Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
PROCESS FOR DEPOSITING SMOOTH POLYCRYSTALLINE LAYERS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1993/025725
Kind Code:
A1
Abstract:
A process for depositing smooth polycrystalline layers, especially diamond layers, comprises two steps. In a first step the <100> crystal direction of an octahedron (8, 38) is grown with a growth parameter $g(a) of about 3, preferably over a layer thickness of between 400 and 600 times the mean seed distance on the substrate. In a second step, by reducing the growth parameter $g(a), surfaces are generated perpendicularly to this <100> crystal direction and enlarged until they completely cover the surface of the polycrystalline layer. Here, the growth parameter $g(a) is given by $g(a) = V¿100?/V¿111??.¿$m(r)3, the growth rates of the crystal on {100} and {111} surfaces being given by V¿100? and V¿111?. This two-step process makes it possible to produce smooth polycrystalline diamond layers in millimetre thicknesses with a roughness in the 100 nanometre range.

Inventors:
Wild, Christoph (Berliner Strasse 15/3, Denzlingen, D-7819, DE)
Koidl, Peter (Bergstrasse 2, Denzlingen, D-7819, DE)
Müller-sebert, Wolfgang (Schönbergstrasse 6, Merdingen, D-7801, DE)
Walcher, Herbert (Vogesenstrasse 17, Waldkirch-Buchholz, D-7808, DE)
Eckermann, Thomas (Markgrafenstrasse 57, Emmendingen, D-7830, DE)
Application Number:
PCT/DE1993/000505
Publication Date:
December 23, 1993
Filing Date:
June 08, 1993
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
Fraunhofer-gesellschaft V, Zur Förderung Der Angewandten Forschung E. (Leonrodstraße 54, München, D-80636, DE)
Wild, Christoph (Berliner Strasse 15/3, Denzlingen, D-7819, DE)
Koidl, Peter (Bergstrasse 2, Denzlingen, D-7819, DE)
Müller-sebert, Wolfgang (Schönbergstrasse 6, Merdingen, D-7801, DE)
Walcher, Herbert (Vogesenstrasse 17, Waldkirch-Buchholz, D-7808, DE)
Eckermann, Thomas (Markgrafenstrasse 57, Emmendingen, D-7830, DE)
International Classes:
C23C16/02; C23C16/27; C23C16/52; C30B25/02; (IPC1-7): C23C16/26; C23C16/52; C23C16/02; C30B25/02
Foreign References:
EP0365366A11990-04-25
EP0343846A21989-11-29
Other References:
ELECTROCHEMICAL SOCIETY PROCEEDINGS Bd. 91-8, 1991, U.S.A Seiten 224 - 239 C. WILD ET AL. 'TEXTURED GROWTH AND TWINNING IN POLYCRYSTALLINE CVD DIAMOND FILMS' in der Anmeldung erwähnt
HIROMITSU KOZUKA, SUMIO SAKKA: "PREPARATION OF GOLD COLLOID-DISPERSED SILICA COATING FILMS BY THE SOL-GEL METHOD.", CHEMISTRY OF MATERIALS, AMERICAN CHEMICAL SOCIETY, US, vol. 05., no. 02., 1 February 1993 (1993-02-01), US, pages 222 - 228., XP000356289, ISSN: 0897-4756, DOI: 10.1021/cm00026a013
GEIS M. W.: "DEVICE QUALITY DIAMOND SUBSTRATES.", DIAMOND AND RELATED MATERIALS., ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS, AMSTERDAM., NL, vol. 01., no. 05 / 06., 15 April 1992 (1992-04-15), NL, pages 684 - 687., XP000356302, ISSN: 0925-9635, DOI: 10.1016/0925-9635(92)90191-P
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 13, no. 145 (C-583)(3493) 10. April 1989
DATABASE WPI Section Ch, Week 2291, Derwent Publications Ltd., London, GB; Class C30, AN 91-159309 Ç22!
SCIENCE Bd. 247, 9. Februar 1990, PA, US Seiten 688 - 696 YARBROUGH ET AL 'CURRENT ISSUES AND PROBLEMS IN THE CHEMICAL VAPOR DEPOSITION OF DIAMOND'
Attorney, Agent or Firm:
Rackette, Karl (Kaiser-Joseph-Strasse 179, Postfach 13 10, Freiburg, D-79013, DE)
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zur Abscheidung glatter polykristalliner Schichten, insbesondere Diamantschichten, auf Substraten, bei dem in einem ersten Schritt Kristalle aufgewachsen werden, deren <100>Kristallrichtung senkrecht zur Sub stratoberflache ausgerichtet ist, und bei dem in einem zweiten Schritt senkrecht zu dieser <100>Kristallrichtung Flächen erzeugt und vergrößert werden, bis diese die Ober¬ fläche der polykristallinen Schicht vollständig bedecken.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Schritt ein Oktaeder mit einem Wachstumsparameter α von ungefähr 3 aufgewachsen wird, daß im zweiten Schritt der Wert des Wachstumsparameters α abgesenkt wird, wobei der Wachstumsparameter α durch α = v100/vlx_.~ gegeben ist, wobei mit v100 und v.^ die Wachstumsraten des Kristalls auf {100} bzw. {111}Flächen bezeichnet sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Schritt ein Wachstumsparameter α von größer als 2,95 verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Schritt ein Wachstumspara¬ meter α zwischen 2,5 und 2,9 verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß bei einer vorgegebenen Ausgangs¬ keimdichte mit mittlerem Keimabstand d0 bei einer Schichtdicke von größer als 100 • d0 zwischen dem ersten und dem zweiten Verfahrensschritt umgeschaltet wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß ein Substrat mit einer Ausgangs keimdichte mit einem mittleren Keimabstand d0 verwendet wird, der kleiner als ein Mikrometer ist.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß ein Zwischenschritt zwischen dem ersten und dem zweiten Verfahrensschritt vorgesehen ist, in dem die Verfahrensbedingungen von denen des ersten Verfah¬ rensschrittes zu denen des zweiten Verfahrensschrittes hin kontinuierlich verändert werden.
8. Nach dem Verfahren nach einem der vorstehenden An¬ sprüche hergestelltes Optikfenster.
9. Optikfenster nach Anspruch 8, das über eine gekrümmte Oberfläche verfügt, wobei die Diamantschicht auf ein Sub¬ strat mit einer der besagten gekrümmten Oberfläche kom¬ plementären Oberfläche abgeschieden wird.
10. Nach dem Verfahren nach einem der vorstehenden An sprüche 1 bis 7 hergestellte Wärmesenke.
Description:
Verfahren zur Abscheidunq glatter polykristalliner Schichten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abscheidung glat¬ ter polykristalliner Schichten, insbesondere Diamantschich¬ ten, auf Substraten.

Polykristalline Schichten, insbesondere Diamantschichten, die bei niedrigen Drücken aus der Gasphase ausgeschieden werden, zeichnen sich in der Regel durch eine große Ober¬ flächenrauhigkeit aus, die mit zunehmender Schichtdicke zunimmt. Durch diese Oberflächenrauhigkeit werden viele potentielle Anwendungen polykristalliner Diamantschichten verhindert. Grundsätzlich ist es natürlich möglich, die Oberflächenrauhigkeit polykristalliner Diamantschichten nach der Abscheidung durch geeignete Polierverfahren zu reduzieren. Diese Verfahren sind jedoch sehr aufwendig und führen speziell bei größeren Flächen zu unzureichenden Ergebnissen.

In dem Übersichtsartikel von P.K.Bachmann, D.Leers, D.U.Wiechert im Journal der Physique IV, Colloque C2, suppl. au Journal de Physique II, Vol. 1, S. C2-907 - C2- 913 (1991), sind eine Reihe von Verfahren zur Abscheidung von Diamantkristallen aus der Gasphase beschrieben. Mit allen diesen ganz unterschiedlichen Verfahren ist es mög¬ lich, vorgegebene Diamantkristalle zu vergrößern bzw. auf Fremdsubstraten polykristalline Diamantschichten abzuschei¬ den. Dabei sind es lediglich die jeweilig vorbestimmten Prozeßparameter, wie es aus dem dort dargestellten Phasen¬ diagramm hervorgeht, die die Art des abgeschiedenen Dia- mants bestimmen. Die Wahl des Verfahrens, d.h. ob aus der Gasphase mit Hilfe eines Glühdrahts, mit Mikrowellenunter¬ stützung oder in der Flammensynthese abgeschieden wird, spielt grundsätzlich keine Rolle.

Auf Fremdsubstraten beginnt das Wachstum an diskreten Nukleationszentren. Die dort gebildeten Diamantkristalle wachsen sukzessive, bis sie sich berühren und eine ge¬ schlossene Schicht bilden. Im weiteren Verlauf des Schicht- Wachstums findet ein Keimauslesemechanismus statt, d.h. einzelne Diamantkristalle werden nach und nach von benach¬ barten Kristallen überwachsen. Mit zunehmender Schichtdicke bleiben immer weniger Kristalle übrig, so daß die Schicht sukzessive grobkörniger wird. In der Regel führt dieser Keimauslesemechanismus zu einer Zunahme der Oberflächenrau¬ higkeit mit zunehmender Schichtdicke.

Es sind auch polykristalline Diamantschichten mit unter¬ schiedlichen Texturen bekannt. In allen Fällen besteht eine Kopplung zwischen Texturachse und der Oberflächenmorpholo¬ gie. So besteht die Oberfläche von 110-texturierten Schich¬ ten aus stark geneigten {111}-Facetten. Schichten mit einer <100>-Texturachse zeigen eine rauhe Oberfläche mit {100} und {111}-Facetten. Der Versuch, die {100}-Facetten auf Kosten der {111}-Facetten durch geeignete Abscheidebedinun- gen zu vergrößern, führt zu einer Verkippung der {100}- Facetten und somit wieder zu einer erhöhten Rauhigkeit. In dem Artikel von C.Wild, P.Koidl, N.Herres, W.Müller-Sebert und T.Eckermann in "Proceedings of the Second International Symposium on Diamond Materials" in Electroσhem.Soc.Proc. 91-8, 224 (1991) werden die Wachstumsbedingungen für ver¬ schiedene Texturachsen beschrieben. Beim Aufwachsen von Diamant-Kristallen gemäß diesen Bedingungen ist es aber lediglich gelungen, die genannten verkippten {100}-Facetten zu erhalten, wobei der inhärente Kippwinkel die Rauhigkeit der Oberfläche erhöht und die seitlichen Nicht-{100}-Facet¬ ten z.B. eine geringere Widerstandsfähigkeit gegenüber aggressiven Medien zeigen.

Die DE 41 38 121 AI beschreibt ein Verfahren zur Herstel¬ lung einer polykristallinen Schicht, hier Silizium, wobei

die einzelnen Kristalle mit der <100> - Richtung senkrecht zum Substrat ausgerichtet sind. Es handelt sich um ein Zwei-Schritt-Verfahren, wobei in einem ersten Schritt Kristallteilchen auf das Substrat aufgebracht und so ausge- richtet werden, daß ein hoher Prozentsatz der aufgebrachten Körner mit der <100> - Richtung nach oben zeigen. Gemäß der DE 41 38 121 AI werden die orientierten makroskopischen Keimkristalle überwachsen, so daß sich eine geschlossene Schicht bildet. Dabei werden keine zur <100>- Richtung senkrechten Oberflächenfacetten gebildet, sondern die Keimkristalle wachsen lokal epitaktisch weiter, d.h. unter Beibehaltung ihrer Kristallorientierung und Oberflächen¬ form. Alle Keimkristalle weisen eine einzige {100}-Fläche auf, nämlich die Fläche, die zur orientierten Aufbringung an das Substrat im ersten Schritt benötigt wird. Alle anderen Flächen sind von {100} verschieden. Damit besteht die Oberfläche des Filmes aus zur Substratoberfläche ge¬ neigten Flächen. Diese Oberfläche weist den Nachteil auf, daß sie mikroskopisch rauh ist.

Die US 5,006,203 beschreibt ein Mehrschritt-Verfahren zur Abscheidung eines Diamantfilmes, bei dem sich die Verfah¬ rensschritte durch Veränderungen der Abscheidebedingungen unterscheiden. Im ersten Schritt wird eine diamantartige Schicht abgeschieden, die Nukleationskeime großer Dichte für die in dem zweiten Schritt abzuscheidende Diamant¬ schicht ergeben soll. Eine kristalline Ausrichtung der Diamantschicht wird nicht erzielt. Dies geht bereits aus dem verwendeten Begriff der "diamantartigen Kohlenstoff- schicht" hervor. Dieser Begriff beschreibt wohl definierte amorphe, nicht kristalline Kohlenstoffschichten mit einem hohen Anteil von vierfach koordiniertem Kohlenstoff. Diese nicht-kristallinen Schichten unterscheiden sich vollständig von kristallinem Diamant. Da keine kristalline Struktur vorliegt, kann dementsprechend auch keine kristallogra- phische Richtung ausgebildet werden.

Die US 5,114,696 verfeinert das Verfahren der US 5,006,203, wobei auch hier relativ dünne Diamantschichten mit relativ kleinen Kristallkörnern erhalten werden. Die kleine Korn¬ größe ergibt nach Angaben des Erfinders ein verbessertes elektrisches Widerstandsverhalten. Durch das mehrmalige Aufbringen von diamantartigen Kohlenstoff werden sekundäre Keime erzeugt, die das Kornwachstum und eine damit eventu¬ ell verbundene Ausbildung einer Vorzugsorientierung verhin¬ dern.

Der in beiden obigen Patentschriften verwendete Begriff der diamantartigen KohlenstoffSchicht ist z.B. unter anderem in dem Artikel von J.C.Angus, "Diamond and dia ond-like films" in Thin Solid Films, Vol. 216, S.126-133 (1992) definiert und verwendet worden.

Aus dem Artikel von M.W.Geis in "Diamond and Related Mate¬ rials", l, 684-687 (1992) ist ein anderer Lösungsansatz zur Herstellung einer glatten Diamant-Oberfläche bekannt. Hier wird ein Siliziumsubstrat derart vorgeätzt, daß es auf der Oberfläche eine Matrix von Lochstrukturen erhält, deren Seitenwände jeweils {111}-Ebenen entsprechen. Ein Loch¬ element hat z.B. eine Seitenlänge von 100 Mikrometer. In dieses vorgeätzte Siliziumsubstrat werden dann oktaedrische Diamantkristallkeime eingesetzt. Die Diamantkristallkeime werden im wesentlichen durch Schütteln der Keime in einer über dem Substrat stehenden Lösung verteilt und sinken bei geeigneter Manipulation des Substrates und der Lösung in die Löcher. Anschließend wird die Diamantschicht aufge- wachsen, in dem die Verfahrens-Einstellungen für das auf {100}-Flächen ausgerichtete Wachstum benutzt werden.

Damit ist eine im wesentlichen glatte Oberfläche erzeugbar. Diese enthält aber verfahrensbedingt einige Fehlstellen. Diese beruhen insbesondere: auf der Existenz nicht gefüll¬ ter Lochelemente des Siliziumsubstrates, auf Kristallfeh-

lern der Diamant-Keime, auf Ungenauigkeiten in der Form und Fehlern in den Lochelementen im Siliziumsubstrat selber und schließlich auf fehlerhaften Anordnungen der Keime in den Lochelementen mit z.B. seitlichen Winkelabweichungen der Keime.

Neben diesen die Perfektion der erzeugten Oberfläche her¬ absetzenden Fehlern, die beim Aufwachsen nicht behoben werden können, ist weiterhin nur eine glatte Seite erzeug- bar. Weiterhin kann diese Schicht nur auf Silizium-Sub¬ straten aufgebracht werden. Bei anderen Fremdsubstraten versagt dieses Verfahren.

Dies ist bei Anwendungen des erzeugten Kristalls in der Optik nicht ausreichend. Die Möglichkeit nach einem Entfer¬ nen des Siliziumsubstrates den Diamanten auf der anderen Seite ebenfalls aufzuwachsen, ist prinzipiell durchführbar, führt aber zum einen Qualitätsverluste mit sich und zum anderen sind damit z.B. keine gekrümmten abbildenden opti- sehen Elemente erzeugbar. Schließlich erfordert dieses Verfahren nach dem Stand der Technik eine aufwendige und mehrstufige Fertigung mit unterschiedlichsten Geräteanfor¬ derungen und zudem die Bereithaltung einer entsprechenden Menge an oktaedrischen Diamant-Keimen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem auf beliebigen Fremdsub¬ straten glatte polykristalline Schichten, insbesondere Diamantschichten, abgeschieden werden können, die sich auch bei großen Schichtdicken von über 100 μm durch eine sehr geringe Oberflächenrauhigkeit auszeichnen. Ferner ist es ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, daß eine einfache Herstellung von verschiedensten optischen Fenstern gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verfahren zur Abscheidung glatter polykristalliner Schich¬ ten, insbesondere Diamantschichten, auf Substraten zwei Verfahrensschritte aufweist, bei dem in einem ersten Schritt Kristalle aufgewachsen werden, deren <100>-Kri- stallrichtung senkrecht zur Substratoberfläche ausgerichtet ist, und bei dem in einem zweiten Schritt senkrecht zu dieser <100>-Kristallrichtung . Flächen erzeugt und vergrö¬ ßert werden, bis diese die Oberfläche der polykristallinen Schicht vollständig bedecken.

Mit dem vorliegenden Verfahren ist es möglich, glatte Schichten mit fast ausschließlich {100}-Facetten an der Oberfläche abzuscheiden. Neben der für viele Anwendungen wichtigen Glattheit der Schichten beinhaltet dieses Ver¬ fahren weitere Vorteile. So ist bekannt, daß im Vergleich zu den {111}-Flächen bei dem Wachstum auf {100}-Flächen weit weniger Defekte in das Kristallgitter eingebaut wer¬ den. Darüber hinaus sind reine {100}-Flächen sehr viel unempfindlicher gegenüber Oxydation bei thermischer Bela¬ stung.

Vorzugsweise wird zwischen dem ersten und dem zweiten Ver¬ fahrensschritt bei einer vorgegebenen Ausgangskeimdichte mit mittlerem Keimabstand d 0 bei einer Schichtdicke zwi¬ schen 400 und 600 mal d 0 umgeschaltet.

Vorteilhafterweise werden Substrate verwendet, die eine Ausgangskeimdichte mit einem mittleren Keimabstand d 0 von kleiner als einem Mikrometer aufweisen.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Zwischenschritt zwischen dem ersten und dem zweiten Ver¬ fahrensschritt vorgesehen, in dem die Verfahrensbedingungen von denen des ersten Verfahrensschrittes zu denen des zweiten Verfahrensschrittes hin kontinuierlich verändert

werden. Dies verringert mögliche, durch die Umschaltung hervorgerufene Störstellen.

Mit dem Verfahren nach der Erfindung sind Optikfenster mit einer gekrümmten Oberfläche herstellbar, wobei die Diaraant- schicht auf ein Substrat mit einer der besagten gekrümmten Oberfläche komplementären Oberfläche abgeschieden wird. Schließlich sind aufgrund der möglichen Schichtdicke der glatten Diamantschichten auch Wärmesenken realisierbar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Computersimulation des AufWachsens von kubo-oktaedrischen Kristallen gemäß einem Ver- fahren nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine Ansicht der verschiedenen Kristallmorpholo¬ gien bei unterschiedlichen Werten des Parameters α,

Fig. 3 eine Computersimulation des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Durchführung und nach Beendigung des ersten Verfahrensschrittes, d.h. dem Aufwach¬ sen von oktaedrischen oder pseudo-oktaedrischen Kristallen, bei denen die <100>-Richtung senk¬ recht zur Substratoberfläche steht,

Fig. 4 eine Computersimulation des Verfahrens nach dem

Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Durchfüh- rung und Beendigung des zweiten Verfahrensschrit-

tes, d.h. dem Aufwachsen von kubo-oktaedrischen Kristallen,

Fig. 5 ein Diagramm, das die momentane Rauhigkeit der erzeugten Oberfläche in jedem Stadium des Ver¬ fahrens nach der Erfindung zeigt,

Fig. 6 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der eingestellten Temperatur beim Mikrowellen-unter- stützten Abscheiden aus der Gasphase und dem

Wachstumsfaktor α aus der Fig. 2 darstellt,

Fig. 7 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der eingestellten Methankonzentration beim Mikrowel- len-unterstützten Abscheiden aus der Gasphase und dem Wachstumsfaktor α aus der Fig. 2 darstellt, und

Fig. 8 ein Streulichtdiagramm der reflektierten Intensi- tat eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Dia ant-Polykristalls.

Die Fig. 1 zeigt eine zweidimensionale Computersimulation des Aufwachsens von kubo-oktaedrischen Kristallen gemäß dem Stand der Technik. Auf einem Substrat 4 sind Keime 1 ver¬ teilt. Die hier beispielhaft fünf Keime 1 sind entlang einer hier eindimensionalen Achse 2 der Substratoberfläche 4 angeordnet. Diese hat definitionsgemäß die Länge von 5-d 0 , wobei d 0 als mittlerer Keimabstand definiert ist. Die vertikale Achse 3 entspricht der Aufwuchsrichtung.

Bei den Keimen 1 wird mit Hilfe der Verfahrensparameter ein Habitus in der Form eines Kubo-Oktaeders 6 entsprechend der Fig. 2 mit großen {111} und kleinen {100}-Flächen einge- stellt.

Dabei ergibt sich bei einem Wachstum über eine Vielzahl von Keimdicken d 0 ein Keimsterben. Wie in der Fig. 1 zu erken¬ nen ist, verbleiben schon nach einer Schichtdicke von weni¬ gen d 0 einige {100}-Facetten 9 an der Oberfläche, während andere {111}-Facetten 10 bereits von einem Nachbarkeim überwachsen werden. Dies ist deutlich an dem fast ver¬ schwundenem Keim am Punkte 11 zu erkennen, dessen {111}- Facette 10' ebenfalls überwachsen werden wird.

Das entscheidende Kriterium für das Überleben eines Dia¬ mantkeims ist die vertikale Wachstumsgeschwindigkeit, d.h. in Richtung der Achse 3. Da die Wachstumsgeschwindigkeit richtungsabhängig ist, hängt die vertikale Wachstumsge¬ schwindigkeit von der Orientierung der Keime 1 ab. Sie ist am größten, wenn die Richtung der größten Wachstumsge¬ schwindigkeit senkrecht zur Substratoberfläche 4 ausgerich¬ tet ist. Die größte Wachstumsgeschwindigkeit entspricht aber nicht der durch den einfachen Abstand zweier gegen¬ überliegender Flächen vorgegebenen Richtung, sondern ent- spricht der Richtung des größten Durchmessers des jeweili¬ gen Kristalls, d~ * h. z.B. der in der Fig. 2 eingezeichneten Richtung der Verbindungsgeraden 12 -> 13. Dies bedeutet, daß bei dem in der Fig. 1 skizzierten Verfahren nach dem Stand der Technik mit sinkendem Wachstumsparameter α die {100}-Facetten nicht wie gewünscht parallel zum Substrat 4 nach oben wachsen, sondern diese {100}-Facetten in einem mit sinkendem α immer größer werdenden Kippwinkel zu der Oberfläche stehen.

Der Keimauslesemechanismus führt zur Bildung einer Textur, d.h. zu einer Vorzugsorientierung bestimmter Kristallrich¬ tungen senkrecht zur Substratoberfläche. Dabei entspricht die Texturachse der Richtung der größten Wachstumsgeschwin¬ digkeit. Diese wiederum läßt sich durch Variation der Prozeßbedingungen bei der Abscheidung beeinflussen. Eine entscheidende Rolle spielt dabei der Wachstumsparameter α.

der durch α = v 100 /v •77 gegeben ist, wobei mit v 1O0 und v xll die Wachstumsraten auf {100}- bzw. {111}-Flächen bezeichnet sind. Fig. 2 zeigt die Morphologie isolierter Keime und die Richtungen der größten Wachstumsgeschwindigkeit, die von diesem Wachstumsparameter α abhängen und sich aus der Verbindungsgerade zwischen den mit 12 und 13 gekennzeichne¬ ten Punkten ergeben.

Die Fig. 2 zeigt eine Ansicht der verschiedenen Kristall- morphologien bei unterschiedlichen Wachstumsparameter α. Der Wachstumsparameter α ist dabei zwischen 1 und 3 darge¬ stellt, wobei sich respektive ein Würfel und ein Oktaeder bilden würden.

Der mit dem Bezugszeichen 38 versehene auch als pseudo¬ Oktaeder bezeichnete Kristall entspricht im wesentlichen einem Oktaeder, er verfügt lediglich an den Spitzen des Oktaeders über sehr kleine {100}-Facetten. Bei einem Wert von α von 2,95 ergibt sich dabei eine Abweichung der <100>- Richtung von der Verbindungsgerade 12—>13 von ungefähr 1°.

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Computersimulation des Zwei- Schritt-Verfahrens nach der Erfindung. Das Programm berech¬ net in zwei Dimensionen 2, 3 die zeitliche Entwicklung 15 der Wachstumsfront 16 einer polykristallinen Schicht. Aus¬ gangssituation ist ein Substrat 4, das statistisch mit Nukleationskeimen bedeckt ist. Dabei ist mit d 0 der mitt¬ lere Abstand zwischen diesen Keimen bezeichnet. Es werden dabei mittlere Abstände von 1 μm bis unter 1/10 μm reali- siert. Es bleibt festzuhalten, daß die Fig. 3 die Auf achs- prozesse in der Zeit in einem gegenüber Fig. 1 erheblich größeren Maßstab darstellt. Es sind über 1000 Keime in dem dargestellten Fenster zu sehen. Das Substrat 4 kann z.B. aus Silizium, aber auch aus jedem anderen Halbleiter oder auch z.B. aus metallischem Material bestehen.

Die Fig. 3 zeigt nun die Computersimulation des Verfahrens nach beendigter Durchführung des ersten Verfahrensschrit¬ tes, d.h. dem Aufwachsen von oktaedrischen oder pseudo- oktaedrischen Kristallen.

Für diesen ersten Verfahrensschritt werden die Prozeßpara¬ meter so gewählt, daß die Wachstumsgeschwindigkeit in der Kristallrichtung <100> maximal ist. Dies ist dann der Fall, wenn der in Fig. 2 dargestellte Wachstumsparameter α nahe bei 3, gleich 3 oder auch größer als 3 ist. Unter dieser Bedingung wachsen die Diamantkristalle in der Form von Oktaedern 8 oder Pseudo-Oktaedern 38 auf. Pseudo-Oktaeder 38 weisen bereits sehr kleine {100]-Flächen auf, die den Ausrichtungsprozeß aber nicht behindern. Durch Keimauslese bleiben im Laufe des Schichtwachstums nur die Keime 1 übrig, deren Oktaederspitze senkrecht zur Substratober¬ fläche 4 ausgerichtet ist. Dies ist in der zweidimensiona- len Simulation der Fig. 3 daran zu erkennen, daß die {111}- Facetten 10 der verbleibenden Keime 1 in einem Winkel von 45° zur Substratschicht 4 stehen. Bei einem dreidimensiona¬ len Kristall beträgt der genannte Winkel zwischen den <100>- und <111>-Richtungen 54,7 ° . Diese Ausrichtung der Keime 1, d.h. die Einstellung auf einen Wachstumsparameter von α«3 wird z.B. durch die unten genannten Prozeßparameter erreicht.

Nach dem ersten Schritt des Zwei-Schritt-Verfahrens zeich¬ net sich die Schicht 20 durch eine sehr rauhe Oberfläche 21 und durch eine starke Vorzugsorientierung der Kristalle aus. Die Spitzen der Oberfläche sind als Keimspitzen 1 alle parallel zur Wachstumsrichtung ausgerichtet.

Die Fig. 4 zeigt die weitere Computersimulation des Ver¬ fahrens nach Durchführung des zweiten Verfahrensschrittes, d.h. dem Aufwachsen von kubo-oktaedrischen Kristallen.

Im zweiten Schritt des Abscheideverfahrens wird der in Fig. 2 dargestellte Wachstumsparameter α auf einen Wert kleiner als 3 verringert. Dadurch bilden sich an der Oktaederspitze {100} Flächen, die sukzessive größer werden und schließlich die gesamte Oberfläche 21 der polykristallinen Schicht 20 bedecken. Die Beeinflussung des Wachstumsparameters a geschieht z.B. bei festgehaltener Prozeßgasmischung von Methan und Wasserstoff durch Variation und exakte Kontrolle der Substrattemperatur. Eine Erhöhung der Substrattempera- tur bewirkt die angestrebte Verringerung des Wachstums¬ parameters α. Alternativ kann auch der Gehalt des Kohlen¬ wasserstoffs verringert oder der Gasdruck in der Kammer verändert werden. Dabei ist darauf zu achten, daß alle Verfahrensparameter, z.B. die Temperatur je nach eingesetz- tem CVD-Verfahren untereinander gekoppelt sind, und diese für eine Verringerung des Wachstumsparameters α einzustel¬ len sind.

Während des zweiten Schrittes, während also die Wachstums- parameter geändert sind, bilden sich an den Spitzen kleine Flächen, die aufgrund der Vorzugsorientierung der Spitzen 1 parallel zur Substratoberfläche 4 orientiert sind. Diese Flächen werden sukzessive größer und bedecken nach einiger Zeit die gesamte Oberfläche. Zu diesem Zeitpunkt ist dann die Oberfläche 21 von den Rauhigkeiten im wesentlichen befreit.

Die Fig. 5 zeigt ein Rauhigkeits-Diagramm, das die jeweili¬ ge Rauhigkeit 25 in Größen des mittleren Keimabstandes d Q der erzeugten Oberfläche 22 in jedem Stadium des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens zeigt, wobei sich der Verfahrens¬ fortschritt aus der abgeschiedenen Schichtdicke 26 ergibt.

Die Rauhigkeit 25 der Schichtoberfläche 22 wird als Funk- tion der mittleren Schichtdicke verwendet. Es läßt sich unschwer erkennen, daß im ersten Schritt 27 des Abscheide-

Verfahrens die Rauhigkeit 25 monoton ansteigt, diese nach der Änderung der Wachstumsbedingungen nach einer Schicht¬ dicke 20 von d=450»d o im zweiten Schritt 28 stark abfällt und schließlich ein Minimum erreicht und danach wieder leicht ansteigt. Die erreichte minimale Rauhigkeit 25 beträgt dabei 0,3«d o und kann bei genügend hoher Keimdichte im Nanometerbereich liegen und wird dann ein Viertel des Wertes der üblichen Lichtwellenlängen im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich unterschreiten.

Bei Raster-Elektronen-Mikroskopie-Aufnahmen einer solcher¬ art hergestellten Diamantschicht, deren Oberfläche aus {100}-Flächen gebildet wird, zeigt sich z.B. bei einer Schichtdicke von 150 μm eine Oberflächenrauhigkeit 25 von 60 Nanometer.

Die Fig. 6 zeigt ein Diagramm, das den Zusammenhang zwi¬ schen der eingestellten Substrat-Temperatur 32 beim Mikro- wellen-unterstützten Abscheiden und dem Wachstumsfaktor α beschreibt. Bei einem Einsatz des erfindungsgemäßen Ver¬ fahrens im Rahmen einer Diamantkristallabscheidung mit einem CVD-Verfahren (chemical vapour deposition) , d.h. bei einem Abscheiden des Materials aus der Gasphase, ist hier bei einer Mikrowellen unterstützten Abscheidung ein Wachs- tumsparameter α von drei bei einem Gasgemisch von 1 bis 3 Prozent Methan in Wasserstoff und einer Substrattemperatur von ungefähr 750 bis 870 Grad Celsius bei einem Druck von 5000 Pascal erreichbar. Beim zweiten Verfahrensschritt wird die Temperatur 32 des Substrats 4 in den Bereich von 930 bis 1000° Celsius erhöht, ohne dabei die stoffliche Zu¬ sammensetzung des Gasgemisches zu ändern. Dabei sinkt dann der Wachstumsparameter α in seinem Werte auf z.b. 2,5 bis 2,7 ab.

Wenn als Regelgröße die Temperatur 32 eingesetzt werden soll, ist die genannte Temperatur 32 in Abhängigkeit von

den anderen Verfahrensparametern so einzustellen, daß sich im ersten Verfahrensschritt ein Wachstumsparameter α von im wesentlichen 3 und im zweiten Schritt ein kleinerer Wachs¬ tumsparameter α ergibt, der vorteilhafterweise zwischen 2,5 und 2,7 liegt. Dann wird im ersten Schritt die Wachstums¬ richtung auf die <100>-Richtung eingestellt und die auf¬ wachsenden Kristalle derart orientiert, so daß bei einem Wechsel der Verfahrensbedingungen die einmal eingestellte <100>-Richtung beibehalten wird, so daß entgegen der übli- cherweise vorgegebenen Wachstumsrichtung gemäß einer Ver¬ bindungsgeraden 12 —> 13 die {100}-Facetten exakt parallel zur Substratoberfläche 4 aufwachsen und sich eine geschlos¬ sene plane Diamantoberfläche ergibt.

Bei der Mikrowellen-unterstützten Abscheidung ist eine solche Veränderung von α ebenfalls mit einer Absenkung des Methangehaltes der Wasserstoffatmosphäre zu erreichen.

Die Fig. 7 zeigt ein Diagramm, das den Zusammenhang zwi- sehen der eingestellten Methankonzentration 33 beim Mikro¬ wellen-unterstützten Abscheiden aus der Gasphase und dem Wachstumsfaktor α aus der Fig. 2 darstellt. Ausgehend von einer Methankonzentration von z.B. 2,0 Prozent in Wasser¬ stoff im ersten Verfahrensschritt wird im zweiten Verfah- rensschritt diese Konzentration 33 auf Werte von z.B. um 1,5 Prozent Methan in Wasserstoff abgesenkt, so daß sich der Wachstumsparameter α zu Werten von ungefähr 2,5 hin verschiebt.

Dabei ist es natürlich ebenfalls möglich, anstelle eines abrupten Übergangs vom ersten Verfahrensschritt auf den zweiten Verfahrensschritt die Verfahrensbedingungen flie¬ ßend kontinuierlich zu verändern und unter kontinuierlicher Veränderung der Gaszusammensetzung 33 und/oder langsamer kontinuierlicher Veränderung der Substrattemperatur 32 von dem ersten Schritt auf den zweiten überzugehen. Dies ent-

spräche einem Abfahren der in den Fig. 6 und 7 gezeigten Kurven von dem einen vorgegebenen Endpunkt bei α«3 bis zu dem für den zweiten Verfahrensschritt ausgewählten Kur¬ venpunkt.

Dies weist den Vorteil auf, daß während der Umstellungs¬ phase weniger Störstellen in dem Kristall eingebaut werden, so daß sich anschließend auch im Innenbereich 20 ein stör- stellenfreierer Kristall ergibt.

Die Fig. 8 schließlich zeigt ein Diagramm der Winkelver¬ teilung des Streulichts, d.h. die Intensität 30 der Reflek- tion eines mit dem Verfahren hergestellten Diamant-Polykri- stalls. Die reflektierte Intensität 30 weist eine starke Überhöhung 35 im Bereich des Winkels 31 von 0° auf. Bei 0° tritt ein spekularer Wert 35 auf, der eine um mehrere Größenordnungen höhere Intensität 30 als das ümgebungslicht aufweist. Dieser Sprung von drei Größenordnungen in der Intensität ist direkt mit der Rauhigkeit 25 der Oberfläche verbunden. Denn ein solcher spekularer Wert 35 tritt nur dann auf, wenn die Rauhigkeit 25 der reflektierenden Ober¬ fläche 21 kleiner als ein Viertel der Wellenlänge des Lichts der sie beaufschlagenden Lichtquelle ist. Bei dem hier eingesetzten Helium-Neon-Laser mit einer Wellenlänge von 633 Nanometer ist damit die Rauhigkeit 25 sicher klei¬ ner als 160 Nanometer.

Das beschriebene Verfahren ist insbesondere bei allen in dem Übersichtsartikel von P.K.Bachmann, D.Leers, D.U.W- iechert im Journal de Physique II l, 907 (1991) erwähnten Abscheideprozessen einsetzbar. Es muß zuerst darauf ge¬ achtet werden, daß sich die aus dem Phasendiagramm ergeben¬ den Verfahrensbedingungen eingestellt werden, damit über¬ haupt ein Diamantwachstum auftritt. Dann ist im Rahmen der sich so ergebenden Verfahrensbedingungen der Wachstums¬ parameter α entsprechend dem oben gesagten in zwei Schrit-

ten auf die genannten Werte von zuerst im wesentlichen 3, z.B. insbesondere größer als 2,95, und anschließend auf Werte von 2,5 bis 2,9 einzustellen.

In dem ersten Schritt wird der Keimauslesemechanismus ausgenutzt, um eine bestimmte Kristallrichtung, nämlich die <100>-Richtung, senkrecht zur Substratoberfläche auszurich¬ ten, und in dem zweiten Schritt werden senkrecht zu dieser Kristallrichtung Flächen, nämlich {100}-Flächen, erzeugt und vergrößert, bis diese die Oberfläche der polykristalli¬ nen Schicht vollständig bedecken.

Die Diamantschichten gemäß der Erfindung sind insbesondere optisch transparente und hoch-wärmeleitende Schichten oder Fenster. Die Qualität der glatten Oberfläche schafft bei optischen Anwendungen verminderte Streuverluste. Bei ther¬ mischen Anwendungen ergibt sich hierdurch zum einen ein guter Wärmekontakt zum zu kühlenden Gegenstand sowie wegen der kolumnaren Schichtstruktur eine gute Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Oberfläche.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Herstellung von Optikfenster mit einer gekrümmten Oberfläche möglich. Dafür wird von einem Substrat 4 ausgegangen, welches eine der gewünschten gekrümmten Oberfläche komplementäre Oberfläche aufweist. Sofern der Krümmungsradius des Substrates groß gegen den mittleren Keimabstand d 0 ist, wird lokal jeweils ein ebenes Substrat 4 aufgewachsen. Dann steht beim Auf¬ wachsen der Kristalle in dem ersten Verfahrensschritt die genannte Richtungsauswahl der Kristalle in <100>-Richtung jeweils senkrecht auf der lokalen Substratoberfläche 4. Beim zweiten Verfahrensschritt werden dann die {100}-Facet¬ ten vergrößert, so daß sich eine Diamantoberfläche 21 ergibt, die lokal jeweils parallel zu der Substratober- fläche 4 ist. Damit ergibt sich eine senkrecht zum Substrat 4 jeweils gleichdicke Diamantschicht 20, die die Gestalt

des Substrates z.B. einer Kugelschale hat. Die gewünschte freistehende und als Fenster einsetzbare Diamantschicht wird dann durch Ätzen des Substrates erhalten. Dabei weist das gekrümmte Fenster den Vorteil auf, daß beim Auftreten von unterschiedlichen Drücken auf den jeweiligen Fenster¬ seiten diese leichter als von einer planparallelen Platte aufgenommen werden können.

Eine polykristalline Diamantschicht gemäß der Erfindung ist sehr vorteilhaft bei Wärmesenken einzusetzen, da die glatte Oberfläche 21 der Diamantschicht 20 einen guten Wärmeüber¬ gang ermöglicht. Aber erst durch die mit dem Verfahren nach der Erfindung erreichbare Dicke der Diamantschicht 20 bis in den Millimeterbereich hinein ist diese polykristalline Diamantschicht 20 hier sinnvoll als eine wirkungsvolle Aufnahme und Abflußmöglichkeit für die z.B. von einem Halb¬ leiter übertragene Wärme anzuwenden.

Das Verfahren ist über das hier beschriebene Ausführungs- beispiel zur Abscheidung polykristalliner Diamantschichten natürlich auch zur Herstellung von anderen polykristallinen Schichten anwendbar, insbesondere auch zur Herstellung von glatten Optikfenstern aus anderen Kristallmaterialien, wobei diese Verfahren vom Fachmann entsprechend der hier vorliegenden Lehre durchgeführt werden können.