DE69222328T2

DE69222328T2 - Diamantkörper, blätteriges Diamantsubstrat und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69222328T2
Application number: DE69222328T
Authority: DE
Inventors: Richard C Eden
Original assignee: Norton Co
Current assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Priority date: 1991-01-15
Filing date: 1992-01-15
Publication date: 1998-03-26
Anticipated expiration: 2012-01-16
Also published as: EP0495479A1; US5441791A; EP0495479B1; CA2057490C; JP3122213B2; DE69222328D1; US5244712A; CA2057490A1; JPH04333266A

Description

Die Erfindung betrifft ein Diamantelement, ein geschichtetes Diamantsubstrat und ein Verfahren, dasselbe herzustellen.
In den letzten Jahren wurde es möglich, Diamantfilme von ausreichender Dicke herzustellen, um die Herstellung eines Diamantfilmwafers zur Verwendung als Grundmaterial für elektronische Schaltkreise zu ermöglichen, und zwar entweder als ein direktes elektrisches Substrat für Vorrichtungen, oder als eine Platine, auf dem Schaltkreisvorrichtungen oder Chips wie etwa VLSI- (very large scale integrated) Schaltkreise (Schaltkreise mit sehr langer integrierter Skala) angebracht sind. Vor allem zwei Eigenschaften des Diamantmaterials machen es besonders für solche Zwecke geeignet. Während es auf der einen Seite ein ausgezeichneter Isolator ist, ist es gleichzeitig ein vorzüglicher Wärmeleiter mit einer Wärmeleitung, die diejenige des Kupfers um etwa das fünffache übertrifft.
Die derzeit verfügbaren Verfahren zur Bildung von Diamantwafern durch Abscheidung von einem Plasma lassen jedoch normalerweise eine Struktur entstehen, die auf einer Fläche als Ergebnis der Abscheidung auf einem flachen und glatten Abscheidungssubstrat flach sein kann, aber trotzdem eine unebene und rauhe Fläche auf der gegenüberliegenden Seite, wo die Abscheidung stattgefunden hat, aufweisen wird. Eine derartige Unebenheit stellt ein ernstes Problem für jegliche halbleitererzeugenden Anwendungen dar, die im allgemeinen zumindest einen photolithographischen Schritt mit sich bringen, was erfordert, daß das Substrat im wesentlichen parallele und flache gegenüberliegende Flächen aufweist, wobei der Anforderungsgrad der Parallelität von der Schärfentiefe der verwendeten photolithographischen Ausrüstung abhängt. Das Glätten der unebenen Fläche eines Diamantfilmwafers ist ein teures Fertigbearbeitungsverfahren, was das Abschmirgeln mit Diamantschleifmittel notwendig macht.
Um diese Probleme zu überwinden, sieht die Erfindung ein Diamantelement gemäß dem unabhängigen Anspruch 1, ein Mehrfachwaferdiamantlaminatelement gemäß dem unabhängigen Anspruch 8, und ein Verfahren zur Herstellung derselben gemäß dem unabhängigen Anspruch 16 vor. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Einzelheiten der Erfindung werden aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich.
Die Erfindung sieht wärmeleitende Substrate vor, insbesondere solche für elektronische Schaltkreise.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine rauhe Fläche einer Diamantwaferoberfläche eine Bindemittelschicht auf, die darauf aufgetragen worden ist. Die Bindemittelschicht ist dick genug, um die Täler auf der Oberfläche zu füllen, aber auch dünn genug, um jeglichen Verlust der erwünschten Wärmeleitungseigenschaften des Diamantwafermaterials auf ein Mindestmaß zu verringern. Die Beschichtung kann fertigbearbeitet werden, um ihre Oberfläche in parallele Ausrichtung mit der gegenüberliegenden Fläche zu bringen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind zwei Diamantfilmwafer mit ihren rauhen Oberflächen zusammen verbunden, so daß ihre gegenüberliegenden, äußeren Oberflächen zueinander parallel sind. Die entstehende Struktur hat fast die Eigenschaften eines einzelnen Diamantfilmwafers, während sie trotzdem parallele und glatte Flächen ohne der Notwendigkeit, die Oberflächen fertigzubeabeiten, aufweist.
Figur 1 stellt eine schematische, maßstabgetreue Ansicht eines Diamantsubstrates in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar, bei der eine größere Fläche eines Diamantwafers mit einem Bindemittel behandelt ist.
Figur 2 stellt eine schematische Querschnittsansicht eines Bruchstücks von Figur 1 dar, welche die Struktur mit mehr Einzelheiten zeigt.
Figur 3 stellt eine schematische Querschnittsansicht eines Bruchstücks eines Substrates in Übereinstimmung mit einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, bei dem zwei Wafer miteinander schichtweise mit einem Bindemittel verbunden worden sind.
Figur 4 stellt eine schematische Querschnittsansicht eines Bruchstücks eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung dar, die den Gebrauch eines Metallbindemittels einbezieht.
Figur 5 stellt eine schematische Querschnittsansicht eines Bruchstücks eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung dar, die den Gebrauch eines Glasbindemittels einbezieht.
Figur 6 stellt eine schematische Querschnittsansicht eines Bruchstücks eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung dar, die den Gebrauch eines Verbundbindemittels einbezieht.
Die Fig. 1 und 2 zeigen ein rechteckiges Substrat 10, das aus einem Diamantwafer 12 besteht, der etwa 1 Millimeter (mm) dick ist und eine rauhe Fläche 14 auf der Seite, wo die Kristallabscheidung stattgefunden hat, aufweist, und eine gegenüberliegende, glatte Fläche 16, die in Kontakt mit einer glatten und flachen Abscheidungssubstratsoberfläche während des Wachstumsprozesses dar. Der Diamantfilmwafer 12 kann nach jeder der zahlreichen gegenwärtig bekannten Verfahren zur Diamantabscheidung hergestellt werden, wie etwa durch Bogenplasmadeposition. Heutige Abscheideverfahren erzielen im allgemeinen eine eher ungleichmäßige Dicke und eine rauhe Oberfläche auf der Abscheideseite des Films. Jedoch kann, indem der Film auf einem glatten Substrat abgeschieden wird, zumindest die Fläche auf dem Wafer 12, der auf dem Substrat liegt, flach und relativ glatt gemacht werden. Der Wafer 12 besteht aus polykristallinem Material mit Diamant-Mikrokristallen, die direkt aneinander gebunden sind. Die Dicke eines Wafers kann sich typischerweise um einen Faktor drei ändern. Die Dicke des Wafers 12 wird so gewählt, daß die Anforderungen der Anwendung bezüglich Wärmeleitfähigkeit und Rauheit erfüllt werden.
Die rauhe Fläche 14 ist mit einer dünnen Beschichtung 18 eines geeigneten Füllmaterials bedeckt, wie etwa ein Epoxibindemittel, das nach dem Aushärten oberflächenfertigbearbeitet wird, um seine freie Fläche 19 glatt zu machen und in eine im wesentlichen parallele Ausrichtung zu der glatten Fläche 16 zu bringen. Die Dicke der Beschichtung 18 muß nur so viel betragen, um jegliche Täler auszufüllen, um gerade die höchsten Stellen der rauhen Fläche 14 zu bedekken und das ausreichende Fertigbearbeiten der Oberfläche zuzulassen, um eine parallele Ausrichtung der Oberfläche 19 mit der Fläche 16 zu erreichen. Da die Beschaffenheit der rauhen Fläche 14 eines abgeschiedenen Wafers sich etwas mit den Abscheidebedingungen verändert, verändert sich auch die mindeste Dicke der Beschichtung 18 für einen bestimmten Wafer, aber sie kann ohne weiteres durch Berücksichtigung des abschließenden Oberflächenzustands des abgeschiedenen Wafers 12 bestimmt werden. Im allgemeinen sollte sie zumindest so dick wie ihre dickste Stelle, gemessen als die Differenz zwischen den dicksten und den dünnsten Konturen des Wafers 12, sein.
Die Beschichtung 18 kann aus jeder von zahlreichen bekannten Bindemitteln bestehen, von denen der Fachmann ohne weiteres eine geeignete Wahl treffen kann, um den besonderen erforderten Eigenschaften zu genügen. Organische Harzbeschichtungen können verwendet werden, wo das fertigbearbeitete Substrat nicht hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Eine Glasbeschichtung kann durch Auftragen von Glasschmelzmasse und Aufschmelzen an der Oberfläche verwendet werden. Das Glas kann dann optisch poliert und dimensioniert werden. Es kann zum Beispiel durch Verdampfen, chemische Dampfabscheidung, Tauchplattierung, oder in Form einer Hartlötung eine aufgebrachte Metallbeschichtung verwendet werden, wobei die eine Fläche elektrisch leitend sein kann. Die Beschichtung kann auch ein Verbundstoff sein, wie etwa Diamantsand, der von einem Binder gehalten wird. Mit einer derartigen Beschichtung kann es möglich sein, eine höhere thermische Leitfähigkeit für das entstehende Substrat 10 zu erhalten.
Die Beschichtung 18 weist wahrscheinlich einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) als der Diamantwafer 12 auf. In diesem Falle hat das Substrat 10 die Tendenz, sich bei einer Temperaturänderung zu verbiegen. Dies kann auf ein Mindestmaß verringert werden, indem die Beschichtung 18 dünn und mit einem relativ geringen Elasizitätsmodul, d.h. biegsam, oder mit einer Tendenz zu kriechen oder kalt zu fließen, gemacht wird. Das Beschichtungsmaterial muß auch mit den beabsichtigten Verfahrensschritten für das Substrat 10 vereinbar sein. Wo das Substrat 10 als ein Substrat für eine elektronische Vorrichtung verwendet werden soll, würde das wahrscheinlich solche Schritte wie Laserschneiden und Bohren von Durchgangslöchern und die Metallisierung von Leiterwegen, sowohl auf den Oberflächen als auch in den Durchgangslöchern beinhalten.
Die Fig. 3 zeigt ein Mehrfachwaferlaminatsubstrat 20, das aus einem oberen Diamantfilmwafer 22 und einem unteren Diamantfilmwafer 24 besteht, die durch eine Zwischenschicht 26 zusammen verbunden sind. Jeder der Diamantwafer 22, 24 weisen eine äußere glatte Oberfläche 28 und eine innere, rauhe Fläche 30 auf. Die Wafer 22, 24 wiesen jede eine Dicke von etwa 1,0 mm auf. Die Zwischenschicht 26 ist ein Bindemittel, das nach großteils denselben Erwägungen wie für das Beschichtungsmaterial des ersten Ausführungsbeispiels der oben besprochenen Erfindung ausgesucht ist, aber in diesem Fall ist es der Umgebungsluft nur am Außenrand ausgesetzt. Es ist auch nicht so wahrscheinlich, daß ein Verbiegen des Substrates stattfindet, da in dieser Struktur eine Symmetrie für jegliche Biegemomentkräfte vorliegt, die von Temperaturänderungen herrühren würden.
Das Bindeverfahren wird zum Beispiel ausgeführt, indem die Wafers 22, 24 in einer Einspannvorrichtung gehalten werden, welche die äußeren Flächen 28 in zueinander parallelen Verhältnis ausrichtet, während die Zwischenschicht 26 sich setzt.
Die Zwischenschicht 26 kann aus verschiedenen Materialien bestehen, die zur Erfüllung der erwünschten Anwendungsbedingungen ausgewählt worden sind. Zum Beispiel kann die Schicht 26 eine Metallhartlötung 32 sein, wie es in Fig. 4 gezeigt wird, oder eine Glasschicht 34, wie es in Fig. 5 gezeigt wird. Die Glasschicht 34 kann durch das Auftragen von Glasschmelzmasse zwischen die Schichten 22, 24 und darauffolgenes Aufheizen zum Schmelzen der Schmelzmasse gebildet werden. Wenn die Wärmeleitfähigkeit des Substrats 20 eine kritische Größe darstellt, kann das Bindemittel, das für die Zwischenschicht verwendet wird, eine Verbundzwischenschicht 36 sein, die mit Diamantpartikel beladen ist, wie in Fig. 6 gezeigt wird. Die Wärmeleitfähigkeit des so erhaltenen Substrates 10 wird auf jeden Fall auf ein Höchstmaß vergrößert, indem die Dicke der Zwischenschicht 26 auf ein Mindestmaß verringert wird, da die Schicht 26 immer eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als das Diamantmaterial der Wafers 22, 24 aufweisen wird. Es ist wichtig, die Bildung von Lücken im Bindemittel zu verhindern, da sich diese als thermisch isolierendes Material verhalten würden. Die mechanische Unversehrtheit der wie oben besprochenen Mehrfachwaferlaminatstruktur ist im wesentlichen weniger dem Abbau als Folge von Rissen, die in einem Wafer vorhanden sein können, unterworfen.
Während das Substrat 20 aus zwei Diamantfilmschichten gefertigt wird, wird es dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich sein, daß mehrere Schichten nach Wunsch hinzugefügt werden könnten. Zum Beispiel könnte ein dazwischenliegender Diamantfilmwafer hinzugefügt werden, um die Dicke und die Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen. Die dazwischenliegende Schicht müßte auf keiner Seite eine glatte Fläche aufweisen.
Für praktische Anwendungen des neuartigen Substrats, das elektronische Anlagen mit einbezieht, kann es notwendig sein, ein Atz-, Schleif- oder anderes Reinigungsverfahren auf einer oder beiden freien Flächen auszuüben, um jeglichen zurückbleibenden Graphit, der die Oberfläche außerordentlich leitfähig machen würde, zu entfernen.

Claims

1. Diamantelement (10) mit:

einem Diamantfilmwafer (12) mit einer ersten (16) und einer zweiten (14) Fläche, welche sich gegenüberliegen, wobei die erste Fläche (16) glatt und die zweite Fläche (14) rauh ist; und

einer Beschichtung (18) auf der zweiten Fläche (14) wobei die Beschichtung (18) dick genug ist, um zumindest jegliche Täler der zweiten Fläche (14) zu füllen.

2. Diamantelement gemäß Anspruch 1, bei dem die Beschichtung (18) eine freie Oberfläche (19) aufweist, welche im allgemeinen parallel zur ersten Fläche ist.

3. Diamantelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Oberfläche (19) der Beschichtung (18) fertigbearbeitet wird, um relativ zur zweiten Fläche (14) glatt zu sein.

4. Diamantelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Beschichtung (18) mindestens so dick wie die Differenz zwischen dem kleinsten und größten Dickenausmaß des Wafers (12) ist.

5. Diamantelement gemäß Anspruch 4, bei dem die Beschichtung (18) eine Ladung von Partikeln umfaßt.

6. Diamantelement gemäß Anspruch 51 bei denen es sich bei den Partikeln um Diamant handelt.

7. Diamantelement gemäß Anspruch 5 oder 6, bei dem die Ladung von Partikeln in einem Binder ist.

8. Mehrfachwaferdiamantlaminatelement (20) mit:

einem ersten Diamantfilmwafer (22) mit einer ersten, glatten und flachen Fläche (28) und einer dieser gegenüberliegenden zweiten, rauhen Fläche (30);

einem zweiten Diamantfilmwafer (24) mit einer ersten, glatten und flachen Fläche (28) und einer dieser gegenüberliegenden zweiten, rauhen Fläche (30), wobei die zweite Fläche des ersten Wafers (22) mit der zweiten Fläche des zweiten Wafers (24) durch eine Zwischenschicht (26) aus Bindemittel verbunden ist.

9. Element gemäß Anspruch 9, wobei die flache erste Fläche (28) des ersten und jene des zweiten Wafers (22, 24) im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind.

10. Element gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem die zweite Fläche (30) von zumindest dem ersten Element (22) weniger glatt als die erste Fläche (28) ist.

11. Element gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die Zwischenschicht (26) einen Füllstoff (36) feiner Partikel 30 (38) aufweist.

12. Element gemäß Anspruch 11, bei dem die Partikel (38) einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Bindemittel aufweisen.

13. Element gemäß Anspruch 11 oder 12, bei dem es sich bei den Partikeln (38) um Diamant handelt.

14. Element gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13, bei dem das Bindemittel ein organisches Harz ist.

15. Element gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13, bei dem das Bindemittel Glas ist.

16. Verfahren zur Fertigbearbeitung eines Diamantwafers mit einer ersten, glatten und einer zweiten, rauhen Fläche, welche sich gegenüberliegen, das folgendes umfaßt:

Beschichtung der zweiten Fläche des Wafers mit einem Bindemittel zum Ausfüllen jeglicher Täler in dieser Oberfläche.

17. Verfahren gemäß Anspruch 16, das die Fertigbearbeitung der Oberfläche des Bindemittels umfaßt, so daß die Oberfläche der beschichteten zweiten Fläche im wesentlichen parallel zur ersten Fläche des Wafers wird.

18. Verfahren gemäß Anspruch 17, bei dem die Fertigbearbeitung eine Entfernung von Material vom Bindemittel umfaßt.