ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИИ CVD АЛМАЗ НОВЫЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СВЧ ЭЛЕКТРОНИКИ

June 9, 2012 by admin Комментировать »

Ральченко В. Г., Конов В. И. Центр естественно-научных исследований Института общей физики РАН 119991, Москва, ул. Вавилова 38, Россия, Тел: (095) 132-8229, E-mail: ralchenko(S>nsc. gpi.ru Паршин В. В. Институт прикладной физики РАН, ул. Ульянова, 46, Н-Новгород 603950, Россия Гарин Б. М. Институт радиотехники и электроники РАН, 141190 Фрязино, площ. Введенского, 1, Россия Хайдингер Р. Исследовательский центр Карлсруэ, Институт материаловедения I, D-76021, Карлсруэ, Гзрмания


Аннотация Приведены свойства поликристаллических алмазных пластин большого размера, синтезируемых из газовой фазы (CVD алмаз), важные для применения этого материала в устройствах СВЧ электроники. Кратко описана техника выращивания алмаза высокого качества из СВЧ плазмы углеводородов. Показано, что уже сегодня CVD алмаз достиг статуса инженерного диэлектрического материала с рекордными электрофизическими и тепловыми параметрами, пригодного для создания СВЧ техники нового поколения.

I.  Введение

Алмаз обладает уникальным набором диэлектрических, тепловых, механических свойств, которые делают его крайне привлекательным материалом для СВЧ техники. Будучи изолятором, по теплопроводности алмаз в 5 раз превосходит медь, еще заметнее его преимущество по сравнению с таким диэлектриками, как оксид бериллия, который используется в качестве материала теплоотводов в СВЧ транзисторах и усилителях. Алмаз прозрачен в очень широком диапазоне спектра от ультрафиолетового до радиоволнового, и потому пригоден для изготовления окон сверхмощных гиротронов и клистронов. Благодаря высокой твердости, химической и радиационной стойкости алмаза его можно использовать для изготовления конструкционных элементов для работы при высоких температурах и в агрессивных средах.

II.   Основная часть

В настоящее время методом осаждения из газовой фазы (chemical vapor deposition CVD) возможно выращивание алмазных пластин высокой чистоты диаметром более 100 мм и толщиной более 2 мм [1]. Известно более десяти CVD-методов синтеза, различие между ними состоит только в способе активации реакционного газа (обычно это смесь метан-водород). Продукты разложения газа под действием электрического разряда, СВЧ плазмы, лазерного излучения, на горячей нити или в пламени газовой горелки осаждаются в виде поликристаллической алмазной пленки (рис. 1) на подложке, нагретой до температур 7001000°С. Наиболее совершенный алмаз удается получать в СВЧ плазме, при этом типичные скорости осаждения составляют 1-5 мкм/час [1, 2].

Преимуществами CVD алмаза являются: очень большие размеры, высокая воспроизводимость физических параметров, возможность выращивания изделий заданной формы [3].Теплопроводность CVD алмаза достигает величин /<=20-22 Вт/смК, свойственным лишь наиболее чистым природным монокристаллам типа На. Вследствие особой текстуры (кристаллиты растут в виде колонн, вытянутых по нормали к пленке) имеется анизотропия теплопроводности: по нормали к пленке она на 10-15% выше, чем в плоскости пленки: [4]. При нагреве до 200°С теплопроводность снижается примерно вдвое, следуя зависимости k ~ Т “1 [4]. При применении в качестве теплоотводящих подложек элементов электроники большая площадь пластин позволяет использовать групповые технологии монтажа.

Вследствие исключительной твердости алмаза полировка пластин представляет определенную проблему. В тех же случаях, когда допустимы шероховатости порядка 0.5-1 мкм, эффективна лазерная полировка [5]. Другие операции, такие как резка и сверление, так также проводятся с помощью лазеров [1].

Рис. 1. Алмазная пластина толщиной 0.2 мм, полученная осаждением в СВЧ плазме. Шероховатая поверхность состоит из хаотически ориентированных зерен размером около 30 мкм

Fig. 1. А 0.2-тт thick CVD diamond film grown in microwave plasma. The rough top surface is composed of randomly oriented crystallites of ca. 30/jm in size

При нагреве в вакууме поликристаллический алмаз термостабилен до 1200°С, при более высоких температурах происходит графитизация внутренних границ зерен и дефектов, сопровождающаяся ростом оптического поглощения в материале, хотя изменения в теплопроводности при этом незначительны [6].

Очень низкий тангенс угла потерь порядка 10′5 (теоретический предел около 10′8 [7]), в сочетании с высокой теплопроводностью, высокой прочностью и возможностью металлизации и обеспечения вакуумно-плотных соединений делают алмаз идеальным материалом для изготовления окон ИК и мм диапазона длин волн, в том числе в конструкциях сверхмощных, порядка 1 МВт, гиротронов [7]. Сравнительные характеристики алмаза и ряда диэлектриков, традиционно используемых для этой цели (Табл. I), показывают несомненное преимущество алмаза.

Таблица 1. Свойства малопоглощающих материалов (Т=293 К): диэлектрическая проницаемость s, тангенс угла потерь tg5 (f = 145 GHz) теплопроводность к, температурный коэффициент расширения а, модуль Юнга Е.

вещество

s

tgs

x10′4

k

Bt/cmK

a

1 о’6 к:1

E

GPa

кварц

3.8

3

0.014

0.5

73

BN

4.3

5

0.35

3

60

BeO

6.7

10

2.5

7.6

350

сапфир

9.4

2

0.4

8.2

380

Si:Au

11.7

0.03

1.4

2.5

160

алмаз

5.7

0.06

20

0.8

1050

Измерения потерь на частоте при 170 ГГц в широком диапазоне температур показали [7], что величина tg5 практически неизменна в области 7=80700 К, но быстро нарастает при дальнейшем нагреве. Механизмы поглощения, однако, пока недостаточно изучены.

III.   Заключение

Последние достижение в области плазмохимического выращивания алмаза в виде пластин больших размеров сделали доступным этот новый материал с уникальными свойствами для разработчиков новых СВЧ приборов, в том числе с рекордными характеристиками. Существующие в настоящее время барьеры, в частности, высокая цена, для широкого внедрения CVD алмаза в СВЧ технику, по-видимому, будут преодолены при продолжении совершенствования технологии синтеза и массовом производстве.

Работа выполнена при частичной поддержке Программы ИНТАС, грант 01-2173.

IV.  Список литературы

[1]  Handbook of Industrial Diamonds and Diamond Films, ed. by M. Prelas, et al. Marcel Dekker, New York, 1997.

[2]  Ralchenko V. G., Smolin A. A., Konov V. I., et al.

Diamond and Related Materials, 1997, v. 6, p. 417.

[3]  Ralchenko V. G., Khomich A. V., Baranov A. V., etal.

Phys. Status Solidi (a), 1999, v. 174, p. 171.

[4]  Ивакин E. S., Суходолов A. S., Ральченко В. Г., и др. Квантовая электроника, 2002, т. 32, №4, с. 367.

[5]  PimenovS. М., Kononenko V. V., Ralchenko V. G. etal., Appl. Phys. A, 1999, v. 69, p. 81.

[6]   .        Khomich A. V., Ralchenko V. G., Vlasov A. V. et al.

Diamond and Related Materials, 2001, v. 10, p. 546.

[7]  Гарин Б. М., Копнин A. H., Паршин В. В. и др.

Письма в ЖТФ, 1999, т. 25, № 7-8, с. 85.

POLYCRYSTALLINE CVD DIAMOND A NEW DIELECTRIC MATERIAL FOR MICROWAVE ELECTRONICS

Ralchenko V. G., Konov V. I.

Natural Sciences Center of General Physics Institute, RAS 38 Vavilova Str., Moscow, Russia, 119991 phone +7 (95) 1328229; e-mail: ralchenko@nsc.gpi.ru Parshin V. V.

Institute of Applied Physics, RAS 46 Ulyanova Str., Nizhny Novgorod, Russia, 603950 Garin В. M.

Institute of Radio Engineering and Electronics, RAS 1 Vvedenskogo Sq., Fryazino, Russia, 141190 Heidinger R.

Forschungszentrum Karlsruhe Institute for Materials Research I P.O. Box 3640, D76021, Karlsruhe, Germany

Abstract Properties of polycrystalline diamond wafers produced by chemical vapor deposition (CVD) are described which show their importance for applications in microwave electronics. Today CVD diamonds become an engineering material whose unique thermal and electrophysical parameters makes it very promising for a new generation of microwave devices.

I.  Introduction

Diamonds possess a unique blend of dielectric, thermal and mechanical properties which are of key interest for microwave applications. Their thermal conductivity is 5 times higher than that of copper; diamonds offer even greater advantages compared to BeO and other dielectrics commonly used for heat sinks. Diamonds are transparent across a broad frequency range from UV to radio, which makes them an excellent material for manufacturing output windows for powerful gyrotrons and klystrons. Due to their hardness, chemical resistance and radiation tolerance, diamonds may be used in harsh environments.

II.  Main part

At present high-quality large polycrystalline diamond wafers with diameters exceeding 100mm and thickness above 2mm are grown by CVD techniques from hydrocarbon gases [1]. Among more than a dozen different CVD ways of synthesis, the microwave plasma CVD technique offers the best diamond materials (Fig. 1) with an average growth rate of 1-5|jm/h [1, 2]. The advantages of CVD diamonds include unsurpassed large dimensions, reproducibility of physical properties, opportunity of growing materials of pre-set shapes [3].

The thermal conductivity of CVD diamonds approaches the values /(=20-22W/cmK (confined only to the purest natural single crystals). A certain anisotropy a 10-15% difference between surface and perpendicular (to wafer plane) thermal conductivities

–   is observed due to a columnar structure of crystallites [4]. Polishing rough surfaces of polycrystalline diamonds may pose a problem due to extreme hardness of the material. In certain cases, when the surface roughness of 0.5-1 |jm is permissible, laser polishing techniques may be efficiently used [5]. CVD diamonds are thermally stable in vacuum up to 1200°C, but at higher temperatures the graphitization of grain boundaries and defects occurs [6]. A very low dielectric dissipation (~ 10“5) combined with high thermal conductivity and hardness makes diamonds a perfect medium for manufacturing mm-wave windows, especially for high power (~1MW) gyrotrons [7,8]. Advantages of CVD diamonds are obvious in comparison with dielectric properties of materials commonly used for microwave windows.

III.  Conclusions

Polycrystalline CVD diamond wafers have become available now as engineering material for advanced microwave applications. Although existing obstacles, including high manufacturing costs, still prevent CVD diamonds from active implementation into microwave devices, this material looks particularly promising with regard to continuing progress in manufacturing techniques and expected mass production.

This research has been partially supported by the INTAS Programme, Grant 01-2173.

ОБ ОРГАНИЗАЦИИ ЗНАНИЙ И ДАННЫХ В СИСТЕМАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И АНАЛИЗА УСТРОЙСТВ НА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДАХ (ДВ) И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРАХ (ДР)

Взятышев В. Ф., Крутских В. В. Московский энергетический институт (технический университет), Москва, Россия Тел.: 362-88-06; 215-77-42; e-mail: vitaidea@mtu-net.ru; wk444@land.ru

Аннотация Проведен аналитический обзор массива физических знаний, технологий расчета и проектных данных в области ДВ и ДР за 30-40 лет. Сформировано новое понимание технологий обработки, анализа и хранения знаний, информации и технологий. Описан эскизный вариант комплекса с новой организацией знаний и данных, предназначенного для проектирования, исследования и обучения. С его помощью выявлены некоторых неочевидные ранее физические и проектные закономерности.

I.  Введение. Анализ ситуации

Сложившаяся в 60-80 годах практика и технология исследования ДВ, ДР и устройств на них[8] характеризуются следующими признаками [1-3]:

1.    Преобладание аналитического, исследовательского подхода. Задавалось множество вариантов внутренних параметров X (размеры, расстояния, параметры материалов, частоты, длины волн и др.), затем строились прямые физико-математические модели зависимости тех или иных внешних параметров Y (скорости, затухания, коэффициенты передачи и отражения и т. д.) от X; на большем или меньшем подпространстве X и Y.

2.  Стремление к экономии вычислительных ресурсов и графическая форма представления результатов. Численный (ручной или машинный) расчет зависимостей внешних параметров от внутренних проводился в минимальном числе вариантов. А для облегчения интерполяции и повышения точности использовались относительные (безразмерные) и/или приведенные (нормированные на предельные или характерные значения) переменные;

Можно сказать, что до начала девяностых годов в этой области преобладали «графические базы данных», реализованные в виде статей и отчетов. Подавляющее большинство машинных программ использовались только их авторами и создателями.

3.  Необходимые для проектирования обратные модели, основанные на зависимостях X(Y), практически отсутствовали. Базой проектирования служили обобщения и выводы как физического, так и прикладного характера, полученные обработкой оригиналов полученной графической базы. Так, в [1,3] были обнаружены, и исследованы, например:

•       минимальные эффективные размеры поля разных типов волн в разных ДВ ;

•минимальные значения суммарных потерь на изогнутых участках ДВ;

•оптимальные значения кривизны, обеспечивающие минимальные потери на повороте.

Для своего времени, при ограниченных вычислительных ресурсах и весьма неоперативном доступе к ним эта технология была близка к оптимальной. Общее представление об этой технологии дают работы

[2]  для ДР и [3] для ДВ.

В девяностые годы ситуация качественно изменилась. Появились совместимые персональные компьютеры с мощностями, на порядки превышающими мощности больших машин 80-х годов, и универсальные пакеты прикладных программ. Этот прорыв в области вычислительных систем способствовал развитию различных численных методов и скачку в области математических моделей СВЧ техники. Например, в программах HFSS (фирм Hewlett Packard, Ansoft и Maxell) методом конечных элементов моделируются полные картины поля внутри структуры, а по ним вычисляются S-параметры устройств [4].

Первый в МЭИ опыт разработки современных систем моделирования (на примере технологии проектирования экранированных гибких ДВ ЭГДВ) реализован кафедрой ОРТ [5] по контракту с Шанхайским институтом связи (КНР).

Модули программного комплекса позволяют:

•рассчитывать дисперсионные характеристики

ЭГДВ (для рабочего и для иных типов волн);

• рассчитывать и строить распределения полей;

•анализировать характеристики затухания рабо

чей и нежелательных типов волн ЭГДВ;

II.  Концепция проекта

В работе сформулированы требования и начата разработка программного комплекса DWRS:

1.  Комплекс DWRS ориентирован на применение современных ЭВМ и стандартных научных пакетов2 для преобразования и решения уравнений, вывода интегральных и иных соотношений, вычислений и обработки, создания и хранения баз данных и знаний; графического представления результатов.

2.  Достигаются высокие значения следующих показателей качества разрабатываемого комплекса:

•удобство работы и простота обучения конечного

пользователя;

•стандартизация на уровне потоков данных;

• корректное и широкое диалоговое общение с

пользователем;

•сохранение численных результатов совместной

работы машины и деятельности пользователя в базах данных с возможностями их использования в других модулях комплекса;

•сохранение аналитических результатов в машин

ных информационных базах;

•графическое представление результатов в раз

нообразных системах безразмерных и приведенных координат.

3.  Первый [6] объект исследования и проектирования в DWRS соединения ДВ выбран так, чтобы ввести в систему три типичных класса параметров:

Например Mathcad, Mathlab, Excel и др.

•   явления в регулярных волноводах, описываемые

волновыми числами, скоростями распространения и распределениями полей;

•явления в системах волноводов, описываемые спектром волн системы и их параметрами, линейным коэффициентом связи и др.;

•            преобразование волн на стыках разных волноводов и их систем.

4.    Главное в работе поиск и реализация возможностей наиболее эффективной организации знаний и данных между модулями комплекса. На первом этапе использовались простые двумерные модели.

Сопоставим функциональные возможности трех упомянутых выше комплексов.

Табл.1. Функциональные возможности комплексов

Table 1. Functional possibilities of the complex

Функция

Комп

лекс

HFSS

Комп

лекс

[5]

Комплекс [6] DWRS

Ф1 Универсальность на уровне задач

ДА

НЕТ

НЕТ

Ф2 Универсальность, в классе задач

НЕТ

ДА

ДА

ФЗ Хранение данных

ДА

НЕТ

ДА

Ф4 Использование данных из предыдущих проектов

НЕТ

НЕТ

ДА

Ф5 Анализ проекта

ДА

НЕТ

ДА

Ф6 Сопоставление разных проектов

НЕТ

НЕТ

ДА

Ф7 Формирование текстов и графики

НЕТ

НЕТ

ДА

III.    Заключение. Первые результаты

Уже на начальном этапе работ с макетом комплекса DWRS, благодаря возможности анализа, были получены следующие результаты:

1.   Замечено, что внешние и внутренние волновые числа и замедления волн совпадают при перестановке численных значений относительной диэлектрической е и магнитной /и проницаемости, если одновременно взаимно заменяются типы волн Е и Н.

2.      Свойства поляризационной дискриминации (отличия параметров Е и Н волн), привычные для диэлектрических волноводов (в > ц), меняются на качественно противоположные в случае так называемым магнетических волноводов (е < /л).

3. Если же е = /и, у такого «магнетодиэлектрического» волновода (МДВ) пропадают оба свойства поляризационной дискриминации: волны, поляризованные параллельно и перпендикулярно границам раздела сред, имеют одинаковые замедления (и, соответственно, дисперсии) на всех частотах.

По всей видимости, это необычное свойство, позволяющее работать с волнами круговой и эллиптической поляризации, будет иметь место при прямоугольной и других формах сечения МДВ с е = /и.

IV.  Список литературы

[1]  Взятышев В. Ф. Диэлектрические волноводы, -М.: «Сов. радио», 1970. 275 с.

[2] Диэлектрические резонаторы, под ред. Ильченко М.Е. М.: «Радио и связь»,1989, 328 с.

[3]  Взятышев В. Ф. Основы теории и принципы применения диэлектрических волноводов миллиметрового диапазона. Дис. на соиск. ст. д.т.н. М.,1970 г, 287 с.

[4]  HFSS, Getting Started:A Cavity Backed, Slot-Coupled, CP Patch Antenna Problem, Ansoft Corparation, -2000, 110 p.

[5]  Отчеты по контракту №96EMCR/471211K-433RF с Шанхайским институтом связи (КНР), 1996-1999.

[6]  Крутских В. В. Система организации знаний и данных в области диэлектрических волноводов и их систем, Дис. на соиск. ст. магистра техн. и технол. М. 2002 г. 145 с.

KNOWLEDGE AND DATA ORGANIZATION IN CAD SYSTEMS

Vzyatyshev V. F., Krutskikh V. V.

Moscow Power Engineering Institute (TU)

Russia, Moscow, 111250, Krasnokazarmennaya, 14 Tel.: 362-88-06; 215-77-42 e-mail: vitaidea@mtu-net.ru; vvk444@land.ru

Abstract Presented in this paper is the review of physical knowledge, calculation techniques and some other data in the field of dielectric resonators and dielectric waveguides design for the last 30-40 years. We have formed the new understanding of analysis, data storage and processing technology. A sketch variant of complex using principally new knowledge and data organization is described. It is intended for design, research and education. Using this complex, we have found some non-obvious physical and design regularities.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты