DE19710202A1 - Substrat mit einer polykristallinen Diamantschicht - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Substrat 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 extremen Härte bei Verschleißwerkzeugen verwendet, zum anderen wird seine besonders gute Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig hohem elektrischen Widerstand zur Ableitung von Wärme aus elektronischen Bausteinen verwendet.

Diamant für die zuletzt genannte Anwendung wird zumeist dadurch hergestellt, daß auf einem Substrat eine polykristalline Diamantschicht, z. B. mit Hilfe von PVD- oder CVD-Verfahren (Physical bzw. Chemical Vapor Deposition) abgeschieden wird.

Bei diesen 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. Es sind nun Maßnahmen bekannt, die Bildung möglichst vieler Kristalle zu ermöglichen, also die Korndichte am Substrat zu erhöhen. Dadurch kommt es zu einem schnelleren Zusammenwachsen der einzelnen Kristalle, so daß 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, insbesondere Leistungsbauelemente, noch immer wenig zufriedenstellend.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Substrat mit einer polykristallinen Diamantschicht vorzuschlagen, 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. Desweiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Substrat der erwähnten Art anzugeben, bei welchem die Struktur der Diamantschicht auf einfache Weise verändert werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das Substrat umfaßt: ein Metall, wie z. B. W, Mo, Cu od. dgl. oder eine Legierung aus diesen Metallen oder einen aus diesen Metallen und/oder deren Verbindungen gebildeten Verbundwerkstoff, wie z. B. einen 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, oder daß das Substrat durch eine Keramik wie z. B. SiC, Si₃N₄, Al₂O₃, AlN od. dgl. gebildet ist und daß die Grenzfläche Substrat/Diamant zumindest zu 75% von Diamantkristallen bedeckt ist, die eine Kontaktfläche Substrat/Diamant von 20 µm² aufweisen.

Dadurch können sich unmittelbar an der Substratoberfläche nur relativ wenige Korngrenzen ausbilden, so daß 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, so daß aus ihnen eine sehr gute Wärmeableiteinrichtung für elektronische Bauteile hergestellt werden kann.

Ein weiters Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Substrates mit einer polykristallinen Diamantschicht der oben erwähnten Art anzugeben.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Substratoberfläche behandelt 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.

Durch diese Vorgangsweise kann eine die erwähnten Eigenschaften aufweisende Diamantschicht in gut reproduzierbarer Weise auf unterschiedlichen Substraten abgeschieden werden.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung kann sein, daß bei Verwendung eines kohlenstoff- oder carbidverstärkten MMC-Materials als Substrat die Oberfläche dieses MMC-Materials mit einer deckenden Metallschicht bedeckt wird, wobei die Metallschicht vorzugsweise aus dem Infiltrationsmetall selbst gebildet wird.

Damit ist auch bei aus zwei unterschiedlichen Materialien - nämlich Verstärkungsmaterial und Infiltrationsmetall - gebildeten MMC-Substraten eine homogene Oberfläche und damit ein über diese Oberfläche homogenes Aufwachsen erreichbar.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, daß das Substrat durch einen chemischen Ätzprozeß behandelt wird.

Damit kann die Substratoberfläche besonders gut und in genau vorgebbarem Ausmaße behandelt werden.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, daß der chemische Ätzprozeß unter Verwendung einer Säure oder einer Lauge durchgeführt wird. Mit Hilfe eines dieser beiden Medien kann die für das Aufwachsen von Diamantkristallen, die an der Grenzfläche Substrat/Diamant eine mittlere Kontaktfläche 20 µm² aufweisen, notwendige Oberflächenbeschaffenheit sehr genau und gut reproduzierbar erzeugt werden. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß der chemische Ätzprozeß mittels einer Kali- oder Natronlauge der Konzentration 10-90%, gegebenenfalls 20-80%, vorzugsweise 30-70%, insbesondere 40%-60%, bzw. durch eine KOH- bzw. NaOH- Schmelze durchgeführt wird.

Diese Laugen können auf einfache Weise in den nötigen Konzentrationen hergestellt werden. In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, daß der Ätzprozeß bei einer Umgebungstemperatur 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 Kohlenwasserstoff-Konzentration von 0,25-2,5 Vol-%, insbesondere von 0,5-1,5 Vol-% 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, bei welcher zumindest 75% der Startkristalle an der Grenzschicht Substrat/Diamant eine mittlere Kontaktfläche von 20 µm² aufweisen.

Die Erfindung wird im folgenden unter Zuhilfenahme der bei geschlossenen Zeichnungen näher erklärt.

Dabei zeigt:

Fig. 1a eine bisher bekannte, auf einem Substrat aufgewachsene polykristalline Diamantschicht im Aufriß im Schnitt;

Fig. 1b eine erfindungsgemäße polykristalline Diamantschicht im Aufriß im Schnitt;

Fig. 2a die Diamantschicht nach Fig. 1a im Detail, wieder im Aufriß und in geschnittener Darstellung

Fig. 2b eine erfindungsgemäße Diamantschicht nach Fig. 1b im Detail im Aufriß in geschnittener Darstellung;

Fig. 3 einen Ausschnitt der Oberfläche eines polykristallinen Substrates im Schrägriß.

Zur Herstellung von Diamant bedarf es relativ aufwendiger, zeitintensiver und daher teurer Verfahren. Aus diesem Grund ist es besonders wichtig, den erzeugten Diamanten bzw. Diamantschichten mit optimalsten Eigenschaften auszubilden, so daß der kostenintensive Aufwand gerechtfertigt ist. Für die Anwendung als Wärmeableitelement bzw. als Teil eines solchen sollte daher eine ganz besonders gute Wärmeleitfähigkeit bei möglichst geringer Schichtdicke durch direktes Aufwachsen der Diamantkristalle auf dem Substrat erzielt werden, wobei bei den bevorzugten Einsatzgebieten solcher Wärmeableitelementen deren Wärmeleitfähigkeit in Richtung normal zur Substratoberfläche von Interesse ist.

Der Wärmetransport erfolgt durch Phononen, welche sich innerhalb eines Diamantkristalls besonders 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 Diamantschicht aus einem einzigen Kristall bestehen würde. Derartige Diamanten lassen sich aber überhaupt nicht bzw. nur mit enormen, wirtschaftlich nicht vertretbarem Aufwand herstellen, so daß 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. 1a dargestellt, wurde dies gemäß dem Stand der Technik dadurch erreicht, daß am Substrat 1, beispielsweise durch Aufschleifen desselben, viele mögliche Ansatzpunkte 5 für Startkristalle 3 geschaffen wurden. Dadurch wird aber gleichzeitig die Ausbildung vieler Stengelkristalle 4 angeregt, von denen sehr viele von benachbarten Kristallen "überwachsen" werden, so daß 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 Grenzfläche 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 20 µm² aufweisen.

Zur Bestimmung der Größen der Kontaktflächen Substrat/Diamantkristalle wird ein repräsentativ ausgewählter Ausschnitt der Grenzfläche Substrat/Diamant von 100 µm × 100 µm 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. 1b 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, welche im Übergangsbereich zum Substrat angeordnet sind (und somit deren Dichte) kann gezielt durch entsprechende Behandlung der Substratoberfläche beeinflußt werden. Auf einer unbehandelten "Roh-Oberfläche" ist eine gewisse Anzahl von Ansatzpunkten 5 für die Kohlenstoffatome der Diamantkristalle vorhanden, es wird sich daher eine dementsprechende Anzahl von kleine Startkristallen 3 ausbilden. Wie schon beschrieben, wurde diese Anzahl gemäß dem Stand der Technik als zu gering betrachtet und daher durch eine Vorbehandlung des Substrates 2 physikalischer oder auch chemischer Natur erhöht.

Im Sinne der Erfindung wird jedoch genau das Gegenteil dessen angestrebt, nämlich die Ausbildung nur weniger Startkristalle 3. Dazu bedarf es einer Behandlung der Substratoberfläche, durch welche der Großteil der möglichen Kristallisationspunkte 5 entfernt wird und lediglich ausgewählte 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 polykristallinen AlN-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 Begrenzungsflächen dreier Kristalle 30 aneinanderstoßen.

Für den beschriebenen Ätzprozeß ist eine Säure oder eine Lauge verwendbar, wobei bevorzugterweise eine Kali- oder Natronlauge der Konzentration 10-90%, gegebenenfalls 20-80%, vorzugsweise 30-70%, insbesondere 40%-60%, bzw. eine KOH- bzw. NaOH- Schmelze eingesetzt 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-Abscheidungsprozeß 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 geschlossenen 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, so daß sich in die Oberfläche hineinragende Kanäle ausbilden. Die Diamantabscheidung würde dann im Inneren der Kanäle beginnen; ihr Auffüllen mit Diamant unnötig lange Zeit in Anspruch nehmen.

Neben den bereits angeführten Materialien sind als Substrat-Materialien desweiteren Keramiken wie z. B. SiC, Si₃N₄, Al₂O₃, AlN 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.

Obige Ätzlösungen sind in Kombination mit den erwähnten Ätztemperaturen und -zeitdauern insbesonders für die gezielte Vorbehandlung von AlN-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 gasförmigen 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 erfindungsgemäßen Größe kann dadurch unterstützt werden, daß die Methan-Konzentration in einem Bereich von 0,25-2,5 Vol-%, insbesondere in einem Bereich von 0,5-1,5 Vol-% 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 µm² aufweisen, auf und gehen dann in Stengelkristalle 4 (vgl. Fig. 1b) über.

Die Dicke der abgeschiedenen Schicht ist prinzipiell beliebig. Für die Anwendung der Diamantschicht 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 säulenähnlich 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 500 µm als ausreichend erwiesen. Als konkretes Beispiel können Laserdioden angeführt werden, hier wird eine Dicke von 300 µm besonders bevorzugt eingesetzt. Die Verwendung von größere 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 AlN, auf dem sich beschriebene Diamantschichten besonders gut abscheiden lassen, und einige weitere der angegebenen Substrat-Materialien werden im folgenden konkrete Behandlungsweisen angegeben, die zur Bildung von erfindungsgemäß großen Diamantkristallen (Kontaktfläche Substrat/Diamant 20 µm²) geführt haben.

Beispiel 1 (AlN)

Qualitativ besonders gute und insbesonders gut reproduzierbare Ergebnisse werden erzielt, wenn das AlN-Substrat 10 s 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 Wasserstoff und Methan verwendet, wobei die Methan-Konzentration 0,75% beträgt; das AlN-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 Verbundmaterialien 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 Diamantabscheidung in diesem Fall, wie bei allen kohlenstoff- oder carbidverstärkten Metall-Matrix-Composites, dann erreicht wird, wenn das Verstärkungsmaterial mit einer zumindest dünnen Metallschicht vollständig bedeckt ist.

Im Falle des mit kurzen Kohlenstoffasern verstärkten Kupfers, das oberflächlich eine geschlossene Deckschicht von 0,1 mm Kupfer aufwies, wurde zunächst mit 10%iger Schwefelsäure bei 50°C zwei Stunden lang geätzt und dann gründlich gespült. Auch mit Mischungen von Schwefelsäure und Salpetersäure oder auch mit reiner Salpetersäure konnten recht gute Ätzungen durchgeführt 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 oberflächlich von einer dünnen Kupferschicht bedeckt ist. Für die Abscheidung auf einem Kupfersubstrat (ohne Verstärkungsmaterial) sind daher dieselben Behandlungs-Schritte mit denselben Prozeßparametern 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 Volumensverhältnis 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 10 g Kaliumhydroxid in 100 ml dest. Wasser aufgelöst; 10 g Kaliumferricyanid in 100 ml dest. Wasser aufgelöst und beide Lösungen im Verhältnis 1 : 1 miteinander vermischt. Behandlungszeit und Temperatur entsprachen jener der zuvor angeführten Säuren-Ätzung. Diamantabscheidung 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 60 min vorbehandelt. Die Diamantabscheidung erfolgte mit den in Beispiel 1 angeführten Parametern.

Beispiel 6 (Si₃N₄)

a) Ätzbehandlung und Abscheide-Verfahren wie bei Beispiel 1 (AlN)

b) Ätzbehandlung durch eine kochende Mischung dest. Wasser-Phosphorsäure (85%ig) im Volumensverhältnis 15 : 85, während einer Dauer von 5 bis 60 min. Abscheide-Verfahren wieder wie bei Beispiel 1 (AlN).

Beispiel 7 (SiC)

Ätzbehandlung durch eine Natrium- oder Kaliumbikarbonat-Schmelze bei einer Temperatur von 900°C, Zeitdauer zwischen 1 und 60 min; Abscheideverfahren wie bei Beispiel 1 (AlN).

Claims (11)

1. Substrat mit einer polykristallinen Diamantschicht, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) umfaßt: ein Metall, wie z. B. W, Mo, Cu od. dgl. oder eine Legierung aus diesen Metallen oder einen aus diesen Metallen und/oder deren Verbindungen gebildeten Verbundwerkstoff, wie z. B. einen 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, oder daß das Substrat durch eine Keramik wie z. B. SiC, Si₃N₄, Al₂O₃, AlN od. dgl. gebildet ist und daß die Grenzfläche Substrat/Diamant zumindest zu 75% von Diamantkristallen bedeckt ist, die eine Kontaktfläche Substrat/Diamant von 20 µm² aufweisen.

2. Verfahren zur Herstellung eines Substrates (1) mit einer polykristallinen Diamantschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratoberfläche behandelt 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.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines kohlenstoff- oder carbidverstärkten MMC-Materials als Substrat (1) die Oberfläche dieses MMC-Materials mit einer deckenden Metallschicht bedeckt wird, wobei die Metallschicht vorzugsweise aus dem Infiltrationsmetall selbst gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) durch einen chemischen Ätzprozeß behandelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der chemische Ätzprozeß unter Verwendung einer Säure oder einer Lauge durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der chemische Ätzprozeß mittels einer Kali- oder Natronlauge der Konzentration 10-90%, gegebenenfalls 20-80%, vorzugsweise 30-70%, insbesondere 40%-60%, bzw. durch eine KOH- bzw. NaOH-Schmelze durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ätzprozeß bei einer Umgebungstemperatur von 10°-600°C, gegebenenfalls von 100-500°C, vorzugsweise von 200°-500°C, insbesondere von 300°C-500°C durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, 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.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gasphasenabscheidung ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoff, insbesondere ein Gemisch aus Wasserstoff und Methan, verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasgemisch mit einer Kohlenwasserstoff-Konzentration von 0,25-2,5 Vol-%, insbesondere von 0,5-1,5 Vol-% verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat während der Gasphasenabscheidung auf einer Temperatur von 600-950°C, insbesondere auf 800-900°C gehalten wird.