DE69015010T2 - Verfahren zum Herstellen von Substraten zum Beschichten mit dünnen Diamantschichten. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden von Diamant-Dünnschichten auf Substraten.
• Diamant-Dünnschichten werden als Schutzfilm für Halbleiterchips und als Beschichtung für verschiedene Schneidwerkzeuge verwendet.
• Für das Abscheiden von Diamant-Dünnschichten als kohlenstoffhaltigen Dünnschichten mit einer ausreichenden Kristallstruktur sind nicht nur die dafür verwendeten Aufwuchsverfahren, sondern auch die Substratmaterialien, auf denen die Diamant-Dünnschichten abgeschieden werden, von Bedeutung.
• Herkömmlicherweise wurden Einkristalldiamantsubstrate verwendet, weil diese aus demselben Material bestehen wie die abzuscheidenden Aufwuchsschichten. Bei Verwendung solcher Substrate können Dünnschichten mit ausgezeichneter Kristallstruktur erzielt werden. Ein solches Verfahren wird als homo-epitaktisches Aufwuchsverfahren bezeichnet.
• Andererseits ist das heteroepitaktische Aufwuchsverfahren bekannt, bei dem man Schichten auf Substraten aufwachsen läßt, die aus einem anderen Material bestehen als die Schichten. Mit diesem Verfahren können Diamant-Dünnschichten für eine Reihe technischer Einsatzgebiete aufgebracht werden, da unterschiedliche Substrate verfügbar sind.
• Derzeit werden eine Reihe von Materialien, wie beispielsweise Silizium, Siliziumcarbid und dergleichen für dieses Verfahren verwendet.
• Es hat auch Versuche gegeben, die Oberfläche des Substrats künstlich mit ausgewählten Materialien zu bearbeiten. Beispielsweise wurde eine Aufrauhung der Oberfläche eines Siliziumsubstrats mit einem inerten Ionenstrahl oder mit einem Diamantschleifstein vorgeschlagen.
• Damit mit dem homoepitaktischen Verfahren Diamant-Dünnschichten gebildet werden können, müssen Einkristalldiamantsubstrate verwendet werden. Das Diamantsubstrat ist jedoch sehr teuer und die Herstellung von Diamantsubstraten in großem Maßstab schwierig.
• Andererseits ist die Auswahl des Substrats wichtig, wenn mit dem heteroepitaktischen Verfahren kohlenstoffhaltige Dünnschichten gebildet werden sollen.
• Weil für das Aufwachsen von Diamantschichten die Bildung und das Wachsen von Diamantkristallisationskernen in der Anfangsphase der Schichtabscheidung wichtig sind, hängt es vom Material und vom Zustand der Oberfläche des zu verwendenden Substrats ab.
• Beim Stand der Technik ist die künstliche Aufrauhung der Oberfläche des Substrats vorgeschlagen worden, um die Dichte der Bildung von Diamantkristallisationskernen zu erhöhen. Bei diesem Verfahren ist es jedoch unmöglich, die Kristallorientierung der abzuscheidenden Schicht zu steuern, obwohl die Dichte der Bildung von Diamantkristall isationskernen erhöht ist.
• In Bezug auf die Kristallstruktur der Schicht ist das heteroepitaktische Verfahren dem homoepitaktischen Verfahren im allgemeinen unterlegen.
• Wie bereits erwähnt, sind die Substrate, die herkömmlicherweise für die Abscheidung von Diamant-Dünnschichten verwendet werden, nicht ganz zufriedenstellend für die Bildung von Diamant-Dünnschichten mit hervorragender Kristallstruktur. Speziell für das heteroepitaktische Verfahren sind keine echten Verbesserungen bei der Steuerung der Kristallstruktur und der Ausrichtung der Diamant-Dünnschicht bekannt.
• Die WO 88/10321 beschreibt einen massenselektierten Ionenstrahl niedriger Energie (10 bis 300 eV), der zum Abscheiden von Dünnschichten auf reinen Substratoberflächen bei Zimmertemperatur verwendet wird. Bei einer Ausführungsform dieser Offenbarung wird ein C&spplus;-Ion verwendet, um eine chemisch gebundene Diamantschicht oder diamantähnliche Schicht auf einem Substrat abzuscheiden. Der optimale C&spplus;-Energiebereich für die Bildung der Diamantstruktur liegt zwischen etwa 30 und 175 eV. Es wird berichtet, daß unter 10 eV keine definitive Diamantstruktur erzielt wurde und daß über 180 eV die zur Erzielung einer solchen definitiven Struktur erforderliche Dosis rapide ansteigt. Bei einer Ausführungsform dieser Offenbarung wird die Masseselektion mit einem Massenspektrometer mit einem elektrostatischen Quadrupolanalysator und einem 60º-Sektorfeldelektromagnet vorgenommen.
• Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Abscheiden von Diamant-Dünnschichten auf Substraten zur Verfügung zu stellen, die aus einem anderen Material als Diamant bestehen, wobei sich Diamant-Dünnschichten mit guter Kristallstruktur ergeben. Ein Aspekt dieser Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen> bei dem es möglich ist, die Dichte der Bildung von Diamantkristall isationskernen und den Abscheidungsbereich der Diamant-Dünnschicht künstlich zu steuern.
• Die Erfindung löst die genannten Aufgaben mit einem Verfahren zum Abscheiden von Diamant-Dünnschichten auf Substraten, wobei das Verfahren umfaßt: Zersetzen von Kohlenwasserstoffgas durch elektrische Entladung, Beschleunigen von erhaltenen Zersetzungsprodukten durch ein elektrisches Gleichspannungsfeld von weniger als 10 kV, Einstrahlen der beschleunigten Produkte auf die Oberfläche eines Substratmateials, welches bei einer Temperatur im Bereich von 10 bis 800 ºC gehalten wird, wodurch auf der Oberfläche und der Oberflächenschicht des Substratmaterials ein Bereich gebildet wird, der eine Kristallstruktur aufweist, die Kohlenstoffatome und Atome enthält, aus denen das Substratmaterial aufgebaut ist.
• Die erfindungsgemäß gebildete Oberflächenschicht hat im wesentlichen dieselbe Bindungsstruktur wie Diamant, weshalb darauf eine Diamant-Dünnschicht mit ausgezeichneter Kristallstruktur und Kristallausrichtung abgeschieden wird.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Oberfläche des Substratmaterials mit einer Maske mit einem vorgegebenen Maskierungsmuster abgedeckt. In diesem fall wird die für das Abscheiden einer Diamant- Dünnschicht geeignete Oberflächenschicht entsprechend dem Maskierungsmuster gebildet, so daß es möglich wird, die Dichte der Bildung von Diamantkristallisationskernen und den Abscheidungsbereich zu steuern.
• Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das fertige Substrat einer Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 800 bis 1200 ºC unterzogen. Dadurch wird die Kristallstruktur der Oberflächenschicht besonders verfeinert.
• Weitere geeignete und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
• Die genannten und weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus nachfolgender Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hervor; es zeigen:
• Fig. 1: eine erläuternde Darstellung einer Vorrichtung zum Herstellen erfindungsgemäßer Substrate;
• Fig. 2: eine schematische Darstellung einer Möglichkeit, Produkte auf ein Substratmaterial einzustrahlen;
• Fig. 3: eine graphische Darstellung der Konzentration der Sekundärionen, die man erhält, wenn man erfindungsgemäß ein Siliziumsubstrat und als Kohlenwasserstoffgas Methangas verwendet;
• Fig. 4: ein durch Infrarotspektralanalyse eines erfindungsgemäß hergestellten Substrats erhaltenes Spektrum;
• Fig. 5(a) und 5(b): Darstellungen der Ergebnisse, die man durch Photoelektronenspektroskopie der Oberfläche und der Oberflächenschicht des erfindungsgemäß hergestellten Substrats erhält; und
• Fig. 6: eine Darstellung des Ergebnisses einer Raman-Spektroskopie der Diamant-Dünnschicht, die erfindungsgemäß auf dem Substrat abgeschieden wurde.
• Fig. 1 ist eine erläuternde Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung von Produkten durch Zersetzen von Kohlenwasserstoffgas durch Entladung und zum Einstrahlen derselben auf ein Substrat, das aus einem anderen Material als Diamant besteht.
• Die Vorrichtung weist eine Entladungskammer 102 zum Zersetzen des Kohlenwasserstoffgases durch Entladung auf sowie eine Bestrahlungskammer 103 zum Beschleunigen gebildeter Ionen zur Bildung eines Ionenstrahls mit großem Durchmesser, und zum Bestrahlen der Oberfläche eines Substrats 101, das aus einem anderen Material als Diamant besteht, mit dem Ionenstrahl.
• Das Gas wird über eine Gasleitung 104 aus einer Gasflasche 105 in die Entladungskammer 102 geleitet. In der Gasflasche 105 ist ein Kohlenwasserstoffgas, beispielsweise Methangas (CH4), für die Bildung von Kohlenstoffionen enthalten. Die Entladungskammer 102 wird von einem glockenförmigen Zylinder aus Quarz gebildet, auf dessen Außenseite zwei Elektroden 107 einer Hochfrequenzspannungsquelle 106 angeordnet sind. Die Frequenz beträgt 13,56 MHz. Auf der Außenseite beider Elektroden 107 ist ein Elektromagnet 108 zum Erzeugen eines statischen Magnetfeldes axial zur Entladungskammer 102 angeordnet. Dieses Magnetfeld verstärkt die Effizienz der Ionisierung der Produkte. In der Entladungskammer 102 sind axial zur Kammer 102 und einander gegenüber eine erste Elektrode 109 und eine zweite Elektrode 110 zur Beschleunigung der erzeugten Ionen angeordnet. Die beiden Elektroden 109 und 110 sind mit einer Gleichspannungsquelle 111 verbunden, mit der eine Gleichspannung von weniger als 10 kV anliegt. Die Entladungskammer 102 und die Bestrahlungskammer 103 sind durch einen dazwischen angeordneten ringförmigen Isolierflansch 113 gegeneinander isoliert.
• Ionen und neutrale Produkte, die durch das zwischen der ersten Elektrode 109 und der zweiten Elektrode 110 gebildete elektrische Gleichfeld beschleunigt werden, strahlen auf die Oberfläche des Substrats 101 ein, das auf einem Substratträger 112 liegt, und werden in das Substrat 101 implantiert. Wenn die Beschleunigungsspannung zwischen der ersten Elektrode 109 und der zweiten Elektrode 110 10 kV übersteigt, wird die Oberfläche des Substrats 101 in unerwünschter Weise beschädigt, und die Bildung von Bindungen zwischen Ionen und Substratatomen erfolgt in einer zu großen Tiefe, als daß das Substrat 101 zum Abscheiden einer Diamant-Dünnschicht verwendet werden könnte. Der Substratträger 112 hat die Aufgabe, das darauf liegende Substrat 101 zu erwärmen, da Beschädigungen des Substrats 101, die durch Bestrahlung bei einer geringeren Temperatur eingetreten sind, durch Erwärmung des Substrats 101 beseitigt werden können. Die Erwärmungstemperatur wird so geregelt, daß sie ein Maximum von 600 ºC nicht übersteigt, wobei die Glühtemperatur und das Erfordernis der Abscheidung der Diamant-Dünnschicht bei niedriger Temperatur berücksichtigt werden. Strom zum Erwärmen des Substratträgers 112 wird über ein Ampèremeter 114 von der Gleichspannungsquelle 111 zugeführt.
• Das zersetzte Gas wird aus einer mit der Unterseite der Bestrahlungskammer 103 verbundenen Ablaßleitung 115 abgelassen.
• Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Möglichkeit, Produkte auf ein Substratmaterial einzustrahlen, das mit einer Maske 205 abgedeckt ist.
• Bei dieser bevorzugten Ausführungsform wurden Einkristallsiliziumsubstrate verwendet. Als Kohlenwasserstoffgas wurde Methan verwendet. Weitere Bedingungen waren: Beschleunigungsspannung = 3 kV, Entladungsenergie = 20 W, Druck in der Kammer = 8,4 x 10&supmin;² Pa (6,3 x 10&supmin;&sup4; Torr), anliegendes Magnetfeld = 3 x 10&supmin;&sup4; T (30 Gauss).
• Fig. 3 zeigt das Ergebnis der Massenspektrometrie der Sekundärionen für das unter den vorstehenden Bedingungen hergestellte Siliziumsubstrat. Wie aus fig. 3 zu ersehen ist, ist davon auszugehen, daß beschleunigte neutrale Produkte 202 und Ionen 203 nur in einer sehr dünnen Oberflächenschicht des Substrats implantiert wurden. Die Erfinder bestätigten mittels Photoelektronenspektroskopie der Oberfläche und der Oberflächenschicht des Siliziumsubstrats, daß in der dünnen Oberflächenschicht Si-C-Bindungen gebildet wurden.
• Fig. 4 zeigt ein Absorptionsspektrum des Siliziumsubstrats, das sich bei Infrarotabsorptionsspektroskopie ergab. Die bei einer Wellenzahl nahe 800 cm&supmin;¹ beobachtete Absorption entspricht der Absorption durch die Si-C-Bindungen, die unter den vorstehenden erfindungsgemäßen Bedingungen gebildet wurden, und es ist davon auszugehen, daß die Anzahl der Si-C-Bindungen durch eine Temperbehandlung noch zunimmt.
• Die Erfinder bestätigten auf der Grundlage von Messungen mittels Photoelektronenspektroskopie oder Kristallstrukturanalyse mittels Elektronenstrahlen, daß man wesentlich mehr für die Abscheidung von Diamant-Dünnschichten geeignete Substrate erhält, wenn man die fertigen Substrate einer Wärmebehandlung in einem vorgegebenen Temperaturbereich von 800 bis 1200 ºC unterzieht, da der sich dabei bildende kubische Si-C-Kristall eine ausgezeichnete Kristallstruktur zeigt.
• Die Fig. 5() und 5(b) zeigen Ergebnisse der photoelektronenspektroskopischen Untersuchung der Kristall- oder Bindungszustände an der Oberfläche und der Oberflächenschicht 204 des Si-Substrats, das 5 Minuten lang einer Temperbehandlung bei 1150 ºC in Argonatmosphäre unterzogen wurde. Nach diesen Ergebnissen haben die 0berfläche und die Oberflächenschicht 204 des getemperten Si-Substrats im wesentlichen denselben Bindungszustand wie ein Si-C-Kristall. Weiter bestätigte das Ergebnis der von den Erfindern durchgeführten Kristallstrukturanalyse mittels Elektronenstrahlen, daß die Kristallstruktur kubisch war.
• Dies besagt, daß das vorerwähnte Substrat hervorragend geeignet ist als Substrat zum Abscheiden von Diamant-Dünnschichten, weil beobachtet wurde, daß beim heteroepitaktischen Aufbringen der Diamant-Dünnschicht an der Oberfläche des Si-Substrats eine Zwischenschicht aus SiC mit kubischer Kristallstruktur gebildet wird. Die erfindungsgemäß gebildete Schicht aus kubischen SiC- Kristallen trägt nämlich zur Bildung der Zwischenschicht aus SiC bei.
• Fig. 6 zeigt das Ergebnis einer Raman-Spektroskopie der Diamant-Dünnschicht, die auf dem erfindungsgemäß hergestellten Substrat abgeschieden wurde.
• Die Werte besagen, daß in der Diamant-Dünnschicht fast keine anderen Bestandteile als Diamant enthalten sind, woraus zu ersehen ist, daß die erzielte Diamant-Dünnschicht von ausgezeichneter Qualität ist.
• Dies wurde durch Messungen mittels Kristallstrukturanalyse mit Röntgenstrahlen und Elektronenstrahlen bestätigt. Ferner hat die erfindungsgemäße Diamant-Dünnschicht im Vergleich zu einer herkömmlichen Diamant-Dünnschicht eine sehr glatte, flache Oberfläche. Dies wurde elektronenmikroskopisch bestätigt. Es bedeutet, daß die vorliegende Erfindung in effektiver Weise die Bildung von Diamantkristallisationskernen fördert.
• Die Erfinder haben außerdem bestätigt, daß die Wirksamkeit der Bildung von SiC deutlich verstärkt wurde, und zwar um 20 bis 25 %, wenn man einen Vergleich anstellt zwischen der Oberfläche eines Siliziumsubstrats, die von einer Ebene (111) aus Einkristallsilizium gebildet wurde, und der Oberfläche eines Siliziumsubstrats, die eine andere Orientierung hat als die Ebene (111).
• Die Erfindung ermöglicht die Herstellung von Substraten bei relativ niedriger Temperatur und in großem Maßstab, wobei die Dichte der Bildung von Diamantkristallisationskernen und die Kristallausrichtung künstlich gesteuert werden.
• Es kann außerdem erwartet werden, daß kubische SiC-Kristalle auch bei Substraten gebildet werden können, die erfindungsgemäß aus einem anderen Material als Silizium hergestellt werden.

Claims (6)

1. Verfahren zum Abscheiden von Diamant-Dünnschichten auf Substraten, wobei das Verfahren umfaßt:

Zersetzen von Kohlenwasserstoffgas durch elektrische Entladung, Beschleunigen von erhaltenen Zersetzungsprodukten durch ein elektrisches Gleichspannungsfeld von weniger als 10 Kilovolt, Einstrahlen der beschleunigten Produkte auf die Oberfläche eines Substratmaterials, welches bei einer Temperatur im Bereich von 10 bis 800 ºC gehalten wird, wodurch auf der Oberfläche und der Oberflächenschicht des Substratmaterials ein Bereich gebildet wird, der eine Kristallstruktur aufweist, die Kohlenstoffatome und Atome enthält, aus denen das Substratmaterial aufgebaut ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substratmaterial teilweise mit einer Maske bedeckt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Produkte Ionen sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substratmaterial ein Silizium-Einkristall ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Silizium-Einkristalls zum Bilden des Bereiches eine (111)-Ebene ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt, daß das Substrat einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 800 bis 1200 ºC unterworfen wird.