Dissertation_M_Fischer.pdf - OPUS - Universität Augsburg

2.1.5 Substrate für die Diamantepitaxie 11
ihre gelbe Farbe begründet ist. Eine Limitierung der HPHT-Synthese besteht jedoch darin, dass die
gewachsenen Diamantkristalle in der Größe auf ∼1 cm Kantenlänge begrenzt sind, weshalb andere
Syntheseverfahren benötigt werden.
Chemische Gasphasenabscheidung
Die Niederdrucksynthese mittels chemischer Gasphasenabscheidung stellt eine weitere Möglichkeit
dar, Diamant künstlich herzustellen. Hierbei macht man sich einen Nichtgleichgewichtsprozess zunutze,
der die extremen Prozessbedingungen, die für eine Gleichgewichtssynthese von Diamant nötig
sind, umgeht. Typischerweise arbeitet man bei der CVD-Synthese von Diamant bei Drücken zwischen
10−1000 mbar und Temperaturen zwischen 700−1200 ◦ C. Ein Kohlenstoffträgergas wird durch
Energiezufuhr zersetzt, wodurch chemisch reaktive Spezies entstehen, aus denen Diamant wachsen
kann [Wil91]. Dabei gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Methoden zur Anregung der Gasphase:
Eine Möglichkeit ist die Flammen-CVD [Ang91]. Dabei wird eine gekühlte Probe in die Flamme
eines Acetylen-Sauerstoff-Gemisches gebracht. Unter optimalen Bedindungen kann sich Diamant an
der Probe abscheiden. Allerdings ist die Homogenität der auf solchem Weg hergestellten Proben
nicht befriedigend. Eine weitere Methode stellt das Plasma-Jet-Verfahren dar [Egu93]. Mittels einer
DC-Entladung wird an einem Ausgang einer Düse ein Plasma generiert, welches sich sehr schnell
ausweitet. Durch den direkten Kontakt der Probe mit dem Plasma muss eine intensive Kühlung
der Probe realisiert werden. Mit diesem Verfahren sind zwar extrem hohe Abscheideraten bis zu
1 mm/h erreichbar, allerdings sind auch hier die Homogenität der Proben über eine größere Fläche,
die Kristallqualität und die Reinheit limitiert. Das Hot-Filament-Verfahren ist eine weit verbreitete
Methode zur Beschichtung technischer Substrate. Hierbei werden die beiden Gase Wasserstoff und
das kohlenstoffhaltige Gas (z.B. Methan) an einem heißen Wolframdraht, dessen Temperatur größer
2000 ◦ C ist, thermisch zerlegt [Han00]. Das Substrat ist nahe an diesem Draht mit einem Abstand
im Zentimeterbereich angebracht. Dabei ergeben sich typische Wachstumsraten von bis zu 1 µm/h.
Werden mehrere Filamente in spezieller Anordnung eingesetzt, kann dieses Vefahren auf Flächen
von bis zu 1 m 2 hochskaliert werden.
Die in dieser Arbeit angewandte Methode ist die Mikrowellenplasma-unterstützte Chemische Gasphasenabscheidung
(Microwave Plasma Chemical Vapour Deposition, MWPCVD). Als Prozessgas
wird im wesentlichen eine Mischung aus Wasserstoff und einem kleinen Teil eines kohlenstoffhaltigen
Gases verwendet. Werden Mikrowellen eingekoppelt, lässt sich ein Plasma zünden. Die elektromagnetischen
Wechselfelder beschleunigen freie Elektronen, deren Energie über Stöße an andere
Gasteilchen abgegeben wird. Dabei werden Schwingungen und Rotationen angeregt und es findet
Ionisation und Bildung von Radikalen (Kohlenwasserstoffradikale und atomarer Wasserstoff) statt.
Durch Letztere wird auch die Bildung graphitischer sp 2 -Bindungen unterdrückt. Atomarer Wasserstoff
ätzt selektiv Nicht-Diamant-Kohlenstoffphasen und führt sie wieder in die Gasphase über. Es
liegt eine starke Übersättigung mit atomarem Wasserstoff und reaktiven Kohlenwasserstoffradikalen
vor, wodurch ein kinetisch kontrolliertes Wachstum von Diamant gegeben ist. Typische Prozessparameter
der MWPCVD sind Drücke von 20−250 mbar und Temperaturen von 700−1200 ◦ C. Daraus
resultieren Wachstumsraten von bis zu 150 µm/h [Hem02]. Kommerzielle MWPCVD-Reaktoren
besitzen eine sehr hohe Stabilität, d.h. es sind extrem lange Prozesse unter gleichbleibenden Bedingungen
möglich. Zudem können sehr reine Diamantkristalle durch die Wahl hochreiner Prozessgase
und die entsprechende Auswahl der Reaktormaterialien hergestellt werden. Neben diesen Verfahren
gibt es noch einige weniger gebräuchliche Methoden, darunter auch Laserverfahren [Yos99].
2.1.5 Substrate für die Diamantepitaxie
Für das Wachstum einkristalliner Schichten aus der Gasphase gibt es zwei unterschiedliche Ansätze:
die Homo- und die Heteroepitaxie.