DE102007028293B4

DE102007028293B4 - Plasmareaktor, dessen Verwendung und Verfahren zur Herstellung einkristalliner Diamantschichten

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Publication number: DE102007028293B4
Application number: DE102007028293A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr. Schreck; Stefan Gsell; Martin Fischer
Original assignee: Universitaet Augsburg
Current assignee: Augsburg Diamond Technology De GmbH
Priority date: 2007-06-20
Filing date: 2007-06-20
Publication date: 2009-09-03
Anticipated expiration: 2027-06-21
Also published as: WO2008155087A3; US20110005454A1; DE102007028293A1; WO2008155087A2

Abstract

Plasmareaktor mit
zumindest zwei flächigen Elektroden, nämlich Anode und Kathode, die einander zugewandte Flächen aufweisen und jeweils durch einen Rand begrenzt sind,
einem zwischen den Flächen der Elektroden vorliegenden Plasmabereich zur Erzeugung eines Plasmas, in welchen ein Gas einbringbar ist, und einer Vorrichtung zum Zuführen von Mikrowellen, mit welcher Mikrowellen zumindest einer Frequenz in den Plasmabereich einstrahlbar sind, die eine zur Plasmaerzeugung beitragende Leistung in den Plasmabereich einbringen,
wobei der Abstand zwischen den Elektroden so gering ist und/oder die Leistung und/oder Frequenz der einstrahlbaren Mikrowellen dergestalt ist, dass durch die Einstrahlung der Mikrowellen im Plasmabereich ein Plasma mit einer Ionensättigungsstromdichte von gleich oder größer als 0,001 A/cm² erzeugbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Plasmareaktor, mit welchem sich großflächig einkristalline Diamantschichten auf Wafern herstellen lassen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung solcher Diamantschichten.
Für die Herstellung großflächiger Diamantschichten stellt die Heteroepitaxie, d. h. die Abscheidung auf einkristallinen Fremdsubstraten das meistversprechende Konzept dar. Hierbei werden zunächst in einer epitaktischen Nukleation (epitaktische Keimbildung) Diamantkeime abgeschieden und anschließend die Diamantschicht aufgewachsen. Um tatsächlich einkristalline Diamantschichten herstellen zu können, ist die Beherrschung der epitaktischen Nukleation ausschlaggebend.
Zur Abscheidung von Diamant auf Silizium oder Siliziumcarbid sind Nukleationsverfahren seit einiger Zeit bekannt. Die Nukleation ist hier verhältnismäßig leicht beherrschbar, weil unter den Nukleationsbedingungen die Keime sofort loswachsen können.
Deutlich schwieriger gestaltet sich das Nukleationsverfahren, wenn die Diamantschicht auf Iridium abgeschieden werden soll. Dieses Metall besitzt derzeit als einziges Material das Potential für die Abscheidung großflächiger einkristalliner Diamantschichten. Auf Iridium entstehen die Keime eingebettet in einer 1 nm dicken Kohlenstoffschicht. Wegen des intensiven Ionenbeschusses können sie während des Nukleationsschrittes nicht in die Höhe wachsen.
Grundsätzlich geschieht die Nukleation dadurch, dass das zu beschichtende Substrat einer aktivierten Gasphase, die Kohlenstoff enthält, ausgesetzt wird und dabei auf einem negativen Potential liegt, so dass ein Beschuss mit positiven Ionen stattfindet. Für die epitaktische Keimbildung auf Iridium wurden hierzu verschiedene Anordnungen vorgeschlagen.
Besonders interessant sind jene Verfahren, bei denen Mikrowellen zusammen mit einer Gleichspannung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes eingesetzt werden. Beispielsweise kann ein sehr kleines Substrat von ca. 1 cm Kantenlänge unter einem sehr großen Plasmaball von einem Durchmesser von 10 cm bewachsen werden. Hierbei bildet die Probe die Kathode, während die Anode als ringförmige Elektrode ausgebildet ist, welche die Probe in einer zur Fläche der Probe parallelen Ebene umläuft. Hierdurch konzentriert sich der Stromfluss auf der Probe. Der Plasmaball entsteht innerhalb der ringförmigen Elektrode oberhalb der Probe und wird von den elektrischen Feldlinien der angelegten Gleichspannung durchsetzt. Das Verfahren ist jedoch auf die genannten kleinen Substrate von ca. 1 cm Kantenlänge beschränkt. Bei größeren Substratflächen konnte auch durch Erhöhen der von außen angelegten Spannung keinerlei Bekeimung erzielt werden.
In Fujisaki et al., Diamond Relat. Mater. 11 (2002) 478 wird vorgeschlagen, spitzenförmige Elektroden zu verwenden, die zu einer Stromkonzentration auf dem Substrat führen. Wiederum ist die zu beschichtende Probe die Kathode, während die spitzenförmigen Elektroden die Anode bilden. In den Bereich des Plasmas werden auch hier Mikrowellen eingestrahlt. Auch bei diesem Verfahren ist jedoch die bekeimbare Fläche sehr klein. Für die Vergrößerung der Fläche schlagen die Autoren eine Multiantennenanordnung sowie einen verschiebbaren Substrathalter vor.
Sawabe et al, Diamond. Relat. Mater. 13 (2004) 1975 schlagen darüberhinaus eine reine Gleichspannungsentladung ohne Mikrowelleneinstrahlung vor. Ein prinzipieller Nachteil von reinen DC-Entladungen ist die Instabilität bei hohen Drücken. Die Entladung zeigt hier Filamentierung und geht leicht in eine Bogenentladung über (V. P. Raizer: Gas Discharge Physics, Springer, Berlin 1991).
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren anzugeben, mit welchem Diamantnukleation und -beschichtung nicht nur auf Silizium sondern auch auf Iridium großflächig möglich ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch den Plasmareaktor nach Anspruch 1 und das Verfahren zur Keimbildung von Diamant auf einem Wafer nach Anspruch 44. Die Ansprüche 52 und 53 geben Verwendungen des erfindungsgemäßen Plasmareaktors an. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Plasmareaktors und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen gegeben.
Untersuchungen haben ergeben, dass für die Nukleation von Diamant auf Iridiumschichten die Ionensättigungsstromdichte als Maß für die Aktivierung des Plasmas über der Kathode eine entscheidende Rolle spielt. Die Ionensättigungsstromdichte ist der Ionensättigungsstrom geteilt durch die Fläche der Kathode. Der Ionensättigungsstrom ist hierbei durch folgende Messung definiert.
Zunächst wird ein Gas zwischen zwei plattenförmige parallele Elektroden gebracht und dann Mikrowellen in das Gas zwischen den Platten eingestrahlt. Die Eindringtiefe der Mikrowellen als Funktion der Frequenz und der Elektronendichte wird z. B. in A. L. Vikharev et al., Diamond Relat. Mater, 15 (2006) 502 beschrieben.
Legt man nun eine Spannung an die Elektroden an, so fließt ein Strom zwischen den Elektroden durch das Plasma. Der Verlauf des Stroms in Abhängigkeit von der Spannung ist beispielhaft in 1 dargestellt. Er kann in drei Bereiche unterteilt werden. Bei kleinen Spannungen beobachtet man den Bereich I, in welchem der Stromfluss steil ansteigt. Der steile Anstieg in diesem Bereich entspricht in erster Näherung einer Langmuir-Sondenmessung mit einer symmetrischen Doppelsonde. Hier wird die Ladungsträgerdichte und Elektronentemperatur in unmittelbarer Umgebung der Elektrode gemessen. In der Doppelsondenmessung entspricht das Plateau in sehr guter Näherung direkt dem unten definierten Ionensättigungsstrom, aus dem sich bei Kenntnis der Elektronentemperatur und der Masse der positiven Ionen auch die Ladungsträgerdichte bestimmen lässt.
Bei weiterer Erhöhung der Spannung folgt dem Bereich I ein Bereich II, in welchem der Stromfluss mit steigender Spannung gar nicht oder fast nicht ansteigt. Der Stromfluss in diesem Bereich, der also für alle Spannungen des Bereichs II im Wesentlichen der gleiche ist, wird als Ionensättigungsstrom bezeichnet. Der Ionensättigungsstrom kann als Maß für die Plasmaanregung über der Kathode herangezogen werden.
Auf den Bereich II folgt bei weiterer Erhöhung der zwischen den Elektroden angelegten Spannung ein Bereich III mit einem erneuten Anstieg des Stromflusses. Dieser Anstieg ist auf Elektronenmultiplikationseffekte zurückzuführen, welche zum einen durch eine höhere Sekundärionenproduktion in der Gasphase und zum anderen durch eine höhere Sekundärelektronenausbeute an der Kathode, auf die zunehmend energiereichere positive Ionen treffen, bewirkt werden. In diesem Bereich III findet die Diamantnukleation statt.
Zu beachten ist hier, dass für die Charakterisierung des Plasmas der Bereich II ausschlaggebend ist, in welchem jedoch noch keine Diamantnukleation stattfindet. Der in diesem Bereich gemessene Ionensättigungsstrom ist eine Plasmaeigenschaft. Durch diese kann das Plasma über dem Substrat charakterisiert werden, mit welchem eine Diamantnukleation im Bereich III möglich ist.
1 zeigt die drei Bereiche exemplarisch. Die 1A und 1B unterscheiden sich hierbei durch den Abstand der Elektrodenplatten voneinander. In 1A beträgt der Elektrodenabstand 30 mm und in 1B beträgt er 5,5 mm. In beiden Figuren können die Bereiche I, II und III identifiziert werden.
In 1A steigt der Stromfluss bis ungefähr 30 V mit der angelegten Spannung steil an. Der Bereich dieses Anstiegs ist der Bereich I. Für angelegte Spannungen zwischen 30 und 200 V ist der Stromfluss durch das Plasma im Wesentlichen konstant und beträgt im gezeigten Beispiel ungefähr 0,05 A. Dieser Bereich des konstanten Stromflusses ist der oben beschriebene Bereich II und die sich hier einstellende Stromstärke von 0,05 A ist der Ionensättigungsstrom. Für angelegte Spannungen größer als ungefähr 200 V steigt der Stromfluss im Bereich III mit steigender Spannung wieder an.
Auch in 1B sind die drei Bereiche zu unterscheiden. Der Ionensättigungsstrom beträgt hier etwa 0,54 A. Es folgt auch hier der Bereich III, in welchem die Stromstärke wiederum stark ansteigt. In diesem Bereich III wird die Diamantnukleation durchgeführt.
Aus den 1A und 1B ist auch die Abhängigkeit des Ionensättigungsstroms vom Abstand der Elektrodenplatten gut zu erkennen. Bei einem Abstand von 30 mm beträgt der Ionensättigungsstrom wie gezeigt nur 0,05 A, während er bei einem Abstand von 5,5 mm bei 0,54 A liegt. Entscheidend ist hierbei nun, dass beispielsweise bei einem Abstand von 30 mm eine Diamantnukleation nicht in befriedigender Weise möglich ist, während sie zum Beispiel bei der in 1B gezeigten Anordnung möglich ist.
Bei den in 1 gezeigten Messungen wurde eine Kupferanode mit einem Durchmesser von d = 118 mm und einer Fläche von A = 10.900 mm² verwendet. Auf der Kathode lag eine Iridiumschicht mit einem Durchmesser von d = 100 mm und einer Fläche von A = 7.800 mm² vor. Die Mikrowellenfrequenz lag bei 2,45 GHz, die eingestrahlte Mikrowellenleistung betrug 2,1 kW.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass eine Diamantnukleation auch auf Iridium möglich ist, wenn der Ionensättigungsstrom geteilt durch die Fläche der Kathode, also die Ionensättigungsstromdichte, gleich oder größer als 0,001 A/cm² ist. Die Ionensättigungsstromdichte kann hierbei wie oben beschrieben bestimmt werden.
Es soll im Folgenden versucht werden, eine mögliche Erklärung für die Erhöhung des Ionensättigungsstroms und ihre Bedeutung für die Nukleation von Diamant zu finden, ohne hiermit jedoch einen Anspruch auf Richtigkeit verbinden zu wollen.
2 zeigt den Sättigungsstrom im Sättigungsbereich, also im Bereich II, bei einer Spannung von ca. 100 Volt. Die Werte des Stroms in 2 entsprechen also den in etwa konstanten Strömen des Bereichs II in 1. Der Abstand d der Elektrodenplatten voneinander wird hierbei zwischen 5,5 und 30 mm variiert. Wie auch in 1 wurde hier eine Kupferanode mit einem Durchmesser von 118 mm und einer Fläche von A = 10900 mm² sowie einer Iridiumschicht von 100 mm und einer Fläche von 7800 mm² verwendet.
Man erkennt in 2 deutlich, dass die Verringerung des Plattenabstands von 30 mm auf 5,5 mm einen Anstieg des Sättigungsstroms um etwa eine Größenord nung zur Folge hat. Der Effekt ist hierbei hauptsächlich unterhalb von 15 mm zu beobachten. Dies belegt eine höhere Plasmaaktivierung (Ionen-/Elektronendichte) direkt über der Kathode. Zum Verständnis dieses Effektes ist es hilfreich, sich zu vergegenwärtigen, was geschieht, wenn ein Mikrowellenplasma in Kontakt mit einer Oberfläche gebracht wird.
3 zeigt die berechneten Profile der Elektronendichte über einem Substrat welches an der Position z = 0 cm angeordnet ist. Die Kurven des linken Teilbilds wurden für 390 Watt bei 2500 Pa berechnet und sind K. Hassouni et al. In Handbook of Industrial Diamond and Diamond Films Ed. M. A. Prelas, G. Popovici, L. K. Bigelow (Marcel Dekker, New York, 1998) Kap. 18, S. 697 ff. Abb. 7.1.11) entnommen. Das rechte Teilbild entstammt K. Hassouni, T. A. Grotjohn, A. Gicquel, J. Appl. Phys. 86 (1999) 134. Man erkennt, dass die Elektronendichte zum Substrat hin drastisch abfällt. Dies ist u. a. eine Folge der Tatsache, dass jeder Ladungsträger, der die Oberfläche trifft, von dieser neutralisiert wird (bei Elektronen werden diese aufgenommen). Der Übergang ist im linken und rechten Teilbild der 3 unterschiedlich breit (1 bis 2 cm im linken Teilbild).
Die Breite der für den Ionenbeschuss während des Nukleationsprozesses verantwortlichen Raumladung liegt dagegen bei weniger als 1 mm. Entscheidend ist somit der Wert der Raumladungsdichte direkt an der Oberfläche.
Bringt man nun eine kleine Probe ins Plasma, so ist deren Einfluss auf die Plasmadichte deutlich kleiner als für eine große Probe. Die Erniedrigung der Ladungsträgerdichte an der Probenoberfläche fällt somit deutlich niedriger aus, was sich auch in höheren Ionensättigungsströmen und der vielfach erfolgreich nachgewiesenen Diamantnukleation auf kleinen Ir-Proben niederschlägt.
Bei großflächigen Proben ist dagegen von einem Verlauf der Ladungsträgerdichte wie in 3 dargestellt auszugehen. Dies gilt sowohl für die Kathode als auch für die gegenüber liegende Anode. Bringt man beide nun näher zusammen so würde sich bei festgehaltenem Wert an der Oberfläche die mittlere Ladungsträgerdichte innerhalb der Parallelplattenanordnung erniedrigen wie in 4 dargestellt. 4 zeigt einen Modellvorschlag für die Veränderung der Plasmaionisierung in einer Parallelplattenanordnung mit zwei verschiedenen Plattenabständen. Das obere Teilbild zeigt hier einen großen Abstand, beispielsweise 3 bis 8 cm, während das untere Teilbild einen kleinen Abstand von beispielsweise weniger als 2 cm zeigt. Die durch die geringere Ladungsträgerdichte reduzierte Abschirmung führt zu einem stärkeren Eindringen des Mikrowellenfeldes, so dass sich letztendlich der ganze Kurvenverlauf nach oben schiebt und sich insbesondere die Plasmadichte an der Oberfläche deutlich erhöht. Die Zahlenwerte für die Ladungsträgerdichten sind dabei nur als relative Größen zu verstehen.
Als weitere Ursache für die höhere Plasmaanregung bei der Kathode könnte eine veränderte Feldverteilung in der Parallelplattenanordnung in Betracht kommen.
5 zeigt die schematische Darstellung der Raumladungen in der Randschicht beim Anlegen einer Gleichspannung (Biasspannung). Bei kleinen Spannungen werden zunächst die negativen Ladungsträger aus der Randschicht über der Kathode verdrängt. Zurück bleibt eine positive Raumladung. Diese verbreitert sich mit zunehmender Spannung. Für einen vorgegebenen Spannungsabfall U steigt die Feldstärke E an der Oberfläche mit der Ladungsträgerdichte (∝ ρ^1/2) an. D. h. je höher die Ionisierung des Plasmas über dem Substrat umso leichter lassen sich die für die Diamantnukleation notwendigen Ionenbeschussbedingungen an der Oberfläche realisieren.
Erhöht man alternativ die Spannungen, um die notwendigen Ströme zu erzielen, so führt dies zu Instabilitäten.
Erfindungsgemäß wird nun eine Ionensättigungsstromdichte von gleich oder größer als 0,001 A/cm² in einem Plasmareaktor mit zumindest einer Anode und einer Kathode hergestellt, welche flächig ausgestaltet sind und jeweils durch einen Rand begrenzt sind. Dieser Rand ist hier geometrisch als die Begrenzung der entsprechenden Fläche zu verstehen. Die Anode ist mit einer Fläche einer Fläche der Kathode zugewandt. Zwischen den einander zugewandten Flächen der Elektroden, also zwischen Anode und Kathode, liegt der Bereich, in welchem ein Plasma erzeugbar ist. Dieser Bereich wird im Folgenden als Plasmabereich bezeichnet. In den Plasmabereich zwischen den Flächen der Elektroden ist ein Gas einleitbar.
Der erfindungsgemäße Plasmareaktor weist außerdem eine Vorrichtung zum Zuführen von Mikrowellen auf, mit welcher Mikrowellen einer oder mehrerer Frequenzen zwischen die Elektroden in den Plasmabereich einstrahlbar sind. Die Mikrowellen bringen dabei eine zur Plasmaerzeugung beitragende Leistung in den Plasmabereich ein, sie tragen also zur Ionisierung des im Plasmabereich vorliegenden Gases bei.
Entscheidend ist nun, dass mit dem Plasmareaktor im Plasmabereich ein Plasma mit einer Ionensättigungsstromdichte von gleich oder größer als 0,001 A/cm² erzeugbar ist. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Abstand zwischen den Elektroden des Plasmareaktors hinreichend klein gewählt wird. Außerdem wird eine Mikrowelle mit einer geeigneten Frequenz und Leistung eingestrahlt. Erfindungsgemäß führen hier verschiedene Kombinationen von Elektrodenabstand, Mikrowellenfrequenz und Mikrowellenleistung zu einer Ionensättigungsstromdichte von gleich oder größer als 0,001 A/cm². So kann der genannte Wert beispielsweise einerseits durch eine niedrige Mikrowellenfrequenz und einen kleinen Abstand der Elektrodenflächen zueinander erreicht werden, andererseits aber auch durch eine höhere Mikrowellenfrequenz und einen größeren Abstand. Bei einem festgehaltenen Abstand ist es möglich, die Mikrowellenfrequenz zu erhöhen, um so den genannten Wert der Ionensättigungsstromdichte zu erreichen. Andererseits ist bei einer festgehaltenen Mikrowellenfrequenz möglich, den Abstand der Elektrodenplatten zueinander zu verringern, um so den genannten Wert der Ionensättigungsstromdichte zu erreichen. Die richtige Bestimmung der genannten Parameter ist jedoch mit Hilfe der oben beschriebenen Messung der Ionensättigungsstromdichte ohne Probleme möglich.
Grundsätzlich gilt, dass es für die Diamantnukleation vorteilhaft ist, wenn die Ionensättigungsstromdichte größer ist. Es ist daher vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen den Elektroden so klein ist und/oder die Leistung und/oder die Frequenz der einstrahlbaren Mikrowellen so gewählt wird, dass durch die Einstrahlung der Mikrowellen im Plasmabereich ein Plasma mit einer Ionensättigungsstromdichte von gleich oder größer als 0,0015 A/cm² erzeugt wird. Noch vorteilhafter ist es, entsprechend ein Plasma mit einer Sättigungsstromdichte von gleich oder größer von 0,002 A/cm², vorzugsweise größer oder gleich 0,003 A/cm², vorzugsweise größer oder gleich 0,005 A/cm², zu erzeugen.
Vorteilhafterweise sind Anode und Kathode einander gegenüberliegend in zueinander parallelen Ebenen ausgerichtet. Hierbei liegen die Ränder der entsprechenden Flächen in zueinander parallelen Ebenen. Anode und Kathode sind also so nebeneinander angeordnet, dass sich die Flächen in einer Projektion in Richtung senkrecht zur Fläche der Elektroden zumindest teilweise überlagern. Der Spalt zwischen Anode und Kathode ist, wie beschrieben, vorzugsweise sehr klein, d. h. es handelt sich vorzugsweise um eine Mikrowellenentladung mit einem Aspektverhältnis (Breite/Höhe) von größer als 5, überlagert durch eine DC-Entladung.
Die Ränder der Elektroden können kreisförmig sein. Zur Erreichung der genannten Werte für die Ionensättigungsstromdichte ist es in diesem Fall vorteilhaft, wenn der Durchmesser der Elektroden, also der Anode und/oder der Kathode, dividiert durch den Abstand der Elektroden voneinander (also das Aspektverhältnis) größer oder gleich 3, vorzugsweise größer oder gleich 4, vorzugsweise größer oder gleich 5 ist.
Das vorliegende Verfahren ist gerade für die großflächige Beschichtung mit Diamant geeignet. Anode und/oder Kathode und/oder der Wafer können daher größer als 3 cm, größer als 5 cm, größer als 8 cm oder sogar größer als 10 cm sein. Vorzugsweise sind die Elektroden jedoch kleiner als 16 cm, vorzugsweise kleiner als 14 cm, vorzugsweise kleiner als 12 cm.
Möglich ist auch, dass die Anode etwas größer ist als die Kathode.
Die in den Plasmabereich einstrahlbaren Mikrowellen liegen vorzugsweise bei einer Frequenz zwischen 915 MHz und 30 GHz. Besonders bevorzugt sind hierbei die Frequenzen 915 MHz, 2,45 GHz und 30 GHz, für welche Mikrowellengeneratoren verfügbar sind.
Besondere Bedeutung kommt auch dem Abstand der Elektroden voneinander zu, weshalb dieser vorzugsweise kleiner als 2 cm, vorzugsweise kleiner als 1,5 cm, vorzugsweise kleiner als 1 cm oder kleiner als 0,5 cm ist. Der Abstand sollte vorzugsweise jedoch größer als 0,05 cm sein. Besonders geeignet ist ein Abstand der Elektroden von ungefähr oder gleich 1 cm. Bei Reduzierung des Abstandes auf unter 10 mm kann die Ladungsträgerdichte in der Randschicht der beiden Platten um eine Größenordnung erhöht werden.
Zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Nukleation ist es vorteilhaft, wenn die Mikrowellen zentralsymmetrisch in den Plasmabereich eingestrahlt werden. Das bedeutet, dass die Mikrowellen aus mehreren Richtungen in Richtung der Mitte des Plasmabereichs mit der gleichen Intensität und vorzugsweise auch der gleichen Phase einstrahlbar sind. Bei plattenförmigen Elektroden sollten die Einstrahlrichtungen der Mikrowellen dabei vorzugsweise in einer zur Ebene der Elektrodenplatten parallelen Ebene verlaufen.
Vorzugsweise ist zwischen dem Plasmabereich und der Vorrichtung zum Zuführen von Mikrowellen ein dielektrisches Fenster, wie z. B. ein Quarzfenster angeordnet. Hierdurch ist der Druck des Gases im Plasmabereich veränderbar.
Als Vorrichtung zum Zuführen der Mikrowellen sind ein oder mehrere Hohlleiter besonders geeignet, welche Öffnungen aufweisen, die zum Mittelpunkt der Elektroden bzw. des Plasmabereichs hin gerichtet sind. Die Öffnungen sind vorzugsweise schlitzförmig und verlaufen vorzugsweise azimutal.
Die Öffnungen sind im Hohlleiter bevorzugt in Richtung parallel zu den Rändern der Elektroden nebeneinander im Abstand der Maxima der Resonatormoden der Mikrowellen im Hohlleiter angeordnet. Jede Öffnung liegt dann also am Ort eines Maximums der Mikrowelle im Hohlleiter. Die Öffnungen sind vorzugsweise in gleichen Abständen zueinander angeordnet.
Der Hohlleiter verläuft mit seiner Längsrichtung vorzugsweise parallel zu den Rändern der Elektroden. Er ist hierbei vorzugsweise von diesen Rändern ein Stück beabstandet, um Platz für ein eventuell vorhandenes Quarzfenster zu lassen. Hierbei ist insbesondere zu beachten, dass innerhalb des Quarzrohres ein niedrigerer Druck herrscht als außerhalb, so dass dort die Durchbruchfeldstärke deutlich erniedrigt ist. Bringt man das Quarzrohr zu nahe an die Öffnungen, so zündet direkt an dem Quarzrohr ein Plasma, was nicht erwünscht ist.
Neben dem beschriebenen, am Rand der Elektroden entlang verlaufenden Hohlleiter sind auch andere Möglichkeiten, die Mikrowelle dem Plasmabereich zuzuführen, möglich. Eine solche Alternativmöglichkeit besteht darin, die Kathode in einem Hohlraum derart anzuordnen, dass der Rand der Kathodenfläche von der Wand dieses Hohlraums einen vorzugsweise im Wesentlichen konstanten Abstand hat. Der Hohlraum weist un terhalb der Mitte der Kathode eine Öffnung zum Zuführen von Mikrowellen auf und wird auf der dieser Öffnung entgegenliegenden Seite von der Anode abgeschlossen. Die Mikrowellen werden hier also durch die besagte Öffnung in den Hohlraum eingeleitet, treffen dann auf die der Anode abgewandten Seite der Kathode und umlaufen die Kathode um deren Ränder, also zwischen den Rändern der Kathode und den Wänden des Hohlraums. Sie laufen damit zentralsymmetrisch in den Plasmabereich zwischen der Kathode und der Anode ein.
Zur Realisierung des Plasmas im erfindungsgemäßen Plasmareaktor ist bevorzugt, wenn die Mikrowelle eine Leistung zwischen 0,5 und 3 kW, vorzugsweise zwischen 1 und 2 kW beträgt. Die durch die Mikrowelle eingebrachte Leistungsdichte liegt vorzugsweise zwischen 5 W/cm² und 50 W/cm², vorzugsweise bei 20 W/cm².
Die im erfindungsgemäßen Plasmareaktor zwischen den Elektroden anlegbare Gleichspannung wird vorzugsweise so groß gewählt, dass die durch diese Gleichspannung ins Plasma eingebrachte Leistung von der gleichen Größenordnung oder genauso groß oder kleiner ist als die durch die Mikrowelle ins Plasma eingebrachte Leistung, beispielsweise jeweils ca. 10 bis 20 W/cm². für Mikrowelle und Gleichspannung. Es liegt dann also eine Glimmentladung in Kombination mit einer Mikrowellenentladung vor.
Besonders geeignet sind hierbei Spannungen zwischen 100 V und 500 V, vorzugsweise zwischen 200 V und 400 V.
Besondere Bedeutung kommt auch dem Gas zu, welches in den Plasmabereich einleitbar ist, und welches zur Plasmaerzeugung ionisiert wird. Das Gas weist hierbei vorzugsweise eine kohlenstoffhaltige Komponente, wie z. B. Methan, auf. Bevorzugt ist es, wenn ein Überschuss an Wasserstoff von 80 bis 99% in dem Gas vorliegt. Das Gas kann darüberhinaus geringe oder mäßige Mengen an Argon, Stickstoff oder Sauerstoff enthalten. Der Druck liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 20 und 200 mbar.
Im Folgenden soll nun die Beschaffenheit eines Wafers erläutert werden, der in dem erfindungsgemäßen Plasmareaktor mit Nukleationskeimen und einer Diamantschicht versehen werden kann.
Ein solcher Wafer weist vorzugsweise ein Schichtsystem mit einer Substratschicht aus einkristallinem Silizium, mindestens eine darauf angeordnete Pufferschicht sowie mindestens eine darauf angeordnete Metallschicht aus einem hochschmelzenden Material auf.
Die Substrate, wie Silizium, sind großflächig verfügbar und besitzen insbesondere einen guten thermischen Fit zu Diamant. Dadurch wird der thermische Stress beim Abkühlen einer aufgebrachten Diamantschicht minimiert und die Haftung optimiert. Solche Substrate sind preisgünstig und großflächig verfügbar. Die Abscheidung der Pufferschicht, vornehmlich Oxide wie z. B. Strontiumtitanat, Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid, Ceroxid oder auch Siliziumcarbid, kann beispielsweise mittels Vakuumverfahren, MBE, PLD, CVD oder PVD erfolgen. Oxide wie oben angegeben ermöglichen eine gute Haftung von darauf abgeschiedenen Metallschichten, insbesondere Iridiumschichten. Es ist daher möglich, auf diesen Pufferschichten mit geeigneten Methoden, wie beispielsweise Elektronenstrahlverdampfen oder Sputtern, quasi-einkristalline Iridiumschichten abzuscheiden. Interessanterweise stellte sich hierbei heraus, dass die Metallschichten ganz wesentlich besser orientiert sein können als die darunter liegenden Pufferschichten. Denn die Pufferschichten können typischerweise noch große Fehlorientierungen von > 2°, > 1° oder auch > 0,5° aufweisen, während die aufgebrachten Iridiumschichten qualitativ hochwertig und einkristallin bzw. quasi-einkristallin, beispielsweise mit einer Fehlorientierung < 0,5° oder < 0,2°, sind.
Weiterhin haften auf diesem Substrat die erzeugten quasi-einkristallinen Iridiumschichten und die erzeugten Diamantschichten aufgrund der guten thermischen Anpassung zwischen Diamant und Silizium hervorragend. Insbesondere bei geeigneter Prozessführung, d. h. bei langsamer Abscheidung der Metallschicht auf der Pufferschicht, kann die Metallschicht ganz wesentlich besser orientiert sein als die darunter liegende Pufferschicht. Derartige Pufferschichten, insbesondere TiN, CeO₂, YSZ (Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid), Y₂O₃, MgO, Strontiumtitanat (SrTiO₃) und dergleichen, wie sie für die Abscheidung von Hochtemperatursupraleiterschichten auf Silizium bekannt sind, besitzen typischerweise noch große Fehlorientierungen von > 1°, können nunmehr jedoch dennoch als Unterlage für das Aufwachsen von quasi-einkristallinen oder einkristallinen Metallschichten dienen.
Besonders bevorzugt ist ein Wafer, der ein Ir/Metalloxid/Silizium-Schichtsystem aufweist, wobei das Metalloxid SrTiO₃ oder Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid (YZS) aufweist oder daraus besteht. Die kristallographischen Flächen sind hierbei (001) oder (111). Die Abweichungen von dieser Vorzugsorientierung können zwischen 0 und 10° liegen. Bezüglich der Abmessungen der Elektroden ist es bevorzugt, wenn die Fläche der Anode im Wesentlichen gleich oder genau gleich der Fläche der Kathode ist. Möglich ist aber auch, dass die Anode größer als die Kathode ist.
Um ein Plasmazünden auf den dem Plasmabereich abgewandten Seiten der Elektroden zu verhindern, sollte der Reaktorraum in diesen dem Plasmabereich abgewandten Bereichen durch einen hohlen oder massiven Metallzylinder fortgesetzt werden, dessen Querschnittsflächen die gleichen oder ähnliche Abmessungen haben wie die entsprechende Elektrode. Unterhalb der Probe kann stattdessen auch der Probenhalter den Raum erfüllen.
Es bestehen mehrere Möglichkeiten, die Elektroden auszugestalten. Insbesondere die Form der Flächen der Elektroden ist variierbar.
Zunächst kann der Plasmareaktor mit ebenen Elektroden aufgebaut sein. Die einander zugewandten Flächen der Elektroden sind dann also eben. Es ist aber auch möglich, die Elektroden mit von einer ebenen Form abweichenden Flächen zu gestalten. Auf diese Weise ist es möglich, den Plasmabereich und das in diesem vorliegende Plasma zu formen. Im einzelnen kann die Plasmaanregung und Feldverteilung und damit auch der lokale Ionenbeschuss beeinflusst werden. Hinzu kommt, dass die hydrodynamischen Bedingungen in der Gasphase durch die Strukturierung der Anode günstig beeinflusst werden kann. Besonders bevorzugt ist es hierbei, wenn die Fläche der Kathode eben ist und die Fläche der Anode zur Mitte hin eine kontinuierliche Vertiefung aufweist, so dass die Fläche der Anode der Kathode zum Rand hin näher liegt als in der Mitte. Alternativ kann die Anode im Querschnitt auch einen, vorzugsweise abgerundeten, stumpfen Winkel aufweisen, so dass sie sich in allen Richtungen der Kathode zur Mitte hin annähert.
Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Temperatur von Kathode und/oder Anode getrennt kontrollierbar und/oder einstellbar ist. Hierdurch ist es möglich, die Strömungsverhältnisse zwischen den Platten zu kontrollieren.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform besteht darin, eine Gaszufuhr im Zentrum der Anode anzuordnen.
Schließlich weist der erfindungsgemäße Plasmareaktor vorzugsweise auch einen Mikrowellengenerator oder einen Mikrowellensender auf, mit welchem Mikrowellen zumindest einer Frequenz erzeugbar und in die Vorrichtung zum Zuführen von Mikrowellen einleitbar sind. Die Mikrowellen werden also vom Mikrowellengenerator oder -sender erzeugt und von der Vorrichtung zum Zuführen von Mikrowellen so geleitet, dass sie in der erwünschten Weise in den Plasmabereich zwischen den Elektroden einstrahlen.
Die Erfindung betrifft neben dem oben beschriebenen Plasmareaktor auch ein Verfahren zur Keimbildung von Diamant auf zumindest einem Werfer. Hierbei wird der Werfer zwischen einer flächigen Anode und einer flächigen Kathode angeordnet und in dem Bereich zwischen dem Werfer und der Anode, also dem Plasmabereich, ein Plasma erzeugt, dessen Ionensättigungsstromdichte größer als oder gleich 0,001 A/cm² ist. Hierzu wird in den Plasmabereich zwischen den Elektroden zumindest ein eine Kohlenstoffquelle enthaltendes Gas eingebracht und zwischen den Elektroden eine Gleichspannung so angelegt, dass das hierdurch zwischen Anode und Kathode entstehende elektrische Feld das in dem Bereich vorliegende Gas durchsetzt. Gleichzeitig werden in das Gas Mikrowellen eingestrahlt.
Für das erfindungsgemäße Verfahren gelten alle oben für den Plasmagenerator beschriebenen Angaben zu den Abmessungen und Größen sowie vorteilhaften Ausgestaltungen analog. Insbesondere ist es vorteilhaft für das erfindungsgemäße Verfahren, den oben beschriebenen Plasmareaktor in einer seiner möglichen Ausgestaltungen zu verwenden.
Durch den erfindungsgemäßen Plasmareaktor und das Verfahren zur Keimbildung ist es also möglich, die Kathodenrandschicht und damit den Ionenbeschuss der Oberfläche großflächig, homogen und stabil über einen großen Spannungsbereich zu variieren. Es ist damit möglich, die für die Diamantnukelation notwendigen Stromdichten reproduzierbar einzustellen, Diamant epitaktisch auf Iridium über eine Fläche größer als 7000 mm² zu nukleieren und anschließend zu einer einkristallinen Schicht aufzuwachsen.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Beispiele näher erläutert werden.
Es zeigen:
1A den Stromfluss durch ein Plasma in Abhängigkeit von der angelegten Spannung bei einem Elektrodenabstand von 30 mm,
1B den Stromfluss durch ein Plasma in Abhängigkeit von der angelegten Spannung bei einem Elektrodenabstand von 5,5 mm,
2 den Ionensättigungsstrom in Abhängigkeit vom Abstand der Elektroden voneinander für verschiedene Gaszusammensetzungen und Drücke,
3 berechnete Profile der Elektronendichte über einem Substrat.
4 ein Modell für die Veränderung der Plasmaionisierung in einer Parallelplattenanordnung bei Verringerung des Plattenabstandes unter Mikrowellenanregung.
5 eine schematische Darstellung der Raumladungen in der Randschicht bei Anlegen einer Biasspannung.
6 einen Plasmareaktor gemäß der vorliegenden Erfindung,
7 ein Beispiel für eine Vorrichtung zum Zuführen von Mikrowellen und
8 eine alternative Ausgestaltung des Plasmareaktors entsprechend der vorliegenden Erfindung,
9A bis D mögliche nicht-ebene Formen der Anode,
10A einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichteten Wafer,
10B eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des Wafers aus 10A,
10C den Tilt der Beschichtung des Wafers aus 10A,
10D den Twist der Beschichtung des Wafers aus 10A und
11 eine mittels reiner DC-Entladung ohne Mikrowellen hergestellte Probe.
6 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Plasmareaktors 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Plasmareaktor 1 weist zwei flächige Elektroden 2 und 3 auf, die einander zugewandte Flächen 2a bzw. 3a aufweisen und jeweils durch einen Rand 2b bzw. 3b begrenzt sind. Zwischen den Flächen 2a und 3a der Elektroden 2 und 3 liegt ein Plasmabereich 9 vor, in welchen ein Gas einbringbar ist. Über eine in 6 nicht dargestellte Vorrichtung zum Zuführen von Mikrowellen sind Mikrowellen 8a, 8b in den Plasmabereich einstrahlbar. Die Mikrowellen 8a, 8b tragen zur Ionisierung des im Plasmabereich 9 vorliegenden Gases bei. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist nun der Abstand zwischen den Elektroden 2 und 3 oder den einander zugewandten Flächen der Elektroden 2a und 3a oder der Fläche 2a der Anode 2 und der Oberfläche 4a des Wafers 4 so gewählt, dass durch die Einstrahlung der Mikrowellen 8a, 8b im Plasmabereich 9 ein Plasma mit einer Ionensättigungsstromdichte von gleich oder größer als 0,001 A/cm² erzeugbar ist. Neben dem Abstand der Elektroden oder alternativ dazu kann die Leistung und/oder die Frequenz der eingestrahlten Mikrowellen 8a, 8b geeignet gewählt werden, um ein Plasma mit der genannten Ionensättigungsstromdichte zu erzeugen. Im gezeigten Beispiel sind die Elektroden 2 und 3 eben ausgestaltet, d. h. die Flächen 2a und 3a sind eben. Die Breite des Spaltes zwischen den Elektroden liegt im gezeigten Beispiel bei 1 cm, der Durchmesser der Elektroden ist 12 cm. Er kann aber auch kleiner oder größer sein. Auf den dem Plasmabereich abgewandten Seiten der Elektroden 2 und 3 ist hier jeweils ein Metallzylinder 5 bzw. 6 angeordnet, welcher hohl oder massiv sein kann und einen ähnlichen Durchmesser hat wie die entsprechende Elektrode 2 bzw. 3. Die Anode 2 und der Metallzylinder 6 können hierbei auch aus einem Stück bestehen. Die gesamte Anordnung der Elektroden mit dem Wafer 4 und den Metallzylindern 5 und 6 ist in einer Vakuumkammer untergebracht, welche von einem Quarzglaszylinder 14 umgeben wird.
Der genannte Abstand ist vorzugsweise kleiner als 2 cm, z. B. 1 cm. Die Anode 2 kann beispielsweise Kupfer aufweisen oder daraus bestehen und z. B. einen Durchmesser von d = 118 mm bei einer Fläche von A = 10.900 mm² haben. Die Kathode kann beispielsweise eine Iridiumschicht mit einem Durchmesser von d = 100 mm bei einer Fläche von A = 7.800 mm² aufweisen. Zur Keimbildung von Diamant auf der Oberfläche 4a des Wafers 4 wird nun durch die Spannungsquelle 7 eine Spannung zwischen der Anode 2 und der Kathode 3 angelegt. Zur Keimbildung liegt diese Spannung im Bereich zwischen 100 V und 300 V oder auch höher. Die Mikrowellen 8a, 8b werden vorzugsweise aus mehreren Richtungen eingestrahlt. In 6 sind nur zwei in der Zeichenebene gelegene Richtungen eingezeichnet, die Mikrowellen können aber auch aus nicht in der Zeichenebene liegenden Richtungen zusätzlich eingestrahlt werden.
7 zeigt nun eine mögliche Ausgestaltung einer Vorrichtung 15 zur Zuführung von Mikrowellen in den Plasmabereich 9. Die Pfeile 81a, 81b und 81c zeigen hierbei grob die Richtung an, in welcher die Mikrowellen eingestrahlt werden. Die Mikro wellen werden in der in 7 gezeigten Vorrichtung zunächst in einem Mikrowellengenerator (nicht gezeigt) erzeugt und dann in einen ringförmigen Hohlleiter 10 eingeleitet, welcher schlitzförmige Öffnungen (Antennenschlitze) zum Plasmabereich 9 hin aufweist. Die Mikrowellen laufen in den ringförmigen Hohlleiter ein und treten durch die Öffnungen in den Plasmabereich 9 ein. Die Schlitze sind jeweils im Abstand der Maxima der Resonatormoden angeordnet.
8 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Plasmareaktors gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Kathode 3 ist hierbei in einem Hohlraum 21 angeordnet, in welchen über eine Zuleitung 83 ein Gas einleitbar ist. Durch die Leitung 81 ist das Gas ableitbar. Der Kathode gegenüber liegend ist eine Anode 2 so angeordnet, dass sie den Raum 21 abschließt. Mikrowellen können nun dem Raum 21 über eine Vorrichtung 15 zum Zuführen von Mikrowellen zugeführt werden. Die Mikrowellen treffen dann zunächst auf die Rückseite der Kathode 3 und werden um diese herum durch den Quarzglaszylinder 14 in den Plasmabereich 9 eingeleitet. Auf der der Anode 2 zugewandten Seite der Kathode 3 ist ein Wafer 4 angeordnet. Wiederum ist der Abstand zwischen Kathode 3 und Anode 2 so gewählt, dass die Ionensättigungsstromdichte mindestens 0,001 A/cm² beträgt.
Im gezeigten Beispiel ist die Temperatur der Kathode 3 über eine Temperaturkontrolle 82a regelbar. Die Temperatur der Anode 2 ist über den Temperaturregler 82b kontrollierbar.
9 zeigt schließlich in den Teilfiguren A bis D verschiedene mögliche Ausgestaltungen der Anode, die von der ebenen Form abweichen, durch welche sich das Plasma in einer gewünschten Weise formen lässt. So weist die in 9A gezeigte Anode 2 eine Kuhle 12 in ihrer Mitte auf. Ist die Anode 2 kreisförmig, so ist auf die Kuhle 12 in der Ebene der Anodenunterseite 2a kreisförmig.
Eine alternative Ausgestaltungsform der Anode ist in 9B gezeigt. Hier weist die Anode 2 auf ihrer Unterseite 2a eine Erhöhung 13 gegenüber ihrer entsprechenden Fläche auf. Auch hier ist für den Fall, dass die Anode 2 kreisförmig ist, die Erhebung 13 in ihrem Querschnitt in der Unterseite 2a kreisförmig.
Eine weitere mögliche Anodenform ist in 9C gezeigt. Die Anode 2 ist hier so ausgestaltet, dass sich die Unterseite 2a der Anode 2 einer unterhalb dieser Anode 2 angeordneten Kathode 3 zum Rand hin kontinuierlich annähert. Alternativ kann sich die Anode 2 mit ihrer Unterseite 2a einer Kathode 3 auch kontinuierlich zur Mitte hin annähern. Die Unterseite 2a kann also konvex oder konkav ausgestaltet sein. Auch diese Formen sind vorzugsweise radialsymmetrisch um die Mitte der Anode 2.
9D zeigt eine weitere Ausgestaltungsform der Anode 2a, die ebenfalls konvex oder konkav realisiert werden kann. Im gezeigten Falle nähert sich die Anode 2 mit ihrer Unterseite 2a einer unterhalb dieser parallel angeordneten Kathode 3 zu ihren Rändern hin diskontinuierlich stufenweise. Auch diese Ausgestaltung ist vorzugsweise radial symmetrisch um den Mittelpunkt der Anode, was bedeutet, dass die Stufen 14a, 14b usw. ringförmig sind.
Die 10A bis 10D zeigen Untersuchungen eines erfolgreichen Ausführungsbeispiels.
Der in 10A gezeigte Wafer wurde hier zunächst bei einem Druck von 40 mbar, einer Mikrowellenleistung von 2100 W und einer Gasmischung von 490 sccm Wasserstoff und 10 sccm Methan bei einer Substrattemperatur von 850°C für 25 min bekeimt. Die Biasspannung betrug dabei 300 V, der DC-Strom 2,5 A und der Abstand Ir-Schicht/Anode 8,5 mm. Danach wurde er bei 25 mbar, 2100 W Mikrowellenleistung mit 5 sccm Methan, 0,4 sccm Stickstoff in 494 sccm Wasserstoff für 60 min bei 700°C gewachsen. Die Dicke der Diamantschicht nach diesem Wachstumsschritt betrug 250 nm. Die Fläche an epitaktischem Diamant auf dem 100 mm-Wafer war größer als 70 cm² (nur der innere Ring mit ca. 1,5 cm Durchmesser war unorientiert).
Nach 70 h Wachstum auf einer weiteren Probe ergaben sich die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme in 10B sowie die Texturmessung in 10C, die den Tilt zeigt, und die Texturmessung in 10D, die den Twist zeigt. Das Mikroskopiebild in 10B wurde an einer Stelle mit einem Defekt aufgenommen da man auf der perfekt zusammengewachsenen Oberfläche kaum noch Strukturen erkennen kann. Der Defekt diente hier der Fokussierung und dem Vergleich zur beschichteten Oberfläche. In der Figur ist die hohe Homogenität der Beschichtung gut zu erkennen.
11 zeigt eine Probe, die mittels reiner DC-Entladung ohne Mikrowelle hergestellt wurde. Die Bekeimung wurde 7 min bei 100 mbar, einem Elektrodenabstand (Waferoberfläche-Anode) von 2 mm, einer Substrattemperatur von 800°C und einer Gasmischung von 380 sccm Wasserstoff und 20 sccm Methan durchgeführt. Die DC-Spannung betrug 440 V, wobei sich eine Stromstärke von 3 A ergab. Danach wurde die Nukleations schicht für 60 min bei 1600 W Mikrowellenleistung, einem Druck von 30 mbar, 760°C, 495 sccm Wasserstoff und 5 sccm Methan in einer Mikrowellenanlage weiter gewachsen. Wie in 11 deutlich zu erkennen ist, ergaben sich sehr inhomogene Schichten mit unorientiertem Diamant sowie Defektstellen, die von Bogenentladungen herrührten.
Schließlich ist noch die dritte Konfiguration zu erwähnen: Gleichspannung in Verbindung mit Mikrowelle bei großem Abstand der Elektroden (2–4 cm). Hier ergab sich in der Regel keine Nukleation von Diamant.

Claims

Plasmareaktor mit zumindest zwei flächigen Elektroden, nämlich Anode und Kathode, die einander zugewandte Flächen aufweisen und jeweils durch einen Rand begrenzt sind, einem zwischen den Flächen der Elektroden vorliegenden Plasmabereich zur Erzeugung eines Plasmas, in welchen ein Gas einbringbar ist, und einer Vorrichtung zum Zuführen von Mikrowellen, mit welcher Mikrowellen zumindest einer Frequenz in den Plasmabereich einstrahlbar sind, die eine zur Plasmaerzeugung beitragende Leistung in den Plasmabereich einbringen, wobei der Abstand zwischen den Elektroden so gering ist und/oder die Leistung und/oder Frequenz der einstrahlbaren Mikrowellen dergestalt ist, dass durch die Einstrahlung der Mikrowellen im Plasmabereich ein Plasma mit einer Ionensättigungsstromdichte von gleich oder größer als 0,001 A/cm² erzeugbar ist.
Plasmareaktor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den Elektroden so gering ist und/oder die Leistung und/oder Frequenz der einstrahlbaren Mikrowellen so wählbar ist, dass durch die Einstrahlung der Mikrowellen im Plasmabereich ein Plasma mit einer Ionensättigungsstromdichte von gleich oder größer als 0,0015 A/cm², vorzugsweise gleich oder größer als 0,002 A/cm², vorzugsweise gleich oder größer als 0,003 A/cm², vor zugsweise gleich oder größer als 0,005 A/cm², erzeugbar ist.
Plasmareaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Anode und Kathode einander gegenüber liegend in zueinander parallelen Ebenen ausgerichtet sind.
Plasmareaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder der Elektroden kreisförmig sind.
Plasmareaktor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Elektroden dividiert durch den Abstand der Elektroden voneinander größer oder gleich 3, vorzugsweise größer oder gleich 4, vorzugsweise größer oder gleich 5, vorzugsweise größer oder gleich 10 ist.
Plasmareaktor nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Anode und/oder Kathode größer als 3 cm, vorzugsweise größer als 5 cm, vorzugsweise größer als 8 cm, vorzugsweise größer als 10 cm.
Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Anode und/oder Kathode kleiner 16 cm, vorzugsweise kleiner 14 cm vorzugsweise kleiner 12 cm ist.
Plasmareaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Elektroden voneinander kleiner als 2 cm, vorzugsweise kleiner als 1,5 cm, vorzugsweise kleiner oder gleich 1 cm ist.
Plasmareaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Elektroden voneinander größer als 0,05 cm, vorzugsweise gleich 1 cm ist.
Plasmareaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas in den Plasmabereich durch eine Öffnung in der Mitte der Anode einbringbar ist.
Plasmareaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur von Anode und/oder Kathode regelbar und/oder kontrollierbar ist.
Plasmareaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mikrowellen mit einer Frequenz zwischen 915 MHz und 30 GHz, je einschließlich, einstrahlbar sind.
Plasmareaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mikrowellen mit einer Frequenz von 915 MHz, 2,45 GHz und/oder 30 GHz einstrahlbar sind.
Plasmareaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Mikrowelle einbringbare Leistungsdichte zwischen 5 W/cm² und 50 W/cm², vorzugsweise 20 W/cm² beträgt.
Plasmareaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellen zentralsymmetrisch in den Plasmabereich einstrahlbar sind.
Plasmareaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Plasmabereich und der Vorrichtung zum Zuführen von Mikrowellen ein dielektrisches Fenster, vorzugsweise ein Quarzfenster, angeordnet ist.
Plasmareaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Zuführen der Mikrowellen einen entlang der Ränder der Elektroden verlaufenden Hohlleiter mit einer oder mehreren, zum Mittelpunkt der Elektroden hin gerichteten, Öffnungen aufweist.
Plasmareaktor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter mehrere Öffnungen aufweist, die im Abstand der Maxima der Resonatormoden der Mikrowellen im Hohlleiter in Richtung parallel zu den Rändern der Elektroden nebeneinander angeordnet sind.
Plasmareaktor nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen ein oder mehrere, vorzugsweise fünf, parallel zu den Rändern der Elektroden in einer Ebene verlaufende, in gleichen Abständen angeordnete Schlitze sind.
Plasmareaktor nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen des Hohlwellenleiters maximal 10 cm, vorzugsweise maximal 8 cm, vorzugsweise maximal 4 cm, vorzugsweise maximal 3 cm von den Rändern der Elektroden beabstandet sind.
Plasmareaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen des Hohlwellenleiters mindestens 1 cm, vorzugsweise mindestens 1,5 cm, vorzugsweise mindestens 2 cm von den Rändern der Elektroden beabstandet sind.
Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Zuführen von Mikrowellen derart ausgestaltet ist, dass Mikrowellen dem Plasmabereich aus Richtung von der Anode aus gesehen hinter der Kathode, den Rand der Kathode senkrecht zu deren Längsrichtung umlaufend, zuführbar sind.
Plasmareaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Mikrowelle einbringbare Leistung zwischen 0,5 und 3 kW, vorzugsweise zwischen 1 und 2 kW beträgt.
Plasmareaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Elektroden eine Gleichspannung so anlegbar ist, dass die durch diese Gleichspannung ins Plasma eingebrachte Leistung gleich groß wie oder kleiner als die durch die Mikrowelle eingebrachte Leistung ist.
Plasmareaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Elektroden eine Spannung von mehr als 100 Volt, vorzugsweise von mehr als 200 Volt, vorzugsweise von mehr als 300 Volt, anlegbar ist.
Plasmareaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas unter einem Druck zwischen 10 mbar und 200 mbar, vorzugsweise zwischen 20 mbar und 100 mbar, vorzugsweise zwischen 25 mbar und 60 mbar einbringbar ist.
Plasmareaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas eine kohlenstoffhaltige Komponente und/oder Methan und/oder Wasserstoff und/oder Argon und/oder Stickstoff und/oder Sauerstoff enthält oder daraus besteht.
Plasmareaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen auf der der Anode zugewandten Seite der Kathode, vorzugsweise diese berührend, angeordneten Wafer.
Plasmareaktor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer ein Schichtsystem mit einer Substratschicht aus einkristallinem Silizium, mindestens eine darauf angeordnete Pufferschicht sowie mindestens eine darauf angeordnete Metallschicht aus einem hochschmelzenden Metall aufweist.
Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat mehrere Abfolgen aus jeweils mindestens einer Pufferschicht und einer Metallschicht aus einem hochschmelzenden Metall angeordnet sind.
Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 29 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht bzw. -schichten Iridium, Rhenium, Ruthenium und/oder Platin enthält oder daraus besteht.
Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Pufferschicht eine oxidische Pufferschicht, Siliziumcarbid (SiC), Titannitrid (TiN), Strontiumtitanat (SrTiO₃), Bariumtitanat (BaTiO₃), Titanoxid (TiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Yttriumstabilisiertes Zirkonoxid (YSZ), Y₂O₃, MgO und/oder Ceroxid (CeO₂) enthält oder daraus besteht.
Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 29 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Pufferschicht eine Dicke zwischen 1 und 2000 nm, vorteilhafterweise zwischen 1 und 100 nm, vorteilhafterweise 10 bis 50 nm aufweist.
Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 29 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Metallschicht eine Dicke zwischen 10 und 1000 nm, vorteilhafterweise zwischen 50 und 200 nm aufweist.
Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 29 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferschicht eine Fehlorientierung > 2°, vorteilhaft erweise > 1°, vorteilhafterweise > 0,5° bzgl. Verkippung (tilt) und/oder Verdrehung (twist) aufweist.
Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 28 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer ein Ir/Metalloxid/Silizium-Schichtsystem aufweist, wobei das Metalloxid SrTiO₃ oder Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) aufweist oder daraus besteht und wobei die kristallographischen Flächen zumindest einer Schicht (001) oder (111) sind.
Plasmareaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Kathode und/oder der Anode und/oder des Wafers größer als 600 mm², vorzugsweise größer als 2000 mm², vorzugsweise größer als 4000 mm², vorzugsweise größer als 7000 mm², vorzugsweise 7800 mm², vorzugsweise größer als 11000 mm² ist.
Plasmareaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Anode gleich der Fläche der Kathode ist.
Plasmareaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen auf der der Anode abgewandten Seite der Kathode angeordneten hohlen oder massiven Metallzylinder, dessen Umfang parallel zum Rand der Kathode verläuft und/oder einen auf der der Kathode abgewandten Seite der Anode angeordneten hohlen oder massiven Metallzylinder, dessen Umfang parallel zum Rand der Anode verläuft.
Plasmareaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen der Elektroden eben sind.
Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Kathode eben ist und dass die Fläche der Anode so von einer ebenen Form abweicht, dass sie sich der Kathode zum Rand hin nähert.
Plasmareaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Kathode eben ist und dass die Fläche der Anode so von einer ebenen Form abweicht, dass sie sich der Kathode zur Mitte hin nähert.
Plasmareaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Mikrowellengenerator, mit welchem Mikrowellen erzeugbar und in die Vorrichtung zum Zuführen von Mikrowellen einleitbar sind.
Verfahren zur Keimbildung von Diamant auf zumindest einem Wafer, wobei in einem Plasmareaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche der Wafer zwischen Anode und der Kathode angeordnet wird, und wobei in einem Bereich zwischen dem Wafer und der Anode ein Plasma erzeugt wird, dessen Ionensättigungsstromdichte größer als oder gleich 0.001 A/cm² ist, indem in den Bereich zumindest ein eine Kohlenstoffquelle enthaltendes Gas eingebracht wird, zwischen Anode und Kathode eine Gleichspannung so angelegt wird, dass das hierdurch zwischen Anode und Kathode entstehende elektrische Feld das in dem Bereich vorliegende Gas durchsetzt, und in das in dem Bereich vorliegende Gas Mikrowellen eingestrahlt werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionensättigungsstromdichte des Plasmas größer als oder gleich 0,0015 A/cm², vorzugsweise größer als oder gleich 0,002 A/cm², vorzugsweise größer als oder gleich 0,003 A/cm², ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Wafer auf der Kathode, diese berührend angeordnet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die angelegte Gleichspannung größer als 100 Volt, vorzugsweise größer als 200 Volt, vorzugsweise größer als 300 Volt ist.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas Methan und/oder Wasserstoff und/oder Argon und/oder Stickstoff und/oder Sauerstoff enthält oder daraus besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 44 bis 48, dadurch gekennzeichnet, dass über die Mikrowellen eine Leistung zwischen 0,5 kW und 3 kW, vorzugsweise zwischen 1 kW und 2 kW in das Gas eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 44 bis 49, dadurch gekennzeichnet, dass die in das Gas von der Mikrowelle und/oder der Gleichspannung je weils eingebrachte Leistungsdichte zwischen 10 und 25 W/cm² beträgt.
Verfahren zur Beschichtung mit Diamant, wobei zunächst in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 44 bis 50 Nukleationskeime auf einem Wafer abgeschieden werden und anschließend eine Diamantschicht auf dem Wafer aufgewachsen wird.
Verwendung eines Plasmareaktors nach einem der Ansprüche 1 bis 43 zur Beschichtung von Wafern, die ein Ir/Metalloxid/Silicium-Schichtsystem aufweisen, wobei das Metalloxid SrTiO₃ oder Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) aufweist oder daraus besteht und wobei die kristallographischen Flächen der Schichten (001) oder (111) sind.
Verwendung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Wafer ein Ir/YSZ/Si(001)-Schichtsystem aufweisen und wobei mit Diamant beschichtet wird.