Методы синтеза алмаза
Синтетический алмаз изготавливают с использованием различных технологий. Синтетические алмазные порошки, крупные монокристаллы и спечённые поликристаллические алмазные изделия получают методом высокого давления и высокой температуры (HPHT). Монокристаллы наивысшей чистоты синтезируют с помощью CVD при микроволновом плазменном возбуждении, однако поликристаллический CVD‑алмаз может быть получен различными способами, как показано в Таблице 2. Свойства алмаза, полученного разными методами, различаются. В целом, CVD‑алмаз можно разделить на три категории: микроволновый плазменный CVD, горячекатодный (горячеслойный) CVD и CVD с дугой постоянного тока или дуговой струёй.
Общей чертой всех типов CVD является наличие небольшого количества газообразного углеродсодержащего компонента в водороде, при этом температура газа превышает 2000 K, что способствует диссоциации H₂ на высокореакционноспособные радикалы H·. В горячекатодных реакторах обычно осаждение происходит на подложки диаметром до 300 мм, однако критически важен баланс между площадью осаждения, однородностью (включая такие свойства, как чистота) и производительностью, что не менее важно, чем общая эффективность. Фазовую чистоту (снижение содержания sp²‑связей) можно контролировать двумя способами: (1) уменьшением расхода метана на входе и скорости роста (что увеличивает время и стоимость процесса) и (2) повышением температуры газа для улучшения диссоциации H₂. В реакторах с микроволновым плазменным возбуждением и с дугой постоянного тока легче достичь более высокой температуры газа. Наилучший контроль примесей обеспечивает микроволновый плазменный CVD, поскольку в этом методе не используются катод или нить накала, благодаря чему достигаются максимальные показатели чистоты, оптического пропускания и теплопроводности.
Применение CVD‑алмаза для отвода тепла
Факторы, которые необходимо учитывать при интеграции CVD‑алмаза в тепловые системы. Для успешного встраивания элементов управления теплом в устройство необходимо учитывать полный путь теплопередачи, а также электрические требования и термомеханические напряжения. Хотя CVD‑алмаз обладает чрезвычайно высокой жёсткостью и низким коэффициентом теплового расширения (около 1 ppm/K), что делает его идеальным материалом для окон высокомощной передачи, его значительное несоответствие по КТР с такими распространёнными полупроводниковыми материалами, как Si (2,6 ppm/K), GaAs (5,7 ppm/K) и GaN (3,2–5,6 ppm/K), создаёт серьёзные проблемы для инженеров по термодизайну. Если не учесть это на этапе проектирования, напряжения, возникающие при термоциклировании, могут отрицательно сказаться на сроке службы и надёжности устройства. Два способа управления этими напряжениями — это предварительное растрескивание полупроводникового соединения и использование алмазных промежуточных слоёв; в последнем случае верхний слой служит для уравновешивания напряжений. При интеграции алмаза в корпус устройства идеальная геометрия зависит от многих факторов, таких как плотность мощности и расположение охлаждающих каналов, однако моделирование конструкции является относительно простым.
Факторы, которые необходимо учитывать при интеграции CVD‑алмаза в тепловые системы. Для успешного встраивания элементов управления теплом в устройство необходимо учитывать полный путь теплопередачи, а также электрические требования и термомеханические напряжения. Хотя CVD‑алмаз обладает чрезвычайно высокой жёсткостью и низким коэффициентом теплового расширения (около 1 ppm/K), что делает его идеальным материалом для окон высокомощной передачи, его значительное несоответствие по КТР с такими распространёнными полупроводниковыми материалами, как Si (2,6 ppm/K), GaAs (5,7 ppm/K) и GaN (3,2–5,6 ppm/K), создаёт серьёзные проблемы для инженеров по термодизайну. Если не учесть это на этапе проектирования, напряжения, возникающие при термоциклировании, могут отрицательно сказаться на сроке службы и надёжности устройства. Два способа управления этими напряжениями — это предварительное растрескивание полупроводникового соединения и использование алмазных промежуточных слоёв; в последнем случае верхний слой служит для уравновешивания напряжений. При интеграции алмаза в корпус устройства идеальная геометрия зависит от многих факторов, таких как плотность мощности и расположение охлаждающих каналов, однако моделирование конструкции является относительно простым.
