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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft die Herstellung von hartlötbaren Diamanterzeugnissen
oder -bauteilen für
die Mikroelektronikindustrie, die als Wärmeverteiler, Wärmeleiter
und elektrische Isolierer in Elektronikbaugruppen benutzt werden.
Insbesondere betrifft das Produkt dieser Erfindung eine mehrschichtige
Metallisierungsstruktur, die es ermöglicht, Diamant durch konventionelle
Hartlötverfahren
in Elektronikbaugruppen zu befestigen. Weiterhin finden die Produkte
dieser Erfindung Anwendung bei Wärmebehandlung
von Hochleistungshalbleitervorrichtungen mit Hilfe von Diamant.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Die
Integration von Hochleistungs-Elektronikvorrichtungen in Elektroniksysteme
erfordert typischerweise die Konstruktion einer Elektronikbaugruppe.
Eine Elektronikbaugruppe umfasst typischerweise einen Metallflansch,
auf dem sich eine elektronische Vorrichtung (Chip) befindet. Bei
manchen Elektronikbaugruppen ist es von Bedeutung, dafür zu sorgen,
dass der Chip nicht mit dem Metallflansch kurzschließt, wozu
eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material zwischen der Vorrichtung
und dem Flansch angeordnet wird. Die Vorrichtung kann in einem Fenster-
oder Leiterrahmen eingefasst werden. Der Rahmen ermöglicht die
elektrische Verbindung vom Chip nach außen über Drähte oder andere Techniken.
Zum Schutz des Chips kann der Flansch mit einer Kappe versehen werden,
wodurch die Baugruppe geschützt
wird. Die Elektronikbaugruppe wird dann an einen Kühlkörper angebracht,
der ein Metallkörper
sein kann, der in Kontakt mit einem Kühlmedium wie z.B. Luft, einer
Fluorkohlenwasserstoffflüssigkeit
etc. steht.
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Für Hochleistungsvorrichtungen
wie die, die z.B. für
Hochgeschwindigkeitsrechnungen, Mikrowellen und Hochfrequenz-Telekommunikation
etc. eingesetzt werden, werden typischerweise Keramikmaterialien, wie
z.B. Aluminiumoxyd, Berylliumoxyd oder Aluminiumnitrid, benutzt.
Diese Materialien werden aus Tafeln geschnitten oder geformt und
werden als Fertigteile in Elektronikbaugruppen mit konventionellen
Weich- oder Hartlötverfahren
eingesetzt. Da die elektronischen Leistungsvorrichtungen miniaturisiert
und ihre Leistung erhöht
ist, erhöht
sich die Betriebstemperatur beträchtlich.
Diese keramischen Materialien besitzen eine relativ niedrige Wärmeleit fähigkeit
im Vergleich zu Diamant (Aluminiumoxyd = 20 W/mK (Watt/meter/°K), Berylliumoxyd
= 260 W/mK, Aluminiumnitrid = 170 W/mK). Daher bieten sie einen
relativ hohen thermischen Widerstand zwischen dem Chip und dem Flansch,
der schließlich
die Leistung und die Zuverlässigkeit
des Chips begrenzt.
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Auf
Grund ihrer Eigenschaften ist eine CVD-Diamant-Beschichtung der
beste elektrische Isolator für Hochleistungsvorrichtungsanwendungen.
Die CVD-Diamant-Beschichtung
besitzt einen extrem hohen elektrischen Widerstand, eine hohe Durchschlagsspannung
und eine hohe Wärmeleitfähigkeit
von 1000 bis 2000 W/mK, bis zu vier Mal so hoch wie die für Kupfer.
Auf Grund der hohen Wärmeleitfähigkeit
fungiert eine Diamantschicht einer entsprechenden Stärke (typischerweise
mindestens 200 Mikron) auch als Wärmeverteiler, wobei Wärme effektiv
von dem bestimmten Bereich am Chip zu einem größeren Bereich am Flansch und schließlich zum
Kühlkörper geleitet
wird. Die Benutzung von Diamant als elektrischen Isolator in Hochleistungs-Elektronikvorrichtungen
ist jedoch auf Grund der Kosten für die Herstellung von Diamantbauteilen
und der Unmöglichkeit
einer zuverlässigen
Anbringung von Diamant in Vorrichtungsbauteilen mit den herkömmlichen
Methoden begrenzt.
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Weil
die Herstellungskosten für
Diamant auf Grund verbesserter CVD-Synthesetechniken geringer geworden
sind, ist vor kurzem der Bedarf an Diamantbauteilen gestiegen. Der
Bedarf an CVD-Diamant in Hochleistungsdichteanwendungen steigt so
schnell wie die Baugruppengrößen sich
reduzieren und die Baugruppenleistungen steigen. Es ist daher wahrscheinlich,
dass bei Entwicklung einer robusten Methode zur Anbringung von Diamant
in Elektronikbauteilen, Diamant-Wärmeverteiler
und -bauteile für
fast jede Anwendung, bei der eine verbesserte thermische Wärmebehandlung
für eine
längere
Standzeit von Mikroelektronikbaugruppen wichtig ist, benutzt werden.
Dies gilt insbesondere für
Rechnerchips, damit verbundene Stromversorgungsteile und Hochfrequenz-Telekommunikation.
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Die
beiden gebräuchlichsten
Verbindungstechniken, die für
Mikroelektronikbaugruppen benutzt werden, sind Weich- und Hartlöten. Jede
dieser Methoden erfordert die Metallisierung der Bauteile sowie
ein nachfolgendes für
die Anbringung erforderliches Erwärmen. Weichlöten ist
typischerweise eine Anbringung mit einer Temperatur von weniger
als 500 °C,
bei der das Metall geschmolzen wird und die Komponenten verbunden werden,
wohingegen beim Hartlöten
eine Temperatur von mehr als 500 °C
benötigt
wird, um das Metall zu schmelzen und die Komponenten zu verbinden.
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Weichlötbare Metallisierung
von Diamant, wie z.B. eine Mehrschichtstruktur aus Titan, Platin,
Gold, gefolgt von eutektischem Gold/Zinn-Lot, sind wohlbekannt.
Ein Vorteil der weichlötbaren
Metallisierungen für Diamant
ist die geringe Anbringungstemperatur, die die thermischen Belastungen,
die aus dem Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen Diamant und den meisten Materialien, insbesondere Metalle, stammen,
minimiert. Auf Grund der Tendenz zur Bildung von Hohlräumen beim
Weichlöten,
kann allerdings der Wärmekontakt
für große Bereiche
ohne spezielle Anbringungstechniken begrenzt sein.
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Hartlöten ist
die bevorzugte Anbringungsmethode für Hochleistungs-Elektronikbaugruppen,
da die beim Hartlöten
erreichten hohen Temperaturen, die typischerweise etwa 800 °C oder mehr
betragen, eine sehr gute Benetzung der Lots an der Schnittstelle
zwischen zwei Bauteilen sicherstellen. Es ist wichtig, dass sich an
den Bauteilschnittstellen, die mit Wärmeübertragung zu tun haben, keine
Hohlräume
befinden, da jeder Hohlraum den Gesamtwärmewiderstand der Baugruppe
erhöhen
würde.
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Die
durch das Hartlöten
miteinander verbundenen Schnittstellen befinden sich normalerweise
zwischen dem Isolator, d.h. dem Diamant und dem Leiterrahmen oder
den Flanschen. Die Elektroleitungen müssen in der Lage sein, einen
Ablösetest
zu bestehen und daher muss die Adhäsion zwischen dem Diamanten und
den Leitungen sehr gut sein. Typischerweise ist eine Schälkraft von
mindestens 2,0 pounds bei 90° für Leitungen
mit einer Breite von 0,15 Zoll erforderlich.
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Eine
der bekannten in der Industrie benutzten Methoden, eine Schnittstellenbenetzung
zu erreichen, ist die Benutzung von Wasserstoff in der Hartlötumgebung,
da dadurch die Bildung von Metalloxyd vermieden wird. Eine eutektische
Legierung wie z.B. Kupfer/Silber (72 % Silber, 28 % Kupfer) wird
normalerweise für
Verbindungen durch Hartlöten
benutzt, aber andere hartlötbare
Materialien wie z.B. reines Kupfer und Gold können ebenfalls benutzt werden.
Die Kupfer-Silber-Legierung schmilzt bei 780 °C und benetzt hervorragend Nickel-
und Kupferflächen
in einer Stickstoffumge bung mit einem Wasserstoffgehalt von 2 %
bis vielleicht 75 %. Hartlöttemperaturen
für Kupfer/Silber
liegen typischerweise bei bis zu 820 °C.
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Bis
heute ist es schwierig gewesen, zuverlässige hartlötbare Metallisierungsstrukturen
für Diamant
in Mikroelektronikbaugruppen herzustellen. Diese Schwierigkeiten
sind durch die beträchtlichen
Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten
zwischen Diamant und Metallen und auch durch die chemische Eigenschaft von
den Metallen der Metallisierungsstruktur begründet.
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Viele
Methoden zur Herstellung von Diamanterzeugnissen, die für elektronische
Anwendungen geeignet sind, sind derzeit bekannt. Sie haben jedoch
alle den Nachteil, dass sie nicht in der Lage sind, Hartlöttemperaturen
zu widerstehen, d.h. Temperaturen im Bereich von etwa 500 bis 1100 °C.
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Iacovangelo,
et al., US-Patentschrift 5,324,987 und 5,500,248, beschreiben die
Benutzung eines Diamanterzeugnisses für Elektronikanwendungen, die
aber nicht für
solche Hartlöttemperaturen
geeignet sind. Ein Beispiel des offenbarten Produkts ist ein Diamant
mit einem adhäsionsfördernden
Material zwischen dem Diamant und dem leitenden Metall, z.B. Kupfer.
Das adhäsionsfördernde
Material ist Titan oder eine Titan-Wolfram-Legierung. Man glaubt,
dass die Metallisierung bei solch einem Produkt delaminiert, wenn
die Temperatur in einer standardmäßigen wasserstoffstickstoffhaltigen
Hartlötumgebung
auf Grund der Bildung von Hydrid oder Nitrid auf Hartlöttemperaturen
erhöht
wird.
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Iacovangelo,
et al., US-Patentschrift 5,529,805 beschreiben die Herstellung von
hartlötbaren
Diamant-Werkzeugeinsätzen
mit Hilfe einer im Wesentlichen nicht oxydierbaren Nickelschutzschicht
auf einer Chrommetallschicht, die in einer stickstofffreien Umgebung
auf dem Diamantbauteil aufgebracht wurde.
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Iacovangelo,
et al., US-Patentschrift 5,567,985, beschreiben eine elektronische
Struktur, die ein CVD-Diamantsubstrat, eine Wolfram-Titan-Bindeschicht,
eine silberkonforme Schicht, eine Wolfram-Kupfer-Schicht und eine
weichaufgelötete äußere Goldschicht
umfasst. Solch eine Struktur ist in der Lage, einem Temperaturschock
im Bereich von –65
bis 150 °C
standzuhalten. Solch eine Struktur ist jedoch nicht in der Lage,
einem Hartlöten
in einer stickstoffhaltigen Umgebung bei Temperaturen im Bereich
von etwa 750 bis 1100 °C
ohne Delaminierung standzuhalten.
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Aus
dieser Diskussion wird ersichtlich, dass ein Diamanterzeugnis und
eine Methode zur Herstellung eines hartlötbaren Diamantbauteils, das
extrem robust in Bezug auf Adhäsion
mit den Elektroleitungen und Flanschen ist, benötigt werden. Ebenfalls benötigt wird
ein Diamantbauteil, das fest mit anderen Baugruppenteilen in einer
wasserstoffhaltigen und einer stickstoffhaltigen Hartlötumgebung
ohne Delaminierung verbunden werden kann. Wird eine wasserstoffhaltige
Hartlötumgebung
benutzt, wird der Diamant elektrisch nichtisolierend, vorausgesetzt,
dass die Hartlöttemperatur
ausreichend hoch ist.
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Zusätzlich dazu
erhöht
sich das Risiko der Delaminierung der metallisierten Schichten,
insbesondere, wenn das Material später hartgelötet wird und die Stärke der
metallisierten Schicht beträchtlich
zunimmt. Daher hat der Bedarf an ein zuverlässiges Produkt, das frei von
dem unnötigen
Risiko der Delaminierung ist, dazu geführt, dass die Stärke der
Metallisierungsschicht auf etwa 50 000 Å (etwa 5 μm) begrenzt wurde. Es wäre sehr
wünschenswert,
eine stärkere
Metallisierungsschicht (von etwa 5 μm bis etwa 200 μm und mehr)
für Hochleistungsschaltkreise
auf Diamantsubstrate herzustellen. Solch starke Metallisierungsschichten
können auch
zu einer höheren
mechanischen Stabilität
des Diamantsubstrats führen.
Diese Schichten können
auch dabei helfen, die gewachsene Diamantfläche zu ebnen, damit ein effizienterer
Wärmetransfer
zu und von den dazugehörigen
elektronischen Vorrichtungen oder den Kühlkörperflanschen ermöglicht wird.
Dies ermöglicht die
Anbringung von Materialien an den Diamanten, die einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten
haben wie z.B. GaAs-aktive elektronische Vorrichtungen oder Kühlkörperflanschen
aus Kupfer. Demzufolge besteht ein Bedarf an Diamanterzeugnissen
mit relativ starken Metallisierungsschichten, die einen hervorragenden
Widerstand gegenüber
Delaminierung haben. Bei einem bestimmten Material wird jedoch die
Stärke
der Metallisierungsschicht zusammen mit dem Wärmewiderstand der Metallisierungsschicht
steigen. Daher wird die optimale Stärke der Metallisierungsschicht
eines bestimmten Materials im Gleichgewicht zwischen den mechanischen
Eigenschaften (wofür
dicke Schichten benötigt
werden) und den thermischen Eigenschaften (wofür dünne Schichten benötigt werden)
liegen.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Das
Produkt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Diamantbauteil, eine
Chrommetall-Adhäsionsschicht,
eine Sperrschicht aus hochschmelzendem Metall, die die Chromschicht
bedeckt, und eine Metallbenetzungsschicht zur Verbindung, die die
hochschmelzende Metallschicht bedeckt. Das in dem Produkt dieser Erfindung
benutzte Diamantbauteil ist vorzugsweise ein CVD-Diamant. Typischerweise
lässt man
das Diamantbauteil als flache Tafel wachsen, bis die spezifizierte
Stärke
erreicht wird, die dann vom Substrat getrennt wird. Die Diamanttafeln
werden auf die benötigte
Stärke
und Oberflächenrauheit
poliert, wobei die gegenüberliegende
Oberfläche
parallel innerhalb des entsprechenden spezifizierten Werts gehalten
wird. Eine typische Stärke
liegt im Bereich von etwa 100 bis 1000 μm, vorzugsweise etwa 300 bis
500 μm.
Die typische durchschnittliche Oberflächenrauheit der Diamantfläche beträgt 1000 Å oder weniger.
Laserbearbeitung ist, sofern notwendig, vor der Metallisierung möglich, um
Verbindungslöcher
herzustellen oder die Diamantoberflächenabmessungen zu definieren.
Die Aufbringung der Metallschichten kann durch nachfolgende Vakuumauftragsmethoden
wie z.B. Magnetron-Kathodenzerstäubung,
Thermo- oder Elektronenstrahlverdampfung, Ionenplattieren oder CVD
erfolgen.
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Die
Methode der vorliegenden Erfindung zur Herstellung eines hartlötbaren Diamanterzeugnisses
umfasst die folgenden Schritte:
- a) Auftragen
einer Schicht aus Chrommetall auf zumindest einen Teil eines Diamantbauteils;
- (b) Auftragen auf zumindest einen Teil der Chrommetallschicht
einer Schicht eines hochschmelzenden Metalls, das aus der Gruppe
bestehend aus Wolfram, Molybdän,
Tantal, Niobium, einer Chromlegierung des besagten hochschmelzenden
Metalls und Verbindungen daraus ausgewählt wurde;
- (c) Auftragen auf zumindest einen Teil der Schicht aus hochschmelzendem
Metall einer Schicht eines ersten Metalls, das aus der Gruppe bestehend
aus Kupfer, Silber, Gold oder Verbindungen daraus ausgewählt wurde;
- (d) Auftragen auf zumindest einen Teil der ersten Metallschicht
einer zweiten Schicht aus Metall, das aus der Gruppe bestehend aus
Kupfer, Silber, Gold oder Verbindungen daraus ausgewählt wurde,
dadurch, dass das erste Metall mit dem zweiten Metall bei einer
Temperatur identisch mit dem Schmelzpunkt des zweiten Metalls oder
einer höheren
Temperatur in Kontakt gebracht wurde.
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Das
Chrommetall wird zuerst aufgebracht, um die Oberfläche des
Diamanten zu bedecken, der hartgelötet werden soll. Vorzugsweise
hat die Chromschicht eine Stärke
in Bereich von etwa 200 bis etwa 10 000 Å. Die optimale Stärke für eine vollständige Bedeckung
mit Chrom beträgt
mindestens etwa 1000 Å.
Vorzugsweise wird die hochschmelzende Metallsperrschicht in einer
Stärke
von etwa 200 bis etwa 10 000 Å aufgetragen.
Damit die Sperrschicht die optimale Leistung erbringt und die Chromadhäsionsschicht
vollständig
bedeckt wird, beträgt
die optimale Stärke
mindestens etwa 1000 Å.
Die hochschmelzende Metallsperrschicht besteht aus Wolfram, Molybdän, Tantal,
Niobium, einer Chromlegierung eines hochschmelzenden Metalls oder
einer Mischung daraus. Die Chromlegierung hat ein Atomgewicht von
etwa 1 bis 20 Chrom. Wolfram und Wolfram-Chromlegierungen sind die
bevorzugten hochschmelzenden Sperrschichten. Die äußere oder
oberste Metallschicht, die das Hartlot benetzt, wie z.B. Kupfer,
Silber, Gold, wird abhängig
vom entsprechenden Metall und der Hartlöttemperatur in einer Stärke von
etwa 200 bis 50 000 Å aufgebracht.
Vorzugsweise besteht die äußere Schicht
aus Kupfer oder Silber mit einer Stärke von etwa 20 000 Å. Ist die äußere Schicht
aus Gold, liegt die Stärke
vorzugsweise im Bereich von etwa 200 bis etwa 2000 Å.
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Die
oberste Schicht, die durch die Schicht des ersten Metalls und der
Schicht des zweiten Metalls gebildet wird, ist eine Verbindungsschicht,
trägt zur
elektrischen Leitfähigkeit
bei, die für
die Konstruktion der elektronischen Baugruppe notwendig ist, und
ist im Prinzip unlösbar
mit der Diffusionssperrschicht verbunden. Da Kupfer, Silber und
Gold relativ weich sind, was die Fließfestigkeit betrifft, ist die
oberste Schicht etwas nachgiebig, was zu der robusten Eigenschaft
der Metallisierung führt,
wenn Materialien mit stark unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten
verbunden werden. Die daraus entstehenden metallisierten Mehrfachschichten
der elektronischen Baugruppe können
auf einfache Weise durch konventionelle fotolithografische Methoden
zur elektrischen Isolierung der Vorrichtungen chemisch oder sprühgeätzt werden.
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In
einer anderen Ausführungsform
betrifft die Erfindung ein Diamantbauteil, das wie oben beschrieben mit
einer Schicht aus Chrommetall beschichtet ist. Die Chrommetallschicht
wurde wie zuvor beschrieben mit einer Schicht aus hochschmelzendem
Metall beschichtet, das aus der Gruppe bestehend aus Wolfram, Molybdän, Tantal,
Niobium, einer Chromlegierung der besagten hochschmelzenden Metalle
oder Verbindungen daraus ausgewählt
wurde. Die Schicht aus hochschmelzendem Metal ist mit einer Schicht
eines ersten Metalls beschichtet, das aus der Gruppe bestehend aus
Kupfer, Silber, Gold oder Verbindungen daraus ausgewählt wurde.
Die Schicht aus dem ersten Metall ist mit einer Schicht eines zweiten
Metalls beschichtet (die aus dem gleichen Metall wie die erste Schicht
bestehen kann), das aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Silber,
Gold oder Verbindungen daraus ausgewählt wurde. Die Gesamtstärke der
Metallisierungsschichten (erste und zweite Metalle) ist im Allgemeinen
stärker
als etwa 5 Mikron, genauer gesagt ist sie etwa 50 Mikron oder stärker und
kann bis zu 200 Mikron oder mehr stark sein. Diese Metallisierungsschichtdicken
werden mit einem exzellenten Widerstand gegenüber Delaminierung bei Hartlöttemperaturen
erreicht. Die maximal erlaubte Stärke der Kupfermetallisierung,
die ein übermäßiges Biegen
oder Reißen
des Diamanten verhindert, ist abhängig von den Abmessungen des
Diamanten (Stärke
und Fläche),
wobei kleinere, stärkere
Diamantscheiben stärkere
Metallisierungsschichten erlauben.
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Das
metallisierte Produkt dieser Ausführungsform der Erfindung wird
durch die Aufbringung einer Schicht aus Chrommetall auf zumindest
einen Teil einer Oberfläche
eines Diamantbauteils hergestellt; Aufbringung auf zumindest einen
Teil einer Oberfläche
einer Schicht aus Chrommetall einer Schicht aus hochschmelzendem
Metall aus einer Gruppe bestehend aus Wolfram, Molybdän, Tantal,
Niobium, einer Chromlegierung des besagten hochschmelzenden Metalls
und Verbindungen daraus; Aufbringung auf zumindest einen Teil einer
Oberfläche
einer Schicht aus hochschmelzendem Metall eines ersten Metalls aus
einer Gruppe bestehend aus Kupfer, Silber, Gold und Verbindungen
daraus; Aufbringung auf zumindest einen Teil einer Oberflä che einer
Schicht eines ersten Metalls einer Schicht eines zweiten Metalls
aus einer Gruppe bestehend aus Kupfer, Silber, Gold und Verbindungen
daraus, indem das erste Metall mit dem zweiten Metall bei einer
Temperatur identisch mit dem Schmelzpunkt des zweiten Metalls oder
einer höheren
Temperatur in Kontakt gebracht wird, z.B. indem ein Film oder eine
Folie oder eine dünne
Schicht des zweiten Metalls auf die Oberfläche der ersten Metallschicht
gelegt wird und der Film, die Folie oder die dünne Schicht auf eine Temperatur
höher als
der Schmelzpunkt des zweiten Metalls für einen Zeitraum gebracht wird,
der ausreicht, dass zumindest ein Teil des zweiten Metalls schmilzt.
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Man
geht davon aus, dass das Schmelzen von zumindest einem Teil des
Films, der Folie oder der dünnen
Schicht entscheidend dafür
ist, dass Ergebnisse erzielt werden, die grundlegend anders und
besser sind als die, die beim Aufbringen des zweiten Metalls durch
Kathodenzerstäubung
auf die gewünschte
Stärke
oder beim Weichlöten
eines Films, einer Folie oder einer dünnen Schicht des zweiten Metalls
auf die mit Kathodenzerstäubung
aufgebrachte erste Metallschicht erzielt werden. Ohne den Wunsch
zu haben, durch eine Theorie gebunden zu sein, geht man davon aus,
dass das Schmelzen und die Kühlung
des zweiten Metalls dazu führt, dass
eine Schicht gebildet wird, die zumindest teilweise aus monokristalliner
Form besteht und dass dies zu einem wünschenswerten niedrigen Dehnungsmodul über zumindest
einen Teil der Spannungs-Dehnungs-Kurve führt. Man glaubt, dass dies
wiederum die Benutzung von dünneren
Schichten eines zweiten Metalls ermöglicht, die weniger Material
enthalten und die in Bezug auf Materialkosten kostengünstiger
sind, wobei die guten thermischen und mechanischen Eigenschaften
bei Kombination mit GaAs-Formen beibehalten werden. Insbesondere
glaubt man, dass die Benutzung eines zweiten Metalls in monokristalliner
Form zur Fähigkeit beiträgt, dass
die sich daraus ergebenden Materialien die Belastungen durch die
verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten
in der GaAs-Gruppe effektiv absorbieren können, ohne dass dazu eine extrem
starke Schicht eines zweiten Materials benötigt wird. Durch Bereitstellung
einer dünneren
Metallisierungsschicht, die benötigt
werden würde,
um ohne solch eine Kristallisierung äquivalente mechanische Eigenschaften
zu erreichen, erlaubt dieses Verfahren eine wünschenswerte Reduzierung des
Wärmewiderstands
der Metallisierungsschicht und führt
so zu einer verbesserten Wärmeleistung.
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Bei
einer modifizierten Ausführungsform
kann auf die dritte Schicht der Beschichtung verzichtet werden und
das zweite Metall wird zur äußeren Metallschicht,
die bei einer Temperatur, die identisch mit dem Schmelzpunkt des äußeren Metall
oder höher
ist, mit der hochschmelzenden Schicht in Kontakt gebracht wird. Ist
zumindest ein Teil des äußeren Metalls
geschmolzen und mit der hochschmelzenden Metallschicht in Kontakt
gekommen, führt
das auch zu einer stärkeren
Metallisierung mit einer guten Delaminierungsfestigkeit.
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AUSFÜHRLICHE
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung vermeidet durch die Aufbringung der Metallschichten,
die eine hartlötbare Diamantstruktur
bilden, die Nachteile und Unzulänglichkeiten
in Zusammenhang mit dem derzeitigen Stand der Technik oder reduziert
sie beträchtlich.
Optional kann nach Aufbringung der Mehrschichtstruktur der beschichtete
Diamant bei Temperaturen von etwa 850 °C für bis zu etwa 3 Minuten geglüht werden.
Obwohl dieser Schritt unnötig
ist, glaubt man, dass dadurch eine Chromkarbidschicht zwischen den
Flächen
gebildet wird, die zu einer robusteren Adhäsion führt und die Metallisierungsstruktur
für nachfolgende
Hochtemperaturverarbeitung stabilisiert.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der Methode der vorliegenden Erfindung werden Verbindungslöcher im
Diamant gebildet, die hartlötbare
Metallisierungsstrukturen enthalten. Zuerst werden Verbindungslöcher im
Diamant typischerweise durch Laserbearbeitung hergestellt. Die Form
der Verbindungslöcher
kann jede Querschnittsform, wie z.B. kreisförmig oder quadratisch, besitzen.
Typischerweise sind Verbindungslöcher
zylindrisch. Die Verbindungslöcher
können
auch in der Art kegelförmig
sein, dass die Wände
der Verbindungslöcher
nicht lotrecht zur Oberfläche
der Diamantoberfläche
stehen, sondern eher in einem Winkel dazu. Der Grund dafür, dass
die Wände
kegelförmig
gestaltet werden, ist, die Menge des aufgetragenen Materials während der
Dampfauftragung zu erhöhen.
Die Wände
kegelig zu gestalten erhöht
den Einfangsquerschnitt der Verbindungslochwände in Bezug auf den Materialdampfstrom
während
des Vorbereitungsvorgangs in einer Vakuumkammer mit weniger als
1 × 10–5 Torr.
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Zweitens,
wobei der Zweck der Verbindungslöcher
der ist, dass elektrische Leiter durch die Struktur geführt werden,
sind die Verbindungslochwände
mit einer dazwischen liegenden Schicht beschichtet, die für eine Adhäsionsschnittstelle
zwischen dem Diamant und jedem elektrisch leitfähigem Material, das zur Verfüllung der
Verbindungslöcher
benutzt wird und für
diesen bestimmten Zweck geeignet ist, sorgt. Dies wird dadurch erreicht,
indem zuerst eine Mehrschicht-Metallisierungsstruktur auf die Wände der
Verbindungslöcher aufgebracht
wird, die in der Lage ist, den zuvor erwähnten Hartlötbedingungen zu widerstehen.
Die hartlötbare Mehrschicht-Metallisierungsstruktur
der vorliegenden Erfindung kann zum Beispiel an der Seite des Diamanten
mit kegelförmigen
Verbindungslöchern
so aufgetragen werden, dass die Verbindungslöcher mit ihrem breitesten Durchmesser
in Richtung des Auftragungsflussmittels zeigen. Ein Wärmebehandlungsprozess
wird durchgeführt,
um die Verbindung zwischen den beiden Beschichtungen der Diamantverbindungslochwände zu stabilisieren.
Dies geschieht typischerweise bei Temperaturen im Bereich von etwa
800 bis 1000 °C
für einen Zeitraum
von 2 bis 10 Minuten in einer reinen Argon- oder Stickstoffumgebung, die 4 % Wasserstoff
enthalten kann.
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Drittens,
ein leitfähiges
Metall aus einer Kombination aus der Gruppe der Metalle, die eine
bessere Leitfähigkeit
haben, wie z.B. Kupfer, Silber oder Gold wird durch verschiedene
Methoden in die Verbindungslöcher
eingebracht. Zu diesen Methoden gehören unter anderem auch Galvanisieren
oder Siebdruck. Was die Herstellung betrifft, sind diese beiden
Methoden preiswert.
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Bei
Siebdruck wird im Allgemeinen eine Metallmatrize benutzt, um eine
dickere Filmpaste, die Metalle, Oxyde und/oder Fritte sowie organische
Komponenten enthält,
in die Verbindungslöcher
einzudrucken, wobei die Verbindungslöcher genau mit den Öffnungen
in der Matrize ausgerichtet sein müssen. Die Paste wird leitfähig, nachdem
die organischen Bestandteile durch hohe Temperaturen, die normalerweise
höher als
300 °C sind,
entfernt werden. Oxyde und/oder Glasfritte in der Paste reduzieren
auf Grund der flüchtigen
organischen Bestandteile die Schrumpfung der Paste beim Erhitzen
und reduzieren den Wärmeausdehnungskoeffizienten des
leitfähigen
Materials. Dickfilmpasten werden typischerweise bei Temperaturen
von 800 bis 1000 °C
gesintert, um kohäsiv
zu werden und damit sie sich mit der hartlötbaren Metallisierungsstruktur
der vorliegenden Erfindung verbinden. Der Vorgang des Füllens der
Verbindungslöcher
durch Siebdruck und Erwärmen
kann wiederholt werden, bis die Verbindungslöcher in der Struktur ausreichend
mit dem leitfähigen
Bestandteil der Paste gefüllt
sind, nachdem die organischen Bestandteile durch das Erwärmen eliminiert
wurden.
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BEISPIELE
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Die
folgenden Beispiele werden aufgeführt, damit Fachleute die vorliegende
Erfindung eindeutig verstehen und anwenden können. Die hier aufgeführten Beispiele
der Vorbereitung eines Musters und einer Auftragung sollten nicht
als Einschränkung
des Umfangs der vorliegenden Erfindung, sondern nur als eine Sammlung
von erklärenden
Beispielen davon betrachtet werden. In den nachfolgenden Beispielen
wurden polykristalline CVD-Diamanttafeln, die durch chemische Dampfbeschichtung
mit glühendem
Draht aufgebracht wurden, auf eine durchschnittliche Oberflächenrauheit
von 300 Å auf
der einen Seite und 1000 Å auf
der anderen Seite poliert. Nach dem Polieren wurden die Strukturen
in einer Mischung aus Fluorwasserstoff- und Salpetersäure gereinigt,
um Schmutz zu entfernen, und eine Stunde lang bei 500 °C lufterhitzt,
um organische Rückstände und
grafitischen Kohlenstoff von der Diamantoberfläche zu entfernen. Nach dieser
Behandlung wurde der CVD-Diamant in einer Vakuumkammer metallisiert.
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BEISPIEL 1
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Diamantbauteile
wurden wie zuvor beschrieben vorbereitet und auf eine rotierende
Substratplatte in einer Vakuumkammer aufgesetzt, die für eine Auftragung
von drei verschiedenen Metallschichten nach dem DC-Magnetron-Kathodenzerstäubungs-Verfahren ausgerüstet war.
In der Vakuumkammer wurde ein Unterdruck von weniger als 1 × 10–6 Torr
erzeugt. Vor dem Auftragen der Metallschichten wurden die Diamantbauteile
einer Sprühätzung mit
einem Argon-Ionen-Strahl, der in einer Kaufman-Ionenquelle erzeugt
wurde, unterzogen. Die Metallschichten wurden auf die Diamantbauteile
mit einer durchschnittlichen Oberflächenrauheit von <300 Å (glänzend) und <1000 Å (matt)
in der folgenden Reihenfolge aufgebracht: (1) 1000 Å Chrom,
(2) 1000 Å Wolfram-Chromlegierung
(5 Atomprozent Chrom) und (3) 12 000 Å Kupfer als oberste Schicht.
Nach Abschluss der Auftragung der Struktur aus drei Metallschichten
auf den Diamantbauteilen wurde die Vakuumkammer belüftet und
die metallisierten Bauteile wurden herausgenommen.
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BEISPIEL 2
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Metallisierte
Diamantbauteile mit einer durchschnittlichen Oberflächenrauheit
von 300 Å bis
1000 Å wurden
in der unter Beispiel 1 beschriebenen Vorgehensweise hergestellt,
wobei die Metallschichten in folgender Reihenfolge aufgebracht wurden:
(1) 1000 Å Chrom,
(2) 1000 Å Wolfram-Chrom-Legierung
(5 Atomprozent Chrom) und (3) 12 000 Å Silber als oberste Schicht.
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BEISPIEL 3
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Metallisierte
Diamantbauteile mit einer durchschnittlichen Oberflächenrauheit
von 300 Å bis
1000 Å wurden
in der unter Beispiel 1 beschriebenen Vorgehensweise hergestellt,
wobei die Metallschichten in folgender Reihenfolge aufgebracht wurden:
(1) 1000 Å Chrom,
(2) 1000 Å Wolfram
und (3) 12 000 Å Kupfer
als oberste Schicht.
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VERGLEICHSBEISPIEL 4
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Metallisierte
Diamantbauteile mit einer durchschnittlichen Oberflächenrauheit
von 300 Å bis
1000 Å wurden
in der unter Beispiel 1 beschriebenen Vorgehensweise hergestellt,
wobei die Metallschichten in folgender Reihenfolge aufgebracht wurden:
(1) 1000 Å Chrom,
(2) 1000 Å Wolfram,
(3) 300 Å Chrom
und (4) 12 000 Å Kupfer
als oberste Schicht.
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VERGLEICHSBEISPIEL 5
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Metallisierte
Diamantbauteile mit einer durchschnittlichen Oberflächenrauheit
von 300 Å bis
1000 Å wurden
in der unter Beispiel 1 beschriebenen Vorgehensweise hergestellt,
wobei die Metallschichten in folgender Reihenfolge aufgebracht wurden:
(1) 1000 Å Chrom,
(2) 1000 Å Wolfram
und (3) 150 Å Chrom
und (4) 12 000 Å Kupfer
als oberste Schicht.
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BEISPIEL 6
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Metallisierte
Diamantbauteile mit einer durchschnittlichen Oberflächenrauheit
von 300 Å wurden
in der unter Beispiel 1 beschriebenen Vorgehensweise hergestellt,
wobei die Metallschichten in folgender Reihenfolge aufgebracht wurden:
- (1) 1000 Å Chrom,
- (2) 1200 Å Wolfram-Chrom-Legierung
(5 Atomprozent Chrom),
- (3) 110 Å Gold,
- (4) 400 Å Wolfram-Chrom-Legierung
(5 Atomprozent Chrom),
- (5) 225 Å Gold,
- (6) 400 Å Wolfram-Chrom-Legierung
(5 Atomprozent Chrom),
- (7) 450 Å Gold,
- (8) 400 Å Wolfram-Chrom-Legierung
(5 Atomprozent Chrom),
- (9) 900 Å Gold,
- (10) 400 Å Wolfram-Chrom-Legierung
(5 Atomprozent Chrom),
- (11) 1800 Å Gold,
- (12) 400 Å Wolfram-Chrom-Legierung
(5 Atomprozent Chrom),
- (13) 3600 Å Gold,
- (14) 400 Å Wolfram-Chrom-Legierung
(5 Atomprozent Chrom),
- (15) 7800 Å Gold,
- (16) 400 Å Wolfram-Chrom-Legierung
(5 Atomprozent Chrom),
- (17) 16 000 Å Gold
als oberste Schicht.
-
Bei
allen oben aufgeführten
Beispielen wurden die Diamantbauteile vor dem Hartlöten für 5 bis
10 Minuten bei 800 bis 825 °C
in einer Umgebung aus reinem Argon, Stickstoff oder 4 % Wasserstoff
in Stickstoff erhitzt. Der Schritt der Erwärmung ist jedoch optional.
Zusätzlich
dazu wurden Muster aus den Experimenten mit einer vorgefertigten
Kupfer-Silber-Legierung zwischen der metallisierten Oberfläche des
Diamanten und einem Kupfer-Wolfram-Flansch oder einer Leitung aus
Nickel oder Legierung 42 versehen. Diese Baugruppe wurde dann für 5 Minuten
in einen Hartlötofen
in eine Umgebung aus Argon, Stickstoff oder 4 % Wasserstoff in Stickstoff
gelegt, damit sich das Diamantbauteil mit den anderen Metallbauteilen
oder metallisierten Bauteilen verbindet. Bei allen Beispielen war
die Adhäsion
zwischen den Bauteilen sehr fest und es kam zu keiner Delaminierung.
-
Nach
etwa zehn Minuten Wärmebehandlung
wanderte oder diffundierte bei Beispiel 4 Chrom an die Oberfläche des
metallisierten Diamantbauteils. Diese Wanderung hemmt die Benetzungsfähigkeit
des Produkts. Eine Reduzierung der Chromschichtstärke wie
in Vergleichsbeispiel 5 ergab eine geringe Tendenz der Chromwanderung
an die Oberfläche.
Der zusätzliche
Schritt, eine Chromschicht zwischen der Übergangsmetallschicht und der äußeren Schicht
anzuordnen, stellte sich als unnötig
heraus, wenn man die Adhäsionsstärke erreichen
will, und vermeidet das Risiko der Chromwanderung an die Oberfläche.
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Bei
allen anderen Beispielen wurden beide Diamantoberflächen nacheinander
beschichtet und die oberste Schicht, die entweder aus Kupfer, Silber
oder Gold bestehen, ist kompatibel mit dem Kupfer/Silber-Lot. Das
metallisierte Diamantbauteil aus Beispiel 6 bot eine hervorragende
Lötleistung
in einer Herstellungsumgebung von 4 Wasserstoff in Stickstoff in
einem Bandofen, bei Einwirkzeiten von 5 bis 15 Minuten, vorzugsweise
10 Minuten, und Temperaturen von etwa 780 bis 820 °C.
-
Ursprünglich glaubte
man, dass die Adhäsionsstärke von
Leitungen, die auf einem metallisierten Diamantbauteil hartaufgelötet werden,
durch die an der Schnittstelle zwischen der Wolfram- und der Kupferschicht verfügbare Chrommenge
beeinflusst wird. Daher wurde bei den ersten experimentellen Arbeiten
eine Zwischenschicht aus Chrom zwischen dem hochschmelzenden Metall
und der äußeren Metallschicht
angeordnet, um die Adhäsion
wie in den Vergleichsbeispielen 4 und 5 angegeben sicherzustellen.
Die Stärke
der Chromschicht wurde auf ein Minimum begrenzt, um zu verhindern,
dass die Kupferoberfläche
verunreinigt wird. Um die Rolle von Chrom bei der Adhäsionsstärke zu bestimmen,
wurden zwei verschiedene Metallisierungen auf zwei verschiedene
Diamantoberflächenarten
aufgebracht. Eine Metallisierung enthielt eine Wolfram-Chrom-Legierung
als kombinierte Diffusionssperre und Adhäsionsverbesserer (5 Atomprozent
Chrom), wohingegen die andere Metallisierung eine reine Wolframsperre
beinhaltete. Die Ergebnisse führten
zur Beantwortung der folgenden Fragen: (1) ob das in der ersten
Adhäsionsschicht
der Struktur befindliche Chrom in der Lage war, die Wanderung durch
die Wolframsperre zur äußeren Metallschicht
zu verhindern und die Adhäsion
zu verbessern oder (2) ob es notwendig ist, eine separate reine
Chromschicht zwischen der Sperrschicht und der äußeren Schicht anzuordnen oder
Chrom als Bestandteil der Sperrschicht einzusetzen?
-
Bei
den Beispielen wurden glänzende
oder matte Diamantoberflächen
benutzt. Die glattere glänzende Oberfläche wird
für die
Anbringung der Form und die rauere matte Oberfläche für die Anbringung an einen Flansch
oder ein anderes Kühlkörpermaterial
benutzt. Die Oberflächenrauheit
für eine
Standard-Glanzoberfläche
ist <300 Å, die für eine matte
Oberfläche <1000 Å. Leitungen
aus Legierung 42 (handelsübliche
Legierung mit 42 % Nickel und 48 % Eisen) mit zwei verschiedenen
Breiten (0,05 Zoll und 0,10 Zoll) wurden durch Hartlöten auf
die metallisierten Diamantoberflächen
mit Kupfer-Silber aufgebracht.
-
Die
Ablösefestigkeit
der Leitungen in den Beispielen 1 bis 3 und der Vergleichsbeispiele
4 bis 5 sind in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgeführt. Die
Ablösefestigkeitsergebnisse
der Beispiele 1 bis 3 wurden durch Quad Group. Inc. durchgeführt, wobei
ein Standard 90°-Ablösetest mit
einem Romulus IV Universal-Prüfgerät für mechanische
Festigkeit durchgeführt
wurde. Dieser Ablösetest
ist im Wesentlichen der Gleiche wie der, der in der Produktbroschüre für das Romulus
III-Prüfgerät für mechanische
Festigkeit vom März
1999 aufgeführt ist.
-
-
Bemerkungen:
-
- 1. W-Cr = 5 Atomprozent Chrom
- 2. Alle Leitungen sind aus Legierung 42
- 3. Einwirkzeit von 5 bis 6,5 Minuten bei 820 °C
- * für
eine 0,15-Zoll Nickelleitung
- n.v. nicht verfügbar
-
Bei
einem Vergleich der Ablösetestergebnisse
der Beispiele 1 und 3 der oben aufgeführten Tabelle sehen wir, dass
die Ergebnisse in Bezug auf Robustheit im Wesentlichen identisch
sind. Die Wolfram-Chrom-Legierung mit 5 % Chrom, die bei Beispiel
1 an Stelle von reinem Wolfram benutzt wurde, bietet keine wesentliche Verbesserung
der Ablösekraft
für diese
Art der Metallisierungsstruktur. Dies ist sehr wahrscheinlich eine
Anzeige dafür,
dass Chrom in einem ausreichenden Maße durch die Wolframsperre
diffundiert ist und die Adhäsion
verbessert hat. Dies lässt
den Schluss zu, dass eine zusätzliche
Chromschicht zwischen der Sperrschicht und der äußeren Schicht nicht notwendig
ist, um eine robuste Adhäsion
bei dieser Struktur zu erhalten. Somit scheint eine Chrom-Wolfram-Kupfer-Struktur
ausreichend robust für
die entsprechende Hartlötzeit
und -temperatur. Die Chrom-Nickel-Legierung vereinfacht jedoch die
Herstellung einer hartlötbaren
Goldschicht-Struktur, bei der, wie in Beispiel 6 gezeigt, eine relativ
starke Goldschicht benutzt wird.
-
Obwohl
die Anzahl der in Beispiel 2 erzielten Datenpunkte für eine äußere Schicht
aus Silber etwas geringer ist, scheint Silber auch gut zu wirken,
wenn sie, wie in Beispiel 1 gezeigt, für Kupfer eingesetzt wird. Da
die Ablösekraft
nur unwesentlich geringer ist als die für Kupfer, hat Silber die besseren
mechanischen Eigenschaften. Typischerweise sind 2,0 pounds Ablösekraft
bei 90° akzeptabel
für Leitungen
mit einer Breite von 0,15 Zoll.
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Wie
oben beschrieben, bezieht sich eine andere Ausführungsform der Erfindung auf
hartlötbare
Diamanterzeugnisse und deren Herstellungsmethoden, wobei die Schicht
aus Kupfer, Silber oder Gold viel stärker sein kann als man zuvor
für möglich gehalten
hat. Die Schicht ist typischerweise stärker als etwa 5 Mikron und kann
sogar stärker
als etwa 10 Mikron bis zu etwa 50 Mikron sein. Es ist möglich, Schichten
von mindestens 75 Mikron, 100 Mikron, 150 Mikron oder 200 Mikron
oder stärker
zu erreichen. Wie oben beschrieben, wird zuerst eine dreilagige
Beschichtung auf das Diamantsubstrat aufgebracht (die Funktion der
dritten Schicht, die durch Vakuumbeschichtung aufgebracht wurde,
besteht darin, dass sie die Oxydation der zweiten Schicht, die durch
Vakuumbeschichtung aufgebracht wurde, verhindert. Es ist möglich, dass
nur die erste und zweite Schicht, die durch Vakuumbeschichtung aufgebracht
wurden, benötigt
werden) und durch Kontakt der äußeren Lage
dieser Be schichtung mit dem zweiten Metall in ausreichender Weise
und bei einer Temperatur, die dem Schmelzpunkt des zweiten Metall
entspricht oder höher
ist, die gewünschte
Stärke
des Metalls auf das beschichtete Substrat aufgebracht wird. Es ist
wünschenswert,
dass dieser Kontakt mit dem zweiten Metall dadurch realisiert wird,
dass ein Film, eine Folie oder eine dünne Metallschicht der gewünschten
Größe und Stärke vorbereitet
wird und auf die äußere Schicht
des Substrats gelegt wird. Das Material wird dann auf eine Temperatur
die dem Schmelzpunkt der Metallscheibe entspricht oder höher ist
gebracht, die dann für
einen Zeitraum gehalten wird, der ausreichend ist, damit zumindest
ein Teils des Metallfilms, der Folie oder der dünnen Schicht schmelzen und
sich mit der dritten Schicht der Beschichtung verbinden.
-
Es
ist wünschenswert,
dass das zweite Metall das gleiche Material ist, das für die dritte
Schicht benutzt wird. Es wurde festgestellt, dass Kupfer dafür besonders
geeignet ist, und Kupfer wurde auch für das nachfolgende Beispiel
benutzt; auch Silber oder Gold können
benutzt werden. Wenn als Film, Folie oder dünne Schicht aufgebracht, wird
eine Stärke
zwischen etwa 10 und 200 Mikron benutzt, die aber auch abhängig von der
Stärke
und der Fläche
der Diamantscheibe zwischen etwa 20 und etwa 200 Mikron, zwischen
etwa 50 und etwa 200 Mikron, zwischen etwa 75 und etwa 200 Mikron,
zwischen etwa 100 und etwa 200 Mikron oder zwischen etwa 150 und
etwa 200 Mikron betragen kann. Zumindest ein Teil des zweiten Metalls
kann wünschenswerterweise
die Form eines Monokristalls haben, insbesondere, wenn das zweite
Metall Kupfer oder Silber ist.
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Wird
eine Kupferscheibe benutzt, wird die Kombination des beschichteten
Diamantsubstrats und der Kupferscheibe in einer Inert- oder Reduktionsumgebung
in einem Ofen auf eine Temperatur, die dem Schmelzpunkt von Kupfer
entspricht oder höher
ist erwärmt,
d.h. auf oder über
1100 °C,
und zwar für
einen Zeitraum, der ausreichend ist, einen Teil oder die komplette
Kupferscheibe zu schmelzen. Ohne den Wunsch zu haben, durch eine
Theorie gebunden zu sein, geht man davon aus, dass der Kontakt des
beschichteten Substrats mit geschmolzenem Metall von der Scheibe
oder von der dritten Schicht (die bei der Temperatur, die dem Schmelzpunkt
des zweiten Metalls entspricht oder höher ist, ebenfalls schmelzen
kann) bestimmend dafür
ist, eine starke Metallisierung ohne besonderes Risiko der Delaminierung
zu erreichen. Dies kann geschehen, da das geschmolzene Metall in
der Scheibe oder der äußeren Schicht
der Beschichtung dabei hilft, die Sperrschicht des hochschmelzenden
Metalls zu benetzen. Es versteht sich, dass das komplette Schmelzen
der Kupferscheibe dazu führen
kann, dass das Kupfer über
die Fläche
des beschichteten Diamantsubstrats fließt, so dass die Kupferstärke nicht überall gleichförmig ist.
Der Zusatz der starken Metallisierungsschicht führt jedoch zu einer Einebnung
der beschichteten Fläche,
verbessert die mechanische Stabilität, erlaubt die Anbringung von
Materialien mit hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten
zum beschichteten Substrat und sichert einen effizienteren Wärmetransfer
von/zu den angebrachten Elektronikvorrichtungen oder Kühlkörpern.
-
Zusätzlich zu
den oben aufgeführten
Vorteilen und wiederum ohne den Wunsch zu haben, durch eine Theorie
gebunden zu sein, geht man davon aus, dass das Schmelzen und Kühlen des
zweiten Metalls dazu führt,
dass sich zumindest ein Teil der Schicht in Form von Monokristallen
rekristallisiert. Wird z.B. das Diamantmaterial poliert, bevor es
mit einer Dreifachbeschichtung Chrom/Sperrmetall/erstes Metall beschichtet wird,
dann die Folie, der Film oder die dünne Schicht des zweiten Materials
aufgebracht, erwärmt
und gekühlt, verlängert sich
die Monokristallschicht des zweiten Metalls über eine beträchtliche
Strecke der Materialoberfläche.
Es ist ebenfalls möglich,
einen Vorteil aus der Benutzung eines monokristallförmigen zweiten
Metalls mit nicht polierten „gewachsenen" Diamantmaterialien
zu ziehen, die wie oben beschrieben mit einer dreifachen Metallschicht
beschichtet sind. In diesem Fall werden mehrere Monokristallkörner gebildet,
die durch die Spitzen auf den Facetten auf der Diamantoberfläche getrennt
sind.
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Man
glaubt, dass die Beschaffenheit der Monokristalle des zweiten Metalls
zumindest teilweise die Benutzung von Schichten des zweiten Metalls
erlaubt, die dünner
sind als die Schichten, die mit anderen Techniken aufgebracht wurden
und nicht monokristallförmig
sind. Die Benutzung einer Schicht, die zumindest teilweise monokristallförmig ist,
ermöglicht
die Benutzung von Stärken
unterhalb von etwa 200 μm
und sogar unterhalb von etwa 100 μm.
In manchen Fällen
können
Stärken
auch unterhalb von etwa 75 μm,
sogar 65 μm
bis hin zu 50 μm
order sogar 30 μm
benutzt werden. Diese relativ dünnen
Schichten des zweiten Metalls bieten immer noch wünschenswerte
mechanische und thermische Eigenschaften. Insbesondere erhalten
sie die Fähigkeit
des Materials, Wärmebelastungen
zu absorbieren, die durch die ver schiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Diamantsubstrats und der GaAs-Form verursacht werden.
-
Man
glaubt, dass das so ist, weil im Monokristallmaterial ein Bereich
mit Spannungs-Dehnungs-Kurven
vorhanden ist, der als „einfach
gleitender" Bereich
bekannt ist, wo der Modul über
den Bereich der Scherbelastung beträchtlich vermindert ist. In
Wirklichkeit ist es so, dass die Spannungs-Dehnungs-Kurve im einfach gleitenden
Bereich abflacht, so dass die Scherdehnung deutlich ansteigt, wobei
die Scherspannung nur minimal ansteigt. Bei Benutzung der hier beschriebenen
zweiten Metalle fällt
zumindest ein Teil der Belastung auf Grund der nicht passenden Wärmeausdehnungskoeffizienten
in den einfach gleitenden Bereich der Monokristallform der Metalle.
Die Monokristalleigenschaft des zweiten Metalls bietet bei den hier
beschriebenen Methoden somit eine Art Dehnfuge zwischen der Diamantschicht
und dem GaAs-Material. Andererseits hat das dreilagig beschichtete
Diamantsubstrat kombiniert mit der zweiten Metallschicht einen effektiven
Wärmeausdehnungskoeffizienten,
der dem des GaAs-Materials entspricht.
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Obwohl
stärkere
Schichten des zweiten Materials benutzt werden können und Bestandteil dieser
Erfindung sind, sind Materialien mit äußeren Metallschichten (einschließlich sowohl
der dampfbeschichteten Schicht und der geschmolzenen und rekristallisierten
Schicht) mit Stärken
zwischen etwa 5 Mikron bis 75 Mikron eine zusätzliche Ausführungsform
der Erfindung, die zusätzlich
zur Lösung
des zuvor benannten technischen Problems der stärkeren äußeren Schichten (Einebnung,
Wärmeeigenschaften
etc.) die Benutzung von dünneren äußeren Schichten
erlaubt, was dazu führt,
dass Materialkosten gesenkt werden können, ohne dass dabei eine
Leistungseinbuße
eintritt. Bei dieser Ausführungsform
der Erfindung ist es wünschenswert,
dass die äußere Schicht
zumindest teilweise als Monokristall rekristallisiert. Im Allgemeinen
beträgt
die Stärke
des Films, der Folie oder der dünnen
Schicht, die für
diese Ausführungsform
der Erfindung benutzt wird, etwa 25 Mikron bis etwa 75 Mikron.
-
BEISPIEL 7
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CVD-Diamant
wurde auf ein Substrat mit eine Stärke von etwa 1000 Mikron aufgewachsen
und das Substrat dann entfernt, um eine in sich feste unpolierte
Diamantscheibe zu erhalten (dieser Vorgang ist auch bei polierten
Scheiben möglich).
Die Diamantscheibe wurde mit Laser auf einen Durchmesser von 8 mm
geschnitten und auf eine rotierende Substratplatte in einer Vakuumkammer
angebracht, die dafür
ausgerüstet war,
eine Metallschicht mittels eines DC-Magnetron-Kathodenzerstäubers aufzubringen.
Die Vakuumkammer wurde auf einen Unterdruck von weniger als etwa
1 × 10–6 Torr
gebracht. Die Substratseite des Diamanten wurde benutzt, um die
nachfolgend beschriebenen Beschichtungen aufzubringen, obwohl jede
der beiden Seiten so beschichtet werden kann. Die Scheibenseite
wurde mit einem Argon-Ionen-Strahl, der in einer Kaufman-Ionenquelle
generiert wurde, sprühgeätzt. Eine
etwa 2000 Å starke
Chromschicht wurde auf die Oberfläche der Diamantscheibe mit
Hilfe eines Magnetron-Kathodenzerstäubers aufgebracht. Danach wurde
mit Hilfe eines Magnetron-Kathodenzerstäubers eine Wolframschicht mit
einer Stärke
von etwa 3000 Å auf
die Chromschicht aufgebracht. Auf die Wolframschicht wurde mit Hilfe
eines Magnetron-Kathodenzerstäubers
eine Kupferschicht mit einer Stärke
von etwa 10 000 Å aufgebracht.
-
Eine
Kupferscheibe mit einer Stärke
von etwa 500 000 Å und
einem Durchmesser, der ein wenig kleiner war als die Diamantscheibe
(d.h. etwa 7 mm), wurde angefertigt. Diese Kupferscheibe wurde auf
die Diamantscheibe mit den per Kathodenzerstäubung aufgebrachten Schichten
gelegt, die dann in den Ofen gelegt wurde, wo sie in einer Umgebung
von fließendem
Wasserstoff (4 bis 5 %) in Argongas bei einer Temperatur von etwa
1100 °C
so lange erwärmt
wurde (etwa 1 Minute), bis das Kupfer geschmolzen war. Danach konnte die
Scheibe dann innerhalb des fließenden
Wasserstoff-/Argongemischs auf Raumtemperatur abkühlen, wozu etwa
45 Minuten benötigt
wurden.
-
Die
daraus entstandene metallisierte Scheibe hatte eine komplett haftende,
schimmernde metallisierte Kupferschicht, die in der Stärke bis
zu etwa 110 Mikron unterschiedlich war. Die Adhäsion wurde geprüft, indem das
Muster insgesamt vier Mal für
5 bis 10 Minuten in einer Argon/Wasserstoffumgebung abwechselnd
auf 800 °C
er wärmt
wurde und danach auf Raumtemperatur abkühlen konnte. Eine Delaminierung
konnte nicht festgestellt werden.
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Wie
zuvor beschrieben, kann die Kupferschicht eine Reihe von Monokristallkörnern bilden,
die sich an den Facetten der gewachsenen Diamantfläche befinden,
oder auf einer polierten Oberfläche
kann sich eine Monokristallschicht bilden. In beiden Fällen glaubt
man, dass Kupfer einen hoch kristallografisch orientierten Film
nach der Kristallisierung von der Schmelze bildet, offensichtlich
mit einer Orientierung von <111> rechtwinklig zur Substratoberfläche.
