DE69405002T2 - Verfahren zur herstellung von diamant- und diamantartigen beschichtungen - Google Patents
Verfahren zur herstellung von diamant- und diamantartigen beschichtungenInfo
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Description
- Die Erindung betrifft Verfahren zum Herstellen von Diamant und diamantähnlichen Schichten und Substraten aus der Gasphase, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich zur Verwendung in der Elektronikindustrie. Verwendet werden kann die Erfindung zur Bildung von Schichten in passiven und aktiven elektronischen Bauteilen, ferner zum Herstellen optischer Fenster im sichtbaren und im Infrarot-Bereich des Spektrums, um Interferenzfilter herzustellen und Beschichtungen zu bilden.
- Ein bereits früher vorgeschlagenes Verfahren zum Herstellen von Diamant und diamantähnlichen Schichten aus Kohlenwasserstoffen, beispielsweise aus Acetylen, beinhaltet die Schritte des Bildens eines Acetylen-Sauerstoff-Gemisches, Zuführen des Gemisches unter atmosphärischem Druck zu einem Brenner, Zünden der Oxyacetylenflamme und Bilden einer Diamantschicht auf einem Substrat. Dieses Verfahren ist beschrieben in J. Appl. Phys. v. 68, Nil, 1991, Seiten 5941-5943. Der Nachteil dieses Verfahrens ist die vergleichsweise niedrige Geschwindigkeit bei der Entstehung der Überzüge, außerdem der beträchtliche Mangel an Gleichförmigkeit der Dicke.
- Ein weiteres, früher vorgeschlagenes Verfahren zum Herstellen von Diamant und diamantähnlichen Schichten aus einem Plasmastrahl ist beschrieben in J. Appl. Phys. V. 68, N12, 1990, Seiten 6187-6190. Dieses Verfahren beinhaltet die Bildung eines Gemisches aus Methan und Wasserstoff (etwa 5 % Methan in Wasserstoff) und das Verwenden dieses Gemisches als Plasmabildungsgas zum Entzünden eines Plasmastrahls in einem Einzelstrahl-Plasmatron mit einer Wolfram-Anode und einer Tantal-Kathode unter einem Gesamtdruck des Systems von 400 Torr. Der Verbrauch des gasförmigen Gemisches beläuft sich auf 1-2 Liter/min., der Lichtbogenstrom beträgt 10-12 A bei einer Spannung von 60-90 V.
- Bei den bisher vorgeschlagenen Anlagen zum Herstellen von Diamant und diamantähnlichen Schichten wird eine Plasmareaktionszone gebildet, dann wird ein Kohlenwasserstoff-Wasserstoff-Gemisch in die Reaktionszone eingeleitet, und auf einem gekühlten Substrat wird eine Diamantschicht gebildet. Der Nachteil dieses Verfahrens ist ebenfalls die relativ geringe Wachstumsgeschwindigkeit der Schichten, was sich in der Produktivität des Prozesses wiederspiegelt, insbesondere dann, wenn dicke Schichten hergestellt werden.
- Das durch das hier vorgeschlagene Verfahren erreichte technische Ergebnis führt zu einer beträchtlichen Zunahme der Wachstumsgeschwindigkeit der Schichten, das heißt zu einer Zunahme der Produktivität des Prozesses, was besonders bei der Herstellung dicker Schichten von Bedeutung ist.
- In einer Ausgestaltung, die als Beispiel der Erfindung beschrieben werden wird, beinhaltet ein Verfahren zum Herstellen von Diamant oder diamantähnlichen Schichten das Bilden einer Plasmareaktionszone, das Zuführen eines Kohlenwasserstoff-Wasserstoff-Gemisches zu der Reaktionszone und das Niederschlagen einer Schicht auf einem Substrat, wobei die Reaktionszone gebildet wird durch einen Plasmafluß bei atmosphärischem Druck und einer Temperatur T = 10&sup4;K, wobei der Fluß mindestens drei axialsymmetrisch angeordnete konvergierende Strahlen enthält, und die Schicht niedergeschlagen wird, wahrend das Substrat mit hoher Geschwindigkeit nicht weniger als einmal durch die Flußzone hindurchgeleitet wird.
- Das hier vorgeschlagene Verfahren wird folgendermaßen in einer Ausführungsforrn ausgeführt. Unter Verwendung mehrerer Elektroden und eines externen Lichtbogens wird ein Plasmafluß bei atmosphärischem Druck und einer Temperatur von T = 10&sup4;K in Form axialsymmetrisch angeordneter, konvergierender Strahlen aus einem inerten Gas bei einem Bogenstrom von 10 bis 20 A und einer Spannung von 90-100 V erzeugt.
- In die Reaktionszone des Zusammenflusses wird mit einem Durchsatz von 0,1 bis 10 Liter/min. ein gasförmiges Gemisch von Kohlenwasserstoffen in Wasserstoff eingeleitet, und ein abgekühltes Substrat wird bei einer Temperatur T = 10&sup4;K mit einer Geschwindigkeit von 0,1 bis 10 m/min (abhängig von dem Substratwerkstoff) durch den Plasmafluß hindurchgeleitet. Die Menge N des durch die Plasmazone laufenden Substrats wird gleich oder größer 1 gewählt.
- Als Beispiel soll die Herstellung von Diamant und diamantähnlichen Schichten auf einem Siliziumsubstrat betrachtet werden. Das Substrat wird auf einem beweglichen Tisch gelagert, der einen vorbestimmten Abstand von den Elektroden aufweist. Ein gasförmiges Gemisch aus Methan und Wasserstoff, hergestellt durch Mischen der aus Gasflaschen zugeführten Gase, wird mit Hilfe einer Fördereinrichtung in einen Plasmafluß eingeleitet, welcher durch vier konvergierende Plasmastrahlen gebildet wird. Die Verwendung eines Plasmaflusses bei atmosphärischem Druck und einer Temperatur T = 10&sup4;K gewährleistet eine vollständige Aufspaltung, Aktivierung und Teil-lonisierung des Gasgemisches aus Methan und Wasserstoff, die in die Zusammenströmungszone der Plasmastrahlen des Flusses eingeleitet werden.
- Das an dem beweglichen Tisch gelagerte Substrat, welches abgekühlt wird, kreuzt den Plasmafluß, demzufolge abhängig von dem Prozentsatz des Methans in dem Wasserstoff eine polykristalline Diamantschicht oder eine amorphe diamantähnliche Schicht auf der Oberfläche des Substrats niedergeschlagen wird, wobei gleichzeitig ein gutes Haften der Schicht an dem Substrat beobachtet wird.
- Es hat sich herausgestellt, daß eine Konzentration von 1-2% Methan in Wasserstoff zu einem Wachstum einer diamantähnlichen Schicht aus hydriertem Kohlenstoff führt, während eine Konzentration von 5-10% Methan in Wasserstoff zu einem Wachstum einer polykristallinen Diamantschicht führt. Die Wachstumsgeschwindigkeit beträgt in beiden Fällen 1µm/sek. Als Substrat kann man verschiedene metallische Stoffe verwenden, darunter Aluminium, Stahl, Titan, Molybdän, Halbleiter stoffe vom Silizium-Typ und Germanium-Typ, Dielektrika sowie Siliziumdioxid, verschiedene Glase, Titannitrid, Aluminiumoxid, verschiedene Polymere, einschließlich Polyethylen, Polyurethan, Organosiliziumund Organofluor-Polymere sowie weitere Stoffe. Zwischensubstrate mit keinerlei Haftverrnögen bezüglich diamantähnlichen Schichten können für optische Fenster verwendet werden. Geeignete Substrate für diese Zwecke beinhalten Kupfer und Gold.
- Verglichen mit dem bekannten Verfahren errnöglicht das hier beschriebene Verfahren zum Herstellen von Diamant und diamantähnlichen Schichten eine wesentliche Steigerung der Produktivität des Prozesses (etwa um einen Faktor 2), während ein hohes Maß an Haftvermögen erreicht wird. Empfohlen werden kann das Verfahren zur Verwendung auf dem Gebiet der Elektronik, außerdem zur Herstellung optischer Fenster und Interferenzfilter im sichtbaren und im Infrarot-Bereich des Spektrums.
- Obschon die Erfindung anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf eine spezielle Ausführungsform beschrieben wurde, versteht sich, daß Abwandlungen und Modifizierungen sowie weitere Ausführungsformen im Rahmen des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche möglich sind.
Claims (4)
1. Verfahren zum erste en von Diamant und diamantähnlichen
Schichten aus der Glasphase, bei dem eine Plasmareaktionszone gebildet wird,
ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen und Wasserstoff der Zone
zugeleitet wird, und auf einem Substrat eine Schicht niedergeschlagen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionszone gebildet wird durch
einen Plasmafluß bei atmosphärischem Druck bei einer Temperatur T =
10&sup4;K, wobei der Fluß mindestens drei axialsymmetrisch angeordnete
konvergierende Strahlen aufweist, und die Schicht dadurch
niedergeschlagen wird, daß das Substrat bei hoher Geschwindigkeit nicht weniger
als einmal durch die Flußzone hindurchgeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein gasförmiges Gemisch aus
Kohlenwasserstoffen in Wasserstoff in die Zone mit einem Durchsatz
von 0,1 bis 10 Liter/min. eingeleitet, das Substrat abgekühlt und mit
einer Geschwindigkeit von zwischen 0,1 bis 10 m/sek. durch den
Plasmafluß hindurchgeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Plasmafluß unter
Verwendung mehrerer Elektroden und einem externen Lichtbogen
erzeugt wird, wozu ein Strom von 10 bis 20 A bei einer Spannung von 90
bis 100V verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich
in dem Wasserstoff 1% bis 10% Methan befinden.
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