DE19530161C2

DE19530161C2 - Verfahren zum Herstellen von Diamantschichten

Info

Publication number: DE19530161C2
Application number: DE19530161A
Authority: DE
Inventors: Xin Dr Jiang; Mario Dipl Ing Paul
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1995-08-03
Filing date: 1995-08-03
Publication date: 1997-11-20
Anticipated expiration: 2015-08-04
Also published as: DE19530161A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Diamantschichten auf einem Substrat mit dem Plasma-CVD-Verfahren.

Die Verwendung von Diamantschichten für aktive und passive Bauelemente in der Mikroelektronik und auf dem Gebiet der Optik setzt die Beherrschung des orientierten Diamantwachstums (epitaktisches und tex turiertes Wachstum) voraus. Es sind verschiedene Ver öffentlichungen bekannt, die sich bei der Abscheidung von Diamantschichten aus der Gasphase mit dem Plasma-CVD-Verfahren befassen. Aus der Veröffentlichung "Texture formation in polycrystalline diamond films" von Ch. Wild, N. Herres, P. Koidl, J.Appl.Phys. 68, Seiten 973 bis 978 (1990), ist die Realisierung des texturierten Wachstums durch Variation der Gaszusam mensetzung bekannt, wobei dieses texturierte Wachstum von Diamantschichten bislang nur bei länger andauern den Depositionsversuchen erzielt werden konnte. Daher sind die erforderlichen Maschinenlaufzeiten und damit die Herstellungskosten sehr hoch. Die Heteroepitaxie von Diamant auf Siliciumsubstraten unterschiedlicher Orientierung ist aus der Veröffentlichung "Heteroepi taxial diamond growth on (100) silicon", X. Jiang und C.-P. Klages, Diamond and Related Materials, 2, Sei ten 1112-1113 (1993), bekannt, aber die Diamantkri stallite weisen teilweise eine statistische Fehl orientierung von FWHM = 4° bis 12° auf. Daher muß die Kristallorientierung verbessert werden, um einkri stalline Diamantschichten herstellen zu können. Das ionenunterstützte Diamantwachstum zur Erhöhung der Wachstumsrate und Verbesserung der Kristallqualität wurde bereits entsprechend der Veröffentlichung "Ef fects of electric field on the growth of diamond by microwave plasma CVD", S. Yugo, T. Kimura und T. Mu to, Vacuum d41, Seiten 1364 bis 1366 (1990) durchge führt. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen waren negativ. Die Veröffentlichung "Generation of diamond nuclei by electric field in plasma chamical vapor deposition", S. Yugo, T. Kanai, T. Kimura und T. Mu to, Appl. Phys. Lett. 58, Seiten 1036 bis 1038 (1991) beschreibt die vor der eigentlichen Diamantschicht bildung vorgeschaltete Keimbildung mit dem Plasma-CVD-Verfahren, wobei eine negative Biasspannung in dem CVD-Reaktor verwendet wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von Diamantschichten zu schaffen, bei dem in der Wachstumsphase der Diamant schicht das Wachstum von Diamantkristalliten mit un erwünschter Orientierung unterdrückt und das Wachstum von Diamantkristalliten mit gewünschter Orientierung begünstigt wird, so daß eine vorbestimmte Wachstums richtung der Diamantschicht ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfah ren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbin dung mit seinen kennzeichnenden Merkmalen gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Steuerung der Ionenenergie des Plasma-CVD-Verfahrens während der auf die Keim bildungsphase folgenden Wachstumsphase des Wachstums der Diamantschicht werden Diamantkristallite mit un erwünschter Orientierung an ihrem Wachstum gehindert und Diamantkristallite mit gewünschter Orientierung in ihrem Wachstum begünstigt. Somit läßt sich eine geringe Fehlorientierung und ein hoher Orientierungs grad der gewachsenen Diamantschicht erzielen.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse rungen möglich.

Das Wachstum einer bestimmten Fläche des Diamantkri stalls und die Kontrolle des Diamantwachstums wird durch das Ionenbombardement der Diamantschicht wäh rend der Abscheidung bei möglicher Variation der Energie der ankommenden Ionen gesteuert, wobei das Ionenbombardement der Diamantschicht durch eine an den Probenhalter angelegte Biasspannung hervorgerufen wird.

Das Wachstum (heteroepitaktisches und texturiertes Wachstum) der Diamantkristallite mit der vorbe stimmten Wachstumsrichtung (z. B. (100)) wird während des Wachstumsprozesses durch die angelegte Biasspan nung, die sowohl Gleich- als auch Wechselspannung sein kann, begünstigt, wohingegen die Diamantkristal lite mit der unerwünschte Wachstumsrichtung (z. B. (111)) durch das Ionenbombardement an ihrer wei teren Ausdehnung gehindert werden. Somit läßt sich die Heteroepitaxie von Diamant auf Silicium bezüglich der Fehlorientierung der einzelnen Kristallite erheb lich verbessern.

Eine Textur der Diamantschicht wird durch selektives Ionenätzen schon bei geringen Schichtdicken möglich. Somit ergeben sich kürzere Maschinenlaufzeiten und dadurch geringere Herstellungskosten pro Diamant schicht.

Der ionenunterstützte Wachstumsprozeß der Diamant schichten kann bei jedem CVD-Diamantherstellungsver fahren angewandt werden und ist ohne Unterbrechung des Depositionsprozesses durchführbar.

Ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Ver fahren wird in der folgenden unter Verwendung der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung näher erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer für das erfindungsgemäße Verfahren verwen dete Mikrowellen-Plasma-CVD-Anlage, und

Fig. 2 Rasterelektronenmikroskop-Bilder von Proben von Diamantschichten, die ent sprechend unterschiedlicher Verfahren hergestellt wurden.

In Fig. 1 ist eine Mikrowellenplasma-CVD-Anlage dar gestellt, wobei mit 1 der Reaktionsraum bezeichnet ist, der über Fenster 2 beobachtet werden kann. Das zu beschichtende Substrat 3 ist auf einem Substrat tisch 4 angeordnet, der über Spulen 5 induktiv ge heizt wird. Über Thermoelemente 6 wird die Temperatur des Tisches 4 gemessen. Die Temperatur des Substrats wird mit einem Pyrometer durch Fenster 2 gemessen. Ein Anschlußstutzen 7 ist mit einer Vakuumpumpe zur Herstellung des Vakuums im Reaktionsraum verbunden. Eine Spannungsversorgung 8 liefert eine Biasspannung, die an dem Substrattisch anliegt. Die Mikrowellen, die mit 9 angedeutet sind, werden über eine Antenne zugeführt. Während des Prozesses bildet sich ein Plasma aus, das mit 10 bezeichnet wird. Bei dem Ver fahren zur Herstellung von Diamantschichten ist zu beachten, daß die Dichte der kovalenten Bindungen auf den einzelnen Diamantfacetten abhängig von deren Orientierung ist. Auch der Winkel der Bindungen zur Kristalloberfläche variiert von Fläche zu Fläche. Somit sind die Oberflächenatome auf den verschiedenen Kristallflächen unterschiedlich stark gebunden und eine Selektivität des Ionenätzens der Kohlenstoffato me auf der Diamantoberfläche durch Variation der Io nenenergie ist möglich. Die Energie der ankommenden Ionen kann durch Veränderung der Biasspannung, des Gasdrucks, der Mikrowellenleistung und der Substrat temperatur genau definiert werden.

Die Diamantschichten werden in dem Plasma-CVD-Reaktor nach Fig. 1 aus einer Wasserstoff/Methan-Gasmischung, die dem Reaktor unter kontrollierten Bedingungen zu geführt werden, hergestellt. Das verwendete Substrat 3 ist ein (100)-Siliciumsubstrat, das in einem Ace ton-Ultraschallbad gereinigt wird. Das Verfahren zur Herstellung der Diamantschicht besteht aus zwei Schritten, nämlich der Diamantkeimbildung und dem eigentlichen ionenunterstützten Diamantwachstum. Die Diamantkeimbildung kann entsprechend einem mechani schen Verfahren durchgeführt werden, bei dem das Sub strat außerhalb des Reaktors (ex-situ), beispielswei se durch Kratzen, aufgerauht wird. Entsprechend dem Stand der Technik kann aber auch eine ionenunter stützte Vorbehandlung im Reaktor (in-situ) der Sili ciumsubstrate vorgenommen werden, wobei eine Bias spannung an den Substrathalter angelegt wird. Zum eigentlichen Diamantwachstum wird das Substrat 3 im Reaktor auf dem Substrattisch positioniert, die Vaku umkammer wird auf 10^-3 mbar evakuiert und das Substrat 3 aufgeheizt. Anschließend werden die Prozeßgase zu geführt und das Plasma gezündet. Folgende Parameter werden für das ionenunterstützte Wachstum vorgegeben:

H₂: 95-99,8 vol%
CH₄: 0,2-5 vol%
Temp.: 400-1000°C
Leistung: 400-1000 W
Druck 10-100 mbar
Biasspannung: -300 bis 0 V Gleichspannung und Wechselspannung

Die Dicke der Diamantschicht wird durch die Abschei dungsdauer gesteuert.

Für die Herstellung einer Diamantschicht mit (100)- orientierten Kristalliten wird vorzugsweise eine Tem peratur von 850°C, eine Mikrowellenleistung von 800 W, ein Druck von 20-30 mbar und eine Biasspannung von -100 bis -125 V gewählt.

In Fig. 2 sind Rasterelektronenmikroskop-Bilder von Proben dargestellt, die sowohl nach dem erfindungs gemäßen Verfahren als auch nach dem Verfahren nach dem Stand der Technik hergestellt wurden. Fig. 2(a) stellt eine Diamantschicht mit einer biasunterstütz ten Vorbekeimung und dem Wachstum nach dem erfin dungsgemäßen Verfahren, d. h. dem ionenunterstützten Wachstum dar. Fig. 2(b) zeigt hingegen eine Diamant schicht ohne Ionenunterstützung während des Wachstums aber mit einer Keimbildung mit Biasspannung. Bei der Diamantschicht nach Fig. 2(c) wurde das Substrat me chanisch vorbekeimt und das Wachstum selbst wurde mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt, während Fig. 2(d) eine Diamantschicht mit mechanischer Vor bekeimung aber ohne ionenunterstütztem Wachstum zeigt. Aus den Figuren ist zu erkennen, daß durch Anlegen der Biasspannung von -125 V die (100)-orien tierten Kristallite gegenüber den (111)-orientierten Kristalliten deutlich bevorzugt aufgewachsen sind (Fig. 2(a) und (c)). Die Diamantkristallite der Schichten, die ohne Ionenunterstützung aber sonst bei gleichen Versuchsbedingungen hergestellt wurden, zei gen keine Vorzugsrichtung (Fig. 2(b) und (d)).

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Diamantschichten auf einem Substrat mit dem Plasma-CVD-Verfahren mit einer Keimbildungsphase und einer Wachstumsphase, dadurch gekennzeichnet, daß während der Wachstumsphase mittels einer Steuerung der Ionenenergie das Wachstum von Dia mantkristalliten mit unerwünschter Orientierung unterdrückt und das Wachstum von Diamantkristalli ten mit gewünschter Orientierung begünstigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenenergie durch eine während der Wachs tumsphase an das Substrat angelegte Biasspannung variiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß vor dem Aufwachsen der Diamantschicht das Substrat zur Diamantkeimbildung vorbehandelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß das Substrat ex-situ mechanisch vorbe handelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß das Substrat durch Anlegen von Bias spannung in-situ vorbehandelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß ein Mikrowel len-Plasma-CVD-Reaktor verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß dem Reaktor H₂ mit 95-99,8 vol% und CH₄ mit 0,2-5 vol% zugeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge kennzeichnet, daß eine Mikrowellenleistung zwi schen 400 und 1500 W gewählt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß der Druck während des CVD-Prozesses zwischen 10 und 100 mbar und die Temperatur des Substrats zwischen 400 und 1000°C gewählt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß die Biasspannung eine Gleich- oder Wechselspannung ist und zwischen -300 und 0 V gewählt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zum bevorzugten Auf wachsen von (100)-orientierten Kristalliten eine Biasspannung zwischen -100 und -125 V gewählt wird.