DE69815348T2

DE69815348T2 - Vorrichtung und verfahren zur keimbildung und abscheidung von diamant mittels heissdraht-dc-plasma

Info

Publication number: DE69815348T2
Application number: DE69815348T
Authority: DE
Inventors: Diamond Corporation Cvd
Original assignee: CVD Diamond Corp
Current assignee: CVD Diamond Corp
Priority date: 1997-07-07
Filing date: 1998-07-07
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2018-07-08
Also published as: BR9810576A; CN1261927A; US6161499A; CN1125890C; EP0994973A1; KR20010021551A; EP0994973B1; WO1999002753A1; CA2294715A1; JP2002506786A; AU8201798A; US6200652B1; CA2294715C; DE69815348D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft das Gebiet der CVD-Beschichtung (chemical vapor deposition) von Diamantfilmen und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Keimbildung und zum Aufwachsen von Diamantfilmen durch CVD-Beschichtung mit Heizfadengleichstromplasma.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die HFCVD-Beschichtung (hot filament chemical vapor deposition) wurde von den Forschern umfangreich verwendet, um polykristallinen Diamant auf verschiedenen Substraten aufzutragen. Das Verfahren und die Reaktorausführungen, die in der Regel für die HFCVD-Beschichtung von Diamant verwendet werden, sind in einem Artikel mit dem Titel "Growth Of Diamond Particles From Methane-Hydrogen Gas", veröffentlicht in J. Materials Science 17, 3106 (1982), von Matusumoto et al. ausführlich beschrieben. Seit dieser Offenbarung haben zahlreiche Forscher versucht, das HFCVD-Verfahren zu verbessern. Diese Entwicklung kann in dem Übersichtsartikel von C.E. Spear mit dem Titel "Diamond-ceramic coating of the future", veröffentlicht in J. Am. Ceram. Soc. 72 (2), 171 (1989), festgestellt werden. Der Reaktor umfaßt im Allgemeinen einen widerstandsbeheizten Heizfaden und einen beheizten oder gekühlten Substrattisch, die in einer Reaktorkammer mit Pump- und Drucküberwachungseinrichtungen untergebracht sind. Der Heizfaden ist aus einem schwerschmelzenden Metall mit hohem Schmelzpunkt hergestellt, das verwendet wird, um Wasserstoff und andere Moleküle in einem Einsatzgas, das normalerweise ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoff enthält, zu dissoziieren. Atomarer Wasserstoff und andere dissoziierte Produkte reagieren anschließend mit dem Einsatzgas, um die Vorläufer zu erzeugen, die für die Diamantbildung wirksam sind. Die Vorläufer diffundieren danach zur Bildung des polykristallinen Diamanten zum Substrat und kondensieren darauf. Der Abstand zwischen dem Heizfaden und dem Substrat liegt in der Regel zwischen 0,5 und 5 cm. Bei diesem kleinen Abstand diffundiert eine erhebliche Menge der Wachstumsvorläufer vor ihrer Rekombination in stabilere Moleküle zum Substrat.
Ein Hauptvorteil der HFCVD-Beschichtung von Diamantfilmen hinsichtlich anderer Verfahren des Diamantfilmaufwachsens, solcher wie der Mikrowellenplasma-CVD-Beschichtung (MWCVD-Beschichtung), der Hochfrequenz-CVD-Beschichtung und der Plasmadüsen-CVD-Beschichtung, sind die geringen Investitionskosten für die Ausrüstungen und die mühelose Aufwärtsskalierung der Produktion auf großflächige Substrate. Die Diamantaufwachsrate unter Verwendung der HFCVD-Beschichtung übersteigt normalerweise 5 μm/h nicht und beträgt in der Regel ungefähr 1 μm/h (siehe z. B. die internationale PCT-Patentschrift WO 91/14798 von Garg et al. mit dem Titel "An Improved Hot Filament Chemical Vapor Deposition Reactor"), welche für die wirtschaftlich durchführbare Dickschichtproduktion nicht hoch genug ist. Ein Hauptnachteil der HFCVD-Beschichtung besteht wie bei anderen bekannten Diamantaufwachsverfahren darin, daß sie das Anritzen oder das Diamantimpfen der Substratoberfläche erfordert, um die Diamantkeimbildung auszulösen. Solch eine Vorbehandlung ruft eine hohe Defektkonzentration auf der Substratoberfläche hervor und schließt im Allgemeinen die Möglichkeit aus, das heteroepitaxiale Aufwachsen von Diamant zu erhalten. Diese Vorbehandlung erhöht die Produktionskosten für CVD-Diamant.
Ein Verfahren des Erreichens der Keimbildungsanreicherung ist von Yugo et al. in einem Artikel mit dem Titel "Generation Of Diamond Nuclei by Electric Field In Plasma Chemical Vapor Deposition" offenbart und in Applied Physics Letters 58 (10), 1036–1038 (1991), mit Vorschlägen einer Vordiffusion von Diamantkeimen auf einer Siliciumspiegeloberfläche vor dem herkömmlichen Aufwachsprozeß der Diamant-CVD-Beschichtung veröffentlicht. Yugo et al. berichteten, daß das Diamantkeimwachstum einen hohen Methangehalt im Wasserstoff erforderte und unter 5% nicht auftrat, und daß hohe Dichten von Keimen nur über 10% Methan auftraten. Yugo et al. berichteten ebenfalls, daß die Substratvorspannung gegen das CVD-Plasma unter 200 Volt betragen sollte, um das Sputtering zu vermeiden, und die typische Vorspannung 70 Volt betrug. Die Gesamtdauer der Vorbehandlung war auf zwischen 2 und 15 Minuten begrenzt.
Neuerdings haben Stoner et al. (siehe Weltpatent 93/13242 mit dem Titel "Nucleation Enhancement For Chemical Vapor Deposition Of Diamond") und Jiang et al. (siehe z. B. "Epitaxial Diamond Thin Films On (001) Silicon Substrates", Applied Physics Letters 62 (26), 3438–3440 (1993)) unabhängig die Diamantkeimbildungsanreicherung durch negative Vorspannung des Substrates gegen das CVD-Plasma während der MWCVD-Beschichtung von Diamantfilmen auf Silicium offenbart. Insbesondere legten beide dieser Gruppen dar, daß die Bewahrung der Kristallinität der Siliciumsubstratoberfläche als eine Folge der Beseitigung etwaiger Anritz-/Diamantkeimbildungsvorbehandlung zusammen mit der Keimbildungsanreicherung die heteroepitaxiale (100)-Keimbildung auf (100)-Silicium ermöglicht. In dem von Jiang et al. beschriebenen Verfahren wurde das Substrat bei -100 bis-300 V bezüglich des Mikrowellenplasmas mit einer typischen Formulierung für die MWCVD-Beschichtung von Diamant unter Verwendung von CH₄/H₂ vorgespannt. In dem von Stoner et al. beschriebenen Verfahren wurde gefordert, daß die negative Vorspannung des Substrates, die für die Keimbildungsanreicherung erforderlich ist, nicht kleiner als 250 Volt sein soll. Die Keimbildung von Diamant und die heteroepitaxiale Keimbildung von Diamant mit einem modifizierten HFCVD-Gleichstromplasmaverfahren und -vorrichtung, die viel weniger Ausrüstungsinvestitionen als das MWCVD-Verfahren erfordern, ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, der im folgenden erörtert wird.
Modifikationen der herkömmlichen HFCVD-Beschichtung durch ihre Kopplung mit der Gleichstromplasma-CVD-Beschichtung wurden vorher von A. Ikegaya und T. Masaaki in der Japanischen Patentschrift 173366 (1986), der Japanischen Patentschrift 75282 (1987) und der Europäischen Patentanmeldung 0254312 A1 vorgeschlagen. In diesem Verfahren wird ein Heizfadenfeld als ein Glühkatodenemitter verwendet und eine Gitterelektrode wird zwischen dem Heizfadenfeld und dem Substrat eingefügt. Das Heizfadenfeld und das Substrat sind beide negativ gegen die Gitterelektrode vorgespannt, um zwei Gleichstromplasmazonen, eine zwischen dem Heizfadenfeld und der Gitterelektrode und die andere zwischen der Gitterelektrode und dem Substrat, zu bilden. In diesen zwei Plasmazonen ist die Plasmadichte in der Gitter-Heizfaden-Zone wegen der Glühelektronenemission von den Heizfäden viel größer als zwischen der Gitter-Substrat-Zone. In der Gitter-Heizfaden-Zone werden die Ionen zu den Heizfäden hin extrahiert, d. h. weiter von dem Substrat weg. Durch Gasphasenkollision wird diese Extraktion die Reaktionspartner, die in der Nähe des Heizfadens erzeugt werden, statt zum Substrat hin, vom Substrat weg bewegen. Ikegaya et al. berichteten eine Aufwachsrate von 2 μm/h auf einem Wolframcarbidsubstrat unter Verwendung von 1% Methan in Wasserstoff, eine Leistungsdichte von 40 W/cm² zwischen dem Heizfaden und dem Gitter und von 20 W/cm² zwischen dem Gitter und dem Substrat mit einer Heizfadentemperatur von ungefähr 2.000°C und einer Substrattemperatur von 980 bis 1.010°C und einem Druck von 90 Torr. Eine Aufwachsrate von 12,5 μm/h wurde ebenfalls für ein Gasgemisch von 2% (CH₃)₂CN in H₂ mit einer Leistungsdichte von 60 W/cm² zwischen dem Gitter und dem Heizfaden und einer Leistungsdichte von 40 W/cm² zwischen dem Gitter und dem Substrat berichtet. Ikegaya et al. stellten fest, daß eine Leistungsdichte des Gleichstromplasmas größer als 200 W/cm² zwischen dem Gitter und dem Substrat zum Ionenätzen des Substrates führte. Ikegaya et al. berichteten, daß dieses Problem entsteht, weil die negative Vorspannung auf dem Substrat gegen das Gitter die Ionen zum Substrat anzieht. Eine hohe Leistungsdichte des Gleichstromplasmas führt zu einer hohen Beschußenergie und hohen Stromdichte und der angeregte energiereiche Teilchenbeschuß ruft nachteiliges Ionenätzen hervor.
Ein logisches Verfahren zum Beseitigen des Sputteringproblems ist, das Substrat mit dem Gitter zu verbinden oder einfach das Gitter wegzulassen. Ein Gleichstromplasma kann weiterhin durch Vorspannung des Heizfadens negativ gegen das Substrat aufrechterhalten werden. A. Ikegaya und N. Fujimori haben solch eine Ausführung in einer Japanischen Patentschrift 176762 und einer PCT-Patentanmeldung WO 92/01828 nachgewiesen. Ein Nachteil beider dieser Konstruktionen ist jedoch, daß sie während der Keimbildung und des Aufwachsens keine Ionenextraktion zum Substrat hin ermöglichen.
Folglich besteht immer noch eine Notwendigkeit, das HFCVD-Verfahren und -vorrichtung zu modifizieren, um ein wirtschaftliches Verfahren bereitzustellen, um den energiereichen Teilchenbeschuß zur besseren Diamantkeimbildung und -aufwachsen zu steuern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Keimbildung von Diamant in einer hohen Dichte auf Substraten ohne irgendwelche Notwendigkeit des Anritzens oder des Diamantimpfens, und zum effizienten Aufwachsen von Diamantbeschichtungen mit hohen Aufwachsraten. Die Ausführung des Verfahrens und der Vorrichtung berücksichtigt die Einschränkungen der obenerwähnten Vorrichtungen und Prozesse mit Heizfadengleichstromplasma.
Die vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren des Aufwachsens eines Diamantfilms durch Heizfadenentladung bereit, das das Positionieren eines Substrates, das eine Aufdampfoberfläche auf einer Substrathalterung in einer Aufdampfkammer aufweist, die eine mit Zwischenraum von der Substrataufdampfoberfläche angeordnete Gitterelektrode und eine zwischen der Gitterelektrode und der Substrataufdampfoberfläche zwischengeschaltete Heizfadenfeldelektrode bereitstellt. Das Verfahren umfaßt das Strömen eines Gasgemisches, das Wasserstoff und ein Kohlenstoff enthaltendes Gas umfaßt, in die Aufdampfkammer und das Widerstandsheizen der Heizfadenfeldelektrode auf eine Temperatur im Bereich von 1.800°C bis 2.600°C mit dem Substrat, das auf eine Temperatur im Bereich von 600°C bis 1.100°C erhitzt wird. Das Verfahren umfaßt die Keimbildung des Substrates durch Vorspannung der Heizfadenfeldelektrode bei einer positiven Spannung bezüglich der Substrathalterung und Vorspannung der Gitterelektrode bei einer Spannung, die bezüglich der Heizfadenfeldelektrode positiv ist. Danach wird die Gitterelektrode bei einer Spannung vorgespannt, die bezüglich der Spannung an der Heizfadenfeldelektrode positiv ist, um einen Diamantfilm auf der Aufdampfoberfläche aufzuwachsen.
Während des Schrittes der Keimbildung des Substrates kann das Substrat bei Erdpotential vorgespannt und die Heizfadenfeldelektrode auf ein Potential in einem Bereich von 20 bis 300 Volt bezüglich der Substrathalterung vorgespannt werden. Die Gitterelektrode wird auf eine Spannung in einem Bereich von 20 bis 300 Volt bezüglich der Heizfadenfeldelektrode vorgespannt.
Während des Schrittes des Aufwachsens des Diamantfilms nach dem Schritt der Keimbildung können die Substrathalterung und die Heizfadenfeldelektrode bei Erdpotential vorgespannt und die Gitterelektrode bei einer Spannung in einem Bereich von 20 bis 300 Volt bezüglich der Heizfadenfeldelektrode vorgespannt werden.
Alternativ kann während des Schrittes des Aufwachsens des Diamantfilms nach dem Schritt der Keimbildung die Substrathalterung bei Erdpotential vorgespannt und die Heizfadenfeldelektrode bei einer negativen Spannung bezüglich der Substrathalterung vorgespannt werden, wobei die negative Spannung in einem Bereich von –20 bis –300 Volt bezüglich der Substrathalterung liegt.
In einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung wird bereitgestellt:
eine Plasmavorrichtung mit Heizfadengleichstromentladung zum Synthetisieren eines Diamantfilms, umfassend:

a) eine Aufdampfkammer, die einen Gaseintritt für das Strömen der Reaktionsgase in die Aufdampfkammer aufweist,
b) eine erste und eine zweite mit Zwischenraum angeordnete leitende Substrathalterung, wobei jede geeignet ist, ein Substrat zu tragen, das eine Oberfläche, auf welcher der Diamantfilm synthetisiert werden soll, und Mittel für das Heizen und das Kühlen der ersten und der zweiten Substrathalterung aufweist;
c) eine Gitterelektrode, die zwischen der ersten und der zweiten Substrathalterung angeordnet ist;
d) eine erste Heizfadenfeldelektrode, die zwischen der ersten Substrathalterung und der Gitterelektrode zwischengeschaltet ist, und eine zweite Heizfadenfeldelektrode, die zwischen der zweiten Substrathalterung und der Gitterelektrode zwischengeschaltet ist, und Mittel für das Widerstandsheizen der ersten und der zweiten Heizfadenfeldelektrode; und
e) Mittel für das Vorspannen der Gitterelektrode und der ersten und der zweiten Heizfadenfeldelektrode und der ersten und der zweiten Substrathalterung, um ein Plasma mit Heizfadengleichstromentladung zu erzeugen, einschließlich Mittel für das Einstellen des Vorspannungspotentials an der Gitterelektrode und der ersten und der zweiten Heizfadenfeldelektrode bezüglich einander und der ersten und der zweiten Substrathalterung.

Insbesondere wird in der vorliegenden Erfindung ein Heizfaden zwischen einer Gitterelektrode und dem Substrat angeordnet. Die Ebene des Gitters ist parallel zur Ebene des Heizfadens. Das Gitter können entweder parallele Drähte oder Stäbe oder Geflecht oder eine Lochplatte sein. Das Gitter kann entweder gekühlt oder beheizt werden. Die Richtung der Elemente des Gitters (der Drähte oder der Stäbe) kann entweder senkrecht oder parallel oder unter beliebigem Winkel zu der Richtung des Heizfadens sein. Der Abstand zwischen dem Heizfaden und dem Substrat ist vorzugsweise kleiner als 2 cm und der Abstand zwischen dem Heizfaden und dem Gitter ist vorzugsweise kleiner als 5 cm. Wenn der Abstand zwischen dem Heizfaden und dem Gitter gleich Null eingestellt ist, befinden sich der Heizfaden und das Gitter in der gleichen Ebene. Im normalen Betrieb des Systems wird die Aufwachssubstrathalterung vorzugsweise bei Erdpotential vorgespannt. Die Leistungsdichte für das Widerstandsheizen der Heizfäden beträgt ungefähr 20 bis 500 W/cm². Während der Keimbildung des Diamanten werden die Heizfäden positiv bei 20 bis 300 Volt bezüglich der Substrathalterung vorgespannt und die Gitterelektrode wird positiv in dem Bereich von 20 bis 300 Volt bezüglich des Heizfadenfeldes vorgespannt. Als solches kann ein Gleichstromplasma zwischen dem Gitter und den Heizfäden aufrechterhalten werden. Die Ionen in dem Plasma werden in Richtung des Substrates für die durch Teilchenbeschuß unterstützte Keimbildung extrahiert. Der Keimbildungsprozeß dauert in der Regel weniger als zehn Minuten. Während der Diamantkeimbildung wird ein Plasma zwischen den Heizfäden und dem Gitter mit der Glühemission von der Heizfadenelektrode aufrechterhalten wird, um die Plasmadichte zu vergrößern. Die einzigartige Ausführung Substrat-Heizfaden-Gitter der vorliegenden Erfindung ermöglicht, das Substrat auf einem sogar negativeren Potential als die Heizfadenkatode zu halten, so daß die effektive Ionenextraktion zum Substrat hin für die vergrößerte Diamantkeimbildung herbeigeführt werden kann.
Während des Diamantaufwachsens kann die Substrathalterung bei Erdpotential vorgespannt werden. Das Heizfadenfeld wird entweder überhaupt nicht vorgespannt oder negativ bezüglich der Substrathalterung vorgespannt. Die negative Vorspannung an dem Heizfadenfeld beträgt normalerweise –20 bis –300 Volt. Das Gitter wird positiv bei 20 bis 300 Volt bezüglich des Heizfadenfeldes vorgespannt. Die typische Plasmaenergiedichte beträgt ungefähr 1 bis 300 W/cm². Wenn die Heizfäden nicht vorgespannt sind, wird ein Gleichstromplasma hauptsächlich zwischen dem Gitter und den Heizfäden aufrechterhalten. Der große Katodenspannungsabfall in der Nähe des Heizfadens wird einige Ionen aus dem Plasma zu den Heizfäden hin ziehen.
Wegen des mittleren freien Weges für die Kollision im Verarbeitungsdruck (ungefähr 0,01 mm bei 50 Torr und 1.500 K) wird eine Ionenextraktion in der Richtung zu dem Substrat hin die Aufteilung der Ionenenergie in kinetische Energie für neutrale Partikel in den Kollisionsstufen zur Folge haben. Ihrerseits werden die beschleunigten neutralen Partikel eine durchschnittliche Nettogeschwindigkeit zu dem Substrat hin aufweisen und werden eine durchschnittliche Energie aufweisen, die höher als die durchschnittliche Wärmeenergie in dem System ist, und können demzufolge die Reaktionswahrscheinlichkeit zum Diamantaufwachsen hin vergrößern. Die durchschnittliche Energie aber wird viel kleiner als wenige Elektronenvolt sein, welche für das Auslösen etwaiger Sputteringwirkung auf dem Substrat nicht wesentlich ist. Die Bewegung der neutralen Partikel zum Substrat hin vergrößert die Eintreffrate der Vorläufer über die hinaus, die durch einfache Diffusion hervorgerufen wird, und vergrößert die Diamantaufwachsrate.
Mit dem Heizfadenfeld, das bei einem negativem Potential bezüglich der Substrathalterung vorgespannt ist, kann ein Gleichstromplasma ebenfalls zwischen dem Heizfadenfeld und dem Substrat aufrechterhalten werden. Ein hoher Gleichstromleistungseingang kann jedoch in dieser Betriebsart zum Anstieg der Substratoberflächentemperatur außerhalb des Diamantaufwachsfensters führen, welcher eine Einschränkung ist, die einem anderen Stand der Technik von Verfahren mit Heizfadengleichstromplasma eigen ist. Demgemäß ist bei normalem Betrieb in der vorliegenden Erfindung die Plasmaeingangsleistung zwischen dem Gitter und den Heizfäden höher als zwischen den Heizfäden und dem Substrat.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Das Verfahren und die Vorrichtung zum Aufwachsen von Diamantbeschichtungen unter Verwendung des Verfahrens mit Heizfadengleichstromplasma gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun nur beispielhaft beschrieben, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen zeigen:
1 eine Prinzipskizze eines herkömmlichen HFCVD-Reaktors gemäß den typischen Ausführungen des Standes der Technik;
2 eine Prinzipskizze eines CVD-Reaktors mit Heizfadengleichstromplasma mit einer typischen Ausführung Heizfaden-Gitter-Substrat des Standes der Technik;
3 eine Prinzipskizze der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 eine Prinzipskizze einer Vorrichtung für die Beschichtung von Diamantbeschichtungen auf mehreren Substraten gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 eine Prinzipskizze einer anderen Ausführungsform einer Vorrichtung zum Aufgingen von Diamantbeschichtungen;
6a ein optisches Schliffbild von heteroepitaxial aufgewachsenem Diamant auf Si (Diamant (100)//Silicium (100), Diamant [110]//Silicium [110]), der durch das vorliegende Verfahren in einem niedrigen Keimbildungsmodus hergestellt ist.
6b ein optisches Schliffbild von heteroepitaxial aufgewachsenem Diamant auf Si (Diamant (100)//Silicium (100), Diamant [110]//Silicium [110]), der durch das vorliegende Verfahren in einem hohen Keimbildungsmodus hergestellt ist.
AUSFÜRHLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Stand der Technik
Eine schematische Darstellung eines typischen HFCVD-Reaktors, der in Diamantaufwachsprozessen des Standes der Technik verwendet wird, ist in 1 gezeigt. Der Reaktor 10 umfaßt eine Kammer 12, die einen widerstandsbeheizten Heizfaden 14 und eine beheizte oder gekühlte Substrathalterung 16 enthält, auf welcher ein Substrat 17 angeordnet wird. Pumpen und Drucküberwachungsausrüstungen (nicht gezeigt) sind enthalten. Das Reaktionsgasgemisch wird in die Kammer über eine Gasverteilereinheit 18 zugeführt. Der Heizfaden 14 ist aus einem schwerschmelzendem Metall mit hohem Schmelzpunkt, solchem wie Wolfram oder Tantal, hergestellt und wird auf 1.800 bis 2.300°C erhitzt, um Wasserstoff und andere Moleküle in dem Reaktionsgasgemisch zu dissoziieren, welche normalerweise ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoff enthalten. Atomarer Wasserstoff und andere dissoziierte Produkte reagieren anschließend mit dem Reaktionsgasgemisch, um Vorläufer zu erzeugen, die für die Diamantbildung zuständig sind. Die Vorläufer diffundieren anschließend zum Substrat 17 und kondensieren darauf zur Bildung des polykristallinen Diamanten. Der Abstand zwischen dem Heizfaden und dem Substrat wird im Allgemeinen im Bereich von 0,5 bis 5 cm gehalten. Die Temperatur des Substrates liegt normalerweise im Bereich von 700 bis 1.000°C. Die Auftragsrate und der Reaktionswirkungsgrad werden durch eine Kombination der Rate der Erzeugung des Reaktionsmittels in der Nähe der Heizfäden, der Rate der Reaktionsmitteldiffusion zum Substrat und der Wahrscheinlichkeit der Diamantbildung auf dem Substrat bestimmt.
2 veranschaulicht verschiedene Modifikationen der herkömmlichen HFCVD-Beschichtung durch Kopplung des Prozesses mit der Gleichstromplasma-CVD-Beschichtung, wie von A. Ikegaya und T. Masaaki in der Japanischen Patentschrift 173366 (1986), der Japanischen Patentschrift 75282 (1987) und der Europäischen Patentschrift 0254312 A1 vorgeschlagen. Bezug nehmend auf 2 wird in diesem Verfahren ein Heizfaden 20 als ein Glühelektronenemitter verwendet und eine Gitterelektrode 22 wird zwischen dem Heizfaden 20 und dem Substrat 24 eingefügt. Der Heizfaden 20 und das Substrat 24 sind beide negativ gegen die Gitterelektrode 22 unter Verwendung von Stromversorgungen 26 vorgespannt, um ein Gleichstromplasma zwischen dem Heizfaden 20 und dem Gitter 22 und dem Gitter 22 und dem Substrat 24 zu bilden.
Vorliegende Erfindung
3 ist eine Prinzipskizze einer Vorrichtung 40 zum Durchführen des Verfahrens der Diamantkeimbildung und -aufwachsens gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Reaktionsgasgemisch wird in eine Aufdampfkammer 42 durch eine Gassprüheinheit 44 eingeleitet. Das Substrat 46, auf dem der Diamantfilm aufgetragen wird, ist auf einer Substrathalterung 48 angeordnet, die durch ein Wärmeaustauschfluid, das durch die Rohre 50 fließt, beheizt oder gekühlt werden kann. Die Substrathalterung 48 ist mit einem Thermoelement 52 für das Erfassen der Temperatur der Substrathalterung ausgerüstet und kann an einen Substrattemperaturregler 54 angeschlossen werden, der die Temperatur des Wärmeaustauschfluids regelt.
Ein Heizfadenfeld 58 ist auf leitenden Stäben 60 montiert und mit Zwischenraum über der Substrathalterung 48 angeordnet. Eine Gitterelektrode 64 ist auf leitenden Stäben 66 montiert und mit Zwischenraum über dem Heizfadenfeld 58 so angeordnet, daß eine regelmäßige Anordnung Gitter-Heizfaden-Substrat bereitgestellt wird. Das Heizfadenfeld 58 wird vorzugsweise im Abstand kleiner als 2 cm von der Oberseite des Substrates 46 angeordnet. Die Gitterelektrode 64 wird vorzugsweise im Abstand kleiner als 5 cm vom Heizfadenfeld 58 angeordnet. Die Gitterelektrode 64 ist in 3 als ein Drahtgitter dargestellt, kann aber auch aus einem Drahtgeflecht, aus Metallstäben oder einer Metallochplatte aufgebaut sein, welche die Betriebstemperaturen aushalten können.
Das Heizfadenfeld 58 besteht aus mehreren leitenden Metallheizfäden mit einem hohen Schmelzpunkt, wie zum Beispiel Ta und W. Das Heizfadenfeld 58 kann das Widerstandsheizen auf Temperaturen über 2.000°C, den bevorzugten Temperaturbereich für das Dissoziieren von Wasserstoff im Reaktionsgas, aushalten. Die Gitterelektrode 64 und das Heizfadenfeld 58 sind als im Wesentlichen parallel in der Kammer 42 dargestellt, aber man wird verstehen, daß diese Bestandteile nicht parallel zueinander sein müssen.
Die Gleichstromversorgungen 72 und 74 werden verwendet, um die Anforderungen der Gleichstromvorspannung während der Substratkeimbildung und des Diamantschichtwachstums bereitzustellen. Insbesondere wird die Stromversorgung 74 verwendet, um die Vorspannungsanforderungen zwischen dem Heizfadenfeld 58 und dem Substrat 46 aufrechtzuerhalten, und die Stromversorgung 72 stellt die Vorspannungsanforderungen zwischen der Gitterelektrode 64 und dem Heizfadenfeld 58 bereit. Es wird sich verstehen, daß das Substrat, auf dem der Diamantfilm aufgetragen wird, in der Regel elektrisch leitend ist, so daß das Substrat auf das gleiche Potential wie die Substrathalterung vorgespannt wird. Während des Diamantauftrags wird das Heizfadenfeld 58 in dem Temperaturbereich von 1.800 bis 2.600 °C unter Verwendung einer Stromversorgung 78 gehalten, welche vorzugsweise eine Wechselstromversorgung ist. Die Leistungsdichte beträgt ungefähr 20 bis 500 W/cm². Die Plasmaleistungsdichte während des Aufwachsens beträgt ungefähr 1 bis 300 W/cm². Die Gitterelektrode 64 kann während des Auftragens des Diamantfilms entweder beheizt oder gekühlt werden. Die Gitterelektrode 64 kann widerstandsbeheizt und/oder durch Plasmaenergie beheizt werden. Das Gitter 64 kann aus Hohlstäben bestehen und kann durch das Fließen eines Wärmeaustauschfluids durch die Mitte der Elektrodenstäbe gekühlt werden.
Die Temperatur des Heizfadenfeldes 58 und der Gitterelektrode 64 wird mit einem optischen Pyrometer (nicht gezeigt) überwacht, das außerhalb der Aufdampfkammer 42 angeordnet und auf das Heizfadenfeld 58 durch ein Fenster 70 in der Vakuumkammer fokussiert ist. Die Gasströmung und der Druck werden durch herkömmliche Durchflußmesser und Regler, Vakuumpumpen und Manometer (nicht gezeigt) geregelt.
Das Reaktionsgasgemisch besteht aus Wasserstoff, mindestens einer Kohlenstoffquelle, einschließlich Kohlenwasserstoffen, Kohlenwasserstoffen, die Sauerstoff und/oder Stickstoff enthalten, Kohlenwasserstoffen, die Halogene, Kohlenstoffdampf, CO, CO₂ und optional andere Gase wie O₂, F₂ und H₂O enthalten. Der Reaktionsgasdruck ist im Bereich zwischen 10 und 500 Torr eingestellt. Die Leistungsdichte beträgt ungefähr 20 bis 500 W/cm². Die Plasmaleistungsdichte während des Aufwachsens beträgt ungefähr 1 bis 300 W/cm².
Bezug nehmend auf 3 wird im normalen Betrieb des Systems das Aufwachssubstrat 46 für sowohl den Schritt der Keimbildung, als auch den Schritt des Diamantaufwachsens bei Erdpotential gehalten. Die Leistungsdichte für das Widerstandsheizen des Heizfadenfeldes 58 beträgt ungefähr 20 bis 500 W/cm². Während des Schrittes der Keimbildung des Diamantfilms wird das Heizfadenfeld 58 bezüglich des Substrates positiv vorgespannt, vorzugsweise im Bereich von 20 bis 300 Volt bezüglich des Substrates. Es wird sich verstehen, daß das Aufrechterhalten des Substrates bei Erdpotential bevorzugt wird, aber es könnte bei Potentialen in der Nähe von Erde solange gehalten werden, wie das Heizfadenfeld 58 bei einem positiveren Potential als die Substrathalterung ist. Die Gitterelektrode 64 wird bezüglich des Heizfadenfeldes positiv vorgespannt, vorzugsweise im Bereich von 20 bis 300 Volt bezüglich des Heizfadenfeldes 58, so daß die Gitterelektrode 64 während der Keimbildung bei einer Spannung gehalten wird, die positiver als das Heizfadenfeld ist. Folglich wird während der Keimbildung ein Plasma zwischen der Heizfadenelektrode 58 und dem Gitter 64 aufrechterhalten und die Glühelektronenemission von dem erhitzten Heizfadenfeld 58 vergrößert die Plasmadichte. Die Ionen in dem Gleichstromplasma werden zu dem Substrat 46 hin für die durch Teilchenbeschuß unterstützte Keimbildung extrahiert. Der Keimbildungsprozeß gemäß dem hier offenbarten Verfahren dauert vorteilhaft weniger als zehn Minuten. Die einzigartige Ausführung der vorliegenden Erfindung ermöglicht das Aufrechterhalten des Substrates 46 bei Potentialen, die negativer als das erhitzte Heizfadenfeld 58 sind, dadurch eine Ionenextraktion zum Substrat 46 hin zur Folge haben, um die erhöhte Diamantkeimbildung zu erreichen.
Während des Schrittes des Diamantaufwachsens wird das Heizfadenfeld 58 entweder elektrisch an der Substrathalterung 48 angeschlossen oder es kann bezüglich der Substrathalterung 48 negativ vorgespannt werden, vorzugsweise im Bereich von –20 bis –300 Volt. Die Gitterelektrode 64 wird bezüglich des Heizfadenfeldes 58 positiv vorgespannt und vorzugsweise im Bereich von 20 bis 300 Volt bezüglich des Heizfadenfeldes 58, ob das Heizfadenfeld bei Erde gehalten wird oder nicht. Die typische Plasmaenergiedichte beträgt ungefähr 1 bis 300 W/cm². Wenn das Heizfadenfeld 58 bezüglich der Substrathalterung 48 nicht vorgespannt wird (so daß beide bei dem gleichen Potential sind), wird ein Gleichstromplasma zwischen der Gitterelektrode 64 und dem Heizfadenfeld 58 aufrechterhalten. Der große Katodenspannungsabfall in der Nähe des Heizfadenfeldes 58 wird einige Ionen aus dem Plasma zu den Heizfäden hin extrahieren. Wegen des kleinen mittleren freien Weges für die Kollision bei dem Verarbeitungsdruck (ungefähr 0,01 nun bei 50 Torr und 1.500 K) wird eine Ionenextraktion in der Richtung zu dem Substrat 46 hin die Aufteilung der Ionenenergie in kinetische Energie für neutrale Partikel in den Kollisionsstufen zur Folge haben. Diese beschleunigten neutralen Partikel werden ihrerseits eine Nettodurchschnittsgeschwindigkeit zum Substrat 46 hin und eine durchschnittliche Energie aufweisen, die höher als die durchschnittliche Wärmeenergie in dem System ist, dadurch eine erhöhte Reaktionswahrscheinlichkeit zur Folge haben. Die durchschnittliche Energie wird jedoch viel kleiner als einige Elektronenvolt sein, was für das Hervorrufen einer bedeutsamen Sputteringwirkung auf dem Substrat 46 nicht ausreichend ist. Die Bewegung von neutralen Partikeln zum Substrat 46 hin erhöht die Eintreffrate der Aufwachsvorläufer über die hinaus, die durch einfache Diffusion hervorgerufen wird, und dadurch erhöht sich die Diamantaufwachsrate.
In dem alternativen Fall, in welchem das Heizfadenfeld 58 bei einem negativen Potential bezüglich der Substrathalterung 48 vorgespannt wird, kann ein Gleichstromplasma ebenfalls zwischen dem Heizfadenfeld 58 und dem Substrat 46 aufrechterhalten werden. Jedoch kann eine hohe Gleichstromleistungsaufnahme in dieser Betriebsart zu einem Anstieg der Temperatur der Substratoberfläche außerhalb des Diamantaufwachsfensters führen, der eine Einschränkung ist, die anderen Verfahren des Aufwachsens mit Heizfadengleichstromplasma des Standes der Technik gemeinsam ist. Demgemäß ist unter dem normalen Betrieb in der vorliegenden Erfindung die Plasmaleistungsaufnahme zwischen der Gitterelektrode 64 und dem Heizfadenfeld 58 größer als zwischen dem Heizfadenfeld und dem Substrat 46.
4 zeigt eine Ausführung Substrat-Heizfaden-Gitter-Heizfaden-Substrat bei 90 für das Auftragen von Diamantschichten auf zwei Substrate 46', die an gegenüberliegenden Substrathalterungen 48 befestigt sind. Das Feld 90 kann, wie dargestellt, in der Vakuumkammer 42 vertikal zusammengebaut sein oder die gesamte Vorrichtung kann alternativ um 90° zu einer horizontalen Position innerhalb der Kammer gedreht werden. Die zwei Heizfadenfelder 92 und 94 können entweder durch unabhängige Gleichstrom- oder Wechselstromversorgungen oder durch eine gemeinsame Gleichstrom- oder Wechselstromversorgung (nicht gezeigt) beheizt werden. Jedes der zwei Heizfadenfelder 92 und 94 ist mit einer Gleichstromversorgung für das Vorspannen der Felder bezüglich Erde (nicht gezeigt) bereitgestellt. Eine Gitterelektrode 96 ist zwischen den Heizfadenfeldern 92 und 94 angeordnet und wird unter Verwendung einer Gleichstromversorgung (nicht gezeigt) vorgespannt und wird bei einem positiven Potential bezüglich der Heizfadenfelder 92 und 94, vorzugsweise im Bereich von 20 bis 300 Volt, vorgespannt. Während des Keimbildungsschrittes werden die Heizfadenfelder 92 und 94 bei einem positiven Potential bezüglich der zugeordneten Substrate 46', die daran benachbart sind, vorgespannt. Während des Diamantaufwachsens nach dem Keimbildungsschritt werden die Heizfadenfelder 92 und 94 entweder überhaupt nicht oder negativ bezüglich der zugeordneten Substrate 46' vorgespannt, ähnlich dem Prozeß, der oben hinsichtlich der Vorrichtung von 3 beschrieben ist. Der Arbeitsbereich ist der gleiche wie der in Bezug auf 3 erörterte.
5 zeigt eine andere Ausführung 100 für das Aufwachsen von Diamantschichten gemäß der vorliegenden Erfindung. Zwei Heizfadenfelder 102 und 104 werden durch unabhängige Wechselstrom- oder Gleichstromversorgungen (nicht gezeigt) widerstandsbeheizt. Beide Gruppen der Heizfadenfelder 102 und 104 erfüllen die Funktion von Gitterelektroden, so daß die zwei Heizfadenfelder im Betrieb entsprechend vorgespannt werden, um die Plasmaentladung zwischen den zwei Heizfadenfeldern unter Verwendung entweder einer Wechselstrom- oder Gleichstromversorgung, vorzugsweise einer Wechselstromversorgung (nicht gezeigt), aufrechtzuerhalten.
Die folgenden nicht einschränkenden Beispiele sollen die vorliegende Erfindung überdies veranschaulichen.
Beispiel 1
Keimbildung auf spiegelglattem Quarz
Die Diamantkeimbildung wurde selbst auf spiegelglattem Quarz durch Vorspannen des Heizfadenfeldes 58 bei 89 Volt und Erhitzens bis auf eine Temperatur von ungefähr 2.160°C und durch Vorspannen des Gitters 64 bei 200 Volt unter Verwendung der Einrichtung von 3 erreicht. Das Reaktionsgasgemisch war ein Gemisch aus Methan/H₂ und die jeweiligen Durchflußgeschwindigkeiten betrugen 6,5 Normkubikzentimeter pro Minute (sccm) für Methan und 300 sccm für Wasserstoff bei einem Gesamtdruck von 30 Torr. Der Keimbildungsprozeß wurde für ungefähr 10 Minuten durchgeführt. Die Vorspannung am Heizfadenfeld 58 wurde dann abgeschaltet und die Vorspannung an der Gitterelektrode 64 wurde auf 120 Volt für das Diamantaufwachsen eingestellt. Es wurde ein zusammenhängender und gleichförmiger Diamantfilm mit guter Kristallfläche erhalten. Unter den gleichen Wachstumsbedingungen, aber ohne Keimbildungsschritt, wurden auf spiegelglattem Quarz nur Flecken von Diamant mit ungleichförmiger Dicke gebildet. Die anschließenden Operationen zeigten, daß die Keimbildungszeit im Bereich zwischen 2 und 5 Minuten liegen könnte.
Beispiel 2
Heteroepitaxie von Diamant auf Silicium (siehe 6)
Diamantorientierte Kristalle wurden auf Silicium (100) durch Vorreinigung des Siliciums mit einer HF-Lösung und Keimbildung mit einer Heizfadentemperatur von ungefähr 2.200°C, einer Gittervorspannung von 219 Volt und einer Heizfadenvorspannung von 130 Volt unter Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung von 3 aufgewachsen. Das Reaktionsgasgemisch war ein Gemisch aus Methan/H₂ und die jeweiligen Durchflußgeschwindigkeiten betrugen 6 sccm für Methan und 300 sccm für Wasserstoff bei einem Gesamtdruck von 50 Torr. Die Keimbildungszeit betrug ungefähr 10 Minuten. Das Heizfadenfeld wurde anschließend auf Null Volt für das Diamantaufwachsen vorgespannt. Die Gittervorspannung wurde in diesem Prozeß auf 112 Volt geändert. 6a zeigt deutlich kubische Diamantkristalle (100) mit ihrer Fläche (100), die nach dem Si (100) ausgerichtet ist, und die Diamantrichtung [110], die nach der von Si [110] ausgerichtet ist. Wenn Diamant mit einer hohen Keimbildungsdichte aufgewachsen wurde, wurde ein zusammenhängender Film mit Diamant (100)//Si(100) und Diamant [110]//Si[110] gebildet, wie in 6b gezeigt.
Beispiel 3
Schnelles Auftragen von Diamantfilmen
Eine Diamantschicht wurde in 160 Stunden bis 2 mm Dicke und 2" Durchmesser unter Verwendung der Vorrichtung von 3 aufgewachsen. Der Druck für das Diamantaufwachsen betrug 30 Torr und die Vorspannung an der Gitterelektrode betrug 45 Volt bezüglich des Heizfadenfeldes. Die Heizfadenleistungsdichte betrug ungefähr 170 W/cm² und die Plasmaleistungsdichte betrug 40 W/cm². Die Aufwachsrate betrug 16 μm/h. Sowohl die Raman-, als auch die Röntgenstrahl-Photoelektronenspektroskopie zeigte reinen Diamant und keine Verunreinigungen in der Probe (Daten nicht gezeigt).
Beispiel 4
Weiteres schnelles Auftragen von Diamantfilmen
Eine Diamantschicht wurde in 44 Stunden bis 0,93 mm und 2" Durchmesser auf einem Substrat unter Verwendung der Vorrichtung von 3 aufgewachsen. Der Druck für das Diamantaufwachsen betrug 30 Torr und die Vorspannung an der Gitterelektrode betrug 50 Volt bezüglich des Heizfadenfeldes. Die Aufwachsrate betrug 21 μm/h. Sowohl die Raman-, als auch die Röntgenstrahl-Photoelektronenspektroskopie zeigte reinen Diamant und keine Verunreinigungen in der Probe (Daten nicht gezeigt). Die Heizfadenleistungsdichte betrug ungefähr 170 W/cm² und die Plasmaleistungsdichte betrug ungefähr 50 W/cm².
Das vorliegende Verfahren ist gegenüber dem in EP 0254560 offenbarten Prozeß des Aufwachsens von Diamantfilm vorteilhaft, weil im letzteren ein durch Ionenextraktion unterstützter Diamantkeimbildungsschritt dadurch nicht durchgeführt werden kann, daß die Heizfäden effektive Elektronenemitter sind und daher am effektivsten als eine Katode in einer Gleichstromplasmaausführung verwendet werden. In EP 0254560 kann das Substrat nur effektiv als eine Anode verwendet werden und Ionen werden statt der Anode zur Katode angezogen.
Das vorliegende Verfahren ist gegenüber dem in EP 0254312 offenbarten Prozeß des Aufwachsens von Diamantfilm vorteilhaft, weil die Gitterelektrode in EP 0254312 zwischen den Heizfäden und dem Substrat angeordnet, und immer positiv zu den Heizfäden vorgespannt ist, um ein Gleichstromplasma aufrechtzuerhalten. Die Ionenextraktion aus dem Plasma zwischen dem Gitter und den Heizfäden zu den Katodenheizfäden hin wird eine Nettoströmung von neutralen Partikeln in den ionenneutralen Kollisionsstufen vom Substrat weg hervorrufen. Als solche werden viele Wachstumsreaktionspartner, die auf und in der Nähe der Heizfäden erzeugt werden, und die, die im Plasma erzeugt werden, nicht vorteilhaft genutzt und folglich vergeudet. Obgleich bei negativ zum Gitter vorgespannten Substrat einige Ionen aus dem Plasma zum Substrat hin extrahiert werden können, werden diese Ionen aus der Anode (dem Gitter) des Gleichstromplasmas zwischen den Heizfäden und dem Gitter extrahiert. Daher ist die Extraktion nicht effizient, verglichen mit der in der vorliegenden Patentanmeldung offenbarten Technologie.
Obgleich ein Gleichstromplasma tatsächlich durch Verwendung des Substrates als die Katode und des Gitters als die Anode aufrechterhalten werden kann, wird eine Gleichstromglühkatodenentladung von zwei parallelen Elektroden, die 1 cm entfernt sind, in dem typischen Druck von 50 Torr für das Diamantaufwachsen eine Gleichstromspannung erfordern, die viel größer als die von der in 3 für die gleiche Ionenstromdichte auf dem Substrat veranschaulichten Ausführung ist. Deshalb stützt sich das Aufrechterhalten eines Gleichstromplasmas zwischen zwei kalten Elektroden auf der Sekundärelektronenemission als eine Folge des Ionenbeschusses der Katode und eine höhere Katodenspannung ergibt eine höhere Elektronenemission, während das Aufrechterhalten eines Gleichstromplasmas mit Heizfäden als die Katode durch Glühelektronenemission, die sich nicht direkt auf die Katodenspannung bezieht, erleichtert wird. Darüber hinaus beträgt der typische Abstand zwischen dem Heizfaden und der Oberseite des Substrates, das in einem Heizfaden-CVD-System beschichtet wird, ungefähr 0,5 bis 1 cm. Daher ist das Einfügen eines Gitters in diesen Zwischenraum für das gleichförmige Auftragen technisch schwierig. Jede Vergrößerung des Abstandes Heizfaden-Substrat wird die Effizienz der Heizfadendiamant-CVD-Beschichtung verringern.
Der in der WO 92/01828 beschriebene Diamantwachstumsprozeß zeigt einen Heizfadenrahmen von widerstandsbeheizten Heizfäden, die zwischen zwei Aufwachssubtraten so angeordnet sind, daß eine Gleichstromentladung zwischen den Heizfäden und den Substraten gezündet werden kann. Solch eine Anordnung ist der in der EP 254560 beschriebenen Technologie sehr ähnlich. Außerdem wird für beide durch EP 254560 und WO 92/01828 offenbarte Technologien der Gleichstromplasmastrom direkt aus dem Substrat gezogen. Der Hauptunterschied zwischen diesem Verfahren und der hier offenbarten Technologie ist der Mangel an Flexibilität in diesem Verfahren und sein Unvermögen, die durch Ionenextraktion und Teilchenbeschuß hervorgerufene Diamantkeimbildung und -wachstum zu verarbeiten. Das Problem liegt darin, daß die maximale Leistungsdichte von der Substrattemperatur begrenzt wird, die nicht höher als der Temperaturbereich des Diamantaufwachsens sein kann. In der im vorliegenden Patent offenbarten Technologie kann das Gleichstromplasma außerhalb des Bereiches Heizfaden-Substrat aufrechterhalten werden, so daß die Gesamtenergiedichte, die direkt auf dem Substrat aufgebracht wird, nicht übermäßig hoch sein wird und noch aktivierte Reaktionspartner können immer noch erhalten und zum Substrat transportiert werden.
Schließlich stellt der neue hier offenbarte Prozeß des Diamantaufwachsens eine erhöhte Keimbildungsdichte und Aufwachsrate infolge des Hinzufügens von Gleichstromplasmen zu der Heizfaden-CVD-Beschichtung von Diamant mit einer Elektrodenausführung (Substrat-Heizfaden-Gitter) bereit, welche die effiziente Ionenextraktion und den Wachstumsvorläufertransport zum Substrat hin während der Diamantkeimbildung und des -wachstums entsprechend, verglichen mit der Ausführung Heizfaden-Gitter-Substrat und der Ausführung Substrat-Heizfaden-Substrat, ermöglicht. Außerdem stellt das vorliegende Verfahren eine beträchtliche Flexibilität im Aufrechterhalten des Gleichstromplasmas von der Substratoberfläche weg zur Minimierung der übermäßigen Substraterhitzung bereit.
Die vorhergehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wurde unterbreitet, um die Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen und die Erfindung nicht auf die veranschaulichte besondere Ausführungsform zu begrenzen. Es ist beabsichtigt, daß der Bereich der Erfindung durch alle Ausführungsformen, die innerhalb der folgenden Ansprüche und ihrer Äquivalente enthalten sind, definiert ist.

Claims

Verfahren zum Aufwachsen eines Diamantfilms durch Heizfadenentladung, umfassend: a) Positionieren eines Substrats, das eine Aufdampfoberfläche aufweist, auf einer Substrathalterung in einer Aufdampfkammer; Bereitstellen einer Gitterelektrode, die mit Zwischenraum von der Substrataufdampfoberfläche angeordnet ist; Bereitstellen einer Heizfadenfeldelektrode, die zwischen der Gitterelektrode und der Substrataufdampfoberfläche zwischengeschaltet ist; b) Strömen eines Gasgemisches, das aus Wasserstoff und kohlenstoffhaltigem Gas besteht, in die Aufdampfkammer und Widerstandsheizen der Heizfadenfeldelektrode auf eine Temperatur im Bereich von 1.800°C bis 2.600°C, wobei das Substrat auf eine Temperatur im Bereich von 600°C bis 1.100°C erhitzt wird; c) Keimbildung des Substrats durch Vorspannung der Heizfadenfeldelektrode bei einer positiven Spannung bezüglich der Substrathalterung und Vorspannung der Gitterelektrode bei einer Spannung, die bezüglich der Spannung an der Heizfadenfeldelektrode positiv ist; danach d) Vorspannung der Gitterelektrode bei einer Spannung, die bezüglich der Spannung an der Heizfadenfeldelektrode positiv ist, um einen Diamantfilm auf der Aufdampfoberfläche aufzudampfen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat während der Keimbildung des Substrats bei Erdpotential vorgespannt wird und die Heizfadenfeldelektrode auf ein Potential im Bereich von 20 bis 300 Volt bezüglich Erde vorgespannt wird, und die Gitterelektrode auf eine Spannung im Bereich von 20 bis 300 Volt bezüglich der Heizfadenfeldelektrode vorgespannt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei während des Schrittes des Aufwachsens des Diamantfilms nach dem Schritt der Keimbildung die Substrathalterung und die Heizfadenfeldelektrode bei Erdpotential vorgespannt werden und die Gitterelektrode bei einer Spannung im Bereich von 20 bis 300 Volt bezüglich der Heizfadenfeldelektrode vorgespannt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei während des Schrittes des Aufwachsens des Diamantfilms nach dem Schritt der Keimbildung die Substrathalterung bei Erdpotential vorgespannt wird und die Heizfadenfeldelektrode bei einer negativen Spannung bezüglich der Substrathalterung vorgespannt wird, wobei die negative Spannung in einem Bereich von –20 bis –300 Volt bezüglich der Substrathalterung liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das kohlenstoffhaltige Gas aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Kohlenwasserstoffen, sauerstoff- und/oder stickstoffhaltigen Kohlenwasserstoffen, halogenhaltigen Kohlenwasserstoffen, Kohlenstoffdampf, CO und CO₂ besteht.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Gasgemisch ferner eines von O₂, F₂ und H₂O und ein Inertgas und jede Kombination davon enthält.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Gasgemisch bei einem Druck im Bereich von 10 bis 500 Torr gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Heizfadenfeldelektrode unter Verwendung einer Stromversorgung widerstandsbeheizt wird, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Wechselstrom- und Gleichstromstromversorgungen besteht.
Plasmavorrichtung mit Heizfaden-Gleichstromentladung für das Synthetisieren eines Diamantfilms, umfassend: a) eine Aufdampfkammer (42), die einen Gaseintritt für das Strömen der Reaktionsgase in die Aufdampfkammer (42) aufweist; b) eine erste und eine zweite mit Zwischenraum angeordnete leitende Substrathalterung (48), wobei jede geeignet ist, ein Substrat (46') zu tragen, das eine Oberfläche, auf welcher der Diamantfilm synthetisiert werden soll, und Mittel für das Heizen und das Kühlen der ersten und der zweiten Substrathalterung (48) aufweist; c) eine Gitterelektrode (96), die zwischen der ersten und der zweiten Substrathalterung (48) angeordnet ist; d) eine erste Heizfadenfeldelektrode (92), die zwischen der ersten Substrathalterung (48) und der Gitterelektrode (96) zwischengeschaltet ist, und eine zweite Heizfadenfeldelektrode (94), die zwischen der zweiten Substrathalterung (48) und der Gitterelektrode (96) zwischengeschaltet ist, und Mittel für das Widerstandsheizen der ersten und der zweiten Heizfadenfeldelektrode (92, 94); und e) Mittel für das Vorspannen der Gitterelektrode (96) und der ersten und der zweiten Heizfadenfeldelektrode (92, 94) und der ersten und der zweiten Substrathalterung (48), um ein Plasma mit Heizfaden-Gleichstromentladung zu erzeugen, einschließlich Mittel für das Einstellen des Vorspannungspotentials an der Gitterelektrode (96) und der ersten und der zweiten Heizfadenfeldelektrode (92, 94) bezüglich einander und der ersten und der zweiten Substrathalterung (48).
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Substrate auf der ersten und der zweiten Substrathalterung angeordnet sind, wobei die erste Heizfadenfeldelektrode mit Zwischenraum von der Oberfläche des ersten Substrats angeordnet ist, auf welchem der Diamantfilm in einem Abstand von kleiner oder gleich 2 cm synthetisiert wird, wobei die erste Heizfadenfeldelektrode mit Zwischenraum von der Gitterelektrode in einem Abstand kleiner oder gleich 5 cm angeordnet wird, und wobei die zweite Heizfadenfeldelektrode mit Zwischenraum von der Oberfläche des zweiten Substrats angeordnet ist, auf welchem der Diamantfilm in einem Abstand kleiner oder gleich 2 cm synthetisiert wird, wobei die zweite Heizfadenfeldelektrode mit Zwischenraum von der Gitterelektrode in einem Abstand kleiner oder gleich 5 cm angeordnet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Mittel für das Widerstandsheizen der ersten und der zweiten Heizfadenfeldelektrode aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Wechselstrom- und Gleichstromstromversorgungen besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Mittel für das Heizen und das Kühlen der ersten und der zweiten Substrathalterung ein Thermoelement enthalten, das an jeder Substrathalterung angebracht und an einen Temperaturregler angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Gitterelektrode aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus mit Zwischenraum angeordneten Stäben, Drahtfeldern, Drahtgeflecht und einer Metallplatte mit mehreren Bohrungen darin besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 13, die ferner Heiz- und Kühlmittel für das Heizen und das Kühlen der Gitterelektrode enthält.
Verfahren zum Aufwachsen eines Diamantfilms durch Heizfadenentladung, umfassend: a) Positionieren der Substrate (46'), wobei jedes eine Aufdampfoberfläche auf der ersten und der zweiten mit Zwischenraum angeordneten Substrathalterung (48) in einer Aufdampfkammer (42) aufweist, Bereitstellen einer Gitterelektrode (96), die zwischen der ersten und der zweiten Substrathalterung (48) angeordnet ist, und einer ersten Heizfadenfeldelektrode (92), die zwischen der ersten Substrathalterung (48) und der Gitterelektrode (96) zwischengeschaltet ist, und einer zweiten Heizfadenfeldelektrode (94), die zwischen der zweiten Substrathalterung (48) und der Gitterelektrode (96) zwischengeschaltet ist; b) Strömen eines Gasgemisches, das aus Wasserstoff und kohlenstoffhaltigem Gas besteht, in die Aufdampfkammer (42) und Widerstandsheizen der ersten und der zweiten Heizfadenfeldelektrode (92, 94) auf eine Temperatur im Bereich von 1.800°C bis 2.600°C, wobei die Substrate (46') auf eine Temperatur im Bereich von 600°C bis 1.100°C erhitzt werden; c) Keimbildung der Substrate (46') auf der ersten und der zweiten Substrathalterung (48) durch Vorspannung der ersten Heizfadenfeldelektrode (92) bei einer positiven Spannung bezüglich der ersten Substrathalterung (48), um ein Plasma bereitzustellen, das einen effektiven Potentialabfall zwischen der Gitterelektrode (96) und dem ersten Substrat (46') für die effiziente Ionenextraktion im Plasma zu den Substraten (46') auf der zweiten Substrathalterung (48) aufweist; danach d) Vorspannung der Gitterelektrode (96) bei einer Spannung, die bezüglich der Spannung an der ersten und der zweiten Heizfadenfeldelektrode (92, 94) positiv ist, um einen Diamantfilm auf den Aufdampfoberflächen der Substrate (46') auf der ersten und der zweiten Substrathalterung (48) aufzudampfen.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Substrate auf Substrathalterungen angeordnet sind, wobei die erste Heizfadenfeldelektrode mit Zwischenraum von der Aufdampfoberfläche der Substrate auf der ersten Substrathalterung in einem Abstand kleiner oder gleich 2 cm angeordnet ist, wobei die erste Heizfadenfeldelektrode mit Zwischenraum von der Gitterelektrode in einem Abstand kleiner oder gleich 5 cm angeordnet wird, und wobei die zweite Heizfadenfeldelektrode mit Zwischenraum von der Aufdampfoberfläche der Substrate auf der zweiten Substrathalterung in einem Abstand kleiner oder gleich 2 cm angeordnet ist, wobei die zweite Heizfadenfeldelektrode mit Zwischenraum von der Gitterelektrode in einem Abstand kleiner oder gleich 5 cm angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die erste und die zweite Heizfadenfeldelektrode unter Verwendung einer Stromversorgung widerstandsbeheizt sind, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus Wechselstrom- und Gleichstromstromversorgungen besteht.