DE3935863C2 - CVD (Chemical Vapour Deposition)-Vorrichtung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine CVD (Chemical Vapour
Deposition)-Vorrichtung zur Abscheidung mikrokristalliner
Festkörperpartikel aus einer kohlenstoffhaltige Gase enthaltenden
Gasphase mit einem Heizleiter, der die chemische
Reaktion zwischen den Komponenten des Reaktionsgasgemisches
thermisch in Gang setzt.
Als Heizleiter werden Körper aus elektrisch leitfähigem
Material bezeichnet, bei denen der elektrische Widerstand
zur Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie
ausgenutzt wird.
Aus der DE-PS 4 69 433 ist ein Verfahren zur Herstellung
eines Tantalcarbid-Heizleiters sowie dessen besondere
Eignung als Heizleiter in einer Schmelze von Metallen mit
hohem Schmelzpunkt bekannt. Für diesen Anwendungszweck ist
Tantalcarbid besonders geeignet, weil es von den bekannten
Übergangsmetallcarbiden mit etwa 3880°C den höchsten
Schmelzpunkt hat und ferner weil es lösungsbeständig
gegenüber schmelzflüssigen Phasen sehr schwer schmelzbarer
Metalle ist. Ein Hinweis darauf, welche Heizleiter einzusetzen
sind, wenn ein CVD-Prozeß mit kohlenstoffhaltigen
Gasen thermisch in Gang gesetzt werden soll, ist
dieser Schrift nicht zu entnehmen.
Mit der DE-PS 8 68 031 ist eine Lehre bekannt, wonach als
Werkstoff für Elektroden bei der Elektrolyse chemisch
stark angriffsfähiger wäßriger Lösungen oder bei der
Schmelzelektrolyse hochschmelzender Verbindungen zur
Herstellung von Korund oder Siliziumcarbid als Werkstoff
für elektrische Heizleiter eine gesinterte Legierung aus
Titancarbid mit Zusätzen von Chrom, Eisen oder Mangan oder
Gemischen dieser Metalle in Mengen bis zu 40% verwendet
werden kann, weil diese Legierungen eine verbesserte
Widerstandsfähigkeit gegen den Angriff von
Sauerstoff haben. Statt Titancarbid kann gleichermaßen
Titannitrid, -silizid oder -borid eingesetzt werden. Die
Verwendung entsprechend gesinterter Legierungen mit
entsprechenden Zusätzen Werkstoff für Elektroden bei
der Elektrolyse führen nicht zu einem Heizleiter, der so
aufgebaut ist, daß er für einen thermischen Anregungsprozeß
einer reaktiven kohlenstoffhaltige Gase enthaltenden
Gasphase im Rahmen eines CVD-Prozesses geeignet
ist.
Aus der DE-A1 38 10 667 ist ein elektrisches Widerstandsmaterial
für elektrothermische Wandler in Dünnschichttechnik,
insbesondere für Druckköpfe von Thermodruckern
und ein Kathodenzerstäubungsverfahren zur Herstellung von
Widerstandsschichten bekannt, das aus vier oder fünf
Komponenten besteht, von denen mindestens zwei Komponenten
aus den Übergangsmetallen der IV. bis VI. Nebengruppe des
PSE, vorzugsweise Ti, Zr, Hf oder W, ausgewählt sind und
mindestens zwei Komponenten nichtmetallische Elemente aus
der Gruppe Si, B, C, N und O sind. Insbesondere werden
Dünnschichtwiderstände aus Titansilicid/Wolframsilicid
offenbart. Hinweise, wie vorzugehen ist, wenn das Problem
behoben werden soll, daß die üblicherweise bei thermisch
angeregten CVD-Prozessen eingesetzten Filamente aus Mo, W
oder Ta in einer reaktiven kohlenstoffhaltige Gase enthaltenden
Gasphase brüchig werden und nach kurzer Zeit
verfallen, sind dieser Schrift nicht zu entnehmen.
Bekannt sind ferner Heizleiter aus hitzebeständigen
Legierungen mit hohem elektrischen Widerstand, beispielsweise
auf der Basis Ni-Cr oder Cr-Al. Es sind jedoch auch
Heizleiter bekannt aus hochschmelzenden Metallen. Hochschmelzende
Metalle sind in den Nebengruppen IVa bis VIII
des PSE zu finden. Sie zeichnen sich neben relativ hohen
Schmelzpunkten durch hohe Dichte, meist hohe Härte und
Festigkeit sowie hohen Elastizitätsmodul aus. Der
technische Einsatz hochschmelzender Metalle bei Höchsttemperaturen,
wie sie bei der Anwendung als Heizleiter
auftreten, wird in erster Linie durch die Verdampfungsgeschwindigkeit
begrenzt.
Für Prozesse mit hohen Arbeitstemperaturen werden bevorzugt
die Metalle Wolfram, Tantal und Molybdän als Heizleiter
eingesetzt. Beispielsweise werden derartige Heizleiter
als Wendel (Filament) für die Abscheidung von Festkörperpartikeln
aus der Gasphase mittels Chemical Vapour
Deposition (CVD) eingesetzt. Mittels solcher Prozesse
können freitragende Formkörper oder aber auch
Beschichtungen auf unterschiedlichsten Substraten hergestellt
werden.
Ganz allgemein ist für einen CVD-Prozeß charakteristisch,
daß eine Mischung von Gasen bei einer relativ hohen
Temperatur mit einer Substratoberfläche in Wechselwirkung
tritt unter Zersetzung mindestens eines am Gasgemisch
beteiligten Gases und Abscheidung eines Reaktionsproduktes
in fester Phase an der Substratoberfläche. Der konven
tionelle CVD-Prozeß bedingt hohe Temperaturen, reaktive
Gase und eine für die Durchführung eines solchen Ver
fahrens geeignete Vorrichtung. Typische Prozeßparameter
sind Temperaturen im Bereich von 450 bis zu 2500°C,
Drucke im Bereich von 10-5 bis 1 bar und ein Prozeß
gasgemisch aus mindestens einem reaktiven Gas und weiteren
Gasen wie inerten, oxydierenden oder reduzierenden Gasen.
Die Aktivierung des Prozeßgasgemisches innerhalb des
Reaktors erfolgt in einer Anregungszone (Gasphasenbereich
mit maximalem Energieinhalt), die beispielsweise über ein
Plasma, das durch Einkopplung von Mikrowellen- oder
Hochfrequenz-Energie, über einen durch Stromdurchgang
beheizten Draht (filament) oder über eine Flamme erzeugt
werden kann. In der Anregungszone werden die Gasphasen
reaktionen stimuliert und eine Abscheidung der Reaktions
produkte erfolgt anschließend auf dem vorzugsweise in
einem Abstand zur Anregungszone positionierten Substrat,
das auf einem üblicherweise temperaturgeregelten Substrat
halter angeordnet ist. Die Restgase werden mittels einer
Vakuumpumpe aus dem Reaktor abgepumpt.
Aus Jap. J. Appl. Phys. 21 (1982), Nr. 4, Seiten L183 bis
L185 ist in Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zur
Abscheidung von Diamantpartikeln mittels Chemical Vapour
Deposition aus einer Methan/Wasserstoff-Gasphase bekannt,
in welcher das Reaktionsgasgemisch durch einen Heizleiter
in Form einer Wolframwendel einer Temperatur von
etwa 2000°C aktiviert wird.
Bei ähnlichen Versuchen, die im Rahmen der Erfindung
durchgeführt wurden, hat sich gezeigt, daß das Material
des Heizleiters (vorzugsweise Molybdän, Wolfram oder
Tantal) unter Prozeßbedingungen, wie sie zur Herstellung
von Diamantschichten aus der Gasphase erforderlich sind
(Kohlenwasserstoffgas/Wasserstoff-Atmosphäre, Temperaturen
über 2000°C), innerhalb kürzester Zeit (etwa nach 10 h
Prozeßdauer) verspröden und spontan oder bei einer
leichten Erschütterung oder Berührung zerbrechen. Untersuchungen
an versprödeten Heizleitern haben ergeben, daß
Reaktionen zwischen dem Material des Heizleiters und dem
kohlenstoffhaltigen reaktiven Prozeßgas unter Bildung von
Carbiden stattgefunden hatten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine CVD
(Chemical Vapour Deposition)-Vorrichtung zu schaffen, die
einen Heizleiter enthält, der für Hochtemperaturprozesse
in einer reaktiven, kohlenstoffhaltige Gase enthaltenden
Gasphase geeignet ist und eine längere Lebensdauer aufweist
als bisher für derartige Prozesse eingesetzte Heizleiter
aus hochschmelzenden Metallen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
Heizleiter aus Carbid mindestens eines Übergangsmetalls
aus den Nebengruppen IVa bis VIa des periodischen Systems
der Elemente (PSE) oder einem Mischcarbid dieser Übergangsmetalle
mit einem Gehalt an gebundenem Kohlenstoff,
der einer stöchiometrischen Zusammensetzung mindestens
nahezu entspricht, hergestellt ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen 2 bis 5.
Nach vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung ist der
Heizleiter aus einem Carbid oder einem Mischcarbid der
Übergangsmetalle Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob,
Tantal, Molybdän und/oder Wolfram insbesondere durch
heißisostatisches Pressen von Carbidpulver oder durch
Sintern eines aus Carbidpulver mit einem Zusatz von
geeignetem, aus dem Sinterkörper entfernbarem Bindemittel
und/oder Sinterhilfsmittel hergestellten Preßkörpers oder
durch Abscheidung aus einer ein flüchtiges Halogenid
mindestens eines der genannten Übergangsmetalle und
kohlenstoffhaltiges Gas enthaltenden Gasphase mittels
Chemical Vapour Deposition (CVD) hergestellt.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß für den Heiz
leiter gerade das Material mit Vorteil eingesetzt werden
kann, das sich bei dem bekannten Prozeß nach sehr kurzer
Prozeßdauer bildet und sich dort als mangelhaft oder sogar
ungeeignet erwiesen hat, nämlich Carbide der hoch
schmelzenden Metalle.
Die Herstellung von Carbiden der hochschmelzenden Metalle
der Nebengruppen IVa bis VIa des PSE sowie ihre Weiter
verarbeitung sind bekannt (vgl. hierzu Ullmanns
Encyklopädie der technischen Chemie, 3. Auflage 1954).
Beachtlich ist jedoch, daß Carbide als Ausgangsmaterial
für den erfindungsgemäßen Heizleiter eingesetzt werden,
die einen Gehalt an gebundenem Kohlenstoff haben, der der
stöchiometrischen Zusammensetzung mindestens nahezu, wenn
möglich vollständig, entspricht. Insbesondere durch
heißisostatisches Pressen von derartigen Carbidpulvern
lassen sich mechanisch außerordentlich stabile Formkörper
einer Dichte im Bereich von mindestens 88% herstellen,
die nach dem Pressen einem weiteren mechanischen
Bearbeitungsschritt unterzogen werden können, so daß
Heizleiter einer gewünschten Formgebung ohne Schwierig
keiten hergestellt werden können. Es ist jedoch auch
möglich, andere aus der Pulvermetallurgie bekannte
Verformungstechniken für die Herstellung der erfindungs
gemäßen Heizleiter einzusetzen.
Mit der Erfindung sind die Vorteile verbunden, daß Heiz
leiter, die insbesondere in einer kohlenstoffhaltigen
Gasphase eingesetzt werden sollen, eine wesentlich längere
Lebensdauer als metallische Heizleiter haben. Dadurch
ergibt sich für die eingesetzten Prozeßeinrichtungen ein
geringerer Wartungsaufwand infolge selteneren Wechsels des
Heizleiters. Dies führt insbesondere für eine Großserien
fertigung zu erheblicher Kostenreduzierung. Gegenüber
einer Wendel aus hochschmelzendem Metall als Heizleiter
(filament) ergibt sich der weitere Vorteil, daß aus den
Ausgangscarbiden, z. B. wenn diese mittels eines
heißisostatischen Preßprozesses zu einem Heizleiter
verformt werden, beliebig geformte, z. B. also auch
großflächige Heizleiter hergestellt werden können, die
eine gleichzeitige relativ großflächige Beheizung
ermöglichen.
Dadurch, daß ein unter den Prozeßbedingungen für einen
CVD-Prozeß mit kohlenstoffhaltigem Reaktionsgas und
Temperaturen bis zu 2500°C ein Heizleiter aus einem
chemisch stabilen Material eingesetzt wird, wird das
Problem umgangen, daß der Heizleiter während des Prozesses
chemisch mit der reaktiven Gasphase reagiert und infolge
der damit verbundenen Gefügeänderungen und des daraus
resultierenden Verlustes an mechanischer Festigkeit nur
eine relativ kurze Lebensdauer hat, was bei den bekannten
Heizleitern aus z. B. Wolfram- oder Tantal-Draht (filament)
der Fall ist. Ein weiterer Vorteil solcher
Heizleiter ergibt sich daraus, daß Carbide von solchen
Metallen eingesetzt werden können, die als reine Metalle
eine katalytische Wirkung beim Dissoziationsprozeß des
Reaktionsgasgemisches haben: auch die Carbide solcher
Metalle haben sich als katalytisch wirksam erwiesen.
Übergangsmetalle sind in der Regel katalytisch wirksam bei
organisch-chemischen Reaktionen.
Als Ausführungsbeispiel wird der Einsatz eines
Heizleiter aus Wolframcarbid in einem
CVD-Prozeß zur Abscheidung von polykristallinen Diamant
schichten aus der Gasphase beschrieben.
Ein aus Wolframcarbid durch einen Sinterprozeß herge
stellter Heizleiter eines Durchmessers von 1 mm und einer
Länge von 50 mm wird zunächst zur Entfernung von Fremd
stoffen über eine Dauer von drei Stunden in einem Gas
gemisch aus 1% Methan und 99% Wasserstoff bei einem
Druck von etwa 66 mbar durch direkten Stromdurchgang auf
eine Temperatur von 2500°C erhitzt. Anschließend wird der
Heizleiter in einen CVD-Reaktor zur Abscheidung von poly
kristallinem Diamant anstelle der sonst üblicherweise
verwendeten Wendel aus hochschmelzenden Metallen
installiert. Mit dem erfindungsgemäßen Heizleiter wurden
bei CVD-Prozessen zur Abscheidung von polykristallinen
Diamantschichten dieselben Ergebnisse (z. B. Abscheiderate,
Morphologie) erreicht, wie unter Einsatz eines gewendelten
Tantaldrahtes zur Anregung der Reaktionsgasphase. Mit dem
erfindungsgemäßen Heizleiter wurden mindestens
12 Abscheideprozesse einer Dauer von durchschnittlich 7 h
durchgeführt, ohne daß der Heizleiter seine mechanische
Stabilität eingebüßt hatte. Tantaldrähte zeigten bereits
nach einer Prozeßdauer von 10 h unter gleichen Bedingungen
eine solche Versprödung, daß sie bei geringster
mechanischer Erschütterung zerbrachen.
Claims (5)
1. CVD (Chemical Vapour Deposition)-Vorrichtung zur
Abscheidung mikrokristalliner Festkörperpartikel aus einer
kohlenstoffhaltige Gase enthaltenden Gasphase mit einem
Heizleiter, der die chemische Reaktion zwischen den
Komponenten des Reaktionsgasgemisches thermisch in Gang
setzt,
dadurch gekennzeichnet, daß der Heizleiter aus Carbid
mindestens eines Übergangsmetalls aus den Nebengruppen IVa
bis VIa des periodischen Systems der Elemente (PSE) oder
einem Mischcarbid dieser Übergangsmetalle mit einem Gehalt
an gebundenem Kohlenstoff, der einer stöchiometrischen
Zusammensetzung mindestens nahezu entspricht, hergestellt
ist.
2. CVD-Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Heizleiter aus einem
Carbid oder einem Mischcarbid der Übergangsmetalle Titan,
Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Molybdän und/oder
Wolfram hergestellt ist.
3. CVD-Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Heizleiter durch
heißisostatisches Pressen von Carbidpulver hergestellt
ist.
4. CVD-Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Heizleiter durch Sintern
eines aus Carbidpulver mit einem Zusatz von geeignetem,
aus dem Sinterkörper entfernbaren Bindemittel und/oder
Sinterhilfsmittel hergestellten Preßkörpers hergestellt
ist.
5. CVD-Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Heizleiter durch
Abscheidung aus einer ein flüchtiges Halogenid mindestens
eines der genannten Übergangsmetalle und kohlenstoffhaltiges
Gas enthaltenden Gasphase mittels Chemical Vapour
Deposition (CVD) hergestellt ist.
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