DE68913883T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Diamantfilmen bei tiefen Temperaturen. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Technik der Diamantfilmabscheidung. Es wird insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von Diamantfilmabscheidungen bei tiefen Temperaturen beschrieben.
• Die Herstellung elektronischer Bauteile erfordert in vielen Fällen harte Oberflächenbeschichtungen, um darunterliegende Materialien zu schützen. In der Technik der Mikroelektronik wird ein Substrat mit einer mikroelektronischen Schaltung mit einer die Packung schützenden Vinylschicht überzogen, die die Oberfläche des Substrats, die die elektronischen Bauteile trägt, frei von Verunreinigungen hält. Auf ähnliche Weise benötigen Magnetplattenmedien, die als Speichermedium in Computerplattenlaufwerken verwendet werden, einen Schutzfilm auf ihrer Oberfläche, der sowohl hart als auch isolierend ist und der das Lesen und Schreiben von Daten auf die Platte nicht stört. Zudem werden künftige Anwendungen von Diamantoberflächen bei der Herstellung von Computerchip-Substraten eine Beständigkeit und eine Fähigkeit zur Wärmeübertragung bieten, die die gegenwärtige Substratkonstruktion übertrifft. Aufgrund ihrer Fähigkeit, Wärme abzuleiten, werden diese Materialien die Herstellung dichterer Schaltungen gestatten.
• Die gegenwärtigen Verfahren für die Herstellung von Diamantfilmen erfordern oft die Verwendung hoher Temperaturen und/oder die Gegenwart zahlreicher Begleitstoffe. Um einen Diamantfilm von ausreichender Reinheit herzustellen, sind langwierige Meßverfahren und eine Überwachung des Systems für kostengünstige Anwendungen mit hohem Ausstoß nicht effektiv.
• Zu den Literaturstellen auf dem Stand der Technik, die diese verschiedenen Verfahren zum Züchten synthetischer Diamantfilme beschreiben, zählen die US-Patentschriften US-A-4 191 735, US-A-3 961 103 und US-A-4 486 286.
• Diese Verfahren verwenden zur Erzeugung von ionischen Teilchen ein Plasma. In der US-Patentschrift US-A-3 961 103 werden die abgelösten Ionen dazu benützt, eine Kathode zu beschießen, um Atome eines gewünschten Materials in eine Entladungskammer, in der sie ionisiert werden, zu sputtern oder zu verdampfen. Das Plasma enthält daher große Konzentrationen der gewünschten Ionenspezies sowie eine Konzentration an Begleitstoffen einer unerwünschten Spezies. Das Substrat, das gesputtert wird, wird direkt übermäßiger Wärme und Begleitstoffen ausgesetzt.
• Die ältere Anmeldung WO-A-88/10321 beschreibt ein Abscheidungssystem mittels eines massenselektierten Ionenstrahls mit einer Ionenquelle, einem Beschleunigungssystem für den Transport des Ionenstrahls, einer Auswahlmöglichkeit für Massen, um nur die gewünschte Spezies zu übertragen, einem Abbremssystem zum Erzielen und zur Steuerung der geringen Ionenenergien, die für die Abscheidung diamantartiger Filme erforderlich sind, einem Aufbau für das Zielsubstrat und einer auf niedrigem Druck gehaltenen Abscheidungskammer, vorzugsweise mit Möglichkeiten für in-situ- Messungen und kontrollierten Gaszutritt, bei dem die Substrattemperatur von Tiefsttemperatur bis oberhalb 1000ºC variiert werden kann.
• Die anspruchsgemäße vorliegende Erfindung löst das Problem, wie man ein Verfahren zur Verfügung stellt, die einen relativ reinen Diamantfilm bei mäßigen Temperaturen erzeugt, die typische Substrate für elektronische Schaltungen nicht nachteilig beeinflussen.
• Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, Diamantfilme auf Substrate aufzubringen, die relativ frei von Begleitstoffen sind.
• Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, bei mäßigen Temperaturen, die ein Substrat nicht nachteilig beeinflussen, Diamantfilme auf ein Substrat aufzubringen.
• Das Problem wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele werden in den jeweiligen Unteransprüchen beansprucht.
• Dementsprechend wird durch die Verwendung einer E-Kanone und eines Kohlenstoffblocks eine Quelle für Kohlenstoffionen erzeugt. Als Elektronenquelle wird ein standardmäßiger Wolfram- Glühfaden einer E-Kanone verwendet, um die Oberfläche eines Kohlenstoffblocks zu verdampfen. Verdampfte Kohlenstoffatome stoßen mit einfallenden Elektronen zusammen und bilden dadurch eine Quelle für Kohlenstoffionen.
• Die Quelle für Kohlenstoffionen wird vorteilhafterweise unterhalb einer mit einer Öffnung versehenen Platte angebracht, die als Kollimator dient. Die mit einer Öffnung versehene Platte leitet die verdampften Kohlenstoffionen in einen Kollimatorstrahl. Auf der anderen Seite der Kollimatorplatte befinden sich zwei elektrostatische Feldelektroden. Die elektrostatischen Feldelektroden sind vorzugsweise symmetrisch bezüglich der Achse der Öffnung in der Kollimatorplatte. Zwischen den elektrostatischen Feldelektroden wird ein elektrisches Feld aufgebaut. Die Kohlenstoffionen, die die Öffnung der Kollimatorplatte verlassen, werden in eine Richtung senkrecht zum parallel gerichteten Strahl abgelenkt. Auf dem Pfad der beschleunigten Kohlenstoffionen befindet sich ein Substrat. Auf den Substraten wird ein Film aus Kohlenstoffionen abgeschieden, der hauptsächlich aus Diamant besteht.
• Der Kohlenstoffionenstrahl steigt aufgrund der Wärme für die Verdampfung des Strahls nach oben. Durch die E-Kanone und Zusammenstöße von Kohlenstoffatome werden ein paar geladene Verunreinigungen erzeugt. Nur die im wesentlichen reinen Kohlenstoffionen gelangen durch die als Schild dienende Kollimatorplatte, wobei sie durch das elektrostatische Feld zum Substrat hin gelenkt werden. Die ungeladenen Teilchen fliegen weiter in einer senkrechten Richtung oberhalb des Substrats und werden nicht auf das Substrat gelenkt.
• Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sowie deren weiteren Aufgaben, Vorteilen und Fähigkeiten wird mit Bezug auf die beiliegenden Abbildungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die Erfindung beschrieben, wobei
• Fig. 1 eine Vorderansicht einer Vorrichtung zum Züchten von Diamantfilmen ist; und
• Fig. 2 eine Seitenansicht der den Diamantfilm erzeugenden Vorrichtung ist.
• Bezug nehmend auf Fig. 1 und 2 wird eine eingehende Darstellung der Vorrichtung zur Herstellung eines Diamantfilms bei tiefen Temperaturen gezeigt. Das Verfahren wird in einer Vakuumkammer 11 durchgeführt, die mit einer Vakuumpumpe 12 verbunden ist. In der Kammer 11 wird ein Vakuum von ungefähr 13,3 mPa (10&supmin;&sup6; Torr) aufgebaut.
• Ein Stützrahmen 13 trägt eine Kollimatorplatte 16 über einer E- Kanonen-Quelle 15. Die Kollimatorplatte 16 enthält eine Öffnung 17, die es einem parallel ausgerichteten Strahl aus Kohlenstoffionen gestattet, durch die Kollimatorplatte zu gelangen. In Fig. 2, die eine Vorderansicht enthält, sind erste und zweite Ablenkelektroden 18 und 19 abgebildet. Die Ablenkelektroden 18 und 19 sind mit einer Spannungsquelle verbunden, deren Potential zwischen 100 und 1.000 Volt gewählt wird. Das Spannungspotential ist vorzugsweise Gleichstrom, der eine elektrostatische Feldstärke von 100 V/cm erzeugt, jedoch kann in einigen Fällen eine zeitabhängige Spannungsrampe oder ein Wechselspannungspotential verwendet werden. Die Ablenkelektroden 18 und 19 befinden sich in gleichem Abstand zur Achse der Öffnung 17. Erstes und zweites Substrat 21 und 22 befinden sich neben den Ablenkelektroden 18 und 19 und auf dem Pfad eines elektrostatischen Felds, das zwischen den Elektroden 18 und 19 aufgebaut ist. In der Vakuumkammer 11 befindet sich eine elektrische Heizung 24, um die Temperatur auf vorzugsweise 200ºC zu halten. Es hat sich herausgestellt, daß eine mäßige Temperatur von 200ºC die gebräuchlichsten Substrate 21 und 22 nicht nachteilig beeinflußt aber das Diamantwachstum fördert.
• Eine Titan-Sublimationspumpe in Verbindung mit einer mit flüssigem Stickstoff gekühlten zylindrischen Oberfläche 28 kann über der Quelle 15 und den Ablenkungsfeldelektroden 18 und 19 verwendet werden, um ungeladene Kohlenstoffspezies einzufangen und ein besseres Vakuum zu erzielen.
• Die E-Kanone 15 kann eine herkömmliche E-Kanonen-Quelle wie die Temescal 10kV-Elektronenkanone sein, die - wie der Fachmann für Vakuumabscheidungsprozesse weiß - eine Leistung von 1-6kW hat. Die E-Kanone 15 ist als unterste Komponente abgebildet und enthält einen Kohlenstoffblock 26, der sich auf dem Pfad einer Elektronenquelle 27 befindet, die der zur E-Kanone 15 gehörige Wolfram-Glühfaden sein kann. Durch die auftreffenden Elektronen verdampft die Oberfläche des Kohlenstoffblocks 26. Die verdampften Teilchen steigen nach oben, und es kommt zu Zusammenstößen mit dem einfallenden Strahl der Elektronenquelle. Die Zusammenstöße und die durch den Betrieb der E-Kanone erzeugten Röntgenstrahlen erzeugen positiv und negativ geladene Kohlenstoffionen. Durch die Verdampfung der Kohlenstoffoberfläche befinden sich die entstehenden Kohlenstoffionen in einem Dampf, der in Richtung der Kollimatorplatte 16 aufsteigt. Die Kollimatorplatte 16 enthält eine Öffnung, um die Kohlenstoffionen durchzulassen. Durch Wechselwirkung von Alkanen wie Methan und n-Butan und den Elektronen der E-Kanone 15 können möglicherweise auch Kohlenstoff- bzw. Kohlenwasserstoffionen erzeugt werden.
• Die parallel gerichteten Kohlenstoffionen sind im Vergleich zu einem herkömmlichen Plasma, das in anderen Zuchtsystemen für Diamantfilme auf dem Stand der Technik verwendet wird, verhältnismäßig rein und enthalten wenig Verunreingungen. Die die Öffnung 17 verlassenden Kohlenstoffionen werden durch das elektrostatische Feld zwischen den Elektrodenplatten 18 und 19 in Abhängigkeit von der Ladungart der passierenden Ionen in Richtung des Substrats 21 oder des Substrats 22 gelenkt. Die Ablenkung des parallel gerichteten Strahls in einem Winkel, der sich im wesentlichen als senkrecht zur Achse der Öffnung 17 erwiesen hat, hilft dabei, die geladenen Ionen von sämtlichen unerwünschten neutralen Spezies zu trennen. Somit werden die Substrate außerhalb einer von der Quelle 15 direkt einzusehenden Linie gehalten. Zusätzlich verleiht die Feldstärke des elektrostatischen Felds den beschleunigten Ionen genügend Energie, um das Diamantwachstum zu fördern. Mit der Zeit wird ein Film aus Diamantmaterial auf jedem der Substrate 21 und 22 abgeschieden. Das obige System ist - je nach Größe der Elektronenquelle 15 - in der Lage, auf den Substraten 21 und 22 Diamantfilm-Schichten mit einer Dicke zwischen wenigen hundert Nanometern x 0,1 (Ångström) und bis zu 1 Mikrometer abzuscheiden. Es wurden Abscheidungsraten von 3 nm/Minute erreicht. Man kann möglicherweise auch ein Magnetfeld dazu verwenden, den Ionenstrahl in einem Winkel zum parallel gerichteten Strahl abzulenken.
• Bei Versuchen, bei denen Vorrichtungen gemäß der Vorhergehenden verwendet wurden, wurden Diamantfilme mit einer Dicke von mehreren hundert bis eintausend Ångström auf NACL-Substraten abgeschieden. Die erhaltenen Substrate und der Diamantfilm wurden sowohl unter optischen Mikroskopen als auch mit Spektrometern betrachtet, um die Reinheit und die Gleichmäßigkeit des Diamantfilms zu bestätigen.
• Mit unserem Verfahren können Filme mit Strukturen und Eigenschaften zwischen amorpher, diamantartiger Natur wie nach dem Stand der Technik bis zu jenen mit polykristalliner Natur hergestellt werden, was durch Analyse der TEM-Beugungsmuster bestätigt wurde. In jedem Fall - amorph oder polykristallin -bestehen die Filme im wesentlichen aus Diamant. Diamantfilme sind dafür bekannt, folgende wünschenswerte physikalischen Eigenschaften zu besitzen:
• 1. sehr hoher spezifischer Widerstand
• 2. unlöslich in HF
• 3. extreme Härte
• 4. durchsichtig im sichtbaren Bereich
• 5. guter Wärmeleiter
• 6. große dielektrische Konstante
• 7. hoher Brechungsindex.
• Das vorstehende Verfahren ist - was Vakuumabscheidungsprozesse betrifft - vergleichsweise kostengünstig, und die meisten Komponenten sind Standard.
• Änderungen der Filmeigenschaften können sowohl durch das Ausmaß der Abschirmung, die dazu verwendet wird, um sicherzustellen, daß eine minimale Anzahl neutraler Kohlenstoffatome am Substrat ankommt, als auch über die Stärke des elektrostatischen Felds, die wiederum bestimmt, wieviel Energie die einfallenden Ionen während der Abscheidung haben, gesteuert werden. Neutrale Kohlenstoffspezies neigen dazu, als Graphit zu wachsen und verhindern den Wachstumprozeß der Diamantstruktur. Kohlenstoffatome besitzen einen kleinen Haftkoeffizienten und prallen von den Wänden und Halterungen von Vakuumsystemen ab und gelangen an Stellen, von denen man zunächst angenommen hatte, daß sie in einem abgeschirmten Bereich des Systems liegen. Diese mehrfachen Flugbahnen der Kohlenstoffatome können jedoch durch geeignete Abschirmung abgeblockt werden, was sicherstellt, daß viel mehr Kohlenstoffionen als neutrale Spezies zum Substrat gelangen und ein Diamantfilm entsteht. Die Qualität dieses Films hängt vom Gehalt an Verunreinigungen in Form neutraler Kohlenstoffspezies ab. Je höher die Verunreinigung ist, desto mehr neigt der Film dazu, amorph zu werden. Eine geringe Verunreinigung führt zu polykristallinen Filmen von hoher Qualität. Ab einer bestimmten kritischen Menge an Verunreinigungen besteht der Film nicht mehr hauptsächlich aus Diamant und wird leitend bzw. weist einen kleineren spezifischen Widerstand auf und verliert seine Durchsichtigkeit. Filme dieser Art können als Widerstände in mikroelektronischen Anwendungen verwendet werden. Andere Verfahren nach dem Stand der Technik, bei denen sich das Substrat in einer direkt einsehbaren Linie mit der Quelle befindet, sind anfällig gegenüber dem Verunreinigungsproblem der Graphitbildung und versuchen, durch verschiedene Techniken zur Entfernung des Graphits wie der gleichzeitigen oder anschließenden Behandlung mit Argon, Wasserstoff, Sauerstoff oder Kohlendioxid damit fertig zu werden. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung erzeugen diese Verfahren Wärme und sind für jedes Chipsubtrat für mikroelektronische Schaltungen schädlich. Für die Herstellung von Diamantfilmen mit dieser Erfindung sind Temperaturen von Zimmertemperatur bis 200ºC geeignet.
• Bei dem vorstehenden Verfahren wird die Temperatur auf mäßigen Werten gehalten, wobei 200ºC zu bevorzugen sind, jedoch fördern auch viel tiefere Temperaturen immer noch das Wachstum des Diamantfilms auf einem entsprechenden Substrat. Die Verwendung der E-Kanone und des Kohlenstoffblocks vermindert den Grad der Verunreinigung, der normalerweise in herkömmlichen plasmaerzeugenden Systemen gefunden wird, und der Grad der Verunreinigung wird ferner durch die Verwendung des mit einer Öffnung versehenen Kollimators auf einem Minimum gehalten.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Herstellung von Diamantfilmen auf einem Substrat (21, 22) bei einer niedrigen Temperatur, im wesentlichen bestehend aus:

einer vakuumdichten Vakuumkammer (11);

einer Kollimatorplatte (16) mit einer Öffnung (17), die einen parallel gerichteten Strahl aus Kohlenstoffionen durch die Kollimatorplatte hindurch läßt;

einer festen Kohlenstoffquelle (15), die auf der ersten Seite der Kollimatorplatte in der Vakuumkammer verdampfte Kohlenstoffionen liefert;

einer ersten und zweiten Ablenkelektrode (18, 19), die sich auf der zweiten Seite der Kollimatorplatte befinden und Abstand voneinander haben und beide den gleichen Abstand von der Achse der Öffnung in der Kollimatorplatte haben, wobei diese Ablenkelektroden zwischen den Elektroden ein elektrostatisches Feld aufbauen;

Substraten (21, 22), die sich neben den Ablenkelektroden und im Pfad des elektrostatischen Felds zwischen den Elektroden befinden;

einer Sublimationspumpe (28), die sich zum Einfangen neutraler Kohlenstoffspezies ebenfalls auf der zweiten Seite der Kollimatorplatte befindet;

Heizmitteln (24) in der Vakuumkammer.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die feste Kohlenstoffquelle (15) im wesentlichen aus folgendem besteht:

einer Quelle (27) für freie Elektronen;

einer Quelle (26) für verdampfte Kohlenstoffatome, wobei diese Kohlenstoffatome mit den freien Elektronen zusammenstoßen, um verdampfte Kohlenstoffionen zu erzeugen.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Quelle für verdampfte Kohlenstoffatome ein Kohlenstoffblock (26) ist.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das elektrostatische Feld im wesentlichen senkrecht zur Achse der erwähnten Öffnung steht und die Kohlenstoffionen, die die Öffnung passieren, in einem Winkel zur Achse der Öffnung zum Substrat (21, 22) hin beschleunigt und die Kohlenstoffionen von anderen geladenen Teilchen, die die Öffnung passieren, trennt.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei das elektrostatische Feld durch eine erste (18) und zweite (19) Ablenkelektrode mit einem Spannungspotential zwischen 100 und 1.000 Volt erzeugt wird.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei sich die Stärke des Spannungspotentials als Funktion der Zeit ändert.

7. Verfahren zur Herstellung von Diamantfilmen auf einem Substrat bei niedriger Temperatur, im wesentlichen beinhaltend Halten einer Temperatur, die etwa 200ºC nicht übersteigt;

Erzeugen eines Stroms aus verdampften Kohlenstoffionen;

Parallelrichten des Stroms aus verdampften Kohlenstoffionen;

Ablenken von Kohlenstoffionen aus diesem parallel gerichteten Ionenstrahl, wobei die Kohlenstoffionen von anderen Teilchen im parallel gerichteten Strahl mit einem Winkel von ungefähr 90º getrennt werden; und

Beschleunigen der abgelenkten Kohlenstoffionen zu einem Substrat, um darauf einen Film abzuscheiden, der im wesentlichen Diamantstruktur besitzt.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei die Kohlenstoffionen durch Zusammenstöße zwischen freien Elektronen und Kohlenstoffatomen erzeugt werden.

9. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei die Kohlenstoffionen durch Wechselwirkung von Alkanen und freien Elektronen erzeugt werden.

10. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 7 bis 9, wobei die Kohlenstoffionen in einem elektrostatischen Feld beschleunigt werden.

11. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das elektrostatische Feld eine Stärke von 100 V/cm besitzt.