WO2024085357A1 - 플라즈마를 이용한 다이아몬드 제조 장치 및 이에 이용되는 디스크 어셈블리 - Google Patents

플라즈마를 이용한 다이아몬드 제조 장치 및 이에 이용되는 디스크 어셈블리 Download PDF

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WO2024085357A1
WO2024085357A1 PCT/KR2023/010048 KR2023010048W WO2024085357A1 WO 2024085357 A1 WO2024085357 A1 WO 2024085357A1 KR 2023010048 W KR2023010048 W KR 2023010048W WO 2024085357 A1 WO2024085357 A1 WO 2024085357A1
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disk
support
disk support
plasma
diamond
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PCT/KR2023/010048
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송오성
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서울시립대학교 산학협력단
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    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/04—Diamond

Definitions

  • the present invention relates to a diamond manufacturing device. Specifically, the present invention relates to an antenna-type MPCVD diamond manufacturing device that prevents diamond seeds located in contact with the upper part of the disk from leaving the plasma region by adjusting the height of the disk using a rotatable disk support.
  • the object of the present invention is to provide an antenna-type MPCVD diamond manufacturing device that prevents a diamond seed located in contact with the upper part of the disk from leaving the plasma area by adjusting the height of the disk using a rotatable disk support.
  • another object of the present invention is to provide an antenna-type MPCVD diamond manufacturing device that prevents polycrystalline diamond from growing on the side of the growth portion of the diamond seed located by seating in the groove by using a disk with a groove formed therein.
  • a diamond manufacturing apparatus using plasma according to some embodiments of the present invention for solving the above problems includes a plasma chamber including a plasma area in which plasma is formed, one or more connection parts, and is installed in an internal space of the plasma chamber.
  • a disk on which a diamond seed is mounted a first disk supporter connected to the disk and including a first accommodating portion coupled to the connecting portion, and a second accommodating portion on the first disk supporter capable of being coupled to the connecting portion.
  • a second disk support a microwave generator located at the bottom of the disk and radiating microwaves into the plasma chamber, and a gas injection portion located at the top of the disk and providing a diamond manufacturing process gas to the plasma chamber,
  • it may further include a disc central axis connected to the lower part of the disc and made of an elastic member, and the disc central axis is connected to the first disc support when the disc moves from the first disc support to the second disc support. It can be compressed to the thickness of.
  • the disk may include a first part on which a diamond seed is mounted and a second part surrounding the first part, and the first thickness of the first part may be smaller than the second thickness of the second part. You can.
  • the disk may further include a third portion surrounding the second portion, and a third thickness of the third portion may be greater than the second thickness.
  • a rotating part may be connected to at least one of the first disk support and the second disk support, and rotates at least one of the first disk support and the second disk support according to the growth height of the diamond seed. It can be included.
  • the rotation unit may rotate at least one of the first disk support body and the second disk support body by an angle at which the first accommodating part and the second accommodating part are aligned.
  • the second disk support may further include a third disk support including a third receiving portion that can be coupled to the connection portion, and at least one of the second disk support and the third disk support rotates, When the second accommodating part and the third accommodating part are aligned, the disk may move from the second disk supporter to the third disk supporter, and the connecting portion and the third accommodating portion may be coupled.
  • a third disk support including a third receiving portion that can be coupled to the connection portion, and at least one of the second disk support and the third disk support rotates, When the second accommodating part and the third accommodating part are aligned, the disk may move from the second disk supporter to the third disk supporter, and the connecting portion and the third accommodating portion may be coupled.
  • a disk assembly for solving the above problems includes a disk on which a diamond seed is mounted on the upper surface, a disk including a connection portion formed on one side of the outer peripheral surface, and a shape corresponding to the outer peripheral surface of the disk.
  • a disk support module coupled to the disk, wherein the disk support module includes a first disk support, a second disk support, and a third disk support, and includes a receiving portion capable of being coupled to the connection portion formed on one side of the inner peripheral surface. Then, the connecting portion and the receiving portion are fitted together to partially couple the disk and the disk support module.
  • connection portion may have a shape that protrudes by a first length on one side of the outer peripheral surface of the disc
  • the receiving portion may have a shape that is indented by a second length on one side of the inner peripheral surface of the disk support module.
  • connection portion may have a shape that is indented by a first length on one side of the outer peripheral surface of the disk
  • the receiving portion may have a shape that protrudes by a second length on one side of the inner peripheral surface of the disk support module.
  • the diamond manufacturing apparatus using plasma of the present invention can maintain a constant contact interface with high-density plasma by adjusting the height of the disk using a rotatable disk support.
  • the present invention can prevent polycrystalline diamond from growing on the side of the growth portion of the diamond seed by using a disk with a groove on which the diamond seed is mounted.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining the components of a diamond manufacturing apparatus using plasma according to some embodiments of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of the disk assembly of FIG. 1.
  • Figure 3 is a cross-sectional view of the disk assembly of Figure 2;
  • Figure 4 is an exploded perspective view of the disk assembly of Figure 1.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view for explaining an embodiment in which the shapes of the connecting portion and receiving portion of the disk assembly of FIG. 4 are changed.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a method in which a rotating part operates a disk assembly according to some embodiments of the present invention.
  • Figure 7 is a cross-sectional view illustrating the shape of a stepped groove formed on a disk according to some embodiments of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the process of growing a diamond seed mounted in the stepped groove of FIG. 7.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating the addition of a central axis supporting a disk to a diamond manufacturing apparatus using plasma according to some embodiments of the present invention.
  • FIG. 10 is a perspective view of the disk assembly and central axis of FIG. 9.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the disk assembly and central axis of FIG. 10.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining an embodiment in which the central axis supporting the disk of FIG. 9 is comprised of an elastic member.
  • Figure 13 is an exploded perspective view of the disk assembly and central axis of Figure 9.
  • FIG. 14 is an exploded perspective view for explaining an embodiment in which the shapes of the connecting portion and receiving portion of the disk assembly of FIG. 9 are changed.
  • first, second, A, and B used in the present specification and claims may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component without departing from the scope of the present invention.
  • the term 'and/or' includes any of a plurality of related stated items or a combination of a plurality of related stated items.
  • each configuration, process, process, or method included in each embodiment of the present invention may be shared within the scope of not being technically contradictory to each other.
  • the “vertical” direction described below may mean the Z direction (Z), and the “horizontal” direction may mean any one direction on the XY plane consisting of the X direction (X) and Y direction (Y).
  • a vertical surface may refer to a surface formed parallel to the axis of the Z direction (Z)
  • a horizontal surface may refer to a surface formed parallel to the XY plane. That is, the X direction (X) may be a horizontal direction.
  • the Y direction (Y) may be perpendicular to the X direction (X). At this time, the Y direction (Y) may also be a horizontal direction like the X direction (X).
  • the Z direction (Z) may be a direction perpendicular to the X direction (X) and the Y direction (Y).
  • the Z direction (Z) may be, for example, a vertical direction. However, this embodiment is not limited to this.
  • the X direction (X), Y direction (Y), and Z direction (Z) may be orthogonal to each other.
  • the XY plane may be a plane that includes the X direction (X) and Y direction (Y).
  • the YZ plane may be a plane that includes the Y direction (Y) and the Z direction (Z).
  • the XZ plane may be a plane including the X direction (X) and the Z direction (Z).
  • FIG. 1 is a diagram illustrating the components of a diamond manufacturing apparatus using plasma according to some embodiments of the present invention
  • FIG. 2 is a perspective view of the disk assembly of FIG. 1
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the disk assembly of FIG. 2.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the disk assembly of FIG. 1
  • FIG. 5 is an exploded perspective view for explaining an embodiment in which the shapes of the connection portion and receiving portion of the disk assembly of FIG. 4 are changed
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of several embodiments of the present invention. This is a diagram to explain how the rotating part operates the disk assembly.
  • ⁇ B1> in FIG. 3 is a cross-sectional view of ⁇ A1> in FIG. 2 taken along II-I'
  • ⁇ B2> in FIG. 3 is a cross-sectional view of ⁇ A2> in FIG. 2 cut along II-II'
  • ⁇ B3> in 3 is a cross-sectional view of ⁇ A3> in FIG. 2 cut along line III-III'.
  • the diamond manufacturing apparatus 100 includes a plasma chamber 110, a gas plate 120, a gas injection unit 130, an antenna 160, a cooling pipe 170, a disk assembly (DA), and a rotating unit. (190 m)
  • the diamond manufacturing apparatus 100 is a device for diamond synthesis and can form plasma in the plasma chamber 110 using microwaves and diamond manufacturing process gas.
  • the part where plasma is formed is defined as the plasma area (PS).
  • the position and size of the plasma region (PS) may change depending on the power of the microwave, the type and flow rate of the diamond manufacturing process gas, and the temperature inside the chamber.
  • a disk 150 on which a diamond seed DS is mounted may be placed inside the plasma chamber 110 .
  • the plasma chamber 110 may operate by introducing microwaves and diamond manufacturing process gases into the plasma to generate plasma and grow a diamond seed DS on the disk 150.
  • the plasma chamber 110 may be formed in a cylindrical shape including a cavity therein.
  • a plurality of components may be installed inside/outside the plasma chamber 110.
  • a diamond manufacturing process may be performed inside the plasma chamber 100 through interaction with a plurality of components installed inside/outside the plasma chamber 110.
  • the plasma chamber 110 may be a space where a process for manufacturing diamonds is performed, and may also be expressed as a reactor or reactor.
  • the gas plate 120 may be installed to enable up and down movement (120d) in the Z direction (Z).
  • the gas plate 120 can adjust the height of the gas injection unit 130 in the Z direction (Z) to adjust the position and size of the plasma region (PS) formed by the diamond manufacturing process gas.
  • the gas plate 120 may be installed to cross the upper part of the plasma chamber 110. In other words, the gas plate 120 may define the upper part of the internal space of the plasma chamber 110.
  • the gas plate 120 may be installed at both ends of the gas injection unit 130 to connect the plasma chamber 110 and the gas injection unit 130.
  • the gas plate 120 can move up and down in the Z direction (Z) by an electric mechanism not shown in the drawing.
  • the embodiments are not limited to this, and the gas plate 120 may be connected to the gas injection unit 130 in a form different from the form described above.
  • the gas injection unit 130 has a gas injection pipe 131 formed therein to supply diamond manufacturing process gas into the plasma chamber 110.
  • the gas injection unit 130 has a gas flow rate controller installed therein to adjust the flow rate of the diamond manufacturing process gas to supply the diamond manufacturing process gas to the inside of the plasma chamber 110.
  • the gas injection unit 130 may have a hollow cylindrical shape with a gas injection pipe 131 formed therein.
  • the gas injection pipe 131 may include an inclined surface depending on the type of gas injection, or may be formed as an injection pipe with various orifices.
  • the gas injection unit 130 may supply diamond manufacturing process gas to the inside of the plasma chamber 110 through the gas injection pipe 131 formed therein.
  • the gas injection pipe 131 formed inside the gas injection unit 130 is formed in a direction toward the disk 150 and can supply the diamond manufacturing process gas in the direction toward the disk 150.
  • the antenna 160 may provide microwaves generated by the microwave generator 112 into the plasma chamber 110.
  • a cavity through which coolant flows may be formed inside the antenna 160.
  • a cooling pipe 170 may be formed inside the cavity. The cooling pipe 170 may serve to lower the temperature of the upper part of the antenna 160 by moving cooling water introduced from the outside upward along the cooling water inlet 171.
  • the coolant that lowers the temperature of the upper part of the antenna 160 along the coolant inlet 171 may be discharged to the outside along the coolant discharge part 161.
  • the coolant discharged to the outside may be cooled through a means such as a heat exchanger and supplied back to the coolant inlet 171.
  • the disk assembly DA may include at least two disk supports 191, 192, and 193 and one disk 150. While the diamond seed is growing, the disk assembly (DA) moves the disk 150 downward according to the growth size of the diamond, thereby contacting the growth surface of the diamond and the plasma region (PS) as uniformly as possible.
  • the disk assembly (DA) may be formed by combining the disk 150 with the disk support module 190, which is formed by stacking at least two or more disk supports in a manner that overlaps each other. That is, the disk assembly DA may include the disk support module 190 and the disk 150.
  • the rotating unit 190m may rotate the rotating plate 190m3 engaged with at least one of the first, second, and third disk supports 191, 192, and 193.
  • the rotating unit 190m rotates the rotating plate 190m3 so that at least two disk supports can be aligned with each other in the Z direction (Z) to move the disk 150 downward.
  • the rotating unit 190m may include a rotating motor 190m1, a rotating shaft 190m2, and a rotating plate 190m3.
  • the rotating part 190m may have a rotating motor 190m1 located at the bottom and a rotating plate 190m3 located at the upper part.
  • the rotating part 190m has a rotating shaft 190m2 located between the rotating motor 190m1 and the rotating plate 190m3, so that the rotating force of the rotating motor 190m1 can be transmitted to the rotating plate 190m3.
  • the rotating part 190m is described as including a rotating motor 190m1, a rotating shaft 190m2, and a rotating plate 190m3, but the embodiments are not limited thereto.
  • a person skilled in the art of the present invention will be able to construct a rotating part (190m) capable of rotating the disk assembly (DA) through various design changes.
  • the plasma chamber 110 may be provided with a gas injection unit 130 for injecting a diamond manufacturing process gas from the outside of the plasma chamber 110 into the inside of the plasma chamber 110 .
  • the plasma chamber 110 may be equipped with a microwave generator 112 that generates microwaves. Additionally, the plasma chamber 110 may include an antenna 160 for providing microwaves generated by the microwave generator 112 to the inside of the plasma chamber 110.
  • the plasma chamber 110 reacts with the diamond manufacturing process gas supplied through the gas injection unit 130 and the microwaves supplied through the microwave generator 112 to create a plasma region (PS) at the top of the disk 150, which will be described later. It can be operated by forming and growing a diamond seed (DS) on the disk 150.
  • the components of the diamond manufacturing process gas may include hydrocarbon and hydrogen for diamond synthesis.
  • the plasma chamber 110 may be provided with a gas exhaust unit 111 for exhausting the diamond manufacturing process gas in which the reaction has been completed to the outside of the plasma chamber 110 .
  • a gas plate 120, a gas injection unit 130, a disk assembly (DA), an antenna 160, and a rotating unit 190m may be installed inside the plasma chamber 110.
  • a disk assembly (DA) installed inside the plasma chamber 110.
  • the gas plate 120 and the gas injection unit 130 may be located on the disk assembly (DA). That is, the gas injection unit 130 may inject diamond manufacturing process gas onto the upper surface of the disk assembly DA.
  • Antenna 160 may be located below the disk assembly (DA). That is, the antenna 160 may provide microwaves from the bottom of the disk assembly (DA) to the top of the disk assembly (DA).
  • the rotating part 190m may be located on one side of the disk assembly DA.
  • the positional relationship between these components is only an example, and the examples are not limited thereto. A person skilled in the art of the present invention will be able to place each component in various positions as needed.
  • a window 180 may be installed between the antenna 160 and the lower floor of the plasma chamber 110.
  • the window 180 prevents diamond manufacturing process gas from flowing into the lower part of the antenna 160 and prevents plasma from being formed in the lower area of the antenna 160.
  • a disk support module 190 for moving the disk 150 on which the diamond seed (DS) is mounted downward according to the growth height of the diamond seed (DS). It can be provided.
  • the disk 150 may be installed in the internal space of the plasma chamber 110, and a diamond seed DS may be mounted on its upper surface.
  • the disk 150 may be connected to the inside of the disk support module 190. In other words, the disk support module 190 may be arranged to surround the disk 150.
  • the disk 150 may include one or more first connection parts 150a or second connection parts 150b on one side of the outer peripheral surface.
  • the first connection portion 150a according to some embodiments of the present invention may have a shape that protrudes by a first length Lth1 on one side of the outer peripheral surface of the disk 150.
  • the second connection portion 150b according to some other embodiments may include a shape indented to one side of the outer peripheral surface of the disk 150 by a first length Lth1.
  • the first length (Lth1) may refer to the length in the there is.
  • the first length Lth1 may be smaller than the difference between the outer diameter of the disk support module 190 in the X direction (X) and the inner diameter of the disk support module 190 in the X direction (X).
  • the shape of the disk 150 is shown in a shape in which a first connection portion 150a or a second connection portion 150b is formed on a circular disk plate, but according to some embodiments of the present invention, the disk ( The form of 150) is not limited to this. That is, the shape of the disk 150 according to some embodiments of the present invention may include one of a circular shape, an oval shape, and a convex polygon. When the disk 150 is either elliptical or convex polygonal in shape, the disk 150 may not include the first connection portion 150a or the second connection portion 150b.
  • the number of first connection parts 150a or second connection parts 150b formed in one disk 150 is shown as two, some embodiments of the present invention are not limited to this number.
  • the disk support module 190 may be located on top of the antenna 160 and may include a cavity therein that can be coupled to the disk 150 .
  • the cavity may be formed to be capable of being coupled to the disk 150. That is, the inner peripheral surface of the disk support module 190 may be formed in a shape corresponding to the outer peripheral surface of the disk 150.
  • the horizontal cross-sectional area of the disk support module 190 is shown to be equal to the horizontal cross-sectional area of the top of the antenna 160, some embodiments of the present invention are not limited thereto.
  • the area of the horizontal cross section of the disk support module 190 may be smaller than the area of the horizontal cross section of the top of the antenna 160.
  • the disk support module 190 includes a first accommodating part 191a, a second accommodating part 192a, and a third accommodating part 193a that can be coupled to the first connecting part 150a on one side of the inner peripheral surface. ) may include.
  • the first connection portion 150a of the disk 150 and the first accommodating portions 191a to 193a of the disk support module 190 may be fitted together.
  • the first accommodating portions 191a to third accommodating portions 193a of the disk support module 190 may include a shape indented on one side of the inner circumferential surface as much as a second length (Lth2).
  • the first length (Lth1) may be longer than or equal to the first length (Lth1).
  • the shape of the disk support module 190 is shown as a cylinder and a first accommodating part 191a to a third accommodating part 193a is formed in a cavity penetrating the cylinder, but the disk support module 190 according to some embodiments of the present invention
  • the shape of the support module 190 is not limited to this. That is, the cross-sectional shape of the disk support module 190 according to some embodiments of the present invention cut in the XY plane may include any one of a circular shape with an empty center, an oval shape, and a convex polygon. If the cross-sectional shape of the disk support module 190 cut in the It may not be possible.
  • first to third accommodating parts 191a to 193a formed in the disc support module 190 is shown as six, the disc support module 190 according to some embodiments of the present invention has The number of first to third accommodating parts 191a to 193a formed is not limited to this.
  • the disk support module 190 includes a fourth accommodating part 191b and a fifth accommodating part (191b) that can be coupled to the second connection part 150b on one side of the inner peripheral surface. 192b) and a sixth receiving portion 193b.
  • the second connection portion 150b has a shape indented by the first length Lth1
  • the fourth accommodating portion 191b to the sixth accommodating portion 193b has a second length on one side of the inner peripheral surface of the disk support module 190. It may include a shape that protrudes as much as (Lth2).
  • the form of the disk support module 190 is shown as a cylinder and the fourth to sixth accommodating parts 191b to 6th accommodating parts 193b are formed in a cavity penetrating the cylinder, but the disk support module 190 according to some embodiments of the present invention
  • the shape of the support module 190 is not limited to this. That is, the cross-sectional shape of the disk support module 190 according to some embodiments of the present invention cut in the XY plane may include any one of a circular shape with an empty center, an oval shape, and a convex polygon. When the cross-sectional shape of the disk support module 190 cut in the It may not be possible.
  • the disc support module 190 has The number of fourth to sixth accommodating parts 191b to 193b formed is not limited to this.
  • the disk support module 190 may include a first disk support 191, a second disk support 192, and a third disk support 193. Although the number of disk supports forming the disk support module 190 is shown as three, the number of disk supports forming the disk support module 190 according to some embodiments of the present invention is not limited to this, and the disk support module ( 190) may include any number of two or more disk supports as needed.
  • the first disk support 191 may be connected to the disk 150.
  • the first disk support 191 may include a first accommodating portion 191a that can be coupled to the first connecting portion 150a of the disk 150 or a fourth accommodating portion 191b that can be coupled to the second connecting portion 150b. there is.
  • the second disk support 192 may be located below the first disk support 191.
  • the second disk support 192 may include a second accommodating portion 192a that can be coupled to the first connecting portion 150a of the disk 150 or a fifth accommodating portion 192b that can be coupled to the second connecting portion 150b. there is.
  • the third disk support 193 may be located below the second disk support 192.
  • the third disk support 193 may include a third accommodating portion 193a that can be coupled to the first connecting portion 150a of the disk 150 or a sixth accommodating portion 193b that can be coupled to the second connecting portion 150b. there is.
  • the third disk support 193 is located on the top of the antenna 160, the second disk support 192 is located on the top of the third disk support 193, and the first disk support 191 is located on the second disk support ( 192), the positional relationship of the first, second, and third disk supports 191, 192, and 193 according to some embodiments of the present invention is not limited thereto.
  • the disk 150 on which the diamond seed DS is mounted is moved from the first disk support 191 to the second disk support 192 according to the growth height of the diamond seed DS.
  • the first disk support 191 and the second disk support 192 rotates, so that the first receiving portions 191a and 191b of the first disk support 191 and the second disk
  • the second receiving portions 192a and 192b of the support 192 may be aligned in the Z direction.
  • the fact that the first accommodating part 191a and the second accommodating part 192a are aligned in the Z direction may mean that the shape of the first disk support body and the shape of the second disk support body overlap in the Z direction (Z).
  • the position and shape of the first accommodating part 191a are 2 may coincide with the receiving portion 192a.
  • the disk 150 connected to the first disk support 191 can move from the first disk support 191 to the second disk support 192, and the first connection portion 150a and the second disk support 150 of the disk 150
  • the second receiving portion 192a of the disk support 192 may be coupled.
  • the second disk support ( 192) and at least one of the third disk support 193 rotates, so that the second accommodating portion 192a of the second disk support 192 and the third accommodating portion 193a of the third disk support 193 are Z Can be aligned in direction (Z).
  • the disk 150 connected to the second disk support 192 can move from the second disk support 192 to the third disk support 193, and the first connection portion 150a of the disk 150 and the third disk support 193 are connected to the second disk support 192.
  • the third receiving portion 193a of the disk support 193 may be coupled.
  • Rotation of the first, second, and third disk supports 191, 192, and 193 may be performed by a rotation unit 190m including a rotation motor 190m1, a rotation shaft 190m2, and a rotation plate 190m3.
  • the rotation motor 190m1 may be located at the bottom of the disk support module 190 in the plasma chamber 110.
  • the rotation motor 190m1 can control the rotation angle and direction of the rotation shaft 190m2.
  • the rotation motor 190m1 may rotate the rotation shaft 190m2 at a certain angle in at least one of counterclockwise (CCW) and clockwise (CW) directions.
  • the rotation shaft 190m2 may be positioned by being coupled to one side of the rotation motor 190m1.
  • the rotation shaft 190m2 can transmit the rotational force received from the rotation motor 190m1 to the rotation plate 190m3.
  • the rotating plate (190m3) may be located at the top of the rotating shaft (190m2).
  • the rotating plate 190m3 may be connected to at least one of the first, second, and third disk supports 191, 192, and 193.
  • the rotating plate 190m3 may rotate at least one of the first, second, and third disk supports 191, 192, and 193 according to the growth height of the diamond seed DS.
  • the rotating plate 190m3 has teeth formed on its outer peripheral surface, and includes at least one of the first disk support 191 and the second disk support 192 with teeth corresponding to the teeth of the rotating plate 190m3, and the first disk
  • the first accommodating part 191a of the support body 191 and the second accommodating part 192a of the second disk support body 192 may rotate by an angle aligned in the Z direction (Z).
  • the rotating plate 190m3 includes at least one of the second disk support 192 and the third disk support 193 with teeth corresponding to the teeth of the rotating plate 190m3, and the second accommodating member of the second disk support 192.
  • the portion 192a and the third receiving portion 193a of the third disk support 193 may rotate by an angle aligned in the Z direction (Z).
  • the type of motor used in the rotation motor 190m1 is generally a step motor, but the rotation driving method of the first, second, and third disk supports 191, 192, and 193 according to some embodiments of the present invention is thus It is not limited. That is, rotation of the first, second, and third disk supports 191, 192, and 193 according to some embodiments of the present invention may be performed by an external electric mechanism not shown in the drawing.
  • the external electric mechanism may include a piezoelectric actuator and a linear actuator. However, this embodiment is not limited to this.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating the shape of a stepped groove formed on a disk according to some embodiments of the present invention
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the process of growing a diamond seed mounted in the stepped groove of FIG. 7. .
  • the disk 150 has a first part 151 on which a diamond seed (DS) is mounted on one side of the upper surface, and a second part 152 surrounding the first part 151. ) and a third part 153 surrounding the second part 152 may be formed.
  • the first portion 151 may include a first surface parallel to the XY plane.
  • the second portion 152 may include a second surface formed in the Z direction (Z) and a third surface parallel to the XY plane.
  • the third portion 153 may include a fourth surface formed in the Z direction (Z) and a fifth surface parallel to the XY plane.
  • the first side and the second side may meet at a right angle
  • the second side and the third side may meet at a right angle
  • the third side and the fourth side may meet at a right angle
  • the fourth side and the fifth side may meet at a right angle. They can meet at right angles.
  • the disk 150 may form a step-shaped groove.
  • the first portion 151 may be spaced apart from the lower surface of the disk 150 and have a first thickness t1.
  • the second portion 152 may be spaced apart from the lower surface of the disk 150 and have a second thickness t2.
  • the third portion 153 may be spaced apart from the lower surface of the disk 150 and have a third thickness t3.
  • the first thickness t1 of the first part 151 may be smaller than the second thickness t2 of the second part 152.
  • the third thickness t3 of the third part 153 may be greater than the second thickness t2 of the second part 152.
  • the first part 151 of the disk 150 is surrounded by the second part 152, and the second part 152 is surrounded by the third part 152.
  • a groove may be formed that is surrounded by the portion 153 and slopes downward toward the first portion 151 .
  • the diamond seed (DS) may be mounted on the upper surface of the disk 150. Specifically, the diamond seed DS may be mounted on one surface of the first portion 151.
  • the diamond seed DS is in contact with the plasma region PS and the diameter of the diamond seed DS can be increased.
  • the diameter of the diamond seed DS may be increased along the slope 153d of the downwardly inclined groove.
  • the first, second, and third parts 151, 152, and 153 may serve as a growth guide for the diamond seed DS.
  • the first, second, and third parts 151, 152, and 153 are the downward formed by the first, second, and third parts 151, 152, and 153 when the diamond seed DS grows.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating the addition of a central axis supporting a disk to a diamond manufacturing device using plasma according to some embodiments of the present invention
  • FIG. 10 is a perspective view of the disk assembly and central axis of FIG. 9.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the disk assembly and the central axis of FIG. 10
  • FIG. 12 is a diagram for explaining an embodiment in which the central axis supporting the disk of FIG. 9 is composed of an elastic member
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of the disk assembly and the central axis of FIG. 9.
  • It is an exploded perspective view of the shaft
  • FIG. 14 is an exploded perspective view to explain an embodiment in which the shapes of the connecting portion and receiving portion of the disk assembly of FIG. 9 are changed.
  • ⁇ E1> in Figure 11 is a cross-sectional view taken along the line i-i' of ⁇ D1> in Figure 10
  • ⁇ E2> in Figure 11 is a cross-sectional view taken along the line ii-ii' of ⁇ D2> in Figure 10.
  • ⁇ E3> in Fig. 11 is a cross-sectional view taken along the line iii-iii' of ⁇ D3> in Fig. 10.
  • the diamond manufacturing apparatus 100 includes a plasma chamber 110, a gas plate 120, a gas injection unit 130, an antenna 160, a cooling pipe 170, a disk assembly (DA), and a rotating unit. (190 m) and a disk central axis 154.
  • the disk central axis 154 may be connected to the lower portion of the disk 150.
  • the disk central axis 154 may be made of an elastic member made of an elastic material that is easily elastically deformed.
  • the disk central axis 154 may be elastically supported by the elastic member at the center side of the lower portion where the disk central axis 154 is located when shock or vibration is applied to the disk 150. there is.
  • the disc central axis 154 is such that the disc 150 moves from the first disc support 191 to the second disc support ( When moving to 192), it may be compressed by the thickness of the first disk support 191.
  • the disk central axis 154 may have a first vertical length d1 in the Z direction (Z) when the disk 150 is connected to the first disk support 191.
  • the disk central axis 154 may have a second vertical length d2 in the Z direction (Z) when the disk 150 moves from the first disk support 191 to the second disk support 192. 2
  • the vertical length d2 may be shorter than the first vertical length d1.
  • the difference between the first vertical length d1 and the second vertical length d2 may be equal to the thickness of the first disk support 191.
  • this embodiment is not limited to this.
  • the disk central axis 154 is the disk 150 and the second disk support 192.
  • the disk central axis 154 may have a second vertical length d2 in the Z direction (Z) when the disk 150 is connected to the second disk support 192.
  • the disk central axis 154 may have a third vertical length d3 in the Z direction (Z) when the disk 150 moves from the second disk support 192 to the third disk support 193.
  • the vertical length d3 may be shorter than the second vertical length d2.
  • the difference between the second vertical length d2 and the third vertical length d3 may be equal to the thickness of the second disk support 192.
  • this embodiment is not limited to this.

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Abstract

본 발명은 플라즈마를 이용한 다이아몬드 제조 장치 및 이에 이용되는 디스크 어셈블리에 관한 것이다. 상기 다이아몬드 제조 장치는, 플라즈마가 형성되는 플라즈마 영역을 포함하는 플라즈마 챔버, 하나 이상의 연결부를 포함하고, 상기 플라즈마 챔버의 내부 공간에 설치되고, 다이아몬드 씨드가 실장되는 디스크, 상기 디스크와 연결되고, 상기 연결부와 결합된 제1 수용부를 포함하는 제1 디스크 지지체, 상기 제1 디스크 지지체 상에, 상기 연결부와 결합 가능한 제2 수용부를 포함하는 제2 디스크 지지체, 상기 디스크의 하부에 위치하고, 마이크로파를 상기 플라즈마 챔버 내부로 방사하는 마이크로파 생성부 및 상기 디스크의 상부에 위치하고, 다이아몬드 제조 공정 가스를 상기 플라즈마 챔버에 제공하는 가스 주입부를 포함하고, 상기 제1 디스크 지지체 및 상기 제2 디스크 지지체 중 적어도 하나가 회전하여, 상기 제1 수용부와 상기 제2 수용부가 정렬되는 경우, 상기 디스크는 상기 제1 디스크 지지체에서 상기 제2 디스크 지지체로 이동하고, 상기 연결부와 상기 제2 수용부가 결합되는 다이아몬드 제조 장치를 포함한다.

Description

플라즈마를 이용한 다이아몬드 제조 장치 및 이에 이용되는 디스크 어셈블리
본 발명은 다이아몬드 제조 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 회전이 가능한 디스크 지지체를 이용하여 디스크의 높이를 조절함으로써 디스크 상부에 접하게 위치한 다이아몬드 씨드가 플라즈마 영역을 벗어나지 않도록 하는 안테나형 MPCVD 다이아몬드 제조 장치에 관한 것이다.
대구경의 합성 다이아몬드를 제조하는 것은 오랫동안 연구 및 산업의 목표가 되어 왔다. 다이아몬드는 보석의 특성 외에 가장 단단한 물질로 알려져 있으며, 열전도도가 가장 높은 것으로 알려져 있어 능동 및 수동 소자로의 응용이 활발히 진행 중이다. 뿐만 아니라, 무색 다이아몬드는 외관이 화려해 장신구 등에 사용되고 있다. 최근 화학적 방법으로 다이아몬드를 제조하기 위해, MPCVD(Microwave Plasma CVD) 방법으로 다이아몬드 박막을 증착하여 산업 및 보석용 다이아몬드를 제조하는 장치가 이용되고 있다.
종래의 MPCVD 다이아몬드 제조 장치 중 안테나형 MPCVD 다이아몬드 제조 장치를 사용하여 단결정 다이아몬드 씨드를 성장시키는 데 있어서 크게 2가지 문제가 있다.
첫째, 고정된 플라즈마 위치에 의해 다이아몬드 성장 선단부가 플라즈마 고밀도 영역을 넘어 단결정 다이아몬드 씨드의 성장속도가 감소하는 문제가 있다.
둘째, 단결정 다이아몬드 성장부 측면에 다결정 다이아몬드가 성장하여 이를 제거하는데 추가로 많은 공정과 비용이 소모되는 문제가 있다.
본 발명의 과제는, 회전이 가능한 디스크 지지체를 이용하여 디스크의 높이를 조절함으로써 디스크 상부에 접하게 위치한 다이아몬드 씨드가 플라즈마 영역을 벗어나지 않도록 하는 안테나형 MPCVD 다이아몬드 제조 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 과제는, 내부에 홈이 형성된 디스크를 이용함으로써 상기 홈에 안착하여 위치한 다이아몬드 씨드의 성장부 측면에 다결정 다이아몬드가 성장하지 않도록 하는 안테나형 MPCVD 다이아몬드 제조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 플라즈마를 이용한 다이아몬드 제조 장치는, 플라즈마가 형성되는 플라즈마 영역을 포함하는 플라즈마 챔버, 하나 이상의 연결부를 포함하고, 상기 플라즈마 챔버의 내부 공간에 설치되고, 다이아몬드 씨드가 실장되는 디스크, 상기 디스크와 연결되고, 상기 연결부와 결합된 제1 수용부를 포함하는 제1 디스크 지지체, 상기 제1 디스크 지지체 상에, 상기 연결부와 결합 가능한 제2 수용부를 포함하는 제2 디스크 지지체, 상기 디스크의 하부에 위치하고, 마이크로파를 상기 플라즈마 챔버 내부로 방사하는 마이크로파 생성부 및 상기 디스크의 상부에 위치하고, 다이아몬드 제조 공정 가스를 상기 플라즈마 챔버에 제공하는 가스 주입부를 포함하고, 상기 제1 디스크 지지체 및 상기 제2 디스크 지지체 중 적어도 하나가 회전하여, 상기 제1 수용부와 상기 제2 수용부가 정렬되는 경우, 상기 디스크는 상기 제1 디스크 지지체에서 상기 제2 디스크 지지체로 이동하고, 상기 연결부와 상기 제2 수용부가 결합된다.
또한, 상기 디스크의 하부에 연결되고, 탄성부재로 이루어진 디스크 중심축을 더 포함할 수 있고, 상기 디스크 중심축은 상기 디스크가 상기 제1 디스크 지지체에서 상기 제2 디스크 지지체로 이동할 때, 상기 제1 디스크 지지체의 두께만큼 압축될 수 있다.
또한, 상기 디스크는, 다이아몬드 씨드가 실장되는 제1 부분 및 상기 제1 부분을 둘러싸는 제2 부분을 포함할 수 있고, 상기 제1 부분의 제1 두께는 상기 제2 부분의 제2 두께보다 작을 수 있다.
또한, 상기 디스크는, 상기 제2 부분을 둘러싸는 제3 부분을 더 포함할 수 있고, 상기 제3 부분의 제3 두께는 상기 제2 두께보다 클 수 있다.
또한, 상기 제1 디스크 지지체 및 상기 제2 디스크 지지체 중 적어도 하나와 연결될 수 있고, 상기 다이아몬드 씨드의 성장 높이에 따라, 상기 제1 디스크 지지체 및 상기 제2 디스크 지지체 중 적어도 하나를 회전하는 회전부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 회전부는 상기 제1 디스크 지지체 및 상기 제2 디스크 지지체 중 적어도 하나를, 상기 제1 수용부와 상기 제2 수용부가 정렬되는 각도만큼 회전할 수 있다.
또한, 상기 제2 디스크 지지체 상에, 상기 연결부와 결합 가능한 제3 수용부를 포함하는 제3 디스크 지지체를 더 포함할 수 있고, 상기 제2 디스크 지지체 및 상기 제3 디스크 지지체 중 적어도 하나가 회전하여, 상기 제2 수용부와 상기 제3 수용부가 정렬되는 경우, 상기 디스크는 상기 제2 디스크 지지체에서 상기 제3 디스크 지지체로 이동할 수 있고, 상기 연결부와 상기 제3 수용부가 결합될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 디스크 어셈블리는, 상면에 다이아몬드 씨드가 실장되고, 외주면의 일측에 형성되는 연결부를 포함하는 디스크 및 상기 디스크의 외주면과 대응되는 형태로 형성되며 상기 디스크와 결합되는 디스크 지지 모듈을 포함하되, 상기 디스크 지지 모듈은, 제1 디스크 지지체, 제2 디스크 지지체 및 제3 디스크 지지체를 포함하고, 내주면의 일측에 형성되는 상기 연결부와 결합 가능한 수용부를 포함하고, 상기 연결부와 상기 수용부가 끼움 결합하여 상기 디스크와 상기 디스크 지지 모듈이 일부 결합된다.
또한, 상기 연결부는, 상기 디스크의 외주면 일측에 제1 길이만큼 돌출되는 형태를 포함할 수 있고, 상기 수용부는, 상기 디스크 지지 모듈의 내주면 일측에 제2 길이만큼 만입되는 형태를 포함할 수 있다.
또한, 상기 연결부는, 상기 디스크의 외주면 일측에 제1 길이만큼 만입되는 형태를 포함할 수 있고, 상기 수용부는, 상기 디스크 지지 모듈의 내주면 일측에 제2 길이만큼 돌출되는 형태를 포함할 수 있다.
본 발명의 플라즈마를 이용한 다이아몬드 제조 장치는, 회전이 가능한 디스크 지지체를 이용하여 디스크의 높이를 조절함으로써 고밀도 플라즈마와의 접촉 계면을 일정하게 유지시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 다이아몬드 씨드가 실장되는 홈이 형성된 디스크를 이용함으로써 상기 다이아몬드 씨드의 성장부 측면에 다결정 다이아몬드가 성장하는 것을 방지할 수 있다.
상술한 내용과 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 다이아몬드 제조 장치의 구성 요소를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 디스크 어셈블리의 구성 사시도이다.
도 3은 도 2의 디스크 어셈블리의 단면도이다.
도 4는 도 1의 디스크 어셈블리의 분해 사시도이다.
도 5는 도 4의 디스크 어셈블리의 연결부와 수용부의 형상이 바뀐 실시예를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 회전부가 디스크 어셈블리를 동작시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 디스크에 형성된 계단형 홈의 형상을 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 도 7의 계단형 홈에 실장된 다이아몬드 씨드가 성장하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 다이아몬드 제조 장치에 디스크를 지지하는 중심축이 추가된 모습을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 도 9의 디스크 어셈블리와 중심축의 구성 사시도이다.
도 11은 도 10의 디스크 어셈블리와 중심축의 단면도이다.
도 12는 도 9의 디스크를 지지하는 중심축이 탄성 부재로 구성된 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 도 9의 디스크 어셈블리와 중심축의 분해 사시도이다.
도 14는 도 9의 디스크 어셈블리의 연결부와 수용부의 형상이 바뀐 실시예를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
본 명세서 및 특허청구범위에서 사용된 용어나 단어는 일반적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니된다. 발명자가 그 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어나 단어의 개념을 정의할 수 있다는 원칙에 따라, 본 발명의 기술적 사상과 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명이 실현되는 하나의 실시예에 불과하고, 본 발명의 기술적 사상을 전부 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 및 응용 가능한 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 명세서 및 특허청구범위에서 사용된 제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다. '및/또는' 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 명세서 및 특허청구범위에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
“a, b 및 c 중 적어도 하나”라는 부분이 포함된 문장의 의미는 그 부분이 a만을 포함하는 경우, b만을 포함하는 경우, c만을 포함하는 경우, a와 b를 포함하는 경우, a와 c를 포함하는 경우, b와 c를 포함하는 경우와, a, b 및 c를 포함하는 경우를 포함할 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호 간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
이하에서 설명하는 “수직” 방향은 Z 방향(Z)을 의미할 수 있고, “수평” 방향은 X 방향(X) 및 Y 방향(Y)으로 이루어진 XY평면 상의 임의의 한 방향을 의미할 수 있다. 예를 들어, 수직면의 경우 Z 방향(Z)의 축과 평행하게 형성되는 면을 의미할 수 있고, 수평면의 경우 XY 평면과 평행하게 형성되는 면을 의미할 수 있다. 즉, X 방향(X)은 수평 방향일 수 있다. Y 방향(Y)은 X 방향(X)과 서로 수직한 방향일 수 있다. 이때, Y 방향(Y)도 X 방향(X)과 같이 수평 방향일 수 있다. Z 방향(Z)은 X 방향(X) 및 Y 방향(Y)과 서로 수직한 방향일 수 있다. Z 방향(Z)은 예를 들어, 수직 방향일 수 있다. 단, 본 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다. X 방향(X), Y 방향(Y) 및 Z 방향(Z)은 서로 오쏘고날(Orthogonal)한 방향일 수 있다.
XY 평면은 X 방향(X)과 Y 방향(Y)이 포함되는 평면일 수 있다. YZ 평면은 Y 방향(Y)과 Z 방향(Z)이 포함되는 평면일 수 있다. XZ 평면은 X 방향(X)과 Z 방향(Z)이 포함되는 평면일 수 있다.
이하에서는 도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 플라즈마를 이용한 다이아몬드 제조 장치의 구성 요소 및 디스크 어셈블리의 작동 방법을 설명한다.
도 1은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 다이아몬드 제조 장치의 구성 요소를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1의 디스크 어셈블리의 구성 사시도이고, 도 3은 도 2의 디스크 어셈블리의 단면도이고, 도 4는 도 1의 디스크 어셈블리의 분해 사시도이고, 도 5는 도 4의 디스크 어셈블리의 연결부와 수용부의 형상이 바뀐 실시예를 설명하기 위한 분해 사시도이고, 도 6은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 회전부가 디스크 어셈블리를 동작시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로, 도 3의 <B1>은 도 2의 <A1>을 I-I'으로 자른 단면도이고, 도 3의 <B2>는 도 2의 <A2>를 Ⅱ-Ⅱ'으로 자른 단면도이고, 도 3의 <B3>은 도 2의 <A3>을 Ⅲ-Ⅲ'으로 자른 단면도이다.
도 1을 참조하면, 다이아몬드 제조 장치(100)는 플라즈마 챔버(110), 가스 플레이트(120), 가스 주입부(130), 안테나(160), 냉각관(170), 디스크 어셈블리(DA) 및 회전부(190m)를 포함할 수 있다
다이아몬드 제조 장치(100)는 다이아몬드 합성을 위한 장치로서, 마이크로파 및 다이아몬드 제조 공정 가스를 이용해 플라즈마 챔버(110) 내에 플라즈마를 형성할 수 있다. 이때, 플라즈마가 형성되는 부분을 플라즈마 영역(PS)으로 정의한다. 플라즈마 영역(PS)은 마이크로파의 파워, 다이아몬드 제조 공정 가스의 종류 및 유량, 챔버 내부 온도 등에 따라 형성되는 위치 및 크기가 바뀔 수 있다.
플라즈마 챔버(110)는 내부에 다이아몬드 씨드(DS)가 실장될 디스크(150)가 놓일 수 있다. 플라즈마 챔버(110)는 내부에 마이크로파 및 다이아몬드 제조 공정 가스를 도입하여 플라즈마를 발생시켜, 상기 디스크(150)상에 다이아몬드 씨드(DS)를 성장시키는 방식으로 동작할 수 있다.
플라즈마 챔버(110)는 내부에 캐비티를 포함한 통 형상으로 형성될 수 있다. 플라즈마 챔버(110) 내/외부에는 복수의 구성요소들이 설치될 수 있다. 플라즈마 챔버(110) 내/외부에 설치된 복수의 구성요소들과의 상호 작용을 통해, 플라즈마 챔버(100) 내부에서 다이아몬드 제조 공정이 수행될 수 있다. 다시 말해서, 플라즈마 챔버(110)는 다이아몬드 제조를 위한 공정이 수행되는 공간일 수 있으며, 이를 달리 리액터 또는 반응기로 표현할 수도 있다.
가스 플레이트(120)는 Z 방향(Z)으로 상하 운동(120d)이 가능하게 설치될 수 있다. 가스 플레이트(120)는 가스 주입부(130)의 Z 방향(Z) 높이를 조절하여 다이아몬드 제조 공정 가스에 의해 형성되는 플라즈마 영역(PS)의 위치 및 크기를 조절할 수 있다.
가스 플레이트(120)는 플라즈마 챔버(110)의 상부를 가로지르는 형태로 설치될 수 있다. 다시 말해서, 가스 플레이트(120)는 플라즈마 챔버(110)의 내부 공간의 상부를 정의할 수 있다. 가스 플레이트(120)는 가스 주입부(130)의 양단에 설치되어 플라즈마 챔버(110)와 가스 주입부(130)를 연결하는 형태로 형성될 수 있다. 가스 플레이트(120)는 도면에 도시되지 않은 전동 기구에 의해 Z 방향(Z)으로 상하 운동할 수 있다. 다만, 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니며, 가스 플레이트(120)는 전술한 형태와 다른 형태로 가스 주입부(130)와 연결될 수도 있을 것이다.
가스 주입부(130)는 내부에 가스 주입관(131)이 형성되어 플라즈마 챔버(110) 내에 다이아몬드 제조 공정 가스를 공급할 수 있다. 가스 주입부(130)는 내부에 가스 유량 조절기가 설치되어 다이아몬드 제조 공정 가스의 유량을 조절하여 플라즈마 챔버(110)의 내부에 다이아몬드 제조 공정 가스를 공급할 수 있다.
가스 주입부(130)는 내부에 가스 주입관(131)이 형성된 속이 빈 원통 형상을 가질 수 있다. 다만, 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니고, 가스 주입관(131)은 가스 분사의 형태에 따라 경사진 면을 포함할 수도 있고, 다양한 오리피스의 주입관으로 형성될 수도 있을 것이다. 가스 주입부(130)는 내부에 형성된 가스 주입관(131)을 통해 플라즈마 챔버(110)의 내부에 다이아몬드 제조 공정 가스를 공급할 수 있다. 가스 주입부(130)의 내부에 형성된 가스 주입관(131)은 디스크(150)를 향하는 방향으로 형성되어 디스크(150)를 향하는 방향으로 다이아몬드 제조 공정 가스를 공급할 수 있다.
안테나(160)는 마이크로파 생성부(112)에서 생성된 마이크로파를 플라즈마 챔버(110) 내부로 제공할 수 있다. 안테나(160)의 내부에는 냉각수가 흐르는 캐비티가 형성될 수 있다. 캐비티 내부에는 냉각관(170)이 형성될 수 있다. 냉각관(170)은 외부에서 유입된 냉각수를 냉각수 유입부(171)를 따라 상부로 이동시켜, 안테나(160)의 상부 온도를 하강시키는 역할을 수행할 수 있다.
냉각수 유입부(171)를 따라 안테나(160)의 상부 온도를 하강시킨 냉각수는, 냉각수 배출부(161)를 따라 외부로 배출될 수 있다. 외부로 배출된 냉각수는 열 교환기(heat exchanger) 등의 수단을 통해 냉각되어, 냉각수 유입부(171)로 다시 제공될 수 있다.
디스크 어셈블리(DA)는 적어도 2개 이상의 디스크 지지체(191, 192, 193)와, 하나의 디스크(150)를 포함할 수 있다. 디스크 어셈블리(DA)는 다이아몬드 씨드가 성장하는 동안, 다이아몬드의 성장 크기에 따라 디스크(150)를 하부로 이동시킴으로써, 다이아몬드의 성장면과 플라즈마 영역(PS)을 최대한 균일하게 접촉시킬 수 있다.
디스크 어셈블리(DA)는 최소 2개 이상의 디스크 지지체가 서로 오버랩 되는 형태로 적층 되어 형성된 디스크 지지 모듈(190)과 디스크(150)가 결합되어 형성될 수 있다. 즉, 디스크 어셈블리(DA)는 디스크 지지 모듈(190) 및 디스크(150)를 포함할 수 있다.
회전부(190m)는 제1, 제2 및 제3 디스크 지지체(191, 192, 193)중 적어도 하나에 맞물려 있는 회전판(190m3)을 회전시킬 수 있다. 회전부(190m)는 회전판(190m3)을 회전함으로써 최소 2개 이상의 디스크 지지체가 서로 Z 방향(Z)으로 정렬되어 디스크(150)를 하부로 이동시킬 수 있다.
회전부(190m)는 회전 모터(190m1), 회전축(190m2) 및 회전판(190m3)을 포함할 수 있다. 회전부(190m)는 하부에 회전 모터(190m1)가 위치하고, 상부에 회전판(190m3)이 위치할 수 있다. 회전부(190m)는 회전 모터(190m1)와 회전판(190m3) 사이에 회전축(190m2)이 위치하여 회전 모터(190m1)의 회전력을 회전판(190m3)에 전달할 수 있다. 다만, 본 명세서에서는 회전부(190m)가 회전 모터(190m1), 회전축(190m2) 및 회전판(190m3)을 포함하는 것으로 설명하였으나 실시예들이 이에 제한되지는 않는다. 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 다양한 설계 변경을 통해, 디스크 어셈블리(DA)를 회전시킬 수 있는 회전부(190m)를 구성할 수 있을 것이다.
플라즈마 챔버(110)는 플라즈마 챔버(110)의 외부에서 플라즈마 챔버(110)의 내부로 다이아몬드 제조 공정 가스를 주입하기 위한 가스 주입부(130)가 구비될 수 있다. 플라즈마 챔버(110)는 마이크로파를 생성하는 마이크로파 생성부(112)가 구비될 수 있다. 또한, 플라즈마 챔버(110)는 마이크로파 생성부(112)에서 생성된 마이크로파를 플라즈마 챔버(110) 내부에 제공하기 위한 안테나(160)를 포함할 수 있다. 플라즈마 챔버(110)는 가스 주입부(130)를 통해 공급된 다이아몬드 제조 공정 가스와 마이크로파 생성부(112)를 통해 공급된 마이크로파가 반응하여 후술할 디스크(150)의 상단에 플라즈마 영역(PS)을 형성하여, 디스크(150) 상에 다이아몬드 씨드(DS)를 성장시키는 방식으로 동작할 수 있다. 이때, 상기 다이아몬드 제조 공정 가스의 성분에는 다이아몬드 합성을 위해 탄화 수소와 수소가 포함될 수 있다. 플라즈마 챔버(110)는 반응이 완료된 다이아몬드 제조 공정 가스를 플라즈마 챔버(110)의 외부로 배기하기 위한 가스 배기부(111)가 구비될 수 있다.
플라즈마 챔버(110) 내부에는 다양한 구성요소가 설치될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 챔버(110) 내부에는 가스 플레이트(120), 가스 주입부(130), 디스크 어셈블리(DA), 안테나(160) 및 회전부(190m)가 설치될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해, 플라즈마 챔버(110) 내부에 설치되는 디스크 어셈블리(DA)를 기준으로 설명한다.
가스 플레이트(120) 및 가스 주입부(130)는 디스크 어셈블리(DA) 상에 위치할 수 있다. 즉, 가스 주입부(130)는 다이아몬드 제조 공정 가스를 디스크 어셈블리(DA)의 상면에 분사할 수 있다. 안테나(160)는 디스크 어셈블리(DA) 아래에 위치할 수 있다. 즉, 안테나(160)는 디스크 어셈블리(DA)의 하부에서 디스크 어셈블리(DA)의 상부 방향으로 마이크로파를 제공할 수 있다. 회전부(190m)는 디스크 어셈블리(DA)의 일측면에 위치할 수 있다. 다만, 이러한 구성요소들의 위치 관계는 단지 일 실시예에 불과하며, 실시예들이 이에 제한되지는 않는다. 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 필요에 따라 다양한 위치에 각 구성요소들을 배치할 수 있을 것이다.
몇몇 실시예에서, 안테나(160)와 플라즈마 챔버(110)의 하부 바닥면 사이에는 윈도우(180)가 설치될 수 있다. 윈도우(180)는 다이아몬드 제조 공정 가스가 안테나(160) 하부로 유입되는 것을 방지하여, 안테나(160) 하부 영역에서 플라즈마가 형성되는 것을 막을 수 있다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 플라즈마 챔버(110) 내에는 다이아몬드 씨드(DS)가 실장된 디스크(150)를 다이아몬드 씨드(DS)의 성장 높이에 따라 하향 이동하기 위한 디스크 지지 모듈(190)이 구비될 수 있다. 디스크(150)는 플라즈마 챔버(110)의 내부 공간에 설치되고, 상면에 다이아몬드 씨드(DS)가 실장될 수 있다. 디스크(150)는 디스크 지지 모듈(190)의 내측에 연결될 수 있다. 다시 말해서, 디스크 지지 모듈(190)은 디스크(150)를 둘러싸도록 배치될 수 있다.
디스크(150)는 외주면의 일측에 하나 이상의 제1 연결부(150a) 또는 제2 연결부(150b)를 포함할 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 제1 연결부(150a)는 디스크(150)의 외주면 일측에 제1 길이(Lth1)만큼 돌출되는 형태를 포함할 수 있다. 다른 몇몇 실시예에 따른 제2 연결부(150b)는 디스크(150)의 외주면 일측에 제1 길이(Lth1)만큼 만입되는 형태를 포함할 수 있다. 다시 말해서, 제1 길이(Lth1)는 디스크(150)의 외주면 일측으로부터 돌출되어 형성되는 제1 연결부(150a) 또는 만입되어 형성되는 제2 연결부(150b)의 X 방향(X) 길이를 의미할 수 있다. 제1 길이(Lth1)는 디스크 지지 모듈(190)의 X 방향(X) 외경과 디스크 지지 모듈(190)의 X 방향(X) 내경의 차이보다 작을 수 있다.
몇몇 실시예에 따르면, 디스크(150)의 형태는 원형의 디스크 플레이트에 제1 연결부(150a) 또는 제2 연결부(150b)가 형성되는 형태로 도시되었지만, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 디스크(150)의 형태가 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 디스크(150)의 형태는 원형, 타원형 및 볼록 다각형 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 디스크(150)의 형태가 타원형 및 볼록 다각형 중 어느 하나일 경우, 디스크(150)는 제1 연결부(150a) 또는 제2 연결부(150b)를 포함하지 않을 수 있다. 또한, 하나의 디스크(150)에 형성되는 제1 연결부(150a) 또는 제2 연결부(150b)의 개수가 2개로 도시되었지만, 본 발명의 몇몇 실시예들이 이러한 개수에 제한되는 것은 아니다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 디스크 지지 모듈(190)은 안테나(160)의 상단에 위치할 수 있고, 내부에 디스크(150)와 결합할 수 있는 캐비티를 포함할 수 있다. 상기 캐비티는 디스크(150)와 결합 가능하게 형성될 수 있다. 즉, 디스크 지지 모듈(190)의 내주면은 디스크(150)의 외주면과 대응되는 형태로 형성될 수 있다. 디스크 지지 모듈(190)의 수평 단면의 넓이가 안테나(160) 상단의 수평 단면의 넓이와 동일한 것처럼 도시되었지만, 본 발명의 몇몇 실시예들이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 디스크 지지 모듈(190)의 수평 단면의 넓이는 안테나(160) 상단의 수평 단면의 넓이보다 작을 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따른 디스크 지지 모듈(190)은 내주면의 일측에 제1 연결부(150a)와 결합 가능한 제1 수용부(191a), 제2 수용부(192a) 및 제3 수용부(193a)를 포함할 수 있다. 디스크(150)의 제1 연결부(150a)와 디스크 지지 모듈(190)의 제1 수용부(191a) 내지 제3 수용부(193a)는 서로 끼움 결합될 수 있다.
몇몇 실시예에 따르면, 제1 연결부(150a)가 제1 길이(Lth1)만큼 돌출되는 형태를 가질 때, 제1 수용부(191a) 내지 제3 수용부(193a)는 디스크 지지 모듈(190)의 내주면 일측에 제2 길이(Lth2)만큼 만입되는 형태를 포함할 수 있다. 이때, 제1 길이(Lth1)는 제1 길이(Lth1)보다 길거나 같을 수 있다.
디스크 지지 모듈(190)의 형태는 원기둥과 원기둥을 관통하는 캐비티 내에 제1 수용부(191a) 내지 제3 수용부(193a)가 형성되는 형태로 도시되었지만, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 디스크 지지 모듈(190)의 형태가 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 디스크 지지 모듈(190)을 XY 평면으로 자른 단면의 형태는 중심부가 빈 원형, 타원형 및 볼록 다각형 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 디스크 지지 모듈(190)을 XY 평면으로 자른 단면의 형태가 타원형 및 볼록 다각형 중 어느 하나일 경우, 디스크 지지 모듈(190)은 제1 수용부(191a) 내지 제3 수용부(193a)를 포함하지 않을 수 있다. 또한, 디스크 지지 모듈(190)에 형성되는 제1 수용부(191a) 내지 제3 수용부(193a)의 개수가 6개로 도시되었지만, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 디스크 지지 모듈(190)에 형성되는 제1 수용부(191a) 내지 제3 수용부(193a)의 개수가 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 디스크 지지 모듈(190)은 내주면의 일측에 제2 연결부(150b)와 결합 가능한 제4 수용부(191b), 제5 수용부(192b) 및 제6 수용부(193b)를 포함할 수 있다. 제2 연결부(150b)가 제1 길이(Lth1)만큼 만입되는 형태를 가질 때, 제4 수용부(191b) 내지 제6 수용부(193b)는 디스크 지지 모듈(190)의 내주면 일측에 제2 길이(Lth2)만큼 돌출되는 형태를 포함할 수 있다. 디스크 지지 모듈(190)의 형태는 원기둥과 원기둥을 관통하는 캐비티 내에 제4 수용부(191b) 내지 제6 수용부(193b)가 형성되는 형태로 도시되었지만, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 디스크 지지 모듈(190)의 형태가 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 디스크 지지 모듈(190)을 XY 평면으로 자른 단면의 형태는 중심부가 빈 원형, 타원형 및 볼록 다각형 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 디스크 지지 모듈(190)을 XY 평면으로 자른 단면의 형태가 타원형 및 볼록 다각형 중 어느 하나일 경우, 디스크 지지 모듈(190)은 제4 수용부(191b) 내지 제6 수용부(193b)를 포함하지 않을 수 있다. 또한, 디스크 지지 모듈(190)에 형성되는 제4 수용부(191b) 내지 제6 수용부(193b)의 개수가 6개로 도시되었지만, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 디스크 지지 모듈(190)에 형성되는 제4 수용부(191b) 내지 제6 수용부(193b)의 개수가 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 디스크 지지 모듈(190)은 제1 디스크 지지체(191), 제2 디스크 지지체(192) 및 제3 디스크 지지체(193)를 포함할 수 있다. 디스크 지지 모듈(190)을 이루는 디스크 지지체의 개수가 3개로 도시되었지만, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 디스크 지지 모듈(190)을 이루는 디스크 지지체의 개수가 이에 제한되는 것은 아니며, 디스크 지지 모듈(190)은 필요에 따라 2개 이상의 임의의 개수의 디스크 지지체를 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따른 제1 디스크 지지체(191)는 디스크(150)와 연결될 수 있다. 제1 디스크 지지체(191)는 디스크(150)의 제1 연결부(150a)와 결합 가능한 제1 수용부(191a) 또는 제2 연결부(150b)와 결합 가능한 제4 수용부(191b)를 포함할 수 있다. 제2 디스크 지지체(192)는 제1 디스크 지지체(191) 하부에 위치할 수 있다. 제2 디스크 지지체(192)는 디스크(150)의 제1 연결부(150a)와 결합 가능한 제2 수용부(192a) 또는 제2 연결부(150b)와 결합 가능한 제5 수용부(192b)를 포함할 수 있다. 제3 디스크 지지체(193)는 제2 디스크 지지체(192) 하부에 위치할 수 있다. 제3 디스크 지지체(193)는 디스크(150)의 제1 연결부(150a)와 결합 가능한 제3 수용부(193a) 또는 제2 연결부(150b)와 결합 가능한 제6 수용부(193b)를 포함할 수 있다. 제3 디스크 지지체(193)가 안테나(160)의 상단에 위치하고, 제2 디스크 지지체(192)가 제3 디스크 지지체(193)의 상단에 위치하고, 제1 디스크 지지체(191)가 제2 디스크 지지체(192)의 상단에 위치하는 것으로 도시되었지만, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 제1, 제2 및 제3 디스크 지지체(191, 192, 193)의 위치 관계가 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1 및 도 4 내지 도 6을 참조하면, 다이아몬드 씨드(DS)의 성장 높이에 따라 다이아몬드 씨드(DS)가 실장된 디스크(150)를 제1 디스크 지지체(191)에서 제2 디스크 지지체(192)로 하향 이동해야 할 때, 제1 디스크 지지체(191) 및 제2 디스크 지지체(192) 중 적어도 하나가 회전하여, 제1 디스크 지지체(191)의 제1 수용부(191a, 191b)와 제2 디스크 지지체(192)의 제2 수용부(192a, 192b)가 Z 방향으로 정렬될 수 있다. 제1 수용부(191a)와 제2 수용부(192a)가 Z 방향으로 정렬된다는 것은 제1 디스크 지지체의 형상과 제2 디스크 지지체의 형상이 Z 방향(Z)에서 오버랩 되는 것을 의미할 수 있다. 다시 말해서, Z 방향(Z)으로 정렬된 제1 수용부(191a)와 제2 수용부(192a)는 Z 방향(Z)에서 바라봤을 때, 제1 수용부(191a)의 위치와 형상은 제2 수용부(192a)와 일치할 수 있다. 이때, 제1 디스크 지지체(191)와 연결된 디스크(150)는 제1 디스크 지지체(191)에서 제2 디스크 지지체(192)로 이동할 수 있고, 디스크(150)의 제1 연결부(150a)와 제2 디스크 지지체(192)의 제2 수용부(192a)가 결합될 수 있다.
다이아몬드 씨드(DS)의 성장 높이에 따라 다이아몬드 씨드(DS)가 실장된 디스크(150)를 제2 디스크 지지체(192)에서 제3 디스크 지지체(193)로 하향 이동해야 할 때, 제2 디스크 지지체(192) 및 제3 디스크 지지체(193) 중 적어도 하나가 회전하여, 제2 디스크 지지체(192)의 제2 수용부(192a)와 제3 디스크 지지체(193)의 제3 수용부(193a)가 Z 방향(Z)으로 정렬될 수 있다. 이때, 제2 디스크 지지체(192)와 연결된 디스크(150)는 제2 디스크 지지체(192)에서 제3 디스크 지지체(193)로 이동할 수 있고, 디스크(150)의 제1 연결부(150a)와 제3 디스크 지지체(193)의 제3 수용부(193a)가 결합될 수 있다.
제1, 제2 및 제3 디스크 지지체(191, 192, 193)의 회전은 회전 모터(190m1), 회전축(190m2) 및 회전판(190m3)을 포함한 회전부(190m)에 의해 수행될 수 있다. 회전 모터(190m1)는 플라즈마 챔버(110) 내에 디스크 지지 모듈(190) 하단에 위치할 수 있다. 회전 모터(190m1)는 회전축(190m2)의 회전 각도 및 회전 방향을 제어할 수 있다. 예를 들어, 회전 모터(190m1)는 회전축(190m2)을 시계 반대 방향(CCW) 및 시계 방향(CW) 중 적어도 한 방향으로 일정 각도 회전시킬 수 있다. 회전축(190m2)은 회전 모터(190m1)의 일측에 결합하여 위치할 수 있다. 회전축(190m2)은 회전 모터(190m1)로부터 받은 회전력을 회전판(190m3)에 전달할 수 있다. 회전판(190m3)는 회전축(190m2)의 상단에 위치할 수 있다. 회전판(190m3)는 제1, 제2 및 제3 디스크 지지체(191, 192, 193) 중 적어도 하나와 연결될 수 있다. 회전판(190m3)는 다이아몬드 씨드(DS)의 성장 높이에 따라, 제1, 제2 및 제3 디스크 지지체(191, 192, 193) 중 적어도 하나를 회전할 수 있다. 구체적으로, 회전판(190m3)는 외주면에 톱니가 형성되어, 회전판(190m3)의 톱니에 대응되는 톱니가 형성된 제1 디스크 지지체(191) 및 제2 디스크 지지체(192) 중 적어도 하나를, 제1 디스크 지지체(191)의 제1 수용부(191a)와 제2 디스크 지지체(192)의 제2 수용부(192a)가 Z 방향(Z)으로 정렬되는 각도만큼 회전할 수 있다. 또한, 회전판(190m3)는 회전판(190m3)의 톱니에 대응되는 톱니가 형성된 제2 디스크 지지체(192) 및 제3 디스크 지지체(193) 중 적어도 하나를, 제2 디스크 지지체(192)의 제2 수용부(192a)와 제3 디스크 지지체(193)의 제3 수용부(193a)가 Z 방향(Z)으로 정렬되는 각도만큼 회전할 수 있다. 회전 모터(190m1)에 사용되는 모터의 종류는 일반적으로 스텝 모터이나, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 제1, 제2 및 제3 디스크 지지체(191, 192, 193)의 회전 구동 방식이 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 제1, 제2 및 제3 디스크 지지체(191, 192, 193)의 회전은 도면에 도시되지 않은 외부 전동기구에 의해 수행될 수 있다. 상기 외부 전동기구는 압전 소자 액츄에이터 및 리니어 액츄에이터를 포함할 수 있다. 단, 본 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다.
이하에서는 도 7 및 도 8을 참조하여, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 디스크에 형성된 계단형 홈의 형상 및 상기 계단형 홈이 다이아몬드 씨드의 성장에 미치는 영향을 설명한다.
도 7은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 디스크에 형성된 계단형 홈의 형상을 설명하기 위한 단면도이고, 도 8은 도 7의 계단형 홈에 실장된 다이아몬드 씨드가 성장하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 1, 도 4 및 도 7을 참조하면, 디스크(150)는 상면의 일측에 다이아몬드 씨드(DS)가 실장되는 제1 부분(151), 제1 부분(151)을 둘러싸는 제2 부분(152) 및 제2 부분(152)을 둘러싸는 제3 부분(153)이 형성될 수 있다. 제1 부분(151)은 XY 평면과 평행한 제1 면을 포함할 수 있다. 제2 부분(152)은 Z 방향(Z)으로 형성된 제2 면 및 XY 평면과 평행한 제3 면을 포함할 수 있다. 제3 부분(153)은 Z 방향(Z)으로 형성된 제4 면 및 XY 평면과 평행한 제5 면을 포함할 수 있다. 제1 면과 제2 면이 직각으로 만날 수 있고, 제2 면과 제3 면이 직각으로 만날 수 있고, 제3 면과 제4 면이 직각으로 만날 수 있고, 제4 면과 제5 면이 직각으로 만날 수 있다. 디스크(150)에 제1, 제2 및 제3 부분(151, 152, 153)이 형성됨에 따라, 디스크(150)는 계단 형상의 홈을 형성할 수 있다.
제1 부분(151)은 디스크(150)의 하면으로부터 이격되어 제1 두께(t1)를 가질 수 있다. 제2 부분(152)은 디스크(150)의 하면으로부터 이격되어 제2 두께(t2)를 가질 수 있다. 제3 부분(153)은 디스크(150)의 하면으로부터 이격되어 제3 두께(t3)를 가질 수 있다. 제1 부분(151)의 제1 두께(t1)는 제2 부분(152)의 제2 두께(t2)보다 작을 수 있다. 제3 부분(153)의 제3 두께(t3)는 제2 부분(152)의 제2 두께(t2)보다 클 수 있다.
도 1, 도 4, 도 7 및 도 8의 <C1>을 참조하면, 디스크(150)의 제1 부분(151)은 제2 부분(152)에 둘러싸이고, 제2 부분(152)은 제3 부분(153)에 둘러싸이며, 제1 부분(151)을 향해 하향 경사진 홈이 형성될 수 있다. 다이아몬드 씨드(DS)는 디스크(150)의 상면에 실장될 수 있다. 구체적으로, 다이아몬드 씨드(DS)는 제1 부분(151)의 일면에 실장될 수 있다.
도 8의 <C1> 및 <C2>를 참조하면, 다이아몬드 씨드(DS)는 플라즈마 영역(PS)과 접촉하며 다이아몬드 씨드(DS)의 구경을 키울 수 있다. 이때, 다이아몬드 씨드(DS)는 상기 하향 경사진 홈의 기울기(153d)를 따라 다이아몬드 씨드(DS)의 구경을 키울 수 있다. 제1, 제2 및 제3 부분(151, 152, 153)은 다이아몬드 씨드(DS)의 성장 가이드 역할을 할 수 있다. 구체적으로, 제1, 제2 및 제3 부분(151, 152, 153)은 다이아몬드 씨드(DS)가 성장할 때, 제1, 제2 및 제3 부분(151, 152, 153)에 의해 형성된 상기 하향 경사진 홈의 기울기(153d)를 따라 성장하도록 가이드 함으로써, 다이아몬드 씨드(DS)의 측면에 다결정 다이아몬드가 성장하는 것을 억제할 수 있다.
이하에서는 도 9 내지 도 14를 참조하여, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 본 발명의 몇몇 실시예들에 따른 플라즈마를 이용한 다이아몬드 제조 장치에 디스크를 지지하는 중심축이 추가된 모습을 설명한다. 상술한 실시예와 중복되는 부분은 간략히 하거나 생략한다.
도 9는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 다이아몬드 제조 장치에 디스크를 지지하는 중심축이 추가된 모습을 설명하기 위한 도면이고, 도 10은 도 9의 디스크 어셈블리와 중심축의 구성 사시도이고, 도 11은 도 10의 디스크 어셈블리와 중심축의 단면도이고, 도 12는 도 9의 디스크를 지지하는 중심축이 탄성 부재로 구성된 실시예를 설명하기 위한 도면이고, 도 13은 도 9의 디스크 어셈블리와 중심축의 분해 사시도이고, 도 14는 도 9의 디스크 어셈블리의 연결부와 수용부의 형상이 바뀐 실시예를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
구체적으로, 도 11의 <E1>은 도 10의 <D1>을 i-i'으로 자른 단면도이고, 도 11의 <E2>는 도 10의 <D2>를 ii-ii'으로 자른 단면도이고, 도 11의 <E3>은 도 10의 <D3>을 iii-iii'으로 자른 단면도이다.
도 9를 참조하면, 다이아몬드 제조 장치(100)는 플라즈마 챔버(110), 가스 플레이트(120), 가스 주입부(130), 안테나(160), 냉각관(170), 디스크 어셈블리(DA), 회전부(190m) 및 디스크 중심축(154)으로 구성될 수 있다.
도 9 내지 도 14를 참조하면, 디스크 중심축(154)은 디스크(150)의 하부에 연결되어 위치할 수 있다. 디스크 중심축(154)은 탄성 변형이 용이한 탄성 재질로 형성되는 탄성부재로 이루어질 수 있다. 디스크 중심축(154)은 디스크(150)에 충격 또는 진동이 가해지는 경우, 상기 탄성부재에 의해 디스크(150)의 하단부가 디스크 중심축(154)이 위치한 상기 하단부의 중앙 측에서 탄성 지지될 수 있다.
도 11의 <E1>과 <E2> 및 도 12의 <F1>과 <F2>를 참조하면, 디스크 중심축(154)은 디스크(150)가 제1 디스크 지지체(191)에서 제2 디스크 지지체(192)로 이동할 때, 제1 디스크 지지체(191)의 두께만큼 압축될 수 있다. 구체적으로, 디스크 중심축(154)은 디스크(150)가 제1 디스크 지지체(191)에 연결되어 있을 때, Z 방향(Z)으로 제1 세로 길이(d1)를 가질 수 있다. 디스크 중심축(154)은 디스크(150)가 제1 디스크 지지체(191)에서 제2 디스크 지지체(192)로 이동할 때, Z 방향(Z)으로 제2 세로 길이(d2)를 가질 수 있고, 제2 세로 길이(d2)는 제1 세로 길이(d1)보다 짧을 수 있다. 제1 세로 길이(d1)와 제2 세로 길이(d2)의 차이는 제1 디스크 지지체(191)의 두께와 같을 수 있다. 단, 본 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다.
도 11의 <E2>와 <E3> 및 도 12의 <F2>와 <F3>을 참조하면, 디스크 중심축(154)은 디스크 중심축(154)은 디스크(150)가 제2 디스크 지지체(192)에서 제3 디스크 지지체(193)로 이동할 때, 제2 디스크 지지체(192)의 두께만큼 압축될 수 있다. 구체적으로, 디스크 중심축(154)은 디스크(150)가 제2 디스크 지지체(192)에 연결되어 있을 때, Z 방향(Z)으로 제2 세로 길이(d2)를 가질 수 있다. 디스크 중심축(154)은 디스크(150)가 제2 디스크 지지체(192)에서 제3 디스크 지지체(193)로 이동할 때, Z 방향(Z)으로 제3 세로 길이(d3)를 가질 수 있고, 제3 세로 길이(d3)는 제2 세로 길이(d2)보다 짧을 수 있다. 제2 세로 길이(d2)와 제3 세로 길이(d3)의 차이는 제2 디스크 지지체(192)의 두께와 같을 수 있다. 단, 본 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 플라즈마가 형성되는 플라즈마 영역을 포함하는 플라즈마 챔버;
    하나 이상의 연결부를 포함하고, 상기 플라즈마 챔버의 내부 공간에 설치되고, 다이아몬드 씨드가 실장되는 디스크;
    상기 디스크와 연결되고, 상기 연결부와 결합된 제1 수용부를 포함하는 제1 디스크 지지체;
    상기 제1 디스크 지지체 상에, 상기 연결부와 결합 가능한 제2 수용부를 포함하는 제2 디스크 지지체;
    상기 디스크의 하부에 위치하고, 마이크로파를 상기 플라즈마 챔버 내부로 방사하는 마이크로파 생성부; 및
    상기 디스크의 상부에 위치하고, 다이아몬드 제조 공정 가스를 상기 플라즈마 챔버에 제공하는 가수 주입부를 포함하고,
    상기 제1 디스크 지지체 및 상기 제2 디스크 지지체 중 적어도 하나가 회전하여, 상기 제1 수용부와 상기 제2 수용부가 정렬되는 경우, 상기 디스크는 상기 제1 디스크 지지체에서 상기 제2 디스크 지지체로 이동하고, 상기 연결부와 상기 제2 수용부가 결합되는,
    플라즈마를 이용한 다이아몬드 제조 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 디스크의 하부에 연결되고, 탄성부재로 이루어진 디스크 중심축을 더 포함하고,
    상기 디스크 중심축은 상기 디스크가 상기 제1 디스크 지지체에서 상기 제2 디스크 지지체로 이동할 때, 상기 제1 디스크 지지체의 두께만큼 압축되는,
    플라즈마를 이용한 다이아몬드 제조 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 디스크는,
    다이아몬드 씨드가 실장되는 제1 부분; 및
    상기 제1 부분을 둘러싸는 제2 부분을 포함하고,
    상기 제1 부분의 제1 두께는 상기 제2 부분의 제2 두께보다 작은,
    플라즈마를 이용한 다이아몬드 제조 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 디스크는,
    상기 제2 부분을 둘러싸는 제3 부분을 더 포함하고,
    상기 제3 부분의 제3 두께는 상기 제2 두께보다 큰,
    플라즈마를 이용한 다이아몬드 제조 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 디스크 지지체 및 상기 제2 디스크 지지체 중 적어도 하나와 연결되고, 상기 다이아몬드 씨드의 성장 높이에 따라, 상기 제1 디스크 지지체 및 상기 제2 디스크 지지체 중 적어도 하나를 회전하는 회전부를 더 포함하는,
    플라즈마를 이용한 다이아몬드 제조 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 회전부는 상기 제1 디스크 지지체 및 상기 제2 디스크 지지체 중 적어도 하나를, 상기 제1 수용부와 상기 제2 수용부가 정렬되는 각도만큼 회전하는,
    플라즈마를 이용한 다이아몬드 제조 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 디스크 지지체 상에, 상기 연결부와 결합 가능한 제3 수용부를 포함하는 제3 디스크 지지체를 더 포함하고,
    상기 제2 디스크 지지체 및 상기 제3 디스크 지지체 중 적어도 하나가 회전하여, 상기 제2 수용부와 상기 제3 수용부가 정렬되는 경우, 상기 디스크는 상기 제2 디스크 지지체에서 상기 제3 디스크 지지체로 이동하고, 상기 연결부와 상기 제3 수용부가 결합되는,
    플라즈마를 이용한 다이아몬드 제조 장치.
  8. 상면에 다이아몬드 씨드가 실장되고, 외주면의 일측에 형성되는 연결부를 포함하는 디스크; 및
    상기 디스크의 외주면과 대응되는 형태로 형성되며 상기 디스크와 결합되는 디스크 지지 모듈을 포함하되,
    상기 디스크 지지 모듈은,
    제1 디스크 지지체, 제2 디스크 지지체 및 제3 디스크 지지체를 포함하고,
    내주면의 일측에 형성되는 상기 연결부와 결합 가능한 수용부를 포함하고,
    상기 연결부와 상기 수용부가 끼움 결합하여 상기 디스크와 상기 디스크 지지 모듈이 일부 결합되는,
    디스크 어셈블리.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 연결부는,
    상기 디스크의 외주면 일측에 제1 길이만큼 돌출되는 형태를 포함하고,
    상기 수용부는,
    상기 디스크 지지 모듈의 내주면 일측에 제2 길이만큼 만입되는 형태를 포함하는,
    디스크 어셈블리.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 연결부는,
    상기 디스크의 외주면 일측에 제1 길이만큼 만입되는 형태를 포함하고,
    상기 수용부는,
    상기 디스크 지지 모듈의 내주면 일측에 제2 길이만큼 돌출되는 형태를 포함하는,
    디스크 어셈블리.
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5204145A (en) * 1991-03-04 1993-04-20 General Electric Company Apparatus for producing diamonds by chemical vapor deposition and articles produced therefrom
WO2008093389A1 (ja) * 2007-01-29 2008-08-07 Sumitomo Electric Industries, Ltd. マイクロ波プラズマｃｖｄ装置
JP5914041B2 (ja) * 2012-02-28 2016-05-11 株式会社栗田製作所 単結晶ダイヤモンド製造方法及び単結晶ダイヤモンド製造装置
US20170114476A1 (en) * 2008-03-13 2017-04-27 Board Of Trustees Of Michigan State University Process and Apparatus for Diamond Synthesis
CN215856452U (zh) * 2021-06-23 2022-02-18 秦皇岛本征晶体科技有限公司 一种基于微波等离子体化学气相沉积的单晶金刚石基片台
CN114438473A (zh) * 2021-12-27 2022-05-06 杭州电子科技大学 一种高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5204145A (en) * 1991-03-04 1993-04-20 General Electric Company Apparatus for producing diamonds by chemical vapor deposition and articles produced therefrom
WO2008093389A1 (ja) * 2007-01-29 2008-08-07 Sumitomo Electric Industries, Ltd. マイクロ波プラズマｃｖｄ装置
US20170114476A1 (en) * 2008-03-13 2017-04-27 Board Of Trustees Of Michigan State University Process and Apparatus for Diamond Synthesis
JP5914041B2 (ja) * 2012-02-28 2016-05-11 株式会社栗田製作所 単結晶ダイヤモンド製造方法及び単結晶ダイヤモンド製造装置
CN215856452U (zh) * 2021-06-23 2022-02-18 秦皇岛本征晶体科技有限公司 一种基于微波等离子体化学气相沉积的单晶金刚石基片台
CN114438473A (zh) * 2021-12-27 2022-05-06 杭州电子科技大学 一种高功率微波等离子体金刚石膜沉积装置

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