Алмазоподібна плівка та спосіб її отримання

Винахід відноситься до галузі радіоприладобудування і мікроелектроніки, а саме до технології отримання нових матеріалів для створення плівкових тепловідводів напівпровідникових приладів на базі системи вуглецьмідь, компоненти якої практично взаємно не змішуються навіть і в рідкому стані. Відомо, що ці елементи мають велику теплопровідність: при 300К в алмазі вона дорівнює 500-2000Вт/мК, у міді - 395Вт/мК, до того ж мідь має високу електропровідність. Але, з іншого боку, термічні напруження в них досить різні: коефіцієнт термічного розширення міді (КТР) майже у 20 разів перевищує КТР алмазу. Це заважає створенню стабільних плівкових теплопровідних композицій алмаз-мідь. За аналог складу алмазоподібних плівок обрано: склад [Патент США № 3371996, 1968р.], коли до окису вуглецю при температурі 873...1273К і тискові 1200атм додають у кількості декількох відсотків один із благородних металів (мідь, срібло, золото), як каталізатор для прискорення виділення вуглецю з газу СС>2 на затравочних кристалах алмазу. Найбільш близьким за складом, який обрано за прототип, є склад: [Дун Заниин, Копань B.C., Макара В.А., Рево С.Л. Теплопроводность пленочной композиции алмаз-медь.- Доповіді HAH України. -1998. -№1. -С.141-144], де для виготовлення зразків плівкової композиції вуглець-мідь з мінімальним рівнем термонапружень спочатку отримують тонкі бішари вуглець-мідь шляхом осадження газової суміші (Н2+СН4) при 2273-2373К на мідній плівці товщиною 10мкм, яка до того була покрита плівкою хрому (10-30нм). Процес осадження проводять, доки товщина алмазного шару не досягне 50мкм. Далі бішари вуглець-мідь повільно охолоджують з метою зняття термічних напружень протягом 0,5-1 години. Отримані плівкові бішарові композиції вуглець-мідь мали теплопровідність (~700Вт/мК), яка близька до теплопровідності синтетичних алмазів. До недоліків отримання складів алмазоподібних плівок цим методом треба віднести неможливість повного усунення в процесі відпалу залишкових термонапружень між шарами вуглецю і міді, значні енерговитрати під час отримання плівкової композиції. У способі, який обрано за аналог, при виготовленні алмазних тепловідводів ці труднощі усувають, поєднуючи монокристали алмазу з мідною основою шляхом створення проміжних шарів Ті, Мо, Та. [Новиков Н.В., Гонтарь А.Г. Применение синтетических алмазов в электронике. - Алмаз в электронной технике : Сб. научн. тр. -М.: Энергоатомиздат. -1990. -с.57-72]. Завдяки цьому способу вирішується проблема адгезії між шаром алмазу та мідною основою, але залишається невирішеною проблема виникаючих термонапружень між ними. Найбільш близьким за способом отримання, який обрано за прототип, є спосіб [А.с. СССР №1817484, МПК С23С, 1993г.], в якому проводиться іонно-плазмове розпилення набірних (мозаїчних) мішеней із застосуванням енергоекономічного електростатичного прискорювача іонів робочого газу (аргону). В основу винаходу поставлено задачу розробити склад алмазоподібної плівки та спосіб отримання алмазоподібних (АП) плівок, який шляхом розпилення мозаїчних мішеней із вуглецю та міді при негативному потенціалі на мішені дозволяє забезпечити отримання в алмазоподібних плівках вуглець-мідь широкого інтервалу значень поверхневого електроопору, усунення термонапружень у плівці, підвищення її теплопровідності. Поставлена задача вирішується тим, що алмазоподібні плівки на основі вуглецю, згідно з винаходом, вміщують мідь при такому співвідношенні компонентів (ат. %): мідь 22,6....40,5; вуглець решта. Поставлена задача вирішується також тим, що у способі отримання алмазоподібних плівок, що включає триелектродне іонно-плазмове розпилення мішені, яка складається зі статистично рівномірно розташованих квадратів вуглецю і міді, згідно з винаходом, розпилення проводять при негативному потенціалі мішені (-2,7)....(3,0)кВ за допомогою електростатичного прискорювача іонів робочого газу (аргону). Отримання плівок здійснюється на вдосконаленому промисловому приладі іонно-плазмового напилення УРМ-3.279.014 шляхом розпилення мозаїчної мішені, яка складалася зі статистично рівномірно розташованих на поверхні розпилення в сумі 16 квадратів чистих елементів вуглецю та міді розміром 20´20´5мм . Кількісний склад ( з точністю до 2ат. % ) отриманих плівок встановлюється з урахуванням раніше визначених індивідуальних коефіцієнтів розпилення чистих елементів та площиною, яку він займає на мішені. Величина анодного струму була у всі х експериментах однаковою і дорівнювала - 1 А. Робочий тиск у камері розпилення становив - 0,015Па, напруга на мішені дорівнювала (-2,7)...(-3,0)кВ. Час напилення був однаковим і становив 6хв. Фазовий склад плівок встановлювали за допомогою рентгеноструктурного аналізу на дифрактометрі ДРОН-2Д. Отримані результати наведено у таблиці. Таблиця № п/п 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. Склад, ат.% Фазовий склад Си 20,0 А+АП+Си 22,6 АП+Си 40,5 АП+Си 42,0 А+Си 22,6 А+АП+Си 42,0 А+Си 22,6 АП+Си 40,5 АП+Си 40,5 А+Си 40,5 АП+Си 40,5 АП+Си С А Потенціал мішені, кВ -3,0 -3,0 -3,0 -3,0 -2,5 -2,5 -3,0 -3,0 -2,5 -2,7 -3,2 -3,0 Час Поверхневий опір, напилення, хв. Ом/кв. 6 106 6 5-107 6 107 6 8-105 6 5-106 6 106 6 5-107 6 107 6 106 6 5-107 6 5-107 6 105 Примітки Заявлений Заявлений Заявлений Заявлений Заявлений Примітки: А - аморфна фаза вуглецю; Си -мідь; АП - алмазоподібна фаза (а=0,4477 нм); С – вуглець З таблиці видно, що найбільш суттєво збільшення поверхневого електроопору у напилених плівках вуглецьмідь при однакових режимах напилення було отримано у дослідах 2, 3, 7, 8, 10. Фазовий склад у напилених плівках оптимального складу є сумішшю алмазоподібної (АП) кубічної фази (а=0,4477нм) та дрібних кристаликів металу - каталізатора міді, які оточують АП-фазу. Тобто існує оптимальна кількість міді, яка стимулює одержання за цих наднерівноважних умов осадження з пари алмазоподібної кристалічної структури вуглецю. Знижувати потенціал на мішені понад (-3кВ) (приклад №11) немає сенсу, оскільки крім збільшення енерговитрат позитивних змін у фазовому складі і властивостях алмазоподібних плівок не спостерігається. Аналіз порівняння із прототипом показав: хімічний склад однорідної плівки системи вуглець-мідь, що заявляється для отримання алмазоподібних плівок, невідомий, оскільки у звичайних умовах отримати сплави в незмішуваній системі С-Си неможливо. Так, одержані у прототипі бішари мідь-алмаз не утворюють істинних сплавів. Таким чином, заявлене технічне рішення відповідає критерію "новизна ". Оскільки склад алмазоподібних плівок надає сплаву корисні властивості, то заявлене технічне рішення також відповідає і критерію "винахідницький рівень". Перевагами заявленого технічного рішення є: - одночасне існування в структурі плівок суміші фаз АП + мідь, яке забезпечує можливість отримання в них широкого інтервалу значень поверхневого електроопору з одночасним поєднанням високої теплопровідності плівок; - усунення термонапружень у структурі плівок за рахунок відсутності межі між шарами компонентів сплаву; - технологічна доступність і невеликі енерговитрати під час одержання алмазоподібного стану у вуглецевій ґратці в процесі іонно-плазмового напилення.