DE69009893T2

DE69009893T2 - Vorrichtung zur Abscheidung von synthetischem Diamant, die unter Federdruck stehende Drähte enthält.

Info

Publication number: DE69009893T2
Application number: DE69009893T
Authority: DE
Inventors: Thomas Richard Anthony; Robert Charles Devries; Richard Allen Engler; Robert Helmut Ettinger; James Fulton Fleischer
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-08-03
Filing date: 1990-07-23
Publication date: 1994-11-17
Anticipated expiration: 2010-07-24
Also published as: EP0411424A1; DE69009893D1; US4970986A; IE901886A1; EP0411424B1; JPH03120369A; ATE107365T1; KR910004297A

Description

Beschreibung

Diese Erfindung bezieht sich auf die chemische Dampfabscheidung von Diamant und mehr im besonderen auf eine Vorrichtung zum Einsatz bei einer solchen Abscheidung.
Es sind verschiedene Verfahren zum synthetischen Herstellen von Diamant bekannt. Im besonderen ist die Abscheidung von Diamantüberzügen auf Substraten zur Herstellung von Schneid- und Schleif-Werkzeugen bekannt.
Eine Klasse von Verfahren, die in den letzten Jahren zur Abscheidung von synthetischem Diamant entwickelt worden ist, besteht aus Verfahren zum chemischen Dampfabscheiden (hier manchmal als "CVD" bezeichnet). Für eine allgemeine Zusammenfassung verschiedener Verfahren zur Diamantabscheidung, einschließlich CVD-Verfahren, wird Bezug genommen auf "Chemical & Engineering News", 67(20), 24-39 (15. Mai 1989), auf die ausdrücklich Bezug genommen wird.
Bei den CVD-Verfahren wird eine Mischung aus Wasserstoff und einem Kohlenwasserstoffgas, wie Methan, thermisch aktiviert und in Kontakt mit einem Substrat gebracht. Das Wasserstoffgas wird in atomaren Wasserstoff umgewandelt, der mit dem Kohlenwasserstoff unter Bildung elementaren Kohlenstoffes reagiert, der sich auf dem Substrat in Form von Diamant abscheidet. Viele der CVD-Verfahren zum Überziehen mit Diamant, im folgenden als "Draht"- bzw. "Heizfaden"-Verfahren bezeichnet, benutzen ein oder mehrere Widerstands-Heizeinheiten, die typischerweise auf Temperaturen von mindestens 2000ºC erhitzte Drähte oder Fäden einschließen, um die hohen Aktivierungstemperaturen zu schaffen, bei denen diese Umwandlungen stattfanden.
Bei den Heizfaden-Verfahren zur CVD-Diamantabscheidung haben sich verschiedene Probleme ergeben, und diese haben zu einem beträchtlichen Ausmaß deren Brauchbarkeit in einem kommerziellen Maßstab verhindert. Es ist zum Beispiel schwierig, Bedingungen zu schaffen, unter denen die Abscheidungsgeschwindigkeit von Diamant groß genug ist, um kommerziell ausführbar zu sein. Es gibt zahlreiche Verfahren, die eine horizontale Konfiguration von Substrat(en) und Fäden mit spiralförmig gewickelten Fäden benutzen, doch ist die dadurch mögliche Abscheidungsgeschwindigkeit größtenteils gering.
Auch sind zahlreiche Probleme mit den Heizfäden beobachtet worden. Es ergibt sich bei den vorgenannten hohen Temperaturen eine beträchtliche Ausdehnung, die teilweise eine thermische Ausdehnung, im Falle der häufig eingesetzten Wolframfäden jedoch zu einem größeren Ausmaß das Ergebnis der Carbonisierung ist, wobei Wolframcarbid mit der damit zusammenhängenden Ausdehnung bis zu einem Ausmaß von etwa 20% gebildet wird. Ist eine solche Ausdehnung unkontrolliert, dann kann ein Fadenbruch und/oder ein Kontakt zwischen den Fäden und dem Substrat auftreten, die beide die Diamantabscheidung beenden.
Die Bechädigung, die aus der Carbonisierung resultiert, ist besonders ernst, wenn ein spiralförmiger Glühfaden benutzt wird. Die Carbonisierung wird vom Reißen des Wolframcarbides, häufig in einer spiralförmigen Konfiguration, begleitet, das die Verformung eines spiralförmig gewickelten Glühfadens in unvorhersagbaren Richtungen verursachen kann. Die Abscheidung wird so üblicherweise sehr viel kürzer als nach der Periode von 30 bis 40 Tagen vorzeitig abgebrochen, die normalerweise für die Abscheidung eines Diamantfilmes von 0,5 bis 1,0 mm Dicke erforderlich ist.
Weiter wird häufig festgestellt, daß die Substrattemperatur mit einer hohen Abscheidungsgeschwindigkeit von Diamant unverträglich ist. In gewissen Fällen verursachen die Glühfaden-Temperaturen, die atomaren Wasserstoff in den erforderlichen Anteilen ezeugen, daß das Substrat eine Temperatur von mehr als etwa 1000ºC erreicht. In anderen Fällen können die Substrattemperaturen unterhalb von 900ºC liegen. Die optimalen Substrattemperaturen für die Diamantabscheidung liegen im Bereich von 900 bis 1000ºC.
Die JP-A-172 992 offenbart eine Vorrichtung zum Vergrößern des Bereiches, der mit synthetischem Diamant mit sehr ausgeprägter Fehlerfreiheit überzogen werden kann, wobei ein thermionischer Strahlungsdraht unter Zug und parallel zum Substratmaterial gereckt und erhitzt benutzt wird, der eine gasförmige Mischung aus Kohlenwasserstoff (z.B. CH&sub4;) und H&sub2; reagieren läßt. Die Fäden sind elektrisiert und auf ≥ 1.800ºC erhitzt, die Oberflächentemperatur des Trägermaterials wird durch Wasserkühlung einer Trägerbasis bei 950 bis 1050ºC gehalten, und synthetischer Diamant wird auf der Oberfläche des Substratmaterials abgeschieden.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Feststellung von Bedingungen, die die optimale Diamantabscheidung auf Substraten fördern. Erstens wurde festgestellt, daß die Keimbildung und das Wachstum von Diamant maximiert werden, wenn die Reaktorkonfiguration zwei im wesentlichen parallele Substrate auf gegenüberliegenden Seiten einer Vielzahl von Glühfäden statt horizontal konfigurierter Substrate oder vertikal in einer quadratischen oder zylindrischen Anordnung angeordnete Substrate oder einem Substrat zwischen Reihen von Glühfäden einschließt. Zweitens wird eine lange Glühfaden-Lebensdauer mit linearen Glühfäden erzielt, die unter Federspannung stehen, um die thermische Ausdehnung und die durch die Carbonisierung verursachte Ausdehnung zu kompensieren. Drittens gestattet die Anwendung einer Regeleinrichtung für die Substrattemperatur die Regelung der Abscheidungsreaktion, die die Wachstumsgeschwindigkeiten von Diamant optimieren kann.
Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur verbesserten Herstellung von CVD-Diamantüberzügen nach dem Glühfadenverfahren. Die Merkmale der Erfindung gestatten eine genauere Regelung der Glühfaden-Konfiguration, als dies bisher möglich war, und sie gestatten eine Regelung der Substrattemperatur zur Maximierung der Abscheidungsgeschwindigkeit. Ein Ergebnis ist eine Zunahme in der Glühfaden-Lebensdauer, die es gestattet, daß das Abscheidungsverfahren fortgesetzt wird, bis ein Überzug beträchtlicher Dicke hergestellt ist.
Die Erfindung ist demgemäß auf eine Vorrichtung zum Abscheiden von Diamant auf Substraten durch chemische Dampfabscheidung gerichtet, umfassend:
eine geschlossene Reaktionskammer mit mindestens einem Gaseinlaß und mindestens einer Auslaßeinrichtung, wobei die Kammer bei einem Druck unterhalb von Atmosphärendruck gehalten werden kann;
eine Trägereinrichtung, um die Substrate in der Kammer parallel zueinander und im Abstand voneinander zu tragen, um eine Gasströmung zwischen den Substraten zu gestatten;
eine Widerstandsheizeinrichtung, umfassend eine Vielzahl sich vertikal erstreckender, linearer, elektrisch leitender Heizfäden, die im wesentlichen im gleichen Abstand von den Substraten angeordnet sind, wobei jeder der Heizfäden an einem Ende an einer festgelegten Elektrode und am anderen an einer beweglichen Elektrode zur Zufuhr von Energie zu den Heizfäden befestigt ist und dadurch erhitzt wird , und
eine Vielzahl von Federeinrichtungen, die an den beweglichen Elektroden angebracht sind, um die Heizfäden gespannt und im wesentlichen parallel zu den Substraten zu halten, ohne einen Bruch der Heizfäden zu verursachen.
Die Erfindung wird detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in der zeigen:
Figur 1 eine schematische Seitenansicht einer illustrativen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 eine auf der Linie 2-2 der Figur 1 geschnittene Ansicht dieser Vorrichtung;
Figur 3 eine auf der Linie 3-3 der Figur 2 geschnittene Ansicht und
Figur 4 eine Detailansicht gewisser Aspekte des die Glühfäden spannenden Mechanismus, der Teil der Erfindung bildet.
In der Zeichnung sind die inneren Merkmale einer Einheit zur CVD-Abscheidung von Diamant gemäß der vorliegenden Erfindung abgebildet. Alle diese Merkmale sind in einer (nicht gezeigten) Reaktionskammer eingeschlossen, die luftdicht ist und bei vermindertem Druck gehalten werden kann, und die mit einem geeigneten Gaseinlaß und einer Auslaßöffnung versehen ist. Alle Teile der Vorrichtung, die in der Reaktionskammer vorhanden sind, sind aus geeigneten hitzebeständigen Materialien konstruiert, wie erforderlich, um Glühfaden-Temperaturen in der Größenordnung von etwa 2000ºC und Substrat-Temperaturen bis zu etwa 1000ºC zu widerstehen. Quarz ist ein beispielhaftes, nichtleitendes, hitzebeständiges Material, das für diesen Zweck geeignet ist.
Die Merkmale der Vorrichtung und der dazugehörigen Gegenstände, die in der Zeichnung dargestellt sind, schließen ein Paar von Substraten ein, die normalerweise planar sind, obwohl sie leicht gekrümmt sein können. Es kann irgendein Substratmaterial benutzt werden, das für die Diamantabscheidung darauf geeignet ist; Beispiele solcher Materialien sind Bor, Bornitrid, Platin, Graphit, Molybdän, Kupfer, Aluminiumnitrid, Silber, Eisen, Nickel, Silicium, Aluminiumoxid und Siliciumdioxid sowie deren Kombinationen. Substrate aus metallischem Molybdän sind unter vielen Bedingungen besonders geeignet und häufig bevorzugt. Träger 2 dienen als Trägereinrichtungen zum Halten der Substrate 1 in einer Position parallel zueinander und in einem geeigneten Abstand, damit die Abscheidung stattfindet.
Die Vorrichtung enthält auch eine Einrichtung zum Widerstandserhitzen, umfassend zwei Elektroden und eine Anzahl sich vertikal erstreckender linearer, elektrisch leitender Glühfäden oder Drähte (die im folgenden allgemein als "Glühfäden" bezeichnet werden), die ansonsten von üblicher Ausführung und Schaltung sind. Das Material, aus dem diese Glühfäden zusammengesetzt sind, ist nicht kritisch, und es ist irgendein Material akzeptabel, das im Stande der Technik als für diesen Zweck geeignet bekannt ist. Beispielhafte Materialien sind metallisches Wolfram, Tantal, Molybdän und Rhenium; wegen seiner relativ geringen Kosten und besonderen Eignung ist Wolfram häufig bevorzugt. Durchmesser der Glühfäden von etwa 0,2 bis 1,0 mm sind typisch, wobei etwa 0,8 mm häufig bevorzugt werden.
Die Glühfäden sind zwischen den Substraten parallel dazu und mit im wesentlichen gleichem Abstand davon angeordnet. Die Abstände der Glühfäden zu den Substraten liegen im allgemeinen in der Größenordnung von 5 bis 10 mm.
In der Zeichnung ist die festgelegte Elektrode 4 geerdet, und sie ist an einer Anzahl der Glühfäden fest befestigt, von denen einer mit 5 bezeichnet ist. Da eine Vielzahl von Glühfäden und damit verbundener Struktur vorhanden ist, erfolgt im folgenden und in der Zeichnung eine Bezugnahme nur auf einen, doch sollte klar sein, daß die Gesamtzahl für die Erfindung nicht kritisch ist.
Der Isolator 6 trennt die fixierte Elektrode und ihre Basis vom leitenden Element 7. Das letztere ist leitend über den Leiter 8, typischerweise aus Kupferlitze, mit einer bewegbaren Elektrode 9 verbunden.
Die bewegbare Elektrode ist als über eine Lagerung mit dem Glühfaden 5 verbunden gezeigt. Die Lagerungskonstruktion, die in der Zeichnung und insbesondere in Figur 4 gezeigt ist, schließt einen Stab 30, der fest mit der bewegbaren Elektrode verbunden ist und durch Löcher 11 im Bodenteil eines Trägerrahmens 15 und im leitenden Element 7 verläuft, sowie einen Stopfen 12 ein, der fest mittels einer Einstellmutter 13 an dem Stab 30 befestigt ist, wobei der Stopfen 12 genügend Abstand vom leitenden Element 7 hat, um den Glühfaden 5, wie im folgenden beschrieben, gespannt zu halten, ihn jedoch nicht überspannt, was einen Bruch des Glühfadens verursachen könnte.
Der Glühfaden 5 wird durch die Feder 10, die mittels Stab 16 und Befestigungsmutter 17 am Trägerrahmen 15 befestigt ist, gespannt und im wesentlichen parallel zu den Substraten 1 gehalten. Obwohl die Feder als eine Ausdehnungs-Spulenfeder gezeigt ist, die im gereckten Zustand Zug ausübt, wird dem Fachmann klar sein, daß ähnliche Ergebnisse unter Anwendung anderer Arten von Federn erhalten werden können. So können zum Beispiel Kompressions-Spulenfedern, die im Kompressionsmodus arbeiten, oder flache Ausleger- oder Spulenfedern, die im Biegemodus arbeiten, benutzt werden.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß die Federn 10 ein isolierendes Material umfassen oder ein Material, dessen leitende Eigenschaften sich derart von solchen der Widerstands-Heizeinrichtungen unterscheiden, daß keine merkliche Leitung von Strom durch die Federn stattfindet. Am häufigsten wird es jedoch erwünscht sein, die Federn aus leicht erhältlichem Metall, wie Stahl, herzustellen. Es mag dann erforderlich sein, die Feder 10 und den Rahmen 15 von der Widerstandsheizeinrichtung elektrisch zu isolieren, um deren Überhitzen zu vermeiden.
Die zwischen der Feder 10 und der beweglichen Elektrode 9 gezeigte Befestigung wird daher über einen isolierenden Ring 14 erzielt, der ein geeignetes nicht leitendes Material, wie Quarz oder hochtemperaturbeständigen Kunststoff, umfaßt. Gleicherweise ist ein Isolator 31, der typischerweise aus einem temperaturbeständigen Kunststoff besteht, wie Polytetrafluorethylen, zwischen dem Leiter 7 und dem Rahmen 15 angeordnet.
Es ist sehr erwünscht, die Substrate 1 bei Temperaturen im Bereich von etwa 900-1000ºC zu halten, da innerhalb dieses Bereiches eine minimale Reaktion zwischen dem in der Gasmischung vorhandenen Wasserstoff und dem aus dem darin enthaltenen Kohlenwasserstoff gebildeten elementaren Kohlenstoff stattfindet, so daß der elementare Kohlenstoff zur Abscheidung als Diamant bei einer hohen Wachstumsrate auf dem Substrat verfügbar bleibt. Ohne irgendwelche Vorkehrungen zum unabhängigen Regeln der Substrattemperatur übersteigt diese Temperatur häufig 1000ºC oder bleibt darunter, und die Wachstumsrate des Diamant nimmt beträchtlich ab.
Gemäß einem wahlweisen Merkmal der Erfindung wird die erwünschte Temperaturregelung durch eine Einrichtung zum Regeln der Substratemperatur erzielt, die benachbart einem und vorzugsweise beiden Substraten auf den den Glühfäden gegenüberliegenden Seiten angeordnet ist. Diese ist in der Zeichnung als Kühleinrichtung dargestellt, die mindestens eine und vorzugsweise zwei Wärmesenken 18 umfaßt. Jede Wärmesenke besteht typischerweise aus metallischem Kupfer, und sie wird durch das daran befestigte serpentinenförmige Rohr 21 (auch üblicherweise aus Kupfer), das mit einem Kühlwasser-Einlaß und -Auslaß 19 bzw. 20 versehen ist, gekühlt. Der Abstand der Wärmefalle 18 vom Substrat 1 wird durch einen konventionellen Schraubenmechanismus, der durch die Kurbel 22 kontrolliert wird, eingestellt, und dieser Abstand sowie die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers durch das Rohr werden entweder manuell oder automatisch über geeignete Sensoren eingestellt, um das Substrat innerhalb des erwünschten Temperaturbereiches zu halten.
Der Fachmann wird erkennen, daß die Wärmefallen 18 durch konventionelle Heizeinrichtungen ersetzt werden können, wenn dies geeignet ist.
Während des Betriebes wird die Reaktionskammer der Vorrichtung dieser Erfindung bei einem Druck bis zu 1 bar (760 Torr), typischerweise in der Größenordnung von etwa 1330 Pa (10 Torr) gehalten. eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoff, meistens Methan, und allgemein in einer Menge von bis zu etwa 2 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtgase, wird in die Kammer geleitet, und ein Strom wird durch die Elektroden und Glühfäden geleitet, um die Glühfäden auf eine Temperatur von mindestens etwa 2000ºC zu erhitzen. Mit der angewendeten Substratkonfiguration, der Gasdiffusion zwischen den Substraten und in Kontakt mit den Glühfäden, ergibt sich eine ausgezeichnete Keimbildung und ein ausgezeichnetes Wachstum von Diamantteilchen.
Die Einrichtung zur Temperaturregelung wird in einem Abstand vom Substrat (und im Falle von Wärmefallen) der Wasserdurchgang durch das damit verbundene Rohr bei einer Geschwindigkeit gehalten, um eine Substrattemperatur im Bereich von etwa 900-1000ºC, meistens etwa 950ºC, zu halten. Bei solchen Temperaturen erreicht die Wachstumsgeschwindigkeit von Diamant ihren höchsten Wert. Die Federspannung auf die Glühfäden wird wie vorher beschrieben aufrechterhalten, wodurch sie in einer im wesentlichen planaren Konfiguration selbst bei thermischer Ausdehnung und Ausdehnung aufgrund der Carbonisierung gehalten werden. Unter Anwendung dieser Kombination von Merkmalen ist es möglich, Diamantfilme mit Dicken bis zu etwa 1 mm oder gelegentlich sogar mehr innerhalb einer Zeitspanne von 30 bis 40 Tagen wachsen zu lassen, ohne daß Glühfadenbrüche oder andere ungünstige Vorfälle auftreten.

Claims

1. Vorrichtung zum Abscheiden von Diamant auf Substraten durch chemische Dampfabscheidung, umfassend:

eine geschlossene Reaktionskammer mit mindestens einem Gaseinlaß und mindestens einer Auslaßeinrichtung, wobei die Kammer bei einem Druck unterhalb von Atmosphärendruck gehalten werden kann;

eine Trägereinrichtung, um die Substrate in der Kammer parallel zueinander und im Abstand voneinander zu tragen, um eine Gasströmung zwischen den Substraten zu gestatten;

eine Widerstandsheizeinrichtung, umfassend eine Vielzahl sich vertikal erstreckender, linearer, elektrisch leitender Heizfäden, die im wesentlichen im gleichen Abstand von den Substraten angeordnet sind, wobei jeder der Heizfäden an einem Ende an einer festgelegten Elektrode und am anderen an einer beweglichen Elektrode zur Zufuhr von Energie zu den Heizfäden befestigt ist und dadurch erhitzt wird , und

eine Vielzahl von Federeinrichtungen, die an den beweglichen Elektroden angebracht sind, um die Heizfäden gespannt und im wesentlichen parallel zu den Substraten zu halten, ohne einen Bruch der Heizfäden zu verursachen.

2 Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend eine Einrichtung zum elektrischen Isolieren der Federeinrichtungen von den Heizfäden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin die festgelegte Elektrode unterhalb des Raumes zwischen den Substraten angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, worin die Heizfäden metallisches Wolfram umfassen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Federeinrichtung Zugfedern umfaßt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Federeinrichtung Druckfedern umfaßt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Federeinrichtung Auslegerfedern umfaßt.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Temperaturregeleinrichtung, die benachbart einem der Substrate auf der den Fäden gegenüberliegenden Seite angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, worin die Temperaturregeleinrichtung eine Kühleinrichtung ist.

10. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, die ein Paar von Substrat-Kühleinrichtungen auf der den Heizfäden gegenüberliegenden Seite jedes der Substrate aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, weiter umfassend eine Einrichtung zum Einstellen des Abstandes von den Substraten zu den Substrat-Kühleinrichtungen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, worin die Kühleinrichtung metallisches Kupfer mit einer Einrichtung zum Durchgang von Kühlwasser umfaßt.

13. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, umfassend ein Paar planarer vertikaler Substrate, bei der jeder Heizfaden am unteren Ende an einer festgelegten Elektrode und am oberen Ende an einer beweglichen Elektrode befestigt ist.