KR20050067394A - 단결정 다이아몬드 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 화학증착법(CVD)에 의하여 실질적으로 표면 결함(surface defects)이 없는 기재 위에서 성장시킨 CVD 다이아몬드로부터 단결정 다이아몬드의 넓은 면적의 판을 제조하는 방법에 관한 것이다. 호모에피택셜 성장된 다이아몬드와 기재를 다이아몬드의 성장이 일어난 상기 기재의 표면을 가로지르는 면이 주된 표면이 되도록 절단하여 단결정 CVD 다이아몬드의 넓은 면적의 판을 제조한다.

Description

단결정 다이아몬드{SINGLE CRYSTAL DIAMOND}

본 발명은 단결정 다이아몬드에 관한 것이다.

다이아몬드는 광학 투과능, 열 전도성, 강성(剛性), 내마모성 및 전기적 특성을 포함하는 다양한 독특한 특성을 제공한다. 기계적 특성의 경우 다이아몬드의 종류가 다르더라도 별반 차이가 없으며 한 종류의 다이아몬드에 국한되지 않으나, 다른 특성들은 다이아몬드의 형태에 매우 민감하다. 예를 들어, 전기적 특성을 위해서는 CVD 단결정 다이아몬드가 중시되며 이것은 다결정 CVD 다이아몬드, HPHT 다이아몬드 또는 천연 다이아몬드를 능가한다.

다이아몬드의 적용에 있어서 다이아몬드의 제한된 횡치수는 상당한 제약을 가져온다. 다결정 CVD 다이아몬드 층들의 경우 다수의 적용에서는 다결정 다이아몬드가 부적절한 상기 적용상의 문제점들을 상당히 제거하였으나, 다결정 구조는 특정한 적용에만 사용이 가능하다.

천연 다이아몬드와 HPHT 다이아몬드의 경우 특정한 적용에 대해서는 부적당할 수 있지만 그 위에 CVD 다이아몬드를 성장시키는 기재로서 사용된다. 기재는 다양한 결정학적 배향을 가질 수 있으나, 고품질 CVD 다이아몬드의 성장을 위해 제조될 수 있는 가장 크고 가장 적절한 기재 배향은 일반적으로 (001)이다. 본 명세서에 있어서, x, y, z 축을 기준으로 평면을 정의하는 밀러 지수{hkl}은 z 축 방향이 기재 평면에 수직이고 성장 방향에 평행이라는 가정 하에서 언급될 것이다. 따라서, 축 x 및 y는 기재의 평면 내에 위치하게 되며 일반적으로는 대칭에 의해 동등하지만 성장 방향 때문에 축 z와는 다르다.

대형 천연 단결정 다이아몬드는 매우 희귀하며 가격이 비싸다. 그리고, CVD 다이아몬드 성장에 적합한 대형 천연 다이아몬드 기재는 그 가공 및 사용과 관련된 매우 높은 경제적 위험성 때문에 시도된바 없었다. 천연 다이아몬드는, 특히 대형의 기재판(substrate plate)에 있어서, 종종 변형되고 결함이 있으며 트윈(twins)이나 합성 중 CVD 과다성장 또는 파열과 같은 다른 문제점을 야기한다. 게다가, 천연 다이아몬드 기재에 흔한 전위(dislocations)가 CVD 층에 복제되어 그 전기적 특성을 열화시키게된다.

HPHT 합성 다이아몬드 역시 크기에 제약이 있으며 일반적으로는 대형 석재에서 불량한 품질을 나타내며, 개재물(inclusions)이 주요한 문제점이다. 합성 다이아몬드로부터 제조되는 대형 플레이트는 일반적으로 모퉁이가 없어서 {100}과는 다른 모서리 단면 예를 들어 {110}과 같은 형태가 되거나 이들은 개재되거나 변형될수 있다. 합성 도중 (001) 상면 및 {110} 측부 단면 사이에 놓이는 {111}과 같은 단면이 추가로 형성된다(도 1 참조). 최근에는 단색화 분광기(monochromator)와 같은 용도로 사용하기 위해 고품질의 HPHT 다이아몬드를 합성하려는 수많은 시도가 있어왔으며, 약간의 진척이 보고되었으나 기재용으로 적합한 HPHT 판은 여전히 그 크기가 제한된다는 문제점이 있었다.

특히 {111} 면들은 두꺼운 층의 CVD 합성 중 일반적으로 트윈을 형성하여 완전 단결정 성장의 영역을 제한하고 종종 합성 도중 그 품질 저하와 심지어는 파열을 유발하는 것으로 알려져 있으며 이는 성장 온도에 따른 열응력에 의해 더욱 악화된다. {111} 상에서의 트윈 현상은 (001)을 주된 면으로 하고 {100} 측면들로 둘러싸여 제조될 수 있는 최대형 판의 크기를 증가하는데 특히 방해가 된다.

통상 유용한 (001) 기재는 {100} 모서리로 둘러싸인 경우 정면에서 약 7 mm이하의 범위이고 주된 면이 {100} 및 {110} 모서리로 둘러싸인 경우 주된 면을 가로질러 약 8.5 mm 이하의 범위이다.

다이아몬드의 CVD 호모에피택셜 합성(CVD homoepitaxial synthesis)은 기존의 다이아몬드 판 상에 에피택셜하게 CVD 성장시키는 것과 관련되며, 이는 관련문헌에 잘 개시되어 있다. 이것은 물론 기존 다이아몬드 판의 유용성에 의해 여전히 제한된다. 면적을 늘리기 위해서, 과다 성장판의 전체 넓이를 증가시키며 측면으로 성장시키는 것에 초점을 맞춰왔으며 이러한 방법은 EP 0 879 904 호에 개시되어 있다.

호모에피택셜 성장에 대한 대안은 비다이아몬드 기재를 에피택셜 관계로 성장시키는 헤테로에피택셜 성장이다. 하지만 모든 보고서를 보면, 이 공정의 생성물은 고도로 배향되었지만 정밀하게 배향되지 않은 영역들 사이의 경계의 각이 작다는 점에서 호모에피택셜 성장으로부터 얻어진 것과는 완전히 다르다. 이러한 경계들은 다이아몬드의 품질을 매우 저하시킨다.

CVD 판의 면적을 넓히기 위한 다이아몬드의 호모에피택셜한 성장은 많은 문제점을 안고 있다.

다이아몬드 판 상에서의 이상적인 호모에피택셜 성장을 달성할 수만 있다면 달성되는 성장은 본질적으로 도 1 및 2에 도시된 것과 같을 것이다. 그 성장 형태학은 다결정 다이아몬드 성장의 경쟁이 없다는 가정 하에 도시한 것이다. 하지만, 실제로는 도 3에 나타난 바와 같이 일반적으로 다이아몬드 기재판이 탑재되어 있는 표면으로부터 성장하는 다결정 다이아몬드 성장에서의 경쟁이 존재한다.

도 3을 참조하면, 다이아몬드 기재(10)이 표면(12) 위에 탑재된다. 표면(12)을 위한 물질의 예로는 몰리브데늄, 텅스텐, 실리콘 및 실리콘 카바이드를 들 수 있다. CVD 다이아몬드 성장 중, 단결정 다이아몬드의 성장은 (001) 면(14) 및 측면에서 일어나며, 이들 중 2 개(16)가 도시되어 있다. 측면(16)은 {010}의 표면이다. 성장은 판의 정점(18) 및 모퉁이에서 일어나서 그 바깥쪽 방향으로 연장된다. 그러한 성장은 모두 호모에피택셜 단결정 성장이다. 기재 상에 있는 각각의 면에서의 성장, 및 성장 도중 새로 형성되는 면에서의 성장은 성장 구역(growth sector)을 구성한다. 예를 들어, 도 3에서 다이아몬드의 성장(24)은 {101} 평면에서 발생하며 따라서 {101} 성장 구역이다.

호모에피택셜 단결정 성장과의 경쟁은 표면(12) 상에서 일어나는 다결정 다이아몬드 성장(20)일 것이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 표면(14) 상에서 생성되는 단결정 다이아몬드 층의 두께에 따라, 다결정 다이아몬드의 성장(20)은 선(22)을 따라 호모에피택셜 단결정 다이아몬드 성장과 만날 수 있다.

도 2를 놓고 본다면, 기재 측면에서의 순수한 횡방향 성장에 의해 원래 기재(원 기재) 물질을 포함하는 더 큰 기재를 제조할 수 있는 것으로 기대된다. 하지만, 도 3으로부터 명백하듯이, 이러한 판에서는 사실상 다결정 성장이 경쟁하게 된다. 원래의 기재에 평행하지만 성장층 부분이 더 높게 형성된 판은 특히 {111} 성장 구역 내 물질로부터 트윈을 함유하는 경향이 있다.

다결정 다이아몬드가 단결정 다이아몬드와 경쟁하지 않는 성장 조건 하에서는, 다이아몬드 기재 모서리의 공정 조건 및 기하학적 상이성 때문에 측면 단결정 성장의 품질이 일반적으로 떨어진다는 문제점을 여전히 안고 있으며, 이는 다결정 성장을 억제함으로써 더욱 악화된다.

CVD 다이아몬드 성장에 사용되는 기재의 결점은 그 위에 성장한 층에 복제된다. 호모에피택셜 공정이므로 트윈과 같은 구역이 새로 성장하는 구역에 이어질 것이라는 것은 명확하다. 게다가, 전위와 같은 구조가 계속되면, 그 본질적 특성 때문에 선형 전위가 그냥 없어지지는 않으며, 반대 방향의 두 전위가 서로 상쇄될 확률은 대단히 낮다. 성장 공정이 개시될 때마다, 추가적인 전위가, 주로 표면상 이성계(heterogeneities)에서 주로 생겨나며 핏(pits), 먼지 입자, 성장 구역 경계등과 같은 곳을 그 예로 들 수 있다. 전위는 따라서 단결정 CVD 다이아몬드 기재에 있어서의 특수한 문제이며, 한 공정에서의 과다 성장을 다음 공정에서의 기재로 사용하는 일련의 성장에 있어서 전위의 밀도는 상당히 증가하는 경향이 있다.

발명의 요약

본 발명에 따른 단결정 다이아몬드 판 제조방법은 실질적으로 표면 결함이 없는 표면을 갖는 다이아몬드 기재를 제공하는 단계; 화학증착법(CVD)에 의하여 상기 표면 위에 다이아몬드를 호모에피택셜 성장시키는 단계; 및 호모에피택셜 CVD 성장된 다이아몬드 및 기재를 다이아몬드 성장이 일어난 기재의 표면을 가로질러, 전형적으로는 상기 표면에 대해 수직(즉, 90°또는 90°근사각)으로 절단(severing)하여 단결정 CVD 다이아몬드 판을 제조하는 단계를 포함한다.

기재 표면에서 다이아몬드의 호모에피택셜 CVD 성장은 바람직하게는 WO 01/96634 호에 개시된 방법에 의해 이루어진다. 특히, 이 방법에 따를 경우, 기재 위에 고순도의 두꺼운 단결정 다이아몬드를 성장시킬 수 있다. 10 mm 초과, 바람직하게는 12 mm 초과, 더욱 바람직하게는 15 mm 초과의 호모에피택셜 성장된 CVD 다이아몬드의 성장 두께가 달성될 수 있다. 따라서 본 발명에 의해 10 mm를 초과, 바람직하게는 12 mm를 초과, 보다 바람직하게는 15 mm를 초과하는 하나 이상의 선치수를 갖는 단결정 CVD 다이아몬드 판을 제조할 수 있다. "선치수"란 주된 표면 상 또는 그에 인접한 위치의 두 점 사이의 직선 거리를 측정한 것을 뜻한다. 예를 들어, 이런 선치수는 기재 모서리의 길이가 될 수도 있고; 한 모서리부터, 또는 한 모서리상의 한 점으로부터, 다른 모서리까지, 또는 그 모서리 상의 다른 점까지의 거리가 될 수도 있고; 축 길이나 다른 유사한 측정 길이가 될 수 있다.

본 발명의 방법에 따르면 특히 10 mm를 초과, 바람직하게는 12 mm를 초과, 더욱 바람직하게는 15 mm를 초과하는 선형 <100> 모서리 치수와 같은 선치수를 하나 이상 갖는 {100} 측면들 또는 면들에 둘러싸인 직사각형 (001) 단결정 다이아몬드 판을 제조할 수 있다.

본 발명의 방법에 따라 생산된 단결정 CVD다이아몬드 판은 그 자체가 본 발명의 방법에서 기재로서 사용될 수 있다. 두꺼운 단결정 CVD 다이아몬드는 판의 주된 표면에서 호모에피택셜 성장될 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따라, {100} 측면들로 둘러싸인 서로 맞은 편에 있는 면들에 주된 표면을 갖는 (001) 단결정 CVD 다이아몬드 판, 즉 주된 표면이 {001} 면이고 각각의 주된 표면이 10 mm를 초과하는 하나 이상의 선치수를 갖는 다이아몬드 판이 제공된다. 본 발명의 한 형태에 있어서, 판은 직사각형, 정사각형, 평행사변형 또는 이와 유사한 형태를 가지고, 이들의 측면 중 하나 이상, 바람직하게는 두 측면 모두는 10 mm 초과, 바람직하게는 12 mm 초과, 더욱 바람직하게는 15 mm 초과의 치수를 갖는다. 이들 측면은 10 mm를 초과하는 판 모서리 치수(들)가 <100>에 위치되는 {100} 표면 또는 면인 것이 가장 바람직하다. 또한, 본 발명의 방법은 {100} 측면들과 {001} 주된 면으로 둘러싸인 판이 제조할 수 있는 다이아몬드의 대형 판 또는 조각을 제공한다.

다이아몬드 기재의 표면에서 일어나는 다이아몬드의 호모에피택셜 성장에 있어서 그 표면에 존재하거나, 기재의 계면에서 또는 기재의 모서리로부터 발생하는 전위 또는 결함은 일반적으로는 다이아몬드 성장에서 수직으로 전파된다. 따라서, 절단이 다이아몬드의 성장이 일어나는 표면에 대해 실질적으로 수직인 방향에서 실행된다면, 전위는 표면에 대해 대략적으로 평행하게 발생하므로 절단면의 표면을 교차하는 물질 내에서는 거의 없을 것이다. 따라서, 물질의 부피에서 전위 밀도의 감소는, 기재로서 새로운 판을 사용하여 상기 방법을 반복함으로써 달성될 수 있으며, 임의의 판의 주된 표면을 절단하여 전위 밀도를 추가적으로 감소시키는 경우 상기 기재에 대해 수직으로 절단된다. 게다가, 주된 면에 대해 대략적으로 수직인 전위에 비해 평행한 전위가 더욱 바람직한 용도가 존재한다.

일반적으로 고품질의 CVD 성장은 수직 (001) 성장 구역에서 이루어진다. 게다가, 기재의 모서리는 전위를 형성할 수 있으며 이 전위는 수직 방향으로 자라나므로, 최고 품질의 CVD는 기재 모서리에서 수직 방향으로 올린 평면에 둘러싸인 부분이 될 것이다. 본 발명에 따르면, 바로 이 영역 내에서만 하나 이상의 새로운 넓은 면적의 판을 제조해 내며, 이에 따라 판의 결함을 최소화할 수 있고 결정 품질(crystal quality)을 극대화할 수 있다.

본 발명의 다양한 특성들을 조합하여 원료 기재 물질에 비해 전위의 밀도가 낮은 다이아몬드를 제조하는 것이 가능하며, 최소 전위 밀도는 본 발명의 방법의 반복 횟수에 따라 결정된다. 특히, 본 발명의 면적이 넓은(광면적) 판 및 이로부터 합성된 어떠한 층이라도 성장방향에 수직방향의 면(CVD 다이아몬드에서 전위 밀도가 가장 높다고 여겨지는 면)에서 교차하는 전위의 밀도를 50/mm² 이하, 바람직하게는 20/mm² 이하, 더욱 바람직하게는 10/mm² 이하, 더더욱 바람직하게는 5/mm² 이하로 하는 것이 가능하다. 결함 밀도는 결함을 나타내도록 최적화된 플라즈마 또는 화학 에칭("플라즈마 에칭 나타냄"이라 지칭됨)을 한 후 광학적 방법에 의해 가장 쉽게 판명될 수 있으며, 이러한 형태의 간단한 플라즈마 에칭법은 가령 WO 01/96634에 개시되어 있다. 더군다나, 판의 주된 면을 가로지르는 전위 밀도가 중요한 문제인 용도에 있어서, 본 발명에 따라 제조된 판은 주된 면에 있어서의 전위 밀도가 50/mm², 바람직하게는 20/mm², 더욱 바람직하게는 10/mm², 더더욱 바람직하게는 5/mm² 보다 작아서 도움이 된다.

기재가 천연 기재 또는 HPHT 합성 기재인 경우, 수직방향으로 잘린 판이 원래의 기재 물질을 포함하는 것은 가능하기는 하지만 일반적으로 유리하지 못하다. 기재가, 가령 본 공정에 의해 제조된 CVD 다이아몬드 판 자체인 경우 이러한 판에는 기재로부터의 물질을 포함하는 것이 유리할 수 있다.

도 1은 이상적인 호모에피택셜 다이아몬드 성장이 일어난 다이아몬드 판을 개략적으로 나타낸 투시도이고;

도 2는 도 1에 있어서 2-2 선을 따라 절단한 단면도이며;

도 3은 단결정 다이아몬드 성장 및 다결정 다이아몬드 성장을 나타낸 다이아몬드 판의 단면도이고;

도 4는 본 발명의 실시양태에 따라 호모에피택셜 다이아몬드 성장이 일어난 다이아몬드 판의 단면도이며;

도 5는 다이아몬드 판의 주된 표면에 대한 전위 방향의 각이 α를 나타내는 다이아몬드 판을 개략적으로 나타낸 것이고;

도 6은 다이아몬드 판의 주된 면에 대한 전위 방향의 각이 β를 나타내는 다이아몬드 판을 개략적으로 나타낸 것이다.

본 발명의 실시양태를 도면과 관련하여 설명한다. 도 4를 보면, 다이아몬드 판(30)이 제공된다. 다이아몬드 판(30)은 단결정 다이아몬드이다. 상면(32)은 (001) 면이고 측면(34)은 {010} 면이다. WO 01/96634 호에 개시된 바와 같이 표면(32)에 표면 결함, 특히 결정 결함이 거의 없다.

WO 01/96634 호에 개시된 방법에 따라, 다이아몬드 기재(30) 위에서 다이아몬드의 성장(36)이 일어난다. 이 다이아몬드는 상면(32)에 대해 수직, 기재(30)의 모퉁이(38)에서 바깥쪽 방향 및 측면(34)에서 바깥쪽 방향으로 성장한다. 다이아몬드의 성장은 상기에 설명한 바와 같이 {111} 상에 전위 또는 트윈 현상이 있을 수 있으나 대체로 호모에피택셜 성장이며 고품질의 단결정형태이다.

불가피하게는, 일부 다결정 다이아몬드의 성장이 기재가 놓인 표면에서 일어난다. 이 다결정 다이아몬드는, 다이아몬드 성장 영역(36)의 두께에 따라, 이 영역의 하면(40)과 만날 수 있다.

일단 바람직한 두께의 다이아몬드 성장(36)이 얻어지면, 도 44에 점선 부분에 묘사된 바와 같이 다이아몬드 성장 영역(36) 및 기재(30)를 표면(32)으로부터 수직(약 90°)으로 잘라낸다. 이와 같이 하여 고품질 단결정 다이아몬드 판(46)을 얻는다. 원 기재와 다이아몬드 성장영역 사이의 계면은 시료 전체의 부피라는 관점에서 볼 때 실질적으로 무시할 수 있다. 원 기재 물질은 판(46)의 일부를 형성하거나 제거할 수도 있다. 하나 이상의 판을 만들어 낼 수 있으며 각 판들은 서로 평행하고 기재에 수직 방향이다.

WO 01/96634 호의 방법을 이용하면, 깊이 10 mm를 초과하는 다이아몬드 성장 영역(36)을 생성하는 것이 가능하다. 따라서, 생성된 다이아몬드 판(46)의 측면(48)들의 길이는 10 mm를 초과할 것이다.

이 판(46)은 본 발명의 기재로 사용이 가능하다. 따라서, 만약 판(46)이 길이 10mm 초과의 측면(48)을 갖고 두께 10mm 초과의 다이아몬드 성장이 판의 주된 면(50)에 생성되는 경우 10 mm를 초과하는 모두 4개의 측면을 갖는 정사각형, 직사각형 또는 이와 유사한 형태의 판을 생산하는 것이 가능하다.

도 4의 절단은 표면(32)에 수직하게 행해진다. 하지만 수직하게 절단하지 않고 기재에 평행하지만 않으면 다른 각으로의 절단도 가능하다. 기재가 (001)의 주된 면을 가지고 있는데 수직 이외의 각으로 절단된 판들은 {100}이 아닌 주된 면을 가지게 되며 {110}, {113}, {111} 이나 이보다 높은 차원의 평면이 되게 된다.

도 4에서 절단된 단면(44)에 직각 방향으로 판을 절단하는 것도 가능하며, 이 경우 역시 주된 면이 {100}으로 형성될 것이며, 단면(44)에 직각방향 외의 다른 각으로 절단하게 되면 {hk0}형의 주된 면이 형성될 것이다. 단결정 다이아몬드 판을 얻기 위해서는, 모서리에 결함 성장을 시키거나 다결정을 어느 정도 다듬는 것이 필요하다.

당업자라면 본 방법이 다른 기재, 예를 들어 {110}, {113} 또는 심지어 {111}이 주된 면인 기재에도 적용이 가능하고 (001)을 주된 면으로 하는 기재에만한정되지 않는다는 것을 알 수 있고, 또한 (001)을 주된 면으로 하는 기재를 이용하여야 CVD 다이아몬드 성장의 최고 품질이 얻어지고 성장하는 물질에서 잘린 넓은 판의 생산에 있어 (001)면에서 성장하는 CVD 면의 성질이 가장 적당한 바 (001)을 주된 면으로 하는 기재를 사용하는 것이 일반적으로는 가장 바람직한 양태라는 것을 알 수 있다.

이러한 이유로, (001)을 주된 면으로 하는 기재의 핵심 치수는 {100}측면들에만 둘러싸이도록 제조될 수 있는 직사각형 판이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 이 판에서는 {111} 성장 구역 물질의 사용이 극히 제한되거나 없게 되는바 {110} 측면들이나 45°각으로 회전되는 면들로 둘러싸인 판을 성장시키기가 상대적으로 쉬운 편이다. 이 {110}을 측면들로 하는 새로운 판은 {100}을 측면으로 하는 판에 비해 거의 두 배에 가까운 면적을 가지나 원 {100}은 {100} 측면에서 나올 수 있는 가장 큰 {100}을 측면으로 하는 판이다. 이러한 이유로, 본원에 (001)을 주면으로 하는 단결정 다이아몬드 판의 크기는 종종 {100} 모서리를 측면으로 하는 직사각형 판의 가장 넓은 면적을 지칭한다.

본 발명의 발명을 적용하여 과거에 불가능했던 일이 가능하게 된다. 예를 들어, 확실한 간극, 지지, 기계적 무결점, 진공 무결점 기타 등등의 원인으로 인해 작은 창문들을 이어 붙여서는 부족한 경우에 있어서의 넓은 면적의 창문을 제조하는 것이 이제는 가능해 졌다. 고압의 기계 장치의 활성 부위의 아크(arching)의 차단 역시 넓은 면적에 걸쳐 가능하게 되었다. 본 발명 물질에 있어서, 전위의 밀도가 낮아 전위가 캐리어 트랩(carrier trap)이나 전기 단락(electrical short circuit)으로 작용하는 전자 장치에서 사용할 수 있게 한다.

CVD 다이아몬드 층의 성장 방향은 일반적으로 그 안의 전위 구조에 좌우된다. 수많은 구조가 가능하다.

1) 가장 간단한 경우는 성장 방향과 평행하게 자라나는 전위가 대부분인 경우이며, 이 경우 성장 방향은 명확해 진다.

2) 또 다른 일반적인 경우로는 전위가 성장 방향으로 서서히 사라지는 것이며, 일반적으로 성장 방향에 대해 대칭성을 나타내고 축에 대해 일반적으로 20°, 더욱 일반적으로 15°, 더더욱 일반적으로 10°, 가장 일반적으로는 5°보다 작은 각을 갖는다. CVD 다이아몬드 층의 작은 면적으로부터 다시 전위로부터의 성장방향을 쉽게 결정할 수 있다.

3) 때때로, 성장 면 자체가 국부 성장 방향에 대해 직각방향이 아니고 직각방향에서 약간 벗어나 있을 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 전 위의 방향은 그것이 나타난 성장 영역의 기재 표면에 직각 방향으로 기울 수 있다. 특히 모서리 주변의 성장 방향이 층의 대부분과 다를 수 있으며, 예를 들어 {001}을 주된 성장 면으로 하는 기재에 {101} 모서리는 비스듬하게 된다. 이 들 양 경우 모두에 있어서, 전반적으로 보면 전위 구조로 일반적인 성장방향을 알 수 있으며, 또한 마찬가지로 성장 구역이 하나 이상이라는 것도 명백해진다. 전위의 방향이 중요한 경우에 있어서, 하나의 성장 구역에서만 만들어진 물질을 사용하는 것이 일반적으로 바람직하다.

본 명세서에서, 전위의 방향은 전위 배치의 분석을 통해 상기 모델에 기초하여 얻어진 층의 성장 방향이다. 일반적으로 그리고 바람직하게는, 특정 성장구역 내의 전위의 방향은 벡터 평균값을 이용한 전위의 평균 방향과 일치할 것이며 평균 방향의 20°, 더욱 바람직하게는 15°, 더더욱 바람직하게는 10°, 가장 바람직하게는 5°내의 범위에 전위의 적어도 70%, 더욱 일반적으로는 80%, 더더욱 일반적으로는 90%이상이 놓이게 된다.

전위의 방향은 예를 들어 X-선 분석기를 이용하여 측정할 수 있다. 이러한 방법으로 개개의 전위를 분석할 수는 없으나 전위가 다발(bundle)인 경우에 있어서 다발 내 전위의 숫자에 부분적으로 비례하여 나타나는 강도로 측정이 가능하다. 전위 방향 평면의 수직 방향에 있어서 얻은 분석에서는 선보다는 점 형태의 이미지가 얻어지는바, 전위 방향 평면의 단면 이미지 분석을 이용하여, 더 간단하거나 바람직하게는 강도에 따른 벡터 평균을 구할 수 있게 된다. 판의 원 성장 방향을 알 수 있다면, 전위 방향을 결정할 수 있는 중요한 시작점이 된다.

상기의 방법으로 전위 방향을 결정하였다면, 단결정 CVD 다이아몬드 판의 주된 면에 대한 그 각 배향을 정할 수 있다. 도 5를 보면 다이아몬드 판(60)은 주된 면들(62, 64)이 서로 마주본다. 전위의 방향(66)이 다이아몬드 판(60)의 주된 면들(62, 64)의 하나 이상의 평면(68, 70)과 30°, 바람직하게는 20°, 더욱 바람직하게는 15°, 더더욱 바람직하게는 10°, 가장 바람직하게는 5°보다 작은 α의 각으로 형성되면, 선들(66)로 표시된 전위들의 방향은 일반적으로 다이아몬드 판(60)의 주된 면들(62, 64)에 평행하게 배향된다고 본다. 단결정 CVD다이아몬드 판, 특히 (001)수직 성장 구역 내의 최고품질 CVD 성장을 기재에 거의 수직으로 잘라내면 일반적으로 이러한 전위의 배향을 얻을 수 있다.

전위가 주된 면들의 방향에 대체로 평행하게 놓였을 때 얻을 수 있는 이점으로는 전위가 광학적 이용에 있어서 판을 통과하는 광선의 굴절률의 변화가 전위가 주된 면들의 방향에 대체로 수직으로 놓였을 경우와 비교해 보았을 때 상당히 감소하는 것을 들 수 있다. 더욱이 측면 치수가 모두 2 mm, 더욱 바람직하게는 3 mm, 더더욱 바람직하게는 4 mm, 더더욱 바람직하게는 5 mm, 더더욱 바람직하게는 7 mm를 초과하는 판을 생산하는 것이 가능해진다는 이점이 있다.

전위가 주된 면들의 방향에 대체로 평행하게 놓였을 때 이점이 있는 다른 용도로는 고압의 전기를 이용하는 경우로서 전위가 전압이 가해지는 방향에 단락을 일으킬 수 있는 경우에 있어서 유용하다.

전위와 평행하게 쏜 광선이 국부 전장을 증대시켜 그 효과가 사라질 수 있는 경우에 있어서, 레이저 창으로서도 유용할 수 있다. 전위 방향을 광선 방향에 상쇄되도록 하거나 레이저 창의 주된 면에 평행하도록, 즉 레이저 빔 방향에 수직이 되도록 배치하여 이를 조절할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라 레이저 강도를 최대로 끌어올릴 수 있다.

판의 주된 면의 수직 방향에 대한 상대적 배향을 전위 방향으로 할 수도 있다. 도 6을 보면 다이아몬드 판(80)은 주된 면들(82, 84)이 서로 마주보도록 되어 있다. 상기의 방법으로 결정되는 전위 방향(86)과 수직 방향(88)의 각 β가 20°, 더욱 바람직하게는 30°, 더더욱 바람직하게는 40°, 가장 바람직하게는 50°를 초과하면, 전위 방향(86)이 판의 주된 면들(82, 84) 중 하나 이상에 대해 직각방향(88)으로부터 벌어진(offset away) 것으로 볼 수 있다. 일반적으로 단결정 CVD다이아몬드 판을 성장이 일어나는 기재의 표면에 각을 이루어 잘라내었을 때 이러한 전위들의 배향을 얻을 수 있다. 대체적으로는 판의 성장 표면 자체는 기재 표면에 평행이 아닌데, 예를 들어 (001) 기재에서 성장한 {101} 성장 구역의 층에서, 판을 기재에 거의 수직으로 잘랐을 때, 이러한 전위들의 배향을 얻을 수 있다.

전위의 방향이 판의 주된 면들에 수직한 방향 중 하나 이상에서 떨어저 있다는 사실만으로도 몇몇 용도에 있어서 상당한 이점을 얻을 수 있다. 가령 다이아몬드를 에탈론(etalon)에 사용하는 데에 있어 큰 이점이 있다.

본 발명은 다수의 구체적인 실시예를 참고하는 경우, 당 업계의 숙련자라면 하기 청구의 범위에서 설정한 본 발명의 진의 및 범주내에서 다양하게 변화시킬 수 있을 것이다.

실시예 1

WO 01/96633 호에 개시된 방법에 따라 CVD 다이아몬드 성장을 이용하여 두 개의 {001} 합성 다이아몬드 기재를 제조하였다. 이들 다이아몬드 기재에 층을 성장시켜 두께 6.7 mm로 만들었다. 층의 전위 방향을 측정하여 X-선 분석기에 나타난 전위 중 90% 초과가 성장 방향에 20°각도 내, 80% 초과가 성장 방향에 10°각도 내에 있다는 것이 밝혀졌다.

각 판의 주된 면의 치수가 6 ×5 mm 초과가 되도록, 그리고 성장방향이 주된 면들의 평면과 같게 되도록 이들 각 층으로부터 판을 하나씩 잘라내었다.

CVD 다이아몬드 성장의 제 2 단계를 위해 한 판을 사용하였으며, WO 01/96633 호의 방법을 이용하여 제 2 층의 두께가 4 mm를 초과하여 성장 방향이 주된 면에 포함되도록, 즉 4 ×4 mm의 판으로 잘리기에 적합하도록 성장시켰다. 작은 면을 만들어 플라즈마 에칭 나타냄 방법을 이용하여 이 층의 성장방향에 있어서의 전위 밀도를 측정하여, 이 밀도가 굉장히 낮으며 10/mm² 정도인 것을 밝혀내었다. 이로써, 본 물질을 에탈론에 사용하기에 특히 적합하도록 만들었다.

실시예 2

광학적 사용에 있어서의 핵심요소는 복굴절률 및 굴절률과 같은 그 특성치의 균일성 및 분산성이다. 이들 특성은 전위 다발을 둘러싼 변형장(strain fields)에 영향을 받게 된다.

WO 01/96633 호에 대시된 방법에 따라 CVD 다이아몬드 성장을 이용하여 두 개의 {001} 합성 다이아몬드 기재를 제조하였다. 이들 다이아몬드 기재에 층을 성장시켜 두께 4 mm로 만들었다. 층의 전위 방향이 평균적으로 성장 방향에 15°각도 내에 있다는 것이 발견되었다. 주된 면이 4 ×4 mm 초과의 치수를 같고 성장 방향과 같은 평면에 있도록 하여 두 판을 이들 층으로부터 잘라내었다.

그리고 나서, 이들 층들을 이차 성장 공정에 있어서의 기재로 사용하였다. X-선 분석 결과, 성장(3.5 mm)의 전위 양이 매우 적다는 것을 나타내었으며 새로운 과대 성장된 부분 내 전위가 이 기재로 사용된 원 CVD 층의 성장 방향 에 대해 수직이라는 것이 밝혀졌다. 이차 성장 후, 시료를 낮은 스캐터(scatter)와 복굴절성을 요하는 광학 적용에 사용하였다.

실시예 3

WO 01/96633 호에 기재된 방법에 따라 CVD 다이아몬드 성장을 위한 합성 다이아몬드 기재를 제조하였다. 이어서 상기 다이아몬드 위에 7.4 mm 두께로 층을 성장시켰다. 합성조건은 고체에서 측정하였을 때 7×10¹⁶ [B] 원자/cm³의 농도로 붕소 도핑되도록 하는 것이었다. 층은 전위방향에 대해 특성화되었으며 평균 전위방향은 성장방향의 25°이내인 것으로 관측되었다. 이들 층으로부터 2개의 판을, 판의 주된 면이 4 ×4 mm 초과의 치수를 갖고 성장의 방향이 주된 면의 평면 내에 있도록 절단하였다.

이들 판은 붕소 도핑물과의 조합물로 주된 표면을 교차하는 전위의 낮은 밀도로 인하여 전자소자 예를 들어 다이아몬드 금속 반도체장 효과 트랜지스터(MESFET; diamond metal semiconductor field effect transistor)를 위한 기재로서의 특정 용도를 가졌다.

실시예 4

WO 01/96633에 기재된 방법에 따라 6 ×6 mm 합성 기재 lb를 제조하였다. 이어서 상기 기재를 단(stage)들에서, 전형적으로는 각각의 단에서 약 3 mm의 성장을 추가하여 성장시켰다. 각각의 단의 말단에서 층은 그것 주위로 성장시킨 다결정 다이아몬드 층에 유지되었으며, 이러한 다결정 층은 레이저 트리밍(laser trimming)을 이용하여 직경 약 20 mm의 디스크에 트리밍시킨 다음 상기 디스크를, 단결정이 다결정 다이아몬드 층 위로 노출되는 지점이 대략적으로 텅스텐 디스크의 상부 표면의 수분 (0.3 mm 이내로) 되도록 함몰된 텅스텐 또는 다른 금속 디스크에 탑재시켰다.

상기 기법을 이용하는 경우 층을 10 내지 18 mm 범위의 최종 두께로 성장시킬 수 있으며, 이로부터 {100} 모서리를 갖는 판이 수직으로 절단될 수 있다. 판은, 10 내지 16 mm의 판의 평면에서 제 1 <100> 치수 및 3 내지 8 mm의 제 2 직교 치수로 제조되었다.

이어서, 상기 기법을 재차 이용하여 이들 판을 기재로서 제조하고 제 2 성장단면으로 사용하여 두께 10 내지 18 mm인 층을 제조하였다. 이들 층으로부터 주된 면 내의 <100> 제 2 치수에서 10 내지 18 mm 초과이고 10 내지 18 mm의 범위에서 제 1 <100> 치수를 유지하는 수직인 판을 절단할 수 있었다. 예를 들어 직교 <100> 방향에서 측정하였을 때 15 mm ×12 mm 보다 큰 판들이 제조되었다.

Claims (41)

1. 실질적으로 표면 결함이 없는 표면을 갖는 다이아몬드 기재를 제공하는 단계;

   화학증착법(CVD)에 의하여 상기 표면 위에 다이아몬드를 호모에피택셜(homoepitaxial) 성장시키는 단계; 및

   호모에피택셜 CVD 성장된 다이아몬드 및 기재를, 다이아몬드 성장이 일어난 기재의 표면을 가로질러 절단하여 단결정 CVD 다이아몬드 판을 제조하는 단계를 포함하는, 단결정 다이아몬드 판의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   호모에피택셜 CVD 성장된 다이아몬드 및 기재를, 상기 기재의 표면에 수직으로 절단하는, 단결정 다이아몬드 판의 제조방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   호모에피택셜 CVD 성장된 다이아몬드의 성장 두께가 약 10 mm 초과인, 단결정 다이아몬드 판의 제조방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   호모에피택셜 CVD 성장된 다이아몬드의 성장 두께가 약 12 mm 초과인, 단결정 다이아몬드 판의 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   호모에피택셜 CVD 성장된 다이아몬드의 성장 두께가 약 15 mm 초과인, 단결정 다이아몬드 판의 제조방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   단결정 CVD 다이아몬드 판이 10 mm를 초과하는 하나 이상의 단결정 다이아몬드 판의 제조방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   다이아몬드 기재가 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 단결정 CVD 다이아몬드 판인, 단결정 다이아몬드 판의 제조방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

   단결정 CVD 다이아몬드 판에 남아있는 원래의 기재를 제거하는, 단결정 다이아몬드 판의 제조방법.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

   단결정 CVD 다이아몬드 판이 직사각형, 정사각형, 평행사변형 또는 이와 유사한 형태인, 단결정 다이아몬드 판의 제조방법.
10. {100} 측면들로 둘러싸인 서로 맞은 편에 있는 면들에 주된 표면들을 갖고, 각각의 주된 면이 10 mm를 초과하는 하나 이상의 선치수를 갖는 (001) 단결정 CVD 다이아몬드 판.
11. 제 10 항에 있어서,

    하나 이상의 선치수가 12 mm를 초과하는, 다이아몬드 판.
12. 제 11 항에 있어서,

    하나 이상의 선치수가 15 mm를 초과하는, 다이아몬드 판.
13. 제 10 항에 있어서,

    10 mm를 초과하는 제 1 및 제 2 선치수를 갖는 다이아몬드 판.
14. 제 13 항에 있어서,

    제 1 및/또는 제 2 선치수가 12 mm를 초과하는, 다이아몬드 판.
15. 제 14 항에 있어서,

    제 1 및/또는 제 2 선치수가 15 mm를 초과하는, 다이아몬드 판.
16. 제 10 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,

    {100} 측면들로 둘러싸인 직사각형 형태의 (001) 단결정 다이아몬드 판이며 하나 이상의 선치수가 축, 횡방향 치수 또는 횡방향 모서리 치수인, 다이아몬드 판.
17. 제 10 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,

    하나 이상의 선치수가, 주된 표면과 {100} 측면과의 교차에 의해 형성된 <100> 모서리인, 다이아몬드 판.
18. 제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,

    제 1 및 제 2 선치수가 주된 표면과 각각의 {100} 측면과의 교차에 의해 형성된 서로 직교하는 <100> 모서리인, 다이아몬드 판.
19. 제 10 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,

    단결정 CVD 다이아몬드 판이 직사각형, 정사각형, 평행사변형 또는 이와 유사한 형태인, 다이아몬드 판.
20. 서로 맞은 편에 있는 면들에 주된 표면들을 갖고, 상기 주된 표면들을 교차하는 전위(dislocations)를 가지며, 상기 전위의 밀도가 50/mm² 이하인, 단결정 CVD 다이아몬드 판.
21. 제 20 항에 있어서,

    주된 면들을 교차하는 전위의 밀도가 20/mm² 이하인, 다이아몬드 판.
22. 제 21 항에 있어서,

    주된 면들을 교차하는 전위의 밀도가 10/mm² 이하인, 다이아몬드 판.
23. 제 22 항에 있어서,

    주된 면들을 교차하는 전위의 밀도가 5/mm² 이하인, 다이아몬드 판.
24. 제 20 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,

    다이아몬드 판에서 다른 평면을 교차하는 전위의 밀도가 주된 면들을 교차하는 전위들 각각의 밀도 한계 이하인, 다이아몬드 판.
25. 제 20 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,

    하나 이상의 선치수가 10 mm 초과인, 다이아몬드 판.
26. 서로 맞은 편에 있는 면들에 주된 표면들을 갖고, 성장 도중에 생성된 전위를 가지며, 하나 이상의 주된 표면들에 대략적으로 평행하게 배향되어 있는, 단결정 CVD 다이아몬드 판.
27. 제 26 항에 있어서,

    전위 방향이 하나 이상의 주된 표면들에 대해 30°미만의 각 방향인, 다이아몬드 판.
28. 제 27 항에 있어서,

    전위 방향이 하나 이상의 주된 표면들에 대해 20°미만의 각 방향인, 다이아몬드 판.
29. 제 28 항에 있어서,

    전위 방향이 하나 이상의 주된 표면들에 대해 10°미만의 각 방향인, 다이아몬드 판.
30. 제 29 항에 있어서,

    전위 방향이 하나 이상의 주된 표면들에 대해 5°미만의 각 방향인, 다이아몬드 판.
31. 제 26 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,

    각각의 주된 표면이 전위 방향과 대체적으로 일치하고 2 mm를 초과하는 제 1 선치수를 갖는, 다이아몬드 판.
32. 제 31 항에 있어서,

    제 1 선치수가 3 mm를 초과하는, 다이아몬드 판.
33. 제 32 항에 있어서,

    제 1 선치수가 4 mm를 초과하는, 다이아몬드 판.
34. 제 33 항에 있어서,

    제 1 선치수가 5 mm를 초과하는, 다이아몬드 판.
35. 제 34 항에 있어서,

    제 1 선치수가 7 mm를 초과하는, 다이아몬드 판.
36. 제 31 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항에 있어서,

    제 1 선치수와 직교하는 각각의 주된 표면의 제 2 선치수가 제 1 선치수 이상인, 다이아몬드 판.
37. 서로 맞은 편에 있는 면들에 주된 표면들을 갖고, 성장 도중에 생성된 전위를 가지며, 평균 전위 방향이 상기 하나 이상의 주된 표면들에 대해 수직인 방향과 벌어진(offset) 방향으로 배향된, 단결정 CVD 다이아몬드 판.
38. 제 37 항에 있어서,

    평균 전위 방향이, 하나 이상의 주된 표면들에 대해 수직인 방향과 20°초과의 각으로 벌어진, 다이아몬드 판.
39. 제 38 항에 있어서,

    평균 전위 방향이, 하나 이상의 주된 표면들에 대해 수직인 방향과 30°초과의 각으로 벌어진, 다이아몬드 판.
40. 제 39 항에 있어서,

    평균 전위 방향이, 하나 이상의 주된 표면들에 대해 수직인 방향과 40°초과의 각으로 벌어진, 다이아몬드 판.
41. 제 40 항에 있어서,

    평균 전위 방향이, 하나 이상의 주된 표면들에 대해 수직인 방향과 50°초과의 각으로 벌어진, 다이아몬드 판.