KR960000063B1 - 응축 다이아몬드 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

응축 다이아몬드

제1도는 본 발명의 실시를 위하여 유용한 장치의 측단면도.

제2도는 본 발명의 실시를 위하여 제1의 장치와 그 관련된 성분들의 평단면도.

제3도는 가스 전달을 위하여 다르게 배열될 뿐만 아니라 추가적인 전기저항 히터 코일이 포함되어 있는 제1도의 장치에 대하여 변경된 확대 측면도.

제4도는 제1도 및 제3도의 반응실 안으로 가스를 전달하는 가스 흐름 성분의 흐름 다이어그램.

제5도는 본 발명의 실시에서 시간에 대한 다이아몬드 성장율을 도시한 곡선.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 튜브 12 : 히터 코일 혹은 필라멘트

13 : 폐쇄단부 14 : 기판

15 : 공동부재 16,17 : 나사

18,19 : 리이드 21 : 밀봉링

23 : 링 가스켓 26 : 반사경

27 : 조정 봉

본 발명은 응축 다이아몬드 특히, 기판상에 수소-탄화수소 가스 혼합물로부터 응축됨으로써 다이아몬드 생산에서 유용한 공정 및 장치에 관한 것이다.

다이아몬드는 결정 형태로서 거의 순수 탄소로 보통 구성된 광물이다. 다이아몬드는 보석류로 적용되기 위한 귀금속일 뿐만 아니라 산업상 금속절삭공구 혹은 공급 삽입체로써 그리고 작은 입자 형태로 금속연삭 혹은 연마물질로서 폭넓게 적용됨을 볼 수 있으며 공지된 가장 견고한 천연물질이다. 종래의 기술에서 고압 고온 조건하에서의 어떤 촉매 금속과 접촉한 흑연은 흑연 혹은 비다이아몬드 탄소를 함유하는 물질로부터 탄소로 구성된 다이아몬드와 변이를 겪어서 전환되거나 발생하게 된다는 것이 공지되었다(미합중국 특허원 제2,947,610호 할 등).

종래의 기술에서 탄소로 구성된 다이아몬드는 기판상에 높은 탄소 함유 가스 프라스마로부터 응축될 것이라는 것은 공지되어 있었다(미합중국 특허원 제4,434,188호 카모). 후자의 방법은 보통 화학적 증착방법(CVD)으로서 흔히 언급되었었다. CVD 공정은 다이아몬드 생산에 대하여 현저한 장점을 가지고는 있지만, 다량이라는 면에서 CVD 공정의 다이아몬드 생산은 아주 작으며, 이 특징은 상업적 다이아몬드 생산공구로서 다이아몬드의 본 사용을 제한하고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 CVD 공정 대신에 개선된 다이아몬드 생산 장치와 높은 생산량을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 CVD 공정에서 다이아몬드 생산에 대하여 개선된 제어를 제공하는 것이다.

본 발명의 이러한 것과 다른 목적, 특징 및 잇점은 첨부된 도면에 관련하여 하기의 상세한 설명을 읽게될때 좀더 잘 이해될 것이다.

본 발명에 따라서, 수소와 탄화수소 가스의 가스혼합물은 기판에 인접한 가열된 금속 필라멘트를 통과하게 된다. 기판 부근의 가스 혼합물은 기판상에 침전된 다이아몬드로부터 발광성이 가스 프라스마가 되기 위하여 전자기파 에너지에 연속적으로 노출되게 된다. 검속 필라멘트와 기판은 전자기파 에너지에 또한 연속적으로 노출되게 된다. 본 발명의 한 실시에서 수소 가스 탄화수소, 가스, 메탄 가스의 혼합물은 기판에 인접한 발광성의 가스 프라스마를 구성하기 위하여 마이크로파 에너지를 동시에 필요로 하며 전기저항 금속히터 코일을 통과하여 반응실 안으로 유입하게 된다. 원자수소의 중요한 양을 포함하는 발광성의 가스 프라스마는 기판상에서 가스 프라스마로부터 다이아몬드의 증가된 생산량을 침전시키기 위하여 기판과 접촉하게 된다.

제1도를 보면, 본 발명의 실시에서 유용한 한개의 장치와 그 구성성분이 도시되어 있다. 제1도의 장치는 한 예에서 고온저항과 본 발명에서 사용된 기체에 대한 낮은 유도저항 및 마이크로파 방사에 대한 투명도 때문에 선택된 재료 즉, 수정 퓨즈(10)로 된 반응실을 구비하고 있다. 평행한 4개의 작은 직경을 갖는 내화성 금속 봉(11)(2개는 도시하지 않음)은 제2도에 도시된 바와 같이 사각형 형태로 튜브(10)내에서 서로 간격져서 위치되어 있다. 본 발명의 한 실시에 있어서 상기 봉(11)은 0.635cm(1/4inch)인 몰리브덴 금속 봉이다.

전기저항 히터 코일 혹은 필라멘트(12)는 한쌍의 대각선 대향 봉(11)에 의해 그것의 밀폐 단부(13) 근처의 튜브(10)내에서 지지되게 되며, 기판(14)은 다른상의 대각선 대향 봉(11)에 의해 튜브(10)내에서 지지되게 된다. 봉(11), 히터 코일(12), 기판(14)과 그들 배열의 평면도는 제2도에 도시되어 있다. 제2도에 의하면, 수정 튜브(10)는 사각형 윤곽내에서 가로방향 히터 코일(12)을 지지하는 대향한 2개의 봉과 기판(14)을 지지하는 다른 대향한 2개의 봉으로 된 4개의 평행 몰리브덴 봉(11)을 구비하고 있다.

제1도 및 제2도에서, 큰 마이크로파 공동부재(15)는 튜브(10)내에 몰리브덴 봉(11), 히터 코일(12), 기판(14)을 둘러싼다. 히터 코일(13)과 기판(14)의 더 많은 기능의 실예가 제3도에 도시되어 있다. 제2도의 3-3선상을 따라서 취한 제3도에 따르면, 한쌍의 대향 몰리브덴 봉(11)은 그들 사이에서 서로 히터 코일(12)을 지지한다. 다른쌍의 봉(11)은 기판(14)을 가열하기 위하여 그들 사이에서 서로 부가된 히터 코일(12)을 지지한다. 매우 근접되거나 최전선 봉은 명확하게 하기 위하여 도시하지 않았다. 전기접촉수단 특히, 코일(12)(코일(12)과 유사하게)은 몰리브덴 봉(11)의 구멍(18',19')에 히터 코일(12)의 리이드(18,19)를 결합하기 위하여 몰리브덴 봉(11)의 단부 안으로 나사결합된 나사(16,17)를 포함한다. 몰리브덴 봉(11)은 전력원(도시하지 않음)과 연결되었기 때문에 전류는 코일(12 내지 12')을 통하여 한개의 봉(11)으로부터 대향한 봉(11)으로 흐른다. 이러한 수단에 의하여, 전기저항 히터 코일(12,12')은 2000℃를 초과한 오도에서 가열되게 될 것이다.

수수와 탄화수소 가스의 공급원과 연결되어 있는 수정 가스 흡입 튜브(20)는 제3도에 도시한 바와 같이 히터 코일(12) 근처에서 끝나게 되거나, 제1도에서 도시한 바와 같이 튜브(10)의 폐쇄 단부(13) 근처 개방 단부에서 끝나게 하기 위하여 튜브(10) 내에 중심으로 수직되게 배치될 것이다. 제1도에 있어서, 수정 튜브(10)는 기밀 관계에서 밀봉 링(21)으로 중심이 같게 밀봉한다. 번갈아 밀봉 링(21)은 기밀 관계에서 공동부재(15)를 밀봉하게 된다. 도관(22)의 링(21)과 플랜지(24) 사이에 끼워진 링 가스킷(23) 수단에 의하여 기밀 관계에서 배출 도관(22)은 링(21)을 밀봉하게 된다. 도관(22)은 흡입 튜부(20)에 의하여 폐쇄된 단부(13) 근처 튜브(10)로 이입된 가스를 배출하기 위하여 가스 배출 도관과 같은 것을 설치한다.

본 발명의 한 실시에서 수소와 탄화수소 가스의 가스 혼합물은 가스 흡입 튜브(20)에 의하여 튜브(10) 안으로 이입된다. 히터 코일(12)을 통과한 가스 혼합물은 약 2000℃ 이상을 서로 통과하여 전류의 통로에서 가열되어서 가스로부터 침전된 탄소로 구성된 다이아몬드가 기판상에 부딪치게 된다. 마이크로파 에너지 사용은 고온 코일(12)의 사용과 동시에 결정 크기에서의 증가와 마찬가지로 다이아몬드 결정의 대략 산출에서 성장 비율이 현저히 증가함을 제공한다. 예를들어, 마이크로파 에너지는 단독으로 시간당 1/2μ보다 적은 다이아몬드 성장을 산출할 것이다. 고온 코일의 사용은 다만 시간당 1μ의 다이아몬드 성장율을 제공할 것이다. 하지만, 마이크로파 에너지와 함께 히터 코일이 사용될때에는 시간당 10 내지 20μ의 다이아몬드 성장율을 제공할 것이다.

마이크로파 에너지는 제1도와 제2도에서 도시한 바와 같이 전자기판 발생기(25)에 의하여 편리하게 공급된다.

다시 제1도에 의하면, 전자파 발생기(25)는 마그네트론과 같은 것에 의하여 흔히 공지된 장치의 형태를 취하고 있다. 전자기파 발생기(25)는 마이크로파 에너지를 분산하지 않고 반사하는 물질로 설치된 마이크로파 공동과 같은 것에 의하여 공동(15)의 한측에 보이게 부착되어 있다. 공동(15)은제1도의 구조 주로 튜브(10)와 그 함유물을 둘러싼다. 공동(15)에서 마이크로파 에너지를 집중시키기 위하여 마이크로파 반사경(26)을 사용한다. 반사경(26)은 공동(15) 밖으로 연장되며 그 위에 부착된 조정 봉(27)을 구비한 포물선 알루미늄 반사경이다. 본 발명의 실시동안 히터 코일(12)이 가열되며 가스 혼합물은 히터 코일(12)의 뜨거운 면을 통과한다. 그후, 전자기파 발생기(25)는 공동(15) 안으로 마이크로파 에너지를 이입하기 위하여 에너지를 갖는다. 반사경(26)은 조정할 수 있으므로 마이크로파 에너지는 기체 흡입 튜브(20), 코일(12), 기판(14)의 단부 전반에 걸친 부근(제3도)에서 내부 튜브(10)를 촛점 맞추게 된다. 가스는 기판(14) 근처에서 높은 발광 정도를 갖는 프라스마가 되도록 기인한다. 수소원자의 중요한 양은 가스 흐름에서 형성되게 되며, 코일 근처에서 가스의 약 50%가 수소원자라고 측정하게 된다.

다이아몬드를 생산하기 위하여 단지 히터 코일이나 전기자기파 발생기를 이용하여 본 발명의 실시에 따라서 다이아몬드를 생산하게 된다. 그러나 본 발명의 실시에서 쾌 증가한 생산 산출량과 결정 크기는 가스 혼합물상에 연합한 유효한 영향을 미치지 위하여 에너지원으로서 텅스텐 히터 코일(12)과 전자기파 발생기(25)이 동시에 사용하는 곳에서 얻게 된다. 예를들면, 이터 코일은 기판상에 침전되 응축의 집중을 증가하려는 경향이 있는 가스 혼합물내에서 반응하기 쉬운 혼합 기체와 직접 접촉하여 매우 뜨거운 면을 제공한다.

마이크로과 에너지는 수소원자의 중요한 양을 포함하는 기체에서 프라스마를 발생하고 기체상으로부터 다이아몬드의 침전물 바로 이전에 높은 활성 상태로 되게 응축물을 자극한다. 뜨거운 면에 의한 가스와 마이크로파 에너지에 의한 가스를 화합시킨 자극은 기판에 직접적으로 접근하고 마이크로파 방사에 부딪힘에 의하여 기판과 뜨거운 면의 직접 자극과 마찬가지로 가스상으로부터 만족할만한 다이아몬드 침전물로 된다.

상기 조건은 즉시 다이아몬드 침전물 이전에 중요한 분산이나 붕괴없이 결합에서 간 자극의 최대 사용 결과를 설명했다.

코일(12)과 전자기파 발생기(25)가 동시에 에너지를 갖기 때문에 코일(12)과 접촉하여 들어온 혼합 기체는 마이크로파 자극과 열 에너지를 자극을 동시에 받아야 한다. 히터 코일(12)과 같은 필라멘트 하여 혹은 전자기파 발생기(25)와 같은 것으로 구성된 다이아몬드 결정에 대한 결정 크기는 최대 치수가 약 10μ 혹은 그보다 작은데 비하여 코일(12)로부터 마이크로파 에너지와 열 에너지 결합은 100μ 보다 큰 결정 크기를 얻게 된다. 마이크로파와 열 에너지를 연장된 조건하에서 그들보다 긴 치수 180M의 다이아몬드 결정을 구성하게 된다.

다이아몬드 성장율은 코일(12)과 전자기파 발생기(25)의 결합된 사용에 의해 크게 증가한다. 단지 코일(12)과 전자기파 발생기로 다이아몬드 성장율은 시간당 1μ의 배열이거나 그보다 작다. 코일(12)과 전자기파 발생기가 결합에서 사용될때 시간당 20μ과 같이 높은 다이아몬드 성장율을 얻게 된다.

활용된 가스가 수소와 탄화수소의 혼합물로 사용될때 본 발명의 실시에서 양호한 결과를 얻게 된다.

수소 가스는 기판상에 침전된 다이아몬드 결정 안으로 들어가는 불순물이나 반응 발생시 안으로 들어가 영향을 주는 불순물을 배제하기 위하여 99.9% 순수이어야 한다. 메탄 가스는 탄화수소 가스로 선택되었으므로 즉시 이용할 수 있고 경제적이며, 높은 탄소 성분을 갖고 있다. 그러나, 다른 높은 탄소 성분 가스 예를들어, 아세틸렌 가스가 본 발명의 실시에서 사용될 것이다.

또한 어떤 가스는 높은 탄소 성분 가스를 구성하거나 풍부한 수소원을 제공하는 마이크로파 에너지뿐 아니라 코일(12)의 뜨거원 면으로도 노출되는 동안 이용될 것이다.

설명한 혼합 가스에 있어서, 수소 가스는 혼합물 체적에 최소 95%를 포함하며 탄화수소 가스는 최대로 5%이어야 한다. 적합한 혼합물은 메탄과 같이 탄소 98%이고 탄화수소가스 2%이다.

히터 코일(12)이 본 발명의 중요한 특징이다. 코일(12)은 진행 사이클의 시간을 경과하여 과도로 나빠지지 않고 2000℃ 이상의 온도를 유지할 수 있는 필라멘트 전기저항 히터이다. 통상 텅스텐 금속 코일은 상기 목적을 충분히 만족한다. 그러나 텅스텐 코일은 텅스텐 탄화물은 구성하기 위하여 탄화수소 가스와 2000℃ 온도에서 반응한다. 텅스텐 탄화물이 양이 금속 텅스텐의 양보다 많으면 필라멘트의 팽창 크랙과 기계적 실패의 원인이 된다. 이러한 문제점을 해결하고 코일(12)에 만족할만한 물질로서 텅스텐을 사용하기 위하여 조건부 절차를 이용하게 된다. 이러한 절차동안 텅스텐 코일(12)은 30분 동안 2000℃의 일정한 온도를 따라 탄화수소 가스의 면전에서 2000℃의 온도로 상대적으로 천천히 가열한다. 천천히 가열하여 일정하게 상승된 온도는 코일(12)상에 텅스텐 탄화물의 코팅이나 층의 구성물로 안내된다. 코팅이나 층은 탄화물 구성물에 결점을 겪는 것으로부터 코일의 잔류부를 보호한다.

본 발명의 실시에 있어서, 히터 코일(12)은 통상의 218 텅스텐으로써 텅스텐 와이어로부터 나선형으로 감긴 코일이다. 218 텅스텐 와이어의 특성은 결정이나 낟알 구조가 와이어내에서 세로로 연장된 원주형이다. 따라서, 낟알 구조를 따라 텅스텐 탄화물의 구성물은 측면 낟알 구조를 따라 텅스텐 탄화물의 구성물로 됨으로써 와이어 파손의 원인이 된다. 와이어 직경은 0.508mm(0.02inch)이다. 리이드(18,19)를 포함하는 코일(12)의 축방향 길이는 3.81cm(1.5inch)이다. 코일(12)의 나선형 부분은 18코일이나 회전으로 1.905cm(0.75inch)이다. 코일 직경(1D)은 0.2875cm(0.125inch)이다.

코일(12)의 특별한 크기는 임계치를 나타내지는 않지만, 너무 높은 가스 온도를 갖음에 의하여 발생하게 될 기판(14)상에 비다이아몬드의 증가된 침전물에 기인하는 나선 직경과 마찬가지로 와이어 직경의 크기도 한층 큰 크기임을 알 수 있다.

기판(14)은 본 발명의 중요한 성분이다. 기판(14)은 튜브(10)와 마이크로파 방사에서 뜨거운 기체에 의하여 부딪히고 고온에서 물질 저항으로 선택되며 가스는 이용되게 된다. 더군다나, 탄소는 본 발명의 실시동안 기판안으로 연속적으로 발산되며, 발산물은 다이아몬드 침전물로 도전되지 않음을 알 수 있다.

따라서, 적합한 물질은 고온에서 저항하게 되나 뜨거운 가스 환경에서는 덜 반응하게 된다. 한 개의 적합한 물질은 몰리브덴, 용융 철에 비교되는 것과 같은 내화성 금속이다. 본 발명의 과정의 조건하에서 몰리브덴과 같은 내화성 금속은 탄소 발산물에 높게 저항하는 그 위로 보호 탄화물층의 구성하기 위하여 뜨거운 가스와 반응할 것이다.

따라서, 좋은 결과는 기판(14)이 몰리브덴 박의 부분을 포함하게 될때 얻게 된다. 몰리브덴은 본 발명에서 다이아몬드 침전물에 도움이 되게 나타나게 된다. 기판(14)은 필라멘트 히터 코일(12) 아래에 0.8128cm(0.32inch) 간격져 있다.

본 발명이 실시에서 코일(12)과 기판(14) 사이에서 가스에 음 온도 경사도는 만족할만 하다는 것임을 알 수 있다. 코일(12)의 온도와 인접 가스 온도 보다 낮은 기판 온도를 사용하면 다이아몬드 침전물은 더 바람직하게 나타난다. 다이아몬드 침전물은 다이아몬드 침전물과 성장을 일으키는 가스에서 응축된 종류의 과포화를 일으키며 가스를 냉각하기 위하여 가스 흡입 튜브(20)와 기판(14) 사이에서 가스 흐름이 음 온도 경사도로 흐르는 것이 바람직하다.

본 발명은 혼합 가스, 코일(12) 온도, 기판(14) 물질과 온도와 같은 중요한 매개 변수에 관하여 침전된 다이아몬드에 예정된 특징을 제공하려고 개선된 제어를 제공하게 된다. 예를들면, 디보란과 포스틴 같은 부가한 가스의 소량이 붕소와 인 원자 튜브(10)로 안내되며 다이아몬드 결정으로 병합될때 전기적으로 반 전도성을 갖게 된다. 본 발명에서 실시된 CVD 과정은 다이아몬드 결정 구조안으로 여러가지 물질의 원자를 첨가하는 것이 유용하다.

다이아몬드 상업 생산에서 다이아몬드의 증가된 질량 항복을 가지는 것 뿐만 아니라 증가된 회복을 가지는 것도 중요하다. 설명한 본 발명에서 다이아몬드 결정은 경미한 문지름과 휨에 의하여 몰리브덴 박으로부터 떨어지게 된다. 다이아몬드 결정은 박상에서 흑연 표시를 따라 몰리브덴 박에 대하여 선택적으로 침전됨을 알 수 있다.

흑연 기판은 다이아몬드 침전과 성장에 놀랄만한 도움이 된다. 또한 붕소, 붕소 화합물, 다이아몬드 침전과 성장에 선택적으로 기인한 용해된 붕소를 포함하는 합그은 모든 다른 기판 물질에 관련된다. 다이아몬드로부터 쉽게 떨어지는 기판은 탄소 필라멘트 기판이다. 본 발명의 한 실시에서 기판(14)은 느슨하게 감긴 탄소필라멘트 덩어리이다. 이 덩어리는 거기서부터 쉽게 떨어진 원래 유연성이 있는 다이아몬드 결정이기 때문에 다이아몬드 침전물을 위해서 표시한 노출 면적에 제공된다. 따라서, 개선된 기판은 느슨한 모직물과 같은 짜지 않은 탄소 필라멘트의 덩어리일 수도 있다. 다른 기판 물질은 그위에 침전되 일종의 다이아몬드 결정에 영향을 받을 것이다. 표 1은 다양한 기판 물질에 대한 다이아몬드 핵 형성 비율과 성장의 관련 비율을 나타낸다. 붕소와 붕소를 포함하는 화합물 및 물질은 높은 성장 비율을 나타낸다. 흑연과 금속은 산화물이 낮은 다이아몬드 핵 형성 비율과 성장 비율을 나태는 동안 중간 성장 및 핵 형성 비율을 나타낸다.

[표 1]

예를들면, 연한 질화붕소면은 다이아몬드 결정 침전물을 전도할 수 있으며, 그 노출된 면상에 다이아몬드 결정의 연한 층이나 코팅을 제공한다.

박판형 다이아몬드 구조는 본 발명에 의하여 산출되게 된다. 예를들면, 다이아몬드 결정이 본 발명에서 다이아몬드 결정 침전물을 돕는 기판이라는 것을 알 수 있다. 연한 평면을 갖는 보다 큰 다이아몬드 결정을 기판으로써 사용될 것이다. 본 발명의 실시에서 다이아몬드 기판상에 매우 연한 적층 단결정 침전된 다이아몬드의 막이 제공된다. 다이아몬드 기판의 기판면으로서 노출된 침전된 막층으로 본 발명의 실시에서 사용될 때 매우 연한 적층 단결정 다이아몬드 막 층이 그위로 같은 범위에 단단히 결합하여 제1층상에 첨가되게 된다. 이 잰행의 반복에서 서로 단단히 결합되고, 서로 덧붙여진 개개의 다이아몬드 박층의 양쪽에 끼워진 구조를 포함하는 박층형 다이아몬드가 제공된다. 더군다나, 각 층은 다른 특성을 가지고 있다. 예를들면, 층의 침전의 진행동안 각 층은 분소나 안티몬과 같은 물질로 칠해졌으므로 각 층은 다른 전기적 반도체 특성을 가질 것이다.

예를들어, 실리카 위에 몰리브덴이나 백금과 같은 혼합기판은 저압 다이아몬드 합성물에서 사용되게 된다. 기판물질의 성장을 증진과 열 전도와 같은 바람직한 성질이 결합되고 있다. 혼합 기판은 저렴한 가격에서 높은 성장율을 제공하도록 설계될 수 있다.

추가해서, 혼합 기판은 적절한 전류와 전압으로 가열하여 직접 기판에서 사용할 수 있다. 혼합 기판은 또한 다이아몬드를 얻기에 용이하다.

본 발명의 진행에서 산출된 다이아몬드 입자는 다이아몬드 가루층 전면에 활성화한 수소-탄화수소 가스가 통과함에 의하여 밀집한 경화 다이아몬드를 형성하려고 사용되었다. 다이아몬드의 가루층과 침전물만으로의 확산은 물질을 서로 경화한다. 치밀화는 가루분자가 막혀졌던 사이에서 간극까지 계속됨을 알 수 있었다.

다이아몬드라기보다 기판상에서 다이아몬드층은 기판상에 다결정 다이아몬드 막이나 코팅이다. 다이아몬드 침전 과정은 두 단계로 나타나게 된다. 제1단계에서는 기판상에서 이산 다이아몬드 결정의 풍부한 핵형성이다. 이산 다이아몬드 결정이 성장하는 제2단계에서는 층이나 막을 형성하기 위하여 인접 결정과 부딪히고 합병된다. 다이아몬드 박층이 형성될 때, 뚜렷한 접촉 영역은 층 사이에서 명백하지 않다. 각 층은 인접층과 합착된 것처럼 보이고 그 위로 같은 길이로 단단하게 결합된다. 여러번 적용함에 있어서 다이아몬드층은 베어링면과 저어널면과 같은 매우 우수한 내마모성 면을 가질 것이다. 다이아몬드층은 금속절삭공구 삽입물에 편리하게 적용할 수도 있다.

본 발명의 실시에 있어서, 내화성 금속 기판은 고온과 탄화수소에서 노출되기 때문에 그 위에 코팅된 몰리브덴 탄화물을 형성하는 몰리브덴과 같은 것임을 알 수 있다. 다이아몬드는 그때 탄화물 코팅상에 신속하게 침전된다. 텅스텐 탄화물 기판상에 다이아몬드의 저압 침전물은 이 안에서 나타낸 방법을 사용하여 얻어지게 된다. 경화 금속 탄화물은 금속절삭공구 혹은 금속절삭공구 삽입물로써 사용되게 된다. 따라서, 다이아몬드막이나 층은 본 발명의 실시에서 다이아몬드 침전물을 돕는 경과 탄화물이나 질화물 공구 혹은 삽입물의 예정된 면적이나 면상에 침전될 것이다. 본 발명의 다이아몬드층은 보통 외관상으로 견고한 검은 막이므로 광학장치 안으로 합병되게 되어서 한 품목상에 침전될 수도 있다.

1 내지 2μ의 직경을 갖는 탄소 섬유는 본 발명의 장치에서 1030℃ 내지 1080℃의 온도에서 저압 합성에 의해 산출된 다이아몬드에 대하여 성장 기판으로서 사용될 것이다.

다이아몬드가 침전된 다른 기판 물질은 탄화규소, 증착 흑연, 붕소 첨가된 규소, 질화알루미늄 등을 포함한다.

최선의 결과는 기판 온도가 약 600℃ 혹은 그 이하일 때 막을 생기게 하기 위하여 본 발명의 실시에서 얻게 된다. 막은 400℃ 보다 낮은 기판 온도에서 얻어지게 된다. 더 높은 온도와 더 긴 시간 사이클은 더 큰 정량 결정 구조에 유리하다.

본 발명은 생성된 다이아몬드의 CVD의 제어의 개선된 양을 제공하며 공지된 공정과 설명은 그 작동 매게 변수를 변화하려고 수정할 수 있다.

본 발명의 한 실시예에서 기체 전달 공정과 사용된 장치는 제4도에 도시되어 있다.

제4도에 의하면 한쌍의 가스 저장 탱크(29,30)는 제1도의 반응 튜브(10)의 흡입 튜브(20)와 연결된 보통의 도관(33)과 가스 흐름 제어 밸브(31,32)의 수단에 의하여 상호 연결되게 된다. 저장 탱크(29)는 수소(H₂)의 양 90%와 메탄(CH₄)의 양 10%인 혼합물로 채워진다. 저장 탱크(30)는 단지 수소로 채워진다. 한 개의 탱크(29)내에는 기체의 혼합물과 다른 탱크(30)내에는 단독 기체를 이용함에 의하여 흐름 밸브(31,32)는 공동(15)내에 있는 제1도의 반작용실 튜브(10)로 도관(33)을 통하여 가스 혼합물 흐름내에서 작게 그리고 더 정확하게 변화하는 것을 제공하기 위하여 쉽게 유지할 것이다.

다이아몬드 결정은 직접 고체에 대한 증기 성장에 의해 액체 금속 기판상에서 성장할 것이다. 상기 결정은 입장체와 팔방체임을 알 수 있다. 침전물 온도 이하에서 용융점을 가지는 금속과 금속합금상의 침전물은 기계적 수단에 액체면으로부터 연속적으로 얻기 위하여 제공되게 된다.

피아노 와이어와 같은 고강도 와이어상의 다이아몬드 결정의 침전물은 다이아몬드 성장이 중지되고 와이어 기판이 성장 다이아몬드에 의해 완전히 피복되는 공정에 의하여 다이아몬드 절삭 와이어를 만들기 위한 편리한 방법을 설명하고 있다. 그때 구리와 같은 금속은 적소에 견고하게 그들을 수용하는 다이아몬드 결정의 높이와 마찬가지로 약간 깊은 부분적으로 다이아몬드 피복 와이어 위에 도금하게 된다.

본 발명에 따른 다이아몬드의 저압 합성물은 다이의 원하는 내부 직경과 동일한 직경을 가지는 금속 외이어상에 다이아몬드의 상대적으로 두꺼운 층을 형성함에 의하여 다이를 그리는 외이어를 형성하는데 익숙하다. 다이아몬드의 딱딱한 외부에 피부된 와이어는 외부 케이스의 외면이 와이어와 중심이 같기 때문에 구성되어 있는 청동 합금내에 설치되거나 혹은 강에 설치되게 된다. 와이어는 상기 완전한 다이를 구성하기 위하여 산성 욕내에 용해나 부식에 의하여 제거될 수도 있다.

본 발명의 공정에 따라서 기판상에 산출된 다이아몬드는 절단된 입방체 혹은 팔면체 결정에 상응하는 하프 다이아몬드로서 설명되고 있다. 한때 기판상에 다이아몬드는 기체상에 노출된 면 위에서 성장한다. 성장하는 결정을 공중에 뜨게 하려는 보조 가스상의 사용은 일정한 결정의 성장을 위한 수단을 제공한다.

이와 같은 공정에서 반응기 튜브내의 상승기류는 바닥에서 협소한 직경의 튜브 길이를 따라 다른 크기의 다이아몬드를 뜨게 하기 위하여 충분히 만들어낸다. 보다 넓은 상부는 위쪽으로 작은 다이아몬드 핵을 끌어 올리지 않을 정도로 공중에 뜨게 하는 것을 감소하기 위하여 작동한다. 튜브 내에서 반응하는 가스는 다이아몬드 성장이 튜브를 통하여 발생하기 위하여 열 중앙 필라멘트는 가능한 사용하여 직류 충전, 무선주파수코일, 마이크로파 방사에 의하여 활성화하게 된다.

하기의 실시예는 본 발명의 적합한 실시예를 나타낸 것이며 합성 응축 다이아몬드의 특성을 변화하여 얻기 위하여 예를들어, 온도, 가스 혼합물, 시간 주기를 변화하는 것이 바람직하다.

실예 1

제1도의 장치를 이용함에 있어서, 1.7% 메탄과 98.3%의 혼합물은 43cm³/분의 유량으로 반응실을 연속적으로 통과하게 된다. 반응실내의 가스 압력은 일정하게 약 9.0Torr이다. 약 24A의 일정한 전류는 약 2100℃의 코일 온도에서 생기는 텅스텐 코일 전기저항 히터 레지스터(12)에 적용된다. 마이크로파 발생장치(25)는 2450MHz의 주파수와 12.14cm의 파 길이를 갖는 마이크로파 발산을 방출하기 위하여 110 내지 120volt, 60Hz의 전력원으로부터 500watt를 얻을 수 있다. 설명한 바와 같이 본 발명의 실시동안 가스 프라스마를 형성하기 위하여 코일(12)로부터의 열 가열과 마이크로파 장치(25)로부터 마이크로파 에너지의 결합을 이용하여 약 750℃의 기판(14) 온도를 얻게 된다. 이러한 조건하에서 히터 코일(12)과 기판(14) 사이 그리고 가스 프라스마의 온도와 기판(14)의 온도 사이에서 부극적 온도 구배를 갖는다. 마이크로파 장치(25)는 정해진 시간 공정의 지속을 위하여 연속적으로 여기되기 때문에 그것은 코일(12)의 가열과 동시에 공정 사이클을 통하여 연속적으로 작동하게 된다. 마이크로파 반사기는 기판(14)에 인접한 프라스마 흐름내에서 결정의 발광이 나타나기 때문에 그때 조정한다.

상기 실시예는 기판상에서 다수의 다이아몬드 결정이 생기게 30분에서 48시간 지속해서 반복하게 된다. 공정 조건이 빨리 설정되고 약 30분후 중단하게 될 때에는 풍부하고 매우 작은 다이아몬드 결정의 빠른 핵형성이 발생한다. 불연속의 시간의 주기를 더 길게 하면 작은 결정은 중요한 크기로 성장하게 된다.

실예 1에서 예증한 본 발명의 실시의 다소의 결과는 제5도에 도시되어 있다.

제5도에 따르면 곡선 D는 시간에 대한 다이아몬드 결정 성장을 나타낸다. 약 30분의 공정 시간이 그들의 더 긴 치수로 약 10μ의 다이아몬드 결정을 산출하게 한다는 것은 주목할 만하다. 전기저항 코일 가열과 마이크로파 에너지 삽입체의 결합이 약 48시간 지속될 때 다이아몬드 결정은 그들의 더 큰 치수로 180μ에 접근하는 것을 얻을 수 있다. 이것은 설명한 바와 같이 동시에 일어나는 마이크로파 에너지 없이 본 발명의 공정의 실시와 비교하여 크기에서 가장 중요한 증가이며, 결정 크기는 여러 시간(10시간)의 주기후 더 긴 치수 약 10μ에 지나지 않는다는 것이 주목할만하다.

본 발명의 실시에서 얻은 침전물은 1000X 비율로 광학 현미경 검사와 라만(Raman) 분광학과 마찬가지로 X-레이와 전자 회절 테스트에 따르게 된다. 이러한 검사는 응축 다이아몬드의 침전물이 다이아몬드 탄소 결정과 관련하여 입방체 결정구조를 포함하고 있다는 것을 나타나게 된다.

본 발명의 실시에서 다이아몬드 성장은 기판 온도의 함수로서 중요하게 증가한다는 것을 알 수 있었다. 기판 온도가 다이아몬드 결정이 발생하는 온도에 도달한다면 단지 탄소의 비-다이아몬드 형태가 침전될 것이라고 기대되며, 이런 조건하에서 다이아몬드가 침전하게 된다면 다이아몬드 결정의 흑연화로 되려는 강한 경향이 기대된다. 기판 가열은 전기저항 가열에 의하여 신속하게 수행된다. 예를들어, 제3도에 도시한 바와 같이 한쌍의 대향 몰리브덴 봉 전극(11)은 설명한 목적을 위하여 저항 히터 텅스텐 코일(12)에 전원을 공급한다. 대향한 2개의 몰리브덴 봉 전극은 기판(13)이 휴지되어서 추가된 전기저항 히터 코일(12')에 의해 가열되어지게 전원을 공급한다.

고온에서 본 발명의 실시의 한 예에서는 1.905cm(0.75inch) 직경과 0.635cm(0.25inch) 두께인 몰리브덴 디스크를 기판(14)으로서 사용하였다.

실예 2

(A) 메탄 1%와 수소 99%의 혼합물은 유브(10) 안으로 제1도의 튜브(20)를 통하여 유입되게 된다. 유량은 38cm³/분이다.

(B) 히터 코일(12)은 약 2100℃ 이상으로 코일(12)의 온도를 올려서 27.3A의 전류 흐름으로 여기되게 된다.

(C) 마이크로파 발생기(24)는 500watt로 여기되며 반사경(26)는 그 안에 기판(14)에 인접한 프라스마를 발생하기 위하여 가스 튜브(10) 안으로 마이크로파 에너지를 집중시키려고 조정한다.

(D) 튜브(10) 내의 가스 압력은 30.5Torr로 일정하게 유지된다.

(E) 코일(12')은 광학 고온도계로 측정해 기판(14)이 약 1100℃로 증가하게 여기되고 있다.

상기 조건들을 총 6시간 동안 유지하게 된다. 상기 시간 주기의 만기와 동시에 상기 온도는 히터 코일 (12)과 마이크로파 발생기를 비여기하며 튜브(10) 안으로 가스의 흐름을 차단함에 의하여 떨어지게 된다. 기판(14)은 튜브에서 제거되며 검은 다이아몬드 결정으로 피복되는 것을 알 수 있었다. 공동(15)은 투명한 패널과 끼워지게 되므로 기판상의 다이아몬드 성장은 6시간 주기동안 관찰할 수 있게 된다. 다이아몬드 결정의 성장율은 시간당 6 내지 10μ의 범위내에 있다. 약 1000℃ 이상의 기판 온도는 약750℃의 기판 온도와 비교하여 다이아몬드를 생기게 하는 결정 크기와 질량을 증가시키는데 도움이 된다. 예를 들어, 750℃ 이하의 낮은 기판 온도는 기판상에 이산 다이아몬드 결정이 층이나 막을 제공하는 경향이 있다.

본 발명의 실시에서 수소-탄화수소 가스 혼합물은 상승된 온도에서 히터면과 접촉하여 종속되며 마이크로파 에너지 삽입체가 노출되는 동시 자극에 의하여 조건을 개선하게 된다. 조절된 가스는 그때 기판 위에서 분해되고 그 위에 탄소로 구성된 다이아몬드를 침전시키게 된다.

CVD 다이아몬드 공정에서 마이크로파와 열에너지를 조합한 본 발명의 실시에 의하여 다이아몬드 대량 생산에서 현저한 증가가 얻어지게 된다. 또한 다양한 다이아몬드 변경은 그 결정 구조내에서 다양한 물질의 원자로 결합된 전기적 반도체성 다이아몬드와 다이아몬드 같은 것이 얻어지게 된다. 이용가능한 층이나 박층 다이아몬드는 다양한 작용 약품상의 다이아몬드층이다.

반응가스 공급원으로서 병에 든 가스의 사용에 추가하여 사용하지 않은 가스 주로 수소는 뜨거운 흑연 예를들어, 봉이나 변화한 베드를 통과할 것이며 반응실에서 그때 재순환된 메탄을 단지 구성한다.

본 발명의 적합한 실시예가 공지되고 설명되는 동안 기술분야에서 숙련된 자라면 다앙한 변화와 수정이 첨무된 청구범위내에 규정되므로 본 발명의 범주내에 들어가게 된다는 것이 명백해질 것이다.

Claims (23)

1. CVD 방법에 의하여 다이아몬드의 생산에 유용한 장치에 있어서, (a) 반응실과, (b) 상기 반응실 안으로 흐르게 하기 위하여 반응실내에서 수소와 탄화수소 가스의 가스 혼합물이 이입되는 가스 유입 수단과, (c) 상기 반응실을 통하여 가스의 흐름을 설정하고 상기 반응실로부터 가스를 비우기 위하여 상기 반응실과 연결된 출구 수단과, (d) 상기 가스 유입 수단으로부터 가스의 흐름이 상기 히터 부재 위로 흐르게 위치하면서 상기 가스 유입 수단에 인접한 상기 반응실내의 금속 전기저항 히터 부재와, (e) 상기 반응실내에서 상기 전기저항 히터 위로 흐르는 가스에 의하여 부딪히게 되는 상기 히터 부재에 인접한 상기 반응실내에 설치된 기판과, (f) 상기 반응실내에 가스 흐름으로 인하여 반응면을 제공하고 약 2000℃ 이상으로 상기 전기 연결수단과, (g) 가스 프라스마로부터 응축됨으로써 그 위에 탄소의 형태인 침전 다이아몬드와 상기 기판상에 응축하기 위하여 상기 가스 프라스마가 발생하므로 상기 기판에 인접한 그내에 원자 수수와 가스 프라스마가 발생하기 위하여 상기 히터 부재와 상기 가판에 대항하며 상기 반응실내에서 흐르는 가스안으로 파동 에너지를 분사하기 위하여 채택되며 상기 반응실과 관련이 있는 파동 에너지 발생기를 포함하는 것을 특징으로 하는 응축 다이아몬드의 생산에서 유용한 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 파동 에너지 발생기는 상기 반응실내에 가스의 흐름 안으로 마이크로파 에너지를 발생하고 상기 마이크로파 에너지를 주사하기 위하여 채택된 전자기파 에너지 발생기인 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 저항기 히터 부재는 텅스텐, 몰리브덴, 레늄, 그들의 합금이나 금속 와이어 코일인 것으로 특징으로 하는 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 기판은 비금속인 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 기판은 탄소 필라멘트를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제3항에 있어서, 상기 비금속은 브롬을 포함한 혼합물인 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제3항에 있어서, 상기 비금속은 흑연인 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제3항에 있어서, 추가적인 전거자항 히터 코일은 그것의 온도를 올리기 위하여 기판과 관련이 있는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제3항에 있어서, 기판은 액체 금속이나 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제3항에 있어서, 상기 기판 금속은 몰리브덴인 것을 특징으로 하는 장치.
11. 탄소를 함유하는 가스의 응축으로부터 탄소로 구성된 다이아몬드를 생산하기 위한 CVD 공정에 있어서, (1) 반응실에서 수소와 탄솨수소의 혼합물을 발생하는 단계와, (2) 약 2000℃ 이상으로 가열된 내화성 금속면을 가로질러 상기 혼합물을 통과하는 단계와, (3) 그안에 원자 수소의 중요한 양을 가지는 가스 프라스마를 발생하기 위하여 가스의 상기 혼합물을 전자기파에 동시에 종속시키는 단계와, (4) 상기 기판상에 탄소로 구성된 다이아몬드를 침전하기 위하여 상기 반응실내의 기판을 가열하는 단계와, (5) 상기 기판으로부터 탄소로 구성된 다이아몬드를 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 CVD 공정.
12. 제11항에 있어서, 상기 내화성 금속면을 텅스텐인 것을 특징으로 하는 CVD 공정.
13. 제11항에 있어서, 상기 기판은 내화성 금속인 것을 특징으로 하는 CVD 공정.
14. 제11항에 있어서, 상기 기판은 몰리브덴 금속 박인 것을 특징으로 하는 CVD 공정.
15. 제11항에 있어서, 상기 기판의 온도는 약 1000℃로부터 약 2500℃의 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 CVD 공정.
16. 제11항에 있어서, 상기 가판은 비금속인 것을 특징으로 하는 CVD 공정.
17. 제16항에 있어서, 상기 기판은 유리된 탄소 필라멘트를 포함하는 것을 특징으로 하는 CVD 공정.
18. 공정에 의하여 얻어지는 탄소로 구성된 다이아몬드에 있어서, (1) 반응실을 통과하여 수소와 메탄 가스의 혼합물을 발생하는 단계와, (2) 상기 가스혼합물을, (a) 약 2000℃ 이상으로 가열된 반응면과, (b) 그 안에 원자수소의 중요한 양을 가지는 상기 가스 혼합물내에 가스 프라스마를 형성하기 위하여 상기 반응면과 상기 기판에 대향하는 전자기파 에너지에 동시에 종속시키는 단계와, (3) 상기 면상에 탄소로 구성된 다이아몬드를 침전하기 위하여 기판면상에 상기 가스 프라스마를 응축하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드.
19. 제18항에 있어서, 탄소로 구성된 다이아몬드는 단결정 다면 형태인 것을 특징으로 하는 다이아몬드.
20. 제18항에 있어서, 탄소로 구성된 다이아몬드는 다결정인 것을 특징으로 하는 다이아몬드.
21. 제18항에 있어서, 탄소로 구성된 다이아몬드는 전기 반도체성 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 다이아몬드.
22. 제18항에 있어서, 탄소로 구성된 다이아몬드는 합착된 관계에서 인접 얇은층에 결합되고 상호 연장하고 단단한 각 얇은 층과 납작하게 쌓인 관계에서 복수개의 평면 얇은 층의 얇은 층 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드.
23. 제22항에 있어서, 상기 층의 하나는 인접층과 다른 전기 반도체성 특성을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드.

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