KR960014905B1 - Plasma chemical deposit diamond synthesis - Google Patents

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Abstract

The diamond is prepared by DC discharge plasma chemical vapor deposition method which comprises (a) generating plasma between anode and cathode of the reaction vessel, (b) decomposing the reactive gas by plasma, (c) manufacturing diamond on the substrate. This CVD method keeps generating stable plasma by blocking heat flow from cathode suspension equipment and maintaining cathode temperature up to more than the forming temperature of the solid phase carbon. The high melting point carbides such as tungsten carbide, tantalum carbide, titanium carbide are used for cathode material.

Description

직류방전 플라즈마 화학증착 다이아몬드 합성방법DC discharge plasma chemical vapor deposition diamond synthesis method

제1도는 일반적인 직류방전 플라즈마 화학증착 합성장치의 개략구조도.1 is a schematic structural diagram of a general direct current discharge plasma chemical vapor deposition synthesis apparatus.

제2도는 종래 다이아몬드 합성장치의 음극과 음성현수장치의 구성을 보인 것으로,Figure 2 shows the configuration of the negative electrode and the negative suspension of the conventional diamond synthesizer,

a도는 평면도이고,a is a plan view,

b도는 단면도 및 음극의 온도구배를 보인 그래프.b is a graph showing the cross-sectional view and the temperature gradient of the cathode.

제3도는 본 발명에 의한 다이아몬드 합성장치의 음극과 음극현수장치의 구성 및 음극의 온도구배를 보인 그래프.3 is a graph showing the configuration of the cathode and the cathode suspension of the diamond synthesis apparatus according to the present invention and the temperature gradient of the cathode.

제4도는 본 발명에서 사용되는 음극현수봉의 일실시예를 구조에 대한 정면도.Figure 4 is a front view of the structure of one embodiment of the cathode suspension rod used in the present invention.

제5도 내지 제8도는 본 발명의 방법에 사용되는 여러가지 형태의 음극에 대한 구조도.5 through 8 are structural diagrams of various types of negative electrodes used in the method of the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

13, 14, 15, 16 : 음극 13a, 14a, 15a, 16a : 결합홈13, 14, 15, 16: cathode 13a, 14a, 15a, 16a: coupling groove

15b, 16b : 통공15b, 16b: through hole

본 발명은 직류방전 플라즈마 화학증착법을 이용한 다이아몬드막(film)의 합성방법에 관한 것으로, 특히 음극의 발열부위를 음극현수장치에 의해 음극선단부로 한정시켜 음극의 온도를 2000℃ 이상으로 높게 유지시킴으로써 플라즈마의 안정성을 해치는 고상탄소의 형성을 배제하여 장시간에 걸쳐 안정적으로 다이아몬드 합성이 가능하도록 한 직류방전 플라즈마 화학증착 다이아몬드 합성방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of synthesizing a diamond film using a direct current discharge plasma chemical vapor deposition method. Particularly, a plasma is formed by limiting a heat generation portion of a cathode to a cathode front end by a cathode suspension device to keep the temperature of the cathode higher than 2000 ° C. The present invention relates to a direct current discharge plasma chemical vapor deposition diamond synthesis method that can stably synthesize the diamond over a long period of time by eliminating the formation of solid carbon that impairs the stability.

종래의 다이아몬드 합성방법중 대표적인 기상합성기술의 한 형태로 직류방전 플라즈마 화학증착법이 알려지고 있는데, 이 방법을 이용한 다이아몬드의 합성과정을 제1도에 도시된 바의 직류방전 프라즈마 화학증착 합성장치를 참조하여 설명하면 다음과 같다.DC discharge plasma chemical vapor deposition is known as a typical gas phase synthesis technique among conventional diamond synthesis methods. For the diamond synthesis using this method, refer to the DC discharge plasma chemical vapor deposition synthesis apparatus as shown in FIG. The description is as follows.

먼저, 진공상태의 반응용기(1) 내부에 음극(2)과 양극(3)이 일정간격을 유지한 채 상하로 대향되게 설치되며, 반응용기(1)는 용기내부를 진공상태로 유지시키기 위한 진공펌프(4)와 원료가스의 도입을 위한 원료가스 공급장치(5) 및 내부압력측정을 위한 압력계(6)가 설치된 구조를 취하고 있다.First, the negative electrode 2 and the positive electrode 3 are installed in the reaction container 1 in a vacuum state so as to face up and down while maintaining a constant interval, and the reaction container 1 is used to maintain the inside of the container in a vacuum state. A vacuum pump 4, a source gas supply device 5 for introducing a source gas, and a pressure gauge 6 for measuring internal pressure are provided.

이러한 직류방전 플라즈마 화학증착 합성장치를 이용하여 양극(3)의 상부에 놓여진 기판(11)의 표면에 다이아몬드막을 합성시키는 과정을 다음과 같다.A process of synthesizing a diamond film on the surface of the substrate 11 placed on the anode 3 using the DC discharge plasma chemical vapor deposition synthesis apparatus is as follows.

직류전력 공급장치(9)를 통해 진공상태의 반응용기(1)내의 설치된 음극(2)과 양극(3) 사이에 전압을 가하고 원료가스 공급장치(5)로부터 반응용기(1)내부로 원료가스를 유입시켜 양 전극(2)(3) 사이의 공간에서 플라즈마를 형성시키므로서 원료가스를 분해하여 기판(11)의 표면에서 다이아몬드막의 합성이 이루어지게 된다.A voltage is applied between the negative electrode 2 and the positive electrode 3 installed in the reaction container 1 in a vacuum state through the DC power supply device 9, and the raw material gas from the source gas supply device 5 into the reaction container 1. By forming a plasma in the space between the two electrodes (2) and (3), the source gas is decomposed to synthesize the diamond film on the surface of the substrate 11.

한편, 플라즈마 화학증착 다이아몬드 합성방법에 있어서 음극은 플라즈마 발생의 근원(source)으로서 안정된 플라즈마의 형성에 가장 중요한 요소로 작용하게 된다. 이러한 음극의 재질로는 몰리브데늄(Mo), 텅스템(W) 및 탄탈륨(Ta)등의 고융점금속이 사용되고 있으며, 그 형태는 봉(rod)상과 필라멘트(filament)를 취하고 있다.Meanwhile, in the plasma chemical vapor deposition diamond synthesis method, the cathode serves as the most important factor for the formation of stable plasma as a source of plasma generation. As the material of the cathode, high melting point metals such as molybdenum (Mo), tungsten (W), and tantalum (Ta) are used, and the shape of the cathode is rod and filament.

그러나, 봉상음극을 사용하는 경우에는, 합성조건에 따라 다소 차이가 있긴 하나, 30㎛/hr 이상의 고속합성시에는 음극의 온도를 약 2000℃ 정도로 높여주어야 하는데, 이때 음극현수장치의 수냉에 의해 수십 내지 수백℃ 정도의 연속적인 온도구배가 음극현수장치와 음극 사이에 형성되어 음극의 온도가 부분적으로 2000℃이하의 온도를 나타내게 된다.However, in the case of using a rod-shaped cathode, the temperature of the cathode should be increased to about 2000 ° C. during high-speed synthesis of 30 μm / hr or more, depending on the synthesis conditions. A continuous temperature gradient of about several hundred degrees Celsius is formed between the cathode suspension device and the cathode so that the temperature of the cathode is partially below 2000 ° C.

즉, 제2도에 보는 바와 같이 음극선단의 열은 순환되는 물에 의해 냉각되고 있는 음극현수장치(재질은 Cu)쪽으로 소실되며, 음극(2)부위의 온도는 음극(2) 선단에서 음극현수장치 방향으로 연속적으로 감소하게 되는 바, 비록 음극선단의 온도가 고상탄소가 형성되지 않는 2100℃ 이상으로 유지되더라도 고상탄소가 형성되는 영역(약 1900~2000℃)이 음극(2)에 위치하게 되는 것이었다.That is, as shown in FIG. 2, the heat of the cathode tip is lost toward the cathode suspension device (material is Cu) which is cooled by the circulating water, and the temperature of the cathode 2 portion is the cathode suspension at the cathode 2 tip. It is continuously decreased in the direction of the device, even though the temperature at the tip of the cathode is maintained above 2100 ° C. where no solid carbon is formed, the area where the solid carbon is formed (about 1900 to 2000 ° C.) is located at the cathode 2. Was.

이와같이 음극의 온도가 1900~2000℃ 사이의 온도로 낮아지게 되면 흑연 및 수트(soot)등의 고상탄소가 음극에 증착되어 아트(arc) 발생의 요인으로 작용함에 따라 안정적인 다이아몬드의 합성이 불가능해지는 문제점이 있다.As such, when the temperature of the cathode is lowered to a temperature between 1900 ° C and 2000 ° C, solid carbon such as graphite and soot is deposited on the cathode, which acts as a factor of generating arc, which makes stable diamond synthesis impossible. There is this.

또한, 필라멘트 음극을 사용하는 경우에는, 필라멘트의 선단은 고상탄소 형성온도 이상으로 높일 수 있다고 하더라도 현수선(wire)에서의 온도구배가 역시 존재하기 때문에 결국 고상탄소의 형성을 완전하게 방지할 수 없고, 이에 더하여 필라멘트는 사용시간이 경과함에 따라 현수선의 중간부위가 아래로 처지게 되는 늘어짐현상이 초래되어 불균일한 플라즈마가 형성됨과 아울러 음극자체의 수명이 짧다는 등의 문제점을 지니고 있다.In addition, in the case of using the filament cathode, even if the tip of the filament can be raised above the solid carbon formation temperature, there is also a temperature gradient in the wire, so that the formation of the solid carbon cannot be completely prevented. In addition, the filament has a problem such that the uneven plasma is formed and the life of the cathode itself is shortened due to the sagging phenomenon that the middle part of the suspension line sags downward as the use time elapses.

한편, 종래의 직류방전 플라즈마 화학증착법에서 음극재질로 사용되는 몰리브데늄(Mo)등의 고융점 순수 금속은 합성과정중 탄소와 반응하여 탄화물을 형서아고, 이때 형성되는 탄화물은 음극의 재질에 따라 다소의 차이가 있긴 하나 대부분의 경우 두가지 이상의 복합탄화물을 형성시키는 것으로 알려지고 있다.On the other hand, high melting point pure metals such as molybdenum (Mo) used as a negative electrode material in the conventional direct current discharge plasma chemical vapor deposition method reacts with carbon during the synthesis process to form carbides, the carbide formed at this time depending on the material of the negative electrode Although somewhat different, it is known that in most cases, two or more complex carbides are formed.

이러한 복합탄화물은 음극표면으로부터 수밀리미터 깊이에까지 형성되는데, 이는 음극재료의 결정구조의 변화와 부피팽창을 일으켜 음극표면층이 벗겨지는 스폴링(spalling)현상을 초래하여 안정된 플라즈마의 형성을 방해하는 요인으로 작용한다.These complex carbides are formed to a depth of several millimeters from the surface of the cathode, which causes a change in the crystal structure and volume expansion of the anode material, causing a spalling phenomenon in which the surface of the cathode is peeled off, thereby preventing the formation of a stable plasma. Works.

즉, 다이아몬드의 화학증착시 빠른 증착속도하에서 양호한 결정질을 얻기 위해서는 음극전체의 온도를 2000℃ 이상으로 균일하게 유지시켜야 하는데, 종래의 직류방전 플라즈마 화학증착법에서는 음극과 음극현수장치 사이에 존재하는 온도구배에 의해 음극전체를 2000℃ 이상으로 유지하는 것이 곤란하고, 이에 따라 발생하는 합성조건의 변화에 의해 재현성 있는 다이아몬드막을 형성하는 것이 어려울 뿐만 아니라 음극자체의 수명이 짧다는 단점이 있다.That is, in order to obtain good crystalline under fast deposition rate during the chemical vapor deposition of diamond, the temperature of the entire cathode must be maintained uniformly above 2000 ° C. In the conventional direct-current discharge plasma chemical vapor deposition, the temperature gradient existing between the cathode and the cathode suspension device As a result, it is difficult to maintain the entire negative electrode at 2000 ° C. or higher, and it is difficult to form a reproducible diamond film due to the change of the synthetic conditions generated thereby, and there is a disadvantage that the lifetime of the negative electrode itself is short.

따라서, 본 발명은 상기 종래의 직류방전 플라즈마 화학증착법에서 지적되고 있는 단점을 해결하기 위하여 음극과 연결된 음극현수장치로의 열흐름을 차단시켜 음극 전체의 온도가 2000℃ 이상이 유지되도록 하고, 음극을 고융점 순수금속이 아닌 고융점 카바이드(carbide) 재질로 구성하여 안정된 플라즈마의 형성을 유도함으로써 재현성 있는 다이아몬드막을 효과적으로 얻을 수 있도록 한 직류방전 플라즈마 화학증착 다이아몬드 합성방법을 제공하는데 목적이 있다.Therefore, in order to solve the drawbacks pointed out in the conventional direct-current discharge plasma chemical vapor deposition, the present invention blocks the heat flow to the cathode suspension device connected to the cathode so that the temperature of the cathode is maintained at 2000 ° C. or higher, It is an object of the present invention to provide a direct current discharge plasma chemical vapor deposition method for synthesizing diamond that is made of a high melting point carbide (carbide) material rather than a high melting point pure metal to effectively obtain a reproducible diamond film.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여 음극홀더와 음극의 사이를 연결하고 음극현수봉의 단면적을 음극보다 작게 형성하여 음극의 열이 이 음극현수봉을 따라 흘러나가는 것을 차단함으로써 음극 자체의 온도를 고상탄소 형성온도 이상으로 유지시킴에 의해 고상탄소는 가는 음극현수봉의 일정부위에만 형성되고 플라즈마와 접촉하고 있는 음극에서는 형성되지 않도록 하고 있다.In order to achieve the above object, the present invention connects the cathode holder and the cathode and forms a cross-sectional area of the cathode suspension rod smaller than the cathode to block the heat of the cathode from flowing along the cathode suspension rod, thereby reducing the temperature of the cathode carbon. By maintaining the temperature above the formation temperature, the solid carbon is formed only at a certain portion of the thin cathode suspension rod and is not formed at the cathode in contact with the plasma.

또한, 본 발명은 음극의 재질로서 텅스텐 카바이드(WC), 탄탈륨 카바이드(TaC) 및 타이타늄 카바이드(TiC)등의 고융점 탄화물 분말을 사용하여 핫 프레스(hot press)한 후 방전가공에 의해 제작함으로써 종래의 고융점 순수금속 재질의 음극에서 발생되는 복합탄화물 형성의 문제점을 해결하는 한편 음극의 수명을 증대시킨 점에 기술적 특징이 있다.In addition, the present invention is conventionally produced by electric discharge machining after hot pressing using a high melting point carbide powder such as tungsten carbide (WC), tantalum carbide (TaC) and titanium carbide (TiC) as the material of the negative electrode Solving the problem of the formation of the composite carbide generated in the high-melting-point pure metal anode of the technical features in that the increased life of the cathode.

이와같은 본 발명의 직류방전 플라즈마 화학증착 다이아몬드 합성법에서 사용하는 음극의 구조를 첨부된 도면에 의거하여 자세하게 설명하면 다음과 같다.Referring to the structure of the negative electrode used in the DC discharge plasma chemical vapor deposition diamond synthesis method of the present invention in detail based on the accompanying drawings as follows.

본 발명에 의한 다이아몬드 합성방법은 제3도에 도시한 바와 같이, 음극현수봉(7')의 단면적을 음극(2)보다 작게 형성함으로써 음극(2)에서 발생되는 열이 음극현수장치로 전달되는 것을 차단시켜 음극(2)의 온도를 고상탄소가 형성되는 온도 이상으로 일정하게 유지시킬 수 있도록 한 것이다.In the diamond synthesis method according to the present invention, as shown in FIG. 3, the cross-sectional area of the cathode suspending rod 7 'is made smaller than that of the cathode 2 so that heat generated from the cathode 2 is transferred to the cathode suspension device. This is to prevent the temperature of the cathode 2 to be kept constant above the temperature at which the solid carbon is formed.

상기와 같이 음극현수봉(7')의 단면적을 음극(2)보다 작게 형성한다는 의미는 음극(2)의 온도가 음극의 크기, 투입 전력 그리고 합성 압력등에 의해 최대 2500℃까지 변화할 수 있기 때문에 음극(2)의 온도가 높게 유지되는 조건에서는 음극현수봉(7')의 단면적 크기가 다소 크더라도 음극(2)의 온도는 2100℃ 이상으로 유지할 수 있다는 내용에 근거한 것으로써, 음극현수봉(7')의 단면적의 크기는 음극보다 작게 형성한다는 조건하에서 합성조건에 따라 얼마든지 변경가능한 것이다.As described above, the cross-sectional area of the negative electrode suspension rod 7 'is made smaller than that of the negative electrode 2 because the temperature of the negative electrode 2 can be varied up to 2500 ° C by the size of the negative electrode, the input power, and the synthetic pressure. Under the condition that the temperature of the cathode 2 is kept high, the temperature of the cathode 2 can be maintained at 2100 ° C. or more even if the size of the cathode suspension rod 7 ′ is somewhat large. The size of the cross-sectional area of 7 ') can be changed as many as the synthesis conditions under the condition that the size of the cross section is smaller than that of the cathode.

제4도는 본 발명의 방법에 음극현수봉의 구성을 보인 정면도로서, 음극현수봉(12)은 직경이 적은 가느다란 봉상체로서 그 상, 하부 외주면에 각각 나사부(12a)(12b)가 형성되어 상부 나사부(12a)는 음극홀더(8)와 나사결합되고, 하부 나사부(12b)는 음극과 나사결합을 이루도록 형성되어 있다.4 is a front view showing the configuration of the cathode suspension rod in the method of the present invention, the cathode suspension rod 12 is a thin rod-shaped body with a small diameter, upper and lower threads 12a, 12b respectively formed on the upper surface The screw portion 12a is screwed with the negative electrode holder 8, and the lower screw portion 12b is formed to screw with the negative electrode.

다음, 제5도 내지 제8도는 본 발명 방법에서 사용되는 음극에 대한 여러 실시예를 나타내고 있다.Next, Figures 5-8 show several examples of cathodes used in the method of the present invention.

제5도는 원판형 음극의 구성을 보인 것으로, (a)는 종단면도이고 (b)는 저면도로서, 이에 도시된 바와 같이 음극(13)의 중앙부에는 제2도의 음극현수봉(12)과의 나사결합을 위한 결합홈(13a)이 형성되어 있다.5 shows the configuration of a disc-shaped negative electrode, (a) is a longitudinal cross-sectional view, (b) is a bottom view, and as shown therein, the negative portion of the negative electrode 13 with the negative electrode suspending rod 12 of FIG. Coupling groove 13a for screwing is formed.

한편, 음극의 크기는 사용되어지는 기판의 크기에 따라 변화시켜야 하는데, 일반적으로 기판의 면적보다 10~20% 정도 크게 형성하는 것이 바람직한 것으로 알려지고 있다.On the other hand, the size of the cathode should be changed in accordance with the size of the substrate to be used, it is generally known to form a 10 to 20% larger than the area of the substrate.

따라서 대면적의 다이아몬드 막을 증착시키기 위해서는 음극의 크기가 증가되어야 한다. 그러나, 음극의 형태가 제4도와 같이 원판형태인 경우에는 음극이 일정한 크기 이상으로 증가되면 음극온도의 불균일에 의해 음극의 일정부위에서 플라즈마가 집중되면서 국부적인 플라즈마가 형성되어 안정된 다이아몬드 막의 합성이 곤라해지게 된다.Therefore, in order to deposit a large diamond film, the size of the cathode must be increased. However, when the negative electrode is in the shape of a disk as shown in FIG. 4, when the negative electrode increases above a certain size, the plasma is concentrated at a certain portion of the negative electrode due to the nonuniformity of the negative electrode temperature, and thus, a local plasma is formed to form a stable diamond film. Will be lost.

따라서, 대면적의 다이아몬드 합성을 위해서는 음극의 온도를 균일하게 유지시킬 수 있는 음극이 요구되는데, 이러한 요구조건에 부합되는 음극의 형태가 제6도에 도시되어 있다.Therefore, a large area of diamond synthesis requires a negative electrode capable of keeping the temperature of the negative electrode uniform. The shape of the negative electrode that meets these requirements is shown in FIG.

제6도의 (a)는 종단면도이고, (b)는 저면도로서, 도시된 바와 같이 음극(14)은 상부가 구면형태를 취하고 있으며, 역시 상부 중앙에는 음극현수봉(12)에의 연결을 위한 결합홈(14a)이 형성되어 있다.(A) of FIG. 6 is a longitudinal cross-sectional view, (b) is a bottom view, and as shown, the cathode 14 has a spherical shape at the top thereof, and is also connected to the cathode suspension rod 12 at the upper center thereof. Coupling groove 14a is formed.

제7도는 할로우(hollow)음극을 나타낸 것으로, (a)는 종단면도이고 (b)는 저면도로서, 음극(15)의 세로방향을 따라 복수개의 통공(15b)이 형성되어 음극 각 부위에서 할로우 음극에 의한 발열을 이용하여 음극의 균일가열을 유지할 수 있도록 구성되어 있다.7 is a hollow cathode, (a) is a longitudinal cross-sectional view (b) is a bottom view, a plurality of through holes (15b) are formed along the longitudinal direction of the cathode 15, hollow at each cathode portion It is configured to maintain uniform heating of the negative electrode by using heat generated by the negative electrode.

다음, 제8도는 음극의 균일가열을 보다 효율적으로 하기 위한 형태의 또 다른 형태의 할로우 음극에 관한 것으로, (a)는 종단면도이고 (b)는 평면도로서, 중앙부에 결합홈(16a)이 형성되고 원판상 저면을 갖는 본체의 가장자리를 따라 일정 높이의 원통형 외벽부가 수직입설되어 그 원통형 외벽부의 내부로 다수개의 통공(16b)이 형성된 구성으로 이루어진 음극(16)임을 알 수 있다.Next, FIG. 8 relates to another type of hollow cathode in the form of more efficient uniform heating of the cathode, in which (a) is a longitudinal cross-sectional view and (b) is a plan view, where a coupling groove 16a is formed at the center thereof. And it can be seen that the cathode 16 has a configuration in which the cylindrical outer wall portion of the predetermined height along the edge of the main body having a disk-shaped bottom surface is formed vertically formed a plurality of through holes (16b) into the cylindrical outer wall portion.

즉, 제8도의 음극에서는 음극의 내부에 공간을 형성시킴으로써 음극의 현수봉을 통하여 주로 이루어지는 음극 외부로의 열전달을 최소화시키는 한편, 원통형 외벽부에 통공(16b)을 형성하여 할로우 음극에 의한 발열을 가능하게 함으로써 음극 각 부위의 온도를 2000℃ 이상으로 균일하게 유지할 수 있어 안정된 플라즈마를 형성시킬 수 있게 된다.That is, in the negative electrode of FIG. 8, space is formed inside the negative electrode to minimize heat transfer to the outside of the negative electrode mainly made through the suspension rod of the negative electrode, and a through hole 16b is formed in the cylindrical outer wall to generate heat generated by the hollow negative electrode. By making it possible, the temperature of each site | part of a cathode can be kept uniformly 2000 degreeC or more, and it becomes possible to form a stable plasma.

이상과 같은 본 발명의 음극구조를 사용한 플라즈마 화학증착 다이아몬드 합성법은 다음과 같은 효과가 있다.The plasma chemical vapor deposition diamond synthesis method using the cathode structure of the present invention as described above has the following effects.

첫째, 음극의 발열부위를 음극현수장치에 의해 음극선단에 한정시켜 이 부분의 온도를 2000℃ 이상으로 높게 유지하여 고상탄소 형성영역을 피할 수 있어서 장시간에 걸친 다이아몬드 합성이 가능하고, 둘째, 대면적 합성에 필요한 비교적 큰 음극에서 발생되는 온도불균일에 기인한 국부적인 플라즈마 형성을 할로우 음극(hollow cathod) 효과를 이용하여 음극 전체의 온도를 균일하게 유지함으로써 안정된 플라즈마를 형성시킬 수 있고, 셋째, 음극의 재질을 고융점 탄화물로 제작함으로써 음극의 재질을 순수 고융점 금속을 사용할 경우에 발생되는 음극의 탄화에 의한 음극 표면층이 벗겨지는 스폴링(spalling) 현상을 방지할 수 있어 음극의 수명을 증가시킬 수 있다.First, the heat generating part of the cathode is limited to the cathode tip by the cathode suspension device, so that the temperature of this part can be kept high above 2000 ° C. to avoid the solid carbon formation region, and thus, diamond synthesis for a long time is possible. Local plasma formation due to temperature nonuniformity generated in a relatively large cathode required for synthesis can be stabilized by forming a uniform plasma by using a hollow cathod effect to maintain a uniform temperature throughout the cathode. By making the material of high melting point carbide, it is possible to prevent the spalling phenomenon that the surface of the negative electrode is peeled off due to carbonization of the negative electrode, which is generated when the material of the negative electrode is made of pure high melting point metal. have.

이상과 같은 본 발명의 구체적인 합성방법과 제반특성 및 효과는 다음의 실시예를 통하여 보다 명확하게 이해될 것이다.Specific synthesis method and various characteristics and effects of the present invention as described above will be more clearly understood through the following examples.

[실시예 1]Example 1

제5도 내지 제7도의 각각의 형상으로 동일한 외경을 갖는 탄탈륨 음극을 사용하여 전압, 전류, 가스압력, 유량과 양극 기판(텅스텐)의 직경을 각각 620V, 4.0A, 200torr, 200sccm, 10mm로 하고, 3% 메탄-0.3%, 산소-96.7% 수소로 이루어진 혼합가스를 원료로 사용하여 음극의 온도를 2100~2150℃, 기판의 온도를 1050~1100℃의 조건에서 다이아몬드 합성을 수행하였다. 전류밀도는 5.10A/cm2까지 높일 수 있었다. 합성된 막은 300마이크론 정도까지 투명한 화이트(white) 다이아몬드를 합성할 수 있었으며, 합성속도는 시간당 약 50마이크론 정도였다.Using a tantalum cathode having the same outer diameter in each of the shapes of FIGS. 5 to 7, the voltage, current, gas pressure, flow rate and diameter of the anode substrate (tungsten) were 620V, 4.0A, 200torr, 200sccm, and 10mm, respectively. Using a mixed gas consisting of 3% methane-0.3%, oxygen-96.7% hydrogen as a raw material, diamond synthesis was carried out under the conditions of the cathode temperature of 2100 ~ 2150 ℃, the substrate temperature of 1050 ~ 1100 ℃. The current density could be increased to 5.10 A / cm 2 . The synthesized film was able to synthesize transparent white diamonds up to about 300 microns, and the synthesis rate was about 50 microns per hour.

그러나, 이러한 음극으로 약 30회(약100시간)의 합성실험에서 음극의 탄화에 의해 음극에 균열이 발견되었다.However, cracks were found in the cathode by carbonization of the cathode in about 30 times (about 100 hours) of synthesis experiments with such a cathode.

[실시예 2]Example 2

제7도의 형상으로 외경 20mm의 탄탈륨 음극을 사용하는 전압, 전류, 가스압력, 유량과 양극 기판(텅스텐)의 직경을 각각 620V, 4.0A, 200torr, 200sccm, 10mm로 하고, 3% 메탄-0.3%, 산소-96.7% 수소로 이루어진 혼합가스를 원료로 사용하여 음극의 온도를 2120℃, 기판의 온도를 1050℃의 조건에서 다이아몬드 합성을 수행하였다. 10시간동안 합성된 막의 두께는 200마이크론 정도로 성장속도는 20㎛/hr 이었다. 이때 형성된 막은 상기 실시예 1의 경우보다 더 검은 색깔을 보였는데 이는 양극의 전류밀도가 2.24A/cm2로써 실시예 1보다 낮았기 때문으로 생각된다. 이러한 음극을 약 25회(약80시간)의 합성실험에서 음극의 탄화에 의해 음극에 균열이 발견되었다.Voltage, current, gas pressure, flow rate using a tantalum cathode with an outer diameter of 20 mm in the shape of FIG. 7 and the diameters of the anode substrate (tungsten) were 620V, 4.0A, 200torr, 200sccm and 10mm, respectively, 3% methane Using a mixed gas of oxygen-96.7% hydrogen as a raw material, diamond synthesis was carried out under the conditions of the cathode temperature of 2120 ℃, the substrate temperature of 1050 ℃. The thickness of the synthesized film for 10 hours was 200 microns, and the growth rate was 20 µm / hr. The film formed at this time showed a darker color than that of Example 1, which is considered to be because the current density of the anode was 2.24 A / cm 2 , which was lower than that of Example 1. The cathode was cracked in the cathode by carbonization of the cathode in about 25 experiments (about 80 hours).

[실시예 3]Example 3

제7도의 형상으로 텅스텐 카바이드로 제작한 음극을 사용하여 실시예 1과 동일한 합성조건으로 양극 기판의 직경의 크기를 12mm로하여 다이아몬드 합성을 수행하였다. 이때, 합성도중 플라즈마의 형성양상은 실시예 1과 별 차이가 없었으며 약 200시간의 사용에도 음극의 벗겨짐 현상은 관찰할 수 없었다. 합성속도는 시간당 약 40마이크론 정도였다. 이는 기판의 면적이 증가하여 전류밀도가 4.03A/cm2으로 낮았기 때문이라 생가된다.Diamond synthesis was performed using a cathode made of tungsten carbide in the shape of FIG. 7 with the diameter of the anode substrate as 12 mm under the same synthesis conditions as in Example 1. At this time, the formation pattern of the plasma was not significantly different from that of Example 1, and the peeling phenomenon of the cathode could not be observed even after about 200 hours of use. The synthesis rate was about 40 microns per hour. This is due to the increase in the area of the substrate, resulting in a low current density of 4.03 A / cm 2 .

[실시예 4]Example 4

제7도의 형상으로 탄탈륨 카바이드로 제작한 음극(외경이 실시예 2보다 2mm 큼)을 사용하여 실시예 1과 동일한 합성조건으로 양극 기판의 직경의 크기를 15mm로하여 다이아몬드 합성을 수행하였다. 이때, 합성도중 플라즈마의 형성 양상은 실시예 1과 별 차이가 없었으며 약 100시간의 사용에도 음극의 벗겨짐 현상은 관찰할 수 없었다. 이때의 합성속도는 시간당 약 54마이크론 정도였다.Diamond synthesis was carried out using a cathode (made of tantalum carbide in the shape of FIG. 7) having an outer diameter of 2 mm larger than that of Example 2 with a diameter of the anode substrate of 15 mm under the same synthesis conditions as in Example 1. At this time, the formation of the plasma was not significantly different from that of Example 1 during the synthesis, and peeling of the cathode could not be observed even after about 100 hours of use. The synthesis rate at this time was about 54 microns per hour.

이와같은 실시예들은 모두 음극의 단면적보다 크기가 작은 음극현수봉을 사용한 경우이다.All of these embodiments are the case of using a cathode suspension rod smaller than the cross-sectional area of the cathode.

Claims (6)

반응용기 내부의 음극과 양극 사이에서 플라즈마를 형성시켜 원료가스를 분해함으로써 기판 위에 다이아몬드를 합성시키는 직류방전 플라즈마 화학증착법에 있어서, 음극으로부터 음극현수장치로의 열흐름을 차단하여 음극 전체의 온도를 고상탄소 형성온도 이상으로 균일하게 유지시켜 안정된 플라즈마가 형성되도록 함을 특징으로 하는 직류방전 플라즈마 화학증착 다이아몬드 합성방법.In the DC discharge plasma chemical vapor deposition method in which a plasma is formed between a cathode and an anode inside a reaction vessel to decompose a source gas to synthesize diamond on a substrate, the temperature of the entire cathode is solidified by blocking heat flow from the cathode to the cathode suspension device. DC discharge plasma chemical vapor deposition diamond synthesis method characterized in that to maintain a uniform above the carbon formation temperature to form a stable plasma. 제1항에 있어서, 음극과 음극홀더 사이를 연결하는 음극현수봉의 단면적을 음극보다 작은 크기로 형성하여 음극으로부터 음극현수장치로의 열흐름을 차단함을 특징으로 하는 직류방전 플라즈마 화학증착 다이아몬드 합성방법.The method of claim 1, wherein the cross-sectional area of the cathode suspension rod connecting the cathode and the cathode holder is smaller than that of the cathode to block heat flow from the cathode to the cathode suspension device. . 제1항에 있어서, 음극은 텅스텐 카바이드(WC), 탄탈륨 카바이드(TaC) 또는 타이타늄 카바이드(TiC)등의 고융점 탄화물 재질로 이루어짐을 특징으로 하는 직류방전 플라즈마 화학증착 다이아몬드 합성방법.The method of claim 1, wherein the cathode is made of a high melting point carbide material such as tungsten carbide (WC), tantalum carbide (TaC), or titanium carbide (TiC). 제1항에 있어서, 음극은 원형 저면을 갖는 돔형태인 것을 특징으로 하는 직류방전 플라즈마 화학증착 다이아몬드 합성방법.The method of claim 1, wherein the cathode is a DC discharge plasma chemical vapor deposition diamond synthesis method, characterized in that the dome having a circular bottom surface. 제1항에 있어서, 음극은 원판상 본체의 내부로 복수개의 수직통공이 형성되어 이루어짐을 특징으로 하는 직류방전 플라즈마 화학증착 다이아몬드 합성방법.The method of claim 1, wherein the cathode is a DC discharge plasma chemical vapor deposition diamond synthesis method, characterized in that a plurality of vertical through holes are formed in the disc-shaped body. 제1항에 있어서, 음극은 음극현수봉과의 결합부 주위가 패인 ""형상으로서 수직 외벽부 내부로 다수개의 통공이 형성되어 이루어짐을 특징으로 하는 직류방전 플라즈마 화학증착 다이아몬드 합성방법.2. The cathode of claim 1, wherein the cathode has a recess around the junction with the cathode suspension rod. "DC discharge plasma chemical vapor deposition diamond synthesis method characterized in that a plurality of holes are formed in the vertical outer wall portion as a shape.
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