Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2021, T. 496, № 1, стр. 27-30

Теплопроводность алмаза при комнатной температуре достигает 2400 Вт/м·K, что является рекордом среди объемных твердых тел и делает алмаз привлекательным материалом для изготовления разного рода теплоотводов [1]. Твердость алмаза 100 ГПа также является самой высокой и обеспечивает промышленный спрос на алмаз в качестве материала для режущего инструмента, абразива и износостойких покрытий [2]. С оптической точки зрения чистый алмаз с идеальной кристаллической решеткой обладал бы пренебрежимо малым оптическим поглощением в диапазоне длин волн от ультрафиолета (∼225 нм) и до среднего инфракрасного диапазона (2.5 мкм – коротковолновый край области двух- и трехфононного поглощения) [3]. Привнесение в решетку алмаза дефектов и примесей приводит к образованию новых энергетических переходов, оказывающих влияние на спектры поглощения и люминесценции материала [4].

В виду сложности получения крупных (более 15 мм) и высококачественных монокристаллических алмазов, для решения практических задач прибегают к изготовлению поликристаллических алмазных пластин большого диаметра (до 4 дюймов) методом химического осаждения из газовой фазы (англ. chemical vapor deposition, CVD), причем по оптическим характеристикам и теплопроводности поликристаллический алмаз высокого качества лишь незначительно (на 10–20%) уступает монокристаллам [5, 6]. Причиной ухудшения характеристик является наличие границ зерен, а также образование графитовой sp²-фазы в межзеренном пространстве. Другой возникающей сложностью является увеличение шероховатости пленки с ростом ее толщины, что является прямым следствием разрастания алмазных зерен (кристаллитов) с увеличением времени роста (см. рис. 1а).

Рис. 1.

Изображения РЭМ поверхности пленок и их сколов для образцов, полученных в различных режимах инжекции азота.

В подавляющем большинстве случаев практическое применение поли- и монокристаллического алмаза в оптике (прозрачные окна с высоким коэффициентом преломления) и электронике (теплоотводы) подразумевает одно-/двухстороннюю шлифовку/полировку синтезированной пластины. Как уже упоминалось, алмаз является самым твердым из доступных материалов, что крайне затрудняет разработку эффективных методов его шлифовки/полировки [7]. Так, основным методом полировки алмаза по-прежнему является его механическая обработка [8]. Разработанные методы по плазмохимической полировке алмаза, как правило, имеют низкую скорость удаления материала и эффективны лишь для “финальной” полировки монокристаллов малого размера [9]. Практическое применение термомеханического способа шлифовки, основанного на химической реакции алмаза с горячим железом [10], также имеет ряд ограничений по эффективности и равномерности шлифовки поликристаллических пластин большого диаметра, из-за чего данный метод пока не получил широкого распространения.

В свою очередь, необходимость механической обработки поликристаллической пластины создает целый ряд затруднений, к которым можно отнести:

(i) значительные ограничения по самой возможности полировки пластины в зависимости от ее толщины, диаметра и структуры синтезированного материала,

(ii) высокий риск повреждения образца,

(iii) необходимость удаления значительного количества материала, которое часто составляет 20–40% от толщины синтезированной пластины.

Задачей данной работы являлось изучение механизмов синтеза поликристаллического алмаза, позволяющих синтезировать пленки и пластины со сниженной шероховатостью без значительного ухудшения теплопроводности синтезируемого материала, а также анализ структуры и свойств полученного материала методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и интерферометрии белого света.

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПОЛУЧЕННЫХ ПЛЕНОК

Структура поверхности образцов изучалась методами растровой электронной микроскопии (РЭМ, система TESCAN MIRA3) и интерферометрии белого света (ZygoNewView 5000). Снимки поверхности пленок и их сколов приведены на рис. 1.

На снимках прослеживается явное снижение среднего размера кристаллитов алмазной пленки даже при малых добавках азота. На сколах всех пленок, синтезированных в режиме периодической инжекции азота, прослеживается многослойное строение пленки. Также примечательно значительное увеличение толщины пленок (с 21 до 51 мкм, т.е. в 2.4 раза), а значит, и скорости синтеза алмаза в режимах периодической инжекции азота, что согласуется с известным эффектом от непрерывной добавки малых примесей азота на увеличение скорости роста алмаза [11].

Шероховатость пленок была изучена методом интерферометрии белого света и приведена на рис. 2.

Рис. 2.

Отношение шероховатости R_rms синтезированной алмазной пленки к ее толщине h в зависимости от относительной продолжительности периодических инжекций N₂.

При этом, чтобы избежать влияния увеличения общей скорости синтеза в режиме инжекции азота, за изучаемый параметр бралось отношение средней квадратичной шероховатости пленки R_rms (англ. root mean square roughness) к ее общей толщине h. Обнаружена тенденция к снижению шероховатости пленки при малых добавках азота, после чего шероховатость начинает возрастать за счет образования крупных (более 10 мкм) дефектов пленки, спонтанное образование которых типично для синтеза нанокристаллических пленок [12]. Сделан вывод, что оптимальным диапазоном относительного времени подачи азота к общему времени синтеза для синтеза гладких мультислойных алмазных пленок является 1/20 – 1/12 (при использованных в работе потоках H₂/CH₄/N₂ = = 460/20/20 sccm). Таким образом, использование режимов инжекции азота позволяет снизить относительную шероховатость поликристаллической алмазной пленки более чем в 3 раза.