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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Substrates mit einer polykristallinen Diamantschicht.
Diamant ist ein interessanter Werkstoff, der aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften zu vielen verschiedenen Zwecken eingesetzt werden kann. Zum einen wird er aufgrund seiner extre- men Härte bei Verschleisswerkzeugen verwendet, zum anderen wird seine besonders gute Wärme- leitfähigkeit bei gleichzeitig hohem elektrischen Widerstand zur Ableitung von Wärme aus elektro- nischen Bausteinen verwendet.
Solche Diamantschichten werden zumeist dadurch hergestellt, dass auf einem Substrat eine polykristalline Diamantschicht, z. B. mit Hilfe von PVD- oder CVD-Verfahren (Physical bzw. Chemi- cal Vapor Deposition) abgeschieden wird.
Bei erstgenannter Anwendung ist vor allem eine gute mechanische Verbindung zwischen Substrat und Diamantschicht interessant. Veröffentlichungen, die in diese Richtung gehen sind zum Beispiel die Druckschriften US-PS-5 236 740, US-PS-5 100 703, EP-A1-628 642 und EP-A1-445 305. Dort werden jeweils Verfahren zur Anbringung von Diamantschichten auf Hartme- tallsubstraten beschrieben. Mit Ausnahme der US-PS-5 100 703, die ein gesintertes Wolframcar- bid-Substrat beschreibt, beziehen sich alle diese Veröffentlichungen auf Substratmaterialien, die aus einem Hartstoff und einem Bindemittel bestehen, besonders ausführlich wird in diesem Zusam- menhang Wolframcarbid mit Kobalt als Binder behandelt. Sämtliche dieser Druckschriften stellen sich die Aufgabe, eine möglichst gute Haftung der Diamantschicht auf dem Substrat zu erzielen.
Die US-PS-5 236 740 schlägt dazu vor, in einem ersten Ätzvorgang etwas Wolframcarbid von der Oberfläche des Substrates zu lösen, danach werden in einer zweiten Ätzbehandlung Reste des ersten Ätzmittels sowie etwas Kobalt entfernt. Daran anschliessend wird die Diamantschicht mittels eines Plasma-CVD-Verfahrens aufgebracht. Nach der EP-A1-628 642 wird das WC-Co-Substrat zunächst einer Hitzebehandlung unterworfen, durch welche Kobalt an die Oberfläche des Substra- tes wandert und dort Höcker bildet. Der bei dieser Behandlung entstehende Russ auf der Substrat- oberfläche wird entfernt. Nach Wiederholung der beiden eben beschriebenen Schritte Hitzebe- handlung und Russentfernung wird die Diamantschicht mittels Hot-Filament-CVD-Verfahren aufge- bracht.
Die EP-A1-617 140 schlägt vor, das Hartmetallsubstrat vor der CVD-Beschichtung zu erhitzen, wodurch das sich an der Oberfläche befindliche Kobalt abgedampft wird und damit eine Oberflä- chenrauhigkeit erzielt wird. Nach der EP-A1-445 305 wird das Substrat elektrolytisch poliert, wozu beispielsweise HCI, H2S04 oder HN03 eingesetzt wird. Danach kann noch eine mechanische Aufrauhung des Substrates erfolgen, ehe die Diamantschicht aufgebracht wird.
Die sich auf ein gesintertes, aus W2C und WC bestehendes Substrat beziehende US-PS-5 100 703 schlägt vor, dieses vor der Diamantabscheidung durch Temperaturerhöhung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre zu dekarburieren.
Wie bereits erwähnt, ist es Ziel aller dieser Veröffentlichungen, eine möglichst feste Verbindung zwischen Metall und Substrat herzustellen, sie beschäftigen sich jedoch nicht mit dem Problem der Erreichung eines möglichst guten Wärmeüberganges vom Substrat auf die Diamantschicht.
Schliesslich beschreibt die GB-A-2 253 416 einen Strahlungsabsorber umfassend ein Substrat mit darauf festgelegter CVD-Diamantschicht. Als Substratmaterialien werden Silizium, Metalle, wie Molybdän, Kupfer Wolfram usw. und Keramiken wie SiC, Si3N4 usw. angegeben. In diesem Doku- ment ist aber lediglich die Diamantschicht an sich interessant, das Substrat kann nämlich nach Fertigstellung der Diamantschicht entfernt werden. Folglich werden in dieser Veröffentlichung weder Massnahmen zur Verbesserung der Haftfähigkeit der Diamantschicht noch zur Verbesserung des Wärmeüberganges vom Substrat auf die Diamantschicht angegeben.
Bei den erläuterten Abscheidungsverfahren baut sich die Diamantschicht in der Weise auf, dass zunächst unmittelbar an der Substratoberfläche sehr viele kleine Kristalle gebildet werden, welche dann im weiteren Aufwachsprozess zu wenigen grossen Kristallen zusammenwachsen. Zur Verbes- serung der Wärmeleitfähigkeit sind nun Massnahmen bekannt, die Bildung möglichst vieler Kristalle zu ermöglichen, also die Korndichte am Substrat zu erhöhen. Dadurch kommt es zu einem schnel- leren Zusammenwachsen der einzelnen Kristalle, sodass das eigentliche Schichtenwachstum früher einsetzen und der gesamte Wachstumsprozess dadurch beschleunigt werden kann. Durch diese Massnahmen kann zwar die Wärmeleitung der Diamantschicht insgesamt verbessert werden, ist aber z.
B. unter Berücksichtigung der hohen Packungsdichte elektronischer Bauelemente, insbe-
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sondere Leistungsbauelemente, noch immer wenig zufriedenstellend.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Substrat mit einer polykristallinen Diamantschicht vor- zuschlagen, welche Diamantschicht eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Weiters ist es Aufgabe der Erfindung, ein Substrat der eingangs erwähnten Art anzugeben, das einen guten Wärmeübergang vom Substrat auf die Diamantschicht aufweist. Wieder eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Substrat der erwähnten Art anzugeben, das in gut reproduzierbarer Weise aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden kann. Des weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Substrat der erwähnten Art anzugeben, bei welchem die Struktur der Diamantschicht auf einfa- che Weise verändert werden kann.
Erfindungsgemäss wird dies erreicht durch ein Verfahren zur Herstellung eines Substrates (1 ) mit einer polykristallinen Diamantschicht, wobei das Substrat (1) durch Si3N4 oder AIN gebildet ist, und wobei die Grenzfläche Substrat/Diamant zumindest zu 75% von Diamantkristallen bedeckt ist, die eine Kontaktfläche Substrat/Diamant von ? 20 m2 aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratoberfläche behandelt wird und zwar dass das Substrat (1) durch einen chemischen Ätzpro- zess behandelt wird, wobei der chemische Ätzprozess mittels einer Kali- oder Natronlauge der Konzentation 10 - 90%, gegebenenfalls 20 - 80%, vorzugsweise 30 - 70%, insbesondere 40% - 60%, bzw. durch eine KOH- bzw. NaOH Schmelze durchgeführt wird, und dass anschliessend die Diamantschicht aus der Gasphase, z. B. durch ein CVD-Verfahren wie Hot-Filament-CVD oder Plasma-CVD wie z.B.
Mikrowellen-CVD, Plasma-Jet od. dgl. oder durch ein PVD-Verfahren auf dem Substrat abgeschieden wird.
Dadurch können sich unmittelbar an der Substratoberfläche nur relativ wenige Korngrenzen ausbilden, sodass eine gute Wärmeleitfähigkeit schon im unmittelbar an die Substratoberfläche angrenzenden Bereich der Diamantschicht erzielt wird. Die angegebenen Substrat-Werkstoffe sind einerseits für sich schon gut wärmeleitend und andererseits gut für die Beschichtung mit Diamant geeignet, sodass aus ihnen eine sehr gute Wärmeableiteinrichtung für elektronische Bauteile her- gestellt werden kann.
Durch diese Vorgangsweise kann ferner eine die erwähnten Eigenschaften aufweisende Dia- mantschicht in gut reproduzierbarer Weise auf unterschiedlichen Substraten abgeschieden wer- den.
Weiters kann die Substratoberfläche besonders gut und in genau vorgebbarem Ausmasse be- handelt werden.
Mit Hilfe der Laugen kann die für das Aufwachsen von Diamantkristallen, die an der Grenzflä- che Substrat/Diamant eine mittlere Kontaktfläche 22 20 m2 aufweisen, notwendige Oberflächenbe- schaffenheit sehr genau und gut reproduzierbar erzeugt werden.
Diese Laugen können auf einfache Weise in den nötigen Konzentrationen hergestellt werden.
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass der Ätzprozess bei einer Umgebungs- temperatur von 10 - 600 C, gegebenenfalls von 100 - 500 C, vorzugsweise von 200 - 500 C, insbesondere von 300 C - 500 C durchgeführt wird.
Diese Umgebungstemperaturen können mit einfachen Mitteln erzeugt und verändert werden.
Durch diese Veränderung ist auf einfache Weise eine Beeinflussung der Ätz-Intensität und somit der gewünschten Oberflächenbeschaffenheit möglich.
Weiters kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass der Ätzprozess während einer Zeitdauer von 0,5 s - 60 min, gegebenenfalls von 1 s - 30 min, vorzugsweise von 1 s - 10 min, insbesondere von 5 - 60 s durchgeführt wird.
Auch durch Variation der angegebenen Zeitbereiche kann auf einfache Weise die tatsächlich durch den Ätzvorgang erzielte Oberflächenbeschaffenheit verändert, und damit die zu erzielende Kristalldichte beeinflusst werden.
Vorteilhaft kann es sein, wenn zur Gasphasenabscheidung ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoff, insbesondere ein Gemisch aus Wasserstoff und Methan, verwendet wird, weil dieses ein besonders effizienter Kohlenstoff-Lieferant ist und günstig herzustellen ist.
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass ein Gasgemisch mit einer Kohlenwas- serstoff-Konzentration von 0,25 - 2,5Vol%, insbesondere von 0,5 - 1 ,5Vol% verwendet wird.
Weiters kann vorgesehen sein, dass das Substrat während der Gasphasenabscheidung auf einer Temperatur von 600 - 950 C, insbesondere auf 800 - 900 C gehalten wird.
Beide Prozessbedingungen begünstigen den Aufbau einer erfindungsgemässen Diamantschicht,
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bei welcher zumindest 75% der Startkristalle an der Grenzschicht Substrat/Diamant eine mittlere Kontaktfläche von ? 20 m2 aufweisen.
Die Erfindung wird im folgenden unter Zuhilfenahme der beigeschlossenen Zeichnungen näher erklärt. Dabei zeigt:
Fig. 1a eine bisher bekannte, auf einem Substrat aufgewachsene polykristalline Diamant- schicht im Aufriss im Schnitt;
Fig. 1beine erfindungsgemässe polykristalline Diamantschicht im Aufriss im Schnitt;
Fig. 2a die Diamantschicht nach Fig. 1a im Detail, wieder im Aufriss und in geschnittener Dar- stellung
Fig. 2b eine erfindungsgemässe Diamantschicht nach Fig. 1 b im Detail im Aufriss in geschnitte- ner Darstellung;
Fig. 3 einen Ausschnitt der Oberfläche eines polykristallinen Substrates im Schrägriss.
Zur Herstellung von Diamant bedarf es relativ aufwendiger, zeitintensiver und daher teurer Ver- fahren. Aus diesem Grund ist es besonders wichtig, den erzeugten Diamanten bzw. Diamant- schichten mit optimalsten Eigenschaften auszubilden, sodass der kostenintensive Aufwand gerecht- fertigt ist. Für die Anwendung als Wärmeableitelement bzw. als Teil eines solchen sollte daher eine ganz besonders gute Wärmeleitfähigkeit bei möglichst geringer Schichtdicke durch direktes Auf- wachsen der Diamantkristalle auf dem Substrat erzielt werden, wobei bei den bevorzugten Einsatz- gebieten solcher Wärmeableitelementen deren Wärmeleitfähigkeit in Richtung normal zur Sub- stratoberfläche von Interesse ist.
Der Wärmetransport erfolgt durch Phononen, welche sich innerhalb eines Diamantkristalls be- sonders gut fortpflanzen können. Überall, wo zwei oder mehrere Kristalle aneinander grenzen, sind Korngrenzen 2 vorhanden. Diese Korngrenzen 2 stellen "Hindernisse" für die Phononen dar und vermindern somit die Wärmeleit-Fähigkeit der Diamantschicht.
Die beste Wärmeleitfähigkeit würde also dann erzielt werden, wenn die gesamte Diamant- schicht aus einem einzigen Kristall bestehen würde. Derartige Diamanten lassen sich aber über- haupt nicht bzw. nur mit enormen, wirtschaftlich nicht vertretbarem Aufwand herstellen, sodass in der Praxis mit polykristallinen Diamanten das Auslangen gefunden werden muss.
Das Aufwachsen einer derartigen Diamantschicht auf einem Substrat 1 geht so vor sich, dass sich an Unregelmässigkeiten der Substrat-Oberfläche, wie insbesondere an Korngrenzen des Substrates Startkristalle 3 ansiedeln. Diese wachsen, wie in Fig. 2a dargestellt, schalenweise solange, bis sie aneinander anstossen und eine deckende Schicht bilden. Nach Erreichen dieser deckenden Schicht setzt sich das Diamantwachstum in Form von sog. Stengelkristallen 4, das sind Kristalle, die in Aufwachsrichtung in ihrem Durchmesser stetig grösser werden, fort (vgl. Fig. 1).
Dabei wachsen einige der Startkristalle 3 in Form von Stengelkristallen 4 weiter, während andere "überwachsen" werden. Bei einem solchen Überwachsen kommt es zwischen den Stengelkristallen 4 zur Ausbildung von Korngrenzen 2, die im wesentlichen quer zur Fortpflanzungsrichtung der Phononen liegen.
Als massgeblich für die Wärmeleitfähigkeit der gesamten Diamantschicht wurden bisher stets die Bereiche der Diamantschicht angesehen, in denen es nur noch Stengelkristalle 4 und somit fast nur noch zur Wärmeableit-Richtung parallele Korngrenzen 7 gibt. Damit möglichst rasch die Bildung dieser Stengelkristalle 4 einsetzt, wurde immer getrachtet, schnell die erste, aus den Startkristallen 3 bestehende, deckende Schicht zu erzeugen. Wie in Fig. 1 a dargestellt, wurde dies gemäss dem Stand der Technik dadurch erreicht, dass am Substrat 1, beispielsweise durch Auf- schleifen desselben, viele mögliche Ansatzpunkte 5 für Startkristalle 3 geschaffen wurden.
Da- durch wird aber gleichzeitig die Ausbildung vieler Stengelkristalle 4 angeregt, von denen sehr viele von benachbarten Kristallen "überwachsen" werden, sodass zwangsläufig Korngrenzen 2, die die Phononen-Bewegung in Richtung vertikal zur Substrat-Oberfläche behindern, ausgebildet werden.
Erfindungsgemäss soll die Anzahl der für die Wärmeleitfähigkeit nachteiligen Korngrenzen 2 dadurch vermindert werden, dass bereits die Startkristalle 3, also die Diamantkristalle an der Grenz- fläche Substrat/Diamant relativ gross ausgebildet werden. In konkrekten Zahlen ausgedrückt, soll die Forderung dadurch erreicht werden, dass die Grenzfläche Substrat/Diamant zumindest zu 75% von Diamantkristallen bedeckt ist, die eine Kontaktfläche Substrat/Diamant von 2: 20 m2 aufwei- sen.
Zur Bestimmung der Grössen der Kontaktflächen Substrat/Diamantkristalle wird ein repräsenta-
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tiv ausgewählter Ausschnitt der Grenzfläche Substrat/Diamant von 100pm x 100pm ausgewählt und die Kontaktflächen Substrat/Diamant der darauf befindlichen Kristalle durch Ausplanimetrieren (Ausmessen) bestimmt.
Bei Ausbildung derartiger Startkristalle 3 ergibt sich dann der in Fig. 1 b dargestellte Aufbau der Diamantschicht, bei welchem also schon grosse Startkristalle 3 und dadurch in weiterer Folge grosse Stengelkristalle 4 ausgebildet sind.
Der Durchmesser bzw. die Kontaktfläche Substrat/Diamant der einzelnen Diamantkristalle, wel- che im Übergangsbereich zum Substrat angeordnet sind (und somit deren Dichte) kann gezielt durch entsprechende Behandlung der Substratoberfläche beeinflusst werden. Auf einer unbehan- delten "Roh-Oberfläche" ist eine gewisse Anzahl von Ansatzpunkten 5 für die Kohlenstoffatome der Diamantkristalle vorhanden, es wird sich daher eine dementsprechende Anzahl von kleinen Start- kristallen 3 ausbilden. Wie schon beschrieben, wurde diese Anzahl gemäss dem Stand der Technik als zu gering betrachtet und daher durch eine Vorbehandlung des Substrates 1 physikalischer oder auch chemischer Natur erhöht.
Im Sinne der Erfindung wird jedoch genau das Gegenteil dessen angestrebt, nämlich die Aus- bildung nur weniger Startkristalle 3. Dazu bedarf es einer Behandlung der Substratoberfläche, durch welche der Grossteil der möglichen Kristallisationspunkte 5 entfernt wird und lediglich ausge- wählte Punkte bestehen bleiben. Diese Forderung wird durch einen chemischen Ätzprozess erfüllt, der sowohl auf ein- als auch auf polykristalline Substrat-Materialien anwendbar ist.
Am einfachsten lässt sich besagter Ätzprozess anhand der Fig. 3, einer Darstellung einer poly- kristallinen AIN-Oberfläche, erklären.
Die einzelnen Kristalle 30 liegen "Mann an Mann" aneinander und bilden dabei ebenso wie Diamantkristalle Korngrenzen 31. Durch Verwendung einer Ätzlösung, die das Material bevorzugt an diesen Korngrenzen 31 angreift, können dort Kristallisations-Punkte 5 geschaffen werden.
Besonders bevorzugt sind dabei sog. Tripelpunkte 32, also Punkte, an denen die Begrenzungs- flächen dreier Kristalle 30 aneinanderstossen.
Für den beschriebenen Ätzprozess ist eine Säure oder eine Lauge verwendbar, wobei bevor- zugterweise eine Kali- oder Natronlauge der Konzentation 10 - 90%, gegebenenfalls 20 - 80%, vorzugsweise 30 - 70%, insbesondere 40% - 60%, bzw. eine KOH- bzw. NaOH Schmelze einge- setzt wird.
Mit Hilfe dieser Ätzmittel können sämtliche als Substrat verwendbaren Materialien, also Metall, wie z. B. W, Mo, Cu od. dgl. oder Legierungen aus diesen Metallen oder ein aus diesen Metallen und/oder deren Verbindungen gebildeter Verbundwerkstoff, wie z. B. ein W-Cu- oder ein W-Ag- Verbundwerkstoff oder ein MMC(metal-matrix-composite)-Material, insbesondere ein solches, dessen Infiltriationsmetall Cu ist oder ein solches, das durch Kohlenstoffasern verstärkt ist, gezielt behandelt werden.
Im Zusammenhang mit W und Mo ist allerdings festzuhalten, dass sich beim Diamant-Abschei- dungsprozess auf der Oberfläche dieser Materialien eine Karbid-Schicht ausbildet, auf welcher Karbid-Schicht erst das eigentliche Diamanten-Aufwachsen beginnt.
Bei MMC-Verbundbauteilen, insbesondere bei solchen, die karbid- oder kohlefaserverstärkt sind, ist es von Vorteil, die Oberfläche, auf der der Diamant aufwachsen soll, mit einer geschlosse- nen Metall-Deckschicht, die vorzugsweise aber nicht notwendigerweise aus dem Matrixmetall des Verbundwerkstoffes gebildet ist, zu bedecken, das Verstärkungsmaterial somit nicht an der Bauteil- Oberfläche freiliegen zu lassen.
Sollte dieses -kohlenstoff- oder karbidhaltige- Verstärkungsmaterial freiliegen und somit der kohlenstoffhaltigen Abscheidungs-Atmosphäre ausgesetzt sein, würde es durch diese Atmosphäre zersetzt, sodass sich in die Oberfläche hineinragende Kanäle ausbilden. Die Diamantabscheidung würde dann im Inneren der Kanäle beginnen ; ihr Auffüllen mit Diamant unnötig lange Zeit in An- spruch nehmen.
Neben den bereits angeführten Materialien sind als Substrat-Materialien desweiteren Kerami- ken wie z. B. SiC, Si3N4, A1203, AIN od. dgl. geeignet.
Der Ätzprozess erfolgt bei einer Umgebungstemperatur von 10 - 600 C, gegebenenfalls von 100 - 500 C, vorzugsweise von 200 - 500 C, insbesondere von 300 C - 500 C und während einer Zeitdauer von 0,5 s - 60 min, gegebenenfalls von 1 s - 30 min, vorzugsweise von 1 s - 10 min, insbesondere von 5 - 60 s.
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Obige Ätzlösungen sind in Kombination mit den erwähnten Ätztemperaturen und -zeitdauern insbesonders für die gezielte Vorbehandlung von AIN-Substraten geeignet.
Durch Veränderung einer oder mehrerer Prozessparameter, also z. B. durch Verlängern bzw.
Verkürzen des Ätzprozesses oder durch Abänderung der Umgebungstemperatur kann die Gesamt- Anzahl der angeätzten Kristallisationspunkte, z. B. der Tripelpunkte 32, damit deren Dichte und in weiterer Folge die Anzahl der sich ausbildenden Startkristalle 3 variiert werden.
An den Ätzvorgang anschliessend erfolgt das eigentliche Herstellen der Diamantschicht durch Abscheidung aus der Gasphase. Dafür können unterschiedliche Technologien eingesetzt werden.
Die Abscheidung kann durch ein CVD (Chemical Vapor Deposition) Verfahren erfolgen, wobei sämtliche bekannte Verfahrensmöglichkeiten, wie Hot-Filament-CVD oder Plasma-CVD wie z.B.
Mikrowellen-CVD, Plasma-Jet od. dgl. zum Einsatz kommen können. Eine weitere Möglichkeit der Gasphasenabscheidung ist durch ein PVD (Physical Vapor Deposition)-Verfahren gegeben, welches ebenso zur Herstellung einer erfindungsgemässen Diamantschicht eingesetzt werden kann.
Bei diesen Gasphasenabscheidungs-Verfahren wird das aufzubringende Material, das in gas- förmigen Zustand in einem Trägergas vorhanden ist, bei Temperaturen von 200 - 2000 C über das Substrat geleitet und darauf abgeschieden.
Bevorzugt wird dabei Wasserstoff als Trägergas und ein Kohlenwasserstoff, wie insbesondere Methan, als Kohlenstoff-Lieferant verwendet. Die Ausbildung von Startkristallen in der erfindungs- gemässen Grösse kann dadurch unterstützt werden, dass die Methan-Konzentration in einem Bereich von 0,25 - 2,5 Vol%, insbesondere in einem Bereich von 0,5 - 1,5Voi% gewählt wird. Der Bereich der günstigen Substrattemperatur liegt zwischen 600 und 950 C, insbesondere zwischen 800 und 900 C.
Während des Abscheidungsprozesses wachsen die Startkristalle 3 so wie in Fig. 2b dargestellt, von einigen wenigen Kristallisationspunkten 5 ausgehend in Form von grossen Kristallen, von denen zumindest 75% eine Kontaktfläche Substrat/Diamant von ? 20 m2 aufweisen, auf und gehen dann in Stengelkristalle 4 (vgl. Fig. 1 b) über.
Die Dicke der abgeschiedenen Schicht ist prinzipiell beliebig. Für die Anwendung der Diamant- schicht als Wärmeableiter für elektronische Bauteile ist es jedoch günstig, dass die Diamantschicht an der Oberfläche-wo der zu kühlende Bauteil aufliegt- vollkommen geschlossen ist, die säulen- ähnlich nebeneinander stehenden Stengelkristalle also bereits vollkommen zusammengewachsen sind, damit ein vollflächiger Wärmeübergang von Bauteil auf Diamantschicht gewährleistet ist. Es haben sich in diesem Zusammenhang Schichtdicken zwischen 50 und 500um als ausreichend erwiesen. Als konkretes Beispiel können Laserdioden angeführt werden, hier wird eine Dicke von 300um besonders bevorzugt eingesetzt. Die Verwendung von grösseren Schichtdicken ist aber durchaus vorstellbar und sinnvoll, z.
B. für den Einsatz bei Hochleistungs-Schaltbauelementen, mit denen gegebenenfalls auch impulsförmige Leistungen zu schalten sind.
Für AIN, auf dem sich beschriebene Diamantschichten besonders gut abscheiden lassen, und einige weitere der angegebenen Substrat-Materialien werden im folgenden konkrete Behand- lungsweisen angegeben, die zur Bildung von erfindungsgemäss grossen Diamantkristallen (Kontakt- fläche Substratt/Diamant¯ 20 m2) geführt haben.
Beispiel 1 (AIN): Qualitativ besonders gute und insbesonders gut reproduzierbare Ergebnisse werden erzielt, wenn das AIN-Substrat 10s lang in einer 400 C heissen, 55%igen KOH-Lauge geätzt wird und die Diamantschicht anschliessend durch ein Mikrowellen- oder Hot-Filament-CVD- Verfahren aufwachsen gelassen wird. Als Kohlenstoff-haltiges Gas wird ein Gemisch aus Wasser- stoff und Methan verwendet, wobei die Methan-Konzentration 0,75% beträgt ; dasAIN-Substrat weist während des Abscheidungsvorganges eine Temperatur von 850 C auf.
Beispiel 2 (MMC-Verbundwerkstoffe): Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe, die mit Partikeln oder Fasern verstärkt sind, können ebenfalls mit einem erfindungsgemässen Ätzprozess erfolgreich vorbehandelt werden. Von besonderem Interesse für Elektronikanwendungen sind dabei Ver- bundmaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit und geringer Ausdehnung. Beispiel für einen solchen Verbundwerkstoff ist mit kurzen Kohlenstoffasern verstärktes Kupfer. Wobei eine verbesserte Wirkung des erfindungsgemässen Ätzprozesses und vor allem der anschliessenden Diamantab- scheidung in diesem Fall, wie bei allen kohlenstoff- oder carbidverstärkten Metall-Matrix- Composites, dann erreicht wird, wenn das Verstärkungsmaterial mit einer zumindest dünnen
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Metallschicht vollständig bedeckt ist.
Im Falle des mit kurzen Kohlenstoffasern verstärkten Kupfers, das oberflächlich eine geschlos- sene Deckschicht von 0,1mm Kupfer aufwies, wurde zunächst mit 10%iger Schwefelsäure bei 50 C zwei Stunden lang geätzt und dann gründlich gespült. Auch mit Mischungen von Schwefel- säure und Salpetersäure oder auch mit reiner Salpetersäure konnten recht gute Ätzungen durchge- führt werden, wobei sich dann jedoch die erforderliche Ätzungszeit drastisch reduziert. So konnte mit wässrigen Mischungen von 10% Schwefelsäure und 2% Salpetersäure bei 60 C bereits nach 60 Sekunden interessante Ergebnisse erzielt werden. Die so vorbehandelten Kupfer-Kohlenstoff Verbundwerkstoffe wurden anschliessend in einem Hot-Filament oder Mikrowellen-CVD-Prozess mit Diamant beschichtet.
Als Abscheidebedingungen erwiesen sich Substrattemperaturen von 870 C und Methankonzentrationen von 1% in Wasserstoff als besonders günstig.
Beispiel 3 (Kupfer): In Beispiel 2 wurde ein MMC-Verbundbauteil beschrieben, der oberfläch- lich von einer dünnen Kupferschicht bedeckt ist. Für die Abscheidung auf einem Kupfersubstrat (ohne Verstärkungsmaterial) sind daher dieselben Behandlungs-Schritte mit denselben Prozess- parametern anwendbar.
Beispiel 4 (Molybdän, Wolfram): Für die Ätzung von Substraten, die aus Molybdän, Wolfram oder deren Legierungen gebildet sind, hat sich eine Mischung : Salzsäure(37%ig) : Salpetersäure (65%ig) : Flusssäure (40%ig) im Volumsverhältnis 2 : 1 : 2 als günstig erwiesen. Behandlungsdauer und-temperatur liegen in den vorstehend angegebenen Bereichen, also Sekunden bis Minuten bzw. 10 C bis einige 100 C.
Alternativ dazu wurden in etwa dieselben Ergebnisse mittels einer "Murakami-Ätzung" erzielt.
Dabei wurden 10g Kaliumhydroxid in 100m1 dest. Wasser aufgelöst; 10g Kaliumferricyanid in 100ml dest. Wasser aufgelöst und beide Lösungen im Verhältnis 1 :1 vermischt. Be- handlungszeit und Temperatur entsprachen jener der zuvor angeführten Säuren-Ätzung. Diamant- abscheidung wie bei Beispiel 2.
Beispiel 5 (Al2O3): Dieses Material wurde mittels einer Mischung dest. Wasser und 40%iger Flusssäure (Mischungsverhältnis 1:10) bei Temperaturen zwischen 60 C und 80 C für eine Dauer von 10 bis 60min vorbehandelt. Die Diamantabscheidung erfolgte mit den in Beispiel 1 angeführten Parametern.
Beispiel 6 (Si3N4): a) Ätzbehandlung und Abscheide-Verfahren wie bei Beispiel 1 (AIN) b) Ätzbehandlung durch eine kochende Mischung dest. Wasser-Phosphorsäure (85%ig) im Volumsverhältnis 15 : 85, während einer Dauer von 5 bis 60 min. Abscheide-Verfahren wieder wie bei Beispiel 1 (AIN).
Beispiel 7 (SiC): Ätzbehandlung durch eine Natrium- oder Kaliumbikarbonat-Schmelze bei einer Temperatur von 900 C, Zeitdauer zwischen 1 und 60 min ; wie bei Bei- spiel 1 (AIN).
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung eines Substrates (1) mit einer polykristallinen Diamantschicht, wobei das Substrat (1) durch Si3N4 oder AIN gebildet ist, und wobei die Grenzfläche Sub- strat/Diamant zumindest zu 75% von Diamantkristallen bedeckt ist, die eine Kontaktfläche
Substrat/Diamant von ? 20 m2 aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrat- oberfläche behandelt wird und zwar dass das Substrat (1) durch einen chemischen Ätzpro- zess behandelt wird, wobei der chemische Ätzprozess mittels einer Kali- oder Natronlauge der Konzentration 10 - 90%, gegebenenfalls 20 - 80%, vorzugsweise 30 - 70%, insbe- sondere 40% - 60%, bzw. durch eine KOH- bzw. NaOH Schmelze durchgeführt wird, und dass anschliessend die Diamantschicht aus der Gasphase, z. B. durch ein CVD-Verfahren wie Hot-Filament-CVD oder Plasma-CVD wie z.B.
Mikrowellen-CVD, Plasma-Jet od. dgl. oder durch ein PVD-Verfahren auf dem Substrat abgeschieden wird.