DE4219436C2 - Verfahren zur Abscheidung glatter polykristalliner Schichten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abscheidung glatter polykristalli­ ner Schichten, insbesondere Diamantschichten, auf Substraten.

Polykristalline Schichten, insbesondere Diamantschichten, die bei niedrigen Drücken aus der Gasphase ausgeschieden werden, zeichnen sich in der Regel durch eine große Oberflächenrauhigkeit aus, die mit zunehmender Schichtdicke zunimmt. Durch diese Oberflächenrauhigkeit werden viele potentielle Anwendungen polykristalliner Diamantschichten verhindert. Grundsätzlich ist es natürlich möglich, die Oberflächenrauhigkeit polykri­ stalliner Diamantschichten nach der Abscheidung durch geeignete Polier­ verfahren zu reduzieren. Diese Verfahren sind jedoch sehr aufwendig und führen speziell bei größeren Flächen zu unzureichenden Ergebnissen.

In dem Übersichtsartikel von P. K. Bachmann, D. Leers, D. U. Wiechert im Journal de Physique IV, Colloque C2, suppl. au Journal de Physique II, Vol. 1, S. C2-907 - C2-913 (1991) sind eine Reihe von Verfahren zur Abscheidung von Diamantkristallen aus der Gasphase beschrieben. Mit allen diesen ganz unterschiedlichen Verfahren ist es möglich, vorgegebene Diamantkristalle zu vergrößern bzw. auf Fremdsubstraten polykristalline Diamantschichten abzuscheiden. Dabei sind es lediglich die jeweilig vorbestimmten Prozeßparameter, wie es aus dem dort dargestellten Pha­ sendiagramm hervorgeht, die die Art des abgeschiedenen Diamants be­ stimmen. Die Wahl des Verfahrens, d. h. ob aus der Gasphase mit Hilfe eines Glühdrahts, mit Mikrowellenunterstützung oder in der Flammensyn­ these abgeschieden wird, spielt grundsätzlich keine Rolle.

Auf Fremdsubstraten beginnt das Wachstum an diskreten Nukleationszen­ tren. Die dort gebildeten Diamantkristalle wachsen sukzessive, bis sie sich berühren und eine geschlossene Schicht bilden. Im weiteren Verlauf des Schichtwachstums findet ein Keimauslesemechanismus statt, d. h. einzelne Diamantkristalle werden nach und nach von benachbarten Kristallen überwachsen. Mit zunehmender Schichtdicke bleiben immer weniger Kristalle übrig, so daß die Schicht sukzessive grobkörniger wird. In der Regel führt dieser Keimauslesemechanismus zu einer Zunahme der Ober­ flächenrauhigkeit mit zunehmender Schichtdicke.

Es sind auch polykristalline Diamantschichten mit unterschiedlichen Texturen bekannt. In allen Fällen besteht eine Kopplung zwischen Textur­ achse und der Oberflächenmorphologie. So besteht die Oberfläche von 110-texturierten Schichten aus stark geneigten {111}-Facetten. Schichten mit einer <100<-Texturachse zeigen eine rauhe Oberfläche mit {100}- und {111}-Facetten. Der Versuch, die {100}-Facetten auf Kosten der {111]- Facetten durch geeignete Abscheidebedingungen zu vergrößern, führt zu einer Verkippung der {100}-Facetten und somit wieder zu einer erhöhten Rauhigkeit. In dem Artikel von C. Wild, P. Koidl, N. Herres, W. Müller-Sebert und T. Eckermann in "Proceedings of the Second International Symposium on Diamond Materials" in Electrochem. Soc. Proc. 91-8, 224 (1991) werden die Wachstumsbedingungen für verschiedene Texturachsen beschrieben. Beim Aufwachsen von Diamant-Kristallen gemäß diesen Bedingungen ist es aber lediglich gelungen, die genannten verkippten {100}-Facetten zu erhalten, wobei der inhärente Kippwinkel die Rauhigkeit der Oberfläche erhöht und die seitlichen Nicht-{100}-Facetten z. B. eine geringere Wider­ standsfähigkeit gegenüber aggressiven Medien zeigen.

Die DE 41 38 121 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer polykristallinen Schicht, hier Silizium, wobei die einzelnen Kristalle mit der <100<-Richtung senkrecht zum Substrat ausgerichtet sind. Es handelt sich um ein Zwei-Schritt-Verfahren, wobei in einem ersten Schritt Kristall­ teilchen auf das Substrat aufgebracht und so ausgerichtet werden, daß ein hoher Prozentsatz der aufgebrachten Körner mit der <100<-Richtung nach oben zeigen. Gemäß der DE 41 38 121 A1 werden die orientierten makroskopischen Keimkristalle überwachsen, so daß sich eine geschlossene Schicht bildet. Dabei werden keine zur <100<-Richtung senkrechten Oberflächenfacetten gebildet, sondern die Keimkristalle wachsen lokal epitaktisch weiter, d. h. unter Beibehaltung ihrer Kristallorientierung und Oberflächenform. Alle Keimkristalle weisen eine einzige {100}-Fläche auf, nämlich die Fläche, die zur orientierten Aufbringung an das Substrat im ersten Schritt benötigt wird. Alle anderen Flächen sind von {100} ver­ schieden. Damit besteht die Oberfläche des Filmes aus zur Substratober­ fläche geneigten Flächen. Diese Oberfläche weist den Nachteil auf, daß sie mikroskopisch rauh ist.

Die US 5,0006,203 beschreibt ein Mehrschritt-Verfahren zur Abscheidung eines Diamantfilmes, bei dem sich die Verfahrensschritte durch Verände­ rungen der Abscheidebedingungen unterscheiden. Im ersten Schritt wird eine diamantartige Schicht abgeschieden, die Nukleationskeime großer Dichte für die in dem zweiten Schritt abzuscheidende Diamantschicht ergeben soll. Eine kristalline Ausrichtung der Diamantschicht wird nicht erzielt. Dies geht bereits aus dem verwendeten Begriff der "diamantartigen Kohlenstoffschicht" hervor. Dieser Begriff beschreibt wohl definierte amorphe, nicht kristalline Kohlenstoffschichten mit einem hohen Anteil von vierfach koordiniertem Kohlenstoff. Diese nicht-kristallinen Schichten unterscheiden sich vollständig von kristallinem Diamant. Da keine kristalli­ ne Struktur vorliegt, kann dementsprechend auch keine kristallographische Richtung ausgebildet werden.

Die US 5,114,696 verfeinert das Verfahren der US 5,006,203, wobei auch hier relativ dünne Diamantschichten mit relativ kleinen Kristallkörnern erhalten werden. Die kleine Korngröße ergibt nach Angaben des Erfinders ein verbessertes elektrisches Widerstandsverhalten.

Der in beiden obigen Patentschriften verwendete Begriff der diamant­ artigen Kohlenstoffschicht ist z. B. unter anderem in dem Artikel von J. C. Angus, "Diamond and diamond-like films" in Thin Solid Films, Vol. 216, S. 126-133 (1992) definiert und verwendet worden.

Aus dem Artikel von M. W. Geis in "Diamond and Related Materials", 1, 684-687 (1992) ist ein anderer Lösungsansatz zur Herstellung einer glatten Diamant-Oberfläche bekannt. Hier wird ein Siliziumsubstrat derart vorge­ ätzt, daß es auf der Oberfläche eine Matrix von Lochstrukturen erhält, deren Seitenwände jeweils {111}-Ebenen entsprechen. Ein Lochelement hat z. B. eine Seitenlänge von 100 Mikrometer. In dieses vorgeätzte Silizi­ umsubstrat werden dann oktaedrische Diamantkristallkeime eingesetzt. Die Diamantkristallkeime werden im wesentlichen durch Schütteln der Keime in einer über dem Substrat stehenden Lösung verteilt und sinken bei geeigneter Manipulation des Substrates und der Lösung in die Löcher. Anschließend wird die Diamantoberfläche aufgewachsen, in dem die Verfahrens-Einstellungen für das auf {100}-Flächen ausgerichtete Wachs­ tum benutzt werden.

Damit ist eine im wesentlichen glatte Oberfläche erzeugbar. Diese enthält aber verfahrensbedingt einige Fehlstellen. Diese beruhen insbesondere: auf der Existenz nicht gefüllter Lochelemente des Siliziumsubstrates, auf Kristallfehlern der Diamant-Keime, auf Ungenauigkeiten in der Form und Fehlern in den Lochelementen im Siliziumsubstrat selber und schließlich auf fehlerhaften Anordnungen der Keime in den Lochelementen mit z. B. seitlichen Winkelabweichungen der Keime.

Neben diesen die Perfektion der erzeugten Oberfläche herabsetzenden Fehlern, die beim Aufwachsen nicht behoben werden können, ist weiterhin nur eine glatte Seite erzeugbar. Weiterhin kann diese Schicht nur auf Silizium-Substraten aufgebracht werden. Bei anderen Fremdsubstraten versagt dieses Verfahren.

Dies ist bei Anwendungen des erzeugten Kristalls in der Optik nicht ausrei­ chend. Die Möglichkeit nach einem Entfernen des Siliziumsubstrates den Diamanten auf der anderen Seite ebenfalls aufzuwachsen, ist prinzipiell durchführbar, führt aber zum einen Qualitätsverluste mit sich und zum anderen sind damit z. B. keine gekrümmten abbildenden optischen Elemen­ te erzeugbar. Schließlich erfordert dieses Verfahren nach dem Stand der Technik eine aufwendige und mehrstufige Fertigung mit unterschiedlich­ sten Geräteanforderungen und zudem die Bereithaltung einer entsprechen­ den Menge an oktaedrischen Diamant-Keimen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Abscheidung glatter polykristalliner Schichten der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem auf beliebigen Fremdsub­ straten glatte polykristalline Schichten, insbesondere Diamantschichten, abgeschieden werden können, die sich auch bei großen Schichtdicken von über 100 µm durch eine sehr geringe Oberflächenrauhigkeit auszeichnen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß in einem ersten Schritt Kristalle aufge­ wachsen werden, deren <100<-Kristallrichtung senkrecht zur Substrat­ oberfläche ausgerichtet ist, indem ein Oktaeder mit einem Wachstumspa­ rameter α von ungefähr 3, wobei α größer als 2,95 ist, aufgewachsen wird, und daß in einem zweiten Schritt senkrecht zu dieser <100<-Kristall­ richtung Flächen durch Absenken des Wertes des Wachstumsparameters α auf Werte von kleiner als 2,9 erzeugt und vergrößert werden, bis diese die Oberfläche der polykristallinen Schicht vollständig bedecken, wobei der Wachstumsparameter α durch α=v₁₀₀/v₁₁₁ · gegeben ist, wobei mit v₁₀₀ und v₁₁₁ die Wachstumsraten des Kristalls auf {100}- bzw. {111}-Flächen bezeichnet sind.

Mit dem vorliegenden Verfahren ist es möglich, glatte Schichten mit fast ausschließlich {100}-Facetten an der Oberfläche abzuscheiden. Neben der für viele Anwendungen wichtigen Glattheit der Schichten beinhaltet dieses Verfahren weitere Vorteile. So ist bekannt, daß im Vergleich zu den {111}-Flächen bei dem Wachstum auf {100}-Flächen weit weniger Defekte in das Kristallgitter eingebaut werden. Darüber hinaus sind reine {100}- Flächen sehr viel unempfindlicher gegenüber Oxydation bei thermischer Belastung.

Vorzugsweise wird zwischen dem ersten und dem zweiten Verfahrens­ schritt bei einer vorgegebenen Ausgangskeimdichte mit mittlerem Keimab­ stand d₀ bei einer Schichtdicke zwischen 400 und 600 mal d₀ umgeschaltet.

Vorteilhafterweise werden Substrate verwendet, die eine Ausgangskeim­ dichte mit einem mittleren Keimabstand d₀ von kleiner als einem Mikro­ meter aufweisen.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Zwischen­ schritt zwischen dem ersten und dem zweiten Verfahrensschritt vorgesehen, in dem die Verfahrensbedingungen von denen des ersten Verfahrensschrit­ tes zu denen des zweiten Verfahrensschrittes hin kontinuierlich verändert werden. Dies verringert mögliche, durch die Umschaltung hervorgerufene Störstellen.

Mit dem Verfahren nach der Erfindung sind Optikfenster mit einer ge­ krümmten Oberfläche herstellbar, wobei die Diamantschicht auf ein Sub­ strat mit einer der besagten gekrümmten Oberfläche komplementären Oberfläche abgeschieden wird. Schließlich sind aufgrund der möglichen Schichtdicke der glatten Diamantschichten auch Wärmesenken realisierbar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Computersimulation des Aufwachsens von kubo-oktaedrischen Kristallen gemäß einem Verfahren nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine Ansicht der verschiedenen Kristallmorphologien bei unter­ schiedlichen Werten des Parameters α,

Fig. 3 eine Computersimulation des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Durchführung und nach Beendigung des ersten Verfahrensschrittes, d. h. dem Aufwachsen von oktaedrischen oder pseudo-oktaedrischen Kristallen, bei denen die <100<-Richtung senkrecht zur Substrat­ oberfläche steht,

Fig. 4 eine Computersimulation des Verfahrens nach dem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Durchführung und Beendigung des zweiten Verfahrensschrittes, d. h. dem Aufwachsen von kubo-oktaedrischen Kristallen,

Fig. 5 ein Diagramm, das die momentane Rauhigkeit der erzeugten Oberfläche in jedem Stadium des Verfahrens nach der Erfindung zeigt,

Fig. 6 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der eingestellten Temperatur beim Mikrowel­ len-unterstützten Abscheiden aus der Gaspha­ se und dem Wachstumsfaktor α aus der Fig. 2 darstellt,

Fig. 7 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der eingestellten Methankonzentration beim Mikrowellen-unterstützten Abscheiden aus der Gasphase und dem Wachstumsfaktor α aus der Fig. 2 darstellt, und

Fig. 8 ein Streulichtdiagramm der reflektierten Intensität eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Diamant-Poly­ kristalls.

Die Fig. 1 zeigt eine zweidimensionale Computersimula­ tion des Aufwachsens von kubo-oktaedrischen Kristallen gemäß dem Stand der Technik. Auf einem Substrat 4 sind Keime 1 verteilt. Die hier beispielhaft fünf Keime 1 sind entlang einer hier eindimensionalen Achse 2 der Substratoberfläche 4 angeordnet. Diese hat definitions­ gemäß die Länge von 5·d₀, wobei d₀ als mittlerer Keim­ abstand definiert ist. Die vertikale Achse 3 entspricht der Aufwuchsrichtung.

Bei den Keimen 1 wird mit Hilfe der Verfahrensparameter 5 ein Habitus in der Form eines Kubo-Oktaeders 6 entspre­ chend der Fig. 2 mit großen {111}- und kleinen {100}- Flächen eingestellt.

Dabei ergibt sich bei einem Wachstum über eine Vielzahl von Keimdicken d₀ ein Keimsterben. Wie in der Fig. 1 zu erkennen ist, verbleiben schon nach einer Schichtdicke von wenigen d₀ einige {100}-Facetten 9 an der Oberflä­ che, während andere {111}-Facetten 10 bereits von einem Nachbarkeim überwachsen werden. Dies ist deutlich an dem fast verschwundenem Keim am Punkte 11 zu erkennen, dessen {111}-Facette 10′ ebenfalls überwachsen werden wird.

Das entscheidende Kriterium für das Überleben eines Diamantkeims ist die vertikale Wachstumsgeschwindig­ keit, d. h. in Richtung der Achse 3. Da die Wachstumsge­ schwindigkeit richtungsabhängig ist, hängt die vertika­ le Wachstumsgeschwindigkeit von der Orientierung der Keime 1 ab. Sie ist am größten, wenn die Richtung der größten Wachstumsgeschwindigkeit senkrecht zur Substra­ toberfläche 4 ausgerichtet ist. Die größte Wachstumsge­ schwindigkeit entspricht aber nicht der durch den einfachen Abstand zweier gegenüberliegender Flächen vorgegebenen Richtung, sondern entspricht der Richtung des größten Durchmessers des jeweiligen Kristalls, d. h. z. B. der in der Fig. 2 eingezeichneten Richtung der Verbindungsgeraden 12 → 13. Dies bedeutet, daß bei dem in der Fig. 1 skizzierten Verfahren nach dem Stand der Technik mit sinkendem Wachstumsparameter α die {100}- Facetten nicht wie gewünscht parallel zum Substrat 4 nach oben wachsen, sondern diese {100}-Facetten in einem mit sinkendem α immer größer werdenden Kippwinkel zu der Oberfläche stehen.

Der Keimauslesemechanismus führt zur Bildung einer Textur, d. h. zu einer Vorzugsorientierung bestimmter Kristallrichtungen senkrecht zur Substratoberfläche. Dabei entspricht die Texturachse der Richtung der größten Wachstumsgeschwindigkeit. Diese wiederum läßt sich durch Variation der Prozeßbedingungen bei der Ab­ scheidung beeinflussen. Eine entscheidende Rolle spielt dabei der Wachstumsparameter α, der durch α = v₁₀₀/v₁₁₁ · gegeben ist, wobei mit v₁₀₀ und v₁₁₁ die Wachstumsraten auf {100}- bzw. {111}-Flächen bezeichnet sind. Fig. 2 zeigt die Morphologie isolierter Keime und die Richtungen der größten Wachstumsgeschwindigkeit, die von diesem Wachstumsparameter α abhängen und sich aus der Verbindungsgerade zwischen den mit 12 und 13 gekennzeichneten Punkten ergeben.

Die Fig. 2 zeigt eine Ansicht der verschiedenen Kri­ stallmorphologien bei unterschiedlichen Wachstumspara­ meter α. Der Wachstumsparameter α ist dabei zwischen 1 und 3 dargestellt, wobei sich respektive ein Würfel und ein Oktaeder bilden würden.

Der mit dem Bezugszeichen 38 versehene auch als Pseudo- Oktaeder bezeichnete Kristall entspricht im wesentli­ chen einem Oktaeder, er verfügt lediglich an den Spit­ zen des Oktaeders über sehr kleine {100}-Facetten. Bei einem Wert von α von 2,95 ergibt sich dabei eine Abwei­ chung der <100<-Richtung von der Verbindungsgerade 12 → 13 von ungefähr 1°.

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Computersimulation des Zwei-Schritt-Verfahrens nach der Erfindung. Das Pro­ gramm berechnet in zwei Dimensionen 2, 3 die zeitliche Entwicklung 15 der Wachstumsfront 16 einer polykri­ stallinen Schicht. Ausgangssituation ist ein Substrat 4, das statistisch mit Nukleationskeimen bedeckt ist. Dabei ist mit d₀ der mittlere Abstand zwischen diesen Keimen bezeichnet. Es werden dabei mittlere Abstände von 1 µm bis unter 1/10 µm realisiert. Es bleibt fest­ zuhalten, daß die Fig. 3 die Aufwachsprozesse in der Zeit in einem gegenüber Fig. 1 erheblich größeren Maßstab darstellt. Es sind über 1000 Keime in dem dargestellten Fenster zu sehen. Das Substrat 4 kann z. B. aus Silizium, aber auch aus jedem anderen Halblei­ ter oder auch z. B. aus metallischem Material bestehen.

Die Fig. 3 zeigt nun die Computersimulation des Verfah­ rens nach beendigter Durchführung des ersten Verfah­ rensschrittes, d. h. dem Aufwachsen von oktaedrischen oder pseudo-oktaedrischen Kristallen.

Für diesen ersten Verfahrensschritt werden die Prozeß­ parameter so gewählt, daß die Wachstumsgeschwindigkeit in der Kristallrichtung <100< maximal ist. Dies ist dann der Fall, wenn der in Fig. 2 dargestellte Wachs­ tumsparameter α nahe bei 3, gleich 3 oder auch größer als 3 ist. Unter dieser Bedingung wachsen die Diamant­ kristalle in der Form von Oktaedern 8 oder Pseudo- Oktaedern 38 auf. Pseudo-Oktaeder 38 weisen bereits sehr kleine {100}-Flächen auf, die den Ausrichtungspro­ zeß aber nicht behindern. Durch Keimauslese bleiben im Laufe des Schichtwachstums nur die Keime 1 übrig, deren Oktaederspitze senkrecht zur Substratoberfläche 4 ausgerichtet ist. Dies ist in der zweidimensionalen Simulation der Fig. 3 daran zu erkennen, daß die {111}- Facetten 10 der verbleibenden Keime 1 in einem Winkel von 45° zur Substratschicht 4 stehen. Bei einem drei­ dimensionalen Kristall beträgt der genannte Winkel zwischen den <100<- und <111<-Richtungen 54,7°. Diese Ausrichtung der Keime 1, d. h. die Einstellung auf einen Wachstumsparameter von α≈3 wird z. B. durch die unten genannten Prozeßparameter erreicht.

Nach dem ersten Schritt des Zwei-Schritt-Verfahrens zeichnet sich die Schicht 20 durch eine sehr rauhe Oberfläche 21 und durch eine starke Vorzugsorientierung der Kristalle aus. Die Spitzen der Oberfläche sind als Keimspitzen 1 alle parallel zur Wachstumsrichtung ausgerichtet.

Die Fig. 4 zeigt die weitere Computersimulation des Verfahrens nach Durchführung des zweiten Verfahrens­ schrittes, d. h. dem Aufwachsen von kubo-oktaedrischen Kristallen.

Im zweiten Schritt des Abscheideverfahrens wird der in Fig. 2 dargestellte Wachstumsparameter α auf einen Wert kleiner als 3 verringert. Dadurch bilden sich an der Oktaederspitze {100}-Flächen, die sukzessive größer werden und schließlich die gesamte Oberfläche 21 der polykristallinen Schicht 20 bedecken. Die Beeinflussung des Wachstumsparameters α geschieht z. B. bei festgehal­ tener Prozeßgasmischung von Methan und Wasserstoff durch Variation und exakte Kontrolle der Substrattempe­ ratur. Eine Erhöhung der Substrattemperatur bewirkt die angestrebte Verringerung des Wachstumsparameters α. Alternativ kann auch der Gehalt des Kohlenwasserstoffs verringert oder der Gasdruck in der Kammer verändert werden. Dabei ist darauf zu achten, daß alle Verfah­ rensparameter, z. B. die Temperatur je nach eingesetztem CVD-Verfahren untereinander gekoppelt sind, und diese für eine Verringerung des Wachstumsparameters α einzu­ stellen sind.

Während des zweiten Schrittes, während also die Wachs­ tumsparameter geändert sind, bilden sich an den Spitzen kleine Flächen, die aufgrund der Vorzugsorientierung der Spitzen 1 parallel zur Substratoberfläche 4 orien­ tiert sind. Diese Flächen werden sukzessive größer und bedecken nach einiger Zeit die gesamte Oberfläche. Zu diesem Zeitpunkt ist dann die Oberfläche 21 von den Rauhigkeiten im wesentlichen befreit.

Die Fig. 5 zeigt ein Rauhigkeits-Diagramm, das die jeweilige Rauhigkeit 25 in Größen des mittleren Keimab­ standes d₀ der erzeugten Oberfläche 22 in jedem Stadium des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt, wobei sich der Verfahrensfortschritt aus der abgeschiedenen Schicht­ dicke 26 ergibt.

Die Rauhigkeit 25 der Schichtoberfläche 22 wird als Funktion der mittleren Schichtdicke verwendet. Es läßt sich unschwer erkennen, daß im ersten Schritt 27 des Abscheideverfahrens die Rauhigkeit 25 monoton ansteigt, diese nach der Änderung der Wachstumsbedingungen nach einer Schichtdicke 20 von d=450 · d₀ im zweiten Schritt 28 stark abfällt und schließlich ein Minimum erreicht und danach wieder leicht ansteigt. Die erreichte mini­ male Rauhigkeit 25 beträgt dabei 0,3·d₀ und kann bei genügend hoher Keimdichte im Nanometerbereich liegen und wird dann ein Viertel des Wertes der üblichen Lichtwellenlängen im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich unterschreiten.

Bei Raster-Elektronen-Mikroskopie-Aufnahmen einer solcherart hergestellten Diamantschicht, deren Oberflä­ che aus {100}-Flächen gebildet wird, zeigt sich z. B. bei einer Schichtdicke von 150 µm eine Oberflächenrau­ higkeit 25 von 60 Nanometer.

Die Fig. 6 zeigt ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der eingestellten Substrat-Temperatur 32 beim Mikrowellen-unterstützten Abscheiden und dem Wachstums­ faktor α beschreibt. Bei einem Einsatz des erfindungs­ gemäßen Verfahrens im Rahmen einer Diamantkristallab­ scheidung mit einem CVD-Verfahren (chemical vapour deposition), d. h. bei einem Abscheiden des Materials aus der Gasphase, ist hier bei einer Mikrowellen unter­ stützten Abscheidung ein Wachstumsparameter α von drei bei einem Gasgemisch von 1 bis 3 Prozent Methan in Wasserstoff und einer Substrattemperatur von ungefähr 750 bis 870 Grad Celsius bei einem Druck von 5000 Pascal erreichbar. Beim zweiten Verfahrensschritt wird die Temperatur 32 des Substrats 4 in den Bereich von 930 bis 1000 Grad Celsius erhöht, ohne dabei die stoffliche Zusammensetzung des Gasgemisches zu ändern. Dabei sinkt dann der Wachstumsparameter α in seinem Werte auf z. B. 2,5 bis 2,7 ab.

Wenn als Regelgröße die Temperatur 32 eingesetzt werden soll, ist die genannte Temperatur 32 in Abhängigkeit von den anderen Verfahrensparametern so einzustellen, daß sich im ersten Verfahrensschritt ein Wachstumspara­ meter α von im wesentlichen 3 und im zweiten Schritt ein kleinerer Wachstumsparameter α ergibt, der vorteil­ hafterweise zwischen 2,5 und 2,7 liegt. Dann wird im ersten Schritt die Wachstumsrichtung auf die <100<- Richtung eingestellt und die aufwachsenden Kristalle derart orientiert, so daß bei einem Wechsel der Verfah­ rensbedingungen die einmal eingestellte <100<-Richtung beibehalten wird, so daß entgegen der üblicherweise vorgegebenen Wachstumsrichtung gemäß einer Verbindungs­ geraden 12 → 13 die {100}-Facetten exakt parallel zur Substratoberfläche 4 aufwachsen und sich eine geschlos­ sene plane Diamantoberfläche ergibt.

Eine solche Veränderung von α ist ebenfalls mit einer Absenkung des Methangehalts der Wasserstoffatmosphäre zu erreichen.

Die Fig. 7 zeigt ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der eingestellten Methankonzentration 33 beim Mikrowellen-unterstützten Abscheiden aus der Gasphase und dem Wachstumsfaktor α aus der Fig. 2 darstellt. Ausgehend von einer Methankonzentration von z. B. 2,0 Prozent in Wasserstoff im ersten Verfahrensschritt wird im zweiten Verfahrensschritt diese Konzentration 33 auf Werte von z. B. um 1,5 Prozent Methan in Wasserstoff abgesenkt, so daß sich der Wachstumsparameter α zu Werten von ungefähr 2,5 hin verschiebt.

Dabei ist es natürlich ebenfalls möglich, anstelle eines abrupten Übergangs vom ersten Verfahrensschritt auf den zweiten Verfahrensschritt die Verfahrensbedin­ gungen fließend kontinuierlich zu verändern und unter kontinuierlicher Veränderung der Gaszusammensetzung 33 und/oder langsamer kontinuierlicher Veränderung der Substrattemperatur 32 von dem ersten Schritt auf den zweiten überzugehen. Dies entspräche einem Abfahren der in den Fig. 6 und 7 gezeigten Kurven von dem einen vorgegebenen Endpunkt bei α≈3 bis zu dem für den zwei­ ten Verfahrensschritt ausgewählten Kurvenpunkt.

Dies weist den Vorteil auf, daß während der Umstel­ lungsphase weniger Störstellen in dem Kristall einge­ baut werden, so daß sich anschließend auch im Innenbe­ reich 20 ein störstellenfreierer Kristall ergibt.

Die Fig. 8 schließlich zeigt ein Diagramm der Winkel­ verteilung des Streulichts, d. h. die Intensität 30 der Reflektion eines mit dem Verfahren hergestellten Dia­ mant-Polykristalls. Die reflektierte Intensität 30 weist eine starke Überhöhung 35 im Bereich des Winkels 31 von 0° auf. Bei 0° tritt ein spekularer Wert 35 auf, der eine um mehrere Größenordnungen höhere Intensität 30 als das Umgebungslicht aufweist. Dieser Sprung von drei Größenordnungen in der Intensität ist direkt mit der maximalen Rauhigkeit 25 der Oberfläche verbunden. Denn ein solcher spekularer Wert 35 tritt nur dann auf, wenn die Rauhigkeit 25 der reflektierenden Oberfläche 21 kleiner als ein Viertel der Wellenlänge des Lichts der sie beaufschlagenden Lichtquelle ist. Bei dem hier eingesetzten Helium-Neon-Laser mit einer Wellenlänge von 633 Nanometer ist damit die Rauhigkeit 25 sicher kleiner als 160 Nanometer.

Das beschriebene Verfahren ist insbesondere bei allen in dem Übersichtsartikel von P. K. Bachmann, D. Leers, D. U. Wiechert im Journal de Physique II 1, 907 (1991) erwähnten Abscheideprozessen einsetzbar. Es muß zuerst darauf geachtet werden, daß sich die aus dem Phasendia­ gramm ergebenden Verfahrensbedingungen eingestellt werden, damit überhaupt ein Diamantwachstum auftritt.

Dann ist im Rahmen der sich so ergebenden Verfahrensbe­ dingungen der Wachstumsparameter α entsprechend dem oben gesagten in zwei Schritten auf die genannten Werte von zuerst im wesentlichen 3, z. B. insbesondere größer als 2,95, und anschließend auf Werte von 2,5 bis 2,9 einzustellen.

In dem ersten Schritt wird der Keimauslesemechanismus ausgenutzt, um eine bestimmte Kristallrichtung, nämlich die <100<-Richtung, senkrecht zur Substratoberfläche auszurichten, und in dem zweiten Schritt werden senk­ recht zu dieser Kristallrichtung Flächen, nämlich {100}-Flächen, erzeugt und vergrößert, bis diese die Oberfläche der polykristallinen Schicht vollständig bedecken.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Herstellung von Optikfenster mit einer gekrümmten Oberfläche mög­ lich. Dafür wird von einem Substrat 4 ausgegangen, wel­ ches eine der gewünschten gekrümmten Oberfläche komple­ mentäre Oberfläche aufweist. Sofern der Krümmungsradius des Substrates groß gegen den mittleren Keimabstand d₀ ist, wird lokal jeweils ein ebenes Substrat 4 aufge­ wachsen. Dann steht beim Aufwachsen der Kristalle in dem ersten Verfahrensschritt die genannte Richtungsaus­ wahl der Kristalle in <100<-Richtung jeweils senkrecht auf der lokalen Substratoberfläche 4. Beim zweiten Verfahrensschritt werden dann die {100}-Facetten ver­ größert, so daß sich eine Diamantoberfläche 21 ergibt, die lokal jeweils parallel zu der Substratoberfläche 4 ist. Damit ergibt sich eine senkrecht zum Substrat 4 jeweils gleichdicke Diamantschicht 20, die die Gestalt des Substrates z. B. einer Kugelschale hat. Die ge­ wünschte freistehende und als Fenster einsetzbare Diamantschicht wird dann durch Ätzen des Substrates erhalten. Dabei weist das gekrümmte Fenster den Vorteil auf, daß beim Auftreten von unterschiedlichen Drücken auf den jeweiligen Fensterseiten diese leichter als von einer planparallelen Platte aufgenommen werden können.

Eine polykristalline Diamantschicht gemäß der Erfindung ist sehr vorteilhaft bei Wärmesenken einzusetzen, da die glatte Oberfläche 21 der Diamantschicht 20 einen guten Wärmeübergang ermöglicht. Aber erst durch die mit dem Verfahren nach der Erfindung erreichbare Dicke der Diamantschicht 20 bis in den Millimeterbereich hinein ist diese polykristalline Diamantschicht 20 hier sinn­ voll als eine wirkungsvolle Aufnahme und Abflußmög­ lichkeit für die z. B. von einem Halbleiter übertragene Wärme anzuwenden.

Das Verfahren ist über das hier beschriebene Ausfüh­ rungsbeispiel zur Abscheidung polykristalliner Diamant­ schichten natürlich auch zur Herstellung von anderen polykristallinen Schichten anwendbar, insbesondere auch zur Herstellung von glatten Optikfenstern aus anderen Kristallmaterialien, wobei diese Verfahren vom Fachmann entsprechend der hier vorliegenden Lehre durchgeführt werden können.

Claims (4)

1. Verfahren zur Abscheidung glatter polykristalliner Schichten, insbesondere Diamantschichten, auf Substraten, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in einem ersten Schritt Kristalle aufgewachsen werden, deren <100<-Kristallrichtung senkrecht zur Substratoberfläche ausgerichtet ist, indem ein Oktaeder mit einem Wachstumsparamter α von ungefähr 3, wobei α größer als 2,95 ist, aufgewachsen wird, und daß in einem zweiten Schritt senkrecht zu dieser <100<-Kristallrichtung Flächen durch Ab­ senken des Wertes des Wachstumsparameters α auf Werte von kleiner als 2,9 erzeugt und vergrößert werden, bis diese die Oberfläche der polykri­ stallinen Schicht vollständig bedecken, wobei der Wachstumsparameter α durch α=v₁₀₀/v₁₁₁ · gegeben ist, wobei mit v₁₀₀ und v₁₁₁ die Wachstums­ raten des Kristalls auf {100}- bzw. {111}-Flächen bezeichnet sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer vorgegebenen Ausgangskeimdichte mit mittlerem Keimabstand d₀ bei einer Schichtdicke von größer als 100 · d₀ zwischen dem ersten und dem zweiten Verfahrensschritt umgeschaltet wird.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat mit einer Ausgangskeimdichte mit einem mittleren Keimabstand d₀ verwendet wird, der kleiner als ein Mikrometer ist.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zwischenschritt zwischen dem ersten und dem zweiten Verfahrensschritt vorgesehen ist, in dem die Verfahrensbedingun­ gen von denen des ersten Verfahrensschrittes zu denen des zweiten Ver­ fahrensschrittes hin kontinuierlich verändert werden.