DE3690606C2

DE3690606C2 - Verfahren zur Synthese von Diamant

Info

Publication number: DE3690606C2
Application number: DE3690606A
Authority: DE
Inventors: Yoichi Hirose
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1985-11-25
Filing date: 1986-11-25
Publication date: 1995-09-21
Anticipated expiration: 2006-11-26
Also published as: SE8702923D0; US4816286A; SE8702923L; WO1987003307A1; DE3690606T; SE460599B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Synthese von Diamant nach der chemischen Dampfphasen- Wachstumsmethode durch Zersetzung einer verdampften organischen Verbindung, die Kohlenstoff, Wasserstoff und mindestens eines der Elemente Sauerstoff und Stickstoff enthält, in einem Reaktionsrohr unter Bildung eines Gases.

Technischer Hintergrund

Die bisher bekannten Verfahren zur Synthese von Diamant werden je nach Ausgangsmaterial in die folgenden Klassen eingeteilt:

1) (siehe B.V. Spitsyn et al; VAPOR GROWTH OF DIAMOND ON DIAMOND AND OTHER SURFACES, Journal of Crystal Growth 52 (1981) 219-226). Es wird ein Kohlenwasserstoff als Ausgangsmaterial verwendet.
Das chemische Dampfphasen-Abscheidungsverfahren zur Zersetzung eines Gases durch Wärmeenergie, die Energie eines Elektronenstrahls, eines Plasmas oder dgl. zur Bildung von Kohlenstoffatomen in einem aktivierten Zustand und die Abscheidung von Diamant auf einem Substrat.
2) Als Ausgangsmaterial wird Graphit verwendet.
- 1. Das Ionenstrahlverfahren zur Erzeugung von positiven Kohlenstoffionen aus Graphit nach der Entladungsmethode, bei dem die Ionen beschleunigt und fokussiert werden und die beschleunigten und fokussierten Ionen auf die Oberfläche eines Substrats auftreffen gelassen werden unter Abscheidung von Diamant darauf (siehe Sol Aisenberg and Ronald Chabot; Ion-Beam Deposition of Thin Films of Diamondlike Carbon, Journal of Applied Physics, Vol 42, Nr. 7 (1971) 2953-2958).
- 2. Das chemische Transportverfahren, bei dem Graphit, Wasserstoff und ein Substrat in einem abgeschlossenen Reaktionsrohr angeordnet werden, wobei der Graphit in einem Hochtemperaturabschnitt und das Substrat in einem Niedertemperaturabschnitt angeordnet sind, Wärmeenergie oder dgl. auf das Wasserstoffglas einwirken gelassen wird, um Wasserstoffatome zu erzeugen und Diamant auf der Oberfläche des Substrats abgeschieden wird (siehe Seiichiro Matsumoto et al; Growth of diamond particles from methane-hydrogen gas, Journal of Materials Science 17 (1982) 3106-3112).

Nach dem vorstehend beschriebenen chemischen Dampfphasenabscheidungsverfahren 1) kann ein Diamantfilm mit einer Wachstumsgeschwindigkeit von 0,1 bis 3 µm pro Stunde auf der Oberfläche des erhitzten Substrats gebildet werden, wenn die Operation unter vermindertem Druck (1,3 bis 13,3 kPa = 10-100 Torr) bei einer Kohlenwasserstoffkonzentration von 0,1 bis 1,0% durchgeführt wird. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß der Bereich der Bedingungen für die Synthese von Diamant eng ist, daß häufig eine Abscheidung von Graphit oder Nicht-Diamant-Kohlenstoff auftritt und daß die Diamant abscheidungsgeschwindigkeit niedrig ist. Insbesondere im Falle der Verwendung von Kohlenwasserstoffen, die nur aus Kohlen stoff und Wasserstoff bestehen, sind die Arten der verwendba ren Ausgangsmaterialien beschränkt.

Das vorstehend beschriebene Ionenstrahlverfahren (2)-1 bietet den Vorteil, daß auf der Oberfläche des Substrats Diamant bei normaler Temperatur abgeschieden werden kann, es hat jedoch den Nachteil, daß eine Ionenstrahl-Erzeugungsapparatur und eine Fokussierungs-Apparatur teuer sind, daß die für die Entladung verwendeten Inertgas-Atome in dem Diamantfilm ein gefangen werden und daß gleichzeitig mit dem Diamant i-Koh lenstoff abgeschieden wird.

Da das vorstehend beschriebene chemische Transportverfahren ein in einem geschlossenen Rohr durchgeführtes Verfahren ist, bei dem ein Kohlenwasserstoff verwendet wird, der durch Um setzung zwischen Graphit und atomarem Wasserstoff im ge schlossenen Rohr gebildet worden ist, ist eine kontinuierli che Operation unmöglich und die Dicke eines Diamantfilms, der synthetisiert werden kann, ist beschränkt. Das Verfahren hat auch den Nachteil, daß die Diamantsynthesebedingungen, wie z. B. die Konzentration der Reaktionsgase und die Er hitzungstemperatur, nicht unabhängig voneinander gesteuert (kontrolliert) werden können.

In dem in den geprüften japanischen Patentpublikationen 59-27753 und 59-27754 beschriebenen Verfahren, bei dem Diamant synthetisiert wird unter Verwendung von Wasserstoff und eines Kohlenwasserstoffs allein sind die Arten der verwendbaren Aus gangsgase extrem beschränkt und die Gase, die in der Praxis verwendet werden können, sind nur Methan, Ethan und Ethylen.

Beschreibung der Erfindung

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die obenge nannten Mängel der konventionellen Verfahren zu vermeiden und ein Verfahren zur Synthese von Diamant zu schaffen, bei dem der Bereich der Diamantsynthesebedingungen breit ist, die verwendete Apparatur und das verwendete Ausgangsmaterial nicht teuer sind, eine große Anzahl von Arten von Gasen als Ausgangsmaterial verwendet werden kann und Diamant mit einer hohen Qualität in einer hohen Abscheidungsgeschwindigkeit er halten werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine organische Verbin dung, die zusätzlich zu Kohlenstoff und Wasserstoff Sauerstoff und/oder Stickstoff enthält (nachstehend gelegentlich als "organische Verbindung" bezeichnet), in eine Gasphase überführt und mit Wasserstoffgas gemischt, das gemischte Gas wird durch Wärmeenergie, Elektronenstrahlen, Licht oder das Plasma einer Gleichstrom-Glimmentladung oder eine Wechselstrom- oder Gleich strom-Lichtbogenentladung zersetzt unter Bildung einer Methyl gruppe und von atomarem Wasserstoff, und das zersetzte Gas wird der Oberfläche eines bevorzugt auf 500 bis 900°C erhitzten Substrats zu geführt unter Abscheidung von Diamant darauf, wodurch das obengenannte Ziel erreicht werden kann. Das signifikanteste Merkmal der vorliegenden Erfindung beruht darauf, daß geeigne te Bedingungen für die Synthese von Diamant mit einer Kombi nation aus einem Ausgangsmaterial, das aus einer organischen Verbindung besteht, die ein Sauerstoff- oder Stickstoffatom enthält (das obengenannte Methanol, Ethanol, Aceton, Methyl amin und dgl.), und einer Energieerzeugungseinrichtung gefunden wurde.

Nachstehend werden typische organische Verbindungen, die er findungsgemäß verwendet werden können, genannt:

I) O-enthaltende organische Verbindungen
Alkoholgruppe (-OH)
- C₂H₅OH: Ethanol
- CH₃OH: Methanol
- (CH₃)₂CHOH: 2-Propanol
- (CH₃)₃COH: 2-Methyl-2-propanol
- CH₃-CH₂-CH₂OH: 1-Propanol
- (CH₃)₂-C(OH)CH₂COCH₃: Diacetonalkohol
- CH₂=CHCH₂OH: Allylalkohol
Äthergruppe (-O-)
- CH₃OCH₃: Dimethyläther
- CH₃CH₂-O-CH=CH₂: Ethoxyethylen
- CH₃-O-CH₂CH₃: Ethylmethyläther
- (CH₃CH₂)O: Diethyläther (CH₃COO)₂O: Acetyläther
Ketongruppe (C=O)
- CH₃COCH₃: Aceton
Ketongruppe
- CH₃COC₂H₅: Ethylmethylketon
- C₂H₅COC₂H₅: Diethylketon
- CH₃COCH₂COCH₃: 2,4-Pentandion
- C₆H₅COCH₃: Acetophenon
- C₁₀H₇COCH₂CH₂CH₃: 1′-Butyronaphthon
Ester (RCOOR′)
- CH₃COOCH₃: Methylacetat
- CH₃COOC₂H₅: Ethylacetat
- CH₃COOC₅H₁₁: Isoamylacetat
Ketengruppe
- (CH₃)₂C=CO: Dimethylketen
- C₆H₅-CH=CO: Phenylketen
Acetylgruppe (CH₃CO-)
- CH₃COOH: Essigsäure
- (CH₃CO)₂O: Essigsäureanhydrid
- CH₃CO C₆H₅: Acetophenon
- (CH₃CO)₂: Biacetyl
Aldehydgruppe (-CHO)
- HCHO: Formaldehyd
- CH₃CHO: Acetaldehyd
- C₂H₃CH₂CHO: Propionaldehyd
Peroxidbindung (-O-O-)
- (CH₃)₃COOH: tert-Butylhydroxyperoxid
- ((CH₃)₃CO)₂: Di-tert-butylperoxid
- CH₃OOH: Methylhydroxyperoxid
- (CH₃)₃COOCOCH₃: tert-Butylperoxidacetat
- (CH₃)₂CHOOCH₃: Isopropylmethylperoxid
- CH₃COOOC₂H₅: Methylethylketonperoxid
- CH₃COOOH: Peressigsäure
II) N-enthaltende organische Verbindungen
Amin (RNH₂)
- CH₃NH₂: Methylamin
- CH₃CH₂NH₂: Ethylamin
- (CH₃)₂NH: Dimethylamin
- (CH₃)₃N: Trimethylamin
- (CH₃)₂CHNH₂: Isopropylamin
Nitrilgruppe
- CH₃CN: Acetonitril
- C₆H₅CN: Benzonitril
- CH₂=CHCN: Acrylonitril
- (CH₃)₃CCN: Pivalonitril
Amidgruppe
- CH₃(CH₂)₄CONH₂: Hexanamid
- CH₃CONH₂: Acetamid
Nitrogruppe
- C₂H₅NO₂: Nitroethan
- CH₃NO₂: Nitromethan
- C₆H₅NO₂: Nitrobenzol
- C₃H₇NO₂: Nitropropan

Die vorliegende Erfindung wird unterteilt in zwei Aspekte je nach der verwendeten organischen Verbindung.

Es wird angenommen, daß das Prinzip des erfindungsgemäßen Ver fahrens das folgende ist:

Erfindungsgemäß wird ein gemischtes Gas aus einer organischen Verbindung, wie oben erwähnt, und Wasserstoff durch Wärmeener gie, durch Elektronenstrahlen, Licht, das Plasma einer Glimm entladung oder das Plasma einer Gleichstrom- oder Wechsel strom-Lichtbogenentladung (nachstehend als Plasma bezeichnet) zersetzt unter Bildung einer Methylgruppe und von atomarem Wasserstoff. Diese Methylgruppe hält eine Struktur vom Dia mant-Typ auf der erhitzten Substratoberfläche aufrecht und verhindert Doppel- und Dreifachbindungen zwischen den anderen Kohlenstoffatomen. Atomarer Wasserstoff bindet sich an Graphit oder Nicht-Diamant-Kohlenstoff unter Bildung eines Kohlenwasserstoffs und der atomare Wasserstoff wird in Form des Kohlenwasserstoffs entfernt. Daher übt der atomare Wasser stoff eine Reinigungsfunktion auf die Substratoberfläche aus.

Um Diamant unter den Temperatur- und Druckbedingungen zu synthetisieren, unter denen Graphit thermodynamisch stabil ist, müssen die aktiven Zustände der chemisch aktiven Methyl gruppe und des atomaren Wasserstoffs aufrecht erhalten wer den. Außerdem ist es zur Bildung eines Diamantfilms erforder lich, eine für die Bildung einer Struktur vom Diamant-Typ ausreichende Reaktionsenergie zuzuführen.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren beträgt das Mischungsver hältnis zwischen der organischen Verbindung und dem Wasser stoff vorzugsweise nicht mehr als 1, um eine Abscheidung von Graphit oder Nicht-Diamant-Kohlenstoff zu ver hindern, und zur Synthese von körnigem oder filmartigem Diamant ist es besonders bevorzugt, daß das obengenannte Mischungsverhältnis nicht mehr als 0,04 beträgt.

Zur Bildung einer Methylgruppe und von atomarem Wasserstoff durch thermische Zersetzung beträgt die Temperatur des Er hitzungselements vorzugsweise mindestens 1500°C, insbesondere 2000 bis 2800°C. Als Erhitzungselement können beispielsweise genannt werden Fäden aus Wolfram, Molybdän, Tantal und Legie rungen davon.

Der Druck in dem Reaktionsrohr, in dem das Substrat ange ordnet ist, beträgt 1,33 bis 1,33 × 10⁵ Pa, vorzugsweise 1,33 × 10⁴ bis 1,07 × 10⁵ Pa.

Um eine Methylgruppe und atomaren Wasserstoff durch Zer setzung durch einen Elektronenstrahl zu bilden, beträgt die Stromdichte des auf die Oberfläche des Substrats auftreffen den Elektronenstrahls mindestens 1 mA/cm².

Um eine Methylgruppe und atomaren Wasserstoff durch Zer setzung durch Licht zu bilden, beträgt die Wellenlänge des Lichtes vorzugsweise nicht mehr als 600 nm, insbesondere nicht mehr als 350 nm für die Methylgruppe und nicht mehr als 85 nm.

Um eine Methylgruppe und atomaren Wasserstoff durch Zer setzung durch Plasma zu bilden, beträgt die Leistungsdichte der Entladung vorzugsweise nicht weniger als 1 W/cm².

Für die Zersetzung durch ein Plasma kann eine übliche Gleich strom- oder Wechselstrom-Hochfrequenz- oder Mikrowellen-Plas ma-Entladung angewendet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Fig. 1 zeigt ein systematisches Diagramm, das ein Bei spiel der Vorrichtung zur Synthese von Diamant durch thermi sche Zersetzung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert;

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, das den Hauptteil eines Beispiels der Vorrichtung zur Synthese von Diamant durch Elektronen strahlzersetzung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren er läutert;

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das den Hauptteil eines Beispiels der Vorrichtung zur Synthese von Diamant durch Lichtzersetzung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert;

Fig. 4 zeigt ein Diagramm, das einen Hauptteil eines Beispiels der Vorrichtung zur Synthese von Diamant durch Plasmazer setzung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert;

Fig. 5 zeigt eine Photographie, die das Reflexions-Elektronen strahl-Beugungsbild von Diamant, wie er in Beispiel 1 gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung erhalten wurde, zeigt;

Fig. 6 und 7 stellen mit einem Elektronenmikroskop vom Ab tast-Typ angefertigte Photographien der Oberfläche und des Quer schnitts des Diamants dar, wie er in Beispiel 1 gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung erhalten wurde; und

Fig. 8 zeigt eine mit einem Elektronenmikroskop vom Abtast- Typ angefertigte Photographie des körnigen Diamants, wie er in Beispiel 3 gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfin dung erhalten wurde.

Erste Ausführungsform der Erfindung

Die Fig. 1 bis 4 erläutern Beispiele für die Vorrichtung zur Synthese von Diamant nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Ins besondere zeigt die Fig. 1 eine systematische Ansicht des Verfahrens, in dem die thermische Zersetzung angewendet wird, die Fig. 2 zeigt eine Ansicht, die einen Hauptteil des Ver fahrens erläutert, in dem die Zersetzung durch Elektronen strahlen angewendet wird, Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das einen Hauptteil des Verfahrens erläutert, in dem die Lichtzersetzung angewendet wird, und Fig. 4 zeigt ein Diagramm, das einen Haupt teil in dem Verfahren erläutert, in dem die Plasmazersetzung angewendet wird.

In der Fig. 1 stellt die Bezugsziffer 1 eine Vorrichtung zur Einführung einer organischen Verbindung und von Wasserstoff dar, die Bezugsziffer 2 stellt einen Erhitzungsofen dar, die Bezugsziffer 3 stellt ein Substrat-Trägergestell dar, die Bezugsziffer 4 stellt ein Reaktionsrohr dar, die Bezugsziffer 5 stellt ein Substrat dar, die Bezugsziffer 6 stellt einen Wolframfaden dar, die Bezugsziffer 7 stellt eine Absaugvor richtung dar, die Bezugsziffer 8 stellt eine Absaugöffnung dar, die Bezugsziffern 9, 10, 11 und 12 stellen jeweils einen Absperrhahn dar. Zuerst wird das Substrat 5 auf das Substrat- Trägergestell 3 in dem Reaktionsrohr 4 gelegt und die Luft in dem Reaktionsrohr 4 wird durch die Absaugeinrichtung 7 entfernt. Dann werden die Konzentration und die Strömungsrate des gemischten Gases durch die Absperrhähne 10, 11 und 12 ein gestellt und das gemischte Gas wird in das Reaktionsrohr 4 ein geführt und der Druck in dem Reaktionsrohr 4 wird durch den Ab sperrhahn 9 auf einen vorgegebenen Wert gehalten. Das ge mischte Gas wird aus dem oberen Abschnitt in das Reaktions rohr 4 eingeführt und durch den Wolframfaden 6 geleitet, der in der Nähe des Substrat-Trägergestells 3 angeordnet ist, und das gemischte Gas wird der Oberfläche des Substrats 5 zugeführt.

Der Heizofen 2 und der Wolframfaden 6 werden auf vorgegebene Temperaturen erhitzt.

Ein Körper aus einem Metall, wie z. B. Si oder dgl., aus ge sinterter Keramik, wie z. B. SiC, oder aus körnigem SiC oder dgl. wird als Substrat 5 verwendet.

Die Fig. 2 erläutert den umgebenden Abschnitt des Reaktions rohres 4; der übrige Abschnitt ist weggelassen. In der Fig. 2 stellt die Bezugsziffer 13 eine Gleichstrom-Energiequelle zur Erzeugung des Elektronenstrahls zwischen dem Wolframfaden 16 und dem Substrat dar.

Die gleichen Elemente wie die in Fig. 1 gezeigten Elemente werden durch die gleichen Bezugsziffern bezeichnet. In der Fig. 3 stellt die Bezugsziffer 14 eine Lichtquelle dar und die Bezugsziffer 15 stellt ein lichtdurchlässiges Fenster dar und in der Fig. 4 bezeichnet die Bezugsziffer 16 eine Plasma- erzeugende Energiequelle und die Bezugsziffer 17 bezeichnet eine Elektrode.

Beispiel 1

Als Substrat 5 wurde ein Silicium-Wafer mit polierter Oberflä che verwendet und als Reaktionsgas wurde ein Gasgemisch aus Aceton (CH₃COCH₃) und Wasserstoff in einem Volumenverhältnis 1 : 50 verwendet. Der Druck in dem Reaktionsrohr 4 wurde auf 1,33 × 10⁴ Pa (100 Torr) eingestellt. Das Substrat wurde auf 650°C erhitzt und der Wolframfaden 6 wurde auf 2000°C er hitzt und das Aufwachsenlassen wurde 1 Stunde lang durchge führt. Auf dem Substrat 5 wurde die Abscheidung eines filmar tigen Diamants mit einer Dicke von etwa 20 µm beobachtet. Die Vickers-Härte des erhaltenen filmartigen Diamants betrug 9500 bis 12 000 kg/mm², was im wesentlichen dem Wert von na türlichem Diamant entspricht. Ein Reflexions-Elektronenstrahl- Beugungsbild des filmartigen Diamants ist in Fig. 5 darge stellt. Aus diesem Beugungsbild war zu erkennen, daß der film artige Diamant kubischer Diamant war. Die Fig. 6 zeigt eine mit einem Abtast-Elektronenmikroskop angefertigte Photo graphie der Oberfläche des filmartigen Diamants und die Fig. 7 zeigt eine mit einem Elektronenmikroskop vom Abtast-Typ an gefertigte Photographie des Querschnittes des filmartigen Dia mants.

Beispiel 2

Als Substrat 5 wurde ein Silicium-Wafer mit polierter Ober fläche verwendet und als Reaktionsgas wurde ein Gasgemisch aus Aceton (CH₃COCH₃) und Wasserstoff in einem Volumen-Mi schungsverhältnis von 1 : 100 verwendet. Der Druck in dem Reak tionsrohr 4 wurde auf 10⁵ Pa (760 Torr = Atmosphärendruck) eingestellt und das Aufwachsenlassen wurde 1 Stunde lang bei einer Substrattemperatur von 600°C durchgeführt, während der Wolframfaden 6 für die thermische Zersetzung auf 2000°C er hitzt wurde. Auf dem Substrat 5 wurde eine Abscheidung von filmartigem Diamant mit einer Dicke von etwa 20 µm festge stellt.

Beispiel 3

Als Substrat 5 wurde ein Silicium-Wafer mit Spiegeloberfläche verwendet und als Reaktionsgas wurde ein Gasgemisch aus Ace ton (CH₃COCH₃) und Wasserstoff in einem Volumenmischungsver hältnis von 1 : 100 verwendet. Der Druck in dem Reaktionsrohr 4 wurde auf 1,33 × 10⁴ Pa (100 Torr) eingestellt und das Auf wachsenlassen wurde 1 Stunde lang durchgeführt bei einer Sub strattemperatur von 650°C, während der Wolframfaden 6 auf ei ne Temperatur von 2000°C erhitzt wurde. Auf dem Substrat 5 wurde die Abscheidung von körnigem Diamant mit einer Teilchen größe von etwa 20 µm festgestellt. Die Fig. 8 zeigt eine mit einem Elektronenmikroskop vom Abtast-Typ angefertigte Photo graphie des erhaltenen körnigen Diamants.

Beispiel 4

Als Substrat 5 wurde ein Silicium-Wafer mit polierter Oberflä che verwendet und als Reaktionsgas wurde ein Gasgemisch aus Methylacetat (CH₃COOCH₃) und Wasserstoff in einem Volumen mischungsverhältnis von 1 : 500 verwendet. Der Druck in dem Reaktionsrohr 4 wurde auf 6,67 × 10³ Pa (50 Torr) einge stellt und die Substrattemperatur wurde auf 750°C eingestellt und das Aufwachsenlassen wurde 1 Stunde lang durchgeführt, während der Wolframfaden auf eine Temperatur von 2000°C er hitzt wurde. Auf dem Substrat 5 wurde die Abscheidung eines filmartigen Diamants mit einer Dicke von etwa 10 µm festge stellt.

Beispiel 5

Als Substrat 5 wurde ein Silicium-Wafer mit polierter Oberflä che verwendet und als Reaktionsgas wurde ein Gasgemisch aus Methanol (CH₃OH) und Wasserstoff in einem Volumenmischungsver hältnis von 1 : 100 verwendet. Der Druck in dem Reaktionsrohr 4 wurde auf 6,67 × 10³ Pa (50 Torr) eingestellt und die Substrat temperatur wurde auf 700°C eingestellt. Das Aufwachsenlassen wurde 1 Stunde lang durchgeführt, während der Wolframfaden 6 auf eine Temperatur von 2000°C erhitzt wurde. Auf dem Sub strat 5 wurde die Abscheidung eines filmartigen Diamants mit einer Dicke von etwa 3 µm festgestellt.

Beispiel 6

Als Substrat 5 wurde ein Silicium-Wafer mit polierter Oberflä che verwendet und als Reaktionsgas wurde ein Gasgemisch aus Ethanol (C₂H₅OH) und Wasserstoff in einem Volumenmischungsver hältnis von 1 : 500 verwendet. Der Druck in dem Reaktionsrohr 4 wurde auf 5,33 × 10³ Pa (40 Torr) eingestellt und die Substrat temperatur wurde auf 600°C eingestellt. Das Aufwachsenlassen wurde 1 Stunde lang durchgeführt, während der Wolframfaden 6 auf eine Temperatur von 2000°C erhitzt wurde. Auf dem Sub strat 5 wurde die Abscheidung eines filmartigen Diamants mit einer Dicke von etwa 5 µm festgestellt.

Beispiel 7

Als Substrat 5 wurde ein Silicium-Wafer mit polierter Oberflä che verwendet und als Reaktionsgas wurde ein Gasgemisch aus Trimethylamin [(CH₃)₃N] und Wasserstoff in einem Volumen mischungsverhältnis von 1 : 100 verwendet. Der Druck in dem Reaktionsrohr wurde auf 6,67 × 10³ Pa (50 Torr) eingestellt und die Substrattemperatur wurde auf 650°C eingestellt. Das Aufwachsenlassen wurde 1 Stunde lang durchgeführt, während der Wolframfaden 6 auf eine Temperatur von 2000°C erhitzt wurde. Auf dem Substrat 5 wurde die Abscheidung eines filmar tigen Diamants mit einer Dicke von etwa 3 µm festgestellt.

Beispiel 8

Zur Herstellung von Diamant wurde die gleiche Vorrichtung wie in den Beispielen 1 bis 7 verwendet, wobei die Bedingungen, wie z. B. die Arten und Strömungsraten der Gase zur Herstellung des Diamants, die Substrattemperatur, die Fadentemperatur und dgl., variiert wurden. Die Strömungsgeschwindigkeit der Gase ist in der folgenden Tabelle in Klammern in den Einheiten SCCM (wie auch weiter unten) angegeben.

Tabelle 1

Beispiel 9

Als Substrat 5 wurde ein Silicium-Wafer mit polierter Oberflä che verwendet, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, und als Reak tionsgas wurde ein Gasgemisch aus Acetontrimethylamin [(CH)₃N] und Wasserstoff in einem Volumenmischungsverhältnis von 1 : 100 verwendet. Der Druck in dem Reaktionsrohr 4 wurde auf 6,67×10³ Pa (50 Torr) eingestellt und die Substrattemperatur wurde auf 550°C eingestellt und der Wolframfaden 6 wurde auf 2000°C er hitzt. Die Oberfläche des Substrats 5 wurde mit einem Elektro nenstrahl in einer Stromdichte von 10 mA/cm² bestrahlt und das Aufwachsenlassen wurde 1 Stunde lang durchgeführt. Auf dem Substrat 5 wurde die Abscheidung eines filmartigen Diamants mit einer Dicke von etwa 2 bis 3 µm festgestellt.

Beispiel 10

Als Substrat 5 wurde ein Silicium-Wafer mit polierter Ober fläche, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, verwendet und als Reaktionsgas wurde ein Gasgemisch aus Aceton (CH₃COCH₃) und Wasserstoff in einem Volumenmischungsverhältnis von 1 : 100 verwendet. Der Druck in dem Reaktionsrohr 4 wurde auf 6,67 × 10³ Pa (50 Torr) eingestellt und die Substrattemperatur wur de auf 750°C eingestellt und der Wolframfaden 6 wurde auf 2000°C erhitzt. Die Oberfläche des Substrats 5 wurde mit einem Elektronenstrahl in einer Stromdichte von 10 mA/cm² bestrahlt und das Aufwachsenlassen wurde 1 Stunde lang durchgeführt. Auf dem Substrat 5 wurde die Abscheidung eines filmartigen Diamants mit einer Dicke von etwa 25 µm festge stellt.

Beispiel 11

Zur Herstellung von Diamant wurde die gleiche Vorrichtung wie in den Beispielen 9 und 10 verwendet, wobei die Bedingungen, wie z. B. die Arten und Strömungsraten der Gase zur Herstel lung von Diamant, die Substrattemperatur, der Druck des Reak tionsgases, die Stromdichte und dgl., variiert wurden.

Tabelle 2

Beispiel 12

Als Substrat 5 würde ein Silicium-Wafer mit polierter Ober fläche, wie er in Fig. 3 gezeigt ist, verwendet und unter den in der folgenden Tabelle 3 angegebenen Bedingungen wurde Dia mant hergestellt. Es sei darauf hingewiesen, daß zwei Arten von Lampen als Lichtquelle 14 verwendet wurden.

Tabelle 3

Beispiel 13

In einer elektrischen Entladungsvorrichtung, die mit gegen überliegenden Targets versehen war, wurde ein Silicium-Wafer mit polierter Oberfläche verwendet und das Aufwachsenlassen des Diamants wurde 1 Stunde lang unter den nachstehend ange gebenen Bedingungen durchgeführt. Das Substrat 5 ist in der Fig. 4 dargestellt und die Bedingungen zur Herstellung des Diamants sind in der folgenden Tabelle 4 angegeben.

Tabelle 4

Verwendbarkeit in der Industrie

Wie aus dem obigen Beschreibung hervorgeht, können erfindungs gemäß die folgenden überragenden Effekte erzielt werden:

(a) Da die Anzahl der Arten von Ausgangsgasen, die erfindungs gemäß verwendet werden können, viel größer ist als bei den konventionellen Verfahren ist die vorliegende Erfindung vom praktischen Standpunkt aus betrachtet sehr vorteilhaft,
(b) es ist eine kontinuierliche Herstellung möglich und die Kosten für die Vorrichtung und das Ausgangsmaterial sind sehr gering,
(c) da der Bereich der Synthesebedingungen breit ist, kann die Synthese sehr leicht durchgeführt werden,
(d) die Abscheidungsgeschwindigkeit des Diamants ist um ein Mehrfaches höher als die Präzipitationsgeschwindigkeit bei den konventionellen Verfahren und es kann körniger oder filmartiger Diamant mit einer hohen Qualität erhalten wer den.

Bezugszeichenliste

2 . . . Heizofen
3 . . . Substrat-Trägergestell
4 . . . Reaktionsrohr
5 . . . Substrat
6 . . . Wolframfaden
14 . . . Lichtquelle
16 . . . Plasma-bildende Energiequelle

Claims

1. Verfahren zur Synthese von Diamant nach der chemischen Dampfphasen-Wachstumsmethode durch Zersetzung einer verdampften organischen Verbindung, die Kohlenstoff, Wasserstoff und mindestens eines der Elemente Sauerstoff und Stickstoff enthält, in einem Reaktionsrohr (4) unter Bildung eines Gases, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas mit Wasserstoff gemischt, das Gasgemisch durch Wärmeenergie, Elektronenstrahlen, Licht, eine Gleichstrom- Glimmentladung, eine Wechselstrom-Glimmentladung oder eine Gleichstrom-Lichtbogenentladung zersetzt und das zersetzte Gas der Oberfläche eines erhitzten Substrats zugeführt wird, um auf dieser Oberfläche Diamant abzuscheiden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Substrats auf eine Temperatur von 500 bis 900°C erhitzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeenergie für die Zersetzung durch eine auf eine Temperatur von 1500 bis 2800°C erhitzte Heizeinrichtung (6) erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenstrahlen für die Zersetzung eine Stromdichte von nicht weniger als 1 mA/cm² aufweisen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht für die Zersetzung eine Wellenlänge von nicht mehr als 600 nm hat.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Entladung für die Zersetzung bei einer Leistungsdichte von nicht weniger als 1 W/cm² durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Reaktionsrohr (4) 1,33 bis 1,33 × 10⁵ Pa beträgt.