DE69209163T2

DE69209163T2 - Plasmaunterstützte Diamantherstellung

Info

Publication number: DE69209163T2
Application number: DE69209163T
Authority: DE
Inventors: Dennis Charles Hawkins; Harry Richard Holliday; Ricardo Simon Sussmann; Christopher John Howard Wort
Original assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Current assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Priority date: 1991-06-28
Filing date: 1992-06-29
Publication date: 1996-08-01
Anticipated expiration: 2012-06-30
Also published as: DE69209163D1; AU1862392A; EP0520832A1; ATE135752T1; CA2072455A1; TW262626B; EP0520832B1; GB9114014D0; ZA924765B; KR930000181A; JPH05239656A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung künstlicher Diamanten und anderer keramischer Materialien mit Hilfe der plasmaunterstutzten Gasphasenabscheidung nach dem chemischen Verfahren (CVD).
Diamanten werden schon seit etwa drei Jahrzehnten synthetisch hergestellt. Zu diesem Zweck wird eine Kohlenstoffquelle wie z.B. Graphit einem Druck von mehr als 50 Kilobar und einer Temperatur von über 1.200ºC bei gleichzeitiger Anwesenheit eines Katalysatormetalls wie Nickel, Kobalt oder Eisen ausgesetzt. In letzter Zeit werden Diamanten häufiger aus der Gasphase synthetisiert. Diese Methode ist als Gasphasenabscheidung nach dem chemischen Verfahren (CVD) bekannt, die so hergestellten Diamanten werden als CVD-Diamanten bezeichnet. Dieses Verfahren beinhaltet im wesentlichen die Darstellung einer Mischung aus Wasserstoffgas und einer geeigneten gasförmigen Kohlenstoffverbindung wie z.B. Kohlenwasserstoff. Durch eine ausreichend hohe Energiezufuhr in dieses Gas wird der Wasserstoff in atomaren Wasserstoff und das Gas in aktive Kohlenstoffionen, Atome oder CH-Radikale dissoziiert, wobei diese aktiven Arten sich auf dem Substrat abscheiden und einen Diamantüberzug bilden. Die Dissozuerung der Gase kann durch unterschiedliche Methoden bewirkt werden.
Eines dieser Verfahren besteht in der Verwendung eines heißen Filaments zum Dissozueren der in unmittelbarer Nähe des Filaments befindlichen Gase. Eine zweite, ebenfalls sehr verbreitete Methode ist das sogenannte plasmaunterstützte Verfahren. Der Wasserstoff und die gasförmige Kohlenstoffverbindung treten in ein Plasma ein, das mit Hilfe von Mikrowellen, Hochfrequenz oder Gleichstrom erzeugt wird, und werden dort zu ihrem aktiven Zustand angeregt. In diesem Zustand setzten sie sich auf einem Substrat ab, das durch das Plasma erhitzt wird. Beim mikrowellenplasmaunterstützten CVD-Verfahren wurden bislang Wellenleiter zur Erzeugung des Plasmas im Innern einer Reaktionskammer benutzt, die sich innerhalb des Wellenleiters befand. Das starke elektrische Feld, das innerhalb der Grenzen des Wellenleiters bzw. des Wellenleiter-Hohlraums erzeugt wird, reicht aus, um die unter geringem Druck in der Reaktionskammer eingeschlossenen Gase zu ionisieren. Das so erzeugte Plasma scheidet dann eine Diamantschicht auf einem innerhalb des Plasmas oder direkt daneben positionierten Substrat ab.
Ein Nachteil der Verwendung von Wellenleitern zur Bildung eines Plasmas besteht darin, daß die Größe des Plasmas durch die Abmessungen des Wellenleiter-Hohlraums definiert wird. Eine räumliche Vergrößerung des Plasmas kann nicht einfach durch die Vergrößerung des Wellenleiters bewerkstelligt werden, da ohne eine proportionale Vergrößerung der Wellenlänge der Mikrowelle eine Mehrfachwellenausbreitung einsetzt. Das Ergebnis ist dann eine ineffiziente Plasmaerzeugung.
Da das Plasma innerhalb der im Wellenleiter verlaufenden elektrischen Feldlinien eingeschlossen ist, ist die Lage des Plasmas innerhalb der Reaktionskammer festgelegt. Daraus ergeben sich zusätzliche Probleme. Zum einen unterbricht das Einsetzen eines Substrats in den Wellenleiter die elektrischen Feldlinien in einer nicht vorhersehbaren Weise, abhängig im einzelnen von der Art und der Geometrie des Substrats. Zum anderen kann das Plasma die Wände der Reaktionskammer berühren, die sich zwangsläufig innerhalb der Grenzen des Wellenleiters befindet. Dies kann zu einer Kontaminierung der Diamantabscheidung auf dem Substrat führen.
US-A-4.434.188, auf dem die Oberbegriffe der Nebenansprüche basieren, offenbart eine Methode und eine Vorrichtung zum Synthetisieren von Diamanten unter Verwendung einer Mikrowellenquelle zum Erzeugen des Plasmas über einem Substrat. Das Plasma wird in einem Gas erzeugt, das aus Wasserstoffgas und zusätzlich einem Kohlenwasserstoff besteht.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Methode zur Bildung eines Plasmas beschrieben, das die Herstellung von Diamanten mit Hilfe der Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren unterstützt. Diese Methode beinhaltet die folgenden Schritte:
(i) Bereitstellen einer Reaktionskammer;
(ii) Positionieren eines Substrats innerhalb der Reaktions kammer;
(iii) Erzeugen einer Mikrowellenstrahlung in einer extern angeordneten Quelle; und
(iv) Injektion einer Mischung einer gasförmigen Kohlenstoffverbindung und eines aktiven Gases in die Reaktionskammer, wobei das besagte aktive Gas aus einer Gruppe gewählt wird, der Wasserstoff und Sauerstoff angehören,
gekennzeichnet dadurch, daß die Mikrowellen in Form eines Strahlenbündels erzeugt werden, weiterhin gekennzeichnet durch folgende Schritte:
(v) Verwendung einer Fokussiervorrichtung zum Fokussieren der Mikrowellenstrahlung auf einen Brennpunkt in unmittelbarer Nähe des Substrats zum Bilden eines Plasmas innerhalb der Reaktionskammer im Bereich des Substrats; und
(vi) Scannen des Plasmas über das Substrat durch Justieren der Position des Substrats und der Fokussiervorrichtung relativ zueinander, so daß eine Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren auf dem Substrat erfolgen kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung beinhaltet dieses Verfahren die Fokussierung des Mikrowellenstrahls auf einen beugungsbegrenzten Fleck derart, daß ein örtlich definiertes Plasma entsteht. Das Abscheiden des Diamanten auf dem Substrat erfolgt durch Scannen des Plasmas über die Oberfläche des Substrats, wobei der beugungsbegrenzte Fleck einen Durchmesser hat, der etwa der Hälfte der Wellenlänge der einfallenden Mikrowelle hat.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung beinhaltet diese Methode die Bereitstellung von mindestens zwei externen Mikrowellenstrahlungsquellen unterschiedlicher Frequenzen, wobei beide Mikrowellenstrahlungsquellen auf mindestens einen Brennpunkt fokussiert werden müssen, damit ein Plasma innerhalb der Reaktionskammer entsteht. Die beiden unterschiedlichen Frequenzen müssen so gewählt werden, daß sie spezielle Arten innerhalb des Plasmas anregen.
Der Mikrowellenstrahl wird vorzugsweise in mindestens zwei unterschiedlichen Richtungen mit unterschiedlichen Verhältnissen polarisiert, um das Plasma feinabzustimmen.
Die Form des Plasmas ist bevorzugt unabhängig von der Form der Reaktionskammer, aber abhängig von der Geometrie und der Positionierung der Fokussiervorrichtung.
Nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas für die Unterstützung der Herstellung synthetischer Diamanten dargestellt, wobei diese Vorrichtung zusammen mit einer externen Mikrowellenstrahlungsquelle eingesetzt wird;
ebenfalls Vorrichtungen zum Injizieren einer Mischung aus einer gasförmigen Kohlenstoffverbindung und einem aktiven Gas aus einer Gruppe, zu der auch Wasserstoff und Sauerstoff gehören, und wobei aus dieser Mischung ein Plasma gebildet wird;
wobei in der praktischen Anwendung ein Substrat in der Reaktionskammer positioniert wird und das Plasma so beeinflußt wird, daß sich durch Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren Diamanten auf dem Substrat abscheiden;
gekennzeichnet dadurch, daß die Vorrichtung weiterhin Fokussiervorrichtungen beinhalten, die außerhalb der Reaktionskammer positioniert sind und einen aus der besagten externen Quelle stammenden Mikrowellenstrahl auf einen Punkt innerhalb der Reaktionskammer fokussieren, in dem das Plasma gebildet werden soll, so daß die Form des Plasmas unabhängig von der Form der Reaktionskammer, aber abhängig von der Geometrie und der Positionierung der Fokussiervorrichtungen ist; und
wobei die Fokussiervorrichtungen und das Substrat relativ zueinander so einstellbar sind, daß das Plasma im Fokusbereich über das Substrat gescannt werden kann.
Vorzugsweise beinhaltet die externe Strahlungsquelle mindestens zwei Mikrowellengeneratoren, um Mikrowellen unterschiedlicher Frequenzen zum Anregen unterschiedlicher Arten innerhalb des Plasmas erzeugen zu können.
Die Fokussiervorrichtungen können aus mindestens einem Reflektor mit einer konkaven Reflexionsfläche bestehen, die so dimensioniert ist, daß sie mindestens dem Vierfachen der Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung entspricht.
Die Fokussiervorrichtungen können in einer spezifischeren Ausführung einen ersten und einen zweiten Parabolreflektor beinhalten, wobei der erste Reflektor so angeordnet ist, daß er ein Mikrowellenstrahlungsbündel von einem ersten Mikrowellengenerator erhält und diesen Strahl auf einen zweiten Reflektor überträgt, der diese Strahlen fokussiert.
Die Vorrichtung zum Einleiten des ausgesuchten Gases kann aus einer Vakuumpumpe zum Evakuieren der Reaktionskammer, einem mit der Reaktionskammer verbundenen Kompressor zum Einleiten des Gases in die Kammer und einem Ventil zum Steuern des Zustroms des Gases in die Reaktionskammer bestehen.
Die Erfindung ist nicht auf die Synthetisierung von Diamanten durch Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren beschränkt. Zahlreiche andere keramische Materialien können bei Verwendung einer geeigneten Gasmischung abgeschieden werden, z.B. Si, GaS, InP, ZnS, ZnSe, GeC, SiC und kubisches Bornitrid. Das Plasma kann ebenfalls zum Ätzen oder zur Modifizierung von Materialoberflächen eingesetzt werden. So kann es z.B. zum Entfernen von Oxidschichten vor dem Löten oder zum Rückfluß von Lötmitteln eingesetzt werden.
Im Sinne der vorliegenden Beschreibung wird unter Mikrowellenstrahlung eine Strahlung mit einem möglichen Frequenzbereich von 300 MHz bis 1.000 GHz verstanden, vorzugsweise zwischen 433 MHz und 94 GHz, und optimal zwischen 2 GHz und 3 GHz.
Zum besseren Verständnis der Erfindung folgt nun nachstehend eine beispielhafte Beschreibung unter Verweis der als Anhang beigefügten Zeichnungen:
FIGUR 1 zeigt eine stark schematisierte Ansicht einer ersten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bildung eines Plasmas;
FIGUREN 2 bis 5 zeigen schematisierte Ansichten weiterer Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bildung eines Plasmas unter Verwendung unterschiedlicher Fokussiervorrichtungen, und
FIGUREN 6 und 7 zeigen schematisierte Ansichten einer Experimentalanordnung zur Erzeugung eines geeigneten Plasmas.
Wie in FIG. 1 dargestellt, steuert ein Mikrowellengenerator (10) einen Hornstrahler (12) über einen geeigneten Wellenleiter (14) an. Der Hornstrahler wird so positioniert, daß er ein Strahlenbündel (16) von Mikrowellen auf einen ersten parabolförmigen Reflektor (18) abstrahlt. Der Reflektor (18) ist von der Geometrie seiner reflektierenden Oberfläche her so ausgelegt, daß das einfallende Strahlenbündel (16) als planparallele Wellenfront (20) in den freien Raum abgestrahlt wird. Aufgefangen wird dieser planparallele Wellenzug (20) durch einen zweiten Reflektor (22), der eine im wesentlichen parabelförmige reflektierende Oberfläche hat und den planparallelen Wellenzug (20) in einen konvergierenden sphärischen Wellenzug (24) umwandelt. Dieser konvergierende sphärische Wellenzug (24) bündelt sich in einem Fokus (26), der sich innerhalb einer Reaktionskammer (28) befindet. Bei dieser Reaktionskammer kann es sich z.B. um eine glockenförmige Kammer handeln, die eine Plasmabildungszone (29) definiert.
In Bereich des Mittelpunkts der Reaktionskammer (28) befindet sich ein geeignetes Substrat (30) wie z.B. Siliciumcarbid, Molybdän, Silikon oder eventuell auch ein Diamantkeim. Aus der Zeichnung geht hervor, daß das Substrat (30) direkt unterhalb des Fokus (26) positioniert ist.
Ein kohlenstoffhaltiges Gas wird mit Wasserstoff, Sauerstoff, Argon, Hehum, Neon, Wasserdampf oder einer zweckmäßigen Kombination dieser Gase kombiniert und über eine Rohrleitung (31) mit einem Druck zwischen 13,3 und 333 × 10³ Pa in die Reaktionskammer (28) injiziert, bevorzugt mit einem Druck zwischen 5,33 × 10³ bis 26,7 × 10³ Pa. Wenn genügend Leistung, d.h. mehr als 1 Wcm&supmin;³, innerhalb des Fokus (26) konzentriert wird, entsteht dort in den Niederduckgasen innerhalb der Reaktionskammer (28) ein Plasma (32). Wie schematisch in der Abbildung dargestellt, konzentriert sich das Plasma (32) im Fokus (26) des zweiten Reflektors (24). Das Substrat wird durch die heißen Plasmagase auf eine Temperatur zwischen 400 K und 1.500 K aufgeheizt. Im allgemeinen wird ein Temperaturbereich von 900 K erreicht. Das Abscheiden von Diamanten (33) auf dem Substrat (30) erfolgt in einer ähnlichen Weise, wie es in dem an Kamo erteilten US-Patent 4434188 beschrieben wird.
Im Gegensatz zu den Reaktionskammern der bisherigen Bauart, die durch die Größe des Wellenleiter-Hohlraums, in dem sie sich befinden, begrenzt sind, wird die Größe der Reaktionskammer (28) nicht durch die Wellenleiterabmessungen eingeschränkt. Das Substrat (30) kann deshalb in ausreichendem Abstand von den Wänden der Reaktionskammer und anderen Kontaminierungsquellen positioniert werden. Da es keine Knoten innerhalb der Reaktionskammer gibt, hat das Einset zen eines Substrats nur geringe oder gar keine Auswirkungen auf die Position der Plasmaentladung (32). Genauso haben Natur und Geometrie des Substrats (30) nur einen vernachlässigbaren Effekt auf die Plasmaentladung (32).
Unter Verweis auf Figur 2 wird jetzt eine weitere Ausgestaltung beschrieben, wobei eine Linse (34) den zweiten Reflektor (22) der Figur 1 als Fokussiervorrichtung für die Mikrowellenstrahlung ersetzt. In Figur 3 ersetzt eine einfache bikonvexe Linse (36) sowohl den ersten Reflektor (18) als auch den zweiten Reflektor (22). Bei der Linse kann es sich um eine dielektrische Linse, eine Metallplattenlinse oder eine Fresnelsche Stufenlinse handeln. Bei der in Figur 4 gezeigten Anordnung wird ein einfacher Reflektor (38) anstelle der Linse (36) verwendet. In Figur 5 wird mit Hilfe einer Linse (40) das Mikrowellenstrahlenbündel parallel gerichtet und durch einen Reflektor (42) wieder fokussiert. Hierbei ist zu bemerken, daß unterschiedliche Kombinationen von Linsen und Reflektoren benutzt werden können, um die Mikrowellenstrahlenbündel zu fokussieren. Diese Strahlung kann kontinuierlich, gepulst, moduliert oder polarisiert oder in Kombination dieser Eigenschaften vorliegen. So kann z.B. ein Ellipsoid mit einer reflektierenden Innenfläche verwendet werden, wobei sich die Mikrowellenquelle und das Plasma an den jeweiligen Brennpunkten innerhalb des Ellipsoids befinden.
Ein Vorteil der verschiedenen eingesetzten Fokussiersysteme besteht darin, daß auf diese Weise unterschiedlich geformte Plasmen dadurch erzeugt werden können, daß man die Profile der Fokussierlinsen oder des Reflektors verändert. So läßt sich z.B. ein im wesentlichen kugelförmiges Plasma erzeugen, wenn ein Reflektor mit einer parabolförmigen Reflexionsfläche verwendet wird. Es kann auch eine bikonvexe Linse verwendet werden, um ein Plasma dieser kugelförmigen Form zu erhalten. Eine linear-längliche Plasmaform läßt sich durch eine parabolförmige Reflexionsfläche in Form eines Teilschnitts aus einem parabolischen Zylinder oder durch eine kugelförmige Reflexionsfläche darstellen. Weitere Plasmaformen sowie weitere Plasmadichteprofile können durch geringfügige Veränderungen der optischen Komponenten erzielt werden.
Es ist ebenfalls möglich, Größe und Position des Plasmas durch Einstellen der Brennweite der Fokussieroptik und durch Verschieben der letzten Fokussiereinrichtung entlang oder um die mittlere Symmetrieachse zu verändern.
Das Scannen des Plasmas in drei Richtungen kann ebenfalls durch Verschieben der letzten Fokussieroptik oder des Substrats in geeigneter Weise innerhalb der Reaktionskammer erfolgen. Dreidimensionale Flächen können mit Diamanten beschichtet werden, indem das Plasma einfach über die gesamte Oberfläche des Substrats gescannt wird.
Es können auch unterschiedliche Hornstrahler benutzt werden, um den ersten Reflektor oder die erste Linse anzustrahlen. Auf diese Weise können mindestens zwei unterschiedliche Frequenzen innerhalb des Plasmas gekoppelt werden; dies könnte sich z.B. als vorteilhaft bei der Anregung spezifischer Arten innerhalb des Plasmas erweisen. In ähnlicher Weise könnten zwei Polarisationsrichtungen mit unterschiedlichen Verhältnissen kombiniert werden, um eine weitere Feinabstimmung der Plasmaentladung zu erreichen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können sehr hohe Mikrowellenfrequenzen auf einen extrem kleinen beugungsbegrenzten Fleck fokussiert werden, der einen Durchmesser entsprechend der Hälfte der Wellenlänge der einfallenden Mikrowellenstrahlung hat. Auf diese Weise lassen sich kleinste, räumlich eng begrenzte Plasmen erzeugen. Diese Plasmen können dann über die Substratfläche in einer weiter oben in dieser Beschreibung dargestellten Weise gescannt werden, damit Diamanten auf das Substrat "geschrieben" werden können.
Um Kanteneffekte zu minimieren und eine effiziente Anstrahlung der optischen Komponenten zu gewährleisten, muß die Mikrowellenoptik in einer gewissen Mindestgröße ausgeführt werden; d.h. sie muß mindestens viermal und bevorzugt zehnmal so groß sein wie die Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung. Potentiell gefährliche Strahlung kann dadurch unschädlich gemacht werden, indem man die Optik entweder in eine Metallabschirmung setzt oder sie mit einem geeigneten absorbierenden Material umgibt.
Die Reaktionskammer (28) muß entweder komplett transparent sein oder könnte alternativ mit einem transparenten Fenster (44) in Form eines Dielektrikums ausgestattet werden, damit die Mikrowellenstrahlung durchgelassen wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Reaktionskammer so groß auszulegen, daß sowohl die Fokussiervorrichtung als auch das Substrat darin Platz finden. Bevorzugte Materialien für die gesamte Reaktionskammer oder für das Fenster (44) sind geschmolzene Silica, Quarz, Zirkonium, Aluminiumoxid, Pyrex, PTFE, Macor , Silicaglas oder Polystyrol. Diese Materialien könnten reflexionshemmend ausgestattet werden, damit die oberflächenbedingten Reflexionsverluste auf ein Mindestmaß beschränkt werden. Die Materialien können ebenfalls durch eine geeignete transparente Flüssigkeit wie cyclohexan gekühlt werden.

BEISPIEL

Ein Prototyp des Systems wurde im Freien aufgebaut und besteht aus einem Mikrowellengenerator, einer Vorrichtung von Reflektoren zum Fokussieren der Mikrowellen und einer Reaktionskammer in Form einer Quarzvakuumglocke. Ein Plasma mit einem Durchmesser von einigen Zentimetern räumlicher Ausdehnung wurde erfolgreich mit Hilfe eines Mikrowellengenerators mit einer Leistung von nur 800 Watt erzeugt.
Wie in Figur 6 gezeigt, besteht die Anordnung u.a. aus einem Paar versetzter Parabolreflektoren (44) und (46), die aus Holzleisten und einem zwischen die Leisten gespannten Maschendraht bestehen. Mit Hilfe parabolförmiger Schablonen wurde die Formgenauigkeit der Reflektoren (44) und (46) auf ± 2 mm (ein Sechzigstel der Wellenlänge) geprüft, dies entspricht den typischerweise zulässigen Toleranzen. Der Verlust durch die Maschen wurde mit -20 dB (1 %) kalkuliert. Die Reflektoren hatten jeweils ein Querschnittsmaß von 1,5 m, das sind zwölf Wellenlängen. Die Brennweite jedes Reflektors betrug ebenfalls 1,5 m. Ein Hornstrahler (48) mit 10 dB Strahlbreiten von 42º in der E-Ebene und 59º in der H-Ebene wurde direkt hinter dem Fokus (50) des Reflektors (44) positioniert. Der Azimutwinkel des Reflektors betrug etwa 56º, der Höhenwinkel des Reflektors betrug 44º, woraus sich eine relativ gute Abstimmung zwischen dem Hornstrahler (48) und dem Reflektor (44) ergab, wenn der Hornstrahler mit vertikaler E-Ebene montiert wurde.
Der zweite Parabolreflektor (46) wurde so positioniert, daß sich sein Brennpunkt (52) etwa 2 Meter entfernt vom Brennpunkt (50) des Reflektors (44) befand. Ein Magnetron (54) mit einer Betriebsfrequenz von 2,45 GHz und einer Ausgangsleistung von etwa 1,6 kW steuert den Hornstrahler (48) an. Die Spitzenleistungsdichte der Hornstrahleröffnung wurde auf 54 kWm&supmin;² berechnet. Bei einer Entfernung von 1,5 m, die der Entfernung zwischen der Öffnung des Horns (48) und dem Reflektor (44) entspricht, fiel die Leistungsdichte auf einen kalkulierten Wert von 3,15 kWm&supmin;² ab. Auf Basis der Anordnung der Reflektoren (44) und (46) wurde berechnet, daß der größte Teil der Mikrowellenstrahlung, die vom Reflektor (44) zurückgeworfen wird, vom Reflektor (46) eingefangen wird.
Der Reflektor (44) wurde auf einem festen Gestell montiert, während der Reflektor (46) auf einem schienengebundenen Schlitten befestigt wurde. Ein Hornstrahler (56) und ein Leistungsmesser (58) wurden neben dem Fokus (52) des verfahrbaren Reflektors (46) positioniert, und das Magnetron (54) wurde durch einen Kleinstleistungsübertrager ersetzt. Die endgültigen Positionen der Reflektoren (44) und (46) sind in Figur 6 dargestellt, wobei die entsprechenden Brennpunkte (50) und (52) der Reflektoren einen Abstand von 2,08 m zueinander haben. Der gemessene Verlust zwischen den Reflektoren (44) und (46) betrug etwa 2,7 dB. Dieser Wert war höher als erwartet und wahrscheinlich zurückzuführen auf Streuverluste an den Kanten der Reflektoren (44) und (46) sowie auf einen Maschenverlust, der größer ausfiel als berechnet. Das Horn (48) wurde sodann an das Magnetron (54) angeschlossen, das wassergekühlt war und von einer externen Stromquelle gespeist wurde. Das Horn (56) wurde entfernt, und der Feldbereich des Fokus (52) wurde anhand einer an einem dünnen Bindfaden aufgehängten Neonröhre aufgespürt. Die Neonröhre sprach in einem Bereich mit einem Durchmesser zwischen 5 und 8 cm an. Die Position der maximalen Leistung wurde ebenfalls festgestellt mit Hilfe eines absorbierenden Schaumstoffblocks, der mit wärmeempfindlichem Papier umwickelt war.
Eine Anordnung vergleichbar mit der in Figur 6 beschriebenen Anordnung wurde sodann aufgebaut, wobei das Horn (56) durch die Quarzvakuumglocke (62) ersetzt wurde. Diese Glocke (62) wurde auf eine verfahrbare Plattform (64) montiert, und ein dünner Drahtdipol (66) mit einem Durchmesser von etwa 1,5 mm und 60 mm Länge wurde auf ein Stück verlustarmen Schaumstoffs (68) innerhalb der Quarzglocke (62) gesetzt. Die Quarzglocke (62) wurde sodann mit Hilfe der Vakuumpumpe (70) über die Leitung (72) evakuiert, bis der Luftdruck auf 13,3 Pa abgefallen war. Ein Manometer (74) zeigte die Luftdruckreduzierung in der Leitung (72) an, und ein Ventil (76) wurde geschlossen, sobald das Erreichen des gewünschten Luftdrucks auf dem Manometer (77) angezeigt wurde. Danach wurde ein Ventil (78) geöffnet, und über die Leitung (82) strömte Argon von einer Argonquelle (80) in die Quarzglocke (62). Sobald der Druck innerhalb der Quarzglocke (62) 133 Pa erreichte, wurde das Ventil (76) geöffnet und die Pumpe (70) wurde in Betrieb genommen, um den Luftdruck in der Quarzglocke wieder auf 13,3 Pa zu bringen. Danach wurde die Quarzglocke hermetisch verschlossen und das Magnetron (54) aktiviert, das einen fokussierten Mikrowellenstrahl in den Bereich des Dipols (66) aussandte, so daß sich dort ein Plasma mit einem Durchmesser zwischen 5 und 8 cm bildete.
Das Argon wurde danach durch eine Mischung aus H&sub2;- und CH&sub4;- Gas mit einem Volumenverhältnis von 100 : 1 ersetzt. Diese Gasmischung wurde kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit von 200 scc/Min durch die Quarzglocke geschickt. Ein ca. 5 mm² großes Substrat aus Siliconcarbid ersetzte den Schaumstoff (68) und den Dipol (66). Der Druck innerhalb der Quarzglocke wurde auf 5,33 × 10³ Pa gehalten, und es wurde das Magnetron eingeschaltet, so daß sich in unmittelbarer Nähe des Substrats ein Plasma bildete. Dieses Plasma erhitzte das Substrat auf eine Temperatur von 1170 K, die durch Kühlung gehalten wurde. Das Ergebnis war die Bildung einer Diamantschicht auf dem Substrat durch Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren mit einer Wachstumsrate von 1 um pro Stunde.

Claims

1. Methode zur Bildung eines Plasmas (32), das die Herstellung von Diamanten mit Hilfe der Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren unterstützt, bestehend aus den folgenden Schritten:

(i) Bereitstellen einer Reaktionskammer (28);

(ii) Positionieren eines Substrats (30) innerhalb der Reaktions kammer;

(iii) Erzeugen einer Mikrowellenstrahlung in einer extern angeordneten Quelle (10); und

(iv) Einführen einer Mischung einer gasförmigen Kohlenstoffverbindung und eines aktiven Gases in die Reaktionskammer (28), wobei das besagte aktive Gas aus einer Gruppe gewählt wird, der Wasserstoff und Sauerstoff angehören,

dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellen in Form eines Strahlenbündels (16) erzeugt werden, weiterhin gekennzeichnet durch folgende Schritte:

(v) Verwendung von Fokussiervorrichtungen (18, 22; 34; 36; 38; 40, 42) zum Fokussieren der Mikrowellenstrahlung auf einen Brennpunkt (26) in unmittelbarer Nähe des Substrats zum Bilden eines Plasmas (32) innerhalb der Reaktionskammer im Bereich des Substrats; und

(vi) Scannen des Plasmas (32) über das Substrat (30) durch Justieren der Position des Substrats (30) und der Fokussiervorrichtung relativ zueinander, so daß eine Gasphasenabscheidung von Diamanten (33) nach chemischem Verfahren auf dem Substrat erfolgen kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1 mit Fokussierung des Mikrowellenstrahls (16) auf einen beugungsbegrenzten Fleck (26) derart, daß ein örtlich festliegendes Plasma (32) entsteht, wobei das Abscheiden des Diamanten (33) auf dem Substrat (30) durch Scannen des Plasmas über die Oberfläche des Substrats erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der beugungsbegrenzte Fleck einen Durchmesser hat, der etwa der Hälfte der Wellenlänge der einfallenden Mikrowelle hat.

4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Bereitstellung von mindestens zwei externen Mikrowellenstrahlungsquellen (10, 54) unterschiedlicher Frequenzen eingeschlossen ist, wobei beide Mikrowellenstrahlungsquellen auf mindestens einen Brennpunkt (26) fokussiert werden müssen, damit ein Plasma (32) innerhalb der Reaktionskammer entsteht, wobei die beiden unterschiedlichen Frequenzen so gewählt werden müssen, daß sie spezielle Arten innerhalb des Plasmas anregen.

5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei der Mikrowellenstrahl (16) vorzugsweise in mindestens zwei unterschiedlichen Richtungen mit unterschiedlichen Verhältnissen polarisiert wird, um das Plasma feinabzustimmen.

6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Form des Plasmas (32) unabhängig von der Form der Reaktionskammer, aber abhängig von der Geometrie und der Positionierung der Fokussiervorrichtungen (18, 22; 34; 26; 40, 42) ist.

7. Vorrichtung für die Bildung eines Plasmas zur Unterstützung der synthetischen Herstellung von Diamanten in Verbindung mit der Verwendung eines externen Mikrowellengenerators, wobei besagte Vorrichtung besteht aus:

einer Reaktionskammer (28), die über mindestens eine Sektion (44) besteht, die für Mikrowellenstrahlen durchlässig ist; und

Vorrichtungen (78, 82) zum Injizieren einer Mischung aus gasförmigen Kohlenstoffverbindungen und einem aktiven Gas, das aus einer Gruppe gewählt wird, zu der auch Wasserstoff und Sauerstoff gehören, und das zur Plasmabildung eingesetzt wird;

wobei in der praktischen Anwendung ein Substrat (30) in der Reaktionskammer positioniert wird und das Plasma so beeinflußt wird, daß sich durch Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren Diamanten (33) auf dem Substrat (30) abscheiden;

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung weiterhin Fokussiervorrichtungen (18, 22; 34; 36; 38; 40; 42) beinhaltet, die außerhalb der Reaktionskammer positioniert sind und einen aus der besagten externen Quelle stammenden Mikrowellenstrahl (16) auf einen Punkt (29) innerhalb der Reaktionskammer fokussieren, in dem das Plasma gebildet werden soll, so daß die Form des Plasmas unabhängig von der Form der Reaktionskammer, aber abhängig von der Geometrie und der Positionierung der Fokussiervorrichtung ist; und

wobei die Fokussiervorrichtungen und das Substrat relativ zueinander so einstellbar sind, daß das Plasma im Fokusbereich (29) über das Substrat (30) gescannt werden kann.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die externe Strahlungsquelle mindestens zwei Mikrowellengeneratoren (10, 54) aufweist, um Mikrowellen unterschiedlicher Frequen zen zum Anregen unterschiedlicher Arten innerhalb des Plasmas erzeugen zu können.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Fokussiervorrichtungen aus mindestens einem Reflektor (18, 22, 44, 46) mit einer konkaven Reflexionsfläche bestehen, die so dimensioniert ist, daß sie mindestens dem Vierfachen der Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung entspricht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Fokussiervorrichtungen einen ersten und einen zweiten Parabolreflektor (18, 44; 22, 46) beinhalten, und wobei der erste Reflektor (18, 44) so angeordnet ist, daß er ein Mikrowellenstrahlungsbündel (16) von einem ersten Mikrowellengenerator (10) erhält und diesen Strahl (20) auf einen zweiten Reflektor (22, 46) überträgt, der diese Strahlen fokussiert, wobei der erste Parabolreflektor (22, 46) und das Substrat (30) relativ zueinander in ihrer Position verstellbar sind, so daß ein Scannen des Plasmas (32) über das Substrat erfolgen kann.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Vorrichtung zum Einleiten des ausgesuchten Gases aus einer Vakuumpumpe (70) zum Evakuieren der Reaktionskammer, einem mit der Reaktionskammer verbundenen Kompressor zum Injizieren des Gases (80) in die Kammer und einem Ventil (78) zum Steuern des Zustroms des Gases in die Reaktionskammer besteht.

12. Methode zur Herstellung von Diamantüberzügen durch Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren, wobei diese Methode die Erzeugung eines Plasmas durch eine der in Ansprüchen 1 bis 6 beschriebenen Methoden oder durch eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11 erfolgt.