KR20030001801A - Apparatus and method for the synthesis of the diamond with powder shape by chemical vapor deposition (cvd) method - Google Patents

Apparatus and method for the synthesis of the diamond with powder shape by chemical vapor deposition (cvd) method Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A process for synthesizing diamond powder having several micrometers or less of small particle size and spherical particle shape by chemical vapor deposition method is provided, and an apparatus which is capable of synthesizing diamond powder in large quantities by modifying structure of a synthesizing apparatus is provided. CONSTITUTION: In a CVD (chemical vapor deposition) diamond synthesizing apparatus for synthesizing a film shaped diamond on the substrate I by forming plasma in a vacuum container(1) thereby decomposing a carbon source reaction gas, the apparatus for synthesizing spherical diamond powder(7) comprises a substrate I(3) which is directly contacted with plasma(2), and a substrate II(8) which is mounted on the circumference of the substrate I so that the substrate II is not directly contacted with plasma, wherein the apparatus for synthesizing spherical diamond powder(7) comprises a substrate I which is fabricated in a ring shape, and a substrate II which is mounted on inner and outer parts of the ring shaped substrate I so that the substrate II is not contacted with plasma, the apparatus for synthesizing spherical diamond powder comprises two or more substrates I for separating plasma into two or more, and a substrate II which is mounted on the circumference of the substrates I so that the substrate II is not contacted with plasma, and wherein the substrate II is installed within 10 cm from plasma with the substrate II not being contacted with plasma.

Description

기상화학증착법에 의한 구상의 다이아몬드 분말 합성장치 및 이를 이용한 구상의 다이아몬드 합성방법{APPARATUS AND METHOD FOR THE SYNTHESIS OF THE DIAMOND WITH POWDER SHAPE BY CHEMICAL VAPOR DEPOSITION (CVD) METHOD}Apparatus for synthesizing spherical diamond powder by vapor chemical vapor deposition and spherical diamond synthesizing method using the same {{PARAMETER AND METHOD FOR THE SYNTHESIS OF THE DIAMOND WITH POWDER SHAPE BY CHEMICAL VAPOR DEPOSITION (CVD) METHOD}

본 발명은 구상의 다이아몬드 분말 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 플라즈마를 이용하여 막(film)상의 다이아몬드를 합성하는 기상화학증착 (chemical vapor deposition : CVD)법에 있어서, 플라즈마가 직접 접촉하고 다이아몬드가 합성되는 기판 외에, 또 다른 기판(들)을 플라즈마와 직접 접촉하지 않는 플라즈마의 주위에 놓아 이 위에 다이아몬드를 막 형태가 아닌 구상의 분말 형태로 합성할 수 있는 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing spherical diamond powder, and more particularly, in a chemical vapor deposition (CVD) method in which diamond is formed on a film using plasma, the plasma is in direct contact with the diamond. In addition to the substrates to be synthesized, another substrate (s) relates to a method in which diamonds can be synthesized in the form of spherical powder rather than in the form of films by placing them around plasma which is not in direct contact with the plasma.

다아아몬드는 현존하는 물질 중에서 가장 경도가 높은 물질이어서, 다이아몬드 분말은 오래 전부터 산화물계 및 고경도 재료의 연마시, 연마 속도를 높이기 위해 연마유에 첨가하는 연마제로 사용하여 왔다. 이 용도로 사용되는 다이아몬드 분말의 입도는 수 ㎚에서 수 십 ㎛이다. 다이아몬드의 입도는 피연마제의 표면 조도에 큰 영향을 미치는데, 표면 요철이 수 십 ㎛ 정도의 거친 연마에 해당하는 렙핑의 경우에는 수에서 수 십 ㎛ 크기의 다이아몬드 분말을 사용하고, 재료의 표면 요철이 수 십 ㎚ 정도가 요구되는 경면 연마의 경우에는 수 ㎛ 이하의 다이아몬드 분말을 사용한다.Diamond is one of the hardest materials in existence, and diamond powder has been used for a long time as an abrasive added to abrasive oil to increase the polishing rate when polishing oxide-based and hard materials. The particle size of the diamond powder used for this purpose is from several nm to several tens of micrometers. The particle size of the diamond has a great influence on the surface roughness of the polished material. In the case of lepping where the roughness corresponds to rough polishing of several tens of micrometers, diamond powders of several to several tens of micrometers are used, and the surface irregularities of the material In the case of mirror polishing where this tens of nm is required, a diamond powder of several micrometers or less is used.

이와 같은 연마제용 다이아몬드 분말의 제조에 있어서, 기존에는 ⅰ) 폭발법 (Explosive method, 밀폐된 용기에 화약과 고상의 원료 흑연을 혼합하여 폭발시킴으로 다이아몬드를 합성하는 방법)으로 합성하거나, 또는 ⅱ) 고온고압법(High pressure and High temperature (HPHT)) method, 5만 기압 및 1500℃에서 고상의 흑연을 원료로 하고, 금속을 촉매로 사용하여 다이아몬드를 합성하는 방법)에서 합성된 수 십에서 수 백 ㎛ 크기의 다이아몬드를 파쇄하여 제작하는 방법들이 사용되어 왔다. 그러나 이들 두 방법에 의해 제작된 다이아몬드 분말은 제작 기법상 불규칙한 입자 모양을 갖게 된다. 이러한 불규칙한 모양을 갖는 다이아몬드가 연마제로 사용될 경우, 피연마제에 흠집을 낼 수 있어, 표면 조도를 수 ㎚ 이하의 초경면으로 연마하는 데에는 부적절하다는 문제점이 있다. 따라서 이를 극복하기 위하여, 초경면 연마제에는 다이아몬드 분말이 아닌 산화물계 또는 금속의 분말을 사용하기도 하는데, 이 경우에는 새로운 연마 공정이 추가될 뿐 아니라 연마 속도가 떨어지는 문제점이 있다.In the production of such abrasive diamond powder, conventionally synthesized by iii) explosive method (method of synthesizing diamond by mixing explosive powder and solid raw graphite in an airtight container), or ii) high temperature. Dozens to hundreds of micrometers synthesized in the high pressure and high temperature (HPHT) method, a method of synthesizing diamond using 50,000 graphite and solid graphite as a raw material and metal as a catalyst) Methods of crushing diamonds of size have been used. However, diamond powders produced by these two methods have irregular particle shapes due to fabrication techniques. When diamond having such irregular shape is used as an abrasive, there is a problem in that the abrasive can be scratched, which is inappropriate for polishing the surface roughness with a superhard surface of several nm or less. Therefore, in order to overcome this problem, an oxide-based or metal powder other than diamond powder may be used as the superabrasive abrasive, in which case a new polishing process is added and the polishing rate is lowered.

한편, 다결정성의 막(film) 상의 다이아몬드를 제작하는 기상화학증착(CVD)법의 경우에 있어서, 입자 형성 단계에서의 합성 조건의 제어로 다이아몬드를 구상을 포함한 다양한 형태로 합성할 수 있으나, 이 경우 다이아몬드 입자가 기판 상에 붙어 있어 회수하기 어려울 뿐만 아니라, 다이아몬드 입자들이 한 층 이상으로 겹쳐서 합성될 경우에는 막이 형성되어 회수할 수 있는 양이 매우 적어지는 문제점이 발생한다. 따라서 종래의 일반적인 CVD법으로는 연마제 등으로 사용될 수 있는 분말 형태의 다이아몬드 합성이 불가능하다.On the other hand, in the case of the chemical vapor deposition (CVD) method of producing diamond on a polycrystalline film, diamond can be synthesized in various forms including spherical shape by controlling the synthesis conditions in the particle formation step. Not only is it difficult to recover because the diamond particles are stuck on the substrate, but when the diamond particles are synthesized by overlapping one or more layers, a problem arises in that a film is formed and the amount that can be recovered is very small. Therefore, in the conventional general CVD method, it is impossible to synthesize a diamond in powder form that can be used as an abrasive.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, CVD 다이아몬드 합성법을 이용하여 입자의 크기가 수 ㎛ 이하로 작으며 입자 모양이 구상인 다이아몬드 분말을 합성하는 방법을 제공하고, 또한 합성 장치의 구조를 개조하여 대량으로 다이아몬드 분말을 합성할 수 있는 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and provides a method for synthesizing diamond powder having a small particle size of several micrometers or less and spherical particle shape using CVD diamond synthesis method, and also the structure of the synthesis apparatus The purpose of the present invention is to provide a device capable of synthesizing diamond powder in large quantities by remodeling.

도 1은 기상화학증착법에 의한 다이아몬드막의 합성장치의 예를 나타낸 것이다.Fig. 1 shows an example of the apparatus for synthesizing a diamond film by vapor chemical vapor deposition.

도 2는 도 1의 다이아몬드 합성장치에 있어서, 본 발명의 구상의 다이아몬드 분말 합성장치 및 구상의 다이아몬드가 합성되는 위치를 나타낸 것이다.FIG. 2 shows the position at which the spherical diamond powder synthesizing apparatus and spherical diamond are synthesized in the diamond synthesizing apparatus of FIG. 1.

도 3은 도 2의 위치에서 합성된 다이아몬드의 분말 사진을 보여주는 것이다.Figure 3 shows a powder photograph of the diamond synthesized in the position of FIG.

도 4a는 도 1, 2에 나타난 플라즈마를 사용하여, 링 형태의 기판을 사용하여 구상의 다이아몬드 분말이 합성되는 면적을 증가시킬 수 있는 장치의 정면 개략도를 나타낸 것이다.FIG. 4A shows a front schematic view of an apparatus that can increase the area where spherical diamond powders are synthesized using a ring shaped substrate using the plasma shown in FIGS. 1 and 2.

도 4b는 도 4a의 평면 개략도를 나타낸 것이다.FIG. 4B shows a top schematic view of FIG. 4A.

도 5a는 다이아몬드 합성법으로 7개의 음극을 사용하는 직류 전원 플라즈마 화학증착 다이아몬드 합성법[1]에서와 같이 플라즈마를 여러 개로 분리시켜서 구상의 다이아몬드 분말이 합성되는 면적을 증가시킬 수 있는 장치의 정면 개략도를 나타낸 것이다.FIG. 5A is a front schematic diagram of a device capable of increasing the area where spherical diamond powders are synthesized by separating plasma into several as in the DC power plasma chemical vapor deposition diamond synthesis method using seven cathodes as a diamond synthesis method [1]. will be.

도 5b는 도 5a의 평면 개략도를 나타낸 것이다.5B shows a top schematic view of FIG. 5A.

( 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 ;(Description of symbols on the main parts of the drawings;

1 : 진공용기, 2 : 플라즈마, 3 : 기판Ⅰ, 4 : 다이아몬드막, 7 : 구상의 다이아몬드 분말, 8 : 기판Ⅱ.)1: vacuum vessel, 2: plasma, 3: substrate I, 4: diamond film, 7: spherical diamond powder, 8: substrate II.)

이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, CVD 다이아몬드 합성법에 있어서, 플라즈마의 가장자리의 일정 조건하에서 다이아몬드가 막 형태가 아닌 다층의 분말 형태로 합성됨을 발명하였다. 본 발명은 플라즈마의 가장자리 부위에서는 다이아몬드 핵 생성의 구동력(driving force)이 크기 때문에 기상에서 핵생성하는 균일 핵 생성 (homogeneous nucleation)의 조건을 만족한다는 사실을 이용하여 플라즈마 가장자리에 플라즈마와 접촉하지 않는 기판을 장치하여 구상의 다이아몬드 분말을 합성하고, 기판의 수를 다르게하여 플라즈마를 기판의 수 만큼 분리시켜서 가스상 중에서 분말 형태의 다이아몬드 합성이 가능한 면적을 증가시킴으로써 대량의 다이아몬드 분말 제조 방법을 제공한다.In order to achieve this object, according to the present invention, in the CVD diamond synthesis method, it was invented that the diamond is synthesized in the form of a multi-layered powder, not in the form of a film, under a certain condition of the edge of the plasma. The present invention takes advantage of the fact that the driving force for diamond nucleation is large at the edge of the plasma, so that the substrate meets the conditions of homogeneous nucleation, which nucleates in the gas phase. The present invention provides a method for producing a large amount of diamond powder by synthesizing spherical diamond powder, and separating plasma by the number of substrates by varying the number of substrates, thereby increasing the area in which diamond can be synthesized in powder form in the gas phase.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.

도 1은 기상합성에 의한 다이아몬드 합성장치의 예를 나타낸 것으로, 다이아몬드는 진공용기(1) 내에서 플라즈마(2)와 접촉하고 있는 기판Ⅰ(3) 위에서 막 형태(4)로 성장한다. 기판Ⅰ은 순환되고 있는 냉각수(5)에 의해 냉각되는 기판고정대(6) 위에 놓여진다. 이 합성장치를 이용한 다이아몬드 합성에서의 주요합성 변수로는 가스 조성, 압력 및 기판의 온도를 들 수 있으며, 이들은 각각 수소 가스내 1∼20% CH4, 10∼200 Torr 및 약 1000℃ 로 제어되어야 구상의 다이아몬드 분말의 합성이 가능하다. 그러나, 상기한 바와 같이, 이러한 장치를 이용하여 구상의 다이아몬드 분말을 합성하는 경우 다이아몬드 입자가 기판 상에 붙어 있어 회수하기 어려울 뿐만 아니라, 다이아몬드 입자들이 한 층 이상으로 겹쳐서 합성될 경우에는 막이 형성되어 회수할 수 있는 양이 매우 적어지는 문제가 있다.Fig. 1 shows an example of a diamond synthesizing apparatus by vapor phase synthesis, in which diamond is grown in a film form 4 on a substrate I (3) in contact with a plasma 2 in a vacuum vessel 1. The substrate I is placed on the substrate holder 6 cooled by the cooling water 5 circulated. The main synthesis parameters for diamond synthesis using this synthesizer include gas composition, pressure and substrate temperature, which should be controlled to 1-20% CH 4 , 10-200 Torr and about 1000 ° C in hydrogen gas, respectively. Synthesis of spherical diamond powder is possible. However, as described above, when synthesizing spherical diamond powder using such a device, diamond particles are stuck on the substrate and are difficult to recover, and when diamond particles are synthesized by overlapping one or more layers, a film is formed and recovered. There is a problem that the amount can be very small.

도 2는 도 1에서 나타낸 기상화학증착에 의한 다이아몬드 합성장치에 있어서, 플라즈마와 접촉하는 기판Ⅰ(3) 외에 기판Ⅱ(8)를 추가로 장치하여 구상의 다이아몬드 분말을 합성할 수 있도록 한 구상의 다이아몬드 합성장치를 나타낸 것이다. 본 발명에 따른 구상의 다이아몬드 합성장치에 있어서, 기판Ⅰ 외에 기판Ⅰ의 주위에 위치하며 플라즈마와 접촉하지 않는 기판Ⅱ(8)를 추가로 장치하여 구상의 다이아몬드 분말을 합성할 수 있게 된다. 이때, 구상의 다이아몬드 분말(7)은 기판Ⅰ의 주위에 위치한 플라즈마와 접촉하지 않는 링(ring) 형태의 기판Ⅱ(8) 위에서 합성된다. 상기한 바와 같이, 플라즈마의 가장자리 부위에는 다이아몬드 핵 생성의 구동력이 커서 기상에서 핵생성하는 균일핵 생성의 조건을 만족하기 때문에 플라즈마 가장자리에 장치된 기판Ⅱ 상에는 막상의 다이아몬드가 아닌 구상의 다이아몬드 분말이 합성된다.FIG. 2 shows a spherical diamond powder synthesized by vapor phase chemical vapor deposition shown in FIG. 1 in which a substrate II (8) is additionally provided in addition to the substrate I (3) in contact with plasma. It shows a diamond synthesizer. In the spherical diamond synthesizing apparatus according to the present invention, a spherical diamond powder can be synthesized by additionally installing a substrate II (8) located around the substrate I and not in contact with the plasma in addition to the substrate I. At this time, the spherical diamond powder 7 is synthesized on a ring-shaped substrate II 8 that is not in contact with the plasma located around the substrate I. As described above, since the driving force of diamond nucleation is large at the edge portion of the plasma and satisfies the conditions for uniform nucleation in nucleation in the gas phase, spherical diamond powders, not films, are synthesized on the substrate II mounted at the plasma edge. do.

도 3은 도 2와 같은 다이아몬드 합성장치를 사용하여 기판Ⅱ 상에 합성된 구상의 다이아몬드를 나타낸 것으로, 각 입자는 직경이 약 0.5 ㎛인 분말 형태이며다층으로 합성되어 있음을 알 수 있다. 따라서 본 발명은 도 2와 같이 기존의 다이아몬드 합성장치의 기판Ⅰ 외에 기판Ⅰ 주위에 플라즈마와 접촉하지 않는 기판Ⅱ를 장치한 구상의 다이아몬드 분말 합성장치 및 이를 이용한 구상의 다이아몬드 분말 합성방법을 제공한다.FIG. 3 shows spherical diamonds synthesized on the substrate II using the diamond synthesizing apparatus as shown in FIG. Accordingly, the present invention provides a spherical diamond powder synthesizing apparatus including a substrate II which does not contact plasma around the substrate I in addition to the substrate I of the existing diamond synthesis apparatus as shown in FIG. 2, and a spherical diamond powder synthesis method using the same.

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 있어서, 도 2와 같은 다이아몬드 합성장치의 기판 부분을 개조하여 구상의 다이아몬드 분말을 다량으로 합성할 수 있도록 하는 장치의 정면 개략도 및 평면 개략도를 나타낸 것이다. 이 장치에 의하면, 플라즈마와 접촉하는 기판Ⅰ을 링 형태로 장치함으로써, 이 링 모양의 기판Ⅰ의 외부 뿐 아니라 내부도 플라즈마와 접촉하지 않는 부분이 생기게 되어 플라즈마와 접촉하지 않는 면적이 증가한다. 도 4a 및 도 4b는 이러한 링 형태 기판Ⅰ의 내부와 외부의 플라즈마와 접촉하지 않는 부위에 기판Ⅱ를 장치하여 구성된 구상의 다이아몬드 분말을 합성하는 장치를 나타낸다. 이 장치를 사용하여 다이아몬드를 합성하면, 구상의 다이아몬드 분말이 링 형태의 기판Ⅰ의 외부 뿐 아니라 내부에서도 합성 가능해지므로 대량으로 구상의 다이아몬드 분말을 합성할 수 있게 된다. 따라서 본 발명은 기판의 형태를 특이하게 장치하여 대량의 구상의 다이아몬드 분말을 합성하는 구상의 다이아몬드 분말 합성장치 및 이를 이용한 구상의 다이아몬드 분말 합성 방법을 제공한다.4A and 4B show the front and top schematic views of the apparatus for remodeling the substrate portion of the diamond synthesizing apparatus as shown in FIG. 2 to synthesize a large amount of spherical diamond powder. According to this apparatus, by arranging the substrate I in contact with the plasma in a ring form, a portion which does not contact the plasma as well as the outside of the ring-shaped substrate I is formed, thereby increasing the area not in contact with the plasma. 4A and 4B show an apparatus for synthesizing spherical diamond powder formed by mounting substrate II on a portion of the ring-shaped substrate I which is not in contact with the plasma inside and outside the ring-shaped substrate I. When the diamond is synthesized using this apparatus, the spherical diamond powder can be synthesized not only outside of the ring-shaped substrate I but also inside, so that the spherical diamond powder can be synthesized in large quantities. Accordingly, the present invention provides a spherical diamond powder synthesizing apparatus for synthesizing a large amount of spherical diamond powder by specifically setting the shape of the substrate, and a spherical diamond powder synthesizing method using the same.

도 5a 및 도 5b는 기판의 수를 다르게 하였을 경우에 플라즈마가 기판의 수 만큼 분리되는 기상화학증착법을 사용하는 다이아몬드 합성장치에 있어서, 다수의 기판을 사용하여 구상 다이아몬드 분말의 합성 면적을 증가시킬 수 있는 장치의 정면 개략도 및 평면 개략도를 나타낸 것이다. 본 발명에 있어서, 2개 이상의 기판Ⅰ을 사용하면 플라즈마가 2개 이상으로 분리되어, 각각의 기판Ⅰ 주위에 장치된 기판Ⅱ에서 다이아몬드 분말이 합성되므로 다이아몬드 분말의 합성면적이 증가하여 대량의 다이아몬드 분말을 얻을 수 있게 된다. 예컨대, 7음극을 사용하는 다음극 직류전원 플라즈마화학증착(Multi-cathode DC PACVD(direct current plasma assisted chemical vapor deposition)장치의 경우, 도 5b의 평면 개략도에서 볼 수 있는 것처럼, 플라즈마를 기판Ⅰ의 수 만큼 완전히 분리시킬 수 있다. 7음극을 사용하는 다음극 직류전원 플라즈마화학증착장치의 음극 구조는 도 5b에서 볼 수 있는 것처럼 가운데 하나의 음극을 기준으로 여섯 개의 음극들이 60°간격으로 위치한 방사상으로 되어 있으며, 플라즈마가 음극의 수 만큼 나누어지고 여기에 각각 기판Ⅰ 및 Ⅱ를 장치함으로써, 구상 다이아몬드 분말의 합성 면적을 효과적으로 증가시킬 수 있으며, 대량의 구상 다이아몬드 분말의 합성을 가능하게 한다. 7음극을 사용하는 다음극 직류전원 플라즈마화학증착장치에 관한 더욱 상세한 내용은 한국특허출원 제99/021389호에 개시되어 있다. 따라서, 본 발명은 2개 이상의 기판을 장치하여 구상의 다이아몬드 분말이 합성되는 면적을 증가시켜 대량의 다이아몬드 분말을 합성하는 구상의 다이아몬드 분말 합성장치 및 이를 이용한 구상의 다이아몬드 합성방법을 제공한다.5A and 5B illustrate a diamond synthesis apparatus using a vapor chemical vapor deposition method in which plasmas are separated by the number of substrates when the number of substrates is changed, and a plurality of substrates may be used to increase the synthesis area of the spherical diamond powder. Front and top schematic views of the device are shown. In the present invention, when two or more substrates I are used, plasma is separated into two or more, and the diamond powder is synthesized on the substrate II mounted around each substrate I, so that the synthetic area of the diamond powder is increased, thereby increasing the amount of diamond powder. You will get For example, in the case of a multi-cathode DC PACVD (PAC) apparatus using seven cathodes, the plasma is subjected to the number of substrates I as shown in the plan view in FIG. The cathode structure of the next pole DC power plasma chemical vapor deposition apparatus using 7 cathodes is radially located with six cathodes spaced at 60 ° with respect to one cathode as shown in FIG. 5B. By dividing the plasma by the number of cathodes and placing the substrates I and II respectively, the area of synthesis of the spherical diamond powder can be effectively increased, and the synthesis of a large amount of the spherical diamond powder is possible. For more details on the next pole DC power plasma chemical vapor deposition apparatus Therefore, the present invention provides a spherical diamond powder synthesizing apparatus for synthesizing a large amount of diamond powders by increasing the area where spherical diamond powders are synthesized by installing two or more substrates, and spherical diamonds using the same. Provide a synthesis method.

상기의 도 2, 도 4a, 도 4b, 도 5a 및 도 5b의 다이아몬드 합성장치를 이용하여 구상의 다이아몬드를 합성하는 방법에 있어서, 기판의 온도와 관련하여, 하나의 구리 링에서도 위치에 따라 측정되는 온도가 다르기 때문에, 각 합성에 있어서구상의 다이아몬드가 합성되는 온도를 정확히 측정하는 것은 불가능하다. 그러나, 한 가지 확실한 것은, 일반적으로 플라즈마와 직접 접촉하지 않는 기판Ⅱ의 온도는 막상의 다이아몬드 합성이 이루어지는 플라즈마와 접촉하는 기판Ⅰ의 온도(약 1000℃)보다 낮고 상온(25℃)보다는 높게 나타난다. 따라서, 온도 25 ℃ ∼ 1000 ℃ 범위의 비교적 낮은 온도에서도 기판Ⅱ 상에 수㎛ 이하의 세립의 균일한 입자 크기를 갖는 구상의 다이아몬드 분말을 합성할 수 있다. 다이아몬드의 합성이 일어나는 기판의 온도는 구상의 다이아몬드가 합성되는 속도를 결정하게 되는 바, 상기 온도 범위 내에서 온도가 낮으면 합성 속도가 느려지고, 온도가 높으면 합성속도가 빨라진다.In the method of synthesizing spherical diamond using the diamond synthesis apparatus of Figs. 2, 4A, 4B, 5A, and 5B, the position of the spherical diamond is measured in relation to the temperature of the substrate even in one copper ring. Since the temperature is different, it is impossible to accurately measure the temperature at which spherical diamond is synthesized in each synthesis. One thing is certain, however, that the temperature of substrate II, which is not in direct contact with the plasma in general, is lower than the temperature of the substrate I, which is in contact with the plasma where the diamond synthesis on the film is made (about 1000 ° C.) and higher than room temperature (25 ° C.). Therefore, it is possible to synthesize spherical diamond powder having a uniform particle size of fine grains of several micrometers or less on the substrate II even at relatively low temperatures in the range of 25 ° C to 1000 ° C. The temperature of the substrate at which the diamond is synthesized determines the rate at which spherical diamond is synthesized. If the temperature is low within the above temperature range, the synthesis rate is slowed down, and if the temperature is high, the synthesis rate is high.

한편, 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 구상의 다이아몬드가 합성되는 곳은 플라즈마로부터 격리된 곳이다, 또한, 합성되는 구상 다이아몬드의 밀도는 플라즈마로부터의 거리에 반비례한다. 즉, 플라즈마로부터 멀어질수록 합성되는 구상 다이아몬드 분말의 밀도가 낮아져 일정 거리 이상 되면 구상의 다이아몬드가 합성되지 않게된다. 실시예 3에서 알 수 있는 바와 같이, 다이아몬드의 합성을 플라즈마로부터 10㎝ 정도 떨어진 위치에서 수행하면 구상의 다이아몬드가 합성되지 않는다. 따라서, 다이아몬드가 합성되는 위치는 플라즈마와 격리되어 있어야 함과 동시에 플라즈마로부터 10㎝ 이상 떨어지지 않은 범위이다.On the other hand, as can be seen from Fig. 2, the place where spherical diamond is synthesized is isolated from the plasma, and the density of the spherical diamond to be synthesized is inversely proportional to the distance from the plasma. That is, as the distance from the plasma decreases, the density of the spherical diamond powder synthesized decreases, and when more than a predetermined distance, the spherical diamond is not synthesized. As can be seen in Example 3, when the synthesis of diamond is performed at a position about 10 cm away from the plasma, spherical diamond is not synthesized. Therefore, the position at which the diamond is synthesized should be isolated from the plasma and at the same time not separated from the plasma by more than 10 cm.

이하에서는 구체적인 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명할 것이나, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples, but the scope of the present invention is not limited to the following examples.

< 실시예 1 ><Example 1>

다음극 직류전원플라즈마 화학증착장치에서 형성된 플라즈마를 이용하여, 직경 76 mm 두께 10 mm의 Mo 기판I 주위에 내경 80 mm 외경 110 mm, 두께 5 mm 구리로 된 링 형태 기판Ⅱ를 두어(도 2참조), 메탄조성을 8%, 전력을 15 kW, 구리 링 형태 기판Ⅱ의 온도를 600 ℃로 하여, 100 시간 동안 합성실험을 수행하였다. 그 결과, 구리 링 형태 기판II 위에 도면 3에 나타낸 바와 같은 구상의 다이아몬드가 여러 층으로 합성되었다.Using a plasma formed in the next pole DC power plasma chemical vapor deposition apparatus, a ring-shaped substrate II of 80 mm in diameter and 110 mm in diameter and 5 mm in thickness was placed around a Mo substrate I with a diameter of 76 mm and a thickness of 10 mm (see Fig. 2). ), The methane composition was 8%, the power was 15 kW, the temperature of the copper ring-type substrate II was 600 ℃, and the synthesis experiment was performed for 100 hours. As a result, spherical diamonds as shown in Fig. 3 were synthesized on the copper ring-shaped substrate II in several layers.

< 실시예 2 ><Example 2>

실시예 1과 같은 장치(도 2 참조)에서 구상의 다이아몬드 분말을 합성하였다. 합성조건은 메탄조성 8%, 압력 200 Torr, 가스유량 200 sccm 으로 하였다. 이때 도 2의 기판Ⅱ 위에서 도 3에 나타낸 것과 같은 구상의 다이아몬드 분말이 합성되었다. 합성된 각 다이아몬드 분말의 입자는 직경이 약 0.5 ㎛인 분말 형태였으며 다층으로 합성되었다.Spherical diamond powder was synthesized in the same apparatus as in Example 1 (see FIG. 2). Synthesis conditions were methane composition 8%, pressure 200 Torr, gas flow rate 200 sccm. At this time, spherical diamond powder as shown in Fig. 3 was synthesized on the substrate II of Fig. 2. The particles of each synthesized diamond powder were in the form of a powder having a diameter of about 0.5 μm and synthesized in multiple layers.

< 실시예 3 ><Example 3>

실시예 1과 같은 장치(도 2참조)에서 기판Ⅱ의 외경을 30 cm로 하여(내경은 실시예 1과 동일), 기판Ⅱ 상에서 힙성되는 다이아몬드 분말의 플라즈마로부터 거리에 따른 밀도 분포를 조사하였다. 합성 조건은 실시예 1에 나타낸 것과 동일하였다. 기판Ⅱ 상에서 합성된 다이아몬드 분말의 밀도는 플라즈마측에서부터 1 cm 떨어진 곳까지는 거의 도 3과 같은 밀도를 보였으나, 가장자리 방향으로 갈수록, 즉 플라즈마로부터 멀어질수록 합성된 다이아몬드 분말의 밀도가 감소하여 플라즈마로부터 약 10 cm 떨어진 곳에서는 합성된 다이아몬드 분말의 밀도가 거의 '0' 에 가깝게 나타났다. 따라서 다이아몬드 분말이 합성될 수 있는 위치는 플라즈마로부터의 거리가 약 10 cm 이내인 위치임을 알 수 있다.In the same apparatus as in Example 1 (see Fig. 2), the outer diameter of the substrate II was set to 30 cm (inner diameter is the same as that of Example 1), and the density distribution with distance from the plasma of the diamond powder heaped on the substrate II was examined. Synthesis conditions were the same as shown in Example 1. The density of the diamond powder synthesized on the substrate II was almost the same as that of FIG. 3 up to 1 cm away from the plasma side, but the density of the synthesized diamond powder decreased toward the edge direction, that is, away from the plasma. At about 10 cm away, the density of the synthesized diamond powder was nearly zero. Therefore, it can be seen that the position where the diamond powder can be synthesized is a position within a distance of about 10 cm from the plasma.

본 발명은 기상합성법으로 수 ㎛ 이하의 직경을 갖는 구상의 다이아몬드 분말을 합성할 수 있는 구상의 다이아몬드 합성장치와 및 이를 이용한 구상의 다이아몬드 합성방법과 상기 다이아몬드 분말 합성장치의 구조를 변경하여 다이아몬드 분말을 대량으로 합성할 수 있는 장치 및 이를 이용한 다이아몬드 합성방법을 제공한다. 이러한 미분의 다이아몬드는 표면 요철이 수 ㎚ 정도를 갖는 고품위의 고속 연마에 사용되는 연마제 뿐만 아니라, field emission display(FED)의 전극재료, 다이아몬드 마이크로 공구제작 등에 응용될 수 있다.The present invention provides a spherical diamond synthesizing apparatus capable of synthesizing spherical diamond powder having a diameter of several micrometers or less by vapor phase synthesis method, and a spherical diamond synthesizing method using the same and a structure of the diamond powder synthesizing apparatus. Provided are a device capable of synthesizing in large quantities and a diamond synthesis method using the same. Such fine diamond can be applied not only to the abrasive used for high quality high speed polishing having surface irregularities of about several nm, but also to electrode materials of field emission display (FED), diamond micro tool fabrication, and the like.

Claims (5)

진공용기에 플라즈마를 형성시켜 탄소원 반응가스를 분해함으로써 기판Ⅰ상에 막상의 다이아몬드를 합성하는 기상화학증착 다이아몬드 합성장치에 있어서, 플라즈마와 직접 접촉하는 기판Ⅰ 및 기판Ⅰ 주위에 플라즈마와 직접 접촉하지 않게 장치된 기판Ⅱ를 포함하여 구성된 구상의 다이아몬드 분말 합성장치.In a vapor chemical vapor deposition diamond synthesizing apparatus, in which a plasma is formed in a vacuum vessel to decompose a carbon source reaction gas to synthesize diamond on a substrate. A spherical diamond powder synthesizing apparatus including substrate II installed thereon. 제 1 항에 있어서, 링 형태로 제작되어 장치된 기판Ⅰ 및 이 링 형태의 기판Ⅰ의 내부와 외부에 플라즈마와 접촉하지 않게 장치된 기판Ⅱ를 포함하여 구성된 구상의 다이아몬드 분말 합성장치.2. The spherical diamond powder synthesizing apparatus according to claim 1, comprising a substrate I fabricated and provided in a ring form and a substrate II provided inside and outside the ring form substrate I so as not to contact plasma. 제 1항에 있어서, 플라즈마를 2개 이상으로 분리시키기 위한 2개 이상의 기판Ⅰ 및 기판Ⅰ 주위에 플라즈마와 접촉하지 않게 장치된 기판Ⅱ를 포함하여 구성된 구상의 다이아몬드 분말 합성장치.The spherical diamond powder synthesizing apparatus according to claim 1, comprising at least two substrates I for separating the plasma into two or more substrates and a substrate II arranged so as not to contact the plasma. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 기판Ⅱ를 플라즈마와 접촉하지 않으면서 플라즈마로부터 10 cm 이내인 곳에 장치하여 구성된 구상의 다이아몬드 분말 합성장치.The spherical diamond powder synthesizing apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the substrate II is disposed within 10 cm of the plasma without being in contact with the plasma. 진공 용기에 플라즈마를 형성시켜 탄소원 반응가스를 분해시킴으로써 기판Ⅰ 상에막상의 다이아몬드를 합성시키는 기상화학증착 다이아몬드 합성방법에 있어서, 기판Ⅰ 및 기판Ⅱ를 포함하여 구성된 제 1항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 의한 구상의 다이아몬드 분말 합성장치를 이용하고, 기판Ⅱ의 온도를 25℃∼1000℃로 하여, 기판Ⅱ 상에 구상의 다이아몬드 분말을 합성시키는 과정을 포함하는 구상의 다이아몬드 분말 합성방법.The vapor deposition method for synthesizing diamond on the substrate I by forming a plasma in a vacuum vessel and decomposing a carbon source reaction gas, wherein the diamond synthesis method comprises any one of claims 1 to 3 including substrate I and substrate II. A spherical diamond powder synthesizing method comprising the step of synthesizing spherical diamond powder on a substrate II by using the spherical diamond powder synthesizing apparatus according to one of claims 1 to 25, and the temperature of the substrate II.
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