Металлизированная пластина алмаза и способ ее изготовления

Металлизированная пластина алмаза и способ ее изготовления

Реферат

Изобретения относятся к электронной технике и могут быть использованы, например, для монтажа диодов, транзисторов и других элементов электронной техники, требующих повышенного теплоотвода и электроизоляции.

Металлизированная пластина алмаза, в том числе и прежде всего искусственного алмаза, является перспективной с этой точки зрения, так как теплопроводность алмаза, в том числе и искусственного, значительно выше теплопроводности известных материалов, а сам он является изолятором.

Для металлизации обычно используют хорошо электропроводящие металлы - медь, золото, алюминий.

Однако непосредственная металлизация алмаза этими металлами не представляется возможной из-за слабой адгезии этих металлов к алмазу.

Известно, с целью повышения адгезии металла к алмазу, введение в металлизированную пластину алмаза промежуточного слоя между пластиной алмаза и хорошо электропроводящей металлизацией.

При этом роль промежуточного слоя состоит в том, что он образует соединение с углеродом, из атомов которого состоит алмаз, в частности в виде карбида металла, что и обеспечивает высокую адгезию металла к алмазу.

Известна металлизированная пластина алмаза и способ ее изготовления, в которой промежуточный слой выполнен из никеля и его химического соединения [1].

Данная металлизированная пластина алмаза изготовлена осаждением никеля на активированную в высокочастотной плазме кислорода и органических соединениях поверхность пластины алмаза. Такая обработка способствует образованию активных атомных групп на поверхности пластины алмаза, которые и позволяют реализовать процесс хемосорбции осажденного никеля и создать промежуточный слой между металлом и алмазом в виде химического соединения, которое и обеспечивает повышенную адгезию металла к алмазу.

Данная металлизированная пластина алмаза, изготовленная данным способом, выдерживает испытание на отрыв лентой Scotch ТМ.

Преимуществом данного способа изготовления металлизированной пластины алмаза является то, что он проводится без нагрева.

Однако во многих случаях, например, при использовании данной металлизированной пластины алмаза в электронной технике, такая адгезия металла к алмазу недостаточна.

Известна металлизированная пластина алмаза и способ ее изготовления, в которой промежуточный слой выполнен в виде слоя одного из металлов, таких как титан, ванадий, хром, ниобий, и слоя соединения соответствующего металла с углеродом [2].

Данная металлизированная пластина алмаза изготовлена в результате обработки пластины алмаза с нанесенным на нее слоем одного из указанных выше металлов, при температуре 500°С и выше в течение 18-48 часов.

Такая высокая температура и длительное время обработки приводят к образованию карбидов металлов, что и обеспечивает достаточно высокую адгезию металла к алмазу в металлизированой пластине алмаза.

Но, с другой стороны, высокая температура ее изготовления может приводить к деградации свойств пластины алмаза, а именно графитизации и, как следствие, изменению электрофизических параметров металлизированной пластины алмаза, что также недопустимо в случае использования ее в электронной технике.

Кроме того, процесс изготовления очень длительный.

Известна металлизированная пластина алмаза и способ ее изготовления - прототип, в которой промежуточный слой выполнен из вольфрама и слоя соединения вольфрама с углеродом [3].

Данная металлизированная пластина алмаза изготовлена в результате прогрева алмазной пластины с нанесенным на нее слоем вольфрама, в бескислородной среде при температуре 700-1200°С в течение 5-60 минут.

Данная металлизированная пластина алмаза обладает высокой адгезией вольфрама к алмазу, более 700 кгс/см².

Процесс ее изготовления не является столь длительным, как предыдущий.

Однако еще более высокая температура изготовления может приводить и к более глубоким процессам деградации свойств пластины алмаза - графитизации, а следовательно, и изменению основных электрофизических параметров, таких как теплопроводность и удельное сопротивление.

Техническим результатом изобретений является обеспечение высоких электрофизических параметров путем исключения деградации свойств пластины алмаза, при сохранении высокой адгезии металла к алмазу.

Технический результат достигается тем, что в известной металлизированной пластине алмаза, содержащей промежуточный слой между пластиной алмаза и металлизацией в виде слоя материала промежуточного слоя и слоя соединения его с углеродом пластины алмаза, обеспечивающий адгезию металла к алмазу, промежуточный слой выполнен в виде слоя кремния толщиной 0,04-0,1 мкм и слоя соединения кремния с углеродом с концентрацией кремния в нем 10¹⁹-10²¹ ат/см^3..

Металлизированная пластина алмаза может быть выполнена как из натурального, так и искусственного (CVD) алмаза.

Металлизированная пластина алмаза может быть металлизирована с обеих сторон.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления металлизированной пластины алмаза, включающем формирование промежуточного слоя между пластиной алмаза и металлизацией, обеспечивающего адгезию металла к алмазу, и нанесение металлизации, промежуточный слой формируют нанесением слоя кремния толщиной менее 0,1 мкм на пластину алмаза с последующим облучением его ускоренными ионами с массой, равной или большей массы атомов кремния с энергией 30-200 кэВ и дозой облучения 100-1000 мкКл/см².

В качестве ускоренных ионов используют ионы аргона.

Выполнение промежуточного слоя в виде слоя кремния толщиной 0,04-0,1 мкм и слоя соединения кремния с углеродом с концентрацией кремния в нем 10¹⁹-10²¹ ат/см³ позволяет перейти от контакта металл - алмаз к контакту металл - кремний, который, как правило, реализуются при низкой температуре, порядка 150-200°С, что исключает вероятность деградации свойств металлизированной пластины алмаза, а именно графитизации, а следовательно, обеспечивает высокие электрофизические параметры металлизированной алмазной пластины, такие как теплопроводность и удельное сопротивление.

Толщина слоя кремния, указанная в формуле изобретения, обусловлена, во-первых, необходимостью обеспечения минимального влияния промежуточного слоя на теплопроводность металлизированной пластины алмаза и, во-вторых, способом изготовления.

Толщина слоя кремния должна быть близка к величине среднего проективного пробега ионов (R_p), так как при этом достигается максимальная эффективность создания так называемых атомов отдачи, в данном случае атомов кремния, которые образуют слой соединения с углеродом пластины алмаза. При толщине кремния 0,04-0,1 мкм энергия ионов, при которых величина среднего проективного пробега ионов лежит в этом интервале, составляет 30-200 кэВ, что обеспечивается большинством типов промышленных установок - имплантеров.

Такая толщина обеспечивает и минимальное влияние промежуточного слоя на теплопроводность металлизированной пластины алмаза.

Так, например, при стандартной толщине пластины искусственного (CVD) алмаза 100-1000 мкм толщина слоя кремния составляет менее 0,1 процента от толщины пластины алмаза, что обуславливает практически отсутствие его влияния на теплопроводность металлизированной пластины алмаза.

Толщина слоя кремния менее 0,04 мкм ограничена, во-первых, технической сложностью его получения и контроля, а во-вторых, учетом неизбежного его окисления при попадании в атмосферу. При этом образуется естественный окисел толщиной около 0,02 мкм.

А толщина слоя кремния более 0,1 мкм ограничена, во-первых, существенным ухудшением теплопроводящих свойств металлизированной пластины алмаза, а во-вторых, как было сказано выше, возможностью имплантеров.

Экспериментально доказано, что концентрация атомов кремния в слое соединения кремния с углеродом, находящаяся в диапазоне 10¹⁹-10²¹ ат/см³, достаточна для обеспечения высокой адгезии металла к алмазу.

Концентрация атомов кремния в слое соединения кремния с углеродом менее 10¹⁹ ат/см² недостаточна для получения высокой адгезии металла к алмазу, а более 10²¹ ат/см² нецелесообразна, так как ее увеличение, во-первых, практически не повышает адгезию металла к алмазу, а во-вторых, ограничено возможностью обеспечения большинством типов имплантеров.

Контакт металл - кремний позволяет использовать известные технологические способы создания металлизации, обеспечивающие изготовление металлизированной пластины алмаза с высокой адгезией металла к алмазу, порядка 700 кгс/см² и выше.

Это, например, металлизация кремния с подслоем титана с последующим напылением молибдена и никеля, с последующим гальваническим нанесением золота.

В процессе формирования промежуточного слоя, нанесения слоя кремния и последующего его облучения ускоренными ионами на границе кремний - алмаз происходит насыщение приповерхностного слоя алмаза атомами кремния - атомами отдачи.

При этом энергия атомов отдачи трансформируется в тепло -"тепловые пики торможения", в результате локальная температура может достигать тысяч градусов, которая и обеспечивает в этих местах образование химических соединений углерода с кремнием, в том числе и карбида кремния, обеспечивающих высокую адгезию металла к алмазу, порядка 700-800 кгс/см² в металлизированной пластине алмаза.

Возможность локального, мгновенного, в течение менее 10^-11 секунд, повышения температуры до нескольких тысяч градусов исключает необходимость высокотемпературного прогрева всей пластины алмаза, при этом ее температура в целом не превышает 50-100°С, и тем самым исключается процесс деградации свойств пластины алмаза, а именно графитизации, а следовательно, обеспечивается получение высоких электрофизических параметров металлизированной пластины алмаза, таких как теплопроводность и удельное сопротивление, при сохранении высокой адгезии металла к алмазу.

Наиболее эффективно для создания атомов отдачи использовать ионы с массой, равной или большей массы атомов кремния, которая равна 28 а.е.м., например, ионы аргона, масса ионов которого равна 40 а.е.м.

Изобретения поясняются чертежами.

На фиг.1 дан разрез металлизированной пластины алмаза, где алмазная пластина 1, слой соединения кремния с углеродом 2 и слой кремния 3, которые образуют промежуточный слой, металлизация 4.

Пример 1.

Проводят расчеты соответствия толщины слоя кремния 3 и концентрации атомов кремния в слое соединения кремния с углеродом 2 с энергией облучения ускоренными ионами и дозой облучения.

На пластине искусственного (CVD) алмаза 1 размером 0,3×15×15 мкм формируют промежуточный слой, для этого на пластину искусственного (CVD) алмаза 1 напыляют слой кремния 3 на установке вакуумного осаждения УВН РЭ.Э-60 толщиной 0,07 мкм, после чего проводят облучение слоя кремния 3 ионами аргона, масса ионов которого равна 40 а.е.м. с энергией 100 кэВ и дозой облучения 200 мкКл/см² на имплантере "Лада-30", для формирования слоя соединения кремния с углеродом 2 с концентрацией кремния в этом слое, равной 10²⁰ ат/см³, а затем наносят металлизацию 4, для чего последовательно напыляют слои Ti-Mo-Ni толщиной 0,1, 0,1, 0,2 мкм соответственно на установке вакуумного осаждения УВН РЭ.Э-60.

Примеры 2-3.

Аналогично примеру 1 были изготовлены металлизированные пластины искусственного (CVD) алмаза, но с толщиной слоя кремния 0,04 и 0,1 мкм, с концентрацией кремния 10¹⁹ и 10²¹ ат/см³ в слое соединения кремния с углеродом, с энергией облучения ускоренными ионами 30 и 200 кэВ, дозой облучения 100 и 1000 мкКл/см² соответственно.

На изготовленных образцах металлизированных пластин алмаза были измерены электрофизические параметры - теплопроводность и удельное сопротивление.

Предварительно вышеуказанные параметры были измерены на исходных пластинах алмаза, перед формированием промежуточного слоя и нанесения металлизации.

Изготовленные образцы металлизированных пластин алмаза были также испытаны на отрыв на разрывной установке.

Данные сведены в таблицу.

Таблица.
№ п/п	Толщина слоя кремния, мкм	Концентрация кремния в слое соединения кремния с углеродом, ат/см3	Энергия ускоренных ионов, кэВ	Доза облучения, мкКл/см2	Электрофизические параметры пластины алмаза	Адгезия к алмазу, кГс/см2
неметаллизированной	металлизированной
Теплопроводность, Вт/мК	Удельное сопротивление, Ом·см	Теплопроводность, Вт/мК	Удельное сопротивление, Ом·см
1	70	1020	100	250	1200-1500	>1013	1200-1500	>1013	810
2	40	1019	30	100	1200-1500	>1013	1200-1500	>1013	780
3	100	1021	200	1000	1200-1500	>1013	1200-1500	>1013	810

Как видно из таблицы, металлизированные пластины алмаза как до металлизации, так и после имеют высокие электрофизические параметры - теплопроводность порядка 1200-1500 Вт/мК и удельное сопротивление более 10¹³ Ом·см, что подтверждает отсутствие деградации свойств пластины алмаза, а именно графитизации, в процессе изготовления металлизации.

При этом металлизированные пластины алмаза имеют высокую адгезию металла к алмазу около 800 кгс/см².

Предлагаемые изобретения - металлизированная пластина алмаза и способ ее изготовления позволят по сравнению с прототипом обеспечить высокие электрофизические параметры металлизированной пластины алмаза - теплопроводность и удельное сопротивление при сохранении высокой адгезии металла к алмазу.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент США №6348240, опубл. 19.02.2002 г. НКИ 427/539.

2. Патент США №5853888, опубл. 29.12.1998 г. НКИ 428/408.

3. Патент США №5346719, опубл. 13.09.1994 г. НКИ 427/968.

1. Металлизированная пластина алмаза, содержащая промежуточный слой между пластиной алмаза и металлизацией в виде слоя материала промежуточного слоя и слоя соединения его с углеродом, обеспечивающий адгезию металла к алмазу, отличающаяся тем, что промежуточный слой выполнен в виде слоя кремния толщиной 0,04-0,1 мкм и слоя соединения кремния с углеродом с концентрацией кремния в нем 10¹⁹-10²¹ ат/см³.

2. Металлизированная пластина алмаза по п.1, отличающаяся тем, что пластина алмаза может быть выполнена как из натурального так и искусственного (CVD) алмаза.

3. Металлизированная пластина алмаза по п.1, отличающаяся тем, что пластина алмаза может быть металлизирована с обеих сторон.

4. Способ изготовления металлизированной пластины алмаза, включающий формирование промежуточного слоя между пластиной алмаза и металлизацией, обеспечивающего адгезию металла к алмазу, и нанесение металлизации, отличающийся тем, что промежуточный слой формируют нанесением слоя кремния на пластину алмаза с последующим облучением его ускоренными ионами с массой, равной или большей массы атомов кремния, с энергией 30-200 кэВ и дозой облучения 100-1000 мкКл/см².

5. Способ изготовления металлизированной пластины алмаза по п.4, отличающийся тем, что в качестве ускоренных ионов используют ионы аргона.