\documentclass[12pt,twoside,fleqn]{report}
\usepackage[T1]{fontenc}
\usepackage{german}
\usepackage{graphicx}

\headheight0cm
\headsep0cm
\textwidth15cm
\textheight22cm
\evensidemargin0.8cm  
\parindent0em 
\parskip1.3ex plus .1ex minus .1ex 
\setcounter{totalnumber}{3}
\setlength{\jot}{20pt}     %<<<< Abstand zwischen Formeln einer F.gruppe
\renewcommand{\arraystretch}{1.3}

\renewcommand{\baselinestretch}{1.1}
\unitlength1cm
\hyphenation{Sub-strates}
\begin{document}


\title{\bf\ Untersuchungen zur Synthese von Diamantfilmen
mittels CVD--Proze"s in einer DC--Lichtbogenanlage \\
}
\author{Inauguraldissertation\\
zur\\
Erlangung des Doktorgrades\\
der Naturwissenschaften\\[1cm]
vorgelegt beim Fachbereich Physik\\
der Universit"at -- Gesamthochschule Essen\\[1cm]
{\large von}\\
Susanne Meyer\\
aus Karlsruhe}

\date{\large Oktober 1999}


\maketitle
\input{vw}

\pagenumbering{Roman}
\setcounter{page}{1}

\tableofcontents
			
\newpage
\pagenumbering{arabic}
\setcounter{page}{1}

\large{
\chapter{Einleitung}

Diamant ist durch seine hervorstechenden Eigenschaften wie 
extreme H"arte \cite{EhrhardtSCT95,RichterPB96}, kleiner
Reibungskoeffizient, optische Transparenz "uber einen gro"sen
Wellenl"angenbereich, sowie extrem gute W"armeleitf"ahigkeit
und chemische Inertheit --- um nur einige zu nennen --- ein 
sehr attraktiver Werkstoff \cite{BachmannSdW92,SauerPB95}. 
Seit es gelungen ist Diamant mit Hilfe der chemischen 
Gasphasendeposition (CVD)\footnote{CVD, Abk"urzung f"ur ,,chemical vapor 
deposition''} im Niederdruckverfahren herzustellen, wurden gro"se 
Anstrengungen unternommen, dieses Verfahren so weit wie m"oglich zu optimieren, 
um die Diamantschichten an die verschiedensten industriellen Anforderungen 
anzupassen. So wurden seit den Anf"angen in den achtziger Jahren enorme 
Fortschritte erzielt. Waren zu Beginn geringe Beschichtungsraten
von nur etwa 0,1 $\mu$m pro Stunde und hohe Anteile an Graphit in den Schichten 
ein Problem, so ist es mittlerweile m"oglich extrem reine Diamantschichten mit Beschichtungsraten von bis zu 100 $\mu$m pro Stunde abzuscheiden. Diese Schichten sind sehr gut f"ur 
optische Fenster geeignet, da sie optisch in einem breiten Wellenl"angenbereich durchl"assig sind (0,23 $\mu$m bis 2,5 $\mu$m). 
Auch werden heutzutage schon kommerziell Fr"as--, Schneide--, und
Bohrwerkzeuge mit Diamant beschichtet, was auf Grund der H"arte 
von Diamant die Standzeiten erheblich verl"angert und die 
Produktionskosten senkt. Im Bereich der Elektronik wird 
Diamant wegen seiner hohen W"armeleitf"ahigkeit schon seit 
einigen Jahren als W"armesenke eingesetzt. Wegen seiner 
guten elektronischen Eigenschaften ist Diamant hervorragend geeignet f"ur 
Bauelemente der Hochfrequenz-- und Leistungselektronik, die auch bei hohen 
Temperaturen arbeiten. Es ist mittlerweile gelungen, stark orientierte
bzw. homoepitaktische Schichten herzustellen und mit Hilfe von Bor zu dotieren. 
So ist es unter anderem m"oglich Schottky Dioden 
\cite{VescanDRM98} und Feldeffekt--Transistoren \cite{PangAPL97,FoxDRM95} 
herzustellen, die noch bei sehr hohen Temperaturen arbeiten.
Die kommerzielle Produktion von mikroelektronischen Bauelementen scheitert jedoch zur Zeit noch daran, da"s die Beschichtungstechnologie nicht weit genug beherrscht wird, um reproduzierbar qualitativ hochwertige Diamantschichten herzustellen.\\
Es gibt eine Vielzahl von verschiedenen plasmaunterst"utzten 
Beschichtungsmethoden, (beschrieben in Kapitel \ref{verfahren}) die alle ihre 
speziellen Vor-- und Nachteile haben (z.B. \cite{AngusSci88,BachmannSdW92}).
Das DC--Lichtbogen CVD--Verfahren in der Form wie es hier verwendet wird, ist 
ein un"ubliches Verfahren zur Diamantsynthese, auch wenn ein derartiges
Verfahren von der Firma Balzers zur Produktion von diamantbeschichteten 
Hartmetall--Werkzeugen verwendet wird. Hierzu wird eine Hochstrom--Bogen\-ent\-ladung mit mehreren hundert Ampere und von einer L"ange von ca. einem halben Meter erzeugt. Die Substrate werden radial um den Bogen plaziert \cite{KarnerDRM96}. Allerdings werden die Beschichtungsparameter nicht genau bekannt gegeben und "uber die Werkzeugbeschichtung hinaus sind keine 
Forschungsergebnisse bekannt. In dieser Arbeit soll das 
DC--Lichtbogen\-verfahren auf seine Vor-- und Nachteile hin untersucht werden, um einen Vergleich zu den "ublichen Methoden ziehen zu k"onnen. Mit dem 
Aufbau, so wie er urspr"unglich vorlag, wurden schon Diamantschichten auf 
Wolfram und Molybd"an abgeschieden \cite{BoehmDRM94,BuckNDDF95}. Ein Ziel der vorliegenden Arbeit war die Beschichtung beliebiger Substrate, insbesondere Silicium und auch die Herstellung von texturierten Diamantschichten mit dem DC--Lichtbogenverfahren. Um mit der Literatur vergleichbare Schichten 
herstellen zu k"onnen, mu"sten noch einige Ver"anderungen an der Apparatur und 
an den Beschichtungskomponenten vorgenommen werden (siehe Kapitel 
\ref{optimal}). Zur Durchf"uhrung systematischer Untersuchungen war es 
zun"achst notwendig ein stabiles Plasma zu erzeugen (Kapitel \ref{stablicht}). Ein weiterer Aspekt, der im Vordergrund stand, war Silicium als Unterlage f"ur die Diamantabscheidung einzusetzen, da Silicium weltweit als Standardsubstrat benutzt wird und so ein Vergleich erm"oglicht wird. Auch war es interessant zu untersuchen, wieweit es mit der DC--Lichtbogenanlage gelingt, texturierte Schichten herzustellen. Wie aus der Literatur bekannt h"angt die Morphologie der Diamantschicht stark vom Methangehalt und der Substrattemperatur ab. Untersuchungen dazu sind in Kapitel \ref{methan} zu finden. Der Einflu"s von Stickstoff auf die Eigenschaft der Schicht wird in Kapitel \ref{stickzu} untersucht. Da epitaktisch gewachsene Diamantschichten ohne Defekte und ohne Korngrenzen f"ur elektronische und 
optische Anwendungen Voraussetzung sind, wird in Kapitel \ref{schleuse} 
untersucht, ob sich mittels Lichtbogenverfahren epitaktische Schichten 
herstellen lassen.\\   
In den vorangegangenen Arbeiten wurden bereits Untersuchungen zu den 
optimalen Beschichtungsparameter durchgef"uhrt \cite{BoehmDRM94,BuckNDDF95} und so wurde der Bogenstrom, der Beschichtungsdruck und der Gasflu"s f"ur die 
Standardbeschichtungen vorerst "ubernommen. Ausgehend von diesen Basisdaten 
wurden dann einzelne Parameter, wie Substrattemperatur, Gaszusammensetzung und 
Proze"sdruck variiert, um ihren Einflu"s auf das Wachstum und die Qualit"at der Diamantschichten zu untersuchen. In Kapitel \ref{vergleich} werden dann die Ergebnisse, die mit der Methode der Lichtbogen CVD erzielt wurden, mit denen aus der Literatur bez"uglich Morphologie und Qualit"at verglichen.

\chapter{Diamant und Diamantwachstum}

      \section{Formen und Eigenschaften des Kohlenstoffs}

Es gibt viele verschiedene Formen, in denen das Element Kohlenstoff in der 
Natur auftreten kann. Es existiert nicht nur in der reinen Form, sondern auch in vielen Mischphasen, wobei die mechanischen und die elektrischen Eigenschaften stark von der jeweiligen Struktur abh"angen. Kohlenstoff kann in Form von Kohle, Graphit oder Diamant auftreten, weiterhin k"onnen sich die 
Kohlenstoffatome mit ihren vier Valenzelektronen zu Ringen, langen Ketten --- 
gerade oder verzweigt --- zusammenschlie"sen, Mehrfachbindungen mit Atomen 
anderer Elemente eingehen und somit eine enorme Vielzahl von 
Verbindungen bilden (Organische Chemie!).\\
Die f"ur diese Arbeit relevanten Formen des Kohlenstoffs sind der Graphit 
und der Diamant. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Kristallgitter und 
Bindungsenergien sind die Eigenschaften von Diamant und Graphit sehr kontr"ar. 
So ist reiner Diamant transparent, viel h"arter als Graphit und ein 
Nichtleiter. Bei Graphit bindet ein Kohlenstoffatom in einer Ebene drei weitere 
C--Atome in Form von \mbox{$\sigma$--Bindungen} an sich (Abb. \ref{Graphit}). 
Das verbleibende vierte Valenzelektron geht \mbox{--- delokalisiert ---} 
\mbox{$\pi$--Bindungen} mit einem anderen ein und so kommt es zu einer 
Elektronenbeweglichkeit, die Graphit innerhalb dieser Ebenen elektrisch leitend 
macht. Die einzelnen Ebenen hingegen sind durch schwache van der Waals--Kr"afte 
aneinander gebunden. Sie sind leicht gegeneinander zu verschieben, was 
erkl"art, warum Graphit so weich ist, da"s er unter anderem als Schmiermittel 
oder auch als Bleistift gebraucht wird. Senkrecht zu den Gitterebenen ist 
Graphit ein Nichtleiter. Bei Raumtemperatur und Atmosph"arendruck ist Graphit 
der thermodynamisch stabile Zustand in dem reiner Kohlenstoff auftreten kann, 
wohingegen Diamant bei gleichen Bedingungen thermodynamisch metastabil ist.\\
Beim Diamant sind alle vier Valenzelektronen des Kohlenstoffs in kovalenten 
$\sigma$--Bindungen fest gebunden. Dies erkl"art, warum reiner Diamant 
ein guter Isolator ist. Das Kristallgitter ist kubisch fl"achenzentriert, mit 
einer zweiatomigen Basis (Abb. \ref{Diagitter}). Die extremen Eigenschaften 
von Diamant kommen zustande, weil die leichten Kohlenstoffatome (relative 
Atommasse: 12,011) durch starke kovalente Kr"afte zusammengehalten werden, d.h. 
es herrschen hohe Bindungsenergien bei kleinen Bindungsl"angen. Die Phononen 
k"onnen sich sehr schnell, ohne stark gestreut zu werden, durch das Material 
ausbreiten, was Diamant bei Raumtemperatur und h"oheren Temperaturen zu einem 
ausgezeichneten W"armeleiter macht. Der Gitterabstand a von Diamant betr"agt 
\mbox{0,357 nm}, die einzelnen Atome liegen dicht beieinander. Zusammen mit den kovalenten Bindungen kommt es zu der f"ur Diamant typischen hohe Dichte, der geringen Kompressibilit"at, der geringen spezifische W"arme und zu dem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizient \cite{Berman23}. In Tabelle \ref{Matpar} (nach \cite{Buckley-GolderDRM91}) werden einige repr"asentative Materialparameter von Diamant aufgelistet. Um einen "Uberblick zu geben, warum Diamant f"ur elektronische Anwendungen so interessant ist, werden die Daten mit den Halbleitermaterialien Galliumarsenid und Silicium verglichen. Ein ausf"uhrlicher "Uberblick "uber die einzelnen Formen des Kohlenstoffs ist z.B. in \cite{Haase88} zu finden.

\begin{figure}[bt]
     \begin {minipage}[bt]{7cm}
	\includegraphics[width=7cm]{Graphit.eps}
      \parbox{7cm}{\caption{\label{Graphit} hexagonales Kristallgitter von 
Graphit
	 }}
     \end {minipage}
   \hfill
     \begin {minipage}[bt]{7cm}
       \includegraphics[width=7cm]{Diagitter.eps}
       \parbox{7cm}{\caption{\label{Diagitter} Kristallgitter von Diamant }}
     \end{minipage}
\end{figure}
\begin{table}[bt]\caption{\label{Matpar} Materialeigenschaften von Diamant im 
Vergleich mit Galliumarsenid und Silicium} 
   \vspace{0.3cm}
     \begin{tabular}{llll} \cline{1-4}
        \vspace{0.3cm}
Eigenschaften & Diamant &   GaAs   & Silicium \\ \cline{1-4}
Gitterkonstante (nm) & 0,3567 & 0,565 & 0,543 \\
Thermische Ausdehnung $(\cdot 10^{-6}$   $^\circ$C) & 1,1 & 5,9 & 2,6 \\
Dichte (kg m$^{-3}$) & 3515 & 5320 & 2328 \\
Bandl"ucke (eV) & 5,45 & 1,43 & 1,1 \\
Elektron--Beweglichkeit (cm$^2V^{-1}$cm$^{-1}$) & 2200 & 8500 & 1500 \\
Loch--Beweglichkeit (cm$^2V^{-1}$cm$^{-1}$) & 1600 & 400 & 600 \\
Durchbruchfeldst"arke ($\cdot 10^6$ V cm$^{-1}$) & 10 & 6 & 0,3 \\
Rel. Dielektrizit"atskonstante $\epsilon$ & 5,5 & 12,5 & 11,8 \\
W"armeleitf"ahigkeit (W cm$^{-1}$ K$^{-1}$) & 20 & 0,46 & 1,5 \\
Spezifischer Widerstand ($\Omega$cm) & $10^{13}$ & $10^8$ & $10^3$ \\
Brechungsindex & 2,42 & 3,4 & 3,5 \\
Absorptionskante ($\mu$m) & 0,2 & 3,4 & 3,5\\
Vickers--H"arte (kg mm$^{-2}$) & 10000 &600 & 1000 \\
Schmelzpunkt ($^\circ$C) & 4000 & 1238 & 1420 \\ \cline{1-4}
      \end{tabular}
    \end{table}

  \section{Modelle des Diamantwachstums}

Diamant entsteht unter Bedingungen, die sehr hohe Dr"ucke und 
hohe Temperaturen erfordern. Seit 1955 ist es m"oglich mit Hilfe von 
speziellen Hochdruckkammern Diamant auch k"unstlich herzustellen. Es findet bei 
diesen hohen Dr"ucken ein Phasen"ubergang von Graphit zu Diamant statt (Abb. 
\ref{phadia}). Dabei liegen typischerweise die Werte des Drucks bei ca. 10 -- 
20 GPa und die der Temperatur zwischen 1000 und 3000 $^\circ$C (Daten"uberblick siehe 
\cite{Kanda404}). 
\begin{figure}[bt]
  \includegraphics[width=7cm]{phadia.eps}
   \caption{\label{phadia} Temperatur--Druck--Phasendiagramm von Kohlenstoff 
(nach \cite{Kanda404})
 }
\end{figure}
Warum Diamant jedoch auch bei ganz anderen Bedingungen entsteht, z.B. bei einem 
Niederdruckverfahren (< 1 bar) mit geringen Temperaturen (< 1200 $^\circ$C)
ist nicht vollst"andig gekl"art. Es existieren einige theoretische Modelle, die 
versuchen den Vorgang der CVD--Diamantabscheidung zu erkl"aren, angefangen von 
der Rolle des atomaren Wasserstoffs in der Gasphase \cite{WangJES94} und auf 
der Oberfl"ache des Substrats \cite{GoodwinJAP93,HongPRB97}, "uber den Proze"s 
der Keimbildung \cite{RudenkoDRM96,TomelliniJAP92,MolinariJMR92} bis hin zum 
Diamantwachstum (z.B.: \cite{HarrisJPC93,Angus94,WangESP95,HuangML98}). "Uber einen Aspekt des atomaren Wasserstoffs ist man sich insofern einig, als da"s er selektiv Strukturen die keine Diamantbindungen aufweisen, also zum Beispiel 
Graphit, weg"atzt. Dies ist sehr wichtig, da gleichzeitig mit der 
Diamantdeposition auch Graphit abgeschieden wird. Der atomare Wasserstoff 
reduziert den Anteil von $sp^2$--Kohlenstoff in der Schicht und die 
$sp^3$--Kohlenstoffbindungen k"onnen "uberwiegen. Um das CVD--Diamantwachstum zu erkl"aren, wurden eine Reihe von Theorien aufgestellt, die verschiedene chemische Reaktionen ber"ucksichtigen (z.B.: \cite{FrenklachPRB91}). Mittlerweile ist man soweit "ubereingekommen, da"s man Methylradikale CH$_3$ \cite{HarrisAPL90} oder Acetylenmolek"ule C$_2$H$_2$ \cite{FrenklachJMR88,BeltonJCP92} als Hauptwachstumsspezie anerkennt. Bei den meisten Modellen geht man davon aus, da"s der Kohlenstoff der Diamantoberfl"ache teilweise mit Wasserstoff abges"attigt ist. Vereinfacht ausgedr"uckt wird durch Abgabe eines Wasserstoffatoms (zum Beispiel durch Bindung an ein freies Wasserstoff\-atom in der Gasphase) der Oberfl"achenkohlenstoff chemisch aktiviert. Ein Kohlenstoffatom aus den vorhandenen Tr"agermolek"ulen kann sich nun an das Diamantgitter anbinden. Z.B. sieht die Reaktionsgleichung des Diamantwachstum mit Acetylen C$_2$H$_2$ folgenderma"sen \mbox{aus \cite{FrenklachPRB91}}:
\begin{equation} C_dH+H \rightarrow C_d+H_2\end{equation}
\begin{equation}C_d+C_2H_2 \rightarrow C_dH+H\end{equation}
$C_dH$ steht hierbei f"ur die mit Wasserstoff kontaminierte Oberfl"ache und 
$C_d$ steht f"ur die reaktiven $sp^3$--gebundenen Kohlenstoffatome an der 
Oberfl"ache.
\begin{sloppypar} Die hier nur sehr knapp beschriebene Theorie ist ausf"uhrlicher zum Beispiel bei Spear und Frenklach \cite{Spear243,Frenklach499}, in dem "Ubersichtsartikel von Celii und Butler \cite{CeliiARPC91} oder bei Heggie et al. \cite{HeggieDRM96} zu finden.\end{sloppypar}


 
   \section{Beschichtungsverfahren}
    \label{verfahren}
\begin{sloppypar}
Alle Verfahren zur Gasphasendeposition von Diamant haben gemeinsam, da"s sie 
durch Energiezugabe eine geeignete Gasatmosph"are schaffen m"ussen die sowohl 
Kohlenstoff enth"alt, als auch ein stark Kohlenstoff--"atzendes Gas, wie 
Sauerstoff (z.B.: \cite{YoshimotoNAT99}), Fluorid (z.B.: \cite{HentschelTSF96}) 
oder atomaren Wasserstoff. Typischerweise wird als Gasgemisch Wasserstoff und 
1 bis 4\% Methan verwendet. Im wesentlichen lassen sich drei 
plasmaunterst"utzte Hauptverfahren charakterisieren, die auf unterschiedliche 
Weise dem System Energie zuf"uhren: (i) Gleichstromverfahren, (ii) Hochfrequenz--, und (iii) Mikrowellenplasma unterst"utztes--CVD \cite{KlagesAPA93}. Das in diesen Systemen erzeugte Plasma ist auf Grund der Plasmatemperatur, d.h. der mittleren kinetischen Energie der Gasteilchen und der Plasmadichte ma"sgebend f"ur die Wachstumsrate und die Qualit"at der Diamantschicht. Die Plasmatemperatur ist abh"angig vom Gasdruck und von der eingespeisten Leistung.

(i) Bei der Gleichstrom--Methode wird eine Plasmaentladung zwischen zwei 
Elektroden gez"undet. In den meisten F"allen bestehen die Elektroden aus zwei 
parallelen Platten wobei eine der beiden Elektroden gleichzeitig als 
Substrat\-halter dient. Bei niedrigen Dr"ucken (\mbox{< 100 mbar}) und kleiner 
Energiedichte sind die Wachstumsraten sehr gering, sie liegen bei ca. 0,1 
$\mu$m/h. Die Gastemperatur reicht dabei nicht aus, um das Substrat auf 
geeignete Beschichtungstemperatur (500 -- 1100 $^\circ$C) zu heizen, das hei"st, das Substrat mu"s zus"atzlich geheizt werden. Davon abgesehen ist dieses Verfahren unkompliziert, einfach aufzubauen und man kann damit gro"se Fl"achen beschichten (mehr als 70 cm$^2$). Trotz der geringen Wachstumsraten sind die Schichten stark verunreinigt. Sie enthalten Wasserstoffanreicherungen und amorphen Kohlenstoff. Bei hohen Dr"ucken (bis Atmosph"arendruck) und hohen 
Leistungen steigen jedoch die Wachstumsraten stark an und die Qualit"at der 
Schichten wird besser. Allerdings mu"s das Substrat bei diesen Bedingungen gut 
gek"uhlt werden \cite{HartmannDRM96,BacciMSE98}.\\
Ein anderes Verfahren, das bei hohen Dr"ucken arbeitet ist der sogenannte 
DC--Plasma--Jet. Der DC--Plasma--Jet ist ein Verfahren, das in einem 
Druckbereich von \mbox{40 mbar} bis zu Atmosph"arendruck gute Diamantschichten 
liefert. Das Plasma wird durch eine Gleichstrombogenentladung erzeugt. Die gut 
gek"uhlte, koaxiale Anode liegt bei diesem Verfahren wie eine Haube um die 
Kathode. Zur Beschichtungskammer hin ist die Anode wie eine D"use geformt durch 
die das Plasma auf das Substrat str"omt. Die Schwierigkeit besteht darin, das 
Substrat ausreichend zu k"uhlen, damit es nicht besch"adigt wird. Die 
Wachstumsraten k"onnen bis zu ca. \mbox{1000 $\mu$m/h} betragen, was sich 
jedoch nachteilig auf die Haftung der Schicht auf dem Substrat auswirkt. Der 
Depositionsproze"s ist nicht leicht zu kontrollieren und es k"onnen Verunreinigungen der Schichten durch das Elektrodenmaterial auftreten. Durch die Temperaturverteilung im Jet kommt es zu einem Temperaturgradienten auf dem 
Substrat und die Schichten werden inhomogen. K"urzlich ist es jedoch durch 
Optimierung des Proze"ses gelungen, zum einen die Substratk"uhlung zu umgehen 
und durch Rotation des Substrates die inhomogene Temperaturverteilung zu 
reduzieren \cite{DeuerlerIJRMHM98} und zum anderen frei stehende Diamantwafer 
mit einem Durchmesser von 175 mm und einer Dicke von 200 $\mu$m in hoher 
Qualit"at reproduzierbar herzustellen \cite{GrayDRM99}.\\
Ein v"ollig anderes Beispiel der Gleichstrom--Methode zur Diamantsynthese ist 
das weitverbreitete und viel untersuchte ''Hot--Filament--Verfahren''. Bei 
diesem Verfahren wird ein Strom durch einen Heizdraht geschickt, der meist aus 
Wolfram oder Tantal oder in seltenen F"allen auch aus Rhenium besteht. An dem 
gl"uhende Draht dissoziiert der molekulare Wasserstoff und der 
Kohlenstofftr"ager, meistens Methan, wird zersetzt. Die Abscheideraten betragen 
etwa 0,3 -- 3 $\mu$m/h. Die Nachteile bei diesem Verfahren sind, da"s w"ahrend 
der Beschichtung Material vom Draht abgetragen und in die Schicht eingebaut 
wird \cite{MehtaDRM99} und da"s der Draht relativ schnell verspr"odet und 
bricht. Au"serdem reagiert bei Verwendung von Wolframdraht dieser mit dem 
Methan und wird carbonisiert, was den Keimbildungsproze"s von Diamant 
beeintr"achtigen kann \cite{Moustakas145}. Dieses Verfahren wird unter anderem 
auch kommerziell genutzt, z.B. zur Beschichtung von Werkzeugen, wobei viele 
Dr"ahte in geeigneter Form nebeneinander angebracht werden \cite{LeyendeckerIJRMHM98}. Die Verunreinigungen durch den Draht spielen bei der Werkzeugbeschichtung keine gro"se Rolle.

(ii) Bei der ''Hochfrequenz--CVD'' werden zur Diamantabscheidung zwei verschiedene Verfahren zur Energieerzeugung angewandt, zum einen wird die Energie kapazitiv und zum anderen induktiv in das Plasma eingekoppelt. 
Bei Atmosph"arendruck konnten in mit induktiv eingekoppelter HF erzeugten Plasmen schon sehr reine Schichten erzeugt werden, obwohl die Wachstumsraten mit ca. 180 $\mu$m/h sehr hoch sind. Allerdings mu"s auch hier das Substrat intensiv gek"uhlt werden. Die Haftung des Diamantfilms auf dem Substrat sowie die Homogenit"at der Schicht machen noch Probleme. Typischerweise ist die 
Substratfl"ache die beschichtet werden kann nicht gr"o"ser als 2 cm$^2$.  Andererseits gelang es in einem Fall mit dieser Methode bei einem Druck von 
\mbox{200 mbar} ein Molybd"ansubstrat mit einem Durchmesser von 100 mm  
zu beschichten und das bei einer Aufwachsrate von 30 $\mu$m/h 
\cite{KohzakiJJAP93}. Die typische Leistung bei diesen Reaktoren liegt zwischen 
20 und 60 kW und die Frequenz bei der sie betrieben werden reicht von 0,4 bis 
13,56 MHz. Mit einem Gasverbrauch von um die 100 slm\footnote{ein slm entspricht einem Liter Gas pro Minute unter Standardbedingungen (Raumtemperatur und Atmosph"arendruck)} ist diese Methode sehr teuer, 
teilweise wird daher eine Gasr"uckgewinnungsanlage eingesetzt. Bei niedrigeren 
Dr"ucken \mbox{(0,1 -- 40 mbar)} verringert sich die Aufwachsrate 
bis auf unterhalb 1 $\mu$m/h \cite{Bachmann829,YaraASS92}. Zum Beispiel hat man es auf diese Art geschafft, Diamant bei geringen Substrattemperaturen (350 -- 600  $^\circ$C) und bei ca. 10 mbar Diamant auf Quarz aufwachsen zu lassen, allerdings nur mit einer Wachstumsrate von \mbox{0,14 $\mu$m/h \cite{WatanabeJJAP97}.}

(iii) Die ''Mikrowellenplasma--CVD'' (MWCVD) ist zur Zeit eine der meist 
genutzten Verfahren, um Diamant auf den verschiedensten Substraten abzuscheiden. Mit dieser Methode werden mittlerweile Beschichtungen "uber gro"se Fl"achen erreicht, die --- abh"angig vom Druckbereich und der eingekoppelten Leistung --- qualitativ hochwertige Diamantschichten aufweisen. Nach etlichen Vorarbeiten gelang es einen ''eif"ormigen'' Mikrowellenreaktor zu konstruieren, mit dem man bei einer Frequenz von 915 MHz und einer Leistung von 60 kW Siliciumwafer bis zu einem Durchmesser von 15,3 cm mit Diamant beschichten kann \cite{FuenerAPL98}. Die Wachstumsrate variiert hierbei zwischen 1 -- 15 $\mu$m/h, je nach Qualit"atsvorgabe. Mit dieser Anlage ist es unter anderem m"oglich, Diamantfenster von h"ochster optischer Transparenz herzustellen. Die Vorteile der MWCVD liegen in den stabilen experimentellen Parametern w"ahrend der Diamantdeposition und in der Reproduzierbarkeit der Schichten. (Siehe zu diesem Kapitel auch \cite{Moustakas145,Bachmann829,Bachmann354} und die dort zitierte Literatur).

Neben diesen Plasma--CVD Verfahren sei noch das ''Flammen--CVD--Verfahren'' erw"ahnt, ein einfaches und billiges Verfahren, bei dem mit Hilfe eines Acetylenbrenners bei Atmosph"arendruck hohe Abscheideraten von "uber \mbox{100 $\mu$m/h} erreicht werden k"onnen. Allerdings fallen die Abscheideraten drastisch mit fallendem Druck, z.B.: auf 1 $\mu$m/h bei 70 -- 250 Torr \mbox{(90 --330 mbar)} (\cite{YarinaDRM98} mit "Ubersicht). Durch die Verbrennung von Acetylen und Sauerstoff kommt es zu starken exothermen chemischen Reaktionen, die die Gasphase aktivieren. F"ur die Beschichtung bei Atmosph"arendruck kann ganz auf teure Vakuumkammern verzichtet werden. Mit diesem Verfahren wurden bereits qualitativ hochwertige Diamantk"orner homoepitaktisch hergestellt \cite{Snail81}. Da das Substrat in Kontakt mit der Flamme kommt, mu"s eine intensive Substratk"uhlung angebracht werden. Probleme mit kleinen Beschichtungsfl"achen ($\le 1cm^2$), nicht reproduzierbaren Proze"sbedingungen und inhomogenen Temperaturverteilungen "uber das Substrat \cite{Nielsen745} konnten durch Optimierung des Beschichtungsproze"ses behoben werden \cite{RozbickiTSF98}.
\end{sloppypar}

\chapter{Standardmethoden der Analyse von Diamantschichten}
Es gibt eine ganze Reihe von Untersuchungsverfahren, die man zur Analyse der 
aufgewachsenen Diamantschichten verwenden kann. Die Wahl der Verfahren h"angt 
allein ab von den Eigenschaften, auf die hin man die Proben untersuchen will. 
Einen "Uberblick "uber die einzelnen Analysemethoden bekommt man zum Beispiel 
in \cite{Chalker127,Bachmann677}. Jedoch gibt es drei definierte 
Standardmethoden, an Hand derer sich Diamant eindeutig bestimmen l"a"st \cite 
{MessierTSF87}:\\
Mit Rasterelektronenmikroskopie mu"s die kristalline Morphologie der 
Diamantschicht eindeutig erkennbar sein. Die Raman--Spektroskopie mu"s die 
f"ur kristallinen Diamant charakteristischen Linien vorweisen, wie auch das 
Spektrum der R"ontgenbeugung die Diamantphase eindeutig erkennen lassen mu"s. \\
Die in dieser Arbeit hergestellten Proben wurden routinem"a"sig mit den drei 
wichtigsten Standardverfahren analysiert. Mittels Rasterelektronenmikroskopie 
wurde die Morphologie der Schicht untersucht, die Raman--Spektroskopie wurde 
zur Analyse der Qualit"at und der Phasenreinheit der Schichten herangezogen und mit Hilfe der R"ontgenbeugung wurde die Kristallstruktur und in einigen F"allen auch die Wachstumsorientierung genauer bestimmt.


   \section{Rasterelektronenmikroskopie}
Das Rasterelektronenmikroskop (REM) ist unverzichtbar, um als erstes zu 
"uberpr"ufen, ob die abgeschiedene Schicht die charakteristischen Strukturen 
der Diamantkristalle aufweist und welche Morphologie sie hat. Man kann mit den 
REM--Untersuchungen feststellen, wie gro"s die Diamantkristalle sind und ob sie 
eine Orientierung aufweisen. Weiterhin kann man leicht "uberpr"ufen, wie 
homogen das Substrat beschichtet ist, und ob die Schicht an den R"andern eine 
andere Morphologie aufweist als in der Mitte. Besonders wichtig sind die 
REM--Untersuchungen, wenn man die Auswirkungen bei Variation einer der verschiedenen Herstellungsparameter, wie z.B. Substrattemperatur oder Leistung des Lichtbogens auf die Schichtmorphologie untersuchen will (siehe Kapitel 
\ref{synthese}). So hat zum Beispiel schon eine "Anderung in der Dauer der 
Beschichtung oder der Abscheidetemperatur \cite{WildDRM93} gro"sen Einflu"s auf 
das Aussehen der Schicht. Weiterhin machen sich Unterschiede in der 
Konzentration des Kohlenstofftr"agers \cite{HartmannDRM96,BacciMSE98,KobashiJVST88}, und auch verschiedene 
Substratmaterialien und deren Vorbehandlung \cite{MessierTSF87,ChenTSF98} in 
der Morphologie der Schicht bemerkbar. Zus"atzlich zu den Untersuchungen der 
Oberfl"ache ist das REM sehr n"utzlich, wenn man die Schichtdicke messen m"ochte. Dazu bricht man die aufgewachsenen Diamantschicht mit Substrat in der Mitte auseinander und spannt sie mit der gebrochenen Kante senkrecht zur Beobachtungsebene ein. So kann man die Dicke der Schicht ausmessen. Man erh"alt eine recht gute Absch"atzung der Wachstumsrate indem man die Schichtdicke durch die Depositionszeit dividiert.

     \section{Raman--Spektroskopie}
Mit der Raman--Spektroskopie hat man die M"oglichkeit die abgeschiedene 
Kohlenstoffschicht zu identifizieren. Man erh"alt Informationen "uber den 
Bindungstyp und kann Aussagen "uber die Phasenreinheit des 
Diamantfilms bekommen. Die Raman--Streuung ist ein Zweiphotonenproze"s, 
wobei ein einfallendes Photon inelastisch an den optischen Gitterschwingungen 
im Kristall gestreut wird. Dabei wird ein optisches Phonon erzeugt oder 
vernichtet und ein Photon tritt aus dem Kristall wieder heraus. Bei Emission 
eines Phonons spricht man vom Stokes--Fall und bei Absorption vom 
Anti--Stokes--Fall. In beiden F"allen kommt es beim austretenden Photon gegen"uber der Anregungsstrahlung zu einer charakteristischen Frequenzverschiebung (s. z.B.: \cite{BergmannSchaefer}). Mit einem Laserstrahl angeregt erzeugt der Stokes--Ramaneffekt f"ur wohlgeordneten kubischen Diamant eine scharfe, intensive Linie bei 1332,5 cm$^{-1}$. Die Intensit"at der Linie ist proportional zu der Menge des streuenden Materials. Es kommt zu leichten 
Verschiebungen der Linie in der Frequenz, je st"arker die kubische 
Kristallstruktur des Diamantmaterials verspannt ist. Dabei deutet eine 
Verschiebung zu h"oheren Frequenzen (bis ca. 1345 cm$^{-1}$) auf 
Kompressionsspannung hin und eine Verschiebung zu kleineren Frequenzen auf 
Zugspannung \cite{ChenDRM95}. Dies kann auch aus der Halbwertsbreite abgelesen 
werden. Die Halbwertsbreite von nat"urlichem Diamant betr"agt etwa 1,8 
cm$^{-1}$, die von perfekt kubischen Diamant liegt bei \mbox{1,7 cm$^{-1}$} und f"ur sehr schlechte Schichten betr"agt sie 14 cm$^{-1}$ oder mehr \cite{HuongDRM91}. Auch kann man die Verbreiterung der Halbwertsbreite als ein Ma"s f"ur eine zunehmende Anzahl an Defekten, bzw. eine Abnahme in der Anzahl der Kristallite ansehen (\cite{SailsAPL94} und dort zitierte Lit.). Befinden sich amorphe Kohlenstoffmischphasen in der Schicht, so werden diese durch eine breite Linie um 1500 cm$^{-1}$ wiedergegeben. Glaskohlenstoff und pyrolytischer Graphit zeigen sich durch zwei breite Linien bei \mbox{1360 cm$^{-1}$} und bei 1590 cm$^{-1}$. Reiner Graphit hat eine scharfe Linie bei \mbox{1580 cm$^{-1}$} (s. z.B.: \cite{NemanichJVST88,IwakiRR96,PrawerDRM98}). In dieser Arbeit wurden die Ramanspektren insbesondere zur Untersuchung der Anteile an amorphem Kohlenstoff in der Schicht herangezogen. Erzeugt wurden sie mit einem Argonionenlaser bei einer Wellenl"ange von 514,5 nm (also bei einer Wellenzahl von \mbox{19436 cm$^{-1}$}). Es sind durchaus auch Laser mit anderen Wellenl"angen "ublich. So z.B. HeNe--Laser mit einer Wellenl"ange von 632,8 nm oder Halbleiterlaser mit 780 nm \cite{WangPSSAR96}. Die scharfe Linie des Diamants bei 1332,5 cm$^{-1}$ bleibt von der Anregungsenergie weitgehend unbeeinflu"st, w"ahrend die Empfindlichkeit gegen"uber den verschiedenen graphitischen Phasen von der Anregungsenergie abh"angt \cite{WagnerPRB89,YoshikawaAPL89}. Die relative 
Intensit"at der Linie bei 1550 cm$^{-1}$ nimmt zum Beispiel mit zunehmender 
Photonenenergie (2,41 eV (514,5 nm) -- 4,82 eV (257,3 nm)) ab, und es kommt zu 
einer Frequenzverschiebung bis zu 50 cm$^{-1}$. Allerdings wird bei der 
Anregung mit einem Ar$^+$--Laser das Ramanspektrum mit einem starken 
Lumineszensuntergrund "uberlagert. Bei einer Anregung mit 4,82 eV wird die 
Lumineszenz unterdr"uckt und man kann die viel schw"achere 
Anti--Stokes--Linie von Diamant beobachten \cite{WagnerPRB89}.


   \section{R"ontgenbeugung}
Die Spektren der R"ontgenbeugung (XRD)\footnote{XRD, Abk"urzung f"ur ,,X--ray 
diffraction''} werden, wie die Ramanspektroskopie, zur Analyse der Diamantschichten gebraucht. Neben den f"ur Diamant charakteristischen Linien der einzelnen Kristallebenen werden dadurch auch m"oglichen Fremdphasen in der abgeschiedenen Diamantschichten erfa"st. Die R"ontgenstrahlen werden an den einzelnen Netzebenen des Kristalls gebeugt. Die Teilwellen interferieren wenn die Bragg--Bedingung erf"ullt ist und man erh"alt so Informationen "uber die vorhandenen Kristallstrukturen. Mit der R"ontgenbeugung hat man weiterhin auch die M"oglichkeit, wichtige Parameter der Mikrostruktur zu erforschen. Zum Beispiel kann man durch Analyse des Linienprofils Mikroverspannungen im Kristallgitter bestimmen, wie auch den Grad und die Art der Texturierung. Da"s hei"st, man kann die Gr"o"se der vorhandenen Gebiete ermitteln, in denen Kristallite mit gleicher Orientierung gewachsen sind \cite{BrunetTSF98,BrunetJAP98}. Einige Proben, die bei REM--Untersuchungen starke Texturierung aufwiesen, wurden mit XRD auch auf die Wachstumsorientierung hin untersucht.

\chapter{Experimentelles}

 \section{Die DC--Lichtbogenentladung}

Schon seit langem ist der Lichtbogen bekannt und untersucht. Er wurde 
und wird immer noch vielfach f"ur alle m"oglichen Prozesse eingesetzt,
von der Beleuchtung "uber die Schaltertechnik bis hin zum Schwei"sen. In der hier beschriebenen Anwendung wird der Lichtbogen eingesetzt um synthetischen Diamant herzustellen.\\
Der Lichtbogen definiert sich durch sein intensives Leuchten, durch einen 
relativ kleinen Kathodenfall, der meist nicht mehr als 10 V betr"agt und durch 
Stromdichten, die 500 bis 10$^4$ A/cm$^2$ betragen k"onnen \cite{Roth95}. Man unterscheidet zwischen einem thermischen und einem nicht--thermischen Lichtbogen. F"ur den thermischen Bogen ben"otigt man hohe Str"ome \mbox{(50 -- 10$^4$ A)} und hohe Dr"ucke \mbox{(0,1 -- 100 bar).} Die Elektronen treten durch Feldemission aus der Kathode aus und die Stromdichten liegen mit 
10$^6$ A/cm$^2$ bis 10$^8$ A/cm$^2$ um ein Vielfaches h"oher als beim 
nichtthermischen Bogen. Das Plasma ist vollst"andig ionisiert und befindet 
sich im lokal thermischen Gleichgewicht. Daher k"onnen die Plasmaeigenschaften 
wie Anregungstemperatur, Ionisationsgrad relativ gut aus der 
Stefan--Bolzmann--Verteilung, der Saha--Gleichung bestimmt werden. In Abb. \ref{bogcha} ist die Strom--Spannungscharakteristik des Lichtbogens dargestellt, wobei die Bereiche des thermischen und des nichtthermischen Bogens markiert sind. 
\begin{figure}[bt]
   \includegraphics[width=6cm]{bogcha.eps}
    \caption{\label{bogcha} Strom--Spannungscharakteristik eines Lichtbogens}
\end{figure}
Betreibt man die Entladungen wie hier bei Str"omen zwischen \mbox{1 und 20 A}, 
befindet man sich im "Ubergangsbereich von der Glimmentladung zum Bogen. Zu 
welcher Kategorie von Entladungen das erzeugte Plasma geh"ort, kann man z.B. 
durch Bestimmung der Spannung des Kathodenfalls kl"aren. Bei der Glimmentladung 
liegt dieser Wert "uber \mbox{100 V}. Der nichtthermische Bogen folgt direkt nach dem "Ubergangsbereich von der Glimmentladung zum Bogen, bei Str"omen von etwa \mbox{1 -- 50 A}. Das Plasma, das in diesem Bereich brennt befindet sich nicht im thermodynamischen Gleichgewicht und Berechnungen der Plasmaparameter aus den schon erw"ahnten Verteilungsfunktionen sind nur unter Annahme eines lokal thermischen Gleichgewichts in grober N"aherung m"oglich. Die Grenzen der 
Plasmaparameter zur Einteilung in thermisch und nichtthermische B"ogen sind 
nicht immer eindeutig.\\
Die einzelnen Regionen des Lichtbogens sind in Abb. \ref{boregion} dargestellt.
\begin{figure}[bt]
    \includegraphics[width=12cm]{boregion.eps}
      \caption{\label{boregion} Schematisch: Einzelne Regionen des Lichtbogens 
und entsprechende Potentialverteilung (nach \cite{Roth95}) }
\end{figure}
Die Kathode emittiert Elektronen mit sehr hohen Stromdichten. Auf der Kathode 
selbst bilden sich kleine Krater, sogenannte Kathoden\-spots, die auf der 
Oberfl"ache der Kathode schnell umherwandern. Dabei entstehen hohen 
Stromdichten, von 500 A/cm$^2$ bis zu 10000 A/cm$^2$ bei nicht--thermischen 
B"ogen und $10^6$ A/cm$^2$ bis $10^8$ A/cm$^2$ bei thermischen. Unmittelbar vor 
der Kathode bildet sich die Kathodenschicht aus, eine Raumladungszone in 
Gr"o"senordnung der Debye--L"ange $\lambda_{de}$. Die Spannung $V_{k}$, die 
"uber dieser Schicht abf"allt wird der ''Kathodenfall'' genannt; wie schon 
erw"ahnt betr"agt er meist nicht mehr als \mbox{10 V}. In der Kathodenregion 
$\bigtriangleup Z = d_k$ mit einer Ausdehnung von etwa einem Millimeter 
existieren Potential-- und Dichtegradienten. In der Kathodenflu"szone bildet 
sich ein Kathodenstrahl mit einer hohen Elektronengeschwindigkeit aus. Er 
rei"st Gas, das sich au"serhalb des Bogens nahe der Kathode befindet mit sich, 
was dazu f"uhrt, da"s neutrales Gas in das Plasma eingespeist wird und dort mit 
ihm wechselwirken kann. Die Bedingungen in der Bogens"aule sind relativ 
konstant. Das Plasma in diesem Teil des Bogens ist quasi--neutral und es 
existieren nur ganz geringe Dichtegradienten und elektrische Feldst"arken. Die 
Temperatur ist "uber die L"ange der Bogens"aule konstant. Die Regionen der 
Anode sind etwa vergleichbar mit denen der Kathode. Die Spannung $V_{k}$ des 
Anodenfall liegt bei ca. 3 -- 13 V, entsprechend dem Ionisierungspotential des 
Arbeitsgases. Die Stromdichten auf der Anode sind auf Grund des gr"o"seren Querschnitts des Bogenfu"spunkts geringer als auf der Kathode und f"uhren zu 
einer geringeren Anodenflu"sgeschwindigkeit \cite{Roth95}.


  \section{Charakterisierung der Quelle}
    \label{quelle}
\begin{figure}[h]

  	\begin {minipage}[h]{15cm}
 	  \includegraphics[width=15cm]{Fotoelek.eps}
  	 \end {minipage}
    	\parbox{7cm}{\caption{\label{Fotoelek} a) Ansicht der 
Graphitelektroden: links im Bild die Kathode, rechts die Anode. Darunter 
befindet sich der Substrat\-halter mit dem Substrat, gehalten durch zwei 
Wolframschrauben
         	 }}
	\hfill
  	     \begin {minipage}[h]{7cm}  b) Gleiche Ansicht wie in a) nur mit 	
			brennendem Lichtbogen
	     \end {minipage}

\end{figure}
Die Plasmaquelle besteht aus einem Lichtbogen, der zwischen zwei 
Graphitelektroden brennt. In Abb. \ref{Fotoelek}a ist die Anordnung von Quelle 
und Substrathalter zu sehen. Links im Bild befindet sich die Kathode mit einem 
typischen Durchmesser von \mbox{3,0 mm}. Rechts im Bild ist die Anode zu 
sehen (Durchmesser \mbox{4,6 mm}). Das Elektrodenmaterial 
besteht aus h"ochstreinem Spektralgraphit\footnote{Typ RW00 der Firma SGL Carbon--Werk Ringsdorff}. Laut Hersteller liegen die Verunreinigungen im ppm--Bereich und darunter. Die Graphitelektroden haben den Vorteil, da"s Verunreinigungen der Diamantschicht durch das Elektrodenmaterial keine Rolle spielen. Au"serdem dienen sie als Kohlenstofftr"ager und man kann bei Bedarf ganz auf ein Kohlenstofftr"agergas verzichten (siehe Kapitel \ref{methan}). Die Elektroden sind in Halterungen aus Kupfer, die gleichzeitig als Stromzuleitungen dienen, fest verschraubt. Bei einer angelegten Z"undspannung von 1000 V werden die Elektroden mit Hilfe von zwei UHV--tauglichen Linearverstellern soweit zusammengefahren, bis sie kontaktieren. Dabei entz"undet sich die Entladung zwischen den Elektrodenspitzen und der Bogen wird auf die gew"unschte L"ange auseinandergezogen (s. Abb. \ref{Fotoelek}b). Die Elektrodenspitzen gl"uhen wei"s--gelb, und die mit einem optischen Pyrometer gemessene Temperatur betr"agt an der Spitze ca. 2600 $^\circ$C. W"ahrend des Beschichtens brennen die Graphitelektroden ab und der Elektrodenabstand mu"s nachreguliert werden. Da die Elektroden abbrennen, ver"andert sich au"serdem st"andig die geometrische Form der Spitzen. Je nach Position des Bogens kann sie keilf"ormig oder planar sein. Aufgrund dieser Tatsache und auch wegen der variierenden Tiefe der Kathodenspots kann die Bogenl"ange nicht exakt bestimmt werden. In Abb. \ref{bogcha15} ist die gemessene Strom--Spannungskennlinie zu sehen. Der Vorwiderstand ist mit 94 $\Omega$ so gew"ahlt, da"s der Bogen bei einem Strom von 6 A stabil brennt. Da au"serdem das Netzteil stromstabilisierend arbeitet, k"onnen der Bogenstrom konstant gehalten und Spannungsschwankungen weitgehend ausgeschlossen werden. 
\begin{figure}[h]
    \includegraphics[width=9cm]{bogcha15.eps}
    \caption{\label{bogcha15} Strom--Spannungscharakteristik des Bogens, die 
Kurve ist an die Me"spunkte angepa"st}
\end{figure}
Typische Bogenparameter sind: Eine Bogenl"ange von \mbox{13 -- 15 mm} bei einem 
Bogenstrom von 6 -- 7 A und einer Bogenspannung von 170 -- 250 V. Der typische 
Arbeitsdruck betr"agt \mbox{200 mbar}. Der Durchmesser des stark im Sichtbaren 
leuchtenden Bereichs des Bogens betr"agt etwa 2 mm. Bei Untersuchungen der 
abgebrannten Kathodenspitzen zeigen sich auf der Graphitoberfl"ache verteilt 
eingebrannte Krater, sogenannte Kathodenspots mit einem Durchmesser von \mbox{0,3 -- 1 mm}. Daraus kann man schlie"sen, da"s der Bogen auf der Kathodenoberfl"ache mit etwa diesem Durchmesser brennt und so bei einem Bogenstrom von 6 A Stromdichten zwischen 750 A/cm$^2$ und 8500 A/cm$^2$ entstehen.\\
F"ur eine Bogenentladung zwischen zwei Elektroden kann man unter der Annahme, 
da"s der Bogen homogen ist und da"s die Potentialverteilung zwischen Anoden-- 
und Kathodenschicht unabh"angig vom Abstand d der Elektroden ist (s. Abb. 
\ref{boregion}], das elektrische Feld E und die mittlere elektrische 
Leitf"ahigkeit $<\sigma>$ bestimmen \cite{Drawin877}. Es wird davon 
ausgegangen, da"s das elektrische Feld E und die Stromdichte j jeweils nur 
einen Anteil in z--Richtung haben. Der Beitrag von j entspricht dem gemessenen 
Bogenstrom I. Man erh"alt E und $<\sigma>$ aus den Strom--Spannungskennlinien 
f"ur verschiedene \mbox{Elektrodenabst"ande d} aus 
\begin{equation} E=\frac{\bigtriangleup U_{Bog}}{\bigtriangleup d} 
\qquad\mbox{und}\qquad <\sigma> =\frac{I}{E}.\end{equation} 
In Abb. \ref{ohm66} sind die gemessenen Kennlinien bei verschiedenen 
Bogenl"angen d zu sehen. Bildet man die Differenz der Spannungen 
$\bigtriangleup U_{Bog}$ bei einem Strom I=6 A und dividiert sie durch die 
Differenz der entsprechenden Elektrodenabst"ande $\bigtriangleup d$, so erh"alt 
man elektrische Feldst"arken E im Bereich von 9 kV/m bis 14 kV/m, also 
eine gemittelte Feldst"arke von ca. 12 kV/m. Entsprechend liegt die mittlere 
elektrische Leitf"ahigkeit $<\sigma>$ zwischen 5$\cdot 10^{-4}$ und 7$\cdot 
10^{-4}/\Omega$m. 
\begin{figure}[h]
       \includegraphics[width=10cm]{ohm66.eps}
       \caption{\label{ohm66} Strom--Spannungscharakteristik des Bogens f"ur 
vier verschiedene Elektrodenabst"ande }
\end{figure}
Aus der Betrachtung der Kennlinien gewinnt man eine Absch"atzung f"ur den Wert 
des Kathodenfalls. Setzt man auch hier voraus, da"s die Spannung des 
Kathodenfalls und des Anodenfalls unabh"angig von der "Anderung der Bogenl"ange 
ist, f"allt bei
\begin{equation} U_{Bog}=U_k+U_a+E\cdot d\end{equation}
durch Subtraktion der Bogenspannungen $U_{Bog_1}$ und $U_{Bog_2}$ der konstante 
Anteil \mbox{$U_k+U_a$} heraus und man erh"alt, wie zuvor berechnet, die 
elektrischen Feldst"arke E:
\begin{equation} E=\frac{U_{Bog_1}-U_{Bog_2}}{d_1-d_2}\approx 
12 \rm\frac{kV}{m}.\end{equation} 
Mit diesem Ergebnis f"ur E und einer Bogenspannung $U_{Bog}$ = 210 V bei einer 
Bogenl"ange d = 15 mm (vgl. Abb. \ref{ohm66}) erh"alt man f"ur
\[ U_k+U_a=U_{Bog}-E\cdot d=30 \rm{V}.\]
$U_a$ liegt typischerweise in der Gr"o"senordnung wie das 
Ionisierungspotential des Arbeitsgases \cite{Roth95}. F"ur Wasserstoff ist 
$U_a$ ca. 14 V, das hei"st f"ur den Kathodenfall ergibt sich $U_k\approx$ 16 V. 
Dieser Wert liegt durchaus im Bereich des Kathodenfalls einer 
Lichtbogenentladung und ist weit von dem einer Glimmentladung ($U_k \geq$ 
100 V) entfernt. Vergleicht man die Daten des Bogens mit Daten aus der 
Literatur \cite{Roth95,Engel83,Neumann87}, dann kann man daraus schlie"sen, 
da"s es sich bei dem vorhandenen Bogen um einen nichtthermischen Bogen 
handelt, und da"s man bei dem gegebenem Strom nicht den Bereich des thermischen 
Bogens erreicht (Vergl. Abb. \ref{bogcha}).\\
\begin{sloppypar}
Um eine ungef"ahre Vorstellung von der Plasmatemperatur zu bekommen, wurden Untersuchungen mit optischer Emissionsspektroskopie (OES) durchgef"uhrt.
Dar"uber hinaus dienten die Aufnahmen der Emissionsspektren haupts"achlich als 
Monitor. Zumindest innerhalb des mit der Apparatur me"sbaren 
Spekralbereiches kann durch Vergleich der Spektren "uberpr"uft werden, ob 
bei sonst gleichen Beschichtungsbedingungen die Plasmabedingungen dieselben sind. F"ur die OES--Messungen wird der Bogen mit Hilfe einer Linse auf ein 
Glasfaserkabel abgebildet und damit in einen Gitterspektrographen\footnote{ 
Gitterspektrograph HR460 der Firma Jobin Yvon} gelenkt. Das so erhaltene 
Spektrum wird mit einer CCD--Kamera detektiert und in einem PC dargestellt. In Abb. \ref{oes} ist ein typisches Spektrum von einem Bogen zu sehen, der in einem Wasserstoff/Argon--Gasgemisch bei \mbox{200 mbar} brennt.
\begin{figure}[h]
       \includegraphics[width=12cm]{oes.eps}
       \caption{\label{oes} Optische Emissionsspektroskopie an einem H$_2$/Ar
--Plasma }
\end{figure}
Um die D"ampfung des Glasfaserkabels und der restlichen Me"sapparatur f"ur die 
jeweilige Wellenl"ange herausrechnen zu k"onnen, wurde die Isotherme einer 
Wolfram--Bandlampe aufgenommen.
F"ur die Auswertung der Spektren wurde ein lokales thermisches Gleichgewicht 
angenommen, das hei"st, man nimmt an, da"s die Sto"sprozesse gegen"uber den 
Strahlungsprozessen im Plasma "uberwiegen. Die Elektronen--Anregungstemperatur 
des Plasmas erh"alt man dann aus dem Verh"altnis der Balmer--Linien von 
Wasserstoff, durch Aufl"osen der Gleichung: 
\begin{equation} 
\label{intver}
\frac{I_1}{I_2}=\frac{g_1 A_1 \nu_1}{g_2 A_2 
\nu_2}exp\left(-\frac{E_1-E_2}{k_BT}\right),
\end{equation}
wobei I$_i$ die Linienintensit"aten und g$_i$ die Entartungen sind, A$_i$ sind 
die Einsteinkoeffizienten, $\nu_i$ die Frequenzen und E$_i$ die 
Anregungsenergien (Die Werte f"ur g$_i$, A$_i$, $\nu_i$ und E$_i$ sind z.B. in 
\cite{Wiese66} zu finden). Als Ma"s f"ur die Linienintensit"aten wurden nur die 
$H_\alpha$-- und die $H_\beta$--Linie genommen und daraus das Verh"altnis 
gebildet. Das Spektrometer ist zu unempfindlich f"ur Wellenl"angen unterhalb 
450 nm und kann die $H_\gamma$ und $H_\delta$ nicht mehr aufl"osen. Nach 
Gleichung \ref{intver} bekommt man mit den gemessenen Intensit"aten f"ur 
$H_\alpha$ und $H_\beta$ eine Temperatur von ca. 7700 K. Dies gilt f"ur das 
Plasma bei den Standardeinstellungen mit einem Druck von \mbox{200 mbar}, einem 
Bogenstrom von 6 A und einer Bogenspannung von \mbox{200 V}. Die Temperatur von 
0,7 eV liegt im Rahmen der Werte, die man f"ur einen Bogen bei diesen 
Bedingungen erwarten w"urde (Vgl. z.B.: \cite{Schulz90}).\\
In einer fr"uheren Arbeit \cite{BoehmDRM94} wurde die Temperaturverteilung des Lichtbogens au"serhalb des im Sichtbaren leuchtenden Bereichs numerisch berechnet. Unter Vernachl"assigung der Massenstr"omung und der Strahlung wurde der Temperaturverlauf nur unter Ber"ucksichtigung der W"armeleitung bedingt durch den Temperaturgradienten, mit Hilfe der Elenbaas--Heller--Differentialgleichung berechnet:
\begin{equation} 
\label{elenbaas}
EI=-2 \pi r\kappa(T)\frac{dT}{dr}.
\end{equation}
 Mit: E: elektrische Feldst"arke, I: Strom, r: Abstand von der Bogenachse, 
$\kappa(T)$: W"armeleitung des Plasmas.\\
Zun"achst wurde die W"armeleitf"ahigkeit $\kappa(T)$ des Gasgemischs H$^2$/Ar 
bei einem bestimmten Druck bestimmt, und danach iterativ die 
Temperaturverteilung berechnet:
 \begin{equation} 
\label{verteilung}
T_n=T_{n-1}-El\frac{1}{2 \pi r\kappa(T)}.
\end{equation}
Das so erhaltene Temperaturprofil ist in guter "Ubereinstimmung mit den 
experimentell aus CARS\footnote{CARS, Abk"urzung f"ur ,,coherent anti--Stokes 
Raman spectroscopy''}--Messungen erhaltenen Ergebnissen \cite{BornemannAPB90}.
\end{sloppypar}

   \section{Das Experiment}
	\label{optimal}

Mit dem Experiment, wie es zu Beginn der Arbeit vorlag, wurden bislang 
Diamantschichten nur auf Molybd"an-- und Wolfram--Substraten abgeschieden, die in einer entsprechenden Cu--Halterung fest eingeschraubt waren. Um die 
Diamantschichten mit denen vergleichen zu k"onnen, die mit anderen 
Beschichtungsverfahren hergestellt werden, war es zun"achst das Ziel, die 
Apparatur so umzubauen und die Beschichtungskomponenten so anzupassen, da"s 
auch planare Substrate wie Silicium beschichtet werden k"onnen. Silicium ist das in der Literatur meistgenutzte Substrat f"ur die Diamantabscheidung. Bisher war die Beschichtung von Silicium in der Lichtbogenanlage nicht m"oglich, da das Substrat zu hei"s wurde und geschmolzen ist\footnote{Schmelzpunkt von Silicium: 1410 $^\circ$C}. Das lag zum einen am Substrat\-halter und dem schlechten W"armekontakt zwischen Substrat und Halteroberfl"ache, und zum anderen am instabilen Lichtbogen, bedingt durch den schwer kontrollierbaren Abstand zwischen Bogen und Substrat. Von den Beschichtungskomponenten abgesehen war die vorhandene UHV--Kammer ungeeignet f"ur die vorgesehenen Diagnosemethoden. Auch war kein freier Flansch mehr vorhanden, um die notwendige Schleusenkammer (Kapitel \ref{schleuse}) anzuschlie"sen. Daher wurde die Apparatur komplett neu aufgebaut. 

  
    \subsection{Der Aufbau}
\begin{sloppypar}
Der neue Rezipient ist w"urfelf"ormig mit einer Seitenl"ange von \mbox{400 mm}. 
Er hat 14 Flansche von unterschiedlicher Gr"o"se. Alle 14 Flansche zeigen in 
die Mitte, wo sich Substrat und Plasma befinden. So ist die Beobachtung und 
Diagnose von Substrat und Plasma von allen Seiten aus gut m"oglich. 
Im Gegensatz zum alten Rezipienten wurde die gesamte Quelle, d.h.: Kathode, 
Anode und Gasversorgung komplett auf einen CF200--Flansch montiert. Auch die 
Aufh"angung f"ur das Substrat, die Substratheizung und die 
Substrat--H"ohenverstellmechanik wurde komplett auf einen zweiten CF200--Flansch 
montiert (s. Abb. \ref{rezipient}).
\begin{figure}[bt]
  \includegraphics[width=14cm]{rezipient.eps}
  \caption{\label{rezipient} Schema der UHV--Anlage 
		}
\end{figure}
Dies war notwendig im Rahmen des Gesamtkonzeptes, da noch zwei weitere 
Beschichtungskammern mit denselben Rezipienten innerhalb der Arbeitsgruppe 
existieren und so ein flexibler Austausch zwischen den Kammern m"oglich ist.\\
Ein weiterer CF200--Flansch erm"oglicht die Montage innerhalb des 
Rezipienten\footnote{z.B. m"ussen die Elektroden durch den Abbrand von Zeit zu 
Zeit erneuert werden} und auch die Reinigung der Kammer. An diesem leicht 
handhabbaren Flansch befindet sich ein Magnesiumfluorid--Fenster, durch das die 
Substrattemperatur mit Hilfe eines au"serhalb angebrachten IR--Pyrometer 
kontrolliert wird (siehe Kapitel \ref{subtem}).
An einem weiteren CF200--Flansch befindet sich die Schleusenkammer mit eigenem 
Turbopumpstand. Sie erm"oglicht ein schnelles Wechseln der Proben, da der 
Rezipient nicht komplett bel"uftet werden mu"s.
Der Hauptpumpstand der Kammer, bestehend aus einer 1000 l/s Turbomolekular-- 
und einer 30 m$^3$/min--Drehschieberpumpe, kann mit Hilfe eines CF200--
Plattenventils von dem Rezipienten abgetrennt werden. Zwischen Ventil und 
Turbomolekularpumpe ist eine K"uhlfalle montiert, die gef"ullt mit fl"ussigem 
Stickstoff ein schnelleres Abpumpen der Kammer erm"oglichen soll. Nach dem 
Einbau der Schleusenkammer ist sie jedoch nicht mehr notwendig.\\
Das Plattenventil zwischen Rezipient und Turbomolekularpumpe wird w"ahrend der 
Beschichtung geschlossen und die Kammer wird nur noch "uber einen Bypass von 
der Drehschieberpumpe gepumpt. W"ahrend der Beschichtung wird kontinuierlich 
Gas eingelassen. Um den Kammerdruck in der Zeit konstant zu halten wird er 
durch ein kapazitives Manometer bestimmt und "uber ein gekoppeltes 
elektronisches Butterfly--Ventil reguliert.\\
Am sechsten CF200--Flansch befindet sich ein Beobachtungsfenster, durch das der 
Bogen mit Hilfe einer Linse und einem Spiegel auf eine Mattscheibe abgebildet 
wird. Auf dieser Mattscheibe werden der Plasma--Substrat--Abstand und die 
Bogenl"ange gemessen und eingestellt. Um OES--Untersuchungen durchf"uhren zu k"onnen wird die Abbildung statt auf die Mattscheibe in ein Glasfaserkabel gelenkt. Das Glasfaserkabel f"uhrt zu einem Gitterspektrographen und mit Hilfe eines Computers wird das Emissionsspektrum des Plasmas dargestellt. Zur 
Restgasanalyse steht ein Quadrupolmassenspektrometer zur Verf"ugung. Geplant 
ist ein in--situ--Schichtdickenme"sger"at, das sich zur Zeit jedoch noch im 
Aufbau befindet.
\end{sloppypar}
    \subsection{Stabilisierung des Lichtbogens}
	\label{stablicht} 
	
Grunds"atzlich hat eine Bogenentladung die Tendenz sich instabil zu verhalten. 
Das hei"st, je nach Geometrie der Elektroden wandert die Entladung auf der 
Oberfl"ache umher. Bei fr"uheren Arbeiten wurde deshalb zur Stabilisierung des 
Bogens eine mit Wasser gek"uhlte ''Maecker--Platte'' benutzt, eine 
Kupferplatte, in deren Mitte sich ein Loch in der Gr"o"se der Elektrode befindet \cite{BoehmDRM94,BornemannAPB90}. Die Platte wurde elektrisch isoliert vor der Anode installiert. Die Herstellung dieser Kupferplatte war jedoch sehr 
aufwendig und ihre Lebensdauer verh"altnism"a"sig gering. Kam der Bogen in 
Kontakt mit der Kupferplatte, verdampfte Kupfer und wurde in die Diamantschicht 
mit eingebaut. Au"serdem bestand immer die Gefahr eines Wassereinbruchs in den 
Rezipienten. Daher wurde nach einer anderen M"oglichkeit zur Stabilisierung der 
Bogenentladung gesucht.\\
Betrachtet man die Entladung bei Verwendung von Graphitelektroden, so f"allt 
auf, da"s der Fu"spunkt des Bogens bei beiden Elektroden ganz unkontrollierbar 
auf der Oberfl"ache hin und her l"auft. Je gr"o"ser der Elektrodendurchmesser ist, desto gr"o"ser ist die Differenz vom eingestellten Abstand 
Bogenmitte--Substrat d (Abb. \ref{bogstb}). Urspr"unglich waren eine Kathode mit einem Durchmesser von \mbox{4,6 mm} und eine Anode mit einem Durchmesser von \mbox{10 mm} montiert. Konkret hei"st das, da"s der Abstand d, gemessen von Elektrodenmitte, bzw. von der Bogenmitte bis hin zur Oberfl"ache des Substrats um \mbox{$\pm$ 5 mm} schwanken konnte. Weiter fiel auf, da"s sich der Bogen stark kr"ummte und unruhig umher sprang. Hierzu mu"s man die Lage von Plasma, Substrat und Gaseinla"s in Betracht ziehen. In der Mitte von Bild \ref{bogstb} ist der Bogen zu sehen, der zwischen zwei Graphitelektroden brennt. Seine L"ange betr"agt ca. \mbox{15 mm}. Darunter, im Abstand von etwa \mbox{10 mm} befindet sich das Substrat. 
\begin{figure}[h]
  \includegraphics[width=10cm]{bogstb.eps}
  \caption{\label{bogstb} Schema der Bogengeometrie}
\end{figure}
Von schr"ag oben wird das Gasgemisch bestehend aus Wasserstoff, Argon und unterschiedlichen Konzentrationen von Methan durch ein d"unnes Stahlr"ohrchen in den Rezipienten geleitet. Der typische Gasflu"s liegt bei \mbox{1,2 slm}. Wenn der Gaseinla"s direkt "uber dem Plasma plaziert ist, biegt sich wegen der starken Gasstr"omung der Bogen durch. Das hat zur Folge, da"s der Abstand Bogen--Substrat nicht konstant "uber die L"ange des Bogens ist. Au"serdem brennt das Plasma extrem unruhig und es ist nicht m"oglich, die Temperatur des Substrats konstant zu halten. Der Gasstrom wurde durch das Plasma geleitet mit der Erwartung, da"s die Methylradikale durch die laminare Str"omung verst"arkt auf die Substrat\-ober\-fl"ache gelangen und so die Wachstumsraten erh"ohen. Messungen die bei gleichen Parametern und Beschichtungszeiten, aber bei 
verschiedenen Positionen des Gaseinla"sr"ohrchen durchgef"uhrt wurden, ergaben jedoch keine signifikante "Anderung der Wachstumsrate. Hingegen bringt es enorme Vorteile f"ur die Stabilit"at des Plasmas, wenn man den Gasflu"s am Bogen vorbei auf das Substrat leitet. Der Bogen brennt dann stabil ohne sich 
durchzubiegen.\\ 
Das Problem des stark oszillierenden Abstandes d konnte empirisch gel"ost 
werden, in dem in einer Reihe von Experimenten Elektroden mit unterschiedlichen 
Durchmessern kombiniert wurden. Die verschiedenen Durchmesser der Elektroden 
betrugen 10, 8, 6, 4,6 und \mbox{3 mm}\footnote{Die St"arken ergaben sich aus 
dem Angebot des Herstellers}. Bei den 10 und \mbox{8 mm} starken Elektroden war 
die Differenz des eingestellten Abstandes mit $\pm$5 bzw. \mbox{$\pm$4 mm} 
nicht tolerabel, da die Temperatur des Substrats stark vom eingestellten 
Abstand zum Plasma abh"angig ist. Geht man davon aus, da"s ein kleiner 
Elektrodendurchmesser nur kleine Schwankungen im Abstand d zum Substrat 
zul"a"st, dann w"urde man vermuten, da"s die Verwendung sehr d"unner Elektroden 
g"unstig w"ahre. Das Experiment hat allerdings gezeigt, da"s der Bogen bei den 
\mbox{3 mm} dicken Elektroden sehr instabil brannte und da"s er teilweise von 
der Spitze weg in den hinteren Teil der Elektrode wanderte. Dies konnte verhindert werden, indem man nur auf der Kathodenseite eine \mbox{3 mm} Elektrode einsetzte und f"ur die Anode einen \mbox{4,6 mm} starken Graphitstab w"ahlte. Bei dieser Einstellung brannte der Bogen sehr stabil. Die Abweichung vom eingestellten Abstand Substrat--Bogen betrug ca. \mbox{2 mm} und man hatte es nur noch mit einem geraden Plasmafaden zu tun, der sich nicht mehr unkontrollierbar durchbog. Dies ist eine gute Voraussetzung daf"ur, da"s Silicium als Substrat zur Diamantbeschichtung eingesetzt werden kann. Trotzdem l"a"st sich nicht ganz vermeiden, da"s der Bogen in sehr seltenen F"allen auf das Substrat "uberspringt und es zerst"ort.

   \subsection{Optimierung des Substrat\-halters}
\begin{sloppypar}
F"ur die Beschichtung von Silicium war es notwendig einen neuen 
Substrat\-halter zu konstruieren. Das Material daf"ur sollte Kupfer sein, da es 
in sehr reiner Form erh"altlich, relativ leicht zu bearbeiten ist und im 
UHV--Druckbereich nicht ausgast. Au"serdem sind die Halterungen bzw. Zuleitungen der Graphitelektroden ebenfalls aus Kupfer. Es ist wichtig m"oglichst wenig verschiedene Materialien in den Rezipienten einzubringen, um somit unterschiedliche Verunreinigungen der Diamantschicht weitgehend 
auszuschlie"sen.\\
Zwar liegt der Schmelzpunkt von Kupfer mit 1083,4 $^\circ$C knapp unterhalb der 
maximalen Beschichtungstemperatur (1100 -- 1200 $^\circ$C), jedoch sollte der 
Substrat\-halter ohnehin so dimensioniert sein, da"s er allein durch die 
Heizleistung des Plasmas nicht w"armer als 500 -- 700 $^\circ$C wird. So kann 
man auf eine K"uhlung mit Wasser verzichten und mu"s, um auf h"ohere 
Substrattemperaturen zu kommen, zuheizen. Dies hat den gro"sen Vorteil, unabh"angig von einer Wasserk"uhlung zu sein, die technisch meistens sehr 
aufwendig ist, zu unflexibel in der Einstellung der Substrattemperatur und zu einem gro"sen Temperaturgradienten innerhalb des Substrats f"uhrt. Dar"uberhinaus besteht immer die Gefahr eines Wassereinbruchs in den Rezipienten. Um zu erreichen, da"s der Substrat\-halter relativ kalt bleibt, mu"s die Oberfl"ache des Kupferblocks hinreichend gro"s gew"ahlt werden. Ist die Oberfl"ache zu klein, kann nicht gen"ugend W"arme abgestrahlt oder durch 
Konvektionsk"uhlung abgegeben werden und der Substrat\-halter schmilzt. Der 
Substrat\-halter selbst ist "uber ein Kupferrohr mit dem Rezipienten verbunden 
und kann so ebenfalls einen Teil der W"arme wieder abgeben. Versuche mit 
Kupferstangen deren Durchmesser jeweils \mbox{20 mm} betrug, und die 
verschiedene L"angen von L$_1=50$, L$_2=100$ und \mbox{L$_3=150$ mm} hatten, 
zeigten, da"s diese Substrat\-halter nicht gen"ugend W"arme abf"uhren konnten 
und daher abschmolzen. Eine Vergr"o"serung der Oberfl"ache um weitere 24 cm$^2$ 
(auf insgesamt 124 cm$^2$) reichte aus, damit der Substrathalter keine Sch"aden 
durch zu hohe Temperaturen erlitt. Um die L"ange des Substrathalters so klein 
zu halten, da"s er noch ohne Probleme in den Rezipienten pa"ste, wurde die 
geometrische Form ver"andert. In Abb. \ref{Subhalt} ist der Substrat\-halter in 
seiner endg"ultigen Form dargestellt. Die mit einem Thermoelement gemessene Temperatur liegt bei einem Abstand des Bogens von \mbox{8 mm} unter \mbox{600 $^\circ$C}.\\
Ein gro"ses Problem besteht noch in dem W"arme"ubergang vom Siliciumsubstrat 
zur Oberfl"ache des Kupferblocks. Ist der Kontakt schlecht, kann das Substrat 
nicht gen"ugend W"arme abgeben und schmilzt.
\begin{figure}[h]
  \includegraphics[width=10cm]{Subhalt.eps}
  \caption{\label{Subhalt} Substrat\-halter aus Kupfer}
\end{figure}
Um das Substrat auf dem Halter zu 
fixieren sind zwei M3--Gewinde in den Halter geschnitten; so kann man mit zwei Schrauben ein Substrat mit einer Breite von \mbox{10 mm} befestigen. Es zeigte sich, da"s konisch zulaufende Schraubenk"opfe keinen ausreichenden 
W"armekontakt herstellen konnten. Erst bei planen Schraubenk"opfen, die mit 
einer gr"o"seren Fl"ache auf das Substrat dr"ucken, ist ein gen"ugend guter 
Kontakt gew"ahrleistet, so da"s die Temperatur des Substrate nicht an den 
Schmelzpunkt herankommt. Da der Schraubenkopf sich um ca. \mbox{1 mm} n"aher am 
Bogen befindet als das Substrat, ist er viel h"oheren Temperaturen ausgesetzt 
und so wurde als Material f"ur die Schrauben Wolfram gew"ahlt\footnote{Zu 
Beginn der Versuchsreihe wurden Stahlschrauben verwendet, die jedoch einige 
Minuten nach Z"unden des Plasmas geschmolzen waren (Schmelzpunkt Fe: 
1535 $^\circ$C) }. 
Ein Thermoelement zur Messung der Substrattemperatur wird zur Unterseite des 
Substrats gef"uhrt, um die Beschichtung nicht zu beeinflussen. Zu diesem Zweck 
wurde ein Kanal vom gleichen Durchmesser \mbox{({\O} = 1 mm)} durch den 
Substrat\-halter gebohrt. Das Thermoelement wird ebenfalls durch eine 
Wolframschraube fixiert.
Die Heizung des Substrat\-halters wurde mit Hilfe von vier leistungsstarken 
Halogenlampen (240 W pro Lampe) durchgef"uhrt. Dazu wurden in den Boden des 
Substrat\-halters vier passende L"ocher gebohrt, in denen die Lampen versenkt 
wurden. Die elektrischen Zuleitungen bestehen aus Kupferdraht, sie bilden 
gleichzeitig auch den Sockel der Lampen. Die Lebensdauer der Lampen betr"agt 
nur wenige Stunden (drei bis vier Beschichtungen) und die Montage ist relativ 
aufwendig, von daher m"ussen zur leichteren Handhabung der Substratheizung noch 
Verbesserungen angebracht werden.
\end{sloppypar}
\section{Messung der Substrattemperatur}
   \label{subtem}
Da die Temperatur des Substrats eine gro"se Rolle bei der Diamantbeschichtung 
spielt, ist es unerl"a"slich, diese Temperatur genau zu kennen und 
zu kontrollieren. Leider ist die Messung der Substrattemperatur alles andere 
als trivial. Zwar wird routinem"a"sig ein Thermoelement eingesetzt, das durch 
den Substrat\-halter an die Unterseite des Substrats gef"uhrt wird, jedoch sind 
die erhaltenen Temperaturen sehr kritisch zu betrachten. Das Substrat befindet 
sich nicht im thermischen Gleichgewicht, da durch die Strahlung des Plasmas und 
die rekombinierenden Wasserstoffatome auf der Oberfl"ache des Substrats ein 
Temperaturgradient zwischen Substratunterseite und Substrat\-ober\-fl"ache 
entsteht. Diesen Fehler k"onnte man wohl durch eine Absch"atzung des 
W"armestroms durch das Substrat bestimmen und ausgleichen, vorausgesetzt er 
w"are konstant. Ein weiteres Problem bei dieser Me"smethode ist jedoch 
der W"armekontakt zwischen der Spitze des Thermoelements und der ebenen Fl"ache 
des Substrats. Er ist nicht gut reproduzierbar, da bei jeder Beschichtung das 
Thermoelement neu angebracht werden mu"s. Bei Messungen unter gleichen 
Bedingungen ergeben sich verschiedene Substrattemperaturen und bei sehr 
schlechtem Kontakt gibt das Thermoelement nicht die Temperatur des Siliciums 
wieder, sondern die des Substrat\-halters, die sehr viel geringer ist. 
Versuche, die Substrattemperatur mittels eines optischen Pyrometers zu 
bestimmen scheitern ebenso. Der Bogen ist zu viel zu hell, als da"s man ein 
Gl"uhen des Substrats erkennen k"onnte. 

\subsection{Messungen mit einem IR--Pyrometer}

Um die Temperatur der Substrat\-ober\-fl"ache zuverl"assig bestimmen zu k"onnen 
wurde ein Infrarot--(IR)-Pyrometer eingesetzt. Der gro"se Vorteil ist bei dieser
Methode die ber"uhrungslose Arbeitsweise. Zuvor mu"ste jedoch "uberpr"uft 
werden, ob der Wellenl"angenbereich des IR--Pyrometers so gew"ahlt werden kann, 
da"s das Emissionsspektrum des Plasmas keinen Einflu"s auf das Me"sergebnis 
hat. Die Emission des Plasmas ist dabei abh"angig von der Zusammensetzung des 
Gases und des Elektrodenmaterials und kann maximal den Wert eines 
Schwarzk"orperstrahlers erreichen.
\begin{figure}[h]
  \begin {minipage}[h]{8cm}
    \includegraphics[width=8cm]{logwz.eps}
  \end {minipage}
     \hfill
  \parbox{6.8cm}{\caption{\label{logwz} Schwarzk"orperstrahlung: normierte
Intensit"at, "uber dem Logarithmus der Wellenl"ange. Die Temperaturen 
entsprechen der des Bogens \mbox{(5000 K)}, des Substrats \mbox{(1000
K)} und zum Vergleich der der Umgebung \mbox{(300 K)} }}
\end{figure}

Einen ersten Eindruck "uber die Lage der Emissionsbereiche von Plasma und 
Substrat erh"alt man, wenn man die Strahlung schwarzer K"orper entsprechend dem 
Planckschen Strahlungsgesetz bei verschiedenen Temperaturen vergleicht (Abb. 
\ref{logwz}). Die Temperaturwerte wurden entsprechend der Temperatur des 
Substrats \mbox{(1000 K)} und der Temperatur des Bogens \mbox{(ca. 5000 K)} 
gew"ahlt. Das Strahlungsmaximum bei dieser Bogentemperatur liegt bei ca. 0,6 
$\mu$m und das des Substrats bei ca. \mbox{3,0 $\mu$m}. Aus der Darstellung in Abb. \ref{logwz} kann man erkennen, da"s die relative St"orung der Temperaturmessung des Substrats durch das Plasma oberhalb 3,0 $\mu$m am geringsten ist. Vergleicht man jedoch die absoluten Intensit"aten (Abb. \ref{ratioarcsub}), so findet man zum Beispiel bei 4 $\mu$m noch eine 33--fach h"ohere Bogenintensit"at f"ur gleiche Emissivit"at ($\epsilon = 1$). Die genaue Emissivit"at des Bogens in diesem Spektralbereich ist nicht bekannt, 
\begin{figure}[h]
  \begin {minipage}[h]{8cm} 
   \includegraphics[width=8cm]{ratioarcsub.eps}
  \end {minipage}
\hfill
   \parbox{6.8cm}{\caption{\label{ratioarcsub} Verh"altnis der absoluten 
Intensit"aten von Bogen und Substrat bei bestimmten Wellenl"angen}  }
\end{figure}
mit Sicherheit kann man aber sagen, da"s sie sehr viel kleiner ist als die eines schwarzen Strahlers, da das Spektrum aus separaten Linien besteht und die Oszillatorst"arken der entsprechenden "Uberg"ange deutlich kleiner als 1 
sind. Sobald im spektralen Mittel $\epsilon \ll 1/33 $ ist wird die Messung 
nicht mehr beeinflu"st. Im sichtbaren Bereich hingegen bis hin zum nahen 
Infrarot ist die Temperaturmessung der Substrat\-ober\-fl"ache mit einem 
entsprechenden IR--Pyrometer durch die vielfach h"ohere Intensit"at eines 
Plasmastrahlers (Faktor $9 \cdot 10^9$ bei 0,5 $\mu$m und Faktor $1 \cdot 10^5$ 
bei 1 $\mu$m) nicht m"oglich, wie Tests mit einem 1 $\mu$m 
Pyrometer\footnote{IR--Pyrometer Typ Modeline plus, Serie 2000 der Firma IRCON} 
best"atigt haben.\\
Betrachtet man nun das Verh"altnis der Strahlung vom Substrat I$_{1000}$ zur 
St"orstrahlung ($I_{5000}+I_{300}$), die vom Plasma und auch durch Reflexion 
der Strahlung der W"ande am Substrat zustande kommt, so stellt man fest, da"s 
dieses mit wachsender Wellenl"ange monoton abnimmt. Man k"onnte daher versucht 
sein, so langwellig wie m"oglich zu messen; das ist jedoch deshalb nicht 
sinnvoll, weil dann das Signal selbst im Rauschen der weiterverarbeitenden 
Elektronik verschwindet. Ber"ucksichtigt man auch diesen Effekt (wobei der 
Einfachheit halber angenommen wird, da"s der elektronische Untergrund vom 
gew"ahlten Sensortyp unabh"angig ist) so erh"alt man ein 
Signal-Rausch-Verh"altnis $S/N$ proportional I$_{1000}$. 
Zur Optimierung wird nun gefordert, da"s sowohl das Verh"altnis der Strahlung 
des Substrats gegen"uber der St"orstrahlung $S/U = 
I_{1000}/(I_{5000}+I_{300})$, als auch das Signal-Rausch-Verh"altnis $S/N$ 
m"oglichst gro"s sind, d.h. $S/U\cdot S/N$ soll maximal sein. Der spektrale 
Verlauf dieser Funktion $S/U\cdot S/N$ ist in Abb. \ref{I1qdI5aI3} dargestellt;
\begin{figure}[h]
\begin {minipage}[h]{6.5cm}
      \includegraphics[width=6.5cm]{I1qdI5aI3.eps}
          \end {minipage}
           \hfill
     \parbox{7.4cm}{\caption{\label{I1qdI5aI3} Produkt von $S/U$ 
$(=I_{1000}/(I_{5000}+I_{300}))$ und $S/N$
(Signal-Rausch-Verh"altnis) normiert in Abh"angigkeit vom Logarithmus der
Wellenl"ange  } }
   
 \end{figure}
er zeigt ein ausgepr"agtes Maximum im Bereich 5 $\mu$m. Es soll dabei betont 
werden, da"s dieses Maximum nicht dem Emissionsmaximum bei der gegebenen 
Substrattemperatur von 1000 K entspricht. Da das Me"sverfahren f"ur 
unterschiedliche Substratmaterialien bzw. Gaszusammensetzungen geeignet sein 
soll, ist es sinnvoll, spektral breitbandig zu messen, um "uber ausgepr"agte 
Spektralabh"angigkeiten, z.B. charakteristische Linienspektren des Plasmas, zu 
mitteln und Spektralabh"angigkeiten aus diesen prinzipiellen Betrachtungen 
auszuklammern. Deshalb kann man dieses f"ur schwarze K"orper hergeleitete 
Ergebnis auch, zumindest im Sinne einer ersten Absch"atzung heranziehen, um den 
g"unstigsten Spektralbereich eines Pyrometers zur Substrattemperaturmessung in 
Gegenwart eines hei"sen Plasmas zu finden.\\
 \begin{figure}[t]
 \includegraphics[width=15cm]{IRBilder.eps}
  \parbox{15cm}{\caption{\label{IRBilder}a) Aufnahmen mit einer IR--Kamera von 
oben direkt durch den Lichtbogen, hier: Anode links, Kathode rechts. Die zwei 
hellen Kreise sind Wolframschrauben, die das Substrat (in der Mitte) 
befestigen; b) Aufnahme des Lichtbogen ohne Substrat\-halter: der Bogen wird 
von der IR--Kamera nicht gesehen, das hei"st, das Plasma emittiert 
im Spektralbereich der IR--Kamera praktisch nicht }}
\end{figure}
Um experimentell nachzuweisen, wie gro"s die St"orung des Lichtbogens oberhalb 
von \mbox{3,5 $\mu$m} wirklich ist, wurden mit Hilfe einer 
Infrarot--Kamera\footnote{Thermovision 550 der Firma AGEMA} mit einem 
Spektralbereich von 3,6 -- 5 $\mu$m w"ahrend der Beschichtung Bilder von 
Lichtbogen und Substrat aufgenommen (Abb. \ref{IRBilder}). Zuvor wurde in die 
Beschichtungsanlage ein in diesem Spektralbereich transparentes Fenster aus 
Magnesiumfluorid eingebaut (mit ca. 93 \% Transmission im Wellenl"angenbereich 
von 0,2 -- 7 $\mu$m). Abb. \ref{IRBilder}a zeigt eine Aufnahme durch den Bogen 
auf das Substrat. Das Substrat ist deutlich zu erkennen und der Bogen 
emittiert im Spektralbereich der Kamera keine Strahlung, wie man in Abb. 
\ref{IRBilder}b sehen kann. Das bedeutet, ein IR--Pyrometer, das in dem 
Wellenl"angenbereich 3,6 -- 5 $\mu$m arbeitet, ist f"ur die Temperaturmessung 
des Substrats in dem vorhandenen Plasma gut geeignet \cite{Meyer98}.\\
Auf Grund dieser Voruntersuchungen wurde ein IR--Pyrometer\footnote{ 
IR--Pyrometer Typ Modeline 3 700 der Firma IRCON} ausgew"ahlt, das in einem 
Wellenl"angenbereich von 4,8 bis 5,3 $\mu$m arbeitet und Temperaturen zwischen 
300 und 1300 $^\circ$C erfassen kann.
Will man als Substrat Silicium einsetzen, so mu"s zun"achst die richtige 
Emissivit"at eingestellt werden. Die Emissivit"at von Silicium ist extrem 
temperaturabh"angig und wurde aus dem Diagramm in Abb. \ref{Emissi} 
bestimmt. 
\begin{figure}[h]
  \includegraphics[width=7cm]{Emissi.eps}
   \caption{\label{Emissi} Emissivit"at in Abh"angigkeit der Wellenl"ange f"ur 
	0,5 $\mu$m Silicium (nach \cite{IRCON}) 
                           }
\end{figure}
F"ur eine Substrattemperatur oberhalb von \mbox{$800 ^\circ$C} wurde eine 
Emissivit"at $\epsilon = 0,66$ gew"ahlt und f"ur Temperaturen zwischen 
\mbox{600 und 800 $^\circ$C} $\epsilon = 0,55$. Jedoch mu"s f"ur absolute 
Temperaturmessungen die genaue Emissivit"at noch experimentell bestimmt werden, 
zum Beispiel mit Hilfe einer kalibrierten Heizung. Auf diese Art wurde der Wert 
von 0,55 innerhalb des Temperaturbereichs von \mbox{700 -- $800^\circ$C} von Sato und Kamo \cite{Sato423} experimentell bestimmt. Weiterhin beobachteten sie,
da"s der Wert sich auf 0,6 erh"oht, sobald das Substrat mit Diamant beschichtet 
ist. Ebenso mu"s man den Einflu"s des Substrat\-halters auf die Messungen im 
Temperaturbereich unterhalb von \mbox{$800 ^\circ$C} bestimmen, da dort Silicium in steigendem Ma"se transparent f"ur infrarote Strahlung wird. Bei Stiegler et al. \cite{StieglerAPL97} lag der Fehler bei der Bestimmung der Substrattemperatur, der durch den Einflu"s des Substrat\-halters bei transparentem Silicium gegeben ist, jedoch vernachl"assigbar unterhalb von 10 K. Nicht zuletzt mu"s man f"ur die Bestimmung der absoluten Temperaturen auch m"ogliche St"orungen ber"ucksichtigen, die durch Reflexionen der Strahlung an der Unterseite des Substrats bzw. des IR--Fensters auftreten k"onnen \cite{RichterSCT95}. Man darf jedoch davon ausgehen, da"s der gesamte Fehler bei gleichen Bedingungen gleich gro"s ist.\\
Zun"achst jedoch ergab sich bei ersten Messungen mit dem IR--Pyrometer ein 
weiteres Problem. Die Temperatur wird "uber den analogen Ausgang des Pyrometers 
auf einen xy--Schreiber gegeben. Die Auswertung der Me"sdaten ergab, da"s die 
Substrattemperatur st"arker als zuerst angenommen auf die Abstands"anderung des 
Bogens reagiert. Es wurde eine maximale Amplitude der Temperaturschwankung von 
100 $^\circ$C bei Elektodenst"arken von 3 bzw. \mbox{4,6 mm} beobachtet; diese 
erh"ohte sich sogar auf 300 $^\circ$C bei Elektroden mit einem Durchmesser von 
\mbox{6 mm}. Die Zeit zwischen zwei maximalen Werten der Temperatur betr"agt 
ca. \mbox{2 min}. 

  \subsection{Stabilisierung der Substrattemperatur}
\label{tempregel}
Der Aufbau zur Temperaturmessung mit Hilfe des IR--Pyrometers ist in Abb. 
\ref{tprez} dargestellt. Um die Temperaturschwankungen so gering wie m"oglich zu halten gibt es neben der Wahl der Elektrodenst"arke noch eine andere M"oglichkeit, n"amlich die Schwankungen des Bogens auszugleichen. Die Idee ist, das Substrat so in der H"ohe zu verfahren, da"s der Abstand relativ zum Bogen immer konstant bleibt. Das hei"st, brennt der Bogen zu nah am Substrat, wird das Substrat ein St"uck weg vom Bogen gefahren, vergr"o"sert sich der Abstand wieder, so wird das Substrat um die gleiche Wegstrecke n"aher an den Bogen gebracht. Die Oszillation des Substrats soll phasengleich zur Bogenoszillation sein. Durch die Temperaturerfassung des Substrats mit Hilfe des IR--Pyrometers bietet es sich an, den gemessenen Temperaturwert in einen elektrischen Regelkreis zu speisen der einen Stellmotor antreibt, der wiederum die H"ohe des Substrats korrigieren kann. 
 \begin{figure}[h]
  \includegraphics[width=10cm]{tprez.eps}
   \caption{\label{tprez} Temperaturmessung, und --regelung
}
\end{figure}
Mit einem extern am Regelkreis angebrachten Potentiometer 
kann man den Sollwert der Substrattemperatur einstellen. Das Pyrometer liefert 
permanent den aktuellen Wert der Substrattemperatur. Der Regelkreis stellt die 
Spannungsdifferenz zwischen Soll-- und Istwert fest. Je nach Vorzeichen der 
Spannungsdifferenz wird der Motor so angesteuert, da"s das Substrat mit Hilfe 
einer Gewindestange in der H"ohe nach oben oder nach unten geschoben wird. 
Dadurch bleibt der Abstand relativ zum Bogen konstant. Auf diese Weise 
reduzierten sich die Temperaturschwankung auf maximal $\pm25^\circ$C, was 
durchaus noch tolerabel ist. Diese Regelung erm"oglicht nun Beschichtungen bei 
gezielt einstellbarer und relativ konstanter Temperatur des Substrats. 

\chapter{Diamantsynthese: Keimbildung, Wachstum und Struktur}
 \label{synthese}
Die Diamantabscheidung findet in einem konstanten Gasgemisch von Wasserstoff, 
Argon und Kohlenstoff statt. Die Kohlenstoffkonzentration kann wahlweise durch den Bogenstrom, der zum unterschiedlich starken Abbrennen der 
Spektralkohle--Elektroden f"uhrt, oder in Form von unterschiedlich hoher 
Methankonzentration variiert werden. Dabei str"omt das Gas kontinuierlich, 
bei gleichbleibendem Druck durch die Kammer. Bei fr"uheren Arbeiten wurden die 
Beschichtungsparameter wie Arbeitsdruck, Gasflu"s und das Verh"altnis von 
Wasserstoff zu Argon gr"undlich untersucht \cite{BuckNDDF95,BoehmDRM94} und so 
wurden diese Parameter f"ur die Standardbeschichtungen "ubernommen. Das hei"st, 
solange nichts anderes erw"ahnt wird betr"agt der Arbeitsdruck \mbox{200 mbar}, 
der Gasflu"s von Wasserstoff 1000 sccm\footnote{ein sccm entspricht einem 
Kubikzentimeter Gas pro Minute unter Standardbedingungen (Raumtemperatur und Atmosph"arendruck)} und von Argon 200 sccm. Das Wasserstoffgas 
wird mit Hilfe eines H$_2$--Generators erzeugt, mit einer Reinheit von 
99,999990 \%. Der Gasflu"s wird mit Hilfe von 
Massendurchflu"smessern\footnote{Mass Flow Controller der Firma MKS} 
eingestellt. Diese sind vom Werk aus auf Stickstoff geeicht und werden vom 
Nutzer mit einem speziellen Korrekturfaktor auf das jeweilige Gas eingestellt. 
Bei Gasen, die Wasserstoff enthalten ist dieser Korrekturfaktor nicht linear zum
Gasflu"s. Der bei dem hier verwendeten Massendurchflu"smesser ermittelte Faktor 
weicht f"ur Wasserstoff bei gegebenem Gasflu"s um ca. 30 $\%$ vom angegebenen 
Wert ab. Um "uber lange Me"szeiten hin einen gleichbleibenden Gasflu"s 
garantieren zu k"onnen, m"ussen die Massendurchflu"smesser von Zeit zu Zeit neu 
kalibriert werden.\\
Der Bogenstrom lag zu Beginn der Me"sreihen zwischen 17 und 19 A und es wurde 
kein Methan zugegeben. Bei diesem relativ hohen Strom brennen die 
Graphitelektroden jedoch sehr schnell ab und die Schichten weisen insgesamt 
eine hohe Verunreinigung an graphitischen Makropartikeln auf. Um die 
Diamantqualit"at zu verbessern wurde der Strom f"ur die weiteren Beschichtungen 
bei \mbox{200 mbar} auf 6 A reduziert und Methan zugegeben. Der Substratabstand 
vom Bogen hat einen entscheidenden Einflu"s auf die Substrattemperatur und auf 
die Abscheideraten. Messungen mit dem Thermoelement ergaben einen 
Temperaturunterschied von ca. 100 $^\circ$C pro Millimeter. Diese Beobachtung 
stimmt auch gut mit dem experimentell gemessenen Temperaturprofil eines 
H$_2$/Ar--Plasmas \cite{BornemannAPB90} "uberein (vgl. Kap. \ref{quelle}). Der 
kleinste hier eingestellte Abstand betrug 8 mm, darunter ist die Gefahr zu 
gro"s, da"s das Substrat zu hei"s f"ur die Diamantbeschichtung wird und im 
schlimmsten Fall sogar schmilzt. Der gr"o"ste eingestellte Abstand betrug 
12 mm, was sich in einer geringeren Wachstumsrate bemerkbar machte. Bei 
einem Abstand von 20 mm konnten nach 2 h noch keine Diamantkeime auf dem 
Substrat gefunden werden. Der hier f"ur die Standardbeschichtung eingestellte 
Abstand Substrat--Bogen betrug ca. 10 mm.

    \section{Substratmaterialien und Substratvorbehandlung}
Untersuchungen haben ergeben, da"s sowohl die Diamantkeimbildung als auch das 
Diamantwachstum --- bis hin zu dem Stadium, in dem das gesamte Substrat vollst"andig mit Diamant bedeckt ist --- stark vom Substratmaterial abh"angen. Es findet zun"achst ein Diffusionsproze"s statt, bei dem Kohlenstoff in das Substrat gelangt. Erst wenn eine "Ubers"attigung an Kohlenstoff erreicht ist, k"onnen sich erste Diamantkeime bilden. In vielen F"allen bilden sich unter bestimmten Bedingungen bei hochschmelzenden Metallen und auch bei Silicium vor der Keimbildung erst stabile Carbide auf der Oberfl"ache, die einen Einflu"s auf die Keimbildung haben k"onnen. Sobald das Substrat vollst"andig mit Diamant beschichtet ist, wird die Wachstumsrate jedoch unabh"angig vom Substratmaterial \cite{Lux579}. Bei anderen Untersuchungen wurden verschiedene 
hochschmelzende Metalle und auch Silicium als Substrat verwendet, um die 
Qualit"at der Filme in Hinblick auf Gitterabstand, Kristallstruktur und auf 
verschiedenen Oberfl"achenenergien der Substrate zu vergleichen. Man stellte 
fest, da"s Si mit der gleichen Kristallstruktur wie Diamant, und W mit einer 
Oberfl"achenenergie von 3111 ergs$/$cm, die sehr nahe an der von Diamant liegt 
(3387-3591 ergs$/$cm), die besten Schichten lieferten. Ni, das mit einem 
Gitterabstand von 0,3524 nm sehr nahe an den Wert von Diamant \mbox{(0,3567 nm)} heran kommt liefert trotz der katalytischen Eigenschaften, die Kohlenwasserstoffe unter Bildung von Graphit zersetzten, auch qualitativ gute Schichten, wobei diese allerdings geringe Anteile von Graphit aufweisen \cite{LeeAPL90}. Auf Ta und Mo, die in keinem der drei Punkte eine gute "Ubereinstimmung haben sind die schlechtesten Schichten aufgewachsen \cite{LeeAPL90}. So wurden f"ur die Diamantbeschichtung mit der Lichtbogenanlage in dieser Arbeit ausschlie"slich Wolfram, Hartmetall (WC-Co) und Silicium als Substrat gew"ahlt.\\ 
Auch die Vorbehandlung des Substrats ist f"ur die Keimbildungsdichte sehr 
wichtig. Es ist bekannt, da"s Diamant besonders leicht entlang von Kratzern auf 
dem Substrat w"achst. So wird besonders Silicium vor der Beschichtung mit Diamantpulver poliert. Zum einen wird vermutet, da"s winzige Diamantk"orner auf 
der Oberfl"ache zur"uck bleiben und als Keime f"ur das sp"atere Diamantwachstum 
dienen \cite{Dubray619}. Zum anderen nimmt man an, da"s die Defekte, die durch 
das mechanische Kratzen auf der Oberfl"ache entstehen als geeignete Stellen 
dienen, an denen Diamant durch einen heterogenen Keimbildungsproze"s entstehen 
kann \cite{MolinariAPL92}. So ist es allgemein "ublich, gerade die 
Si--Substrate vor der Beschichtung mit Diamantpulver zu polieren. Ohne diese 
Vorbehandlung dauert es mit dem Hot--Filament--Verfahren zum Beispiel 
mehrere Stunden, bis sich erste Diamantkeime auf einer sauberen 
Si--Oberfl"ache bilden \cite{Lux579}. Untersuchungen haben gezeigt, da"s die 
Keimdichte gr"o"ser wird mit kleiner werdender Korngr"o"se des Diamantpulvers. 
Je gr"o"ser die Keimbildungsdichte ist desto kleiner sind die gewachsenen 
Diamantkristalle (bis zu einigen nm). Dabei nimmt zum Beispiel die 
Oberfl"achenrauhigkeit ab und die optische Transparenz steigt an (z.B.: 
\cite{ChenTSF98,ErzDRM93}).\\
Die Substrate werden f"ur die Beschichtung mit der Lichtbogenanlage wie 
allgemein "ublich vorbereitet. Wolfram wird mit einem in Aceton getr"ankten 
Wattest"abchen von groben Verunreinigungen befreit und danach f"ur 15 min im 
Ultraschallbad in Aceton ges"aubert. Wenn nicht ausdr"ucklich erw"ahnt, dann 
wird Silicium f"ur ca. \mbox{20 min} mit einem Diamantpulver mit einer 
Korngr"o"se von \mbox{0,1 $\mu$m} poliert. Danach wird es wie das Wolfram 
zuerst mit einem in Aceton getr"ankten Wattest"abchen von groben 
Verunreinigungen befreit und nochmals f"ur \mbox{15 min} im Ultraschallbad in 
Aceton ges"aubert.
	
 \subsection{Wolfram und WC-Co als Substrat}
\label{wolfram}

Zun"achst wurde Wolfram auf Grund seines sehr hohen 
Schmelzpunkts\footnote{Schmelzpunkt von Wolfram: 3410 $^\circ$C} als Substrat 
eingesetzt. Die Substrate bestanden aus $5 \times 10$ mm$^2$ Wolframblech mit 
einer Dicke von \mbox{0,1 mm}. Sie wurden jeweils mit zwei Wolframschrauben auf dem Substrat\-halter (s. Abb. \ref{Subhalt}) fixiert. Der Arbeitsdruck war bei allen Proben gleich und lag bei 200 mbar. Der Bogenstrom lag w"ahrend dieser Versuchsreihe bei 18 A. Auch die restlichen Parameter wurden nicht ver"andert, wie z.B. der Abstand zwischen Bogen und Substrat von ca. \mbox{10 mm}. Einzig die L"ange der Beschichtungszeiten wurde variiert. Abb. \ref{DaufWbl} zeigt REM--Bilder der so hergestellten Schichten.
\begin{figure}[t]
 \begin {minipage}[t]{7.4cm}
  \includegraphics[width=6.8cm]{W4.eps}
 \small{a)}
 \end {minipage}
\hfill
 \begin {minipage}[t]{7.4cm}
  \includegraphics[width=6.8cm]{W1.eps}
   \small{b)}
 \end {minipage}
\begin {picture}(14,0.4)                     \end{picture}
\begin {minipage}[t]{7.4cm}
 \includegraphics[width=6.8cm]{W2.eps}
  \small{c)}
 \end {minipage}
\hfill
 \begin {minipage}[t]{7.4cm}
  \includegraphics[width=6.8cm]{W3.eps}
  \small{d)}
 \end {minipage}
\caption{\label{DaufWbl} Diamant auf Wolframblech; a) \mbox{60 min; b)} 
\mbox{105 min; c)} \mbox{120 min; d)} \mbox{160 min} }
\end{figure}
Nach einer Beschichtungszeit von \mbox{60 min} sind auf der W--Oberfl"ache nur 
ganz vereinzelt Diamantk"orner zu finden, etwas mehr befinden sich am Rand des 
Substrats (s. Abb. \ref{DaufWbl} a). Nach \mbox{105 min} ist das Substrat "uber 
gro"se Fl"achen komplett beschichtet. Die Korngr"o"se (KG) ist nicht gr"o"ser 
als 1 $\mu$m (Abb. \ref{DaufWbl} b), nach \mbox{120 min} liegt die KG bei 
\mbox{5 $\mu$m} (Abb. \ref{DaufWbl} c) und nach \mbox{160 min} liegt sie 
zwischen 5 und 10 $\mu$m \mbox{(Abb. \ref{DaufWbl} d)}.

Zum Vergleich wurde eine Beschichtung unter Zugabe von 2 vol.$\%$ Methan in 
Wasserstoff durchgef"uhrt. Nach bereits \mbox{30 min} sind besonders in den 
Randzonen des W--Substrats Diamantkeime mit einer \mbox{KG $\le$ 5 $\mu$m} zu 
finden (Abb. \ref{Wb2ab} a). Allerdings ist die Schicht sehr inhomogen und in 
der Mitte bilden die Diamantkeime keine zusammenh"angende Schicht (Abb. 
\ref{Wb2ab} b). Starke Verunreinigungen sind auf den Oberfl"achen der 
Diamantkristalle deutlich zu erkennen.

\begin{figure}[t]
 \begin {minipage}[t]{7.4cm}
 \includegraphics[width=6.8cm]{Wb21a.eps}
  \small{a)}
 \end {minipage}
\hfill
 \begin {minipage}[t]{7.4cm}
  \includegraphics[width=6.8cm]{Wb21b.eps}
  \small{b)}
 \end {minipage}
\caption{\label{Wb2ab} Diamant auf Wolframblech unter Zugabe von 2 vol.$\%$ 
Methan nach 30 min; a) Aufnahme vom Rand des Substrats b) Aufnahme von der 
Mitte des Substrats}
\end{figure}
Die Haftung der Schichten auf dem W--Blech ist bei allen Proben dieser 
Versuchsreihe sehr schlecht. Gerade bei l"angeren Beschichtungszeiten sind 
gro"se Teile der Schicht abgeplatzt. Dies k"onnte mit der stark 
schwankenden Substrattemperatur zusammenh"angen. Sie f"uhrt zu mechanischen 
Verformungen des Substrats w"ahrend der Beschichtung. Es kommt zu Verspannungen zwischen Schicht und Substrat und die Schicht platzt beim Abk"uhlen ab. Auch ist die Qualit"at der Diamantschichten nicht sehr gut. Alle Schichten enthalten starke graphitische Verunreinigungen, wie man bei Ramanuntersuchungen sehen kann. Stellvertretend f"ur diese Versuchsreihe ist in Abb. \ref{WBlram} ein typisches Spektrum zu sehen.
 \begin{figure}[h]
  \includegraphics[width=13cm]{WBlram.eps}
   \caption{\label{WBlram} Ramanaufnahme von Diamant auf W--Blech}
\end{figure}
Die schlechte Qualit"at der Diamantschicht ist neben der breiten Graphitlinie 
auch an der stark verbreiterten Diamantlinie mit einer Halbwertsbreite von ca. 
10 cm$^{-1}$ zu erkennen. Dies deutet auf eine gro"se Anzahl von Defekten im 
Diamantgitter hin.\\
\begin{sloppypar}
Mit Co oder Ni gesintertes Wolframcarbid (Hartmetall) ist ein vielgenutztes Material f"ur Schneide-- und Bohrwerkzeuge. Um die Werkzeuge langlebiger zu machen, ist man dazu "ubergegangen sie mit Diamant zu beschichten. Teilweise sind die diamantbeschichteten Werkzeuge schon kommerziell zu erhalten \cite{ReineckDRM96,LeyendeckerIJRMHM98}. Allerdings 
gibt es nach wie vor bei der CVD--Beschichtung ein gro"ses Problem. Als 
Bindematerial wird Kobalt gebraucht, das mit unterschiedlichen Konzentrationen 
zwischen \mbox{6 -- 20 $\%$} eingebaut wird (WC--Co) \cite{CappelliDRM96}. Der 
Anteil von Kobalt, der als Binder bei den Hartmetallen eingesetzt wird, hat 
einen negativen Einflu"s auf die Diamantbildung und auf die Haftung der 
Diamantschicht \cite{AlamTSF97,JoergensenSCT97}. Je h"oher der Anteil an Kobalt 
ist, desto schlechter haftet die Schicht auf dem Werkzeug. Eine M"oglichkeit 
den Diamant mit h"oherer Qualit"at auf den WC--Co Substraten aufwachsen zu 
lassen und die Haftung zu verbessern ist, das Co herauszu"atzen und so den 
Co--Gehalt in den oberen Schichten zu reduzieren \cite{MurakawaSCT88}. Wird 
zuviel Co herausge"atzt ist die Bindung des Materials nicht mehr ausreichend, 
das Werkzeug wird spr"ode und bricht aus. Weitere Gr"unde f"ur die schlechte 
Haftung sind oft auch die starken Verspannungen, die zwischen der 
Diamantschicht und dem Hartmetall auftreten. Zwischenschichten sollen den 
Stre"s zwischen Diamant und Substrat abbauen und au"serdem als 
Diffusionsbarriere f"ur Co in die Schicht wirken \cite{NesladekDRM93}. Dar"uber 
hinaus versucht man durch unterschiedlichste Vorbehandlungen der 
Substratoberfl"ache die Haftung zu verbessern 
\cite{TakatsuMSE91,ShibukiSCT94,KonyashinTSF97}. Eine genaue Untersuchung "uber 
den Einflu"s von Co auf das Diamantwachstum ist zum Beispiel in 
\cite{KubelkaDFT95} zu finden. 
\end{sloppypar}
Die Substrate, die hier benutzt werden, sind Wendeschneidplatten aus 
Hartmetall, mit einem Anteil von 6 $\%$ Kobalt (WC--6Co)\footnote 
{Wendeschneidplatten der Firma Krupp Widia}. Die Untersuchungen hier 
beschr"anken sich darauf zu zeigen, da"s es grunds"atzlich m"oglich ist mit Hilfe der vorhandenen Lichtbogenanlage WC--6Co--Substrate mit Diamant zu 
beschichten. Auf Haftungsprobleme, Wachstumsraten und Verbesserungen der 
Diamantqualit"at wird hierbei nicht genauer eingegangen. Diese Untersuchungen 
wurden f"ur das DC--Plasma--Jet und das Hot--Filament--Verfahren 
bereits an anderer Stelle durchgef"uhrt \cite{DeuerlerDRM96,BuckDRM98}.\\
Die WC--6Co--Substrate wurden vor der Beschichtung mit einem in Aceton 
getr"ankten Wattest"abchen von groben Verunreinigungen befreit und dann 15 min 
im Ultraschallbad in Aceton gereinigt. Der Abstand Sub\-strat--Bogen war bei 
allen Proben etwa 10 mm gro"s. Die Schichten wurden zun"achst bei 18 A ohne 
Beigabe von Methan abgeschieden. Nach einigen Fehlversuchen wurde der 
Bogenstrom jedoch auf 6 A reduziert und 3 vol.$\%$ CH$_4/$H$_2$ dem Gasflu"s 
beigemengt. In Abb. \ref{DaufWC1} sind Schichten zu sehen, die auf einer 
bis auf die Grundreinigung unbehandelten Substratoberfl"ache aufgewachsen 
sind. Bei Probe a) handelt es sich um eine Schicht, die bei einem Bogenstrom von 18 A und 0 $\%$ Methan aufgewachsen ist. Es konnte jedoch keine Diamantstruktur mit Hilfe von REM-- und XRD--Untersuchungen nachgewiesen werden. Die Probe in b) wurde bei 6 A und 3 vol.$\%$ Methan abgeschieden. Die XRD--Ergebnisse weisen eindeutig Diamant in der Schicht nach (Abb. \ref{WC1XRD}). Bei beiden Proben in Abb. \ref{DaufWC1} lag die Beschichtungszeit bei \mbox{110 min}. Eine Erh"ohung der Beschichtungsdauer auf \mbox{180 min} unter gleichen Bedingungen wie in b) f"uhrt dazu, da"s die Schicht zu dick wird und sich beim Abk"uhlen, bzw. Bel"uften der Kammer vom Substrat l"ost.
\begin{figure}[t]
 \begin {minipage}[t]{7.4cm}
  \includegraphics[width=6.8cm]{WSPH.eps}
 \small{a)}
 \end {minipage}
\hfill
 \begin {minipage}[t]{7.4cm}
  \includegraphics[width=6.8cm]{WC1.eps}
   \small{b)}
 \end {minipage}
 \caption{\label{DaufWC1} Substrat: WC--Co, ohne Zwischenschicht, 
Beschichtungsdauer: \mbox{110 min}; a) Bogenstrom: 18 A, Methan: 0 $\%$, kein 
Diamant, b) Bogenstrom: 6 A, Methan: 3 $\%$, Diamant }
\end{figure}
\begin{figure}[t]
  \includegraphics[width=10.5cm]{WC1XRD.eps}
   \caption{\label{WC1XRD} R"ontgen--Diffraktionsspektrum von Diamant auf 
WC--Co  }
\end{figure}

Die folgenden Proben wurden bei einem Bogenstrom von 6 A und unter Zugabe von 3 
vol.$\%$ Methan abgeschieden, mit Beschichtungszeiten nicht "uber zwei Stunden.
Bei der Probe in Abb. \ref{DaufWC2} a) war eine Zwischenschicht aus amorphen 
Kohlenstoff (a:C) auf das Hartmetall--Substrat aufgebracht.
Die Beschichtungszeit betrug \mbox{120 min} und das Substrat war zun"achst 
vollst"andig mit Diamant beschichtet. Die Wachstumsrate lag bei etwa 2,5 
$\mu$m/h. Nach ca. einer Woche jedoch l"oste sich die Schicht vom Substrat, 
ohne da"s die Probe unter Belastung gestellt wurde. In Abb. \ref{DaufWC2} a) ist ein Teil der noch haftenden Schicht zu sehen. Die Schichtdicke betr"agt ca. 5 $\mu$m. Die Probe in b) wurde einer, f"ur kommerzielle Diamantbeschichtung entwickelten Vorbehandlung unterzogen\footnote {Firma CemeCon, Aachen} und 
80 min lang beschichtet. Das Substrat ist vollst"andig mit einer homogenen 
Diamantschicht "uberzogen, die auch noch nach mehreren Wochen haften bleibt. 
Die Diamantkristalle haben eine KG von \mbox{1 -- 5 $\mu$m}.\\
\begin{figure}[h]
\begin {minipage}[h]{7.4cm}
 \includegraphics[width=6.8cm]{WSPD.eps}
  \small{a)}
 \end {minipage}
\hfill
\begin {minipage}[h]{7.4cm}
 \includegraphics[width=6.8cm]{Si210.eps}
  \small{b)}
 \end {minipage}
 \caption{\label{DaufWC2} Diamant auf WC--Co; a) mit Zwischenschicht: a:C, Beschichtungszeit: \mbox{120 min}; b) mit spezieller Vorbehandlung$^5$, Beschichtungszeit: \mbox{80 min}
}
\end{figure}


Zu erw"ahnen ist noch, da"s die Wolframschrauben, die zum Befestigen der 
Substrate gebraucht werden, nach einer Beschichtungszeit von insgesamt 4 h eine 
vollst"andig geschlossenen Diamantschicht aufweisen. Dies ist ein positiver 
Nebeneffekt bei der Beschichtung, da so eventuelle Verunreinigungen der 
Diamantschicht durch die Wolframschrauben ausgeschlossen werden k"onnen.\\ 


     \subsection{Silicium als Substrat}
Nachdem es gelungen war den Substrathalter geeignet zu dimensionieren und den 
Bogen soweit zu stabilisieren, da"s die Substrattemperatur unterhalb des 
Schmelzpunkts von Silicium blieb, konnte mit der Versuchsreihe auf 
Si--Substraten begonnen werden. Silicium ist deswegen besonders gut f"ur die 
Grundlagenforschung geeignet, weil die Siliciumeinkristall--Wafer ein 
perfektes, defektfreies Kristallgitter haben, minimal voneinander abweichen und 
so Substratbedingt keine unerw"unschte Nebeneffekte bei der Diamantabscheidung 
auftreten. Die Sili\-cium--Proben bestehen aus Si(100), mit einer Gr"o"se von ca. \mbox{$10 \times 10$ mm$^2$} und mit einer Dicke von 0,38 mm. Wie schon erw"ahnt wurden die Proben zuerst mit Diamantpaste (0,1 $\mu$m) poliert und danach mit Aceton und nochmals f"ur 15 min im Ultraschallbad in Aceton gereinigt. F"ur die Beschichtung wurde der Bogenstrom konstant auf 6 A eingestellt, der Methangehalt lag bei 1,2 vol.$\%$ bezogen auf Wasserstoff und der Abstand Substrat--Bogen betrug ca. 10 mm. Einzig die L"ange der Beschichtungszeiten wurde variiert. In Abb. \ref{Si2Reihe} ist eine repr"asentative Auswahl der Proben zu sehen. Nach einer Beschichtungszeit von \mbox{150 min} ist das Substrat vollst"andig mit Diamant bedeckt. Die Diamantkristalle haben eine KG $\le 1 \mu$m (Abb. \ref{Si2Reihe} a).
\begin {figure}[h]
 \begin {minipage}[h]{15cm}
  \includegraphics[width=4.4cm]{Si212.eps}
  \small{a)}
\hfill
  \includegraphics[width=4.4cm]{Si29.eps}
  \small{b)}
\hfill
  \includegraphics[width=4.4cm]{Si213.eps}
  \small{c)}
 \end {minipage}
\caption{\label{Si2Reihe} Diamant auf Si, Methan in Wasserstoff: 1,2 vol.$\%$; 
a) \mbox{150 min}; b) \mbox{205 min}; c) \mbox{360 min}}
\end{figure}
Eine k"urzere Beschichtungszeit von \mbox{120 min} reicht 
unter diesen Bedingungen nicht aus, um eine geschlossene Diamantschicht zu 
erhalten. Es finden sich nur einzelne Diamantk"orner, die "uber das gesamte 
Substrat verteilt sind. Nach \mbox{205 min} liegt die KG bei ca. 2 $\mu$m (Abb. 
\ref{Si2Reihe} b) und nach \mbox{360 min} erreichen die Diamantkristalle eine 
KG von ca. 10 $\mu$m (Abb. \ref{Si2Reihe} c). Die Wachstumsrate betr"agt bei 
den eingestellten Parametern etwa 0,3 $\mu$m pro Stunde. Bei 
Ramanuntersuchungen zeigt sich, da"s die Schichten dieser Versuchsreihe keine 
graphitischen Verunreinigungen enthalten. Stellvertretend f"ur alle Proben ist 
in Abb. \ref{ramsi213} ein Ramanspektrum der Probe \ref{Si2Reihe} c) zu sehen. 
Eine Halbwertsbreite von ca. 4,2 cm$^{-1}$ l"a"st auf eine gute Qualit"at der 
Schicht schlie"sen, mit wenig Defekten im Kristallgitter.
\begin{figure}[h]  
\includegraphics[width=12cm]{ramsi213.eps}
   \caption{\label{ramsi213} Ramanaufnahme von Diamant auf Si(100) (von Probe aus \mbox{Abb. \ref{Si2Reihe} c)}  }
\end{figure}

Mit dieser Versuchsreihe wurde erstmals gezeigt, da"s es m"oglich ist, Diamant 
mit Hilfe der vorliegenden DC--Lichtbogen--Apparatur auf Silicium 
abzuscheiden. Referenzschichten best"atigten die Reproduzierbarkeit der 
Schichten. Nach diesen Ergebnissen wurde gezielt die Kohlenstoffkonzentration 
in Form des Methangehalts variiert, um ihren Einflu"s auf die Morphologie der 
Schichten zu testen. 


    \section{Variation der Methankonzentration}
 	\label{methan}

Es ist schon vor einiger Zeit mit Hot--Filament--CVD 
\cite{Clausing611,MehtaDRM98,AscarelliDRM96} und mit dem MWCVD--Verfahren 
\cite{KobashiPRB88,WildDRM93} gezeigt worden, da"s durch Variation von 
Temperatur und Methangehalt die Textur, also die Orientierung der bevorzugten 
Wachstumsrichtung des Diamants, gezielt beeinflu"st werden kann. Es wurde 
zun"achst gezeigt, da"s bei kleinen Methankonzentrationen (bei ca. 0,5 vol.$\%$ CH$_4$/H$_2$) oktaedrische Kristalle mit $\{111\}$--Seitenfl"achen 
"uberwiegen und sich mit zunehmender Methankonzentration (ab ca. 1 vol.$\%$ 
CH$_4$/H$_2$) immer st"arker $\{100\}$--Facetten ausbilden \cite 
{KobashiJVST88}. Bei sp"ateren Untersuchungen wurde gezeigt, da"s dieser Effekt bei gleichbleibender Methankonzentration auch durch wachsende Temperatur erzielt werden kann \cite{WildDRM93,MehtaDRM98}. Inwieweit sich texturierte Schichten mit dem DC--Lichtbogenverfahren herstellen lassen, wurde hier zun"achst anhand von Versuchen mit unterschiedlichen Methankonzentrationen getestet. Der Einflu"s der Substrattemperatur auf die Morphologie der Schichten konnte nicht ausreichend untersucht werden, da eine exakte Messung und Kontrolle der Temperatur zu diesem Zeitpunkt noch nicht m"oglich war. Als Substrat diente wiederum Si(100) mit einer Gr"o"se von ca. $10 \times 10$ mm$^2$. Der Methangehalt wurde von 0,5 vol.$\%$ bis 4 vol.$\%$ in Wasserstoff variiert. Im Unterschied zu den in der Literatur verwendeten Verfahren kommt jedoch zus"atzlich zum Kohlenstoff aus dem Methan noch Kohlenstoff aus den Graphitelektroden. Bei einem Strom von 6 A, einem Kathodendurchmesser von 3 mm und einem Anodendurchmesser von 4,6 mm erh"alt man bereits 2 mg Kohlenstoff pro Minute, was einem Kohlenstoffanteil von ca. 0,4 vol.$\%$ CH$_4$/H$_2$ entspricht. Proben, die bei diesem Kohlenstoffanteil ohne Zugabe von Methan aufgewachsen sind, weisen nach einer Beschichtungszeit von 2 h und einem Abstand zum Lichtbogen von 11 mm eine fast geschlossene Diamantschicht mit einer KG von ca. 2 $\mu$m auf.\\
In Abb. \ref{varmeth} sind einige charakteristische Proben zu sehen, die man 
bei verschiedenen Anteilen von Methan erh"alt. Der Methangehalt ist 
ohne Einberechnung der Menge an Kohlenstoff aus den Elektroden angegeben. Bei einer Konzentration von 0,5 vol.$\%$ CH$_4$ erh"alt man keinerlei gleichgerichtete Orientierung der Kristallite (Abb. \ref{varmeth} a). Die Diamantkristalle haben eine KG von 2 -- 4 $\mu$m. Bei 1 vol.$\%$ CH$_4$ w"achst die KG auf 3 -- 6 $\mu$m an \mbox{(Abb. \ref{varmeth} b)}. Auf der REM--Aufnahme ist keine bevorzugte Orientierung zu erkennen. Jedoch zeigen XRD--Texturanalysen eine erh"ohte Anzahl von Oktaedern mit $\{111\}$--Fl"achen an. Bei einer Konzentration von 2 $\%$ Methan wird dieser Effekt verst"arkt. 
Sowohl bei der XRD--Texturmessungen als auch bei den REM--Untersuchungen 
ist deutlich die (111)--Morphologie zu erkennen. Die Gr"o"se der Kristallite 
liegt zwischen 5 und 15 $\mu$m.
\begin {figure}[h]
 \begin {minipage}[h]{15cm}
  \includegraphics[width=4.4cm]{Si42.eps}
  \small{a)}
\hfill
  \includegraphics[width=4.4cm]{Si32.eps}
  \small{b)}
\hfill
  \includegraphics[width=4.4cm]{Si51.eps}
  \small{c)}
 \end {minipage}
\begin {picture}(14,0.4)                     \end{picture}
\begin {minipage}[h]{15cm}
    \includegraphics[width=4.4cm]{DP351b.eps}
  \small{d)}
\hfill
  \includegraphics[width=4.4cm]{DP351a.eps}
  \small{e)}
  \hfill
  \includegraphics[width=4.4cm]{Sidp41a.eps}
  \small{f)}
 \end {minipage}
\caption{\label{varmeth} Diamant auf Si(100);
a) CH$_4$/H$_2$: 0,5 vol.$\%$, Beschichtungszeit: \mbox{4 h};
b) CH$_4$/H$_2$: 1 vol.$\%$, Beschichtungszeit: \mbox{4 h}; 
c) Methan: 2 vol.$\%$, Beschichtungszeit: 4 h; 
d) CH$_4$/H$_2$: 3,5 vol.$\%$, Temperatur: ca. 750 $^\circ$C, Beschichtungszeit: 2 h;
e) CH$_4$/H$_2$: 3,5 vol.$\%$, Temperatur: ca. 950 $^\circ$C, Beschichtungszeit: 2 h; 
f) CH$_4$/H$_2$: 4 vol.$\%$, Beschichtungszeit: 2 h  }
\end{figure}
Abb. \ref{varmeth} d und e) zeigen Proben, die 
beide bei einer Konzentration von 3,5 vol.$\%$ CH$_4/$H$_2$ abgeschieden 
wurden. Dabei lag die Temperatur der Schicht d) bei ungef"ahr 750 $^\circ$C und 
die der Schicht e) bei ca. 950 $^\circ$C (mit einem Thermoelement gemessene und 
"uber die Schwankungen gemittelte Temperatur, gibt eher die Tendenz wieder). Es zeigt sich deutlich, wie gro"s der Einflu"s der Temperatur auf die Morphologie der Diamantschicht ist. Sind bei niedrigeren Temperaturen "uberwiegend oktaedrische Kristalle mit $\{111\}$--Seitenfl"achen zu finden, so "andert sich die Orientierung bei gleichem Methangehalt aber h"oherer Temperatur doch drastisch. Es kommt zu einer starken Texturierung mit "uberwiegend$\{100\}$--Facetten. Die Kristallgr"o"se betr"agt bei Schicht d) im Vergleich zur Schicht c) nur ca. 5 $\mu$m, was mit Sicherheit gr"o"stenteils an der halb so langen Beschichtungszeit von \mbox{120 min} liegt. Die $\{100\}$--Facetten in e) haben eine KG $\le 1,5 \mu$m. Bei einer Konzentration von 4 vol.$\%$ CH$_4$/H$_2$ bildet sich ebenfalls bei Temperaturen um ca. 950 $^\circ$C eine (100)--Textur aus. Allerdings haben die Facetten nun eine Gr"o"se von ca. 2 $\mu$m, also mehr als 0,5 $\mu$m gr"o"ser als in e), bei gleicher Beschichtungszeit von \mbox{120 min}. Die Wachstumsrate betr"agt ab 3,5 vol.$\%$ CH$_4$/H$_2$ ca. 2 -- 2,5 $\mu$m/h.\\
Die R"ontgenbeugungs--Spektren in Abb. \ref{XRD} entsprechen den Proben von Abb. \ref{varmeth} a -- c). Es wird deutlich, da"s die Linienintensit"at mit steigender Methankonzentration gr"o"ser wird. Bei 0,5 vol.$\%$ CH$_4$/H$_2$ ist noch keine (400)--Diamantphase zu erkennen, erst ab 1 vol.$\%$ CH$_4$/H$_2$ wird eine kleine Linie erkennbar. Die Schicht a) mit 0,5 vol.$\%$ CH$_4$/H$_2$ weist Fremdphasen bei 55,1$^\circ$ (sehr schwach) und bei 116,65$^\circ$ auf, w"ahrend die Schicht c) mit 2 vol.$\%$ CH$_4$/H$_2$ neben diesen beiden Fremdphasen auch noch zwei weitere Linien aufweist, n"amlich bei 41,5$^\circ$ und bei 90$^\circ$ (sehr schwach). 
\begin{figure}[t]
   \includegraphics[width=13cm]{XRD.eps}
   \caption{\label{XRD} R"ontgenbeugung von Diamant auf Si(100) bei 
unterschiedlichen Methankonzentrationen }
\end{figure}
Die Schicht b) ist v"ollig frei von Fremdphasen. F"ur die Schichten d) -- f) sind keine XRD--Spektren verf"ugbar. Jedoch sollte f"ur Schichten mit zunehmender 
Methankonzentration und vorwiegend (100)--Morphologie die (111)--Phase 
immer kleiner werden und die (400)--Phase ansteigen \cite{KobashiPRB88}. Die 
Ramanspektren zeigen f"ur keine Schicht dieser Versuchsreihe graphitische 
Verunreinigungen. Die Halbwertsbreiten der Diamantlinien reichen von \mbox{3,3 
cm$^{-1}$} bis \mbox{5,9 cm$^{-1}$}, was darauf schlie"sen l"a"st, da"s wenig 
Defekte im Kristallgitter existieren. 



   \subsection{Zugabe von Stickstoff}
   \label{stickzu}
Stickstoff ist die h"aufigste Verunreinigung, die in nat"urlichem wie in 
synthetischem Diamant auftreten kann. Schon wenige ppm Stickstoff reichen aus, 
um die elektronischen \cite{MortAPL91,BoettgerJAP95} wie auch die optischen 
Eigenschaften \cite{Mueller-SebertAPL96}, die Morphologie und auch die 
Phasenreinheit der Schicht zu beeinflussen. Untersuchungen haben gezeigt, da"s 
kleine Spuren von Stickstoff sowohl die Qualit"at des Diamanten verbessern, als auch ein verst"arktes Wachstum von (100)--Facetten hervorrufen k"onnen. 
H"ohere Konzentrationen jedoch kehren den Effekt um und f"uhren zu 
unorientierten Diamantschichten mit geringerer Phasenreinheit. Diese Ergebnisse wurden sowohl mit MWCVD \cite{LocherAPL94,JinAPL94}, als auch mit Hot--Filament--Verfahren gezeigt \cite{BohrAPL96}. An anderer Stelle hat man schon recht erfolgreich versucht hohe Konzentrationen von Stickstoff als Donator in das Diamantgitter einzubringen, um zum Beispiel Kalt--Kathoden f"ur die Mikroelektronik herzustellen \cite {OkanoNAT96}. Ganz ohne zus"atzlichen Wasserstoff wurde nur allein in einem CH$_4$/N$_2$--Gasgemisch Diamant abgeschieden \cite{BadzianAPL93}. Man geht davon aus, da"s hierbei der Stickstoff die Rolle des atomaren Wasserstoffs "ubernimmt und durch Bildung von CN den Graphit weg"atzt. Die mit Wasserstoff kontaminierte Oberfl"ache wird dabei vermutlich unter Bildung von HCN vom Wasserstoff befreit.\\ 

Zur Untersuchung des N$_2$--Einflusses auf das Diamantwachstum mu"s man 
zun"achst sicher sein, da"s sich nicht durch Lecks im Rezipienten bzw. 
unsaubere Gase und deren Zuleitungen eine erh"ohte N$_2$--Konzentration im Rezipienten befindet. Nach einer Restgasanalyse mit Massenspektrometrie kann man den Beitrag des Stickstoffs durch Lecks im vorhandenen Rezipienten vernachl"assigen. Der H$_2$--Generator erzeugt sehr sauberen Wasserstoff 7,0 (entspricht einer Reinheit von 99,99999$\%$). Allerdings waren zu diesem Zeitpunkt keine Gasfilter f"ur die vorhandenen Methan-- und Argongase verf"ugbar. Ist das Argongas 5,0 (Reinheit: 99,9990$\%$) noch relativ sauber, so kommt der Hauptanteil des Reststickstoffs aus dem Methan 2,5 (Reinheit: 99,5$\%$). Das hei"st, ohne Zugabe von Stickstoff befindet sich im Gasgemisch bereits ca. 0,5 vol.$\%$ Stickstoff bezogen auf Methan. Bei 3,5 $\%$ CH$_4$ sind also bereits 138 ppm N$_2$ im gesamten Gasgemisch (H$_2$+Ar+CH$_4$) vorhanden.\\
F"ur diese Versuchsreihe wurde der Stickstoffanteil von insgesamt 2,5 
vol.$\%$ N$_2$/CH$_4$ bis 60 vol.$\%$ N$_2$/CH$_4$ erh"oht. 
Der schon vorhandene Anteil des Stickstoffs aus den Proze"sgasen ist dabei mit 
eingerechnet. Die auff"alligsten Ergebnisse sind in Abb. \ref{stickstoff} zu 
sehen. Bei einem Anteil von 2,9 vol.$\%$ N$_2$/CH$_4$ erh"alt man eine 
orientierte Schicht aus (100)--Facetten (Abb. \ref{stickstoff} a), mit einer 
Gr"o"se von 2 -- 4 $\mu$m. Die Facetten sind bis zu doppelt so gro"s wie bei 
einer vergleichbaren Schicht (vgl. Abb. \ref{varmeth} e) ohne Zugabe von 
Stickstoff. Bei 34 vol.$\%$ N$_2$/CH$_4$ (Abb. \ref{stickstoff} b) erh"alt man 
eine Schicht, die bei REM--Analyse keine kristalline Struktur erkennen 
l"a"st. So verh"alt es sich auch bei den anderen Schichten mit vergleichbar 
hohen N$_2$/CH$_4$--Konzentrationen. Die hier beschriebenen Effekte zeigen, da"s sich der DC--Lichtbogen genauso verh"alt, wie die in der Literatur 
beschrieben Verfahren \cite{BoettgerJAP95,BohrAPL96,BoettgerJAP95,LocherAPL94}, deshalb wird auf eine feinere Abstufung der N$_2$/CH$_4$--Konzentration verzichtet. 
\begin{figure}[t]
\begin {minipage}[t]{7.4cm}
 \includegraphics[width=6.8cm]{SiN352.eps}
  \small{a)}
 \end {minipage}
\hfill
\begin {minipage}[t]{7.4cm}
 \includegraphics[width=6.8cm]{SiN311.eps}
  \small{b)}
 \end {minipage}
 \caption{\label{stickstoff} Diamant auf Si(100), Beschichtungsdauer: 2h, 
CH$_4$/H$_2$: 3,5 vol.$\%$; a) 2,9 vol.$\%$ N$_2$/CH$_4$, b) 34 vol.$\%$ 
N$_2$/CH$_4$ 
}
\end{figure}

      \subsection{Untersuchungen zur Heteroepitaxie} 
	\label{schleuse}
\begin{sloppypar} Optimal epitaktisch gewachsene Diamantschichten weisen weder 
Defekte noch Korngrenzen auf. Dies ist f"ur elektronische und optische 
Anwendungen w"unschenswert, da Defekte und Korngrenzen die elektrischen und 
optischen sowie die thermischen Eigenschaften von Diamant verschlechtern. Es 
sei hier nur kurz erw"ahnt, da"s homoepitaktisches Wachstum (Diamantabscheidung 
auf Diamantsubstrat) von qualitativ hochwertigem Diamant sehr gut m"oglich ist 
\cite{EnckevortSCT91,JanssenSCT91,RawlesAPL96}. Das Problem dabei ist 
der hohe Anschaffungspreis der Diamantsubstrate. Gegen Diamanteinkristalle 
als Substrat sprechen weiterhin die geringe Gr"o"se, die schwere Bearbeitbarkeit und die hohen Anforderungen an die Reinheit (siehe \cite{Plano61} und dort zit. Lit.). Somit ist es klar, da"s gro"se Anstrengungen unternommen werden, um ein geeignetes Material zu finden auf dem Diamant heteroepitaktisch --- also mit gleicher Orientierung wie das Substrat --- aufwachsen kann. Generell wird nach einem Substratmaterial gesucht, das wie Diamant einen kleinen Gitterabstand aufweist, bei gleichzeitig gro"ser Oberfl"achenenergie und geringem thermische Ausdehnungskoeffizient. Beispielsweise stimmt bei Nickel der Gitterabstand gut mit dem von Diamant "uberein\footnote{der Gitterabstand von Nickel betr"agt: 0,3524 nm zum Vergl. Diamant: 0,3567 nm}, jedoch ist der thermische Ausdehnungskoeffizient fast 3,7 mal so hoch. Die bei hohen Temperaturen aufgewachsene Diamantschicht steht auf Grund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten beim Abk"uhlen so stark unter Spannung, da"s sie abplatzen kann. Es gibt eine Reihe von Materialien, die in einem Punkt mit den Eigenschaften von Diamant hinreichend "ubereinstimmen, sonst jedoch weit davon abweichen, so da"s ein optimales epitaktisches Wachstum erschwert wird. Auf Silicium ist es jedoch gelungen, trotz der gro"sen Gitterfehlanpa"sung mit $(a_{Si} - a_{Diam})/a_{Diam} = 52\%$ und des gro"sen Unterschiedes in der Oberfl"achenenergie\footnote{die Oberfl"achenenergie von Si(111) betr"agt: 1,5 $J/m^2$ zum Vergl. Diamant(100): 6 -- 9 $J/m^2$ \cite{JiangAPL95}}, hoch orientierte Schichten abzuscheiden (z.B. \cite{JiangAPL93,JiangAPA93}). Silicium hat die gleiche Kristallgitterstruktur wie Diamant. Bei Untersuchungen der Grenzfl"ache zwischen epitaktisch gewachsenem Diamant und Silicium wurde eine 3:2 Gitteranpassung gefunden, mit einem Fehler von 1,5 $\%$ \cite{JiangAPL95}. Bisher konnten die hoch orientierten Schichten nur mit Hilfe einer Bias--Spannung erzeugt werden. Dabei wird das Substrat auf ein negatives Potential (bzgl. des Plasmas) gelegt und so ein elektrisches Feld erzeugt das verst"arkt Ionen anzieht. Wie schon bei fr"uheren Untersuchungen gezeigt wurde \cite{YugoAPL91} wird es so m"oglich, eine hohen Bekeimungsrate (10$^{10}/$cm$^2$) auf der spiegelglatten Si--Oberfl"ache zu erhalten. Die typischen Biasspannungen liegen zwischen -100 V und \mbox{-300 V}. Silicium wird h"aufig als Substrat f"ur heteroepitaktisches Wachstum von Diamant benutzt. Die Silicium--Wafer weisen eine hohe Reinheit auf, besitzen in hohem Ma"se reproduzierbare Eigenschaften, und sind dazu noch billig in der Anschaffung. 

F"ur heteroepitaktisches Wachstum mu"s die Oberfl"achenstruktur erhalten 
bleiben. Daher wird f"ur diese Versuchsreihe die Si--Oberfl"ache nicht mit 
Diamantpulver angekratzt, sondern in reinem Aceton f"ur 15 min im 
Ultraschallbad ges"aubert und danach f"ur ca. 30 sec in 40 vol.$\%$ HF--S"aure 
getaucht, um die Si--Oberfl"ache von der Oxidschicht zu befreien. Um die 
Reoxidation zu verhindern wird das Substrat nach der Reinigung in 
Iso--propanol zwischengelagert und dann direkt in den Rezipienten eingebaut 
und abgepumpt. Um den Probenwechsel aus dem gleichen Grund schneller 
durchf"uhren zu k"onnen, wurde speziell f"ur Untersuchungen des epitaktischen 
Wachstums eine Schleusenkammer eingebaut.\\
Erste Versuche zur Epitaxie brachten zun"achst die erwarteten Ergebnisse (s. Abb. \ref{epitax} a). REM--Untersuchungen zeigen, da"s auf einem Teil der Schicht, auf ca. \mbox{$20 \times 20$ $\mu$m$^2$} die Diamantkristalle nahezu perfekt biachsial zueinander ausgerichtet sind. Diese hoch orientierte Schicht konnte bei einem Versuchsaufbau entstehen, bei dem nicht wie sonst in der Literatur "ublich, eine Biasspannung an das Substrat gelegt wurde. Zahlreiche Versuche die heteroepitaktische Orientierung "uber \mbox{einen gr"o"seren} Teil des Substrats auszuweiten schlugen jedoch fehl.
\begin{figure}[t]
 \begin {minipage}[t]{7.4cm}
  \includegraphics[width=6.8cm]{Si61.eps}
 \small{a)}
 \end {minipage}
\hfill
 \begin {minipage}[t]{7.4cm}
  \includegraphics[width=6.8cm]{SiEP1.eps}
   \small{b)}
 \end {minipage}
\begin {picture}(14,0.4)                   \end{picture}
\begin {minipage}[t]{7.4cm}
 \includegraphics[width=6.8cm]{SiEP31.eps}
  \small{c)}
 \end {minipage}
\hfill
 \begin {minipage}[t]{7.4cm}
  \includegraphics[width=6.8cm]{Si71.eps}
  \small{d)}
 \end {minipage}
\caption{\label{epitax} Diamant auf Si(100); a) 2 vol.$\%$ CH$_4$/H$_2$, 
Beschichtungsdauer: 4 h; b) 2 vol.$\%$ CH$_4$/H$_2$, Beschichtungsdauer: 3 h; 
c) 3 vol.$\%$ CH$_4$/H$_2$, Beschichtungsdauer: 2,5 h; d) 1 vol.$\%$ 
CH$_4$/H$_2$, Beschichtungsdauer: 3,5 h }
\end{figure}
Tats"achlich konnte das Ergebnis auch bei gleichen Bedingungen nicht reproduziert werden. Versuche bei leicht variierten Parametern brachten auch nicht das gew"unschte Ergebnis. Mehrere einzelne Diamantkristalle mit gleicher Orientierung (Abb. \ref{epitax} b) sind bei einer Probe mit gleichem Methangehalt, aber einer k"urzeren Beschichtungszeit von 3 h zu finden. So auch bei Probe Abb. \ref{epitax} c) mit 3 vol.$\%$ CH$_4$/H$_2$ und einer Beschichtungsdauer von 2,5 h. Doch sind dies Einzelf"alle, und nicht repr"asentativ f"ur die abgeschiedene Schicht. Wom"oglich macht sich in Probe c) der Einflu"s des Methans auf die Texturierung bemerkbar, so da"s sich verst"arkt (100)--Facetten gebildet haben. Bei 1 vol.$\%$ CH$_4$/H$_2$ ist keine gleichgerichtete Orientierung der Kristallite festzustellen (Abb. \ref{epitax} d).
\end{sloppypar}
Die epitaktische Orientierung kann sich bei der Keimbildung bzw. kurz nach der 
Keimbildung einstellen, sich dann aber w"ahrend des Wachstums zu einem 
geschlossenen Film und auch noch danach "andern \cite{ThomsonMRSSP93}. Daher 
wurden Proben zur Analyse der Keimbildung nur f"ur einen kurzen Zeitraum von 30 
-- 40 min und bei zwei verschiedenen Methankonzentrationen von 2 und 4 vol.$\%$ 
in Wasserstoff beschichtet. Die Gr"o"se der Keime war etwa 50 -- 200 nm. Nach 
Untersuchungen mit einem hochaufl"osenden REM kann man jedoch ausschlie"sen, 
da"s die epitaktische Orientierung sich bei den eingestellten Bedingungen schon 
in der Keimbildungsphase bildet. Allerdings lag ein gro"ser Schwachpunkt bei 
der Einstellung der Beschichtungsparameter in der Temperatur, da zu diesem 
Zeitpunkt die Messung und die Kontrolle der Temperatur nicht ausreichend genau 
war. M"oglicherweise herrschten gerade bei der Beschichtung der Probe Abb. 
\ref{epitax} a) ideale Temperaturbedingungen f"ur das epitaktische Wachstum, 
welche bei Wiederholung des Versuches nicht wiederhergestellt werden konnten. 
Systematische Messungen bei genau festgelegten Temperaturen, wie es nun 
m"oglich ist (Kapitel \ref{tempregel}), k"onnten vielleicht doch noch zu 
epitaktisch orientierten Diamantschichten ohne angelegter Biasspannung 
f"uhren. Jedoch war es nicht mehr m"oglich, die heteroepitaktische Abscheidung 
von Diamant mittels Lichtbogenverfahren im Rahmen dieser Arbeit ausreichend zu 
untersuchen.



    \section{Variation des Beschichtungsdrucks}

Der Druck des Proze"sgases w"ahrend der Beschichtung hat einen 
direkten Einflu"s auf die Bildung von atomaren Wasserstoff und die 
Gasgeschwindigkeit im Reaktor \cite{Haubner336}. Ausf"uhrliche Untersuchungen 
f"ur das Hot--Filament--Verfahren sind im Druckbereich von 5 -- 500 Torr 
durchgef"uhrt worden. Unter 5 Torr existiert zu wenig atomarer Wasserstoff. Die Gasgeschwindigkeit hat in diesem Druckbereich so stark zugenommen, da"s der Kontakt des molekularen Wasserstoffs mit dem Filament zu kurz ist, als da"s er dissoziieren kann. Oberhalb von 100 Torr ist auch zu wenig atomarer Wasserstoff vorhanden, da er rekombiniert ist, bevor er das Substrat erreicht hat \cite{BrunsteinerDRM93}. Dennoch ist es unl"angst gelungen, mit dem 
Hot--Filament--Verfahren bei Atmosph"arendruck Diamant abzuscheiden. Dies wurde dadurch erreicht, da"s die Verweildauer des Proze"sgases um den Heizdraht verl"angert, und so eine erh"ohte Menge von atomaren Wasserstoff erzeugt wurde \cite{KobayashiDRM99}. Dies erweitert den Einsatzbereich des 
Hot--Filament--Verfahren erheblich.\\
Lichtb"ogen sind bekannt daf"ur, da"s sie in einem weiten Druckbereich 
betrieben werden k"onnen. Er reicht von Vakuumb"ogen (z.B. bis 10$^{-5}$ Torr 
\cite{Schellekens55}) bis zu Hochdruckb"ogen, die weit "uber Atmosph"arendruck 
(1 -- 42 bar \cite{Allum377}) brennen. Daher eignet sich der Lichtbogen 
prinzipiell sehr gut dazu, den Druckbereich, in dem Diamantwachstum m"oglich 
ist, auszutesten. Dem Bogen, wie er hier betrieben wird sind jedoch Grenzen 
gesetzt. Aus Sicherheitsgr"unden sollte er nicht "uber Atmosph"arendruck hinaus 
betrieben werden, da die UHV--Kammer mit ihren Komponenten nicht f"ur 
"Uberdruck ausgelegt ist. So liegt der maximale Druck, der in der Anlage 
eingestellt wird bei 830 mbar. Im niederen Druckbereich ben"otigt man hohe 
Str"ome um den Bogen stabil brennen zu k"onnen. Die Folge davon ist, da"s die 
Graphitelektroden sehr schnell abbrennen und ihre Lebensdauer nicht f"ur die 
Zeit einer Beschichtung ausreicht. Au"serdem entstehen so verst"arkt 
Graphitmakropartikel im Rezipienten, die die Schicht verunreinigen k"onnen. 
Daher betr"agt der kleinste Druck, der hier eingestellt wird, 20 mbar. F"ur 
Beschichtungen bei noch kleineren Dr"ucken sollte man zu einem anderen 
Elektrodenmaterial (z.B. Wolfram) greifen.
\begin{sloppypar}
In dieser Versuchsreihe wurde der Druck von 20 bis 830 mbar variiert.
Der Wasserstoff/Argon--Gasflu"s wurde w"ahrenddessen konstant gehalten und 
der Methangehalt lag bei 3 vol.$\%$ bezogen auf Wasserstoff. Die Ramanspektren 
dieser Versuchsreihe sind in Abb. \ref{Ramdruck} zu sehen. Erh"oht man den 
Druck von der Standardeinstellung 200 mbar auf 300 mbar, erh"alt man bereits 
keinen Diamant mehr, weder bei einer Beschichtungszeit von 75 min noch bei 
einer von 3 h. Die beiden breiten Linien, die deutlich bei noch h"oheren 
Dr"ucken wie 400, 600 und 830 mbar zu sehen sind, liegen bei ca. 1590 cm$^{-1}$ 
und bei ca. 1355 cm$^{-1}$. Sie sind charakteristisch f"ur Glaskohlenstoff, 
w"ahrend das Spektrum bei einem Druck von 300 mbar eher charakteristisch f"ur 
amorphen Kohlenstoff ist \cite{Bachmann677,IwakiRR96}. Speziell f"ur den Druck 
von 400 mbar wurden weitere Untersuchungen durchgef"uhrt. Verschiedene 
Schichten wurden abgeschieden bei unterschiedlichen Beschichtungszeiten von 75, 
90, 120, 180 und 270 min und bei 0,5, 1, 2 und 3 vol.$\%$ CH$_4$/H$_2$. Dabei 
wurde jeweils der Abstand Bogen--Substrat auf 9, 11, 12 und 13 mm 
eingestellt. Entgegen fr"uheren Arbeiten \cite{BoehmDRM94}, wurden darunter keine geeigneten Bedingungen gefunden, bei denen, nach Analyse mit REM oder Ramanspektroskopie, Diamantwachstum aufgetreten ist.\\
Diamant konnte sich bilden bei Dr"ucken von 50 -- 200 mbar, bei 3 vol.$\%$ 
CH$_4$/H$_2$ und einer Beschichtungszeit von 3 h. Bei den Dr"ucken 50 -- 100 
mbar wurden w"ahrend dieser Me"sreihe keine Anstrengungen unternommen, die 
Qualit"at der Diamantschicht zu verbessern. 
\begin{figure}[h]
  \includegraphics[width=15cm]{Ramdruck.eps}
   \caption{\label{Ramdruck} Ramanspektren bei verschiedenen Dr"ucken }
\end{figure}
Bei 25 und \mbox{20 mbar} erh"alt man bei den eingestellten Parametern wieder 
Glaskohlenstoff, bzw. amorphen Kohlenstoff. Allerdings mu"s dabei erw"ahnt 
werden, da"s der Bogen bei diesen niedrigen Dr"ucken sehr unruhig brennt. Der 
Bogenstrom bei 25 mbar betrug 30 A und bei 20 mbar 40 A. Um eine stabile 
Bogenentladung zu bekommen ben"otigt man noch h"ohere Str"ome, was, wie schon 
erw"ahnt, zu einem starken Abbrand der Elektroden f"uhrt. 
\end{sloppypar}

\chapter{Die Ergebnisse des DC--Lichtbogenverfahrens im Vergleich}
   \label{vergleich}

Die Diamantschichten, die mit dem DC--Lichtbogenverfahren abgeschieden wurden, entsprechen den Ergebnissen, die man aus der Literatur f"ur andere Verfahren erwarten w"urde. Abh"angig von den eingestellten Parametern konnten in den untersuchten Bereichen die gleichen Effekte erzielt werden.\\
Die Aufwachsrate mit bis zu 2,5 $\mu$m/h ist durchaus akzeptabel, besonders 
wenn man die Reinheit der Schichten auf Silicium, gemessen mit Raman-- und 
XRD--Analyseverfahren, dazu in Betracht zieht. Beim Hot--Filament--Verfahren zum Beispiel liegen Beschichtungsraten von 1,5 -- 2,3 $\mu$m/h im oberen Bereich. Ramanspektren lassen jedoch bei diesen Beschichtungsraten verschieden starke graphitische Verunreinigungen erkennen \cite{MehtaDRM98,Haubner336,KobayashiDRM99,Cassidy95}.\\
Die Substratgr"o"se ist beim gegebenem Versuchsaufbau auf maximal $15 \times 
10$ mm$^2$ beschr"ankt. Die 15 mm L"ange des Substrats richtet sich nach der L"ange des Bogens und die Breite von 10 mm ist der Bereich, in dem man mit einem Abstand Substrat--Bogen von ca. 10 mm, bedingt durch die radiale Symmetrie des Bogens noch eine relativ homogen gewachsene Diamantschicht erh"alt. Damit liegt die Beschichtungsfl"ache im Rahmen der meisten Beschichtungsverfahren: Hot--Filament, Flammen--CVD, DC--Plasma--Jet und mit Hochfrequenz erzeugte Plasma--CVD k"onnen ohne technische Hilfsmittel maximal eine Fl"ache von ca. 1 -- 2 cm$^2$ beschichten. Allerdings w"are es denkbar, durch technische Ver"anderungen, wie sie bei einigen Verfahren bereits verwendet werden, die zu beschichtende Fl"ache zu vergr"o"sern. Zum Beispiel erm"oglicht es ein rotierender Substrathalter die Oberfl"ache des Substrates um ein Vielfaches auszudehnen. Das gleiche kann man erreichen, indem man mehrere Quellen nebeneinander postiert, wie es bereits bei den Heizdr"ahten oder bei der Flammen--CVD gemacht wird. Mehrere Substrate gleichzeitig k"onnte man durch 
Vergr"o"serung der Bogenl"ange beschichten, wie es bereits f"ur die 
kommerzielle Diamantbeschichtung gemacht wird \cite{ReineckDRM96}. Jedoch sind 
gro"sfl"achige Beschichtungen wie z.B. bei der MWCVD \cite{FuenerAPL98} in 
dieser Anlage, wie sie hier vorliegt nicht m"oglich. \\ 

Die Diamantbeschichtung von Wolfram mittels der DC--Lichtbogenanlage ist 
schon bei fr"uheren Arbeiten gezeigt worden. in der vorliegenden Arbeit ist 
neben der Beschichtung von Wolfram auch die Beschichtung von WC-Co 
gelungen. Allerdings ist bei beiden Materialien noch immer die Haftung der 
Schicht ein Problem. Dies liegt allerdings eher an der ungen"ugenden 
Vorbehandlung des Substrates, als da"s es sich um ein verfahrenspezifisches 
Problem handelt. "Ublicherweise liegen die Schichtdicken in der Literatur auf 
Grund der schlechten Haftung bei der Werkzeugbeschichtung unter 10 $\mu$m. 
Es wurde "uber verschiedene Methoden berichtet, die die Haftung auf 
WC-Co verbessern sollen, wie zum Beispiel "uber das chemische "Atzen 
der Oberfl"ache \cite{BuckDRM98,DeuerlerDRM96}, weiterhin "uber 
Zwischenschichten \cite{NesladekDRM93} und "uber mechanisches Polieren des 
Substrates mit Diamantpulver \cite{KalssIJRMHM96,AlamTSF97} oder anderen harten 
Materialien wie Bor-- oder Siliciumpulver \cite{KubelkaDRM94}. K"urzlich ist 
es gelungen, 30 $\mu$m dicke Schichten auf WC-Co abzuscheiden, mit sehr 
geringen Verspannungen. In einem anschlie"senden Sandstrahltest war die 
Lebensdauer der beschichteten Probe f"unf mal l"anger als die einer 
unbeschichteten \cite{AmirhaghiDRM99}. Die Schichten, die in dieser Arbeit 
auf WC-Co abgeschieden wurden, waren nicht dicker als 5 $\mu$m. Erst bei 
einer geeigneten Vorbehandlung, oder dem Aufbringen einer Zwischenschicht bleibt die Schicht auf dem Substrat haften. Untersuchungen der Lebensdauer unter Belastung wurden jedoch bisher nicht durchgef"uhrt. \\
\begin{sloppypar}
Die Materialien, die zur Beschichtung genutzt werden k"onnen beschr"anken 
sich, nach den angebrachten Verbesserungen am DC--Lichtbogenexperiment, nicht 
mehr nur auf hochschmelzende Metalle, sondern man kann nun auch problemlos 
Silicium beschichten. So ist es auch erstmals in dieser DC--Lichtbogenanlage 
gelungen, texturierte Schichten abzuscheiden. Wie in der Literatur bereits mit 
anderen Verfahren gezeigt wurde, kann die "Anderung der Methankonzentration und 
der Substrattemperatur bewirken, da"s zum einen die einzelnen 
Diamantkristallite gleich orientiert aufwachsen, und zum anderen, da"s eine 
Wachstumsrichtung dabei bevorzugt wird. Diese Untersuchungen wurden 
haupts"achlich mit Siliciumsubstraten durchgef"uhrt (obwohl k"urzlich auch von 
texturierten Schichten auf Molybd"an--Substraten mittels DC--Plasma--Jet 
Verfahren berichtet wurde \cite{ParkTSF99}). Nachdem es gelungen ist, Silicium 
mit dem Lichtbogenverfahren zu beschichten, konnten diese Ergebnisse als Teil 
dieser Arbeit mit dem gleichen Resultat best"atigt werden. Es wurde gezeigt, 
da"s bei geringen Mengen von Methan $\le$ 1 vol.$\%$ die einzelnen Kristallite 
keine gleiche Orientierung zueinander haben. Erst ab 2 vol.$\%$ ist deutlich 
eine bevorzugte Ausrichtung der Kristallite zu bemerken. Es befinden sich 
"uberwiegend Oktaeder mit $\{111\}$--Seitenfl"achen auf der Schicht. Ab 3,5 
vol.$\%$ CH$_4$ bildet sich bei ausreichend hoher Temperatur eine Schicht aus 
$\{100\}$--Facetten. Beim Vergleich mit Hot--Filament und MWCVD f"allt auf, 
da"s die Methankonzentrationen, die f"ur die Lichtbogenabscheidung ben"otigt 
werden um zu den gleichen Ergebnissen zu kommen, deutlich h"oher sind. Beim 
MWCVD--Verfahren setzt eine $\{111\}$ bzw. $\{110\}$--Texturierung bereits 
bei 0,3 bzw. 0,5 vol.$\%$ CH$_4$/H$_2$ ein und bei 1,0 bzw. 1,5 vol.$\%$ 
CH$_4$/H$_2$ l"a"st sich schon deutlich eine $\{100\}$--Texturierung erkennen 
\cite{KobashiPRB88,WildDRM93}. Die Substrattemperatur lag dort bei 800 $^\circ$C, bzw 900  $^\circ$C. Selbst bei einer Temperatur von ca. 950 $^\circ$C und einem Methangehalt von 2 vol.$\%$ war mit dem Lichtbogenverfahren noch keine $\{100\}$--Textur zu beobachten.
\end{sloppypar}
Bei den Versuchen mit verschiedenen Methankonzentrationen stellte sich heraus, 
da"s die Wachstumsrate ab ca. 3,5 vol.$\%$ am gr"o"sten war. Da au"serdem die 
Schicht $\{100\}$--texturiert aufw"achst, wurde dieser Wert f"ur die 
Untersuchung mit Stickstoff "ubernommen. So kann der Einflu"s von 
Stickstoff auf die Morphologie der Diamantschicht besser beobachtet werden. Es zeigte sich, da"s bei knapp 3 vol.$\%$ N$_2$ die $\{100\}$--Facetten fast doppelt so gro"s waren wie bei einer vergleichbaren Schicht ohne N$_2$. Dies ist der gleiche Effekt, wie er auch mit einem MWCVD--Verfahren beobachtet wurde, nur ist er dort noch drastischer aufgetreten. Man fand auch, da"s die Diamantschicht bei hohen Stickstoffkonzentrationen ($\ge$ 500 ppm) nanokristallin wurde \cite{LocherAPL94}. Dies ist auch mit dem Lichtbogenverfahren zu beobachten. Ab 34 vol.$\%$ l"a"st sich mit REM--Analyse keine kristalline Struktur mehr feststellen. Diese Effekte wurden auch mit dem Hot--Filament--Verfahren gezeigt \cite{BohrAPL96}.\\

Die Versuche zum heteroepitaktischen Wachstum ohne am Substrat angelegte 
Biasspannung waren zun"achst erfolgversprechend, im Nachhinein jedoch nicht 
reproduzierbar. M"oglicherweise waren die idealen Wachstumsparameter aus 
apparativen Gr"unden nicht genau wieder herstellbar. Soweit bekannt gibt es in 
der Literatur keine Berichte "uber heteroepitaktischen Wachstum ohne 
Biasspannung; ein Vergleich ist daher nicht m"oglich. Das Problem liegt dabei 
m"oglicherweise schon in der Bekeimungsrate der spiegelglatten 
Siliciumoberfl"ache. Um eine gen"ugend hohe Bekeimungsrate zu erreichen mu"s 
Silicium entweder poliert werden oder, wie im Falle des epitaktischen Wachstums m"ussen mit einer angelegten Biasspannung verst"arkt Ionen auf die Oberfl"ache gezogen werden \cite{YugoAPL91}. W"ahrend es mit dem Hot--Filament mehrere Stunden dauert, bis sich ohne Bias auf der glatten Oberfl"ache einzelne Diamantkeime bilden \cite{Lux579} sind mit dem DC--Lichtbogenverfahren bereits nach 30 min die ersten Keime zu beobachten. Nach einer Beschichtungszeit von 2,5 -- 3 h ist das gesamte Substrat mit einer 
zusammenh"angenden Diamantschicht "uberwachsen. "Uber die Bekeimung einer 
glatten Siliciumoberfl"ache ohne Bias mittels MWCVD ist nichts bekannt. 
Versuche zum heteroepitaktischen Wachstum mit angelegter Biasspannung sind noch nicht mit dem Lichtbogenverfahren durchgef"uhrt worden. Dieser Proze"s wurde bisher mit Mikrowellen--unterst"utzter CVD \cite{JiangAPA93,KimAPL96,ChenAPL96,PlitzkoDRM97} und mit dem Hot--Filament--Verfahren \cite{StubhanAPL95} gezeigt. Es ist noch zu erw"ahnen, da"s man bei der Suche nach alternativen Substratmaterialien f"ur die Heteroepitaxie k"urzlich auf SrTiO$_3$ mit einer Ir--Zwischenschicht gesto"sen ist und man hofft nach vielversprechenden Ergebnissen, gro"sfl"achige, freistehende Diamantfenster herstellen zu k"onnen \cite{SchreckAPL99}.

Der Druckbereich, bei dem Diamant mit der vorliegenden Lichtbogenanlage 
hergestellt werden kann reicht von 50 -- 200 mbar. Verglichen mit dem 
Hot--Filament--Verfahren ist dieser Bereich nicht sehr gro"s. Dort konnte Diamant bei Dr"ucken zwischen etwa 6 mbar und 1060 mbar abgeschieden werden 
\cite{BrunsteinerDRM93,KobayashiDRM99}. Gerade f"ur die industriellen Anwendung bei der Werkzeugbeschichtung w"are eine Beschichtung bei Atmosph"arendruck ein kostensenkender Faktor, da man auf die teuren Vakuumanlagen verzichten k"onnte. Weitere Untersuchungen mit einem anderen Elektrodenmaterial k"onnten m"oglicherweise den Druckbereich vergr"o"sern. Experimente in diese Richtung werden bereits durchgef"uhrt.

Ein gro"ses Problem, das die Untersuchungsm"oglichkeiten zur Zeit dieser Arbeit 
stark einschr"ankte, war die nur unzureichend me"s-- und einstellbare 
Substrattemperatur. Untersuchungen mit einer DC--Plasma\-glimm\-ent\-ladung 
haben gezeigt, da"s die Wachstumsrate neben dem Methangehalt auch sehr stark 
von der Substrattemperatur abh"angt. Durch eine geeignete Kombination von 
Methankonzentration und Substrattemperatur konnte die Wachstumsrate von 5 $\mu$m/h, bei 
855 $^\circ$C und 0,9 $\%$ CH$_4$ auf 65 $\mu$m/h bei 1105 $^\circ$C und 3,8 
vol.$\%$ CH$_4$ verbessert werden \cite{BacciMSE98}. Es ist durchaus m"oglich, 
da"s man auch bei dem Lichtbogenverfahren durch systematische "Anderung der 
Temperatur und der Methankonzentration die Aufwachsrate verbessern kann.\\

Das DC--Lichtbogenverfahren ist im Prinzip ein einfaches Verfahren, das zum 
Betreiben, "ahnlich dem Hot--Filament--Verfahren nur ein Netzteil und --- 
statt des Heizdrahtes --- Elektroden ben"otigt. Nachteilig ist der relativ hohe 
Gasverbrauch mit einem Gasflu"s von 1200 sccm verglichen mit MWCVD und 
Hot--Filament--Verfahren, die nur etwa 100 -- \mbox{200 sccm} verbrauchen. Der 
Gasverbrauch liegt jedoch weit unter dem der DC--Plasma--Jet-- und 
Flammen--CVD--Verfahren. Weiterhin nachteilig ist die radialsymmetrische Form des Lichtbogens, der ein inhomogenes Wachstum bei gr"o"seren Substraten zur Folge hat. Allerdings tritt das gleiche Problem beim Hot--Filament--Verfahren durch den Heizdraht auf und beim Flammen--CVD--Verfahren kommt es ebenfalls zu Inhomogenit"aten, da es in der Mitte der Flamme sehr viel hei"ser ist als am Rand. Dies ist auch der Fall bei DC--Plasma--Jet, wo es durch die Temperaturverteilung im Plasmastrahl zu inhomogenen Diamantschichten kommt. Die Inhomogenit"at der Schichten versucht man beispielsweise durch rotierende Substrate oder durch Position mehrerer Quellen nebeneinander auszugleichen. Es w"are auch bei dem hier verwendeten Verfahren denkbar, durch diese technischen Hilfsmittel die Inhomogenit"at beim Schichtwachstum zu verhindern.\\ 
Die DC--Lichtbogenanlage ist vielseitig einsetzbar und die Ergebnisse aus der 
Literatur f"ur andere Verfahren k"onnen gut nachvollzogen werden. Durch die Verwendung von Kohleelektroden kommt es nicht zur Kontamination der Schicht durch das Elektrodenmaterial und es gelingt Schichten herzustellen, die nach Raman-- und XRD--Analyse sehr sauber sind. Da man nun nach entsprechenden Untersuchungen die Substrattemperatur mit Hilfe eines IR--Pyrometer genau einstellen und kontrollieren kann, k"onnen die Wachstumsparameter noch weiter optimiert werden. 

\section{Aussichten}

Wie sich bei den vorangegangenen Untersuchungen gezeigt hat, ist das 
DC--Lichtbogenverfahren vielseitig einsetzbar und es ist durchaus lohnenswert, 
weitere Messungen in den einzelnen Bereichen durchzuf"uhren.
Nachdem es gelungen ist, die Substrattemperatur mit Hilfe eines 
IR--Pyrometers genau zu messen und "uber den angeschlossenen Regelkreis bis auf 
wenige Grad konstant zu halten, k"onnen nun systematisch temperaturabh"angige 
Messungen durchgef"uhrt werden.\\
Wie aus der Literatur bekannt ist \cite{WildDRM93,MehtaDRM98} und wie es sich schon ansatzweise in den Messungen gezeigt hat, ist die Textur der Schicht nicht nur vom Methangehalt sondern auch stark von der Substrattemperatur abh"angig.
So k"onnte man bei konstantem Methangehalt die Temperatur variieren um 
beispielsweise die Aufwachsrate zu verbessern (s. \cite{BacciMSE98}).
Auch k"onnte man f"ur die Heteroepitaxieversuche die Temperatur systematisch 
variieren, und die geeigneten Proze"sparameter reproduzieren, 
bei denen ein epitaktisches Wachstum ohne Biasspannung m"oglich ist.

Ein weiterer interessanter Aspekt ist, den Druckbereich der 
DC--Licht\-bogen\-anlage zu erweitern. Durch Austausch des Elektrodenmaterials, z.B. durch den Einsatz von  Wolfram oder Kupfer, kann der Bogenstrom und also auch die Energie des Bogens, bei ausreichender K"uhlung der Elektroden, um ein Vielfaches angehoben werden. So k"onnten die Grenzen innerhalb derer Diamantwachstum in der DC--Lichtbogenanlage m"oglich ist ausgeweitet werden. Verunreinigungen der Diamantschichten durch das Elektrodenmaterial sind dabei allerdings nicht auszuschlie"sen. Untersuchungen in dieser Richtung sind bereits im Gange. 

Weiterhin ist es durch die Beschichtung in einer UHV--Kammer m"oglich, den 
Reststickstoffgehalt im Rezipienten auf ein Minimum zu reduzieren, um dann 
unter Verwendung von hochreinen Gasen und von hochempfindlichen 
Massendurchflu"smessern den Stickstoffanteil gezielt zu variieren. Dadurch w"are es m"oglich mehr Aufschlu"s "uber den Einflu"s des Stickstoffs auf das Diamantwachstum, auf die Abscheiderate, die Morphologie und die optischen sowie elektrischen Eigenschaften der Schicht zu bekommen. 
\begin{sloppypar}
Schlie"slich kann durch die Verwendung der Graphitelektroden zur Erzeugung 
des Lichtbogens bei der Beschichtung komplett auf Methan verzichtet werden. 
Dies ist eine geeignete Voraussetzung daf"ur, um Untersuchungen "uber die Rolle von Wasserstoff bei der Herstellung von Diamantschichten durchf"uhren zu k"onnen. 
Statt Wasserstoff als "Atzgas zu verwenden, k"onnte man Deuterium w"ahrend der 
Beschichtung in den Rezipienten einlassen, das dann mit entsprechenden 
Analysemethoden im Diamantgitter und auf der Oberfl"ache des Diamantfilms 
lokalisiert werden kann. Daraus k"onnte man R"uckschl"usse ziehen, inwieweit 
die Diamantschicht durch den Wasserstoff aus dem "Atzgas kontaminiert wird.
Diese Untersuchungen sind in Planung.
\end{sloppypar}

\chapter{Zusammenfassung}

Zun"achst wurde die vorhandene DC--Lichtbogenanlage komplett in einem neuen 
Rezipienten aufgebaut, um einen besseren Zugang zur Analyse und Beobachtung des 
Beschichtungsvorgangs zu bekommen. Auch die Beschichtungskomponenten wurden 
optimiert und umgebaut, um die M"oglichkeiten der Beschichtung von 
hochschmelzenden Metallen wie Wolfram und Molybd"an hin zu Materialien mit 
geringerem Schmelzpunkt zu erweitern. Erst nach Konstruktion eines neuen 
Substrathalters und nach Stabilisierung des Lichtbogens konnte das 
Standardmaterial Silicium mit Diamant beschichtet und mit den Ergebnissen der 
Hauptbeschichtungsverfahren, wie dem mikrowellenunterst"utzten CVD und dem 
Hot--Filament--CVD verglichen werden.\\ 
Ein gro"ses Problem, das die systematische Untersuchung der 
Abh"angigkeit der Wachstumseigenschaften von der Temperatur im Rahmen dieser 
Arbeit erschwert hat, war die nur unzureichend me"sbare Substrattemperatur. 
Temperaturmessungen mit dem sonst "ublichen Thermoelement lieferten ungenaue 
bis fehlerhafte Temperaturen. Messungen mit einem Infrarot--Pyrometer wurden 
dadurch erschwert, da"s der Lichtbogen die Strahlung des Substrates durch 
Absorption bzw. Emission erheblich st"oren kann. Der genaue Spektralbereich des 
Bogens ist nicht bekannt, doch konnte durch entsprechende Untersuchungen zur 
Temperaturmessung mit Hilfe eines IR--Pyrometers ein geeigneter Spektralbereich 
gefunden werden, in dem die Messungen des Pyrometers nicht durch die Strahlung 
des Bogens gest"ort werden.\\
Dar"uber hinaus wurden die Me"swerte des Pyrometers zur weiteren 
Temperaturstabilisierung des Substrats ausgenutzt. Da sich der Bogen auf den 
Elektrodenfl"achen auf und ab bewegt, kommt es zu "Anderungen im Abstand 
Substrat--Bogen, was zu Temperaturschwankungen auf dem Substrat f"uhrt. In 
dem man die Me"swerte des Pyrometers in einen elektronischen Regelkreis gab, 
der mit einem Motor zu H"ohenverstellung des Substrats gekoppelt war, konnte man die Auf-- und Abbewegungen des Bogens kompensieren und die Substrattemperatur 
blieb nahezu konstant. Die genaue Messung und die Kontrolle der 
Substrattemperatur ist ein enormer experimenteller Fortschritt, der es erlaubt 
nun auch systematische Variationen der Temperatur vorzunehmen und so ihren 
Einflu"s auf die Wachstumsparameter und Morphologie der Schicht zu erforschen 
und mit den Ergebnissen anderer Verfahren aus der Literatur zu vergleichen.\\
Trotz der erschwerten Temperaturmessung bei den vorangegangenen Beschichtungen 
konnten die DC--Lichtbogenanlage gut in die vorhandene Literatur anderer Verfahren eingeordnet werden. Nachdem es gelungen war, Silicium reproduzierbar mit Diamant zu beschichten, wurde beispielsweise der 
Abh"angigkeitsverlauf der Morphologie von der Methankonzentration nachgewiesen. Dabei wurde beobachtet, da"s bei einem Methangehalt von unter 1 vol.$\%$ bezogen auf Wasserstoff keine Texturierung der Schicht vorliegt. Die Diamantkristallite sind v"ollig unorientiert zueinander. Erst bei einem Methangehalt von 2 vol.$\%$ zeichnet sich eine bevorzugte Wachstumsrichtung der Kristallite ab. Es sind "uberwiegend Oktaeder mit $\{111\}$--Seitenfl"achen zu finden. Die Texturierung der Schicht "andert sich drastisch, wenn man die Methankonzentration auf 3,5 vol.$\%$ erh"oht. Man erh"alt eine Diamantschicht, die "uberwiegend aus $\{100\}$--Facetten besteht.\\
Auch konnte bei Untersuchungen mit Stickstoff gezeigt werden, da"s wie beim Hot--Filament--Verfahren, bzw. DC--Plasma--Jet auch beim Lichtbogenverfahren Stickstoff in geringen Konzentrationen die $\{100\}$--Textur der Schicht verst"arkt und bei hohen Konzentrationen die Orientierung und die Struktur der Schicht v"ollig zerst"ort.\\
Erste Versuche zum heteroepitaktischen Wachstum der Diamantschicht auf Silicium geben Grund zu der Annahme, da"s man bei ausreichender Kontrolle der Substrattemperatur, wie sie nach Abschlu"s dieser Arbeit m"oglich geworden ist, epitaktisch gewachsene Diamantschichten ohne zus"atzliche Biasspannung am Substrat in der DC--Lichtbogenanlage herstellen kann.\\

}  %Das ist die Klammer vom large am Anfang des Textes!


\bibliographystyle{diss0}
\bibliography{Diamant}


\chapter*{Danksagung}
\thispagestyle{empty}
\begin{sloppypar}
Herrn Professor Dr. V. Buck m"ochte ich f"ur die M"oglichkeit zur Durchf"uhrung dieser Arbeit in seiner Arbeitsgruppe danken.\\

Allen Kollegen und Mitarbeiten des Fachbereichs Physik der Universit"at--GH Essen und des Forschungszentrums Karlsruhe sowie des RWT"UV Essen, die zum Gelingen meiner Arbeit beigetragen haben, danke ich hiermit f"ur Ihre Hilfsbereitschaft und Unterst"utzung.\\

Der DFG, die im Rahmen des D--A--CH Schwerpunktes ''Synthese superharter Materialien'' diese Arbeit erm"oglicht hat m"ochte ich danken, sowie allen Projektteilnehmern, f"ur die zahlreichen Anregungen und Diskussionen. 
\end{sloppypar}



\end{document}
