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Diese Erfindung betrifft im weitesten
Sinne ein chemisches Dampfablagerungssystem.
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Der Nutzen von hochqualitativen Diamantschichten
für verschiedene
Anwendungen ist gut bekannt. Überlegene
physikalische, chemische und elektrische Eigenschaften machen Diamantschichten für viele
mechanische, thermische, optische und elektronische Anwendungen
begehrenswert. Beispielsweise weist Diamant die höchste Wärmeleitfähigkeit
bei, Raumtemperatur aller Materialien, eine hohe Belastbarkeit in
elektrischen Feldern (–107 V/cm) und eine in Luft stabile Affinität zu negativen Elektronen
auf. Diese Eigenschaften ermöglichen Hochleistungshochfrequenztransistoren
und kalte Kathoden, die mit keinem anderen Halbleiter als mit Diamant
hergestellt werden können.
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Ein Verfahren zum Erzeugen dünner Diamantschichten
besteht in einer Verwendung eines chemischen Dampfablagerungssystems
(nachfolgend "CVD-System"). In CVD-Systemen
wird eine Mischung aus Wasserstoff und einem gasförmigen Kohlenwasserstoff
wie Methan aktiviert und mit einem Substrat in Kontakt gebracht,
um auf dem Substrat eine Diamantschicht zu erzeugen. Das Wasserstoffgas
wird in atomaren Wasserstoff dissoziiert, der dann mit dem Kohlenwasserstoff
zur Reaktion gebracht wird, um kondensierbare Kohlenstoffradikale zu
bilden. Die Kohlenstoffradikale werden dann auf einem Substrat abgelagert,
um eine Diamantschicht zu bilden.
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Ein Weg des Praktizierens von CVD
funktioniert mit einem Plasmastrahlsystem. In Plasmastrahlsystemen
wird atomares Wasserstoffgas üblicherweise
in eine Plasmafackel eingeführt,
die einen Wasserstoffplasmastrahl mittels einer Gleichstrombogenentladung
(nachfolgend "DC-Bogenentladung") oder einer Wechselstrombogenentladung ("AC-Bogenentladung") oder Mikrowellenenergie
erzeugt. Die Plasmafackel ist heiß genug (üblicherweise annähernd 10.000
K), um Gase in ihre elementare Form zu überführen. Die Fackel wird zum Beschichten
auf das Substrat gerichtet, und die Reagenzien treten aus einer
Düse oder
einem Verteilerkopf aus und werden zum Substrat geleitet.
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Ein Nachteil herkömmlicher Plasmastrahlsysteme
besteht darin, daß die
Verteilung der Diamantbeschichtung im wesentlichen fest ist; das
heißt die
Diamantbeschichtung wird mit einer etwa Gauss'schen Verteilung mit wesentlich größerer Beschichtungsdicke
unmittelbar unter dem Verteilerkopf und wesentlich geringerer Beschichtungsdicke
im Bereich der Peripherie des Verteilerkopfes abgelagert. Deshalb
ist die Beschichtungsdicke nicht gleichförmig, und die dünneren Beschichtungsbereiche sind
oftmals für
den erforderlichen Zweck nutzlos und werden dem Abfall zugeführt. Infolgedessen
müssen die
Kosten für
die unbrauchbare Diamantschicht jenen der brauchbaren Diamantschicht
zugerechnet werden, was zu zusätzlichen
Kosten der brauchbaren Diamantschicht führt. Ferner ist der Beschichtungsvorgang
relativ zeitaufwendig, insbesondere bei größeren Substraten, was zusätzlich die
Kosten erhöht.
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Vor kurzem wurde ein Plasmastrahlgerät beschrieben,
das drei Verteilerköpfe
benutzt, die so angeordnet sind, daß sie eine Diamantschicht relativ schnell
ablagern. US-Patent Nr. 5,667,852 an Kulik et al. offenbart ein
Plasmastrahlsystem, das drei axial symmetrisch angeordnete konvergente
Strahlen aufweist, das heißt,
die Strahlen werden alle auf eine einzige Stelle gerichtet, so daß der effektive
Abstand zwischen den verschiedenen Strahlen Null beträgt. Die
konvergente Konfiguration erlaubt eine vergleichsweise zügige Beschichtung
eines Substrats, das unter den Strahlen angeordnet ist, mit der
Diamantschicht. Man glaubt jedoch, daß die konvergente Konfiguration
außerordentlich
ineffizient ist und einen signifikanten Abfall mit Wasserstoffreagens
erzeugen wird, das vergleichsweise teuer ist. Das liegt daran, daß das Wasserstoffreagens
in der Peripherie des konvergenten Stroms mit Reagens von dem zentralen
Reagensgasströmungsweg
wegdiffundieren und dazu führen
wird, daß der
Beschichtungsprozeß in
der Peripherie sehr langsam und ineffizient ist, indem ein wesentlicher
Teil des Wasserstoffreagens verlorengeht. Ferner wird die konvergente
Konfiguration der Strahlen, die einer Dynamik laminarer Strömung unterworfen
sind, zusätzlich
verursachen, daß Reagens
von dem Substrat wegströmt
und zu dem Reagensverlust beiträgt.
Ferner wird die konvergente Konfiguration nicht jene Befürchtungen
ausräumen, die
die Nicht-Gleichförmigkeit
der Schichtdicke über die
Gesamtheit eines Substrats betreffen, dessen Breite größer als
die des Konvergenzflecks der drei Strahlen ist. Diese Befürchtung
ist besonders wichtig, weil Diamantbeschichtungen üblicherweise
nur einen zu 30 brauchbaren Abschnitt ergeben, und die drei konvergenten
Strahlen würden
in Wirklichkeit im wesentlichen die selbe Gauss'sche Nicht-Gleichförmigkeit wie ein einziger Strahl
schaffen, nur vergleichsweise schneller. Die Diamantschicht in der
Peripherie wird wesentlich dünner
als zentralere Abschnitte und wegzuwerfen sein.
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US-Patent Nr. 5,403,399 an Kurihara
et al. offenbart ebenfalls ein Plasmastrahlsystem, das mehrere Strahlen
aufweist, wobei ein effektiver Abstand zwischen den Strahlen größer Null
ist. Die mehreren Strahlen werden dazu verwendet, die Diamantschichtablagerungsrate
zu erhöhen
und auch dazu, vergleichsweise dickere Schichten herzustellen, als
dies mit einem einzigen Strahl möglich
ist. Die Strahlen, die bei Kurihara beschrieben werden, sind jedoch
nicht so voneinander beabstandet, daß sich eine Dickengleichförmigkeit
der abgelagerten Schicht daraus ergibt. Ferner sind die verschiedenen der
Strahlen äußerst ineffizient
und werden einen bedeutenden Abfall mit Wasserstoffreagens erzeugen.
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Als eine Alternative zu dem Plasmastrahlsystem
kennt man eine Verwendung eines Glimmentladungs-CVD-Systems, bei
dem eine Kathode auf eine relativ niedrige Temperatur, üblicherweise
bei Temperaturen von 2000°C,
erwärmt
wird, um die thermischen Aktivierungstemperaturen zu schaffen, die
erforderlich sind, um die oben beschriebene plasmische Umwandlung
herbeizuführen,
und richtet die Kohlenstoffradikale auf das Substrat. US-Patent
Nr. 4,647,964 an Lee et al. beschreibt ein Glimmentladungsgerät, das drei
Kathoden verwendet, die in einer dreieckigen Anordnung bereitgestellt
sind, wobei jede parallel ausgerichtet und von dem Substrat gleich
beanstandet ist. Der Betrieb dieser Klasse von Systemen führt zu Problemen,
die nicht zu jenen analog sind, die man mit Plasmastrahlsystemen
erfährt, in
erster Linie weil kein Verteilerkopf benützt wird. Bei dem Glimmentladungsverfahren
ist eine Gleichförmigkeit
der Beschichtung einfacher zu erreichen. Die Kathode ist jedoch
Gegenstand einer Kontamination. Das heißt, fester Kohlenstoff bildet
sich auf der Kathode, wird nach und nach aufgebaut und erreicht schließlich und
bedeckt das Ende der Kathode, so daß kein Plasma erhalten werden
kann. Zusätzlich wird,
weil der Aufbau von Kohlenstoff üblicherweise ungleichmäßig auf
der in Umfangsrichtung umgebenden Oberfläche der Kathode verläuft, der
Stromfluß asymetrisch,
so daß die
Kathode nur teilweise erwärmt
und Entladungen zwischen der Kathode und dem Substrat unterworfen
wird, wobei die Ablagerung der Diamantschicht unterbrochen wird.
Deshalb ist es oftmals nicht wünschenswert,
ein Glimmentladungssystem zu verwenden.
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Es ist darum eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Plasmastrahl-CVD-System zu schaffen, das die Nachteile der Produkte
aus dem Stand der Technik überwindet.
Diese Aufgabe wird mittels des Plasmastrahl-CVD-Systems gemäß der unabhängigen Ansprüche 1, 13
und 23 sowie dem Verfahren zum Beabstanden mehrerer Verteilerköpfe gemäß den unabhängigen Ansprüchen 30
und 31 gelöst.
Weitere vorteilhafte Merkmale, Gesichtspunkte und Einzelheiten der
Erfindung werden aus den abhängigen
Ansprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen offensichtlich. Die Ansprüche sind
als ein erster nicht beschränkender
Ansatz zu verstehen, die Erfindung in allgemeinen Worten zu definieren.
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Insbesondere betrifft diese Erfindung
ein chemisches Plasmastrahldampfbeschichtungssystem, das mehrere
Ablagerungsköpfe
verwendet.
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Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung wird
ein Plasmastrahl-CVD-System geschaffen, das mehrere nichtkonvergente
Verteilerköpfe
aufweist.
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Weitere Gesichtspunkte und Vorteile
der Erfindung werden dem Fachmann deutlich bei Bezugnahme auf die
eingehende Beschreibung in Verbindung mit den bereitgestellten Figuren;
dazu:
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1 ist
eine Vorderansicht eines Mehrfachverteilerkopf-Plasmastrahl-CVD-Systems
gemäß der Erfindung;
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2 ist
eine Schnittansicht eines der Strahlsysteme des CVD-Systems der
Erfindung, wobei das gezeigte Strahlsystem um 90 Grad gegenüber der
Ansicht in 1 gedreht
ist;
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3 ist
eine Draufsicht auf eine Gruppierung von Plasmastrahlverteilerköpfen gemäß der Erfindung;
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4 ist
eine Seitenansicht einer Gruppierung von Plasmastrahlverteilerköpfen gemäß der Erfindung;
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5 ist
ein Graph mit dem Ablagerungsprofil eines Plasmastrahlverteilerkopfes;
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6 ist
ein Graph mit Messungen bezüglich
der Einfangeffizienz und eines Parameters Φ sowie einer bestangepaßten Kurve
hierdurch.
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7 ist
eine schematische Draufsicht auf eine zweidimensionale Gruppierung
von Plasmastrahlverteiler köpfen
gemäß einer
ersten anderen Ausführungsform
der Erfindung; und
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8 ist
eine schematische Draufsicht auf eine zweidimensionale Gruppierung
von Plasmastrahlverteilerköpfen
gemäß einer
zweiten anderen Ausführungsform
der Erfindung.
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Nunmehr unter Bezugnahme auf 1 und 2: ein Plasmastrahl-CVD-System 10 beinhaltet
allgemein mehrere, beispielsweise 5, Strahlsysteme 12, die
jedes einen Antrieb 14, eine Gasinjektionsscheibe 16 und
einen Plasmastrahlverteilerkopf (Düse) 18 beinhalten.
Jeder Antrieb 14 ist vorzugsweise ein Bogenentladungsstrahlantrieb
und beinhaltet einen lateralen Wasserstoffgaseinlaß 20,
eine Kathode 22, eine Antriebswand 24, eine isolierende
Auskleidung 26 auf der Antriebswand und eine Anode 28.
Die Gasinjektionsscheibe 16 ist mit Gaszuführungen 29 und
Gasinjektionsöffnungen 30 versehen.
Die mehreren Verteilerköpfe 18 sind
auf ein Substrat 32 gerichtet, das vorzugsweise auf einem
Träger 34 bezüglich der
Verteilerköpfe
mittels eines Bewegungsmittels 35, beispielsweise einem
motorischen Mechanismus, auf einem Träger 34 bewegbar ist.
Das Bewegungsmittel 35 kann dazu eingerichtet sein, den
Träger
in Drehung oder gerade bezüglich
der Verteilerköpfe 18 zu
bewegen, in Abhängigkeit
der Geometrie des Substrats 32. Das Substrat 32 kann eine
Spindel zum Ablagern freistehender Diamantbeschichtung sein oder
kann eine Oberfläche
sein, auf der man die Diamantschicht relativ permanent aufzubringen
gedenkt. Eine Vakuumablagerungskammer 36 umgibt die Strahlsysteme 12,
den Träger 34 und das
darauf angeordnete Substrat 32.
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Unter Bezugnahme auf 3 und 4 sind
die Verteilerköpfe 18 vorzugsweise
linear angeordnet. Vorzugsweise erstreckt sich die lineare Anordnung allgemein über die
Breite des Substrats, das mit der Diamantschicht beschichtet wird,
und besonders bevorzugt, um Reagens zu bewahren, erstreckt sie sich höchstens
bis zu innerhalb 1,27 cm (einem halben Zoll) der Ränder 38 des
Substratmaterials. Wenn die Gruppierung sich dichter an die Ränder 38 erstreckt, kann
Reagens über
die Ränder
des Substrats hinaus versprüht
und verschwendet werden. Die Verteilerköpfe 18 sind vorzugsweise
optimal voneinander beabstandet. Das heißt falls die Verteilerköpfe zu weit auseinanderliegend
bereitgestellt werden, treten Probleme hinsichtlich der Gleichförmigkeit
der Diamantschichtbeschichtungsdicke auf. Gemäß einem bevorzugten Gesichtspunkt
der Erfindung hat man herausgefunden, daß jeder Punkt auf dem Substrat,
für den gleichförmige Dicke
gewünscht
ist, innerhalb einer Hälfte
einer "Profilbreite" des Auftreffpunktes
wenigstens eines Strahls sein muß. Genauer gesagt, unter Bezugnahme
auf 5, wird unter "Profilbreite" die Breite w zwischen
den Punkten auf dem Ablagerungsprofil verstanden, bei denen eine
Ablagerung beider Hälfte
der maximalen Rate auftritt; das heißt tmax/2.
In Situationen, wo verschiedene Strahlaufbauten innerhalb einer
Gruppierung von Strahlen verschiedene Profile aufweisen (was beispielsweise
oftmals am Rand einer Gruppierung passiert), sollten "Profilbreiten", die für solche
Strahlaufbauten angemessen sind, verwendet werden.
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Man beachte, daß wenn das Substrat nicht bezüglich der
Strahlen bewegt wird, die Verteilerköpfe vorzugsweise voneinander
(vom Zentrum zum Zentrum) innerhalb einer halben "Profilbreite" beabstandet sein
sollten, damit jeder Punkt auf dem Substrat innerhalb einer halben "Profilbreite" eines Aufschlagpunktes
von wenigstens einem Verteilerkopf liegt. Eine vergleichsweise gleichförmige Diamantschichtbeschichtungsdicke
wird somit geschaffen.
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Ferner müssen jene Bereiche auf dem
Substrat, die von nur einem Strahl beeinflußt werden, besonders dicht
am Auftreffpunkt des Strahls angeordnet sein. Beispielsweise müssen, falls
die Gleichförmigkeit
der Dicke innerhalb von ±5%
der gewünschten
Dicke erforderlich ist, akzeptable Bereiche des Substrats dicht
genug an dem Auftreffpunkt des Kopfes liegen, so daß die Profilhöhe innerhalb
von 5% des maximalen Wertes liegt. Dies entspricht üblicherweise
bis zu annähernd
einem Viertel einer "Profilbreite". Derartige Überlegungen
sind insbesondere für
die äußersten
Verteilerköpfe
in einer Gruppierung relevant, weil sie höchstwahrscheinlich die Beschichtungssubstratbereiche
sind, die von nur einem Strahl getroffen werden. Der Teil des Substrats,
der mehr als ein Viertel einer "Profilbreite" von den Auftreffpunkten
der äußersten
Verteilerköpfe
entfernt ist, repräsentiert
verschwendete Reagenzien (und verschwendetes Substrat, weil das
Substrat nicht die erforderliche Beschichtungsdicke aufweisen wird).
Um die Einfangeffizienz zu maximieren, muß Reagensverschwendung minimiert
werden. Dies kann teilweise dadurch erreicht werden, daß die äußersten
Verteilerköpfe
auf das Zentrum der Gruppierung (unter Winkeln von vorzugsweise
zwischen annähernd
10 bis 60 Grad, und besonders bevorzugt unter annähernd 25
Grad) geneigt werden. Solche Neigung verschiebt die Ablagerungsprofile,
so daß mehr
Material in Richtung der Neigung abge lagert wird als wenn die Verteilerköpfe in normaler
Einfallsrichtung wären.
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Diese neue Anordnung verhindert,
daß die Verteilerköpfe zu weit
voneinander beabstandet angeordnet sind, und gibt die Möglichkeit,
eine relativ große
Fläche
schneller und gleichmäßiger zu
beschichten. Falls jedoch die Verteilerköpfe zu dicht voneinander beabstandet
angeordnet sind, wird das Plasma (das Gegenstand laminarer Strömung ist), das
einen Verteilerkopf verläßt, mit
dem Plasma in Wechselwirkung treten, das aus benachbarten Verteilerköpfen austritt.
Solche Überlagerung
wird bewirken, daß atomarer
Wasserstoff hoch und weg von dem Substrat gezwungen wird, wodurch
er unbenutzt (und verschwendet) für den Beschichtungsvorgang bleibt.
Deshalb sollte man auch an die Energiebewahrungseffizienz; das heißt den effizienten
Gebrauch von Reagenzien und insbesondere den effizienten Gebrauch
des relativ teuren Wasserstoffereagenses, vorzugsweise mitbedenken.
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Zusätzlich, um noch einmal auf 3 und 4 zurückzukommen,
werden gemäß noch einem
anderen bevorzugten Gesichtspunkt der Erfindung die Verteilerköpfe 18 bezüglich einer
Geraden, die zu dem Substrat 32 eine Normale bildet, vorzugsweise unter
einem Winkel oder anwinkelbar bereitgestellt. Der Winkel beträgt vorzugsweise
zwischen etwa 20 Grad und 60 Grad. Der Winkel der Verteilerköpfe bezüglich des
Substrats senkt den Wärmefluß und vergrößert die
Substratoberflächenkontaktfläche 40 der Reagenzien 42,
die aus jedem Verteilerkopf 18 austreten (3 und 4).
Zusätzlich
begrenzt die relativ große
Kontaktoberfläche 40,
die von dem angewinkelten Kopf geschaffen wird, die Anzahl von Verteilerköpfen, die
für eine
bestimmte Anwendung erforderlich sind. Ferner schafft die Anwinkelbarkeit
der Verteilerköpfe
einen zusätzlichen
Freiheitsgrad, was unter bestimmten Umständen von zusätzlichem
Vorteil sein kann.
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Nun unter Bezugnahme auf 7 und 8 wird man verstehen, daß eine zweidimensionale
Gruppierung von Strahlsystemen ebenfalls geschaffen werden kann.
Hinsichtlich 7 ist eine
erste andere Ausführungsform
gezeigt, bei der die Verteilerköpfe 18a in
Reihen in zwei Dimensionen über
dem Substrat 32 angeordnet sind, wobei jede Reihe vorzugsweise
wie die benachbarte Reihe axial ausgerichtet ist. In 8 ist eine zweite andere
Ausführungsform gezeigt,
bei der die Strahlsysteme 18b in benachbarten Reihen gegeneinander
versetzt angeordnet sind. Die Anzahl (und Reihen) von Strahlsystemen
wird lediglich durch die Kapazität
der Kammer und die Möglichkeit
begrenzt, jedes Strahlsystem an Gas und Reagenseinlässe anzuschließen.
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Um bezüglich jedes Strahlsystems 12 auf 1 und 2 zurückzukommen
tritt Wasserstoffgas in den Wasserstoffgaseinlaß 20 ein und wird
auf einen teilweisen Plasmazustand (Plasmafluß) mittels einer Bogenentladung über die
Kathode 22 und die Anode 28 erwärmt (bei
etwa 10.000°K).
Wasserstoff wird in das Plasma injiziert und sorgt für einen
starken Wirbel des Plasmas. Stromabwärts treten Kohlenwasserstoff
und Wasserstoffträgergas
in die Gasinjektionsscheibe 16 von den Gaszuführöffnungen 29 und aus
den Gasinjektionsöffnungen 30 in
den starken Wirbel des Plasmas ein. Injektions- und Trägergas vermischen
und reagieren mit dem Wasserstoffplasma, wodurch eine Mischung molekularen
Wasserstoffs, atomaren Wasserstoffs und Kohlenstoffradikale erzeugt
wird. Die Mischung tritt durch den Verteilerkopf 18 aus
und wird auf das Substrat 32 gerichtet. Wenn die Mischung
auf das relativ kalte Substrat 32 trifft, wird eine polykristalline
Diamantschicht auf dem Substrat abgelagert.
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Die Gleichförmigkeit der Beschichtungsdicke wird
ferner erleichtert, indem die Verteilerköpfe und das Substrat relativ
zueinander während
der Diamantschichtbeschichtung bewegt werden. Der Träger 34 und
die Verteilerköpfe 18 sind
vorzugsweise relativ zueinander bewegbar, so daß das Substrat 32 relativ
in einer Richtung bewegt werden kann, die im wesentlichen rechtwinklig
zu der linearen Gruppierung von Verteilerköpfen 18 ist, wie in 4 vom Pfeil gezeigt. Bei
Substraten mit linearer Form ist zu bevorzugen, daß das Substratsmaterial
einmal unter den Verteilerköpfen
bei einer vergleichsweise niedrigen Rate, beispielsweise 0,1 Meter
pro Stunde, bewegt wird, was eine vollständige Bedeckung während des
einzigen Durchlaufs bewirkt. Für
ein ringförmiges
oder andere im wesentlichen kreisförmige Substrate ist zu bevorzugen,
daß das
Substrat unter den Verteilerköpfen
bei einer vergleichsweise schnelleren Rate, beispielsweise bis zu
vier Metern pro Sekunde oder schneller, bewegt wird, was eine erhebliche
Anzahl von Durchläufen
darunter erfordert, um die gewünschte
Diamantschichtbeschichtungsdicke zu bewirken.
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Die Kombination von Arrangement der
Verteilerköpfe
bezüglich
einer Profilbreite und gewünschter
Winkel, Konfiguration der Plasmastrahlen im Einklang mit Parameter Φ und die
Bewegung der Verteilerköpfe
relativ zu dem Substrat sorgen für
einen effizienten Vorgang zum Herstellen einer im wesentlichen gleichförmig dicken
Diamantschicht.
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Es wurde hierin ein Mehrfachverteilerkopf-Plasmastrahl-CVD-System beschrieben
und dargestellt. Wenngleich besondere Ausführungsformen der Erfindung
beschrieben wurden, bestehtnicht die Absicht, daß die Erfindung darauf beschränkt sein soll,
weil beabsichtigt ist, daß die
Erfindung einen so breiten Umfang hat, wie die Technik zuläßt, und
daß die
Beschreibung in gleicher Weise gelesen wird. Somit wird man verstehen,
daß wenngleich
ein Bogenentladungs-Strahlsystem offenbart wurde, andere Arten von
Plasmastrahlsystemen, beispielsweise Mikrowellenenergie, ebenfalls
verwendet werden können.
Ferner wird man verstehen, daß wenngleich
jeder Verteilerkopf so beschrieben wurde als habe er einen ihm zugeordneten
separaten Antrieb, mehr als ein Verteilerkopf von einem Antrieb
versorgt werden kann. Auch könnten
bezüglich
des Parameters Φ verschiedene
Werte für
die Konstanten verwendet werden. Ferner könnte Parameter Φ anders
berechnet werden, so daß eine
Energieeinfangeffizienz von 50% nicht von Φ gleich Eins geschaffen wird.
Ferner könnte
ein anderer Parameter verwendet werden, der einige oder alle verschiedenen
Variablen verwendet. Der Fachmann wird deshalb verstehen, daß Modifikationen
an der geschaffenen Erfindung vorgenommen werden könnten, ohne
vom Umfang abzuweichen, wie er beansprucht ist.