Deposition of large area single crystal diamond films via heteroepitaxy on silicon: Development of appropriate buffer layer systems and studies on the nucleation mechanisms
Diamant besitzt eine Vielzahl extremer Eigenschaften wie hohe mechanische Härte, Bruchfestigkeit, thermische Leitfähigkeit oder breitbandige optische Transparenz. Speziell für elektronische Anwendungen ist Diamant in einkristalliner Qualität erforderlich, wobei das für diesen Einsatz geeignete Material nur in begrenzter Größe ( 1°) aufweisen, präpariert werden. Es wird ein Modell zur Texturverbesserung vorgestellt, das auf der gegenseitigen Ausrichtung der Ir-Kristallite im Anfangsstadium des Wachstums beruht. Die Abscheidung einkristalliner Schichten konnte auch auf andere Metalle (Rhodium, Ruthenium und Platin) übertragen werden. Der kritischste Prozess bei der heteroepitaktischen Diamantabscheidung auf Iridium ist der Nukleationsschritt, der in dieser Arbeit mit dem sog. BEN-Prozess sowohl in einem Mikrowellenplasma als auch mit einer reinen Gleichspannungs-Entladung durchgeführt wurde. Die Phänomene, die man bei der Diamantnukleation auf Iridium beobachtet, widersprechen den Vorstellungen der klassischen Keimbildungsmodelle. So bilden sich die Diamantkeime innerhalb einer ultradünnen Kohlenstoffschicht auf der Ir-Oberfläche unter Bedingungen, unter denen die Volumenphase, d.h. makroskopische Diamantkristallite, durch den Ionenbeschuss bei angelegter Biasspannung geätzt werden. Zudem stellt man direkt nach der Nukleation eine charakteristische Musterbildung und nach einem kurzen Wachstumsschritt eine selbstorganisierte Struktur der Diamantkeime fest. In Kapitel 5.3 werden deshalb die Prozesse bei der Diamantnukleation eingehend untersucht und die Struktur und Verteilung der Diamantkeime aufgeklärt. Auf der Grundlage all dieser Ergebnisse konnte ein Keimbildungsmodell für die Diamantnukleation auf Ir(001) formuliert werden, das die außergewöhnlichen Phänomene bei der Nukleation schlüssig erklärt. Abschließend wird gezeigt, dass eine großflächige Diamantabscheidung auf dem Schichtpaket Ir/YSZ/Si möglich ist.Diamond combines a multitude of unique material properties (hardness, fracture toughness, thermal conductivity, optical transparency). For electronic applications like transistors or detectors a single crystal quality is inevitable. Diamond of this quality can be synthesized only in limited size (< 1 cm2). In this work we developed a method to deposit single crystal diamond over areas bigger than 10 cm2 via chemical vapour deposition (CVD) on foreign substrates. Up to now the noble metal iridium is the most promising substrate for the heteroepitaxial deposition of diamond. At the beginning of this work thin films were prepared on SrTiO3 crystals (1 cm2) via e-beam evaporation. The huge difference in thermal expansion coefficients constitutes a serious problem for the growth of several 100-µm-thick diamond films on SrTiO3 or other typically used substrates (problem of delamination). Therefore a multilayer buffer system was implemented in this work to overcome these problems. Concerning the thermal expansion silicon represents an ideal substrate for the deposition of diamond. In a first step the Ir(001) growth surface was integrated on silicon using oxidic buffer layers. The latter inhibits silicide formation at the interface. In chapter 5.1 the results of the deposition of yttria-stabilized zirconia (YSZ) on silicon are presented. By means of an annealing step films of unrivalled crystal quality are obtained. The subsequent chapter deals with the evaporation of epitaxial iridium films on YSZ via e-beam evaporation. The development of a two-step growth process is the decisive key to obtain single crystal iridium films on top of underlying oxide buffer layers (YSZ, SrTiO3, MgO) which exhibit a much higher mosaic spread. The underlying mechanism of this exceptional behaviour was elucidated: the iridium crystallites orient themselves in the stage of coalescence. Subsequently the growth of single crystal metal films on silicon could be extended to other metals (rhodium, ruthenium and platinum). The most critical step in heteroepitaxial diamond deposition is the nucleation step. In this work the so called BEN process in a microwave plasma and a pure direct current discharge were used. The observed phenomena contradict predictions of classical nucleation theory. The diamond nuclei are formed within an ultra thin carbon layer on the Ir surface during the ion bombardment. By contrast macroscopic diamond crystallites are etched under these conditions. Furthermore a characteristic pattern formation directly after BEN and a self-organized structure of the diamond crystallites after a short growth step are observed. In chapter 5.3 the processes of the diamond nucleation are examined in detail and the structure and distribution of the diamond nuclei is elucidated. Based on this multitude of experimental results a model for the nucleation of diamond on Ir(001) is proposed which explains the observed phenomena conclusively. Finally first results concerning the large area deposition of single crystal diamond on the multilayer stack Ir/YSZ/Si are presented
