CVD Diamant:
Allgemeine Infos
Gasphasenabscheidung
Diamant mit seinen herausragenden Eigenschaften hat
schon immer eine große Faszination auf die Menschheit ausgeübt. Mit
der Entwicklung der Hochdrucksynthese in den fünziger Jahren gewannen
die technischen Anwendungen von Diamant zunehmend an Bedeutung. Die
mit der Hochdrucksynthese hergestellten Diamantkristalle sind
allerdings von beschränkter Größe und für viele wichtige optische,
thermische und elektronische Anwendungen zu klein. Erst durch die
Entdeckung der Gasphasenabscheidung (engl. chemical vapour
deposition) in den achtziger Jahren wurde Diamant in größeren
Abmessungen, insbesondere in der Form dünner Schichten und
freitragender Scheiben bzw. Fenster verfügbar. Die Abscheidung
aus der Gasphase erlaubt eine gezielte Dotierung des Diamantkristalls,
wodurch er zu einem p-typ Halbleitermaterial wird. Mit der
Gasphasenabscheidung von Diamant eröffnet sich eine Vielzahl
neuartiger Anwendungsmöglichkeiten.
Diamantabscheidung aus der Gasphase
Das grundlegende Problem der
Diamantsynthese besteht in der allotropen Natur des Kohlenstoffs:
unter Normalbedingungen ist Graphit und nicht Diamant die
thermodynamisch stabilere kristalline Phase des Kohlenstoffs. Die
Kunst der Gasphasenabscheidung besteht darin, Kohlenstoff abzuscheiden
und gleichzeitig die Bildung graphitischer sp2-Bindungen zu
unterdrücken. Um dies zu erreichen, erzeugt man hohe Konzentrationen
an atomarem Wasserstoff. Die Wasserstoffatome stabilisieren das
Diamantwachstum indem sie Doppelbindungen aufbrechen und
Nicht-Diamant-Kohlenstoffphasen selektiv wegätzen.
Derartige Wachstumsbedingungen werden erzeugt, indem man dem
Prozeßgas große Mengen an Wasserstoff beimischt, und das Gas
thermisch oder durch ein Plasma aktiviert.
Diamantkeime, wie sie zu Beginn des Schichtwachstums gebildet werden
Oberflächenmorphologie einer polykristallinen Diamantschicht
Prozeßgas: 1 % Methan in Wasserstoff
Wachstumstemperatur: 700-1000°C
Gasdruck: 30-300 Torr.
Die verschiedenen Verfahren der Gasphasenabscheidung von Diamant unterscheiden sich im wesentlichen durch die Art der Gasaktivierung. Die am häufigsten verwendeten Verfahren sind a) Glühdraht-CVD (thermische Aktivierung des Gases durch einen heißen Wolframdraht), b) Mikrowellen-Plasma-CVD, c) Flammenabscheidung mit einem Acetylen/Sauerstoff-Brenner, und d) Plasmastrahl-CVD.
Jedes dieser Verfahren hat seine Vor- und Nachteile. Unterscheidungsmerkmale sind vor allem die Abscheiderate, die Abscheidefläche und die Schichtqualität. Die höchste Abscheiderate, die bislang erzielt wurde, beträgt 1 mm/h. Derartige hohe Raten sind allerdings auf sehr kleine Flächen begrenzt (« 1 cm2). Im allgemeinen besteht ein inverser Zusammenhang zwischen Schichtqualität und Abscheiderate: je niedriger die Abscheiderate, desto besser die kristalline Qualität und die Phasenreinheit der Diamantschicht. Optisch transparente Schichten/Scheiben erfordern in der Regel Abscheideraten unterhalb 10 µm/h, unabhängig von dem verwendeten Abscheideverfahren.
