Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Температурные условия работы твердотельных элементов электронных приборов определяют предельную мощность, КПД, коэффициент усиления и другие характеристики элемента. Увеличение эффективности отвода тепла с помощью алмазов от элемента позволяет, например, достичь непрерывного режима генерации полупроводникового квантового генератора при 200 К (Bell Telephone Laboratories). Алмазные теплоотводы применяют в лавинно-пролетных диодах, диодах Ганна. Вследствие миниатюрности приборов (активный элемент - десятки микрон) и малого КПД (-10%) выделение тепла достигает 10" Вт/м2 (такая удельная мощность была бы на экваторе Земли; если бы излучение Солнца усилилось в 108 раз).
В связи с дальнейшим ростом размеров интегральных схем применение алмазных кристаллов для теплоотвода становится проблематичным. Возникает задача создания высокотеплопроводных композиционных материалов. Теоретически понятно, что компонентами таких композиций должны быть алмаз, медь, серебро, алюминий, окись бериллия и другие высокотеплопроводные вещества. Однако не ясны физические закономерности, определяющие теплопроводность систем, состоящих из слоев с различными механизмами теплопроводности (фононный-алмаз, электронно-фононный-медь), так как слоистые композиции на базе указанных выше компонент еще не созданы (если судить по 1000-1500 раСотам по алмазным пленкам, которые были нам доступны).
Не известными являются также и закономерности, определяющие электросопротивление, структуру, плотность и другие характеристики пленочной композиции. Их знание необходимо для развития теоретических представлений по слоистым пленкам, которые могут обогатить ФТТ.
Цель работы. Получение пленочной композиции алмаз-медь в лабораторных условиях, изучение физических закономерностей, определяющих теп-
4'
лопроводность и другие параметры, апробация композиции в качестве подлож- -ки для напыления пленок.
В рамках указанной цели выполнены следующие работы:
-
Создана лабораторная установка для выращивания алмазных пленок.
-
Подобраны условия выращивания пленок, при которых они имеют наибольшие теплопроводность и электросопротивление.
-
Разработан способ выращивания бислоев алмаз-медь, при котором термонапряжения алмазного слоя (рекордно велики из-за того, что КТР меди почти в 20 раз превышает КТР алмаза) релаксируют за счет текучести медног^ слоя.
-
Определены условия спекания бислоев в пленочную композицию, при которых диффузия атомов достаточно велика, но не наступает графитизация.
-
Изучены физические закономерности, определяющие теплопроводность, электросопротивление, плотность, структуру и взаимосвязь между ними.
-
Изучено электросопротивление пленок константана на композиционной подложке алмаз-медь при гранично-возможных плотностях тока, когда образуются домены (электрические, тепловые).
Научная новизна. Впервые получена пленочная композиция алмаз-медь (технология запатентована), впервые изучены физические закономерности, определяющие теплопроводность, электросопротивление и другие параметры пленочной композиции; впервые обнаружено, что в пленках константана на ПиДлох..;е алмаз-медь в изотермическом режиме электросопротивление зависит от плотности тока; впервые даны качественные объяснения взаимосвязи
свойств пленочной композиции.
Практическая и научная ценность. Разработана технология получения пленочных композиций и бислоев алмаз-медь, дан пример применения композиции в качестве подложек для напыления пленочных резисторов. Технология
защищена патентом Украины. Ведутся переговоры с патентным ведомством КНР для патентования в других странах.
Получен большой объем экспериментальных результатов по теплопроводности пленочной композиции, алмаз-медь, по электросопротивлению при малых и больших напряженностях электрического поля; определены плотность, показатель преломления света, микротвердость и другие характеристики во взаимосвязи со сферолитной и поликристаллической структурами пленок. Обнаружен новый- эффект — аномальное электросопротивление пленок констан-тана, напыленных на алмаз-медных положках. Эти результаты полезны для развития физики твердого тела.
Основные научные результаты представлены в -спецкурсе «Композиционные материалы» для студентов 3-го и 5-го курсоь кафедры физики металлов Киевского университета ми.Тараса Шевченко.
Личный вклад автора в разработку научных результатов, которые выносятся на защиту:
—автором получены алмазные пленки и композиции алмаз-медь на им же созданной установке и измерены физические параметры на созданных автором установках;
—изучены теплопроводность и электросопротивление композиций во взаимосвязи с другими свойствами и дана качественная интерпретация результатов;
—экспериментально обнарухген эффект аномального хода электросопротивления от тока в изотермическом режиме на. пленках, константана, напыленных на подложку алмаз-медь.
Итогом работы являются следующие защищаемые положения, выносимые на защиту:
1. При переходе от сферолитного строения С-слоев к поликристаллическому за счет ослабления рассеяния фононов на неоднородностях теплопроводность пленочной композиции С-Си увеличивается и достигает значения
теплопроводности п^ликристаллических синтетических алмазов, если адгезия между слоями усилена карбидообразуютцей (хромовой) прослойкой, температура конденсации С-слоёв лежит в интервале 1200-1250 К, а термонапряжения срелаксированы за счет текучести медных слоев.
-
Энергии активации, определяемые по экспоненциальной температурной зависимости электросопротивления пленочной композиции С-Си и её удельное сопротивление возрастают при переходе от сферолитного строения С-слоев к поликристаллическому; с увеличением концентрации азота в С-слоях электросопротивления уменьшается благодаря образованию в них дефектов структуры.
-
В пленке константана, нанесенной на композиционную подложку алмаз-медь, за счет сильного теплоотвода достигаются предельные плотности тока, при которых электросопротивление с увеличением тока нарастает ступенчато, что свидетельствует об образовании в пленке константана доменов (электрических, тепловых).
Апробация работы. Основные результаты представлены на конференциях:
-
Международный симпозиум «Тонкие пленки в электронике», 1995 г., г.Херсон.
-
Международный симпозиум «Materials Research Society Symposium», 1996, USA.
-
Международный симпозиум «Advanced Metalization and Interconnect systems for VLSI Applications in 1996», 1996, Boston, USA.
4. Международная конференция «ASM International European Conference on
Welding and Joining Science and Technology», 1996, Madrid, Spain.
Диссертация выполнялась в соответствии с .планами наушо-нсследовательской работы кафедры физики металлов по теме «Разработка
физико-химических основ получения, и исследовашіе композиционных материалов и покрытий» №97012.
Публикации. Основное сод<*ожание работы изложено в 9-ти публикациях и 5 работ принято к печати. Список работ приведен в конце реферата.
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, три главы, выводы, список цитированной литературы из 138 наименований. Работа изложена на 126 страницах, на которых размещено 65 рисунков и 9 таблиц.
