-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von epitaktischen Diamantschichten mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Substrates; Abscheiden einer Metallschicht auf zumindest einer Teilfläche des Substrates, wobei die Metallschicht zumindest ein Metall der vierten, fünften oder sechsten Periode mit einem Schmelzpunkt größer oder gleich 1200 K enthält oder daraus besteht und Abscheiden einer Diamantschicht auf zumindest einer Teilfläche der Metallschicht. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Diamantschicht auf einem Substrat, wobei zumindest auf einer Teilfläche des Substrates eine Metallschicht vorhanden ist, welche zumindest ein Metall der vierten, fünften oder sechsten Periode mit einem Schmelzpunkt größer oder gleich 1200 K enthält oder daraus besteht.
-
Aus der
US 2004/0069209 A1 sind ein solches Verfahren und eine solche Diamantschicht bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird ein Substrat aus einem Metalloxid mit einer Iridiumschicht versehen. Auf der Oberfläche der Iridiumschicht wird Diamant aus der Gasphase in einem CVD-Prozess abgeschieden.
-
Nachteilig an diesem bekannten Verfahren ist jedoch die Gitterfehlanpassung zwischen Diamant und Iridium von ca. 7,1 %. Hierdurch kann nur eine defektreiche, nanokristalline Diamantschicht erzeugt werden. Solche Diamantschichten können daher nicht als Ausgangsmaterial für elektronische Bauelemente verwendet werden.
-
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit welchem eine Diamantschicht höherer Qualität erzeugt werden kann.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Diamantschicht gemäß Anspruch 8 gelöst.
-
Erfindungsgemäß werden eine epitaktische Diamantschicht und ein Verfahren zu ihrer Herstellung angegeben, bei welchem der Diamant aus der Gasphase erzeugt wird. Beispielsweise kann die Gasphase Wasserstoff enthalten, welchem ein Kohlenwasserstoff in einer Konzentration von etwa 1% bis etwa 5% zugefügt ist. Der Kohlenwasserstoff kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ausgewählt sein aus Methan, Ethan und/oder Acetylen. Daneben kann die Gasphase Dotierstoffe enthalten, beispielsweise Bor oder Stickstoff. Zur Abscheidung der Diamantschicht wird die Gasphase aktiviert, beispielsweise durch einen beheizten Filamentdraht oder durch Einkopplung von Mikrowellenleistung.
-
Die epitaktische Diamantschicht wird erfindungsgemäß auf einem Substrat erzeugt. Das Substrat kann Diamant enthalten oder daraus bestehen, so dass eine homoepitaktische Diamantschicht aus der Gasphase erzeugt werden kann. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat ein anderes Material enthalten, so dass der Diamant heteroepitaktisch auf dem Substrat abgeschieden wird.
-
In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird zwischen dem Substrat und der epitaktischen Diamantschicht eine Metallschicht angeordnet, welche zumindest eine Teilfläche des Substrates bedeckt. Die Metallschicht enthält zumindest ein Metall der vierten, fünften oder sechsten Periode mit einem Schmelzpunkt größer oder gleich 1200 K. Daneben kann die Metallschicht weitere Legierungsbestandteile enthalten oder unvermeidbare Verunreinigungen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann auch eine reinelementare Phase eines Metalls als Metallschicht auf dem Substrat angeordnet sein. Das verwendete Metall oder die verwendete Legierung weist einen Schmelzpunkt von mehr als 1200 K auf, so dass die Metallschicht bei der Abscheidung der Diamantschicht auf dem Substrat nicht verdampft oder verflüssigt.
-
In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird die Metallschicht vor Abscheiden der epitaktischen Diamantschicht auf dem Substrat erzeugt, beispielsweise durch Magnetronsputtern oder thermisches Aufdampfen von zumindest einem Metall. Nach der Abscheidung der Metallschicht kann ein optionaler Reinigungsschritt vorgesehen sein, beispielsweise um Oxidschichten oder andere Verunreinigungen von der Metallschicht zu entfernen. Der Reinigungsschritt kann ausgewählt sein aus einer Reinigung mit einem flüssigen Lösungsmittel und/oder einer thermischen Desorption und/oder reaktivem Ionensputtern.
-
Auf der Metallschicht wird die erfindungsgemäße Diamantschicht abgeschieden, wie vorstehend bereits beschrieben. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die Gitterfehlanpassung und daraus folgend die Dichte an Defekten, wie beispielsweise Dislokationen, reduziert sein kann, wenn zwischen der Metallschicht und der Diamantschicht eine Zwischenschicht mit größerer Gitterkonstanten als Diamant und geringerer Härte erzeugt wird. Die Härte einer dünnen Metallschicht kann für die Zwecke der vorliegenden Erfindung aus den Phononenergien bestimmt werden. Im Sinne der vorliegenden Beschreibung bezeichnet eine weiche Schicht bzw. eine Schicht mit geringerer Härte ein Material, welches geringere Phononenergien aufweist. Dies bedeutet, dass das Maximum der Verteilungsfunktion im Ramanspektrum bei niedrigeren Wellenzahlen liegt.
-
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Zwischenschicht eine Dicke von etwa 0,5 µm bis etwa 10 µm aufweisen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Zwischenschicht eine Dicke von etwa 2 µm bis etwa 5 µm aufweisen.
-
Völlig überraschend wurde erkannt, dass eine solche Zwischenschicht dazu geeignet ist, trotz der verbleibenden Gitterfehlanpassung die mechanischen Spannungen beim Wachstum der Diamantschicht aufzunehmen, sodass die Bildung von Korngrenzen und Dislokationen signifikant verringert ist und eine Diamantschicht mit verbesserter Kristallqualität erzeugt werden kann.
-
Eine solche Diamantschicht kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung als Ausgangssubstrat zur Herstellung elektronischer Bauelement verwendet werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die erfindungsgemäß erzeugte Diamantschicht als Fenster mit verbesserten optischen Eigenschaften eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Absorption und/oder die Streuung hindurchtretenden Lichtes reduziert sein.
-
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat Diamant und/oder Silizium und/oder Magnesiumoxid und/oder Strontiumtitanat enthalten oder daraus bestehen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat ein Metalloxid enthalten oder daraus bestehen. Silizium weist dabei den Vorteil auf, dass das Substratmaterial auch großflächig leicht verfügbar ist. Die Verwendung von Diamant als Substratmaterial vermeidet das Auftreten mechanischer Spannungen in der abgeschiedenen Diamantschicht, da der thermische Ausdehnungskoeffizient des Substrates und der abgeschiedenen Diamantschicht nahezu identisch ist.
-
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Metall der vierten, fünften oder sechsten Periode ausgewählt sein aus Platin und/oder Iridium und/oder Rhenium und/oder Molybdän. Diese Metalle weisen eine hinreichend kleine Gitterfehlanpassung zur entstehenden Diamantschicht auf und besitzen einen hinreichend großen Schmelzpunkt, sodass die Metallschicht bei Abscheidung des Diamanten aus der Gasphase stabil bleibt.
-
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Zwischenschicht Diamant enthalten oder daraus bestehen, welcher zumindest mit Bor dotiert ist. Durch die Dotierung mit Bor ändert sich die Gitterkonstante des Diamant, sodass eine solchermaßen erzeugte Zwischenschicht eine größere Gitterkonstante als undotierter kristalliner Diamant aufweist. Gleichzeitig sinkt durch die Dotierung des Diamant, dessen Härte bzw. die Zwischenschicht weist geringeren Phononenergien auf. Somit ist eine solchermaßen erzeugte Zwischenschicht dazu geeignet, mechanische Spannungen, welche aus der Gitterfehlanpassung zur Metallschicht resultieren, abzutragen, sodass die Diamantschicht mit verbesserter Kristallqualität abgeschieden werden kann.
-
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Anzahl der Boratome in der Zwischenschicht zwischen etwa 2·1021 cm–3 und etwa 5·1022 cm–3 betragen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Anzahl der Boratome in der Zwischenschicht zwischen etwa 5·1021 cm–3 und etwa 1·1022 cm–3 oder zwischen etwa 5·1021 cm–3 und etwa 9·1021 cm–3 betragen. Diese Dotierung ist hinreichend, um einerseits die gewünschte Veränderung der Gitterkonstanten und der Phononenergien zu bewirken und andererseits die Bindungsverhältnisse der Diamantschicht nicht wesentlich zu verändern.
-
In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist die Gitterkonstante der Zwischenschicht um einen Betrag δa größer als die Gitterkonstante der undotierten Diamantschicht, wobei das Verhältnis δa/a zwischen etwa 5·104 und etwa 4·10–3 oder zwischen etwa 1·10–3 und etwa 3·10–3 gewählt wird. Die Verwendung einer Diamantschicht als Zwischenschicht weist dabei den Vorteil auf, dass die Zwischenschicht und die Diamantschicht in einem einzigen Beschichtungsverfahren nacheinander abgeschieden werden können, sodass eine Kontamination der Oberfläche der Zwischenschicht vermieden wird und ein aufwändiges Handling zwischen der Erzeugung der Zwischenschicht und der epitaktischen Diamantschicht vermieden wird.
-
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Anzahl an Boratomen mit der Dicke der Zwischenschicht abnehmen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Zwischenschicht gradiert in die epitaktische Diamantschicht übergehen. Ein solcher gradierter Übergang vermeidet das Auftreten von Spannungsspitzen an der Grenzfläche zwischen der Zwischenschicht und der epitaktischen Diamantschicht, sodass die Haftfestigkeit erhöht sein kann und/oder die Defektdichte weiter verringert werden kann.
-
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt
-
1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Diamantschicht auf einem Substrat.
-
2 zeigt Raman-Spektren unterschiedlicher Zwischenschichten.
-
3 zeigt die Änderung der Gitterkonstanten in Abhängigkeit der Bordotierung.
-
4 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Schichtsystem mit einer epitaktischen Diamantschicht 1, einer erfindungsgemäßen Zwischenschicht 2, einer Metallschicht 3 und einem Substrat 4. Das Substrat 4 kann einigen Ausführungsformen der Erfindung ein Metalloxid, Silizium oder Diamant enthalten. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat 4 Magnesiumoxid und/oder Strontiumtitanat enthalten oder daraus bestehen. Das Substrat kann eine Dicke von 100 µm bis etwa 1000 µm oder von etwa 200 µm bis etwa 500 µm aufweisen. Das Substrat kann einen Durchmesser von etwa 2.5 cm, etwa 5 cm, etwa 10 cm oder etwa 30 cm aufweisen. Hierdurch können auch großflächige epitaktische Diamantschichten auf dem Substrat erzeugt werden.
-
Auf dem Substrat 4 befindet sich eine Metallschicht 3, welche zumindest ein Metall der vierten, fünften oder sechsten Periode mit einem Schmelzpunkt von mehr als 1200 K enthält oder daraus besteht. Beispielsweise kann die Metallschicht Iridium enthalten. Iridium kann als reinelementare Phase auf dem Substrat 4 erzeugt werden, beispielsweise durch Sputterbeschichtung von einem Metalltarget. Die Metallschicht kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine Dicke von etwa 1 µm bis etwa 30 µm oder von etwa 3 µm bis etwa 10 µm aufweisen.
-
Auf der Metallschicht 3 befindet sich die erfindungsgemäße Zwischenschicht 2, welche eine größere Gitterkonstante und eine geringere Härte als das Material der epitaktischen Diamantschicht 1 aufweist. Eine geringere Härte im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet niedrigere Phononenergien, welche beispielsweise mittels Raman-Streuung ermittelt werden können.
-
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Zwischenschicht 2 eine heteroepitaktisch auf der Metallschicht 3 abgeschiedene Diamantschicht enthalten oder daraus bestehen, welche einen Dotierstoff enthält. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Dotierstoff Bor mit einer Konzentration von etwa 1·1020 cm–3 bis etwa 8·1021 cm–3 sein. Die Konzentration des Dotierstoffes kann im Verlauf der Zwischenschicht 2, d.h. beginnend von der Oberfläche der Metallschicht 3 zum Übergang zur epitaktischen Diamantschicht 1 hin abnehmen, sodass die Dichte des Dotierstoffes an der Oberfläche der Metallschicht 3 maximal ist und an der der epitaktischen Diamantschicht 1 zugewandten Seite der Zwischenschicht 2 minimal ist.
-
Die Zwischenschicht 2 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung von etwa 1 µm bis etwa 10 µm aufweisen.
-
Auf der Zwischenschicht wird die epitaktische Diamantschicht 1 erzeugt. Die Diamantschicht 1 kann ebenso wie die Zwischenschicht 2 aus einer aktivierten Gasphase abgeschieden werden, beispielsweise in einem PECVD-Verfahren. Hierzu kann die aktivierte Gasphase Wasserstoff als Trägergas enthalten, welchem zwischen etwa 1 % und etwa 5 % eines Kohlenwasserstoffes zugesetzt sind. Die epitaktische Diamantschicht kann eine Dicke von etwa 10 µm bis etwa 500 µm oder eine Dicke von etwa 50 µm bis etwa 200 µm aufweisen. Es gehört zu den Vorzügen der Erfindung, dass die Zwischenschicht 2 die Gitterfehlanpassung zur Metallschicht 3 verringert, sodass auch dünne Diamantschichten 1 mit geringer Defektdichte aufwachsen und somit eine hohe Kristallqualität aufweisen, welche beispielsweise für Substrate zur Herstellung elektronischer Bauelemente benötigt wird.
-
2 zeigt Raman-Spektren von Zwischenschichten 2 mit unterschiedlicher Zusammensetzung. Die Zwischenschicht enthält jeweils Diamant, welcher heteroepitaktisch aus der Gasphase auf der Metallschicht 3 erzeugt wurde. Dargestellt sind Spektren für drei verschiedene Konzentrationen von Bor, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel als Dotierstoff verwendet wurde. Dabei zeigt die erste Kurve Messwerte für einen Bor-Gehalt von 3000 ppm, die mittlere Messkurve zeigt Daten für einen Bor-Gehalt von 6000 ppm und die dritte Messkurve zeigt Messdaten für einen Bor-Gehalt von 12000 ppm. Wie aus 2 ersichtlich ist, verschiebt sich das Maximum im Raman-Spektrum zu geringeren Wellenzahlen. Dies ist ein Indikator dafür, dass die Phononenergie mit steigendem Bor-Gehalt verringert ist. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird eine Diamantschicht mit höherem Bor-Gehalt daher als eine Schicht mit geringerer Härte angesehen.
-
3 zeigt die Änderung der Gitterkonstanten einer heteroepitaktisch auf der Metallschicht 3 abgeschiedenen Zwischenschicht 2 in Abhängigkeit des Bor-Gehaltes. Dargestellt sind auf der Abszisse der Bor-Gehalt zwischen 5·1020 cm–3 und 7·1021 cm–3. Auf der Ordinate ist der Zahlenwert für das Verhältnis der Änderung der Gitterkonstante zur Gitterkonstante undotierten Materials δa/a dargestellt.
-
Wie aus 3 ersichtlich ist, ändert sich die Gitterkonstante zwischen etwa 5·10–4 und etwa 4·10–3 mit zunehmendem Bor-Gehalt der Zwischenschicht. Daher ist eine bordotierte Diamantschicht als erfindungsgemäße Zwischenschicht verwendbar, welche eine größere Gitterkonstante als kristalliner Diamant und eine geringere Härte aufweist.
-
4 zeigt ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Im ersten Verfahrensschritt 51 wird ein Substrat bereitgestellt, beispielweise aus Silizium oder Diamant oder einem Metalloxid. Das Substrat kann ein einkristallines Substrat sein, welches eine vorgebbare Kristallorientierung aufweist. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Substrates kann so gewählt sein, dass sich nur geringe Unterschiede zur thermischen Ausdehnung der zu erzeugenden epitaktischen Diamantschicht ergeben.
-
Im zweiten Verfahrensschritt 52 wird eine Metallschicht auf zumindest einer Teilfläche des Substrates erzeugt. Beispielsweise kann die Metallschicht Platin, Iridium, Rhenium oder Molybdän enthalten oder daraus bestehen. Die Metallschicht kann beispielsweise durch Sputterbeschichtung im Vakuum erzeugt werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Metallschicht durch andere, an sich bekannte Verfahren erzeugt werden, beispielsweise durch galvanische Abscheidung.
-
An das Abscheiden der Metallschicht kann sich ein optionaler Reinigungsschritt 53 anschließen. Der Reinigungsschritt 53 kann beispielsweise eine nasschemische Reinigung durch ein Lösemittel einschließen. Das Lösemittel kann beispielsweise ausgewählt sein aus Wasser, einem Alkohol und/oder einem organischem Lösemittel. Alternativ oder zusätzlich kann die Oberfläche der Metallschicht durch thermische Desorption oder reaktives Ionensputtern gereinigt werden.
-
Im Verfahrensschritt 54 wird die erfindungsgemäße Zwischenschicht abgeschieden, welche eine größere Gitterkonstante und eine geringere Härte aufweist als die zu erzeugende epitaktische Diamantschicht. Als Zwischenschicht kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine dotierte Diamantschicht verwendet werden. Beispielsweise kann die Diamantschicht mit Bor dotiert werden. Auch die Zwischenschicht 54 kann wie die epitaktische Diamantschicht aus einer aktivierten Gasphase abgeschieden werden.
-
Im letzten Verfahrensschritt 55 wird die epitaktische Diamantschicht in an sich bekannter Weise aus einer aktivierten Gasphase abgeschieden. Sofern eine dotierte Diamantschicht auch als Zwischenschicht verwendet wird, kann das Abscheiden der Zwischenschicht und der epitaktischen Diamantschicht in einem einzigen Arbeitsgang erfolgen, wobei die Zufuhr des Dotierstoffes am Übergang zwischen den Verfahrensschritten 54 und 55 entweder abrupt oder allmählich gedrosselt wird, um auf der dotierten Zwischenschicht eine nominell undotierte epitaktische Diamantschicht zu erzeugen.
-
Es ist selbstverständlich nicht ausgeschlossen, dass auch die nominell undotierte epitaktische Diamantschicht unvermeidbare Verunreinigungen enthält, beispielsweise auch eine geringe Bor-Dotierung, welche durch den vorangehenden Verfahrensschritt bedingt ist.
-
In einem nicht näher erläutertem, optionalen Verfahrensschritt kann das Substrat und/oder die Metallschicht nachfolgend entfernt werden. Dies kann durch mechanische Bearbeitung, nasschemisches Ätzen oder trockenchemisches Ätzen erfolgen, so dass die epitaktische Diamantschicht 1 freigestellt wird. Sofern nur die Metallschicht 3 entfernt wird, kann das Substrat 4 zur Herstellung weiterer epitaktischer Diamantschichten erneut verwendet werden.
-
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern ‚erste’ und ‚zweite’ Merkmale erwähnt werden, stellt dies keine Rangfolge dar, sondern dient der Unterscheidung gleichartiger Merkmale.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2004/0069209 A1 [0002]
