DE60214572T2

DE60214572T2 - Hartlötbare metallisierungen für diamantbauteile

Info

Publication number: DE60214572T2
Application number: DE60214572T
Authority: DE
Inventors: R. Ronald Macungie PETKIE
Original assignee: Morgan Advanced Ceramics Inc
Current assignee: Morgan Advanced Ceramics Inc
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2022-09-28
Also published as: EP1430007B1; DE60214572D1; US20020114963A1; ATE338737T1; US6830780B2; EP1430007A1; WO2003027043A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
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.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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.
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.

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.
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.
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.
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.
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.
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.
AUSFÜHRLICHE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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.
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.
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.
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.
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.
BEISPIELE
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.
BEISPIEL 1
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.
BEISPIEL 2
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.
BEISPIEL 3
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.
VERGLEICHSBEISPIEL 4
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.
VERGLEICHSBEISPIEL 5
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.
BEISPIEL 6
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.
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.
Tabelle 1
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines lötbaren Diamanterzeugnisses, das Folgendes umfasst: (a) Auftragen einer Schicht aus Chrommetall auf zumindest einen Teil eines Diamantteils; (b) Auftragen 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, auf zumindest einen Teil der Schicht aus Chrommetall; (c) Auftragen einer Schicht eines äußeren Metalls, das aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Silber, Gold oder Verbindungen daraus ausgewählt wurde, auf zumindest einen Teil der Schicht aus hochschmelzendem Metall, dadurch, dass das hochschmelzende Metall mit dem äußeren Metall bei einer Temperatur identisch mit dem Schmelzpunkt des äußeren Metalls oder einer höheren Temperatur in Kontakt kommt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei (c) ersetzt wird durch: (c) Auftragen auf zumindest einen Teil der Schicht aus hochschmelzendem Metall einer Schicht aus einem ersten Metall, das aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Silber, Gold und Verbindungen daraus ausgewählt wurde; und (d) Auftragen einer Schicht eines zweiten Metalls, das aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Silber, Gold und Verbindungen daraus ausgewählt wurde, auf zumindest einen Teil der Schicht eines ersten Metalls, 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 kommt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das erste und zweite Metall identisch sind.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das erste und zweite Metall bzw. das äußere Metall aus Kupfer bestehen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Auftragen der Schicht aus Chrommetall eine physikalische Aufdampfung (PVD) beinhaltet.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Auftragen der Schicht aus hochschmelzendem Metall eine physikalische Aufdampfung beinhaltet.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das Auftragen der Schicht des ersten Metalls eine physikalische Aufdampfung beinhaltet.
Das Verfahren gemäß Anspruch 5, 6 oder 7, wobei das physikalische Aufdampfen Kathodenzerstäubung beinhaltet.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Auftragen der Schicht des äußeren Metalls bzw. des zweiten Metalls das Aufbringen eines festen Films, einer Folie oder einer dünnen Schicht des zweiten Metalls auf zumindest einen Teil der Oberfläche des ersten Metalls bzw. des hochschmelzenden Metalls beinhaltet und der Film, die Folie oder die dünne Schicht auf eine Temperatur gebracht wird, die der Schmelztemperatur des zweiten Metalls entspricht oder höher ist, und zwar für einen Zeitraum, der ausreichend ist, zumindest einen Teil der zweiten Schicht zum Schmelzen zu bringen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei der Film, die Folie oder die dünne Schicht des zweiten Metalls bzw. des äußeren Metalls eine Stärke von mindestens 50 μm aufweist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das erste Metall und auch das zweite Metall Kupfer sind und wobei der feste Film, die Folie oder die dünne Schicht für eine ausreichend lange Zeit in einer Inertgas- oder reduzierten Atmosphäre auf eine Temperatur von mindestens 1100 °C gebracht wird, bei der zumindest ein Teil des festen Films, der Folie oder der dünnen Schicht schmilzt.
Ein lötbares Diamanterzeugnis, das Folgendes umfasst: (a) ein Diamantteil; (b) eine Schicht aus Chrommetall, die auf zumindest einem Teil der Oberfläche eines Diamantteils aufgetragen ist; (c) eine Schicht aus hochschmelzendem Metall, das aus der Gruppe bestehend aus Wolfram, Molybdän, Tantal, Niobium, einer Chromlegierung des besagten hochschmelzenden Metalls und Verbindungen daraus ausgewählt wurde, und die sich auf einer Schicht aus Chrommetall befindet; (d) eine Schicht aus mehreren Metallen, die aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Silber, Gold oder einer Verbindung davon ausgewählt wurden, die eine Stärke von mindestens 5000 nm aufweist und die sich auf einer Schicht aus hochschmelzendem Metal befindet.
Das Erzeugnis gemäß Anspruch 12, wobei die Stärke der Schicht aus Chrommetall von 20 bis 1000 nm variiert.
Das Erzeugnis gemäß Anspruch 12, wobei die Stärke der Schicht aus hochschmelzendem Metall von 20 bis 1000 nm variiert.
Das Erzeugnis gemäß Anspruch 12, wobei das hochschmelzende Metall Wolfram umfasst.
Das Erzeugnis gemäß Anspruch 15, wobei das hochschmelzende Metall im Wesentlichen aus Wolfram besteht.
Das Erzeugnis gemäß Anspruch 12, wobei die Schicht aus einem oder mehreren Metallen auf der Schicht der hochschmelzenden Metalle aus einer ersten Schicht des aufgedampften Metalls besteht und die eine Stärke von 20 bis 5000 nm aufweist.
Das Erzeugnis gemäß Anspruch 12, wobei die Schicht aus einem oder mehreren Metallen auf der Schicht der hochschmelzenden Metalle eine Stärke von 5000 bis 75000 nm aufweist.
Das Erzeugnis gemäß Anspruch 12, wobei die Schicht aus einem oder mehreren Metallen auf der Schicht der hochschmelzenden Metalle ein Einkristallmetall umfasst und eine Stärke von weniger als 200000 nm aufweist.
Das Erzeugnis gemäß Anspruch 19, wobei die Schicht aus einem oder mehreren Metallen auf der Schicht der hochschmelzenden Metalle eine Stärke von weniger als 75000 nm aufweist.
Das Erzeugnis gemäß Anspruch 12, wobei die Schicht aus einem oder mehreren Metallen auf der Schicht der hochschmelzenden Metalle eine Stärke von mindestens 65000 nm aufweist.
Ein Gegenstand, der Folgendes umfasst: (a) ein lötbares Diamanterzeugnis gemäß Anspruch 12; und (b) ein Objekt, das ein Material aus der Gruppe bestehend aus Metall, metallisierter Keramik, Keramik oder Verbindungen davon beinhaltet, das durch Löten darauf aufgebracht ist.