KR20080044206A - 신속한 성장 속도의 무색 단결정 ｃｖｄ 다이아몬드 - Google Patents

신속한 성장 속도의 무색 단결정 ｃｖｄ 다이아몬드 Download PDF

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KR20080044206A
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atmosphere
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KR1020077030139A
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러셀 제이. 헴리
호-광 마오
치-슈에 얀
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카네기 인스티튜션 오브 워싱턴
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Abstract

본 발명은 신속한 성장 속도로 무색의 단-결정 다이아몬드를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 다이아몬드 제조 방법은 다이아몬드의 성장 표면의 온도를 제어하여 다이아몬드의 성장 표면을 가로지르는 모든 온도 구배를 약 20 ℃보다 낮게 하는 단계, 및 대기를 갖는 증착 챔버 내에서 성장 온도에서 다이아몬드의 성장 표면 상의 마이크로파 플라즈마 화학증착에 의해 단-결정 다이아몬드를 성장시키는 단계를 포함하며, 여기서 상기 대기는 H2의 단위 당 약 8 % 내지 약 20 % CH4 및 CH4의 단위 당 약 5 내지 약 25 % O2를 포함한다. 본 발명의 방법은 10 캐럿보다 큰 다이아몬드를 생산할 수 있다. 본 발명의 방법을 사용한 성장 속도는 50 ㎛/h 보다 클 수 있다.

Description

신속한 성장 속도의 무색 단결정 ＣＶＤ 다이아몬드{COLORLESS SINGLE-CRYSTAL CVD DIAMOND AT RAPID GROWTH RATE}
정부 이익에 대한 진술
본 발명은 국립 과학 협회로부터 EAR-0421020호의 승인 번호로 미국 정부 지원을 받아 발명되었다. 정부는 본 발명에 대한 특정한 권리를 갖는다.
1. 발명의 분야
본 발명은 다이아몬드의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 특히, 본 발명은 증착 챔버(deposition chamber) 내에서 마이크로파 플라즈마 화학증착(Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition)(MPCVD)을 사용하여 신속한 성장 속도로 무색, 단결정 다이아몬드를 제조하는 방법에 관한 것이다.
2. 관련 기술의 상세한 설명
합성 다이아몬드를 대규모로 제조하는 것은 오랫동안 연구 및 산업 모두의 목표가 되어 왔다. 다이아몬드는 보석의 특성 외에 가장 단단한 물질로 알려져 있으며, 열전도도가 가장 높은 것으로 알려져 있고, 광범위한 전자기 방사선에 대해 투과성이다. 따라서, 다이아몬드는 보석원석으로서의 가치 외에 다수의 산업에서 이의 광범위한 적용예로 인해 유용하다.
적어도 지난 20년동안 화학 증착(CVD)으로 소량의 다이아몬드를 제조하는 처리가 이용가능하였다. 문헌(B.V.Spitsyn et al ., "Vapor Growth of Diamond on Diamond and Other Surfaces," Journal of Crystal Growth, vol. 52, pp.219-226)에 보고된 바와 같이, 이 처리는 감압 및 800 내지 1200℃의 온도에서, 메탄, 또는 다른 단체(simple) 탄화수소 가스, 및 수소 가스를 조합 사용하여, 기재 상에 다이아몬드를 CVD하는 것을 포함한다. 수소 가스를 포함시키면, 다이아몬드가 핵화(nucleate) 및 성장함에 따라 그래파이트의 형성이 방지된다. 이 기술로 1㎛/h 까지의 성장 속도가 보고되었다.
예를 들어, 문헌("Diamond Synthesis from Gas Phase in Microwave Plasma," Journal of Crystal Growth, vol. 62, pp.642-644)에 보고된 바와 같은 Kamo 등의 연이은 연구에서, 1 내지 8kPa의 압력, 800 내지 1000℃의 온도, 300 내지 700 W의 마이크로파 출력(power), 2.45 GHz의 주파수에서 다이아몬드를 제조하기 위하여 마이크로파 플라즈마 화학 증착(MPCVD)을 사용하는 것이 설명되었다. 카모(Kamo) 등의 처리에서 1 내지 3 %의 메탄 가스 농도가 사용되었다. 이 MPCVD 처리를 사용하여 3㎛/h의 최대 성장 속도가 보고되었다. 상기된 처리에서 및 다수의 다른 보고된 처리에서, 성장 속도는 시간 당 수 마이크로미터로만 제한된다.
최근까지, 공지된 보다 고도의 성장 속도 처리만이 다결정질 형태의 다이아몬드를 생산하였다. 그러나, 최근에 단-결정 화학 증착(SC-CVD) 다이아몬드의 성장 속도를 개선하는 새로운 방법이 보고되었으며, 이들 방법은 보석, 광학 및 전자공학에 대한 다이아몬드의 적용예에 대하여 새로운 기회를 열었다[1,2]. 몇 가지 다 른 기들이 SC-CVD 다이아몬드를 성장시키기 시작했다[3,4,5]. 그러나, 지금까지 보고된 SC-CVD 다이아몬드는 비교적 작고, 변색되고, 및/또는 흠이 있다. 크고(예를 들어, 시판 고압, 고온(HPHT), 합성 Ib 황색 다이아몬드와 같은 3 캐럿보다 큰), 무색이며, 흠이 없는 합성 다이아몬드는 느린 성장 및 다른 기술적 어려움 때문에 도전과제로 남아있다[7,8,9]. HPHT 어닐링의 부재시 SC-CVD 다이아몬드의 색상은 밝은 갈색 내지 어두운 갈색이 될 수 있으며, 따라서, 보석으로서, 광학(optics)에서, 과학 연구에서, 그리고 다이아몬드-계 일렉트로닉스(diamond-based electronics) 에서 이들의 적용가능성이 제한된다[6,7,8]. SC-CVD 다이아몬드는 타입 IIa로서, 즉 10 ppm 미만의 질소를 갖는 것으로서 특징 지워졌으며, 다양한 결함 및/또는 불순물로 인한 착색(coloration) 및 다른 광학 특성을 갖는다.
천연 또는 HPHT 합성 기판 대신 컷-오프 SC-CVD 시드(cut-off SC-CVD seed) 상에 질소가 첨가되고 그리고 증착되면서, 4.5 mm 두께를 갖는 단결정 갈색 SC-CVD 다이아몬드가 약 100 ㎛/h의 높은 성장 속도로 생산될 수 있다[1,2]. 10 캐럿의 다이아몬드 결정은 시판 HPHT 다이아몬드 및 문헌들에 보고된 SC-CVD 다이아몬드의 약 5 배 크기이다[7,8,9,10]. 크기(mass)가 더 큰(100 캐럿보다 큰) 단-결정 다이아몬드는 고-압 연구용 앤빌(anvil)로서 요구되며, 측면 치수(lateral dimension)가 큰(2.5 cm보다 큰) 결정은 다이아몬드-계 전자공학 디바이스용 기판 및 레이저 윈도우(laser window)와 같은 적용예에 요구된다. 고도의 광학 품질(UV-가시광-IR 투과(transmission)) 및 화학적 순도가 상기 적용예들 모두에 대해 요구된다. 지금까지 생산된 큰 SC-CVD 다이아몬드는 갈색을 띤 색상 때문에 문제점이 있다.
다결정질 CVD 다이아몬드의 성장에 산소를 첨가하는 시도가 있었다. 이러한 효과에는 다이아몬드 형성의 영역을 연장시키고[12], 실리콘 및 수소 불순물 수준을 감소시키고[13], 비-다이아몬드 탄소를 선택적으로 에칭하고[11,14], 불순물의 부재로 인한 다이아몬드 크랙을 방지하는 것이 포함된다[13]. 이러한 시도는 다결정질 다이아몬드의 합성 및 에칭에 대한 것이었으나, SC-CVD 다이아몬드의 생산에 대한 것은 아니었다.
미국 특허 제 6,858,078호(Hemley et al .)는 다이아몬드 제조 장치 및 방법에 관한 것이다. 개시된 장치 및 방법은, 비록 단-결정 CVD 다이아몬드를 신속하게 제조하는 수단으로서 만들어졌다 하더라도, 밝은 갈색 색상을 갖는 다이아몬드를 제조할 수 있다.
따라서, 크고 고품질, 단-결정 다이아몬드를 빠른 성장 속도로 생산하고 그리고 단-결정 다이아몬드를 무색(즉, 고도 UV-가시광-IR 투과)으로 생산할 필요가 있다.
따라서, 본 발명은 관련 기술의 한계 및 단점으로 인해 하나 이상의 문제들을 실질적으로 제거하는 다이아몬드의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 다이아몬드를 마이크로파 플라즈마 화학 증착 시스템에서 신속한 성장 속도로 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 추가적인 특징 및 장점은 이하의 상세한 설명에서 설명될 것이며, 상세한 설명으로부터 부분적으로 명백하거나, 본 발명을 실행함으로써 알 수 있다. 본 발명의 목적 및 다른 장점은 기재된 상세한설명 및 이의 특허청구범위에 특히 지시된 구조와, 첨부된 도면에 의해 실현 및 달성될 것이다.
이러한 장점 및 다른 장점을 달성하기 위해 그리고 본 발명의 목적에 따라, 구체화되고 광범위하게 기재된 바와 같이, 본 발명의 실시형태는 다이아몬드의 성장 표면의 온도를 제어하여 다이아몬드의 성장 표면을 가로지르는 모든 온도 구배가 약 20 ℃ 미만이 되도록 하고, 그리고 대기를 갖는 증착 챔버에서 성장 온도에서 다이아몬드의 성장 표면 상에 마이크로파 플라즈마 화학 증착함으로써 단결정 다이아몬드를 성장시키는 것을 포함하며, 여기서 상기 대기는 H2의 단위 당 약 8 % 내지 약 20 % CH4 및 CH4의 단위당 약 5 내지 약 25 % O2를 포함한다.
또다른 실시형태에서, 다이아몬드 제조 방법은 다이아몬드의 성장 표면의 온도를 제어하고, 그리고 약 100 내지 약 300 토르의 압력의 대기를 갖는 증착 챔버에서 성장 온도에서 다이아몬드의 성장 표면 상에 마이크로파 플라즈마 화학 증착에 의해 단결정 다이아몬드를 성장시키는 것을 포함하며, 여기서 상기 대기는 H2의 단위 당 약 8 % 내지 약 20 % CH4 및 CH4의 단위당 약 5 내지 약 25 % O2를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시형태에서, 다이아몬드 제조 방법은 다이아몬드의 성장 표면의 온도를 제어하고, 그리고 증착 챔버에서 약 700 ℃ 내지 약 1100 ℃의 성장 온도에서 다이아몬드의 성장 표면 상에 마이크로파 플라즈마 화학 증착에 의해 단결정 다이아몬드를 성장시키는 것을 포함하며, 여기서 상기 대기는 H2의 단위 당 약 8 % 내지 약 20 % CH4 및 CH4의 단위당 약 5 내지 약 25 % O2를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시형태에서, 다이아몬드 제조 방법은 다이아몬드의 성장 표면의 온도를 제어하고, 그리고 증착 챔버에서 성장 온도에서 다이아몬드의 성장 표면 상에 마이크로파 플라즈마 화학 증착에 의해 단결정 다이아몬드를 성장시키는 것을 포함하며, 여기서 상기 대기는 H2의 단위 당 약 8 % 내지 약 20 % CH4 및 CH4의 단위당 약 5 % 내지 약 25 % O2를 포함하고, 그리고 상기 성장 속도는 약 50 ㎛/h보다 빠르다.
본 발명의 또 다른 실시형태에서, 다이아몬드 제조 방법은 다이아몬드의 성장 표면의 온도를 제어하고, 그리고 증착 챔버에서 성장 온도에서 다이아몬드의 성장 표면 상에 마이크로파 플라즈마 화학 증착에 의해 단결정 다이아몬드를 성장시키는 것을 포함하며, 여기서 상기 대기는 H2의 단위 당 약 8 % 내지 약 20 % CH4 및 CH4의 단위당 약 5 내지 약 25 % O2를 포함하고, 그리고 상기 다이아몬드는 10 캐럿이 넘게 성장한다.
본 발명의 또 다른 실시형태에서, 다이아몬드 제조 방법은 다이아몬드의 성장 표면의 온도를 제어하고, 그리고 증착 챔버 내에서 성장 온도에서 다이아몬드의 성장 표면 상에 마이크로파 플라즈마 화학 증착에 의해 단결정 다이아몬드를 성장시키는 것을 포함하며, 여기서 상기 대기는 H2의 단위 당 약 8 % 내지 약 20 % CH4 및 CH4의 단위당 약 5 내지 약 25 % O2를 포함하고, 그리고 상기 제조된 다이아몬드는 실질적으로 무색이고 인조 HPHT 타입 IIa 다이아몬드와 실질적으로 유사한 UV-VIS 흡수 스펙트럼을 갖는다.
본 발명의 또다른 실시형태에서, 다이아몬드 제조 방법은 다이아몬드의 성장 표면의 온도를 제어하여, 성장하는 다이아몬드 결정의 온도가 900 내지 1400 ℃ 범위 내에 있고 그리고 높은 융점 및 높은 열 전도도(thermal conductivity)를 가져 다이아몬드의 성장 표면을 가로지르는 온도 구배를 최소화하는 물질로 만들어진 열 싱크 홀더(heat sink holder)에 다이아몬드가 장착되도록 하는 단계; 그리고 대기를 갖는 증착 챔버에서 다이아몬드의 성장 표면 상에 마이크로파 플라즈마 화학 증착에 의해 단결정 다이아몬드를 성장시키는 단계를 포함하는 다이아몬드 제조 방법을 포함하며, 여기서 상기 대기는 H2의 단위 당 약 8 % 내지 약 20 % CH4 및 CH4의 단위당 약 5 내지 약 25 % O2를 포함한다.
상기된 일반적인 상세한설명 및 다음의 상세화된 상세한설명은 모두 예시이고 설명이며, 청구된 본 발명을 추가적으로 설명하기 위한 것이다.
첨부 도면은, 본 발명을 추가적으로 이해시키기 위한 것으로, 본 명세서에 포함되고 이의 일부를 구성하며, 본 발명의 실시형태를 나타내고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명한다.
도 1은 다이아몬드 성장 처리 동안 다이아몬드 정지(stationary)를 유지하기 위한 표본 홀더 어셈블리(specimen holder assembly)를 갖는 증착 장치의 단면이 도시되어 있는 본 발명의 일 실시형태에 따른 다이아몬드 제조 장치의 다이어그램이다.
도 2a는 도 1에 도시된 증착 장치의 사시도이다.
도 2b는 도 1에 도시된 다이아몬드 및 시스(sheath)의 사시도이다.
도 3은 다이아몬드 성장 처리동안 다이아몬드를 이동시키기 위한 표본 홀더 어셈블리를 갖는 증착 장치의 단면이 도시되어 있는 본 발명의 일 실시형태에 따른 다이아몬드 제조 장치의 다이어그램이다.
도 4a 내지 4c는 본 발명에 따라 사용될 수 있는 홀더 및 열 매스(thermal mass)의 단면도를 도시한다.
도 5는 다이아몬드 성장 처리동안 다이아몬드를 이동시키기 위한 표본 홀더 어셈블리를 갖는 증착 장치의 단면이 도시되어 있는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 다이아몬드 제조 장치의 다이어그램이다.
도 6은 도 1에 도시된 표본 홀더 어셈블리와 함께 사용될 수 있는 본 발명의 실시형태에 따른 처리(600)를 설명하는 플로우 다이어그램이다.
도 7은 도 3에 도시된 표본 홀더 어셈블리와 함께 또는 도 5에 도시된 표본 홀더 어셈블리와 함께 사용될 수 있는 본 발명의 실시형태에 따른 처리(700)를 설명하는 플로우 다이어그램이다.
도 8은 HPHT IIa 다이아몬드; 예를 들어, CH4의 단위당 약 5 내지 약 25 % O2를 포함하는 증착 챔버 대기를 사용하여, 본 발명의 방법에 따라 제조된 SC-CVD 다이아몬드; 및 증착 챔버 대기의 구성요소로서 존재하는 N2 가스를 사용하여 제조된 SC-CVD 다이아몬드의 UV-VIS 스펙트럼이다.
도 9는 예를 들어, CH4의 단위당 약 5 % 내지 약 25 % O2를 포함하는 증착 챔버 대기를 사용하여 본 발명의 방법에 따라 성장된 실질적으로 무색인 SC-CVD 결정, 및 증착 챔버 대기의 구성요소로서 존재하는 N2 가스를 사용하여 성장된 SC-CVD 결정의 사진이다.
도 10은 HPHT Ib 기판의 6개의 {100} 면 상에 증착시켜 형성된 SC-CVD 다이아몬드 블록이다.
도 11은, 예를 들어 CH4의 단위당 약 5 % 내지 약 25 % O2를 포함하는 증착 챔버 대기를 사용하여 본 발명의 방법에 따라 제조된 SC-CVD 다이아몬드, 및 증착 챔버 대기의 구성요소로서 존재하는 N2 가스를 사용하여 제조된 SC-CVD 다이아몬드의 IR 흡수 스펙트럼(2500 내지 8000 cm-1)이다.
상세한 설명
이제 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 참조할 것이며, 그 예는 첨부 도면에서 설명된다. 도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 다이아몬드 제조 시스템(100)의 다이어그램이며, 여기서 증착 장치(102)가 단면 도시된다. 다이아몬드 제조 시스템(100)은 증착 장치(102)와 반응물 및 플라즈마 콘트롤(control)(106)을 포함하는 마이크로파 플라즈마 화학 증착(MPCVD) 시스템(104)을 포함한다. 예를 들 어, MPCVD 시스템(104)은 일본, 도쿄, Seki Technotron Corp. 제 SEKI AX6550이 될 수 있다. 이 시스템은 2.45 GHz의 주파수에서 6 킬로와트의 출력(power output)을 생산할 수 있다. 다른 예에서, MPCVD 시스템(104)은 Seki Technotron Corp. 제 SEKI AX5250이 될 수 있다. 이 시스템은 2.45 GHz의 주파수에서 5 킬로와트의 출력을 생산할 수 있다. 다른 예로서, MPCVD 시스템(104)은 Wavemat, Inc. 제 WAVEMAT MPDR 330 313 EHP가 될 수 있다. 이러한 MPCVD 시스템은 2.45 GHz의 주파수에서 6 킬로와트의 출력을 생산할 수 있으며, 약 5,000 ㎤의 챔버 부피를 갖는다. 그러나, MPCVD 시스템의 상세한 내용은 증착 영역(deposition area)의 크기 및/또는 증착 속도 면에서 증착 처리의 크기에 의해 변화될 수 있다.
MPCVD 시스템(104)은 챔버를 밀봉하기 위해 사용되는 벨 자(bell jar)(108)에 의해 적어도 일부 정의된 증착 장치(102) 내에 챔버를 포함한다. MPCVD 작동 전에, 챔버 내 공기는 빼내어진다(withdrawn). 예를 들어, 제 1 기계적 형태의 진공 펌프가 챔버를 아래로 끌어내리기 위해(draw down) 사용되고, 그리고 이어서 제 2 고도 진공형태의 진공 펌프, 예를 들어 터보펌프(turbopump) 또는 저온펌프(cryopump) 등이 챔버의 내부에서 공기를 또한 뽑아낸다(draw out). 챔버 내에서 이격된 플라즈마 전극의 세트에 의해 챔버 내에 플라즈마가 발생된다. 펌프도 플라즈마 전극도 도 1에 도시되지 않는다.
증착 장치(102)는 MPCVD 시스템(104)의 챔버 내에 설치된(installed) 표본 홀더 어셈블리(120)도 포함한다. 전형적으로, 표본 홀더 어셈블리는 도 1에 도시된 바와 같이 증착 장치(102)의 증착 챔버 플로어(floor)(122)의 중앙에 위치된다. 도 1에 도시된 표본 홀더 어셈블리(120)는 단면 도시된다. 표면 홀더 어셈블리(120)는 증착 장치(102)의 플로어 내에 설치된 스테이지(124)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 스테이지(120)는 볼트들(126a 및 126c)을 사용하여 증착 챔버 플로어(122)에 부착될 수 있다. 스테이지(124)는 높은 열 전도도를 갖는 몰리브덴 또는 어떤 다른 형태의 물질이 될 수 있다. 또한, 스테이지(124)는 스테이지(124) 내 냉각제 파이프(128)를 통과하는 냉각제에 의해 다이아몬드 성장 처리동안 냉각될 수 있다. 냉각제는 스테이지를 냉각시킬 충분한 열 운반 능력을 갖는 물, 냉매 또는 다른 형태의 유체가 될 수 있다. 냉각제 파이프가 도 1의 스테이지(124)를 통해 U-형 통로를 갖는 것으로 도시된다 할지라도, 냉각제 파이프(128)는 스테이지를 보다 충분히 냉각시키기 위해 스테이지(124) 내에 나선형 통로 또는 다른 형태의 통로를 가질 수 있다.
다이아몬드(136)를 유지하는(hold) 시스(134) 주변의 콜릿들(collets)(132a 및 132b)을 조이기(tightening) 위해 스크류들(131a 및 131c)과 같은 세트 스크류들(set screws)을 갖는 세트링(130)이 도 1에 도시된 바와 같이 표본 홀더 어셈블리(120)의 스테이지(124) 상에 위치된다. 시스(134)는 홀더이며, 이는 다이아몬드(136)의 최상부 표면의 가장자리에 인접한 다이아몬드(136)의 측면과 열접촉한다. 콜릿들(132a 및 132b)이 스크류들(131)에 의해 시스(134) 상으로 조여지므로, 시스(134)는 다이아몬드(136)를 정지 위치에서 유지하고, 그리고 다이아몬드(136)의 성장 표면의 가장자리를 따라 다결정질 다이아몬드 또는 트윈스(twins)가 형성되는 것을 막기 위한 열-싱크(heat-sink)로서 작용한다.
다이아몬드(136)는 다이아몬드 시드부(seed portion)(138) 및 성장된 다이아몬드부(140)를 포함할 수 있다. 다이아몬드 시드부(138)는 제조된 다이아몬드 또는 천연 다이아몬드가 될 수 있다. 일 실시형태에서, 시드는 천연, 무색 Ia 다이아몬드; 무색 IIa 다이아몬드; HPHT 합성 황색 Ib 다이아몬드; 및 SC-CVD 다이아몬드로 구성되는 그룹에 속한다. 다른 실시형태에서, 시드는 SC-CVD 다이아몬드이다. 또다른 실시형태에서, 시드는 6개의 {100} 면들을 갖는 SC-CVD 다이아몬드이다. 또다른 실시형태에서, 시드의 모든 최상부 {100} 표면들은 약 1 내지 약 100 mm2의 면적을 갖는다.
도 1에 도시된 바와 같이, 다이아몬드(136)의 최상부 표면 또는 성장 표면은 증착 챔버 플로어(122) 상의 소정 높이(H)에 공진형 파워(resonant power)를 갖는 플라즈마(141)의 영역 내에 위치된다. 공진형 파워는 플라즈마(141) 내에서 최대 공진형 파워 또는 그 정도가 될 수 있다. 다이아몬드(136)의 최상부 표면 또는 성장 표면은 최초에는 다이아몬드 시드부(138)이고, 이어서 다이아몬드가 성장함에 따라 성장된 다이아몬드부(140)가 된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 시스(134)의 최상부 가장자리는 다이아몬드(136)의 최상부 표면 또는 최상부 가장자리 바로 아래에 소정 거리(D)에 있다. 거리(D)는 플라즈마(141)에 다이아몬드(136)의 성장 표면의 가장자리를 노출시키기에 족하게 충분히 커야 한다. 그러나, 거리(D)는 다이아몬드(136)의 성장 표면의 가장자리를 따라 트윈스 또는 다결정질 다이아몬드가 형성되는 것을 막는 시스(134)의 열-싱킹 효과(heat-sinking effect)를 막을 만큼 그렇게 크지 않다. 따라서, D는 0 내 지 1.5 mm와 같은 특정한 거리 범위 내에 있어야 한다. 거리(D) 및 높이(H)는 도 1에 도시된 바와 같이, 시스 내에 다이아몬드(136)를 위치시키고, 상기 시스를 콜릿들(132a 및 132b) 내에 위치시키고, 이어서 상기 스크류들(131)을 조임으로써 세트 링(130)의 스크류들(131)을 사용하여 수동 설정된다.
도 2는 도 1에 도시된 증착 장치의 사시도이다. 도 2의 증착 챔버 플로어(122)의 중앙에 중앙 오목부(recess)(125)를 갖는 원형 스테이지(124)가 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 스테이지(124)는 볼트들(126a 내지 126d)에 의해 적당한 위치에 유지된다. 스테이지(124)는 높은 열 전도도를 갖는 몰리브덴 또는 다른 물질로 형성될 수 있다. 네 스크류들(131a 내지 131b)을 갖는 세트 링(130)이 콜릿들(132a 내지 132b)과 함께 스테이지(124)의 오목부(125) 내에 위치된다. 대안예에서, 스테이지 및 세트 링 사이의 열 컨덕턴스(thermal conductance)를 증가시키기 위해 세트 링(130)이 스테이지(124)에 볼트로 죄어질(bolted) 수 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 짧은 길이의 직사각형 배관(tubing) 또는 직사각형으로 접힌(folded) 시트가 될 수 있는 직사각형 시스(134)는 콜릿들(132a 및 132b)에 위치되며, 내부에 다이아몬드(136)를 갖는다. 시스(124)는 높은 열전도도를 갖는 몰리브덴 또는 임의의 다른형태의 물질이 될 수 있다. 스크류들(131a 내지 131d)은 콜릿들(132a 내지 132b) 상으로 조여져, 시스(134)가 다이아몬드(136)의 네 측면들 상에 열 싱크로서 작용하도록 시스(134)가 다이아몬드(136) 상에 조여진다. 도 1에 도시된 바와 같이, 시스(134)는 또한 스테이지(124)에 대한 열 접촉(thermal contact)을 만든다. 콜릿들(132a 내지 132b)은 스테이지(124)와의 열접 촉을 만들고, 그리고 시스(134)로부터 스테이지(124)에 열을 전달하기 위한 열 매스 역할을 한다. 시스(134)를 다이아몬드(136) 상으로 조이면 다이아몬드 및 시스 간의 열 접촉의 질이 증가한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 시스(134)는 스테이지(124)에 대한 열 접촉도 만들 수 있다. 직사각형 형태가 시스 및 다이아몬드 모두에 대해 도 2a에 도시되어 있다 할지라도, 시스 및 다이아몬드는 타원형, 원형 또는 다각형과 같은 임의의 기하학적 형태를 가질 수 있다. 시스 또는 홀더의 형태는 다이아몬드와 실질적으로 동일해야 한다.
도 1 및 도 2a에 도시된 본 발명의 예시적인 실시형태에서, 스테이지(124)는 약 10.1 cm의 직경을 가질 수 있으며, 시스(134)는 약 2.5 cm 폭을 가질 수 있다. 스테이지 및 시스(134)에 대해 선택된 치수와 상관없이, 스테이지(122), 몰리브덴 시스(124) 및 콜릿(132)의 열 매스는 다이아몬드(136)에 최적 열 싱크를 제공하도록 조정될 수 있다. 부가적으로, 냉각제 파이프들(128)의 경로(path) 및 범위는, 특히 특별히 큰 다이아몬드가 제조되어야 한다면, 더 큰 냉각 효과를 위해 변형될 수 있다. 또한, 냉매 또는 다른 저온 유체가 냉각제로서 사용될 수 있다.
몰리브덴은 스테이지(124), 세트 링(130), 콜릿(132), 시스(134) 및 다른 구성요소들에 사용되는 단 하나의 가능한 물질(potential material)이다. 몰리브덴은 2617 ℃인 높은 융점 및 높은 열 전도도를 가지므로 이러한 구성요소들에 적합하다. 또한, 몰리브덴 상에서는 큰 그래파이트 빌드-업(build-up)이 형성되는 경향이 없다. 처리 온도보다 높은 고도의 융점 및 몰리브덴과 유사한 열전도도를 갖는, 몰리브덴-텅스텐 합금 또는 설계된 세라믹(engineered ceramics)과 같은 다른 물질들 이 몰리브덴 대신에 선택적으로 사용될 수 있다.
도 1로 되돌아가, 다이아몬드 제조 시스템(100)의 또다른 구성요소는 적외선 고온계(infrared pyrometer)(142)와 같은 비접촉 측정 디바이스이며, 이는 다이아몬드 시드(138) 및 이후에 다이아몬드(136)와 접촉 없이 성장 처리동안 성장된 다이아몬드(140)의 온도를 모니터하기 위해 사용된다. 적외선 고온계(142)는, 예를 들어 N.J. 오클랜드 Mikron Instruments, Inc. 제 MMRON M77/78 2색 적외선 고온계일 수 있다. 적외선 고온계(142)는 다이아몬드 시드(138) 상에 또는 이후에 성장된 다이아몬드(140) 상에 포커싱되며, 2 mm의 타겟 영역 치수(target area measure)를 갖는다. 적외선 고온계(142)를 사용함으로써, 다이아몬드(136)의 성장 표면의 온도는 1 ℃ 내로 측정된다.
도 1의 다이아몬드 제조 시스템(100)은 또한 MPCVD 처리 제어기(144)를 포함한다. MPCVD 처리 제어기(144)는 전형적으로 MPCVD 시스템(104)의 구성요소로서 제공된다. 이 기술에서 주지된 바와 같이, MPCVD 처리 제어기(144)는 처리 온도, 가스 매스 흐름(gas mass flow), 플라즈마 파라미터, 및 반응물 유량(flow rate)을 포함하되 이에 제한되지 않는 다수의 MPCVD 파라미터들에 대해 피드백 제어(feedback control) 한다. MPCVD 처리 제어기(144)는 주 처리 제어기(146)와 연계하여 작동한다. 주처리 제어기(146)는 MPCVD 제어기(144), 적외선 고온계(142)로부터, 그리고 다이아몬드 제조 시스템(100) 내 다른 구성요소들의 다른 측정 디바이스로부터 입력을 취하고, 그리고 상기 처리에 대한 실행-수준(executive-level) 제어를 실시한다. 예를 들어, 주 처리 제어기(146)는 냉각제 제어기(148)를 사용하 여 스테이지 내 냉각제의 유량 및/또는 냉각제 온도를 측정 및 제어할 수 있다.
주처리 제어기(146)는 일반적인 목적의 컴퓨터, ASIC과 같은 특정 목적의 컴퓨팅(computing) 시스템, 또는 MPCVD 처리 제어를 위한 임의의 다른 공지된 형태의 컴퓨팅 시스템이 될 수 있다. 주 처리 제어기(146)의 형태에 따라, MPCVD 처리 제어기(144)는 두 구성요소들의 기능을 통합하기(consolidate) 위하여 주 처리 제어기 내에 통합될 수 있다. 예를 들어, 주 처리 제어기(146)는, 일반적인 목적의 컴퓨터가 모든 처리 파라미터들을 제어, 기록 및 보고하게 갖추어지도록 텍사스 오스틴의 National Instruments, Inc.제 LabVIEW 프로그래밍 언어 및 LabVIEW 프로그램이 갖추어진 일반적인 목적의 컴퓨터가 될 수 있다.
도 1의 주 처리 제어기(146)는 다이아몬드의 성장 표면을 가로지르는 모든 온도 구배가 20 ℃ 보다 작거나 또는 이와 같도록 성장 표면의 온도를 제어한다. 성장 표면 온도 및 성장 표면 온도 구배에 대해 정확히 제어하면 큰 단-결정 다이아몬드가 성장될 수 있도록 다결정질 다이아몬드 또는 트윈스의 형성이 방지된다. 다이아몬드(136)의 성장 표면을 가로지르는 모든 온도 구배들을 제어하는 능력은 스테이지(124)의 열 싱킹 능력, 플라즈마(141) 내 다이아몬드의 최상부 표면의 위치설정(positioning), 다이아몬드의 성장 표면에 적용되는(subjected) 플라즈마(141)의 균일성(unformity), 다이아몬드의 가장자리로부터 홀더 또는 시스(134)를 통해 스테이지(124)까지의 열 전달의 질, 마이크로파 출력의 제어가능성(controllability), 냉각제 유량, 냉각제 온도, 가스 유량, 반응물 유량 및 적외선 고온계(142)의 검출 능력을 포함하는 몇가지 인자들에 의해 영향받는다. 고온 계(142)로부터의 열 측정에 기초하여, 주처리 제어기(146)는 플라즈마(141)에 대한 마이크로파 출력, 냉각제 유량, 냉각제 온도, 가스 유량 및 반응물 유량 중 하나 이상을 제어함으로써 성장 표면을 가로지르는 모든 온도 구배가 20 ℃보다 낮도록 성장 표면의 온도를 제어한다.
도 2b는 다이아몬드(136)의 성장 표면(137)을 따라 예시적인 지점들(P1, P2, P3 및 P4)을 나타내는 도 1에 도시된 다이아몬드(136)의 사시도이다. 도 2b는 또한 다이아몬드(136)의 성장 표면(137) 또는 최상부 가장자리(139)와 시스(134)의 가장자리(135) 사이의 거리(D)를 도시한다. 전형적으로, 성장 표면을 가로지르는 온도 차의 면에서, 다이아몬드의 성장 표면의 가장자리 및 중간 사이에 큰 온도 편차가 일어난다. 예를 들어, 지점들(P1 및 P3) 사이에서보다 지점들(P1 및 P2) 사이에서 더 큰 온도 구배가 일어난다. 다른 실시예에서, 지점들(P4 및 P3) 사이에서보다 지점들(P4 및 P2) 사이에서 더 큰 온도 구배가 일어난다. 따라서, 성장 표면을 가로지르는 모든 온도 구배가 20 ℃보다 낮도록 다이아몬드의 성장 표면의 온도를 제어할 때는 적어도 성장 표면(137)의 가장자리(139) 및 중간 사이에서의 온도 측정을 고려해야 한다. 예를 들어, 주 제어기(146)는 지점들(P1 및 P2) 간의 온도 구배가 20 ℃ 보다 낮도록 성장 표면의 온도를 제어할 수 있다.
적외선 고온계의 스폿(spot) 크기는, 다이아몬드의 최상부 표면을 가로지르는 온도 구배 및 이에 따라 다이아몬드의 성장 속도를 모니터하는 능력에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 다이아몬드의 크기가 자외선 고온계의 스폿 크기에 비해 크다면, 다이아몬드의 성장 표면의 가장자리들 각각에서의 온도는 적외선 고온계의 시야(field of view) 를 벗어날 수 있다. 따라서, 큰 성장 면적을 갖는 다이아몬드에 대해 다수 적외선 고온계들(multiple infrared pyrometers)이 사용되어야 한다. 다수 고온계들 각각은, 다이아몬드의 표면 주위 그리고 만약 있다면, 바람직하게는 모서리 근처의 상이한 가장자리들 상에 포커싱되어야 한다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같은 주 처리 제어기(146)는 다이아몬드의 표면을 가로지르는 온도들의 인접한 "맵(map)"을 제공하기 위해 다수의 고온계들로부터 중첩 시야들(overlapping fields of view)을 통합하거나 또는 다이아몬드의 성장 표면을 가로지르는 온도들의 해석된 "맵"을 제공하기 위해 비-중첩 시야들 사이에 삽입하도록(interpolate) 프로그래밍되어야 한다. 대안예에서, 성장 표면의 중간에 대한 단일 가장자리 또는 모서리점 간의 온도 구배는 다이아몬드의 성장 표면을 가로질러 존재하는 최대 온도 구배를 나타내는 것으로서 모니터링될 수 있다.
온도 제어를 위한 적외선 고온계(142)에 추가하여, 다른 처리 제어 수단이 다이아몬드 제조 시스템(100)에 포함될 수 있다. 추가적인 처리 제어 수단에는 성장 처리가 진행되는 동안에 다이아몬드(136)의 형태 및 질을 결정하기 위한 장비가 포함될 수 있다. 그러한 장비의 예에는 가시광, 적외선 및 라만 분광계가 포함되며, 이는 사실상 광학적이고(optical) 그리고 성장이 진행되는 동안 적외선 고온계(142)와 동일한 지점 상에 포커싱되어 다이아몬드의 구조 및 질에 대한 데이터를 얻을 수 있다. 추가적인 장비가 제공되면, 추가적인 장비는 주 처리 제어기(146)에 연결되어, 주처리 제어기(146)가 기구사용(instrumentation)을 제어하고 그리고 다른 상태 정보와 함께 분석 방법의 결과를 나타내도록 할 수 있다. 추가적인 처리 제어 기구사용은 실험 세팅에서, 보다 큰 다이아몬드를 생산하기 위한 "규모확장(scaling up)" 처리에서, 그리고 기존의 다이아몬드 제조 시스템(100) 및 대응 처리의 품질 제어 노력에서 특히 유용할 수 있다.
다이아몬드(136)가 성장함에 따라, 거리(D) 및 높이(H)가 모두 증가한다. 거리(D)가 증가함에 따라, 다이아몬드(136)의 성장 표면의 최상부 가장자리(139)에 대한 시스(134)의 열-싱킹 능력이 감소한다. 또한, 온도 및/또는 일관성(consistency)과 같은 플라즈마의 특성은 다이아몬드(136)의 성장 표면이 플라즈마(141)로 연장됨에 따라 변화한다. 다이아몬드 제조 시스템(100)에서, 성장 처리는 주기적으로 중단되어(halted), 거리(D)를 감소시키기 위해 다이아몬드(136)의 위치가 시스(134)에 대해 하향 조정될 수 있고 그리고 높이(H)를 감소시키기 위해 다이아몬드(136) 및 시스(134)가 모두 증착 챔버 플로어(122)에 대해 하향 조정될 수 있다. 이러한 재위치화(repositioning)는, 다이아몬드(136)의 성장 표면 상의 다이아몬드 성장이 플라즈마(141) 내 공진형 파워의 원하는 영역 내에서 일어나도록 허용하고, 적외선 고온계(142) 및 임의의 추가적인 기구가 다이아몬드(136)의 성장 표면 상에 계속 포커싱되도록 허용하고, 그리고 다이아몬드(136)의 성장 표면의 가장자리로부터 열을 싱킹하기 위한 효과적인 열 접촉을 유지하는 효과를 갖는다. 그러나, 성장 처리를 반복적으로 중단하는 것은 대규모 제조에 불편할 수 있으며, 주의깊게 실시되지 않는다면 처리 내에 오염 도입 기회를 증가시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 다이아몬드 제조 장치(300)의 다이어그램이며, 여기서 다이아몬드 성장 처리동안 다이아몬드(136)를 이동시키기 위한 표본 홀더 어셈블리(320)를 갖는 증착 장치(304)의 단면이 도시되어 있다. 다이아몬드 제조 장치(300)의 구성요소들 중 일부는 다이아몬드 제조 시스템(100)의 구성요소들과 실질적으로 동일하며, 따라서, 도 1에 대해 상기된 논의가 도 3에서 유사하게 넘버링된 구성요소들을 설명하기에 충분할 것이다. 예를 들어, 도 3의 고온계(142), 증착 챔버 플로어(122), 냉각제 파이프(128) 및 벨 자(108)는 도 1에 설명된 것들과 실질적으로 동일하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 다이아몬드(136)는 표본 홀더 어셈블리(320)의 시스(134) 내 다이아몬드 액츄에이터 부재(actuator member)(360) 상에 장착된다. 다이아몬드(136)는 성장 표면에 실질적으로 수직인 축을 따라 병진하는(translate) 다이아몬드 액츄에이터 부재(360) 상의 시스(134) 내에 슬라이딩가능하게(slidably) 장착된다. 다이아몬드 액추에어터 부재(360)는 스테이지(324)를 통해 돌출되고, 도 3의 냉각제 및 다이아몬드/홀더 콘트롤들(329)의 일부로서 도시되어 있는 다이아몬드 콘트롤을 사용하여 스테이지(324) 아래로부터 제어된다. 다이아몬드 액츄에이터 부재(360)는 다이아몬드(136)의 성장 표면 및 증착 챔버 플로어(122) 간의 높이(H)를 설정하기 위한 것이다. 도 3의 다이아몬드 액츄에이터 부재(360)가 스레디드 로드(threaded rod)로서 도시된다 할지라도, 다이아몬드 액츄에이터 부재는 증착 챔버 플로어 상의 위치 또는 높이에 다이아몬드(136)를 위치시킬 수 있도록 하는 임의의 기하학적 형태가 될 수 있다. 당업자는 다이아몬드 액츄에이터 부재(360)와 같은 벨 자 내에 위치된 구성요소들이, 원하는 대기 유지의 문제점들을 피하기 위해 진공 적합성(vacuum compatible)이어야 한다는 것을 알 것이 다.
다이아몬드 액츄에이터 부재(360)의 액츄에이터(도시 않음)는 모터(도시 않음)이다. 그러나, 액츄에이터는 성장될 다이아몬드의 크기, 성장 속도, 및 요구되는 움직임 정확성의 수준에 따라 다수의 공지된 형태의 액츄에이터 중 어떤 하나가 될 수 있다. 예를 들어, 다이아몬드(136)가 크기가 작다면, 압전 액츄에이터(piezoelectric actuator)가 사용될 수 있다. 다이아몬드(136)가 비교적 크거나 비교적 크게 성장될 수 있다면, 모터가 달린(motorized) 컴퓨터-제어가능한 액추에이터가 바람직하다. 사용되는 특정 액츄에이터와 상관 없이, 주처리 제어기(346)는 다이아몬드 액츄에이터 부재(360)의 움직임을 제어하여, 다이아몬드 성장이 진행됨에 따라 다이아몬드(136)가 자동적으로 하향 이동될 수 있도록 한다.
또한, 홀더 액츄에이터 부재(362)는 스테이지(324)를 통해 돌출되고 그리고 도 3에서 냉각제 및 다이아몬드/홀더 콘트롤들(329)의 일부로서 도시된 홀더 콘드롤을 사용하여 스테이지(324) 아래로부터 제어된다. 홀더 액츄에이터 부재(362)는 성장 표면에 실질적으로 수직인 축을 따라 병진하고 그리고 다이아몬드(136)의 성장 표면의 가장자리 및 홀더 또는 시스(134)의 최상부 가장자리 사이의 거리(D)를 유지하기 위한 것이다. 다이아몬드 제조 시스템은 다이아몬드 액츄에이터 부재, 홀더 액츄에이터 부재 또는 이들의 조합을 가질 수 있다.
도 3의 홀더 액츄에이터 부재(362)는 스테이지(324) 내에 스레드되고(threaded) 그리고 다이아몬드 액츄에이터 부재(360)는 홀더 액츄에이터 부재(362) 내에 스레드된다. 이러한 배치에 의해, 도 3에 도시된 냉각제 및 다이아몬 드/홀더 콘트롤들(329)의 다이아몬드 및 홀더 콘트롤들은 다이아몬드(136), 시스(134), 또는 시스(134) 및 다이아몬드(136) 모두를 움직일 수 있다. 도 3의 홀더 액츄에이터 부재(362)가 다이아몬드 액츄에이터 부재(360)에 대한 내부 상의 스레딩(threading) 및 스테이지(324) 내에 스레딩하기 위한 외부 상의 스레드들을 갖는 스레디드 실린더로 도시된다 할지라도, 홀더 액츄에이터 부재는 다이아몬드(136)의 성장 표면의 가장자리 및 홀더 또는 시스(134)의 최상부 가장자리 사이에 특정 거리 범위를 유지할 수 있도록 하는 임의의 기하학적 형태가 될 수 있다. 당업자는, 원하는 대기를 유지함에 있어 문제점들을 피하기 위해 홀더 액츄에이터 부재(362) 또는 홀더 액츄에이터 부재 및 다이아몬드 액츄에이터 부재 모두의 조합과 같은, 벨 자 내에 위치된 구성요소들이 진공 적합성이어야 한다는 것을 알 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 열 매스(364)는 스테이지(324)의 오목부(recess) 내에 위치된다. 홀더 또는 시스(134)는 열 매스(364) 내에 슬라이딩가능하게 위치되어, 열 에너지가 시스(134)로부터 스테이지(324)로 전달되도록 한다. 열 매스(364)의 최상부 표면은, 플라즈마(341)에 미치는 열 매스(364)의 전기적 효과를 최소화하면서 열이 시스(134)로부터 전달될 수 있도록 외형을 이룰 수 있다(contoured). 도 4a 내지 4c의 열 매스들(466a, 466b 및 466c)은 각각 상이한 단면 형태들을 갖는 다른 외형의(contoured) 열 매스들의 예들이며, 이는 도 3에 도시된 열 매스(364) 대신에 대안적으로 사용될 수 있다. 열 매스는 몰리브덴으로 만들어질 수 있다. 처리 온도보다 높은 고도의 융점 및 몰리브덴과 유사한 열 전도도를 갖는 몰리브덴-텅스텐 합금 또는 설계된(engineered) 세라믹과 같은 다른 물질 들이 다이아몬드의 한쪽으로부터 스테이지로 열을 전달하기 위한 열 매스로서 사용될 수 있다.
플라즈마(341)에 미치는 열 매스(364)의 전기 효과를 최소화함으로써, 다이아몬드가 성장하는 플라즈마(341) 내 영역은 보다 균일하게 될 것이다. 또한, 보다 높은 압력이 성장하는 다이아몬드에 사용될 수 있고, 이는 단-결정 다이아몬드의 성장 속도를 증가시킬 것이다. 예를 들어, 압력은 약 100 토르 내지 약 300 토르로 변화될 수 있고, 단-결정 성장 속도는 시간당 50 미크론 내지 150 미크론이 될 수 있다. 400 토르 이상과 같은 보다 높은 압력을 사용할 수 있는데, 플라즈마(341)의 균일성, 형태 및/또는 위치가 열 매스(364)에 의해 쉽게 영향받지 않기 때문이며, 열 매스(364)는 다이아몬드의 성장 표면의 가장자리로부터 열을 제거하도록 외형을 이루고 그리고 플라즈마(341)에 미치는 열 매스(364)의 전기 효과를 최소화한다. 또한, 플라즈마(341)를 유지하기 위해 1 내지 2 kW와 같은 보다 적은 마이크로파 출력이 요구된다. 그렇지 않으면, 플라즈마(341)의 균일성, 형태 및/또는 위치를 유지하기 위해 보다 낮은 압력 및/또는 증가된 마이크로파 출력이 사용되어야 할 것이다.
다이아몬드(136)가 성장함에 따라, 거리(D) 및 높이(H)가 모두 증가한다. 거리(D)가 증가함에 따라, 다이아몬드(136)의 성장 표면의 최상부 가장자리에 대한 시스(134)의 열-싱킹 능력이 감소한다. 또한, 다이아몬드의 성장 표면이 플라즈마(341) 내로 연장됨에 따라 온도와 같은 플라즈마의 특성이 변화한다. 다이아몬드 제조 시스템(300)에서, 거리(D) 및 높이(H)가 주 처리 제어기(346)에 의해 냉각제 및 다이아몬드/홀더 콘트롤들(329)를 통해, 다이아몬드 성장 처리동안 홀더 액츄에이터 부재(362) 및 다이아몬드 액츄에이터 부재(360)를 사용하여 제어될 수 있으므로 다이아몬드(136)가 미리 정해진 두께에 도달할 때 처리 공정이 중단된다. 제어기(144)의 제어 하에 수동 또는 자동으로 이와 같이 재위치화시키면 다이아몬드(136)의 성장 표면 상의 다이아몬드 성장이 플라즈마(341) 내 공진형 파워의 원하는 영역 내에서 일어나도록 할 수 있다. 또한, 재위치화는 적외선 고온계(142) 및 임의의 부가적인 기구들이 다이아몬드(136)의 성장 표면 상에 계속 포커싱되도록 허용하고, 그리고 다이아몬드(136)의 성장 표면의 가장자리들로부터 열이 효과적으로 싱킹되는 것을 유지할 수 있다.
도 5는 다이아몬드 성장 처리동안 다이아몬드(136)를 이동시키기 위한 표본 홀더 어셈블리(520)을 갖는 증착 장치(504)의 단면이 도시되어 있는 본 발명의 일실시형태에 따른 다이아몬드 제조 장치(500)의 다이어그램이다. 다이아몬드 제조 장치(500)의 구성요소들 중 일부는 다이아몬드 제조 시스템(100 및 300)의 구성요소들과 실질적으로 동일하며, 따라서 도 1 및 도 3에 대해 상기된 논의는 도 5에서 유사하게 넘버링된 구성요소들을 설명하기에 충분할 것이다. 예를 들어, 도 5의 고온계(142), 증착 챔버 플로어(122), 냉각제 파이프(128) 및 벨 자(108)는 도 1에 기재된 것들과 실질적으로 동일하다. 또 다른 예에서, 도 5의 냉각제 및 다이아몬드/홀더 제어기(329) 및 다이아몬드 액츄에이터 부재(360)는 도 3의 것들과 실질적으로 동일하다.
도 5에 도시된 바와 같이, 다이아몬드(136)는 다이아몬드 액츄에이터 부 재(360) 상에 그리고 홀더로서 작용하는, 외형을 이룬 열 매스(contoured thermal mass)(566) 내에 장착된다. 다이아몬드(136)를 외형을 이룬 열 매스(566) 내에 바로 위치시킴으로써, 다이아몬드(136)를 열-싱킹하기 위한 열 효율(thermal efficiency)이 증가된다. 그러나, 도 3의 냉각제 및 다이아몬드/홀더 콘트롤들(329)의 일부로서 도시되어 있는 다이아몬드 홀더 콘트롤을 사용하여 스테이지(524) 내 홀더 액츄에이터(562)에 의해, 전체 외형을 이룬 열 매스가 이동되므로, 플라즈마(541)는 보다 쉽게 영향받을 수 있다. 따라서, 주 처리 제어기(546)는 플라즈마를 적절히 제어하기 위한 인자들 및/또는 성장 처리의 다른 파라미터들을 고려해야 한다. 대안예에서, 도 3에 도시된 볼록한 열 매스(364), 도 4b의 경사-면(slant-sided) 열 매스(466b), 도 4c의 경사-면/실린더형 정점(apex) 열 매스(466c) 또는 다른 기하학적 구조가 도 5의 오목한 열 매스(566) 대신 사용될 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 표본 홀더 어셈블리에 사용될 수 있는 본 발명의 실시형태에 따른 처리(600)을 설명하는 플루오 다이어그램이다. 처리(600)는, 성장 처리 중인 적당한 시드 다이아몬드 또는 다이아몬드가 홀더 내에 위치되는 단계 S670에서 시작된다. 도 1의 표본 홀더 어셈블리(120)에서, 예를 들어 다이아몬드 시드부(138)가 시스(134) 내에 위치되고, 스크류들(131a 내지 131d)이 오퍼레이터(operator)에 의해 조여진다. 홀더 또는 시스에 대해 힘을 가할 때 사용될 수 있는 스프링 로딩된(spring loaded) 콜릿, 유압(hydraulics) 또는 다른 메커니즘과 같은 다른 메커니즘들이 시스 및 다이아몬드를 모두 적당한 위치에 유지하기 위해 사용될 수 있다.
단계 S672에서 언급된 바와 같이, 다이아몬드, 다이아몬드 시드 또는 성장된 다이아몬드의 성장 표면의 온도가 측정된다. 예를 들어, 도 1의 고온계(142)가 성장하는 다이아몬드부(140)의 최상부 표면인 성장 표면을 측정하고, 그리고 주 처리 제어기(146)에 상기 측정을 제공한다. 측정은 다이아몬드(136)의 성장 표면을 가로지르는 열 구배가 주 처리 제어기에 의해 결정될 수 있거나 또는 적어도 다이아몬드의 성장 표면의 가장자리의 온도가 주처리 제어기에 입력되도록 실시된다.
도 1에 도시된 주처리 제어기(146)와 같은 주처리 제어기는 도 6의 S674에 언급된 대로, 성장 표면의 온도 제어에 사용된다. 주처리 제어기는 성장 표면을 가로질러 20 ℃ 미만의 열 구배를 유지함으로써 온도를 제어한다. 성장 표면의 온도를 제어하는 동안 다이아몬드가 도 6의 단계 S675에 도시된 바와 같이 홀더 내에 재위치되어야 하는지 여부가 결정된다. 플라즈마, 가스 흐름 및 냉각제 흐름을 제어함으로써 성장 표면을 가로지르는 모든 온도 구배가 20 ℃ 미만이 되도록 다이아몬드의 성장 표면의 온도를 주 제어기가 제어할 수 없다면, 다이아몬드를 더 잘 열-싱킹하고 및/또는 다이아몬드를 플라즈마 내에 더 잘 위치시키기 위해, 다이아몬드가 도 6의 단계 S678에 도시된 바와 같이 홀더 내에 재위치될 수 있도록 성장 처리는 중지된다(suspended). 주 제어기가 다이아몬드의 성장 표면을 가로지르는 모든 열 구배를 20 ℃ 미만이 되도록 유지할 수 있다면, 도 6의 단계 S676에 도시된 바와 같이 성장 표면 상에 다이아몬드가 성장한다.
다이아몬드가 도 6에 도시된 바와 같이 재위치되어야 한다고 결정될 때까지, 다이아몬드의 성장 표면의 온도를 측정하고, 상기 성장 표면의 온도를 제어하고 그리고 상기 성장 표면 상에 다이아몬드를 성장시킨다. 비록 측정, 제어, 성장 및 결정 행위가 단계들로 도시 및 설명되어 있더라도, 반드시 순차적인 것은 아니며 서로 동시에 일어날 수 있다. 예를 들어, 성장 표면 상에 다이아몬드를 성장시키는 단계는 다이아몬드의 성장 표면의 온도를 측정하고 그리고 성장 표면의 온도를 제어하는 동안에 가능하다.
단계 S678에서 언급되는 바와 같이, 다이아몬드의 재위치화는 수동으로 또는 로봇 메커니즘을 사용하여 행해질 수 있다. 또한, 도 6의 단계 S673에서 도시된 바와 같이, 다이아몬드가 미리 정해지거나 원하는 두께에 도달했는지 여부가 결정될 수 있다. 결정은 기계적 또는 광학적 디바이스를 통한 실제 측정에 기초할 수 있다. 또 다른 예에서, 결정은 처리의 공지된 성장 속도 면에서 처리 시간의 길이에 기초할 수 있다. 다이아몬드가 미리 정해진 두께에 도달했다면, 도 6의 단계 680에 언급된 바와 같이 성장 처리는 완료된다. 다이아몬드가 미리 정해진 두께에 도달하지 않았다면, 성장 처리는 다시 시작되고 그리고 도 6에 도시된 바와 같이 다이아몬드가 재위치화되어야 할 필요가 있다고 결정될 때까지 다이아몬드의 성장 표면의 온도 측정, 성장 표면의 온도 제어 및 성장 표면 상의 다이아몬드 성장은 계속된다.
도 7은 도 3 및 도 5에 도시된 표본 홀더 어셈블리를 사용하여 이용가능한 본 발명의 실시형태에 따른 처리(700)를 설명하는 플로우 다이어그램이다. 처리(700)는 성장된 다이아몬드, 제조된 다이아몬드, 천연 다이아몬드 또는 이의 조 합이 될 수 있는 적당한 시드 다이아몬드가 홀더 내에 위치되는 단계 S770으로 시작된다. 도 3의 표본 홀더 어셈블리(320)에서, 예를 들어 다이아몬드 시드부(138)가 도 3에 도시된 바와 같이 다이아몬드 액츄에이터 부재(360) 상의 시스(134) 내에 위치된다. 표본 홀더 어셈블리의 다른 예에서, 다이아몬드 시드부(138)가 도 5에 도시된 바와 같이 다이아몬드 액츄에이터(360) 상의 외형을 이룬 열 매스(566) 내에 위치된다.
단계 S772에서 언급된 바와 같이, 다이아몬드, 다이아몬드 시드 또는 다이아몬드 시드 상의 새롭게 성장된 다이아몬드부의 온도가 측정된다. 예를 들어, 도 3의 고온계(142)는 성장하는 다이아몬드부(140)의 최상부 표면인 성장 표면을 측정하고, 그리고 상기 측정을 주 처리 제어기(346)에 제공한다. 또다른 예에서, 도 5의 고온계(142)는 시드 다이아몬드부(138)의 최상부 표면인 성장 표면을 측정하고, 그리고 상기 측정을 주 처리 제어기(546)에 제공한다. 측정은 다이아몬드의 성장 표면을 가로지르는 열 구배가 주 처리 제어기에 의해 결정될 수 있거나 또는 적어도 성장 표면의 가장자리 및 중간의 온도가 주처리 제어기에 입력되도록 실시된다.
주처리 제어기(346 또는 546)와 같은 주 처리 제어기는 도 7의 S774에서 언급되는 바와 같이 성장 표면의 온도 제어에 사용된다. 주처리 제어기는 다이아몬드의 성장 표면의 온도를 제어하여, 성장 표면을 가로지르는 모든 온도 구배가 20 ℃ 미만이 되도록 한다. 성장 표면의 온도를 제어하는 동안, 도 7의 단계 S775에 도시된 바와 같이, 다이아몬드가 홀더 내에 재위치될 필요가 있는지 여부에 대해 결정된다. 주 제어기가 플라즈마, 가스 흐름 및 냉각제 흐름을 제어함으로써 성장 표면 을 가로지르는 모든 온도 구배가 20 ℃ 미만이 되도록 주 제어기가 다이아몬드의 성장 표면의 온도를 유지할 수 없다면, 도 7에 단계 S775로부터 단계들 S776 및 S778 모두로의 "예" 경로에서 도시된 바와 같이 다이아몬드가 성장하는 동안 다이아몬드가 재위치된다. 홀더 내에 다이아몬드를 재위치시킴으로써, 성장 표면의 가장자리의 열-싱킹이 개선된다. 또한, 성장 표면은, 다이아몬드의 성장 표면을 가로지르는 모든 열 구배를 20 ℃ 미만이 되도록 유지하기 위해 일관성을 갖는 플라즈마의 최적 영역 내에 위치될 수 있다. 주 제어기가 다이아몬드의 성장 표면을 가로지르는 모든 열 구배를 20 ℃ 미만이 되도록 유지할 수 있다면, 도 7의 단계 S775로부터 단계 S776로의 "아니오" 경로에 도시된 바와 같이 재위치화 없이 성장 표면 상에 다이아몬드가 성장한다.
다이아몬드가 미리 정해진 두께에 이르렀다고 결정될 때까지 다이아몬드의 성장 표면의 온도를 측정하고, 상기 성장 표면의 온도를 제어하고, 상기 성장 표면 상에 다이아몬드를 성장시키고, 그리고 홀더 내에 상기 다이아몬드를 재위치화시킨다. 도 7의 단계 S773에서 언급되는 바와 같이, 다이아몬드가 미리 정해지거나 원하는 두께에 도달했는지 여부가 결정된다. 결정은 기계적 또는 광학적 디바이스를 통한 실제 측정에 기초할 수 있다. 예를 들어, 성장 처리 동안 다이아몬드가 재위치되어야 했던 거리의 면에서 그 양 또는 그 깊이를 기록하는 트래킹(tracking) 프로그램이 있다. 또 다른 예에서, 결정은 성장 처리에 대한 공지된 성장 속도 면에서 처리 시간의 길이에 기초할 수 있다. 다이아몬드가 미리 정해진 두께에 도달했다면, 도 7의 단계 780에 언급된 바와 같이 성장 처리는 완료된다. 다이아몬드가 미리 정해진 두께에 도달하지 않았다면, 도 7의 S773으로부터 S774로의 "아니오" 경로에서 도시된 바와 같이, 다이아몬드가 재위치될 필요가 있다고 결정될 때까지 성장 처리는 다이아몬드의 성장 표면의 온도 측정, 성장 표면의 온도 제어, 성장 표면 상의 다이아몬드 성장, 및 홀더 내 다이아몬드의 재위치화와 함께 계속된다.
처리들(600 및 700)을 실시할 때, "단계 성장(step growth)" 조건이 유지될 수 있는 한 다이아몬드 성장은 일반적으로 계속된다. 일반적으로, "단계 성장" 조건은, 다이아몬드(136)가 분리된(isolated) "노두(outcropping)" 또는 트윈들 없이 사실상 매끄럽도록 다이아몬드가 다이아몬드(136)의 성장 표면 상에 성장되는 성장을 나타낸다. "단계 성장" 조건은 시각적으로(visually) 확인될 수 있다. 대안적으로, 레이저를 사용하여 다이아몬드(136)의 성장 표면을 스캔할 수 있다. 레이저 반사율(reflectance)의 변화는 "노두" 또는 트윈들이 형성된 것을 나타낼 것이다. 이러한 레이저 반사율은 성장 처리를 중단하기 위한 조건으로서 주처리 제어기 내에 프로그래밍될 수 있다. 예를 들어, 다이아몬드가 미리 정해진 두께인지를 결정하는 것에 추가하여, 레이저 반사율이 수용되고 있는지 여부를 결정할 수도 있다.
일반적으로, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 방법은 증가된{100} 성장 속도로 크고, 무색이며, 고-품질인 다이아몬드를 생성하도록 설계되며, 여기서 성장은 3 차원을 따른다. 본 발명의 일 실시형태에서, 산소는 CH4 단위당 약 1 내지 50 % O2의 비율로 가스 믹스 내에 사용된다. 본 발명의 또다른 실시형태에서, 산소는 CH4 단위당 약 5 내지 25 % O2의 비율로 가스 믹스 내에 사용된다. 이론에 얽매 이기를 원하지 않으나, 증착 챔버의 가스 믹스 내에 산소가 존재하면 다이아몬드 내에 불순물들의 혼입이 감소되도록 돕고, 따라서 다이아몬드가 실질적으로 무색이 되는 것으로 생각된다. 성장 처리동안, 메탄올 농도는 약 6 내지 12 % 범위 내에 있다. 약 15 %보다 큰 탄화수소 농도는 MPCVD 챔버 내에 그래파이트의 과도한 증착을 유발할 수 있다.
원하는 단-결정 다이아몬드의 특정 형태에 따라, 또는 산소가 사용되는지에 따라 처리 온도는 약 700 내지 1500 ℃ 범위로부터 선택될 수 있다. 다결정질 다이아몬드는 보다 높은 온도에서 제조될 수 있으며, 저온에서는 다이아몬드-형 탄소가 제조될 수 있다. 본 발명의 일실시형태에서, 처리 온도는 약 700 내지 1100 ℃ 범위로부터 선택될 수 있다. 본 발명의 또다른 실시형태에서, 처리 온도는 약 900 내지 1100 ℃ 범위로부터 선택될 수 있다. 성장 처리동안, 약 100 내지 400 토르의 압력이 사용된다. 일 실시형태에서, 약 100 내지 300 토르의 압력이 사용된다. 또다른 실시형태에서, 약 160 내지 220 토르의 압력이 사용된다.
본 발명의 일실시형태에서, 단-결정 다이아몬드의 성장 속도는 약 10 ㎛/h 보다 크다. 다른 실시형태에서, 단-결정 다이아몬드의 성장 속도는 약 50 ㎛/h 보다 크다. 또다른 실시형태에서, 단-결정 다이아몬드의 성장 속도는 약 100 ㎛/h 보다 크다.
본 발명의 일실시형태에서, 단-결정 다이아몬드는 1.2 cm 두께가 넘도록 성장한다. 본 발명의 다른 실시형태에서, 단-결정 다이아몬드는 중량으로 5 캐럿을 넘도록 성장한다. 본 발명의 또다른 실시형태에서, 단-결정 다이아몬드는 10 캐럿 이 넘도록 성장한다. 본 발명의 또다른 실시형태에서, 단-결정 다이아몬드는 300 캐럿이 넘도록 성장한다.
일 실시형태에서, 다이아몬드는 SC-CVD 다이아몬드 시드의 여섯 {100} 면들까지 점점 성장된다. 다른 실시형태에서, SC-CVD 다이아몬드의 여섯 {100} 면들까지 점점 성장된 다이아몬드는 약 300 캐럿보다 크다. 또다른 실시형태에서, 다이아몬드의 성장은 보다 긴 표면들 중 하나를 폴리싱하고 그리고 이어서 이 표면 상에 제 2 직각 방향으로 다이아몬드 결정을 성장시킴으로써 큰 측면 치수(dimension)의 결정(예를 들어, 거의 약 1 제곱 인치의 플레이트)을 제조하기 위해 실질적으로 2차원(two dimension)적으로 이루어질 수 있다. 또다른 실시형태에서, 다이아몬드의 성장은 3차원이 될 수 있다. 또다른 실시형태에서, 다이아몬드의 성장은 실질적으로 큐빅(cubic)이다. 또다른 실시형태에서, 3차원들을 따라 성장된 실질적으로 큐빅인 다이아몬드는 각 차원에서 거의 1 인치이다.
가스 믹스는 N2를 포함할 수도 있다. N2가 사용될 때, CH4의 단위당 약 0.2 내지 3 % N2의 비율로 가스 믹스에 첨가된다. 가스 믹스에 대해 N2를 이런 농도로 첨가하면 보다 더 이용가능한 성장 부위들이 생성되고, 성장 속도가 증진되고, {100} 면 성장이 촉진된다.
도 8은 HPHT IIa 다이아몬드; 예를 들어, CH4의 단위당 약 5 % 내지 약 25 % O2를 포함하는 증착 챔버 대기로, 본 발명의 방법에 따라 제조된 SC-CVD 다이아몬드; 및 증착 챔버 대기의 구성요소로서 존재하는 N2 가스로 제조된 SC-CVD 다이 아몬드의 UV-VIS 스펙트럼이다. N2 가스로 제조된 SC-CVD 다이아몬드는 외관이 밝은 갈색이고 270 nm 주위에 넓은 밴드를 보였다. 이는 다이아몬드 내에 비-다이아몬드 탄소, 질소 및 간극(vacnacy)이 존재하는 것과 관련있다. 어두운 갈색 외관을 갖는 N2 가스로 제조된 SC-CVD 다이아몬드는 500 nm 미만에서 흡수가 증가되고 그리고 넓은 피처(feature)가 520 nm 에서 집중되는(centered) 것으로 나타난다. 이는 천연 다이아몬드 또는 HPHT-성장된 합성 다이아몬드에서는 보이지 않는다. 갈색을 띤 색상 및 넓은 밴드 피처들은 HPHT 처리, 예를 들어 어닐링(annealing)에 의해 제거될 수 있다. 예를 들어, CH4 단위당 약 5 % 내지 약 25 % O2를 포함하는 증착 챔버 대기로, 본 발명의 방법에 의해 제조된 다이아몬드의 스펙트럼은 270 nm에서 또는 520 nm에서 넓은 밴드를 보이지 않았고, 인조 HPHT-형 IIa 다이아몬드와 유사하다(comparable). 이론에 얽매이기를 원하지 않지만, 본 발명자들의 생각으로는 첨가된 산소가 비-다이아몬드 탄소의 양 및 수소 불순물 수준을 감소시킨다.
도 9는 예를 들어, 왼쪽에는 CH4 단위당 약 5 % 내지 약 25 % O2를 포함하는 증착 챔버 대기로, 본 발명의 방법에 의해 제조된 무색 SC-CVD 다이아몬드, 그리고 오른쪽에는 증착 챔버 내에서 O2 보다는 N2로 제조된 갈색의 SC-CVD 다이아몬드를 도시한다. 단-결정 다이아몬드들은 모두 크기가 약 5 × 5 × 1 mm이다.
도 10은 이하 도시된 4 × 4 × 1.5 mm 결정과 같은 HPHT Ib 기판의 여섯 {100} 면들 상에 증착시켜 형성된 SC-CVD 다이아몬드 블록을 도시한다. 이는 다이아몬드 결정들의 크기를 더 증가시키기 위한 시도이며, 여기서 보석-품질 CVD 다이 아몬드가 기판의 6 {100} 면들 상에 연속적으로 본 발명의 방법을 따라 성장된다. 이 방법으로, 무색, 단-결정 다이아몬드의 3-차원 성장을 통해 다이아몬드를 중량으로 약 30 캐럿 및 각 차원에서 약 1 인치로 제조할 수 있다.
도 11은, 예를 들어 CH4 단위당 약 5 % 내지 약 25 % O2를 포함하는 증착 챔버 대기로 본 발명의 방법에 따라 제조된 무색 SC-CVD 다이아몬드, 그리고 증착 챔버 대기의 구성요소로서 존재하는 N2 가스로 제조된 갈색 SC-CVD 다이아몬드의 IR 흡수 스펙트럼(2500 내지 8000 cm-1)이다. N2 가스로 제조된 갈색 SC-CVD 다이아몬드의 스펙트럼은 2931, 3124, 6427, 6857, 7234, 및 7358 cm-1에서 피크를 가졌다. 이러한 피크들은 O2 가스가 존재하는 본 발명의 방법에 따라 제조된 무색 다이아몬드의 스펙트럼에는 없다. 따라서, 데이터는 O2 가스가 존재하는 본 발명의 방법에 따라 제조된 무색 다이아몬드 중의 수소로 인해 근적외선(near IR) 또는 중적외선(mid IR) 불순물들이 없다는 것을 보여준다. 또한, 이는 본 발명의 방법이 매우 순수하고 큰 단-결정 다이아몬드를 높은 성장 속도로 제조한다는 것을 증명한다.
본 발명의 다른 측면은 다음의 실시예로부터 보다 상세히 이해될 수 있다.
실시예 1
다이아몬드 성장 처리를 도 1의 상기된 MPCVD 챔버 내에서 실시하였다. 먼 저, 시판 3.5 × 3.5 × 1.6 mm3 고압 고온(HPHT) 합성 타입 Ib 다이아몬드 시드를 증착 챔버 내에 위치시켰다. 다이아몬드 시드는 아세톤으로 초음파 세정된, 폴리싱된 매끄러운 표면을 갖는다. 다이아몬드 시드의 {100} 면의 2도 내에 증착 표면이 존재하였다.
이어서, 증착 챔버를 10-3 토르의 기본 압력(base pressure)까지 배기하였다(evacuated). 적외선 고온계(142)는 다이아몬드의 성장 표면 상에 65 도의 입사각으로 석영 윈도우를 통해 포커싱되었고, 최소 2 mm2 직경 스폿 크기를 가졌다. 15 % O2/CH4, 및12% CH4/H2의 가스 농도를 사용하여 160 토르의 압력에서 다이아몬드를 성장시켰다. 처리 온도는 1020 ℃였고, 가스 유량은 500 sccm H2, 60 sccm CH4, 및 1.8 sccm O2 였다. 증착은 12 시간동안 계속되었다.
얻어지는 다이아몬드는 4.2 × 4.2 × 2.3 mm3 폴리싱되지 않았고(unpolished), 시간당 58 미크론의 성장 속도로 성장된 시드 결정 상에 약 0.7 mm 의 성장을 보였다. 성장 모르폴로지는 <100> 측 성장 속도가 <111> 모서리 성장 속도보다 더 빠른 것으로 나타냈다. 성장 파라미터, α는 2.5 내지 3.0로 평가되었다.
증착된 다이아몬드는 광학 현미경 사용법(microscopy), x-선 회절(XRD), 라만 분광기 사용법(spectroscopy), 및 광루미네선스(photoluminescence)를 사용하여 특징부여하였다(characterized). 얻어지는 다이아몬드의 광학 현미경 사용 및 X-선 회절 연구로, 얻어지는 다이아몬드가 단-결정으로 확인되었다. 시드-다이아몬드로부터 분리된 MPCVD 성장 다이아몬드의 UV-가시광/근적외선 투과 스펙트럼(transmission spectra)은 N2 가스의 존재 하에 성장된 MPCVD 다이아몬드와 다르고 순수한(타입 IIa) 다이아몬드에 매치된다(matched).
기재된 처리 온도를 변화시키면서 실시예 1의 내용에 따라 다수의 MPCVD 다이아몬드를 제조하였다. 이러한 실험을 통해 본 발명의 실시형태들에 따른 성장 처리에서 다양한 형태의 다이아몬드를 제조하기 위한 처리 온도 범위가 증명된다.
상기 논의된 방법으로 형성된 다이아몬드의 색상은 어닐링에 의해 변화될 수 있다. 예를 들어, 갈색 다이아몬드의 황색은 녹색 다이아몬드로 어닐링될 수 있다. 상기된 실시예들에서 제조된 다이아몬드에 관한 추가 정보는 본 발명자에 의해 "Very High Growth Rate Chemical Vapor Deposition of Single-Crystal Diamond" (Proceedings of the National Academy of the Sciences, Oct. 1, 2002, volume 99, no.20., pages 12523-12525)라는 제목의 논문에 기재되어 있으며, 이는 본 명세서에 그 전체가 인용 참조되어 있다. 상기된 방법 및 장치에 의해 제조된 다이아몬드는 충분히 크고, 결합이 없고, 반투명하여(translucent), 예를 들어 고출력 레이저(high power laser)의 윈도우 또는 싱크로트론(synchrotron) 적용예로서, 고압 장치에서 앤빌(anvil)로서, 절단 기구로서, 와이어 다이(wire die)로서, 일렉트로닉스의 구성요소(전자 디바이스의 기판, 열 싱크)로서 또는 보석으로서 유용할 것이다.
본 발명은 이의 정신 또는 본질적인 특성으로부터 벗어나지 않고 여러 형태 로 구현될 수 있으므로, 상기된 실시형태들은 달리 구체화되지 않는 한 상기된 상세한 설명의 어떤 내용에 의해 제한되는 것이 아니라, 첨부된 특허청구범위에 정의된 바와 같이 그 정신 및 범위 내에서 광범위하게 해석되어야 하고, 따라서 특허청구범위의 한계 및 경계, 또는 이러한 한계 및 경계의 등가물 내에 속하는 모든 변화 및 변경은 첨부된 특허청구범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
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Claims (34)

  1. i) 다이아몬드의 성장 표면의 온도를 제어하여 다이아몬드의 성장 표면을 가로지르는 모든 온도 구배가 약 20 ℃ 미만이 되도록 하는 단계, 및
    ii) 대기를 갖는 증착 챔버에서 성장 온도에서 다이아몬드의 성장 표면 상에 마이크로파 플라즈마 화학 증착함으로써 단결정 다이아몬드를 성장시키는 단계를 포함하는 다이아몬드 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 대기는 약 100 내지 300 토르의 압력을 갖는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 압력은 약 160 내지 약 220 토르인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 성장 온도는 약 700 ℃ 내지 약 1100 ℃인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이아몬드는 1.2 cm 두께를 초과하도록 성장하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이아몬드는 5 캐럿을 초과하도록 성장하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이아몬드는 10 캐럿을 초과하도록 성장하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 성장 속도는 약 10 ㎛/h보다 더 큰 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 성장 속도는 약 50 ㎛/h보다 더 큰 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 성장 속도는 약 100 ㎛/h보다 더 큰 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 대기는 CH4의 단위 당 약 0.2 내지 약 3 % 질소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    홀더 내에 다이아몬드 시드를 위치시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 단-결정 다이아몬드를 성장시키는 단계 후에 상기 홀더 내에 상기 다이아몬드를 재위치시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 단-결정 다이아몬드를 성장시키는 동안 상기 홀더 내에 상기 다이아몬드를 재위치시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 시드는 천연, 무색 Ia 다이아몬드; 천연, 무색 IIa 다이아몬드; HPHT 합성 황색 Ib 다이아몬드; 및 SC-CVD 다이아몬드로 구성되는 그룹에 속하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 시드는 SC-CVD 다이아몬드인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 SC-CVD 다이아몬드 시드는 {100} 면들을 갖는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이아몬드의 성장은 3 차원을 따르는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 시드는 6개의 {100} 면들을 갖는 것을 특징으로 하는 다이 아몬드 제조 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 다이아몬드는 300 캐럿을 초과하도록 성장하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이아몬드는 실질적으로 큐빅이 되도록 성장하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 실질적으로 큐빅인 다이아몬드의 각 치수는 1 인치 이상인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 제조된 다이아몬드는 무색인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 제조된 다이아몬드는 인조 HPHT 형 IIa 다이아몬드의 UV-VIS 스펙트럼 과 실질적으로 유사한 UV-VIS 스펙트럼을 갖는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  25. 제 1 항의 방법으로 제조된 다이아몬드.
  26. i) 다이아몬드의 성장 표면의 온도를 제어하는 단계, 및
    ii) 증착 챔버에서 약 700 ℃ 내지 약 1100 ℃의 성장 온도에서 다이아몬드의 성장 표면 상에 마이크로파 플라즈마 화학 증착에 의해 단결정 다이아몬드를 성장시키는 단계를 포함하며, 상기 대기는 H2의 단위 당 약 8 % 내지 약 20 % CH4 및 CH4의 단위당 약 5 내지 약 25 % O2를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  27. i) 다이아몬드의 성장 표면의 온도를 제어하는 단계, 및
    ii) 약 100 내지 약 300 토르의 압력의 대기를 갖는 증착 챔버에서 성장 온도에서 다이아몬드의 성장 표면 상에 마이크로파 플라즈마 화학 증착에 의해 단결정 다이아몬드를 성장시키는 단계를 포함하며, 상기 대기는 H2의 단위 당 약 8 % 내지 약 20 % CH4 및 CH4의 단위당 약 5 내지 약 25 % O2를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  28. i) 다이아몬드의 성장 표면의 온도를 제어하는 단계, 및
    ii) 대기를 갖는 증착 챔버에서 성장 온도에서 다이아몬드의 성장 표면 상에 마이크로파 플라즈마 화학 증착에 의해 단결정 다이아몬드를 성장시키는 단계를 포함하며, 상기 대기는 H2의 단위 당 약 8 % 내지 약 20 % CH4 및 CH4의 단위당 약 5 내지 약 25 % O2를 포함하고, 그리고 상기 성장 속도는 약 10 ㎛/h 보다 빠른 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  29. i) 다이아몬드의 성장 표면의 온도를 제어하는 단계;
    ii) 대기를 갖는 증착 챔버에서 성장 온도에서 다이아몬드의 성장 표면 상에 마이크로파 플라즈마 화학 증착에 의해 단결정 다이아몬드를 성장시키는 단계를 포함하며, 여기서 상기 대기는 H2의 단위 당 약 8 % 내지 약 20 % CH4 및 CH4의 단위당 약 5 내지 약 25 % O2를 포함하고, 상기 다이아몬드는 5 캐럿이 넘게 성장하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  30. i) 다이아몬드의 성장 표면의 온도를 제어하는 단계,
    ii) 대기를 갖는 증착 챔버에서 성장 온도에서 다이아몬드의 성장 표면 상에 마이크로파 플라즈마 화학 증착에 의해 단결정 다이아몬드를 성장시키는 단계를 포함하며, 여기서 상기 대기는 H2의 단위 당 약 8 % 내지 약 20 % CH4 및 CH4의 단위 당 약 5 내지 약 25 % O2를 포함하고, 그리고 상기 제조된 다이아몬드는 실질적으로 무색이고 인조 HPHT 타입 IIa 다이아몬드의 UV-VIS 분광학 스펙트럼과 실질적으로 유사한 UV-VIS 분광학 스펙트럼을 갖는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  31. i) 다이아몬드의 성장 표면의 온도를 제어하여, 성장하는 다이아몬드 결정의 온도가 900 내지 1400 ℃ 범위 내에 있고 그리고 높은 융점 및 높은 열 전도도(thermal conductivity)를 가져 다이아몬드의 성장 표면을 가로지르는 온도 구배를 최소화하는 물질로 만들어진 열 싱크 홀더에 다이아몬드가 장착되도록 하는 단계; 및
    ii) 대기를 갖는 증착 챔버에서 다이아몬드의 성장 표면 상에 마이크로파 플라즈마 화학 증착에 의해 단결정 다이아몬드를 성장시키는 단계를 포함하며, 상기 대기는 H2의 단위 당 약 8 % 내지 약 20 % CH4 및 CH4의 단위당 약 5 내지 약 25 % O2를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 다이아몬드의 성장 표면을 가로지르는 모든 온도 구배는 약 20 ℃ 미만인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  33. 제 31 항에 있어서,
    상기 다이아몬드는 5 캐럿을 초과하도록 성장하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
  34. 제 31 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 성장 속도는 약 10 ㎛/h 보다 빠른 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조 방법.
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