EP0714455A1 - Verfahren zum aufbringen diamantartiger kohlenstoffschichten auf ein substrat - Google Patents

Verfahren zum aufbringen diamantartiger kohlenstoffschichten auf ein substrat

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EP0714455A1
EP0714455A1 EP94923584A EP94923584A EP0714455A1 EP 0714455 A1 EP0714455 A1 EP 0714455A1 EP 94923584 A EP94923584 A EP 94923584A EP 94923584 A EP94923584 A EP 94923584A EP 0714455 A1 EP0714455 A1 EP 0714455A1
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EP
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channel
gas
net
substrate
channels
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Withdrawn
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EP94923584A
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Erminald Bertel
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Physikalisches Buero Steinmueller GmbH
Original Assignee
Physikalisches Buero Steinmueller GmbH
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Publication date
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    • C23C16/452—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for generating reactive gas streams, e.g. by evaporation or sublimation of precursor materials by activating reactive gas streams before their introduction into the reaction chamber, e.g. by ionisation or addition of reactive species

Definitions

  • the invention relates to a device for applying diamond-like carbon layers to at least one substrate, with an evacuable reaction chamber receiving the substrate (s), with at least one gas inlet leading into the reaction chamber for at least one reactant gas and with a device for tivieren at least one reactant gas, this device comprises at least one channel through which the reactant gas is passed.
  • the invention further relates to a device for the thermal dissociation of gases.
  • diamond films have a large number of technologically interesting properties: they are extremely hard, chemically resistant, electrically highly insulating, transparent over a wide wavelength range (in particular also for infrared and visible light), very good heat conductivity and they have a high refractive index. Because of these properties, they can be used for hard material coating of tools, as anti-corrosion layers, for optical coating, and as insulating layers in semiconductor components, where good heat dissipation must be guaranteed. Diamond can also be doped so that its use as a starting material for proprietary semiconductor technology is considered instead of silicon. Diamond films are currently deposited on the basis of two different types of processes.
  • tungsten wires heated to a temperature of over 2000 K are introduced into the reactant gas mixture (essentially a mixture of H 2 and hydrocarbons, typically -99% H 2 and -1% CH 4 ).
  • the gas molecules are partially activated on these wires, so that they lead to the growth of diamond films when they strike a heated substrate (typical temperature 1100-1300 K).
  • the activation consists, among other things, in the formation of dissociated, ie atomic, hydrogen and in the formation of hydrocarbon radicals (hot filament process).
  • plasma-assisted methods are used in which the activation of the gas molecules is carried out in a plasma.
  • Plasma processes in turn, lead to difficulties with the homogeneous coating of complicatedly shaped objects.
  • the shape of the electrodes cannot generally be matched exactly to the shape of the substrate, inhomogeneous formation occurs
  • a hybrid method has also become known in which the plasma activation is thermally supported. Although this hybrid process achieves good growth rates, it leads to the same problems as the purely plasma-assisted processes when coating substrates of complex shapes.
  • the plasma caused by an applied voltage heats up a hollow cathode even from the inside (EP-A1-0 297 845).
  • the object of the invention is to provide a device of the type mentioned at the outset with which the disadvantages of previous methods can be avoided and high, uniform growth rates can be achieved.
  • this is achieved according to the invention in that a separate heating device is provided, by means of which at least part of the inner wall of the channel can be heated.
  • a separate heating device is understood to mean a heating device which, independent of any exothermic reactions in the reactant gas or its dissociation products, permits external heat supply to the inner wall of the channel.
  • the inner wall of the channel which is heated by means of such a separate heating device, heats the reactant gas and not vice versa as in the hybrid method mentioned, where the hot gas plasma of the reactant gas heats the inner wall itself.
  • the invention thus works with purely thermal activation, but achieves a uniform degree of activation of the reactant let into the reaction chamber. tengases, which is significantly higher than in the usual hot filament processes. In addition, the process permits deposition at pressures which are lower than in the conventional thermal and plasma-based processes.
  • the invention also makes it possible to coat extensive and complexly shaped surfaces with good homogeneity.
  • the apparatus essentially consists, for example, of a vacuum vessel (reaction chamber), a gas inlet system which allows the reaction gases to be introduced into the vessel via one or more heatable channels, and a heatable substrate holder.
  • the walls of the channels are heated to such high temperatures by means of the separate heating device that the reaction gases are activated and lead to the deposition of diamond films on the substrate.
  • the channels are arranged so that an optimal coating of the substrate is ensured. A plasma support for the deposition is avoided in order to achieve the greatest possible homogeneity of the layer even with complex shaped substrates.
  • the invention is based on an efficient thermal activation of the reactant gases.
  • the high efficiency of the thermal activation is achieved in that individual or all components of the reactant gas are let into the reaction vessel through channels with externally heated walls.
  • the gas activated uniformly in this way then flows onto a heated substrate, on which, with a suitable choice of the reaction parameters, diamond films grow.
  • channels of any size can be built, so that even very large substrate areas can be coated with homogeneous diamond films.
  • the arrangement of the channels can be stratfor be adapted and thus allows an optimal coating of even complex shaped objects. Since very high degrees of activation (in particular high degrees of dissociation of the hydrogen and thus high concentrations of atomic hydrogen, but also higher ones)
  • the invention allows high growth rates. Electrical voltage difference between the heated (inlet) channels and the substrate, which would be large enough to ignite or maintain a gas discharge, is advantageously avoided. Otherwise the disadvantages of the plasma-assisted methods would arise, namely inhomogeneous growth due to field inhomogeneities.
  • the walls of the inlet channels are preferably heated to temperatures between 1700 K and 2600 K, depending on the gas pressure selected.
  • the ducts must therefore be made from materials with a high melting point and low vapor pressure. Accordingly, the metals tungsten, tantalum, osmium, rhenium, as well as niobium, molybdenum, ruthenium and iridium are suitable.
  • the channel walls can also be made of aluminum oxide (eg sapphire), chromium oxide, zirconium oxide, carbides, nitrides or borides of the transition metals Ti, V, Nb, Ta, carbides and borides of Cr, Mn, Mo , W, consist of carbides of Si, Zr, and nitrides of B, AI and Zr.
  • aluminum oxide eg sapphire
  • the channels can be designed in various ways, for example as tubes (capillaries), but also as bores in plates for coating flat substrates, in tubes for the interior coating of tubes or for the exterior coating of cylindrical or cylinder-like objects.
  • the inlet channels are heated by bombardment with electrons (electron pulse heating), by direct passage of current (ohmic heating), by induction heating in an alternating magnetic field, by radiation of high-frequency electromagnetic waves (microwave heating) or by radiation from lasers light.
  • reaction gases used are primarily hydrogen and hydrocarbons, preferably methane. Additions of other gases such as CO and O 2 are possible. However, care must be taken that the partial pressure of the additional gases is kept so low that the wall material of the hot channels is not subject to disruptive erosion. In principle, other reactant gases such as acetylene instead of methane or fluorine instead of hydrogen are also conceivable.
  • An advantageous special feature of the invention is that it can be carried out in the reaction chamber at very low pressures. This enables unconventional heating processes, such as electron pulse heating, and guarantees high purity of the deposited films.
  • P R the pressure in the reaction chamber
  • Q n (P G - P R ) c ⁇ (n ... number of inlet channels). If P R is at least one order of magnitude smaller than P G , P R versus P G can be neglected. The inflowing gas flow then depends only on the admission pressure P G.
  • the pump system evacuating the reaction chamber so that the pressure P R is 3 to 4 orders of magnitude less than the pressure P G. It can also be shown that a pre-pressure P G of 1 to 10 mbar is sufficient to achieve deposition rates similar to those in the conventional hot filament process.
  • the coating can thus advantageously be carried out at pressures of approximately 10 _1 to 10 ⁇ 4 mbar.
  • the embodiment according to FIG. 1 described below is used to explain the method outlined.
  • the tungsten capillary is 5 cm long and has an inner diameter of 1 mm. This results in a conductivity for hydrogen of c ⁇ (H 2 ) ⁇ 10 ⁇ 2 1 / s.
  • P G 1 mbar you get: Q - 10 ⁇ 2 mbar 1 / s, corresponding to a particle flow of approx. 3xl0 17 particles / s. Since degrees of dissociation of -50% can easily be achieved, this corresponds to a flux of approx. 10 17 H atoms / s.
  • the same growth rates as in conventional hot filament processes are thus possible.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a variant of FIG. 2 with a separate inlet for two components of the reactant gas; 3 shows an embodiment with several channels for coating large areas;
  • Fig. 4 shows an embodiment with holes in a heated gas inlet pipe.
  • the device has a vacuum vessel (recovery chamber 1) which can be evacuated to approximately 10 ⁇ 4 mbar by means of a pump P.
  • the heatable substrate holder 2 holds the substrate 3.
  • the gas inlet system is opposite.
  • the gas inlet system comprises gas storage container 4 (in the exemplary embodiment shown for hydrogen and methane). Downstream of these containers is a gas flow control device 5, from which the regulated hydrogen-methane mixture reaches the inlet nozzle 6.
  • the gas inlet system opens into a channel 7 (tungsten capillary) held via a ceramic holder 8, the mouth of which can be heated with electron bombardment.
  • the capillary 7 is a few cm long, the inside diameter is approx. 1 mm, the wall thickness is 0.5 mm.
  • a hot cathode 9 is attached, which in the heated state emits an emission current 50 - 100 mA (power supply 11).
  • the emitted electrons are accelerated to the capillary by a positive bias (via line 10) of approximately 500 V at the capillary.
  • the power of 25-50 W deposited here is sufficient to heat the mouth area of the capillary to over 2000 K.
  • a mixture of 90 ... 99% H 2 and 1% ... 10% CH 4 is admitted through the capillary 8.
  • auxiliary glow cathodes 14 can also be attached for this purpose.
  • the coating of insulating materials is also easily possible without causing problems, for example, with electrostatic charges.
  • the method for hard material coating of tools, for coating optical components, for coating semiconductor components and for other purposes can be used.
  • An improvement may be that the hydrogen and the hydrocarbon gas are separated by separate pillars 7a, 7b are let in, so that the degree of activation can be optimized separately for each of the two gases (FIG. 2).
  • the radiation cooling is sufficient so that the capillary at its rear end is only about 600 - 700 ° C hot.
  • a machinable ceramic 8 e.g. Macor
  • a loose fit is sufficient, a special seal is not necessary, since the conductance of the gap in the fit is very small in this pressure range (molecular or transition flow, depending on the pressure set).
  • FIG. 3 shows an embodiment with an arrangement of a plurality of capillaries 7a-7e for coating large areas.
  • This variant differs from the variant according to FIG. 1 essentially by the larger number of inlet channels, which make it possible to achieve a uniform gas flow over large areas.
  • Each of the five channels 7a - 7e has its own electron pulse heater, i.e. a schematically indicated hot cathode in the region of its free ends.
  • FIG. 4 shows a further embodiment with bores 7'a in a tube 7 'made of tungsten, which is heated by direct current passage 12, 13, for the inner coating of tubes 3 as a substrate.
  • the gas inlet system opens into a tube 7 with bores 7'a, which is in turn placed in the interior of the tube 3 to be coated.
  • the wall thickness is kept smaller than at the ends of the tube 7 •.
  • the thickened ends of the tube 7 ' are in contact with power supply lines 12, 13.
  • the ohmic power I 2 R drops above all at the thin-walled area of the tube 7' because the specific ohmic resistance is greatest there.
  • the tube 7 ' can be brought to a sufficiently high temperature there by resistance heating in order to ensure the activation of the escaping gases.
  • the inner wall of the channel forms a much larger interaction surface, which enables high degrees of dissociation.

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Abstract

Einrichtung zum thermischen Dissoziieren von Gasen und Einrichtung zur Aufbringung diamantartiger Kohlenstoffschichten auf ein Substrat (3), mit einer das Substrat (3) aufnehmenden evakuierbaren Reaktionskammer (1), mit mindestens einem in die Reaktionskammer führenden Gaseinlasskanal (7) für ein Reaktantgas und mit einer Einrichtung zum Aktivieren des Reaktantgases. Eine gesonderte Heizvorrichtung (9, 10, 11) heizt wenigstens einen Teil der Innenwand des Kanals (7). Weiters betrifft die Erfindung eine Einrichtung zum thermischen Dissoziieren von Gasen.

Description

Einrichtung zur Aufbringung diamantartiger Kohlenstoffschichten auf ein Substrat
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Aufbringung diamantartiger Kohlenstoffschichten auf mindestens ein Substrat, mit einer das bzw. die Substrat(e) aufnehmen¬ den evakuierbaren Reaktionskammer mit mindestens einem in die Reaktionskammer führenden Gaseinlaß für wenig¬ stens ein Reaktantgas und mit einer Einrichtung zum Ak- tivieren wenigstens eines Reaktantgases, wobei diese Einrichtung mindestens einen Kanal umfaßt, durch den das Reaktantgas geführt ist.
Weiters betrifft die Erfindung eine Einrichtung zum thermischen Dissoziieren von Gasen.
Die Abscheidung von diamantartigen Kohlenstoff-Schich¬ ten (im folgenden kurz "Diamantfilme" genannt) auf Sub¬ straten verschiedenster Art ist von großem technischen Interesse, da Diamantfilme eine große Anzahl technolo¬ gisch interessanter Eigenschaften aufweisen: Sie sind extrem hart, chemisch widerstandsfähig, elektrisch hochisolierend, transparent über einen weiten Wellen¬ längenbereich (insbesondere auch für infrarotes und sichtbares Licht) , sehr gut wärmeleitend und sie verfü¬ gen über einen hohen Brechingsindex. Aufgrund dieser Eigenschaften können sie zur Hartstoffbeschichtung von Werkzeugen, als Anti-Korrosions-Schichten, für optische Vergütung, und als isolierende Schichten in Halbleiter- bauteilen, bei denen eine gute Wärmeabfuhr garantiert sein muß, eingesetzt werden. Diamant kann auch dotiert werden, sodaß seine Verwendung als Ausgangsmaterial für eine eigene Halbleitertechnologie anstelle von Silizium in Betracht gezogen wird. Die Abscheidung von Diamantfilmen erfolgt derzeit auf der Basis von zwei unterschiedlichen Verfahrenstypen.
Bei den thermischen Verfahren werden auf eine Tempera- tur von über 2000 K geheizte Wolframdrähte in das Reak- tanten-Gasgemisch (im wesentlichen eine Mischung von H2 und Kohlenwasserstoffen, typischerweise -99% H2 und -1% CH4) eingeführt. An diesen Drähten werden die Gasmole¬ küle z.T. aktiviert, sodaß sie beim Auftreffen auf ein geheiztes Substrat (typische Temperatur 1100-1300 K) zum Aufwachsen von Diamantfilmen führen. Die Aktivie¬ rung besteht u.a. in der Bildung von dissoziiertem, d.h. atomarem Wasserstoff und in der Bildung von Koh¬ lenwasserstoff-Radikalen (Hot-Filament Verfahren) .
Alternativ dazu werden Plasma-unterstützte Verfahren verwendet, bei denen die Aktivierung der Gasmoleküle in einem Plasma vorgenommen wird.
Die bisherigen thermischen Verfahren haben einen schwerwiegenden Nachteil: Da nur jene Gasteilchen zum Diamantwachstum beitragen, die am heißen Draht akti¬ viert und auf dem Weg zum Substrat nicht durch Stöße wieder desaktiviert wurden, variiert die Aufwachsrate und die Schichtqualität sehr stark als Funktion des Ab- standes vom Aktivatordraht. Aus diesem Grunde ist es schwierig, mit diesen Verfahren gute, homogene Dimanat- schichten auf größeren Flächen abzuscheiden, selbst dann, wenn mehrere Drähte eingesetzt werden.
Plasma-Verfahren wiederum führen zu Schwierigkeiten mit der homogenen Beschichtung kompliziert geformter Gegen¬ stände. Da in diesem Fall die Form der Elektroden im allgemeinen nicht genau der Form des Substrates ange- paßt werden kann, kommt es zur Ausbildung inhomogener
Felder, daher zu örtlichen Variationen im Aktivierungs- grad des Gasgemisches, der Aufwachsrate und der Schichtqualität.
Es ist auch ein Hybrid-Verfahren bekannt geworden, bei dem die Plasma-Aktivierung thermisch unterstützt wird. Dieses Hybrid-Verfahren erzielt zwar gute Aufwachs¬ raten, führt aber bei der Beschichtung kompliziert ge¬ formter Substrate zu denselben Problemen wie die rein Plasma-gestützten Verfahren. Beim bekannten Hybrid-Ver- fahren heizt das durch eine angelegte Spannung hervor¬ gerufene Plasma selbst von innen eine Hohlkathode auf (EP-A1-0 297 845) .
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der ein- gangs genannten Gattung zu schaffen, mit der die Nach¬ teile bisheriger Methoden vermieden werden können und hohe gleichmäßige Aufwachsraten erzielbar sind. Bei ei¬ ner Einrichtung der eingangs genannten Gattung wird dies erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine geson- derte Heizvorrichtung vorgesehen ist, durch die wenig¬ stens ein Teil der Innenwand des Kanals beheizbar ist.
Unter einer gesonderten Heizvorrichtung (Fremdheizung) wird eine Heizvorrichtung verstanden, die unabhängig von allfälligen exothermen Reaktionen im Reaktantgas bzw. dessen Dissoziationsprodukten eine externe Wärme¬ zufuhr an die Innenwand des Kanals erlaubt. Mit anderen Worten beheizt die mittels einer solchen gesonderten Heizeinrichtung geheizte Innenwand des Kanals das Reak- tantgas und nicht umgekehrt wie beim genannten Hybrid- Verfahren, wo das heiße Gasplasma des Reaktantgases die Innenwand selbst erhitzt.
Die Erfindung arbeitet also mit rein thermischer Akti- vierung, erzielt aber einen gleichmäßigen Aktivierungs¬ grad des in die Reaktionskammer eingelassenen Reaktan- tengases, der wesentlich höher liegt als bei den übli¬ chen Hot-Filament-Verfahren. überdies erlaubt das Ver¬ fahren eine Abscheidung bei Drücken, die kleiner sind als in den konventionellen thermischen und Plasma-ge- stützten Verfahren.
Die Erfindung erlaubt es, auch ausgedehnte und komplex geformte Flächen mit guter Homogenität zu beschichten. Die Apparatur besteht beispielsweise im wesentlichen aus einem Vakuumgefäß (Reaktionskammer) , einem Gasein¬ laßsystem, das die Reaktions-Gase über einen oder meh¬ rere heizbare Kanäle in das Gefäß einzuführen gestat¬ tet, und einem heizbaren Substrat-Halter. Zur Abschei¬ dung von Diamantfilmen werden die Wände der Kanäle mit- tels der gesonderten HeizVorrichtung auf so hohe Tempe¬ raturen geheizt, daß die Reaktionsgase aktiviert werden und zur Abscheidung von Diamantfilmen auf dem Substrat führen. Die Kanäle werden so angeordnet, daß eine opti¬ male Beschichtung des Substrates gewährleistet ist. Eine Plasma-Unterstützung der Abscheidung wird vermie¬ den, um größtmögliche Homogenität der Schicht auch bei komplex geformten Substraten zu erreichen.
Die Erfindung beruht auf einer effizienten thermischen Aktivierung der Reaktantengase. Der hohe Wirkungsgrad der thermischen Aktivierung wird dadurch erzielt, daß einzelne oder alle Komponenten des Reaktantgases durch Kanäle mit extern geheizten Wänden in das Reaktionsge¬ fäß eingelassen werden. Das auf diese Weise gleichmäßig aktivierte Gas strömt dann auf ein geheiztes Substrat auf, auf dem es bei geeigneter Wahl der Reaktionspara¬ meter zum Wachstum von Diamantfilmen kommt. Es können grundsätzlich beliebig großflächige Anordnungen von Kanälen gebaut werden, sodaß eine Beschichtung auch sehr großer Substratflächen mit homogenen Diamantfilmen möglich ist. Die Anordnung der Kanäle kann der Sub- stratfor angepaßt werden und erlaubt so eine optimale Beschichtung auch komplex geformter Gegenstände. Da sehr hohe Aktivierungsgrade (insbesondere hohe Disso¬ ziationsgrade des Wasserstoffs und damit hohe Konzen- trationen an atomarem Wasserstoff, aber auch höhere
Ausbeuten an aktivierten Kohlenwasserstoffen) erreich¬ bar sind, läßt die Erfindung hohe Aufwachsraten zu. Elektrische Spannungsdifferenz zwischen den geheizten (Einlaß)Kanälen und dem Substrat, die groß genug wäre, eine Gasentladung zu zünden oder aufrechtzuerhalten, wird günstigerweise vermieden. Andernfalls würden sich die Nachteile der Plasma-unterstützten Verfahren ein¬ stellen, nämlich inhomogenes Wachstum aufgrund von Feld-Inhomogenitäten. Die maximale Spannungsdifferenz zwischen den Einlaßkanälen und dem Substrat, die noch zulässig ist, ohne eine Plasma-Entladung zu unterhal¬ ten, richtet sich dabei nach dem eingestellten Gasdruck und der Geometrie der Apparatur.
Um die gewünschte hohe thermische Aktivierung zu erzie¬ len, werden die Wände der Einlaßkanäle je nach gewähl¬ tem Gasdruck vorzugsweise auf Temperaturen zwischen 1700 K und 2600 K geheizt. Die Kanäle müssen daher aus Materialien mit hohem Schmelzpunkt und niedrigem Dampf- druck hergestellt werden. Demnach sind dafür die Me¬ talle Wolfram, Tantal, Osmium, Rhenium, sowie Niob, Mo¬ lybdän, Ruthenium und Iridium geeignet. Die Kanalwände können aber auch aus Aluminium-Oxid (z.B. Saphir) , Chrom-Oxid, Zirkon-Oxid, aus Karbiden, Nitriden oder Boriden der Übergangsmetalle Ti, V, Nb, Ta, aus Karbi¬ den und Boriden von Cr, Mn, Mo, W, aus Karbiden von Si, Zr, sowie aus Nitriden von B, AI und Zr bestehen. Ei¬ nige dieser Materialien werden allerdings durch atoma¬ ren Wasserstoff korrodiert, wodurch sie einem gewissen Verschleiß unterliegen. Die Kanäle können in verschiedener Weise ausgebildet sein, z.B. als Röhrchen (Kapillaren) , aber auch als Bohrungen in Platten zur Beschichtung ebener Substrate, in Rohren zur Innenbeschichtung von Röhren oder zur Au- ßenbeschichtung zylindrischer oder zylinderähnlicher Gegenstände.
Die Heizung der Einlaßkanäle erfolgt durch Beschüß mit Elektronen (Elektronen-Stoß-Heizung) , durch direkten Stromdurchgang (Ohmsche Heizung) , durch Induktionshei¬ zung in einem magnetischen Wechselfeld, durch Einstrah¬ lung hochfrequenter elektromagnetischer Wellen (Mikrowellenheizung) oder durch Einstrahlung von Laser¬ licht.
Als Reaktionsgase dienen vor allem Wasserstoff und Koh¬ lenwasserstoffe, vorzugsweise Methan. Zusätze von ande¬ ren Gasen, wie CO und 02, sind möglich. Dabei ist aber darauf zu achten, daß der Partialdruck der Zusatzgase so klein gehalten wird, daß das Wandmaterial der heißen Kanäle keiner störenden Erosion unterworfen ist. Grund¬ sätzlich sind auch andere Reaktantgase wie beispiels¬ weise Acetylen anstelle von Methan oder Fluor anstelle von Wasserstoff denkbar.
Eine vorteilhafte Besonderheit der Erfindung liegt darin, daß sie bei sehr niedrigen Drücken in der Reak¬ tionskammer durchgeführt werden kann. Das ermöglicht unkonventionelle Heizverfahren, wie z.B. Elektronen- Stoß-Heizung, und garantiert eine hohe Reinheit der ab¬ geschiedenen Filme. Um den Druck in der Reaktionskammer PR klein zu halten, ist es nötig, die Einlaßkanäle so auszubilden, daß sie eine geringe gaskinetische Leitfä¬ higkeit cκ aufweisen. Die pro Sekunde einströmende Gas- menge Q ist bestimmt durch die Differenz des Druckes im Gaseinlaßsystem PG und in der Reaktionskammer PR: Q = n (PG - PR) cκ (n...Zahl der Einlaßkanäle). Ist PR um mindestens eine Größenordnung kleiner als PG, kann PR gegen PG vernachlässigt werden. Der einströmende Gas¬ fluß hängt dann nur noch vom Vordruck PG ab. Wie unten anhand eines numerischen Beispiels gezeigt wird, ist es leicht möglich, das die Reaktionskammer evakuierende Pumpensystem so auszulegen, daß der Druck PR um 3 bis 4 Größenordnungen kleiner ist als der Druck PG. Ferner läßt sich zeigen, daß ein Vordruck PG von 1 bis 10 mbar ausreicht, um ähnliche Abscheideraten zu erzielen, wie in den konventionellen Hot-Filament-Verfahren. Somit läßt sich die Beschichtung vorteilhaft bei Drücken von ca. 10_1 bis 10~4mbar durchführen.
Zur zahlenmäßigen Erläuterung des skizzierten Verfah¬ rens wird die unten beschriebene Ausführungsform gemäß Fig. 1 herangezogen. Die Wolfram-Kapillare sei 5 cm lang und besitze einen Innendurchmesser von 1mm. Daraus ergibt sich ein Leitwert für Wasserstoff von cκ(H2) ~10~2 1/s. Mit PG = 1 mbar erhält man: Q - 10~2 mbar 1/s, entsprechend einem Teilchenfluß von ca 3xl017 Teilchen/s. Da Dissoziationsgrade von -50% leicht er¬ zielbar sind, entspricht dies einem Fluß von ca. 1017 H-Atomen/s. Damit sind gleiche Aufwachεraten wie in konventionellen Hot-Filamenten-Verfahren möglich. Die für den Prozeß erforderliche Saugleistung S des Pumpen¬ systems berechnet sich aus dem Zusammenhang S = Q/P , der im stationären Fall gilt, wenn die sonstige Leck- und Ausgasrate vernachlässigt wird, was ohne weiteres möglich ist. Wird also ein Druck PR = 10 mbar ange¬ strebt, beträgt die erforderliche Saugleistung nur S = 10 1/ε. Werden zur Beschichtung größere Flächen z.B. 100 solcher Kapillaren eingesetzt, liegt die notwendige Saugleistung bei ca. 1000 1/s, waε mit Turbomolekular- oder Diffuεionspumpen leicht realisierbar ist. Als Substrate εind alle Materialien geeignet, welche auf die zum Wachstum der Diamantfilme notwendige Tempe¬ ratur geheizt werden können. Diese Temperatur liegt ty¬ pischerweise zwischen 900 und 1300 K.
Die Erfindung wird anhand von Auεführungsbeispielen in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Beschich- tung kleiner Flächen;
Fig. 2 zeigt in schematischer Darεtellung eine Vari¬ ante der Fig.2 mit getrenntem Einlaß für zwei Komponenten deε Reaktantgases; Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform mit mehreren Kana¬ len zur Beschichtung großer Flächen;
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform mit Bohrungen in einem beheizten Gaseinlaßrohr.
Fig. 1 zeigt eine einfache Ausführungεform zur Be- Schichtung kleiner Flächen. Die Einrichtung weist ein Vakuumgefäß (Rekationskammer 1) auf, das mittels einer Pumpe P auf ca. 10~4 mbar evakuiert werden kann. Der heizbare Substrat-Halter 2 hält das Substrat 3. Gegen¬ über liegt daε Gaseinlaß-System. Das Gaseinlaßsystem umfaßt Gasvorratεbehälter 4 (beim gezeigten Ausfüh¬ rungsbeispiel für Wasserεtoff und Methan) . Diesen Be¬ hältern nachgeschaltet ist eine Gasdurchfluß-Regelein¬ richtung 5, von der das geregelte Wasserstoff-Methange¬ misch in den Einlaßstutzen 6 gelangt. Das Gaseinlaß-Sy- stem mündet in einen über eine Keramikhalterung 8 ge¬ haltenen Kanal 7 (Wolframkapillare) , dessen Mündung mit Elektronen-Beschüß geheizt werden kann. Die Kapillare 7 ist einige cm lang, der Innendurchmeεser beträgt ca. lmm, die Wandstärke liegt bei 0,5 mm. Nahe der Mündung (ca. 0,5 - 1 mm Abstand) ist eine Glühkathode 9 ange¬ bracht, die in geheiztem Zustand einen Emissionε-Stro von ca. 50 - 100 mA liefert (Stromversorgung 11) . Di emittierten Elektronen werden durch eine poεitive Vor¬ spannung (über Leitung 10) von ca. 500 V an der Kapil¬ lare auf diese beschleunigt. Die dabei deponierte Lei- stung von 25-50 W reicht aus, um den Mündungεbereich der Kapillare auf über 2000 K zu heizen. Im einfachsten Fall wird ein Gemisch von 90...99% H2 und 1%...10% CH4 durch die Kapillare 8 eingelassen. Bei einem Druck im Gaseinlaßsystem in der Größenordnung von einigen mbar und einem Druck im Reaktionsgefäß 1 in der Größenord- nung von 10 mbar, ist es dann ohne weiteres möglich, Wasserεtoff-Dissoziationsgrade in der Größenordnung von 50% und weit darüber zu erzeugen. Die für die höchste Aufwachsrate und die beste Filmqualität optimale Kon- zentration kann sowohl durch Variation des Druckes alε auch der Temperatur eingeεtellt werden.
Das Aufwachsen der Diamantfilme kann durch Elektronen¬ beschuß unterstützt werden. Da große Spannungsdifferen- zen zwischen den Einlaßkanälen und dem Substrat vermie¬ den werden, um das Brennen einer Plasma-Entladung zu verhindern, können für diesen Zweck auch Hilfs-Glühka- thoden 14 angebracht werden.
Da es εich um ein rein thermisches Verfahren handelt, das auf Plasma-Unterstützung verzichtet, ist auch die Beschichtung von isolierenden Materialien leicht mög¬ lich, ohne daß etwa elektrostatische Aufladungen zu Problemen führen. Somit kann das Verfahren zur Hart- stoffbeschichtung von Werkzeugen, zur Beschichtung op¬ tischer Komponenten, zur Beschichtung von Halb¬ leiterbauteilen und für andere Zwecke eingesetzt wer¬ den.
Eine Verbesserung kann darin bestehen, daß der Wasser¬ stoff und das Kohlenwasserstoffgas durch getrennte Ka- pillaren 7a, 7b eingelassen werden, sodaß der Aktivie¬ rungsgrad für jedes der beiden Gase getrennt optimiert werden kann (Fig.2).
Die Strahlungskühlung reicht aus, daß die Kapillare an ihrem rückwärtigen Ende nur noch ca. 600 - 700°C heiß wird. Sie wird dort über eine bearbeitbare Keramik 8 (z.B. Macor) mit dem Gaseinlaßsystem 6 verbunden. Dabei genügt ein lockerer Paßsitz, eine spezielle Dichtung ist nicht vonnöten, da der Leitwert des Spaltes in der Paεsung in diesem Druckbereich sehr klein ist (molekulare bzw. Übergangs-Strömung, je nach einge¬ stelltem Druck) .
Fig. 3 zeigt eine Ausführung mit Anordnung mehrerer Ka¬ pillaren 7a - 7e zur Beschichtung großer Flächen. Diese Variante unterscheidet sich von der Variante gemäß Fig. 1 im wesentlichen durch die größere Zahl von Ein¬ laßkanälen, die es gestatten, einen gleichmäßigen Gas- fluß über große Flächen zu erzielen. Jeder der fünf Kanäle 7a - 7e hat eine eigene Elektronenstoßheizung, d.h. eine schematisch angedeutete Glühkathode im Be¬ reich seineε freien Endeε.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform mit Bohrungen 7'a in einem Rohr 7' aus Wolfram, das durch direkten Stromdurchgang 12,13 geheizt wird, zur Innen-Beschich- tung von Rohren 3 als Substrat. Bei dieser Variante mündet das Gaseinlaßsystem in ein Rohr 7• mit ringsum angebrachten Bohrungen 7'a, das seinerseits im Inneren des zu beschichtenden Rohres 3 plaziert ist. Im Bereich der Bohrungen 7*a ist die Wandstärke geringer gehalten als an den Enden des Rohres 7• . Die verdickten Enden des Rohres 7' sind mit Stromzuführungen 12,13 in Kon- takt. Bei Stromdurchgang fällt die Ohmsche Leistung I2R vor allem am dünnwandigen Bereich des Rohres 7' ab, da dort der spezifische Ohmsche Widerstand am größten ist. Somit kann das Rohr 7' dort durch Widerstandsheizung auf eine ausreichend hohe Temperatur gebracht werden, um die Aktivierung der austretenden Gase zu gewährlei- sten.
Wenngleich auch die Einrichtung zum Dissoziieren (Kanal samt Heizeinrichtung) oben nur anhand der Anwendung ei¬ ner Diamantfilmbeschichtung näher erläutert worden ist, so ist dennoch klar, daß auch andere Anwendungen denk¬ bar und möglich sind. Beispielsweiεe kann man mittelε einer εolchen Dissoziations-Einrichtung Wasεerstoff na¬ hezu vollständig disεoziieren und dann den atomaren Wasserstoff etwa für allgemeine Studien auf dem Gebiet der Oberflächenphysik heranzuziehen.
Im Gegensatz zu Verfahren, die mit geheizten Wolfram- drähten arbeiten, bildet die Innenwand des Kanals eine wesentlich größere Wechselwirkungsfläche auε, was hohe Disεoziationεgrade ermöglicht.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e :
1. Einrichtung zur Aufbringung diamantartiger Kohlen¬ stoffschichten auf mindestens ein Substrat, mit einer das bzw. die Substrat(e) aufnehmenden evaku¬ ierbaren Reaktionskammer mit mindestens einem in die Reaktionskammer führenden Gaseinlaß für wenig- εtenε ein Reaktantgaε und mit einer Einrichtung zum Aktivieren wenigstens eines Reaktantgases, wo- bei diese Einrichtung mindestens einen Kanal um¬ faßt, durch den das Reaktantgas geführt ist, da¬ durch gekennzeichnet, daß eine gesonderte Heizvor¬ richtung (9, 10, 11) vorgesehen iεt, durch die we¬ nigstens ein Teil der Innenwand deε Kanals (7) be- heizbar ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, daß die HeizVorrichtung das austrittsseitige Ende des Kanals (7) auf eine höhere Temperatur heizt und vorzugsweise nur dieses Ende heizt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Heizvorrichtung eine Elek- tronenεtoßheizung (9, 10, 11) umfaßt, wobei von einer Glühkathode (9) Elektronen e itiert und durch eine Spannung auf den Kanal (7) bzw. dessen Wand beschleunigt werden.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da- durch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung eine ohmische Widerstandsheizung umfaßt, wobei der elektrische Strom vorzugsweise durch die Wandbe¬ reiche deε Kanals geführt wird.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung eine Induktionsheizung mit einer Einrichtung zur Erzeu¬ gung eines magnetischen Wechselfeldes umfaßt.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da- durch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung mit¬ tels elektromagnetiεcher Wellen, inεbesondere Mi¬ krowellen oder Laserlicht arbeitet.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da- durch gekennzeichnet, daß durch zumindest einen beheizten Kanal (7) der Gaseinlaß in die Reakti¬ onskammer erfolgt.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da- durch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere be¬ nachbarte Kanäle (7a, 7b) vorgesehen sind.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich¬ net, daß über alle Kanäle (7) dasselbe Reaktantgas eingelassen wird.
10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich¬ net, daß über verschiedene Kanäle (7a, 7b) unter¬ schiedliche Komponenten des Reaktantgases einge- lassen werden.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktantgas eine Mischung aus zwei oder mehreren Komponenten, vorzugsweise aus einem Kohlenwasserstoffgas und aus Wasser¬ stoffgas ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich¬ net, als Kohlenwasserstoffgaε Methan verwendet wird.
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Wand des Kanals (7) aus Wolfram, Tantal, Osmium, Rhenium, Niob, Molybdän, Ruthenium oder Iridium besteht.
14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Wand des Kanals (7) aus Aluminium-Oxid, beispielsweise Saphir, Chrom- Oxid, Zirkon-Oxid oder aus Karbiden, Nitriden oder Boriden der ϋbergangεmetalle Ti, V, Nb, Ta, oder auε Karbiden oder Boriden von Cr, Mn, Mo, W, oder auε Karbiden von Si, Zr, oder aus Nitriden von AI, Zr oder Bor bestehen.
15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da¬ durch gekennzeichnet, daß der bzw. die Kanäle (7) jeweils durch eine vorzugsweise rohrförmige Kapil¬ lare gebildet ist (sind) .
16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Kapillare(n) (7) eine Länge von eini¬ gen Zentimetern und einen Innendurchmesser im Millimeterbereich aufweisen.
17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da¬ durch gekennzeichnet, daß der bzw. die Kanäle zu¬ mindest teilweise als Bohrung(en) (7'a) in einem Grundkörper ausgebildet ist (sind) .
18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich¬ net, daß der Grundkörper eine Platte ist.
19. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich¬ net, daß der Grundkörper ein Rohr ist.
20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, da¬ durch gekennzeichnet, daß die gesonderte Heizein¬ richtung (9, 10, 11) die Innenwand des Einlaßka¬ nals auf Temperaturen zwischen 1800 K und 2600 K heizt.
21. Einrichtung nach einem der Ansprüche l bis 20, da¬ durch gekennzeichnet, daß der Druck in der Reakti¬ onskammer in der Größenordnung von 10"1 mbar und darunter liegt.
22. Einrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeich¬ net, daß der Druck in der Größenordnung von 10~3mbar und darunter liegt.
23. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, ge¬ kennzeichnet durch von den Kanälen (7) gesonderte Hilfsgluhkathoden (14) , wobei zwischen diesen und dem Substrat eine Spannung angelegt ist, um Elek- tronen auf das Substrat hin zu beschleunigen.
24. Einrichtung zum thermischen Dissoziieren eines Gases, gekennzeichnet durch mindestens einen mit¬ tels einer gesonderten Heizvorrichtung (9, 10, 11) aufheizbaren Kanal, durch den das zu dissoziie¬ rende Gas εtrömt.
25. Einrichtung nach Anspruch 24 mit den kennzeichnen¬ den Merkmalen von einem oder mehreren der Ansprü- ehe 2 bis 20.
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