KR102258334B1

KR102258334B1 - 기상화학증착법을 이용한 입자형 다이아몬드 단결정 제조 방법

Info

Publication number: KR102258334B1
Application number: KR1020190053848A
Authority: KR
Inventors: 이재갑; 지광구
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2019-05-08
Filing date: 2019-05-08
Publication date: 2021-06-01
Also published as: KR20200129445A; US20200354854A1

Abstract

본 발명의 일 관점에 의하면, 기상화학증착법을 이용한 입자형 다이아몬드 단결정 제조 방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 입자형 다이아몬드 단결정 제조 방법은 시드용 단결정 다이아몬드 그릿을 다이아몬드 합성용 챔버 내 스테이지 기판 상에 배치시키는 단계; 및 상기 챔버 내로 원료 가스를 투입하여 상기 시드용 단결정 다이아몬드 그릿을 3차원 성장시켜 입자형 다이아몬드 단결정으로 성장시키는 단계;를 포함한다.

Description

기상화학증착법을 이용한 입자형 다이아몬드 단결정 제조 방법{Growth Method of Diamond Single Crystal Particles by Chemical Vapor Deposition}

본 발명은, 기상화학증착법(chemical vapor deposition, CVD)에 의한 단결정 다이아몬드 제조 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 미세한 크기의 그릿(grit)형태의 다이아몬드 시드(seed)를 기상화학증착법으로 성장시켜 상대적으로 더 큰 크기를 가지는 입자(partilce) 형태의 단결정 다이아몬드를 제조하는 방법에 관한 것이다.

1955년 미국의 GE에 의해 고온고압(HPHT, High Temperature High Pressure)법에 의한 다이아몬드 합성법이 알려졌다. 이 HPHT법에서 제조되는 다이아몬드는 크기(직경을 의미한다)가 약 0.5 mm인 그릿(Grit) 형태의 입자이다. 이 다이아몬드 단결정 그릿은, 도 13에 도시되어 있는 것과 같이, 표면이 (100)면과 (111)면이 교대로 나타나는, 큐브옥타헤드론(Cuboctahedron) 형태를 보인다. 1970년대에 이러한 다이아몬드 단결정 그릿을 시드(seed)로 이용한 'HPHT법 단결정 다이아몬드 육성법'이 제안되었는데, 이 방법으로 수 백 ㎛의 두께를 가지는 약 1x1 cm² 정도의 판상의 단결정 다이아몬드가 제조되었다. 1980년대에 기상화학증착법(Chemical Vapor Deposition, 기상화학증착)에 의한 다이아몬드 합성이 보고되었다. 기상화학증착법에서 다이아몬드는 '다결정성 막'으로 합성된다. 2000년대에 이르러, 기상화학증착법을 이용한 '기상화학증착 단결정 육성법'이 제안되었다. HPHT 다이아몬드는 합성과정이 대기에 노출되어 있으므로 질소가 원자수준 불순물로 함유되어 황색을 보임에 비해 기상화학증착법에 의한 합성은 진공상태에서 이루어지므로 천연다이아몬드 수준의 투명한 다이아몬드 제조가 가능하다. '기상화학증착 단결정 육성법'은 플라즈마를 이용하는 기상화학증착 장치로 이루어지는데, 마이크로웨이브 플라즈마 기상화학증착 장치가 주로 사용된다.

기상화학증착법에 의한 단결정 다이아몬드는 주로 전자소자에 사용될 목적으로 판상으로 제조되어 왔다. 이 방법에서는 HPHT 단결정 육성법으로 제조된 약 1x1 cm² 크기 단결정 다이아몬드 판(두께 약 0.5 mm)이 시드로 사용하고, 판상의 시드 일면에 다이아몬드 단결정층을 기상화학증착법으로 증착하여 두껍게 성장시킨다. 즉, 기존의 기상화학증착 단결정 성장은, 두께가 두꺼워지는 '1차원 성장'에 의해 이루어 지는데, 두께가 증가함에 따라 면적은 줄어드는 경향을 보인다. 이러한 1차원 성장은 다이아몬드의 면적을 확대할 수 없는 문제가 있다. 한편, 기상화학증착 성장된 판상의 단결정 다이아몬드(약 1x1x1 cm³)는 전자소재로 사용되거나, 보석 또는 공구(끝이 뾰족한 팁)으로 제조된다. 종래의 판상의 기상화학증착 단결정 다이아몬드는, 보석이나 공구로 제조될 경우, 약 5 mm 조각으로 절단되어 가공되어야 하는데, 이에 따른 다이아몬드의 손실이 발생된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 그릿 형태의 다이아몬드 단결정을 시드로 사용하되, 기상화학증착법을 이용한 시드의 3차원 성장을 통해 크기가 증가된 입자형 다이아몬드 단결정의 제조방법이 제공된다. 그러나, 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 관점에 의하면, 기상화학증착법을 이용한 입자형 다이아몬드 단결정 제조 방법이 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 입자형 다이아몬드 단결정 제조 방법은 시드용 단결정 다이아몬드 그릿을 다이아몬드 합성용 챔버 내 스테이지 기판 상에 배치시키는 단계; 및 상기 챔버 내로 원료 가스를 투입하여 상기 시드용 단결정 다이아몬드 그릿을 3차원 성장시켜 입자형 다이아몬드 단결정으로 성장시키는 단계;를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 입자형 단결정 다이아몬드 그릿은 표면이 (100)면 및 (111)면으로 구성된 큐브옥타헤드론(cuboctahedron) 모양을 가지는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 입자형 다이아몬드 단결정으로 성장시키는 단계에서는, 상기 시드용 단결정 다이아몬드 그릿의 표면에서 2차 핵생성이 일어나지 않으면서, 상기 성장이 상기 (100)면이 주도되는 니어 <100> 방향 혹은 니어 <110> 방향 집합조직 조건에서 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 시드용 단결정 다이아몬드 그릿은 고온고압법에 의해 제조된 인조 다이아몬드 이거나 혹은 천연 다이아몬드일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 스테이지 기판은, 상기 단결정 다이아몬드 그릿 시드를 수용하는 상기 수용홈부가 상면에 일정 간격으로 복수개가 배치되어 있는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 시드용 단결정 다이아몬드 그릿을 챔버 내 스테이지 기판 상에 배치시키는 단계는, 상기 시드용 단결정 다이아몬드 그릿이 상기 스테이지 기판의 상면으로부터 상부 방향으로 돌출되도록 상기 수용홈부 내에 배치시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 원료 가스는, 수소가스 및 탄화수소 가스가 혼합된 혼합가스이고, 상기 혼합가스 내의 탄화수소 가스의 조성은 부피비로 1% 내지 20% 범위를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 입자형 다이아몬드 단결정으로 성장시키는 단계는 하기 수학식 1로 표현되는 조건에서 수행될 수 있다.

수학식 1 : y ≤ 0.125(x-40)+ 5

y: 혼합 가스 내 메탄의 부피비(%)

x : T+40 내지 T+120 (T는 <100> 집합조직이 나타나는 증착온도)

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 원료 가스 투입 후 챔버의 압력은 10Torr 내지 500Torr 범위를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 원료 가스의 유량은 10sccm 내지 1,000sccm범위를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 챔버는, 다수의 음극으로 이루어진 음극부와 양극부 사이에 직류전원 플라즈마를 발생시켜 다이아몬드를 합성할 수 있는 내부 공간이 형성되는 기상화학증착용 챔버일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 수용홈부의 간격이 1 mm 이상일 수 있다.

본 발명의 실시예에 의할 시, 상대적으로 미세한 크기를 가지는 다이아몬드 단결정 그릿을 성장시켜 공업적 혹은 상업적으로 의미가 있는 수준의 크기, 예를 들어 약 5mm의 크기를 가지는 입자형 단결정 다이아몬드의 제조가 가능하다. 이러게 제조된 다이아몬드 단결정 입자는 공구 등의 공업용 응용 뿐만 아니라 보석용 다이아몬드로의 적용이 가능하며, 이러한 입자형 단결정 다이아몬드를 종래의 HPHT법에 비해 낮은 비용으로 효율적으로 제조할 수 있다. 또한, 본 발명은 3차원 성장이 가능하므로 단결정 다이아몬드의 면적 확대의 한 방법을 제공할 수 있다. 또한 종래의 판상의 다이아몬드 단결정을 약 5mm 조각으로 절단하는 과정에서 발생되는 다이아몬드의 손실 문제를 해결할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 증착온도에 따른 박막형 다결정성 다이아몬드합성시 증착조건에 따른집합조직의 변화를 보여준다.
도 2에는 본 발명의 실시예에 따라 성장된 다이아몬드 단결정의 표면을 주사전자현미경으로 관찰한 결과이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 성장된 다이아몬드의 (111)면에서의 2차 핵생성 발생 여부를 확인한 결과이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 입자형 다이아몬드 단결정을 주사전자현미경으로 관찰한 결과이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이아몬드 성장 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 6 및 도 7은 도 5의 다이아몬드 성장 장치의 스테이지 기판 및 양극부를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 8는 도 5의 다이아몬드 성장 장치의 복수개의 음극 장치 조합의 배열을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 9는 도 5의 다이아몬드 성장 장치의 음극 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 10은 도 9의 음극 장치의 음극 홀더를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 11 및 도 12은 도 10의 음극 장치의 음극 간 이격 거리를 조절한 모습을 개략적으로 나타내는 단면도들이다.
도 13은 큐브옥타헤드론 모양의 다이아몬드 단결정 그릿을 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 입자형 다이아몬드 단결정의 제조방법에 의하면, 우선 입자형 다이아몬드 단결정의 제조를 위해 단결정 다이아몬드 그릿(grit)을 시드(seed)로서 다이아몬드 합성용 챔버 내 스테이지 기판 상에 배치시키는 단계가 진행된다.

여기서 입자형 다이아몬드 단결정은 종래의 판상형 다이아몬드 단결정과 구분하기 위한 것으로서, 그릿 형태의 시드가 중심으로부터 거의 모든 방향으로 성장하는 3차원 성장을 함에 따라 형성된 입자 형태를 가지는 다이아몬드 단결정을 의미한다.

상기 시드용 단결정 그릿은 고온고압법에 의해 제조된 인조 다이아몬드일 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않고, 다른 예로서, 상기 시드는 천연 다이아몬드를 그릿 형태로 가공한 것일 수 있다. 상기 시드는 (100) 및 (111) 면으로 구성된 큐브옥타헤드론 모양의 다이아몬드 단결정일 수 있다. 이러한 시드용 단결정 그릿은 크기가 예를 들어, 약 0.5mm 이하의 크기를 가질 수 있다.

상기 챔버는 기상화학증착 공정을 진행하기 위한 것으로 상기 챔버와 연결된 펌프를 이용하여 소정의 진공분위기를 조성 및 유지할 수 있다. 이러한 챔버는 내부로 투입되는 가스의 반응성을 높이기 위하여 이를 플라즈마(plasma)화 하는 구성을 구비할 수 있다. 이러한 플라즈마를 발생시키는 구성에 따라 마이크로웨이브 플라즈마 기상화학증착 혹은 직류전원 아크 플라즈마 기상화학증착 챔버가 될 수 있다.

챔버 내부에 장착되는 상기 스테이지 기판의 일면에는 상기 시드용 단결정 그릿을 수용할 수 있는 수용홈부가 복수개로 형성된 것일 수 있다. 상기 수용홈부에는 상기 시드용 단결정 그릿이 내부에 안착되어 수용되게 된다. 이때, 수용홈부의 폭, 깊이 및 수용홈부 사이의 간격은 시드용 단결정 그릿의 크기 및 최종적으로 목표로 하는 입자형 단결정 다이아몬드의 목표 크기를 고려하여 변화될 수 있다. 예를 들어, 후술하는 다이아몬드 성장 단계에서 시드용 단결정 그릿의 성장 공간을 확보하기 위해 수용홈부의 간격은 상기 목표 크기보다 1 mm이상 크게 형성시킬 수 있다. 상기 스테이지 기판은 고융점 금속, 예를 들어 몰리브데늄(Mo), 탄탈륨(Ta)이나 텅스텐(W)으로 제조될 수 있다.

시드용 단결정 그릿이 챔버 내에서 스테이지 기판의 수용홈부에 장착된 후 챔버 내로 원료 가스를 투입하여 상기 시드용 단결정 그릿의 표면에 다이아몬드 단결정을 증착함으로써 상기 시드용 단결정 그릿의 3차원 성장을 수행하게 된다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 시드는 그릿 형태의 3차원 입자이며, 스테이지 기판의 수용홈부 바닥면과 직접 접촉하는 영역을 제외하고는 기상화학증착에 의해 다이아몬드 단결정의 성장이 일어날 수 있는 표면을 제공한다. 따라서 시드용 단결정 그릿으로부터 3차원적인 성장에 의해 크기의 증가가 일어나게 된다.

이때 본 발명의 기술 사상에 의하면, 이러한 3차원 성장이 지속적으로 유지되기 위해서는 다이아몬드 단결정의 성장 과정에서 집합조직의 제어를 통해 시드용 단결정 그릿의 표면에서는 2차 핵생성이 일어나지 않으면서, (100)면이 주도되는 니어 <100> 방향(near <100> orientation) 또는 니어 <110> 방향(near <110> orientation)의 집합조직이 형성 및 유지되는 조건에서 성장이 일어나도록 하여야 한다.

여기서, 니어 <100> 방향은 <100> 방향에서 10도 이내의 각도 범위로 기울어진 방향을 의미하며, 니어 <110> 방향은 <100> 방향에서 10도 이내의 각도 범위로 기울어진 방향을 의미한다. 도 1의 (마)에는 니어 <100> 방향 및 니어 <110> 방향에 대한 표시가 나타나 있다.

상술한 '(100)면이 주도 되는 조건'의 의미는 아래와 같이 정의한다. 즉, 성장이 일어나기 전 시드용 단결정 그릿은 (100)면 및 (111)면으로 이루어진 큐브옥타헤드론 모양을 가지고 있으나, 성장이 시작됨에 따라 (100)면의 성장속도가 시드용 단결정 그릿의 다른 면인 (111)면의 성장속도에 비해 더 작은 값을 가지게 되며, 따라서 성장이 일어나기 전과 비교하여 다이아몬드의 성장이 진행되는 중에 그릿의 표면에서 (100)면이 차지하는 면적 비율이 (111)에 비해 더 큰 비율을 가지게 됨을 의미한다.

또한 2차 핵생성은 특정 결정면의 표면에서 상기 특정 결정면의 결정방위와 다른 결정방위를 가지는 핵이 생성되는 것을 의미하며, 이러한 2차 핵생성이 일어날 경우, 상기 특정 결정면의 표면에서는 2차 핵생성된 결정의 결정면으로 이루어진 패싯(facet)이 다수 형성되게 된다. 이에 비해 이러한 2차 핵생성이 일어나지 않은 경우에는 상기 특정면에서는 이러한 패싯의 형성이 일어나지 않게 된다.

본 발명자는 큐브옥타헤드론 모양을 가지는 시드용 단결정 그릿이 단결정을 유지하면서 3차원 성장을 지속하기 위해서는 기상화학증착 단계에서 시드용 단결정 그릿의 표면에서 2차 핵성성이 일어나지 않도록 억제되어야 하며, (100)면이 니어 <100> 방향 혹은 니어 <110> 방향으로 성장하되, 주도적인 면이 되도록 성장해야 함을 발견하였다. 이하 이러한 조건을 본 명세서에서는 편의상 '3차원 성장 조건'이라 지칭한다.

이러한 '3차원 성장 조건'은 기상화학증착의 증착조건을 적절히 제어함으로 구현될 수 있다. 이러한 증착조건은 원료 가스로 투입되는 혼합가스 내에서의 탄화수소 가스의 조성 혹은 증착 온도 등을 포함할 수 있다. 상기 혼합가스는 캐리어 가스인 수소가스와 탄소의 공급원인 탄화수소 가스가 혼합된 것을 의미할 수 있다. 이에 대해서는 후술하는 실험예에서 자세하기 기술한다.

본 발명의 입자형 다이아몬드 단결정 제조를 위한 기상화학증착법에 있어서, 플라즈마 발생을 위한 에너지 공급원으로 마이크로웨이브를 이용하거나 혹은 직류전원이 이용될 수 있다. 이하에서는 단결정 성장을 위한 방법으로 다음극 직류전원 플라즈마 기상화학증착법을 사용하는 경우를 예를 들어 3차원 성장 방법에 대해서 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다음극 직류전원 플라즈마 화학 증착 장치(100)를 개략적을 나타내는 단면도이고, 도 6 및 도 7은 도 5의 다음극 직류전원 플라즈마 화학 증착 장치(100)의 스테이지 기판(70) 및 양극부(20)를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 그리고, 도 8는 도 5의 다음극 직류전원 플라즈마 화학 증착 장치(100)의 복수개의 음극 장치 조합의 배열을 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 9는 도 5의 다음극 직류전원 플라즈마 화학 증착 장치(100)의 음극 장치(32)를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 또한, 도 10은 도 9의 음극 장치(32)의 음극 홀더(32b)를 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 11 및 도 12은 도 9의 음극 장치(32)의 음극(N) 간 이격 거리(D)를 조절한 모습을 개략적으로 나타내는 단면도들이다.

먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다음극 직류전원 플라즈마 화학 증착 장치(100)는, 기상화학증착 챔버(10)와, 양극부(20)와, 음극부(30)와, 진공 펌프(40)와, 가스 유입부(50)와, 직류전원 공급장치(60) 및 스테이지 기판(70)을 포함할 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 기상화학증착 챔버(10)는, 플라즈마(P)를 발생시켜 시드용 단결정 그릿(S)를 배치할 수 있는 내부 공간(A)이 형성될 수 있다. 더욱 구체적으로, 기상화학증착 챔버(10)는, 내부 공간(A) 내에 설치된 양극부(20) 및 음극부(30)를 이용하여 플라즈마(P)를 발생시켜, 시드용 단결정 그릿(S)로부터 다이아몬드 단결정을 형성하는 공정이 진행될 수 있다.

또한, 기상화학증착 챔버(10)는, 내부 공간(A)의 진공 분위기를 형성하고, 진공도를 조절하여 내부 공간(A)의 플라즈마 반응 압력을 조절할 수 있도록, 일측에 진공 펌프(40)가 설치되고, 내부 공간(A)으로 캐리어 가스인 수소와 탄소의 공급원인 탄화수소가 혼합된 원료 가스가 주입될 수 있도록 타측에 원료 가스 공급원과 연결되는 관 형상의 가스 유입부(50)가 설치될 수 있다. 더불어, 도시되지 않았지만 기상화학증착 챔버(10)의 일측면에는 시드용 단결정 그릿(S)를 수용하는 스테이지 기판(70)을 내부 공간(A)으로 로딩 또는 언로딩할 수 있는 게이트가 형성될 수 있다.

또한, 도 5 에 도시된 바와 같이, 양극부(20)는, 스테이지 기판(70)을 지지할 수 있도록 기상화학증착 챔버(10)의 내부 공간(A)에 설치되고, 상면에 지지된 스테이지 기판(70)에 안착된 복수개의 시드용 단결정 그릿(S)로부터 다이아몬드 단결정이 성장할 수 있도록 기상화학증착 챔버(10)의 중심축을 기준으로 회전 가능하게 설치될 수 있다.

이와 같이, 시드용 단결정 그릿(S)가 안착된 스테이지 기판(70)과 이의 지지대 역할을 하는 양극부(20)는, 가스 유입부(50)를 통해서 내부 공간(A)을 공급되는 원료 가스를 플라즈마화 하기 위한 하부 전극으로의 기능을 할 수 있도록, 전도성 고융점 금속 재질로 형성되고 일측이 접지될 수 있다.

상기 전도성 고융점 금속 재질은, 예를 들면, 시드용 단결정 그릿(S)가 안착되는 스테이지 기판(70)은 몰리브데늄(Mo), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta) 중 어느 하나가 사용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 비교적 저렴하고 가공성이 좋은 몰리브데늄으로 제작될 수 있다. 또한, 스테이지 기판(70)을 지지하는 양극부(20)는, 음극부(30)의 복사열에 의해 스테이지 기판(70)이 과열되는 것을 방지할 수 있도록 구리 또는 스테인레스 스틸로 형성되고, 그 내부에는 냉각수가 흐르는 냉각유로가 형성되어 냉각 자켓의 역할을 할 수 있다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 음극부(30)는, 스테이지 기판(70)이 지지된 양극부(20)와 대향되도록 기상화학증착 챔버(10)의 상부에 설치되고, 서로 독립된 직류전원 공급장치(60)와 연결되는 복수개의 음극 장치 조합으로 형성될 수 있다. 이때, 음극부(30)는 기상화학증착 챔버(10)의 상면에 형성된 탑 플레이트(11)에 설치되어, 음극부(30)의 유지 보수나 챔버(10) 내부의 유지 보수 시 탑 플레이트(11)의 분해만으로 용이하게 유지 보수를 실시할 수 있다.

더욱 구체적으로, 진공 펌프(40)에 의해 진공 상태로 유지되는 기상화학증착 챔버(10) 내부 공간(A)의 하부와 상부에 양극부(40)와 음극부가(40)가 대향되게 소정의 이격 거리(G)로 이격되어 설치되고, 기상화학증착 챔버(10)의 일측에는 상기 원료 가스의 유입을 위한 가스 유입부(50)와 타측에는 플라즈마 반응 압력 조절을 위한 진공 펌프(40)가 설치될 수 있다. 이때, 음극부(30)는, 기상화학증착 챔버(10)에 승하강 가능하게 설치되어, 양극부(20)에 안착된 스테이지 기판(70)의 상면과의 이격 거리(G)를 조절할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 스테이지 기판(70)에 수용된 시드용 단결정 그릿(S)이 균일하게 성장될 수 있는 30mm 내지 50mm 사이에서 이격 거리(G)가 조절될 수 있다. 다음극 직류전원 플라즈마 화학 증착 장치(100)에서는 음극부(30)와 양극부(20)의 이격 거리(G)가 하나의 중요한 변수로 작용할 수 있으며, 이에 따라 이격 거리(G)는 단결정 다이아몬드의 합성 중에도 상술한 범위 내에서 조절이 가능하도록 구성될 수 있다.

또한, 음극부(30)의 상기 음극 장치 조합은, 서로 독립된 직류전원 공급장치(60)와 각각 연결될 수 있으며, 이는 상기 음극 장치 조합이 동일한 직류전원 공급장치에 연결될 경우 각 음극 장치의 음극(N)과 양극부(20) 사이에 전기저항에 차이가 발생하면 각 음극 장치 중 하나의 음극(N)으로만 전류가 흐르게 되는 현상을 방지하기 위해서일 수 있다.

예컨대, 음극부(30)의 각 음극 장치 중 일부의 음극(N)으로만 전류가 흐르게 되면 플라즈마(P)는 전류가 흐르는 음극(N)과 양극부(20) 사이에만 형성되어 플라즈마(P)의 크기가 줄어들고 그 형상이 일측으로만 치우치게 형성되어, 스테이지 기판(70)에 수용된 복수의 시드용 단결정 그릿(S)의 균일한 성장이 불가능해질 수 있다.

이에 따라, 음극부(30)의 각 음극 장치가 서로 독립된 직류전원 공급장치(60)와 각각 연결되어, 각 음극 장치의 음극(N)과 양극부(20) 사이에 균일한 전류가 흐를 수 있도록, 전류 밀도를 각각 조절하여 플라즈마(P)가 대면적에 걸쳐서 균일하게 발생하도록 유도할 수 있다.

또한, 시드용 단결정 그릿(S)를 수용하는 스테이지 기판(70)과 이를 지지하는 양극부(20)의 구조에 대해 더욱 구체적으로 설명하면, 도 6에 도시된 바와 같이, 스테이지 기판(70)은 원판 형상으로 형성되어 상면에 시드용 단결정 그릿(S)이 안착될 수 있는 복수개의 수용홈부(71)가 일정 간격으로 배치되어 형성될 수 있다. 예컨대, 스테이지 기판(70)의 수용홈부(71)에 고온고압법에 의해 제조된 시드용 단결정 그릿(S)를 수용할 수 있다.

이때 수용홈부(71)의 폭, 높이 및 간격은 최종 성장된 다이아몬드 단결정 입자의 크기를 고려하여 적절하게 설계되어야 한다. 예를 들어, 수용홈부의 간격(d)도 최종 다이아몬드 단결정 입자의 폭방향 크기를 고려하여 배치되어야 하며, 예를 들어 최종 다이아몬드 단결정 입자의 폭방향 크기보다 최소한 1mm 이상 더 크도록 설계되어야 한다.

또한, 플라즈마(P)가 안정적으로 발생되고 시드용 단결정 그릿(S)가 용이하게 성장될 수 있도록, 또한 수용홈부(71)의 높이도 시드용 단결정 그릿(S)의 높이에 비해 더 작은 값을 가지도록 하여 시드용 단결정 그릿(S)이 수용홈부(71) 내에 수용되었을 때 스테이지 기판(70)의 상면으로부터 일정 높이의 돌출 높이(h)를 가질 수 있어야 한다. 이때, 플라즈마(P)와 접하고 있는 스테이지 기판(70)이 양극부(20)와 함께 전극(양극)의 역할을 하고 있는 특성 상, 플라즈마(P)가 안정적으로 발생할 수 있도록, 스테이지 기판(70)의 상면으로부터 일정 높이로 돌출되는 시드용 단결정 그릿(S)의 돌출 높이(h)는 0.5mm 이하가 바람직할 수 있다.

예컨대, 시드용 단결정 그릿(S)의 돌출 높이(h)가 0.5mm를 초과할 경우, 전극 역할을 하는 스테이지 기판(70)이 다이아몬드 시드(S)에 덮여지는 효과가 발생하여 플라즈마(P)가 소실되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 시드용 단결정 그릿(S)의 돌출 높이(h)는 0.5mm 이하로 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 이에 따라, 스테이지 기판(70)의 수용홈부(71)의 깊이는 0.1mm 내지 10mm의 범위에서 시드용 단결정 그릿(S)의 돌출 높이(h)를 0.5mm 이하로 형성할 수 있는 깊이로 설정될 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 양극부(20)는, 스테이지 기판(70) 보다 큰 지름의 원판 형상으로 형성되고, 상면에 스테이지 기판(70)의 적어도 일부분과 대응되는 형상의 안착홈부(21)가 형성되어, 안착홈부(21)에 스테이지 기판(70)의 적어도 일부분이 안착될 수 있다. 이와 같이, 스테이지 기판(70)은 수용홈부(71)에 수용된 시드용 단결정 그릿(S)의 성장 상태에 따라 쉽게 교체가 가능하도록 양극부(20)와 독립되도록 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 다음극 직류전원 플라즈마 화학 증착 장치(100)는, 다음극 직류전원 플라즈마 기상화학증착 다이아몬드 합성법에서 합성 조건 변화에 따라 플라즈마(P)의 균일성을 유지할 수 있도록, 음극부(30)의 상기 음극 장치 조합 각각의 음극(N) 간 이격 거리(D)를 조절할 수 있다.

더욱 구체적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 음극부(30)의 상기 음극 장치 조합은, 중심부에 형성되는 하나의 중심 음극 장치(31)를 중심으로 복수개의 음극 장치(32)가 방사상으로 일정 각도(θ)로 등각 배치될 수 있다. 예컨대, 음극부(30)는, 7개의 음극 장치 조합으로 형성되고, 중심부에 형성되는 하나의 중심 음극 장치(31)를 중심으로 6개의 음극 장치(32)가 방사상으로 60도 간격으로 등각 배치될 수 있다.

이때, 중심 음극 장치(31)와 각각의 음극 장치(32)는, 중심 간의 간격(d1)이 43mm 내지 47mm 간격으로 형성되고, 각 중심 간의 간격(d1)이 동일하게 형성되는 것이 균일한 플라즈마(P) 발생을 위해 바람직할 수 있다. 이와 같은, 음극부(30)의 상기 음극 장치 조합의 음극 장치의 개수나 배열 형태 등과 같은 구성은, 반드시 이에 국한되지 않고 복수개의 시드용 단결정 그릿(S)가 수용되는 스테이지 기판(70)의 면적이나 단결정 다이아몬드 합성 조건에 따라 다양하게 조절이 가능할 수 있다.

각 음극 장치(32)의 구조에 대해 상세히 설명하면, 도 9에 도시된 바와 같이, 음극 장치(32)는, 기상화학증착 챔버(10)의 상부의 탑 플레이트(11)에 설치되고, 원기둥 형상으로 형성되어 직류전원 공급장치(60)와 연결되는 음극 본체(32a)와, 음극 본체(32a)와 동일한 지름의 원기둥 형상으로 형성되어 음극 본체(32a)의 단부에 나사 결합되는 음극 홀더(32b)와, 음극 홀더(32b) 보다 작은 지름의 봉 형상으로 형성되어 음극 홀더(32b)의 단부에 나사 결합되는 음극 현수봉(32c) 및 음극 현수봉(32c) 보다 큰 지름의 원기둥 형상으로 형성되어 음극 현수봉(32c)의 단부에 나사 결합되는 상기 음극(N)으로 구성될 수 있다.

예컨대, 음극(N)은, 음극 본체(32a)의 하단부에 형성된 음극 현수봉(32c)에 의해 기상화학증착 챔버(10)의 내부 공간(A) 내에서 현수(懸垂)된 상태를 유지할 수 있다. 또한, 음극 본체(32a)는, 접지되어 양극을 가지는 기상화학증착 챔버(10) 몸체 또는 양극부(20)와의 아크 발생을 방지할 수 있도록 외면에 금속제 차폐막이 형성되거나 질화붕소 등의 절연세라믹스로 피복될 수 있으며, 내부에는 냉각수가 흐르는 냉각 유로가 형성되어 내부에서 냉각수의 순환이 이루어지도록 구성될 수 있다.

음극 본체(32a)와 음극(N) 사이에 형성되어 이를 연결하는 음극 현수봉(32a)은, 음극 본체(32a)나 음극(N) 보다 작은 지름의 봉 형상으로 형성되어, 플라즈마(P) 발생 시 고온 상태의 음극(N)으로부터 냉각수에 의해 냉각된 음극 본체(32a)로 열이 전도되는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 예컨대, 음극(N)은, 5mm 내지 10mm의 지름을 가지는 원기둥 형상으로 형성되고, 음극 현수봉(32c)은, 2mm 내지 4mm의 지름과 10mm 내지 20mm의 길이를 가지는 봉 형상으로 형성될 수 있다.

이때, 음극(N) 및 음극 현수봉(32c)은, 플라즈마(P) 발생 시 2000℃ 이상의 고온에서도 변형이 발생하지 않도록, 탄화텅스텐, 탄화탄탈륨, 탄화티타늄 등의 고융점탄화물이나, 텅스텐, 탄탈륨 등의 고융점금속 재질로 이루어지는 것이 바람직할 수 있다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 음극 현수봉(32c)은, 음극 홀더(32b)를 통해서 음극 본체(32a)의 하단부에 결합될 수 있으며, 음극 홀더(32b)에는 음극 현수봉(32c)이 나사 결합되는 나사홀부(H)가 복수개 형성되어, 음극 현수봉(32c)의 결합 위치를 다양하게 조절할 수 있다.

더욱 구체적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 음극 홀더(32b)의 하면에는 중심부에 형성되는 하나의 중심 나사홀부(CH)를 중심으로 복수개의 나사홀부(H)가 방사상으로 등각 배치될 수 있다. 이때, 음극 홀더(32b)는, 각각의 나사홀부(H) 중심 간의 간격(d2)이 4mm 내지 5mm 간격으로 형성되는게 바람직할 수 있다.

이에 따라, 각 음극 장치(32)의 음극 홀더(32b) 마다 음극 현수봉(32c)이 결합되는 나사홀부(H)의 위치를 동일하게 또는 다르게 설정하여, 각 음극 장치(32) 간의 음극(N)의 이격 거리(D)를 합성 조건 변화에 따라 적절하게 조절할 수 있다.

예컨대, 도 11에 도시된 바와 같이, 음극부(30)의 상기 음극 장치 조합의 중심 음극 장치(31)와 그 주변의 음극 장치(32)의 각 음극 현수봉(32c)을 음극 홀더(32b)의 중심부의 나사홀부(H)에 체결하여 각 음극(N) 간의 이격 거리(D)가 제 1 이격 거리(D1)를 가지도록 배치할 수 있다.

다른 예로, 단결정 다이아몬드의 합성 조건 등이 변화되어 균일한 플라즈마(P) 발생을 위해서 각 음극(N) 간의 이격 거리(D) 조절이 필요할 경우에는, 도 12에 도시된 바와 같이, 중심 음극 장치(31) 주변의 음극 장치(32)의 각 음극 현수봉(32c)을 음극 홀더(32b)의 편심된 위치에 있는 나사홀부(H)에 체결하여 각 음극(N) 간의 이격 거리(D)를 제 1 이격 거리(D1)와 다른 제 2 이격 거리(D2)로 조절할 수 있다. 이때, 각 음극(N) 간의 이격 거리(D)는 35mm 내지 50mm가 바람직할 수 있으며, 각각의 음극(N) 간 이격 거리(D)는 동일하게 형성될 수 있다.

이와 같은, 음극(N)간 이격 거리(D)를 조절하는 공정은, 음극부(30)가 설치된 탑 플레이트(11)를 기상화학증착 챔버(10)로부터 분리하여 간단하게 실시될 수 있으며, 상술한 실시예에서는 각 음극(N) 간 이격 거리(D)를 동일하게 조절하는 것으로 설명하였지만, 반드시 이에 국한되지 않고 단결정 다이아몬드의 합성 조건에 따라 각 음극(N) 간 이격 거리(D)를 서로 다르게 설정할 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다음극 직류전원 플라즈마 화학 증착 장치(100)를 이용한 다이아몬드 단결정 성장을 위해 아세톤이나 알코올 등 유기물로 세척된 시드용 단결정 그릿(S)를 스테이지 기판(70)에 형성된 복수의 수용홈부(71)에 각각 안착시킨다.

이어서, 상기 스테이지 기판 안착 단계에서, 복수개의 시드용 단결정 그릿(S)가 안착된 스테이지 기판(70)을 기상화학증착 챔버(10)의 내부 공간(A)에 설치되고 일측이 접지되어 있는 양극부(20)의 안착홈부(21)에 안착시킬 수 있다.

이어서, 상기 다이아몬드 시드 성장 단계에서, 소정 조건하에서 음극부(30)의 서로 독립된 직류전원 공급장치(60)와 연결된 각 음극(N)에 전원을 공급하여, 음극부(30)와 스테이지 기판(70) 사이에 직류전원 플라즈마(P)를 형성시켜 스테이지 기판(70)에 안착된 시드용 단결정 그릿(S)를 성장시킬 수 있다.

이때, 시드용 단결정 그릿(S)의 3차원 성장을 지속적으로 수행하기 위해서는 상술한 바와 같이 시드용 단결정 그릿(S) 표면에서의 2차 핵생성이 일어나지 않으면서 (100)면이 주도적으로 성장하기 위한 공정조건을 적용해야 한다. 또한 (100)면의 성장은 니어 <100> 방향 또는 니어 <110> 방향으로 수행되어야 한다.

이를 위해 증착 단계에서 기상화학증착 챔버(10)로 투입되는 원료 가스로서 캐리어 가스인 수소와 탄소 공급 가스인 탄화수소 가스, 예를 들어 메탄가스(CH₄)의 혼합가스의 유량을 10sccm 내지 1000sccm 범위로 투입하여 기상화학증착 챔버(10) 내 공정 압력이 10Torr 내지 500Torr 범위를 유지하도록 한다. 이때 혼합가스 내 메탄의 조성은 증착온도에 따라 부피비로 5 내지 20% 범위를 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 의할 경우에는 작은 크기의 다이아몬드 단결정 그릿을 3차원 성장시켜 크기가 증가된 입자형 다이아몬드 단결정 입자를 제조할 수 있다. 또한 본 실시예에서 제시된 다음극 직류전원 플라즈마 화학 증착 장치(100) 및 성장 방법에 의하면, 다수의 음극(N)을 사용하는 다음극 직류전원 플라즈마 화학 증착법을 이용하여 종래에 비해 단결정 다이아몬드의 성장 속도를 2배 이상 빠르게 증가시킬 수 있다. 또한, 스테이지 기판(70)에 안착된 시드용 단결정 그릿(S)의 배치 및 돌출 높이(h)를 최적화하고, 시드용 단결정 그릿(S)의 성장 조건 변화에 따라 각 음극(N)간의 이격 거리(D) 조절을 용이하게 하여, 플라즈마 균일성을 향상시킴으로서 복수개의 단결정 다이아몬드 입자를 균일하게 동시에 성장시킬 수 있다.

이하에서는 본 발명의 이해를 돕기 위한 실험예를 제시한다. 하기 제시되는 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 발명이 하기 실험예로 한정되는 것은 아니다.

(실험예 1)

1차 예비실험으로, 2000℃ 이상의 고온 음극을 사용하는 직류전원 플라즈마 화학 증착 장치를 이용하여, 일반적인 박막형 다이아몬드 합성에서 집합조직 형성의 주요 합성변수인 증착온도 및 메탄가스의 조성에 따른 집합조직 변화를 관찰하였다. 기판은 몰리브데늄판을 사용하였다. 원료 가스는 수소가스와 메탄가스의 혼합가스를 사용하였으며, 이때 혼합가스 내 메탄의 조성은 부피비로 10%가 되도록 유지하였다. 증착 중 투입된 전력은 12kW 였다. 공정 중 챔버 압력은 100Torr를 유지하였으며, 샘플별로 증착온도는 1200℃, 1240℃, 1280℃ 및 1320℃로 각각 진행하였다. 여기서 증착온도는 파이로메터(pyrometer)를 이용하여 증착 중 스테이지 기판의 온도를 측정한 것이다. 본 온도의 경우 2000℃가 넘는 고온 음극에서 발생된 에미션(emission)의 영향으로, 실제 온도보다 약 300℃이상 높게 측정되며, 따라서 본 실험예에서의 증착온도는 파이로미터 사용에 의한 상대적 온도의 크기를 나타내는 겉보기 증착온도로 정의할 수 있으며, 이하 다른 실험예에서도 동일하게 적용된다.

도 1의 (가) 내지 (라)에는 각각 1200℃, 1240℃, 1280℃ 및 1320℃ 진행된 샘플의 표면을 주사전자현미경으로 관찰한 결과이며, 도 1의 (마)는 결정방향에 대한 정의가 나타나 있다. 표 1에는 겉보기 증착온도에 따른 다이아몬드 결정의 집합조직(texture) 결과가 나타나 있다.

겉보기 증착온도 (℃)	집합조직
(가) 1200	<100>
(나) 1240	니어 <100>
(다) 1280	니어 <110>
(라) 1320	<110>

도 1 및 표 1을 참조하면, 겉보기 증착온도가 1200℃에서 1320℃로 증가함에 따라 생성된 다이아몬드 결정의 집합조직은 <100> 방향에서, 니어 <100> 방향, 니어 <110> 방향 및 <110> 방향으로 규칙적으로 변화하였다. 본 발명에서 이상적인 니어 <100> 및 Near <110> 집합조직은 1240℃ 내지 1280℃에서 나타났다. 다만 이 온도 영역은 조성에 민감하며, 투입전력, 압력, 가스유량에 따라 변화될 수 있고, 또한, 사용된 다이아몬드 합성장치 혹은 온도 측정 장비에 따라 차이가 나타날 수 있다.

(실험예 2)

2차 예비실험으로, 큐브옥타헤드론 모양을 가지는 고온고압 다이아몬드 단결정 그릿(GE사 제품)을 시드로 사용하여 결정면에 따른의 2차 핵생성 거동을 조사하였다. 상기 시드용 단결정 그릿의 크기(직경)는 0.45mm였다(도 4의 (가)). 스테이지 기판의 수용홈부에 상기 시드를 안착시킨 후 상기 스테이지 기판을 챔버 내부에 배치된 양극부의 안착홈부에 안착시켰다. 다음 기계식 진공 펌프를 이용하여 10^-3 Torr 영역으로 진공을 형성한 후, 수소 가스를 넣고 직류전원을 공급하여 플라즈마를 형성시킨 후, 압력을 점진적으로 상승시키고 100Torr를 유지시켰다. 증착시에는 수소가스 및 메탄가스의 혼합가스를 200sccm을 투입하여 공정압력을 100Torr로 유지하였다. 샘플별로 증착온도는 1200℃, 1240℃, 1280℃ 및 1320℃로 각각 진행하였으며, 각 증착온도별로 혼합가스 내 메탄의 조성을 부피비로 5%, 10%, 15% 및 20%로 변화하였다. 다른 조건은 실험예 1과 동일하였다. 증착이 완료된 샘플의 표면을 관찰하여 시드용 단결정 그릿의 표면에서 2차 핵생성이 일어났는지 여부를 확인하였다.

도 2에는 겉보기 증착온도가 1200℃ 이고(증착온도는 다이아몬드 합성장치 및 온도측정법에 따라 차이가 날 수 있음) 메탄의 부피비가 10% 조건에서 증착된 샘플의 표면을 주사전자현미경으로 관찰한 결과가 나타나 있다. . 구체적으로 도 2의 (가)는 시드가 성장된 후의 모습을 관찰한 것으로서, 시드(미성장부)로부터 성장한 영역(성장부)가 관찰되며, 미성장부 및 성장부 사이의 계면에는 경계부(성장경계)가 관찰된다. 성장부는 (100)면 및 (111)면을 포함하고 있다. 이때 도 2의 (가), (나) 및 (다)에서 확인할 수 있는 바와 같이, 해당 조건에서 성장부의 (111)면에서는 2차 핵생성이 일어남에 따라 패싯을 가지는 여러 결정면들이 (111)면에서 다수 생성된 것을 확인할 수 있었다. 이에 비해 도 2의 (가) 및 (라)를 참조하면, 성장부의 (100)면에서는 이러한 패싯을 가지는 결정면이 관찰되지 않고 단지 물결 무늬만이 관찰됨을 확인할 수 있다. 이를 통해 성장부의 (100)면에서는 2차 핵생성이 일어나지 않았음을 확인할 수 있다.

도 3에는 단결정 성장된 샘플들의 (111)면에서의 2차 핵생성 발생 여부를 확인한 결과가 나타나 있다. 상대적으로 온도가 낮은 경우에 <100> 집합조직을 나타내며, 본 실험예에서는 <100> 집합조직 형성 온도를 T로 두고, 상대 온도로 나타내었다. 예를 들어, 도 3에서 T+40은 상기 T보다 40℃ 높은 온도를 의미한다. 본 실험예서 온도 T는 겉보기 증착온도 1200℃이다.

도 3에서 O 표시는(111)면에서 2차 핵생성이 발생한 경우이며, X 표시는 2차 핵생성이 발생하지 않은 경우를 나타낸다. 도 3을 참조하면, (111)면에서 2차 핵생성은, 증착온도가 높을수록 혼합가스내 메탄의 조성이 낮을수록 발생되지 않은 경향을 나타내었다. 따라서 이러한 (111)면에서의 2차 핵생성이 억제되는 조건을 유지할 경우 지속적인 단결정 성장이 가능할 것임을 예상할 수 있다.

도 3에는 (111)면에서의 2차 핵생성이 억제되는 영역(A)이 도시되어 있으며, 하기 수학식 1에는 영역(A), 즉 상대적 증착온도에 따라 (111)면에서의 2차 핵생성이 억제되는 메탄의 조성(y)를 표시하는 조건이 나타나 있다.

수학식 1 : y ≤ 0.125(x-40)+ 5

y: 혼합 가스 내 메탄의 부피비(%)

x : T+40 내지 T+120 (T는 <100> 집합조직이 나타나는 증착온도)

즉, 수학식 1의 범위를 만족하는 구간은 큐브옥타헤드론 모양의 다이아몬드 단결정 그릿의 표면을 구성하는 (100)면 및 (111)면에서의 2차 핵성성이 일어나지 않은 구간으로서 지속적으로 3차원 성장이 가능함에 따라 큰 크기의 다이아몬드 단결정의 제조가 가능한 구간으로 해석될 수 있다.

[실험예 3]

실험예 1 및 2의 결과를 바탕으로, 동일한 직류전원 플라즈마 화학증착 다이아몬드 성장 장치를 이용하여, 입자형 다이아몬드 단결정 성장 실험을 실시하였다. 실험예 2에서 사용한 것과 동일한 시드용 단결정 그릿 10개를 몰리브데늄으로 만들어진 직경 100mm 스테이지 기판(도 4의 (나))의 수용홈부 각각에 일정거리를 유지시키며 배열시킨 후 챔버 내부에 안착시켰다. 스테이지 기판의 온도는 수학식 1에서 정의된 구간에 포함되도록 1250℃를 유지하며 30시간동안 성장시켰으며, 그 외의 조건은 실험예 2와 동일하였다.

30시간동안 성장실험 한 단결정 다이아몬드 입자 및 크기를 도 4의 (다)에 나타내었다. 도 4의 (다)를 참조하면, 최종 다이아몬드 단결정 입자의 크기(직경)는 약 1mm 내지 1.5mm로서 도 4의 (가)에 나타낸 시드와 비교하여 크기가 약 2 내지 3배 성장한 것을 확인할 수 있다. 성장 전후 다이아몬드의 무게변화는 약 10배가 증가하였다. 이로부터 상대적으로 작은 크기의 그릿 형태의 단결정 시드를 3차원 성장시켜 입자 형태의 조대한 단결정 다이아몬드를 제조할 수 있음을 확인하였다.

본 발명의 실시예에서 단결정 다이아몬드 입자는 ~0.5 mm 크기를 갖는 고온고압 다이아몬드이지만, 더 크거나 천연다이아몬드 또한 가능할 것이다. 이 경우 스테이지 기판의 수용홈의 크기 및 간격이 입자의 크기에 맞게 달라질 뿐 여타의 조건은 동일할 것이다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims

시드용 단결정 다이아몬드 그릿(grit)을 다이아몬드 합성용 챔버 내 스테이지 기판 상에 배치시키는 단계; 및
상기 챔버 내로 원료 가스를 투입하여 상기 시드용 단결정 다이아몬드 그릿을 3차원 성장시켜 입자형 다이아몬드 단결정으로 성장시키는 단계;를 포함하되,
상기 시드용 단결정 다이아몬드 그릿은 표면이 (100)면 및 (111)면으로 구성된 큐브옥타헤드론(cuboctahedron) 모양을 가지며,
상기 입자형 다이아몬드 단결정으로 성장시키는 단계에서는,
상기 성장이 상기 (100)면이 주도되는 니어 <100> 방향 혹은 니어 <110> 방향 집합조직 조건에서 이루어지고,
하기 수학식 1로 표현되는 조건 하에 상기 (100)면 및 (111)면에서 2차 핵생성이 일어나지 않도록 수행되는,
화학기상증착법을 이용한 입자형 다이아몬드 단결정 제조 방법.
수학식 1 : y ≤ 0.125(x-40)+ 5
y: 혼합 가스 내 메탄의 부피비(%)
x : T+40 내지 T+120 (T는 <100> 집합조직이 나타나는 증착온도)
제 1 항에 있어서,
상기 시드용 단결정 다이아몬드 그릿은 고온고압법에 의해 제조된 인조 다이아몬드 이거나 혹은 천연 다이아몬드인,
기상화학증착법을 이용한 입자형 다이아몬드 단결정 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 스테이지 기판은,
상기 단결정 다이아몬드 그릿 시드를 수용하는 수용홈부가 상면에 일정 간격으로 복수개가 배치되어 있는,
기상화학증착법을 이용한 입자형 다이아몬드 단결정 제조 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 시드용 단결정 다이아몬드 그릿을 챔버 내 스테이지 기판 상에 배치시키는 단계는,
상기 시드용 단결정 다이아몬드 그릿이 상기 스테이지 기판의 상면으로부터 상부 방향으로 돌출되도록 상기 수용홈부 내에 배치시키는 단계를 포함하는,
기상화학증착법을 이용한 입자형 다이아몬드 단결정 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 원료 가스는, 수소가스 및 탄화수소 가스가 혼합된 혼합가스이고,
상기 혼합가스 내의 탄화수소 가스의 조성은 부피비로 1% 내지 20% 범위를 가지는,
기상화학증착법을 이용한 입자형 다이아몬드 단결정 제조 방법.
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제 5 항에 있어서,
상기 원료 가스 투입 후 챔버의 압력은 10Torr 내지 500Torr 범위를 가지는,
기상화학증착법을 이용한 입자형 다이아몬드 단결정 제조 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 원료 가스의 유량은 10sccm 내지 1,000sccm범위를 가지는,
기상화학증착법을 이용한 입자형 다이아몬드 단결정 제조 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 챔버는,
다수의 음극으로 이루어진 음극부와 양극부 사이에 직류전원 플라즈마를 발생시켜 다이아몬드를 합성할 수 있는 내부 공간이 형성되는 기상화학증착용 챔버인,
기상화학증착법을 이용한 입자형 다이아몬드 단결정 제조 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 수용홈부의 간격이 1 mm 이상인,
기상화학증착법을 이용한 입자형 다이아몬드 단결정 제조 방법.