DE69206019T2

DE69206019T2 - Verbessertes Gerät zur Herstellung von Diamanten mittels chemischer Abscheidung aus der Dampfphase und damit hergestellter Gegenstand.

Info

Publication number: DE69206019T2
Application number: DE69206019T
Authority: DE
Inventors: Steven Marc Gasworth
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1991-03-04
Filing date: 1992-02-28
Publication date: 1996-07-04
Anticipated expiration: 2012-02-29
Also published as: KR920018251A; JPH0578851A; IE920674A1; EP0502657B1; DE69206019D1; EP0502657A1; CA2062005A1; ZA921208B

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen von Diamanten durch chemische Dampfabscheidung, und mehr im besonderen betrifft sie eine Vorrichtung, die einen Strahl erzeugenden Plasmabrenner benutzt.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diamant ist ein Allotrop von Kohlenstoff, das ein kristallographisches Netzwerk aufweist, das ausschließlich kovalent gebundene, aliphatische, sp³-hybridiserte Kohlenstoffatome umfaßt, die tetraedrisch mit einem gleichmäßigen Abstand von 1,545 x 10&supmin;¹&sup0; m (1,545 Å) zwischen den Atomen angeordnet sind. Diamant ist außerordentlich hart und hat eine hohe Mohs'sche Härte von 10. Er hat die vierfache Wärmeleitfähigkeit von Kupfer, und er isoliert elektrisch. Als Ergebnis ist er eine ideale Wärmesenke oder ein Schaltungssubstrat für Halbleiter-Vorrichtungen.
Diamant kann als eine Gleichgewichtsphase bei hohen Drucken oder unter metastabilen Bedingungen bei geringen Drucken gezüchtet werden. Die vorliegende Erfindung ist auf das Züchten von Diamanten bei geringen Drucken aus Kohlenwasserstoffgasen in Gegenwart von atomarem Wasserstoff gerichtet. Es wurden viele Verfahren zum metastabilen Züchten von Diamanten offenbart, und diese Verfahren unterscheiden sich im allgemeinen durch die Art, in der atomarer Wasserstoff, ein wesentlicher Reaktant, erzeugt und im System transportiert wird.
Ein Klasse von Verfahren, die in den letzten Jahren zum Herstellen von Diamanten entwickelt wurde, umfaßt Verfahren zum chemischen Bedampfen (im folgenden manchmal "CVD"). Für eine allgemeine Zusammenfassung verschiedener Verfahren zum Abscheiden von Diamant, einschließlich CVD-Verfahren, wird auf "Chemical & Engineeriqgnews", 67(20), 24-39 (15. Mai 1989) Bezug genommen. Bei den CVD-Verfahren wird eine Mischung aus Wasserstoff und gasförmiger Kohlenstoffrerbindung, wie Methan, aktiviert und zur Erzeugung eines Diamantfilmes mit einem Substrat in Berührung gebracht. Das Wasserstoffgas ist zu atomarem Wasserstoff dissoziiert, und wird dann mit der Kohlenstoffverbindung zur Bildung kondensierbarer Kohlenstoffradikale, einschließlich elementarem Kohlenstoff, umgesetzt. Die Kohlenstoffradikale werden auf einem Substrat unter Bildung von Diamant abgeschieden. Einige der Verfahren zum Überziehen mit Diamant mittels CVD, im folgenden als "Glühfaden"-Verfahren bezeichnet, benutzen ein oder mehrere Widerstands-Heizeinheiten, einschließlich erhitzter Drahte oder Glühläden, typischerweise bei Temperaturen von mindestens 2.000ºC, um die hohen Wärmeaktivierungs-Temperaturen zu schaffen, die für diese Umwandlungen erforderlich sind.
Bei den Glülifaden-Verfahren zur Abscheidung von Diamant mittels CVD haben sich verschiedene Probleme ergeben. So ist es, zum Beispiel, schwierig, Bedingungen zu erzeugen, unter denen die lineare Abscheidungsrate von Diamant groß genug ist, um fur Dünnfiiin-Anwendungen wirtschaftlich zu sein. Zahlreiche Verfahren, die eine horizontale Konfiguration des Substrates bzw. der Substrate und spiralig gewickelte Glühläden benutzen, wurden offenbart, doch sind die dadurch bewirkten, linearen Abscheidungsraten größtenteils relativ gering.
Die lineare Wachstumsrate wurde verbessert durch den Einsatz eines Strahl erzeugenden Plasmabrenners, der einen Plasmastrahl mittels eines Gleichstrom (im folgenden "DC")-Bogens, Radiofrequenz (im folgenden "RF")-Energie oder Mikrowellenenergie erzeugt. Der durch den Plasmabrenner erzeugte Plasmastrahl ist heiß genug, um Gase in ihrer elementaren Form zu erzeugen.
Obwohl der Einsatz von Plasmastrahlen das Diamantwachstum verbessert, ergeben die vorerwähnten Plasmastrahl-Verfahren noch immer eine geringe Wirksamkeit und eine geringe Bedeckung der Oberfläche des Substrates, d.h., die Substratbedeckung fur. einen konventionellen DC-Bogen-Plasmabrenner beträgt etwa 1 cm². Für die meisten kommerziellen Anwendungen, die einen dicken, freistehenden Diamantfilm benutzen, sind jedoch große Filmflächen von mehr als 10 cm² erforderlich. Damit das Plasmastrahl-Verfahren von kommerziellem Interesse wird, sollte ein solches Verfahren in der Lage sein, dicke (zum Beispiel etwa 200 µm), freistehende Diamantfilme mit deutlich größeren Flächen herzustellen, während hohe Diamant-Abscheidungsraten beibehalten werden.
Es wurde ein Versuch unternommen, einige der vorgenannten Probleme dadurch zu lösen, daß man mehrere Plasmastrahlen benutzte, um größere Flächen des Substrates abzudecken. Unter Anwendung eines solchen Verfahrens ist es jedoch schwierig, einen Diamantfilm gleichmäßiger Dicke zu erzielen. Das Problem des Mangels einer gleichmäßigen Diamantfilm-Dicke wurde speziell angegangen durch Einsetzen dicht benachbarter, mehrerer Plasmastrahlen, die um etwa 2 mm voneinander getrennt waren. Die dicht benachbarten Plasmastrahlen verringern jedoch die Lebensdauer einer DC- Bogen-Brenneranode stark, und es ist außerordentlich schwierig, die Leistung und die Gaszuführungen zu verschiedenen Plasmabrennern auszugleichen.
Ein anderes Herangehen bestand darin, den durch den Plasmabrenner erzeugten Plasmastrahl über eine größere Fläche des Substrates streichen zu lassen, um größere, dicke (freistehende) Diamantfilme herzustellen. Aufgrund der durch ein solches Hinüberstreichen erzeugten Temperatur-Modulation hatten die erzeugten Diamantfilme jedoch eine Neigung zum Reißen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Herstellen von Diamant-Gegenständen durch chemische Dampfabscheidung geschaffen, umfassend:eine geschlossene Reaktionskammer, die durch Kammerwandungen gebildet ist und mindestens eine Eintritts- bzw. Halsöffnung und mindestens eine Auslaßeinrichtung aufweist, wobei die Kammer eine Einrichtung aufweist, um sie bei einem erwünschten Druck zu halten; mindestens einen, einen Strahl erzeugenden Plasmabrenner, der mit dem genannten Hals der Kammer verbunden ist; eine Zone zur chemischen Dampfabscheidung, die durch Zonenwandungen gebildet ist, die separat sind von den Kammerwandungen, wobei die Zonenwandungen innerhalb der Kammerwandungen eingeschlossen sind, und mindestens eine der Wandungen der Zone beim Einsatz als ein Substrat wirkt, das drehbar ist; wobei das Strahl-Auslaßende des Brenners ausgerichtet ist, um einen durch den Brenner erzeugten Strahl innerhalb der Zone einzufangen, und die Zone auf allen Seiten eingeschlossen ist, ausgenommen der Seite, die dem Brenner gegenüberliegt; eine Antriebseinrichtung, um das Substrat zu drehen; eine Kühleinrichtung, um das Substrat auf eine eingestellte Temperatur zu kühlen; ein Gas-Zufuhrsystem, um dem Plasmabrenner Gas zuzuführen und eine Düseneinrichtung, um eine Kohlenstoffverbindung in die Zone nahe dem Hals der Kammer oder durch das Gas- Zufuhrsystem des Brenners einzuführen.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen von Diamant-Gegenständen durch chemische Dampfabscheidung geschaffen, umfassend: Bewirken einer Bogenentladung, während man Wasserstoff oder eine Mischung von Wasserstoff und einem Inertgas zwischen eine Anode und eine Kathode eines Gleichstrom-Bogenentladungs-Plasmabrenners führt, um einen Plasmastrahl innerhalb einer geschlossenen Reaktionskammer zu erzeugen, die bei einem erwünschten Druck gehalten wird; Zuführen einer gasförmigen Kohlenstoffverbindung in den Strahl; Umwandein von Wasserstoff und der gasförmigen Kohlenstoffverbindung in dem Plasmastrahl in Radikale; Richten des Plasmastrahles in eine teilweise eingeschlossene Zone zur chemischen Dampfabscheidung, die durch Zonenwandungen gebildet wird, die von Kammerwandungen separat und innerhalb der Kammer eingeschlossen sind; Einfangen des Plasmastrahles in der Zone, die durch die Zonenwandungen gebildet wird, wobei mindestens eine der Zonenwandungen ein rotierendes Substrat ist; Kühlen des Substrates auf eine eingestellte Temperatur und Abschrecken des Plasmastrahles, indem man ihn auf das gekühlte Substrat zur Bildung einer Diamantschicht auf dem Substrat auftreffen läßt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Für ein vollständigeres Verstehen dieser Erfindung wird nun Bezug genommen auf die Ausführungsformen, die detaillierter in der beigefügten Zeichnung dargestellt und anhand von Beispielen im folgenden beschrieben sind.
Figur 1 ist ein Querschnitt der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 2 ist ein Querschnitt einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

In den letzten Jahren wurde die Synthese eines Diamantfilmes in der Dampfphase stark untersucht. Die Einzelheiten des Wachstums-Mechanismus des Diamant in der Dampfphase sind nicht klar. Es wird jedoch berichtet, daß die angeregten Bestandteile, wie atomarer Wasserstoff, das Methylradikal und atomarer Kohlenstoff, wichtige Rollen im Wachstums-Mechanismus von Diamanten spielen. Die angeregten Bestandteile werden nach verschiedenen CVD-Verfahren erzeugt, zum Beispiel Glühfaden-CVD, Mikrowellenplasma-CVD, Elektronen-unterstütztes CVD, RF-Plasma-CVD und DC-Bogenplasma-CVD. Diese CVD-Verfahren benutzen Wasserstoff und Kohlenstoffverbindungen, wie Methan, als die Reaktantengase.
Es wurde beobachtet, daß die lineare Wachstumsrate der Abscheidung von Diamantfilm durch eine Menge von atomarem Wasserstoff beeinflußt wird, die während des CVD-Verfahrens erzeugt wird. Es wurde auch festgestellt, daß das Glühfaden-CVD-Verfahren, das bei einer Glübfaden-Temperatur von etwa 2.500ºC arbeitet, deutlich weniger atomaren Wasserstoff erzeugt, als eine Plasmastrahl-Entladung des Plasmabrenners, die bei etwa 5.000ºC arbeitet. Wie bereits erläutert, hat das vorgenannte Plasmastrahl- CVD-Verfahren den Nachteil der geringen Substrat-Flächenabdeckung während der Diamantabscheidung. So ergibt, zum Vergleich, das grundlegende DC-Bogenplasma- CVD-Verfahren (freier Strahl, der normal auftritt) die höchste lineare Diamant-Wachstumsrate (mehr als etwa 100 µm bis etwa 500 µm/h) auf der kleinsten Substratfläche (etwa 1 cm²), das Mikrowellen-Plasmastrahl-CVD-Verfahren ergibt die geringste Diamant-Wachstumsrate (etwa 30 µm/h) auf der größten Substratfläche (etwa 6 cm²), das RF-Plasma-CVD-Verfahren f llt irgendwo zwischen die beiden vorgenannten Extreme, und das Glühfaden-CVD-Verfahren ergibt typischerweise ein lineares Wachstum von mehr als etwa 1 i m/h.
Die Vorrichtung zum Ausfhiren des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefugte Zeichnung beschrieben. In Figur 1 ist eine diagrammartige Ansicht der bevorzugten Ausfüurangsform einer Vorrichtung zum Synthetisieren von Diamant gezeigt, bei der ein Plasmastrahl hoher Temperatur durch eine elektrische DC-Bogenentladung erzeugt wird. Ein Plasmabrenner, vorzugsweise ein DC-Bogenplasmabrenner, der allgemein mit 1 bezeichnet ist, ist mit einer CVD-Reaktionskammer verbunden, die allgemein mit 2 bezeichnet ist. Der Brenner umfaßt einen becherfbrmigen, oberen Flansch 10 und einen hohlen, zylindischen, unteren Flansch 12, 1 5 der vorzugsweise die Gestalt eines Zylinders hat. Eine langgestreckte, hohle, zylindrische Kathode 14 , deren eines Ende verschlossen ist, ist am oberen Flansch 10 befestigt und zentral darauf angeordnet. Eine zentral angeordnete Kathoden-Wasserleitung 16 ist zum Kühlen der Kathode 14 während des Betriebes vorhanden. Ein Gas-Zufulirsystem, umfassend eine Wasserstoff-Leitung 18 und eine Inertgas-Leitung 20 ist tangential entlang dem Rand des oberen Flansches 10 angeordnet, um radial Wasserstoff und ein Inertgas in den Brenner 1 einzuführen, um einen rotierenden DC-Bogen zu erzeugen. Für den Fachmann ist es jedoch klar, daß man andere Mittel zum Erzeugen eines solchen Bogens benutzen kann. Typischerweise ist das Inertgas Helium oder Argon, vorzugsweise das letztere der beiden.
Eine rollenförmige Anode 22 umfaßt vorzugsweise zwei kreisförmige, verjüngte Flansche, die entlang ihren Rändern mit einer Rille versehen sind und entlang ihren Zentren durch eine hohlzylindrische Gestalt voneinander beabstandet sind. Eine solche Rollengestalt der Anode 22 sorgt für den Durchgang eines DC-Bogens durch das hohle Zentrum der Anode 22 und für den Durchgang eines Kühlmittels durch eine Hohlgestalt, die entlang einer Außenwand der Anode 22 angeordnet ist. Die Anode 22 ist innerhalb des zylindrisch geformten, unteren Flansches 12 angeordnet. Zwei oder mehr "O"-Ringe, die innerhalb der Rillen auf den Flanschen der Anode 22 angeordnet sind, sorgen für eine wasserdichte Abdichtung zur Einführung des Kühlmittels, wie Wasser, in eine ringförmige Tasche, die zwischen einer Innenwand des unteren Flansches 12 und der Außenwand der Anode 22 gebildet ist. Ein Kühlmitteleinlaß 24 und ein Kühlmittelauslaß 26 sind in der äußeren Wand des unteren Flansches 12 ausgebildet, um während des Betriebes der Anode 22 Kühlmittel zuzuführen. Kathode 14 und Anode 22 sind mit einer einstellbaren DC-Leistungszufuhr 28 geeigneter Leistung verbunden. Typischerweise ist die Kathode 14 aus Graphit oder Wolfram und die Anode 22 aus Kupfer hergestellt. Ein Isolator 13 und ein Isolator 21 isolieren die Kathode 14 bzw. die Anode 22. Es ist eine Einstell-Einrichtung an der Kathode 14 vorhanden, um die Leistung des DC-Bogens zu variieren, der zwischen Kathode 14 und Anode 22 erzeugt wird. Es ist zu bemerken, daß der Fachmann natürlich andere Gestalten und Designs des Plasmabrenners 1 benutzen kann, die im wesentlichen das erwünschte Resultat ezeugen.
Der obere Flansch 10 und der untere Flansch 12 sind vorzugsweise durch Bolzen miteinander verbunden, um den DC-Bogenplasmabrenner 1 zu bilden, der dann auf einer Reaktionskammer befestigt wird, die allgemein mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet ist. Eine Hals- bzw.Eintrittsöffnung 28, die auf der Reaktionskammer 2 vorhanden ist, ist mit einer Öffnung auf dem unteren Flansch 12 des DC-Bogenplasmabrenners 1 ausgerichtet und daran befestigt. Es ist zu bemerken, daß DC-Bogenplasmabrenner 1 und Reaktionskammer 2 vorzugsweise durch Bolzen miteinander verbunden werden, um eine hermetisch abgedichtete Umgebung innerhalb der Reaktionskammer 2 zu erzeugen. Eine Einlaßleitung 30 ist zum Einführen einer Kohlenstoffverbindung, wie Methan, Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid, vorhanden und vorzugsweise im Hals 28 der Reaktionskammer 2 angeordnet. Eine Düseneinrichtung 32 im Hals 28 der Reaktionskammer 2 ist zum Injizieren der Kohlenstoffrerbindung in eine Säule des durch den Plasmabrenner 1 erzeugten Plasmastrahles vorgesehen. Alternativ kann die Kohlenstoffverbindung auch durch den oberen Flansch 10 des Plasmabrenners 1 eingeführt werden.
Die Wandungen der Reaktionskammer 2 können mittels einer Kühlmittel-Leitung, die spiralförmig an die Außenwandungen geschweißt ist, gekühlt werden. Mindestens eine Auslaßöffnung 34 ist für den Ausgang der Reaktionsgase vorhanden. Vorzugsweise ist ein Vakuumpumpen-System 36 mit der Auslaßöffnung 34 verbunden, um die in der Reaktionskammer 2 gebildeten Reaktionsgase abzusaugen. Ein Druckwandler 38, der an der Wand der Reaktionskammer 2 befestigt ist, und dessen Wandlerfläche dem Druck innerhalb der Kammer 2 ausgesetzt ist, ist mit einem Druck regulierenden Monitor 40 verbunden. Ein Ventil 42, wie ein Drosselklappenventil, das in der Auslaßleitung angeordnet ist, ist betriebsmäßig mit dem Monitor 40 verbunden, um den Druck innerhalb der Reaktionskammer 2 bei einem erwünschten Niveau zu halten. Es sollte dem Fachmann klar sein, daß auch alternative Mittel zum Überwachen und Aufrechterhalten des Druckes innerhalb der Reaktionskammer 2 benutzt werden können.
Eine teilweise eingeschlossene Zone zum chemischen Bedampfen, die allgemein mit der Bezugsziffer 3 bezeichnet und innerhalb der Reaktionskammer 2 eingeschlossen ist, ist unterhalb der Halsöffnung 28 der Reaktionskammer 2 angeordnet. Die durch Wandungen gebildete Zone 3 hat als mindestens eine ihrer Wandungen ein drehbares Substrat. Die Zone 3 ist innerhalb der Reaktionskammer 2 ausgerichtet, um den durch den Plasmabrenner 1 erzeugten Plasmastrahl einzufangen. Die Gestalt der Zone 3 beruht auf der Gestalt des durch das CVD-Plasmaverfahren zu erzeugenden Gegenstandes. Vorzugsweise hat die Zone 3 eine Keilgestalt, und sie wird durch zwei Paare von gegenüberstehenden Seiten gebildet. Das erste Par der gegenüberstehenden Seiten, das die Keilgestalt schafft, wird durch zwei im wesentliche planare, konvergierende Substrate 44 gebildet. Das zweite Paar gegenüberstehender Seiten, das die Enden bildet, ist durch zwei stationäre Flächen 46 gestaltet, die entlang ihren Bodenkanten überbrückt sind. Die Substrate 44 können aus Titan, Molybdän, Nickel, Kupfer, Wolfram, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Siliciumaluminiumoxynitrid, Bornitrid, Aluminiumoxid, Wolframcarbid, Diamant, Saphir oder Silicium gebildet sein, wobei bevorzugte Substrate 44 solche aus Molybdän sind. Der Begriff "Paar", wie er hier benutzt wird, schließt Substrate ein, die von unterschiedlichen Größen, Gestalten oder Materialien sein können, oder die unterschiedliche Oberflächeneigenschaften aufweisen können.
Jedes Substrat 44, das durch einen Antriebsschaft mit einer Antriebseinrichtung, wie einem elektrischen Motor 48, verbunden ist, wird durch den Motor 48 entweder im Uhrzeigersinn oder im dazu entgegengesetzten Sinn in Rotation versetzt. Es ist eine Einrichtung vorhanden, um die Keilgestalt der Zone 3 durch entweder Vor- und Zurückgleiten des Schaltes oder durch Neuanordnen der gesamten Antriebseinrichtung oder durch irgendwelche anderen, geeigneten Mittel einzustellen. Vorzugsweise wird die gesamte Antriebseinrichtung innerhalb der Kammer 2 angeordnet. Es sollte jedoch klar sein, daß die Antriebseinrichtung auch außerhalb der Reaktionskammer 2 angeordnet sein kann. Es ist auch vorgesehen, daß eine einzelne Antriebseinrichtung vorhanden sein kann, die durch ein Getriebe und flexible Antriebsschäfte beide Substrate 44 rotieren läßt. Vorzugsweise werden die Substrate 44 in entgegengesetzte Richtungen gedreht, um das Mischen des Plasmastrahles innerhalb der Zone 3 zu verbessern. Um jedes Substrat 44 bei einer festgesetzten Temperatur zu halten, ist eine Kühlplatte 50 vorgesehen. Jede Kühlplatte 50 ist mit einer Einlaßleitung 52 fur Substrat-Kühlmittel und einer Auslaßleitung 54 fur Substrat-Kühlmittel verbunden. Die Temperatur des Substrates 44 kann aufrechterhalten werden durch Schaffen einer gleitbaren Einrichtung fur jede Kühlplatte 50, wodurch die Kühlplatte 50 dichter oder entfernter vom Substrat 44 angeordnet werden kann, um das Substrat 44 bei einer festgesetzten Temperatur zu halten. Es sollte klar sein, daß der Fachmann einige andere Einrichtungen zum Aufrechterhalten der Temperatur des Substrates 44 bei einer festgesetzten Temperatur verwenden kann. Es ist vorgesehen, daß die Substrate 44 durch direktes Zirkulierenlassen von Kühlmittel durch die Substrate 44 gekühlt werden können. Es sollte klar sein, daß die räumliche Orientierung entweder der Reaktionskammer 2 oder des Plasmabrenners 1 für den Betrieb der vorliegenden Erfindung nicht kritisch ist.
Beim Betrieb wird, wie in Figur 1 gezeigt, ein DC-Bogen durch Zuführen von DC- Leistung von einer DC-Leistungsquelle 28 erzeugt. Eine typische DC-Leistung, die dem Plasmabrenner 1 zugeführt wird, beträgt etwa 1 kW bis etwa 1.000 kW, vorzugsweise etwa 40 kW. Ein rotierender DC-Bogen wird entlang der zylindrischen Öffnung erzeugt, die am Zentrum der Anode 22 angeordnet ist. Durch Drehen des DC-Bogens entlang der zylindrischen Öffnung der Anode 22 werden Erosion und Grübchenbildung der Oberfläche der Anode 22 minimiert. Der Plasmastrahl kann vorzugsweise durch anfängliches Zuführen eines Inertgases, wie Argon, aus der Inertgas-Leitung 20 erzeugt werden. Nachdem der Plasmastrahl stabilisiert worden ist, wird Wasserstoff aus der Wasserstoff- Leitung 18 durch den oberen Flansch 10 in den Plasmastrahl eingeführt. Typischerweise wird eine Mischung aus Wasserstoff und Inertgas, enthaltend etwa 60 Vol.-% Wasserstoff und etwa 40 Vol.-% Inertgas, benutzt. Üblicherweise beträgt die Strömungsrate der in den Plasmabrenner 1 eingeführten Mischung etwa 1 l/min bis etwa 1.000 l/min, vorzugsweise etwa 100 l/min, jeweils unter Standardbedingungen. Es ist vorgesehen, daß der DC-Bogenplasmastrahl, falls erwünscht, ohne das Inertgas erzeugt werden kann.
Da die Temperatur des Plasmastrahles etwa 5.000ºC beträgt, wird ein Kühlmittel, wie Wasser, zur Kathode 14 und Anode 22 durch die Kathoden-Kühlmittelleitung 16 und die Anoden-Kühlmittelleitung 24 geführt. Ein solches Kühlen ist notwendig, um zu verhindern, daß die Kathode 14 und die Anode 22 durch die große Hitze des DC-Plasmastrahles schmilzt. Der Rand des Plasmastrahles breitet sich in die Zone 3 hinein aus. Der Druck in der Reaktionskammer 2 wird bei etwa 1,33 x 10³ Pa (10 Torr) bis etwa 106,64 x 10³ Pa (800 Torr), vorzugsweise bei etwa 13,33 x 10³ Pa (100 Torr), gehalten. Ein Kohlenstoffverbindung, wie Methan, wird dann in den Hals 28 der Reaktionskammer 2 eingeführt.
Die aktiven Bestandteile, nämlich Wasserstoff und die Kohlenstoffverbindung, werden durch den Plasmastrahl erhitzt und in Radikale umgewandelt, um eine Zusammensetzung zu bilden, die die in Radikale umgewandelte Kohlenstoffverbindung und atomaren Wasserstoff enthält. Typischerweise liegt das Volumenverhältnis von Wasserstoff zur Kohlenstoffverbindung, die in den Plasmabrenner 1 eingeführt werden, bei etwa 200 bis etwa 50 zu etwa 1. Wird der Plasmastrahl, der die radikalischen Bestandteile enthält, durch Auftreffen des Strahles auf das kühlere Substrat 44 abgeschreckt, dann wird ein Diamantfilm 56 auf dem Substrat 44 erzeugt. Wird Methan als die Kohlenstoffverbindung eingesetzt, dann wird der Ablauf der folgenden Reaktion angenommen: Wärme atomarer Wasserstoff Diamant
Typischerweise wird der Plasmastrahl der vorliegenden Erfindung teilweise durch die Zone 3 eingefangen. Die Rotation der Substrate 44, vorzugsweise in entgegengesetzter Richtung zueinander, scheint die Mischwirksamkeit der aktiven Bestandteile und dadurch die Bildung einer dünnen Grenzschicht mit einer gleichmäßigen Dicke an der Oberfläche der Substrate 44 zu verbessern. Typischerweise werden die Substrate 44 kontinuierlich mit einer genügenden Radialgeschwindigkeit gedreht, um eine gleichmäßig dicke Grenzschicht entlang der Oberfläche des Substrates zu erzeugen. Üblicherweise werden die Substrate 44 mit etwa 50 U/min bis 50.000 U/min, vorzugsweise bei etwa 5.000 U/min gedreht. Die Temperatur der Substrate 44 ist auf etwa 600ºC bis etwa 1.200ºC, vorzugsweise 800ºC, eingestellt.
Nachdem sich Diamantfilme der erwünschten Dicken auf den Substraten 44 gebildet häben, wird das Verfahren unterbrochen, und man läßt sich die Substrate abkühlen. Falls erwünscht, kann der Diamantfilm 56 durch konventionelle Trennmittel, wie Wegätzen des Substrates 44, vom Substrat 44 getrennt werden. Es sollte klar sein, daß die vorliegende Erfindung auch das Herstellen von Diamantfilm-Gegenständen umfaßt, die noch an dem darunterliegenden Substrat haften.
In Figur 2 ist eine diagrammartige Ansicht einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung zum Synthetisieren von Diamant mittels Hochtemperatur-Plasmastrahl, erzeugt durch eine Entladung eines elektrischen DC-Bogens, gezeigt. Wie bisher beschrieben, ist die Ausführung der Figur 2 im wesentlichen ähnlich der der Figur 1. Die beiden unterscheiden sich hauptsächlich dadurch, daß Figur 2 eine andere Art von Zone zum chemischen Aufdampfen schafft als Figur 1. Alle den Figuren 1 und 2 im wesentliehen gemeinsamen Komponenten sind durch die gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet, wobei die einzige Ausnahme ist, daß sie mit einem hochgestellten Häkchen versehen sind. Eine partiell eingeschlossene Zone zum chemischen Bedampfen, allgemein durch die Ziffer 4 bezeichnet, ist innerhalb einer Reaktionskammer 2' eingeschlossen. Ein Substrat 60, das Wandungen der Zone 4 bildet, ist in einer Gestalt vorhanden, die genau der Gestalt des erwünschten Gegenstandes folgt, der durch einen Diamantfilm gebildet wird. Bei dieser speziellen Ausführungsform hat das Substrat 60, zum Beispiel, eine Bechergestalt. Ein Diamant-Gegenstand einer solchen Gestalt kann als ein Fenster oder eine Kappe bzw. Haube (Radarhaube) einer Rakete bzw. eines Geschosses benutzt werden, die für IR-Licht transparent ist. Es sollte jedoch darauf hingewiesen werden, daß ein Substrat mit anderen Gestalten und/oder Größen auch zur Bildung der Zone 4 benutzt werden kann. Das Substrat 60 ist mit einer Antriebs-Einrichtung, wie einem elektrischen Motor 62, verbunden, der das Substrat 60 im Uhrzeigersinn oder in der Gegenrichtung mittels eines Schaftes 64 dreht. Die Stelle des Substrates 60 mit Bezug auf den Plasmastrahl kann durch eine Einstelleinrichtung, die an der Antriebs-Einrichtung vorhanden ist, eingestellt werden. So ist der Motor 62 beispielsweise außerhalb der Reaktionskammer 2' gezeigt. Die gesamte Antriebs-Einrichtung kann jedoch innerhalb der Reaktionskammer 2' lokalisiert sein. Unter jedem der vorgenannten Umstände sollte eine Einrichtung zur Neupositionierung der Zone 4 vorhanden sein, um optimale Wachstumsraten des Diamant zu erzielen, während eine maxirnale Fläche des Substrates 60 bedeckt wird.
Um Substrat 60 bei einer festgesetzten Temperatur zu halten, ist eine Kühlplatte 66 vorgesehen, deren Gestalt der des Substrates 60 im wesentlichen ähnelt, um Wärme durch Strahlung und Leitung zu übertragen. Wie in Figur 2 gezeigt, hat die Kühlplatte 66 eine ausreichend große Größe, um äußerlich das Substrat 60 einzuschließen. Die Kühlplatte 66 ist mit einer Einlaßleitung 68 für das Substrat-Kühlmittel und einer Auslaßleitung 70 für das Substrat-Kühlmittel verbunden. Ein Kühlmittel, wie Wasser, wird durch die Kühlmittel-Leitungen 68 und 70 der Kühlplatte 66 zugeführt. Die Temperatur des Substrates kann aufrechterhalten werden, indem man der Kühlplatte 66 eine gleitbare Einstellung verschafft, wodurch die Kühlplatte 66 näher an das Substrat 60 oder weiter davon weg gebracht werden kann, wodurch das Substrat 60 bei einer festgesetzten Temperatur gehalten wird. Der Fachmann kann statt dessen andere Einrichtungen verwenden, um die Temperatur des Substrates 60 bei einer festgesetzten Tem peratur zu halten.
Im Betrieb wird der DC-Bogen durch eine ähnliche Einrichtung erzeugt, wie bei der in Figur 1 gezeigten, bevorzugten Ausführungsform. Der Plasmastrahl, der durch den DC-Bogen erzeugt wird und atomaren Wasserstoff und Radikale einer Kohlenstoffverbindung enthält, wird dann durch Auftreffen auf das gekühlte, rotierende Substrat 60 abgeschreckt und bildet einen Diamantfilm 72, der dann, falls erwünscht, auf konventionelle Weise vom Substrat 60 abgetrennt wird.

Claims

1. Vorrichtung zum Herstellen von Diamant-Gegenständen durch chemische Dampfabscheidung, umfassend:

eine geschlossene Reaktionskammer (2), die durch Kammerwandungen gebildet ist und mindestens eine Eintrittsöffnung und mindestens eine Auslaßeinrichtung (34,36) aufweist, wobei die Kammer (2) eine Einrichtung (38,40,42) aufweist, um sie bei einem erwünschten Druck zu halten;

mindestens einen, einen Strahl erzeugenden Plasmabrenner, der mit der Eintrittsöffnung der Kammer verbunden ist;

eine Zone (3) zur chemischen Dampfabscheidung, die durch Zonenwandungen gebildet ist, die separat sind von den Kammerwandungen, wobei die Zonenwandungen innerhalb der Kammerwandungen eingeschlossen sind, und mindestens eine der Wandungen der Zone beim Einsatz als ein Substrat (44) wirkt, das drehbar ist;

wobei das Strahl-Auslaßende des Brenners ausgerichtet ist, um einen durch den Brenner erzeugten Strahl innerhalb der Zone einzufangen, und die Zone auf allen Seiten eingeschlossen ist, ausgenommen der Seite, die dem Brenner gegenüberliegt;

eine Antriebseinrichtung (48), um das Substrat zu drehen;

eine Kühleinrichtung (50)(52), um das Substrat auf eine eingestellte Temperatur zu kühlen;

ein Gas-Zufuhrsystem (18,20), um dem Plasmabrenner Gas zuzuführen und

eine Düseneinrichtung (30,32), um eine Kohlenstoffverbindung in die Zone nahe der Eintrittsöffnung der Kammer oder durch das Gas-Zufuhrsystem des Brenners einzufähren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der Plasmabrenner ein Gleichstrom-Bogenentladungs-Plasmabrenner, ein Radiofrequenz-Plasmabrenner oder ein Mikrowellen- Plasmabrenner ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin die Oberflächen des Substrates zur Bildung des Gegenstandes gestaltet sind.

4. Vorrichtung zum Herstellen von Diamant-Gegenständen durch chemische Dampfabscheidung, umfassend:

eine geschlossene Reaktionskammer (2) mit einer Eintrittsöffnung und einer Auslaßeinrichtung, wobei die Kammer eine Einrichtung zum Halten der Kammer bei einem erwünschten Druck aufweist;

eine teilweise eingeschlossene, keilförmige Zone (3) zur chemischen Dampfabscheidung, die durch zwei Paare gegenüberliegender Seiten gebildet ist, wobei ein erstes Paar gegenüberliegender Seiten der Keilgestalt im wesentlichen planare, konvergierende Substrate (44) sind, wobei jedes Substrat entlang einer Achse senkrecht zur Ebene des Substrates drehbar ist, und ein zweites Paar gegenüberliegender Seiten stationäre Flächen sind;

eine Antriebseinrichtung (48), um jedes der Substrate zu drehen;

eine Kühleinrichtung (52), um jedes der Substrate auf eine festgesetzte Temperatur zu kühlen;

einen Gleichstrom-Bogen-Plasmabrenner, der mit der Eintrittsöffnung der Kammer verbunden ist, wobei das Austrittsende des Strahles des Brenners ausgerichtet ist, um einen durch den Brenner erzeugten Strahl innerhalb der Zone einzufangen;

ein Gas-Zufuhrsystem (18,20), um Wasserstoff oder eine Mischung aus Wasserstoff und Argon dem Plasmabrenner zuzuführen und

eine Düseneinrichtung (30,32), um eine Kohlenstoffverbindung in die Zone nahe der Eintrittsöffnung der Kammer oder durch das Gas-Zuführsystem des Brenners einzufähren.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, worin die Antriebseinrichtung (48) die Substrate in entgegengesetzter Richtung drehen kann, um das Vermischen des Strahles innerhalb der Zone zu verbessern.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, worin die Zone weiter eine Einstelleinrichtung umfaßt, um die keilförmige Gestalt der Zone zu ändern.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, worin die Kühleinrichtung (50,52) eine im wesentlichen planare Kühlplatte (50) umfaßt, die parallel und in einstellbarer Beziehung mit jedem der Substrate (44) angeordnet ist, um Wärme von dem Substrat zu der Kühlplatte (50) zu übertragen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, worin die Kühleinrichtung weiter eine Einrichtung zum Einstellen der Position des Wärmeaustauschers auf eine Position umfaßt, die erforderlich ist, um die festgesetzte Temperatur auf dem Substrat zu erzielen.

9. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, worin das Substrat Titan, Molybdän, Nickel, Kupfer, Wolfram, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Siliciumaluminiumoxynitrid, Bornitrid, Aluminiumoxid, Wolframcarbid, Diamant, Saphir oder Silicium ist.

10. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, worin der Gegenstand ein Kühlblech oder ein Substrat für eine Schaltung für Halbleitergeräte ist.

11. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, worin die Gestalt der Zone zur chemischen Dampfabscheidung auf der Gestalt des Diamant-Gegenstandes beruht.

12. Verfahren zum Herstellen von Diamant-Gegenständen durch chemische Dampfabscheidung, umfassend:

Bewirken einer Bogenentladung, während man Wasserstoff oder eine Mischung von Wasserstoff und einem Inertgas zwischen eine Anode und eine Kathode eines Gleichstrom-Bogenentladungs-Plasmabrenners führt, um einen Plasmastrahl innerhalb einer geschlossenen Reaktionskammer (2) zu erzeugen, die bei einem erwünschten Druck gehalten wird;

Zuführen einer gasförmigen Kohlenstoffverbindung in den Strahl;

Umwandeln von Wasserstoff und der gasförmigen Kohlenstoffverbindung in dem Plasmastrahl in Radikale;

Richten des Plasmastrahles in eine teilweise eingeschlossene Zone (3) zur chemischen Dampfabscheidung, die durch Zonenwandungen gebildet wfrd, die von Kammerwandungen separat und innerhalb der Kammer (2) eingeschlossen sind;

Einfangen des Plasmastrahles in der Zone (3), die durch die Zonenwandungen gebildet wird, wobei mindestens eine der Zonenwandungen ein rotierendes Substrat (44) ist;

Kühlen des Substrates (44) auf eine eingestellte Temperatur und

Abschrecken des Plasmastrahles, indem man ihn auf das gekühlte Substrat zur Bildung einer Diamantschicht auf dem Substrat auftreffen läßt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, weiter umfassend das Trennen der Diamantschicht von dem Substrat zur Bildung des Gegenstandes.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, worin das Substrat kontinuierlich mit einer genügenden Radialgeschwindigkeit gedreht wird, um eine Grenzschicht mit gleichmäßiger Dicke herzustellen.

15. Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14, worin das Inertgas Helium oder Argon ist.

16. Verfahren nach Anspruch 12, 13, 14 oder 15, worin die Mischung aus etwa 60 Vol.-% Wasserstoff und etwa 40 Vol.-% des Inertgases besteht.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, worin das Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoffverbindung etwa 50 bis etwa 200 zu etwa 1 beträgt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, worin die Kohlenstoffverbindung ein Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid ist.

19. Verfahren nach Anspruch 18, worin der Kohlenwasserstoff Methan ist.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, worin der erwünschte Druck etwa 13,33 x 10³ Pa (100 Torr) beträgt.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, worin die festgesetzte Temperatur des Substrates etwa 800ºC beträgt.