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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Silizium, das mit einer Schicht
aus elektrisch leitfähigem
Diamant beschichtet ist, und ein Herstellungsverfahren dafür.
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Technischer
Hintergrund
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Diamant
hat die Brillanzeigenschaft, die in Schmuckstücken und Ornamenten genutzt
wird, und ist als eine der härtesten
Substanzen auf der Erde bekannt und weist exzellente physisch-chemische Stabilität gegen
Reibungsabnutzung, Chemikalien, Druck usw. auf. Diese physisch-chemische
Stabilität wird
vorteilhaft in vielen bekannten Produkten verwendet, wie z. B. Diamantschneider
für Glas,
Bohrwerkzeug und Schleifscheibe.
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Weiter
gehört
Kohlenstoff des Diamants zur gleichen Gruppe IV von Silizium. Entsprechend, wenn
Kohlenstoff eine Diamantstruktur bildet (sp3-Kristall-System), weist es
Halbleitereigenschaften ähnliche
zu Silizium auf, weist starke interatomare Bindungskräfte auf
und weist eine große
Bandlücke
von ungefähr
5,5 eV bei Raumtemperatur entsprechend zu der Bindungsenergie der
Valenzelektronen auf. Ähnlich
zu Silizium wird ein p-Typ-Halbleiter gebildet, wenn ein Element
der Gruppe III wie Bor als Dotierstoff verwendet wird, und es wird
ein n-Typ-Halbleiter
gebildet, wenn ein Element der Gruppe V wie Stickstoff oder Phosphor
als Dotierstoff verwendet wird. Entsprechend sind Anwendungsforschungen
für diamantelektronische
Geräte
im Gange (H. Ogushi, FUTURE MATERIAL, 2, Nr. 10 (2002): 6–13). Auch
wenn reiner Diamant ein exzellenter elektrischer Isolator ist, ist
Diamant ein Material, dessen elektrische Leitfähigkeit beliebig geändert werden
kann, vom Grad eines Isolators zu dem eines Metalls durch Kontrolle
der Dotierstoffmenge.
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Einzigartige
elektro-chemische Eigenschaften des Diamants wurden in den letzten
Jahren offenkundig neben den physisch-chemischen und Halbleitereigenschaften.
Es wurde herausgefunden, dass Diamant ein großes thermodynamisches Fenster aufweist,
wenn es als Elektrode in einer wässrigen Lösung verwendet
wird. Sauerstoff und Wasserstoff werden nur unter einer großen absoluten Überspannung
erzeugt. Das Wasserstofferzeugungspotential ist 0 V gegen die Standardwasserstoffelektrode (SHE),
und das Sauerstofferzeugungspotential ist +1,2 V aus der thermodynamischen
Berechnung. Entsprechend ist die Weite des thermodynamischen Fensters
1,2 V. Es gibt eine Abhängigkeit
von der Elektrolytlösung,
aber das thermodynamische Fenster ist 3,2 bis 3,5 V für eine Diamantelektrode,
ungefähr
2,8 V für
glasartige Kohlenstoffelektrode und 1,6 bis 2,2 V für eine Platinelektrode.
Das große
thermodynamische Fenster bedeutet, dass die Elektrode ungeeignet
zur Erzeugung von Sauerstoff und Wasserstoff ist; dennoch können andere
Reaktionen an der Elektrode stattfinden. Wenn eine Diamantelektrode
z. B. zur Abwasserbehandlung verwendet wird, ist es bekannt, dass
eine effiziente Beseitigung eines chemischen Sauerstoffbedarfs (COD)
des Abwassers erreicht werden kann (JP-A-Nr. 07-299467). Dies wird
dem Mechanismus zugeschrieben, in dem die OH-Radikale an der Mineralisation
des COD-Verbunds zu Kohlenstoffdioxid teilnehmen, und bei einer großen Erzeugung
von OH-Radikalen auf der Oberfläche
der Diamantelektrode (JP-A-Nr. 2000-254650). Prozesse zur Sterilisation
von Trinkwasser und Wasser für
Schwimmbecken, Kühltürme, die
eine Diamantelektrode benutzen, sind aufgrund dieser großen Erzeugung
der OH-Radikalen
auf der Elektrodenoberfläche
in der Entwicklung.
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Weiter
kann der niedrige Hintergrundstrom (verbleibender Strom) im Vergleich
zu den anderen Elektroden als eine weitere einzigartige elektro-chemische
Eigen schaft des Diamants angeführt
werden. Es wird erwartet, dass der Diamant aufgrund seines niedrigen
Hintergrundstroms und des großen
thermodynamischen Fensters angewendet wird auf Elektroden für Sensoren
von niedrigen Konzentrationen von Metallen und ökologischen Materialien in
wässrigen
Lösungen.
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Ein
chemischer Aufdampfungsprozess (CVD) wird als Prozess zur Herstellung
einer Diamantelektrode durch Beschichtung des Substrats mit einem
Diamantfilm verwendet. Gegenwärtig
werden zwei Arten von Prozessen hauptsächlich verwendet. Ein Heißdraht-CVD-Prozess
und ein Mikrowellen-Plasma-CVD-Prozess. Beide Verfahren sind Prozesse
zur Synthetisierung künstlichen
Diamants unter reduziertem Druck, ohne Anwendung hohen Drucks.
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Bei
dem Mikrowellen-Plasma-CVD-Prozess wird das Plasma durch Einstrahlen
einer Mikrowelle von ungefähr
2,4 GHz auf Dampf von organischen Verbindungen erzeugt; diese werden
die Kohlenstoffquelle von Diamant; wie z. B. Methan, Aceton und ähnliches
im Bereich einiger 100 ppm bis einiger Prozent in einer Wasserstoffatmosphäre. Wenn
das Substrat, das bei einer Temperatur im Bereich von 600 bis 1000° C gehalten
wird, in die Nähe
des erzeugten Plasmas platziert wird, wächst ein Diamantfilm auf dem
Substrat. Um dem Diamantfilm eine elektrische Leitfähigkeit
zu verleihen, wird ein p-Typ-halbleitender Diamantfilm gewachsen,
wenn eine Bohrquelle, wie Diboran oder Boroxid neben Methangas unter
einer Wasserstoffatmosphäre
gemischt wird. Durch Verwendung des Mikrowellen-Plasma-CVD-Prozesses
wird hauptsächlich
Siliziumscheibensubstrat mit dem Diamantfilm beschichtet, und es
wird erwartet, dass Anwendungen wie z. B. in Sensoren entwickelt werden.
Die Haftung des Diamantfilms auf dem Siliziumsubstrat wird als exzellent
betrachtet, weil Silizium und Diamant Elemente sind, die zu der
gleichen Gruppe IV gehören
und ähnliche
Kristallstrukturen haben. Der Diamantfilm haftet eng an der Siliziumscheibe
durch eine Mittelschicht (Zwischenschicht), die eine sehr dünne Zwischenschicht
aus Siliziumkarbid ist, die natürlich
gebildet wird, wenn der Diamantfilm auf Silizium wächst. Der
Diamant film, der durch den Mikrowellen-Plasma-CVD-Prozess gebildet
wird, ist als relativ stabil und hoch-qualitativ bekannt (JP-A-Nr.
10-167888).
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Auf
der anderen Seite wächst
bei dem Heißdraht-CVD-Prozess
ein Diamantfilm auf einem Substrat; angeordnet in der Nähe eines
Drahtes, der aus Wolfram, Tantal, Ruthenium, usw. hergestellt ist; wenn
der Draht auf etwa 2000° C
in einer Wasserstoffatmosphäre
aufgeheizt wird, die als Kohlenstoffquelle wenige Prozent von zumindest
einer Art eines Kohlenwasserstoffs wie Methan, Ethan, Propan, Butan
und ungesättigten
Kohlenwasserstoffs, Alkohols wie Ethanol oder Ketone wie Aceton
beinhaltet. Eine große
Fläche
von Diamantfilm kann durch Anordnen langer Drähte über dieses Substrat hergestellt
werden. In dem Fall, dass z. B. ein 1-m2-Substrat
beschichtet wird, brauchen nur 20 Drähte mit einer Länge von
1 m und Abständen
von 5 cm über
dem Substrat angeordnet werden, das in die Abscheidungskammer eingebracht
ist. Ähnlich
zum Fall des Mikrowellen-Plasma-CVD-Prozesses
wächst
ein p-Typ-halbleitender Diamantfilm, wenn eine Borquelle zusammen
mit Methan oder ähnlichem
bereitgestellt wird. Die Substrattemperatur wird in diesem Fall bei
ungefähr
800°C aufrechterhalten.
Da der Heißdraht-CVD-Prozess in der
Lage ist, solch große
Flächen
zu beschichten, sind Beschichtungstechnologien für Metallsubstrate in der Entwicklung,
in denen es keine Begrenzung der Größe gibt (JP-A-09-124395).
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Offenbarung
der Erfindung
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(Aufgaben, die die Erfindung
zu lösen
sucht)
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Jedoch
werden Siliziumscheiben häufig
als Siliziumsubstratmaterial für
Diamantelektroden verwendet, und ihre Oberfläche ist sehr klein. Genau gesprochen
ist die Hauptgröße von Siliziumscheiben auf
dem Markt zurzeit 8 Inch (200 min) im Durchmesser, und selbst die
größten Scheiben
sind 300 mm im Durchmesser. Entsprechend gibt es eine Begrenzung
bei der Herstellung einer Diamantelektrode mit einer großen Oberfläche bei
Verwendung von Silizium als Substratmaterial.
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Weiterhin,
wenn der Mikrowellen-Plasma-CVD-Prozess verwendet wird, kann ein
Diamantfilm ohne Schwierigkeiten auf kleinen Substraten von einigen
Quadratzentimetern gebildet werden; aber für den Fall eines großen Substrats,
wie z. B. einem Quadratmeter, ist es derzeit extrem schwierig, die
gesamte Oberfläche
des Substrats mit einem Diamantfilm zu beschichten. Genau gesprochen
besteht die Schwierigkeit für
große
Beschichtungen aufgrund der technischen Schwierigkeit, ein Plasma
zu erzeugen, das die gesamte Oberfläche eines solchen Substrats von
einem Quadratmeter bedecken kann.
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Weiterhin
ist die Dicke der Siliziumscheiben üblicherweise ungefähr 725 μm oder mehr.
Entsprechend, wenn versucht wird, eine großflächige Elektrode durch Verbinden
von diamantbeschichteten Siliziumscheiben zu einem elektrisch leitfähigen Trägersubstratmaterial
mit einer großen
Fläche
zu erstellen, ist die Verbindung schwierig, weil die Siliziumscheibe
eine geringe Flexibilität
aufweist. Zusätzlich
wird die elektrische Leitfähigkeit
der Siliziumscheibe aufgrund ihrer Dicke unweigerlich gering, wodurch
es schwierig wird, sie als Elektrode zu verwenden.
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Weiterhin
kann Diamant, der eine homo-epitaktische Struktur aufweist, mit
dem Mikrowellen-Plasma-CVD-Prozess wachsen, wenn ein einkristalliner
Diamant als Substrat verwendet wird. Jedoch sind die Diamantfilme,
die auf Siliziumscheiben gebildet werden, in den meisten Fällen poly-kristalline
Diamantfilme.
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Andererseits
wie oben genannt bei dem Heißdraht-CVD-Prozess,
ist eine Beschichtungstechnologie für Metallsubstrate ohne Größenlimitierung
entwickelt worden, die Tantal, Niobium oder Wolfram als Metallsubstrat
verwendet.
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Jedoch
sind die Kristallstrukturen der Substratmetalle gänzlich verschieden
von einer epitaktischen Struktur des Diamantkristalls. Entsprechend ist
eine starke Zwischenschicht (Mittelschicht) notwendig, die das Metall
und den Diamant verbindet, um den Diamant stark an das Metallsubstrat
anzuhaften. Zum Beispiel, wenn eine Niobiummetallplatte mit Diamant
beschichtet werden wird, ist die Bildung einer Niobiumkarbidzwischenschicht
notwendig. Jedoch wird die Schicht aus Niobiumkarbid nicht so einfach
gebildet wie im Falle des Siliziumkarbids, dementsprechend ist ein
separater Beschichtungsschritt einer Niobiumkarbidschicht notwendig,
bevor der Diamantfilm gebildet wird. Die Beschichtungsbedingungen
eines solchen Metallkarbids sind stark abhängig von der Vorbehandlung
des Substratmetalls, der Beschichtungstemperatur und der Gaszusammensetzung.
Betriebsbedingungen sind kompliziert, und die Einflüsse jeweiliger
Betriebsfaktoren auf das gebildete Metallkarbid sind noch nicht
vollständig
verstanden. Dann gibt es ein Problem, dass, abhängig vom Zustand der Metallkarbidschicht,
die Qualität
der aufgebrachten Diamantschicht, insbesondere die Stabilität (Haltbarkeit),
stark betroffen ist. Weiterhin schreitet der Kristallisierungsprozess
sehr langsam voran, selbst wenn der Film aus Diamant direkt auf
der Schicht aus Metallkarbid mittels des Heißdraht-CVD-Prozesses gebildet
wird. Dementsprechend ist es üblicherweise
notwendig, feinen Diamantstaub als Saatkristalle in der Schicht
aus Metallkarbid zu vergraben.
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Weiterhin,
wenn eine Diamantelektrode z. B. unter Verwendung von Niobium als
das Substrat hergestellt wird, wird ein elektrisch leitfähiges Trägersubstrat
mit der gleichen Form der endgültigen
Elektrode vorbereitet und direkt darauf mit einem Diamantfilm beschichtet.
Da der Beschichtungsprozess bei einer hohen Temperatur wie 800° C oder mehr ausgeführt wird,
gibt es ein Problem, dass die Elektrode nicht wie entworfen erhalten
werden kann, weil Deformation durch thermische Effekte in dem elektrisch
leitfähigen
Trägersubstrat
stattfinden. Die Deformation aufgrund der Hitze wird beachtlicher,
wenn die Elektrode eine dreidimensionale Struktur aufweist.
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Weiterhin
ist das bestehende Fertigungsverfahren für Diamantelektroden im Wesentlichen
eine Batchverarbeitung. Dies bedeutet, dass Siliziumscheiben oder
Metallsubstrate losweise in die CVD-Einheit eingebracht werden,
und Druckreduktion, Temperaturerhöhung, Beschichtung, Temperaturabsenkung,
Druckerhöhung werden
in der CVD-Einheit wiederholt mit einem enormen Energieverlust im Herstellungsverfahren.
Entsprechend stören
diese Probleme besonders die Massenproduktion von Diamantelektroden,
und dies ist einer der Gründe,
warum Diamantelektroden nicht weit verbreitet sind.
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Die
vorliegende Erfindung wurde gemacht, um diese Probleme zu überwinden,
und sie beabsichtigt, eine industriell anwendbare Diamantelektrode
und ein diamantbeschichtetes Silizium, das in der Diamantelektrode
verwendet wird, bereitzustellen.
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(Mittel zum Lösen der
Aufgabe)
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Die
vorliegenden Erfinder haben herausgefunden, dass die vorangegangenen
Probleme, wenn elektrisch leitfähige
Diamanten auf ein Siliziumsubstrat mit einer bestimmten Dicke beschichtet
werden, überwunden
werden können,
und hierdurch ist die vorliegende Erfindung vervollständigt worden.
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Das
heißt,
der erste Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein diamantbeschichtetes
Silizium, bei dem ein Siliziumsubstrat mit einer Dicke von 500 μm oder weniger
zumindest teilweise mit elektrisch leitfähigem Diamant beschichtet ist,
wobei das Siliziumsubstrat durch den plattenartigen Kristallwachstumsprozess
hergestellt ist.
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Weiterhin
bezieht sich der zweite Aspekt der Erfindung auf ein Herstellungsverfahren
für diamantbeschichtetes
Silizium, das zumindest eine teilweises Beschichten eines Siliziumsubstrates,
das eine Dicke von 500 μm
oder weniger aufweist, mit elektrisch leitfähigem Diamant durch den chemischen Aufdampfungsprozess
umfasst.
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Darüber hinaus
bezieht sich der dritte Aspekt der Erfindung auf ein Herstellungsverfahren
für diamantbeschichtetes
Silizium, umfassend; einen Schritt zur Herstellung eines Siliziumsubstrates,
das eine Dicke von 500 μm
oder weniger aufweist, durch den plattenartigen Kristallwachstumsprozess;
und einen Schritt zum zumindest teilweisen Beschichten des hergestellten
Siliziumsubstrates mit elektrisch leitfähigem Diamant durch den chemischen
Aufdampfungsprozess.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Darstellung, die schematisch einen Herstellungsprozess für ein diamantbeschichtetes
Silizium und eine Elektrode gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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2 ist
eine Darstellung, die einen Herstellungsprozess für das diamantbeschichtete
Silizium zeigt, der den Mikrowellenplasma-CVD-Prozess verwendet.
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3 ist
eine Darstellung, die ein Detail eines Gummidämpferteils zeigt.
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4 ist
eine Darstellung, die einen Herstellungsprozess für das diamantbeschichtete
Silizium zeigt, der den Mikrowellen-Plasma-CVD-Prozess verwendet.
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5 ist
eine Darstellung, das einen Herstellungsprozess für das diamantbeschichtete
Silizium zeigt, der den Heißdraht-CVD-Prozess
verwendet.
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6 ist
eine Darstellung, die eine Temperaturschwankung in den jeweiligen
Schritten des Heißdraht-CVD-Prozesses
zeigt.
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Günstigste Art und Weise zur
Ausführung
der Erfindung
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Der
in der Erfindung verwendete plattenartige Kristallwachstumsprozess
meint einen Prozess zum Erlangen eines plattenartigen Siliziumsubstrates und
ist nicht auf einen bestimmten begrenzt, solange er ein Siliziumsubstrat
mit einer Dicke von 500 μm oder
weniger erzielen kann. Als spezifische Beispiele des plattenartigen
Kristallwachstumsprozesses können
bevorzugterweise der EFG-Prozess (Edge-defined Film-fed Growth process),
der Strangbandprozess oder der dendri tische Netzprozess genannt werden,
und unter diesen kann der dendritische Netzprozess als ein stärker bevorzugtes
Beispiel genannt werden. Der EFG-Prozess ist ein Verfahren zum Erhalten
von Siliziumsubstrat, in dem geschmolzenes Silizium durch die kapillaren
Effekte gezwungen wird, durch einen Spalt eines Plättchens
zu steigen; das eine Form ist, zum Zuführen des geschmolzenen Siliziums
und zur Definition der Kristallform; gefolgt vom Hochziehen des
fest gewordenen Siliziums durch In-Kontaktbringen mit Saatkristallen.
Der Strangbandprozess ist ein anderes Verfahren zum Erhalten des
Siliziumsubstrates, bei dem ein Film, der durch die Oberflächenspannung
zwischen verschiedenen Strängen
gestützt
wird, fest wird und aus dem geschmolzenen Silizium in vertikaler
Richtung hochgezogen wird. Der dendritische Netzprozess ist ebenfalls
ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Siliziumsubstrat; bei
dem ein dünner
Film (Netz), der durch die Oberflächenspannung zwischen mehreren Dendriten
gestützt
wird, herausgezogen und fest wird aus dem geschmolzenen Silizium.
Die Dendrite werden verlängert
von den Saatkristallen, die in direkten Kontakt mit dem geschmolzenen
Silizium gebracht werden, ohne Plättchen zu verwenden (JP-A Nr. 63-144187
und 2000-319088).
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Siliziumsubstrat
mit einer großen
Oberfläche kann
einfach aus diesem plattenartigen Kristallwachstumsprozess erhalten
werden, und das diamantbeschichtete Silizium gemäß der vorliegenden Erfindung
hat besonders Vorteile, wenn es nur großflächige Elektroden in industriellen
Anwendungen verwendet wird.
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Es
gibt keine besondere untere Grenze der Dicke des Siliziumsubstrates,
das in der Erfindung verwendet wird. Jedoch, aus Sicht des Handhabungskomforts,
sind Dicken von 0.1 μm
oder mehr zu bevorzugen. Das heißt, dass die Dicke des Siliziumsubstrats,
das bei der Erfindung verwendet wird, bevorzugterweise im Bereich
von 0,1 bis 500 μm
ist. stärker
bevorzugt im Bereich von 10 bis 300 μm und noch stärker bevorzugt
im Bereich von 50 bis 200 μm.
Wenn die Dicke 500 μm überschreitet,
steigt der elektrische Widerstand an, was in Nachteilen für die Verwendung
als Elektrode resultiert. Weiterhin, wenn die Dicke 500 μm überschrei tet,
gibt es aufgrund der Abnahme der Flexibilität Probleme der erhöhten Zerbrechlichkeit
und Probleme bezogen auf das rasche Springen aufgrund der Schwierigkeit
beim Tolerieren der thermischen Ausdehnung durch die erzeugte Hitze,
wenn es bei hoher Stromdichte verwendet wird.
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Weiterhin
kann das Siliziumsubstrat, das in der Erfindung verwendet wird,
irgendeines von einem einkristallinen, polykristallinen oder einem
amorphen sein; jedoch, vom Blickpunkt der Erleichterung beim Diamantfilmbeschichten
und besseren Anhaltens, wird bevorzugt ein Einkristall verwendet.
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Wenn
längeres
diamantbeschichtetes Silizium hergestellt wird, können Ausführungsformen,
gezeigt in 2 und 4, nachstehend
beschrieben, verwendet werden. Weiterhin, wenn kleine diamantbeschichtete
Siliziums notwendig sind, wie zur Verwendung in Sensoren, kann es
durch Schneiden von diamantbeschichtetem Silizium mit einem Diamantschneider
in einer beliebig kleinen Größe erhalten
werden.
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Das
diamantbeschichtete Silizium gemäß der vorliegenden
Erfindung kann hergestellt werden durch zumindest teilweises Beschichten
eines Siliziumsubstrates, das eine Dicke von 500 μm oder weniger
aufweist, mit elektrisch leitfähigem
Diamant mittels eines CVD-Prozesses. Nachstehend wird ein Herstellungsverfahren
für ein
diamantbeschichtetes Silizium gemäß der vorliegenden Erfindung
mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden.
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1 zeigt
ein Beispiel einer Ausführungsform
eines Herstellungsverfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung. In dieser Ausführungsform schließt das Herstellungsverfahren
ein; Herstellung eines Siliziumsubstrats mit einer Dicke von 500 μm oder weniger
gemäß des plattenartigen
Kristallwachstumsprozessschritts 1; Vorbehandlungs-Schritt 2 vor
einem CVD-Diamantbeschichten; und einen Diamantbeschichtungsschritt 3.
Darauf folgend werden, wenn eine Elektrode hergestellt wird, Vorbehandlungsschritt 4 des
elektrisch leitfähigen Trägersubstrats; Verbindungsschritt 5 des
diamantbeschichteten Siliziums und des elektrisch leitfähigen Trägersubstrats
mit eine elektrisch leitfähigen
Verbinder; und Montageschritt 6 der Elektrode ausgeführt.
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Ein
Siliziumrohmaterial und ein Dotierstoff werden eingeführt, und
ein Siliziumsubstrat mit einer Dicke von 500 μm oder weniger wird gemäß des plattenartigen
Kristallwachstumsprozessschrittes 1 (Schritt (a)) hergestellt. Wenn
ein p-Typ-Siliziumsubstrat
hergestellt wird, wird bevorzugterweise eine Borquelle, eine Galliumquelle
oder eine Indiumquelle als der Dotierstoff verwendet. Wenn ein n-Typ-Siliziumsubstrat
hergestellt wird, kann bevorzugterweise eine Phosphorquel-le, eine Antimonquelle
oder eine Arsenquelle als der Dotierstoff verwendet werden. Der
Dotierstoff wird bevorzugterweise in einer Art und Weise hinzugefügt, dass
der elektrische Widerstand (spezifischer Widerstand) des Siliziumsubstrates
10 Ωcm
oder weniger wird, bevorzugt 50 mΩcm oder weniger, und noch bevorzugter
15 mΩcm
oder weniger. Das Siliziumsubstrat kann mittels des Ionenimplantationsverfahrens,
nachdem es aus dem Schmelzofen herausgezogen wurde, dotiert werden.
In diesem Fall gibt es keine Notwendigkeit des Einführens des
Dotierstoffs in den Schmelzofen.
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Die
Weite des Siliziumsubstrates ist üblicherweise im Bereich von
1 bis 300 mm, bevorzugterweise im Bereich von 5 bis 200 mm, und
stärker
bevorzugt im Bereich von 10 bis 150 mm. Die Beschichtung mit Diamant
kann in einigen Fällen
schwierig werden, wenn die Weite weniger als 1 mm ist, aufgrund
der schlechten mechanischen Festigkeit. Es kann in einigen Fällen schwierig
werden, gleichmäßiges Siliziumsubstrat
zu erhalten, wenn die Dicke 300 mm überschreitet. Da die Länge des
hier hergestellten Siliziumsubstrats endlos ist, kann das Siliziumsubstrat
kontinuierlich durch ein Förderband
zu dem Vorbehandlungsschritt 2 vor der Diamantbeschichtung geliefert
werden, und weiter kann zumindest ein Teil davon zu dem Filmbeschichtungsschritt
(Schritt (e)) geliefert werden, bei dem das Siliziumsubstrat mit
elektrisch leitfähigem
Diamant durch den CVD-Prozess be schichtet wird. In diesem Fall werden
der Schritt (a) und der Schritt (e) aufeinanderfolgend ausgeführt.
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Da
die Auszugsgeschwindigkeit des Siliziumsubstrates konstant ist,
abhängig
von der Dicke des zu beschichtenden Diamant, kann die Beschichtungsgeschwindigkeit
dieser Auszugsgeschwindigkeit in einigen Fällen nicht folgen. Das heißt, dass
die Beschichtungsgeschwindigkeit üblicherweise etwa 0,1 bis 5 μm/h ist,
wenn der Diamantfilm mit dem CVD-Prozess beschichtet wird, und daher
wird z. B. die Verweilzeit in einer CVD-Kammer notwendigerweise
näherungsweise
3h, wenn ein 3 μm
dicker Diamantfilm bei 1 μm/h
beschichtet wird. In einem solchen Fall wird das Siliziumsubstrat
bevorzugterweise in eine vorgeschriebene Länge geschnitten, durch Verwendung
eines Diamantschneiders oder ähnlichem,
direkt nach dem Herausnehmen aus dem Schmelzofen. Die Schnittlänge kann
hier bestimmt werden gemäß einer
endgültigen
Form der Elektrode, Anwendungen oder Konfigurationen des CVD-Gerätes, das
unten beschrieben wird. Das auf eine vorgeschriebene Länge geschnittene
Siliziumsubstrat wird an den Vorbehandlungsschritt 2 in einer batch-artigen
Weise geschickt.
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Das
Siliziumsubstrat ist direkt nach dem Herausnehmen aus dem Schmelzofen
noch bei einer hohen Temperatur; dementsprechend wird das Siliziumsubstrat
bevorzugterweise bei einer Temperaturrate von 50° C/h oder weniger gekühlt. Das
auf nahe Raumtemperatur gekühlte
Siliziumsubstrat wird zu dem Vorbehandlungsschritt 2 transferiert,
und Metallverunreinigungen und Siliziumoxidschichten, die in der
Nähe der
Oberfläche
des Siliziumsubstrates anhaften, werden gereinigt und geätzt. Eine
wässrige Lösung von
Salzsäure
wird üblicherweise
verwendet zum Beseitigen der Metallverunreinigungen, und eine wässrige Lösung von
Flusssäure
wird üblicherweise
verwendet zum Beseitigen der Siliziumoxidschichten. Da sich die
Siliziumoxidschichten natürlich in
einigen Stunden nach dem Ätzen
bilden, wird diese Entfernung des Siliziumoxids bevorzugterweise
direkt vor dem Transferieren zu dem Diamantbeschichtungsschritt
3 ausgeführt.
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Bei
der vorliegenden Erfindung kann der Diamantbeschichtungsschritt
entweder kontinuierlich oder in einer batch-artigen Weise ausgeführt werden. Wenn
er kontinuierlich ausgeführt
wird, kann bevorzugterweise ein Mikrowellen-Plasma-CVD-Prozess verwendet
werden, und wenn der Batch-Prozess angewendet wird, kann bcvorzugterweise
ein Heißdraht-CVD-Prozess
angewendet werden. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf
diese Kombination beschränkt.
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2, 4 und 5 zeigen
einige Beispiele von Siliziumsubstraten, die mit einem Diamantfilm
beschichtet sind. 2, 4 und 5 zeigen
geeignete Beispiele zur Beschichtung des Substrates mit einem Diamantfilm,
der jeweils eine Länge
von 1 bis 20 in, 20 bis 300 m und 2 m oder weniger aufweist. Diese
Abmessungen sind nur genäherte
Werte, und es ist nicht notwendig, diesen strikt zu folgen.
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2 zeigt
ein geeignetes Beispiel zur Beschichtung von Siliziumsubstrat, das
eine Länge
von 1 bis 20 m aufweist, mit einem Diamantfilm in dem Mikrowellen-Plasma-CVD-Prozess.
Der Mikrowellenerzeugungsteil schließt einen Mikrowellengenerator 20,
einen Mikrowellenwellenleiter 21 und ein Fenster 22 für das Penetrieren
der Mikrowelle auf. Die Frequenz des Mikrowellengenerators 20 kann
eine gewöhnlich
verwendete von 2,45 GHz oder höher
sein. Das Fenster 22 ist nicht besonders beschränkt auf Saphir
oder Quarz, solange es die Mikrowelle transmittieren und den Druck
abdichten kann. Ein Plasmaball 26 wird erzeugt, und die
Diamantfilmbeschichtung auf der Oberfläche des Siliziumsubstrates 27 schreitet
voran; wenn die Mikrowelle eingestrahlt wird; nach Einführung eines
Reaktionsgases 24, zusammengesetzt aus Wasserstoff, einer
Kohlenstoffquelle, wie Methan, und eine Dotierquelle; in die CVD-Kammer 23 bei
einer vorgeschriebenen Temperatur und Druck.
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Die
Temperatur des Siliziumsubstrates zur Zeit der Beschichtung mit
dem Diamantfilm wird bevorzugterweise bei einem vorgeschriebenen
Temperaturbereich von 600 bis 1000°C kontrolliert. Um die Temperatur
des Siliziumsubstrates zu kontrollieren, kann ein Heizgerät 33 angeordnet
werden.
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Zum
Zweck der Beibehaltung der CVD-Kammer 23 bei konstantem
Druck während
der Diamantfilmbeschichtung; oder zum Zweck der Gerätreinigung
durch Evakuieren bei starker Vakuumbedingung während der Inbetriebnahme; ist
die CVD-Kammer mit einer Vakuumpumpe über den Pfad 25 verbunden.
Zusätzlich
zu dem Mikrowellengenrationsteil ist das CVD-Gerät bevorzugterweise separat
versehen mit Vakuumkammern 30 und 31, wo das Siliziumsubstrat 27 beladen
und entladen wird. Die Vakuumkammern 30 und 31 sind
jeweils in drei Abteile 30a, 30b, 30c und 31a, 31b, 31c mit
verschiedenen Drücken
und Temperaturen aufgeteilt. Die Abteile 30a, 30b, 31b und 31c sind
jeweils mit einer Vakuumpumpe und einer Drucksteuerung mit unterschiedlicher
Konfiguration versehen. Die Kammern 30 und 31 sind
aufgeteilt mit der CVD-Kammer 23 und Öffnung 32, und der
Druck der Abteile 30c und 31a wird gleich zu dem
der CVD-Kammer 23 gehalten. Die Drücke der Abteile 30b und 31b werden
bei einem höheren
Druck beibehalten als der der CVD-Kammer 23. Wenn z. B.
die CVD-Kammer 23 bei 10 Torr betrieben wird, werden die
Drücke
der Abteile 30b und 31b bei 100 Torr aufrechterhalten.
Zu dieser Zeit werden die Drücke
der Abteile 30a und 3lc z. B. auf 400 Torr gesetzt.
So wird bevorzugterweise ein System bereitgestellt, bei dem der
Umgebungsdruck graduell durch die Abteile zu dem Druck der CVD-Kammer 23 reduziert
wird. Dieses Merkmal ist zum Vermeiden, dass in Begleitung des Siliziumsubstrats
Luft in die CVD-Kammer 23 leckt. Die Drucksteuerung mittels
irgendeiner der Abteile 30a, 30b und 30c bildet
den Schritt (d) gemäß der vorliegenden
Erfindung bei, bei dem der Druck zumindest einmal gesteuert wird
und, die Drucksteuerung mittels irgendeiner der Abteile 31a, 31b und 31c bildet
den Schritt (f) gemäß der vorliegenden
Erfindung bei dem der Druck zumindest einmal gesteuert wird.
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Weiterhin
sind die Abteile mit einer Gummidämpfung 29 versehen,
um das Eintreten von Luft zu verhindern. 3 zeigt
ein Beispiel eines Gummidämpferteils.
Der Gummidämpfer 29 ist
aufgebaut aus zwei Gummiplatten 29a und 29b, die
als oberes und unteres Teil angeordnet sind, und sie sind verbunden
zu der Wandoberfläche
von Abteil 30a, und weiterhin sind sie mit Schrauben fixiert.
Die obere und untere Gummiplatte 29a und 29b haben
einen überlappenden
Teil und das Siliziumsubstrat 27 wird zwischen den überlappenden
Teilen gehalten. Weiterhin wird an dem Platz eine Lücke sein,
an dem sich die Gummiplatten 29a oder 29b um 90° biegen.
Diese Lücke
wird mit einem Abgreifer 29c abgedichtet. Da die Gummidämpfung 29 auf
einer Seite einen reduzierten Druck aufweist, wird sie sich eng
aufgrund des Druckgradienten an das Siliziumsubstrat 27 anbinden
und wird als System zum Verhindern des Eintretens von Luft arbeiten.
Verschiedene Arten von Gummimaterialien wie natürliche Gummis und Silikongummis
können
verwendet werden als ein Material für die Dämpfung 29, und unter
diesen können bevorzugterweise
fluorierte Gummis verwendet werden, die in der Hitzewiderstandsfähigkeit
und in der chemischen Widerstandsfähigkeit exzellent sind. Dieses
Luftabdichtungssystem, das die Gummidämpfung 29 einsetzt,
kann nur angewendet werden, wenn ein Siliziumsubstrat mit einer
Dicke von 500 μm oder
weniger verwendet wird. Ein solches Dichtungssystem kann nicht mit
der existierenden kreisförmigen
Siliziumscheibe, die ungefähr
1 mm Dicke und 300 mm Durchmesser aufweist, realisiert werden. Die
Längen
der Abteile 30c und 31a sind geeignet bestimmt
in Abhängigkeit
von der Ladegeschwindigkeit des Siliziumsubstrats, und sie sind üblicherweise ungefähr 50 cm.
Wenn die Längen
der Abteile 30c und 31a extrem kurz sind, kann
die Abdichtfähigkeit nachlassen,
wenn die Temperatur 150° C
oder mehr wird, selbst wenn diese Gummimaterialien verwendet werden.
In dem Beispiel gemäß dieser
Ausführungsform
ist das System zur Temperatursteuerung dieser Abteile nicht vorgesehen,
aber ein Temperatursteuerungssystem kann vorgesehen werden, wenn
eine genaue Temperatursteuerung benötigt wird.
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Weil
die Dicke eines einzuführenden
Siliziumsubstrates so dünn
ist wie 500 μm
oder weniger, können
die Höhen
der Vakuumkammern 30 und 31 niedrig festgesetzt
werden, z. B. auf 1 mm oder weniger, und hierdurch kann eine kompakte
Gerätstruktur realisiert
werden. Die Öffnung 32 hat
eine zum Abschirmen der Mikrowelle ausreichende Höhe und erlaubt
die Einführung
von Siliziumsubstrat und kann mit einer Torstruktur versehen werden,
die gemäß der Dicke
des mit dem Diamantfilm zu beschichtenden Siliziumsubstrats variiert.
Die Weite des Öffnungsteils 32 kann
ebenfalls geeignet angepasst werden gemäß des Siliziumsubstrates, das
zu beschichten ist, und ist üblicherweise
300 mm oder weniger. Das Lecken der Mikrowelle zur Außenluft
oder zu den Vakuumkammern 30 und 31 ist vermieden, weil
diese Öffnung
relativ weit in der Weite, aber niedrig in der Höhe ist. Dieser Öffnungsteils 32 und
die CVD-Kammer 23 sind bevorzugterweise aus metallischem
Material gemacht, um die Mikrowelle abzuschirmen. Weiterhin, da
das Siliziumsubstrat flexibel ist, ist bevorzugterweise ein Metallnetz
oder ein Lattenblech über
dem Heizgerät 33 der
CVD-Kammer 23 angeordnet.
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Die
Vorschubgeschwindigkeit des Siliziumsubstrates durch die CVD-Kammer 23 wird
mit rotierenden Einheiten 28 gesteuert, die vor und hinter
der CVD-Kammer 23 angeordnet sind. Zur Zeit des Starts
der Filmbeschichtung drückt
die rotierende Einheit 28a auf der einführenden Seite die Spitze des Siliziumsubstrats 27 unter
den Plasmaball 26. Sobald das diamantbeschichtete Silizium
die rotierende Einheit 28b auf der ausführenden Seite erreicht, kann die
Vorschubgeschwindigkeit durch die rotierende Einheit 28b gesteuert
werden. Die Verweilzeit des Siliziumsubstrats 27 in der
CVD-Kammer 23 kann mit den rotierenden Einheiten 28 variiert
werden, und hierdurch kann die Dicke des beschichteten Diamantfilms
gesteuert werden. Die Vorschubgeschwindigkeit des Siliziumsubstrats 27 kann
z. B. 1 bis 500 mm/h sein. Selbstverständlich kann die Vorschubgeschwindigkeit
erhöht
werden, wenn eine CVD-Technologie, die einen Diamantfilm mit einer
höheren
Geschwindigkeit wachsen kann, in Zukunft als ein Resultat des technischen
Fortschritts entwickelt wird. Die Beschichtung mit dem Diamantfilm
startet erst, nachdem das Siliziumsubstrat 27 unter den
Plasmaball 26 in der CVD-Kammer 23 reicht. Entsprechend kann
das Siliziumsubstrat 27 mit einer höheren Geschwindigkeit eingeführt werden,
bis das Siliziumsubstrat 27 unter den Plasmaball reicht.
Auf der Wandoberfläche
der CVD-Kammer 23 kann weiter ein Sichtfenster aus Quarz
oder ähnlichem
angeordnet werden, um die Ankunft bei dem Plasmaball 26 zu
bestätigen.
In diesem Fall ist bevorzugterweise eine Mikrowellenab schirmstruktur
in dem Fenster vorgesehen, die aus einem Metallnetz oder gedrucktem,
netzähnlichen
Metall, wie es in einem Mikrowellenherd verwendet wird, gemacht
ist.
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Da
der Mikrowellen-Plasma-CVD-Prozess Schwierigkeiten insbesondere
beim Erzeugen und Kontrollieren eines großflächigen Plasmas hat, ist die Breite
des zu verwendenden Siliziumsubstrates in dieser Ausführungsform üblicherweise
300 mm oder weniger, bevorzugterweise 200 mm oder weniger, und stärker bevorzugt
150 mm oder weniger.
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Die
vorliegende Erfindung erlaubt das einfache und kontinuierliche Auftragen
eines Diamantfilms mit einem Mikrowellen-Plasma-CVD-Prozess unter Verwendung
von Siliziumsubstrat mit einer Dicke von 500 μm oder weniger als das Filmauftragungssubstrat.
Hierdurch trägt
sie zur Massenproduktion von Elektroden bei, die später beschrieben
werden.
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4 zeigt
eine Ausführungsform,
die zum Beschichten eines Siliziumsubstrates mit einer Länge von
20 m oder mehr mit einem Diamantfilm zu bevorzugen ist. In 4 sind
die CVD-Kammer 23 und ein Mikrowellenerzeugungsteil die
gleichen wie in 2. Jedoch sind Beladungs- und
Entladungsmechanismen des Siliziumsubstrates unterschiedlich von
den obigen. Nachdem das Siliziumsubstrat 27 durch den plattenartigen
Kristallwachstumsprozess hergestellt ist, wird das Siliziumsubstrat 27 um
die Trommel 41 gewickelt durch einen Schritt (b) zum Wickeln
des Siliziumsubstrats. Der Durchmesser der Trommel 41 ist üblicherweise
50 mm oder mehr, bevorzugterweise 300 mm oder mehr, und stärker bevorzugt
600 mm oder mehr. Wenn der Durchmesser weniger als 50 mm ist, können leicht
Sprünge,
insbesondere bei einkristallinem Silizium, aufgrund des Biegens
auftreten. Weiterhin ist das diamantbeschichtete Silizium als eine
Wickelwindung um die Trommel 43 wiederhergestellt, und
die Trommel 43 weist bevorzugterweise ebenfalls einen Durchmesser
von 50 mm oder mehr auf. Darüber
hinaus ist die Dicke des beschichteten Diamantfilms üblicherweise 20 μm oder weniger,
bevor zugterweise 10 μm
oder weniger, und stärker
bevorzugt 5 μm
oder weniger. Da das diamantbeschichtete Silizium um die Trommel 42 wiederhergestellt
ist, können
Sprünge
leicht bei dem diamantbeschichteten Teil auftauchen, wenn die Dicke
des Diamantfilms 20 μm
oder mehr ist. Weiterhin ist die Trommel 42 bevorzugterweise
in einer solchen Art und Weise installiert, dass die Seite mit dem
Diamantfilm die Außenseite
wird. Dieses Merkmal ist notwendig, weil der thermische Ausdehnungskoeffizient
von Diamant kleiner ist als der von Silizium. Das Siliziumsubstrat
ist in einem gestreckten Zustand bei der Diamantbeschichtungs-CVD-Kammer, wo die
Temperatur im Bereich von 600 bis 1000° C ist. Wenn auf Nähe der Raumtemperatur
abgekühlt ist,
wird der Diamantfilm aufgrund der Verkleinerung des Siliziumsubstrates
verdichtet. Der Diamantfilm wird weiter verdichtet werden, wenn
das Siliziumsubstrat mit der Seite des Diamantfilms innenseitig
in der Trommelbox 42 gewickelt wird, was zusätzliche
Instabilität
in der Diamantschicht verursacht.
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Das
Siliziumsubstrat 27 wird batch-weise beladen und entladen.
Jedoch, wenn es eingerichtet ist, kann langes Siliziumsubstrat kontinuierliche
beschichtet werden, und es spielt eine wichtige Rolle für die Massenproduktion
von Elektroden, die nachstehend beschrieben werden. Die Trommelboxen 40 und 42 und
Wege 44 und 45 haben im Wesentlichen den gleichen
Druck wie den der CVD-Kammer 23 und haben Strukturen, die
in der Lage sind, Druck von der Außenluft zu isolieren. Während der
Inbetriebnahme des Filmbeschichtens werden die Trommelboxen 40 und 42 geöffnet, das
Siliziumsubstrat in Spulenformat der Trommel 41 wird eingerichtet,
und die Spitze des Siliziumsubstrates wird zu der Spule 43 gezogen,
um der Spule das Starten des Wickelns zu erlauben. Nachdem das Siliziumsubstrat
zwischen dem Gebiet unter dem Plasmaball 26 und der Trommel 43 nicht
beschichtet werden wird und zu dieser Zeit verschwendet ist, kann
ein Ersatzstück aus
einem andern Material zur Spitze des Siliziumsubstrats 27 verbunden
werden. Nachdem die Trommel 41 eingerichtet ist, wird zur
Entfernung der Luft das gesamte System mit einer Vakuumpumpe, die durch
einen Weg 25 verbunden ist, auf 0,1 Torr oder weniger evakuiert.
Dann wird das Reaktionsgas 24 in die CVD- Kammer 23 eingeführt, und
die Gasflussrate und die Vakuumpumpe werden eingestellt, und unter
vorgeschriebener Dekompression wird der Beschichtungsprozess durch
Bedienen des Mikrowellengenerators gestartet. Die Vorschubgeschwindigkeit
des Siliziumsubstrates 27 in der CVD-Kammer 23 wird
bevorzugterweise mit der rotierenden Einheit 46 gesteuert.
Die Trommel 43 wird mit einem Drehmoment rotiert, das ausreicht,
das Siliziumsubstrat ohne Lose zu wickeln, und die Verweilzeit wird
durch die Rotationsgeschwindigkeit der rotierenden Einheit 46 gesteuert.
Die Vorschubgeschwindigkeit kann nicht als konstant gesteuert werden
durch die konstante Rotationsgeschwindigkeit der Trommel 43,
da der Wickeldurchmesser zunimmt, wenn das diamantbeschichtete Silizium
gewickelt wird. Die Vorschubgeschwindigkeit kann gesteuert werden
in Abhängigkeit
von der Dicke des zu beschichtenden Diamantfilms und ist üblicherweise
im Bereich von 1 bis 500 mm/h. Selbstverständlich kann die Vorschubgeschwindigkeit
erhöht
werden, wenn eine CVD-Technologie, die einen Diamantfilm mit einer
höheren
Geschwindigkeit wachsen kann, in Zukunft als ein Resultat des technischen
Fortschritts entwickelt wird. Der Schritt des Ladens des Siliziumsubstrats 27 in die
CVD mit der rotierenden Einheit 46 bildet den Schritt (c)
des Belieferns eines gewickelten Siliziumsubstrates zu der CVD-Einheit
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Weiterhin bildet der Schritt zum Wickeln des diamantbeschichteten
Siliziums um die Trommel 43 den Schritt (g) zum Wickeln
des diamantbeschichteten Siliziums gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Die
vorliegende Erfindung; wie aus den Beispielen, die in 2 und 4 gezeigt
sind, offensichtlich ist, erlaubt das kontinuierliche Auftragen
eines Diamantfilms, selbst wenn der Mikrowellen-Plasma-CVD-Prozess
verwendet wird, der üblicherweise nicht
geeignet ist, große
Flächen
zu beschichten; trägt
wesentlich zur Massenproduktion von Elektroden bei, die später beschrieben
werden.
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[m
Folgenden wird ein Beispiel einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung, in der der Heißdraht-CVD-Prozess
verwendet wird, in 5 gezeigt. Dies ist ein Beschichtungsprozess und
ein Gerät,
das für
den Fall geeignet ist, dass das Siliziumsubstrat 2 m oder weniger
lang ist. Das Beschichtungsgerät
schließt
eine CVD-Kammer 51, eine Ladekammer 52, eine Entladekammer 53,
eine Heizkammer 54 und eine Kühlkammer 55 ein. Die
Lade- und Entladekammern sind konstruiert, um Druck gänzlich mittels
Toren 56 und 57 abzudichten. Weiterhin haben jeweils
die Ladekammer 52 und die Entladekammer 55 ein
Tor 58 zum Laden des Siliziumsubstrats 27 und
ein Tor 59 zum Entladen des diamantbeschichteten Siliziums.
Metallförderbänder 60, 61 und 62 zum
Transportieren des Siliziumsubstrats 27 sind unter den
jeweiligen Kammern angeordnet. Wolframdrähte 50 zur CVD-Beschichtung
sind angeordnet in dem oberen Teil der CVD-Kammer 51 im rechten
Winkel zu der Längsrichtung
des Siliziumsubstrats 27. Die Wolframdrähte müssen nicht notwendigerweise
im rechten Winkel angeordnet sein, sie sind aber bevorzugterweise
in einer rechtwinkligen Position. Dies bedeutet, wenn das Siliziumsubstrat 27 eine
Länge von
1 m oder mehr aufweist, dass Drähte
mit einer Länge
von mehr als 1 m ausgerüstet werden
müssen;
zur Anordnung in der gleichen Richtung. Während der Diamantfilmbeschichtung
wird die Drahttemperatur so hoch wie etwa 2000° C mit Nachlassen der Drähte selbst.
Dementsprechend werden die Drähte
bevorzugterweise im rechten Winkel angeordnet, um eine möglichst
kurze Drahtlänge
zu verwenden. Die CVD-Kammer 51 ist
mit einem Rohr zum Einführen
des Reaktionsgases 24 und mit einem Pfad 25 zur
Evakuierung versehen. Die Ladekammer 52 und Entladekammer 53 sind
mit Wasserstoffeinführungsleitungen 63 und 64 und
weiter mit Evakuierungsleitungen 65 und 66 versehen.
Weiter ist die CVD-Kammer 51 mit einem Heizgerät 33 zur
Steuerung der Temperatur des Siliziumsubstrates versehen, wenn es
mit dem Diamantfilm beschichtet wird, und die Temperatur des Siliziumsubstrates
wird während
des Diamantfilmbeschichtens in einem Bereich von 600 bis 1000° C gesteuert.
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Die
Heizkammer 54 und die Kühlkammer 55, wie
in 6 gezeigt, weisen eine Struktur auf, bei der die
Temperatur nicht rapide ansteigen oder abfallen kann zwischen der
Siliziumsubstrattemperatur in der CVD-Kammer 51 (TCVD) und Raumtemperatur (RT). Dies ist um
zu vermeiden, dass das Siliziumsubstrat 27 durch den Temperaturschock
oder ähnliches
geschädigt
wird. Weiterhin ist es, während
der Temperaturabsenkung des diamantbeschichteten Siliziums notwendig,
den erzeugten Stress aufgrund der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten
zwischen dem Diamantfilm und der Siliziumschicht zu verringern.
Die Temperaturabsink- oder -steigrate wird bevorzugterweise so eingestellt,
dass die Temperaturänderung
des Siliziumsubstrates 50° C/h
oder weniger ist. In der Heizkammer 54 und der Kühlkammer 55 kann
eine solche Temperaturverteilung natürlich erreicht werden aufgrund
der Hitzestrahlung und natürlicher
Konvektion in der CVD-Kammer 51. Jedoch, wenn eine genauere
Temperaturverteilung benötigt
wird, können
ein zusätzliches
Heizgerät
oder eine indirekte Kühleinheit
an einem unteren Teil der Heizkammer 54 und/oder Kühlkammer 55 vorgesehen
werden.
-
Im
Folgenden wird der Filmbeschichtungsbetrieb des Siliziumsubstrats
in dieser Ausführungsform
beschrieben werden. In einem stationären Betrieb werden Wasserstoffgas,
einige % Methan, einige hundert bis einige tausend ppm einer Dotierstoffquelle
innerhalb der CVD-Kammer 51 , Heizkammer 54 und
Kühlkammer 55 unter
dem Druckbereich von 0,5 bis 100 Torr beibehalten. In der CVD-Kammer 51 wird
der Diamantfilm mit einer Temperatur des Drahtes 50, die
in der Nähe
von 2000° C
gehalten wird, und der Substrattemperatur, die bei 800° C gehalten wird,
aufgetragen. Das Tor 56 ist geschlossen, und das Tor 57 ist
geöffnet.
Wenn das Siliziumsubstrat 27 eingeführt ist, wird das Innere der
Ladekammer 52 evakuiert (auf 0,1 Torr), und zuerst wird
das Reaktionsgas aus der Ladekammer 52 entfernt. Nachfolgend
wird Luft in die Ladekammer 52 über einen Pfad (nicht gezeigt
in der Zeichnung), der unterschiedlich ist von der Wasserstoffleitung,
eingeführt,
bis atmosphärischer
Druck erreicht wird. Das Tor 58 wird erst geöffnet, nachdem
der atmosphärische
Druck erreicht ist, und dann wird das Siliziumsubstrat 27 in
die Ladekammer 52 eingeführt. 5 zeigt,
dass nur ein Siliziumsubstrat geladen wird; aber mehrere Siliziumsubstrate
können
zur gleichen Zeit geladen werden. Nachdem das Siliziumsubstrat 27 eingeführt ist,
wird das Tor 58 geschlossen, gefolgt von Vakuum und Entfernung
der Luft innerhalb der Ladekam mer 52. Danach wird Wasserstoff über die
Leitung 63 eingeführt,
bis der Druck der gleiche wird, wie der der CVD-Kammer 51,
so kommt die Filmbeschichtung in Bereitschaftszustand. In der CVD-Kammer 51 werden
die Siliziumsubstrate 27 nacheinander der Beschichtung
unterworfen und das diamantbeschichtete Silizium wird zu der verbundenen
Kühlkammer 55 transferiert
und langsam auf eine Temperatur in der Nähe der Raumtemperatur gekühlt. Da
das Tor 57 geöffnet
ist, beginnt der Entladebetrieb, wenn das gekühlte diamantbeschichtete Silizium
näher an
die Entladekammer 53 gelangt. Wenn das diamantbeschichtete
Silizium der Entladekammer 53 nahekommt, wird das Förderband 60 zuerst
so betrieben, dass das diamantbeschichtete Silizium komplett in die
Entladekammer 53 gelangt. Die Annäherung des diamantbeschichtete
Siliziums an die Entladekammer 53 kann mittels eines Positionssensors,
wie verschiedener Arten von kommerziell verfügbaren Lasersensoren, detektiert
werden. Wenn das diamantbeschichtete Silizium komplett in die Entladekammer 53 eingeführt ist,
wird das Tor 57 geschlossen, gefolgt von der Evakuierung
des Reaktionsgases über die
Leitung 66. Nachfolgend wird Luft in die Entladekammer 53 über einen
Pfad (nicht gezeigt in der Zeichnung), der unterschiedlich ist von
der Wasserstoffleitung, eingeführt,
das Tor 59 wird geöffnet,
und das diamantbeschichtete Silizium wird entladen. Wenn zu Beginn
des Entladebetriebs das Tor 57 geschlossen ist, wird die
Ladeoperation des Siliziumsubstrates 27, das im Bereitschaftszustand
gehalten wurde, in der Ladekammer 52 ausgeführt. Bei
dem Ladebetrieb ist das Tor 56 geöffnet, und der Zuführbetrieb
des Förderbandes 61 wird
ausgeführt.
Da das Förderband 60 der
Heizkammer 54 immer bei konstanter Geschwindigkeit läuft; braucht
es für
das Siliziumsubstrat 27 einige Zeit, bis es komplett zu
der Heizkammer bewegt ist. Es ist zu bevorzugen, den Zeitpunkt zu
detektieren, an dem das Siliziumsubstrat 27 komplett in
die Heizkammer eingetreten ist, unter Verwendung eines Positionssensors
wie einem Lasersensor. Das Tor 56 wird geschlossen, nachdem das
Siliziumsubstrat komplett in die Heizkammer 54 eingetreten
ist. Nach der Beendigung der Entfernung des diamantbeschichteten
Siliziums aus der Entladekammer 53 wird das Tor 59 geschlossen,
und die Luft in der Entladekammer 53 wird evakuiert. Nachfolgend
wird Wasserstoffgas über
die Leitung 64 eingeführt,
und hier durch wird der Druck der gleiche wie der der CVD-Kammer 51.
Nachdem bestätigt
ist, dass der Druck der gleiche ist, wird das Tor 57 geöffnet. Durch
Wiederho-len dieser
Operationen wird der Diamantfilm semikontinuierlich aufgetragen
mittels des Heißdraht-CVD-Prozesses.
In dem Beispiel gemäß dieser
Ausführungsform
wird das Wasserstoffgas während
des Lade- und Entladebetriebes gefüllt, um den Druck auszugleichen;
aber das Reaktionsgas kann ebenfalls anstelle des Wasserstoffgases gefüllt werden.
Jedoch wird der Ruß tendenziell
gebildet, wenn das Reaktionsgas, das die Kohlenstoffquelle enthält, einer
mittleren Temperatur im Bereich von 300 bis 600° C unterworfen wird. Dementsprechend
wird das Wasserstoffgas bevorzugterweise bei den Lade- und Entladeoperationen
verwendet. Die Abmessungen der Lade- und Entladekammern können in
der Höhe
kleiner ausgebildet werden, solange das Siliziumsubstrat 27 auf
dem Förderband
transportiert werden kann. Entsprechend kann das mit Wasserstoffgas
zu evakuierende und zu füllende
Volumen kleiner gemacht werden, und deshalb können kompakte Lade- und Entladekammern
entworfen werden. Dies bedeutet, dass es keinen Bedarf gibt, die
gesamte CVD-Kammer zu evakuieren, wie in den existierenden, konventionellen
Heißdraht-CVD-Geräten. Weiterhin,
gemäß dieser
Ausführungsform, werden
die Temperaturen der Drähte
der CVD- und die CVD-Kammer
immer konstant gehalten. Im Unterschied zu den konventionellen Heißdraht-CVD-Geräten und
Verfahren gibt es hier keinen Bedarf zur Wiederholung der Erhöhung und
Absenkung der Temperatur und des Vakuumbetriebs für jedes
Substrat. Als Resultat werden die Filmbeschichtungskosten wie die
Elektrizität
beträchtlich
gesenkt, und die Lebensdauer von Drähten werden zusätzlich verlängert.
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(Vorteil der Erfindung)
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann ein diamantbeschichtetes Silizium einfach hergestellt werden,
das in einer Diamantelektrode verwendet wird. Weiterhin, wenn das
diamantbeschichtete Silizium gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, kann eine großflächige Elektrode und eine dreidimensionale
Elektrodenstruktur erhalten werden.
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Zusammenfassung
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Die
vorliegende Erfindung beabsichtigt, ein diamantbeschichtetes Silizium
zur Verwendung in einer industriell anwendbaren Diamantelektrode
bereitzustellen. Ein diamantbeschichtetes Silizium, das ein Siliziumsubstrat
umfasst, das eine Dicke von 500 μm oder
weniger aufweist, ist zumindest teilweise mit elektrisch leitfähigem Diamant
beschichtet. Das diamantbeschichtete Silizium mit einer Dicke von
500 μm oder
weniger wird durch den plattenartigen Kristallwachstumsprozess hergestellt,
und dann wird das Siliziumsubstrat mit elektrisch leitfähigem Diamant durch
den chemischen Aufdampfungsprozess beschichtet, um das diamantbeschichtete
Silizium herzustellen. Das diamantbeschichtete Silizium ist flexibel
und kann an einem elektrisch leitfähigen Trägersubstrat befestigt werden,
und hierdurch kann eine großflächige Elektrode
und eine dreidimensionale Elektrodenstruktur leicht erhalten werden.