Производство поликристаллических алмазных пленок методом осаждения из паровой фазы

Институт прикладной физики РАН

Р А НИ П Ф

Производство поликристаллических алмазных пленок методом

осаждения из паровой фазы

Нижний Новгород, 2005г.


Р А НИ П Ф

Существует спрос на дешевые поликристаллические алмазные пластины для изготовления лазерных и рентгеновских окон, линз, выходных окон технологических лазеров ИК-диапазона и мощных источников электромагнитного излучения миллиметрового диапазона (гиротронов). Искусственный алмаз является перспективным материалом для изготовления мощных компактных электронных и оптоэлектронных приборов, которые могут работать в самых экстремальных условиях. Использование дешевых алмазных пленок предвещает революцию в электронике и микроэлектронике. Широкое практическое использование алмазных пленок, особенно в микроэлектронике и оптике, следует ожидать, только если CVD-технология (осаждение из паровой фазы) выйдет на более качественный уровень, который сможет обеспечить одновременное выполнение следующих условий осаждения: скорость роста пленки более 10 мкм в час, площадь осаждения более 100 см2, формирование высококачественных алмазных пленок,

CVD-алмаз – материал 21 века


Р А НИ П Ф

Применение алмазных пленок основываются на уникальных физических свойствах, которыми они обладают: чрезвычайная механическая твердость (до 90 ГПа) и износостойкость, низкий коэффициент трения ~ 0,02, наивысший модуль упругости (1,21012 Н/м2), наибольшая теплопроводность при комнатной температуре (2103 Вт/мК), наименьший коэффициент теплового расширения при комнатной температуре (10-6 К) высокая оптическая прозрачность в широкой области от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного диапазона длин волн, наивысшая скорость распространения звука (17,5 км/с), хорошие электроизоляционные свойства (удельное сопротивление при комнатной температуре 1013 Омсм), высокие напряжения пробоя ~ 107 В/см, может быть легирован, становясь полупроводником с шириной запрещенной зоны 5,4 эВ, химическая инертность к большинству агрессивных сред, биологическая инертность.

Свойства CVD-алмаза


Р А НИ П Ф

ПЛАЗМА

CH 4

H 2

H 2

H 2H 2

H

H H H

H

H

CH 3

CH 3

CH 3

CH 3

Диссоциация

Химические реакциии газовые потоки

ДиффузияПоверхностные реакции

Нагрев

Подложка

Алмазная пленка

Процессы, протекающие в CVD

реакторе

HH

CC

C C

CC

H

H

CC

C C

CC

CH 3

H

CC

C C

CC

C H 3

H

CC

C C

CC

C H 3

CH 3

CC

C C

CC

C H 3 C H 3

H

CC

C C

CC

C H 3 C H 2

CC

C C

CC

CCH

HH

H

Схема реакций образования алмаза

из газовой фазы


Р А НИ П Ф

Схемы CVD реакторов с использованием газоразрядной плазмы

1

2

3

4 56

7 8

9 10

4

1

23

5

MSU IAF ASTEX

Рабочая частота 2.45 GHzСВЧ мощность < 6 kW

Площадь осаждения 20 - 50 cm2

Скорость роста 0.5 - 2 m / h


Р А НИ П Ф

Особенности CVD реакторов на основе СВЧ разряда относительно высокая скорость роста (1 - 2 мкм/час) большая площадь осаждения (до 100 см2) высокая степень конверсии углерода в алмаз отсутствие электродов и посторонних примесей получение пленок различного качества:– для покрытия инструментов– с теплопроводностью 8-12 Вт/смК – с теплопроводностью 12-20 Вт/смК – оптически прозрачный белый алмаз


Р А НИ П Ф

Промышленный 2,45 ГГц CVD реактор

Общий вид установки Схема реактора

4

1

23

5


Р А НИ П Ф

Синтез толстых алмазных дисков

1000 1200 1400 1600 1800

0

0.4

0.8

1.2

1.6

R a m a n sh ift, c m -1

I , a .u .

Алмазный диск диаметром 50 мм и толщиной 0,16 мм

1000 1200 1400 1600 1800

0

0.4

0.8

1.2

R a m a n sh ift, c m -1

I , a .u .

Алмазный диск диаметром 50 мм и толщиной 0,11 мм


Р А НИ П Ф

Алмазный диск диаметром 75 мм и толщиной 1,5 мм в центре и 1,7 мм с краю диска, время осаждения 1060 часов

со стороны подложки со стороны поверхности роста


Р А НИ П Ф

Общий вид алмазного диска диаметром 75 мм после

шлифовки

Микрофотография в отраженном свете поверхности алмазного диска диаметром 50

мм после шлифовки


Р А НИ П Ф

• скорость роста – не менее 15 мкм/час

• площадь диска – до 100 см2

• высокая теплопроводность – 17 - 18 Вт/К.см (натуральный алмаз имеет теплопроводность 20 Вт/К.см)

• оптическая прозрачность

В ИПФ РАН разрабатывается CVD-технология высокоскоростного выращивания алмазных дисков

Патент РФ №2215061 от 27 октября 2003 г. “Высокоскоростной способ осаждения алмазных пленок из газовой фазы в плазме СВЧ разряда и

плазменный реактор для его реализации”. Приоритет от 30 сентября 2002 г.


Р А НИ П Ф

Разработанный 20 кВт/30 ГГц CVD реактор

1

5

26

78

55

43

9

Схема реактора Достигнутые параметры роста:

• скорость роста – 8-10 мкм/час

• площадь роста – 60 см2

• высокая теплопроводность

• оптическая прозрачность


Р А НИ П Ф

Общий вид установки


Р А НИ П Ф

Возможные применения алмазных пленок и дисков

• теплопроводящие подложки для электронных устройств

• алмазные режущие инструменты, сверла и буры с алмазным покрытием

• применение CVD алмаза как полупроводникового материала (диоды, датчики)

• в качестве акустического детектора

• выходные окна технологических лазеров ИК-диапазона

• лазерные и рентгеновские окна, линзы

• выходные окна мощных генераторов миллиметрового диапазона (гиротронов)


Р А НИ П Ф

Выходное окно гиротрона


Р А НИ П Ф

Изготовление инструментов


Р А НИ П Ф

Алмазные линзы

[E. Woerner et al., Diamond and Related Materials 10 (2001) 557-560]


Р А НИ П Ф

Алмазная нанокристаллическая фольга толщиной 1,4-1,6 мкм


Р А НИ П Ф

Заключение

На данном этапе - освоена CVD технология получения высококачественных алмазных

пленок и пластин - выращены алмазные диски толщиной 2 мм, диаметром 75 мм, имеющие

тангенс угла потерь не хуже (1-2) 10-5 - освоена шлифовка алмазных дисков - создана аппаратура для измерения сверхмалых диэлектрических потерь в

алмазных дисках - освоен процесс высокотемпературной пайки алмазных дисков к медным

тонким волноводам - разработана конструкция выходного окна гиротрона с алмазным диском


Р А НИ П Ф

Ближайшие задачи

- дальнейшее совершенствование процесса синтеза АП с целью повышения скорости осаждения до 15 мкм/час

- создание промышленной установки для синтеза алмазных дисков диаметром 110 мм на основе 20кВт/30ГГц гиротрона

Заключение

Производство поликристаллических алмазных пленок методом осаждения из паровой фазы

Documents