KR101486687B1 - 합성 다이아몬드 물질을 제조하기 위한 극초단파 플라즈마 반응기 - Google Patents

합성 다이아몬드 물질을 제조하기 위한 극초단파 플라즈마 반응기 Download PDF

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Abstract

플라즈마 챔버; 사용시 합성 다이아몬드 물질이 침착되는 기재를 지지하기 위하여 플라즈마 챔버 내에 배치되는 기재 홀더; 극초단파 발생기로부터의 극초단파를 플라즈마 챔버 내로 공급하기 위한 극초단파 연결부; 및 가공 기체를 플라즈마 챔버 내로 공급하고 그로부터 제거하기 위한 기체 유동 시스템을 포함하는, 화학적 증착을 통해 합성 다이아몬드 물질을 제조하기 위한 극초단파 플라즈마 반응기로서, 이 때 상기 기체 유동 시스템이 가공 기체를 기재 홀더쪽으로 유도하기 위하여 기재 홀더에 대향하여 배치되는 복수개의 기체 유입 노즐을 포함하는 기체 유입 노즐 어레이를 포함하고; 상기 기체 유입 노즐 어레이가 플라즈마 챔버의 중심 축에 대해 실질적으로 평행하게 또는 발산하는 배향으로 배치되는 6개 이상의 기체 유입 노즐, 1cm2당 노즐 0.1개 이상의 기체 유입 노즐 수 밀도, 및 10 이상의 노즐 면적 비를 포함하고; 플라즈마 챔버의 중심 축에 평행하게 수선이 놓이는 평면 상으로 노즐을 투사하고 상기 평면 상의 기체 유입구 수 밀도를 측정함으로써 상기 기체 유입 노즐 수 밀도를 측정하고; 플라즈마 챔버의 중심 축에 평행하게 수선이 놓이는 평면 상으로 노즐을 투사하고, 상기 평면 상의 기체 유입 노즐 면적의 총 면적을 측정한 후, 노즐의 총 개수로 나누어 각 노즐에 수반되는 면적을 제공하고, 각 노즐에 수반되는 면적을 각 노즐의 실제 면적으로 나눔으로써 상기 노즐 면적 비를 측정하는 극초단파 플라즈마 반응기.

Description

합성 다이아몬드 물질을 제조하기 위한 극초단파 플라즈마 반응기{A MICROWAVE PLASMA REACTOR FOR MANUFACTURING SYNTHETIC DIAMOND MATERIAL}
본 발명은 화학적 증착 기법을 이용하여 합성 다이아몬드 물질을 제조하기 위한 극초단파 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
현재 화학적 증착(CVD) 기법을 이용하는 다이아몬드 물질의 합성은 널리 공지되어 있다. 다이아몬드 물질의 화학적 증착에 관한 유용한 배경 정보는 다이아몬드 관련 기술에 제공되는 문헌[Journal of Physics: Condensed Matter, Vol. 21, No. 36 (2009)]의 특별판에서 찾아볼 수 있다. 예를 들어 발머(R.S. Balmer) 등의 개관 논문은 CVD 다이아몬드 물질, 기법 및 용도에 대한 포괄적인 개관을 제공한다("Chemical vapour deposition synthetic diamond: materials, technology and applications" J. Phys.: Condensed Matter, Vol. 21, No. 36 (2009) 364221 참조).
화학적 증착(CVD) 공정을 통한 다이아몬드 필름 성장이 가능한 광범위한 극초단파 플라즈마 반응기가 당 업계에 공지되어 있다. 이러한 반응기는 다수의 상이한 디자인을 갖는다. 공통적인 특징부는 플라즈마 챔버, 플라즈마 챔버에 배치되는 기재 홀더, 플라즈마를 생성시키기 위한 극초단파 발생기, 극초단파 발생기로부터의 극초단파를 플라즈마 챔버에 공급하기 위한 연결부(coupling configuration), 가공 기체를 플라즈마 챔버 내로 공급하고 그로부터 제거하기 위한 기체 유동 시스템, 및 기재 홀더 상의 기재의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 시스템을 포함한다. 다수의 가능한 반응기 디자인을 요약하는 유용한 개관 논문이 앞서 언급된 문헌[Journal of Physics]에 기재되어 있다("Microwave engineering of plasma-assisted CVD reactors for diamond deposition" J. Phys.: Condensed Matter, Vol. 21, No. 36 (2009) 364202 참조).
특허 문헌과 관련하여, US 6645343 호[프라운호퍼(Fraunhofer)]는 화학적 증착 공정을 통한 다이아몬드 필름 성장을 위해 구성된 극초단파 플라즈마 반응기의 예를 개시한다. 여기에 기재된 반응기는 플라즈마 챔버의 기부에 장착된 기재 홀더를 갖는 플라즈마 챔버를 포함한다. 기재 홀더 아래에는 기재 홀더 상의 기재의 온도를 제어하기 위한 냉각 장치가 제공된다. 뿐만 아니라, 가공 기체를 공급 및 제거하기 위하여 플라즈마 챔버의 기부에 기체 유입구 및 기체 유출구가 제공된다. 극초단파 발생기는, 플라즈마 챔버 위의 전달 말단에서 분할되고 플라즈마 챔버의 주변부에서 본질적으로 고리-형상인 극초단파 윈도우(석영 고리의 형태)로 유도되는 고-주파수 동축 라인을 통해 플라즈마 챔버에 연결된다. 이 문서에 기재되어 있는 발명은 고리-형상의 극초단파 윈도우에 초점을 맞추고 있으며, 연결이 큰 표면에 걸쳐 분포되어 있기 때문에, 극초단파 윈도우에서 높은 전기장 강도가 발생하지 않으면서, 따라서 윈도우 방전의 위험을 감소시키면서, 높은 극초단파 동력 수준을 연결시킬 수 있다고 교시되어 있다.
EP 0480581 호[어플라이드 사이언스 앤드 테크놀로지 인코포레이티드(Applied Science & Technology Inc.)]는 상기 기재된 것에 대한 대체 배열을 기재한다. 이 배열도 그의 기부 위에 기재 홀더가 장착된 플라즈마 챔버를 포함한다. 배열은 또한 도파관을 거쳐 플라즈마 챔버의 상부에 연결되는 극초단파 발생기도 포함한다. EP 0480581 호 및 US 6645343 호에 기재된 배열 사이의 주된 차이점은 가공 기체가 플라즈마 챔버에 공급되고 플라즈마 챔버로부터 제거되는 방식에 있다. US 6645343 호에서는, 기재 홀더에 인접한 플라즈마 챔버의 기부에 기체 유입구가 제공된다. 대조적으로, EP 0480581 호는 기체 유입구가 기재 홀더 바로 위의 플라즈마 챔버 상부에 위치되고 기체를 기재를 향해 고속으로 바로 공급하도록 구성되는 배열을 개시한다. 가공 기체는 플라즈마 챔버의 기부에 또는 근처에 있는 유출구에서 제거되고 펌프를 사용하여 유입구로 재순환된다. 이로써, 이 문서는 재순환 및 기재보다 축방향 위에 배치되는 단일 유입구를 이용하는 고속 기체 유동 시스템을 개시한다. 이러한 시스템의 명백한 이점은 고속 기체 유동이 활성화된 기체 물질을 대류에 의해 플라즈마로부터 기재로 수송하는 것이다. 이는 예컨대 US 6645343 호의 경우에서와 같이 플라즈마로부터의 활성화된 기체 물질의 기재로의 확산에 의존하는 시스템과 비교할 때 큰 면적의 다이아몬드 필름의 성장을 가능케 한다.
EP 0480581 호에 기재되어 있는 축방향으로 배향된 기체 유동 배열의 변화는 공지되어 있다. 예를 들어, 시판중인 IPLAS 극초단파 플라즈마 반응기는 기재 홀더 위에서 플라즈마 챔버의 상부에 배치되는 4개의 기체 유입공을 포함한다.
더욱 최근에, US 2010/0189924 호[락히드(Lockheed)]는 가공 기체를 고속으로 플라즈마 챔버 내로 주입하여 EP 0480581 호와 유사한 방식으로 활성화된 기체 물질을 플라즈마로부터 기재로 대류 전달하는 다른 시스템을 개시한다. 이 문서에 개시된 구성은 그의 기부 위에 기재 홀더가 장착되는 편평해진 종-형상의 플라즈마 챔버를 포함한다. 극초단파 발생기는 도파관을 통해 플라즈마 챔버의 기부에 연결된다. 기체 입구 포트는 기재 홀더 위에서 플라즈마 챔버의 상부에 제공되고, 기체 출구 포트는 플라즈마 챔버의 기부에 제공된다.
US 2010/0189924 호와 EP 0480581 호에 기재되어 있는 배열 사이에는 몇 가지 차이가 있다. 예를 들면, 극초단파가 플라즈마 챔버 내로 연결되는 위치가 상이한데, EP 0480581 호에서는 극초단파가 챔버의 상부에서 연결되고, US 2010/0189924 호에서는 극초단파가 챔버의 바닥에서 연결된다. 뿐만 아니라, 플라즈마 챔버의 형상이 크게 상이한데, 챔버가 비교적 넓고 그의 높이보다 더 큰 폭을 갖는 US 2010/0189924 호의 편평해진 종-형상의 챔버에 비해, EP 0480581 호에서는 챔버가 실질적으로 원통형이다. 또한, 플라즈마 챔버의 상부에서의 유입구 형태가 상이하다. EP 0480581 호는 기재 홀더 바로 위에 위치하고 기체를 기재를 향해 고속으로 바로 공급하도록 구성되는 하나의 축방향으로 배치된 기체 유입구를 개시한다. 대조적으로, US 2010/0189924 호는 시판중인 IPLAS 반응기와 유사한, 하나보다 많은 기체 유입구를 포함하는 유입구 배열을 개시한다. US 2010/0189924 호에 기재되어 있는 더욱 최근의 반응기 디자인과 앞서 기재된 종래 기술에서 제안된 설비의 한 가지 차이는 US 2010/0189924 호가 축방향으로 배치된 노즐 및 중심 노즐 둘레에서 균일하게 이격되고 기체 스트림이 기재를 가로질러 노즐로부터 발산되어 서로 또한 플라즈마 방전과 상호작용하도록 안쪽으로 기울어진 3 또는 4개 이상의 추가적인 노즐을 제공함을 제안한다는 것이다. 이 안쪽으로 기울어진 노즐 배열이 플라즈마 방전의 형상을 관리하고, 예를 들어 플라즈마 방전의 반구형을 강화하고 편평하게 만들며, 기재 표면에 근접하여 반응 물질의 농도를 증가시킴으로써 다이아몬드 필름의 균일성을 개선시키는 것으로 기재되어 있다.
본 발명자들은 종래 기술의 반응기 디자인에서 가능한 다수의 문제점을 확인하였다. 본 발명자들은 높은 유동 속도 배열이 확산보다는 대류를 이용하여 합성 다이아몬드 필름의 침착 속도를 개선하기 위한 특정 용도에 유리할 수 있다는 EP 0480581 호 및 US 2010/0189924 호의 발견에 동의한다. 이로써, 본 발명자들은 기체 유동을 기재를 향해 축방향으로 유도하기 위하여 기체 유입구를 기재 위에 위치시키는 것이 바람직한 배열이라고 생각한다. 그러나, EP 0480581 호에 개시된 하나의 축방향으로 위치된 기체 유입구 설비에 따른 문제점 하나는 매우 높은 속도의 유동에서, 기체 스트림이 플라즈마를 통해 침투하여 본질적으로 플라즈마 방전에 구멍을 내고 플라즈마를 기재의 측부를 향해 바깥쪽으로 밀어내어 균일하지 않은 다이아몬드 필름 형성을 초래할 수 있다는 것이다.
IPLAS 반응기에 제공되는 설비 및 복수개의 기체 유입구를 사용하는 US 2010/0189924 호 같은 배열에 의해 전술한 문제를 적어도 부분적으로 해결하였다. 예를 들어, IPLAS 반응기는 4개의 평행하게 배향된 기체 유입구를 포함하는 반면, US 2010/0189924 호는 중심 기체 유입 노즐 및 중심 노즐 둘레에서 균일하게 이격되고 안쪽으로 기울어진 수 개의 추가적인 노즐을 제공함을 교시한다. 이 안쪽으로 기울어진 노즐 배열은 플라즈마 방전의 형상을 관리함으로써 다이아몬드 필름의 균일성을 개선시키는 것으로 기재되어 있다. 즉, 안쪽으로 기울어진 기체 스트림은 중심 기체 스트림에 의해 바깥쪽으로 밀리는 플라즈마에 대항하여 안쪽으로 밀고, 따라서 플라즈마를 측방향으로 속박하고 플라즈마에 중심 구멍이 형성되지 않도록 한다. 이러한 배열은 EP 0480581 호에 기재되어 있는 단일 기체 유입구 배열에 비해 개선을 제공할 수 있으나, 본 발명자들은 기재된 배열에 수반되는 몇 가지 가능한 문제를 확인하였다.
하나의 문제는 기체 스트림이 플라즈마 방전을 측방향으로 구속하도록 기울어지는 경우, 이것이 다이아몬드 필름이 침착될 수 있는 면적을 제한한다는 것이다. 다르게는, 기체 스트림이 플라즈마의 더욱 중심 영역에 대해 밀도록 기울어져 플라즈마의 바깥쪽 부분이 구속되지 않도록 하면, 이는 플라즈마의 중심 영역에서 관통 문제를 실제로 악화시켜, 플라즈마가 기재의 측부를 향해 밀려 불균일한 다이아몬드 필름 형성을 초래하도록 한다.
US 2010/0189924 호에 기재되어 있는 설비에 수반되는 다른 가능한 문제는 유입 노즐이 제공되는 수직 연장되는 중심부와 플라즈마 챔버의 축방향으로 연장되는 측부 사이에 위치되는 플라즈마 반응기의 구석부에 플라즈마가 충돌하지 않도록 하기 위하여 플라즈마를 측방향으로 제한해야 한다는 것이다. 플라즈마 챔버의 이러한 구석부는 사용시 플라즈마 방전이 위치되는 영역에 비교적 가깝게 배치된다. 플라즈마가 플라즈마 챔버의 벽의 이들 부위에 충돌하면, 벽이 이들 영역에서 손상될 수 있다. 뿐만 아니라, 가공 기체에 의한 오염이 벽에 축적되어 시간의 경과에 따라 반응기에서 형성되는 다이아몬드 필름 품질이 열화될 수 있다 이로써, US 2010/0189924 호에 기재되어 있는 기울어진 기체 스트림이 이러한 이유로 플라즈마 방전을 측방향으로 제한해야 한다는 것이 명백하다.
US 2010/0189924 호에 기재된 설비의 다른 가능한 문제는 플라즈마가 플라즈마 챔버의 측방향으로 연장되는 측부 내에 배치되는 고에너지 극초단파 배에서 연소되지 않도록 제한되어야 한다는 것이다. 이는 동력 효율의 감소를 초래하고, 또한 플라즈마 챔버의 벽에 손상을 줄 수 있고 벽에 오염이 축적되도록 하여 시간에 따라 반응기에서 형성되는 다이아몬드 필름 품질의 열화를 야기할 수 있다.
US 2010/0189924 호에 기재되어 있는 설비에 따른 또 다른 가능한 문제는 유입 노즐 다음(downstream)에 플라즈마 챔버의 기부에 극초단파 윈도우가 위치된다는 것이다. 이는 가공 기체 또는 윈도우 위로 떨어지는 벽 오염물질로 극초단파 윈도우가 오염되어 윈도우 구역에서 증가된 극초단파 흡수에 수반되는 것과 같이 성능 감소를 야기할 수 있다.
IPLAS 반응기가 US 2010/0189924 호에서와 같이 안쪽으로 기울어진 기체 유입구보다는 평행하게 배향된 기체 유입구를 포함하지만, 이 설비에 의해 제공되는 비교적 작은 수의 기체 유입구는 비교적 큰 면적에 걸쳐 높은 속도로 균일한 다이아몬드 필름을 형성시키기에는 불충한 것으로 밝혀졌다. 더 많은 구멍 또는 심지어 구멍의 위치가 침착 조건에 임의의 큰 영향을 가짐을 나타내는 교시내용은 없다.
본 발명의 특정 실시양태의 목적은 전술한 문제를 적어도 부분적으로 해결하는 것이다. 구체적으로, 본 발명의 특정 실시양태의 목적은 비교적 큰 면적에 걸쳐 높은 속도로 고품질의 균일한 다이아몬드 필름 형성을 달성하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기에 덧붙여, 본 발명의 특정 실시양태는 또한 하나 이상의 도판트를 포함하는 CVD 다이아몬드를 합성하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 당 업계에서는 CVD 합성 동안 다이아몬드 물질을 도핑하는 것이 공지되어 있다. 일부 바람직한 용도를 가질 수 있는 다이아몬드의 통상적인 도판트는 붕소, 질소, 규소 및 인을 포함한다. 붕소 도핑이 예를 들어 다이아몬드 물질을 반-전도성으로 만들 수 있거나 또는 높은 도핑 수준에서 완전한 금속 전도를 달성할 수 있기 때문에 붕소 도핑된 다이아몬드가 특히 관심을 끈다. 붕소 도핑된 다이아몬드는 기계적 용도부터 전자 기기 및 센서에 이르는 용도를 갖는다.
일정한 농도의 붕소를 함유하는 다이아몬드를 성장시켜 생성물의 일관성을 유지할 필요가 있다. 예를 들어, 다결정질 다이아몬드에서는, 방전 가공(electric discharge machining; EDM) 방법을 이용하여 가공될 수 있는 큰 면적의(예를 들어, 120mm보다 큰 직경의) 두꺼운(예컨대 0.5mm보다 두꺼운) 자립형(free-standing) 다결정질 다이아몬드 웨이퍼를 성장시키는 것이 바람직하다. 이를 달성하기 위하여, 붕소 농도는 합당하고 실행가능한 절단 속도를 보장하기에 충분히 높지만 물질 특성을 열화시키기 시작할 정도로 높지는 않아야 한다. 뿐만 아니라, 붕소 농도는 디스크의 대부분의 부피에 걸쳐 이들 한계 내에 있어야 한다.
예를 들어 복수개의 단결정이 한 번의 성장 실행시 호모에피택셜하게(homoepitaxially) 성장하는 단결정에 유사한 주장을 적용한다. 전자 기기를 포함하는 용도에 의해 설정되는 붕소에 대한 명세는 이들 다이아몬드가 모두 유사한 붕소 농도를 함유할 것을 요구한다.
또한, (특히 단결정 {100} 배향된 성장에 있어서) 예컨대 금속 전도에 필요한 가장 높은 붕소 농도를 달성하는 경로를 발견하기 위한 몇몇 방법이 필요하다.
붕소 도핑된 다결정질 및 단결정 다이아몬드 물질과 관련하여 상당한 양의 연구가 이 분야에서 수행되어 왔다. 예를 들어, EP 0 822 269 B1 호는 붕소 도핑을 달성하는데 요구되는 기본적인 CVD 화학 작용을 개시한다. EP 1463849 호는 결정 결함이 실질적으로 없는 표면을 갖는 다이아몬드 기재를 사용함으로써 합성 CVD 다이아몬드 물질의 단결정 전체에서 균일한 붕소 도핑을 달성하는 방법을 교시한다.
본 발명의 특정 실시양태의 추가적인 목적은 예를 들어 다결정질 다이아몬드 물질의 큰 면적에 걸쳐 및/또는 한 번의 성장 실행에서 성장된 다수의 단결정 다이아몬드에 걸쳐 CVD 다이아몬드 물질의 균일한 도핑을 달성할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 또한, 특정 실시양태의 목적은 전자 기기 및 센서 용도를 위한 높은 붕소 도핑 농도와 같이 매우 높은 도핑 수준을 달성하는 것이다.
본 발명자들은 US 2010/0189924 호의 교시내용과는 대조적으로, 기재 위에서 상호작용하고 플라즈마를 측방향으로 제한하도록 기체 유입 노즐이 안쪽으로 기울어지지 않은 기체 유입구 형태를 제공하는 것이 유리함을 발견하였다. 시판중인 IPLAS 반응기가 이러한 기울어지지 않은 기체 유입구 형태를 나타내지만, IPLAS 반응기 및 US 2010/0189924 호에 개시된 반응기는 둘 다 비교적 작은 수의 기체 유입구를 갖는다. 이들 설비 둘 다와는 대조적으로, 본 발명자들은 비교적 작은 수의 기체 유입 노즐을 제공하는 대신 실질적으로 평행하거나 발산하는 배향인 보다 다수의 유입 노즐을 제공함으로써 매우 높은 기체 스트림 속도에서 플라즈마 방전의 중심 영역을 관통하는 기체 스트림의 문제를 감소시킬 수 있음을 발견하였다.
또한, 비교적 다수의 노즐은 기체의 비교적 균일한 유동을 보장하기 위하여 가깝게 이격되어야 하는 것으로 밝혀졌다. 어레이에 비교적 높은 수 밀도의 노즐을 제공하면, 사용시 기재를 향한 기체 유동의 균일성을 개선하고, 플라즈마가 기재에 대해 균일하게 편평해지고 형상화되어, 비교적 큰 면적에 걸쳐 높은 속도로 균일한 다이아몬드 필름 형성을 달성할 수 있는 것으로 밝혀졌다.
또한, 노즐 어레이의 면적이 노즐 유출구 자체의 면적보다 노즐 사이의 공간으로 주로 구성되도록 비교적 작은 면적의 노즐을 제공하는 것이 유용한 것으로 밝혀졌다. 이로써, 노즐 유입구 어레이의 면적에 대해 비교적 큰 수 밀도의 노즐을 제공하는 것이 유리한 것으로 밝혀진 반면, 또한 노즐 어레이 전체로서의 면적으로 나눈 노즐 유입구의 면적의 비가 낮은 어레이를 제공하는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다. 작은 노즐은 고속의 유도되는 기체 유동을 제공하는데 유리한 것으로 밝혀졌다. 그러나, 또한 비교적 큰 면적에 걸쳐 다이아몬드 필름을 균일하게 침착시키기 위하여 비교적 큰 면적에 걸쳐 비교적 균일한 기체 유동을 가질 것이 요구된다. 따라서, 비교적 작은 유입 노즐 크기와 이러한 노즐의 비교적 큰 수 밀도의 조합은 고속의 유도되는 기체 유동과 비교적 큰 면적에 걸친 기체 유동의 균일성 사이의 균형을 달성하는데 유리한 것으로 밝혀졌다.
상기 발견에 비추어, 본 발명의 제 1 양태는 화학적 증착을 통해 합성 다이아몬드 물질을 제조하기 위한 극초단파 플라즈마 반응기를 제공하며, 이 때 이 극초단파 플라즈마 반응기는 플라즈마 챔버; 사용시 합성 다이아몬드 물질이 침착되는 기재를 지지하기 위하여 플라즈마 챔버 내에 배치되는 기재 홀더; 극초단파 발생기로부터의 극초단파를 플라즈마 챔버 내로 공급하기 위한 극초단파 연결부; 및 가공 기체를 플라즈마 챔버 내로 공급하고 그로부터 제거하기 위한 기체 유동 시스템을 포함하고, 이 때 상기 기체 유동 시스템은 가공 기체를 기재 홀더쪽으로 유도하기 위하여 기재 홀더에 대향하여 배치되는 복수개의 기체 유입 노즐을 포함하는 기체 유입 노즐 어레이를 포함하고; 상기 기체 유입 노즐 어레이는 플라즈마 챔버의 중심 축에 대해 실질적으로 평행하게(실질적으로 평행하다고 하는 것은 완벽하게 평행인 배열의 적어도 10°, 5°, 2° 또는 1° 이내를 의미함) 또는 발산하는 배향으로 배치되는 6개 이상의 기체 유입 노즐, 1cm2당 노즐 0.1개 이상의 기체 유입 노즐 수 밀도, 및 10 이상의 노즐 면적 비를 포함하고; 상기 기체 유입 노즐 수 밀도는, 플라즈마 챔버의 중심 축에 평행하게 수선이 놓이는 평면 상으로 노즐을 투사하고 상기 평면 상의 기체 유입구 수 밀도를 측정함으로써 측정하고; 상기 노즐 면적 비는, 플라즈마 챔버의 중심 축에 평행하게 수선이 놓이는 평면 상으로 노즐을 투사하고, 상기 평면 상의 기체 유입 노즐 면적의 총 면적을 측정한 후, 노즐의 총 개수로 나누어 각 노즐에 수반되는 면적을 제공하고, 각 노즐에 수반되는 면적을 각 노즐의 실제 면적으로 나눔으로써 측정한다.
기체 유입 노즐 어레이에 있는 노즐의 적어도 대부분에 걸쳐, 예를 들면 어레이에 있는 노즐의 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 이상, 또는 모두에 걸쳐 수 밀도 및 면적 비 매개변수를 계산할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 2 양태는 가공 기체를 복수개의 기체 유입 노즐을 통해 플라즈마 챔버 내로 주입하고; 극초단파 발생기로부터의 극초단파를 극초단파 연결부를 통해 플라즈마 챔버 내로 공급하여, 기재 홀더 상에 배치된 기재 위에 플라즈마를 형성하고; 기재의 성장 표면 상에서 합성 다이아몬드 물질을 성장시킴을 포함하는, 상기 기재된 극초단파 플라즈마 반응기를 사용하여 합성 다이아몬드 물질을 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 이들 양태는 본 발명의 기술적인 이점을 획득하기 위하여 유리하게 제공되는 4개의 핵심적인 특징을 획득한다: (i) 비교적 다수의 기체 유입 노즐(대부분의 간단한 실시양태에서는 6개의 노즐이 육각형 배열로 배치되지만, 바람직하게는 다수개의 더 많은 노즐이 특정 용도에 제공된다); (ii) 노즐의 배향이 실질적으로 평행하거나 발산하는 배향이어야 함; (iii) 기체 유입 노즐 수 밀도가 높아야 함(1cm2당 0.1개 이상의 노즐, 그러나 바람직하게는 특정 용도의 경우 훨씬 더 높음); 및 (iv) 각 노즐의 실제 면적에 대한 각 노즐에 수반되는 면적의 비가 높아야 함(10 이상, 그러나 바람직하게는 특정 용도의 경우 훨씬 더 높음).
이들 네 가지 특징을 포함하는 기체 유입 노즐 어레이를 이용하여 기재를 향해 유동하는 가공 기체의 비교적 연속적인(solid) 커튼을 형성시킬 수 있음을 발견하였다. "연속적인"이란, 복수개의 개별적인 기체 스트림이 조밀하게 팩킹되어 이들이 기재를 향해 유동하는 기체의 균일한 하나의 덩어리와 비슷할 수 있음을 의미한다. 연속적인 기체 스트림은 개별적인 기체 유동의 조밀한 커튼 또는 가공 기체의 본질적으로 연속적인(반경 방향으로) 균일한 유동을 포함할 수 있다. 개별적인 기체 스트림이 기재를 향하지만 기재 앞에서 서로 크게 상호작용하여 원치 않는 난류를 초래하지 않도록 구성될 수 있다. 개별적인 기체 스트림이 합체되어 기재를 향해 유동하는 기체의 단일 "플러그(plug)"를 형성할 수 있지만, 스트림은 기재 위에서 서로 상당히 교차하도록 구성되지는 않는다. 이는 우수한 기체 유동 특징을 제공하여 기체 스트림의 더욱 층류를 형성하고 난류를 방지하거나 적어도 감소시키는데 유리하다.
이러한 배열은 비교적 큰 면적에 걸쳐 비교적 균일한 기체 유동을 제공할 수 있다. 뿐만 아니라, 이러한 배열은 챔버 내에서 기체 재순환을 감소시키거나 또는 바람직하게는 실질적으로 없애면서 대다수 또는 바람직하게는 실질적으로 모든 기체가 기재를 향하는 방향으로 또한 챔버의 기부에 있는 유출구 밖으로 유동하도록, 기체 연행을 감소시킬 수 있다. 기체 연행을 방지함으로써, 유입 노즐을 통해 주입되는 기체의 농도를 직접적으로 제어함으로써 활성화된 플라즈마 영역의 물질 농도를 더욱 제어할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 더욱이, 플라즈마 챔버 내에서 기체가 재순환될 가능성을 억제함으로써, 비교적 큰 면적의 플라즈마가 형성되는 경우에도 챔버 벽을 오염시킬 가능성을 최소화할 수 있다. 즉, 가깝게 이격된 고속 기체 스트림의 높은 밀도는 임의의 기체가 대류를 통해 유입 노즐을 향하여 역류하는 것을 방지하는 기능을 하며, 또한 플라즈마 방전 상에 비교적 균일한 압력 분포를 제공하여 플라즈마 방전을 균일한 방식으로 편평하게 할 수 있고, 매우 높은 유속에서 매우 큰 면적의 편평하고 균일한 플라즈마를 달성할 수 있도록 한다.
예를 들어, 편평한 기재 형태의 경우, 기재를 향해 전파되고 기체 유입구와 기재 사이에 배치되는 플라즈마 방전에 충돌하는 기체의 실질적으로 균일한 커튼을 제공하기 위하여 기재에 실질적으로 수직인 방향으로 배향되는 고밀도의 유입 노즐을 포함하는 기체 유입구 배치를 제공하는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다. 이러한 배열은 플라즈마 방전을 평탄화시키고 기재 표면에 근접하여 활성화된 기체 물질의 농도를 증가시키는 것으로 밝혀졌다. 뿐만 아니라, 고밀도 노즐에 의해 생성되는 기체의 실질적으로 균일한 커튼은, US 2010/0189924 호에서 제안되는 바와 같이 유입 노즐을 안쪽으로 기울임으로써 플라즈마를 측방향으로 과도하게 압축시키지 않으면서, 큰 면적에 걸쳐 대류 수송을 통해 플라즈마로부터의 반응성 기체 물질을 기재로 실질적으로 균일하게 침착시키는 것으로 밝혀졌다.
또한, 본원에 기재된 것과 같은 기체 유입 노즐 어레이를 제공하면 플라즈마 챔버 내에서 아킹을 야기하지 않으면서 플라즈마 챔버 내에서 더 높은 기체 유속 및 작동 압력을 이용할 수 있도록 하는 것으로 밝혀졌다. 더 높은 작동 유속 및 압력은 더욱 반응성인 플라즈마와 같다고 생각되는 더 높은 동력 밀도를 가능케 한다. 즉, 더 많은 원자 수소가 발생되어, 성장 속도 증가 및 CVD 다이아몬드 생성물 품질 개선을 촉진시킨다.
놀랍게도, 소정 기체 조성에서 기체 역학(유동, 기하학적 형태 등)에서의 변화에 의해 합성 CVD 다이아몬드 물질의 제조를 위한 압력 및 동력 밀도의 합성 매개변수의 사용가능한 범위를 변화시킬 수 있음을 발견하였다. 전형적으로, 매개변수 압력 및 동력의 면에서 균일한 다이아몬드 합성의 상한은 일극성 아크의 개시에 의해 결정된다. 당 업자는 작동 주파수, 압력/동력 비 및 기재의 기하학적 형태(직경/두께) 같은 실험 인자에 의해 이 일극성 아크 한계가 영향을 받음을 알 것이다.
본 발명자들은 놀랍게도 기체 유동 조작이 CVD 다이아몬드 침착 면적 또는 상기 침착의 균일성을 동시에 감소시키지 않으면서 압력 및 동력 면에서 작동 매개변수 공간을 증가시키는데 극적인 효과를 가질 수 있음을 발견하였다. 성장하는 CVD 다이아몬드에 있어서 압력/동력 매개변수 공간에서의 흔히 마주치는 제한은 아킹의 개시이다. 본 발명의 구조적 특징은 축방향 대칭 기체 유입 구멍을 하나만 사용하는 종래의 합성 시스템에서보다 더 높은 동력 밀도 및 압력에서 CVD 다이아몬드 물질의 성장을 가능케 한다. 실제로, 본 발명자들은 다른 기체 유입구 기하학적 형태/유동으로 통상적으로 가능한 것보다 >5%. >10%, >15%, >20%, >25%, >30% 또는 >35%만큼 작동의 최대 압력이 증가함을 발견하였다. 뿐만 아니라, 이 작동 압력에서의 증가는 균일한 침착 면적을 희생시키지 않는다. 예를 들어, 800 내지 1000MHz의 작동 주파수의 경우, 균일한 성장을 달성하여 70 내지 160mm의 직경에 걸쳐 균일한 두께를 갖는 CVD 다이아몬드의 디스크를 형성할 수 있다. 다양한 지점에서 CVD 다이아몬드 디스크의 두께를 측정하고, 평균 두께로부터의 % 편차를 계산함으로써 두께 균일성을 계산할 수 있다. 예를 들어, 디스크의 전체 면적의 70% 이상에 걸쳐 10, 15, 17 또는 20개 이상의 측정 지점을 취할 수 있다. 본 발명의 특정 실시양태에 따라, 최대 성장 두께 변화는 합성 CVD 다이아몬드 디스크의 평균 두께의 <20%, <15%, <10%, <5% 또는 <2%일 수 있다.
본 발명의 실시양태를 이용하여, 2300 내지 2600MHz의 극초단파 주파수에서 200, 220, 240, 260, 280, 300, 320, 340, 360, 380 또는 400토르 이상; 800 내지 1000MHz의 극초단파 주파수에서 120, 140, 160, 180, 200, 220, 240 또는 260 토르 이상; 또는 400 내지 500MHz의 극초단파 주파수에서 60, 70, 80, 100, 120, 140 또는 150토르 이상의 작동 압력에서 플라즈마 챔버 내에서의 아킹 문제를 피할 수 있다. 작동 압력은 구체적인 반응기 디자인에 따라 550, 450, 400, 350 또는 300토르 이하일 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 특정 실시양태에 따른 기체 유입 노즐 어레이를 사용하는 전형적인 작동 압력은 2300 내지 2600MHz의 극초단파 주파수의 경우 200 내지 330토르, 800 내지 1000MHz의 극초단파 주파수에서 160 내지 220토르, 또는 400 내지 500MHz의 극초단파 주파수에서 80 내지 140토르일 수 있다. 본 발명의 실시양태를 이용하여, 이들 압력에서 균일하고 안정한 플라즈마 및 균일한 CVD 다이아몬드 성장을 달성할 수 있음을 발견하였다.
기재에 전달될 수 있는 동력 밀도는 기재 성장 표면 1mm2당 0.05, 0.1, 0.5, 1, 1.5, 2.0, 2.5, 2.75, 3.0, 3.2 또는 3.5W 이상일 수 있다. 동력 밀도는 구체적인 반응기 디자인에 따라 기재 성장 표면 1mm2당 6.0, 5.0 또는 4.0W 이하일 수 있다. 예를 들어 본 발명의 특정 실시양태에 따른 기체 유입 노즐 어레이를 사용하는 전형적인 작동 동력 밀도는 기재 성장 표면 1mm2당 3.0 내지 4.0W일 수 있다.
일부 설비에서는, 기체 유입 노즐중 적어도 일부를 바깥쪽으로 발산되는 형태로 기울여 더욱 균일한 다이아몬드 필름 형성을 달성하는 것이 유리하다는 것을 실제로 발견하였다. 예를 들어, 하나의 중심 노즐 및 발산하는 기체 스트림을 형성하도록 배향되는 6개의 둘레의 노즐. 이러한 배열은 비-평면상 기재가 사용되는 경우에 특히 유용한 것으로 밝혀졌다. 이러한 배열에서는, 측부 가장자리 부분보다 기체 유입 설비에 더 가까운 중심부를 갖는 볼록한 기재가 제공된다. 이어, 발산하는 노즐이, 기재의 측부 가장자리 부분을 향해 플라즈마를 미는데 도움을 주어서, 볼록한 기재에 걸쳐 비교적 균일한 다이아몬드 필름 형성을 달성하는데 유용하다. 이러한 배열은 비-평면상 다이아몬드 필름을 제조하는데 유용하다.
전술한 기내재용은 보다 큰 면적에 걸쳐 및/또는 비-평면상 기재 상에서 더욱 균일한 다이아몬드 필름 형성을 달성하기 위하여 6개 이상의 기체 유입 노즐을 제공할 수 있다고 명시하지만, 특정 용도에 있어서는 훨씬 더 크고 더 조밀한 기체 유입 노즐 어레이가 다수의 용도에 유리한 것으로 밝혀졌다. 예를 들면, 특정 용도에서는, 7, 9, 10, 15, 20, 30, 40, 60, 90, 120, 150, 200, 300, 500, 700, 1000, 1200, 1500개 이상의 기체 유입 노즐을 포함하는 기체 유입구 형태를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 특히 바람직한 배열은 기체 유입 노즐의 가깝게 팩킹된 어레이를 포함하며, 예컨대 기체 유입 노즐의 가깝게 팩킹된 육각형 어레이가 큰 면적에 걸쳐 높은 침착 속도로 균일한 다이아몬드 필름 형성을 달성하는데 특히 유리한 것으로 밝혀졌다. 이로써, 7, 19, 37, 61, 91, 127, 169, 217, 271, 331, 397, 469, 547, 631, 721, 817, 919, 1027, 1141, 1261, 1387, 1519개 이상의 노즐을 포함하는 가깝게 팩킹된 육각형 노즐 형태가 바람직한 배열을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시양태는 하기를 보장하는 유입 노즐 형태를 제공한다: 기재를 향한 가공 기체의 비교적 균일한 유동(그에 따라 다이아몬드 필름의 균일성을 개선함); 노즐을 통한 기체 유동에 비해 비교적 적은 기체 연행(이에 따라 플라즈마 화학 작용의 제어를 개선함); 다이아몬드 필름 형성을 위한 기재 근처의 관심 있는 영역 외부에서의 플라즈마 형성 가능성이 낮아짐; 플라즈마 관통 가능성이 낮아짐(그에 따라 기체 유동의 더 높은 속도, 따라서 가능하게는 더 큰 면적에 걸친 균일한 다이아몬드 필름 형성의 속도 향상이 가능해짐); 노즐이 높은 기체 유동 속도의 유도된 기체 유동 스트림 및 적합한 작동 압력을 제공하는데 적합화됨; 확산 또는 대류에 의해 반응성 물질이 반응기의 벽을 향해 유동할 가능성이 낮아짐(이에 따라 사용 동안의 오염 저하 및 다이아몬드 필름 순도 개선); 및 플라즈마 챔버 내에서 아킹이 발생되지 않으면서 더 높은 기체 유속 및 작동 압력을 이용할 수 있어서 더 높은 동력 밀도를 달성하도록 함으로써 CVD 다이아몬드 생성물의 성장 속도 증가 및 품질 개선을 용이하게 함.
상기에 덧붙여, 놀랍게도, 질소, 붕소, 규소, 인 같은 도판트 및 매달린 결합 및 공격자점 클러스터 같은 다른 결함의 혼입은 전체 기체 유동 및 기체 유동의 기하학적 형태에 매우 민감한 것으로 밝혀졌다. 앞서 기재된 바와 같은 유입 노즐 배열을 제공하면 다결정질 다이아몬드 물질의 더 큰 면적에 걸쳐 및/또는 한 번의 성장 실행에서 성장하는 더욱 다수의 단결정 다이아몬드에 걸쳐 균일한 도핑이 가능해지는 것으로 밝혀졌다.
본 발명을 더욱 잘 이해하고 본 발명을 효과적으로 수행할 수 있는 방법을 알려주기 위하여, 이제 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시양태를 예로서 기재한다.
도 1은 본 발명의 실시양태에 따라 화학적 증착 기법을 이용하여 다이아몬드 필름을 침착시키도록 구성되는 극초단파 플라즈마 반응기의 수직 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시양태에 따른 기체 유입 노즐 어레이의 평면도(plan view)이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 기체 유입 노즐 어레이의 일부의 수직 단면도이다.
도 1 및 도 3은 본 발명의 실시양태에 따른 극초단파 플라즈마 반응기의 다양한 도면이다.
도 1을 참조하여 보여지는 바와 같이, 극초단파 플라즈마 반응기는 하기 기본적인 구성요소를 포함한다: 플라즈마 챔버(102); 기재(105)를 유지시키기 위하여 플라즈마 챔버에 배치된 기재 홀더(104); 플라즈마 챔버(102) 내에서 플라즈마(108)를 생성시키기 위한 극초단파 발생기(106); 동축 도파관을 거쳐 환상 유전 윈도우(119)를 통해 극초단파 발생기(106)로부터 플라즈마 챔버(102) 내로 극초단파를 공급하기 위한 극초단파 연결부(110); 가공 기체를 플라즈마 챔버(102) 내로 공급하고 그로부터 제거하기 위한 기체 유동 시스템(112, 122); 및 기재(105)의 온도를 제어하기 위한 기재 냉각 시스템(114).
본 발명은 단순한 모드(mode)의 합성 챔버와 함께 가장 우수하게 활용되고, 예를 들어 TM011 모드가 다이아몬드 CVD 플라즈마 반응기에 실용적으로 사용될 수 있는 가장 소형인(작은) 모드인 것으로 밝혀졌기 때문에 이 모드가 유리한 것으로 생각된다. 그의 소형인 특성은 흡사한 기상 화학 작용에 대한 기체 유동 양태의 영향이 최대화됨을 의미하지만, 본 발명은 이 모드의 기하학적 형태로 한정되지 않는다. 소형 강 설비에서의 기체 유동에 비교적 근접하는 챔버의 벽을 오염시키는 플라즈마 챔버 내부에서의 기체의 과도한 순환 없이, 플라즈마 챔버의 중심부를 통해 가공 기체를 유동시키는 본 발명의 실시양태에 따른 기체 유입 노즐 어레이의 유동 특징에 의해, 소형 극초단파 강을 갖는 작은 플라즈마 챔버의 사용이 가능해진다.
노즐이 극초단파 강 벽을 한정하는 메쉬 외부에 있기 보다는 플라즈마 챔버의 극초단파 강 벽의 일부를 형성하도록, 극초단파/진공 벽의 일부에 의해 기체 주입 노즐을 형성시킬 수 있다.
본 발명의 실시양태의 유동 특징은 또한 플라즈마를 제한하여 챔버의 벽 및/또는 극초단파 윈도우의 손상을 피하면서 플라즈마 반응기를 높은 동력에서 작동시킬 수 있다. 본 발명의 실시양태에 의해 달성되는 플라즈마 챔버 내에서의 고속의 고도로 균일한 기체 유동은 플라즈마 아킹 없이 고압에서 더 많은 동력을 도입할 수 있도록 한다. 기재에 전달되는 동력은 또한 높은 속도, 고도로 균일한 기체 유동과 함께 증가하여 효율을 증가시킨다. 즉, 기재에 전달되는 총 동력의 분율이 증가한다. 전형적으로, 이는 플라즈마 챔버에 공급되는 동력의 45%, 50%, 55%, 60%, 65% 또는 70% 이상이 챔버의 기부(기체 유입구 반대쪽)를 통해 전달될 수 있도록 한다. 챔버의 기부를 통해 전달되는 동력은 대략 챔버 기부를 향한 수소 유동과 동일시되는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 챔버의 기부를 통해 공급되는 동력을 증가시키면 챔버의 기부 위에서 기재로의 수소 유동을 증가시키고, 이는 기재 상에서 더욱 우수한 품질의 다이아몬드 물질이 생성되도록 한다. 또한, 높은 축방향 기체 유동을 이용하면 플라즈마의 안정성을 개선시키는데 도움을 주어서 성장 두께 및 품질 둘 다의 면에서 더욱 균일한 침착을 야기하는 것으로 밝혀졌다.
기체 유동 시스템(112)은 기제 기체 용기(117), 및 기제 기체 용기에 연결되고 가공 기체를 사용시 기재(105)를 향해 유도하기 위하여 기재 홀더(104) 및 기재(105) 위에 축방향으로 배치되는 플라즈마 챔버(102)의 상부에 위치하는 기체 유입 노즐 어레이(120)를 포함한다. 도시된 실시양태에서는, 극초단파 연결부(110)의 중심 도관을 통해 기제 기체 용기(117)로부터 기체 유입 노즐 어레이로 가공 기체를 공급한다. 그러나, 가공 기체를 기체 유입 노즐 어레이(120)에 공급하기 위한 다른 구성도 가능하다.
극초단파를 극초단파 발생기로부터 플라즈마 챔버로 공급하기 위한 극초단파 윈도우(119)가 기재 홀더에 대해 플라즈마 챔버의 대향 말단에 바람직하게 배치된다. 또한, 복수개의 기체 유입 노즐이 극초단파 윈도우보다 기재 홀더에 더 가깝게 바람직하게 배치된다. 이러한 배치는 가공 기체를 기재에 비교적 가까운 위치에 주입하도록 하면서 극초단파 윈도우가 가공 기체로 오염될 가능성을 최소화할 수 있다.
하나 이상의 기체 유출구(122)가 플라즈마 챔버(102)의 기부에 제공된다. 기체 유출구(122)는 기재 홀더(104) 둘레의 고리에 바람직하게 위치하고, 가장 바람직하게는 기재 홀더(104) 둘레의 균일하게 이격된 어레이를 형성하여, 난류를 최소화하고 플라즈마 챔버(102)로의 기체 재순환을 최소화하면서, 기체 유입 노즐 어레이(120)로부터 기재(105)를 향해, 기재(105) 둘레에서, 또한 기체 유출구(122) 밖으로의 연속적인 기체 유동을 향상시킨다. 예를 들면, 기재 홀더(104) 둘레에 바람직하게는 균일하게 이격된 어레이로 배치된 6개, 12개, 18개 또는 30개 이상의 기체 유출구를 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 이와 관련하여, 본 발명의 실시양태가 플라즈마 챔버 내에서의 제어되지 않은 기체 재순환을 감소시키는 기능을 할 수 있기는 하지만, 이것이 기체 유출구를 통해 플라즈마 챔버로부터 빠져나온 가공 기체를 재사용하기 위하여 플라즈마 챔버 외부에 제어되는 기체 재순환 시스템을 사용할 가능성을 배제하는 것은 아님에 주의해야 한다.
플라즈마 반응기를 기재할 때 "상부" 및 "기부" 같은 용어가 본원에 사용되지만, 사용시 기체 유동이 상향이도록 반응기를 도치할 수 있음을 알아야 한다. 이로써, 용어 "상부" 및 "기부"는 반응기 구성요소의 서로에 대한 위치를 일컬으며, 반드시 지면에 대한 이들의 위치를 가리키는 것은 아니다. 표준 사용시, 기체 유동은 기체 유입 노즐 어레이로부터의 기체 스트림이 중력에 따라 하향 유동하도록 하는 하향 방향이다. 그러나, 기체 유입 노즐 어레이로부터의 기체 스트림이 중력에 반해 상향 유동하도록 반응기를 도치할 수 있다. 도치된 배향에서, 기체 유동은 원칙적으로 열에 의해 구동되는 대류 전류(이는 도치된 배열에서 기재 아래에 있는 플라즈마에서 발생된 다량의 열로 인해 상향 방향임)에 평행하다. 이 도치된 배열은 특정 용도에서 몇 가지 이점을 가질 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 극초단파 플라즈마 반응기는 플라즈마 챔버에 배치된 별도의 기재 홀더를 갖지만, 기재 홀더가 플라즈마 챔버의 기부에 의해 형성될 수 있음을 알아야 한다. 용어 "기재 홀더"의 사용은 몇 가지 변화를 포괄하고자 한다. 또한, 기재 홀더는 기재와 동일한 직경을 갖거나(도시된 바와 같이) 기재보다 더 큰 편평한 지지 표면을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기재 홀더는 챔버 기부 또는 챔버 기부 위에 배치된 별도의 구성요소에 의해 형성되는 큰 편평한 표면을 형성할 수 있고, 기재는 편평한 지지 표면의 중심 영역 위에 조심스럽게 위치될 수 있다. 하나의 배열에서, 편평한 지지 표면은 추가적인 요소, 예를 들어 돌출부 또는 홈을 가져서 기재를 임의적으로 유지시킬 수 있다. 다르게는, 기재 홀더가 단순히 기재가 배치되는 편평한 지지 표면을 제공하도록, 이러한 추가적인 요소를 제공하지 않을 수 있다.
기체 유입 노즐 어레이(120)는 가공 기체를 기재 홀더(104)를 향해 유도하기 위하여 기재 홀더(104)에 대향하여 배치된 복수개의 기체 유입 노즐을 포함한다. 기체 유입 노즐 어레이(120)는 플라즈마 챔버(102)의 중심 축에 대해 실질적으로 평행한 배향으로 배치되는 복수개의 기체 유입 노즐을 포함한다. 기체 유입구 어레이(120)는 또한 하나 이상의 기체 유입 파이프로부터 가공 기체를 받아들이기 위한 강(130)을 한정하는 하우징(128)도 포함한다. 하우징(128)은 또한 가공 기체를 강(130)으로부터 플라즈마 챔버(102) 내로 및 기재 홀더(104)쪽으로 주입하기 위한 복수개의 유입 노즐을 한정한다. 예를 들면, 하우징은 금속 벽을 포함할 수 있고 이 벽에서 유입 노즐이 일체형으로 형성된다.
하우징(128) 및 강(130)은 플라즈마 챔버 내로 주입하기 전에 기제 기체를 혼합하기 위한 혼합 챔버로서의 기능을 할 수 있다. 이러한 예비-혼합 챔버는 플라즈마 챔버 내로 주입하기 전에 기체를 효율적으로 혼합하는데 유용한 것으로 밝혀졌다. 뿐만 아니라, 예비-혼합 챔버는 기체 노즐 어레이 전체에 걸쳐 기체 유동이 균일하도록 하는데 유용하다. 예비-혼합 챔버는 기체 혼합을 촉진시키고/시키거나 기체 유입 노즐 어레이로의 기체의 균일한 유동을 제공하기 위하여 기체 유입 노즐 어레이 전에 배치된 확산기 또는 구멍의 어레이를 포함할 수 있다.
하우징(128)은 또한 플라즈마 챔버 내로 확장되어 기체가 기재에 더 가깝게 주입되도록 할 수 있다. 기체 유입 노즐 어레이와 다이아몬드 성장이 이루어지는 기재 사이의 거리는 기재 위의 경계 층의 두께에 영향을 준다. 기체 유입 노즐 어레이와 기재 사이의 거리를 감소시키면 이러한 경계 층의 두께를 감소시키고 다이아몬드 침착 속도를 증가시키는 것으로 밝혀졌다.
기체 유입구 어레이에 대한 다양한 변형이 구상될 수 있다. 예를 들어, 상이한 노즐을 통해 상이한 기체 조성물을 수송하도록 기체 유입구 어레이를 구성할 수 있다. 또한, 복수개의 기체 유입 노즐이 균일하지 않은 간격을 갖고/갖거나 균일하지 않은 노즐 직경을 포함할 수 있다. 이는, 상이한 기체가 상이한 유동 특징을 갖고, 따라서 각각의 노즐 또는 노즐의 군이 특정 기제 기체의 주입에 대해 최적화될 수 있기 때문에, 유리할 수 있다. 이 경우, 혼합강은 격리되어 기제 기체의 혼합을 방지해야 하고, 관련된 기제 기체를 주입하는데 특별하게 적합화된 하나 이상의 노즐로 각각의 기제 기체를 유도하도록 구성되어야 한다.
유입 노즐이 일체형으로 형성되는 금속 하우징의 제공에 대한 대안은 플라즈마 챔버의 상부에서 중심 영역 위로 확장되거나 또는 심지어 플라즈마 챔버의 중심부에서 기재에 더 가깝게 위치되는 극초단파 윈도우에 노즐을 형성시키는 것이다. 예를 들어, 극초단파는 유입 노즐이 일체형으로 형성되는 극초단파 윈도우 물질(예컨대, 석영)의 판을 통해 챔버 내로 연결될 수 있다. 이러한 배열에서, 본 발명의 실시양태에 따라 기체 유입 노즐 어레이에 의해 생성되는 고속 층류는 플라즈마를 극초단파 윈도우로부터 멀리 유지하는데 도움이 된다. 높은 기체 유동을 이용하면 주입 노즐 및 극초단파 윈도우 근처에 침착되는 오염물질이 적어지고, 따라서 기재 상으로 떨어지고 CVD 다이아몬드 물질에서 결함을 형성하는 흑색 반점, 규소 함유물 및 핵 같은 문제점을 야기하는 오염물질의 문제를 감소시킨다.
도 2는 기체 유입 노즐 어레이(120)의 평면도를 도시한다. 어레이는 기체 유입 노즐의 가깝게 팩킹된 육각형 어레이(126)를 포함한다. 어레이는 1cm2당 노즐 0.1개보다 훨씬 더 큰 기체 유입 노즐 수 밀도를 포함하며, 이 때 기체 유입 노즐 수 밀도는, 플라즈마 챔버의 중심 축에 평행하게 수선이 놓이는 평면 상으로 노즐을 투사하고 상기 평면 상에서 기체 유입구 수 밀도를 측정함으로써 측정된다. 어레이가 반드시 평면으로 배치될 수 있는 것은 아니기 때문에 기체 유입 노즐 수 밀도를 이러한 방식으로 측정한다. 예를 들어, 어레이는 구부러지거나 또는 플라즈마 챔버의 중심 축에 평행하게 수선이 놓이는 평면에 대해 달리 기울어진 벽에 배치될 수 있다. 그러나, 도시된 실시양태에서는, 플라즈마 챔버의 중심 축에 평행하게 수선이 놓이는 평면에 어레이가 배치됨에 주목한다.
기체 유입 노즐 어레이(120)는 10보다 훨씬 더 큰 노즐 면적 비를 가질 수 있으며, 이 때 노즐 면적 비는, 플라즈마 챔버의 중심 축에 평행하게 수선이 놓이는 평면 상으로 노즐을 투사하고, 상기 평면 상의 기체 유입 노즐 어레이의 총 면적(A)을 측정한 다음, 노즐의 총 개수로 나누어 각 노즐에 수반되는 면적을 산출하고, 노즐의 실제 면적(a)으로 각 노즐에 수반되는 면적을 나눔으로써 측정된다. 노즐이 상이한 면적을 갖는 경우에는, 평균 노즐 면적을 면적(a)으로 사용할 수 있다. 기체 유입구 어레이의 총 면적(A)이 어레이의 노즐의 외부 고리에 있는 각 노즐의 중심을 통해 통과하는 선에 의해 기술되는 경우에는, 노즐의 외부 고리에 수반되는 면적의 반이 이 면적 외부에 있음에 주목한다. 각 노즐에 수반되는 면적을 올바르게 계산하기 위하여 노즐의 총 개수를 계산할 때 외부 고리에 있는 노즐의 수를 2로 나눈 다음 이 수정된 값을 전술한 계산에 사용함으로써 이를 수정할 수 있다. 어레이에 있는 모든 노즐의 실제 면적을 합하고 어레이에 있는 노즐의 총 개수로 나눔으로써, 각 노즐의 실제 면적을 평균 노즐 면적으로서 계산할 수 있다. 다르게는, 모든 노즐이 동일한 면적을 갖는다면, 하나의 노즐의 면적을 각 노즐의 실제 면적으로 사용할 수 있다.
각각의 기체 유입 노즐(126)은 0.1mm 내지 5mm, 0.2mm 내지 3.0mm, 2.0mm 내지 3mm, 0.2mm 내지 2mm, 0.25mm 내지 2mm, 또는 0.25mm 내지 1.5mm의 유출구 직경을 가질 수 있다. 노즐을 통해 노즐 밖으로 나가 플라즈마 챔버(102) 내로 주입되는 개별적인 기체 스트림의 우수한 층류가 얻어지도록 기체 유입 노즐의 직경을 구성할 수 있다. 기체 유입 노즐(126)의 치수는 또한 기체 주입의 레이놀즈수(Re)에 영향을 준다. 레이놀즈수는 기체 스트림에 작용하는 관성력 대 점성력의 비의 척도를 제공하고, 결과적으로 소정 유동 조건에 있어서 이들 두 유형의 힘의 상대적인 중요도를 정량화하는 무차원수이다. 레이놀즈수를 사용하여 층류 또는 난류 같은 상이한 유동 체제를 특징화시킬 수 있다. 층류는 낮은 레이놀즈수(점성력이 우세함)에서 발생되고 매끈하고 일정한 유체 움직임을 그 특징으로 하는데 반해, 난류는 높은 레이놀즈수에서 발생되고 관성력이 우세한데, 이는 무질서한 소용돌이, 회오리 및 다른 유동 불안정성을 야기하는 경향이 있다. 본 발명의 특정 실시양태에 따르면, 낮은 레이놀즈수에서 작동시켜 난류를 최소화하는 것이 바람직하다. 소수의 보다 큰 노즐에 비해 더 작은 노즐의 어레이를 제공하는 효과는 레이놀즈수를 감소시키는 것이다(기체 스트림의 평균 속도가 유지되는 경우). 이는 작용되는 점성력에 비해 기체 주입의 "관성력" 성분을 감소시킨다. 따라서, 기체 유입 노즐(126)의 치수가 100, 80, 50, 30, 20, 10, 5, 3, 2 또는 1 이하의 기체 주입 레이놀즈수를 제공하도록 선택되는 것이 바람직하다. 실제로, 레이놀즈수는 0.1 이상일 수 있다. 레이놀즈수에 있어서 전형적인 작동 범위는 사용되는 구체적인 노즐 유입 어레이에 따라 1 내지 20일 수 있다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 기체 유입 노즐 어레이(120)의 일부의 수직 단면도이다. 도시된 배열에서, 각 기체 유입 노즐(126)은 제 1 직경(d1)을 갖는 입구부(134) 및 제 2 직경(d2)을 갖는 출구부(136)를 갖는데, 이 때 제 1 직경(d1)은 제 2 직경(d2)보다 더 크다. 낮은 레이놀즈수 체제에서 작동하기에 유리한 출구부의 미세한 구멍이 우수한 기체 유동 특징을 달성하기 위해서는 최소한의 길이로 형성되어야 하기 때문에, 이러한 배열은 유리할 수 있다. 이로써, 우수한 기체 유동 특징을 획득하는데 요구되는 최소한의 길이보다 더 큰 벽 두께에서, 벽 두께의 나머지 부분은 더 큰 직경으로 천공할 수 있다. 예를 들어, 입구부(134)는 길이(l1)를 가질 수 있고, 출구부(136)는 길이(l2)를 가질 수 있으며, l1과 l2의 합은 벽 두께와 같다. 또한, 이 디자인은 수렴하는 노즐 프로파일이 포물선 속도 프로파일의 더 빠른 전개를 초래하기 때문에 깨끗한 층류를 달성하는데 도움을 준다. 물론, 그의 길이를 따라 일정한 직경을 갖거나 또는 연속적으로 변화되게 테이퍼질 수 있는 하나의 연속적인 구멍만으로 구성되는 기체 유입 노즐을 기체 유입 노즐 어레이의 벽 부분에 제공할 수도 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 실시양태를 참조하여 본 발명을 더 기재하였다. 그러나, 본 발명의 영역 내에서 다양하게 변형시킬 수 있는 것으로 예견된다. 예를 들어, 본 발명의 특정 실시양태는 아래 논의되는 기체 유입 노즐 어레이의 하나 이상의 일반적인 디자인 원리를 따를 수 있다.
어레이의 각 노즐은 플라즈마 챔버의 중심 축으로부터 멀어지는 그의 측방향 간격(반경)을 그 특징으로 할 수 있다. 존재하는 경우 중심 노즐은 플라즈마 챔버의 중심 축 아래로 배치될 수 있다. 동일한 반경의(중심 축에 중심을 둔 고리 상에 위치하는) 노즐은 중심 노즐 둘레에서 주기적인 회전 대칭을 보일 수 있으나, 회전 각은 노즐의 상이한 고리마다 달라질 수 있다.
중심 축으로부터의 특정 반경에 위치되는 노즐은 중심 축에 평행할 수 있거나, 또는 중심 축으로부터 발산될 수 있다. 임의의 노즐이 더 작은 반경 상에 위치하기 때문에 임의의 특정 반경에 있는 노즐은 적어도 발산될 수 있다. 이는 이 원리에 따르지 않거나 또는 심지어 수렴하는 각도로 유도되는 소수의 노즐이 허용되지 않는다는 말은 아니다.
노즐은 모두 몇몇 반경(Rp)까지 중심 축에 평행하게 유지되다가 노즐이 위치되는 최대 반경(Rm)으로 발산되기 시작할 수 있다.. Rp와 Rm 사이의 영역에서, 노즐의 발산도는 반경의 함수로서 변할 수 있거나, 또는 발산 각도는 고정될 수 있다.
노즐의 간격은 이들이 생기는 표면 전체에서 균일할 수 있다. 바람직하게는, 노즐은 일관된 기하학적 배열, 가장 바람직하게는 육각형 어레이이다. 특정 이론에 얽매이지 않으면서, 개별적인 노즐로부터의 기체 제트가 이들의 속도 프로파일이 잘 조화되도록 수렴하기 때문에, 이러한 배열은 유리한 것으로 생각된다. 이는 기체 제트가 거의 또는 전혀 방해하지 않으면서 수렴하도록 한다. 다르게는, 노즐의 밀도가 어레이의 외부 가장자리를 향해 감소되도록 노즐의 간격이 반경에 따라 증가할 수 있다. 노즐은 인접한 고리에 놓이는 노즐의 위치 면에서 그다지 명백한 상관관계 없이 별개의 고리로 배열될 수 있다. 실제로, 노즐의 몇몇 합리적으로 균일한 평균 밀도를 제공하여 적절한 성능을 수행하고 본 발명의 이점중 일부를 달성하는 노즐의 무작위적인 어레이를 가질 수 있으나, 가장 우수한 배열은 규칙적인 어레이중 하나이다.
각 노즐의 직경은 임의적으로는 특히 큰 노즐 어레이(예컨대, 100개보다 많은 노즐) 또는 적어도 특히 이러한 어레이의 대다수의 노즐에 있어서 동일하다((예를 들어, 기체 유입 노즐의 50%, 60%, 70%, 80% 또는 90% 이상이 동일한 직경을 갖는다).
중심 축에 평행하게 수선이 놓이는 평면상으로 모든 노즐을 투사하면, 노즐 어레이, 특히 큰 노즐 어레이(예를 들어, 100개보다 많은 노즐)의 노즐의 밀도(노즐의 개수/cm2)는 바람직하게는 0.1, 0.2, 0.5, 1, 2, 5 또는 10개 이상, 및 100, 50 또는 10개 이하이다.
중심 축에 평행하게 수선이 놓이는 평면 상으로 모든 노즐을 투사하면, 어레이에 있는 노즐의 총 면적(이는 어레이에 있는 각 노즐 출구의 면적의 합이다)(mm2)은 1 내지 5000, 5 내지 3000, 10 내지 3000, 20 내지 2750, 30 내지 2750, 또는 50 내지 2700일 수 있다. 노즐이 이격되어 있는 어레이의 총 면적(mm2)은 100 내지 15000, 200 내지 15000, 400 내지 10000, 800 내지 10000, 또는 1000 내지 8000일 수 있다. 노즐의 실제 총 면적 및 어레이의 총 면적은 어레이에 제공되는 노즐의 수 및 이들이 분포되는 면적에 따라 달라지며, 이들은 또한 성장하는 CVD 다이아몬드의 면적에 따라 달라진다. 예를 들어, 간단한 6개 노즐 어레이는 2 내지 3mm의 노즐 직경, 20 내지 50mm2의 총 노즐 면적 및 약 450mm2의 총 어레이 면적을 가질 수 있다. 대조적으로, 91개 노즐 어레이는 약 0.5mm의 노즐 직경, 약 18mm2의 총 노즐 면적 및 약 1000mm2의 총 어레이 면적을 가질 수 있다. 또한, 1519개 노즐 어레이는 0.25 내지 1.5mm의 노즐 직경, 75 내지 2700mm2의 총 노즐 면적 및 약 8000mm2의 총 어레이 면적을 가질 수 있다.
총 노즐 면적/노즐 어레이 면적의 비는 바람직하게는 비교적 낮아야 한다. 예를 들어 0.5, 0.35, 0.3, 0.2, 0.1, 0.05, 0.02, 0.01 또는 0.007 이하여야 한다. 총 노즐 면적/노즐 어레이의 면적의 비는 0.001, 0.004, 0.007, 0.01 또는 0.02 이상일 수 있다. 제공되는 실제 비는 어레이에 제공되는 노즐의 수 및 CVD 다이아몬드가 성장하는 면적에 따라 달라진다. 예를 들어, 간단한 6개 노즐 어레이는 0.05 내지 0.1의 비를 가질 수 있고, 9개 노즐 어레이는 약 0.007의 비를 가질 수 있으며, 721개 노즐 어레이는 0.004 내지 0.2의 비를 가질 수 있으며, 1519개 노즐 어레이는 0.01 내지 0.35의 비를 가질 수 있다.
노즐 어레이 대 기재의 성장 표면 어레이의 면적 비는 0.05 내지 2, 0.1 내지 1.5, 0.5 내지 1.25, 0.8 내지 1.1, 또는 0.9 내지 1.1일 수 있다. 다수개의 노즐(예컨대, 100개, 500개 또는 1000개보다 많음)을 포함하는 어레이의 경우, 어레이의 면적은 성장 표면의 면적과 실질적으로 동일하도록 설정될 수 있다. 더 적은 수의 노즐을 갖는 어레이의 경우, 어레이의 면적은 바람직하게는 기재의 성장 표면의 면적 미만이다.
중심 축에 평행하게 수선이 놓이는 평면 상으로 모든 노즐을 투사하는 경우, 노즐의 총 개수로 나눈 노즐 어레이의 총 면적[π(Rm)2]은 각 노즐에 수반되는 면적을 나타낸다. 각 노즐의 실제 면적으로 나눈 각 노즐에 수반되는 면적의 비는 바람직하게는 10, 30, 100, 300, 1000 또는 3000 이상, 및 100000, 30000 또는 10000 이하이다.
노즐 어레이를 통해 공급되는 총 기체 유량은 500, 750, 1000, 2000, 5000, 10000, 15000, 20000, 25000, 30000, 35000 또는 4000표준cm3/분 이상일 수 있다. 노즐 어레이를 통해 공급되는 총 기체 유량은 사용되는 구체적인 유입 노즐 어레이에 따라 60000, 50000, 30000, 20000 또는 10000표준cm3/분 이하일 수 있다. 예를 들어, 특정 노즐 어레이에서, 전형적인 작동 유량은 목적하는 성장 속도 및 기재 면적에 따라 500 내지 40000, 1000 내지 40000, 또는 2500 내지 40000표준cm3/분일 수 있다.
노즐 어레이를 통해 공급되는 총 기체 유량은 바람직하게는 기재 면적(즉, 기재의 성장 표면 구역) 1cm2당 1분당 3, 10, 20, 50, 100, 200, 500 또는 1000표준cm3 이상, 및 기재 면적 1cm2당 1분당 50000, 20000, 10000 또는 5000표준cm3 이하이다. 기재 면적은 반응기에서 얻어지는 반경(Rs)을 갖는 유용한 침착 구역으로서 정의될 수 있다. 이는 기재(예를 들어, 단일 기재 상의 다결정질 다이아몬드 성장의 경우) 또는 기재 담체(예컨대, 기재 담체가 복수개의 개별 기재를 포함하는, 단결정 다이아몬드 성장의 경우) 또는 개별적인 기재가 위치될 수 있는(예컨대, 치밀하지 못한 성분을 코팅하기 위해) 테이블의 직경에 상응할 수 있다.
각각의 노즐은 바람직하게는 합당한 작동 압력에서 충분한 기체 유동 부피를 허용하기에 충분히 큰 직경을 갖는다. 따라서, 노즐은 너무 작게 형성되어서는 안되고, 이 크기 제한은 노즐 어레이의 면적 전체에 제공될 수 있는 노즐의 밀도를 한정한다. 반대로, 각각의 노즐은 우수한 유동 특징을 갖는 고도로 유도된 기체 스트림을 획득하기에 충분히 작게 형성되어야 한다. 이로써, 각각의 기체 유입 노즐의 직경은 바람직하게는 0.1mm 내지 5mm, 0.2mm 내지 3.0mm, 2.0mm 내지 3mm, 0.2mm 내지 2mm, 0.25mm 내지 2mm 또는 0.25mm 내지 1.5mm이다.
노즐의 어레이는 바람직하게는 그 자체가 챔버의 중심 축 둘레에서 회전 대칭인 표면으로 형성될 수 있다. 이 표면은 평면일 수 있거나, 또는 이는 바람직하게는 일부 매끈하게 변하는 방식으로 구부러질 수 있다. 바람직하게는, 이는 특히 큰 노즐 어레이(예를 들어, 100개보다 많은 노즐) 또는 적어도 특히 이러한 어레이에 있는 노즐의 대다수(50% 초과)의 경우 평면이다.
노즐이 놓이는 표면은 바람직하게는 6Rs, 4Rs 또는 2Rs(여기에서, Rs는 기재 또는 기재 홀더의 반경임) 이하인 중심 노즐(또는 중심 축이 노즐의 제 1 고리의 평면을 가로지르는 곳)로부터의 거리(Dc)만큼 기재에 적당히 가깝다. 바람직하게는, 중심 노즐 또는 노즐의 제 1 고리를 한정하는 평면은 적어도 중심 축으로부터 노즐의 다음 고리에 의해 한정되는 평면만큼 기재에 가깝거나 또는 일부 배열에서는 바람직하게는 더 가깝다. 임의적으로, 노즐의 바깥쪽 고리를 한정하는 평면은 또한 기재로부터 6Rs, 4Rs 또는 2Rs 이하이다.
노즐의 배열은 아래 논의되는 세 가지 예시적인 구성중 하나에 적합한 것으로 생각될 수 있으나, 실제로 세 가지 예시적인 구성은 모두 가능한 구성의 연속적인 스펙트럼을 따라 존재한다.
제 1의 예시적인 구성은, 하나 이상의 중심 노즐(더욱 바람직하게는 오직 하나)을 포함하고 이들 둘레에 6개 이상의 노즐(더욱 특히는 6개의 노즐)이 배치되는, 7개 이상의 노즐을 포함하는 것이며, 이 때 둘러싸는 6개의 노즐은 회전 대칭 패턴을 형성하고, 챔버의 중심 축에 평행하거나 챔버의 중심 축으로부터 발산된다(더욱 특히는 발산된다). 이 구성은 비교적 소수의 노즐로 한정하면서, 노즐 어레이의 제조를 간단하게 만들면서, 또한 상이한 용도의 노즐 직경 및 유속을 변화시키기 위하여 교환가능한 노즐 구멍 같은 추가적인 요소의 사용을 단순화시키면서, 본 발명에 따른 복수개의 노즐의 이점을 얻고자 한다. 이 기법은 특히 붕소를 사용한 도핑을 포함하는 공정과 관련하여 단일 노즐보다 상당히 더 높은 침착 균일성을 달성할 수 있다.
제 2의 예시적인 구성은 모두 플라즈마 챔버의 중심 축에 본질적으로 평행하고 반경(Rp)까지 일부 규칙적인 어레이로 바깥쪽으로 배치되는 노즐의 중심 디스크를 포함하는데, 반경 바깥쪽에는 점점 더 발산되는 노즐의 하나 이상의 고리가 있어서 노즐 어레이의 가장자리를 "유연하게 만든다". 이 구성은 상기 논의된 예로부터의 이점과 아래에 논의된 예로부터의 이점의 균형을 달성하고자 한다.
제 3의 예시적인 구성은 Rp=Rm이고 모든 또는 실질적으로 모든 노즐이 중심 축에 평행한 것이다. 이상적으로, 노즐은 긴밀하게 팩킹된 육각형 어레이로 놓이며, 노즐 어레이의 최대 반경(Rm)은 Rm×Fm이 Rs 이상이라는 기준을 충족시키고, 이 때 Fm은 곱 인자(multiplication factor)로서 바람직하게는 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 또는 1 이상이고, 바람직하게는 1.5, 1.3, 1.2 또는 1.1 이하이다. 이 구성은, 노즐을 함유하는 표면으로부터 기재로의 유동의 조밀한 기둥을 제공하며, 이는 전체 기재를 커버하고, 챔버의 주변 영역에서는 일부 대류 흐름이 있을 수 있어도 막 주입된 기체('새로운' 기체)에만 기재가 노출되도록 본질적으로 챔버 내 기존 기체들의 상호혼합이 일어나지 않게 한다.
전술한 디자인 기준은 아래 논의되는 바와 같이 특정 용도에서 하나 이상의 이점을 제공할 수 있다.
전체 유동을 최적화함으로써, 기재에 대한 플라즈마의 위치 및 균일성을 용이하게 최적화할 수 있다. 기재를 향한 가공 기체의 연속적인 기체 스트림은 플라즈마 영역 전체에 실질적으로 균일한 '압력'을 적용할 수 있다.
노즐 어레이와 기재 사이의 연속적인 기체 스트림 외부에서는 기체 유동이 최소화되기 때문에, 벽 오염물질이 침착 기체 스트림에 들어가지 못하여, 침착된 다이아몬드의 순도가 본질적으로 임의의 벽 오염물질에 무관하도록 한다. 이는 반응기의 벽 또는 다른 표면으로부터 생길 수 있는 규소 및 질소 같은 오염물질을 감소시킨다. 이는 또한 붕소 도핑을 위해 이전에 사용되는 시스템에서 고순도 붕소 비함유 층을 침착시킬 수 있어서, 예를 들어 붕소 함유 층, 이어 붕소 비함유 층을 연속적으로 침착시킬 수 있다. 이는 또한 엄격한 동위원소 제어를 가능케 하여, 상이한 동위원소 조성물의 층을 연속적인 공정으로 또는 별개의 공정으로 정확하게 침착시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 연속적인 기체 스트림은 활성화된 기체가 플라즈마 챔버 내에서 재순환되지 않도록 하고 노즐을 포함하는 표면과 접촉하지 않도록 하여, 이 표면이 침착물을 함유하지 않은 채로 유지되도록 한다. 이는 이러한 침착물이 깨어지거나 기재 상으로 밀릴 위험(이는 결함 성장의 기원이 될 수 있음)을 피한다. 또한, 조밀하게 팩킹된 기체 스트림의 연속적인 기체 유동을 제공함으로써 플라즈마 챔버 내에서의 기체 재순환을 최소화하여, 판의 침식 또는 코팅 없이, 플라즈마 활성화되는 물질에 의해 침식될 수 있는 물질(예컨대, 석영 판)에서 노즐이 형성될 수 있도록 한다. 노즐을 제공하는 이러한 석영 판을 또한, 코팅 형성에 의해 그의 성능을 감소시키지 않으면서, 극초단파 동력의 강 내로의 입구 지점으로서 사용할 수 있다. 다르게는, 기재는 강의 원위 영역에 존재하면서, 기체가 노즐을 통해 도입되는 극초단파 강의 말단이 극초단파가 도입되는 영역에 근접하는 것이 유리하다.
앞서 기재된 유입 노즐 배열을 제공하면 또한 예컨대 다결정질 다이아몬드 물질의 큰 면적에 걸쳐 및/또는 한 번의 성장 실행에서 성장하는 다수의 단결정 다이아몬드에 걸쳐 균일한 도핑이 달성되도록 한다. 또한, 앞서 기재된 유입 노즐 배열은 전자 및 센서 용도를 위한 높은 붕소 도핑 농도 같은 매우 높은 수준의 도핑을 달성하는데 유리한 것으로 밝혀졌다. 본 발명자들은 종래 기술의 장치 및 방법이 작은 면적에 걸쳐 균일한 붕소 도핑을 달성하는데에는 적합하지만 보다 큰 면적에 걸쳐 균일한 도핑을 획득하는데에는 부족하였음을 발견하였다. 이 문제를 연구하면서, 본 발명자들은 놀랍게도 붕소 같은 도판트의 혼입이 전체 기체 유동 및 기체 유동의 기하학적 형태에 매우 민감하고, 본원에 기재된 유입 노즐 배열을 사용해야만이 균일한 도핑 및/또는 높은 수준의 도핑이 달성될 수 있음을 발견하였다.
예를 들어, 본원에 기재되는 유입 노즐 배열은 전체 기체 유동을 증가시키고, 이는 고체에서 측정된 총 붕소 혼입을 증가시키는 것으로 밝혀졌다. 또한, 측부 구멍으로부터 붕소를 첨가하면 축방향 주입에 비해 매우 불량한 붕소 균일성을 야기하는 것으로 밝혀졌다. 비저항 맵(map)은 본 발명의 실시양태가 붕소 균일성을 달성하는데 탁월함을 나타낸다. 유사한 의견이 질소, 규소 및 인 같은 다른 도판트에 적용된다.
따라서, 본 발명의 실시양태는 높은 성장 속도에서 큰 면적에 걸쳐 균일하고 일관된 생성물을 획득할 수 있었다. 뿐만 아니라, 본 발명의 실시양태는, 붕소 농도가 높은 단결정 다이아몬드, 특히 {100} 배향된 단결정 물질 같은, 종래 기술의 방법을 이용해서는 생성시킬 수 없었던 생성물을 합성할 수 있었다.
본 발명의 실시양태는 CVD 다이아몬드 성장 공정에서 균일성을 개선한다. 하기 매개변수중 하나 이상에 의해 균일성 개선을 측정할 수 있다: CVD 다이아몬드 필름의 두께 균일성(Rs에 의해 정의되는 침착 면적 전체에서); 다이아몬드 물질의 하나 이상의 품질 매개변수(예컨대, 색상, 광학 특성, 전자 특성, 질소 흡수, 붕소 흡수 및/또는 붕소 활성화 수준)의 균일성; 다결정질 다이아몬드 물질에서, 텍스쳐, 표면 형태, 입자 크기 등의 균일성; 또는 기재 담체 상의 단결정 다이아몬드 기재의 어레이 상에서 성장이 이루어지는 단결정 다이아몬드 물질에서, 각 단결정 사이에서의 두께, 형태, 가장자리 쌍정 형성, 측방향 성장 등의 균일성.
균일성을 평가하기 위해 선택되는 핵심 매개변수는 합성 공정, 합성 생성물로부터 최종 생성물을 제조함에 있어서의 경제성 및 최종 생성물 자체의 요구조건에 따라 달라진다. 예를 들어, 단결정 다이아몬드의 어레이의 경우, 특히 물질이 절단 용도에 사용될 때, 효율적인 물질 사용을 가능케 하는 인접한 결정 사이의 일관된 형태가 색상에서의 작은 변화보다 더 중요할 수 있다. 반대로, 붕소 도핑된 물질에 있어서는, 붕소 흡수의 균일성이 중요한 인자일 수 있다. 합성 반응기에서 붕소의 행태는 여기에서 중요하다. 그 경향은 붕소 함유 기체가 일단 분해된 후 인접한 표면으로 신속하게 소모되는 것이다. 따라서, 다이아몬드 필름에서 붕소 혼입의 균일성을 달성하는 것은 탄소 함유 물질의 소모가 훨씬 덜 신속하게 이루어지는 내재성 다이아몬드의 성장 속도 또는 형태의 균일성을 달성하는 것과는 상당히 다르다.
바람직한 실시양태를 참조하여 본 발명을 구체적으로 도시하고 기재하였으나, 당 업자는 첨부된 특허청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않으면서 형태 및 세부사항을 다양하게 변화시킬 수 있음을 알 것이다.

Claims (39)

  1. 플라즈마 챔버;
    사용시 합성 다이아몬드 물질이 침착되는 기재를 지지하기 위하여 플라즈마 챔버 내에 배치되는 기재 홀더;
    극초단파 발생기로부터의 극초단파를 플라즈마 챔버 내로 공급하기 위한 극초단파 연결부; 및
    가공 기체를 플라즈마 챔버 내로 공급하고 가공 기체를 플라즈마 챔버로부터 제거하기 위한 기체 유동 시스템
    을 포함하는, 화학적 증착을 통해 합성 다이아몬드 물질을 제조하기 위한 극초단파 플라즈마 반응기로서, 이 때
    상기 기체 유동 시스템이 가공 기체를 기재 홀더쪽으로 유도하기 위하여 기재 홀더에 대향(opposite)하여 배치되는 복수개의 기체 유입 노즐을 포함하는 기체 유입 노즐 어레이를 포함하고;
    상기 기체 유입 노즐 어레이가, 플라즈마 챔버의 중심 축에 대해 평행하게 또는 발산하는(divergent) 배향으로 배치되는 6개 이상의 기체 유입 노즐, 1cm2당 노즐 5개 이상 100개 이하의 기체 유입 노즐 수 밀도, 및 10 이상 100000 이하의 노즐 면적 비를 갖고;
    어레이에 걸쳐 기체 유입 노즐이 이격되어 있는 기체 유입 노즐 어레이의 총 면적이 100 내지 15000mm2이고,
    상기 기체 유입 노즐 수 밀도는, 플라즈마 챔버의 중심 축에 대해 평행하게 수선(normal)이 놓이는 평면 상으로 노즐을 투사하고 상기 평면 상의 기체 유입구 수 밀도를 측정함으로써 측정되고;
    상기 노즐 면적 비는, 플라즈마 챔버의 중심 축에 대해 평행하게 수선이 놓이는 평면 상으로 노즐을 투사하고, 상기 평면 상의 기체 유입 노즐 면적의 총 면적을 측정한 후, 노즐의 총 개수로 나누어 각 노즐에 수반되는 면적을 제공하고, 각 노즐에 수반되는 면적을 각 노즐의 실제 면적으로 나눔으로써 측정되고,
    상기 기체 유입 노즐 수 밀도 및 상기 노즐 면적 비는 상기 기체 유입 노즐 어레이에 있는 모든 기체 유입 노즐의 50% 이상에 대해 측정되는,
    극초단파 플라즈마 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체 유입 노즐 수 밀도가 1cm2당 노즐 10개 이상 100개 이하인, 극초단파 플라즈마 반응기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체 유입 노즐 수 밀도가 1cm2당 노즐 5개 이상, 노즐 50개 또는 10개 이하인, 극초단파 플라즈마 반응기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐 면적 비가 30, 100, 300, 1000 또는 3000 이상 100000 이하인, 극초단파 플라즈마 반응기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 노즐 면적 비가 10이상, 30000 또는 10000 이하인, 극초단파 플라즈마 반응기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체 유입 노즐 어레이가 7, 9, 10, 15, 20, 30, 40, 60, 90, 120, 150, 200, 300, 500, 700, 1000, 1200 또는 1500개 이상의 기체 유입 노즐을 포함하는, 극초단파 플라즈마 반응기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체 유입 노즐이 각각 0.1mm 내지 5mm, 0.2mm 내지 3.0mm, 2.0mm 내지 3mm, 0.2mm 내지 2mm, 0.25mm 내지 2mm, 또는 0.25mm 내지 1.5mm의 유출구 직경을 갖는, 극초단파 플라즈마 반응기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 총 노즐 면적/기체 유입 노즐 어레이의 면적의 비가 0.5, 0.35, 0.3, 0.2, 0.1, 0.05, 0.02, 0.01 또는 0.007 이하인, 극초단파 플라즈마 반응기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체 유입 노즐 어레이에 있는 노즐의 총 면적이 1 내지 5000mm2, 5 내지 3000mm2, 10 내지 3000mm2, 20 내지 2750mm2, 30 내지 2750mm2, 또는 50 내지 2700mm2인, 극초단파 플라즈마 반응기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    기체 유입 노즐이 이격되어 있는 기체 유입 노즐 어레이의 총 면적이 200 내지 15000mm2, 400 내지 10000mm2, 800 내지 10000mm2, 또는 1000 내지 8000mm2인, 극초단파 플라즈마 반응기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체 유입 노즐 어레이와 기재 홀더 사이의 최소 거리(Dc)가 6Rs, 4Rs 또는 2Rs 이하이고, 이때 Rs가 기재 홀더의 반경인, 극초단파 플라즈마 반응기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체 유입 노즐 어레이의 최대 반경(Rm)이, Rm×Fm이 Rs 이상이라는 기준을 충족시키고, 이 때 Rs는 기재 홀더의 반경이며, Fm은 곱 인자(multiplication factor)로서 0.5 이상 1.5 이하인, 극초단파 플라즈마 반응기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체 유입 노즐 각각이 제 1 직경을 갖는 입구부 및 제 2 직경을 갖는 출구부를 갖고, 상기 제 1 직경이 제 2 직경보다 더 큰, 극초단파 플라즈마 반응기.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 극초단파 발생기로부터의 극초단파를 플라즈마 챔버 내로 공급하기 위한 극초단파 연결부가 기재 홀더 앞(upstream)의 플라즈마 챔버 말단에 배치되고,
    상기 기체 유입구 어레이가 상기 말단의 중심 영역에 배치되고,
    상기 극초단파 연결부가 기체 유입구 어레이 둘레에서 고리로 배치된 극초단파 윈도우를 포함하는, 극초단파 플라즈마 반응기.
  15. 가공 기체를 복수개의 기체 유입 노즐을 통해 플라즈마 챔버 내로 주입하고;
    극초단파 발생기로부터의 극초단파를 극초단파 연결부를 통해 플라즈마 챔버 내로 공급하여, 기재 홀더 상에 배치된 기재 위에 플라즈마를 형성하고;
    기재의 성장 표면 상에서 합성 다이아몬드 물질을 성장시킴
    을 포함하는, 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 극초단파 플라즈마 반응기를 사용하여 합성 다이아몬드 물질을 제조하는 방법.
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