DE19718517A1 - Microelectronic component with diamond layer - Google Patents
Microelectronic component with diamond layerInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein mikroelektronisches Bauteil mit ei ner Diamantschicht sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 8, wie beides aus der gattungsbildend zugrundegelegten DE 44 27 715 C1 als bekannt hervorgeht.The invention relates to a microelectronic component with an egg ner diamond layer and a method for its production according to the preamble of claim 1 and claim 8, respectively both from the generic DE 44 27 715 C1 emerges as known.
Aus der zugrundegelegten DE 44 27 715 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Komposit-Substrats bekannt, bei dem auf einem Wachstums-Substrat zuerst direkt eine Diamantschicht abgeschie den wird. Auf der Diamantschicht anschließend eine Halbleiter schicht angeordnet. Auf der Halbleiterschicht bzw. unter der funktionellen Zuhilfenahme der Halbleiterschicht werden an schließend mehrere mikroelektronischen Bauteile angeordnet. Als Bauteile (devices) sind hierbei einzelne Bauteile wie bspw. Di oden, Transistoren, Kapazitäten, Induktivitäten usw. aber auch Bauteilgruppen, wie bspw. integrierte Schaltungen (IC), Ver stärker, Speicher usw. zu verstehen. Damit beim Aufwachsen der Halbleiterschicht die Anzahl von Störstellen unterhalb der Bau teile, also im Bereich der Bauteilwurzel, verringert wird, weist die Diamantschicht außerhalb der Bauteilwurzeln Kanten auf. Durch diese zwischen den Bauteilen angeordneten Kanten, an denen die Diamantschicht zumindest dünner als im Bereich der Bauteilwurzeln ist, wird die Qualität der nachfolgend abge schiedenen Halbleiterschicht oberhalb der Diamantschicht ver bessert. Durch diese Qualitätsverbesserung der Halbleiter schicht zumindest im Bereich der Bauteilwurzeln ist die Aus schußrate bei der Produktion der Bauteile verringert. Nach der an sich bekannten Herstellung der Bauteile und deren anschlie ßende Kontaktierung werden die Bauteile dann voneinander insbe sondere durch Sägen vereinzelt, wobei ggf. zuvor oder auch nach dem Vereinzeln das Wachstums-Substrat durch selektives Ätzen entfernt werden kann. Trotz dieser Verbesserung ist die Aus schußrate immer noch hoch, so daß diese Bauteile immer noch sehr teuer sind. Ferner ist die Herstellung einer derartige Kanten aufweisenden Diamantschicht technologisch aufwendig und daher auch teuer. Desweiteren ist die Ausschußrate auch deswe gen noch hoch, da es bspw. aufgrund von Spannungen immer noch zu einer Ablösung der Diamantschicht von einem Bauteil kommt.DE 44 27 715 C1 is based on a method for Manufacture of a composite substrate known in which on a Growth substrate first shoot a diamond layer directly that will. Then a semiconductor on the diamond layer layered. On the semiconductor layer or under the functional assistance of the semiconductor layer will be on then several microelectronic components arranged. As Components are individual components such as Di odes, transistors, capacitors, inductors etc. but also Component groups, such as. Integrated circuits (IC), Ver stronger to understand memory etc. So that when growing up Semiconductor layer the number of defects below the construction parts, i.e. in the area of the component root, is reduced, the diamond layer has edges outside the component roots on. Through these edges arranged between the components which the diamond layer is at least thinner than in the area of Component roots, the quality of the following is checked different semiconductor layer above the diamond layer improves. Through this quality improvement of the semiconductors layer is at least in the area of the component roots shot rate in the production of components is reduced. After known manufacture of the components and their subsequent The components will then be in contact with each other special by sawing, if necessary before or after separating the growth substrate by selective etching can be removed. Despite this improvement, the end is shot rate still high, so these components still are very expensive. Furthermore, the manufacture of such Edging diamond layer technologically complex and therefore also expensive. Furthermore, the reject rate is deswe still high, because it is still due to tension, for example there is a detachment of the diamond layer from a component.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, das zugrundegelegte mikro elektronische Bauteil und das Herstellungsverfahren für das Bauteil dahingehend zu verbessern, daß die Herstellungskosten für ein mikroelektronisches Bauteil bei möglichst guter Quali tät des Bauteils gesenkt wird.The object of the invention is the underlying micro electronic component and the manufacturing process for it To improve component in that the manufacturing costs for a microelectronic component with the best possible quality the component is lowered.
Die Aufgabe wird bei einem zugrundegelegten Bauteil erfin dungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. bzgl. des Verfahrens mit den kennzeichnenden Verfahrens schritten des Anspruchs 8 gelöst. Trotz der die Bauteile ge fährdenden hohen Temperatur bei Abscheiden von insbesondere po lykristallinem Diamant auf den bereits fertigen und direkt auf dem Wachstums-Substrat in bekannter Weise hergestellten Bau teil, ist die Ausschußrate gesenkt, wodurch die Gesamtkosten zur Herstellung der Bauteile reduziert sind. Ferner ist das Herstellungsverfahren für die Bauteile an sich bekannt und auch sehr preiswert realisierbar, das gleiche gilt für die Abschei dung der Diamantschicht, auf deren Struktur (Kanten) nicht mehr geachtet werden muß. Zwar kann es trotz der Aufteilung der auf dem Bauteil angeordneten Diamantschicht in mehrere vereinzelte und voneinander räumlich getrennte Diamantbezirke auch weiter hin - bspw. aufgrund von Spannungen zwischen den Diamantbezir ken und der Substratoberfläche usw. - zu einem Ablösen von Dia mant von dem Bauteil kommen. Allerdings betrifft dies nur weni ge der Diamantbezirke, so daß die Diamantschicht als solches in ihrer Funktion als elektrische Isolations- und gute Wärmeleit schicht erhalten bleibt.The task is invented for an underlying component appropriately by the characterizing features of claim 1 or with regard to the method with the characteristic method resolved steps of claim 8. Despite the ge dangerous high temperature when separating in particular po lycrystalline diamond on the already finished and directly on the growth substrate manufactured in a known manner part, the reject rate is reduced, reducing the overall cost for the production of the components are reduced. Furthermore, that is Manufacturing process for the components known per se and also very inexpensive to implement, the same applies to the parting the diamond layer, on its structure (edges) no longer must be respected. Although it can, despite the division of the the component arranged diamond layer in several individual and diamond districts spatially separated from each other due to, for example, tensions between the diamond regions and the substrate surface, etc. - to detach slide not come from the component. However, this affects only a few ge of the diamond districts, so that the diamond layer as such in their function as electrical insulation and good thermal conductivity layer remains intact.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprü chen entnehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigtAdvantageous embodiments of the invention are the dependent claims Chen removable. Otherwise, the invention is based on in the embodiments shown in the figures. It shows
Fig. 1 ein Bauteil mit darauf angeordneter und aus Diamantbe zirken gebildeter Diamantschicht, Fig. 1 is a member having disposed thereon and from Diamantbe circuses formed diamond layer,
Fig. 2 eine Prinzipskizze einer CVD-Anlage zur Abscheidung von Diamant auf Substraten, Fig. 2 is a schematic diagram of a CVD apparatus for deposition of diamond on substrates,
Fig. 3 eine Detailzeichnung eines Substrathalters, Fig. 3 is a detailed drawing of a substrate holder,
Fig. 4 eine Detailzeichnung einer Düse für das CVD-Verfahren mittels Arcjet, Fig. 4 is a detail drawing of a nozzle for the CVD method using Arcjet,
Fig. 5 eine Detailzeichnung einer Abdeckung. Fig. 5 is a detailed drawing of a cover.
In Fig. 1 ist ein Ausschnitt eines quer zur Flachseite eines aus einem aus weitgehend monokristallinem Halbleitermaterial insbesondere Silizium oder Galliumarsenid gefertigten Wachs tums-Substrats 35 geführten Schnittes eines erfindungsgemäßen mikroelektronischen Bauteils 33 dargestellt.In Fig. 1 a section is shown of a transverse to the flat side of a guided from a largely made of monocrystalline semiconductor material in particular silicon or gallium arsenide substrate 35 tums wax-section of a micro-electronic component 33 according to the invention.
Das Bauteil 33 ist unter einer funktionellen Verwendung des Ma terials des Wachstums-Substrats 35 hergestellt. Eine funktio nelle Verwendung ist dahingehend zu verstehen, daß im Bereich eines Bauteiles 33 das Wachstums-Substrat 35 bspw. eine oder mehrere vergrabene Funktionsschichten 38 aufweist. Bei den ver grabenen Funktionsschichten 38 kann es sich bspw. um n- oder p-dotierte Halbleiterschichten oder um intrinsisch leitende Halb leiterschichten handeln, wobei die Dotierung auf übliche Weise, insbesondere durch Diffusion und/oder Ionenimplantation vorge nommen wird. The component 33 is produced using the material of the growth substrate 35 in a functional manner. A functional use is to be understood in such a way that, in the area of a component 33, the growth substrate 35 has, for example, one or more buried functional layers 38 . The buried functional layers 38 can be, for example, n- or p-doped semiconductor layers or intrinsically conductive semiconductor layers, the doping being carried out in the usual way, in particular by diffusion and / or ion implantation.
Auf den vergrabenen Funktionsschichten 38 sind elektrisch iso lierende Isolationsschichten 37 angeordnet, die bspw. aus SiO2 oder undotiertem Diamant bestehen und die zweckmäßigerweise aus einer Gas- und/oder Flüssigkeitsphase epitaktisch abgeschieden sind.On the buried functional layers 38 , electrically insulating insulating layers 37 are arranged which, for example, consist of SiO 2 or undoped diamond and which are expediently deposited epitaxially from a gas and / or liquid phase.
In der Ebene der Flachsseite des Wachstums-Substrats 35 sind zwischen der Isolationsschicht 37 bzw. den vergrabenen Funkti onsschichten 38 Leiterbahnen 39 angeordnet, die vorzugsweise aus Aluminium bestehen.In the plane of the flat side of the growth substrate 35 , conductor tracks 39 are arranged between the insulation layer 37 and the buried functional layers 38 , which are preferably made of aluminum.
Oberhalb einer Isolationsschicht 37 ist eine weitere Funktions schicht 36 angeordnet, die günstigerweise in einem allgemein bekannten Abscheideprozeß aus einer Gasphase und/oder einer übersättigten Flüssigkeit abgeschieden werden.Above an insulation layer 37 a further functional layer 36 is arranged, which are advantageously separated from a gas phase and / or a supersaturated liquid in a generally known deposition process.
Das Wachstums-Substrat 35 und die direkt auf ihm angeordneten Funktionsschichten 36, 37 und 38 des Bauteiles 33 bilden ein Substrat 2 mit einer außenliegenden Substratoberfläche 6.The growth substrate 35 and the functional layers 36 , 37 and 38 of the component 33 arranged directly on it form a substrate 2 with an outer substrate surface 6 .
Auf die Substratoberfläche 6 und auch zumindest teilweise ober halb von Leiterbahnen 39 sind einzelne Diamantbezirke der poly kristallinen Diamantschicht 34 angeordnet. Die Diamantschicht 34 wird insbesondere mittels eines CVD-Arcjet-Verfahrens aus einer Gas/Plasmaphase in polykristalliner Form abgeschieden.Individual diamond regions of the polycrystalline diamond layer 34 are arranged on the substrate surface 6 and also at least partially above half of conductor tracks 39 . The diamond layer 34 is deposited in particular from a gas / plasma phase in polycrystalline form by means of a CVD arcjet process.
Die Diamantbezirke der Diamantschicht 34 sind räumliche vonein ander getrennt, so daß auch nach der Abscheidung der Diamant schicht 34 die Substratoberfläche 6 des Substrats 2 bereichs weise noch freiliegt. Insbesondere werden derartige freiliegen de Bereiche der Substratoberfläche 6 an Kontaktstellen 40 vor gesehen, an denen das Bauteil 33 elektrisch kontaktiert wird.The diamond areas of the diamond layer 34 are spatially separated from each other, so that even after the deposition of the diamond layer 34, the substrate surface 6 of the substrate 2 is still partially exposed. In particular, such exposed areas of the substrate surface 6 are seen at contact points 40 at which the component 33 is electrically contacted.
Durch die Aufteilung der Diamantschicht 34 in einzelne räumlich voneinander getrennte Diamantbezirke ist u. a. die Spannung zwi schen der Diamantschicht 34 und der Substratoberfläche 6 des darunter angeordneten Bauteils 33 zumindest vermindert.The division of the diamond layer 34 into individual spatially separated diamond regions, among other things, at least reduces the tension between the diamond layer 34 and the substrate surface 6 of the component 33 arranged underneath.
In Fig. 2 ist eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Be schichtung eines Substrats 2, bei der vorliegenden Erfindung eine Komposit-Struktur eines mikroelektronischen Bauteils, mit einer Diamantschicht und zwar in der Art einer Superso nic-DC-Arcjet-Anlage dargestellt. Es handelt sich um eine CVD-Anlage für 6-Zoll-wafer mit einem Leistungsbereich zwischen 1 und 5 kW.In Fig. 2 is a schematic diagram of a device for loading coating a substrate 2 , in the present invention, a composite structure of a microelectronic component, with a diamond layer, namely in the manner of a Supersonic nic DC arcjet system. It is a CVD system for 6-inch wafers with a power range between 1 and 5 kW.
Der zylindrische Reaktor 10 (Rezipient) besteht aus nichtro stendem Stahl in doppelwandiger Ausführung, wodurch eine Küh lung mittels Wasser ermöglicht ist, die über einen Wasseran schluß 13 mit dem Reaktor verbunden ist.The cylindrical reactor 10 (recipient) consists of non-stainless steel in a double-walled design, whereby a cooling treatment by means of water is possible, which is connected via a water connection 13 to the reactor.
Zur Evakuierung des Reaktorinnerns 14 weist die Vorrichtung ein mit einer Druckregelung 31 versehenes Pumpensystem 15 mit drei Einzelpumpen auf. Der erreichbare Druck liegt bei ca. 10⁻3 mbar. Als Pumpen sind eine Drehschieberpumpe und zwei Wälzkol benpumpen vorgesehen.In order to evacuate the interior of the reactor 14 , the device has a pump system 15 with three individual pumps, which is provided with a pressure control 31 . The achievable pressure is approx. 10 -3 mbar. A rotary vane pump and two Wälzkol benpumpen are provided as pumps.
Desweiteren weist die Vorrichtung ein Gasversorgungssystem 16 auf, mit dem die für ein Plasma benötigten Gase (Argon und Was serstoff) sowie die für das Diamantwachstum benötigten Prozeß gase, insbesondere Sauerstoff und Methan in das Reaktorinnere 14 gezielt eingeleitet werden können.Furthermore, the device has a gas supply system 16 with which the gases required for a plasma (argon and water) and the process gases required for diamond growth, in particular oxygen and methane, can be introduced into the reactor interior 14 in a targeted manner.
Zur Temperaturbestimmung des Substrats 2 oberhalb 400°C kann es sinnvoll sein, wenn die Vorrichtung ein Wärmepyrometer auf weist.To determine the temperature of the substrate 2 above 400 ° C., it can be useful if the device has a thermal pyrometer.
Innerhalb des vorzugsweise evakuierbaren Reaktors 10 ist ein Substrathalter 1 angeordnet, der zur flächigen und gut wärme leitenden Aufnahme eines vorbehandelten und bereits bekeimten Substrats 2 vorgesehen ist. Die gegenständliche Ausbildung des Substrathalters 1 ist in Fig. 3 dargestellt. A substrate holder 1 is arranged within the preferably evacuable reactor 10 and is provided for receiving a pretreated and already germinated substrate 2 in a planar and heat-conductive manner. The physical design of the substrate holder 1 is shown in Fig. 3.
Der Substrathalter 1 weist u. a. einen massiven, rotationssymme trischen und im Querschnitt T-förmig ausgebildeten Block 17 aus Cu auf. In der Mitte des Blocks ist ein Thermoelement 12, das vorzugsweise aus Chrom/Aluminium (Cr/Al) gefertigt ist, zur Temperaturmessung des Substrats 2 hindurchgeführt. Die freie Fläche des größeren Querschnitts des Blocks 17 - im folgenden Substratseite 3 genannt - ist dem Substrat 2 zugewandt. Um sei nen dünneren Querschnitt ist in engem und gut wärmeleitenden Kontakt ein Kühlkörper 18 aus Cu angeordnet. Der Kühlkörper 18 weist in seinem Inneren fluidisch durchströmbare Kanäle 19 für eine Kühlflüssigkeit, insbesondere Wasser auf, die mit einem Kühlsystem 32 verbunden sind.The substrate holder 1 has, inter alia, a solid, rotationally symmetrical and cross-sectionally T-shaped block 17 made of Cu. In the middle of the block, a thermocouple 12 , which is preferably made of chrome / aluminum (Cr / Al), is passed through for measuring the temperature of the substrate 2 . The free area of the larger cross section of the block 17 - hereinafter referred to as substrate side 3 - faces the substrate 2 . In order to be a thinner cross-section, a heat sink 18 made of Cu is arranged in close and heat-conducting contact. The cooling body 18 has channels 19 for a cooling liquid, in particular water, through which fluid can flow, which are connected to a cooling system 32 .
Aufgrund des gut wärmeleitenden Kupfers und des innenseitigen Kühlmittelflusses kann mit einem derartigen Substrathalter 1 ein darauf angeordnetes und insbesondere mit einer gut wärme leitenden Schicht, bspw. aus Leitsilber, versehenes Substrat 2 während einer Beschichtung mit Diamant auf Temperaturen gerin ger 450°C temperiert werden. Allerdings kann mit einer derar tigen Kühlung das Substrat 2, bei einer maximalen Temperatur des Wassers von ca. 368°K, nur etwa zwischen 400°C und 500°C temperiert werden. Des weiteren ist die mögliche Temperaturre gelung auch auf einen Bereich von ca. 85°C begrenzt.Due to the good thermal conductivity copper and inside the coolant flow can with such a substrate holder 1 a disposed thereon and conductive in particular with a good heat-layer, for example. Of conductive silver, provided substrate 2 during a coating with diamond to temperatures clotting ger 450 ° C to be tempered. However, with such cooling, the substrate 2 , at a maximum water temperature of approx. 368 ° K, can only be tempered between 400 ° C and 500 ° C. Furthermore, the possible temperature control is also limited to a range of approx. 85 ° C.
Anstelle des Leitsilbers kann zwischen dem Substrat 2 und der Substratseite auch ein schmaler Spalt angeordnet sein, durch den ein Gas hindurchgeströmt wird, wobei die Temperierung dann durch Konvektion erfolgt. Da dieser Spalt zumeist unterhalb 1 mm beträgt ist dieser Fall im Sinne dieser Anmeldung ebenfalls als direkte Wärmeleitung zu verstehen.Instead of the conductive silver, a narrow gap can also be arranged between the substrate 2 and the substrate side, through which a gas flows, the tempering then being carried out by convection. Since this gap is usually below 1 mm, this case is also to be understood as direct heat conduction in the sense of this application.
Dies ist für eine Beschichtung bei tieferen Temperaturen, wie sie insbesondere bei der Diamantbeschichtung von bereits ferti gen mikroelektronischen Bauteilen und hierbei insbesondere von mit Leiterbahnen aus Aluminium versehenen mikroelektronischen Bauteilen notwendig sind, zumindest zum Teil unbefriedigend. This is for a coating at lower temperatures, such as especially when it comes to diamond coating from ferti against microelectronic components and in particular from microelectronic with aluminum conductor tracks Components are necessary, at least partially unsatisfactory.
Um diesen Umstand zu verbessern, weist der erfindungsgemäße Substrathalter 1 auf seiner Substratseite 3 eine innenseitig (Strömungskanäle 11) mit einem Temperier-Gasstrom durchflossene Klimascheibe 4 auf, auf der das Substrat 2 angeordnet ist. Zwi schen der Klimascheibe 4 und der Substratseite 3 kann ggf. eine Wärmeisolierschicht 20 angeordnet sein.In order to improve this circumstance, the substrate holder 1 according to the invention has on its substrate side 3 an air-conditioning disc 4 through which a tempering gas flow flows, on the inside (flow channels 11 ), on which the substrate 2 is arranged. Between the climate disc 4 and the substrate side 3 , a heat insulating layer 20 may be arranged.
Da die Klimascheibe 4 nur mit Stegen 21 zumindest mittelbar an der Substratseite 3 anliegt, wird die Wärme zwischen der Klima scheibe 4 und der Substratseite 3 des Blocks 17 nur bereichs weise direkt kontaktgeleitet. Zwischen dem Block 17 und dem Kühlkörper 18 erfolgt der Wärmeübertrag vollflächig.Since the air plate 4 at least indirectly abutting with webs 21 on the substrate side 3, the heat between the air is disc 4 and the substrate side 3 of the block 17 only contact area directed, directly. The heat transfer takes place over the entire area between the block 17 and the heat sink 18 .
Ferner ist auch eine stegförmige Ausbildung der Klimascheibe 4 möglich, wobei durch die sich zwischen der Substratseite 3 und der Klimascheibe 4 bildenden Kanäle 22 das Temperier-Gas, ins besondere Luft hindurchgeleitet wird.Further, a ridge-shaped design of the air washer 4 wherein the tempering gas, is passed in particular through the air forming between the substrate side 3 and the air disc 4 channels 22 is possible.
Allen Möglichkeiten und auch deren Kombinationen ist gemeinsam, daß die gesamte Ableitung von Wärme in den Substrathalter 11 gegenüber einem Wärmeabfluß bei vollflächiger Auflage geringer ist. Dies ist daher von Vorteil, da in ungünstigen Fällen die Kühlwirkung zu groß werden kann, wodurch die Substrattemperatur dann zu gering wird.All possibilities and also their combinations have in common that the total dissipation of heat in the substrate holder 11 is less compared to a heat flow with a full-surface support. This is advantageous because, in unfavorable cases, the cooling effect can become too great, as a result of which the substrate temperature then becomes too low.
Obwohl die spez. Wärmekapazität des Temperier-Gases in etwa nur 25% von der spez. Wärmekapazität von Wasser beträgt, kann ein auf der Klimascheibe 4 und damit auf der Halteroberfläche 5 des Substrathalters 1 zumindest mittelbar angeordnetes Substrat 2 überraschender Weise auf Temperaturen unterhalb von 400°C, be vorzugt geringer 350°C und besonders bevorzugt geringer 300°C temperiert werden.Although the spec. Heat capacity of the tempering gas in about only 25% of the spec. Heat capacity of water, a substrate 2 at least indirectly arranged on the climate disk 4 and thus on the holder surface 5 of the substrate holder 1 can surprisingly be tempered to temperatures below 400 ° C., preferably less than 350 ° C. and particularly preferably less than 300 ° C. .
Hierdurch werden dann mikroelektronische Bauteile bei einer Diamantbeschichtung allenfalls geringfügig, insbesondere ver nachlässigbar belastet. Durch die geringere Temperatur bei der Beschichtung von mikroelektronischen Bauteilen mit Diamant ist die Ausschußrate nennenswert gesenkt. Des weiteren ist auch das Temperaturintervall, innerhalb dem das Substrat 2 temperiert werden kann, vergrößert.As a result, microelectronic components in a diamond coating are at most slightly, in particular negligibly, loaded. Due to the lower temperature when coating microelectronic components with diamond, the reject rate is significantly reduced. Furthermore, the temperature interval within which the substrate 2 can be tempered is also increased.
Obwohl der Vorteil des erfindungsgemäßen Substrathalters 1 an hand eines Arcjet-Verfahrens beschrieben wird, ist er auch für alle anderen CVD-Verfahren in gleicher Weise verwendbar.Although the advantage of the substrate holder 1 according to the invention is described using an Arcjet method, it can also be used in the same way for all other CVD methods.
Dem Substrat 2 gegenüberliegend ist eine Düse 23 angeordnet, die zur Erzeugung eines das Substrat 2 mit Diamant beschichten den Gasstrahles geeignet ist. Derartige Düsen 23 wurden ur sprünglich für die Raumfahrt entwickelt, wobei bei diesem Ver wendungsfall die Dissoziation des Trägergases aus Wasserstoff einen hohen Verlust darstellt. . Demgegenüber ist der Dissoziati onsgrad des Trägergases, das bei bspw. der Epitaxie von Diamant aus der Gasphase als Prozess- oder Precursorgas bezeichnet wird, von Bedeutung.The substrate 2 opposite to a nozzle 23 is disposed, the coating for producing a diamond substrate 2 with the gas jet is suitable. Such nozzles 23 were originally developed for space travel, the dissociation of the carrier gas from hydrogen representing a high loss in this use case. . In contrast, the degree of dissociation of the carrier gas, which is referred to as process or precursor gas in the epitaxy of diamond from the gas phase, is important.
Der Aufbau der Düse 23 ist in Fig. 4 dargestellt. Die Düse 23 weist eine axial und zentrisch innenliegende sowie axial beweg liche Kathode 9 auf, die einen Schmelzpunkt von 3410°C auf weist und aus einer Wolframlegierung mit 2% Thorium besteht. Die Kathode 9 ist in der Form einer Düsennadel ausgebildet und gleichzeitig fungiert als Verschlußnadel der Düsenöffnung 24.The structure of the nozzle 23 is shown in Fig. 4. The nozzle 23 has an axially and centrally inner and axially movable union cathode 9 , which has a melting point of 3410 ° C. and consists of a tungsten alloy with 2% thorium. The cathode 9 is designed in the form of a nozzle needle and at the same time acts as a closing needle of the nozzle opening 24 .
Im Bereich etwa der Mitte der Kathode 9 ist eine Gaseinlaßöff nung 25 für ein oder ggf. mehrere später ein Plasma bildendes Gas, insbesondere Wasserstoff angeordnet. Am auslaßseitigen Be reich der Düse 23 ist eine Anode 8 angeordnet. Die eigentliche Düsenöffnung 24 wird durch einen Einsatz, den sogenannten Kon striktor 26 gebildet, der zur Anode 8 gehört. Im Bereich des Konstriktors 26 wird der für die Plasmabildung benötigte elek trische Entladungsbogen stabilisiert.In the area approximately the center of the cathode 9 , a gas inlet opening 25 is arranged for one or possibly several later forming a plasma gas, in particular hydrogen. At the outlet side of the nozzle 23 Be an anode 8 is arranged. The actual nozzle opening 24 is formed by an insert, the so-called con strictor 26 , which belongs to the anode 8 . In the area of the constrictor 26 , the electric discharge arc required for the plasma formation is stabilized.
Im Bereich der Nadelspitze der Kathode 9, also am Verschluß der Düsenöffnung 24, ist eine konzentrisch zur Kathode 9 angeordne te Injektorscheibe 27 als Gaseinlaß für ein oder mehrere Gase des Plasmas angeordnet, während außerhalb der Düsenöffnung 24 eine Injektorscheibe 28 für die Prozeßgase (CH4 und O2) ange ordnet ist.In the region of the needle tip of the cathode 9, ie the closure of the nozzle orifice 24, a concentrically arrange the cathode 9 th Injektorscheibe 27 is arranged as a gas inlet for one or more gases of the plasma, while outside of the nozzle opening 24 is a Injektorscheibe 28 for the process gases (CH 4 and O 2 ) is arranged.
Die Anode 8 der Düse ist domartig ausgebildet und im Bereich der Düsenöffnung konzentrisch um die Kathode 9 herum angeord net. Die Anode 8 absorbiert den Elektrodenstrom und ist starken thermischen Belastungen ausgesetzt. Um die Belastungen zu redu zieren ist die Kontaktfläche der Anode 8 stark vergrößert, wo durch sich der Druckgradient im Expansionsbereich erhöht. Durch den hohen Druckgradienten vergrößert sich die freie Weglänge und der Kontaktbereich der Anode 8 verschmiert.The anode 8 of the nozzle is dome-shaped and is arranged in the region of the nozzle opening concentrically around the cathode 9 . The anode 8 absorbs the electrode current and is exposed to strong thermal loads. In order to reduce the loads, the contact area of the anode 8 is greatly increased, which increases the pressure gradient in the expansion area. The high pressure gradient increases the free path length and the contact area of the anode 8 is smeared.
Zwischen dem Eintritt und dem Austritt der Düse 24 fällt der Druck von ca. 1 bar auf ca. 0.3 mbar, also zwischen 3 und 4 De kaden ab. Das gebildete Plasmagas wird stark entspannt, wodurch das ursprünglich ca. 20 000 bis 30 000°K heiße Plasma auf ca. 5000°K abgekühlt wird. Der statische Druck am Düsenaustritt ist größer als der Druck im Reaktor. Die Strahlgeschwindigkeit erreicht infolge der starken Expansion des Plasmas etwa ein- bis dreifache Schallgeschwindigkeit.Between the inlet and outlet of the nozzle 24 , the pressure drops from approximately 1 bar to approximately 0.3 mbar, that is, between 3 and 4 decades. The plasma gas formed is greatly expanded, whereby the plasma, which was originally approx. 20,000 to 30,000 ° K hot, is cooled to approx. 5,000 ° K. The static pressure at the nozzle outlet is greater than the pressure in the reactor. The jet speed reaches about one to three times the speed of sound due to the strong expansion of the plasma.
Im nachfolgenden wird kurz auf die Funktionsweise der Düse 23 - also des Arcjets - eingegangen. In der Düse 23 wird zwischen der Kathode 9 und der Anode 8 ein elektrisches Feld aufgebaut. Die aus der Kathode 9 kommenden Elektronen werden stark be schleunigt. Ein Teil der kinetischen Energie der Elektronen wird über Stoßprozesse an das später das Plasma bildende Gas - im folgenden nur noch Wasserstoff genannt - abgegeben, wodurch es zur Ionisation und zur Dissoziation des Wasserstoffs kommt.The mode of operation of the nozzle 23 - that is to say the arcjet - is briefly discussed below. An electric field is established in the nozzle 23 between the cathode 9 and the anode 8 . The electrons coming from the cathode 9 are strongly accelerated. Part of the kinetic energy of the electrons is released via collision processes to the gas that later forms the plasma - hereinafter referred to as hydrogen - which causes the hydrogen to ionize and dissociate.
In der Mitte der nadelförmigen Kathode 9 wird der Wasserstoff tangential zur Kathode 9 eingeleitet, wodurch der Wasserstoff mit einem Drall versehen wird. Aufgrund der konvergierenden Geometrie des Gasraumes zwischen der Anode 8 und dem sie umge benden Gehäuse wird der Wasserstoff beschleunigt und kommt kurz vor dem Konstriktor 26 in Kontakt zwischen dem von der Katho denspitze ausgehenden Entladungsbogen. Der relativ hohe Druck im Bereich des Konstriktors 26 führt zu einer hohen Stoßrate und damit zu einem guten thermischen Kontakt zwischen den Elek troden des Entladungsbogen und des Wasserstoffs und zur Bildung des Plasmas. Nach der Düse 23 weitet sich der Plasmastrahl auf, so daß seine Energiedichte abnimmt.In the middle of the needle-shaped cathode 9 , the hydrogen is introduced tangentially to the cathode 9 , whereby the hydrogen is swirled. Because of the converging geometry of the gas space between the anode 8 and the housing surrounding it, the hydrogen is accelerated and comes into contact shortly before the constrictor 26 between the discharge arc emanating from the cathode tip. The relatively high pressure in the area of the constrictor 26 leads to a high impact rate and thus to a good thermal contact between the electrodes of the discharge arc and the hydrogen and to the formation of the plasma. After the nozzle 23 , the plasma jet expands so that its energy density decreases.
In das schnell strömende Plasma wird von der vorderen, also ausströmseitigen Injektorscheibe 28 das Prozeß- bzw. Precursor gas eingeleitet, dessen Energie im Plasma erhöht und von dem Gasstrom in Richtung des Substrats 2 geleitet, wo es sich als Diamant abscheidet.The process or precursor gas is introduced into the rapidly flowing plasma from the front, that is to say the outflow-side, injector disc 28 , the energy of which increases in the plasma and is guided by the gas flow in the direction of the substrate 2 , where it deposits as a diamond.
Zwischen der Düse 23 und der zu beschichtenden Substratoberflä che 6 ist eine Abdeckung 7 angeordnet, die in Fig. 5 genauer dargestellt ist. Die plattenartige Abdeckung 7 weist in etwa eine Dreiecksform auf. Die Abdeckung 7 ist um einen parallel zur Flächennormalen des Substrats 2 ausgerichtete Schwenkachse 29 schwenkbar gehaltert. An einem Randbereich weist die Ab deckung 7 eine vorzugsweise kreisförmigen Beschichtungsöffnung 30 auf, welche an die Form des Substrats angepaßt ist. Am anderen Bereich, der den gleichen Abstand von der Schwenkachse wie die Beschichtungsöffnung auf. Bis auf die Beschichtungsöffnung 30 ist die Abdeckung geschlossen ausgebildet, wobei der Durchmes ser der Beschichtungsöffnung 30 vorzugsweise ungefähr dem Durchmesser des Substrats 2 entspricht, insbesondere etwa grö ßer ist.A cover 7 is arranged between the nozzle 23 and the substrate surface 6 to be coated, which cover is shown in more detail in FIG. 5. The plate-like cover 7 has approximately a triangular shape. The cover 7 is held pivotably about a pivot axis 29 aligned parallel to the surface normal of the substrate 2 . At an edge region, the cover 7 has a preferably circular coating opening 30 which is adapted to the shape of the substrate. At the other area, the same distance from the pivot axis as the coating opening. Except for the coating opening 30 , the cover is designed to be closed, the diameter of the coating opening 30 preferably corresponding approximately to the diameter of the substrate 2 , in particular being approximately larger.
Mit der Abdeckung 7 wird die bekeimte Substratoberfläche 6 des Substrats 2 vor dem Zünden des Plasmas abgedeckt und erst nach Stabilisierung des Plasmas und/oder des beschichtend wirkenden Gasstroms aus Precursor-Material wieder entfernt. Die Zeit des Abdeckens beträgt nach der Zündung des Plasmas zwischen 5 und 30 min, bevorzugt zwischen 10 und 20 min, besonders bevorzugt etwa 15 min. Sinnvollerweise wird die Abdeckung 7 zumindest während des Abdeckens des Substrats 2 gekühlt. Die Kühlung er folgt zweckmäßigerweise mittels eines flüssigen Kühlmittels, vorzugsweise Wasser, daß durch Kanäle, die in der Abdeckung an geordnet sind, hindurchströmt.The germinated substrate surface 6 of the substrate 2 is covered with the cover 7 before the plasma is ignited and is only removed again after the plasma and / or the coating-effecting gas stream made of precursor material has stabilized. The time of covering after the ignition of the plasma is between 5 and 30 minutes, preferably between 10 and 20 minutes, particularly preferably about 15 minutes. The cover 7 is expediently cooled, at least while the substrate 2 is being covered . The cooling he expediently follows by means of a liquid coolant, preferably water, that flows through channels which are arranged in the cover.
Desweiteren ist es von Vorteil, vor dem Zünden des Plasmas zu erst ein Inert-Gas, vorzugsweise ein Edelgas, besonders bevor zugt Argon (Ar) gasförmig zwischen eine Anode und eine Kathode gasförmig einzuströmen, das Argon zu zünden und daraus ein Ar-Plasma zu erzeugen. In das Ar-Plasma wird während einer Über leitphase Wasserstoff eingeleitet, gezündet und als Plasma-Ma terial verwendet, wobei nach der Überleitphase das Argon ab gestellt wird.Furthermore, it is advantageous to switch on before igniting the plasma only an inert gas, preferably an inert gas, especially before draws argon (Ar) in gaseous form between an anode and a cathode inflow in gaseous form, ignite the argon and out of it To generate Ar plasma. In the Ar plasma is during an over lead phase hydrogen initiated, ignited and as plasma Ma material used, the argon after the transition phase is provided.
Bei dieser Vorgehensweise wird das als Precursor-Material ver wendete Prozeßgas frühestens mit dem H2, insbesondere frühe stens nach der Überleitphase in das Plasma eingeströmt, wobei es insbesondere bei tieferen Temperaturen sinnvoll ist, zusam men mit dem als Precursor-Material verwendeten Prozeß-Gas Sau erstoff (O2) einzuströmen.In this procedure, the process gas used as the precursor material is flowed into the plasma at the earliest with the H 2 , in particular early after the transfer phase, it being particularly useful at lower temperatures, together with the process gas used as the precursor material Intake oxygen (O 2 ).
Nachfolgend wird auf das Verfahren zur Herstellung eines erfin dungsgemäßen mikroelektronischen Bauteils 33 eingegangen. Zu erst wird das gereinigte und in üblicher Weise vorbehandelte Wachstums-Substrat 35 in den Reaktor 10 eingebaut und der Reak tor 10 evakuiert. Nach dem Evakuieren wird das Bauteil 33 hin sichtlich seiner Struktur, insbesondere seiner Schichtstruktur unter Zuhilfenahme des Wachstums-Substrats 35 mittels eines epitaktischen Verfahrens in bekannter Weise hergestellt. Wie schon zuvor erwähnt bilden das Wachstums-Substrat 35 und direkt auf ihm angeordneten Funktionsschichten 36, 37 und 38 des Bau teiles 33 das Substrat 2, das auf seiner außenliegenden Substratoberfläche 6 mit der Diamantschicht 34 zu versehen ist.The method for producing a microelectronic component 33 according to the invention is discussed below. First, the cleaned and pretreated growth substrate 35 is installed in the reactor 10 and the reactor 10 is evacuated. After evacuation, the component 33 is produced in a known manner with regard to its structure, in particular its layer structure, with the aid of the growth substrate 35 by means of an epitaxial method. As already mentioned, the growth substrate 35 and the functional layers 36 , 37 and 38 of the component 33 arranged directly on it form the substrate 2 , which is to be provided on its outer substrate surface 6 with the diamond layer 34 .
Nach der Herstellung des Substrats 2 wird auf die vom Wachs tums-Substrat 35 abweisende Substratoberfläche 6 bspw. mittels eines lithographischen Verfahrens bereichsweise eine Immunisie rungsschicht, bspw. ein Fotolack AZ 4533 mit der Schichtdicke 1 bis 5 µm aufgetragen, der bei ca. 80°C ausgebacken wird. Im Bereich der Immunisierungsschicht ist die Bekeimung der Substratoberfläche 6 verhindert oder zumindest erschwert. Eine Erschwerung ist hierbei derart zu verstehen, daß nach der Be keimung die in diesen Bereichen vorliegende Keimdichte zu ge ring für die Ausbildung einer geschlossenen Diamantabscheidung ist.After the production of the substrate 2 , an immunization layer, for example a AZ 4533 photoresist with a layer thickness of 1 to 5 μm, is applied to the substrate surface 6 that repels from the growth substrate 35, for example by means of a lithographic method C is baked. Germination of the substrate surface 6 is prevented or at least made more difficult in the area of the immunization layer. An aggravation is to be understood here such that, after germination, the germ density present in these areas is too high for the formation of a closed diamond deposition.
Anstelle der genannten Vorgehensweise bei der Bekeimung sind auch andere Arten der selektiven Bekeimung möglich. So ist es insbesondere möglich, an den Orten, an denen später die Dia mantschicht angeordnet sein soll, ein Fotolack aufzutragen, der mit Wachstumskeimen für die Diamantschicht vermischt ist. Hier erfolgt also keine Unterdrückung einer Bekeimung, sondern wird durch den Fotolack vorgegeben.Instead of the mentioned procedure for germination other types of selective germination are also possible. That's the way it is especially possible in the places where the slide layer should be arranged to apply a photoresist, the is mixed with growth nuclei for the diamond layer. Here So there is no suppression of germination, but rather given by the photoresist.
Nach dem Aufbringen der Immunisierungsschicht erfolgt die Be keimung der verbleibenden freien Substratoberfläche 6. Die Substratoberfläche wird vorzugsweise mechanisch und/oder durch Zuhilfenahme von Ultraschall bekeimt.After the application of the immunization layer, the remaining free substrate surface 6 is germinated. The substrate surface is preferably germinated mechanically and / or by using ultrasound.
Bei der Ultraschall-Bekeimung wird das Substrat in einen Tank mit einer Diamant-Wasser-Suspension eingelegt und mit Ultra schall bestrahlt. Hierbei wird die Substratoberfläche 6 bevor zugt im Bereich außerhalb der Immunisierungsschicht mit den Wachstumskeimen versehen.In ultrasonic germination, the substrate is placed in a tank with a diamond-water suspension and irradiated with ultrasound. Here, the substrate surface 6 is preferably provided with the growth nuclei in the area outside the immunization layer.
Bei der mechanischen Bekeimung wird auf die Substratoberfläche 2 ein Sclamm aus Isopropanol und Diamantpulver aufgebracht und die Körner des Diamantpulvers in die Substratoberfläche 6 eingerieben bzw. einpoliert. Auch hierbei wird die Substrato berfläche 6 bevorzugt außerhalb der Immunisierungsschicht mit den Wachstumskeimen versehen.In the mechanical seeding a sunk into mud of isopropanol and diamond powder to the substrate surface 2 is applied and rubbed in the grains of the diamond powder into the substrate surface 6 and is polished. Here too, the substrate surface 6 is preferably provided with the growth nuclei outside the immunization layer.
Nach der Bekeimung wird die Immunisierungsschicht entfernt und die Diamantschicht 34 - wie zuvor schon beschrieben - abge schieden. Insbesondere kann die Immunisierungsschicht bei oder schon vor der Abscheidung der Diamantschicht 34 bspw. durch Auflösen in Aceton- Einäschern im Sauerstoffplasma, durch Plas maätzen oder rein thermisch entfernt werden.After germination, the immunization layer is removed and the diamond layer 34 - as already described - is deposited. In particular, the immunization layer can be removed during or before the deposition of the diamond layer 34, for example by dissolving in acetone incinerators in the oxygen plasma, by plasma etching or purely thermally.
Im der nachfolgenden Tabelle werden die Versuchsparameter bei
verschiedenen Substratmaterialien und deren Ergebnisse darge
stellt. Alle Substrate wurde vergleichbar vorbehandelt, insbe
sondere gereinigt und entsprechend dem später dargestellten
Verfahren bekeimt; die Keimdichte und die Größe der Wachstums
keime war vergleichbar. Für die Tabelle werden folgende Be
zeichnungen verwendet:
Nr.: Nummer der Probe,
Sub.: Material des Substrats, wobei das mikroelektronische
Bauteil ein MOSFET in SI/SiO2-Technik war, der vor
und nach der Beschichtung noch vollkommen funktions
tüchtig war,
CH4/H2: Verhältnis von Methan zu Wasserstoff in Prozent [%],
O2/CH4: Verhältnis von Sauerstoff zu Methan in Prozent [%],
H2-Fluß: Gasfluß von Wasserstoff in [s/m],
ID: Stromfluß in der Düse zwischen der Anode und der
Kathode in Ampere [A],
TS: Substrattemperatur bei der Diamantabscheidung in
[°C],
PD: mittlere Leistung am Arcjet in [kW],
tW: Prozeßdauer in [min],
dS: mittlere Schicht dicke der Diamantschicht in [µm],
vS: Wachstumsgeschwindigkeit bzw. -rate in [µm/h] und
Haftung: Haftung der Diamantschicht auf dem jeweiligen
Substrat.The table below shows the test parameters for various substrate materials and their results. All substrates were pretreated in a comparable manner, in particular cleaned in particular and germinated in accordance with the method described later; the germ density and the size of the growth germs were comparable. The following designations are used for the table:
No .: number of the sample,
Sub .: material of the substrate, the microelectronic component being a MOSFET in SI / SiO 2 technology, which was still fully functional before and after the coating,
CH 4 / H 2 : ratio of methane to hydrogen in percent [%],
O 2 / CH 4 : ratio of oxygen to methane in percent [%],
H 2 flow: gas flow of hydrogen in [s / m],
I D : current flow in the nozzle between the anode and the cathode in amperes [A],
T S : substrate temperature during diamond deposition in [° C],
P D : average power on the Arcjet in [kW],
t W : process duration in [min],
d S : middle layer thickness of the diamond layer in [µm],
v S : growth rate or rate in [µm / h] and
Adhesion: Adhesion of the diamond layer on the respective substrate.
Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, konnten auf allen Substra ten hohe Wachstumsgeschwindigkeiten bzw. -raten erzielt werden, die gegenüber den bei diesen Temperaturen bekannten Wachstums geschwindigkeiten bzw. -raten um etwa eine Dekade höher sind.As can be seen from the table, all substra high growth speeds or rates are achieved, compared to the growth known at these temperatures speeds or rates are about a decade higher.
Alle aufgeführten Proben wiesen eine gute Haftung der Diamant schicht mit dem Substrat auf. Dabei wurde die Haftung mit dem sogenannten Scotch-Tape-Test (ST-Test) ermittelt. Bei diesem Test wir die Diamantschicht mit einem Klebestreifen (Markenname Tesa-Film oder Scotch) überklebt. Löst sich beim Abziehen des Klebestreifens die Diamantschicht nicht vom Substrat, so wird die Haftung als ausreichend betrachtet.All of the samples listed showed good diamond adhesion layer with the substrate. The liability with the So-called scotch tape test (ST test) determined. With this Let's test the diamond layer with an adhesive strip (brand name Tape or scotch). Disengages when the Adhesive tape does not remove the diamond layer from the substrate liability considered sufficient.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung können insbesondere zur Diamantbeschichtung von tribologisch beanspruchten Bauteilen und Werkzeugen verwendet werden. Ferner ist auch die Verwendung zur Diamantbeschichtung von zerspanenden bzw. spanabhebenden Werkzeugen, insbesondere von Schneidwerkzeugen wie Wendeschneideplatte, Bohrer usw. mög lich. Besonders ist es für Bauteile und Werkzeuge geeignet, die aus Wolframcarbid mit Co (WC-Co) gefertigt sind. In besondere weise können auch mikroelektronischen Bauteil, die eine Kompo sit-Struktur in einer akzeptablen Zeit mit Diamant beschichtet werden, ohne das deren Funktion gefährdet wäre. Da die Be schichtung bereits bei Temperaturen unterhalb von 450°C statt finden kann gilt dies günstigerweise auch für mikroelektroni sche Bauteile, die mit metallischen, insbesondere aus Aluminium gefertigten, Leiterbahnen versehen sind.The method according to the invention or the one according to the invention Device can be used in particular for diamond coating components and tools used for tribological purposes will. It is also used for diamond coating of cutting or cutting tools, in particular of cutting tools such as indexable insert, drill, etc. possible Lich. It is particularly suitable for components and tools that are made of tungsten carbide with Co (WC-Co). In particular Wise can also use microelectronic components that have a compo Sit structure coated with diamond in an acceptable time without their functionality being jeopardized. Since the Be stratification takes place at temperatures below 450 ° C This can also be conveniently found for microelectronics cal components with metallic, especially aluminum manufactured, conductor tracks are provided.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vor richtung sind auch zur Diamantbeschichtung von Bauteilen und Werkzeug günstig, die von aus Leichtmetallen und/oder deren Le gierungen, insbesondere Aluminium und/oder Magnesium, und/oder von Halbleitermaterialien, insbesondere Silizium, und/oder aus Metallegierungen, insbesondere WC-Co, gefertigt sind.The method according to the invention and the front according to the invention are also used for diamond coating of components and Cheap tool made of light metals and / or their Le alloys, in particular aluminum and / or magnesium, and / or of semiconductor materials, in particular silicon, and / or Metal alloys, especially WC-Co, are made.
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D2 | Grant after examination | ||
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