KR200201953Y1 - 레이저 애블레이션법과 고전압 방전 플라즈마 ｃｖｄ법의혼합 방식에 의한 다이아몬드 박막 제조 및 고온고압조건하에서의 다이아몬드 벌크의 형성 장치 - Google Patents

레이저 애블레이션법과 고전압 방전 플라즈마 ｃｖｄ법의혼합 방식에 의한 다이아몬드 박막 제조 및 고온고압조건하에서의 다이아몬드 벌크의 형성 장치 Download PDF

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Abstract

본 고안은 레이저 발생원인 레이저(1)로부터 발생된 레이저 빔(2)을 렌즈(3)로 집광하여 진공 챔버(4) 내에 위치한 별도의 회전용 전동기(5)가 불필요한 고정된 고순도 그라파이트 타깃(6)에 조사 시 그 표면에 발생하는 애블레이션 현상(레이저 플륨(7))과 이와 동시에 그라파이트 캐소우드(6)와 그라파이트 애노드(8) 사이에 발생하는 방전 플라즈마(9)가 혼합되도록 결합시킨 방법으로, 발생 플라즈마(9) 중심부의 높은 온도로 인해 별도의 기판가열기(10)로 기판(11)을 가열치 않고 그라파이트 애노드(8) 위에 놓인 기판(11)상에 다이아몬드를 형성 시, 플라즈마 존(Zone)을 둘러 쌓이게 한 반응기(12)를 두는 과정과 외부에서 진공 챔버(4) 내부에 위치한 반응기(12)속으로 일정 수소 가스를 가이드 튜브(13)로 공급하여 다량의 원자 수소가 기판(11) 상에서 효율적으로 그 기능을 발휘하게 하여 양질의 씨드 다이아몬드 박막을 형성시키고, 이것을 특수 제작된 고온 고압 노 내에 샌드위치 모양이 되게 적층 하고, 이 적층된 박막 사이에 고 순도 흑연판 또는 DLC (Diamond like carbon) 파우더를 두고 일정 고온에 도달 시, 고압을 가하여 다이아몬드 벌크를 형성 시, 원자수소가 박막 형성 시와 마찬가지로 그 기능을 발휘하게 하도록 하기 위해 탄탈(Ta) 또는 Mo으로 싸여진 적층부에 수소 가스를 일정압까지 충전하는 과정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 애블레이션법과 고전압 방전 플라즈마 CVD법의 혼합 방식 (레이즈마 혼합법) 에 의한 다이아몬드 박막 제조 및 고온고압 조건하에서의 다이아몬드 벌크의 형성 장치에 관한 것이다.

Description

레이저 애블레이션법과 고전압 방전 플라즈마 ＣＶＤ법의 혼합 방식에 의한 다이아몬드 박막 제조 및 고온고압 조건하에서의 다이아몬드 벌크의 형성 장치{Diamond thin film formation method by laser ablation combined with high voltage discharge plasma CVD, and diamond bulk fabrication method under the conditions of high temperature and high pressure}
본 고안은 양질의 씨드 크리스탈 용 다이아몬드 박막 형성과 양질의 대형 다이아몬드 벌크를 형성하는 장치에 관한 것이다. 종래의 용매법에 의한 다이아몬드 합성과정에서 사용한 용매금속판 역할을 한다고 생각하는 씨드 크리스탈 용 다이아몬드 박막 형성을 위해 레이저 애블레이션법과 고전압 방전 플라즈마CVD법을 특수하게 결합시킨 레이즈마 혼합 방식의 새로운 방식에 의해 다이아몬드 박막을 형성시키고, 고온 고압 조건하에서의 다이아몬드 벌크를 형성하는 장치 및 방법에 관한 것으로 좀더 상세히 설명하면, 본 고안에 있어서, 상기한 두 방법을 상호보완적으로 특수하게 결합시키는 과정을 포함하고, 고전압 방전 플라즈마 밀도를 높이고 박막 증착 속도 효율을 증가 시켜 보다 단시간 내에 씨드 크리스탈 용 다이아몬드를 기판 위에 형성시키기 위하여 플라즈마 존을 특수 열처리 제작된 유리 반응기(제4도)로 둘러 쌓이게 한 과정과, 상기한 증착 과정 중에 원자 수소가 기판 상에서 효율적으로 그 기능을 발휘하게 하고 원자 수소의 발생 효율을 증대시키기 위하여 수소 가스를 플라즈마 중심부 즉, 씨드 다이아몬드 박막이 형성되는 기판 가까이 까지 공급될 수 있도록 특별한 가이드 튜브로 공급하는 과정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 방법으로 증착시킨 박막을 씨드 크리스탈로 사용하여 고온고압 조건하에서 양질의 다이아몬드 벌크를 형성 시, 원자수소가 박막 형성 시와 마찬가지로 그 기능을 충분히 발휘토록 하기 위해 탄탈(Ta) 또는 Mo으로 싸여진 적층부에 수소 가스를 일정압까지 충전, 공급하는 과정을 추가하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 벌크 형성 장치에 관한 것이다.
종래의 방법으로 기판 상에 씨드 다이아몬드 박막을 형성시키기 위해서는 일정 수소 가스 분위기 하에서의 플라즈마 CVD법을 사용하여야 한다. 수소 분위기 하에서 다이아몬드를 성장시키게 되면, 수소 원자가 기판 상에 다이아몬드 구조를 지닌 sp3탄소 형성을 촉진하므로 품질이 우수한 다이아몬드 박막을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다. 한편 최근에는, 상기한 플라즈마 CVD법 이외에 레이저 애블레이션법이 그 장치의 구조가 간단하고, 그라파이트 타깃으로부터 방출되는 입자들의 높은 운동에너지 때문에 보다 낮은 기판 온도에서도 결정을 성장시킬 수 있다는 장점으로 인해, 각종 박막 성장에 응용되고 있는 추세에 있다. 제1도와 제2도는 각각, 레이저 애블레이션 방법과 플라즈마 CVD법에 의해 다이아몬드 박막을 형성하는 과정을 나타낸 개략도로서, 제1도에 도시 된 바와 같이, 종래의 레이저 애블레이션방법에서는, 엑시머 레이저 등의 레이저 발생원(1)으로부터 발생된 레이저 빔(2)을 렌즈(3)로 집광하여 진공 챔버(4) 내에 위치한 구동용 전동기(5)에 의해 천천히 회전하고 있는 그라파이트 타깃(6) 표면에 조사하고, 레이저빔의 조사에 의해 그라파이트 타깃(6) 표면으로부터 튀어나온 입자들을 기판 가열기(10) 위에 위치한 기판(11) 상에 다이아몬드 박막을 형성시키게 된다. 제2도에 도시 된 바와 같이 종래의 플라즈마 CVD법에서는 일정 간격 떨어진 두 평판 형상 고 순도 그라파이트 전극(6과 8) 사이에 고압을 인가하면 캐소우드(6)로부터 수 많은 여기 된 탄소 입자들이 방출 되게 되고, 이들 입자들이 기판 가열기(10) 위에 위치한 기판(11) 상에 증착하게 되어 다이아몬드 박막을 형성시키게 된다. 그러나, 상기한 레이저 애블레이션만의 방법을 사용하여 기판 상에 다이아몬드 박막을 형성하는 종래의 방법은, 그라파이트 타깃(6)에 레이저 빔(2)을 조사하여 방출된 탄소 입자들을 기판(11) 상에 증착 시킬 때 다이아몬드 상 (diamond phase: sp3)과 그라파이트 상 (graphite phase: sp2, sp)이 혼재 되어 양질의 다이아몬드 박막을 얻을 수 없다는 한계를 지니고 있었다. 이러한 기술적인 한계로 인해, 레이저 애블레이션 방법에 의해 증착된 다이아몬드 박막은 플라즈마 CVD법에 의해 얻어지는 박막에 비해 제반 특성 (기계적 특성, 열적 특성, 전기 전자적 특성 등)이 뒤떨어져, 레이저 애블레이션 방법이 상기한 바와 같이 낮은 기판온도에서 증착 할 수 있다는 장점이 있음에도 불구하고, 산업적으로 널리 사용되지 못하고 있는 실정이다. 또한, 플라즈마 CVD 만의 방법으로 얻어진 다이아몬드 박막은 품질이 우수하지만 얻어지는 시간이 많이 걸린다는 점으로 인해 생산비용이 많이 든다는 단점이 있었다. (0.1mm 크기의 다이아몬드를 성장시키는데 최소 약50 시간 정도 이상이 소요 된다.)
또 종래의 용매법에 의한 고온고압 조건하에서의 다이아몬드 합성과정에서는 제5도에 도시 된 바와 같이 흑연판(15)과 단일금속이나 이원계 이상의 합금으로 조성된 용매금속판(16)을 교대로 적층 배열하여 시료를 구성한 상태에서 고압발생장치 중에 장입하여 대략 40~60 kbar 가량의 고압을 가한 상태에서 약 1000~1500 C의 고온으로 가열하여 용매금속-탄소의 공융점 이상으로 유지시킴으로서 흑연판과 용매금속판의 상하 양쪽 경계면에서 다이아몬드의 입자들이 형성된다.
한편, 흑연판과 용매금속판의 경계면에서 생성된 다이아몬드 입자들은 용매액상의 얇은 막으로 둘러싸인 채 흑연판 쪽으로 계속 진행하여 그 크기가 커지게 된다. 이와 같이 흑연판과 용매금속판의 경계면에서 합성된 다이아몬드 입자의 형성밀도와 모양은 합성시의 온도와 압력에 크게 의존하게 되는데, 형성밀도의 경우에는 베르만-사이먼의 온도와 압력에 따른 다이아몬드-흑연간의 평형상태도에서 다이아몬드의 형성구동력이 큰 다이아몬드 안정역의 안쪽으로 갈수록 다이아몬드의 형성밀도가 커지게 된다. 그러나, 이러한 다이아몬드의 형성밀도가 커지는 영역에서는 인접하는 다이아몬드 입자간에 서로 간섭 현상이 증대되어 양질의 다이아몬드결정이 발달하지 못하게 되고, 합성된 다이아몬드의 성장이 (111), (100)면이 발달한 양질의 다이아몬드 분립체로 합성 성장시키는 것이 불가능하다는 문제점이 있다. 한편, 다이아몬드의 크기가 크고, (111), (100)면이 잘 발달된 큐보-옥타헤드럴(cubo-octahedral) 모양을 갖는 고품위의 다이아몬드는 다이아몬드-흑연 평행선의 직상에서 합성이 이루어지는데, 문제는 이러한 조건에서는 다이아몬드의 형성밀도가 낮다는데 있다. 즉, 큐보-옥타헤드랄 모양을 갖는 고품위의 다이아몬드가 형성되는 영역에서 다이아몬드의 형성밀도는 고정되어 지기 때문에 다이아몬드의 형성밀도 제어에는 그 한계가 있다.
본 고안은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로, 본 고안의 목적중 하나인 씨드 크리스탈 용 다이아몬드 박막 형성에 있어서 레이저 애블레이션 방법으로 기판 상에 다이아몬드 박막 형성 시 상기한 제반 특성이 뒤떨어지는 것을 극복하고, 플라즈마 CVD법으로 기판 상에 다이아몬드 박막을 형성시킬 시, 본 고안에서 특수 고안된 장치로 여기효율 및 증기 증착 효율을 극대화시켜 보다 단시간 내에 보다 좋은 품질의 다이아몬드 박막을 형성시킬 수 있는 장치를 제공함에 그 목적이 있다. 본 고안자는 첫째로 플라즈마 CVD법에서는 기판 상에 다이아몬드 박막이 형성 시, 주위에 존재하는 수소원자가 그라파이트 상(sp 또는 sp2)의 탄소의 형성을 억제하고 다이아몬드 상(sp3)의 탄소 형성을 촉진한다는 점과, 둘째로 레이저 애블레이션 방법에서는 그 장치의 구조가 간단하고, 방출된 탄소 입자들의 운동에너지가 높아 낮은 기판 온도에서도 결정화를 이룰 수 있다는 점들이 상호 보완적인 관계에 있다는 착안으로부터 상기한 두 방법을 동시에 동일 챔버 내에서 이루어 지도록 하면서 씨드 크리스탈 용 다이아몬드 박막을 형성시킬 경우 기판 상에는 보다 낮은 기판온도에서 보다 더 빠른 시간 내에 보다 순수한 다이아몬드 상을 함유한 양질의 씨드 크리스탈 용 다이아몬드 박막을 제공하는데 고안의 첫 번째 목적을 두고 있다.
본 고안은 또 상기한 종래의 용매법에 의한 고온고압 조건하에서의 다이아몬드 합성 시 존재하는 기술적인 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로, 제6도에 도시된 바와 같이 종래의 용매금속판 대신 레이즈마 혼합방법으로 제조한 씨드 크리스탈 용 다이아몬드 박막을 사용, 상기한 다이아몬드의 형성 밀도의 제어의 한계를 극복하여 양질의 다이아몬드 분립체의 크기를 크게 하는 것이 가능하도록 한 다이아몬드 합성방법을 제공하는데 고안의 두 번째 목적을 두고 있다.
도1은 종래의 레이저 애블레이션법에 의한 다이아몬드 박막을 형성과정 개략도
도2는 종래의 고전압 방전 플라즈마 CVD법에 의한 다이아몬드박막 형성과정 개략도
도3은 본 고안의 레이즈마(Lasma) 혼합법에 의한 씨드 다이아몬드박막 형성과정 개략도
도4는 본 고안에서 플라즈마 밀도 증가를 위한 고온열처리 유리 반응기의 상세도
도5는 종래의 용매법에 의한 다이아몬드 합성과정을 설명하기 위한 흑연판과 용매 금속판의 적층배열 상태에 대한 단면 구조도
도6은 본 고안에서 고온고압 조건하에서 다이아몬드 벌크를 형성시키기 위한 씨드 다이아몬드 박막과 흑연판 또는 DLC의 적층배열 상태에 대한 단면구조도
도7은 본 고안에서 고온고압 조건하에서 다이아몬드 벌크 형성과정 개략도
도8은 본 고안의 방법으로 제조된 1.3, 2.2 카렛의 다이아몬드 샘플의 사진
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1: 레이저 발생원 2: 레이저 빔
3: 집광 렌즈 4: 진공 챔버
5: 타깃 구동형 전동기 6: 그라파이트 타깃 (캐소오드)
7: 레이저 플륨 8: 애노드 (기판 홀더)
9: 플라즈마 존(Zone) 10: 기판 가열기
11: 기판 12: 반응기
12a: 연결 컨넥터 12b: 레이저 빔 조사용 구멍
12c: 타깃과 반응기 고정 나사구멍 12d: 케소우드와 인입도체 연결 나사구멍
12e: 인입도체 13: 수소 가스 가이드 튜브
14: 구동형 반사경 15: 흑연판
16: 용매금속판 17: 써모커플 (thermocouple)
18: 그라파이트 히터 19: Ta 또는 Mo 캡슐
20: 흑연판 또는 비정질 DLC 21: (=11 기판)
22: 단열재 23: 씨드 다이아몬드 박막
24: 수소 가스 공급용 튜브 25: 프레스 요부 [컨테이너 (container)]
26: 프레스 철부
상기한 고안의 첫 번째 목적을 달성하기 위해, 본 고안은 본 고안의 출원인이 선출원한 국내특허출원번호 제10-2000-7403호, 제10-2000-7404호 및 제10-2000-7405호 고안의 명칭 레이저 애블레이션법에 의한 박막 증착용 광학장치, 레이저 애블레이션법과 고전압 방전 플라즈마 CVD법의 혼합방식에 의한 다이아몬드박막과 벌크의 형성방법 및 레이저 애블레이션법, 고전압 방전 플라즈마CVD법, 두방법의 혼합방식에 의한 박막 형성방법을 개량한 것으로서, 레이저 애블레이션 방법과 수소 가스 하에서의 고전압 방전 플라즈마 CVD법의 독특한 결합 방식에 의한 씨드 크리스탈 용 다이아몬드 박막 형성 장치는 고전압 공급 장치로 일정 간격으로 격리된 두 순수 (99.999 %) 그라파이트 전극에 높은 전압을 인가해 반응기 내부에 방전 플라즈마를 발생시켜 주위의 수소 가스를 들뜬 상태의 원자수소로 만들어 캐소우드로부터 방출된 수많은 탄소원자와 뒤섞임과 동시에, 레이저 원으로부터의 레이저빔을 그라파이트 타깃(캐소우드)에 조사하여 플라즈마 내부에서 기판쪽으로 높은 운동에너지를 가진 탄소 입자들을 튀어나오게 해 플라즈마 내부의 원자수소와 뒤섞이게 하고, 이 뒤섞인 입자들을 플라즈마 한가운데에 위치한 기판 상에 증착시켜 다이아몬드 박막을 형성하는 레이저 애블레이션 방법과 고전압 방전 플라즈마 CVD법을 결합시킨 레이즈마 혼합 방법에 의한 다이아몬드 박막 형성방법에 있어서, 증착 과정 중에 플라즈마 밀도를 증가 시켜 증착 효율 및 속도를 향상시키기 위해 고안된 고온 열처리된 유리 반응기로 플라즈마 존을 애워 싸도록 하는 과정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기한 수소 원자가 기판 상에서 효율적으로 그 기능을 발휘하게 하고 원자 수소의 발생 효율을 증대시키기 위하여 수소 가스를 다이아몬드 박막이 형성되는 기판 가까이 까지 공급할 수 있도록 유도하기 위해 특별한 가이드 튜브를 사용하는 것과, 고정된 타깃에 레이저빔을 조사할 때 타깃이 회전하고 있는 상태와 동일한 효과를 발휘하게 하도록 하기 위해선 구동형 반사경을 사용한 레이저 애블레이션법과 고전압 방전 플라즈마 CVD법의 혼합 방식에 의한 다이아몬드 박막 제조 및 고온고압 조건하에서의 다이아몬드 벌크의 형성장치에 관한 것이다.
이하 도면을 참고하여 설명하면 다음과 같다.
도1은 종래의 레이저 애블레이션법에 의한 다이아몬드 박막을 형성과정 개략도, 도2는 종래의 고전압 방전 플라즈마 CVD법에 의한 다이아몬드박막 형성과정 개략도, 도3은 본 고안의 레이즈마(Lasma) 혼합법에 의한 씨드 다이아몬드박막 형성과정 개략도, 도4는 본 고안에서 플라즈마 밀도 증가를 위한 고온열처리 유리 반응기의 상세도, 도5는 종래의 용매법에 의한 다이아몬드 합성과정을 설명하기 위한 흑연판과 용매 금속판의 적층배열 상태에 대한 단면 구조도, 도6은 본 고안에서 고온고압 조건하에서 다이아몬드 벌크를 형성시키기 위한 씨드 다이아몬드 박막과 흑연판 또는 DLC의 적층배열 상태에 대한 단면구조도, 도7은 본 고안에서 고온고압 조건하에서 다이아몬드 벌크 형성과정 개략도 및 도8은 본 고안의 방법으로 제조된 1.3, 2.2 카렛의 다이아몬드 샘플의 사진을 도시한 것이며, 레이저 발생원(1), 레이저빔(2), 집광렌즈(3), 진공챔버(4), 타깃구동형전동기(5), 그라파이트타깃(캐소오드)(6), 레이저플륨(7), 애노드(기판 홀더)(8), 플라즈마 존(Zone)(9), 기판가열기(10), 기판(11), 반응기(12), 연결 컨넥터(12a), 레이저빔 조사용구멍(12b), 타깃과 반응기고정용 나사구멍(12c), 케소우드와 인입도체 연결용 나사구멍(12d), 인입도체(12e), 수소가스 가이드튜브(13), 구동형반사경(14), 흑연판(15), 용매금속판(16), 써모커플(thermocouple)(17), 그라파이트히터 (graphite heater)(18), Ta 또는 Mo 캡슐(19), 흑연판 또는 비정질 DLC(20), (=11 기판)(21), 단열재(22), 씨드 다이아몬드 박막(23), 수소가스 공급용 튜브(24), 프레스요부 [컨테이너(container)](25), 프레스 철부(26)을 나타낸 것임을 알 수 있다.
본 고안은 진공챔버(4)의 내부중앙에 형성된 기판(11)과, 상기 기판(11)하부에 형성된 애노드(기판홀더)(8)와, 상기 애노드(8) 하부에 형성된 여기된 수소를 공급하는 수소가이드튜브(13)와, 상기 기판(11) 위에 형성되어 박막을 형성하는 레이저플륨(7)과, 상기 레이저플륨(7)을 형성시키며, 레이저빔(2)에 의해 조사되는 그라파이트 타킷(캐소오드)(6)과, 상기 그라파이트타킷(캐소오드)(6)을 지지하는 지지대와, 상기 그라파이트 타킷(캐소오드)(6)와 기판(11)사이에서 박막을 형성시키는 장소인 플라즈마존(9)와, 상기 플라즈마존(9)를 둘러쌓은 반응기(12)와,
도4는 상기 원통형의 반응기(12) 결합상태를 나타낸 것으로서, 상부 고전압절연용 애자 중앙부를 관통해 진공챔버 외부에서 내부로 연결되는 인입도체(12e)와 반응기(12)의 하부로부터 위쪽으로 조립하는 연결용 컨넥터(12a)와, 또 연결용 컨넥터(12a) 조립때와 마찬가지로 반응기(12)의 하부로부터 위쪽으로 조립하는 그라파이트 타킷 캐소우드(6)과, 반응기(12) 몸체와 연결용 컨넥터(12a)를 통해 연결용 나사로 인입도체(12e)와 연결되는 구조이고, 반응기(12) 몸체부와 그라파이트 타킷 캐소우드(6)와 인입도체(12e)를 연결 할 수 있는 연결컨넥터(12a)와, 상기 연결컨넥터(12a)의 상부 중간에 형성되며 그라파이트타킷(캐소오드)(5)와 연결시키는 그라파이트타킷케소우드(6)와 인입도체(12e) 연결용 나사구멍(12d) 및 그라파이트 타깃캐소우드(6)과 반응기 고정용 나사구멍(12c)와, 상기 반응기(12) 원통형 몸체 측면에 형성되어 있으며, 레이저빔(2)이 조사되는 레이저빔조사용구멍(12b)으로 구성되어 있는 것이다.
제6도에 도시 된 것처럼 레이즈마 방법으로 기판(11) 상에 증착된 씨드 다이아몬드 박막(23)과, 상기 씨드 다이아몬드 박막(23)의 내부는 단열재(22)내에 제1기판(11)과, 상기 제1기판(11)의 상부에 형성된 제1흑연판 또는 DLC 파우더(20)층과, 상기 제1흑연판 또는 DLC 파우더(20)층 상부에 형성된 두 개의 제2기판(11)과, 상기 제2기판(11)상부에 형성된 제2흑연판 또는 DLC 파우더(20)층과, 상기 제1흑연판 또는 DLC 파우더(20)층 상부에 형성된 제3기판(11)으로 교대로 배열된 적층을 Ta나 Mo 캡슐(19)로 둘러싸인 구조를 제7도에 도시된바와 같이 써모커플(17) 및 고온 그라파이트히터(18)가 내장된 고압 용기인 프레스요부(25) 중에 장입되며, 상부에 형성된 프레스철부(26)와, 수소 원자가 다이아몬드 형성과정 중에 박막 형성 시와 마찬가지로 효율적으로 그 기능을 발휘토록 하기 위해 수소 가스를 Ta나 Mo 캡슐(19)로 애워 싼 적층부에 일정압까지 충전, 공급할 수 있도록 가이드 튜브(24)로 구성된 장치인 것이다.
이에 따라 나노 크기인 씨드 다이아몬드로부터 결정의 성장이 일어나 시간에 따라 박막이 형성되며 시간을 더 연장시키면 벌크가 형성되는 것이다.
본 고안 장치의 작동방법은 수소 분위기 하에서 기판(11)상에 다이아몬드 박막 또는 벌크를 형성 시, 플라즈마 밀도를 높여, 박막 증착 속도 및 효율을 증가시키고 양질의 다이아몬드를 형성시키기 위하여 플라즈마 존(9)를 고온열처리된 유리 반응기(12)로 애워 싸도록 하는 과정을 추가로 포함하는 것과 상기한 원자 수소가 기판(11)상에서 효율적으로 그 기능을 발휘하게 하고 원자수소의 발생 효율을 증대시키기 위하여 수소 가스를 다이아몬드 박막이 형성되는 기판(11) 가까이 까지 공급할 수 있도록 유도하기 위해 가이드 튜브(13)를 사용한 다음, 고전압 공급 장치로 일정 간격 격리된 두 순수 흑연 전극에 파워 공급장치로 고전압을 인가해 방전 플라즈마를 발생시켜 주위의 수소 가스를 들뜬 상태의 원자수소로 만들어 그라파이트 타킷 캐소우드(6)로부터 방출되는 탄소원자와 뒤섞임과 동시에, 레이저 빔(2)을 흑연 타깃(캐소우드)(6)에 조사하여 플라즈마 내부에서 기판(11)쪽으로 높은 운동에너지를 가진 탄소 입자들을 튀어나오게 해 플라즈마 내부의 원자 수소와 뒤섞이게 하고, 제6도에 도시 된 것처럼 흑연판 또는 DLC 파우더(20) 사이사이에 레이즈마 방법으로 상기와 같이 뒤섞인 입자들을 플라즈마 한가운데에 위치한 기판(11) 상에 증착 제조된 씨드 다이아몬드 박막(23)을 교대로 적층 배열한 다음 Ta나 Mo 캡슐(19)로 애워 싸고, 이를 제7도에 도시된바와 같이 고온 그라파이트 히터(18)가 내장된 고압 용기인 프레스요부(25) 중에 장입하여 고온으로 가열 하면서 고압을 가하게 되면 두 종류의 씨드 다이아몬드 박막(23)과 탄소(흑연판) 또는 비정질 DLC(20)와의 공정반응에 의해 다른 부분보다 빨리 용해되고, 이에 따라 나노 크기인 씨드 다이아몬드로부터 결정의 성장이 일어나 최대 2.2 카렛의 다이아몬드 벌크을 제조하는 것이다.
상기한 과정 중에 수소 원자가 다이아몬드 벌크 형성과정 중에 박막 형성 시와 마찬가지로 효율적으로 그 기능을 발휘토록 하기 위해 수소 가스를 Ta나 Mo캡슐(19)로 애워 싼 적층부에 일정압까지 충전, 공급할 수 있도록 가이드 튜브(24)를 사용하여 양질의 다이아몬드 벌크를 제조하였다.
본 고안에서는 상기한 씨드 크리스탈 용 다이아몬드 박막을 제조키 위해, 레이저 애블레이션법 만의 단점을 보완하고 수소 분위기 하에서 플라즈마 CVD법의 효율을 증가시키기 위해 상기한 두 종류의 형성 방법을 특수하게 결합시키고, 진공 챔버 중심부에 위치한 반응기속의 플라즈마 존을 고온 열처리 제작된 유리 반응기로 둘러쌓게 해, 플라즈마 존의 밀도를 증가 시켜 수소 가스의 여기 효율 및 박막증착 속도 등을 향상시켜, 발생 플라즈마 중심부의 높은 온도로 인해 별도의 기판가열기로 가열치 않고 그라파이트 애노드 위에 놓인 기판 상에 씨드 다이아몬드 박막을 형성 시, 기존의 방법보다 품질이 우수한 다이아몬드 박막을 제조토록 한 것이다. 반응기내부 기판 근처까지 가이드 튜브에 의해 공급된 수소 가스가 고 밀도플라즈마 속에서 변한 원자수소에 의해, 그라파이트 상(sp, sp2)을 형성할 탄소 원자들이 원자수소와 반응함으로써 기판에서 탈착하게 되고, 그 결과 기판 상에는 품질이 순수한 다이아몬드 상(sp3) 만이 존재하게 되어, 전기 전자적, 열적, 기계적 특성 등이 보다 향상된 다이아몬드 박막이 형성되게 된다. 뿐만 아니라, 본 고안에서 새롭게 고안된, 레이즈마 혼합 방법은 어떤 재료 표면의 하드 코팅 (hard coating) (예를 들면 전자재료, 절삭공구 등)과 같은, 타 종류의 박막 제조에도 효과적으로 응용될 수 있도록 고안하였다. 특히 최근에는 FED(field emission device) 등의 제작 시 가장 중요한 필드 에미션 팁 (field emission tip)을 사용하지 않는 박막을 제공함으로써, 평판 디스플레이 (flat panel display) 소자로서 크게 각광 받고 있는 다이아몬드 박막 제조 방법으로 응용할 수 있다.
본 고안에서는 레이즈마 혼합방식으로 제조된 양질의 다이아몬드 박막을 씨드 크리스탈로 사용하여 벌크를 합성함으로서 다이아몬드의 분립체의 크기 및 밀도가 큰 고품위의 다이아몬드를 다량으로 제조 가능하다는 장점이 있다. 수소 가스를 Ta나 Mo 캡슐로 애워 싼 적층부에 일정압까지 충전, 공급할 수 있도록 특별한 장치인 가이드 튜브를 사용해 공급된 수소 가스가 고온 고압의 노 속에서 변한 원자 수소에 의해 박막 증착 시와 같이, 그라파이트 상(sp, sp2)을 형성할 탄소 원자들이 원자수소와 반응함으로써 벌크 다이아몬드에서 탈착하게 되고, 그 결과 품질이 순수한 다이아몬드 상(sp3) 만이 존재하게 된다. 제8도는 본 고안의 방법으로 제조된 최고 2.2 카렛의 다이아몬드 샘플의 사진을 보이고 있다.

Claims (1)

  1. 레이저 애블레이션법과 고전압 방전 플라즈마 CVD법의 혼합 방식에 의한 다이아몬드박막의 형성 장치에 있어서, 진공챔버(4)의 내부중앙에 형성된 기판(11)과, 상기 기판(11)하부에 형성된 애노드(기판홀더)(8)와, 상기 애노드(8) 하부에 형성된 여기된 수소를 공급하는 수소가이드튜브(13)와, 상기 기판(11) 위에 형성되어 박막을 형성하는 레이저플륨(7)과, 상기 레이저플륨(7)을 형성시키며, 레이저빔(2)에 의해 조사되는 그라파이트타킷(캐소오드)(6)과, 상기 그라파이트타킷(캐소오드)(6)을 지지하는 지지대와, 상기 그라파이트타킷(캐소오드)(6)와 기판(11)사이에서 박막을 형성시키는 장소인 플라즈마존(9)와, 상기 플라즈마존(9)를 둘러쌓은 반응기(12)와, 상기 반응기(12)의 외부에 형성된 그라파이터히터(18)과,상기 반응기(12)에 수소가스 및 Ta나 Mo캡슐(19)로 에워싼 적층부에 공급하는 수소가스공급용 튜브(24)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 레이저 애블레이션법과 고전압 방전플라즈마 CVD법의 혼합 방식에 의한 다이아몬드의 형성장치.
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