DE69209990T2

DE69209990T2 - Verfahren zur Herstellung von einer Diamantschicht mittels CVD

Info

Publication number: DE69209990T2
Application number: DE69209990T
Authority: DE
Inventors: Friedel Siegfried Knemeyr; David Earl Slutz
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1991-12-13
Filing date: 1992-12-01
Publication date: 1996-10-31
Anticipated expiration: 2012-12-02
Also published as: US5286524A; KR930013198A; ZA929233B; CA2082729A1; DE69209990D1; EP0546754B1; EP0546754A1; ATE136947T1; JPH05306194A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das chemische Aufdampfen von Diamant und mehr im besonderen ein verbessertes Verfahren zum Herstellen von Diamantfilm, der im wesentlichen frei ist von durch thermische Spannungen eingeführten Rissen oder Brüchen.

Hintergrund der Erfindung

Die Diamantform des Kohlenstoffes besitzt viele erwünschte, physikalische Eigenschaften, wie Härte, chemische Inertheit, IR-Durchlässigkeit und ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, gekoppelt mit sehr hohem, elektrischem Widerstand. Folglich ist Diamant ein Material mit vielen wichtigen, technologischen Anwendungen, wie in optischen Geräten, Halbleitern, Wärmefallen, Schleifmitteln, zum Überziehen von Werkzeugen usw. Er kann auch als ein strahlungsbeständiger Halbleiter hoher Qualität für hohe Temperatur mit vielen offensichtlichen Anwendungen in vielen Technologien benutzt werden. Es gibt somit einen beträchtlichen Anreiz, praktische Wege zum Synthtisieren von Diamant, insbesondere in Filmform, für diese vielen und verschiedenen Anwendungen zu finden.
Es sind verschiedene Verfahren zur synthetischen Herstellung von Diamant, einschließlich von Diamant in Filmform, bekannt. Im besonderen ist die Abscheidung von Diamantüberzügen auf Substraten zur Schaffung von Filmen bekannt.
Eine Klasse von Verfahren, die für die Abscheidung von synthetischem Diamant entwickelt wurde, ist das Züchten von Diamant bei geringem Druck, das als chemisches Bedampfen (CVD) bezeichnet wird. Es haben drei vorherrschende CVD-Techniken Gunst in der Literatur gefunden.
Eine dieser Techniken schließt den Einsatz einer verdünnten Mischung von Kohlenwasserstoffgas (typischerweise Methan) und Wasserstoff ein, wobei der Kohlenwasserstoff-Gehalt üblicherweise von etwa 0,1 bis 2,5% der gesamten Volumenströmung variiert wird. Das Gas wird über ein Quarzrohr eingeführt, das unmittelbar oberhalb eines heißen Wolfram-Glühfadens angeordnet ist, der elektrisch auf eine Temperatur im Bereich zwischen etwa 1.750 bis 2.400ºC erhitzt ist. Die Gasmischung dissoziiert an der Glühfaden-Oberfläche, und es werden Diamanten auf einem erhitzten Substrat kondensiert, das gerade unterhalb des heißen Wolfram-Glühfadens angeordnet ist. Das Substrat wird auf eine Temperatur im Bereich von etwa 500 bis 1.100ºC erhitzt.
Die zweite Technik schließt das Anwenden einer Plasmaentladung bei dem vorgenannten Glühfaden-Verfahren ein. Die Plasmaentladung dient zur Erhöhung der Keimbildungsdichte und der Wachstumsrate, und es wird angenommen, daß sie die Bildung von Diamantfilmen, im Gegensatz zu diskreten Diamantteilchen, fördert. Von den Plasma-Systemen, die auf diesem Gebiete benutzt wurden, gibt es drei Grundsysteme: Eines ist ein Mikrowellen-Plasmasystem, das zweite ein RF (induktiv oder kapazitiv gekoppeltes) Plasmasystem und das dritte ist ein Gleichstrom-Plasmasystem. Das RF- und Mikrowellen-Plasmasystem benutzen eine relativ komplexe und teuere Ausrüstung, die üblicherweise komplexe Anpassungs-Netzwerke erfordert, um elektrische Energie in das erzeugte Plasma zu koppeln. Zusätzlich kann die Diamant-Wachstumsrate, die durch diese beiden Systeme geboten wird, recht mäßig sein.
Ein drittes im Gebrauch befindliches Verfahren ist das direkte Abscheiden aus Acetylen als einer kohlenwasserstoffreichen Oxyacetylen-Flamme. Bei dieser Technik, die bei Atmosphärendruck ausgeführt wird, wird ein spezifischer Teil der Flamme auf ein Substrat geleitet, auf dem Diamant mit Raten bzw. Geschwindigkeiten von 100 µm/h oder mehr wächst. Siehe Y. Matsui et al., Japan Journal of Applied Physics, 101, 28, Seite 178 (1989).
Die US-A-4,958,590 schafft eine Mikrowellen-CVD-Vorrichtung zur Bildung von Diamantfilmen auf nur einer Seite eines langgestreckten Mo-Substrates.
Im allgemeinen schließen Verfahren zum chemischen Dampfabscheiden von bzw. zum chemischen Bedampfen mit Diamant die Auswahl von Betriebs-Parametern ein, wie die Auswahl eines Vorstufen-Gases und von Verdünnungs-Gasen, die Mischungsanteile der Gase, Gastemperatur und -druck, die Substrat-Temperatur und die Mittel zur Gas-Aktivierung. Diese Parameter werden so eingestellt, daß man eine Diamant- Keimbildung und ein Diamantwachstum auf einem Substrat erhält. Die Mischungs- Anteile und -Bedingungen müssen atomaren Wasserstoff schaffen, um die Oberfläche des Diamantfilmes zu stabilisieren und vorzugsweise das Abscheiden von Graphit zu minimieren. Die gleichzeitige Abscheidung von Graphit ist deutlicher, wenn die Kohlenwasserstoff (Methan)-Konzentration auf über etwa 3% erhöht wird.
Die CVD-Techniken ergeben Diamantfilme, die unter Zug gewachsen sind. Die Zugspannung kann Risse im Film verursachen oder wegen des thermischen Gradienten durch das Substrat oder während des Abkühlens, als ein Ergebnis von Unterschieden in dewn Koeffizienten der Wärmeausdehnung zwischen dem Diamant und dem Substrat- Material, ein Lösen vom Substrat verursachen. Wo, z.B., Molybdän-Substrate häufig benutzt werden, kann der thermische Gradient durch das Substrat, aufgrund von Unterschieden in der Wärmeausdehnung zwischen der heißen und der kalten Seite, ein Biegen des Substrates verursachen. Zusätzlich sind die Koeffizienten der Wärmeausdehnung von Diamant und Molybdän so verschieden, daß eine Kompressionsspannung in den Diamantüberzug eingeführt wird, während das überzogene Molybdän von der Temperatur, bei der die Diamant-Abscheidung stattfindet, abgekühlt wird.
Der Diamantfilm wächst unter Zug aufgrund von Fehlern, und die inhärente Zugspannung/natürliche Dehnung sind proportional der Filmdicke und der Rate der Diamantabscheidung. Diese Kompressionsspannung und die inhärente Zugspannung in Diamant werden anfänglich durch eine elastische Dehnung in Diamant aufgefangen. Diese elastische Dehnungsenergie wird freigesetzt, wenn der Diamant vom Substrat getrennt wird. Ist die gespeicherte, elastische Dehnungsenergie sehr viel größer als die Oberflächenenergie der Grenzfläche, dann beginnt die Abtrennung gleichzeitig an vielen Stellen auf der Grenzfläche zwischen Diamant und Substrat, und es wird eine große Anzahl kleiner Diamantstücke bei dieser katastrophenartigen Abtrennung erhalten. Dünne Diamantüberzüge können üblicherweise einer solchen Spannung widerstehen, doch können dicke Überzüge eine teilweise Trennung der Diamantschicht von dem Molybdän-Substrat und/oder ein katastrophales Versagen in der Diamantschicht in Form schwerer Risse und von Fragmentierung verursachen.
Es ist bekannt, daß die Keimbildung von CVD-Diamant auf gewissen Substrat- Materialein einfacher vonstatten geht als auf anderen, und daß ein gutes Binden am Substrat während der Wachstumsperiode, insbesondere während des Züchtens dicker Filme, erforderlich ist, um ein katastrophenartiges Ablösen des Films als ein Ergebnis der innewohnenden Dehnung zu vermeiden. Der Diamantfilm kann jedoch so fest an das Substrat gebunden sein, daß am Ende der Wachstumsperiode der Diamantfilm während des Abkühlens reißen kann, wenn es einen merklichen Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen dem Diamant und dem Substrat gibt. Der Einsatz von Trennmitteln fördert die schließliche Entfernung des Films vom Substrat, kann jedoch verursachen, daß der Diamant während des Wachsens so schlecht gebunden ist, daß es ein katastrophenartiges Lösen des Diamantfilms vom Substrat verursacht.
Es ist erwünscht, dicke Diamantfilme mittels CVD herzustellen, die leicht von einem Substrat entfernt werden, sich nicht vorzeitig während der Abscheidung lösen und beim Abkühlen nicht reißen.

Aufgaben der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Züchten von Diamantfilm mittels CVD auf einem dünnen Substrat zu schaffen, bei dem die Bildung durch Wärmespannungen induzierter Risse im resultierenden Film verringert ist.
Eine andere Aufgabe ist es, ein verbessertes Verfahren zum Züchten von Diamantfilm mittels CVD auf einem Substrat zu schaffen, das sich während des Diamantwachstums nicht biegt oder verformt, und das beim Abkühlen keine merkliche Spannung in den Film einführt.
Eine zusätzliche Aufgabe ist es, ein neues Substrat und eine neue Vorrichtung zum Abscheiden von Diamantüberzügen zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe ist es, einen Verbundstoff zu schaffen, der aus zwei äußeren Schichten, die jeweils einen durch CVD gezüchteten Diamantfilm umfassen und einer Kernschicht besteht, die das Substrat ist, auf dem der Diamant gezüchtet ist.
Bei weiterem Studium der Beschreibung und der beigefügten Ansprüche werden weitere Aufgaben und Vorteile für den Fachmann deutlich.

Zusammenfassung der Erfindung

Die obigen Aufgaben werden durch die vorliegende Erfindung mittels eines Verfahrens zum Herstellen von rißfreiem Diamant gelöst, wobei die durch CVD erhaltenen Diamantüberzüge auf beiden Seiten eines dünnen Substrates gezüchtet werden. Die Zugspannungen des Verbundmaterials gleichen sich während des Wachsens der beiden Diamantüberzüge aus. Der thermische Gradient des Substrates wird nahe Null sein. Nachdem die Diamantüberzüge mittels CVD gezüchtet wurden, verhält sich der Verbundstoff, als wenn der CVD-Diamantfilm das Hauptmaterial und das dünne Substrat der Film ist. Ein vorteilhafter Aspekt der Erfindung ist es, daß das Substrat keine merkliche Spannung auf den CVD-Film beim Abkühlen ausübt, so daß die Wahrscheinlichkeit eines Reißens verringert ist.
Bei dem Verfahren dieser Erfindung wird Diamant durch Exponieren beider Seiten eines dünnen Substrates gegenüber Hitze und einer angeregten Mischung reaktiver Gase unter Bedingungen abgeschieden, daß die Abscheidung des Diamantfilmes auf beiden Seiten des Substrates, vorzugsweise mit einer identischen Rate, stattfindet, um zwei Überzüge mit identischen, gegenüberliegenden Zugkräften auf jeder Seite des Substrates zu züchten. Das Substrat hat eine geringere Dicke als die darauf gebildeten Diamant-Überzüge. Wird das Substrat von den Überzügen abgetrennt, dann werden selbsttragende Diamantfilme erhalten, die typischerweise frei von Rissen sind.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgaben durch Bereitstellen eines dünnen Substrates für die Abscheidung der Diamantüberzüge durch chemisches Bedampfen, wodurch beide Seiten des dünnen Substrates Hitze und einer angeregten Mischung reaktiver Gase ausgesetzt sind, um darauf Diamantüberzüge zu züchten, die nach dem Abtrennen vom Substrat selbsttragende Diamantfilme bilden.
Diese Erfindung schafft auch eine Vorrichtung zum chemischen Aufdampfen von Diamant auf Substrate umfassend:
eine geschlossene Reaktionskammer, die einen verringerten Druck aufrechterhalten kann und mindestens einen Gaseinlaß, um eine Mischung reaktionsfähiger Gase darin bereitzustellen und mindestens eine Auslaßeinrichtung aufweist;
ein wie oben beschriebenes, dünnes Substrat, das innerhalb dieser Kammer angeordnet ist;
eine Trägereinrichtung zum starren Halten des Substrates;
eine Einrichtung zum Erhitzen beider Seiten des Substrates auf im wesentlichen die gleiche Temperatur;
eine Einrichtung zum Anregen der darin befindlichen, reaktiven Gasmischung und
eine Einrichtung zum Inberührungbringen beider Seiten des Substrates mit der angeregten, reaktiven Gasmischung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Ein Aspekt der Erfindung ist das Aussetzen beider Seiten eines dünnen Substrates gegenüber Wärme und einer angeregten, reaktiven Gasmischung derart, daß die Abscheidung des CVD-Diamantfilms auf beiden Seiten des Substrates, vorzugsweise mit einer im wesentlichen identischen Rate, stattfindet. Die resultierenden CVD-Diamantfilme weisen weniger Risse und weniger Fragmentierung während des Wachstums und beim Abkühlen auf. Die Filme sind im wesentlichen frei von Rissen, d.h., es gibt keine Oberflächenfehler, die den Film zerteilen oder ihn zum Einsatz als eine Wärmefalle ungeeignet machen.
Irgendein konventionelles Substrat-Material, das für die Abscheidung von CVD- Diamant darauf geeignet ist, kann für die dünnen Substrate benutzt werden, die in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Das Substrat-Material kann ausgewählt werden aus der Klasse bestehend aus Siliciumcarbid, Wolframcarbid, Molybdän, Bor, Bornitrid, Niob, Graphit, Kupfer, Aluminiumnitrid, Silber, Eisen, Nickel, Silicium, Aluminiumoxid und Siliciumdioxid sowie deren Kombinationen. Molybdän ist ein bevorzugtes Substrat-Material, weil es eine hohe Dichte von Diamant-Keimen erzeugt, ohne daß es aufgerauht oder mit Diamantstaub geschliffen worden ist.
Niob ist auch ein bevorzugtes, hydridbildendes Substrat-Material, weil sich Diamantfilme leicht von diesem Metall lösen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Molybdän, d.h., α=5,1 x 10&supmin;&sup6;/ºC, ist bei Temperaturen oberhalb 152ºC, seiner Debye- Temperatur, relativ konstant, und er ist höher als der thermische Ausdehnungskoeffizient von Diamant, d.h, α=1,5 x 10&supmin;&sup6;/ºC bei 124ºC, und 4,8 x 10&supmin;&sup6;/ºC bei 930ºC. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Diamant ändert sich im Temperaturbereich des Wachstums des CVD-Diamant schnell, weil seine Debye-Temperatur weit oberhalb dieses Temperaturbereiches liegt. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Molybdän ist um 30% größer als der mittlere thermische Ausdehnungskoeffizient von Diamant zwischen der Temperatur des Substrates bei der Abscheidung und bei Raumtemperatur. Andere Substrat-Materialien zeigen ähnliche Unterschiede in den Werten des Koeffizienten.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung vermindert die katastrophenartige Abtrennung, die während des Wachstums auf dem Substrat verursacht wird, unabhängig vom eingesetzten Material. Durch Züchten des Diamantüberzuges auf beiden Seiten des Substrates, vorzugsweise bei einer identischen Rate, wirken die Zugkräfte auf beiden Seiten des Substrates vom Diamant einander entgegen und gleichen sich vorzugsweise aus. Zusätzlich wird der Wärmegradient durch das Substrat Null sein, was ein Verbiegen des Substrates aufgrund von Unterschieden in der Wärmeausdehnung zwischen der heißen und kalten Seite während des Diamantwachstums verhindert. Die Wirkung ist ein flaches, starres Substrat, auf dem der Diamant gezüchtet wird.
Durch Einsetzen eines dünnen Substrates, wenn die Überzüge bis zu der erwünschten Dicke gezüchtet werden, sind letztere dicker als das Substrat. Die Eigenschaften der Hauptmasse des drei Schichten aufweisenden Verbundstoffes (Diamant/Substrat/Diamant) sind die von Diamant und nicht die des Substrates. Beim Abkühlen wirkt das Substrat als ein Film und induziert keine merkliche Kompressionsspannung in den Diamantüberzügen aufgrund der thermischen Fehlanpassung. Diese Konfiguration verhindert ein Verformen (Biegen) des Diamantfilms und verringert ein Reißen beim Abkühlen. Das Substrat kann durch konventionelle Verfahren, wie Auslaugen mit Säure, von den Diamantüberzügen entfernt werden, was zu selbsttragenden Diamantfilmen führt. Das Substrat hat eine geringere Dicke als die da rauf gebildeten Diamantüberzüge, typischerweise weniger als jeder der darauf gebildeten Überzüge. Diese Substrate haben eine Dicke im Bereich von 0,127 bis 2,54 mm (0,005-0,1 inches), und sie haben typischerweise eine Dicke von etwa 0,254 mm (0,01 inch). Die Dicke der erzeugten Diamantfilme liegt im Bereich von 100-2.000 µm, vorzugsweise 150-1.500 µm und am bevorzugtesten von 500-1.000 µm.
Konventionelle, reaktive Gasmischungen und Verfahrens-Bedingungen sind zum Gebrauch bei dem Verfahren dieser Erfindung geeignet. So sind, z.B., konventionelle Mischungen aus Wasserstoff und gasförmigem Kohlenwasserstoff geeignet. Die Kohlenwasserstoffquellen können die Reihe der Alkangase, wie, z.B., Methan, Ethan und Propan; ungesättigte Kohlenwasserstoffe, z.B., Ethylen, Acetylen, Cyclohexen und Benzol und ähnliche, einschließen. Methan ist jedoch bevorzugt. Das molare Verhältnis von Kohlenwasserstoff zu Wasserstoffliegt grob von etwa 1:10 bis etwa 1:1.000, wobei etwa 1:100 bis 3:100 bevorzugt sind. Die reaktive Gasmischung kann gegebenenfalls mit einem Inertgas, wie Argon, verdünnt werden.
Drucke für die reaktive Gasmischung liegen im allgemeinen von etwa 1,33 Pa bis 133,3 KPa (0,01-1.000 Torr), vorteilhafterweise von etwa 133,3 Pa bis 101,3 KPa (1-760 Torr) und vorzugsweise bei etwa 1,33 KPa (10 Torr). Einzelheiten der konventionellen Verfahrens-Bedingungen, die zum Einsatz hier geeignet sind, können auch in Angus et al., "Low Pressure Metastable Growth of Diamond and Diamond-Like Phases", Science, Band 241, Seiten 913-921 (19. August 1988) und Bachmann et al., "Thin Diamond Films", Chemical Engineering News, Seiten 24-39 (15. Mai 1989) gefunden werden. Die US-PS 4,707,384 liefert weitere Einzelheiten hinsichtlich CVD-Bedingungen und -Techniken.
Die reaktive Gasmischung aus Wasserstoff undeinem Kohlenwasserstoff, meistens Methan, wird unter Anwendung konventioneller Techniken angeregt, vorzugsweise durch Leiten des reaktiven Gases über einen heißen Glühfaden bei einer konventionellen Temperatur, vorzugsweise im Bereich von 1.700-2.400ºC. Nach dem Anregen wird die reaktive Gasmischung mit beiden Oberflächen in Berührung gebracht.
Das dünne Substrat wird auf eine konventionelle Temperatur erhitzt. Die Substrat-Temperatur, die für das Diamantwachstum benutzt wird, liegt typischerweise von etwa 500-1.100ºC und vorzugsweise im Bereich von 850-950ºC auf beiden Oberflächen. Es ist häufig erwünscht, das Substrat bei Temperaturen im Bereich von etwa 900- 1.000ºC zu halten, weil innerhalb dieses Bereiches eine minimale Reaktion zwischen dem in der Gasmischung vorhandenem Wasserstoff und dem aus dem Kohlenwasserstoff darin gebildeten, elementaren Kohlenstoff stattfindet, so daß elementarer Kohlenstoff zum Abscheiden als Diamant bei einer hohen Wachstumsrate auf dem Substrat zur Verfügung bleibt. Ohne irgendwelche Maßnahmen zum unabhängigen Kontrollieren der Substrat-Temperatur übersteigt diese Temperatur häufig 1.000ºC, und die Wachstumsrate des Diamant nimmt beträchtlich ab. Wachstumsraten im Bereich von etwa 0,1 bis 10 µm/Stunde wurden bei einem Energiebedarf von etwa 650 Watt/Stunde leicht erhalten. Wachstumsraten von mehr als 10 µm/Stunde können bei höheren Energiekosten erhalten werden.
Das dünne Substrat dieser Erfindung hat eine Dicke im Bereich von 0,127 bis 2,54 mm (0,005-0,1 inches), typischerweise von etwa 0,254 mm (0,01 inch). Die Oberfläche des Substrates kann in weitem Rahmen von 0,65 cm² (0,1 square inch) bis 16.129 cm² (2.500 square inches), vorzugsweise von 6,45-64,5 cm² (1-10 square inches), variieren. Beide Seiten des dünnen Substrates sind Wärme und einer angeregten, reaktiven Gasmischung ausgesetzt, um Diamant darauf zu züchten. Jede Oberfläche ist vorzugsweise poliert, um das leichte Entfernen der darauf gebildeten Diamantüberzüge zur Schaffung selbsttragender Filme zu gestatten. Geeignete Materialien sind die oben angegebenen.
Die Vorrichtung dieser Erfindung ist geeignet zum Ausführen des hier geschaffenen Verfahrens, und sie benutzt ein dünnes Substrat, wie es oben definiert ist. Diese Vorrichtung umfaßt eine Reaktionskammer, die luftdicht ist und unter verringertem Druck, vorzugsweise einem Vakuum, gehalten werden kann. Sie ist mit mindestens einem Einlaß, um eine reaktive Gasmischung zuzuführen, und einer Auslaßeinrichtung ausgerüstet. Alle Teile der Reaktionskammer können von konventionellem Design und konventioneller Konstruktion sein. Quarz ist beispielhaft für ein geeignetes, nicht leitendes, wärmebeständiges Material.
Ein dünnes Substrat dieser Erfindung wird in der Reaktionskammer angeordnet, und eine Trägereinrichtung, wie ein Federzugmechanismus, hält das Substrat starr.
Die Vorrichtung umfaßt auch eine Heizeinrichtung, um beide Seiten des Substrates zu erhitzen, und es sind vorzugsweise Elektroden und sich vertikal erstreckende, lineare, elektrisch leitende Glühfäden oder Drähte (die im folgenden allgemein als "Glühfäden" bezeichnet werden) von ansonsten konventionellem Design und konventioneller Schaltung. Das Material, aus dem diese Glühfäden bestehen, ist nicht kritisch, es ist jedes Material, das im Stande der Technik als für diesen Zweck geeignet bekannt ist, akzeptabel. Beispielhäfte Materialien sind metallisches Wolfram, Tantal, Molybdän und Rhenium, die auf Temperaturen zwischen 1.700 und 2.400ºC erhitzt werden können. Wegen seiner relativ geringen Kosten und seiner besonderen Geeignetheit ist Wolfram häufig bevorzugt. Glühfaden-Durchmesser von etwa 0,178-9,91 mm (0,007-0,39 inch) sind typisch, wobei etwa 7,62 mm (0,03 inch) häufig bevorzugt werden.
Die Glühfäden werden auf gegenüberliegenden Seiten und parallel zum Substrat angeordnet. Abstände der Glühfäden zum Substrat liegen im allgemeinen in der Größenordnung von etwa 10,16-15,24 mm (0,400-0,600 inch). Die Glühfäden sind vorzugsweise um etwa 15,24 mm (0,600 inches) voneinander getrennt. Eine Strahlungsabschirmung, vorzugsweise mit einem Durchmesser von etwa 7,62 cm (3 inches) kann um die Anordnung aus Substrat und Glühfäden herum angeordnet werden. Da eine Vielzahl von Glühfäden, vorzugsweise etwa vier, dabei zwei auf jeder Seite, und dazugehörige Strukturen vorhanden sind, sollte klar sein, daß deren Gesamtzahl für die Erfindung nicht kritisch ist.
Die Vorrichtung schließt auch eine Einrichtung zum Inberührungbringen beider Seiten des Substrates mit der angeregten, reaktiven Gasmischung ein. Dies braucht keine zusätzliche Struktur oder kein zusätzliches Element zu erfordern, wenn das Substrat in geeigneter Weise innerhalb der Reaktionskammer angeordnet ist.
Die Verbundstoffe dieser Erfindung bestehen aus zwei äußeren Schichten, die Diamant umfassen, und einer Kernschicht, die ein Substrat umfaßt, auf dem die Diamantschichten gezüchtet wurden. Der Verbundstoff hat eine Länge und eine Breite, die mit konventionellen Substraten übereinstimmt und typischerweise im Bereich von etwa 0,65 bis 16.129 cm² (0,1-2.500 square inches) liegt. Die Dicke der Diamantschichten liegt im Bereich von 1-2.000 µm, vorzugsweise 150-1.000 µm. Die Kernschicht (Substrat) hat eine Dicke von 0,127 bis 2,54 mm (0,005-0,1 inches), typischerweise etwa 0,254 mm (0,01 inches).
Es wird davon ausgegangen, daß der Fachmann ohne weitere Ausarbeitung anhand der vorhergehenden Beschreibung die vorliegende Erfindung in ihrem vollsten Umfang nutzen kann. Die folgenden, bevorzugten, spezifischen Ausführungsformen sind daher als lediglich veranschaulichend und nicht in irgendeiner Weise einschränkend für den Rest der Offenbarung zu verstehen.
Im vorhergehenden und im fogenden Beispiel sind alle Temperaturen in ºC angegeben und alle Teile und Prozentsätze beziehen sich, sofern nichts anderes angegeben, auf das Gewicht.

BEISPIEL

Ein CVD-Reaktor, der zur Aufnahme des unten beschriebenen Substrates geeignet ist, wird benutzt. Der CVD-Reaktor umfaßt eine Reaktionskammer aus Quarz, einen Gaseinlaß und einen Auslaß. Das Substrat ist ein 25,4 mm (1") breiter Streifen aus Molybdän von 0,254 mm (0,010") Dicke. Das Substrat wird mit einem Federmechanismus im Reaktor gehalten, der das Substrat gerade hält. Das Substrat ist vier Wolfram-Glühfäden von 0,381 mm (0,015 inch) ausgesetzt. Zwei Wolfram-Glühfäden sind an jeder der gegenüberliegenden Seiten in einem Abstand von etwa 15,24 mm (0,600 inch) vom Substrat angeordnet. Die beiden Glühfäden auf einer Seite sind um etwa 15,24 mm (0,600 inch) voneinander getrennt. Eine Strahlungsabschirmung mit einem Durchmesser von etwa 7,62 cm (3 inches) ist um die Anordnung aus Substrat und Glühfäden herum angeordnet.
Die Kammer wird evakuiert und die Glühfäden, die zum Weißglühen (etwa 2.000ºC) erhitzt sind, erhitzen das Substrat auf beiden Seiten auf eine Temperatur von etwa 800-1.000ºC. Eine reaktive Gasmischung, enthaltend etwa 1-2 Gew.-% Methan in Wasserstoff, wird bei weniger als 10 kPa (0,1 bar) in die Kammer eingeführt. Der Durchgang der Gasmischung und das Erhitzen des Substrates werden mehrere Tage lang fortgesetzt, wodurch ein Diamantfilm auf beiden Seiten des Substrates wächst. Am Ende dieser Zeit werden die Methan-Strömung beendet und das System abgekühlt. Ein Verbundstoff, umfassend zwei Diamantüberzüge mit einer Kernschicht aus Molybdänsubstrat, wird herausgenommen. Die Dicke jedes Diamantüberzuges liegt im Bereich von 0,381-0,508 mm (0,015-0,020"). Das Molybdänsubstrat wird durch eine Säureätzung entfernt, um zwei selbsttragende Diamantfilme zu erhalten. Die vom Molybdänsubstrat gewonnenen beiden Diamantfilme sind frei von Rissen.
Das vorhergehende Beispiel kann mit ähnlichem Erfolg wiederholt werden, indem man die allgemein oder spezifisch beschriebenen Reaktanten und/oder Betriebsbedingungen dieser Erfindung für die im vorhergehenden Beispiel angegebenen einsetzt.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Diamantfilm durch chemisches Bedampfen, umfassend das Aussetzen beider Seiten eines Substrates gegenüber Wärme und einer angeregten Mischung aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoffgas unter Bedingungen der Temperatur, des Druckes und der Gaskonzentration, die das Wachsen von Diamantüberzügen auf beiden Seiten des Substrates fördern, wobei die Dicke des Substrates geringer ist als die darauf gezüchteten Diamantüberzüge, und Trennen der Diamantüberzüge von dem Substrat zur Schaffung von Diamantfilmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Dicke des Substrates geringer ist als jeder der darauf gezüchteten Diamantüberzüge.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die Wachstumsrate der Diamantüberzüge auf jeder Seite des Substrates im wesentlichen identisch ist und innerhalb des Bereiches von 0,1 bis 10 µm/h liegt.

4. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, worin das Substrat erhitzt wird, um auf jeder Seite im wesentlichen identische Oberflächentemperaturen innerhalb des Bereiches von 500-1.100ºC zu schaffen.

5. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, worin das Substrat eine Dicke im Bereich von 0,127-2,54 mm (0,005-0,10 inches) hat.

6. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, worin die Diamantüberzüge von dem Substrat durch Abkühlen des überzogenen Substrates auf Umgebungstemperatur und Wegätzen des Substrates mit Säure getrennt werden.

7. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, worin die vom Substrat getrennten Diamantfilme eine Dicke im Bereich von 100-2.000 µm aufweisen.

8. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, worin das Substrat eine Oberfläche im Bereich von 0,65-16.129 cm² (0,1 bis 2500 square inches) aufweist.

9. Vorrichtung zum chemischen Bedampfen zur Herstellung von Diamantfilmen, wobei Diamantüberzüge auf einem erhitzten Substrat aus einer angeregten Mischung aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoffgas gezüchtet werden, umfassend ein Substrat zum Diamantwachstum, das eine Dicke im Bereich von 0,127-2,54 mm (0,005-0,1 inches) aufweist, eine Einrichtung zum gleichmäßigen Erhitzen beider Seiten des Substrates auf Diamant-Wachstumstemperaturen, umfassend mindestens zwei Glühfäden, die auf jeder Seite des Substrates angeordnet und auf eine Temperatur im Bereich von 1.700-2.500ºC erhitzt werden können, und eine Einrichtung, um beide Seiten des Substrates gleichmäßig einer Mischung aus Wasserstoff und reaktionsfähigem Kohlenwasserstoffgas auszusetzen, die einen Gaseinlaß umfaßt, der die Strömung der reaktionsfähigen Gasmischung richtet und einen Substratträger umfaßt, der beide Oberflächen des Substrates senkrecht zur Strömungsrichtung der reaktionsfähigen Gasmischung anordnet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, umfassend einen Träger für das Substrat, der einen Federmechanismus umfaßt, der das Substrat festhält.

11. Verbundstoff, umfassend zwei äußere Schichten aus CVD-Diamant, die jede eine Dicke von 5 bis 2.000 µm haben und jeweils mit einer Kernschicht verbunden sind, umfassend das Substrat, auf dem die äußeren Schichten aus CVD-Diamant gezüchtet sind, wobei das Substrat eine Dicke von 0,127-2,54 mm (0,005-0,1 inches) aufweist.