Свойства алмазных пленок и их применение

2024-04-16

Алмаз обладает рядом превосходных свойств, включая самую высокую из известных твердость, модуль упругости, износостойкость, очень высокое удельное сопротивление, напряженность поля пробоя и низкую диэлектрическую проницаемость, широкий диапазон спектрального пропускания, очень высокую теплопроводность, очень низкий коэффициент линейного расширения, очень широкую полосу пропускания, очень высокую подвижность носителей, очень хорошую химическую стабильность и т.д., поэтому алмаз всегда был материалом, вызывающим большой интерес у людей, с превосходными характеристиками и перспективами применения. и перспективы применения.

Источники алмазных пленок

Углерод в виде аморфной сажи, графита, углерода-60 (C60), алмаза существует четыре изотопа, в которых графит состоит из шести атомов углерода с sp2 связями для формирования сотового 6-атомного кольца, многие из 6-атомного кольца соединены в слой, а затем слой и слой соединены для формирования слоистой структуры кристаллов графита; углерод-60 (C60) состоит из шестидесяти атомов углерода для формирования сферической структуры кристаллов; в кристаллической структуре алмаза В кристаллической структуре алмаза каждый атом углерода находится на гибридизационной орбитали с четырьмя атомами углерода, образуя ковалентные одинарные связи. Четыре атома углерода расположены в тетраэдре с конической вершиной, и каждый верхний угол тетраэдра для соседних четырех тетраэдров является общим. Изомеры обладают совершенно разными свойствами из-за различий в их структуре.

В 1952-1953 годах Эверсол в США использовал метод циклической реакции разложения углеродсодержащих газов при температуре 600~1000°C и давлении газа 10~100 Па для выращивания алмаза на затравочных кристаллах алмаза, впервые подтвердив возможность получения алмаза в условиях низкого давления газа. Использование этого циклического метода высокотемпературного термического разложения часто требует алмаза в качестве подложки, алмаз относится к однородному эпитаксиальному росту, в сочетании с циклическим процессом, который снижает скорость осаждения алмаза (~1 нм/ч), поэтому он очень неудовлетворителен. 1955 г. General Electric Company (GE) в США впервые использовала метод высокой температуры и высокого давления (HTHP) для создания искусственного алмаза. Благодаря своей твердости и износостойкости, синтетический алмаз имеет широкий спектр применения в промышленности, включая резку или обработку механических деталей, полировку или шлифовку оптических материалов. Однако метод высокой температуры и высокого давления (HTHP) также имеет большие недостатки, в основном потому, что метод HTPT требователен к оборудованию, имеет высокую стоимость, изготовленные искусственные алмазы представляют собой небольшие монокристаллические частицы размером от нанометров до миллиметров, которые не могут быть выкованы, обработаны и сформированы обычными методами, и не могут быть сделаны в виде пленки, так что они могут использовать только свои высокие характеристики твердости, что ограничивает развитие и использование превосходных свойств алмаза. Развитие и использование превосходных свойств алмаза ограничено.

В 1968 году Ангус и др. приготовили алмазную пленку на природном алмазе, используя низкотемпературное химическое осаждение из паровой фазы (CVD) при низком давлении, и впервые обнаружили, что присутствие атомов водорода в процессе осаждения предпочтительно вытравливает графит, а не алмаз. В 1982 году Мацумото и др. совершили прорыв в технологии химического осаждения из паровой фазы (CVD) алмазной пленки, когда они использовали горячую проволоку (~ 2000°C) для активации водорода и соединений углерода вблизи горячей нити, что позволило осадить алмаз на неалмазную подложку на расстоянии 10 мм от горячей нити. Во время осаждения алмаза графит вытравливается атомами водорода, что устраняет чередование циклов осаждения и травления, необходимое при использовании метода циклической реакции, увеличивает скорость роста алмазных пленок, а также улучшает качество алмазных пленок на неалмазных подложках. С тех пор появились, совершенствовались и улучшались различные технологии получения тонких алмазных пленок методом CVD. Роль атомарного водорода в процессе роста алмазных пленок также постепенно признается. Скорость роста алмаза также постепенно приближается к требованиям промышленных стандартов. В дополнение к химическому осаждению из паровой фазы (CVD), физическое осаждение из паровой фазы (PVD) также способно осаждать алмазные пленки.

Механические и акустические свойства алмазных тонких пленок и их применение

Алмаз обладает превосходными механическими и акустическими свойствами. Твердость алмаза составляет 100 ГПа, что является самым большим показателем среди всех известных материалов. Высокая твердость и износостойкость алмаза в сочетании с чрезвычайно низким коэффициентом трения делают его превосходным материалом для изготовления инструментов. Путем нанесения алмазной пленки непосредственно на поверхность инструмента можно получить инструменты с алмазным покрытием различной геометрии, обладающие такими достоинствами, как длительный срок службы, высокая скорость резания, высокая точность обработки, высокое качество обработки и т. д. Они имеют лучшие характеристики, чем традиционные инструменты из твердого сплава, и имеют широкие перспективы применения в области обработки цветных материалов. В настоящее время на рынке продаются инкрустированные инструменты из толстой алмазной пленки и инструменты с покрытием из алмазной пленки, которые успешно используются для резки цветных, редких металлов, графита и композитных материалов, особенно подходящих для авиации, автомобильной промышленности, используемых в резке и обработке материалов из высококремнистых алюминиевых сплавов.

Алмаз обладает большим модулем упругости, модулем Юнга, а также является самым быстрым материалом из всех веществ с точки зрения скорости распространения акустических волн в теле и поверхностных акустических волн. В настоящее время устройства на основе поверхностных акустических волн (ПАВ) успешно применяются в спутниковой связи, мобильной связи, оптико-волоконной связи и многих других областях. В последние годы, в связи с потребностью в высокопроизводительной передаче данных, спрос на высокочастотные SAW-устройства растет с каждым днем, от начального класса МГц до нынешнего класса ГГц. Частота SAW-устройства прямо пропорциональна скорости акустического распространения материала, обратно пропорциональной периоду вилочкового преобразователя (IDT). В последние годы постепенно приходит понимание того, что осаждение пьезоэлектрических тонких пленок на материалы подложки с высокой акустической скоростью представляет собой слоистую структуру, которая может увеличить скорость трансляции ПАВ.

С 1989 года по настоящее время в Японии, Европе и США начались работы по созданию высокочастотных ПАВ-устройств с алмазной пленкой в качестве подложки, и был достигнут определенный прогресс в исследованиях. Благодаря различным пьезоэлектрическим материалам, нанесенным на подложку из алмазной пленки, были созданы ПАВ-устройства с такими структурами, как ZnO/алмаз/Si, Si02/ZnO/алмаз/Si, AlN/алмаз/Si, LiNbO3/алмаз/Si, LiTaO3/алмаз/Si и т.д., и общие характеристики этих устройств улучшаются. Общая производительность устройств улучшается. Прогнозируется, что при дальнейшем совершенствовании процесса подготовки частота работы устройств на основе алмазной пленки может достичь 10 ГГц или даже выше. Высокочастотные SAW-фильтры из алмазной пленки не только выше по частоте, чем обычные SAW-фильтры, но и лучше по долговечности и высокой точности передачи сигнала, чем обычные SAW-фильтры.

Кроме того, алмазная пленка, нанесенная на вибропластину динамика в качестве мембраны высокочастотного блока hi-fi колонки, имеет большую скорость звука и модуль Юнга, чем обычная вибропластина, и является предпочтительным материалом для высококачественных аудиоколонок.

Термические свойства алмазных пленок и их применение

В последние годы современные электронные устройства и схемы развиваются в направлении высокой интеграции, высокой скорости, многофункциональности и высокого энергопотребления. Сотни миллионов компонентов на чипе, интеграция ИС продолжает улучшаться, размеры отдельных компонентов продолжают уменьшаться, с одной стороны, открывается большой потенциал для применения и получения экономической выгоды, с другой стороны, это также привело к значительному увеличению устройства и схемы в единице объема тепловыделения. Например, тепловыделение одной микросхемы увеличилось с первоначальных 10 Вт до 40 Вт; тепловой поток традиционных логических схем с эмиттерной связью (ECL) достигает 50 Вт/см2, а тепловой поток динамической произвольной памяти - 20 Вт/см2. Упаковочная оболочка интегральной схемы является каналом теплопроводности микросхемы, поэтому развитие микроэлектронных технологий требует производства упаковочной оболочки из материала подложки с очень высокой теплопроводностью, чтобы своевременно отводить выделяющееся тепло. Алмаз обладает множеством превосходных характеристик, самой выдающейся из которых является его теплопроводность среди всех материалов, самая высокая, до 20 Вт/см-К.

Алмаз относится к фононной теплопроводности, при комнатной температуре показатель теплопроводности алмаза более чем в 4 раза выше, чем у меди, используемой в настоящее время в большинстве теплоотводов. В то же время удельная теплоемкость алмаза очень мала, он не может накапливать тепловую энергию, выдерживает резкий холод и резкий нагрев при тепловом ударе, поэтому является отличным материалом для теплоотвода. Кроме того, коэффициент теплового расширения алмаза очень близок к коэффициенту теплового расширения кремния, что очень подходит для использования в интегральных схемах, а исследования показали, что допустимая мощность использования алмаза в 2 500 раз больше, чем у кремния. В то же время алмаз имеет гораздо более низкую диэлектрическую проницаемость, чем все разработанные в настоящее время подложки с высокой теплопроводностью, такие как BeO, AL2O3, AIN и SiC. Кроме того, алмаз не пропускает полосу пропускания и обладает чрезвычайно высоким удельным сопротивлением (1014 Q-см) при комнатной температуре. Эти свойства в сочетании с высочайшей твердостью, хорошими механическими свойствами, химической стабильностью, стабильностью частоты и отличной температурной стабильностью, которыми обладает алмаз, делают его самым идеальным материалом для рассеивания тепла и герметизации теплоотводов.

В последние годы развитие технологии получения алмазных пленок сделало реальным их применение для осаждения на крупномасштабные интегральные схемы и мощные полупроводниковые приборы. В настоящее время коммерциализируется использование алмазных пленок CVD в качестве теплоотводящих материалов для мощных полупроводниковых лазерных диодов.

Оптические свойства алмазных пленок и их применение

Алмаз имеет запрещенную зону пропускания 5,5 эВ, высокие спектральные свойства пропускания от 225 нм до дальнего инфракрасного диапазона, в сочетании с высокой твердостью, прочностью, теплопроводностью, а также чрезвычайно низким коэффициентом линейного расширения и хорошей химической стабильностью, сочетание этих превосходных свойств делает алмазную пленку отличным оптическим оконным материалом, который может использоваться в суровых условиях. Алмазные пленки могут использоваться в качестве оптических оконных материалов для широкого диапазона длин волн от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного диапазона в двух вариантах: либо как самостоятельное окно, либо как оконное покрытие на других материалах. Обычными материалами для окон инфракрасной оптики в диапазоне длин волн 8-12 мкм являются ZnS, ZnSe и Ge. Хотя эти материалы обладают превосходным инфракрасным пропусканием, они легко повреждаются из-за своей хрупкости и других недостатков.

Обладая высокой прозрачностью, высокой химической стойкостью и сильной устойчивостью к тепловому удару, алмаз является более предпочтительным материалом для инфракрасных окон. Например, во многих современных материалах для окон инфракрасной оптики используются самоподдерживающиеся алмазные пленки с высокой скоростью роста и высоким качеством. Коэффициент преломления алмаза составляет 2,41, что выше, чем типичные диэлектрические материалы, но ниже, чем большинство полупроводниковых материалов алмаза, чем кремний, германий, группа II-VI соединений, соли свинца и другие материалы, используемые в инфракрасных детекторах, коэффициент преломления ниже, алмазная пленка в качестве слоя покрытия инфракрасных устройств, является очень потенциальным применением материала. Кроме того, было проанализировано, что эффективность кремниевых солнечных элементов может достигать 40%, в то время как германиевые солнечные элементы, покрытые алмазной пленкой, могут достигать 88%.

В настоящее время алмазная пленка используется не только для изготовления инфракрасных оптических оконных материалов, пленки для повышения проницаемости, но также может быть использована для изготовления видимых оптических окон и материалов для масок рентгеновской литографии.

Электрические свойства алмазных пленок и их применение

Благодаря широкой ширине запрещенной зоны алмаза, подвижность электронов и дырок очень высока, в сочетании с высоким электрическим полем пробоя, диэлектрическая проницаемость мала, удельное сопротивление, теплопроводность и другие характеристики, очень подходят для высокоинтегрированных полупроводниковых устройств при высоких температурах, высоком смещении, высокой мощности, высокой радиации условиях. Поэтому ожидается, что он заменит кремний, используемый в качестве идеального материала для подготовки высокой температуры, радиации и других жестких условий, таких как подготовка электронных устройств.

Исследовательская группа RD42, финансируемая Европейским центром исследования частиц (ЦЕРН) с 1994 года, провелаМетод химического осаждения из паровой фазы (CVD)Изготовили алмаз для исследовательской работы по отслеживанию заряженных частиц. После нескольких лет исследований был достигнут определенный прогресс, они использовали CVD алмазные пленки для получения микрополосковых детекторов и пиксельных детекторов, и исследовали производительность этих детекторов в обнаружении мезонов с высоким потоком, нейтронов, протонов, y-лучей, рентгеновских лучей и ультрафиолетового света. Результаты показывают, что электрические свойства алмаза не ухудшаются даже при высоких дозах облучения частицами и повторными лучами. Исследование показывает, что алмазные детекторы обладают высокой радиационной стойкостью и могут работать в чрезвычайно жестких условиях (высокие температуры, сильная химическая коррозия) и находят широкое применение в экспериментальных установках физики высоких энергий, космических измерениях заряженных частиц, прогнозировании землетрясений, радиационной медицине и ядерных технологиях.

В последние годы было установлено, что алмаз обладает свойствами отрицательного потенциала сродства к электрону, функцией переключения, способностью достигать определенной степени легирования p-типа и n-типа и т.д., и соответствующие прикладные исследования были проведены вокруг этих свойств, и был достигнут определенный прогресс, например, для плоских дисплеев с полевой эмиссией подготовка холодного катода была горячей темой исследований в последние годы в международном научном сообществе, и алмазная тонкая пленка является очень перспективным катодом для плоских дисплеев. Алмазная пленка является перспективным катодным материалом для плоских дисплеев, который может быть использован для производства электронного эмиттера с холодным катодом и плоского дисплея, и США, Япония и другие страны вложили много человеческих и финансовых ресурсов.

Из-за сложности получения хорошего легирования алмаза n-типом, реализация алмазных биполярных p-n-переходов пока затруднена. В настоящее время исследования в основном сосредоточены на полевых транзисторах на основе металл-полупроводник (MESFET) и полевых транзисторах на основе металл-изолятор (MISFET).

Алмазные пленки CVD также могут быть использованы для создания быстрых оптических переключателей (60 пс) в условиях высокого смещения для аэрокосмических и военных применений.

Мы предлагаем Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) Услуги по настройке OEM-производителейне стесняйтесь оставлять комментарии.