DE69215165T2

DE69215165T2 - Diamantschicht und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE69215165T2
Application number: DE69215165T
Authority: DE
Inventors: Naoji Fujimori; Takashi Tsuno
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1991-08-30
Filing date: 1992-08-27
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2012-08-28
Also published as: EP0530021B1; EP0530021A3; US5427053A; DE69215165D1; EP0530021A2; JPH0558785A

Description

Die Erfindung betrifft eine Diamantschicht guter kristallographischer Eigenschaft sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
Die vorliegende Anmeldung nimmt die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr.246718/1991 vom 30. August 1991 in Anspruch, die hier durch Bezugnahme inkorporiert ist.
Diamant hat umfangreiche Anwendungsgebiete. Im allgemeinen wurden Diamantwerkzeuge bislang aus gesintertem Diamant oder polykristallinem Diamant gefertigt. Neben Werkzeugen wird Diamant als Halbleitermaterial zur Herstellung elektronischer Bauelemente eingesetzt werden. Ein solcher Diamant als Material für elektronische Bauelemente muß als Einkristall vorliegen. Polykristallines Diamantmaterial ist auf dem Gebiet elektronischer Bauelemente nutzlos, da mehrere Korngrenzen in Polykristallen die Ladungsträgerbeweglichkeit senken und die Ausbildung eines guten pn-Übergangs verhindern. Da ein Polykristall eine Anordnung aus mehreren kleinen Einkristallen ist, enthält er zahlreiche Korngrenzen, das sind Oberflächen von kleinen Einkristallen. Korngrenzen streuen Elektronen sowie Löcher und beeinträchtigen pn-Übergänge; beispielsweise bedeuten sie eine geringe Durchbruchspannung in Sperrichtung und einen hohen Wider-stand in Durchlaßrichtung. Die Beseitung derartiger nachteiliger, durch Korngrenzen von Polykristallen verursachten Effekten erfordert epitaktisches Diamantenwachstum.
Nur ein Einkristall-Diamantsubstrat ermöglicht, daß darauf eine Diamantschicht durch epitaktisches Wachstum gebildet wird. Dabei handelt es sich um Homo- Epitaxie. Es gibt kein Problem mit einer möglichen Gitterfehlanpassung aufgrund der Differenz der Gitterkonstanten oder einem Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten. Allerdings ist ein Diamantsubstrat selbst teuer und schwierig herzustellen. Es wird unerläßlich sein, eine Diamantschicht auf einem anderen Material als Diamant wachsen zu lassen, um den umfangreichen Anwendungsmäglichkeiten von Diamantmaterial Rechnung zu tragen. Allerdings ist es schwierig, eine Diamantschicht durch epitaktisches Wachstum auf einem anderen Material zu bilden. Die Schwierigkeit der Hetero-Epitaxie (epitaktisches Wachstum auf einem anderen Material) stellt ein großes Problem dar, welches für die Ausbeutung der hervorragenden Eigenschaften von Diamantmaterial gelöst werden muß.
Derzeit liegt kein Bericht mit Ausnahme über Hetero-Epitaxie auf einem c-BN- Substrat (von Suzuki) vor. (SUZUKI et al., THE THIRD DIAMOND SYMPOSIUM, 1989, Veranstaltungstext, S.75).
Suzuki berichtete, daß ein Diamant durch epitaktisches Wachstum auf einem c- BN-(kubisches Bornitrid)Substrat gebildet wird. Dies war der erste Erfolg der Hetero-Epitaxie von Diamantmaterial. Allerdings läßt sich ein c-BN-Substrat nicht so leicht herstellen. Die Synthese unter hohem Druck ist derzeit das einzige verfügbare Verfahren zum Herstellen eines c-BN-Substrats. Die Synthese von c- BN ist ebenso schwierig wie die von Diamant. Somit ist die Hetero-Epitaxie auf einem c-BN-Substrat kein praktikables Verfahren zum Herstellen einer epitaktischen Diamantschicht. Die Diamant-/c-BN-Hetero-Epitaxie bedeutete keinen Durchbruch bei der Diamant-Epitaxie. Sogar heute besitzen wir kein praktikables, einsetzbares Verfahren des epitaktischen Wachstums auf einem in der Praxis gebräuchlichen Substrat, welches einfach bei geringen Kosten hergestellt werden kann.
Fujita et al. berichtet über ein Nickel-(Ni)Substrat, welches ihm die Möglichkeit gab, darauf epitaktisch eine Anordnung von Diamantinseln wachsen zu lassen. Nickel besitzt eine ähnliche Gitterkonstante wie Diamant. (FUJITA et al., THE FOURTH DIAMOND SYMPOSIUM, 1991, Veranstaltungstext S.13).
Allerdings war Fujita's Diamant keine kompakte Schicht. Es handelte sich im wesentlichen um eine Ansammlung von Diamantinseln. Die Epitaxie bedeutet, daß die kristallographische Richtung der Inseln mit derjenigen des Substrats übereinstimmte. Auf einem (001)-Ni-Substrat oder einem (111)-Ni-Substrat waren bei Fujita's Diamantschicht zahlreiche Diamantinseln spärlich verteilt.
Eine weitere Niederschlagung auf den Inseln würde nicht zu einer lochfreien Schicht führen. Der Grund hierfür liegt darin, daß während des Niederschlagungsvorgangs die Erosion des Diamantmaterials durch das Nickelsubstrat unvermeidlich ist. Durch weitere Niederschlagung könnte keine kompakte Diamantschicht erreicht werden. Die spärlich verteilten Inseln bedeuten keinen Mangel an Niederschlagung. Die weitere Niederschlagung würde die zu Beginn epitaktisch gewachsenen Inseln zum Verschwinden in dem Substrat bringen. Obschon Nickel eines der am meisten bevorzugten Stoffe für das Substrat von Diamant-Epitaxie ist, weil die Gitterkonstante annähernd die gleiche wie die von Diamantmaterial ist, ermöglicht ein Nickelsubstrat nicht das Aufbringen einer kompakten Diamantschicht. Langfristig gesehen, ist Diamant das am besten geeignete Material für ein Substrat bei der Diamant-Epitaxie. Die Synthese eines breiten Diamant-Ein-3,4 kristalls ist derzeit schwierig. Allerdings läßt sich mit Hilfe der derzeitigen Technologie leicht polykristallines Diamantmaterial synthetisieren. Geis schlägt ein Verfahren zum Herstellen von Diamantschichten vor, die annähernd die gleiche kristallographische Richtung aufweisen, indem kleine Diamant-Einkristalle in einer gemeinsamen Richtung angeordnet und Diamantschichten auf den angeordneten kleinen Diamantkörnern synthetisiert werden, die die gleiche kristallographische Richtung besitzen. (M. W. GEIS & H. 1. SMITH; SPRING MEETING OF ELECTROCHEMICAL SOCIETY, WASHINGTON D.C.)
Geis et al. haben vorgetragen, daß das Verfahren sie in die Lage versetze, eine kompakte Diamant-Mosaikschicht mit gleicher Richtung herzustellen. Allerdings ist es sehr schwierig, Korngrenzen mit einem kleinen Winkel von etwa 1 Grad bei dem Geis-Verfahren auszuschließen.
Um die Schwierigkeiten zu lösen, wurde die vorliegende Erfindung gemacht. Ein Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer breiten, kompakten Diamantschicht mit guter kristallographischer Eigenschaft und mit einer ausgerichteten kristallographischen Richtung. Der zweite Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Herstellen einer breiten, kompakten Diamantschicht mit guter kristallographischer Eigenschaft. Der dritte Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines billigen Verfahrens zum Herstellen einer breiten, kompakten Diamantschicht. Der weitere Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum epitaktischen Wachsenlassen von Diamant, oder dazu ein Diamantsubstrat zu verwenden.
Erreicht werden diese Ziele mit Hilfe des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5. Die Erfindung betrifft außerdem ein eine Diamantschicht enthaltendes Produkt nach Anspruch 6.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt die Schritte: epitaktisches Aufwachsen von Diamantinseln auf einem ersten Einkristall-Substrat aus einem anderen Material als Diamant, Aufbringen eines zweiten Materials auf das erste Substrat, um die Diamantinseln abzudecken, Beseitigen des ersten Substrats von dem die Diamantinseln einschließenden zweiten Material, Freilegen der Diamantinseln und Wachsenlassen von Diamant auf den freigelegten Diamantinseln.
Vorzugszweise sollte das erste Substrat ein Einkristall-Ni- oder -NiCu-Substrat sein. Ni oder NiCu besitzt eine ähnliche Gitterkonstante wie Diamantmaterial. Einkristall wird benötigt, um darauf durch epitaktisches Wachstum Diamantkörnchen zu bilden. Wenn das Substrat polykristallin wäre, wären die kristallographischen Richtungen der auf dem polykristallinen Substrat niedergeschlagenen Körnchen zufällig verteilt. Eine derartige Anordnung zufällig verteilter Körnchen könnte nicht ein Substrat für eine praktisch einkristalline Schicht sein.
Es ist bevorzugt, wenn auf dem ersten Substrat und den Diamantkörnchen Silicium niedergeschlagen wird. Das Niederschlagungsmaterial (das zweite Material) muß nicht ein Einkristall sein, da es lediglich die Aufgabe hat, die Diamantkörnchen vorübergehend zu halten. Man kann andere Stoffe als Silicium für das zweite Material verwenden, zum Beispiel Metalle oder Glas.
Das erste Substrat muß eine Gitterkonstante aufweisen, die in etwa derjenigen von Diamantmaterial gleicht. Ähnliche Gitterkonstanten ermöglichen das epitaktische Wachstum von Diamantmaterial auf dem ersten Substrat. Allerdings ist der gewachsene Diamant eine Ansammlung von Diamantinseln. Die Diamankörnchen besitzen die gleiche kristallographische Richtung. Allerdings sind sie voneinander getrennt. Die niedergeschlagene Schicht hat zwei Aufgaben: Die eine besteht darin, die Diamantkörnchen zu fixieren. Die andere Aufgabe ist die, eine kompakte Diamantschicht durch Wachstum zu bilden. Obschon der erfindungsgemäß hergestellte Diamant nicht ein Einkristall im engen Sinne des Wortes ist, ist er einem Einkristall annähernd äquivalent.
Die Erfindung schafft eine kompakte, dicke Diamantschicht, bei der es sich um eine Ansammlung von Kristallen gleicher kristallographischer Richtung handelt, indem auf einem ersten, Einkristallsubstrat durch epitaktisches Wachstum Diamantinseln gebildet werden, die Inseln und das Substrat mit einer Niederschlagungsschicht abgedeckt werden, beispielsweise mit Si, das erste Substrat entfernt wird, damit die inselförmigen Diamanten in einer gemeinsamen Oberfläche in Erscheinung treten, und auf den Diamantkörnchen epitaktisch ein dicker Diamant wachsengelassen wird. Da die Richtungen der Diamantkörnchen in Ordnung sind, sind die sich aufbauenden Diamantkristalle der dicken Diamantschicht ebenfalls in Ordnung ausgerichtet. Es wird eine breite, kompakte Diamantschicht guter kristalliner Eigenschaft erhalten. Bei der Schicht handelt es sich um eine Ansammlung vieler Einkristalle, welche die gleiche kristallographische Richtung besitzen. Aufgrund der guten kristallinen Eigenschaft läßt sich der Diamant für verschiedene technische Zwecke einsetzen.
im allgemeinen besitzt der erfindungsgemäß hergestellte Diamant ein niedergeschlagenes Material, beispielsweise Si, auf der Rückseite der Schicht in Form eines Plättchens. Für einige Zwecke kann ein solches Diamantplättchen so, wie es ist weiterverwendet werden. Wenn das Verkleidungsmaterial auf der Rückseite unerwünscht ist, sollte dieses Verkleidungsmaterial (zweites Material) durch Polieren oder Ätzen entfernt werden.
Die Erfindung ergibt sich deutlicher aus der nachfolgenden beispielhaften Beschreibung unter Bezugnahme auf die verschiedenen Figuren der begleitenden Zeichnungen. Es zeigen:
Figur 1 eine Querschnittansicht eines Nickel-Einkristall-Substrats, auf dem epitaktisch kleine Diamantkörnchen wachsengelassen wurden,
Figur 2 eine Schnittansicht des Einkristall-Substrats, bei dem Diamantkörnchen mit Silicium bedampft sind,
Figur 3 eine Schnittansicht einer Silicium-Niederschlagungsschicht mit verteilten Diamantkörnchen, wobei das Nickel-Substrat entfernt wurde,
Figur 4 eine Schnittansicht einer dritten Diamantschicht, die auf den freigelegten Flächen der Diamantkörnchen durch Wachstum gebildet wurde,
Figur 5 eine Querschnittansicht eines Nickel-Substrats, auf dem Diamantkörnchen durch Wachstum gebildet wurden, und auf dem Aluminium in selektiven Bereichen aufgebracht wurde, um einige Diamantkörnchen abzudecken, und auf die Silicum aufgedampft wurde,
Figur 6 eine Querschnittansicht der Silicium-Niederschlagungsschicht einschließlich Diamantkörnchen, von denen das Nickel-Einkristall-Substrat mit Hilfe von Säure entfernt wurde, und damit einhergehend die Entfernung von Aluminiummustern,
Figur 7 eine Querschnittansicht der Silicium-Niederschlagungsschicht, die an der die Diamantkörnchen enthaltenden Vorderseite schwach geätzt wurde,
Figur 8 eine Querschnittansicht eines einkristallinen Substrats, auf dem Diamantkörnchen durch epitaktisches Wachstum gebildet wurden, und auf dem Aluminiummuster in ausgewählten Bereichen niedergeschlagen wurden.
Um die obigen Ziele zu erreichen, werden hier grob erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele beschrieben.
Figuren 1 bis 4 zeigen die Schritte der Diamantfertigung gemäß der Erfindung. Wie oben erwähnt, ermöglichen einige Einkristall-Substrate das epitaktische Wachsenlassen von Diamantmaterial in Form von Inseln auf den Substraten, beispielsweise bei einem Nickel-(Ni)-Substrat oder einem Nickel-Kupfer-(NiCu)- Substrat. Beispielsweise läßt sich durch epitaktisches Wachstum auf einem Ni- Einkristall inselförmiges Diamantmaterial bilden. Die Diamantkörnchen sind inselähnlich, das heißt voneinander getrennt. Allerdings sind die Körnchen auf dem Substrat epitaktisch aufgewachsen. Die Körnchen haben die gleiche kristallographische Richtung. Wie in Figur 1 gezeigt ist, werden auf einem Einkristall- Substrat (1) epitaktisch kleine Diamantkörnchen wachsengelassen.
Einige Materialien, beispielsweise Silicium, wird auf dem spärlich mit Diamantkörnchen (2) belegten Substrat niedergeschlagen. In diesem Fall wird eine Siliciumschicht durch Vakuum-Aufdampfen, Aufstäuben oder mittels CVD- Verfahren auf dem Substrat erzeugt.
Wie in Figur 2 zu sehen ist, befindet sich ein Teil der niedergeschlagenen Siliciumschicht (3) in Berührung mit dem Einkristall-Substrat (1). Die niedergeschlagene Si-Schicht (3) deckt die Diamantkörnchen (2) vollständig ab. Damit sind die Diamantkörnchen (2) eingeschlossen zwischen dem Einkristall-Substrat (1) und der niedergeschlagenen Si-Schicht (3). Die kleinen in der niedergeschlagenen Si-Schicht (3) vergrabenen Diamantkörnchen sind voneinander getrennt, ihre kristallographischen Richtungen sind gleich, da sie durch epitaktisches Aufbringen auf einem Einkristall erzeugt wurden.
Dies ist wichtig. Das erste einkristalline Substrat (1) hat die Rolle, die Richtungen der Diamantkörnchen in eine gewisse Richtung zu ordnen. Die Rolle des ersten Einkristall-Substrats besteht darin, die auf ihm wachsenden Diamantkörnchen in eine gemeinsame Richtung anzuordnen. Die niedergeschlagene Schicht (3) hat die Rolle, zahlreiche kleine Diamantkörnchen zu fixieren, und zwar angeordnet in der Ordnung, in der sie vorliegen. Da die vorübergehende Fixierung der Körnchen das einzige Ziel der niedergeschlagenen Schicht (3) ist, kann die niedergeschlagene Schicht (3) durch einen Einkristall, einen Polykristall oder durch amorphes Material aufgebaut sein. Andere Stoffe außer Silicium sind möglich. Verfügbar ist jedes andere Material, welches nicht bei dem Beseitigen des Substrats durch Ätzen aufgelöst wird und wahrscheinlich auf dem Substrat verbleibt. Die Gitterkonstante der niedergeschlagenen Schicht (3) muß nicht notwendigerweise derjenigen des Substrats (1) ähneln. Als nächstes wird das einkristalline Substrat (1) sowohl von der niedergeschlagenen Schicht (3) als auch von den verteilten kleinen Diamantkörnchen (2) entfernt. Das Beseitigen des Substrats (1) erfolgt entweder durch chemisches Ätzen oder physikalisches Polieren. Die niedergeschlagene Si-Schicht (3) bleibt nach dem Beseitigungsvorgang stehen. Es verbleiben zahlreiche kleine Diamantkörnchen ungelöst in der Unterseite der niedergeschlagenen Schicht (3). Auf den polierten Diamantkörnchen kommen neue Flächen zustande.
Dann wird auf der freigelegten Fläche der Diamantkörnchen (2) in der Dampfphase Diamant durch Wachstum gebildet. Im Gegensatz zu dem Wachstum auf einem Ni-Plättchen läßt sich auf einem Siliciumsubstrat mühelos eine kompakte Diamantschicht aufbringen. Da das Wachstum im wesentlichen auf dem Silicium- Substrat erfolgt, läßt sich eine kompakte Schicht synthetisieren. Die kleinen Diamantkörnchen, die in der niedergeschlagenen Si-Schicht vergraben sind, bestimmen die kristallographischen Richtungen des darauf wachsenden Diamants als Keimkristalle. Deshalb haben neu aufgebrachte Diamanten die gleiche Richtung wie die kleinen Diamantkörnchen (2). Da sämtliche Diamantkörnchen dieselbe kristallographische Richtung besitzen, haben neu gewachsene Diamanten ebenfalls die gleiche Richtung. Ein Siliciumsubstrat kann eine kompakte Diamantschicht bilden, kann jedoch nicht epitaktisch einen Diamant wachsen lassen. Im Gegenteil: Ein Substrat aus Nickel oder Nickel-Kupfer ermöglicht das epitaktische Wachsen von Diamant, obschon darauf keine kompakte Schicht aufgebracht werden kann.
Allerdings wird als Keimkristall nicht ein Einkristall verwendet, sondern eine Ansammlung zahlreicher kleiner Kristalle. Die durch epitaktisches Wachstum gebildete Diamantschicht hat zahlreiche Defekte, das heißt Schichtungsfehler. Figur 4 demonstriert einen solchen Zustand. Einige Anwendungen gestatten den Einsatz von solchem mit Defekten behafteten Diamantmaterial. In diesem Fall kann man den mit Defekten behafteten Diamanten polieren, um ihn für optische Fenster oder als Material für elektronische Bauelemente einzusetzen. Es handelt sich um ein komplexes Substrat in Schichtform, beinhaltend einen Diamant-Teil und eine niedergeschlagene Silicium-Schicht. Dieses Substrat kann eingesetzt werden als ein Substrat für Diamant-Halbleiter-Bauelemente.
Andere Fälle machen möglicherweise keine oder nur wenige Fehler in dem Diamantsubstrat erforderlich. Schichtungsfehler entstanden aus der Fehlanpassung der Stellen der zunächst aufgebrachten Diamantkörnchen aufgrund der Abweichungen der Phasen der Körnchen in der Kristallstruktur. Die zunächst aufgebrachten Diamantkörnchen haben die gleiche Richtung, da sie durch epitaktisches Wachstum gebildet wurden. Allerdings mangelt es ihnen an Übereinstimmung der Phase in der Gitterstruktur. Je größer die Anzahl der zunächst aufgebrachten Diamantkörnchen ist, desto stärker steigt die Dichte der Defekte. Damit trägt eine Verringerung der Anzahl von anfänglichen Diamant-Kernen zu einer Verringerung der Defekt-Dichte in der durch Wachstum gebildeten Diamantschicht auf den Keim-Körnchen bei.
Das Ausdünnen von Diamantkernen geschieht nach folgenden beiden Verfahren:
Das erste Verfahren beinhaltet die Schritte des Wachsenlassens zahlreicher kleiner Diamantkörnchen. Auf dem ersten Substrat (Ni, Cu oder NiCu- Substrat) durch epitaktisches Wachstum und durch Aufdampfen von Metall, beispielsweise Al, Ni, Cu, Fe, etc., welches sich als Muster mit Hilfe von Säure selektiv wegätzen läßt. Einige Abschnitte von Diamantkörnchen sind von dem selektiven Beschichtungsmaterial (5) bedeckt. Die anderen Teile der Diamantkörnchen bleiben unbedeckt und getrennt. Wenn darauf Silicium niedergeschlagen wird, werden die getrennten Körnchen von der niedergeschlagenen Silicium-Schicht (3) eingeschlossen und durch die niedergeschlagene Schicht (3) fixiert. Die von dem Metall bedeckten anderen Körnchen (2) stehen nicht mit dem Silicium (Si) in Berührung. Dann wird das Substrat (1) mit Hilfe von Säure beseitigt. Das Entfernen des Metalls (5) geht mit dem Beseitigen des Substrats (1) einher. Die von dem Metall (5) umschlossenen Diamantkörnchen werden gleichzeitig eliminiert. Was langfristig übrigbleibt, sind getrennte Diamantkörnchen, die nicht mit den Metallmustern bedeckt waren. Figur 6 veranschaulicht diesen Zustand. Der Fleck, auf dem sich zuvor ein aufgebrachtes Aluminiummuster befand, wird zu einem Lochmuster (6), aus dem das Diamantkörnchen verlorengegangen ist. Die Anzahl der Diamantkörnchen hat sich verringert. Die Verringerung von Körnchen steht im Verhältnis zu der Summe der Flächen der überdeckenden Metallmuster. Da die Dichte der Diamantkerne verringert ist, hat die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Schichtungsfehlern abgenommen. Dieses Verfahren macht es möglich, die Flecken festzulegen, aus denen Diamantkörnchen entfernt werden sollen, außerdem die übrigen Flecken festzulegen, an denen die Körnchen verbleiben sollen, indem man die Muster für die Metallschicht (5) auswählt. Folglich läßt sich die Verteilung von Diamantkernen beliebig durch entsprechende Musterung des Metalls festlegen. Eine freie Wahl des Musters ermöglicht die Schaffung der gleichmäßigen Ausbildung von Kernen, die eine gleichmäßige Diamantschicht mit wenig Fehlern erzeugt.
Das zweite Verfahren beinhaltet das Wachsenlassen vieler kleiner Diamantkörnchen, das Beseitigen des ersten Substrats (1) (Ni, Cu oder Ni-Cu- Substrat) und das schwache Ätzen der niedergeschlagenen Silicumschicht (3) auf deren Oberfläche Diamantkörnchen vergraben sind. Figur 7 zeigt die durch diesen Prozeß geätzte niedergeschlagene Schicht. Die niedergeschlagene Schicht wird gleichmäßig dünner. Die Größen von Diamantkörnchen schwanken auf Zufallsbasis. Einige Körnchen sind groß. Andere Körnchen sind klein. Das Ätzen der niedergeschlagenen Schicht (3) legt Böden kleinerer Körnchen frei. Solche kleineren Körnchen werden zusammen mit Silicium von der niedergeschlagenen Schicht (3) entfernt. Größere Körnchen haben festere Wurzeln in der niedergeschlagenen Schicht (3) und bleiben wo sie sind. Das Ätzen verringert die Dichte der Diamantkörnchen, die zu Keimen des epitaktischen Wachstums werden. Die Verringerung der Anfangsdichte der Keime mildert das Auftreten von Schichtungsfehlern. Dieses Verfahren kann die Verteilung der Diamantkörnchen nicht festlegen, da die Verteilung der Körnchengrößen auf Zufall beruht. Allerdings hat dieses Verfahren den Vorteil vereinfachter
Prozeßschritte Das zweite Verfahren ist leichter durchführbar als das erste.

[AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 1]

Auf einem (001) Ni-Substrat wurde mit Hilfe eines Mikrowellen-Plasma-CVD- Verfahrens unter folgenden Bedingungen eine 0,2 mm dicke Diamantschicht durch Wachstum gebildet:
Materialgas ... Wasserstoffgas (H&sub2;)
Methangas (CH&sub4;)
Methankonzentration = 2 Vol.%
Substrattemperatur ... 950 ºC
Wachstumszeit ... 1 Stunde
Nach dem Wachstum wurde die Oberfläche des Ni-Substrats mit einem Rasterelektronenmikroskop betrachtet. Die Oberfläche war spärlich mit kleinen Diamantkörnchen bevölkert, ähnlich Inseln in der See. Die maximale Größe der Diamantinseln betrug 1 µm. Die Größen schwankten stark, allerdings waren die Formen der Diamantinseln hauptsächlich rechteckig oder quadratisch, was die kristallographische Beschaffenheit des Substrats wiederspiegelte. Die Richtungen der Körnchen waren in Ordnung. Eine Betrachtung mit einem RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction) bestätigte, daß die Diamantkörnchen durch epitaktisches Wachstum auf dem Nickelsubstrat entstanden waren.
Auf die Oberfläche mit den Diamantkörnchen wurde Silicium zu einer Schicht von 0,1 mm bei einer Temperatur von 300 ºC aufgebracht. Als das Silicium auf das Substrat bei Zimmertemperatur aufgedampft wurde, schälte sich die niedergeschlagene Siliciumschicht teilweise ab. Eine Substrattemperatur von mehr als 200 ºC ermöglichte das Niederschlagen von Silicium auf dem Substrat ohne Abschälerscheinungen. Eine Betrachtung der niedergeschlagenen Siliciumschicht (3) mittels RHEED ergab das amorphe Wachstum von Silicium. Figur 2 zeigt den Schritt für das Substrat.
Die Probe wurde mit Salpetersäure geätzt. Das Nickelsubstrat (1) wurde abgelöst. Es verblieb ungeätztes Silicium. Die kleinen Diamantkörnchen wurden auf der Oberfläche der niedergeschlagenen Siliciumschicht freigelegt. Eine Betrachtung mittels RHEED der Oberfläche, wo die Diamantkörnchen begraben waren, zeigte eine regelmäßige Gitterreflexion des geordneten periodischen Diamantgitters wie Halo-Muster des amorphen Siliciums (a-Si).
Anschließend wurde auf der Oberfläche der Probe, in der die Diamantkörnchen vergraben waren, mit Hilfe einer Mikrowellen-Plasma-CVD-Anlage durch Wachstum Diamantmaterial gebildet. Die Bedingungen für das CVD-Verfahren waren folgende:
Materialgas ... Wasserstoffgas (H&sub2;)
Methangas (CH&sub4;)
Methankonzentration = 4 Vol.-%
Substrattemperatur ... 830 ºC
Wachstumszeit ... 30 Stunden
Es wurde eine kompakte Diamantschicht mit einer Dicke von 22 µm erhalten. Die Intensitätsmessung der RHEED-Muster zeigte, daß die Schicht eine Diamantschicht war, in der die Körnchen zu mehr als 99 % die gleiche kristallographische Richtung besaßen.

[AUSFÜHRUNGSBEISPIEL 2]

Auf zwei (111)-NiCu-Substraten wurde mit einem Filament-CVD-Verfahren unter folgenden Bedingungen Diamantmaterial mit einer Dicke von 0,3 mm durch Wachstum gebildet:
Materialgas ... Wasserstoffgas (H&sub2;)
Methangas (CH&sub4;)
Methankonzentration = 1 Vol.-%
Substrattemperatur ... 930 ºC
Wachstumszeit ... 2 Stunden
Nach dem Wachstum wurde die Oberfläche des Substrats mit einem Rasterelektronenmikroskop betrachtet. Kleine Körnchen mit maximalem Durchmesser von 0,5 µm waren spärlich auf der Oberfläche verteilt, ähnlich wie Inseln in der See. Die Gestalt der Körnchen war dreieckig, was die kristallographische Beschaffenheit des Substrats wiederspiegelte. Die Richtungen der Dreieck- Körnchen waren in Ordnung. Eine Betrachtung der RHEED-Muster zeigte, daß die Diamantkörnchen auf dem NiCu-Substrat durch epitaktisches Wachstum gebildet waren.
Es gab zwei äquivalente Proben. Die eine (erste) Probe wurde bis auf eine Temperatur von 200 ºC erhitzt und selektiv musterweise mit Aluminium bedeckt, wie in Figur 8 gezeigt ist. Die Aluminiumschicht läßt sich durch Zerstäuben oder durch Elektronenstrahl-Aufdampfung bilden. Die Dicke der Alumniumschicht betrug 2 µm. Die Dicke des Aluminiums sollte so festgelegt sein, daß sämtliche Körnchen abgedeckt sind. Da in diesem Fall der maximale Körnchendurchmesser 0,5 µm betrug, war eine Dicke von 2 µm ausreichend, um die Körnchen zu bedecken. Die andere (zweite) Probe war frei von einer Aluminiumbeschichtung. Die zweite Probe ohne Aluminiumschicht und die erste Probe mit einer Aluminiumschicht wurden anschließend den gleichen Prozeßschritten unterzogen.
Auf beide Substrate wurde Silicium aufgedampft, und zwar auf deren mit den Diamantkörnchen versehene Oberflächen, wobei die Dicke des Siliciums 0,1 µm betrug. Hierzu kann zum Beispiel die Elektronenstrahlaufdampfung eingesetzt werden. Das Substrat wurde auf einer Temperatur von 400 ºC gehalten. Eine niedrige Substrattemperatur führt wahrscheinlich zu einem Abschälen eines Teils der Siliciumschicht von dem Substrat. Die Substrattemperatur muß mehr als 200 ºC betragen.
Anschließend wurden die Proben mit Salpetersäure geätzt. Bei der ersten Probe wurden das erste Substrat (NiCu) und die Aluminiumschicht abgelöst, wie dies in Figur 6 gezeigt ist. Bei der zweiten Probe wurde lediglich das NiCu-Substrat abgelöst. Die Oberflächen, in denen die Diamantkörnchen vergraben waren, wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop betrachtet. Die erste Probe (auf der die Aluminiummuster ausgebildet waren) besaß Diamantkörnchen lediglich auf dem Teil, auf dem kein Aluminiummuster gebildet worden war. Die zweite Probe hatte überall Diamantkörnchen.
Auf den Oberflächen, auf denen Diamantkörnchen existierten, wurde mit Hilfe eines Mikrowellen-Plasma-CVD-Verfahrens unter folgenden Bedingungen Diamantmaterial durch Wachstum gebildet:
Materialgas ... Wasserstoffgas (H&sub2;)
Methangas (CH&sub4;)
Methankonzentration = 1 Vol.-%
Substrattemperatur ... 840 ºC
Wachstumszeit ... 50 Stunden
Es wurde eine kompakte Diamantschicht mit einer Dicke von 30 µm erhalten. Die Diamantschicht mit der niedergeschlagenen Siliciumschicht kann für einige Zwecke so, wie sie ist, verwendet werden. Im übrigen sollte für andere Anwendungszwecke die niedergeschlagene Siliciumschicht beseitigt werden. Anschließend wurden die Siliciumschichten der beiden Proben mit Hilfe von Flußsäure fortgeätzt. Ohne die Steifigkeit seitens der Siliciumschicht konnten die Diamantschichten ihre Form selbst beibehalten.
Es wurden die Defektdichten beider Proben mit einer Röntgenstrahl-Topographie- Anlage gemessen. Die Defektdichte der ersten Probe (mit AI bedampft) beträgt ein Fünftel der Dichte der zweiten Probe (ohne AI-Bedampfung). Diese Messung zeigte, daß die Abnahme der Diamantkörnchen, die zu Kernen bei dem Kristallwachstum werden, die Defektdichte mildert.
Das erfindungsgemäße Verfahren liefert eine kompakte, dicke Diamantschicht, bei der es sich um eine Anordnung aus Einkristallen mit gleicher kristallographischer Richtung handelt, und die gebildet wird durch epitaktisches Wachstum von Diamantinseln auf einem ersten Einkristallsubstrat, durch Bedecken der Inseln und des Substrats mit einer niedergeschlagenen Schicht aus beispielsweise Si, durch Beseitigen des ersten Substrats und durch weiteres epitaktisches Aufwachsenlassen einer dicken Diamantschicht auf den Diamantkörnchen. Da die Richtungen der als erstes durch Wachstum gebildeten Diamantkörnchen in Ordnung ausgerichtet sind, sind auch die Diamantkristalle in Ordnung ausgebildet, welche die dicke Diamantschicht bilden. Die vorliegende Erfindung macht es möglich, eine breite, kompakte Diamantschicht mit einer kristallographischen Ordnungsrichtung zu schaffen, die gute kristalline Eigenschaften besitzt. Wenngleich es sich nicht um einen Einkristall handelt, so ist die Schicht doch einem Einkristall ähnlich. Gute kristalline Eigenschaften machen es den Diamantschichten möglich, als Material für Diamant-Halbleiter von elektronischen Geräten eingesetzt zu werden. Das Diamantmaterial läßt sich in halbleitendes Material geringen Widerstands umsetzen, indem man es mit einschlägigen Dotierungen versieht. P-leitenden Diamant und n-leitenden Diamant erhält man durch Eindotieren von Dotierstoffen. Aktive Halbleiterbauelemente lassen sich mit dem erfindungsgemäß gefertigten Diamant herstellen. Die Eigenschaften des gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung hergestellten Diamantmaterials ist nahezu äquivalent zu einem Einkristaildiamant. Wenngleich der Kristall zahlreiche Korngrenzen enthält, ist die Streuung an den Grenzen wesentlich geringer als bei einem üblichen polykristallinen Diamanten. Damit ist die Ladungsträgerbeweglichkeit erhöht.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Diamantschicht, umfassend die Schritte:

- Auf einem Einkristallsubstrat, dessen Gitterkonstante derjenigen von Diamantmaterial ähnelt, werden durch epitaktisches Wachstum kleine Diamantkörnchen ähnlich wie Inseln gebildet;

- auf den Diamantkörnchen und dem Einkristallsubstrat wird eine Niederschlagsschicht erzeugt;

- das Einkristallsubstrat wird so weit entfernt, bis eine Oberfläche der Niederschlagsschicht einschließlich der Diamantkörnchen freiliegt; und

- durch epitaktisches Wachstum wird eine kompakte Diamantschicht auf der Oberfläche der Niederschlagsschicht einschließlich der Diamantkörnchen gebildet.

2. Verfahren zum Herstellen einer Diamantschicht, umfassend die Schritte:

- Durch epitaktisches Wachstum werden auf einem Einkristallsubstrat aus Ni, Cu oder NiCu durch Niederschlagung aus der Dampfphase kleine Diamantkörnchen ähnlich wie Inseln gebildet;

- auf den Diamantkörnchen und dem Einkristallsubstrat wird eine Niederschlagsschicht aus Si gebildet, um die Diamantkörnchen zwischen dem Einkristallsubstrat und der Niederschlagsschicht einzuschließen;

- das Einkristallsubstrat wird so weit entfernt, bis eine Oberfläche der Niederschlagsschicht einschließlich der Diamantkörnchen freigelegt ist; und

- es wird eine kompakte Diamantschicht dadurch synthetisiert, daß Diamantmaterial auf der Oberfläche der Niederschlagsschicht einschließlich der Diamantkörnchen durch Wachstum gebildet wird.

3. Verfahren zum Herstellen einer Diamantschicht, umfassend folgende Schritte:

- Durch epitaktisches Wachstum werden auf einem Einkristallsubstrat aus Ni, Cu oder NiCu durch Abscheidung aus der Dampfphase kleine Diamantkörnchen ähnlich wie Inseln gebildet;

- auf dem Einkristallsubstrat werden selektiv Metallmuster aus Al, Ni, Cu oder Fe gebildet, um einige der Diamantkörnchen mit Metallmustern abzudecken;

- auf den Diamantkörnchen, den Metallmustern und dem Substrat wird eine Niederschlagsschicht gebildet, um die Diamantkörnchen zwischen dem Einkristallsubstrat und der Niederschlagsschicht einzuschließen;

- das Einkristallsubstrat wird so weit entfernt, bis eine Oberfläche der Niederschlagsschicht einschließlich der Diamantkörnchen freigelegt ist;

- die Metallmuster und die davon bedeckten Diamantkörnchen werden geätzt; und

- es wird eine kompakte Diamantschicht synthetisiert, indem auf der Oberfläche der Niederschlagsschicht einschließlich der Diamantkörnchen Diamantmaterial durch Wachstum gebildet wird.

4. Verfahren zum Herstellen einer Diamantschicht, umfassend die Schritte:

- Durch epitaktisches Wachstum werden auf einem Einkristallsubstrat aus Ni, Cu oder NiCu durch Abscheiden aus der Dampfphase Diamantkörnchen ähnlich wie Inseln gebildet;

- auf den Diamantkörnchen und dem Einkristallsubstrat wird eine Si-Niederschlagsschicht gebildet, um die Diamantkörnchen zwischen dem Einkristallsubstrat und der Si-Niederschlagsschicht einzuschließen;

- die Oberfläche der Niederschlagsschicht einschließlich der Diamantkörnchen wird etwas geätzt, um die Diamantkörnchen zu reduzieren; und

- es wird eine kompakte Diamantschicht synthetisiert, indem auf der Oberfläche der Niederschlagsschicht einschließlich der Diamantkörnchen durch Wachstum Diamantmaterial gebildet wird.

5. Verfahren zum Herstellen einer Diamantschicht, umfassend folgende Schritte:

- Durch epitaktisches Wachstum werden auf einem Einkristallsubstrat, dessen Gitterkonstante derjenigen von Diamantmaterial ähnlich ist, kleine Diamantkörnchen ähnlich wie Inseln gebildet;

- es wird eine Niederschlagsschicht aus einem von Diamantmaterial verschiedenen Material auf den Diamantkörnchen und dem Einkristallsubstrat gebildet, um die Diamantkörnchen zwischen dem Einkristallsubstrat und der nicht aus Diamantmaterial bestehenden Niederschlagsschicht einzuschließen;

- es wird eine kompakte Diamantschicht synthetisiert durch Wachstum von Diamantmaterial auf der Oberfläche der nicht aus Diamantmaterial bestehenden Niederschlagsschicht; und

- die nicht aus Diamantmaterial bestehende Niederschlagsschicht wird entfernt, um eine von anderen Materialien freie Diamantschicht zu erhalten.

6. Eine Diamantschicht enthaltendes Produkt, umfassend:

- Eine Niederschlagsschicht aus einem anderen als Diamantmaterial;

- mehrere kleine Diamantkörnchen, die in der nicht aus Diamant bestehenden Niederschlagsschicht vergraben sind und die gleiche kristallographische Richtung aufweisen; und

- eine kompakte Diamantschicht als Anordnung von auf der nicht aus Diamantmaterial bestehenden Niederschlagsschicht durch Wachstum gebildeten Diamantkörnchen, wobei die Diamantkörnchen die gleiche kristallographische Richtung aufweisen.