 FSR의 표준 편차 및 최대 오차를 보여준다. 평균 표준 편차는 σFSR.av =1.37x10-4cm-1이다. 발견된 가장 큰 최대 오차는 3.5x10-4cm-1인 반면, 가장 작은 오차는 6.7x10-5cm-1로 낮다.

Claims (77)

  1. 실온(공칭적으로 20℃)에서 측정 시, 다음의 성질 중 하나 이상을 보이는 CVD 단결정 다이아몬드 물질:
    i) 적당한 편평도(flatness)로 가공된 0.5mm 이상의 특정 두께의 다이아몬드를 통해 투과하는 동안 예상된 기하학적 파면과 상이한 투과된 파면을 갖고, 1.3mm x 1.3mm 이상의 특정 면적에 대해 측정 시, 2 프린지 미만(이때, 1 프린지는 633nm의 측정 파장의 1/2에 일치하는 광학 경로 길이에서의 차이에 상응한다)을 갖는 높은 광학 균일도;
    ii) 0.5mm 이상의 특정 두께의 샘플에서 1.3mm x 1.3mm 이상의 특정 면적에 대해 측정 시, 샘플의 분석된 면적의 98% 이상에 대한 상 전이의 사인(sine) 모듈러스 ｜sin δ｜가 1차(first order)(δ는 π/2를 초과하지 않는다) 내에 있고, 그 ｜sin δ｜ 값이 0.9를 초과하지 않도록 하는 낮은 광학 복굴절률(낮은 스트레인의 지표);
    iii) 0.5mm 이상의 특정 두께의 샘플에서 1.3mm x 1.3mm 이상의 특정 면적에 대해 측정 시, 샘플의 분석된 면적의 100%에 대한 복굴절률이 1차(δ는 π/2를 초과하지 않는다)에 있고, Δn[average], 즉 샘플 두께에 대해 평균된 느린 축 및 빠른 축에 대해 평행한 편광에 대한 평균 굴절률 차이의 최대값이 1.5 x 10-4를 초과하지 않도록 하는 낮은 광학 복굴절률(낮은 스트레인의 지표);
    iv) 0.5mm 이상의 특정 두께의 샘플에서 1.3mm x 1.3mm 이상의 특정 면적에 대해 측정 시, 2.3964에서 ±0.002의 정확도 내의 값을 갖는 유효 굴절률;
    v) 상기 다이아몬드 물질이 0.5mm 이상의 특정 두께의 에탈론(etalon)의 형태의 다이아몬드 플레이트로서 제조되고, 1.55㎛ 부근의 파장 및 1.2mm의 공칭 직경을 갖는 레이저 빔을 사용하여 1.3mm x 1.3mm 이상의 특정 면적에 대해 측정 시, 플레이트에 대해 상이한 위치에서 측정할 때 5 x 10-3cm-1 미만으로 변하는 프리 스펙트럼 범위(FSR)를 보이도록 하는 광학 성질의 조합;
    vi) 다이아몬드 물질이 0.5mm 이상의 특정 두께의 파브리-페롯(Fabry-Perot) 솔리드 에탈론(etalon)의 형태로 다이아몬드 플레이트로서 제조되고, 광학적으로 제조된 표면에 적용된 코팅을 갖지 않고, 1.55㎛ 부근의 파장 및 1.2mm의 공칭 직경을 갖는 레이저 빔을 사용하여 1.3mm x 1.3mm 이상의 특정 면적에 대해 측정 시, 플레이트에 대해 상이한 위치에서 측정할 때 1.5를 초과하는 콘트라스트 비를 보이도록 하는 광학 성질의 조합;
    vii) 다이아몬드 물질이 0.5mm 이상의 특정 두께의 에탈론의 형태의 다이아몬드 플레이트로서 제조되고, 1.55㎛ 부근의 파장 및 1.2mm의 직경을 갖는 레이저 빔을 사용하여 1.3mm x 1.3mm 이상의 특정 면적에 대해 측정 시, 3dB를 초과하지 않는 삽입 손실을 보이도록 하는 광학 성질의 조합; 및
    viii) 1.3mm x 1.3mm 이상의 특정 면적에 대해 측정 시, 0.5mm 이상의 특정 두께의 층을 포함하는 관심 체적에 대해 0.002 미만의 굴절률 편차.
  2. 제 1 항에 있어서,
    투과된 파면과 예상된 기하학적 파면의 차이가 0.5 프린지 미만인 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  3. 제 2 항에 있어서,
    투과된 파면과 예상된 기하학적 파면의 차이가 0.2 프린지 미만인 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  4. 제 1 항에 있어서,
    분석된 면적의 98% 이상에 대한 상 전이의 사인 모듈러스 ｜sin δ｜가 1차(first order) 내에 있고, 0.4를 초과하지 않는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  5. 제 4 항에 있어서,
    분석된 면적의 100%에 대한 상 전이의 사인 모듈러스 ｜sin δ｜가 1차 내에 있고, Δn[average]이 5 x 10-5를 초과하지 않는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  6. 제 1 항에 있어서,
    2.3964에서 ±0.001의 정확도 내의 유효 굴절률 값을 갖는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  7. 제 6 항에 있어서,
    2.3964에서 ±0.0005의 정확도 내의 유효 굴절률 값을 갖는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 물질에 대해 상이한 위치에서 측정 시 프리 스펙트럼 범위(FSR)가 2 x 10-3cm-1 미만으로 변하는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  9. 제 8 항에 있어서,
    프리 스펙트럼 범위가 5 x 10-4cm-1 미만으로 변하는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  10. 제 1 항에 있어서,
    굴절률 편차가 0.001 미만인 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  11. 제 10 항에 있어서,
    굴절률 편차가 0.0005 미만인 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  12. 제 1 항에 있어서,
    파브리-페롯 솔리드 에탈론의 형태의 다이아몬드 플레이트로서 제조되는 경우 특정 두께 및 면적의 플레이트에 대해 상이한 위치에서 측정 시 1.7을 초과하는 콘트라스트 비를 보이는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  13. 제 12 항에 있어서,
    콘트라스트 비가 1.8을 초과하는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  14. 제 1 항에 있어서,
    파브리-페롯 솔리드 에탈론의 형태의 다이아몬드 플레이트로서 제조되는 경우 1.55㎛ 부근의 파장 및 1.2mm의 공칭 직경을 갖는 레이저 빔을 사용하여 특정 두께 및 면적을 갖는 플레이트에 대해 상이한 위치에서 측정 시 1dB를 초과하지 않는 삽입 손실을 보이는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  15. 제 14 항에 있어서,
    삽입 손실이 0.5dB를 초과하지 않는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  16. 실온(공칭적으로 20℃)에서 측정 시, 다음의 성질 중 하나 이상을 보이는 CVD 단결정 다이아몬드 물질:
    i) 투과된 빔으로부터 3.5° 내지 87.5°의 입체각에 대해 통합되는 1.064㎛에서의 순방향(forward) 산란도가 0.4mm 이상의 특정 두께의 샘플에서 1.3mm x 1.3mm 이상의 특정 면적에 대해 측정 시 0.4% 미만이 되도록 하는 낮고 균일한 광학 산란도;
    ii) 0.5mm 이상의 특정 두께의 샘플이 1.06㎛의 파장에서 0.09cm-1 미만의 광학 흡광 계수를 갖도록 하는 낮고 균일한 광학 흡광도; 및
    iii) 0.5mm 이상의 특정 두께의 샘플이 10.6㎛의 파장에서 0.04cm-1 미만의 광학 흡광 계수를 갖도록 하는 낮고 균일한 광학 흡광도.
  17. 제 16 항에 있어서,
    투과된 빔으로부터 3.5° 내지 87.5°의 입체각에 대해 통합되는 1.064㎛에서의 순방향 산란도가 특정 두께 및 면적의 샘플에서 측정 시 0.2% 미만인 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  18. 제 17 항에 있어서,
    1.064㎛에서의 순방향 산란도가 0.1% 미만을 보이는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  19. 제 16 항에 있어서,
    1.06㎛에서의 광학 흡광 계수가 0.05cm-1 미만인 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  20. 제 19 항에 있어서,
    1.06㎛에서의 광학 흡광 계수가 0.02cm-1 미만인 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  21. 제 16 항에 있어서,
    10.6㎛에서의 광학 흡광 계수가 0.03cm-1 미만인 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  22. 제 21 항에 있어서,
    10.6㎛에서의 광학 흡광 계수가 0.027cm-1 미만인 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  23. 실온(공칭적으로 20℃)에서 측정 시, 다음의 성질 중 하나 이상을 보이는 CVD 단결정 다이아몬드 물질:
    i) 1.3mm x 1.3mm 이상의 특정 면적에 대해 측정 시 2nm 미만의 Ra(프로파일을 관통하는 평균 라인으로부터의 절대 편차의 산술 평균)를 갖는 높은 표면 연마도(polish)를 보이도록 가공되는 능력;
    ii) 633nm 방사선을 이용하고 1.3mm x 1.3mm 이상의 특정 면적에 대해 측정 시 10 프린지 보다 우수한 편평도(flatness)를 갖는 높은 편평도를 보이도록 가공되는 능력; 및
    iii) 1.3mm x 1.3mm 이상의 특정 면적에 대해 측정 시 1 아크 분(arc minute)보다 우수한 평행도(parallelism)를 갖는 높은 평행도를 보이도록 가공되는 능력.
  24. 제 23 항에 있어서,
    1nm 미만의 Ra를 갖는 표면 연마도를 보이도록 가공될 수 있는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  25. 제 24 항에 있어서,
    0.6nm 미만의 Ra를 갖는 표면 연마도를 보이도록 가공될 수 있는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  26. 제 23 항에 있어서,
    1 프린지 보다 우수한 편평도를 보이도록 가공될 수 있는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  27. 제 26 항에 있어서,
    0.3 프린지 보다 우수한 편평도를 보이도록 가공될 수 있는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  28. 제 23 항에 있어서,
    ±30 아크 초(arc second)보다 우수한 평행도를 보이도록 가공될 수 있는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  29. 제 28 항에 있어서,
    ±15 아크 초보다 우수한 평행도를 보이도록 가공될 수 있는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  30. 제 1 항, 제 16 항 및 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 항에 정의된 성질 i) 내지 viii) 중 둘 이상;
    제 16 항에 정의된 성질 i) 내지 iii) 중 둘 이상; 또는
    제 23 항에 정의된 성질 i) 내지 iii) 중 둘 이상
    을 보이는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  31. 제 1 항에 있어서,
    제 1 항에 정의된 성질 i) 내지 viii) 중 셋 이상을 보이는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 성질 i) 내지 viii) 중 넷 이상을 보이는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  33. 제 16 항에 있어서,
    제 16 항에 정의된 성질 i) 내지 iii) 중 셋 모두를 보이는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  34. 제 23 항에 있어서,
    제 23 항에 정의된 성질 i) 내지 iii) 중 셋 모두를 보이는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  35. 제 1 항, 제 16 항 및 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    성질이 특정 면적에 의해 정의되는 경우, 충족되는 성질의 각각의 샘플의 특정 면적이 2.5 x 2.5mm 이상인 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  36. 제 35 항에 있어서,
    성질이 특정 면적에 의해 정의되는 경우, 충족되는 성질의 각각의 샘플의 특정 면적이 4 x 4mm 이상인 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  37. 제 1 항, 제 16 항 및 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    성질이 특정 두께에 의해 정의되는 경우, 충족되는 성질의 각각의 샘플의 특정 두께가 0.8mm 이상인 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  38. 제 37 항에 있어서,
    성질이 특정 두께에 의해 정의되는 경우, 충족되는 성질의 각각의 샘플의 특정 두께가 1.2mm 이상인 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  39. 5.0mm × 3.0mm × 0.17 내지 0.35mm(길이 × 폭 × 두께)의 개별적 샘플 치수를 갖는 단일 캔틸레버 빔 기술을 이용하여 측정 시 8 이상의 배치(batch) 크기에 대해 시험되는 샘플의 70% 이상이 2.5 Gpa 이상의 강도 값에서만 실패되도록 하는 기계적 설계 강도를 보이는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  40. 제 39 항에 있어서,
    8 이상의 배치 크기에 대해 시험되는 샘플의 70% 이상이 3.0 Gpa 이상의 강도 값에서만 실패되는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  41. 제 1 항, 제 16 항, 제 23 항 및 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서,
    575nm 및 637nm 피크의 라만(Raman) 정규화된 발광 강도가 40 미만인 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  42. 제 41 항에 있어서,
    575nm 및 637nm 피크의 라만 정규화된 발광 강도가 10 미만인 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  43. 제 42 항에 있어서,
    575nm 및 637nm 피크의 라만 정규화된 발광 강도가 3 미만인 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  44. 제 1 항, 제 16 항, 제 23 항 및 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서,
    20℃에서 측정된 열 전도도가 1800 Wm-1K-1 초과인 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  45. 제 44 항에 있어서,
    20℃에서 측정된 열 전도도가 2300 Wm-1K-1 초과인 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  46. 제 1 항, 제 16 항, 제 23 항 및 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서,
    대향된 주 면(opposed major face)들을 갖는 플레이트의 형태로서, 주 면에 대한 수직으로부터 30°이상 큰 플레이트의 평균 전위(dislocation) 방향으로 사용하기 위해 제조된 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  47. 제 1 항, 제 16 항, 제 23 항 및 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서,
    어닐링된 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  48. 제 1 항, 제 16 항, 제 23 항 및 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제조 공정 이후에 어닐링되는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  49. 제 1 항, 제 16 항, 제 23 항 및 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서,
    기계적 층, 광학 층 또는 연마된 젬스톤(gemstone)으로 형성된 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  50. 제 49 항에 있어서,
    연마된 젬스톤으로 형성된 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  51. 제 1 항, 제 16 항, 제 23 항 및 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서,
    다음의 치수 중 하나 이상을 초과하는 CVD 단결정 다이아몬드 물질:
    a) 1mm의 측방향 치수;
    b) 1mm의 제 2의 직교 측방향 치수; 및
    c) 0.1mm의 두께.
  52. 제 51 항에 있어서,
    측방향 치수가 5mm를 초과하는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  53. 제 51 항에 있어서,
    두께 치수가 0.8mm를 초과하는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  54. 제 51 항에 있어서,
    a) 내지 c) 치수 중 둘 이상을 초과하는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  55. 제 54 항에 있어서,
    a) 내지 c) 치수 중 셋 모두를 초과하는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  56. 제 1 항, 제 16 항, 제 23 항 및 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서,
    광학 장치 또는 소자에 또는 광학 장치 또는 소자로서 사용하기 위한 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  57. 제 1 항, 제 16 항, 제 23 항 및 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서,
    EPR에 의해 측정 시 단일 치환 형태의 N을 5 x 1017 원자/cm3 미만 함유하는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  58. 제 57 항에 있어서,
    EPR에 의해 측정 시 단일 치환 형태의 N을 2 x 1017 원자/cm3 미만 함유하는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  59. 제 1 항, 제 16 항, 제 23 항 및 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서,
    EPR에 의해 측정 시 단일 치환 형태의 N을 3 x 1015 원자/cm3 초과 함유하는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  60. 제 59 항에 있어서,
    EPR에 의해 측정 시 단일 치환 형태의 N을 1 x 1016 원자/cm3 초과 함유하는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  61. 제 60 항에 있어서,
    EPR에 의해 측정 시 단일 치환 형태의 N을 5 x 1016 원자/cm3 초과 함유하는 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  62. 실질적으로 결정 흠이 없는 기재를 제공하는 단계;
    기체 공급원을 제공하는 단계;
    기체 공급원을 해리시켜 분자 질소로서 계산 시에 300 ppb 내지 5 ppm 질소를 함유하는 합성 분위기를 생성하는 단계; 및
    실질적으로 결정 흠이 없는 표면 상에 호모에피택셜 다이아몬드 성장을 수행하는 단계
    를 포함하는, 광학용 CVD 단결정 다이아몬드 물질을 제조하는 방법.
  63. 제 62 항에 있어서,
    합성 분위기가 분자 질소로서 계산 시에 500 ppb 초과의 질소를 함유하는 방법.
  64. 제 63 항에 있어서,
    합성 분위기가 분자 질소로서 계산 시에 800 ppb 초과의 질소를 함유하는 방법.
  65. 제 62 항에 있어서,
    합성 분위기가 분자 질소로서 계산 시에 2 ppm 이하의 질소를 함유하는 방법.
  66. 제 65 항에 있어서,
    합성 분위기가 분자 질소로서 계산 시에 1.5 ppm 이하의 질소를 함유하는 방법.
  67. 제 62 항에 있어서,
    질소의 수준이, 유해 흡광 및 결정 품질 저하를 방지 또는 감소하기에 충분히 낮으면서, 흠을 발생시키는 국소 스트레인(strain)을 방지 또는 감소시키기에 충분하도록 선택되는 방법.
  68. 제 62 항에 있어서,
    흠의 밀도가, 흠과 관련된 표면 에칭부가 5 x 103/mm2가 되도록 하는 방법.
  69. 제 68 항에 있어서,
    흠의 밀도가, 흠과 관련된 표면 에칭부가 102/mm2가 되도록 하는 방법.
  70. 제 62 항에 있어서,
    CVD 다이아몬드 성장이 일어나는 다이아몬드 기재의 표면이 {100} 표면인 방법.
  71. 제 62 항에 있어서,
    질소 수준이, 300 ppb(총 기체 체적의 분자 분율로서) 또는 기체 상에서의 목표 값의 10% 중 더 큰 값보다 작은 오차로 제어되는 방법.
  72. 제 71 항에 있어서,
    질소 수준이, 100 ppb(총 기체 체적의 분자 분율로서) 또는 기체 상에서의 목표 값의 3% 중 더 큰 값보다 작은 오차로 제어되는 방법.
  73. 제 72 항에 있어서,
    질소 수준이, 50 ppb(총 기체 체적의 분자 분율로서) 또는 기체 상에서의 목표 값의 2% 중 더 큰 값보다 작은 오차로 제어되는 방법.
  74. 제 62 항에 있어서,
    제조된 CVD 단결정 다이아몬드 물질의 성질이 다이아몬드 물질을 어닐링시킴에 의해 추가로 향상되는 방법.
  75. 제 62 항에 따른 방법에 의해 제조된 CVD 단결정 다이아몬드 물질.
  76. 제 1 항, 제 16 항, 제 23 항, 제 39 항 및 제 75 항 중 어느 한 항에 따른 CVD 단결정 다이아몬드 물질로부터 제조된 에탈론.
  77. 제 76 항에 있어서,
    파브리-페롯 에탈론 또는 가이어스-투어노이즈 에탈론인 에탈론.
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