[1]Изобретение относится к способам получения монолитных соединений стержней из поликристаллических алмазов, предназначенных для использования в производстве приборов электроники, оптики, СВЧ-техники, в частности для изготовления диэлектрических опор в лампах бегущей волны (ЛБВ), использующих низкий коэффициент поглощения на частотах генерации. Сущность изобретения: монолитное соединение создается методом одновременного эпитаксиального ускоренного и замедленного роста CVD-слоев на промежуточной монокристаллической алмазной подложке (ПМАП) на грани {100} и встречно растущих слоев на гранях ПМАП и сращиваемых торцах ПКА, для этого располагают ПМАП ростовой гранью {100} перпендикулярно направлению оси соединения, на оптимальном расстоянии от основания соединяемых компонентов, торцы которых выполнены со скосами, равными половине угла раскрытия монолитного неразъемного соединения α(°)=tg(2V{111}⋅τ)/(V{100}/⋅τ), где τ - полное время роста соединения, V{100} - скорость роста на грани ПМАП {100} и (VПМАП{111}+Vэп)=2V{111}, скорости роста на грани ПМАП {111} и на торце ПКА. Способ предназначен для экономии затрат времени и средств на выращивание заготовок большого размера и замену их менее дорогостоящими заготовками меньшего размера и удовлетворяющими требованиям вырезки из них элементов стержней опор для ЛБВ, приобретающих нужную длину после сращивания.
[2]Изобретение относится к способам монолитного соединения поликристаллических алмазов в СВЧ-плазме, в том числе для увеличения теплопроводности и габаритов стержней поликристаллического алмаза с исходной малой длиной, недостаточной для выполнения предназначенных для них функций в мощных источниках излучения миллиметрового диапазона длин волн, например в качестве диэлектрических опор в конструкциях ЛБВ, за счет сращивания поликристаллических слоев через промежуточный монокристаллический алмазный слой и отказа от необходимости малоэффективного роста заготовок толщиной >1 мм и размером 100 и более мм, на специальных дорогостоящих установках большой мощности.
[3]О способах монолитного соединения поликристаллических алмазов в СВЧ-плазме в литературных источниках ранее не сообщалось. В то же время решение проблемы создания конструкций из поликристаллических алмазов чрезвычайно актуально. Монолитное соединение поликристаллических алмазов в СВЧ-плазме необходимо для увеличения габаритов стержней поликристаллического алмаза с исходной малой длиной, недостаточной для мощных источников излучения миллиметрового диапазона длин волн, например в диэлектрических опорах в конструкциях ЛБВ. В настоящее время такими заготовками являются диски толщиной >1 мм и диаметром 100 и более мм, которые выращивают на дорогостоящих плазменных установках большой мощности, потребляющих значительные энергетические и материальные ресурсы. Применение срощенных стержней может также решить актуальную задачу замены применяемых сейчас керамических материалов из оксида бериллия на алмазные, с высокой теплопроводностью, что позволит существенно повысить мощность и надежность источников СВЧ - излучения.
[4]Известно [1], что гомоэпитаксия CVD-алмаза при осаждении в микроволновой плазме на монокристаллических подложках протекает на плоскости {100}, с высокой степенью кристаллического совершенства эпитаксиального слоя. Одновременно, на торцевых гранях монокристалла, отличных по ориентации от {100} плоскости, наблюдается образование поликристаллических слоев [2].
[5]Задачей изобретения является обеспечение монолитного соединения торцов стержней поликристаллических алмазов в СВЧ-плазме за счет сращивания слоев моно- и поликристаллического алмаза, образуемых в зоне соединения в процессе химической транспортной реакции [3] путем одновременного гомоэпитаксиального роста CVD-алмазных слоев: ускоренного - на грани ПМАП {100} вдоль оси соединения и замедленного - на грани ПМАП {111} и на торце ПКА, поперек оси соединения навстречу друг другу, обеспечивающего в стержнях большой длины, срощенных из нескольких коротких, низкий коэффициент поглощения на резонансных частотах генерации лампы бегущей волны в источниках излучения миллиметрового диапазона длин волн.
[6]Технический результат заключается в высокоэффективном сращивании стержней большой длины из более коротких компонентов путем образования быстрорастущего монолитного шва с однородной структурой, синтезируемой из гомоэпитаксиального моно- и поликристаллического алмаза, что позволяет экономить время и средства при изготовлении диэлектрических опор ЛБВ взамен длинномерных получаемых из дорогостоящих заготовок поликристаллических алмазов и способствует повышению мощности и надежности источников СВЧ-излучения за счет замены керамики оксида бериллия на алмазную со значительно более высокой теплопроводностью.
[7]Поставленная задача решается, а технический результат достигается при реализации способа сращивания компонентов из поликристаллических CVD-алмазов путем образования монолитного соединения поликристаллических алмазов, включающего ПМАП содержащую ростовую грань {100}, размещаемую между торцов ПКА перпендикулярно направлению оси соединения, на уровне нижнего основания соединяемых образцов, а боковые торцы образцов ПКА лежат на ПМАП и выполнены со скосами, равными половине угла раскрытия монолитного неразъемного соединения α(°)=tg(2V{111}⋅τ)/(V{100}/⋅τ), где τ - полное время роста соединения, V{100} - скорость роста на грани ПМАП {100} и (VПМАП{111}+Vэп)=2V{111} - равные скорости роста на грани ПМАП {111} и на торце ПКА. Vпка и V{111}⋅ скорость роста гомоэпитаксиального алмаза на ПКА и на боковой гране ПМАП {111} соответственно.
[8]В частных воплощениях изобретения протяженность грани ПМАП ориентацией {100} между сращиваемыми торцами поликристаллических стержней ПКА должна быть не менее (0,5-5,0) h, где h - высота монолитного соединения ПКА.
[9]Сущность предложенного технического решения состоит в следующем.
[10]Для сращивания компонентов из поликристаллических CVD-алмазов необходимо образование монолитного соединения между торцами ПКА, которое позволит обеспечить равнопрочность и однородность свойств соединяемого алмазного материала. Известно, что вектор максимальной скорости роста в СВЧ-плазме лежит в плоскости, перпендикулярной подложке, и для белого ПКА составляет V=1-3 мкм/ч. Угол на сращиваемом торце, который образуется при резке лучом лазера, составляет ~90°. При расположении сращиваемых торцов на минимальном расстоянии полиалмаз будет осаждаться в верхней части стержней, на более отдаленных участках вместо алмаза будет осаждаться графит. При разделке V-образного шва под углом 45° на обоих плотно сдвинутых торцах будет образоваться шов со скоростью V=0,5-1,5 мкм/ч. Среднее время роста такого соединения стержней высотой 1 мм (1000 мкм) составляет 1000 ч. Также известно, что устойчивый высокоскоростной рост в широком диапазоне параметров процесса демонстрируют эпитаксиальные слои на гранях монокристаллов {100} со средними скоростями V=50 мкм/ч [4]. По аналогии с ПКА среднее время роста такого слоя высотой 1 мм (1000 мкм) в этом случае составляет 20 ч.
[11]Ранее не сообщалось о возможности использования одновременного заполнения объема шва между соединяемыми поликристаллическими алмазными стержнями путем формирования его из алмазных слоев, сросшихся в процессе осаждения в СВЧ-плазме, гомоэпитаксиального монокристаллического алмаза, расположенного в центральной части шва и растущего на грани {100} ПМАП с высокой скоростью, и растущего на ее боковых гранях {111} и встречно растущего на торцах полиалмаза, осаждаемого из газовой фазы со скоростью меньшей на порядок.
[12]Сущность изобретения заключается в следующем.
[13]Для одновременного послойного заполнения объема шва между соединяемыми поликристаллическими алмазными стержнями используют ПМАП имеющую отполированную ростовую грань с точностью отклонения от {100} не хуже чем в [5], способную обеспечить устойчивый эпитаксиальный рост монокристаллического слоя алмаза. Основание ПМАП по ширине В (Фигура 1, а) может превышать ширину шва на величину слоя, образуемого по краям соединения и удаляемого впоследствии. Края основания ПМАП с двух сторон служат центрирующей опорой для сращиваемых торцов стержней ПКА и выступают на величину К (Фигура 1, б). ПМАП и стержни ПКА собираются в специальном приспособлении, изготовленном из тугоплавкого материала (например, Мо). Приспособление имеет форму диска с наружным диаметром, равным двум длинам стержней ПКА, и центральным отверстием, допускающим свободную укладку подложки МКА на охлаждаемый подложкодержатель. Высота диска соответствует суммарной высоте стержней ПКА и подложки МКА. Стержни устанавливаются в сквозных радиальных пазах, прорезанных на верхней поверхности диска. Соединяемые торцы стержней имеют вертикальные скосы, которые после установки в приспособление образуют угол раскрытия V-образного шва α°. Пример промежуточного этапа образования монолитного соединения при сращивании стержней ПКА на подложке ПМАП показан на Фигуре 1. Фигура 1 - пример промежуточного этапа образования монолитного соединения при сращивании стержней ПКА на подложке ПМАП: а - «В» ширина соединения; стрелками условно показано направление гомоэпитаксиального роста слоев ПКА, точкой в кружочке показано направление роста (из чертежа) слоя МКА; б - h, S, K и α(°): высота ПКА стержней, ширина ПМАП, длина опорной части ПМАП и угол разделки шва, соответственно; стрелками показано направление векторов скоростей роста МКА и ПКА, перпендикулярное к соответствующей грани.
[14]Для образования монолитного соединения стержней ПКА используется подложка из монокристалла любой природы, выращенного методом CVD, в аппарате высокого давления или природного происхождения. Пластина вырезается из кристалла по плоскости {100}, перпендикулярную ей плоскость, например {111}, получают шлифовкой торцов. Верхняя плоскость (001) и плоскость реза полируются на ограночном круге до шероховатости ~10 нм. Толщина подложки, обеспечивающая на ее гранях максимально близкие условия роста в реакторе CVD и возможность повторного использования, составляет 0,50 мм. Соединяемые стержни ПКА имеют скосы на угол α, который зависит от скорости роста Vэ.мка по плоскостям {100} и {111} эпитаксиального слоя и Vэ.пка встречного роста на торцах ПКА, α(°)=tg(Vэ.пка⋅τ)/(Vэ.мка⋅τ), где τ - полное время роста соединения, Vэ.пка и Vэ.мка - скорость роста слоев на ПКА и эпитаксиального алмаза на боковой стороне МКА подложки соответственно. Синтез производится в плазме СВЧ-реактора в газовой смеси «водород/метан/азот». Температура подложки составляет 800-1200°С. Контроль температуры проводится двухлучевым (или двухцветным) оптическим пирометром.
[15]Пример осуществления способа
[16]Способ осуществляли следующим образом: брали исходные заготовки пластин, выпиленные лазерной резкой из диска поликристаллического алмаза (ПКА) d=57 мм и h=1,0 мм длиной 25 мм и из кубоктаэдического синтетического монокристалла алмаза (МКА) типа lb вдоль плоскости {100} в виде правильных параллелепипедов размерами 5×1,5 мм2 и высотой 0,6 мм. Изготовленные подложки МКА полировали на шлифовальном диске шаржированным алмазным порошком зернистостью 14/10 мкм до шероховатости менее 10 нм. Истинный угол разориентации между отполированной поверхностью подложки и дифракционной плоскостью {100} определяли методом рентгеновской дифракции. В случае необходимости уменьшения угла разориентации производили доводку поверхности [5] до значения угла 3-5°.
[17]На торцах заготовок пластин ПКА с помощью лазерной резки выполняли скос на угол α(°)=tg(Vэ.пка⋅τ)/(Vэ.мка/⋅τ), где τ - полное время роста соединения, Vэ.пка и Vэ.мка - скорость роста на ПКА и эпитаксиального алмаза на боковой стороне МКА подложки соответственно. Исходя из высоты соединяемых стержней ПКА h=1,0 мм и экспериментально определенной скорости эпитаксиального роста монокристаллического слоя Vэ.мка=40 мкм/ч и гомоэпитаксиального слоя Vэпка=5 мкм/ч, время роста составляло 25 часов, а α=2,18°. Торцы заготовок углом раскрытия вверх укладывали в приспособление и центрировали на предварительно уложенной подложке МКА. Зазор между торцами ПКА, лежащими на подложке, рассчитанный по формуле S=(0,5-5,0)⋅h, составлял 2,5 мм. Образцы перед ростом подвергали стандартной процедуре очистки: кипячению в хромпике с последующей промывкой в ацетоне (в ультразвуковой ванне). Перед напуском в ростовую камеру метана проводилась окончательная очистка рабочей поверхности в водород-кислородной плазме (2% О2 в Н2) в течение 30-120 мин при давлении 70 Торр и СВЧ-мощности (>2 кВт). Заращивание шва производилось в СВЧ-плазме в реакторе ARDIS-100 (2,45 ГГц, 5 кВт) в газовой смеси «водород/метан/азот» при общем расходе газа 500 станд. см3/мин (Н2:460/СН4:20/N2:20), давлении в камере 130 Торр и СВЧ-мощности 2,8 кВт. Температура подложки 1100°C. Измерение температуры производилось двухлучевым пирометром Mikron М770.
[18]Срощенные стержни ПКА, удаленные из приспособления, проходили процедуру удаления ПМАП и характеристического контроля.
[19]Отрезка ПМАП для повторного использования осуществлялась на твердотельном лазере с использованием Nd-YAG активного элемента с лампой накачки: мощность 15 Вт, длина волны 1064 нм на воздухе. Лазер имел разрешение 1 мкм при воспроизводимости 3 мкм. Количество одновременно свариваемых швов ограничивается размерами подложкодержателя, в данном примере оно составляло 30 шт.
[20]Характеристический контроль срощенного соединения
[21]Важнейшей характеристикой срощенного ПКА, как материала для диэлектрических опор в ЛБВ, является низкий коэффициент поглощения на частотах генерации лампы бегущей волны. Мерой поглощения в СВЧ-диапазоне является тангенс угла диэлектрических потерь tgδ, который задается соотношением
[22]
[23]где ε1 есть действительная часть, а ε2 - мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости ε=ε1+jε2. Для измерения tgδ использовался резонаторный метод. Резонатор представлял прямоугольный волновод с поперечными размерами a×b=7,11×3,56 мм и длиной l=25,5 мм. Пучность электрического поля на частоте 27,48 ГГц оказывалась на середине геометрической длины резонатора. В эту пучность электрического поля помещался срощенный образец ПКА. Блок-схема установки на базе векторного анализатора цепей Agilent PNA-L N5230C показана на Фигуре 2. Фигура 2 - блок-схема установки на базе панорамного измерителя Agilent: где 1 - панорамный измеритель Agilent PNA-L N5230C, 2 - коаксиальный кабель, 3 - коаксиально-волноводный переход, 4 - резонатор, 5 - образец срощенного ПКА, 6 - диафрагма.
[24]Характеризовали образцы стержней длиной 10-12 мм, на которых перед сращиванием была выполнена разделка кромок со скосами под разными углами α°, с шагом по углу в 5°, с 3 до 36°. Такой выбор образцов диктовался стремлением оценить влияние как можно более широкого диапазона углов разделки торцов α° на величину тангенса угла потерь в срощенных алмазных пластинах. Перечень образцов с различными углами разделки шва, из которых получены алмазные стержни, представлен в таблице 1.
[25]Перечень срощенных образцов с различными углами разделки шва для измерения тангенса угла потерь.
[26]
[27]Для статистики из каждой заготовки вырезали по три идентичных стержня. Далее образцы отжигали в воздушной печи при температуре 580°C в течение 30 минут для удаления образующегося при резке графитового слоя в плоскости реза, который может вносить значительный вклад в поглощение СВЧ-излучения. Резонансная частота, на которой измеряли величину tgδ, была близка к 27 ГГц. В Таблице 2 представлены полученные результаты измерений и обработки для каждого номера образа (R - коэффициент отражения резонатора на резонансной частоте ƒ, Q - вычисленная собственная добротность резонатора; ε1, ε2 и tgδ - характеристики исследуемого материала).
[28]
[29]
[30]Зарегистрирован большой разброс по параметру tgδ среди образцов в зависимости от угла скоса кромки α°, что связано со структурными и фазовыми превращениями на границе сращиваемых моно- и поликристаллических слоев в шве. Минимальное значение tgδ при максимальном R=-14,68 (дБ) составило 1,8⋅10-4 для образца №0,002 с углом скоса кромки α=8°. Достигнутое минимальное значение тангенса угла потерь 1,8×10-4 для образца №0,002 соответствует высокому качеству монолитного соединения срощенных алмазов, т.к. удовлетворяет требованию к значениям параметра tgδ, по которому эта величина должна быть не более 8×10-4 на частоте 27 ГГц.
[31]Используемые источники
[32]1. М. Kasu, K. Ueda, Y. Yamauchi, N. Maeda, Т. Makimoto. Diamond based RF power transistors: Fundamentals and applications, Diamond and Related Materials, 2007, v. 16, p. 1010.
[33]2. А.П. Большаков, В.Г. Ральченко, А.В. Польский, В.И. Конов, Е.Е. Ашкинази, А.А. Хомич, Г.В. Шаронов, Р.А. Хмельницкий, Е.В. Заведеев, А.В. Хомич, Д.Н. Совык. Синтез монокристаллов алмаза в СВЧ-плазме. Прикладная физика, №6, 2011, с. 104-110.
[34]3. Спицын Б.В., Смольянинов А.В. Способ наращивания алмаза. А.с. 987912 СССР, приоритет от 21.04.71.
[35]4. Diamond Relat. Mater., 15 (2006) 472-478.
[36]5. Патент РФ 2539903, МПК/МКИ H01L 21/302.
