DE10393964T5 - Diamantbeschichtetes Silizium und Herstellungsverfahren dafür - Google Patents

Diamantbeschichtetes Silizium und Herstellungsverfahren dafür Download PDF

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Hiroyuki Fujimura
Roberto Masahiro Fujisawa Serikawa
Naoki Annaka Ishikawa
Takahiro Kobe Mishima
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Abstract

Diamantbeschichtetes Silizium, das ein Siliziumsubstrat umfasst, das eine Dicke von 500 μm oder weniger aufweist, welches zumindest teilweise mit elektrisch leitfähigem Diamant beschichtet ist, worin das Siliziumsubstrat mit einem plattenartigen Kristallwachstumsprozess hergestellt ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Silizium, das mit einer Schicht aus elektrisch leitfähigem Diamant beschichtet ist, und ein Herstellungsverfahren dafür.
  • Technischer Hintergrund
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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).
  • Offenbarung der Erfindung
  • (Aufgaben, die die Erfindung zu lösen sucht)
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • (Mittel zum Lösen der Aufgabe)
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Darstellung, die schematisch einen Herstellungsprozess für ein diamantbeschichtetes Silizium und eine Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 2 ist eine Darstellung, die einen Herstellungsprozess für das diamantbeschichtete Silizium zeigt, der den Mikrowellenplasma-CVD-Prozess verwendet.
  • 3 ist eine Darstellung, die ein Detail eines Gummidämpferteils zeigt.
  • 4 ist eine Darstellung, die einen Herstellungsprozess für das diamantbeschichtete Silizium zeigt, der den Mikrowellen-Plasma-CVD-Prozess verwendet.
  • 5 ist eine Darstellung, das einen Herstellungsprozess für das diamantbeschichtete Silizium zeigt, der den Heißdraht-CVD-Prozess verwendet.
  • 6 ist eine Darstellung, die eine Temperaturschwankung in den jeweiligen Schritten des Heißdraht-CVD-Prozesses zeigt.
  • Günstigste Art und Weise zur Ausführung der Erfindung
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • [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.
  • 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.
  • (Vorteil der Erfindung)
  • 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.
  • Zusammenfassung
  • 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.

Claims (12)

  1. Diamantbeschichtetes Silizium, das ein Siliziumsubstrat umfasst, das eine Dicke von 500 μm oder weniger aufweist, welches zumindest teilweise mit elektrisch leitfähigem Diamant beschichtet ist, worin das Siliziumsubstrat mit einem plattenartigen Kristallwachstumsprozess hergestellt ist.
  2. Diamantbeschichtetes Silizium nach Anspruch 1, worin der plattenartige Kristallwachstumsprozess zumindest einer ausgewählt von dem EFG-Prozess, dem Strangbandprozess und dem dendritischen Netzprozess ist.
  3. Diamantbeschichtetes Silizium nach Anspruch 1 oder 2, worin das Siliziumsubstrat einkristallin, polykristallin oder amorph ist.
  4. Diamantbeschichtetes Silizium nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Siliziumsubstrat mit elektrisch leitfähigem Diamant durch den chemischen Aufdampfungsprozess beschichtet ist.
  5. Herstellungsverfahren für diamantbeschichtetes Silizium, das ein Siliziumsubstrat umfasst, das eine Dicke von 500 μm oder weniger aufweist, welches zumindest teilweise mit elektrisch leitfähigem Diamant durch den chemischen Aufdampfungsprozess beschichtet wird.
  6. Herstellungsverfahren für diamantbeschichtetes Silizium, umfassend: (a) einen Schritt zur Herstellung eines Siliziumsubstrates, das eine Dicke von 500 μm oder weniger aufweist, durch den plattenartigen Kristallwachstumsprozess; und (e) einen Schritt zum zumindest teilweisen Beschichten des hergestellten Siliziumsubstrates mit elektrisch leitfähigem Diamant durch chemischen Aufdampfungsprozess.
  7. Herstellungsverfahren für diamantbeschichtetes Silizium nach Anspruch 6, worin der plattenartige Kristallwachstumsprozess zumindest einer ausgewählt von dem EFG-Prozess, dem Strangbandprozess und dem dendritischen Netzprozess ist.
  8. Herstellungsverfahren für diamantbeschichtetes Silizium nach Anspruch 6 oder 7, worin der Schritt (a) und der Schritt (e) aufeinander folgend ausgeführt werden.
  9. Herstellungsverfahren für diamantbeschichtetes Silizium nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 8, weiterhin zwischen dem Schritt (a) und dem Schritt (e) umfassend, (d) einen Schritt zum Kontrollieren eines Drucks zumindest einmal.
  10. Herstellungsverfahren für diamantbeschichtetes Silizium nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 9, weiterhin nach dem Schritt (e) umfassend, (f) einen Schritt zum Kontrollieren eines Drucks zumindest einmal.
  11. Herstellungsverfahren für diamantbeschichtetes Silizium nach irgendeinem der Ansprüche 6, 7, 9 und 10, weiter zwischen dem Schritt (a) und dem Schritt (e) oder, falls vorhanden, zwischen dem Schritt (d) und dem Schritt (e) umfassend, (b) einen Schritt zum Wickeln des Siliziumsubstrates; und (c) einen Schritt zum Bereitstellen des gewickelten Siliziumsubstrates an ein chemisches Aufdampfungsgerät.
  12. Herstellungsverfahren für diamantbeschichtetes Silizium nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 11, weiter nach dem Schritt (e) oder, falls vorhanden, nach dem Schritt (f) umfassend, (g) einen Schritt zum Wickeln eines diamantbeschichteten Siliziums.
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