DE3690606C2 - Verfahren zur Synthese von Diamant - Google Patents
Verfahren zur Synthese von DiamantInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Synthese von Diamant nach der chemischen Dampfphasen-
Wachstumsmethode durch Zersetzung einer verdampften
organischen Verbindung, die Kohlenstoff, Wasserstoff und
mindestens eines der Elemente Sauerstoff und Stickstoff
enthält, in einem Reaktionsrohr unter Bildung eines Gases.
Die bisher bekannten Verfahren zur Synthese von Diamant
werden je nach Ausgangsmaterial in die folgenden Klassen
eingeteilt:
- 1) (siehe B.V. Spitsyn et al; VAPOR GROWTH OF DIAMOND ON
DIAMOND AND OTHER SURFACES, Journal of Crystal Growth
52 (1981) 219-226). Es wird ein Kohlenwasserstoff als
Ausgangsmaterial verwendet.
Das chemische Dampfphasen-Abscheidungsverfahren zur Zersetzung eines Gases durch Wärmeenergie, die Energie eines Elektronenstrahls, eines Plasmas oder dgl. zur Bildung von Kohlenstoffatomen in einem aktivierten Zustand und die Abscheidung von Diamant auf einem Substrat. - 2) Als Ausgangsmaterial wird Graphit verwendet.
- 1. Das Ionenstrahlverfahren zur Erzeugung von positiven Kohlenstoffionen aus Graphit nach der Entladungsmethode, bei dem die Ionen beschleunigt und fokussiert werden und die beschleunigten und fokussierten Ionen auf die Oberfläche eines Substrats auftreffen gelassen werden unter Abscheidung von Diamant darauf (siehe Sol Aisenberg and Ronald Chabot; Ion-Beam Deposition of Thin Films of Diamondlike Carbon, Journal of Applied Physics, Vol 42, Nr. 7 (1971) 2953-2958).
- 2. Das chemische Transportverfahren, bei dem Graphit, Wasserstoff und ein Substrat in einem abgeschlossenen Reaktionsrohr angeordnet werden, wobei der Graphit in einem Hochtemperaturabschnitt und das Substrat in einem Niedertemperaturabschnitt angeordnet sind, Wärmeenergie oder dgl. auf das Wasserstoffglas einwirken gelassen wird, um Wasserstoffatome zu erzeugen und Diamant auf der Oberfläche des Substrats abgeschieden wird (siehe Seiichiro Matsumoto et al; Growth of diamond particles from methane-hydrogen gas, Journal of Materials Science 17 (1982) 3106-3112).
Nach dem vorstehend beschriebenen chemischen
Dampfphasenabscheidungsverfahren 1) kann ein
Diamantfilm mit einer Wachstumsgeschwindigkeit von 0,1
bis 3 µm pro Stunde auf der Oberfläche des erhitzten
Substrats gebildet werden, wenn die Operation unter
vermindertem Druck (1,3 bis 13,3 kPa = 10-100 Torr) bei
einer Kohlenwasserstoffkonzentration von 0,1 bis 1,0%
durchgeführt wird. Dieses Verfahren hat jedoch den
Nachteil, daß der Bereich der Bedingungen für die
Synthese von Diamant eng ist, daß häufig eine
Abscheidung von Graphit
oder Nicht-Diamant-Kohlenstoff auftritt und daß die Diamant
abscheidungsgeschwindigkeit niedrig ist. Insbesondere im Falle
der Verwendung von Kohlenwasserstoffen, die nur aus Kohlen
stoff und Wasserstoff bestehen, sind die Arten der verwendba
ren Ausgangsmaterialien beschränkt.
Das vorstehend beschriebene Ionenstrahlverfahren (2)-1 bietet
den Vorteil, daß auf der Oberfläche des Substrats Diamant bei
normaler Temperatur abgeschieden werden kann, es hat jedoch
den Nachteil, daß eine Ionenstrahl-Erzeugungsapparatur und
eine Fokussierungs-Apparatur teuer sind, daß die für die
Entladung verwendeten Inertgas-Atome in dem Diamantfilm ein
gefangen werden und daß gleichzeitig mit dem Diamant i-Koh
lenstoff abgeschieden wird.
Da das vorstehend beschriebene chemische Transportverfahren
ein in einem geschlossenen Rohr durchgeführtes Verfahren ist,
bei dem ein Kohlenwasserstoff verwendet wird, der durch Um
setzung zwischen Graphit und atomarem Wasserstoff im ge
schlossenen Rohr gebildet worden ist, ist eine kontinuierli
che Operation unmöglich und die Dicke eines Diamantfilms,
der synthetisiert werden kann, ist beschränkt. Das Verfahren
hat auch den Nachteil, daß die Diamantsynthesebedingungen,
wie z. B. die Konzentration der Reaktionsgase und die Er
hitzungstemperatur, nicht unabhängig voneinander gesteuert
(kontrolliert) werden können.
In dem in den geprüften japanischen Patentpublikationen
59-27753 und 59-27754 beschriebenen Verfahren, bei dem Diamant
synthetisiert wird unter Verwendung von Wasserstoff und eines
Kohlenwasserstoffs allein sind die Arten der verwendbaren Aus
gangsgase extrem beschränkt und die Gase, die in der Praxis
verwendet werden können, sind nur Methan, Ethan und Ethylen.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die obenge
nannten Mängel der konventionellen Verfahren zu vermeiden
und ein Verfahren zur Synthese von Diamant zu schaffen, bei
dem der Bereich der Diamantsynthesebedingungen breit ist,
die verwendete Apparatur und das verwendete Ausgangsmaterial
nicht teuer sind, eine große Anzahl von Arten von Gasen als
Ausgangsmaterial verwendet werden kann und Diamant mit einer
hohen Qualität in einer hohen Abscheidungsgeschwindigkeit er
halten werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine organische Verbin
dung, die zusätzlich zu Kohlenstoff und Wasserstoff Sauerstoff
und/oder Stickstoff enthält (nachstehend gelegentlich als
"organische Verbindung" bezeichnet), in eine Gasphase überführt
und mit Wasserstoffgas gemischt, das gemischte Gas wird durch
Wärmeenergie, Elektronenstrahlen, Licht oder das Plasma einer
Gleichstrom-Glimmentladung oder eine Wechselstrom- oder Gleich
strom-Lichtbogenentladung zersetzt unter Bildung einer Methyl
gruppe und von atomarem Wasserstoff, und das zersetzte Gas wird
der Oberfläche eines bevorzugt auf 500 bis 900°C erhitzten Substrats zu
geführt unter Abscheidung von Diamant darauf, wodurch das
obengenannte Ziel erreicht werden kann. Das signifikanteste
Merkmal der vorliegenden Erfindung beruht darauf, daß geeigne
te Bedingungen für die Synthese von Diamant mit einer Kombi
nation aus einem Ausgangsmaterial, das aus einer organischen
Verbindung besteht, die ein Sauerstoff- oder Stickstoffatom
enthält (das obengenannte Methanol, Ethanol, Aceton, Methyl
amin und dgl.), und einer Energieerzeugungseinrichtung gefunden
wurde.
Nachstehend werden typische organische Verbindungen, die er
findungsgemäß verwendet werden können, genannt:
- I) O-enthaltende organische Verbindungen
Alkoholgruppe (-OH)- C₂H₅OH: Ethanol
- CH₃OH: Methanol
- (CH₃)₂CHOH: 2-Propanol
- (CH₃)₃COH: 2-Methyl-2-propanol
- CH₃-CH₂-CH₂OH: 1-Propanol
- (CH₃)₂-C(OH)CH₂COCH₃: Diacetonalkohol
- CH₂=CHCH₂OH: Allylalkohol
- Äthergruppe (-O-)
- CH₃OCH₃: Dimethyläther
- CH₃CH₂-O-CH=CH₂: Ethoxyethylen
- CH₃-O-CH₂CH₃: Ethylmethyläther
- (CH₃CH₂)O: Diethyläther (CH₃COO)₂O: Acetyläther
- Ketongruppe (C=O)
- CH₃COCH₃: Aceton
- Ketongruppe
- CH₃COC₂H₅: Ethylmethylketon
- C₂H₅COC₂H₅: Diethylketon
- CH₃COCH₂COCH₃: 2,4-Pentandion
- C₆H₅COCH₃: Acetophenon
- C₁₀H₇COCH₂CH₂CH₃: 1′-Butyronaphthon
- Ester (RCOOR′)
- CH₃COOCH₃: Methylacetat
- CH₃COOC₂H₅: Ethylacetat
- CH₃COOC₅H₁₁: Isoamylacetat
- Ketengruppe
- (CH₃)₂C=CO: Dimethylketen
- C₆H₅-CH=CO: Phenylketen
- Acetylgruppe (CH₃CO-)
- CH₃COOH: Essigsäure
- (CH₃CO)₂O: Essigsäureanhydrid
- CH₃CO C₆H₅: Acetophenon
- (CH₃CO)₂: Biacetyl
- Aldehydgruppe (-CHO)
- HCHO: Formaldehyd
- CH₃CHO: Acetaldehyd
- C₂H₃CH₂CHO: Propionaldehyd
- Peroxidbindung (-O-O-)
- (CH₃)₃COOH: tert-Butylhydroxyperoxid
- ((CH₃)₃CO)₂: Di-tert-butylperoxid
- CH₃OOH: Methylhydroxyperoxid
- (CH₃)₃COOCOCH₃: tert-Butylperoxidacetat
- (CH₃)₂CHOOCH₃: Isopropylmethylperoxid
- CH₃COOOC₂H₅: Methylethylketonperoxid
- CH₃COOOH: Peressigsäure
- II) N-enthaltende organische Verbindungen
Amin (RNH₂)- CH₃NH₂: Methylamin
- CH₃CH₂NH₂: Ethylamin
- (CH₃)₂NH: Dimethylamin
- (CH₃)₃N: Trimethylamin
- (CH₃)₂CHNH₂: Isopropylamin
- Nitrilgruppe
- CH₃CN: Acetonitril
- C₆H₅CN: Benzonitril
- CH₂=CHCN: Acrylonitril
- (CH₃)₃CCN: Pivalonitril
- Amidgruppe
- CH₃(CH₂)₄CONH₂: Hexanamid
- CH₃CONH₂: Acetamid
- Nitrogruppe
- C₂H₅NO₂: Nitroethan
- CH₃NO₂: Nitromethan
- C₆H₅NO₂: Nitrobenzol
- C₃H₇NO₂: Nitropropan
Die vorliegende Erfindung wird unterteilt in zwei Aspekte je
nach der verwendeten organischen Verbindung.
Es wird angenommen, daß das Prinzip des erfindungsgemäßen Ver
fahrens das folgende ist:
Erfindungsgemäß wird ein gemischtes Gas aus einer organischen
Verbindung, wie oben erwähnt, und Wasserstoff durch Wärmeener
gie, durch Elektronenstrahlen, Licht, das Plasma einer Glimm
entladung oder das Plasma einer Gleichstrom- oder Wechsel
strom-Lichtbogenentladung (nachstehend als Plasma bezeichnet)
zersetzt unter Bildung einer Methylgruppe und von atomarem
Wasserstoff. Diese Methylgruppe hält eine Struktur vom Dia
mant-Typ auf der erhitzten Substratoberfläche aufrecht und
verhindert Doppel- und Dreifachbindungen zwischen den anderen
Kohlenstoffatomen. Atomarer Wasserstoff bindet sich an
Graphit oder Nicht-Diamant-Kohlenstoff unter Bildung eines
Kohlenwasserstoffs und der atomare Wasserstoff wird in Form
des Kohlenwasserstoffs entfernt. Daher übt der atomare Wasser
stoff eine Reinigungsfunktion auf die Substratoberfläche aus.
Um Diamant unter den Temperatur- und Druckbedingungen zu
synthetisieren, unter denen Graphit thermodynamisch stabil
ist, müssen die aktiven Zustände der chemisch aktiven Methyl
gruppe und des atomaren Wasserstoffs aufrecht erhalten wer
den. Außerdem ist es zur Bildung eines Diamantfilms erforder
lich, eine für die Bildung einer Struktur vom Diamant-Typ
ausreichende Reaktionsenergie zuzuführen.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren beträgt das Mischungsver
hältnis zwischen der organischen Verbindung und dem Wasser
stoff vorzugsweise nicht mehr als 1, um eine Abscheidung
von Graphit oder Nicht-Diamant-Kohlenstoff zu ver
hindern, und zur Synthese von körnigem oder filmartigem
Diamant ist es besonders bevorzugt, daß das obengenannte
Mischungsverhältnis nicht mehr als 0,04 beträgt.
Zur Bildung einer Methylgruppe und von atomarem Wasserstoff
durch thermische Zersetzung beträgt die Temperatur des Er
hitzungselements vorzugsweise mindestens 1500°C, insbesondere
2000 bis 2800°C. Als Erhitzungselement können beispielsweise
genannt werden Fäden aus Wolfram, Molybdän, Tantal und Legie
rungen davon.
Der Druck in dem Reaktionsrohr, in dem das Substrat ange
ordnet ist, beträgt 1,33 bis 1,33 × 10⁵ Pa,
vorzugsweise 1,33 × 10⁴ bis 1,07 × 10⁵ Pa.
Um eine Methylgruppe und atomaren Wasserstoff durch Zer
setzung durch einen Elektronenstrahl zu bilden, beträgt die
Stromdichte des auf die Oberfläche des Substrats auftreffen
den Elektronenstrahls mindestens 1 mA/cm².
Um eine Methylgruppe und atomaren Wasserstoff durch Zer
setzung durch Licht zu bilden, beträgt die Wellenlänge des
Lichtes vorzugsweise nicht mehr als 600 nm, insbesondere nicht
mehr als 350 nm für die Methylgruppe und nicht mehr als 85 nm.
Um eine Methylgruppe und atomaren Wasserstoff durch Zer
setzung durch Plasma zu bilden, beträgt die Leistungsdichte der
Entladung vorzugsweise nicht weniger als 1 W/cm².
Für die Zersetzung durch ein Plasma kann eine übliche Gleich
strom- oder Wechselstrom-Hochfrequenz- oder Mikrowellen-Plas
ma-Entladung angewendet werden.
Die Fig. 1 zeigt ein systematisches Diagramm, das ein Bei
spiel der Vorrichtung zur Synthese von Diamant durch thermi
sche Zersetzung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert;
Fig. 2 zeigt ein Diagramm, das den Hauptteil eines Beispiels
der Vorrichtung zur Synthese von Diamant durch Elektronen
strahlzersetzung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren er
läutert;
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das den Hauptteil eines Beispiels
der Vorrichtung zur Synthese von Diamant durch Lichtzersetzung
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert;
Fig. 4 zeigt ein Diagramm, das einen Hauptteil eines Beispiels
der Vorrichtung zur Synthese von Diamant durch Plasmazer
setzung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert;
Fig. 5 zeigt eine Photographie, die das Reflexions-Elektronen
strahl-Beugungsbild von Diamant, wie er in Beispiel 1 gemäß
dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung erhalten wurde,
zeigt;
Fig. 6 und 7 stellen mit einem Elektronenmikroskop vom Ab
tast-Typ angefertigte Photographien der Oberfläche und des Quer
schnitts des Diamants dar, wie er in Beispiel 1 gemäß dem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung erhalten wurde; und
Fig. 8 zeigt eine mit einem Elektronenmikroskop vom Abtast-
Typ angefertigte Photographie des körnigen Diamants, wie er
in Beispiel 3 gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfin
dung erhalten wurde.
Die Fig. 1 bis 4 erläutern Beispiele für die Vorrichtung zur
Synthese von Diamant nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Ins
besondere zeigt die Fig. 1 eine systematische Ansicht des
Verfahrens, in dem die thermische Zersetzung angewendet wird,
die Fig. 2 zeigt eine Ansicht, die einen Hauptteil des Ver
fahrens erläutert, in dem die Zersetzung durch Elektronen
strahlen angewendet wird, Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das einen
Hauptteil des Verfahrens erläutert, in dem die Lichtzersetzung
angewendet wird, und Fig. 4 zeigt ein Diagramm, das einen Haupt
teil in dem Verfahren erläutert, in dem die Plasmazersetzung
angewendet wird.
In der Fig. 1 stellt die Bezugsziffer 1 eine Vorrichtung zur
Einführung einer organischen Verbindung und von Wasserstoff
dar, die Bezugsziffer 2 stellt einen Erhitzungsofen dar, die
Bezugsziffer 3 stellt ein Substrat-Trägergestell dar, die
Bezugsziffer 4 stellt ein Reaktionsrohr dar, die Bezugsziffer
5 stellt ein Substrat dar, die Bezugsziffer 6 stellt einen
Wolframfaden dar, die Bezugsziffer 7 stellt eine Absaugvor
richtung dar, die Bezugsziffer 8 stellt eine Absaugöffnung
dar, die Bezugsziffern 9, 10, 11 und 12 stellen jeweils einen
Absperrhahn dar. Zuerst wird das Substrat 5 auf das Substrat-
Trägergestell 3 in dem Reaktionsrohr 4 gelegt und die Luft
in dem Reaktionsrohr 4 wird durch die Absaugeinrichtung 7
entfernt. Dann werden die Konzentration und die Strömungsrate
des gemischten Gases durch die Absperrhähne 10, 11 und 12 ein
gestellt und das gemischte Gas wird in das Reaktionsrohr 4 ein
geführt und der Druck in dem Reaktionsrohr 4 wird durch den Ab
sperrhahn 9 auf einen vorgegebenen Wert gehalten. Das ge
mischte Gas wird aus dem oberen Abschnitt in das Reaktions
rohr 4 eingeführt und durch den Wolframfaden 6 geleitet, der
in der Nähe des Substrat-Trägergestells 3 angeordnet ist, und
das gemischte Gas wird der Oberfläche des Substrats 5 zugeführt.
Der Heizofen 2 und der Wolframfaden 6 werden auf vorgegebene
Temperaturen erhitzt.
Ein Körper aus einem Metall, wie z. B. Si oder dgl., aus ge
sinterter Keramik, wie z. B. SiC, oder aus körnigem SiC oder
dgl. wird als Substrat 5 verwendet.
Die Fig. 2 erläutert den umgebenden Abschnitt des Reaktions
rohres 4; der übrige Abschnitt ist weggelassen. In der Fig. 2
stellt die Bezugsziffer 13 eine Gleichstrom-Energiequelle zur
Erzeugung des Elektronenstrahls zwischen dem Wolframfaden 16
und dem Substrat dar.
Die gleichen Elemente wie die in Fig. 1 gezeigten Elemente
werden durch die gleichen Bezugsziffern bezeichnet. In der
Fig. 3 stellt die Bezugsziffer 14 eine Lichtquelle dar und
die Bezugsziffer 15 stellt ein lichtdurchlässiges Fenster dar
und in der Fig. 4 bezeichnet die Bezugsziffer 16 eine Plasma-
erzeugende Energiequelle und die Bezugsziffer 17 bezeichnet
eine Elektrode.
Als Substrat 5 wurde ein Silicium-Wafer mit polierter Oberflä
che verwendet und als Reaktionsgas wurde ein Gasgemisch aus
Aceton (CH₃COCH₃) und Wasserstoff in einem Volumenverhältnis
1 : 50 verwendet. Der Druck in dem Reaktionsrohr 4 wurde auf
1,33 × 10⁴ Pa (100 Torr) eingestellt. Das Substrat wurde auf
650°C erhitzt und der Wolframfaden 6 wurde auf 2000°C er
hitzt und das Aufwachsenlassen wurde 1 Stunde lang durchge
führt. Auf dem Substrat 5 wurde die Abscheidung eines filmar
tigen Diamants mit einer Dicke von etwa 20 µm beobachtet. Die
Vickers-Härte des erhaltenen filmartigen Diamants betrug
9500 bis 12 000 kg/mm², was im wesentlichen dem Wert von na
türlichem Diamant entspricht. Ein Reflexions-Elektronenstrahl-
Beugungsbild des filmartigen Diamants ist in Fig. 5 darge
stellt. Aus diesem Beugungsbild war zu erkennen, daß der film
artige Diamant kubischer Diamant war. Die Fig. 6 zeigt eine
mit einem Abtast-Elektronenmikroskop angefertigte Photo
graphie der Oberfläche des filmartigen Diamants und die Fig.
7 zeigt eine mit einem Elektronenmikroskop vom Abtast-Typ an
gefertigte Photographie des Querschnittes des filmartigen Dia
mants.
Als Substrat 5 wurde ein Silicium-Wafer mit polierter Ober
fläche verwendet und als Reaktionsgas wurde ein Gasgemisch
aus Aceton (CH₃COCH₃) und Wasserstoff in einem Volumen-Mi
schungsverhältnis von 1 : 100 verwendet. Der Druck in dem Reak
tionsrohr 4 wurde auf 10⁵ Pa (760 Torr = Atmosphärendruck)
eingestellt und das Aufwachsenlassen wurde 1 Stunde lang bei
einer Substrattemperatur von 600°C durchgeführt, während der
Wolframfaden 6 für die thermische Zersetzung auf 2000°C er
hitzt wurde. Auf dem Substrat 5 wurde eine Abscheidung von
filmartigem Diamant mit einer Dicke von etwa 20 µm festge
stellt.
Als Substrat 5 wurde ein Silicium-Wafer mit Spiegeloberfläche
verwendet und als Reaktionsgas wurde ein Gasgemisch aus Ace
ton (CH₃COCH₃) und Wasserstoff in einem Volumenmischungsver
hältnis von 1 : 100 verwendet. Der Druck in dem Reaktionsrohr
4 wurde auf 1,33 × 10⁴ Pa (100 Torr) eingestellt und das Auf
wachsenlassen wurde 1 Stunde lang durchgeführt bei einer Sub
strattemperatur von 650°C, während der Wolframfaden 6 auf ei
ne Temperatur von 2000°C erhitzt wurde. Auf dem Substrat 5
wurde die Abscheidung von körnigem Diamant mit einer Teilchen
größe von etwa 20 µm festgestellt. Die Fig. 8 zeigt eine mit
einem Elektronenmikroskop vom Abtast-Typ angefertigte Photo
graphie des erhaltenen körnigen Diamants.
Als Substrat 5 wurde ein Silicium-Wafer mit polierter Oberflä
che verwendet und als Reaktionsgas wurde ein Gasgemisch aus
Methylacetat (CH₃COOCH₃) und Wasserstoff in einem Volumen
mischungsverhältnis von 1 : 500 verwendet. Der Druck in dem
Reaktionsrohr 4 wurde auf 6,67 × 10³ Pa (50 Torr) einge
stellt und die Substrattemperatur wurde auf 750°C eingestellt
und das Aufwachsenlassen wurde 1 Stunde lang durchgeführt,
während der Wolframfaden auf eine Temperatur von 2000°C er
hitzt wurde. Auf dem Substrat 5 wurde die Abscheidung eines
filmartigen Diamants mit einer Dicke von etwa 10 µm festge
stellt.
Als Substrat 5 wurde ein Silicium-Wafer mit polierter Oberflä
che verwendet und als Reaktionsgas wurde ein Gasgemisch aus
Methanol (CH₃OH) und Wasserstoff in einem Volumenmischungsver
hältnis von 1 : 100 verwendet. Der Druck in dem Reaktionsrohr 4
wurde auf 6,67 × 10³ Pa (50 Torr) eingestellt und die Substrat
temperatur wurde auf 700°C eingestellt. Das Aufwachsenlassen
wurde 1 Stunde lang durchgeführt, während der Wolframfaden 6
auf eine Temperatur von 2000°C erhitzt wurde. Auf dem Sub
strat 5 wurde die Abscheidung eines filmartigen Diamants mit
einer Dicke von etwa 3 µm festgestellt.
Als Substrat 5 wurde ein Silicium-Wafer mit polierter Oberflä
che verwendet und als Reaktionsgas wurde ein Gasgemisch aus
Ethanol (C₂H₅OH) und Wasserstoff in einem Volumenmischungsver
hältnis von 1 : 500 verwendet. Der Druck in dem Reaktionsrohr 4
wurde auf 5,33 × 10³ Pa (40 Torr) eingestellt und die Substrat
temperatur wurde auf 600°C eingestellt. Das Aufwachsenlassen
wurde 1 Stunde lang durchgeführt, während der Wolframfaden 6
auf eine Temperatur von 2000°C erhitzt wurde. Auf dem Sub
strat 5 wurde die Abscheidung eines filmartigen Diamants mit
einer Dicke von etwa 5 µm festgestellt.
Als Substrat 5 wurde ein Silicium-Wafer mit polierter Oberflä
che verwendet und als Reaktionsgas wurde ein Gasgemisch aus
Trimethylamin [(CH₃)₃N] und Wasserstoff in einem Volumen
mischungsverhältnis von 1 : 100 verwendet. Der Druck in dem
Reaktionsrohr wurde auf 6,67 × 10³ Pa (50 Torr) eingestellt
und die Substrattemperatur wurde auf 650°C eingestellt. Das
Aufwachsenlassen wurde 1 Stunde lang durchgeführt, während
der Wolframfaden 6 auf eine Temperatur von 2000°C erhitzt
wurde. Auf dem Substrat 5 wurde die Abscheidung eines filmar
tigen Diamants mit einer Dicke von etwa 3 µm festgestellt.
Zur Herstellung von Diamant wurde die gleiche Vorrichtung wie
in den Beispielen 1 bis 7 verwendet, wobei die Bedingungen,
wie z. B. die Arten und Strömungsraten der Gase zur Herstellung
des Diamants, die Substrattemperatur, die Fadentemperatur und
dgl., variiert wurden. Die Strömungsgeschwindigkeit der Gase
ist in der folgenden Tabelle in Klammern in den Einheiten
SCCM (wie auch weiter unten) angegeben.
Als Substrat 5 wurde ein Silicium-Wafer mit polierter Oberflä
che verwendet, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, und als Reak
tionsgas wurde ein Gasgemisch aus Acetontrimethylamin [(CH)₃N]
und Wasserstoff in einem Volumenmischungsverhältnis von 1 : 100
verwendet. Der Druck in dem Reaktionsrohr 4 wurde auf 6,67×10³
Pa (50 Torr) eingestellt und die Substrattemperatur wurde auf
550°C eingestellt und der Wolframfaden 6 wurde auf 2000°C er
hitzt. Die Oberfläche des Substrats 5 wurde mit einem Elektro
nenstrahl in einer Stromdichte von 10 mA/cm² bestrahlt und das
Aufwachsenlassen wurde 1 Stunde lang durchgeführt. Auf dem
Substrat 5 wurde die Abscheidung eines filmartigen Diamants
mit einer Dicke von etwa 2 bis 3 µm festgestellt.
Als Substrat 5 wurde ein Silicium-Wafer mit polierter Ober
fläche, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, verwendet und als
Reaktionsgas wurde ein Gasgemisch aus Aceton (CH₃COCH₃) und
Wasserstoff in einem Volumenmischungsverhältnis von 1 : 100
verwendet. Der Druck in dem Reaktionsrohr 4 wurde auf 6,67 ×
10³ Pa (50 Torr) eingestellt und die Substrattemperatur wur
de auf 750°C eingestellt und der Wolframfaden 6 wurde auf
2000°C erhitzt. Die Oberfläche des Substrats 5 wurde mit
einem Elektronenstrahl in einer Stromdichte von 10 mA/cm²
bestrahlt und das Aufwachsenlassen wurde 1 Stunde lang
durchgeführt. Auf dem Substrat 5 wurde die Abscheidung eines
filmartigen Diamants mit einer Dicke von etwa 25 µm festge
stellt.
Zur Herstellung von Diamant wurde die gleiche Vorrichtung wie
in den Beispielen 9 und 10 verwendet, wobei die Bedingungen,
wie z. B. die Arten und Strömungsraten der Gase zur Herstel
lung von Diamant, die Substrattemperatur, der Druck des Reak
tionsgases, die Stromdichte und dgl., variiert wurden.
Als Substrat 5 würde ein Silicium-Wafer mit polierter Ober
fläche, wie er in Fig. 3 gezeigt ist, verwendet und unter den
in der folgenden Tabelle 3 angegebenen Bedingungen wurde Dia
mant hergestellt. Es sei darauf hingewiesen, daß zwei Arten
von Lampen als Lichtquelle 14 verwendet wurden.
In einer elektrischen Entladungsvorrichtung, die mit gegen
überliegenden Targets versehen war, wurde ein Silicium-Wafer
mit polierter Oberfläche verwendet und das Aufwachsenlassen
des Diamants wurde 1 Stunde lang unter den nachstehend ange
gebenen Bedingungen durchgeführt. Das Substrat 5 ist in der
Fig. 4 dargestellt und die Bedingungen zur Herstellung des
Diamants sind in der folgenden Tabelle 4 angegeben.
Wie aus dem obigen Beschreibung hervorgeht, können erfindungs
gemäß die folgenden überragenden Effekte erzielt werden:
- (a) Da die Anzahl der Arten von Ausgangsgasen, die erfindungs gemäß verwendet werden können, viel größer ist als bei den konventionellen Verfahren ist die vorliegende Erfindung vom praktischen Standpunkt aus betrachtet sehr vorteilhaft,
- (b) es ist eine kontinuierliche Herstellung möglich und die Kosten für die Vorrichtung und das Ausgangsmaterial sind sehr gering,
- (c) da der Bereich der Synthesebedingungen breit ist, kann die Synthese sehr leicht durchgeführt werden,
- (d) die Abscheidungsgeschwindigkeit des Diamants ist um ein Mehrfaches höher als die Präzipitationsgeschwindigkeit bei den konventionellen Verfahren und es kann körniger oder filmartiger Diamant mit einer hohen Qualität erhalten wer den.
Bezugszeichenliste
2 . . . Heizofen
3 . . . Substrat-Trägergestell
4 . . . Reaktionsrohr
5 . . . Substrat
6 . . . Wolframfaden
14 . . . Lichtquelle
16 . . . Plasma-bildende Energiequelle
3 . . . Substrat-Trägergestell
4 . . . Reaktionsrohr
5 . . . Substrat
6 . . . Wolframfaden
14 . . . Lichtquelle
16 . . . Plasma-bildende Energiequelle
Claims (7)
1. Verfahren zur Synthese von Diamant nach der
chemischen Dampfphasen-Wachstumsmethode durch Zersetzung
einer verdampften organischen Verbindung, die Kohlenstoff,
Wasserstoff und mindestens eines der Elemente Sauerstoff
und Stickstoff enthält, in einem Reaktionsrohr (4) unter
Bildung eines Gases, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas
mit Wasserstoff gemischt, das Gasgemisch durch
Wärmeenergie, Elektronenstrahlen, Licht, eine Gleichstrom-
Glimmentladung, eine Wechselstrom-Glimmentladung oder eine
Gleichstrom-Lichtbogenentladung zersetzt und das zersetzte
Gas der Oberfläche eines erhitzten Substrats zugeführt
wird, um auf dieser Oberfläche Diamant abzuscheiden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche des Substrats auf eine Temperatur von
500 bis 900°C erhitzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wärmeenergie für die Zersetzung durch eine auf eine
Temperatur von 1500 bis 2800°C erhitzte Heizeinrichtung (6)
erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektronenstrahlen für die Zersetzung eine
Stromdichte von nicht weniger als 1 mA/cm² aufweisen.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Licht für die Zersetzung eine Wellenlänge von nicht
mehr als 600 nm hat.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die elektrische Entladung für die Zersetzung bei einer
Leistungsdichte von nicht weniger als 1 W/cm² durchgeführt
wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Druck im Reaktionsrohr (4) 1,33 bis
1,33 × 10⁵ Pa beträgt.
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