DE69420608T2

DE69420608T2 - Herstellungsverfahren für einen Diamant-Kristall

Info

Publication number: DE69420608T2
Application number: DE69420608T
Authority: DE
Inventors: Keiji Hirabayashi; Atsushi Yamagami
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-03-25
Filing date: 1994-03-24
Publication date: 2000-10-26
Anticipated expiration: 2014-03-25
Also published as: DE69420608D1; JPH06279185A; EP0617147B1; US5607560A; EP0617147A2; EP0617147A3

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung eines Diamantkristalls, der als elektronischer Werkstoff überlegene Eigenschaften aufweist.

Stand der Technik

Diamant weist viele überlegene Eigenschaften auf, die mit anderen Werkstoffen nicht erlangt werden können, d. h. ein großer Bandabstand (5, 5 eV), eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit (Elektronen: 1800 cm²/Vs, Löcher: 1600 cm²/Vs), eine hohe Wärmeleitfähigkeit [200 W/(mK)], eine hohe Härte und eine hohe Strapazierfestigkeit.
Daher wurden in jüngster Zeit Diamantsyntheseverfahren aus der Gasphase, insbesondere ein chemischer Gasphasenabscheidungsvorgang untersucht.
Die Hauptverfahren zur Ausbildung von Diamanten sind nachstehend aufgeführt.
1) Ein thermisches Glühfaden-CVD-Verfahren, bei dem ein Materialgas durch die Erwärmung eines Glühfadens aus beispielsweise Wolfram auf etwa 2000ºC zersetzt wird, so daß ein Diamantkristall auf einem Substrat abgeschieden wird.
2) Ein Mikrowellenplasma-CVD-Verfahren, bei dem ein Materialgas durch Mikrowellenplasma (üblicherweise bei 2,45 GHz) zersetzt wird, so daß ein Diamantkristall auf einem Substrat abgeschieden wird.
3) Ein HF-Plasma-CVD-Verfahren, bei dem ein Materialgas durch HF-Plasma (üblicherweise bei 13,56 MHz) zersetzt wird, so daß ein Diamantkristall auf einem Substrat abgeschieden wird.
4) Ein Flammenbrennverfahren, bei dem ein Diamantkristall unter Verwendung einer Sauerstoffacetylenflamme ausgebildet wird.
5) Ein ECR-Plasma-CVD-Verfahren, bei dem ein Materialgas durch die Ausbildung einer ECR-Entladung (Elektronenzyklotronresonanz) in Verbindung mit einer Mikrowelle und einem Magnetfeld zersetzt wird, so daß ein Diamantkristall auf einem Substrat ausgebildet wird.
6) Ein thermisches Plasma-CVD-Verfahren, bei dem ein Materialgas durch ein thermisches Gleichstrom- oder Hochfrequenzplasma unter einem Druck nahe des Atmosphärendruckes zersetzt wird, so daß ein Diamantkristall auf einem Substrat ausgebildet wird.
7) Vor kurzem wurde in der Druckschrift JP-A-5-32 498 ein Plasma-CVD-Verfahren unter Verwendung von Plasma im Ultrakurzwellenbereich (30-300 MHz) vorgeschlagen.
Die vorstehenden bekannten Verfahren zur Ausbildung eines Diamantkristalls weisen jedoch die nachstehenden Probleme auf.
Das thermisches Glühfaden-CVD-Verfahren 1) ist dahingehend vorteilhaft, daß ein Diamantkristall großflächig und mit einer relativ hohe Ausbildungsrate ausgebildet werden kann, aber dahingehend nachteilig, daß der Glühfaden karbonisiert oder mit der Zeit entartet, und die Reproduzierbarkeit der Diamantausbildung gering ist.
Das Mikrowellenplasma-CVD-Verfahren 2) weist den Vorteil auf, daß eine hohe Plasmadichte, eine relativ hohe Ausbildungsrate der Diamantkristalle und eine gute Reproduzierbarkeit erzielt werden, aber es weist den Nachteil auf, daß das Plasma zu einer lokalen Begrenzung neigt, was eine großflächige Ausbildung eines Diamantkristalls schwierig macht.
Der Vorteil des HF-Plasma-CVD-Verfahrens 3) ist, daß man einen Diamantkristall großflächig ausbilden kann und eine gute Reproduzierbarkeit erzielt, aber der Nachteile ist, daß die Plasmadichte niedrig und die Ausbildungsrate von Diamantkristallen gering ist.
Das Flammenbrennverfahren 4) weist den Vorteil auf, daß die Ausbildungsrate eines Diamantkristalls sehr hoch ist, aber es weist den Nachteil auf, daß die Reproduzierbarkeit gering und es sehr schwierig ist, einen Diamantkristall großflächig zu entwickeln.
Der Vorteil des ECR-Plasma-CVD-Verfahrens 5) liegt darin, daß ein Diamantkristall großflächig ausgebildet werden kann und die Reproduzierbarkeit gut ist, aber der Nachteil liegt darin, daß die Ausbildungsrate eines Diamantkristalls gering ist, da es zur Erzeugung der ECR- Entladung erforderlich ist, den Druck niedrig zu halten (üblicherweise nicht mehr als 100 Pa).
Das thermische Plasma-CVD-Verfahren 6) weist den Vorteil auf, daß die Ausbildungsrate eines Diamantkristalls sehr hoch und die Reproduzierbarkeit gut ist, aber es weist den Nachteil auf, daß es schwierig ist, einen Diamantkristall großflächig auszubilden.
Das Plasma-CVD-Verfahren 7) im Ultrakurzwellenbereich (30 bis 300 MHz) ist jedem der vorstehenden Verfahren überlegen, aber es kann aufgrund einer Inhomogenität des Plasmas nicht immer ein Diamantkristall stabil auf einem Substrat ausgebildet werden. Da ein in Ausbildung stehender Diamantkristall dem Einschlag von Ionen aus dem Plasma mit Energien von einigen zehn eV unterworfen ist, können derartige Ioneneinschläge außerdem die Ausbildungsrate eines Diamantkristalls reduzieren und die Kristallinität verschlechtern. Daher wird eine weitere Verbesserung bei der Kristallwachstumsrate und der Kristallinität gefordert.

Kurzzusammenfassung der Erfindung

In Anbetracht der vorstehend beschriebenen Probleme gemäß dem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Diamantkristallausbildungsverfahren anzugeben, welches einen Diamantkristall großflächig mit guter Reproduzierbarkeit und einer hohen Ausbildungsrate ausbilden kann.
Zudem wird erfindungsgemäß ein Diamantkristallausbildungsverfahren bereitgestellt, mit dem ein Diamantkristall auf einem Substrat durch ein Sputterverfahren unter Verwendung von HF-Energie im Frequenzbereich von 40 MHz bis 250 MHz zur Ausbildung von Plasma ausgebildet wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt eine Ansicht eines Beispiels für ein Sputtergerät, das für die Umsetzung eines erfindungsgemäßen Diamantkristallausbildungsverfahrens verwendet wird.
Fig. 2 zeigt eine Ansicht eines flachen scheibenförmigen Diamantkristalls, wie man ihn erfindungsgemäß erhalten kann.
Fig. 3 zeigt eine Ansicht eines kornartigen Diamantkristalls.

Beschreibung der Erfindung und der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Das erfindungsgemäße Diamantkristallausbildungsverfahren zeichnet sich dadurch aus, daß ein Diamantkristall auf einem Substrat durch einen Sputtervorgang unter Verwendung von HF-Energie im Frequenzbereich von 40 MHz bis 250 MHz zur Plasmaausbildung ausgebildet wird.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine hinsichtlich der Homogenität ihrer Schichtdicke überlegene Diamantkristallschicht mit hoher Qualität großflächig mit hoher Ausbildungsrate und mit hoher Stabilität ausgebildet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann außerdem einen flachen scheibenförmigen Diamantkristall ausbilden, der zur Verwendung als elektronischer Werkstoff geeignet ist.
Wie vorstehend beschrieben wurde, weist die Mikrowellenentladung (üblicherweise bei 2,45 GHz) eine hohe Plasmadichte auf, neigt jedoch zu einer Lokalisierung des Plasmas, was zu Schwierigkeiten für die großflächige Ausbildung eines Diamantkristalls führt. Die HF-Entladung (üblicherweise bei 13,56 MHz) kann das Plasma mit Leichtigkeit verteilen und somit einen großflächigen Diamantkristall ausbilden, die Plasmadichte ist aber gering. Hinsichtlich einer Beseitigung der Nachteile der bekannten Verfahren untersuchten die Erfinder die Ausbildung eines Diamantkristalls durch einen Sputtervorgang, insbesondere unter Verwendung einer Plasmaentladung in einem Frequenzbereich zwischen den mit den beiden bekannten Verfahren verwendeten Bereichen, typischerweise von 40 MHz bis 250 MHz, vorzugsweise von 80 MHz bis 200 MHz, und fanden heraus, daß ein Plasma über einen breiten Bereich mit hoher Plasmadichte erzeugt wird, und ein Diamantkristall großflächig mit hoher Ausbildungrate ausgebildet wird.
Der den vorstehend angeführten Bereich von 40 MHz bis 250 MHz beinhaltenden Frequenzbereich wird allgemein als VHF-Bereich (sehr hochfrequent - engl.: very high frequency) bezeichnet.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel für ein zur Umsetzung der Erfindung verwendetes Sputtergerät. Das Sputtergerät weist einen Reaktionsbehälter 1 mit reduzierbarem Druck auf, bei dem eine durch einen Isolierwerkstoff 11 von dem Reaktionsbehälter 1 elektrisch isolierte Hochfrequenzelektrode 2 und ein Substrat 3 als Gegenelektrode angeordnet sind. Ein Graphittarget 12 ist an der Hochfrequenzelektrode 2 fixiert. Innerhalb der Hochfrequenzelektrode 2 sind Magnete 13 angeordnet. Das Substrat 3 wird durch einen Substrathalter 4 so gehalten, daß es auf seiner Innenseite durch eine in den Halter 4 eingebaute Heizeinrichtung erwärmt und eine Vorspannung von einer Gleichspannungsquelle 15 an das Substrat angelegt wird. Eine Masseabschirmung 6 ist um die Hochfrequenzelektrode 2 so angeordnet, daß eine Entladung zwischen der Hochfrequenzelektrode 2 und dem Reaktionsbehälter 1 vermieden wird. Eine VHF-Energieversorgung 7 ist an die Hochfrequenzelektrode 2 über eine Anpassungsschaltung 8 angeschlossen. Eine Gleichspannungsquelle 15 ist über ein Tiefpaßfilter 14 an die Hochfrequenzelektrode 2 angeschlossen, so daß ein Gleichspannungsbias an das Target 12 anliegt, wodurch die Sputterrate erhöht wird. Darüber hinaus bezeichnen die Bezugszeichen 9 und 10 eine Evakuierungseinrichtung bzw. eine Gaszuführungseinrichtung.
Beispiele für ein erfindungsgemäß zu verwendendes Sputtertarget sind u. a. Graphit, glasartiges Karbon und Diamant, Graphit wird jedoch üblicherweise verwendet. Als Sputtergas kann ein einzelnes oder eine Mischung aus zwei oder mehr Edelgasen wie Argon, Neon oder Helium, und es kann ein Wasserstoff, Sauerstoff, Chlor oder Fluor enthaltendes Gas verwendet werden. Üblicherweise wird eine Gasmischung mit Edelgas als Hauptmaterialgas und Wasserstoff im Verhältnis von 1 : 0,01 bis 1 : 100 verwendet. Wenn Halbleiterdiamanten ausgebildet werden, ist es möglich, dem Sputtergas Gas hinzuzufügen, das für p-dotierte Halbleiter Bor und für n-dotierte Halbleiter Phosphor, Lithium, Natrium oder dergleichen enthält, oder eines dieser Elemente in das Target zu mischen.
Erfindungsgemäß ist es wünschenswert, daß die Substrattemperatur im Bereich von 300ºC bis 1400ºC gehalten wird, vorzugsweise von 500ºC bis 1000ºC. Außerdem ist es erfindungsgemäß wünschenswert, daß der Druck in dem Reaktionsbehälter während der Ausbildung eines Diamantkristalls im Bereich von 1 Pa bis 10&sup4; Pa gehalten wird, vorzugsweise von 10 Pa bis 5·10³ Pa, noch bevorzugter von 5·10 Pa bis 10³ Pa.
Während die Kristallinität eines Diamantkristalls durch verschiedene Verfahren wie Röntgendiffraktometrie, Elektronenstrahldiffraktometrie, Elektronenstrahlbremsspektroskopie und Kathodenlumineszenz bewertet werden kann, ist die Ramanspektroskopie für die Erfassung von amorphem Kohlenstoff und Graphit wirkungsvoll. Der Spitzenwert eines Diamantkristalls wird mit der Ramanspektroskopie nahe 1333 cm&supmin;¹ beobachtet, amorpher Kohlenstoff oder Graphit weisen breite Spitzenwerte nahe 1350 cm&supmin;¹ und 1580 cm&supmin;¹ auf.
Der erfindungsgemäß ausgebildete Diamantkristall weist eine gute Kristallinität auf, so daß das Verhältnis (I&sub1;&sub5;&sub8;&sub0;/I&sub1;&sub3;&sub3;&sub3;) des Spitzenwertes (1580 cm&supmin;¹) des amorphen Kohlenstoffs oder Graphits zu dem Spitzenwert (1333 cm&supmin;¹) des Diamantkristalls nicht größer als 1 ist, bevorzugt 0,5.
Zusätzlich kann durch das vorliegende Verfahren ein Diamantkristall mit der Gestalt einer flachen Scheibe ausgebildet werden.
Ein Querschnitt eines flachen scheibenförmigen Diamantkristalls, wie er durch das vorliegende Verfahren ausgebildet werden kann, ist in Fig. 2 gezeigt, und Fig. 3 zeigt einen kornartigen Diamantkristall.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 41 ein Substrat auf einer oberen Oberfläche, auf der ein erfindungsgemäßer flacher scheibenförmiger Diamantkristall ausgebildet ist. Das Verhältnis (h/L) der Länge (Höhe) h des flachen scheibenförmigen Diamantkristalls 42 in vertikaler Richtung zur Substratoberfläche zu der Länge (horizontaler Breite) L in paralleler Richtung zur Substratoberfläche ist nicht größer als 1/4, typischerweise 1/(4,5), bevorzugt im Bereich von 1/5 bis 1/1000. Die obere Oberfläche 42a des Kristalls ist zudem eine {111}-Ebene, und der zwischen der Kristalloberfläche 42a und der Substratoberfläche 41a ausgebildete Winkel θ liegt in einem Bereich von 0 bis 10 Grad, was bedeutet, daß die Kristalloberfläche im wesentlichen zur Substratoberfläche parallel ist.
Der Diamantkristall mit einer derartigen Gestalt wird nachstehend als flacher scheibenförmiger Diamantkristall bezeichnet.
Andererseits weist der in Fig. 3 gezeigte kornartige Diamantkristall 52 ein Verhältnis (h/L) der Höhe h zur horizontalen Breite L von nicht weniger als 1/3 auf, typischerweise 1/2. Im übrigen bezeichnet das Bezugszeichen 51 ein Substrat.
Der Diamantkristall mit einer derartigen Gestalt wird nachstehend als kornartiger Diamantkristall bezeichnet. Bei dieser Art Diamantkristall ist die Größe des zwischen der oberen Oberfläche des Kristallkorns und der Substratoberfläche ausgebildeten Winkels θ im allgemeinen zufällig.
Der mit dem vorliegenden Verfahren zu erhaltende flache scheibenförmige Diamantkristall kann lediglich unter Bedingungen ausgebildet werden, die zur Ausbildung eines Kristalls mit äußerst hoher Qualität angepaßt sind. Der flache scheibenförmige Diamantkristall kann beispielhaft unter den nachstehend beschriebenen Bedingungen ausgebildet werden.
Es ist wesentlich, daß das Sputtergas zumindest Wasserstoff und Sauerstoff enthält. Falls nötig, werden Edelgase dem Sputtergas hinzugefügt. Das Verhältnis (O/H) von Sauerstoff zu Wasserstoff liegt in dem Bereich von 0,005 bis 1, bevorzugt von 0,01 bis 0,1. Wenn das Verhältnis unter 0,005 liegt, würde die Wirkung der Hinzufügung von Sauerstoff nicht spürbar sein. Wenn das Verhältnis über 1 liegt, würde die ätzende Wirkung von Sauerstoff auf den Diamantkristall für die Bereitstellung einer praktischen Wachstumsrate des Diamantkristalls zu groß sein.
Indem die Substrattemperatur im Bereich von 400ºC bis 900ºC gehalten wird, vorzugsweise von 500ºC bis 750ºC, noch bevorzugter von 600ºC bis 700ºC, kann der Diamantkristall ausgebildet werden, dessen obere Oberfläche eine {111}-Ebene ist und eine dreieckige oder hexagonale Gestalt aufweist.
Der gemäß dem vorliegenden Verfahren ausgebildete flache scheibenförmige Diamantkristall ist ein Einkristall oder ein Zwillingskristall mit einer Zwillingsebene in der flachen Scheibe. Dabei wird in vielen Fällen die Zwillingsebene parallel zu der oberen Oberfläche des flachen scheibenförmigen Diamantkristalls ausgebildet. Dies ist glaubhaft, da bei der Ausbildung der Zwillingsebene ein Unterschnitt erzeugt wird. Mit anderen Worten, ein Kristall neigt dazu, sein Wachstum in Richtung eines Unterschnitts unter dem Einfluß des sogenannten Unterschnitteffektes zu beschleunigen, und die Ausbildung des flachen scheibenförmigen Diamantkristalls wird gezwungen, in dieser Richtung voran zu schreiten. Darüber hinaus handelt es sich bei der parallel zu der oberen Kristalloberfläche ausgebildeten Zwillingsebene nicht immer um lediglich eine, sondern es können in einigen Fällen auch zwei oder mehr sein.
Weiterhin kann eine Diamantkristallschicht ausgebildet werden, indem das schichtartige Zusammenwachsen einer Anzahl von flachen scheibenförmigen Diamantkristallen verursacht wird. Da diese Diamantkristallschicht derart erzeugt wird, daß eine Anzahl flacher scheibenförmiger Diamantkristalle, deren Körner eine relativ gleiche Höhe aufweisen, zum Zusammenwachsen in horizontaler Richtung beschleunigt wird, ist die Unebenheit der Schichtoberfläche so gering, daß man eine Schicht mit einem hohen Glättegrad von beispielsweise einer maximalen Oberflächenrauheit von 100 nm erhält.
Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit Beispielen näher beschrieben.

(Beispiele 1 bis 4 und Vergleichsbeispiele 1 bis 3)

Bei diesen Beispielen und Vergleichsbeispielen wurde das in Fig. 1 gezeigte Sputtergerät verwendet, und es wurden Diamantkristalle durch die Erzeugung von Plasmen bei vielen Frequenzen ausgebildet.
Die Ausbildungsbedingungen waren wie folgt: Target - Graphit; Materialgas - 200 ml/min Wasserstoff und 200 ml/min Argon; Druck - 2·10² Pa; VHF-Leistung - 500 W; und Vorspannung des Targets - -150 V. Ein einkristallines Siliziumsubstrat (3 Zoll Durchmesser, 400 um dick) wurde als Substrat 3 verwendet und durch die Heizeinrichtung 5 auf 700ºC erwärmt. Die Ausbildungszeitdauer wurde auf 5 Stunden eingestellt. Die Ergebnisse sind nachstehend in Tabelle 1 aufgeführt.
Außerdem wurde bei jedem der Beispiele und Vergleichsbeispiele das Plasmapotential getrennt gemessen, bevor mit der Ausbildung des Diamanten begonnen wurde. Danach wurde während der Ausbildung eines Diamantkristalls eines Substratvorspannung mit dem gleichen Wert wie das gemessene Plasmapotential an das Substrat angelegt (Vp-s = 0 V).
Die Messung des Plasmapotentials wurde wie folgt durchgeführt. Vor dem Beginn der Ausbildung der Ausbildung eines Diamantkristalls wurde die Frequenzcharakteristik der Plasmadichte durch das gut bekannte Zweisondenverfahren gemessen. Es wurden Plasmen bei vielen Frequenzen erzeugt und die Plasmadichte wurde für jede gemessen. Zudem wurde die Abhängigkeit des Plasmapotentials von der Frequenz unter Verwendung eines Ionenenergieanalysators unter den gleichen Bedingungen gemessen, wie für die Messung der Plasmadichte. Der Ionenenergieanalysator wurde in der Nähe des Substrats eingebaut, und der Potentialwert, bei dem die Menge der Ioneneinschläge maximal war, wurde als Plasmapotential erfaßt.
Daraufhin wurde nach der Entfernung der Sonden zur Messung der Plasmadichte und des Ionenenergieanalysators Diamantkristalle durch die Erzeugung von Plasmen bei vielen Frequenzen ausgebildet. Tabelle 1
:sehr gut
: gut
:praktisch geeignet
:unfähig, ein stabiles Plasma auszubilden
Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, konnten bei den Beispielen 1 bis 4 stabile Diamantkristalle bei hoher Ausbildungsrate ausgebildet werden. Die Homogenität der Schichtdicke war ebenfalls gut.
Bei den Vergleichsbeispielen 1 und 2 war die Ausbildungsrate der Diamantkristalle gering. Bei dem Vergleichsbeispiel 3 konnte die Entladung nicht stabilisiert werden, und eine Ausbildung von Diamant war schwierig.

(Beispiele 5 bis 8 und Vergleichsbeispiele 4 bis 6)

Bei diesen Beispielen und Vergleichsbeispielen wurden Diamantkristalle durch einen Sputtervorgang ausgebildet, bei dem die Vorspannung des Substrats variiert wurde. Die Ausbildungsbedingungen waren wie folgt: Frequenz der VHF-Wellen - 100 MHz; Sputtergas - 200 ml/min Wasserstoff, 200 ml/min Argon und 200 ml/min Sauerstoff; Druck - 200 Pa; und VHF-Leistung - 800 W. Die Ausbildungszeitdauer wurde auf 6 Stunden eingestellt. Die getrennte Messung des Plasmapotentials unter den gleichen Bedingungen vor dem Beginn der Diamantausbildung ergab, daß das Plasmapotential bei 30 V lag.
Die Kristallinität der ausgebildeten Diamantkristalle wurde unter Verwendung von Röntgendiffraktometrie und Ramanspektroskopie bewertet. Die Ergebnisse sind nachstehend in Tabelle 2 aufgeführt. Tabelle 2
: sehr gute Kristallinität
:gute Kristallinität
:schlechte Kristallinität
Bei den Beispielen 5 bis 8 wurden Diamantkristalle bei einer hohen Ausbildungsrate mit guter Kristallinität ausgebildet. Die Homogenität der Schichtdicke war ebenfalls gut. Bei den Vergleichsbeispielen 4 und 5 war die Wachstumsrate der Diamantkristalle gering. Es wurde eine in die Schicht gemischte amorphe Schicht beobachtet und die weitere Kristallinität war schlecht. Bei dem Vergleichsbeispiel 6 überschritt die Substrattemperatur den eingestellten Wert, und es wurde ein in den Diamantkristall gemischter Graphitkristall beobachtet. Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, daß der Unterschied von Plasmapotential zu Substratvorspannungspotential (i. e., Vp-s) vorzugsweise in dem Bereich von -20 V bis 10 V gehalten wird.

(Beispiel 9)

Die Ausbildungsbedingungen waren wie folgt: Frequenz der VHF-Wellen - 100 MHz; Materialgas - 200 ml/min Wasserstoff und 100 ml/min Argon; Druck - 2·10³ Pa; VHF-Leistung - 800 W; und Ausbildungszeitdauer - 5 Stunden. Aus der getrennten Messung des Plasmapotentials unter den gleichen Bedingungen vor dem Beginn der Diamantausbildung ergab sich ein Plasmapotential von 6 V. Daraufhin wurde ein Diamantkristall ausgebildet, indem das Substrat auf Masse gelegt wurde (i. e., Vps = 6 V).
Bei diesem Beispiel wurde ein Diamantkristall mit einer Schichtdicke von etwa 10 um und guter Kristallinität ausgebildet.

(Beispiel 10)

Die Ausbildungsbedingungen waren wie folgt: Frequenz der VHF-Wellen - 100 MHz; Materialgas - 100 ml/min Wasserstoff, 200 ml/min Argon, 2 ml/min Sauerstoff; Druck - 2·10³ Pa; VHF-Leistung - 600 W; und Targetvorspannung - -200 V. Ein Siliziumeinkristallsubstrat (3 Zoll Durchmesser, 400 um dick) wurde als Substrat 3 verwendet, und durch die Heizeinrichtung 5 auf 650ºC erwärmt. Die Ausbildungszeit wurde auf 6 Stunden eingestellt. Aus der getrennten Messung des Plasmapotentials unter den gleichen Bedingungen vor Beginn der Diamantausbildung ergab sich für das Plasmapotential ein Wert von 6 V. Danach wurde ein Diamantkristall unter Anlegen einer Substratvorspannung von 10 V ausgebildet (i. e., Vp-s = 4 V)
Bei diesem Beispiel wurde ein flacher scheibenförmiger Diamantkristall ausgebildet, bei dem die hexagonale {111}-Ebene parallel zur Substratoberfläche orientiert war, der Wert von Höhe / horizontaler Breite nicht mehr als 1/5 betrug und die Hauptkorngröße bei etwa 20 um lag.
Dann wurde Diamant unter den gleichen Bedingungen wie den vorstehend beschriebenen ausgebildet, außer daß die Ausbildungszeit auf 12 Stunden eingestellt wurde. Daraufhin wuchs der flache scheibenförmige Diamantkristall säulenartig zusammen, und es wurde eine polykristalline Diamantschicht mit guter Homogenität ausgebildet.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein hochqualitativer Diamantkristall stabil ausgebildet werden, wie vorstehend beschrieben wurde. Insbesondere kann ein flacher scheibenförmiger Diamantkristall und eine Diamantkristalldünnschicht mit hoher Homogenität der Schichtdicke großflächig mit hoher Stabilität (Reproduzierbarkeit) und bei einer hohen Ausbildungsrate ausgebildet werden.

Claims

1. Diamantkristallausbildungsverfahren, wobei ein Diamantkristall auf einem Substrat durch einen Sputtervorgang unter Verwendung von HF-Energie im Frequenzbereich von 40 MHz bis 250 MHz zur Ausbildung von Plasma ausgebildet wird.

152. Diamantkristallausbildungsverfahren nach Anspruch 1, wobei ein Diamantkristall ausgebildet wird, während ein Vorspannungspotential an das Substrat angelegt wird, auf dem der Diamantkristall auszubilden ist.

3. Diamantkristallausbildungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das Substratvorspannungspotential der nachstehenden Bedingung genügt: -20 V ≤ Plasmapotential - Substratvorspannungspotential ≤ 10 V

4. Diamantkristallausbildungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur des Substrats im Bereich von 300ºC bis 1400ºC gehalten wird.

5. Diamantkristallausbildungsverfahren nach Anspruch 1, wobei ein Diamantkristall ausgebildet wird, während der Druck in dem Reaktionsbehälter gesteuert wird, in dem das Substrat angeordnet ist, damit es im Bereich von 1 Pa bis 10&sup4; Pa gehalten wird.

6. Diamantkristallausbildungsverfahren nach Anspruch 1, wobei ein zumindest Wasserstoff und Sauerstoff enthaltendes Gas als Sputtergas verwendet wird.

7. Diamantkristallausbildungsverfahren nach Anspruch 6, wobei das Verhältnis von Sauerstoffatomen zu Wasserstoffatomen im Bereich von 0,005 bis 1 eingestellt wird, und die Temperatur des Substrats in dem Bereich von 400ºC bis 900ºC gehalten wird, so daß ein Kristall als flacher scheibenförmiger Diamant mit einem Wert von Höhe / horizontaler Breite von nicht mehr als 1/4 ausgebildet wird.