KR20170126926A - Monocrystalline diamond and how to grow it - Google Patents

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데비 샨커 미스라
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아이아이에이 테크놀러지스 피티이. 엘티디.
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Abstract

514.5 nm 레이저의 레일리 폭을 고려한 후에 보정된 반치전폭을 갖는 단결정 다이아몬드로서, 다이아몬드 품질에 따라 음으로 대전된 실리콘 공공 결함의 존재 또는 부재를 나타내고; 270 nm의 흡수 계수에서 중성의 치환형 질소의 농도 수준을 나타내고; 10.6 μm 파장 FTIR 투과율 값을 나타내고; 피크 높이가 1332.5 cm-1일 때, 양으로 대전된 치환형 질소의 농도를 나타내고; 파장이 3123 cm-1일 때, 질소-공공-수소 결함 종의 부재를 나타내고; 1차 라만 피크가 514.5 nm 레이저 여기를 사용하여 552.37 nm일 때, 스펙트럼의 정규화를 나타내고; 흑색 섹터 또는 백색 섹터를 나타내고, 지연 대 다이아몬드 플레이트의 두께의 굴절률을 갖고; 또는 다이아몬드가 암실 내의 실온에서 355 nm 레이저 조사 하에 놓여 있을 때 적색 광채 및 청색 광채를 나타낸다.A single crystal diamond having a full width half maximum corrected after considering the Rayleigh width of a 514.5 nm laser, showing the presence or absence of negatively charged silicon vacancies according to diamond quality; A concentration level of neutral substituted nitrogen at an absorption coefficient of 270 nm; 10.6 μm wavelength FTIR transmittance value; Represents the concentration of positively charged substituted nitrogen when the peak height is 1332.5 cm < -1 & gt ;; When the wavelength is 3123 cm -1 , it indicates the absence of nitrogen-vacancy-hydrogen defect species; The normalization of the spectrum when the primary Raman peak is 552.37 nm using 514.5 nm laser excitation; A black sector or a white sector, and a retardation to a thickness of the diamond plate; Or when the diamond is placed under 355 nm laser irradiation at room temperature in the dark room.

Description

단결정 다이아몬드 및 이것을 성장시키는 방법Monocrystalline diamond and how to grow it

본 발명은 단결정 다이아몬드를 성장시키는 것에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 화학증착(CVD) 공정에 의해 다이아몬드를 성장시키는 것에 관한 것이다.The present invention relates to growing single crystal diamond. In particular, the invention relates to growing diamond by chemical vapor deposition (CVD) processes.

단결정 다이아몬드 뿐만 아니라 다결정 다이아몬드는 다양한 CVD 기법을 이용하여 성장시킨다. 다결정 다이아몬드는 단결정 다이아몬드와 유사한 특성을 가지고 있음에도 불구하고 새로운 용도를 위한 잠재적 재료는 아니다. Monocrystalline diamond as well as polycrystalline diamond are grown using various CVD techniques. Polycrystalline diamond is not a potential material for new applications, although it has characteristics similar to monocrystalline diamond.

예를 들면, 다결정 다이아몬드의 열전도율은 여전히 천연 다이아몬드의 열전도율을 초과하지 않는다. 실제로, 다결정 다이아몬드에서, 결정립계는 포논의 산란 중심으로서 작용함으로써 열 특성 및 기타 특성을 열화시키므로 다이아몬드의 고유한 우수한 특성의 발휘를 방해한다. 대각 결정립계 뿐만 아니라 소각 결정립계의 존재는 다결정 다이아몬드의 용도에서 주요 단점이다. For example, the thermal conductivity of polycrystalline diamond does not exceed the thermal conductivity of natural diamond. Indeed, in polycrystalline diamond, grain boundaries act as scattering centers of phonons, deteriorating thermal properties and other properties, thereby hindering the excellence of diamond's excellent properties. The presence of incineration grain boundaries as well as diagonal grain boundaries is a major drawback in the use of polycrystalline diamond.

여러가지 용도에서 단결정 다이아몬드를 사용하는 것에 대한 분명한 선호가 있으나, 천연 다이아몬드와 동일한 질감, 투명도, 순도 및 마감을 갖는 단결정 다이아몬드를 성장시키기가 어렵다. 단결정 다이아몬드는 다결정 다이아몬드에 비해 우수한 특성을 갖지만, 미시적 및 거시적인 흑연 및 비흑연 개재물, 페더(feather)(긴 선 결함)는 CVD 성장형 단결정 다이아몬드에서 매우 일반적이다. 결과적으로, CVD 성장형 단결정 다이아몬드가 보석 품질의 제품으로서 사용될 가능성은 감소된다. Although there is a clear preference for using single crystal diamonds in many applications, it is difficult to grow single crystal diamonds having the same texture, transparency, purity and finish as natural diamonds. Although monocrystalline diamond has superior properties compared to polycrystalline diamond, microscopic and macroscopic graphite and non-graphite inclusions, feather (long line defect) are very common in CVD growth type single crystal diamond. As a result, the possibility of using CVD growth type single crystal diamond as a gem-quality product is reduced.

라만 분광법 및 X선 회절(XRD)에 의한 단결정 CVD 성장형 다이아몬드 내의 결함의 상세한 특성평가의 결과, 이 단결정 다이아몬드 내의 결함은 서브마이크론 내지 수 마이크론 범위의 크기를 갖는 흑연 영역을 포함한다는 것이 드러났다. Raman spectroscopy and X-ray diffraction (XRD) As a result of the detailed characterization of the defects in the grown diamond, it was found that the defects in the single crystal diamond included graphite regions having a size in the submicron to several microns range.

단결정 CVD 다이아몬드를 성장시키는데 있어서의 또 다른 어려움은 성장 속도이다. CVD 기체에 질소를 첨가하면 시간 당 70-100 마이크론의 성장 속도가 가능하지만, 결함이 만연되고, 일반적으로 결함 밀도는 성장 속도와 함께 증가된다.Another difficulty in growing monocrystalline CVD diamond is the growth rate. Adding nitrogen to the CVD gas allows a growth rate of 70-100 microns per hour, but defects are rampant, and defect density generally increases with growth rate.

예를 들면, 일본 공개 번호 JP 07277890의 Derwent의 요약은 반도체, 전자 부품 또는 광학 부품으로서의 사용을 위한 또는 절삭 공구에서의 사용을 위한 다이아몬드를 합성하기 위한 방법을 개시하고 있다. 특히, JP 07277890에 개시된 방법은 성장 속도를 증가시키기 위해 3 대 1000 ppm의 질소 내 수소의 비율로 질소를 함유하거나, 3 대 100%의 산소 대 탄소의 비율로 산소를 함유하는 기체의 존재 하에서 다이아몬드를 성장시키는 단계를 포함한다.For example, Derwent's summary of Japanese Publication No. JP 07277890 discloses a method for synthesizing diamond for use as a semiconductor, an electronic component or an optical component, or for use in a cutting tool. In particular, the process disclosed in JP 07277890 discloses a method of increasing the growth rate of a diamond containing nitrogen at a ratio of 3 to 1000 ppm of hydrogen in nitrogen or in the presence of a gas containing oxygen at a ratio of 3 to 100% .

얀(Yan) 등에 의한 기술 논문(PNAS, 1 October 2002, Vol. 99, no. 20, 12523-12525)은 시간 당 50 내지 150 마이크론의 범위의 성장 속도로 마이크로파 플라즈마 화학증착(MPCVD)에 의한 단결정 다이아몬드의 제조 방법을 개시한다.(PNAS, 1 October 2002, Vol. 99, No. 20, 12523-12525) by Yan et al. Discloses a method for producing single crystals by microwave plasma chemical vapor deposition (MPCVD) at a growth rate in the range of 50 to 150 microns per hour A method of manufacturing a diamond is disclosed.

이 방법은 150 torr에서 수행되는 CVD 공정을 포함하며, 1 대 5%의 질소 대 메탄(N2/CH4.)의 비율을 제공하기 위해 CVD 기체에 질소를 첨가하는 단계를 포함한다. 얀 등은 언급된 비율의 질소는 더 많은 가용 성장 사이트를 생성하므로 성장 속도를 향상시킨다고 믿는다. 이것은 성장이을 <111> 결정면으로부터 <100> 결정면으로 변화된 결과인 것으로 생각된다. The method includes a CVD process carried out at 150 torr, and a step of adding nitrogen to the CVD gas to give a ratio of 1 to 5% of nitrogen versus methane (N 2 / CH 4.) . Yann et al. Believe that nitrogen at the stated rate improves growth rate by producing more soluble growth sites. This is thought to be the result of the growth transition from the <111> crystal plane to the <100> crystal plane.

CVD 기체 내의 질소 함량의 중요성은 전용 용도에 대한 맞춤 특성을 갖는 다이아몬드를 성장시키는 방법을 교시하는 미국 특허 5,015,494(야마자키(Yamazaki))에서 인식되었다.The importance of nitrogen content in CVD gases has been recognized in U.S. Patent 5,015,494 (Yamazaki) which teaches how to grow diamonds with customized properties for dedicated applications.

야마자키는 전자 사이클로트론 공명 CVD에 의해 다이아몬드를 형성하는 단계 및 "외부 응력 또는 내부 응력에 의해 격자 결함이 성장하는 것을 방지"하기 위해 질소를 첨가하는 단계를 개시한다. 질소 0.1 대 5%의 질소-화합물 기체 대 탄소-화합물 기체의 비율로 첨가된다. 생성된 다이아몬드는 0.01 내지 1 wt%의 질소 농도를 갖는다.Yamazaki discloses a step of forming diamond by electron cyclotron resonance CVD and a step of adding nitrogen to prevent "growth of lattice defects by external stress or internal stress ". Nitrogen-compound gas to carbon-compound gas of 0.1 to 5% nitrogen. The resulting diamond has a nitrogen concentration of 0.01 to 1 wt%.

부가적으로, 야마자키는 형성된 다이아몬드의 기재에 대한 부착을 향상시키기 위해 기재 상에 침착되는 붕소 나이트라이드를 형성하기 위해 CVD 기체에 붕소 기체를 첨가하기 위한 요건을 개시한다. Additionally, Yamazaki discloses a requirement to add boron gas to the CVD gas to form the boron nitride deposited on the substrate to improve adhesion of the formed diamond to the substrate.

얀 등 및 야마자키에 따르면 질소는 2 가지 목적을 위해 요구된다. 특히, 질소는 CVD 성장형 단결정 다이아몬드의 성장 속도를 향상시키기 위해, 그리고 전자 사이클로트론 공명 CVD 성장형 단결정 다이아몬드 내의 격자 결함을 방지하기 위해 사용된다.According to Yan et al. And Yamazaki, nitrogen is required for two purposes. In particular, nitrogen is used to improve the growth rate of the CVD growth type single crystal diamond and to prevent lattice defects in the electron cyclotron resonance CVD growth type single crystal diamond.

본 발명의 목적은 결함이 실질적으로 없는 단결정 다이아몬드를 성장시키기 위한 CVD 공정을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a CVD process for growing monocrystalline diamond with substantially no defects.

본 출원인은 단결정 다이아몬드를 성장시키기 위한 CVD 공정에서 선택적으로 디보란(diborane)과 함께 질소의 역할에 관하여 광범위한 실험 작업을 수행하였다. 실험 작업을 통해 얀 등 및 야마자키가 제안한 양의 질소를 사용하면 미세 균열, 미세 개재물 등과 같은 질소-기반의 결함을 나타내는 다이아몬드가 성장된다는 것이 밝혀졌다. 실험 작업을 통해 또한 CVD 기체 내의 선택적으로 디보란, 산소, 및 헬륨과 함께 극소량의 질소 기체는 보석으로 유용한 매우 고품질의 실질적으로 결함이 없는 단결정 다이아몬드를 생성하고, 본 출원인에 의해 유익할 것으로 결정된 질소 및 디보란의 양은 야마자키에 개시된 질소 대 탄소의 비율보다 상당히 낮다는 것이 밝혀졌다.Applicants have conducted extensive experimental work on the role of nitrogen in conjunction with diborane in the CVD process to grow single crystal diamond. Experimental work has shown that the use of the amount of nitrogen proposed by Yan et al. And Yamazaki suggests that a diamond representing nitrogen-based defects such as microcracks, micro-inclusions and the like is grown. Experimental work has also shown that very small amounts of nitrogen gas, optionally in combination with diborane, oxygen, and helium in the CVD gas, produce very high quality, substantially defect free, single crystal diamond useful as gemstones, and nitrogen determined to be beneficial by the Applicant And diborane was found to be significantly lower than the ratio of nitrogen to carbon disclosed in Yamazaki.

특히, 본 출원인은 기체 혼합물 내에 선택적으로 디보란과 함께 비교적 소량의 질소를 함유하는 CVD 기체는 단결정 다이아몬드의 색 및 순도의 열화를 초래하는 C-N 결합 및 C-B-N 결합에 관련되는 광학 중심을 갖는 다이아몬드를 형성한다는 것이 밝혀졌다. 기체 혼합물 내의 질소 농도가 높으면 결정 내의 미세 개재물 및 성장 균열이 초래된다. 질소-탄소, 탄소-탄소, 및 붕소-탄소 사이의 결합 길이의 차이로 인해, 이 결함은 포논 산란 중심으로서 작용하여 형성된 단결정 다이아몬드의 전기적, 광학적 및 기계적 특성을 감소시킨다.In particular, Applicants have found that a CVD gas containing a relatively small amount of nitrogen in combination with diborane in a gas mixture forms a CN with an optical center associated with CN bonds and CBN bonds that causes deterioration of the color and purity of the single crystal diamond . A high nitrogen concentration in the gas mixture results in micro-inclusions and growth cracks in the crystal. Due to the difference in bond length between nitrogen-carbon, carbon-carbon, and boron-carbon, this defect serves as the center of phonon scattering, thereby reducing the electrical, optical and mechanical properties of the single crystal diamond formed.

개재물의 형태는 CVD 기체 중의 질소 농도에 의존하는 것으로 생각된다.It is believed that the shape of the inclusions depends on the nitrogen concentration in the CVD gas.

부가적으로, 본 출원인은, 비교적 소량의 질소가 요구되지만, 성장 속도를 증가시키 위해, 그리고 유리하게는 CVD 공정에 의해 증착되는 다이아몬드 내에 흑연 개재물이 형성되는 것을 방지하기 위해, 선택적으로 디보란 기체와 함께 적어도 일부의 질소가 CVD 기체 중에 존재해야 한다는 것이 밝혀졌다.Additionally, Applicants have found that a relatively small amount of nitrogen is required, but in order to prevent growth of graphite inclusions in the diamond deposited by CVD process and to increase the growth rate, And at least some of the nitrogen must be present in the CVD gas.

본 발명은 화학증착에 의해 단결정 다이아몬드를 형성하는 방법을 제공하며,The present invention provides a method of forming a single crystal diamond by chemical vapor deposition,

(a) 하나 이상의 다이아몬드 시드(seed)를 제공하는 단계;(a) providing at least one diamond seed;

(b) 다이아몬드를 성장시키기 위한 탄소-함유 기체 및 질소-함유 기체를 포함하는 반응 기체를 공급하는 단계를 포함하는 화학증착에 의해 다이아몬드를 성장시키기 위한 조건에 상기 시드를 노출시키는 단계; (b) exposing the seed to conditions for growing diamond by chemical vapor deposition comprising the steps of: providing a reaction gas comprising a carbon-containing gas and a nitrogen-containing gas for growing diamond;

(c) 결함 및 흑연 개재물을 함유하지 않는 다이아몬드를 단계식 성장에 의해 성장시키도록 상기 반응 기체 중의 다른 기체에 대한 상기 질소-함유 기체의 양을 제어하는 단계 - 상기 반응 기체 중의 질소-함유 기체의 양은 0.0001 내지 0.02 체적%의 범위이고, 상기 반응 기체 중에 디보란을 더 포함함 -; 및(c) controlling the amount of said nitrogen-containing gas relative to the other gases in said reactant gas so as to grow a diamond that does not contain defects and graphite inclusions by step-wise growth of said nitrogen-containing gas in said reactant gas The amount is in the range of 0.0001 to 0.02% by volume, and further contains diborane in the reaction gas; And

(d) 보석으로서의 용도 및 기타 적절한 용도에 적합한 단결정 다이아몬드를 제조하기 위해 0.3 이하의 질소의 원자 분율의 농도를 제공하는 방식으로 디보란 및 질소 함유 기체 소스를 제어하는 단계를 포함하고, 상기 디보란 및 질소는 상기 단결정 다이아몬드 내에 더 적은 양의 불순물이 포함되도록, 그리고 동시에 모든 적절한 용도를 위해 적절한 상기 단결정 다이아몬드의 투명도 및 색을 향상시키기 위해 광학 흡수를 향상시키도록 첨가된다. (d) controlling the diborane and the nitrogen-containing gas source in such a manner as to provide a concentration of atomic fraction of nitrogen of 0.3 or less to produce single crystal diamond suitable for use as gemstones and other suitable uses, And nitrogen are added to improve the optical absorption to improve the transparency and color of the single crystal diamond so that a smaller amount of impurities are contained in the single crystal diamond and at the same time is suitable for all appropriate applications.

반응 기체 중의 질소-함유 기체의 양은 0.0001 내지 0.02 체적%의 범위일 수 있다.The amount of the nitrogen-containing gas in the reaction gas may be in the range of 0.0001 to 0.02% by volume.

반응 기체는 디보란을 더 포함할 수 있다.The reactive gas may further comprise diborane.

디보란은 0.00002 내지 0.002 체적%의 범위로 제공될 수 있다.The diborane may be provided in the range of 0.00002 to 0.002% by volume.

따라서, 본 출원인이 CVD 기체 중에 선택적으로 디보란 기체와 함께 비교적 소량의 질소를 사용하면, 다이아몬드의 성장 메커니즘은 스텝에 의해 형성되는 에지를 갖는 다이아몬드의 층이 에지에서 프론트(front)로서 성장되는 단계식 성장 메커니즘으로 됨을 밝혀냈음을 알 수 있다. 이 성장 메커니즘은 CVD 공정의 전형인, 그리고 CVD 기체 중의 비교적 다량의 질소를 사용하여 수행될 수 있는 층 성장 메커니즘과 다르다.Thus, when Applicants use a relatively small amount of nitrogen in combination with diborane gas selectively in the CVD gas, the growth mechanism of the diamond is such that the layer of diamond with the edge formed by the step grows front as an edge And it is found that it is a mechanism of expression growth. This growth mechanism differs from the layer growth mechanism, which is typical of CVD processes and can be performed using relatively large quantities of nitrogen in CVD gases.

본원에 상술되어 있는 질소 및 디보란에 의한 단계식 성장 메커니즘에 의해 성장되는 단결정 다이아몬드에는 미시적 및 거시적 흑연 개재물 및 층 성장에 의한 다이아몬드의 성장에 관련된 결함, 특히 질소-기반의 개재물이 없다. 결과적으로, 단계식 성장 메커니즘에 의해 성장된 다이아몬드는 기체 혼합물 중의 고농도의 질소가 사용되어 수행되는 층 성장에 의해 성장되는 다이아몬드에 비해 광학, 전기 및 기계적 특성이 향상되었다.The monocrystalline diamond grown by the stepwise growth mechanism by nitrogen and diborane, as described herein, lacks microscopic and macroscopic graphite inclusions and defects associated with growth of the diamond by layer growth, especially nitrogen-based inclusions. As a result, the diamond grown by the step-wise growth mechanism has improved optical, electrical and mechanical properties as compared to the diamond grown by layer growth in which a high concentration of nitrogen in the gas mixture is used.

성장된 다이아몬드 내에 흑연 개재물이 형성되는 것을 방지하기 위해 적어도 약간의 질소가 CVD 기체 내에 포함되어야 한다.At least some nitrogen must be contained in the CVD gas to prevent graphite inclusions from forming in the grown diamond.

바람직하게는, 반응 기체 중에서 질소 및 디보란을 함유하는 기체의 양은 0.00002 내지 0.02 체적%이다.Preferably, the amount of the gas containing nitrogen and diborane in the reaction gas is 0.00002 to 0.02% by volume.

바람직하게는, 질소-함유 기체는 다음의 그룹 중에서 임의의 하나 이상으로부터 선택된다: 수소 중의 N2, 산소 중의 N2, 헬륨 중의 N2 또는 아산화질소 중의 N2 및 디보란을 함유하는 N2. Preferably, the nitrogen-containing gas is selected from one or more of any of the following groups: hydrogen in the N 2, oxygen in N 2, helium in N 2 or N 2 containing N 2 and diborane in nitrous oxide.

바람직하게는, 화학증착 조건은 750 내지 1200 ℃의 범위의 온도에서 시드를 유지하는 단계를 포함한다.Preferably, the chemical vapor deposition conditions comprise maintaining the seed at a temperature in the range of from 750 to 1200 &lt; 0 &gt; C.

바람직하게는, 화학증착 조건은 120 내지 160 mbar의 범위의 압력에서 시드를 유지하는 단계를 포함한다.Preferably, the chemical vapor deposition conditions comprise maintaining the seed at a pressure in the range of 120 to 160 mbar.

바람직하게는, 탄소-함유 기체는 메탄을 포함한다.Preferably, the carbon-containing gas comprises methane.

바람직하게는, 반응 기체는 또한 수소를 포함한다.Preferably, the reactive gas also comprises hydrogen.

바람직하게는, 화학증착은 마이크로파 플라즈마의 존재 하에서 발생되고, 반응 기체 중의 수소에 의해 발생된다.Preferably, the chemical vapor deposition occurs in the presence of a microwave plasma and is generated by hydrogen in the reaction gas.

바람직하게는, 반응 기체는 다음의 상대적인 양을 갖는다: 메탄 20-80 sccm(표준 입방 센티미터/분), 수소 300-800 sccm, 질소 0.0005 - 0.2 sccm, 디보란 0.0001 - 0.01 sccm, 산소 1-10 sccm. 본 발명은 또한 본 발명의 방법에 따라 형성된 보석 품질의 단결정 다이아몬드를 제공한다. Preferably, the reactive gas has the following relative amounts: methane 20-80 sccm (standard cubic centimeter per minute), hydrogen 300-800 sccm, nitrogen 0.0005-0.2 sccm, diborane 0.0001-0.01 sccm, oxygen 1-10 sccm. The present invention also provides gem-quality single crystal diamond formed according to the method of the present invention.

바람직하게는, 본 방법은 보석 품질 다이아몬드를 제조하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the method is characterized by producing a gem quality diamond.

바람직하게는 시드는 (100) 결정 배향으로 배향되어야 한다.Preferably the seed should be oriented in the (100) crystal orientation.

시드 상에서 2 mm의 두께까지 성장한 다이아몬드는 (100) 결정 배향으로 정확하게 배향되지 않고, 배향을 상실하며, 다른 결정 배향이 또한 존재한다.Diamonds grown to a thickness of 2 mm on the seed are not precisely oriented in the (100) crystal orientation, lose orientation, and other crystal orientations are also present.

우리는 2 mm를 초과하는 두께까지 성장한 다이아몬드의 결정 배향을 확인하여, 다른 결정 배향도 소량으로 존재할 수 있음을 발견하였다. 도 10은 (a) CVD 및 (b) 상용 HPHT 단결정 다이아몬드의 배향 매핑(mapping) 이미지 및 (c) 색좌표를 도시한다.We have found that the crystal orientation of the diamond grown to a thickness exceeding 2 mm is confirmed, and that other crystal orientations can also be present in small amounts. Figure 10 shows an orientation mapping image of (a) CVD and (b) commercial HPHT single crystal diamond and (c) color coordinates.

도 11은 (a) CVD 및 (b) HPHT 단결정 다이아몬드의 EBSD (100) 역극도(inverse pole figure)를 도시한다. 이들 도는 다른 배향을 포함한 작은 영역이 또한 존재함을 명확하게 보여준다.Figure 11 shows an EBSD (100) inverse pole figure of (a) CVD and (b) HPHT single crystal diamond. These figures also clearly show that there is also a small area containing other orientations.

그러나, 0.5 mm의 최초의 층은 (100) 결정학적 배향이고, 다른 배향은 존재하지 않는다. 다이아몬드 결정이 성장함에 따라, 작은 배향의 결정립도 또한 형성되므로 이 배향은 상실된다.However, the first layer of 0.5 mm is a (100) crystallographic orientation, and no other orientation is present. As the diamond crystal grows, a small orientation of crystal grains is also formed and this orientation is lost.

다른 양태에서, 단결정 다이아몬드가 제공된다. 이 단결정 다이아몬드는, In another aspect, a single crystal diamond is provided. This single crystal diamond,

514.5 nm 레이저의 레일리(Rayleigh) 폭을 고려한 후에 보정된 반치전폭(FWHM)을 포함하고,Lt; RTI ID = 0.0 &gt; (FWHM) &lt; / RTI &gt; after considering the Rayleigh width of the 514.5 nm laser,

b) 다이아몬드의 품질에 따라 음으로 대전된 실리콘 공공 결함의 존재 또는 부재를 나타내고,b) the presence or absence of a negatively charged silicon void defect depending on the quality of the diamond,

c) 흡수 계수가 270 nm일 때, 중성의 치환형 질소[Ns 0]의 특정 값의 농도 수준을 나타내고,c) represents the concentration level of a specific value of neutral substituted nitrogen [N s 0 ] when the absorption coefficient is 270 nm,

d) 파장이 10.6 μm일 때, 특정 값의 FTIR 투과율을 나타내고,d) a FTIR transmittance of a specific value when the wavelength is 10.6 μm,

피크 높이가 1332.5 cm-1일 때, 양으로 대전된 치환형 질소[Ns +]의 특정 값의 농도를 나타내고,Represents the concentration of a specific value of positively charged substituted nitrogen [N s + ] when the peak height is 1332.5 cm -1 ,

f) 파장이 3123 cm-1일 때, 질소-공공-수소 결함(NVH0) 종의 부재를 나타내고,f) the absence of a nitrogen-vacancy-hydrogen defect (NVH 0 ) species when the wavelength is 3123 cm -1 ,

g) 514.5 nm 레이저 여기를 사용하여 1차 라만 피크가 552.37 nm일 때, 스펙트럼의 정규화를 나타내고,g) normalization of the spectrum when the primary Raman peak is 552.37 nm using 514.5 nm laser excitation,

h) 흑색 섹터 또는 백색 섹터를 나타내고, 굴절률(n)을 갖고, 여기서 n = R/t이고, 여기서 R = 지연(retardation)이고, t는 다이아몬드 플레이트의 두께이고,h) represents a black sector or white sector and has a refractive index n, where n = R / t, where R = retardation, t is the thickness of the diamond plate,

i) 상기 다이아몬드가 어두운 환경에서 실온에서 355 nm 레이저 조사 하에 놓여 있을 때 적색 광채 및 청색 광채를 나타낸다.i) exhibit red and blue brilliance when the diamond is placed under 355 nm laser irradiation at room temperature in a dark environment.

일부의 실시형태에서: i) 단결정 다이아몬드는 3 X 3 X 2.16 mm3의 치수를 가지며; ii) 단결정 다이아몬드는, 다이아몬드의 1차 라만 모드가 1333.27 cm-1에 집중되어 있을 때, 1.11 cm-1의 보정된 반치전폭(FWHM)을 나타내며, iii) 단결정 다이아몬드는 738 nm에서 음으로 대전된 실리콘 공공 결함(SiV - )의 존재를 나타내며; iv) 단결정 다이아몬드는, 흡수 계수가 270 nm일 때, 0.111 ppm(111 ppb)의 중성의 치환형 질소[Ns 0]의 농도 수준을 나타내며, v) 파장이 10.6 μm일 때, 단결정 다이아몬드는 70.84%의 FTIR 투과율을 나타내며; vi) 단결정 다이아몬드는, 선형 베이스라인의 도입 후에 피크 높이가 1332.5 cm-1 μm일 때, 0.248 ppm(248 ppb)의 양으로 대전된 치환형 질소[Ns +]의 농도를 나타내며; vii) 단결정 다이아몬드는 6.4 E+4 Ωm의 저항률을 가지며; 또는 viii) i) 내지 vii)의 임의의 조합을 갖는다.In some embodiments: i) the single crystal diamond has a dimension of 3 X 3 X 2.16 mm 3 ; ii) Monocrystalline diamond represents a corrected FWHM (FWHM) of 1.11 cm -1 when the primary Raman mode of the diamond is concentrated at 1333.27 cm -1 ; iii) Monocrystalline diamond has a negatively charged It indicates the presence of a silicon-public defect (SiV); iv) Monocrystalline diamond indicates the concentration level of neutral substituted nitrogen [N s 0 ] of 0.111 ppm (111 ppb) when the absorption coefficient is 270 nm; v) When the wavelength is 10.6 μm, the single crystal diamond is 70.84 % FTIR transmittance; vi) Monocrystalline diamond represents the concentration of substituted nitrogen [N s + ] in an amount of 0.248 ppm (248 ppb) when the peak height is 1332.5 cm -1 μm after introduction of the linear baseline; vii) the single crystal diamond has a resistivity of 6.4 E + 4? m; Or viii) any combination of i) to vii).

일부의 실시형태에서: i) 단결정 다이아몬드는 3 X 3 X 0.64 mm3의 치수를 가지며; ii) 단결정 다이아몬드는, 다이아몬드의 1차 라만 모드가 1332.14 cm-1에 집중되어 있을 때, 1.13 cm-1의 보정된 반치전폭(FWHM)을 나타내며, iii) 단결정 다이아몬드는 738 nm에서 음으로 대전된 실리콘 공공 결함(SiV - )의 존재를 나타내지 않으며; iv) 단결정 다이아몬드는, 흡수 계수가 270 nm일 때, 0.0684 ppm(68.4 ppb)의 중성의 치환형 질소[Ns 0]의 농도 수준을 나타내며, v) 파장이 10.6 μm일 때, 단결정 다이아몬드는 71.4%의 FTIR 투과율을 나타내며; vi) 단결정 다이아몬드는, 선형 베이스라인의 도입 후에 피크 높이가 1332.5 cm-1일 때, 0.138 ppm(138 ppb)의 양으로 대전된 치환형 질소[Ns +]의 농도를 나타내며; vii) 단결정 다이아몬드는 1.2 E+15 Ωm의 저항률을 가지며; 또는 viii) i) 내지 vii)의 임의의 조합을 갖는다.In some embodiments: i) the single crystal diamond has dimensions of 3 X 3 X 0.64 mm 3 ; ii) the monocrystalline diamond represents a corrected FWHM of 1.13 cm -1 when the primary Raman mode of the diamond is concentrated at 1332.14 cm -1 ; and iii) the monocrystalline diamond is negatively charged at 738 nm It does not indicate the presence of silicon-public defect (SiV); iv) Monocrystalline diamond shows the concentration level of neutral substitutional nitrogen [N s 0 ] of 0.0684 ppm (68.4 ppb) when the absorption coefficient is 270 nm, v) Monochromatic diamond is 71.4 % FTIR transmittance; vi) Monocrystalline diamond represents the concentration of substituted nitrogen [N s + ] charged in an amount of 0.138 ppm (138 ppb) when the peak height is 1332.5 cm -1 after introduction of the linear baseline; vii) the single crystal diamond has a resistivity of 1.2 E + 15 Ωm; Or viii) any combination of i) to vii).

단결정 다이아몬드의 일부의 실시형태에서, 738 nm에서 SiV - 의 제로 포노 라인(zero phono line; ZPL)은 가장 강한 피처(feature)를 형성한다. In some embodiments of the single-crystal diamond, SiV at 738 nm - phono zero line (zero line phono; ZPL) form the strongest feature (feature).

738 nm에 집중된 SiV - 의 제로 포노 라인(ZPL)이 가장 강한 피처를 형성하는 것을 포함하는 단결정 다이아몬드의 일부의 실시형태에서, 중성의 질소-공공 결함 및 음으로 대전된 질소-공공 결함(NV0/-)의 ZPL은 575 nm 및 638 nm에 각각 도시되어 있고, 약 700 nm에 집중된 넓은 형광 배경(FB)은 NV0 및 NV-의 포논 사이드 밴드(phonon side band)로 인해 존재한다. In some embodiments of the single-crystal diamond of zero it includes phono line (ZPL) form the strongest features, a neutral nitrogen-concentrated SiV a 738 nm nitrogen charged to the public defects and negative public defect (NV 0 / - ) are shown at 575 nm and 638 nm, respectively, and a broad fluorescent background (FB) centered at about 700 nm is present due to the phonon side band of NV 0 and NV - .

단결정 다이아몬드의 일부의 실시형태에서, 단결정 다이아몬드는 0.01 캐럿을 초과하는 중량을 가지므로, 이 단결정 다이아몬드는 보석 다이아몬드이다. In some embodiments of single crystal diamond, the single crystal diamond is a gem diamond because it has a weight of more than 0.01 carats.

본 특허 또는 특허출원 파일에는 컬러로 작성된 하나 이상의 도면이 포함되어 있다. 컬러 도면(들)을 구비한 이 특허 또는 특허출원 공개의 사본은 신청하고 필요한 수수료를 지불하면 특허청이 제공할 것이다.This patent or patent application file contains one or more drawings made in color. A copy of this patent or patent application publication with color drawing (s) will be provided by the Patent Office upon application and payment of the required fee.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 단지 예시로서 본 발명의 실시형태를 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described by way of example only with reference to the accompanying drawings.

도 1은 0.0002 내지 0.002 %의 범위로 CVD 기체 중의 질소를 사용하는 CVD 공정으로 증착된 다이아몬드의 푸리에 변환 적외선(FTIR) 스펙트럼이다. 혼합물 중의 디보란 유량은 0.0001 - 0.0005 %로 유지된다. 500 - 1500 cm¹에서 B-N 밴드 및 N 관련 피크가 없음에 유의해야 한다.
도 2는 디보란이 0.0008 내지 0.001 %인 상태에서 0.005 내지 0.02 %의 범위로 CVD 기체 중의 질소를 사용하는 CVD 공정으로 증착된 다이아몬드의 FTIR 스펙트럼이다.
도 3은 0.0001 내지 0.02 체적%의 범위로 CVD 기체 중의 질소를 사용하는 본 발명에 따른 CVD 공정으로 증착된 다이아몬드의 포토루미네슨스 스펙트럼이며, 혼합물 중의 디보란 유량은 0.00005 내지 0.0005 %로 유지된다. 0.007 sccm(0.0012 체적%)의 최저 유량에 대해 575 nm에서의 피크는 질소 센터(center)에 대응한다. 이것은 본 발명에 따라 제조된 샘플은 질소가 없고, 실질적으로 더 적은 질소 센터 결함을 갖는다는 것을 보여준다. 경함의 농도는 질소 유량이 체적%로 증가함에 따라 증가한다.
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따라 0.02 % 질소 및 0.001 % 디보란을 포함하는 CVD 공정으로 성장된 다이아몬드의 고배율에서의 광학 현미경 이미지이며, 다이아몬드의 단계식 성장을 보여준다.
도 4에서 다이아몬드의 샘플의 이미지는 CVD 기체의 유량 중의 0.03 %의 질소의 유량으로 성장되었다. 성장하는 결정 내의 스텝이 분명하다. 이 스텝은 본 발명에 따라 다이아몬드가 성장하는 선이다.
도 5는 본 발명에 따라 0.02 % 질소 및 0.001 % 디보란을 포함하는 CVD 공정으로 성장된 다이아몬드의 고배율에서의 광학 현미경 이미지이며, 다이아몬드의 단계식 성장을 보여준다. 단계식 성장은 명확하게 볼 수 있다. 그러나, 스텝은 분명한 직선이 아니며, 불균일하고 결함을 갖는다.
도 6는 본 발명에 따라 0.02 % 질소 및 0.001 % 디보란을 포함하는 CVD 공정으로 성장된 다이아몬드의 고배율에서의 광학 현미경 이미지이며, 다이아몬드의 단계식 성장을 보여준다.
도 7 및 도 8은 각각 0.0001 % 및 0.0002 %의 디보란과 함께 0.0005 체적% 및 0.0008 체적%의 양으로 CVD 기체 중의 질소를 사용하는 CVD 공정으로 증착된 다이아몬드의 광학 현미경사진이다. 이 광학 현미경사진은 또한 다이아몬드의 성장의 단계식 성장 메커니즘을 보여준다. 질소는 본 발명에 의해 특정된 것보다 적은 양으로 사용되며, 샘플 내에 흑연(흑색) 개재물을 발생시킨다.
도 9는 본 발명에 따라 0.0012 체적%의 양으로 CVD 기체 중의 질소를 사용하는 CVD 공정으로 증착된 다이아몬드의 광학 현미경사진이다. 이것은 흑색의 흑연 개재물이 없는, 그리고 균일하게 이격된 스텝을 가진 깨끗한 성장을 보여준다.
도 10은 (a) CVD 및 (b) 상용 HPHT 단결정 다이아몬드의 배향 매핑 이미지 및 (c) 색좌표를 보여준다.
도 11은 (a) CVD 및 (b) HPHT 단결정 다이아몬드의 EBSD (100) 역극도(inverse pole figure)를 도시한다.
도 12는 본 발명의 2 개의 실시형태에 따라 S1 및 S2의 각각에 대해 1332.27cm-1 및 1332.14cm-1에 집중된 다이아몬드의 1차 라만 모드의 플롯을 도시한다.
도 13은 본 발명의 2 개의 실시형태에 따라 산란 및 반사 손실에 대해 보정되지 않은 UV-Vis 투과 스펙트럼을 도시한다.
도 14는 본 발명의 2 개의 실시형태에 따라 800nm에서 0으로의 흡수 계수를 조정한 후에 도 13과 동일한 스펙트럼 범위에서의 흡수 계수의 플롯을 도시한다.
도 15는 본 발명의 2 개의 실시형태에 따라 산란 및 반사 손실에 대해 보정되지 않은 4 cm-1의 분해능에서의 FTIR 투과율을 도시한다.
도 16은 본 발명의 2 개의 실시형태에 따라 도 15와 동일한 스펙트럼 범위에서의 흡수 계수를 도시한다.
도 17은 본 발명의 2 개의 실시형태에 따라 3500 내지 2500cm-1의 흡수 계수를 도시한다.
도 18은 본 발명의 2 개의 실시형태에 따라 514.5 nm 레이저 여기를 사용하는 실온 라만/포토루미네슨스 스펙트럼을 도시한다.
도 19는 다양한 형광 피처의 강도를 기재한 표를 보여준다.
도 20은 교차 편광된 투과 이미지(백색광) 및 글레이저(Glazer)의 작업 후에 당사의 설정을 이용하여 측정된 대응하는 지연 맵(retardation map)을 도시한다.
도 21은 본 발명의 2 개의 실시형태에 따라 컬러 스케일로부터 최대 지연 값을 사용하여 흑색 섹터 및 백색 섹터에 대해 도출된 최대 Δ를 보여주는 표이다.
도 22는 암실 내에서 실온에서 355 nm 레이저 조사 하의 샘플을 보여준다.
도 23은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 단결정 다이아몬드의 저항률을 보여준다.
도 24는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 단결정 다이아몬드의 저항률을 보여준다.
Figure 1 is a Fourier transform infrared (FTIR) spectrum of diamond deposited by a CVD process using nitrogen in CVD gases in the range of 0.0002 to 0.002%. The diborane flow rate in the mixture is maintained at 0.0001-0.0005%. It should be noted that there is no BN band and N-related peaks at 500 - 1500 cm¹.
2 is an FTIR spectrum of a diamond deposited by a CVD process using nitrogen in a CVD gas in the range of 0.005 to 0.02% in the state where diborane is 0.0008 to 0.001%.
3 is a photoluminescence spectrum of a diamond deposited by the CVD process according to the present invention using nitrogen in a CVD gas in the range of 0.0001 to 0.02% by volume; the diborane flow rate in the mixture is maintained at 0.00005 to 0.0005%. For a minimum flow rate of 0.007 sccm (0.0012% by volume), the peak at 575 nm corresponds to the nitrogen center. This shows that the sample prepared according to the present invention is nitrogen-free and has substantially fewer nitrogen center defects. The concentration of lightness increases as the nitrogen flow rate increases by volume%.
Figures 4 to 6 are optical microscope images at high magnification of diamonds grown by a CVD process comprising 0.02% nitrogen and 0.001% diborane in accordance with the present invention, showing the stepwise growth of diamond.
In Figure 4, an image of a sample of diamond was grown at a flow rate of 0.03% nitrogen in the flow rate of the CVD gas. The steps in the growing decision are clear. This step is a line in which diamond grows according to the present invention.
Figure 5 is an optical microscope image at high magnification of diamond grown by a CVD process comprising 0.02% nitrogen and 0.001% diborane in accordance with the present invention, showing the stepwise growth of diamond. Stepwise growth can be clearly seen. However, the step is not an obvious straight line, it is uneven and defective.
Figure 6 is an optical microscope image at high magnification of diamond grown by a CVD process comprising 0.02% nitrogen and 0.001% diborane in accordance with the present invention, showing the stepwise growth of diamond.
Figures 7 and 8 are optical micrographs of diamonds deposited by a CVD process using nitrogen in CVD gases in amounts of 0.0005% by volume and 0.0008% by volume, respectively, with 0.0001% and 0.0002% diborane. This optical micrograph also shows the stepwise growth mechanism of diamond growth. Nitrogen is used in an amount less than that specified by the present invention and generates graphite (black) inclusions in the sample.
9 is an optical micrograph of a diamond deposited by a CVD process using nitrogen in a CVD gas in an amount of 0.0012% by volume in accordance with the present invention. This shows a clean growth with black graphite inclusions and uniformly spaced steps.
Figure 10 shows (a) an orientation-mapping image of CVD and (b) commercial HPHT single crystal diamond and (c) color coordinates.
Figure 11 shows an EBSD (100) inverse pole figure of (a) CVD and (b) HPHT single crystal diamond.
Figure 12 shows a plot of the first Raman mode of diamond concentrated on 1332.27cm 1332.14cm -1 and -1 for each of S1 and S2 in accordance with two embodiments of the present invention.
Figure 13 shows a UV-Vis transmission spectrum that is uncorrected for scattering and return loss according to two embodiments of the present invention.
Figure 14 shows a plot of the absorption coefficient in the same spectral range as Figure 13 after adjusting the absorption coefficient from 800 nm to 0 according to two embodiments of the present invention.
15 shows the FTIR transmission at a resolution of 4 cm &lt; -1 &gt; that is not corrected for scatter and return losses according to two embodiments of the present invention.
Figure 16 shows absorption coefficients in the same spectral range as Figure 15 according to two embodiments of the present invention.
Figure 17 shows the absorption coefficient at 3500 to 2500 cm &lt;&quot; 1 &gt; according to two embodiments of the present invention.
Figure 18 shows a room temperature Raman / photoluminescence spectrum using a 514.5 nm laser excitation according to two embodiments of the present invention.
Figure 19 shows a table listing the intensities of various fluorescent features.
Figure 20 shows a corresponding retardation map measured using our settings after cross-polarized transmission image (white light) and after operation of the Glazer.
21 is a table showing the maximum Δ derived for a black sector and a white sector using a maximum delay value from a color scale in accordance with two embodiments of the present invention.
Figure 22 shows a sample under 355 nm laser irradiation at room temperature in a dark room.
23 shows the resistivity of the single crystal diamond according to the first embodiment of the present invention.
Fig. 24 shows the resistivity of the single crystal diamond according to the second embodiment of the present invention.

다음은 원용에 의해 본원에 포함된다: 2008년 6월 18일에 출원된 싱가포르 특허 출원 번호 200804637-7, 2009년 6월 18일에 출원된 PCT 특허 출원 번호 PCT/SG2009/000218, 2010년 9월 16일에 출원된 미국 특허 출원 번호 12/933,059, 2015년 3월 9일에 출원된 미국 일부계속출원 번호 14/642,422. The following are incorporated herein by reference: Singapore Patent Application No. 200804637-7 filed on June 18, 2008, PCT Patent Application No. PCT / SG2009 / 000218, filed June 18, 2009, September 2010 U. S. Patent Application Serial No. 12 / 933,059, filed on March 16, U.S. Serial No. 14 / 642,422, filed March 9, 2015;

본 발명에 따른 단결정 다이아몬드를 성장시키는 방법은 마이크로파 플라즈마를 사용하는 CVD 공정을 포함한다.A method for growing a single crystal diamond according to the present invention includes a CVD process using a microwave plasma.

다이아몬드는 3 x 3mm 내지 5 x 5mm의 크기를 가질 수 있는 다이아몬드 시드를 포함하는 기재 상에서 성장된다. 본 방법은 마이크로파 플라즈마 체임버 내에서 수행된다. 체임버의 크기에 따라, 본 발명의 단일 실행 중에 다이아몬드를 성장시키는데 다수의 시드가 사용될 수 있다.The diamond is grown on a substrate comprising a diamond seed which may have a size of 3 x 3 mm to 5 x 5 mm. The method is performed in a microwave plasma chamber. Depending on the size of the chamber, a number of seeds may be used to grow the diamond during a single run of the present invention.

시드의 결정학적 배향이 결정되고, (100) 이외의 배향을 갖는 시드는 배제된다. (100)의 배향을 갖는 시드는 CVD 공정에 대비하여 마이크론 정도의 거칠기를 갖는 광학 마무리로 연마된다. The crystallographic orientation of the seed is determined, and seeds having an orientation other than (100) are excluded. The seed having the orientation of the substrate 100 is polished with an optical finish having a roughness of the order of microns for the CVD process.

일단 시드가 체임버 내에 위치되면, 체임버 내부의 온도는 주위 온도로부터 750 내지 1200 ℃의 범위의 온도까지 상승되고, 체임버 내부의 압력은 120 내지 160 mbar의 범위 압력까지 감소된다.Once the seed is placed in the chamber, the temperature inside the chamber is raised from ambient to a temperature in the range of from 750 to 1200 ° C, and the pressure inside the chamber is reduced to a pressure in the range of 120 to 160 mbar.

체임버에는 다이아몬드를 성장시키기 위한 기체가 공급되며, 이 기체는 메탄(CH4), 수소(H2), 질소(N2), 및 헬륨(He)을 포함하며, 30 l/시간의 기체 유량으로 체임버를 통과한다. 그러나, 질소 기체는 디보란, 산소, 수소 및 헬륨과 함께 체임버에 전달될 수 있다.The chamber is supplied with a gas for growth of diamond which contains methane (CH 4 ), hydrogen (H 2 ), nitrogen (N 2 ), and helium (He) Through the chamber. However, nitrogen gas can be delivered to the chamber along with diborane, oxygen, hydrogen and helium.

질소 및 디보란 기체는 다이아몬드를 성장시키기 위한 기체의 0.0001 내지 0.02 체적%를 포함하는 양으로 공급된다.Nitrogen and diborane gas are supplied in an amount that includes 0.0001 to 0.02% by volume of the gas for growing the diamond.

플라즈마가 체임버 내의 기체로부터 생성되도록 시드를 둘러싸는 전기장이 인가된다. 이 전기장은 6000 와트 및 2.45 Ghz에서 동작하는 마그네트론에 의해 생성된다. 생성된 전기장에 의해 수소 기체는 이온화되어 다이아몬드 시드의 부근에 플라즈마를 형성한다. 이러한 공정 조건 하에서, 다이아몬드 시드 상에서 다이아몬드가 성장되게 된다.An electric field surrounding the seed is applied so that a plasma is generated from the gas in the chamber. This electric field is generated by a magnetron operating at 6000 watts and 2.45 Ghz. The generated electric field ionizes the hydrogen gas to form a plasma in the vicinity of the diamond seed. Under these process conditions, the diamond is grown on the diamond seed.

다이아몬드의 성장 패턴은, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 단계식(step-wise)이므로 실질적으로 결함 및 불순물이 없는 다이아몬드가 성장될 수 있다.The growth pattern of the diamond is step-wise as shown in Figs. 3 to 5, so that diamond having substantially no defects and impurities can be grown.

비교를 위해, 질소의 공급이 공급된 기체의 0.005 내지 0.02 체적%를 포함하도록, 즉 질소가 본 발명에 따라 공급되는 질소의 양의 10 배 이상을 포함하도록 변경된 상태에서 동일한 공정 조건이 사용되었다. For comparison, the same process conditions were used with the feed of nitrogen varied from 0.005 to 0.02% by volume of the feed gas, i. E. Nitrogen was changed to contain at least 10 times the amount of nitrogen supplied according to the invention.

샘플 내의 질소와 붕소의 농도 및 결합을 결정하기 위해 샘플의 FTIR 분석이 사용된다. 본 발명에 따라 성장된 샘플 및 변경된 질속 공급에 따라 성장된 샘플의 FTIR 스펙트럼이 각각 도 1 및 도 2에 도시되어 있다.FTIR analysis of the sample is used to determine the concentration and binding of nitrogen and boron in the sample. The FTIR spectra of the samples grown according to the present invention and the samples grown according to the modified boiling feed are shown in Figures 1 and 2, respectively.

본 발명에 따라 성장된 다이아몬드의 FTIR 스펙트럼(도 1)은 2 개의 포논 영역에서 1978 cm-1, 2026 cm-1 및 2160 cm-1에서 지배적인 C-C 모드를 보여준다. 그러나 흥미로운 결과는 이들 샘플의 FTIR 스펙트럼에서 질소 관련 밴드가 관찰되지 않는다는 것이다.The FTIR spectrum of the diamond grown according to the present invention (Fig. 1) shows the dominant CC mode at 1978 cm -1 , 2026 cm -1 and 2160 cm -1 in the two phonon regions. An interesting result, however, is that no nitrogen-related bands are observed in the FTIR spectra of these samples.

0.005 내지 0.02 % 범위의 질소 및 0.0008 내지 0.001 %의 디보란으로 성장된 샘플의 FTIR 스펙트럼(도 2)은 일부의 전형적인 질소 센터와 함께 샘플 내의 붕소-질소 센터의 명확하고 강력한 식별특성을 보여준다. 특히, 붕소-질소 센터와 관련된 현저한 밴드가 1370 cm-1에서 분명하다. 1210 및 1280 cm¹에서의 밴드는 1978 cm-1, 2026 cm-1 및 2160 cm-1에서의 C-C 밴드와 함께 질소 센터에 속할 수 있다. 이 다이아몬드 샘플 내의 질소 센터는 아래에서 상술되는 많은 구성으로 존재할 수 있다.The FTIR spectrum (FIG. 2) of a sample grown with nitrogen ranging from 0.005 to 0.02% and 0.0008 to 0.001% diborane (FIG. 2) shows a clear and robust discrimination characteristic of the boron-nitrogen centers in the sample with some typical nitrogen centers. In particular, the significant band associated with the boron-nitrogen center is evident at 1370 cm -1 . The bands at 1210 and 1280 cm &lt;&quot; 1 &gt; can belong to the nitrogen center with the CC bands at 1978 cm -1 , 2026 cm -1 and 2160 cm -1 . The nitrogen center in this diamond sample can exist in a number of configurations as described below.

- 단일 원자 치환:- single atom substitution:

Figure pct00001
Figure pct00001

FTIR 스펙트럼의 특성 피크는 1130 및 1350 cm-1에 존재하고, EPR은 이 센터에 대해 2.0024의 "g" 값을 부여한다. 이 센터는 0.005 내지 0.02 %의 범위의 질소로 성장된 샘플에서 약 1100 cm¹의 샘플에서 약한 식별특성으로 나타난다.The characteristic peaks of the FTIR spectrum are at 1130 and 1350 cm -1 , and the EPR gives a "g" value of 2.0024 for this center. The center exhibits weak discrimination characteristics in samples of approximately 1100 cm &lt;&quot; 1 &gt; in samples grown with nitrogen ranging from 0.005 to 0.02%.

- "A" 응집체:- "A" Aggregate:

Figure pct00002
Figure pct00002

480-490 cm-1 및 1282 cm-1은 FTIR에서 A-응집체의 특성 피크이다. 이러한 피크는 본 발명보다 훨씬 더 큰 질소의 농도로 제조된 샘플에 대한 도 2에서 명백하다. A 응집체는 또한 본 실시례의 경우에 기재로서 사용된 천연 다이아몬드 샘플 내에도 큰 농도로 존재한다.480-490 cm -1 and 1282 cm -1 are characteristic peaks of the A-aggregate in FTIR. This peak is evident in FIG. 2 for samples made with a much higher concentration of nitrogen than the present invention. A agglomerates are also present in large concentrations in the natural diamond samples used as substrates in this example case.

- "B" 응집체:- "B" aggregate:

Figure pct00003
Figure pct00003

다이아몬드 내의 B-응집체는 탄소 원자와 쌍을 이루는 4/8 개의 질소 원자로 구성되는 것으로 생각된다. 이러한 피크는 대부분 천연 다이아몬드에서 분명하고, 본 발명의 샘플에는 존재하지 않을 수 있다. The B-aggregates in the diamond are thought to consist of 4/8 nitrogen atoms paired with carbon atoms. These peaks are mostly evident in natural diamonds and may not be present in the samples of the present invention.

- N3 센터:- N3 Center:

Figure pct00004
Figure pct00004

N3 센터는 FTIR에 활성화되지 않으므로 도 1 및 도 2에 나타나지 않는다. 그러나, N3 센터는 포토루미네슨스(PL) and UV 분광법에서 415 nm에서 날카로운 밴드를 나타낸다. 이 센터는 공공(V)를 둘러싼 3 개의 질소 원자로 구성된다.The N3 center is not activated in the FTIR and therefore is not shown in Figures 1 and 2. However, the N3 center exhibits a sharp band at 415 nm in photoluminescence (PL) and UV spectroscopy. The center consists of three nitrogen atoms surrounding the vacancy (V).

- 플레이트리트(platelet):- Platelet:

플레이트리트는 다이아몬드 격자 내에 삽입된 하나 또는 두 개의 추가 원자 층으로 구성된다. 다이아몬드 격자 내에서 플레이트리트의 세부적인 성질은 아직 분석 중에 있다. 그러나, 상당량의 질소를 함유한 다이아몬드 내에서만 대응하는 IR 밴드가 관찰된다는 사실은 플레이트리트가 질소를 함유하고, 아마도 질소의 일부 또는 전부로 구성되어 있음을 시사한다. 플레이트리트 피크의 위치는 샘플마다 1354-1384 cm-1로 다양하다. 이러한 위치의 변화는 플레이트리트가 A-응집체 및 B-응집체 결함에 의해 결정 내에 유도되는 변형에 대한 감수성에 기인된다. 플레이트리트 흡수의 존재는 A-응집체가 확산되기 시작하여 B-응집체를 형성함을 나타낸다. 플레이트리트 피크 위치는 플레이트리트 크기와 반비례 관계에 있다. The playtreat consists of one or two additional atomic layers inserted into the diamond grating. The detailed nature of the playtreat in the diamond lattice is still under analysis. However, the fact that a corresponding IR band is observed only in diamonds containing significant amounts of nitrogen suggests that the playtreat contains nitrogen, possibly consisting of some or all of the nitrogen. The position of the playtreat peak varies from 1354 to 1384 cm -1 per sample. This change in location is due to susceptibility to deformation in which the playtite is induced in the crystal by the A-aggregate and B-aggregate defects. The presence of playtreat absorption indicates that the A-aggregates begin to diffuse and form B-aggregates. The peak position of the playtreat is inversely related to the size of the playtreat.

절술한 결과로부터 우리는 0.005 내지 0.02 %의 범위의 질소 유량으로 성장된 샘플에서 질소가 단일 치환 형태 및 저농도의 A-응집체의 형태로 존재한다는 결론을 내릴 수 있다.From the outlined results, we can conclude that nitrogen is present in the form of a monosubstituted form and a low concentration of A-aggregates in the sample grown at a nitrogen flow rate ranging from 0.005 to 0.02%.

0.0002 내지 0.002 체적%의 질소 기체 유량 및 0.00002 내지 0.0005 %의 디보란 유량으로 제조된 샘플에 대해 포토루미네슨스 분광법을 수행하였다. 이 분광법 결과는 도 3에 도시되어 있으며, 질소의 N-V 및 (N-V)- 센터에 대응하는 639 nm(1.94 eV) 및 575 nm(2.14 eV)에서 피크를 보여준다. 따라서, 본 발명에 따라 제조된 샘플은 질소가 없지는 않지만, 야마자키에 따라 CVD 기체 중의 비교적 고농도의 질소를 사용하는 결과보다 실질적으로 질소 센서 결함이 적다. 붕소는 질소를 보상하여 다이아몬드 단결정의 광학적 투명도 및 순도를 향상시킬 수 있으므로 PL 스펙트럼에서 볼 수 없다.Photoluminescence spectroscopy was performed on samples prepared with a nitrogen gas flow rate of 0.0002 to 0.002% by volume and a diborane flow rate of 0.00002 to 0.0005%. The results of this spectroscopy are shown in FIG. 3 and show peaks at 639 nm (1.94 eV) and 575 nm (2.14 eV) corresponding to NV and (NV) - centers of nitrogen. Thus, the sample produced according to the present invention is nitrogen-free, but substantially less nitrogen sensor defects than results from using relatively high concentrations of nitrogen in CVD gases, according to Yamazaki. Boron can not be seen in the PL spectrum because it can compensate nitrogen and improve the optical transparency and purity of the diamond single crystal.

본 발명에 따른 범위의 질소 농도에서 성장된 샘플의 광학 현미경 이미지를 도 4 및 도 5의 이미지로 도시하였다. 이 이미지는 500-5000의 배율의 범위로 취해진 것이며, 다이아몬드의 단계식 성장은 이 이미지에 도시된 다이아몬드의 표면으로부터 분명하다.An optical microscope image of a sample grown at a nitrogen concentration in the range according to the present invention is shown in the images of FIGS. 4 and 5. This image is taken in the range of 500-5000 magnification, and the stepwise growth of the diamond is evident from the surface of the diamond shown in this image.

도 4는 CVD 기체의 유량 중의 0.03 %의 질소 유량으로 성장된 다이아몬드의 샘플의 이미지이다. 성장하는 결정의 스텝이 도 4에서 분명하다. 이 스텝은 본 발명에 따라 다이아몬드가 성장하는 선이다. 동 샘플의 표면 형태는 고밀도의 성장 스텝이 명백한 도 5 및 도 6에서 분명하다. Figure 4 is an image of a sample of diamond grown at a nitrogen flow rate of 0.03% in the flow rate of CVD gas. The steps of the growing crystal are evident in Fig. This step is a line in which diamond grows according to the present invention. The surface morphology of the sample is evident in Figures 5 and 6, where high density growth steps are apparent.

본 발명에 따른 질소 유량으로 성장된 샘플의 표면 상의 고밀도의 성장 스텝은 또한 도 6에서 명백하다. 이러한 성장 스텝은 다수의 재료의 결정 성장 공정에서 관찰되는 나선 전위로 인해 존재하며, 본 발명의 시스템에 따른 다이아몬드가 전위 및 단계식 성장 메커니즘의 도움으로 성장한다는 분명한 식별특성이다.The dense growth step on the surface of the sample grown at the nitrogen flow rate according to the invention is also evident in Fig. This growth step is due to the spiral potential observed in the crystal growth process of many materials and is a distinct identification characteristic that the diamond according to the system of the present invention grows with the help of dislocation and stepwise growth mechanism.

CVD 기체 중의 비교적 소량의 질소를 선택하면 다이아몬드의 순도 및 품질이 확실하게 유지된다. 비교적 소량의 질소의 선택은 또한 다이아몬드의 층이 스텝에 의해 형성된 프론트로서 성장하는 에지를 갖는 단계식으로 다이아몬드의 성장을 유발한다. 단계식 성장의 발생은 도 4 내지 도 6에서 분명하다.Choosing a relatively small amount of nitrogen in the CVD gas ensures the purity and quality of the diamond. The selection of a relatively small amount of nitrogen also leads to the growth of the diamond in a stepwise fashion with the edge of the diamond growing as a front formed by the step. The occurrence of stepwise growth is evident in Figs. 4-6.

0.001 체적% 미만의 질소가 CVD 기체 중에 존재하는 상황에서, 다이아몬드는 다이아몬드의 특성에 유해한 영향을 주는 흑연 개재물과 함께 성장한다.In the situation where less than 0.001% by volume of nitrogen is present in the CVD gas, the diamond grows with graphite inclusions, which adversely affect the properties of the diamond.

예를 들면, 도 7 및 도 8은 디보란 없이 0.0005 체적% 내지 0.0008 체적%의 질소를 사용하는 CVD 성장형 다이아몬드 내의 흑연(어두운) 개재물을 도시한다. 도 7 및 도 8의 각각에서, 다이아몬드의 층 내의 스텝은 불규칙적이고, 흑연 개재물을 원인으로 하는 것으로 생각되는 결함을 갖는다.For example, Figures 7 and 8 illustrate graphite (dark) inclusions in CVD grown diamond using 0.0005 to 0.0008% by volume nitrogen with no diborane. In each of Figures 7 and 8, the steps in the layer of diamond are irregular and have defects which are thought to be due to graphite inclusions.

대조적으로, 본 발명에 따라 0.0012 체적%의 질소 및 0.0008%의 디보란 유량을 포함하는 기체 중에서 성장된 CVD 다이아몬드는 규칙적인 등거리 스텝을 포함하며, 도 9에 도시된 바와 같이 흑연 개재물이 실질적으로 없다. 이러한 다이아몬드는 CVD 기체에서 디보란과 함께 0.001 체적% 이상의 질소를 포함하는 CVD 공정으로부터 유래한다고 생각된다.In contrast, CVD diamond grown in a gas containing 0.0012% by volume of nitrogen and 0.0008% of diborane flow in accordance with the present invention comprises regular equidistant steps and is substantially free of graphite inclusions as shown in Figure 9 . It is believed that these diamonds are derived from a CVD process involving at least 0.001% by volume nitrogen with diborane in the CVD gas.

특히, 질소의 이러한 임계 체적은 불순물 및 결함이 없는 스텝을 포함하는 다이아몬드를 설장시키는데 필수적인 것으로 생각된다.In particular, this critical volume of nitrogen is believed to be essential for planting diamonds containing impurities and defect free steps.

기체상에서 0.0016 체적%보다 높은 질소의 농도는 미시적 및 거시적 흑연 개재물을 초래한다. 이러한 개재물 및 결함은 형성된 다이아몬드의 특성에 악영향을 미친다.Concentrations of nitrogen above 0.0016% by volume on the gas result in microscopic and macroscopic graphite inclusions. These inclusions and defects adversely affect the properties of the diamond formed.

본 발명에서 특정되는 질소 농도 영역에서의 단계식 성장 메커니즘은 형성된 다이아몬드 내에 결함 및 개재물을 혼입하기 쉽지 않고, 그 결과 형성된 다이아몬드는 결함 및 개재물을 실질적으로 함유하지 않으므로 유리한 것으로 보인다. 이러한 형성된 다이아몬드는 보석 품질이고, CVD에 의해 성장된 다른 다이아몬드의 형태에 비해 우수한 전기적, 광학적 및 기계적 특성 및 천연 다이아몬드의 특성에 접근하는 특성을 갖는다. The stepwise growth mechanism in the nitrogen concentration region specified in the present invention is not easy to incorporate defects and inclusions in the formed diamond, and the resulting diamond appears to be advantageous because it contains substantially no defects and inclusions. These formed diamonds are gem quality and have properties that approach electrical, optical and mechanical properties and natural diamond properties superior to other diamond forms grown by CVD.

본 방법에 의해 제조된 보석 품질의 제품은 또한 단결정 다이아몬드로 공지되어 있다. The gem-quality products produced by this method are also known as single crystal diamonds.

본 발명의 일 실시형태에서, 단결정 다이아몬드(S1)는 3 X 3 X 2.16 mm3의 치수를 갖는다. 본 발명의 제 2 실시형태에서, 단결정 다이아몬드(S2)는 3 X 3 X 0.64 mm3의 치수를 갖는다. 다른 실시형태에서, 단결정 다이아몬드는 다른 적절한 치수를 가질 수 있다. In one embodiment of the present invention, the single crystal diamond S1 has a dimension of 3 X 3 X 2.16 mm 3 . In the second embodiment of the present invention, the single crystal diamond S2 has a dimension of 3 X 3 X 0.64 mm 3 . In another embodiment, the single crystal diamond may have other suitable dimensions.

본 발명의 일 양태에 따르면, 단결정 다이아몬드는 514.5 nm 레이저의 레일리 폭을 고려한 후에 보정된 반치전폭(FWHM)을 나타낸다. According to one aspect of the present invention, a single crystal diamond exhibits a corrected full width half maximum (FWHM) after considering the Rayleigh width of a 514.5 nm laser.

도 12에 도시된 바와 같이, 단결정 다이아몬드는 본 발명의 제 1 실시형태에 따라 다이아몬드의 1차 라만 모드가 1333.27 cm-1에 집중된 경우에 1.11 cm-1의 보정된 반치전폭(FWHM)을 나타낸다. As shown in FIG. 12, the monocrystalline diamond shows a corrected FWHM (FWHM) of 1.11 cm -1 when the primary Raman mode of the diamond is concentrated at 1333.27 cm -1 , according to the first embodiment of the present invention.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 단결정 다이아몬드는 다이아몬드의 1차 라만 모드가 1332.14 cm-1에 집중되어 있는 경우에 1.13 cm-1의 보정된 반치전폭(FWHM)을 나타낸다.According to another embodiment of the present invention, a single crystal diamond exhibits a corrected FWHM (FWHM) of 1.13 cm -1 when the primary Raman mode of the diamond is concentrated at 1332.14 cm -1 .

본 발명의 일 양태에 따르면, 단결정 다이아몬드는 다이아몬드의 품질에 따라 음으로 대전된 실리콘 공공 결함(SiV - )이 존재하거나 부재한다.In accordance with one aspect of the present invention, single-crystal diamond is a silicon public defect (SiV -) negatively charged depending on the quality of the diamond to the presence or absence.

도 13에 도시된 바와 같이, 단결정 다이아몬드는 본 발명의 제 1 실시형태에 따라 738 nm에서 음으로 대전된 실리콘 공공 결함(SiV - )의 존재를 나타낸다.As shown in FIG. 13, a single crystal diamond represents the presence of a negatively charged silicon vacancy defect (SiV - ) at 738 nm in accordance with the first embodiment of the present invention.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 단결정 다이아몬드는 738 nm에서 음으로 대전된 실리콘 공공 결함(SiV - )의 존재를 나타내지 않는다. According to another embodiment of the invention, the single crystal diamond is a silicon public defect (SiV -) charged negatively at 738 nm does not show the presence of.

본 발명의 일 양태에 따르면, 단결정 다이아몬드는, 흡수 계수가 270 nm일 때, 중성의 치환형 질소[Ns 0]의 농도 수준의 특정 값을 나타낸다. According to one aspect of the present invention, a single crystal diamond exhibits a specific value of the concentration level of neutral substituted nitrogen [N s 0 ] when the absorption coefficient is 270 nm.

도 14에 도시된 바와 같이, 단결정 다이아몬드는, 흡수 계수가 본 발명의 제 1 실시형태에 따라 270 nm인 경우에, 0.111 ppm(111 ppb)의 중성의 치환형 질소[Ns 0]의 농도 수준을 나타낸다.As shown in Fig. 14, the monocrystalline diamond has a concentration level of neutral substituted nitrogen [N s 0 ] of 0.111 ppm (111 ppb) when the absorption coefficient is 270 nm according to the first embodiment of the present invention .

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 단결정 다이아몬드는, 흡수 계수가 270 nm일 때, 0.0684 ppm(68.4 ppb)의 중성의 치환형 질소[Ns 0]의 농도 수준을 나타낸다.According to another embodiment of the present invention, a single crystal diamond exhibits a concentration level of neutral substituted nitrogen [N s 0 ] of 0.0684 ppm (68.4 ppb) when the absorption coefficient is 270 nm.

본 발명의 일 양태에 따르면, 단결정 다이아몬드는, 파장이 10.6 μm일 때, 특정 값의 FTIR 투과율을 나타낸다. According to one aspect of the present invention, a single crystal diamond exhibits a specific value of FTIR transmittance when the wavelength is 10.6 mu m.

도 15에 도시된 바와 같이, 단결정 다이아몬드는, 본 발명의 제 1 실시형태에 따라, 파장이 10.6 μm일 때, 70.84%의 FTIR 투과율을 나타낸다.As shown in FIG. 15, the single crystal diamond exhibits an FTIR transmittance of 70.84% when the wavelength is 10.6 μm according to the first embodiment of the present invention.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 단결정 다이아몬드는, 파장이 10.6 μm일 때, 71.4%의 FTIR 투과율을 나타낸다.According to another embodiment of the present invention, the single crystal diamond exhibits an FTIR transmittance of 71.4% when the wavelength is 10.6 mu m.

본 발명의 일 양태에 따르면, 단결정 다이아몬드는, 피크 높이가 1332.5 cm-1일 때, 양으로 대전된 치환형 질소[Ns +]의 농도의 특정 값을 나타낸다. According to one aspect of the present invention, the single crystal diamond exhibits a specific value of the positively charged concentration of substituted nitrogen [N s + ] when the peak height is 1332.5 cm -1 .

도 16에 도시된 바와 같이, 단결정 다이아몬드는, 본 발명의 제 1 실시형태에 따라, 선형 베이스라인을 도입한 후에, 피크 높이가 1332.5 cm-1일 때, 0.248 ppm(248 ppb)의 양으로 대전된 치환형 질소[Ns +]의 농도를 나타낸다.As shown in Fig. 16, the monocrystalline diamond, according to the first embodiment of the present invention, has a peak height of 1332.5 cm &lt;&quot; 1 & And the concentration of the substituted nitrogen [N s + ].

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 단결정 다이아몬드는, 선형 베이스라인을 도입한 후에, 피크 높이가 1332.5 cm-1일 때, 0.138 ppm(138 ppb)의 양으로 대전된 치환형 질소[Ns +]의 농도를 나타낸다.According to another embodiment of the present invention, the monocrystalline diamond has a substituted nitrogen (N s + ) charged in an amount of 0.138 ppm (138 ppb) when the peak height is 1332.5 cm -1 after introduction of the linear baseline. .

도 17에 도시된 바와 같이, 단결정 다이아몬드는, 본 발명에 따라, 파장이 3123 cm-1일 때, 질소-공공-수소 결함(NVH0) 종이 존재하지 않는다.As shown in Figure 17, a single crystal diamond, according to the present invention, when a wavelength of 3123 cm -1 day, a nitrogen-paper no hydrogen defects (NVH 0) - public.

도 18에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 양태에 따르면, 단결정 다이아몬드는, 514.5 nm 레이저 여기를 사용하는 1차 라만 피크가 552.37 nm일 때, 스펙트럼의 정규화는 나타낸다. 738 nm에 집중되어 있는 SiV - 의 제로 포노 라인(ZPL)은 가장 강한 피처를 형성한다. 중성 및 음으로 대전된 질소-공공 결함(NV0/-)의 ZPL은 각각 575 nm 및 638 nm에 도시되어 있다. NV0 및 Nv-의-의 포논 사이드 밴드로 인해, 약 700 nm에 집중된 넓은 형광 배경(FB)이 존재한다.As shown in Fig. 18, according to one aspect of the present invention, a monocrystalline diamond shows the normalization of the spectrum when the primary Raman peak using 514.5 nm laser excitation is 552.37 nm. SiV which is concentrated in the 738 nm - phono zero line (ZPL) of a forms the strongest feature. ZPL of neutral and negatively charged nitrogen-vacancy defects (NV 0 / - ) are shown at 575 nm and 638 nm, respectively. 0 NV and the Nv- - due to the phonon side band, a large fluorescence background (FB) concentrated to about 700 nm is present.

도 19는 다양한 형광 피처의 강도를 기재한 표를 보여준다. Figure 19 shows a table listing the intensities of various fluorescent features.

본 발명의 일 양태에 따르면, 단결정 다이아몬드는 흑색 섹터 또는 백색 섹터(도 20 참조)를 나타내며, n = R/t인 굴절률(n)을 가지며, 여기서 R = 지연(retardation)이고, t는 다이아몬드 플레이트의 두께이다. According to one aspect of the present invention, a single crystal diamond represents a black sector or white sector (see Fig. 20), having a refractive index n of n = R / t, where R = retardation, .

도 21은 컬러 스케일로부터 최대 지연 값을 사용하여 흑색 섹터 및 백색 섹터에 대해 유도된 최대 를 보여주는 표이다. 도 20에서 적색 타원점에 의해 표시된 컬러 섹터에 대한 Δn은, 우리의 적응된 프로시저가 간섭의 차수(order)를 결정할 수 없으므로 계산되지 않는다. 그러나, 고전적인 마이클 레비 복굴절(Michel Levy Birefringence) 컬러 차트에 기초하여 백색 섹터보다 한 단계 더 높은 크기를 가정하는 것이 합리적이다.21 is a table showing the maximums derived for the black and white sectors using the maximum delay value from the color scale. In Fig. 20, [Delta] n for the color sector indicated by the red ellipse point is not calculated because our adapted procedure can not determine the order of the interference. However, based on the classic Michel Levy Birefringence color chart, it is reasonable to assume a size that is one step higher than the white sector.

도 22에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 양태에 따르면, 단결정 다이아몬드는, 다이아몬드가 어두운 환경에서 실온에서 355nm 레이저 조사 하에 놓여 있는 경우에, 적색 광채 및 청색 광채를 나타낸다. 청색 광채는 유리 샘플 홀더로부터 유래된다. As shown in Figure 22, according to one aspect of the present invention, a single crystal diamond exhibits red and blue luminosity when the diamond is placed under 355 nm laser irradiation at room temperature in a dark environment. The blue glow is derived from the glass sample holder.

도 23은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 단결정 다이아몬드의 저항률을 보여준다. 도시된 바와 같이, 단결정 다이아몬드의 저항률은 1.0E+14 Ωm 내지 1E+16 Ωm이다. 23 shows the resistivity of the single crystal diamond according to the first embodiment of the present invention. As shown, the resistivity of the single crystal diamond is 1.0E + 14? M to 1E + 16? M.

도 24는 본 발명의 다른 실시형태에 다른 단결정 다이아몬드의 저항률을 보여준다. 도시된 바와 같이, 단결정 다이아몬드의 저항률은 1.0E+14 Ωm 내지 1E+16Ωm이다.24 shows the resistivity of single crystal diamond according to another embodiment of the present invention. As shown, the resistivity of the single crystal diamond is 1.0E + 14? M to 1E + 16? M.

보석 다이아몬드는 본 절에서 논의된 바와 같이 단결정 다이아몬드로 제조될 수 있다. 보석 다이아몬드는 0.01 캐럿보다 큰 중량을 갖는다.Gem diamonds may be made of single crystal diamond as discussed in this section. Jewelry diamonds have a weight greater than 0.01 ct.

본 명세서에서 임의의 종래 기술의 언급은 이 종래의 기술이 호주 또는 임의의 다른 국가에서 공통의 일반적 지식의 일부를 형성한다는 인정 또는 임의의 형태의 암시로서 간주되지 않으면, 간주되어서는 안된다.References herein to any prior art should not be considered to be construed as an admission or any form of indication that this prior art forms part of the common general knowledge in Australia or any other country.

본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 전술한 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 많은 개조가 실시될 수 있다.Many modifications may be made to the preferred embodiments of the invention described above without departing from the spirit and scope of the invention.

본 명세서에서 사용된 용어 "포함하다" 및 그 문법적 변형어는 용어 "포함하다"와 동등하며, 다른 특징 또는 요소의 존재를 배제하는 것으로 간주되어서는 안됨을 이해할 것이다. It is to be understood that the term " comprises "and its grammatical variants as used herein are equivalent to the term " comprises ", and should not be considered to exclude the presence of other features or elements.

본 발명이 바람직한 실시형태와 관련하여 기술되었으나, 당업자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 본 바명의 원리 및 범위로부터 벗어나지 않고 개조 및 변형이 이용될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 이러한 개조는 본 발명의 범위 및 이하의 청구범위 내에서 실시될 수 있다.While the invention has been described in conjunction with the preferred embodiments, it should be understood that modifications and variations can be utilized without departing from the spirit and scope of the invention, as will be readily appreciated by those skilled in the art. Accordingly, such modifications may be made within the scope of the invention and within the scope of the following claims.

Claims (31)

단결정 다이아몬드로서,
514.5 nm 레이저의 레일리(Rayleigh) 폭을 고려한 후에 보정된 반치전폭(FWHM)을 포함하고,
상기 다이아몬드의 품질에 따라 음으로 대전된 실리콘 공공 결함의 존재 또는 부재를 나타내고,
흡수 계수가 270 nm일 때, 중성의 치환형 질소[Ns 0]의 농도 수준의 특정 값을 나타내고,
파장이 10.6 μm일 때, 특정 값의 FTIR 투과율을 나타내고,
피크 높이가 1332.5 cm-1일 때, 양으로 대전된 치환형 질소[Ns +]의 농도의 특정 값을 나타내고,
파장이 3123 cm-1일 때, 질소-공공-수소 결함(NVH0) 종의 부재를 나타내고,
514.5 nm 레이저 여기를 사용하는 1차 라만 피크가 552.37 nm일 때, 스펙트럼의 정규화(normalisation)를 나타내고,
흑색 섹터 또는 백색 섹터를 나타내고, n = R/t인 굴절률(n)을 가지며, 여기서 R = 지연(retardation)이고, t는 다이아몬드 플레이트의 두께이고,
상기 다이아몬드가 어두운 환경에서 실온에서 355 nm 레이저 조사 하에 놓여 있을 때, 적색 광채 및 청색 광채를 나타내는,
단결정 다이아몬드.
As a single crystal diamond,
Lt; RTI ID = 0.0 &gt; (FWHM) &lt; / RTI &gt; after considering the Rayleigh width of the 514.5 nm laser,
Indicates the presence or absence of negatively charged silicon vacancies depending on the quality of the diamond,
Represents a specific value of the concentration level of the neutral substituted nitrogen [N s 0 ] when the absorption coefficient is 270 nm,
When the wavelength is 10.6 [mu] m, it indicates the FTIR transmittance at a specific value,
Represents a specific value of the concentration of the positively charged substituted nitrogen [N s + ] when the peak height is 1332.5 cm -1 ,
Shows the absence of a nitrogen-vacancy-hydrogen defect (NVH 0 ) species when the wavelength is 3123 cm -1 ,
Shows the normalization of the spectrum when the primary Raman peak using 514.5 nm laser excitation is 552.37 nm,
(N) where n = R / t, where R = retardation, t is the thickness of the diamond plate,
When the diamond is placed under 355 nm laser irradiation at room temperature in a dark environment,
Monocrystalline diamond.
제 1 항에 있어서,
상기 단결정 다이아몬드는 3 X 3 X 2.16 mm3의 치수를 갖는,
단결정 다이아몬드.
The method according to claim 1,
Wherein the single crystal diamond has a dimension of 3 X 3 X 2.16 mm 3 ,
Monocrystalline diamond.
제 2 항에 있어서,
상기 단결정 다이아몬드는, 상기 다이아몬드의 1차 라만 모드가 1333.27 cm-1에 집중되어 있을 때, 1.11 cm-1의 보정된 반치전폭(FWHM)을 나타내는,
단결정 다이아몬드.
3. The method of claim 2,
The single crystal diamond, showing a half value width (FWHM) of when the first Raman mode of the diamond is focused on 1333.27 cm -1, 1.11 cm -1-corrected,
Monocrystalline diamond.
제 2 항에 있어서,
상기 단결정 다이아몬드는 738nm에서 음으로 대전된 실리콘 공공 결함(SiV - )의 존재를 나타내는,
단결정 다이아몬드.
3. The method of claim 2,
The single crystal diamond shows the presence of a negatively charged silicon vacancy defect (SiV &lt; - & gt;) at 738 nm,
Monocrystalline diamond.
제 2 항에 있어서,
상기 단결정 다이아몬드는, 흡수 계수가 270 nm일 때, 0.111 ppm(111 ppb)의 중성의 치환형 질소[Ns 0]의 농도 수준을 나타내는,
단결정 다이아몬드.
3. The method of claim 2,
The monocrystalline diamond exhibits a concentration level of neutral substituted nitrogen [N s 0 ] of 0.111 ppm (111 ppb) when the absorption coefficient is 270 nm.
Monocrystalline diamond.
제 2 항에 있어서,
상기 단결정 다이아몬드는, 상기 파장이 10.6 μm일 때, 70.84%의 FTIR 투과율을 나타내는,
단결정 다이아몬드.
3. The method of claim 2,
Wherein the single crystal diamond has an FTIR transmittance of 70.84% when the wavelength is 10.6 mu m,
Monocrystalline diamond.
제 2 항에 있어서,
상기 단결정 다이아몬드는, 선형 베이스라인을 도입한 후에 상기 피크 높이가 1332.5 cm-1 μm 일 때, 0.248 ppm(248 ppb)의 양으로 대전된 치환형 질소[Ns +]의 농도를 나타내는,
단결정 다이아몬드.
3. The method of claim 2,
Wherein said single crystal diamond exhibits a concentration of substituted nitrogen (N s + ) charged in an amount of 0.248 ppm (248 ppb) when said peak height is 1332.5 cm -1 μm after introduction of a linear baseline,
Monocrystalline diamond.
제 2 항에 있어서,
상기 단결정 다이아몬드는 1.0 E+14 Ωm 내지 1E+16 Ωm의 저항률을 갖는,
단결정 다이아몬드.
3. The method of claim 2,
Wherein the single crystal diamond has a resistivity of 1.0 E + 14? M to 1E + 16? M,
Monocrystalline diamond.
제 1 항에 있어서,
상기 단결정 다이아몬드는 3 X 3 X 0.64 mm3의 치수를 갖는,
단결정 다이아몬드.
The method according to claim 1,
Wherein the single crystal diamond has a dimension of 3 X 3 X 0.64 mm 3 ,
Monocrystalline diamond.
제 9 항에 있어서,
상기 단결정 다이아몬드는, 상기 다이아몬드의 1차 라만 모드가 1332.14 cm-1에 집중되어 있을 때, 1.13 cm-1의 보정된 반치전폭(FWHM)을 나타내는,
단결정 다이아몬드.
10. The method of claim 9,
The single crystal diamond, showing a half value width (FWHM) 1 Raman order mode of the diamond when it is concentrated in the 1332.14 cm -1, of 1.13 cm -1 correction,
Monocrystalline diamond.
제 9 항에 있어서,
상기 단결정 다이아몬드는 738nm에서 음으로 대전된 실리콘 공공 결함(SiV - )의 존재를 나타내지 않는,
단결정 다이아몬드.
10. The method of claim 9,
The single crystal diamond does not exhibit the presence of a negatively charged silicon vacancy defect (SiV &lt; - & gt;) at 738 nm,
Monocrystalline diamond.
제 9 항에 있어서,
상기 단결정 다이아몬드는, 흡수 계수가 270 nm일 때, 0.0684 ppm(68.4 ppb)의 중성의 치환형 질소[Ns 0]의 농도 수준을 나타내는,
단결정 다이아몬드.
10. The method of claim 9,
The monocrystalline diamond exhibits a concentration level of neutral substituted nitrogen [N s 0 ] of 0.0684 ppm (68.4 ppb) when the absorption coefficient is 270 nm.
Monocrystalline diamond.
제 9 항에 있어서,
상기 단결정 다이아몬드는, 상기 파장이 10.6 μm일 때, 71.4%의 FTIR 투과율를 나타내는,
단결정 다이아몬드.
10. The method of claim 9,
Wherein the single crystal diamond has an FTIR transmittance of 71.4% when the wavelength is 10.6 m,
Monocrystalline diamond.
제 9 항에 있어서,
상기 단결정 다이아몬드는, 선형 베이스라인을 도입한 후에 상기 피크 높이가 1332.5 cm-1일 때, 0.138 ppm(138 ppb)의 양으로 대전된 치환형 질소[Ns +]의 농도를 나타내는,
단결정 다이아몬드.
10. The method of claim 9,
Wherein said monocrystalline diamond exhibits a concentration of substituted nitrogen [N s + ] charged in an amount of 0.138 ppm (138 ppb) when said peak height is 1332.5 cm -1 after introduction of a linear baseline,
Monocrystalline diamond.
제 9 항에 있어서,
상기 단결정 다이아몬드는 1.0 E+14 Ωm 내지 1E+16 Ωm의 저항률을 갖는,
단결정 다이아몬드.
10. The method of claim 9,
Wherein the single crystal diamond has a resistivity of 1.0 E + 14? M to 1E + 16? M,
Monocrystalline diamond.
제 1 항에 있어서,
738 nm에서 상기 SiV - 의 제로 포노 라인(zero phono line; ZPL)은 가장 강한 피처(feature)를 형성하는,
단결정 다이아몬드.
The method according to claim 1,
SiV in the 738 nm - phono zero line (zero line phono; ZPL) is to form the strongest feature (feature),
Monocrystalline diamond.
제 16 항에 있어서,
중성의 질소-공공 결함 및 음으로 대전된 질소-공공결함(NV0/-)의 ZPL은 각각 575 nm 및 638 nm에서 보이고, 약 700 nm에 집중된 넓은 형광 배경(FB)이 NV0 및 NV-의 포논 사이드 밴드로 인해 존재하는,
단결정 다이아몬드.
17. The method of claim 16,
Neutral nitrogen-charged public flaws and Well nitrogen-public flaws (NV 0 / -) of the ZPL are respectively 575 nm and look at 638 nm, about 700 nm focused a large fluorescence background (FB) The NV 0 and NV on - Lt; RTI ID = 0.0 &gt; of the &lt; / RTI &gt;
Monocrystalline diamond.
제 1 항에 있어서,
상기 단결정 다이아몬드는 0.01 캐럿보다 큰 중량을 갖고, 따라서 상기 단결정 다이아몬드는 보석 다이아몬드인,
단결정 다이아몬드.
The method according to claim 1,
Wherein said single crystal diamond has a weight greater than 0.01 carat, and thus said single crystal diamond is a gem diamond,
Monocrystalline diamond.
화학증착에 의해 단결정 다이아몬드를 형성하는 방법으로서,
(a) 하나 이상의 다이아몬드 시드(seed)를 제공하는 단계;
(b) 다이아몬드를 성장시키기 위한 탄소-함유 기체 및 질소-함유 기체를 포함하는 반응 기체를 공급하는 단계를 포함하는 화학증착에 의해 다이아몬드를 성장시키기 위한 조건에 상기 시드를 노출시키는 단계;
(c) 결함 및 흑연 개재물을 함유하지 않는 다이아몬드를 단계식(step) 성장에 의해 성장시키도록 상기 반응 기체 중의 다른 기체에 대한 상기 질소-함유 기체의 양을 제어하는 단계 ― 상기 반응 기체 중의 질소-함유 기체의 양은 0.0001 내지 0.02 체적%의 범위이고, 상기 반응 기체 중에 디보란(diborane)을 더 포함함 ―; 및
(d) 보석으로서의 용도 및 기타 적절한 용도에 적합한 단결정 다이아몬드를 제조하기 위해 0.3 이하의 질소의 원자 분율의 농도를 제공하는 방식으로 디보란 및 질소 함유 기체 소스를 제어하는 단계를 포함하고, 상기 디보란 및 질소는 상기 단결정 다이아몬드 내에 더 적은 양의 불순물이 포함되도록, 그리고 동시에 모든 적절한 용도를 위해 적절한 상기 단결정 다이아몬드의 투명도 및 색을 향상시키기 위해 광학 흡수를 향상시키도록 첨가되는,
단결정 다이아몬드의 형성 방법.
A method of forming a single crystal diamond by chemical vapor deposition,
(a) providing at least one diamond seed;
(b) exposing the seed to conditions for growing diamond by chemical vapor deposition comprising the steps of: providing a reaction gas comprising a carbon-containing gas and a nitrogen-containing gas for growing diamond;
(c) controlling the amount of said nitrogen-containing gas relative to the other gases in said reactant gas so as to grow defects and diamonds not containing graphite inclusions by step growth, wherein the nitrogen- Containing gas is in the range of 0.0001 to 0.02% by volume and further comprises diborane in the reaction gas; And
(d) controlling the diborane and the nitrogen-containing gas source in such a manner as to provide a concentration of atomic fraction of nitrogen of 0.3 or less to produce single crystal diamond suitable for use as gemstones and other suitable uses, And nitrogen are added to improve the optical absorption to improve the transparency and color of the single crystal diamond suitable for all suitable applications and to contain less amount of impurities in the single crystal diamond,
Method of forming single crystal diamond.
제 19 항에 있어서,
상기 디보란은 0.0002 내지 0.002 체적%의 범위로 제공되는,
단결정 다이아몬드의 형성 방법.
20. The method of claim 19,
Wherein the diborane is provided in a range of 0.0002 to 0.002% by volume,
Method of forming single crystal diamond.
제 19 항에 있어서,
상기 질소-함유 기체는 수소 중의 질소, 산소 중의 질소, 헬륨 중의 질소, 이산화질소 중의 질소 또는 디보란 중의 질소를 포함하는 그룹 중의 임의의 하나 이상으로부터 선택되는,
단결정 다이아몬드의 형성 방법.
20. The method of claim 19,
Wherein the nitrogen-containing gas is selected from any one or more of the group comprising nitrogen in hydrogen, nitrogen in oxygen, nitrogen in helium, nitrogen in nitrogen dioxide, or nitrogen in diborane.
Method of forming single crystal diamond.
제 19 항에 있어서,
상기 화학증착은 750 내지 1200℃의 범위의 온도에서 상기 시드를 유지하는 단계를 포함하는,
단결정 다이아몬드의 형성 방법.
20. The method of claim 19,
Wherein the chemical vapor deposition comprises maintaining the seed at a temperature in the range of &lt; RTI ID = 0.0 &gt; 750 &lt; / RTI &
Method of forming single crystal diamond.
제 19 항에 있어서,
상기 화학증착은 120 내지 160 mbar의 범위의 압력에서 상기 시드를 유지하는 단계를 포함하는,
단결정 다이아몬드의 형성 방법.
20. The method of claim 19,
Wherein the chemical vapor deposition comprises maintaining the seed at a pressure ranging from 120 to 160 mbar.
Method of forming single crystal diamond.
제 19 항에 있어서,
상기 탄소-함유 기체는 메탄을 포함하는,
단결정 다이아몬드의 형성 방법.
20. The method of claim 19,
Wherein the carbon-containing gas comprises methane.
Method of forming single crystal diamond.
제 19 항에 있어서,
상기 반응 기체는 수소를 더 포함하는,
단결정 다이아몬드의 형성 방법.
20. The method of claim 19,
Wherein the reactive gas further comprises hydrogen,
Method of forming single crystal diamond.
제 19 항에 있어서,
상기 화학증착은 마이크로파 플라즈마의 존재 하에서 상기 반응 기체 중의 수소에 의해 발생하는,
단결정 다이아몬드의 형성 방법.
20. The method of claim 19,
Wherein the chemical vapor deposition is performed by hydrogen in the reaction gas in the presence of a microwave plasma,
Method of forming single crystal diamond.
제 26 항에 있어서,
상기 마이크로파 플라즈마는 6000 와트 및 2.45 GHz에서 작동하는 마그네트론에 의해 생성되는,
단결정 다이아몬드의 형성 방법.
27. The method of claim 26,
The microwave plasma is generated by a magnetron operating at 6000 watts and 2.45 GHz,
Method of forming single crystal diamond.
제 19 항에 있어서,
상기 반응 기체는 약 30 l/시간의 기체 유량으로 반응 체임버를 통과하는,
단결정 다이아몬드의 형성 방법.
20. The method of claim 19,
The reaction gas is passed through the reaction chamber at a gas flow rate of about 30 l /
Method of forming single crystal diamond.
제 19 항에 있어서,
상기 시드는 (100) 결정 배향으로 배향된,
단결정 다이아몬드의 형성 방법.
20. The method of claim 19,
The seed is oriented in a (100) crystal orientation,
Method of forming single crystal diamond.
제 19 항에 있어서,
상기 반응 기체의 상대적인 양은,
메탄 20-80 seem(표준 입방 센티미터/분),
수소 300-800 sccm,
질소 0.0005 - 0.2 sccm,
디보란 0.0001 - 0.01 sccm; 및
산소 1-10 sccm인,
단결정 다이아몬드의 형성 방법.
20. The method of claim 19,
The relative amount of the reactive gas,
Methane 20-80 seem (standard cubic centimeter / min),
Hydrogen 300-800 sccm,
Nitrogen 0.0005-0.2 sccm,
0.0001 - 0.01 sccm diborane; And
Lt; RTI ID = 0.0 &gt;
Method of forming single crystal diamond.
제 19 항에 있어서,
상기 다이아몬드 시드는 3 x 3 mm x 0.5 mm의 크기인,
단결정 다이아몬드의 형성 방법.
20. The method of claim 19,
The diamond seed has a size of 3 x 3 mm x 0.5 mm,
Method of forming single crystal diamond.
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