KR20170141721A - 종횡비가 높은 광학적으로 마감된 얇은 다이아몬드 기판 또는 창 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 형성 방법에서는, 실리콘 기판이 제공되고, 다이아몬드 필름, 기판 또는 창이 실리콘 기판의 표면 상에서 CVD 성장된다. 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 종횡비는 ≥ 100이며, 여기서 종횡비는 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 최대 치수를 다이아몬드 필름의 두께로 나눈 비이다. 실리콘 기판은 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창으로부터 임의로 제거되거나 분리될 수 있다.
Description
본원은 2015년 4월 16일자로 출원된 미국 가특허원 제62/148,339호 및 2016년 4월 7일자로 출원된 미국 특허원 제15/093,160호에 대한 우선권을 주장하며, 이의 내용은 본원에서 참조로 인용된다.
발명의 분야
본원은 하나 이상의 광학 마감 표면을 갖는 얇은 다이아몬드 필름, 기판 또는 창(window)에 관한 것이다. 다이아몬드 필름, 기판 또는 창은 두께에 대한 최대 치수로서 정의되는, 큰 종횡비를 갖는다. 본 발명은 또한 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 제조방법에 관한 것이다.
다이아몬드는 모스 경도가 10인, 공지된 가장 단단한 물질로, 이로 인해 다이아몬드는 절단, 기계 가공, 드릴링, 밀링 등의 적용에 유용하다. 다이아몬드는 또한 열전도율이 2000 내지 2200W/m·K인, 공지된 가장 열 전도성인 물질로, 이로 인해 까다로운 조건하의 열 관리에서의 적용에 대하여 바람직하다. 다이아몬드는 또한 마찰 계수가 낮아서, 브레이크 등의 용도용 범용 물질이 된다. 다이아몬드상 다이아몬드(diamond on diamond)로는, 이는 극한 조건하에 저 마모 계수 및 윤활 용도로 유리하다. 다이아몬드는 또한 마이크로파, 적외선, 가시선 및 기타 자외선 전자기파를 투과하기에 탁월한 광 물질이다. 다이아몬드는 또한 고 플루언스 핵 방사선에 대한 검출기로서 사용시 매우 안정하다. 또한, 다이아몬드는 승온 또는 극저온 조건에서도, 강산, 강염기, 강 산화제 또는 강 환원제를 수반하는 화학적 환경에서 매우 불활성이다. 추가로, 다이아몬드는 높은 굴절률을 가져서, 이로 인해 보석류에서 사용하는 것으로 유명하다.
다이아몬드는 다용도의 고급 물질이지만, 이의 이용 가능성은 특성상 제한된다. 토양으로부터 채굴한 다이아몬드는 통상적으로, 기하학적 치수가 크기에 있어서 제한되고 종종 큰 치수를 요하는 산업적 용도에 지나치게 작은, 단일 결정이다. 종종, 자연 상태로 형성되는 다이아몬드는 불순물 및 결정 결함을 함유한다. 결정 크기가 상대적으로 크고 화학적 함유물이 상대적으로 순수하고 결정 결함 없이 상대적으로 완벽한 다이아몬드 결정은 매우 고가이며 - 종종 값을 매길 수 없다.
합성 다이아몬드는 산업적으로 초고압 및 초고온하의 화학 반응기에서 생성되는 것으로 공지되어 있다(HTHP 공정). 이러한 혹독한 합성 조건으로 인하여, 반응기 크기는 다이아몬드의 치수만큼 제한된다. 이러한 공정은 또한 혹독하고 까다로운 다이아몬드 성장 조건에 연관된, 공정, 장치 및 안전성 상의 고비용과 관련된다. 종종, HTHP 공정은 다이아몬드 격자로의 촉매 불순물 혼입으로 인한 황색 색조를 갖는 다이아몬드를 생성한다. 또한, HTHP 공정으로는 직경이 큰 다이아몬드 웨이퍼를 제조할 수 없다.
산업적으로, 다이아몬드는 또한 마이크로파 강화 플라즈마, 텅스텐 핫-필라멘트, DC-제트 플라즈마, 레이저 유도 플라즈마, 아세틸렌-토치 등에 의하여 적합한 성장 조건이 달성될 수 있는, 화학 증착(CVD)이라고 하는 공정으로 반응기에서 성장시킬 수 있다. CVD 성장 공정이 또한 상이한 기판 및/또는 자립형(free-standing) 후막 상의 얇은 다결정성 다이아몬드 필름을 성공적으로 성장시킬 수 있다는 것은 당해 기술분야에 익히 공지되어 있지만, 상당한 크기의 저 응력 필름 또는 비-균열 다이아몬드를 수득하는 것은 힘들다.
다수의 다이아몬드 적용에서, 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 표면은 경납땜(brazing) 또는 글루잉(gluing) 등의 접착 메커니즘을 통하여 전자공학, 광학 또는 광전자공학 장치로부터 떨어져 광/전자기파를 반사하거나, 열 에너지를 전도하는 기판으로서, 음파 매체로서 작용하여, 광 또는 전자기파를 전달하려는 목적에서 광학적으로 평활할 필요가 있다.
다이아몬드는 세계에서 가장 단단한 물질들 중의 하나이기 때문에, 다이아몬드 연마는 느리고 고가일 수 있고, 많은 열을 생성할 수 있다. 그러므로, 연마 동안 접착제에 의하여 다이아몬드를 제 위치에 고정하는 것은, 마찰적으로 발생된 열이 접착제를 용융하거나 파괴할 수 있기 때문에, 좋은 선택은 아니다. 더욱이, 다이아몬드는 취성이고 부서지기 쉽다. 또한, 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 CVD 성장은 매우 작은 면적 내에서 다이아몬드가 성장하는 데 많은 전기 에너지를 사용하는, 고가의 자본 설비를 필요로 하는, 느린 공정이다. 그러므로, CVD 다이아몬드는 고가이고 다수의 적용은 하나 이상의 광학 마감 다이아몬드 표면(들)에 대한 요건이 충족될 수 있는 경우 얇은 다이아몬드 기판 또는 창을 필요로 할 뿐이다.
다이아몬드 필름, 기판 또는 창이 매우 얇은 경우(예: 두께 ≤400μ), 연마 동안 다이아몬드 필름, 기판 또는 창을 제 위치에 고정하는 것은 특히 다이아몬드 필름, 창 또는 기판의 두께가 ≤400μ에 이를 때 힘들고, 이는 다이아몬드 필름, 기판 또는 창이 하나 이상의 큰 치수(25mm 이상), 예를 들면, 직경을 갖는 경우 특히 사실이다. 얇은 다이아몬드 필름, 창 또는 기판을 연마시 광학 마감 표면(들)에 대한 한계를 넘어, 특히 다이아몬드 부분의 종횡비가 100 이상인 경우, 높은 종횡비(최대 치수의 비, 예를 들면, 제한 없이, 직경 대 두께의 비)를 갖는 다이아몬드 부분을 성공적으로 연마하고 가공하는 데 과제가 또한 존재한다.
얇고 광학적으로 마감된 다이아몬드 표면의 한 면 또는 양면을 갖는 대면적 다이아몬드 필름, 창 또는 기판을 제조할 필요가 있다. 또한, 특히 최대 치수(예: 제한 없이, 직경)가 30mm 이상인 다이아몬드 부분에 대하여, 얇거나(두께 400μ 미만) 두껍고(400μ 이상), 종횡비가 100 이상인 다이아몬드 필름, 창 또는 기판을 제조할 필요가 있다. 광 또는 전자기파 관리를 위하여, 돔, 원추, 피라미드 또는 임의의 비평면 기하와 같은 비평면 표면을 갖는 하나의 다이아몬드(a piece of diamond)가 또한 다이아몬드의 독특한 특성을 이용하기 위하여 필요하다.
본원에 기재된 얇은 다이아몬드 기판 또는 창은 하나 이상의 광학 마감 표면(optically-finished surface)과 100 이상의 종횡비를 포함하거나, 400μ(microns) 미만의 두께와 25mm 이상의 최대 기하 치수의 조합을 포함한다.
얇은 다이아몬드 기판 또는 창의 두께는 ≤ 400μ, ≤ 350μ, ≤ 300μ, ≤ 250μ, 또는 ≤ 200μ일 수 있다. 얇은 다이아몬드 기판 또는 창의 최대 치수는 ≥ 25mm, ≥ 40mm, ≥ 50mm, ≥ 60mm, ≥ 80mm, 또는 ≥ 100mm일 수 있다. 얇은 다이아몬드 기판 또는 창의 종횡비는 ≥ 100, ≥ 125, ≥ 150, ≥ 175, 또는 ≥ 200일 수 있다.
본원에 기재된 CVD 다이아몬드는 일례로, 표면(들)이 임의로, 광학적으로 마감될 수 있는, 규소로 제조된 희생 기판(sacrificial substrate) 상에서 성장할 수 있다. 성장된 다이아몬드의 표면은 통상적인 연마 공정을 통하여 ≤ 50nm, ≤ 30nm, ≤ 20nm, ≤ 15nm, 또는 ≤ 10nm의 표면 조도(Ra)를 갖는 광학적 마감 수준으로 연마될 수 있다. 그 다음, 상부에 다이아몬드가 성장하는 희생 기판을 제거(화학적으로 및/또는 기계적으로)하여 하나 이상의 광학 마감 표면을 갖는 하나의 자립형 다이아몬드 필름, 기판 또는 창을 제조한다
CVD 다이아몬드가 광학 마감 희생 기판의 표면(예를 들면, 표면 조도, Ra가 ≤ 20nm, ≤ 15nm, ≤ 10nm, ≤ 5nm, 또는 ≤ 2nm) 상에서 성장하는 경우, CVD 성장 다이아몬드의 성핵 측 면은 희생 기판의 표면 조도와 거의 일치하는 표면 조도, Ra를 갖는다. 일례로, CVD 성장 다이아몬드의 성핵 측 면은 각각 ≤ 20nm, ≤ 15nm, ≤ 10nm, ≤ 5nm, 또는 ≤ 2nm의 기판의 Ra에 대하여 Ra가 ≤ 50nm, ≤ 30nm, ≤ 20nm, ≤ 15nm, 또는 ≤ 10nm이다. 다이아몬드가 희생 기판의 표면 상에서 CVD 성장된 후, 희생 기판으로부터 반대 면의 CVD 성장 다이아몬드의 면은 통상적인 연마 공정을 통하여 임의로 연마될 수 있다. 본원에 기재된 CVD 다이아몬드가 광학적으로 마감되지 않은 희생 기판의 표면(예를 들면, 화학적으로 에칭되고/되거나 기계적으로 마감된 표면) 상에서 성장하는 경우, CVD 성장 다이아몬드의 성장측 표면은 통상적인 연마 공정을 통하여 연마될 수 있고, 그 결과 CVD 성장 다이아몬드는 성장 측 면 상에 하나의 광학 마감 표면만을 가질 것이다(≤ 50nm, ≤ 30nm, ≤ 20nm, ≤ 15nm, 또는 ≤ 10nm의 표면 조도(Ra)).
동일한 공정이 또한 적용되어 비평면 광학 마감 표면(≤ 50nm, ≤ 30nm, ≤ 20nm, ≤ 15nm, 또는 ≤ 10nm의 표면 조도(Ra))을 갖는 하나의 다이아몬드를 제조할 수 있다. 일례로, 비평면 표면은 돔, 원추, 피라미드, 비구면, 포물선 및 쌍곡선, 또는 기타 비평면 기하를 포함할 수 있다. 또한, 본원에 기재된 얇은 다이아몬드 창 또는 기판의 제조방법이 개시된다. 또한, 하나 이상의 광학 마감 표면을 갖는 얇은 다이아몬드 기판 또는 창을 성장시키기 위한 맞춤 성장 조건이 개시된다.
본 발명의 다양한 바람직한 비제한 예 또는 측면을 이제 설명하고, 다음 번호를 매긴 항에 제시한다.
1항. 하나 이상의 광학 마감 표면을 포함하는 다이아몬드 필름, 기판 또는 창으로서, 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 최대 치수를 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 두께로 나눈 종횡비가 ≥ 100인, 다이아몬드 필름, 기판 또는 창.
2항. 두께가 ≤ 400μ(≤ 0.4mm)이고 최대 치수가 ≥ 25mm인, 1항의 다이아몬드 필름, 기판 또는 창.
3항. 하나 이상의 광학 마감 표면의 표면 조도(Ra)가 ≤ 50nm, 또는 ≤ 30nm, 또는 ≤ 20nm, 또는 ≤ 15nm, 또는 ≤ 10nm인, 1 또는 2항의 다이아몬드 필름, 기판 또는 창.
4항. 최대 치수가 ≥ 25mm, ≥ 40mm, 또는 ≥ 50mm, 또는 ≥ 60mm, 또는 ≥ 70mm, 또는 ≥ 80mm, 또는 ≥ 100mm인, 1-3항 중의 어느 하나의 다이아몬드 필름, 기판 또는 창.
5항. 두께가 ≤ 400μ, 또는 ≤ 350μ, 또는 ≤ 300μ, 또는 ≤ 250μ, 또는 ≤ 200μ인, 1-4항 중의 어느 하나의 다이아몬드 필름, 기판 또는 창.
6항. 종횡비가 ≥ 125, 또는 ≥ 150, 또는 ≥ 175, 또는 ≥ 200인, 1-5항 중의 어느 하나의 다이아몬드 필름, 기판 또는 창.
7항. 최대 치수가 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 직경인, 1-6항 중의 어느 하나의 다이아몬드 필름, 기판 또는 창.
8항. 차단 렌즈로부터 34cm 거리에서의 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 1.06μ 광 산란 계수가 ≤ 20/cm, 또는 ≤ 15/cm, 또는 ≤ 10/cm, 또는 ≤ 7/cm, 또는 ≤ 5/cm인, 1-7항 중의 어느 하나의 다이아몬드 필름, 기판 또는 창.
9항. 다이아몬드 성핵 밀도(nucleation density)가 ≥ 1.0×105/㎠, 또는 ≥ 1.0×106/㎠, 또는 ≥ 1.0×107/㎠, 또는 ≥ 1.0×108/㎠, 또는 ≥ 1.0×109/㎠인, 1-8항 중의 어느 하나의 다이아몬드 필름, 기판 또는 창.
10항. 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 형성 방법은, 실리콘 기판을 제공하는 단계(a) 및 실리콘 기판의 표면 상에서 종횡비가 ≥ 100인 다이아몬드 필름, 기판 또는 창을 CVD 성장시키는 단계(b)을 포함하며, 여기서 종횡비는 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 최대 치수를 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 두께로 나눈 비이다.
11항. 실리콘 기판의 두께가 ≥ 2mm, 또는 ≥ 4mm, 또는 ≥ 6mm, 또는 ≥ 8mm인, 10항의 방법.
12항. 단계(b) 이전에, 실리콘 기판의 표면을 표면 조도(Ra)가 ≤ 20nm, 또는 ≤ 15nm, 또는 ≤ 10nm, 또는 ≤ 5nm, 또는 ≤ 2nm인 광학적 마감으로 연마함을 추가로 포함하는, 10항 또는 11항의 방법.
13항. 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성핵 측 면(nucleation side)의 Ra가 실리콘 기판의 연마 표면의 Ra보다 크고; ≤ 20nm, 또는 ≤ 15nm, 또는 ≤ 10nm, 또는 ≤ 5nm, 또는 ≤ 2nm인 실리콘 기판의 연마된 표면의 Ra에 대하여, 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성핵 측 면의 Ra가 각각 ≤ 50nm, 또는 ≤ 30nm, 또는 ≤ 20nm, 또는 ≤ 15nm, 또는 ≤ 10nm인, 10-12항 중의 어느 하나의 방법.
14항. 실리콘 기판의 표면 및 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성핵 측 면 각각의 표면 조도(Ra)가 ≥ 750nm인, 10-13항 중의 어느 하나의 방법.
15항. 다이아몬드 필름, 기판 또는 창이 여전히 실리콘 기판 상에 있는 동안, 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성장 표면을 ≤ 50nm, 또는 ≤ 30nm, 또는 ≤ 20nm, 또는 ≤ 15nm, 또는 ≤ 10nm의 표면 조도(Ra)로 연마함을 추가로 포함하는, 10-14항 중의 어느 하나의 방법.
16항. 실리콘 기판의 표면 및 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성핵 측 면이 비평면이고; 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성핵 측 면의 형상이 실리콘 기판의 표면의 형상의 등각 음성(conformal negative)인, 10-15항 중의 어느 하나의 방법.
17항. 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성핵 측 면이 다음 형상: 돔, 원추, 피라미드, 비구면(asphere), 포물선 및 쌍곡선 중의 하나를 갖는, 10-16항 중의 어느 하나의 방법.
18항. 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창으로부터 실리콘 기판을 화학적으로 또는 기계적으로 제거함을 추가로 포함하는, 10-17항 중의 어느 하나의 방법.
19항. 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성장 측 면이 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성핵 측 면보다 더 큰 열 전도율을 갖는, 10-18항 중의 어느 하나의 방법.
20항. 광 관리 코팅(light management coating)을 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성장 표면에 형성하고/하거나; 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창으로부터 실리콘 기판을 제거한 후, 광 관리 코팅을 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성핵 측 면에 형성함을 추가로 포함하는, 10-19항 중의 어느 하나의 방법.
21항. 상부에 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창을 갖는 실리콘 기판을 하나 이상의 조각으로 절단함을 추가로 포함하는, 10-20항 중의 어느 하나의 방법.
22항. 단계(b)가 다음: 산소, 일산화탄소, 이산화탄소, 질소 및 붕소 중의 하나 이상을 포함하는 대기 중에서 다이아몬드 필름, 기판 또는 창을 CVD 성장시킴을 포함하는, 10-21항 중의 어느 하나의 방법.
23항. 단계(b) 전에, 실리콘 기판의 표면이 다이아몬드 입자로 씨딩되는(seeded), 10-22항 중의 어느 하나의 방법.
24항. 실리콘 기판이 다음 공정: (1) 수성 다이아몬드 슬러리 또는 유기 다이아몬드 슬러리의 욕 중에서 실리콘 기판을 초음파 처리하는 공정, (2) 실리콘 기판을 다이아몬드 분말로 러빙(rubbing)하는 공정, 또는 (3) 실리콘 기판을 다이아몬드 터닝(turning)하는 공정들 중의 하나 이상을 통하여 다이아몬드 입자로 씨딩되는, 10-23항 중의 어느 하나의 방법.
25항. 실리콘 기판이 다음 공정들: (1) 액상 현탁 용액 중의 서브마이크론 또는 마이크론 크기의 다이아몬드 분말로 구성된 초음파 욕 중에서 실리콘 기판을 초음파 처리하는 공정; 및 (2) 액상 현탁 용액 중의 평균 입자 크기가 < 100nm인 나노-결정 다이아몬드 분말로 구성된 초음파 욕 중에서 실리콘 기판을 초음파 처리하는 공정 중의 하나 이상을 통하여 다이아몬드 입자로 씨딩되는, 10-24항 중의 어느 하나의 방법. 액상 현탁 용액은 물, 알코올, 탄화수소 또는 기타 유기 용매 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.
26항. 실리콘 기판의 최대 치수가 ≥ 25mm, 또는 ≥ 50.8mm, 또는 ≥ 66mm, 또는 ≥ 76mm, 또는 ≥ 101mm, 또는 ≥ 127mm인, 10-25항 중의 어느 하나의 방법.
27항. 실리콘 기판의 최대 치수가 실리콘 기판의 직경인, 10-26항 중의 어느 하나의 방법.
28항. 다이아몬드-실리콘 복합 기판은 실리콘 기판 상에서 CVD 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창을 포함하며, 여기서 다이아몬드-실리콘 복합 기판은 총 두께가 ≥ 200μ, 또는 ≥ 300μ, 또는 ≥ 500μ, 또는 ≥ 1mm, 또는 ≥ 2mm, 또는 ≥ 5mm이고, 다이아몬드-실리콘 복합 기판의 직경은 ≥ 20mm, 또는 ≥ 30mm, 또는 ≥ 40mm, 또는 ≥ 50mm, 또는 ≥ 75mm, 또는 ≥ 100mm, 또는 ≥ 125mm, 또는 ≥ 150mm이다.
도 1a는 희생 기판 상의 다이아몬드 필름, 창 또는 기판을 CVD 성장시키는 예시적인 방법의 흐름도로, 여기서, 당해 방법의 한 경로에서, 성장된 다이아몬드 필름, 창 또는 기판의 성핵 측 면 또는 표면만이 광학 마감 표면을 갖고, 방법의 또 다른 경로에서, 성장된 다이아몬드 필름, 창 또는 기판의 성핵 측 면 또는 표면과 성장 측 면 또는 표면 둘 다 광학 마감 표면을 갖고;
도 1b는 희생 기판 상의 다이아몬드 필름, 창 또는 기판을 CVD 성장시키는 예시적인 방법의 흐름도로, 여기서, 성장된 다이아몬드 필름, 창 또는 기판의 성핵 측 면 또는 표면은 광학 마감 표면을 갖지 않고, 성장된 다이아몬드 필름, 창 또는 기판의 성장 측 면 또는 표면은 광학 마감 표면을 갖고;
도 2는 희생 기판(예: 규소) 상의 다이아몬드 필름, 창 또는 기판을 성장시키는 데 사용될 수 있는 예시적인 마이크로파 플라즈마 CVD 반응기이고;
도 3a는 희생 기판의 성장 표면에 형성된 패턴 "II-VI"을 포함하는 희생 기판 상으로 맞추어 성장되는 다이아몬드 필름, 창 또는 기판의 사진이고;
도 3b 및 3c는 도 3a에 나타낸 다이아몬드 필름, 창 또는 기판의 성핵 측 면 및 성장 측 면의 근접 도면이고;
도 4는 도 3a에 나타낸 다이아몬드 필름, 창 또는 기판의 성장 측 면 중심, 성장 측 면 가장자리, 성핵 측 면 중심 및 성핵 측 면 가장자리의 라만 그래프를 나타내는 라만 강도 대 파장의 그래프이고;
도 5a-5f는 본원에 기재된 원리에 따라 도 2의 마이크로파 플라즈마 CVD 반응기내 "음성"("negative") 희생 기판 상에서 맞추어 성장될 수 있는 다양한 형상의 다이아몬드 필름, 창 또는 기판이고;
도 6a-6b는 본원에 기재된 실시예 3에 따라 성장된 래핑된(lapped) 규소상 다이아몬드 복합체의 확대된 횡단면도(시계 = 각각 4.33mm 및 649.6㎛)이고;
도 7은 트레이 내에 배치된, 본원에 기재된 실시예 6에 따라 성장된, 자립형 다이아몬드 필름(4)의 사진이고;
도 8은 도 7에 나타낸 자립형 다이아몬드 필름의 성핵 측 면/표면의 SEM 도이고;
도 9는 각각, 본원에 기재된, 실시예 8-10에 따라 성장된 자립형 다이아몬드 필름(4)의 광 산란 계수의 3개의 그래프이다.
도 1b는 희생 기판 상의 다이아몬드 필름, 창 또는 기판을 CVD 성장시키는 예시적인 방법의 흐름도로, 여기서, 성장된 다이아몬드 필름, 창 또는 기판의 성핵 측 면 또는 표면은 광학 마감 표면을 갖지 않고, 성장된 다이아몬드 필름, 창 또는 기판의 성장 측 면 또는 표면은 광학 마감 표면을 갖고;
도 2는 희생 기판(예: 규소) 상의 다이아몬드 필름, 창 또는 기판을 성장시키는 데 사용될 수 있는 예시적인 마이크로파 플라즈마 CVD 반응기이고;
도 3a는 희생 기판의 성장 표면에 형성된 패턴 "II-VI"을 포함하는 희생 기판 상으로 맞추어 성장되는 다이아몬드 필름, 창 또는 기판의 사진이고;
도 3b 및 3c는 도 3a에 나타낸 다이아몬드 필름, 창 또는 기판의 성핵 측 면 및 성장 측 면의 근접 도면이고;
도 4는 도 3a에 나타낸 다이아몬드 필름, 창 또는 기판의 성장 측 면 중심, 성장 측 면 가장자리, 성핵 측 면 중심 및 성핵 측 면 가장자리의 라만 그래프를 나타내는 라만 강도 대 파장의 그래프이고;
도 5a-5f는 본원에 기재된 원리에 따라 도 2의 마이크로파 플라즈마 CVD 반응기내 "음성"("negative") 희생 기판 상에서 맞추어 성장될 수 있는 다양한 형상의 다이아몬드 필름, 창 또는 기판이고;
도 6a-6b는 본원에 기재된 실시예 3에 따라 성장된 래핑된(lapped) 규소상 다이아몬드 복합체의 확대된 횡단면도(시계 = 각각 4.33mm 및 649.6㎛)이고;
도 7은 트레이 내에 배치된, 본원에 기재된 실시예 6에 따라 성장된, 자립형 다이아몬드 필름(4)의 사진이고;
도 8은 도 7에 나타낸 자립형 다이아몬드 필름의 성핵 측 면/표면의 SEM 도이고;
도 9는 각각, 본원에 기재된, 실시예 8-10에 따라 성장된 자립형 다이아몬드 필름(4)의 광 산란 계수의 3개의 그래프이다.
다음 예를 첨부 도면을 참조하여 설명할 것이며, 도면에서 유사한 참조 번호는 유사한 또는 기능적으로 동등한 구성 요소에 상응한다.
일례로, 다이아몬드 필름, 창 또는 기판은 하나 이상의 광학 마감 표면을 포함하고 종횡비가 100 이상이다. 또 다른 예로, 다이아몬드 필름, 창 또는 기판은 400μ 이하의 두께와 25mm 이상의 기하 치수(최대 치수)의 조합을 포함할 수 있다. 광학 마감 표면의 표면 조도(Ra)는 ≤ 50nm, ≤ 30nm, ≤ 20nm, ≤ 15nm, 또는 ≤ 10nm일 수 있다.
다이아몬드 필름, 창 또는 기판의 최대 기하 치수는 ≥ 25mm, ≥ 40mm, ≥ 50mm, ≥ 60mm, ≥ 70mm, ≥ 80mm, 또는 ≥ 100mm일 수 있다.
다이아몬드 필름, 창 또는 기판은 ≤ 400μ, ≤ 350μ, ≤ 300μ, ≤ 250μ, 또는 ≤ 200μ일 수 있다.
다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 종횡비(다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 두께에 대한 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 최대 치수의 비로서 본원에서 정의됨)는 ≥ 100, ≥ 125, ≥ 150, ≥ 175, 또는 ≥ 200일 수 있다.
광학 광 또는 전자기파 투과를 위하여, 다이아몬드 필름, 창 또는 기판의 한 표면 또는 양 표면은 광학적으로 마감될 수 있다. 광 에너지의 저 흡수를 갖는 고품질 다이아몬드가 바람직할 수 있다. 사실상, 소량의 광 흡수가 바람직할 수 있다. 비어-람버트 법칙(Beer-Lambert Law)에 따르면, 다음과 같다:
(여기서, A는 광 흡수이고; I은 투과 광 강도이고; I 0 은 입사광 강도이고; ε λ 은 소멸 계수이고; l은 광 경로의 길이이고; c는 광 흡수 분자의 농도이다)
다이아몬드 필름, 창 또는 기판을 통하여 광 흡수를 감소시키는 한 가지 방법은 다이아몬드의 품질 변화가 없다는 가정하에 광 경로의 길이, 일례로, 광 투과 다이아몬드 필름, 창 또는 기판의 두께, l을 감소시키는 것이다. 다이아몬드 필름, 창 또는 기판을 통한 투과 동안의 광 산란은 광 경로의 길이(이는 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 두께에 직각으로 이동하는 광에 대하여, 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 두께와 동일함)와 직접 상호 관련될 수도 있다. 일례로, 얇은 다이아몬드 필름, 기판 또는 창은 흡수되고/되거나 산란되는 최소량의 광을 가지려는 목적에서 광학 마감된 양측 표면을 가질 수 있다.
광학 광 또는 전자기파를 반사하거나, 전자공학, 광학 또는 광전자공학 장치(예를 들면, 이들로 제한되지는 않지만, 레이저 다이오드, 레이저 다이오드 어레이(바), 수직 공진 표면 방출 레이저, 수직 공진 표면 방출 레이저의 어레이, 광 방출 장치 등)에 접착하는 적용 등을 위하여, 또는 열 관리를 위하여, 다이아몬드 필름, 창 또는 기판의 하나 이상의 표면이 광학 마감될 수 있다. 전자기파를 반사하기 위한 다이아몬드 필름, 창 또는 기판의 두께는 수 마이크론(1-9), 수십 마이크론, 예를 들면, 10-99μ, 또는 수백(100-999) 마이크론일 수 있다. 일례로, 다이아몬드 필름, 창 또는 기판이 얇을수록, 비용은 낮다. 일례로, 열 관리를 위하여, 다수의 적용에서 두께가 150 내지 200μ인 다이아몬드 필름, 창 또는 기판은 열원으로부터 열 에너지를 전도하기에 충분할 수 있다. 그러므로, 전자기파 반사 또는 열 관리와 같은, 적용에 필요한 것보다 두꺼운 다이아몬드 필름, 창 또는 기판은 단순히 비용을 증가시키고, 필요하지 않을 수 있다.
본원에서, 본원에 기재된 다이아몬드 필름, 창, 기판을 언급시, 필름, 창 및 기판 등의 용어는 상호 교환적으로, 개별적으로 또는 함께 사용될 수 있다.
다이아몬드는 경질 물질인 동시에 매우 취성이다. 다이아몬드 필름이 얇은 경우(예: ≤ 400×10-6m), 그리고 최대 기하 치수가 큰 경우, 하나의 다이아몬드 필름은 매우 부서지기 쉽게 된다. 그 자체로서 두께가 얇고 이의 최장 치수가 큰 하나의 다이아몬드 필름을 예를 들면, CVD를 통하여 성장시키는 것은 힘들다.
예시적인 선행 기술 다결정성 다이아몬드 필름 성장 공정은 다이아몬드 필름이 특정한 두께에 이를 때까지 승온에서 금속성 기판 상에서 다이아몬드 필름을 성장시킴을 포함하며, 그 결과 다이아몬드 필름이 다이아몬드 필름의 열 팽창 계수(CTE)(1×10-6m/m-K)와 금속성 기판의 CTE(텅스텐에 대하여 4.6×10-6m/m-K, 몰리브덴에 대하여 5.0×10-6m/m-K, 등) 사이의 CTE 차이로 인하여 바람직하지 않게도 금속성 기판으로부터 박리된다. 금속성 기판 상의 다이아몬드 필름의 두께가 1mm 이상인 경우, 다이아몬드 필름은 박리를 견딜 수 있지만, 종종 바람직하지 않게 균열될 수 있어, 다이아몬드 필름으로부터 다이아몬드 부분을 절단해 낼(채취) 가능성을 감소시킨다. 다이아몬드 필름 두께가 500μ 미만인 경우, 다이아몬드 필름의 부서짐(shattering) 또는 균열 문제가 일반적이게 된다. 다이아몬드 필름 두께가 300-400μ 이하인 경우, 금속성 기판(텅스텐 또는 몰리브덴과 같은)으로부터 크기가 현저한, 하나의 균열되지 않거나 부서지지 않은 다이아몬드 필름을 채취하는 것이 곤란해진다. 그러므로, 선행 기술에서, 하나 이상의 광학 마감 표면(들)을 갖고 현저한 최대 치수, 일례로, 직경을 갖는, 얇은(예: ≤ 400×10-6m) 다이아몬드 필름, 창 또는 기판을 제조하는 것은 통상적인 박막화/연마 공정이 사용된다는 가정하에, 두꺼운 성장된 다이아몬드 필름으로부터 출발해야 할 것이다. 이 결과는 고가의 성장 및 가공 공정을 초래한다.
위에서 기술한 바와 같이, 다이아몬드는 경질이고 취성이다. 다이아몬드 필름은, 두께가 얇고 넓은 치수, 예를 들면, 직경을 갖는 경우, 부서지기 쉽게 된다. 다이아몬드는 또한 불활성이다. 다이아몬드 연마는 주로 다이아몬드 입자를 수반하는 기계력으로 수행된다. 그러므로, 연마 동안 하나의 얇은 다이아몬드를 제 위치에 고정하는 것은 특히 다이아몬드 두께가 ≤ 400μ이고 최대 치수, 예를 들면, 직경이 ≥ 40mm인 경우, 힘들게된다. 다이아몬드 필름의 두께가 얇아지면, 예를 들면, ≤ 300μ이 되면, 최대 치수가 25mm 이상인 하나의 다이아몬드를 연마하는 것은 거의 불가능하게 된다. 그러므로, 이는 고가일뿐만 아니라, 하나의 두꺼운 성장된 다이아몬드 웨이퍼를 사용하여 통상적인 방법으로, 이의 최대 치수가 현저하고 하나 이상의 광학 마감 표면을 갖는 하나의 얇은 다이아몬드 필름, 창 또는 기판을 제조하는 것이 곤란하다.
본원에 기재된 원리에 따르는 얇은 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 제조방법의 예는 도 1a 및 1b의 흐름도에 예시되어 있다. 본원에 기재된 예는 한 치수, 예를 들면, 직경이 큰 희생 기판(예: 규소)을 사용한다.
도 1a에 관하여, 한 표면 또는 양 표면이 광학 마감을 갖는 다이아몬드 필름을 제조하는 예를 도 1a의 흐름도를 참고하여 이제 설명한다.
단계(100)에서, 하나 이상의 광학 마감 표면을 갖는 기판이 제공된다. 단계(102)에서, 광학 마감 표면이 다이아몬드 입자로 또는 다이아몬드 터닝에 의하여 임의로 씨딩된다. 단계(104)에서, 광학 마감 표면을 갖는 기판(씨딩되거나 씨딩되지 않음)은 CVD 성장기(예: 도 2에 나타낸 CVD 반응기(16)) 내부에 위치시킨다. 단계(106)에서, 다이아몬드 필름은 기판 상에서 성장된 CVD이다.
단계(106) 이후, 다이아몬드 필름이 광학 마감을 갖는 하나의 표면(성핵 표면)만을 갖는 것이 필요한 예에서, 기판 물질이 화학적으로 및/또는 기계적으로 제거되는 단계(116)를 수행한다. 다이아몬드 필름의 성핵 표면이 광학 마감을 갖는 기판의 표면 상에서 성장된 CVD이기 때문에, 단계(116)에서의 기판의 제거로 단계(118)에서 광학 마감된 표면을 갖는 한 측면(성핵 측 면)을 갖는 자립형 다이아몬드 필름이 제조된다.
단계(106) 이후, 다이아몬드 필름의 성장 측 표면이 광학 마감을 갖는 것이 필요한 예에서, 다이아몬드 필름의 성장 표면이 여전히 기판 상에 있는 동안 연마되는 단계(108)를 수행한다. 단계(108) 이후, 연마된 다이아몬드 성장 표면 및 기판 물질 층을 포함하는 복합 기판을 제조할 필요가 있는 예에서, 기판 층을 박막화시켜 기판에 부착된 광학 마감으로 연마된 다이아몬드 필름의 성장 표면을 포함하는복합 기판을 제조하는 단계(114)를 수행한다.
대안적으로, 단계(108) 이후, 양 표면이 광학 마감을 갖는 다이아몬드 필름을 갖는 것이 필요한 예에서, 기판 물질을 화학적으로 및/또는 기계적으로 제거하는 단계(110)를 수행한다. 다이아몬드 필름의 성핵 표면은 광학 마감을 갖는 기판의 표면 상에서 CVD 성장되었고, 다이아몬드 필름의 성장 표면은 단계(108)에서 연마되었기 때문에, 단계(110)에서의 기판의 제거는 양 면(성장 측 면 및 성핵 측 면)이 광학 마감된 표면을 갖는 자립형 다이아몬드 필름을 단계(112)에서 생성한다.
이제, 도 1b를 참조하여, 성장 측 면 상에 광학 마감 표면을 갖는 다이아몬드 필름을 제조하는 예를 이제 설명한다. 단계(200)에서, 기판은 광학 마감 표면 없이 제공된다. 단계(202)에서, 상부에서 다이아몬드 필름이 CVD 성장되는 기판 표면은 다이아몬드 입자로 및/또는 다이아몬드 터닝에 의하여 임의로 씨딩된다. 그 다음, 단계(204)에서, 기판(씨딩되거나 씨딩되지 않음)은 CVD 성장기(예: 도 2에 나타낸 CVD 반응기(16)) 내부에 위치시킨다. 단계(206)에서, 다이아몬드 필름은 기판 상에서 CVD 성장된다.
단계(208)에서, 다이아몬드 필름의 성장 표면은 기판 상에 여전히 존재하는 동안 연마된다. 기판에 부착된 광학 마감으로 연마된 다이아몬드 필름의 성장 표면을 포함하는 복합 기판을 제조하는 것이 필요한 경우, 당해 방법은 기판을 박막화시켜 상기 복합 기판을 제조하는 단계(210)로 진행된다.
단일 광학 마감 표면을 갖는 자립형 다이아몬드 필름을 제조하는 것이 필요한 경우, 당해 방법은 단계(208)로부터 기판을 화학적으로 및/또는 기계적으로 제거하는 단계(212)로 진행되어, 단계(214)에서, 광학 마감 표면을 갖는 다이아몬드 필름의 성장 표면 및 광학 마감 표면을 갖지 않는 기판의 측면 상에서 성장하는 성핵 측 면에 의하여 비광학 마감 표면을 갖는 다이아몬드 필름의 성핵 측 면을 갖는, 자립형 다이아몬드 필름을 제조한다.
규소용 열 팽창 계수(CTE)는 약 3.0×10-6m/m-K인 반면, 다이아몬드에 대한 CTE는 약 1.0×10-6m/m-K이다. 다이아몬드 필름은 통상적으로 승온에서 성장된다. 기판(희생 또는 영구) 상의 다이아몬드 필름 성장 완료시, 온도는 실질적으로 다이아몬드 성장 온도로부터 실온으로 강하하고, 그 결과 성장 다이아몬드 필름과 기판(예: 규소) 사이의 CTE 미스-매치는 통상적으로 다이아몬드 필름 및/또는 기판의 균열로 이어진다. 이는 규소 등의 기판이 하나 이상의 치수에 있어서 큰 경우 특히 심각하다. 또한, 텅스텐 및 몰리브덴 등의 금속 기판과 달리, 규소는 취성이고 CVD 다이아몬드 성장 공정 동안 CVD 플라즈마 시동을 견딜 수 없다.
이하, 비교예 1 부분에서, 실리콘 웨이퍼(직경 6", 두께 625μ)를 다이아몬드 필름의 성장용 희생 기판으로서 사용하였다. 불행하게도, 이들 실리콘 웨이퍼 각각은 플라즈마 튜닝 공정 동안 부서졌다.
놀랍게도, 실리콘 디스크와 같은, 하나의 두꺼운(≥ 2mm) 희생 기판만이 플라즈마 튜닝 공정에 견딜 수 있음이 밝혀졌다. 일례로, 실리콘 디스크는 두께 ≥ 2mm, 두께 ≥ 4mm, 두께 ≥ 6mm, 또는 두께 ≥ 8mm일 수 있다.
또 다른 예는 CVD 다이아몬드 성장용 광학 마감 표면을 갖는, 규소 등의 희생 기판을 사용하는 것이다. 상기 희생 기판 상의 CVD 다이아몬드 성장 후, 희생 기판은 화학적으로(부식제에 의하여 또는 불화수소에 의하여) 및/또는 기계적으로(연삭에 의하여 및/또는 래핑에 의하여) 제거될 수 있고, 이는 통상적인 연마 공정을 수반하지 않고 광학 마감 다이아몬드 표면을 발생시킨다(성핵 측 면 상에). 이는 성핵 측 면 상의 광학 마감 표면을 갖는 한의 얇은 자립형 다이아몬드 필름의 효율적이고 경제적인 제조로 이어진다.
또 다른 예는 성장된 다이아몬드(성장) 표면(성핵 측 면 반대면)을 연마하는 한편, 다이아몬드 필름은 여전히 희생 기판(예: 규소) 상에 존재하는 것이다. 이러한 경우, 다이아몬드 필름과 희생 기판 조합의 총 두께는 통상적인 연마 공정으로 연마 공정 동안 다이아몬드 필름이 부서질 상당한 위험 없이 조합을 고정하고 연마하도록 하기에 충분히 두꺼울 수 있다. 성장된 다이아몬드 필름의 성장 측 면상 광학 수준 마감을 달성한 후, 다이아몬드 필름과 희생 기판 조합은 화학적으로 및/또는 기계적으로 희생 기판 제거 공정을 거칠 수 있다. 이 공정 종료시, 상기 얇은 다이아몬드 필름은 광학적 마감을 갖는 양 표면(성장 및 성핵)을 포함한다.
다결정성 다이아몬드 필름의 성장 측 면이 다이아몬드 필름의 성핵 측 면보다 우수한 열 전도율을 가질 수 있음이 공지되어 있다. 이러한 경우, 다이아몬드의 성장 측 표면만이 광학적으로 마감될 필요가 있다. 그러므로, 또 다른 예로, 규소 등의 희생 기판은, 광학 마감 없이(예: 화학적으로 에칭되고/되거나 기계적으로 래핑된 표면) 희생 기판으로서 사용될 수 있다.
일례로, 희생 기판 상에서 성장된 하나의 다이아몬드 필름의 성핵 측 면은 구리 등의, 다른, 통상적인 열 관리 물질과 비교하여 이의 열 전도율에 있어서 우수할 수 있다. 그러므로, 광학적으로 마감된 다이아몬드 표면의 성핵 측 면을 갖는 것이 충분하다. 이러한 경우, 또 다른 예는 다이아몬드 필름의 성핵 측 면에 대한 광학 마감 표면을 갖는, 규소 등의 희생 기판을 사용하는 것이다. 다이아몬드 필름 성장 후, 성장 표면(성핵 측 면의 반대면)은 임의로 평평하게 래핑된 후, 화학적 에칭 및/또는 기계적 래핑/연삭에 의하여 희생 기판을 제거할 수 있다. 이러한 공정은 통상적인 연마 공정에 의존하지 않고 성핵 측 면 상의 광학 마감 표면을 갖는 얇은(예: ≤ 400×10-6m) 다이아몬드 필름을 발생시켜, 다이아몬드 필름의 연마 동안 부서지거나 파괴할 위험을 피할 수 있다.
또 다른 예로, 하나 이상의 광학 마감 표면을 갖는 희생 기판 상에서 다이아몬드 필름을 CVD 성장시킨 후, 다이아몬드 필름의 광학 마감(성핵) 표면(희생 기판의 제거 후)은 예를 들면, 항반사 코팅, 빔 스플리터 코팅, 전체 반사 코팅 등의 광 관리 코팅으로 피복할 수 있다. 이러한 다이아몬드 필름은 또한 특정 적용에 대한 상이한 기하 치수로 레이저-절단될 수도 있다. 레이저-절단은 다이아몬드 층이 여전히 희생 기판(예: 규소) 상에 있는 동안 수행될 수 있고, 여기서, 레이저-절단 전에, 성장된 다이아몬드 표면은 임의로 래핑되고/되거나 연마될 수 있다.
일례로, 다이아몬드 필름은 광학 품질을 가질 수 있다(적외선, 근적외선, 가시선 또는 UV 광 등의 전자기파의 저 흡수를 갖고, 0.5/cm 이하의 흡광도를 가짐). 일례로, 다이아몬드 필름은 또한 마이크로파 적용에 대한 낮은 손실 탄젠트(손실 탄젠트 1×10-2 이하)를 가질 수도 있다. 일례로, 다이아몬드 필름은 또한 기계적 및/또는 열 등급 다이아몬드일 수도 있다(이는 색상이 어두울 수 있고, 열 전도율이 800W/m-K 이상일 수 있음). 일례로, 다이아몬드 필름은 또한 검출기 등급 다이아몬드(100μ 이상의 전하 수집 거리를 가짐) 및/또는 전기화학 등급 다이아몬드일 수 있다.
일례로, 다이아몬드 필름은 마이크로파 지원 플라즈마 CVD 공정, 핫-필라멘트 CVD 공정, 열 분무 CVD 공정, 아크 방전 플라즈마 CVD 공정, 직류 열 플라즈마 CVD 공정, 무선 주파수 플라즈마 CVD 공정, 수계 플라즈마 CVD 공정, 아세틸렌 토치 플라즈마 CVD 공정, 초고주파수 플라즈마 CVD 공정 등을 통하여 성장될 수 있다.
일례로, 다이아몬드 필름에 대한 성장 온도는 600 내지 1300℃ 또는 그 이상의 범위일 수 있다. 일례로, 다이아몬드 필름의 성장 속도는 시간당 서브마이크론 내지 시간당 20μ 또는 그 이상일 수 있다. 일례로, 다이아몬드 필름을 성장시키는 CVD에 대한 메탄 농도는 수소 중의 1% 미만 내지 5%까지의 범위일 수 있다. 일례로, 기타 첨가제, 예를 들면, 산소, 일산화탄소, 이산화탄소, 질소, 붕소 등은 또한 다이아몬드 성장 속도 조절 및/또는 다이아몬드 품질 조절을 목적으로 CVD 성장 환경으로 첨가할 수도 있다.
일례로, 광학 마감되거나 마감되지 않은, 규소 등의 희생 기판의 표면은 다이아몬드 분말 또는 슬러리로 러빙하여; 또는 다이아몬드 터닝에 의하여, 수성 다이아몬드 슬러리 또는 유기 다이아몬드 슬러리로 초음파 처리하여 다이아몬드 입자로 씨딩될 수 있다
일례로, 다이아몬드 성장을 위한 규소 등의 희생 기판은 직경 ≥ 25mm, 직경 ≥ 2"(50.8mm), 직경 ≥ 66mm, 직경 ≥ 3"(76.2mm), 직경 ≥ 4"(101.6mm), 또는 직경 ≥ 5"(127mm)일 수 있다.
일례로, 규소 등의 희생 기판의 두께는 ≥ 2mm, ≥ 4mm, ≥ 6mm, 또는 ≥ 8mm일 수 있다.
일례로, 희생 기판(일례로 규소)의 표면은 예를 들면, 래핑 및/또는 연마를 통하여, 광학 마감되고/되거나, 화학적으로 에칭되고/되거나, 기계적으로 마감될 수 있다. 일례로, 희생 기판(일례로 규소)의 광학 마감 표면의 표면 조도(Ra)는 ≤ 20nm, ≤ 15nm, ≤ 10nm, ≤ 5 nm, 또는 ≤ 2nm일 수 있다.
일례로, 다이아몬드 구조의 광학 마감 표면을 필요로 하는, 예를 들면, 돔(도 5a), 원추(도 5b), 피라미드(도 5c), 비구면(도 5d), 포물선(도 5e), 쌍곡선(도 5f), 및 어떠한 기타 비평면 기하 등의, 비평면 형상 다이아몬드 구조에 대하여, 다이아몬드 표면을 연마하는 것이 곤란하다. 이것이 가능하더라도, 하나의 두껍고 큰 치수의 다이아몬드 블록을 이러한 비평면 형상으로 연마하는 것은 과도한 시간 및 비용을 필요로 하고, 낭비되는 다이아몬드의 양이 심할 것이다. 그러므로, 일례로, CVD 다이아몬드는 최종 다이아몬드 기판의 목적하는 윤곽 또는 형상의 음성인 광학 마감 표면 윤곽을 갖는 희생 기판(예: 규소)으로 성장시킬 수 있다. 다이아몬드 성장 이후, 희생 기판(예: 규소)은 에칭(예를 들면, KOH 또는 HF를 사용)에 의하여 화학적으로 제거하고/하거나, 연삭 및 래핑에 의하여 기계적으로 제거할 수 있다. 일례로, 상부에 다이아몬드 필름이 CVD 성장되는 희생 기판의 비평면 표면의 윤곽은 다이아몬드 터닝 공정 또는 통상적인 광학 가공 공정에 의하여 가공될 수 있다. 희생 기판의 비평면 표면은 하나 이상의 통상적인 가공 공정을 사용하여 형성될 수 있는 어떠한 적합하고/하거나 바람직한 형상으로 제조될 수 있으며, 이러한 형상은 예를 들면, 돔(도 5a), 원추(도 5b), 피라미드(도 5c), 비구면(도 5d), 포물선(도 5e), 쌍곡선(도 5f) 및 기타 비평면 기하를 포함한다
본원에 기재된 다이아몬드 필름 예는 광/전자기파 관리용 광학 창; 전자공학, 광학 및 광전자공학 장치에 대한 열 관리용 기판; 화학적 불활성, 음파 관리, 전자기파 관리, 마찰 조절 및 검출기를 수반하는 용도용 기판; 및 예를 들면, 이들로 제한되지는 않지만, 밀링, 절단, 드릴링, 레이싱(lacing) 등에서의 기계적 사용용 물질로서 사용될 수 있다.
또 다른 예로, 다이아몬드 필름, 기판 또는 창은 ≤ 20/cm, 또는 ≤ 15/cm, 또는 ≤ 10/cm, 또는 ≤ 7/cm, 또는 ≤ 5/cm의 차단 렌즈로부터 34cm 거리에서 1.06μ 파장 광 산란 계수를 가질 수 있다. 이러한 광 산란 계수는 광학 적용, 열 관리 적용, 음향 관리 적용 등에 바람직할 수 있다.
또 다른 예로, 다이아몬드 필름, 기판 또는 창은 다이아몬드 성핵 밀도가 ≥ 1.0×105/㎠, 또는 ≥ 1.0×106/㎠, 또는 ≥ 1.0×107/㎠, 또는 ≥ 1.0×108/㎠, 또는 ≥ 1.0×109/㎠일 수 있다. 이러한 다이아몬드 성핵 밀도는 음향 관리용 음파; 열 관리용 포논; 및 광 관리용 광자를 수송하기에 바람직할 수 있다. 이러한 다이아몬드 성핵 밀도는 또한 기계적 적용; 저 다공도가 바람직한 화학적 불활성; 표면 마찰 조절 등에 바람직할 수도 있다.
다음 실시예 및 비교예는 예시하기 위한 것이지 제한하려는 것이 아니다.
주사 전자 현미경(SEM)의 이미지는 에너지 분산형 분석 X-선(EDAX) 검출기를 갖춘 주사 전자 현미경 상에서 수집하였다.
라만 스펙트럼들은 라만 현미경(공초점)에 의하여 수집되었다. 라만 분광법은 다이아몬드, 단일 결정 또는 다결정의 특징화에 대한 표준으로서 광범위하게 사용된다. 이는 탄소의 상이한 형태(동소체)(예: 다이아몬드, 흑연, 버키볼 등) 각각의 쉽게 구별 가능한 특징을 제공한다. 광 루미네선스(PL) 기술과 결합하여, 이는 상 순도, 결정 크기 및 배향, 결함 수준 및 구조, 불순물 유형 및 농도, 및 응력 및 변형을 포함한 다이아몬드의 다양한 특성을 연구하는 비파괴적 방법을 제공한다. 특히, 1332cm-1에서의 일차 다이아몬드 라만 피크의 폭(반치전폭, FWHM)뿐만 아니라, 다이아몬드 피크와 흑연 피크(1350cm-1에서의 D-밴드 및 1600cm-1에서의 G-밴드) 사이의 라만 강도 비는 다이아몬드 품질의 직접적인 지표이다. 추가로, 다이아몬드 그레인 및 필름에서의 응력 및 변형 수준은 다이아몬드 라만 피크 이동으로부터 평가될 수 있다. 등방 응력하의 다이아몬드 라만 피크 이동 속도는 약 3.2cm-1/GPa이며, 피크는 인장 응력하에 더 낮은 파수 및 압축 응력하에 더 높은 파수로 이동한다는 것이 보고된 바 있다. 이하에 제시된 라만 스펙트럼들은 514nm 여기 레이저를 갖는 라만 분광기를 사용하여 수집되었다.
하나의 연마된 다이아몬드 필름 또는 하나의 규소의 표면의 표면 조도(Ra) 및 피크 대 밸리(PV) 측정치는 20X 대물 렌즈를 갖는 간섭계를 통하여 수득하였다. 측정된 면적은 200μ×350μ이었다.
마이크로파 플라즈마에 의하여 강화된 다이아몬드의 화학적 증착은 당해 기술분야에 익히 공지되어 있다. 도 2는 본원에 기재된 방식으로 다결정성 다이아몬드(4)를 성장시키는 데 사용될 수 있는 예시적인 마이크로파 플라즈마 CVD 시스템(2)의 개략도를 나타낸다. 도 2에 나타낸 CVD 시스템(2)의 사용시, 수소 및 메탄을 포함하는 반응성 기체의 혼합물(6)은 마이크로파 플라즈마 CVD 반응기(16)로 유입(flowing into)된다. 반응성 기체의 혼합물(6)의 유량은 질량 유동 조절기(8)에 의하여 조절된다. 배기 가스(10)는 CVD 반응기(16)에서 통상적으로 진공 펌프(12)로 유출(flowing out)된다. 마이크로파 에너지는 통상적으로 마그네트론(14)에 의하여 발생되고, 석영 창(18)을 통하여 CVD 반응기(16)로 유도된다. 반응기(16) 내부에, 마이크로파 에너지는 플라즈마(20)로 전환되고 이는 반응성 기체(6)의 수소 분자를 수소 유리 라디칼로 라디칼화시킬뿐만 아니라, 반응성 기체(6)의 메탄 분자를 메틸 유리 라디칼, 메틸렌 유리 라디칼, 메틴 유리 라디칼 및 탄소수 2 이상의 2급 또는 3급 유리 라디칼로 라디칼화시킨다. CVD 반응기(16)의 기저에, 상부에 다결정성 다이아몬드 필름(4)이 성장하는 기판(24)을 지지하는 기판 홀더(22) 또는 지지체가 위치한다. 규소, 티탄, 니오브, 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈, 또는 어떠한 적합한 탄화물 형성제의 기판(24)이 기판 홀더(22) 상에 위치할 수 있다.
플라즈마(20)가 상부에 위치하는 동안, 탄소 화학종을 함유하는 라디칼화된 유리 라디칼이 기판(24)의 표면에 충격을 가하고, 이는 "히트 앤드 스틱(hit and stick)"이라고 하는 메커니즘에 의하여 탄소 화학종의 고정으로 이어진다. 플라즈마(20)에 의하여 생성된 수소 유리 라디칼은 여전히 수소원자를 함유하는 고정된 표면 탄소 화학종에 충격을 가하고 이러한 고정된 탄소 화학종에서 떨어져 수소원자를 추출하여, 모든 수소원자가 추출될 때까지 더 적은 수의 수소원자를 함유하는 C-C 결합을 형성하기 위한 표면 탄소 유리 라디칼을 형성시킨다. 일부 순수한 탄소 대 탄소 결합은 자연 상태에서 sp3일 수 있고, 이는 다이아몬드 격자에 대하여 바람직하다. 일부 순수한 탄소 대 탄소 결합은 자연 상태에서 sp2일 수 있고, 이는 자연 상태에서 흑연성이므로 바람직하지 않다. 그러나, 수소 유리 라디칼은 다이아몬드 격자에서 떨어져 sp3 탄소를 스트립하는 것보다 신속하게 흑연 화학종에서 떨어져 sp2 탄소를 스트립핑할 수 있다.
반응성 기체의 혼합물(6) 중의 수소와 메탄의 농도는, 플라즈마(20) 크기가 기판(24)의 표면을 커버하기에 충분히 큰 크기가 되는 경우, 성장 온도 이외에 다이아몬드 성장에 대한 결정적인 파라미터임이 당해 기술분야에 익히 공지되어 있다. 반응기(16) 내부의 마이크로파 전력 및 압력은 고도로 기판 크기 의존적이다. 당업자는 본원에 개시된 절차 및 지시를 따라 플라즈마(20)를 양질의 다이아몬드 필름, 창 또는 기판의 씨딩, 증착 및 성장을 목적으로 상이한 크기의 기판(24)을 커버하기에 충분히 큰 적합한 크기로 조정할 수 있어야 한다.
다음 실시예 및 비교예 각각에서, 도 2에 나타낸 참조 번호는 유사하거나 기능적으로 동등한 구성 요소에 대하여 사용된다.
실시예 1: 한 표면이 광학 마감을 갖는 다이아몬드 필름 제조
일례로, 도 3a-3c를 참조하고, 계속해서 도 2를 참조하여, 직경이 66mm이고 두께가 11.5mm인 하나의 단일 결정 규소를 통상적인 규소 가공 공정을 사용하여 가공하고, 실리콘 기판(24)으로서 사용하였다. 기판(24)의 표면(1)을 Ra가 6 내지 7nm인 광학 마감 표면으로 다이아몬드 터닝하였다. 트렌치의 "II-VI" 패턴을 실리콘 기판(24)의 표면(1)으로 다이아몬드-터닝하여 "II-VI" 로고를 또한 리세스 기계가공(machining recessively)하였다. 그 다음, 실리콘 기판(24)을 CVD 반응기(16)에 위치시키며, 다이아몬드-터닝된 광학 마감 표면(표면(1))은 석영 창(18)을 향한다. 수소와 메탄, 예를 들면, 수소 1,850㎖/min와 메탄 13.6㎖/min을 포함하는 반응성 기체의 혼합물(6)을 질량 유동 조절기(8)의 조절하에 마이크로파 플라즈마 CVD 반응기(16)로 유입하였다. 플라즈마(20) 점화 후, 마그네트론(14) 전력 및 반응기(16) 압력을 플라즈마(20) 크기가 실리콘 기판(24)의 표면(1)을 커버하도록 조정하였다. 실리콘 기판(24)의 중심에서의 다이아몬드 성장 온도는 예를 들면, 광 고온계(26)를 통하여 800℃로 조절하였다. 다이아몬드 성장 168시간 후, 성장 반응을 중지시키고, 두께가 285μ인 다결정성 다이아몬드 필름(4)을 실리콘 기판(24)의 표면(1) 상에 맞추어 증착시켰다. 그 다음, 실리콘 기판을 승온에서 KOH 용액으로 다이아몬드 필름(4)에서 스트립핑 오프시킨 다음, HF-HNO3 스트립핑시켜, 직경 66mm, 두께 285μ, 종횡비 231의 자립형 다이아몬드 필름(4)을 수득하였다. 실리콘 기판(24)의 표면(1) 상에서 성장한 자립형 다이아몬드 필름(4)의 성핵 표면은 9.1nm의 표면 조도(Ra)를 갖는 것으로 측정되어, 광학 마감인 것으로 여겨졌다.
도 3a는 광학적으로 투명한 자립형 다이아몬드 필름(4)의 성핵 표면 또는 측면의 이미지이다. 도 3a에서 알 수 있는 바와 같이, 기판(24)의 표면(1)의 다이아몬드 터닝된 트렌치로 맞추어 성장한 II-VI 로고는 하나의 다이아몬드, 예를 들면, 다이아몬드 필름(4)의 비평면 표면이 다이아몬드를 하나 이상의 통상적인 가공 공정에 의하여 쉽게 가공될 수 있는 희생 기판(예: 규소)의 "음성" 표면으로 맞추어 성장시켜 달성될 수 있음을 입증한다. 중요하게는, 도 3a에 나타낸 다이아몬드 필름(4)의 비평면(성핵) 표면은 광학 마감을 갖는다. 도 3b 및 3c는 도 3a에 나타낸 다이아몬드 필름(4)의 성핵 측 면(Ra=9.1nm) 및 성장 측 면의 현미경 사진이다.
또 다른 예로, 직경 66mm 및 두께 11.5mm의 하나의 제2 단일 결정 규소를 통상적인 규소 가공 공정을 사용하여 가공하고, 실리콘 기판(24)으로서 사용하였다. 당해 실리콘 기판(24)의 표면(1)을 Ra가 6 내지 7nm인 광학 마감 표면으로 다이아몬드 터닝하였다. 그 다음, 표면(1)을 포함하는, 이러한 전체 실리콘 기판(24)은 다이아몬드-에탄올 현탁물 슬러리로 초음파 처리하였다. 그 다음, 이러한 실리콘 기판(24)을 CVD 반응기(16)로 위치시키며, 다이아몬드 터닝된 광학 마감 표면(표면(1))은 석영 창(18)을 향한다. 수소와 메탄, 예를 들면, 수소 1,850㎖/min와 메탄 13.6㎖/min을 포함하는 반응성 기체의 혼합물(6)을 질량 유동 조절기(8)의 조절하에 마이크로파 플라즈마 CVD 반응기(16)로 유입시켰다. 플라즈마(20) 점화 후, 마그네트론(14) 전력과 반응기(16) 압력을, 플라즈마(20) 크기가 실리콘 기판(24)의 표면(1)을 커버하도록 조정하였다. 실리콘 기판(24)의 중심에서 다이아몬드 성장 온도를 예를 들면, 광 고온계(26)를 통하여 800℃로 조절하였다. 다이아몬드 성장 148시간 후(다이아몬드 성장 반응을 중지시킴), 두께 233μ의 다결정성 다이아몬드 필름(4)을 석영 창(18)을 향한 실리콘 기판(24)의 표면 상에 맞추어 증착시켰다. 그 다음, 실리콘 기판(24)을 승온에서 KOH 용액으로 다이아몬드 필름(4)을 스트립핑 오프시킨 다음, HF-HNO3 스트립핑시켜, 직경 66mm, 두께 233μ, 종횡비 283의 자립형 다이아몬드 필름(4)을 달성하였다. 실리콘 기판(24)의 표면(1) 상에서 성장하는 이러한 자립형 다이아몬드 필름(4)의 성핵 표면은 표면 조도(Ra)가 약 11.5nm인 것으로 측정되었고, 광학 마감인 것으로 여겨졌다.
이러한 후자의 예시적인 다이아몬드 필름(4)의 품질은 도 4에 나타낸 바와 같이, 라만 분광법을 통하여 연구되었으며, 이는 약 2.8cm-1의 협소한 FWHM(하나의 참조 단일 결정 다이아몬드에 대한 3.5cm-1의 FWHM과 비교하여)과, 성장 측 면 상의 다이아몬드 필름(4)내 응력이 존재하지 않음을 제시하는, 1331.9와 1332.1cm-1 사이에서 집중된 라만 피크로 입증되는 바와 같이, 성장 측 면 상의 다이아몬드 결정이 탁월한 품질을 가짐을 나타낸다. 성핵 측 면 상의 다이아몬드 결정은 또한, 약 3.8 내지 4.1cm-1의 FWHM과, 성핵 측 면 상의 다이아몬드 필름(4)내 낮은 응력을 나타내는, 1331.6cm-1에 집중된 라만 피크로 입증되는 바와 같이, 우수한 품질을 갖는다.
실시예 2: 한 표면 또는 두 표면이 광학 마감을 갖는 다이아몬드 필름 제조
또 다른 예로, 직경이 2in(50.8mm)이고 두께가 10mm인 하나의 단일 결정 규소(2)를 통상적인 규소 가공 공정을 사용하여 가공하고, 실리콘 기판(24)으로서 사용하였다. 이러한 실리콘 기판(24)의 양 표면을 통상적인 화학적-기계적 연마 공정을 통하여 1nm 미만의 Ra로 광학적으로 가공하였다. 그 다음, 이러한 전체 실리콘 기판(24)을 다이아몬드(0.25μ)-에탄올 현탁물 슬러리로 초음파 처리하였다. 그 다음, 이러한 실리콘 기판(24)을 CVD 반응기(16)에 위치시키며, 광학 마감 표면들 중의 하나는 석영 창(18)을 향한다. 반응성 기체의 혼합물(6), 예를 들면, 수소 1,850㎖/min와 메탄 13.6㎖/min을 마이크로파 플라즈마 CVD 반응기(16)로 유입시켰다. 플라즈마(20) 점화 후, 마그네트론(14) 전력과 반응기 압력(16)을 플라즈마(20) 크기가 석영 창(18)을 향하는 실리콘 기판(24)의 표면을 커버하도록, 터닝하였다. 실리콘 기판(24)의 중심에서의 다이아몬드 성장 온도는 예를 들면, 광 고온계(26)를 통하여, 800℃로 조절하였다. 다이아몬드 성장 140시간 후, 성장 반응을 중지시켜, 석영 창(18)을 향한 실리콘 기판(24)의 표면 상에 맞추어 증착된 두께가 200 내지 220μ인 다결정성 다이아몬드 필름(4)을 수득하였다. 다이아몬드 필름(24)의 성장 표면은 다이아몬드 필름(24)이 여전히 실리콘 기판(24) 상에 존재하는 동안, 래핑시키고 Ra 5.0nm의 표면 조도로 연마하였다. 래핑 및 연마 후, 실리콘 기판(24) 상의 다이아몬드 필름(4)의 두께는 약 125μ이었다. 그 다음, 실리콘 기판(24)에서 다이아몬드 필름(4)을 승온에서 KOH 용액으로 스트립핑 오프시킨 다음, HF-HNO3 스트립핑시켜, 직경 2in(50.8mm), 두께 125μ, 종횡비 406의 자립형 다이아몬드 필름(4)을 수득하였다. 자립형 다이아몬드 필름(24)의 양 표면은 광학 마감 품질을 가져서, 광학 창 또는 기타 적용용 기판으로서의 용도를 위하여 적용 가능하였다.
또 다른 예로, 직경이 2in(50.8mm)이고 두께가 10mm인 하나의 제2 단일 결정 규소를 통상적인 규소 가공 공정으로 가공하고 실리콘 기판(24)으로서 사용하였다. 이러한 실리콘 기판(24)의 양 표면은 통상적인 화학적-기계적 연마 공정을 통하여 1nm 미만의 Ra로 광학 마감되었다. 그 다음, 이러한 전체 실리콘 기판(24)은 다이아몬드-메탄올 현탁물 슬러리로 초음파 처리되었다. 이러한 실리콘 기판(24)은 그 다음 CVD 반응기(16)에 위치시키고(도 2), 광학 마감 표면들 중의 하나는 석영 창(18)을 향한다. 반응성 기체의 혼합물(6), 예를 들면, 수소 2,700㎖/min와 메탄 16.2㎖/min을 질량 유동 조절기(8)의 조절하에 마이크로파 플라즈마 CVD 반응기(16)로 유입시켰다. 플라즈마(20) 점화 후, 마그네트론(14) 전력 및 반응기(16) 압력을 플라즈마(20) 크기가 석영 창(18)을 향한 실리콘 기판(24)의 표면을 커버하도록 조정하였다. 실리콘 기판(24)의 중심에서의 다이아몬드 성장 온도를 예를 들면, 광 고온계(26)를 통하여 832 내지 866℃로 조절하였다. 다이아몬드 성장 72시간 후, 성장 반응을 중지시켜 석영 창(18)을 향한 실리콘 기판(24)의 표면 상에 맞추어 증착된 두께가 110 내지 130μ의 다결정성 다이아몬드 필름(4)을 수득하였다. 그 다음, 다이아몬드 필름(4)이 실리콘 기판(24) 상에 여전히 존재하는 동안, 다이아몬드 필름(4)의 성장 표면을 래핑시키고 5.8nm의 표면 조도(Ra)로 연마하였다. 래핑 및 연마 후, 실리콘 기판(24) 상의 다이아몬드 필름(4)의 두께는 60 내지 70μ였다. 그 다음, 실리콘 기판(24)을 승온에서 KOH 용액으로 다이아몬드 필름(4)에서 스트립핑 오프시킨 다음, HF-HNO3 스트립핑시켜, 직경 2in(50.8mm), 두께 60-70μ, 종횡비 781의 자립형 다이아몬드 필름(4)을 수득하였다. 자립형 다이아몬드 필름(4)의 양 표면은 광학 창 또는 기타 적용에 대한 기판으로서의 용도로서 적용 가능한, 광학 마감 품질을 가졌다.
또 다른 예로, 직경이 2in(50.8mm)이고 두께가 10mm인 하나의 제3 단일 결정 규소를 통상적인 규소 가공 공정을 사용하여 가공하고, 실리콘 기판(24)으로서 사용하였다. 이러한 실리콘 기판(24) 양 표면을 통상적인 화학적-기계적 연마 공정을 통하여 1nm 미만의 Ra로 광학적으로 마감하였다. 그 다음, 이러한 전체 실리콘 기판(24)을 0.25μ 다이아몬드 슬러리로 러빙시키고, 통상적인 세정을 후속하였다. 그 다음, 이러한 실리콘 기판(24)을 CVD 반응기(16)에 위치시키고(도 2), 하나의 다이아몬드-슬러리 러빙된 광학 마감 표면은 석영 창(18)을 향하였다. 반응성 기체의 혼합물(6), 예를 들면, 수소 2,700㎖/min와 메탄 16.2㎖/min을 질량 유동 조절기(8)의 조절하에 마이크로파 플라즈마 CVD 반응기(16)로 유입하였다. 플라즈마(20) 점화 후, 마그네트론(14) 전력 및 반응기(16) 압력을 플라즈마(20) 크기가 석영 창(18)을 향한 실리콘 기판(24)의 표면을 커버하도록 조정하였다. 실리콘 기판(24)의 중심에서의 다이아몬드 성장 온도를 예를 들면, 광 고온계(26)를 통하여 794 내지 835℃로 조절하였다. 다이아몬드 성장 95시간 후, 성장 반응을 중지하여 석영 창(18)을 향한 실리콘 기판(24)의 표면 상에 맞추어 증착된 직경 2in(50.8mm), 두께 156μ의 다결정성 다이아몬드 필름(4)을 수득하였다. 다이아몬드 필름의 종횡비는 326이었다. 다이아몬드 필름(4)으로부터 실리콘 기판(24)을 스트립핑 후, 다이아몬드 필름(4)의 성핵 측 면의 표면 조도는 7.7nm로 측정되었고, 다이아몬드 필름(4)의 성장 측 면의 표면은 성장된 다이아몬드 표면에 대하여 통상적인 조도를 갖는 것으로 결정되었다.
실시예 3: 화학적으로 에칭된 양 표면을 갖는 단일 결정 Si 기판(직경 166mm × 두께 10mm) 상에서 성장된 다이아몬드 필름(들) - 한 표면이 광학 마감을 갖는 다이아몬드 필름 제조
또 다른 예로, 직경이 166mm이고 두께가 10mm인 하나의 단일 결정 규소를 통상적인 규소 가공 공정을 사용하여 가공하고 실리콘 기판(24)으로서 사용하였다. 이러한 실리콘 기판(24)의 양 표면을 통상적인 화학적-에칭 공정을 통하여 918nm의 표면 조도(Ra)로 마감하였다. 그 다음, 이러한 전체 실리콘 기판(24)을 다이아몬드 분말로 러빙하고, CVD 반응기(16)에 위치시켰다(또 2). 반응성 기체의 혼합물(6), 예를 들면, 수소 2,800㎖/min와 메탄 84㎖/min을 질량 유동 조절기(8)의 조절하에 마이크로파 플라즈마 CVD 반응기(16)로 유입시켰다. 플라즈마(20) 점화 후, 마그네트론(14) 전력 및 반응기(16) 압력을 양질의 창(18)을 향한 실리콘 기판(24)의 표면을 커버하도록 조정하였다. 실리콘 기판(24)의 중심에서의 다이아몬드 성장 온도를 예를 들면, 광 고온계(26)를 통하여 1120℃로 조절하였다. 다이아몬드 성장 44시간 후, 성장 반응을 중지시켜 석영 창(18)을 향한 실리콘 기판(24)의 표면 상에 맞추어 증착된 두께가 350μ인 다결정성 다이아몬드 필름(4)을 수득하여, 규소상 다이아몬드 복합체를 형성하였다. 다이아몬드 필름(4)이 여전히 실리콘 기판(24) 상에 존재하는 동안, 다이아몬드(4) 성장 표면을 평평하게 래핑시켰다. 래핑(lapping) 후, 다이아몬드 필름(4) 두께는 300μ이었다. 그 다음, 이러한 규소상 다이아몬드 복합체를 규소 표면상에서 약 1.7-1.8mm의 합한 두께로 다시 래핑시켰다. 도 6a 및 6b는 당해 실시예의 래핑된 규소상 다이아몬드 복합체의 근접 단면도(시계 = 각각 4.33mm 및 649.6㎛)를 나타낸다.
그 다음, 래핑된 다이아몬드 필름(4)을 광학 마감으로 추가로 연마시켜, 직경이 166mm인 실리콘 기판(24)상 얇은 다이아몬드 필름(4)(즉, 두께 300μ 미만)을 제조하며, 이는 광학 미러, 또는 전자공학, 광학 또는 광전자공학 장치용 기판으로서 사용될 수 있다.
그 다음, 노출된 다이아몬드 성장 표면을 연마하기 위해, 직경 50mm 하나와 직경 1in(25.4mm) 수 개로 다이아몬드 복합체를 레이저 절단하였다. 직경 50mm의 규소상 다이아몬드 복합체 조각의 노출된 다이아몬드 성장 표면을 1nm의 Ra로 연마하고, 마감된 다이아몬드 두께는 170-180μ이었다. 그 다음, 실리콘 기판을 승온에서 KOH 용액으로 50mm 직경의 조각에서 스트립핑 오프시킨 다음, HF-HNO3 스트립핑시켜, 직경 50mm, 중심에서의 두께 133μ, 가장자리 둘레의 두께 144-176μ, 중심 종횡비 376의 하나의 자립형 다이아몬드 필름을 수득하였다. 직경이 50mm인 자립형 다이아몬드 필름의 광학적으로 마감된 성장 표면은 광학 미러 또는 열 관리 등의 기타 적용용 기판으로서 사용하기 위하여 적용 가능하다. 직경 50mm의 다이아몬드 필름의 성핵 측 면은 표면 조도(Ra)가 약 799nm로, 이는 화학적으로 에칭된 규소 표면의 표면 조도(약 918nm)와 유사하다. 규소상 다이아몬드 복합체 50mm 조각로부터 실리콘 기판을 제거하는 데 대한 대안으로, 실리콘 기판을 박막화시키고 연마하여 하나 이상의 광학적으로 마감된 다이아몬드 표면을 갖는 다이아몬드-실리콘 복합체의 50mm 조각이 수득되도록 한다.
실시예 4: 화학적으로 에칭된 양 표면을 갖는 다결정성 Si 기판(직경 166mm × 두께 10mm) 상에서 성장된 다이아몬드 필름 - 한 표면이 광학 마감을 갖는 다이아몬드 필름 제조
또 다른 예로, 직경이 166mm이고 두께가 10mm인 하나의 다결정성 규소를 통상적인 규소 가공 공정을 사용하여 가공하고 실리콘 기판(24)으로서 사용하였다. 이러한 실리콘 기판(24)의 양 표면을 통상적인 화학적-에칭 공정을 통하여 816nm의 표면 조도(Ra)로 가공하였다. 그 다음, 이러한 전체 실리콘 기판(24)을 다이아몬드 분말로 러빙하고 CVD 반응기(16)에 위치시켰다(도 2). 반응성 기체의 혼합물(6), 예를 들면, 수소 2,800㎖/min와 메탄 84㎖/min을 질량 유동 조절기(8)의 조절하에 마이크로파 플라즈마 CVD 반응기(16)로 유입시켰다. 플라즈마(20) 점화 후, 마그네트론(14) 전력 및 반응기(16) 압력을 플라즈마(20) 크기가 양질의 창(18)을 향한 실리콘 기판(24)의 표면을 커버하도록 조정하였다. 실리콘 기판(24)의 중심에서의 다이아몬드 성장 온도를 예를 들면, 광 고온계(26)를 통하여 1120℃로 조절하였다. 다이아몬드 성장 24시간 후, 성장 반응을 중지시켜 석영 창(18)을 향한 실리콘 기판(24)의 표면 상에 맞추어 증착된 두께 175μ의 다결정성 다이아몬드 필름(4)을 수득하였다. 다이아몬드 필름(4)이 실리콘 기판(24) 상에 여전히 존재하는 동안, 다이아몬드(4) 성장 표면을 평평하게 래핑시킨 다음, 광학 마감으로 연마시켰다. 그 다음, 실리콘 기판(24)을 승온에서 KOH 용액으로 다이아몬드 필름(4)에서 스트립핑시킨 다음, HF-HNO3 스트립핑시켜, 직경 166mm, 두께 175μ 미만, 종횡비 948의 하나의 자립형 다이아몬드 필름(4)을 수득하였다. 광학적으로 마감된 다이아몬드 성장 표면은 광학 미러 또는 열 관리 등의 기타 적용용 기판으로서 사용될 수 있다. 실리콘 기판(24)을 제거하는 데 대한 대안으로, 실리콘 기판(24)을 박막화시키고 연마하여 하나 이상의 광학 마감으로 마감된 다이아몬드 성장 표면을 갖는 다이아몬드-실리콘 복합 기판이 수득되도록 하며, 이는 광학 미러, 또는 전자공학, 광학 또는 광전자공학 장치용 기판으로서 유용할 수 있다.
실시예 5: 화학적 기계적 연마에 의한 광학적으로 마감된(예: Ra 1.3nm) 한 표면을 갖는 다결정성 Si 기판(직경 166mm × 두께 10mm) 상에서 성장된 다이아몬드 필름(들) - 한 표면 또는 양 표면이 광학 마감을 갖는 다이아몬드 필름의 제조
또 다른 예로, 직경 166mm 및 두께 10mm의 하나의 다결정성 규소를 통상적인 규소 가공 공정을 사용하여 가공하고 실리콘 기판(24)으로서 사용하였다. 이러한 실리콘 기판(24)의 양 표면을 통상적인 화학적-에칭 공정을 통하여 816nm의 표면 조도(Ra)로 마감하였다. 그 다음, 실리콘 기판(24)의 표면(1)을 화학적 기계적 연마 공정을 통하여 광학 마감(Ra 약 1.3nm)으로 연마하였다. 그 다음, 이러한 전체 실리콘 기판(24)을 수성 다이아몬드 슬러리로 초음파 처리하고, 석영 창(18)을 향하는 광학 마감 표면(표면(1))을 갖는 다이아몬드 성장에 대한 CVD 반응기(16)(도 2)에 위치시켰다. 반응성 기체의 혼합물(6), 예를 들면, 수소 2,800㎖/min와 메탄 16.8㎖/min을 질량 유동 조절기(8)의 조절하에 마이크로파 플라즈마 CVD 반응기(16)로 유입시켰다. 플라즈마 점화(20) 후, 마그네트론(14) 전력 및 반응기(16) 압력을 플라즈마(20) 크기가 실리콘 기판(24)의 표면(1)을 커버하도록 조정하였다. 실리콘 기판(24)의 중심에서의 다이아몬드 성장 온도를 예를 들면, 광 고온계(26)를 통하여 846 내지 868℃로 조절하였다. 다이아몬드 성장 164시간 후, 성장 반응을 중지시켜 실리콘 기판(24)의 표면(1) 상에 맞추어 증착된 직경 166mm, 두께 295μ의 다결정성 다이아몬드 필름(4)을 수득하고, 이로써 다이아몬드-실리콘 복합체를 형성하였다. 그 다음, 다이아몬드 필름(4)이 여전히 실리콘 기판(24) 상에 존재하는 동안, 다이아몬드 성장 표면을 평평하게 래핑시켰다. 래핑된 다이아몬드 성장 표면을 광학 마감으로 추가로 연마시켜, 종횡비가 563인 다이아몬드 필름(4)을 수득하였다. 이 실시예에서, 이러한 다이아몬드-실리콘 복합체의 실리콘 기판(24) 측 면을 다이아몬드-실리콘 복합체의 총 두께가 1.7-2.0mm가 될 때까지 연삭시켰다. 그 다음, 다이아몬드-실리콘 복합체를 직경이 75mm 하나, 직경이 38.5mm 두 개, 직경이 1in(25.4mm) 두 개로 레이저-절단한 다음, 각각의 조각의 노출된 다이아몬드 성장 표면을 광학 연마하여 각각의 조각에 대하여 다이아몬드 두께가 ≤ 150-200μ인 광학 마감 표면을 수득하였다. 일례로, 75mm 조각의 연마된 다이아몬드 성장 표면의 표면 조도(Ra)는 2.75nm(3.59, 2.35, 2.43, 2.57 및 2.89nm의 평균)인 것으로 측정되었다. 그 다음, 각각의 조각의 실리콘 기판을 승온에서 KOH 용액으로 스트립핑 오프시킨 다음, HF-HNO3 스트립핑시켜, 직경이 1"(25.4mm), 38.5mm 및 75mm인 자립형 다이아몬드 필름(4)을 수득하였다. 각각의 자립형 다이아몬드 필름(4)은 두께가 150μ이고 종횡비가 각각 169, 256 및 500이다. 각각의 조각의 광학 마감 다이아몬드 성장 표면은 예를 들면, 광학 창, 광학 미러 또는 열 관리 등의 기타 적용용 기판으로서 사용될 수 있다.
레이저 절단 이후 잔존하는 래핑된 다이아몬드-실리콘 복합체 조각을 승온에서 KOH 용액으로 처리하여 실리콘 기판을 스트립핑 오프시켜 하나의 자립형 다이아몬드 필름(4)을 형성하였다. 이러한 하나의 자립형 다이아몬드 필름(4)의 성핵 표면은 표면 조도(Ra)가 15.3nm인 미러-표면 마감을 가졌고 평균 그레인 크기가 약 20μ였다. 성핵 밀도의 미세 조정으로, 성핵 표면의 표면 조도는 10nm 미만으로 감소될 수 있다고 여겨진다. 실리콘 기판(24)의 제거에 대안으로, 실리콘 기판(24)은(다이아몬드 층(4)이 여전히 상부에 있는 동안) 박막화되고 연마되어 하나 이상의 광학적으로 마감된 다이아몬드 표면을 갖는 하나의 다이아몬드-실리콘 복합체를 형성할 수 있고, 이는 예를 들면, 광학 미러, 또는 전자공학, 광학, 광전자공학 장치 등의 기판으로서 사용될 수 있다.
실시예 6: 화학적 기계적 연마 공정에 의하여 한 표면이 광학 마감(Ra <1nm)을 갖는 다결정성 Si 기판(직경 166mm × 두께 10mm) 상의 다이아몬드 성장 - 한 표면 또는 양 표면이 광학 마감을 갖는 얇은 다이아몬드 필름 제조
또 다른 예로, 직경이 166mm이고 두께가 10mm인 하나의 다결정성 규소를 통상적인 규소 가공 공정을 사용하여 가공하고 실리콘 기판(24)으로서 사용하였다. 이러한 실리콘 기판(24)의 양 표면을 통상적인 화학-에칭 공정을 통하여 가공하였다. 이러한 실리콘 기판(24)의 표면(1)을 조도 Ra < 1nm인 미러 마감으로 화학적-기계적으로 연마하였다. 실리콘 기판(24)의 표면(1) 상의 높은 다이아몬드 성핵 밀도, 우수한 다이아몬드 대 규소 접착성을 실현하고, 표면(1) 상에서 성장된 다이아몬드 필름이 표면(1)으로부터 박리되는 것을 피하기 위하여, 2단계 씨딩 공정을 채용하였다.
우선, 전체 실리콘 기판(24)을 평균 크기 0.25㎛의 다이아몬드 분말/메탄올 현탁 용액으로 구성된 초음파 욕 중에서 초음파 처리한 다음, 당해 실시예 6과 관련하여 아래에 기재된 제2 다이아몬드 성핵 성장 단계에 대하여 기재된 동일한 성장 조건을 사용하여 1시간 동안 표면(1) 상의 제1 다이아몬드 성핵 성장 단계를 위해 석영 창(18)을 향한 표면(1)을 갖는 CVD 반응기(16)에 위치시켰다(도 2). 이러한 제1 다이아몬드 성핵 단계로 실리콘 기판(24)의 표면(1) 상의 저밀도 다이아몬드 성핵(<105/㎠)을 수득하였다. 그 다음, 제1 단계 다이아몬드 성핵을 포함하는 이러한 실리콘 기판(24)을 CVD 반응기(16)로부터 제거하고, 초음파 욕 중의 나노-결정 다이아몬드 분말(통상적인 입자 크기 < 20nm)/ 메탄올 현탁 용액 중에서 초음파 처리하였다.
나노-결정 다이아몬드 분말/ 메탄올 현탁 용액 중의 초음파 처리 후, 제1 단계 다이아몬드 성핵을 포함하는 이러한 실리콘 기판(24)을 제2 다이아몬드 성핵 성장 단계 및 제1 단계 다이아몬드 성핵 상의 연속적 다이아몬드 성장을 위해 석영 창(18)을 향한 표면(1)을 갖는 CVD 반응기(16)로 재부하시켰다. 이러한 제2 단계에서, 수소 2,800㎖/min와 메탄 16.8㎖/min의 혼합물을 질량 유동 조절기(8)의 조절하에 CVD 반응기(16)로 유입시켰다. 플라즈마(20) 점화 후, 마그네트론(14) 전력 및 반응기(16) 압력을 플라즈마(20) 크기가 실리콘 기판(24)의 표면(1), 특히 실리콘 기판(24)의 표면(1) 상의 제1 단계 다이아몬드 성핵을 커버하도록 조정하였다. 기판의 중심에서의 다이아몬드 성핵 온도는 예를 들면, 광 고온계(26)를 통하여, 800℃로 조절하였다.
다이아몬드 성장 140시간 후(제2 단계 다이아몬드 성핵 동안), 다이아몬드 성장 반응을 중지하여 실리콘 기판(24)의 표면(1) 상에 맞추어 증착된 두께 280㎛ - 종횡비 593의 다결정성 다이아몬드 필름(4)을 갖는 규소-다이아몬드 복합체를 수득하였다. 다이아몬드 필름(4)이 여전히 실리콘 기판(24) 상에 존재하는 동안, 다이아몬드 필름(4)의 다이아몬드 성장 표면을 다이아몬드 필름(4)의 연마된 다이아몬드 성장 표면의 상이한 위치에서 측정된 표면 조도(Ra) = 3.28, 6.75, 15.4, 11.4, 12.2 및 6.97nm, 종횡비 790인, 두께 210㎛로 연마하였다.
규소-다이아몬드 복합체를 5in(12.7mm) 직경 조각으로 레이저 절단 후, 실리콘 기판(24)을 승온에서 KOH 용액으로 이 조각에서 스트립핑 오프시켜, 직경 5in(127mm), 두께 210㎛, 종횡비 605의 자립형 다이아몬드 필름(4)을 수득하였다. 트레이 내에 위치한 이러한 자립형 다이아몬드 필름(4)의 사진을 도 7에 나타낸다.
자립형 다이아몬드 필름(4)의 성핵 측 면의 표면 조도는 성핵 표면 다이아몬드 필름(4)의 상이한 위치에서 측정된 평균 표면 조도(Ra) = 2.08, 2.46, 2.38, 2.07, 1.98 및 1.90nm인 것으로 측정되었다. 성핵 측 면/ 다이아몬드 필름(4)의 표면의 다이아몬드 성핵 밀도는 제2 성핵 단계 후, SEM 관찰(도 8)을 통하여, >109/㎠인 것으로 추정되었다.
둘 다 광학적으로 마감된, 성장 표면 및 성핵 표면을 갖는 이러한 자립형 다이아몬드 필름(4)은 광학 창, 미러, 또는 광학, 열 관리, 음향 관리, 검출기, 마이크로파/전자기파 관리, 기계적, 화학적 불활성, 마찰 관리 등의 적용용 기판으로서 사용될 수 있다.
대안적으로, 실리콘 기판(24)(다이아몬드 필름(4)이 여전히 부착되어 있는 동안)은 하나 이상의 광학적으로 마감된 다이아몬드 성장 표면을 갖는 다이아몬드-실리콘 복합체 조각이 수득되도록 박막화 및 연마될 수 있고, 이는 광학 미러, 또는 전자공학, 광학, 광전자공학 장치 등을 위한 기판으로서 사용될 수 있다.
실시예
7. 나노
-다이아몬드
씨딩으로
함께 광학 마감 실리콘 기판(
직경
166mm × 두께 10mm) 상에서 성장된 다이아몬드 필름의 우수한 부착 달성 실패
또 다른 예로, 직경이 166mm 이고 두께가 10mm인 하나의 다결정성 규소를 통상적인 규소 가공 공정을 사용하여 가공하고, 실리콘 기판(24)으로 사용하였다. 실리콘 기판(24)의 양 표면을 통상적인 화학적-에칭 공정을 통하여 마감하였다. 이 실리콘 기판(24)의 표면(1)을 조도 Ra < 1nm인 미러 마감으로 화학적-기계적으로 연마하였다. 그 다음, 전체 실리콘 기판(24)을 초음파 욕 중의 나노-결정 다이아몬드 분말(통상 입자 크기 < 20nm)/ 메탄올 현탁 용액 중에서 초음파 처리하였다(씨딩).
나노-결정 다이아몬드 분말/ 메탄올 현탁 용액 중에서의 초음파 처리 후, 이 실리콘 기판(24)을 표면(1)이 석영 창(18)을 향한 CVD 반응기(16)로 부하시켰다. 그 다음, 수소 2,800㎖/min와 메탄 16.8㎖/min의 혼합물을 질량 유동 조절기(8)의 조절하에 CVD 반응기(16)로 유입시켰다. 플라즈마(20) 점화 후, 마그네트론(14) 전력 및 반응기(16) 압력을 플라즈마(20) 크기가 실리콘 기판(24)의 표면(1)을 커버하도록 조정하였다. 기판 중심에서의 다이아몬드 성장 온도를 예를 들면, 광 고온계(26)를 통하여 821 내지 840℃로 조절하였다.
다이아몬드 성장 189시간 후, 다이아몬드 성장 반응을 중지하여 실리콘 기판(24)의 표면(1) 상에 맞추어 증착된 두께 320㎛의 다결정성 다이아몬드 필름(4)을 갖는 규소-다이아몬드 복합체를 수득하였다. 그러나, 이러한 다이아몬드 필름(4)은 실리콘 기판(24)으로부터 부분적(그러나 실질적으로) 박리로 손상을 입었고, 이로 인해 다이아몬드 필름(4)의 성장 표면을 이어서 연마하지 못하게 되어, 광학 마감 성장 표면을 달성하지 못하였지만, 박리된 다이아몬드 필름(4)의 성핵 표면은 평균 표면 조도(Ra)가 2 내지 4nm인 것으로 결정되었다.
실시예
8. 0.25mm 다이아몬드 입자
씨딩으로
광학 마감된
다결정성
실리콘 기판(직경 166mm ×두께 10mm) 상의 다이아몬드 성장
또 다른 예로, 직경이 166mm이고 두께가 10mm인 하나의 다결정성 규소를 통상적인 규소 가공 공정을 사용하여 가공하고, 실리콘 기판(24)으로서 사용하였다. 실리콘 기판(24)의 양 표면을 통상적인 화학적-에칭 공정을 통하여 마감하였다. 이러한 실리콘 기판(24)의 표면(1)을 조도 Ra < 1.5nm인 미러 마감으로 화학적-기계적으로 연마하였다. 그 다음, 전체 실리콘 기판(24)을 평균 크기 0.25㎛ 다이아몬드 분말/ 메탄올 현탁 용액 중의 초음파 욕 중에서 초음파 처리(씨딩)한 다음, 표면(1)이 석영 창(18)을 향한 CVD 반응기(16)에 위치시켰다(도 2).
그 다음, 수소 2,800㎖/min와 메탄 16.8㎖/min의 혼합물을 질량 유동 조절기(8)의 조절하에 CVD 반응기(16)로 유입시켰다. 플라즈마(20) 점화 후, 마그네트론(14) 전력 및 반응기(16) 압력을, 플라즈마(20) 크기가 실리콘 기판(24)의 표면(1)을 커버하도록 조정하였다. 기판 중심에서의 다이아몬드 성장 온도를 예를 들면, 광 고온계(26)를 통하여 845 내지 868℃로 조절하였다.
다이아몬드 성장 163시간 후, 다이아몬드 성장 반응을 중지하여 실리콘 기판(24)의 표면(1) 상에 맞추어 증착된 두께 295㎛ - 종횡비 563의 다결정성 다이아몬드 필름(4)을 갖는 규소-다이아몬드 복합체를 수득하였다.
다이아몬드 필름을 실리콘 기판에 부착하는 동안, 다이아몬드 필름(4)의 성장 표면을 광학적 마감(Ra 3-5nm) 및 두께(다이아몬드 필름(4)의) 99μ - 종횡비 168로 연마하였다. 다이아몬드 필름(4)이 실리콘 기판(24)에 여전히 부착되어 있는 동안, 규소-다이아몬드 복합체를 상이한 직경을 갖는 다수의 상이한 조각들로 레이저-절단한 다음, 각각의 조각의 실리콘 기판(24)을 제거하여(KOH 용액에 의하여 용해됨), 수 개의 자립형 다이아몬드 필름(4)을 형성하였다. 이들 자립형 다이아몬드 필름(4)의 성핵 표면은 평균 표면 조도(Ra)가 5 내지 9nm이고 성핵 밀도가 ≥ 105/㎠였다. 이들 자립형 다이아몬드 필름(4) 중의 하나의 두께는 99μ였고, 도 9의 그래프(a)에 나타낸 바와 같이, 산란 광 수집 렌즈로부터의 거리 34.0mm에서의 광 산란 계수가 8.22/cm인 1.06㎛ 파장 광 산란을 특징으로 하였다.
실시예 9. 제1 단계 씨딩(0.25mm 다이아몬드 입자 씨딩) 이후 제2 단계 씨딩(나노-다이아몬드 입자 씨딩)에 의한 광학 마감 실리콘 기판(직경 2in(50.8mm) × 두께 10mm) 상의 성장 다이아몬드
또 다른 예로, 직경 50.8mm × 두께 10mm의 하나의 다결정성 규소를 통상적인 규소 가공 공정을 사용하여 가공하고, 실리콘 기판(24)으로서 사용하였다. 실리콘 기판(24)의 양 표면을 조도 Ra < 1.5nm인 미러 마감으로 화학적-기계적으로 연마하였다. 그 다음, 전체 실리콘 기판(24)을 평균 크기 0.25㎛ 다이아몬드 분말/메탄올 현탁 용액 중에서 초음파 처리(씨딩)한 다음, CVD 반응기(16)에 위치시켰다(도 2).
그 다음, 수소 2,800㎖/min와 메탄 16.8㎖/min의 혼합물을 질량 유동 조절기(8)의 조절하에 CVD 반응기(16)로 유입시켰다. 플라즈마(20) 점화 후, 마그네트론(14) 전력 및 반응기(16) 압력을, 플라즈마(20) 크기가 석영 창(18)을 향한 실리콘 기판(24)의 표면(1)을 커버하도록 조정하였다. 실리콘 기판(24)의 중심에서의 다이아몬드 성장 온도를 예를 들면, 광 고온계(26)로 780℃로 조절하였다. 다이아몬드 성장 1시간 후, 다이아몬드 성장 반응을 중지하고, 다이아몬드 씨딩된 실리콘 기판(24)은 다이아몬드 입자가 실리콘 기판(24)의 표면(1) 주위에 증착된 것으로 관찰되었다.
그 다음, 다이아몬드 씨딩된 실리콘 기판(24)을 CVD 반응기(16)로부터 제거하고, 초음파 욕 중의 나노-결정 다이아몬드 분말(통상 입자 크기 < 20nm)/ 메탄올 현탁 용액 중에서 초음파 처리하였다. 그 다음, 나노-다이아몬드 처리된 다이아몬드 씨딩된 Si 기판을 표면(1)이 역시 석영 창(18)을 향한 CVD 반응기(16)로 재부하시켰다. 그 다음, 수소 2,800㎖/min와 메탄 16.8㎖/min의 혼합물을 질량 유동 조절기(8)의 조절하에 CVD 반응기(16)로 유입시켰다. 플라즈마(20) 점화 후, 마그네트론(14) 전력 및 반응기(16) 압력을, 플라즈마(20) 크기가 실리콘 기판(24)의 표면(1)을 커버하도록 조정하였다. 실리콘 기판(24)의 중심에서의 다이아몬드 성장 온도를 예를 들면, 광 고온계(26)를 통하여 790 내지 821℃로 조절하였다.
추가의 다이아몬드 성장 143시간 후, 다이아몬드 성장 반응을 중지하여 다이아몬드 필름(4) 두께 245μ - 종횡비 207의 규소-다이아몬드 복합체를 수득하였다. 다이아몬드 필름(4)이 여전히 실리콘 기판(24) 상에 존재하는 동안, 다이아몬드 성장 표면을 광학 마감(Ra 3-5nm) 및 두께(다이아몬드 필름(4)의) 197μ - 종횡비 258로 연마하였다.
그 다음, 실리콘 기판(24)을 이러한 규소-다이아몬드 복합체로부터 제거하여(KOH 용액으로 용해시킴) 자립형 다이아몬드 필름(4)을 남겼다. 이러한 자립형 다이아몬드 필름(4)의 성핵 표면은 평균 표면 조도(Ra)가 2.73nm이고 성핵 밀도가 ≥ 109/㎠이고 평활한 표면 마감을 가졌고, 이들중 후자의 2개는 예를 들면, 열 관리, 광학 관리, 반도체 장치, 마찰 조절 등의 적용에 매우 바람직하다. 이러한 자립형 다이아몬드 필름(4)은 도 9의 그래프(b)에 나타낸 바와 같이, 또한 산란 광 수집 렌즈로부터 34mm 거리에서의 광 산란 계수가 2.69/cm인 1.06㎛ 파장 광 산란을 특징으로 하였다. 1.06㎛ 파장 광 산란은 낮은 마이크론 광 산란으로 당해 기술분야에서 고려되며, 광학, 열, 음향 적용 등에 매우 바람직하다.
실시예 10. 1단계 씨딩(나노-다이아몬드 입자 씨딩)에 의한 광학 마감된 실리콘 기판(직경 2in(50.8mm) × 두께 10mm) 상의 성장 다이아몬드
또 다른 예로, 직경 50.8mm × 두께의 하나의 다결정성 규소를 통상적인 규소 가공 공정을 사용하여 가공하고, 실리콘 기판(24)으로서 사용하였다. 이러한 실리콘 기판(24)의 표면(1)을 조도 Ra < 1.5nm인 미러 마감으로 화학적-기계적으로 연마하는 한편, 다른 표면을 통상적인 화학적-에칭 공정을 통하여 에칭시켰다. 그 다음, 이러한 실리콘 기판(24)을 초음파 욕 중의 나노-결정 다이아몬드 분말(통상 입자 크기 < 20nm)/ 메탄올 현탁 용액 중에서 초음파 처리하였다.
그 다음, 이러한 실리콘 기판을 표면(1)이 석영 창(18)을 향한 CVD 반응기(16)로 부하시켰다. 그 다음, 수소 2,800㎖/min와 메탄 16.8㎖/min의 혼합물을 질량 유동 조절기(8)의 조절하에 CVD 반응기(16)로 유입시켰다. 플라즈마(20) 점화 후, 마그네트론(14) 전력 및 반응기(16) 압력을, 플라즈마(20) 크기가 실리콘 기판(24)의 표면(1)을 커버하도록 조정하였다. 실리콘 기판(24)의 중심에서의 다이아몬드 성장 온도는 예를 들면, 광 고온계(26)를 통하여 800℃로 조절하였다.
다이아몬드 성장 118시간 후, 다이아몬드 성장 반응을 중지하여 실리콘 기판(24)의 표면(1) 상에 맞추어 증착된 다이아몬드 필름(4) 두께가 190㎛인 규소-다이아몬드 복합체를 수득하였다. 다이아몬드 필름(4)이 실리콘 기판(24) 상에 여전히 존재하는 동안, 다이아몬드 성장 표면을 광학 마감 및 140μ의 두께(다이아몬드 필름(4)의)로 연마하였다.
그 다음, 실리콘 기판(24)을 이러한 규소-다이아몬드 복합체로부터 제거(KOH 용액으로 용해시킴)하여 자립형 다이아몬드 필름(4)을 남겼다. 이러한 자립형 다이아몬드 필름(4)의 성핵 표면은 평균 표면 조도(Ra)가 2 내지 3nm이고 성핵 밀도가 ≥ 109/㎠이고 평활한(smooth) 표면 마감을 가졌고, 이들중 후자의 2개는 예를 들면, 열 관리, 광학 관리, 반도체 장치, 마찰 조절 등의 적용에 매우 바람직하다.
이러한 자립형 다이아몬드 필름(4)은 도 9의 그래프(c)에 나타낸 바와 같이, 또한 산란 광 수집 렌즈로부터 34mm 거리에서의 광 산란 계수가 2.09/cm인 1.06㎛ 파장 광 산란을 특징으로 하였다.
동일한 다이아몬드 성장 조건하에 상이한 실리콘 기판(24)들에 대한 이러한 실시예 10의 원리에 따른 몇 개의 추가 실시에서는 문제가 발생하였다. 일례로, 다이아몬드 필름(4)는 실리콘 기판(24)으로부터 박리되고, 이로 인해 박리된 다이아몬드 필름의 성장 표면 상에서 추가의 연마를 수행하지 못하였다. 이들 실시예는 나노-다이아몬드 씨딩 단독은 하나 이상의 광학 마감 표면을 갖는 얇은 다이아몬드 기판의 신뢰성 있는 제조방법이 될 수 없음을 제시한다.
비교예 1: 실리콘 웨이퍼(직경 6"(15.24mm) × 두께 625μ) 상의 다이아몬드 필름 성장 실패
일례로, 3개의 실리콘 웨이퍼(24)(n-형, 직경 6"(152.4mm) 및 두께 625μ)를 제공하였다. 각각의 실리콘 웨이퍼(24)의 표면(1)을 광학 표면 마감으로 화학적-기계적으로 연마하고, 각각의 실리콘 웨이퍼(24)의 다른 측 표면을 화학적 에칭으로 마감하였다. 그 다음, 각각의 실리콘 웨이퍼(24)의 표면(1)(광학적으로 마감됨)을 다이아몬드 분말로 러빙하였다.
그 다음, 실리콘 웨이퍼들(24) 중의 하나를 다이아몬드 성장을 위하여 마이크로파 플라즈마 CVD 반응기(16) 내부에 위치시키고, 광학 마감 표면(1)은 석영 창(18)을 향하였다. 반응성 기체의 혼합물(6), 예를 들면, 수소 2,500㎖/min와 메탄 75㎖/min을 마이크로파 플라즈마 CVD 반응기(16)로 유입시켰다. 플라즈마(20) 점화 후, 마그네트론(14) 전력 및 반응기(16) 압력을 플라즈마(20)가 실리콘 웨이퍼(24)의 표면(1)을 커버하도록 하기 위하여 조정하였다. 이러한 플라즈마 조정 공정 동안, 이 실리콘 웨이퍼(24)는 다수의 작은 조각들로 부서졌다.
이 실험을 전력 및 압력률 변화를 변화시켜, 다른 2개의 실리콘 웨이퍼로 반복하여, 동일한 결과가 발생하였으며, 즉 다른 2개의 실리콘 웨이퍼들(24) 역시 다수의 작은 조각으로 부서졌다.
비교예 2: 두께 400μ 미만의 광학 마감 다이아몬드 달성 실패
일례로, 직경이 50mm, 75mm, 85mm 및 100mm인 수 개의 CVD 성장 다이아몬드를 두께가 550μ을 초과하는 성장된 다이아몬드 웨이퍼로부터 레이저 절단하였다. 그 다음, 각각의 다이아몬드 조각의 성장된 표면을 평평하게 래핑하였다. 그 다음, 이들 다이아몬드 조각의 성장 표면 또는 성핵 표면의 각각의 표면의 한 측면을 통상적인 연마 기술에 의하여 광학-마감으로 연마하였다. 다른 측면을 플립핑 오버(flipping over)하고 박막화 및 연마하면, 이들 다이아몬드 조각은 두께 400μ에 이르기 전에 부서져, 종횡비 125가 통상적인 다이아몬드 연마 공정으로 달성하기 곤란함을 제시한다.
알 수 있는 바와 같이, (1) 하나 이상의 광학 마감 표면 및 100 이상의 종횡비, 또는 (2) 두께 ≤ 400와 최대 또는 최장 기하 치수 ≥ 25mm의 조합을 포함하는 다이아몬드 필름, 기판 또는 창이 본원에 개시되어 있다.
광학 마감 표면은 표면 조도(Ra)가 ≤ 50nm, ≤ 30nm, ≤ 20nm, ≤ 15nm, 또는 ≤ 10nm일 수 있다.
최대 또는 최장 기하 치수는 ≥ 40mm, ≥ 50mm, ≥ 60mm, ≥ 70mm, ≥ 80mm, 또는 ≥ 100mm일 수 있다.
다이아몬드, 필름, 기판 또는 창의 두께는 ≤ 400μ, ≤ 350μ, ≤ 300μ, ≤ 250μ, 또는 ≤ 200μ일 수 있다.
다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 두께에 대한 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 최대 또는 최장 기하 치수의 종횡비로 정의되는 종횡비는 ≥ 100, ≥ 125, ≥ 150, ≥ 175, 또는 ≥ 200일 수 있다.
다이아몬드, 필름, 기판 또는 창은 광 차단 렌즈로부터의 거리 34cm에서의 1.06μ 광 산란 계수가 ≤ 20/cm, 또는 ≤ 15/cm, 또는 ≤ 10/cm, 또는 ≤ 7/cm, 또는 ≤ 5/cm일 수 있다.
하나의 희생 기판(예: 규소)은 다이아몬드 필름, 기판 또는 창을 성장시키는 데 사용될 수 있다. 희생 기판은 두께가 ≥ 2mm, ≥ 4mm, ≥ 6mm, 또는 ≥ 8mm일 수 있다.
희생 기판은 광학 마감 표면, 즉 표면 조도(Ra)가 ≤ 20nm, ≤ 15nm, ≤ 10nm, ≤ 5nm, 또는 ≤ 2nm인 표면을 가질 수 있다.
희생 기판 상의 CVD 다이아몬드 성장 후, 희생 기판은 예를 들면, 화학적으로(부식, 불화수소 또는 이온 에칭에 의하여) 및/또는 기계적으로(연삭 또는 래핑) 제거될 수 있다. 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 하나 이상의 광학 마감 표면은 성장 표면, 성핵 표면 또는 둘 다일 수 있다.
다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성장 표면은 다이아몬드 필름, 기판 또는 창이 실리콘 기판에 여전히 부착되는 동안 통상적인 연마 공정을 통하여 광학적으로 마감될 수 있으며, 여기서 다이아몬드 필름, 기판 또는 창 및 희생 기판의 총 두께는 통상적인 연마 공정으로 연마 동안 부서지지 않고 다이아몬드 필름, 기판 또는 창을 고정하고 연마하기에 충분히 두껍다. 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성장 표면 상에서 광학 수준 마감을 달성한 후, 희생 기판은 예를 들면, 화학적으로 및/또는 기계적으로 제거될 수 있다. 이러한 공정의 결과는 광학적으로 마감된 하나 이상의 표면(예: 성장 표면)을 갖는 얇은, 예를 들면, ≤ 400μ 두께의 다이아몬드 필름, 기판 또는 창이다.
하나의 다결정성 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성장 측 면은 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성핵 측 면보다 큰 열 전도율을 가질 수 있다. 일례로, 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성장 측 면만이 광학적으로 마감될 수 있는 반면, 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성핵 측 면은 광학적으로 마감될 필요가 없다. 그러므로, 희생 기판의 다이아몬드 성장 표면은 광학적으로 마감될 필요가 없다. 일례로, 희생 기판의 다이아몬드 성장 표면은 화학적으로 에칭되고/되거나 기계적으로 래핑될 수 있고, 그 결과 이러한 희생 기판의 표면 상에서 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성핵 측 면은 광학 마감을 갖지 않는다.
일례로, 광학 마감을 갖는 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성핵 측 면은 구리 등의 기타 통상적인 열관리 물질과 비교하여 더 큰 열 전도율을 가질 수 있다.
일례로, 다이아몬드 성장용의 하나 이상의 광학 마감 표면을 갖는 희생 기판(예: 규소)은 성핵 측 면 상에서 광학적으로 마감된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 CVD 성장을 용이하게 할 수 있다. 다이아몬드 성장 후, 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성장 표면은 임의로 평평하게 래핑되고/되거나 연마되고, 예를 들면, 화학적 에칭 및/또는 기계적 래핑/연삭에 의한, 희생 기판의 임의의 제거가 후속될 수 있다. 이러한 공정은 통상적인 다이아몬드 연마 공정을 사용할 필요 없이 광학 마감 표면(성핵 측 면 상)을 갖는 하나의 다이아몬드 필름, 기판 또는 창을 성공적으로 제조하도록 하여, 연마 동안 다이아몬드 필름, 기판 또는 창이 부서지거나 파괴될 위험을 피한다.
예를 들면, 반사방지 코팅, 빔 스플리터 코팅, 전체 반사 코팅 등의 광 관리 코팅을 다이아몬드 필름, 창 또는 기판의 성장 및/또는 성핵 표면(들)에 형성할 수 있다. 본원에 기재된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창은 또한 상이한 적용에 대하여 상이한 기하 치수로 레이저-절단시킬 수도 있다. 레이저-절단은 다이아몬드 필름, 기판 또는 창이 실리콘 기판(상부에 다이아몬드 필름, 기판 또는 창이 성장됨) 상에 여전히 존재하고 래핑되고/되거나 연마되는 동안 수행될 수 있다.
다이아몬드 필름, 기판 또는 창은 광학적 품질(적외선, 근적외선, 가시광 또는 UV 광 등의 전자기파의 저 흡수)을 가질 수 있고, 또한 대안적으로 마이크로파 파장에서 낮은 손실 탄젠트를 가질 수 있다. 이는 또한 또는 대안적으로 기계적 및/또는 열 등급 다이아몬드(이중 후자는 통상적으로 색상이 어두움)를 가질 수도 있다.
다이아몬드 필름, 기판 또는 창은 마이크로파 지원 플라즈마 CVD 공정, 핫-필라멘트 CVD 공정, 열 분무 CVD 공정, 아크 방전 플라즈마 CVD 공정, 직류 열 플라즈마 CVD 공정, 무선 주파수 플라즈마 CVD 공정, 수계 플라즈마 CVD 공정, 아세틸렌 토치 플라즈마 CVD 공정 또는 고주파수 플라즈마 CVD 공정을 통하여 성장될 수 있다.
다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성장용 성장 온도는 600 내지 1300℃의 범위일 수 있다. 더 높은 성장 온도의 사용이 계획된다.
다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성장률은 시간당 마이크론 이하 내지 20μ일 수 있다. 더 높은 성장률이 계획된다.
다이아몬드 기판 필름, 기판 또는 창을 성장시키기 위한 메탄 농도는 수소 중의 1% 미만에서 5%에 이르기 까지의 범위일 수 있다.
예를 들면, 산소, 일산화탄소, 이산화탄소, 질소 및/또는 붕소를 포함하는 기타 첨가제를 또한 다이아몬드 성장률 및/또는 성장된 다이아몬드의 품질을 조절하기 위하여 성장 환경에 가할 수도 있다.
희생 기판(예: 규소)의 한 표면 또는 양 표면은 예를 들면, 수성 다이아몬드 슬러리 또는 유기 다이아몬드 슬러리로 초음파 처리하거나, 다이아몬드 분말로 러빙하거나, 다이아몬드 터닝에 의하여, 임의로 광학 마감되고/되거나 임의로 다이아몬드 씨딩될 수 있다.
다이아몬드 성장용 희생 기판(예: 규소)은 직경 ≥ 30mm, 또는 직경 ≥ 2", 또는 직경 ≥ 66mm, 또는 직경 ≥ 3", 또는 직경 ≥ 4", 또는 직경 ≥ 5"일 수 있다.
희생 기판(예: 규소)의 다이아몬드 성장 표면은 광학적으로 마감되거나 화학적으로 에칭될 수 있다. 희생 기판(예: 규소)의 광학 마감 표면의 표면 조도(Ra)는 ≤ 20nm, ≤ 15nm, ≤ 10nm, ≤ 5nm, 또는 ≤ 2nm일 수 있다.
성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창은 하나 이상의 비평면 표면(들)을 가질 수 있다. 비제한적 일례로, 비평면 표면의 성핵 측 면은 다음 중의 하나의 형상을 가질 수 있다: 돔, 원추, 피라미드, 비구면, 포물선 및 쌍곡선, 또는 광학적으로 마감된 희생 기판(예: 규소)의 광학 마감 표면 윤곽으로 맞추어 성장될 수 있는 기타 비평면 기하. 희생 기판의 이러한 광학 마감 표면 윤곽은 최종 다이아몬드 부분의 바람직한 표면 윤곽에 음성일 수 있다. 다이아몬드 성장 후, 희생 기판(예: 규소)은 예를 들면, 에칭에 의하여 화학적으로(예: KOH 또는 HF) 및/또는 연삭 및 래핑에 의하여 기계적으로 제거될 수 있다. 희생 기판(예: 규소)의 비평면 표면의 바람직한 윤곽은 다이아몬드 터닝 공정 또는 통상적인 광학 가공 공정에 의하여 가공될 수 있다.
다이아몬드 필름, 기판 또는 창은 광학 창; 전자공학, 광학 및 광전자공학 장치용 열 관리용 기판; 화학적 불활성에 사용을 위한 기판; 음파 관리; 전자기파 관리; 마찰 조절; 및 검출기로서; 및 예를 들면, 밀링, 절단, 드릴링, 레이싱 등의 기계적 적용용 물질로서 사용될 수 있다.
일례로, 다이아몬드-실리콘 복합체 기판은 규소 층 상에서 성장된 다이아몬드 CVD 층을 포함한다. 적어도 다이아몬드 층의 성장 표면은 표면 조도(Ra) ≤ 50nm, ≤ 30nm, ≤ 20nm, ≤ 15nm, 또는 10nm로 광학적으로 마감될 수 있다. 복합체의 총 두께는 ≥ 300μ, ≥ 500μ, ≥ 1mm, ≥ 2mm, 또는 ≥ 5mm일 수 있다. 다이아몬드-실리콘 복합체 기판의 직경은 ≥ 20mm, ≥ 30mm, ≥ 40mm, ≥ 50mm, ≥ 75mm, ≥ 100mm, ≥ 125mm, 또는 ≥ 150mm일 수 있다.
위의 실시예들 중의 어느 하나에 기재된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창은 예를 들면, 광 투과용 광학 창, 광 반사용 광학 미러, 광 스플리터, 마이크로파 창, 검출기, 전자공학, 광학 및/또는 광전자공학 장치(예를 들면, 이들로 제한되지는 않지만, 레이저 다이오드, 다이오드 레이저 바와 같은 레이저 다이오드 어레이, 수직 공진형 표면 방출 레이저(VCSEL), 수직 공진형 표면 방출 레이저의 어레이, 광 방출 장치 등)용 열 관리를 위한 기판과 같은 적용에 사용될 수 있다.
실시예는 도면을 참조하여 기재되었다. 위의 실시예를 숙독 및 이해시 변경 및 변형이 다른 부분에 발생한다. 따라서, 위의 실시예는 개시 내용을 제한하는 것으로 해석되지 않는다.
Claims (29)
- 하나 이상의 광학 마감 표면을 포함하는 다이아몬드 필름, 기판 또는 창으로서,
상기 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 최대 치수를 상기 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 두께로 나눈 종횡비가 ≥ 100인, 다이아몬드 필름, 기판 또는 창. - 제1항에 있어서, 두께가 ≤ 400μ(≤ 0.4mm)이고 최대 치수가 ≥ 25mm인, 다이아몬드 필름, 기판 또는 창.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 광학 마감 표면의 표면 조도(Ra)가 ≤ 50nm, 또는 ≤ 30nm, 또는 ≤ 20nm, 또는 ≤ 15nm, 또는 ≤ 10nm인, 다이아몬드 필름, 기판 또는 창.
- 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 최대 치수가 ≥ 40mm, 또는 ≥ 50mm, 또는 ≥ 60mm, 또는 ≥ 70mm, 또는 ≥ 80mm, 또는 ≥ 100mm인, 다이아몬드 필름, 기판 또는 창.
- 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 두께가 ≤ 400μ, 또는 ≤ 350μ, 또는 ≤ 300μ, 또는 ≤ 250μ, 또는 ≤ 200μ인, 다이아몬드 필름, 기판 또는 창.
- 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 종횡비가 ≥ 125, 또는 ≥ 150, 또는 ≥ 175, 또는 ≥ 200인, 다이아몬드 필름, 기판 또는 창.
- 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 최대 치수가 상기 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 직경인, 다이아몬드 필름, 기판 또는 창.
- 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 차단 렌즈로부터 34cm 거리에서 측정된, 1.06μ 광 산란 계수가 ≤ 20/cm, 또는 ≤ 15/cm, 또는 ≤ 10/cm, 또는 ≤ 7/cm, 또는 ≤ 5/cm인, 다이아몬드 필름, 기판 또는 창.
- 제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 다이아몬드 성핵 밀도가 ≥ 1.0×105/㎠, 또는 ≥ 1.0×106/㎠, 또는 ≥ 1.0×107/㎠, 또는 ≥ 1.0×108/㎠, 또는 ≥ 1.0×109/㎠인, 다이아몬드 필름, 기판 또는 창.
- 실리콘 기판을 제공하는 단계(a) 및
상기 실리콘 기판의 표면 상에서 종횡비가 ≥ 100인 다이아몬드 필름, 기판 또는 창을 CVD 성장시키는 단계(b)를 포함하는, 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 형성 방법이며,
상기 종횡비가 상기 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 최대 치수를 상기 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 두께로 나눈 비인 방법. - 제10항에 있어서, 상기 실리콘 기판의 두께가 ≥ 2mm, 또는 ≥ 4mm, 또는 ≥ 6mm, 또는 ≥ 8mm인 방법.
- 제10항 또는 제11항에 있어서, 단계(b) 이전에, 상기 실리콘 기판의 표면을 표면 조도(Ra)가 ≤ 20nm, 또는 ≤ 15nm, 또는 ≤ 10nm, 또는 ≤ 5nm, 또는 ≤ 2nm인 광학적 마감으로 연마함을 추가로 포함하는 방법.
- 제10항 내지 제12항 중의 어느 한 항에 있어서,
성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성핵 측 면의 Ra가 상기 실리콘 기판의 연마 표면의 Ra보다 크고;
≤ 20nm, 또는 ≤ 15nm, 또는 ≤ 10nm, 또는 ≤ 5nm, 또는 ≤ 2nm인 상기 실리콘 기판의 연마된 표면의 Ra에 대하여, 상기 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성핵 측 면의 Ra가 각각 ≤ 50nm, 또는 ≤ 30nm, 또는 ≤ 20nm, 또는 ≤ 15nm, 또는 ≤ 10nm인 방법. - 제10항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 기판의 표면 및 상기 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성핵 측 면 각각의 표면 조도(Ra)가 ≥ 750nm인 방법.
- 제10항 내지 제14항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 다이아몬드 필름, 기판 또는 창이 여전히 상기 실리콘 기판 상에 있는 동안, 상기 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성장 표면을 ≤ 50nm, 또는 ≤ 30nm, 또는 ≤ 20nm, 또는 ≤ 15nm, 또는 ≤ 10nm의 표면 조도(Ra)로 연마함을 추가로 포함하는 방법.
- 제10항 내지 제15항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 실리콘 기판의 표면 및 상기 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성핵 측 면이 비평면이고;
상기 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성핵 측 면의 형상이 상기 실리콘 기판의 표면의 형상의 등각 음성인 방법. - 제10항 내지 제16항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성핵 측 면이 돔, 원추, 피라미드, 비구면, 포물선 및 쌍곡선 형상들 중의 하나를 갖는 방법.
- 제10항 내지 제17항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창으로부터 상기 실리콘 기판을 화학적으로 또는 기계적으로 제거함을 추가로 포함하는 방법.
- 제10항 내지 제18항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성장 측 면이 상기 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성핵 측 면보다 큰 열 전도율을 갖는 방법.
- 제10항 내지 제19항 중의 어느 한 항에 있어서,
광 관리 코팅을 상기 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성장 표면에 형성하는 공정; 및
상기 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창으로부터 상기 실리콘 기판을 제거한 후, 상기 광 관리 코팅을 상기 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창의 성핵 측 면에 형성하는 공정 중의 하나 이상을 추가로 포함하는 방법. - 제10항 내지 제20항 중의 어느 한 항에 있어서, 상부에 성장된 상기 다이아몬드 필름, 기판 또는 창을 갖는 상기 실리콘 기판을 하나 이상의 조각으로 절단함을 추가로 포함하는 방법.
- 제10항 내지 제21항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 단계(b)가 산소, 일산화탄소, 이산화탄소, 질소 및 붕소 중의 하나 이상을 포함하는 대기 중에서 상기 다이아몬드 필름, 기판 또는 창을 CVD 성장시킴을 포함하는 방법.
- 제10항 내지 제22항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 단계(b) 전에, 상기 실리콘 기판의 표면이 다이아몬드 입자로 씨딩되는 방법.
- 제10항 내지 제23항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 기판이, (1) 액상 현탁 용액 중의 서브마이크론 또는 마이크론 크기의 다이아몬드 분말로 구성된 초음파 욕 중에서 상기 실리콘 기판을 초음파 처리하는 공정; 및 (2) 상기 액상 현탁 용액 중의 평균 입자 크기가 < 100nm인 나노-결정 다이아몬드 분말로 구성된 초음파 욕 중에서 상기 실리콘 기판을 초음파 처리하는 공정 중의 하나 이상을 통하여 다이아몬드 입자로 씨딩되는 방법.
- 제10항 내지 제24항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 액상 현탁 용액이 물, 알코올, 탄화수소 및 유기 용매 중의 하나 이상을 포함하는 방법.
- 제10항 내지 제25항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 기판이 (1) 수성 다이아몬드 슬러리 또는 유기 다이아몬드 슬러리의 욕 중에서 상기 실리콘 기판을 초음파 처리하는 공정, (2) 상기 실리콘 기판을 다이아몬드 분말로 러빙하는 공정, 또는 (3) 상기 실리콘 기판을 다이아몬드 터닝하는 공정들 중의 하나 이상을 통하여 다이아몬드 분말로 씨딩되는 방법.
- 제10항 내지 제26항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 기판의 최대 치수가 ≥ 30mm, 또는 ≥ 50.8mm, 또는 ≥ 66mm, 또는 ≥ 76mm, 또는 ≥ 101mm, 또는 ≥ 127mm인 방법.
- 제10항 내지 제27항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 기판의 최대 치수가 상기 실리콘 기판의 직경인 방법.
- 실리콘 기판 상에서 CVD 성장된 다이아몬드 필름, 기판 또는 창을 포함하는 다이아몬드-실리콘 복합 기판으로서, 상기 다이아몬드-실리콘 복합 기판의 총 두께가 ≥ 200μ, 또는 ≥ 300μ, 또는 ≥ 500μ, 또는 ≥ 1mm, 또는 ≥ 2mm, 또는 ≥ 5mm이고, 상기 다이아몬드-실리콘 복합 기판의의 직경이 ≥ 20mm, 또는 ≥ 30mm, 또는 ≥ 40mm, 또는 ≥ 50mm, 또는 ≥ 75mm, 또는 ≥ 100mm, 또는 ≥ 125mm, 또는 ≥ 150mm인, 다이아몬드-실리콘 복합 기판.
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