В России разработана методика получения алмаз-графитовых элементов для электронных компонентов

 


Сотрудники Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) разработали методику получения в алмазе тончайших графитизированных слоев. Их уникальные свойства в совокупности с технологией фотолитографии по алмазу позволяют использовать алмаз-графитовые структуры в производстве различных элементов электроники и оптоэлектроники.

Кремний, германий, арсенид галлия и т. п. — основа современной электроники. Но они во многом уже исчерпали свои возможности; впереди — освоение новых материалов и технологий. По мнению учёных, в этом смысле весьма перспективен алмаз, идеальный по всем свойствам материал для создания электронных компонентов, способных работать в жестких условиях эксплуатации (высокие температуры и уровни радиации, агрессивные химические среды).

Методика получения алмаз-графитовых структур разработана в ФИАНе научной группой, руководимой доктором физ.-мат. наук Алексеем Гиппиусом. Технология, созданная Романом Хмельницким и Валерием Дравиным, стала одним из прикладных аспектов многолетних исследований микрофизики процесса графитизации алмаза — фазового перехода I рода в твёрдом состоянии.

«Алмаз и графит — простейшие вещества, состоящие из углерода, но с разными кристаллическими решетками и химическими связями между атомами. Поэтому алмаз — твёрдый, графит — мягкий; алмаз — прозрачный, графит — чёрный; алмаз — изолятор, графит — проводник; химически алмаз — исключительно стойкий материал, графит же травится даже слабыми кислотами. Иначе говоря, алмаз и графит — принципиально противоположные по всем свойствам вещества. Вот почему переход алмаз-графит можно считать эталонным фазовым переходом I рода в твердой фазе», — поясняет старший научный сотрудник, кандидат физ.-мат. наук Роман Хмельницкий.

Однако процесс графитизации алмаза почти никогда не происходит самопроизвольно, для его трансформации в графит нужно преодолеть мощный энергетический барьер. Одним из способов преодоления этого барьера является радиационное повреждение, а самой эффективной технологией считается ионная имплантация.

«Суть этой технологии в том, что ионы с энергией в десятки и сотни килоэлектронвольт выбивают из кристаллической решетки атомы, после чего твёрдое тело для восстановления его кристаллической структуры подвергается высокотемпературному отжигу, — комментирует Роман Хмельницкий. — Однако сильно дефектный алмаз свою структуру при отжиге не восстанавливает, а переходит в состояние, при котором атомы, как в графите, связаны sp²-связями. В результате в облучённой области создаются тонкие графитизированные слои, окружённые со всех сторон алмазом, и тем самым защищённые как химически, так и механически. Методом ионной имплантации можно создавать в алмазе слои толщиной от нескольких микронов до 10 нм на определённой глубине, а графитизированные слои в алмазе — это проводник в изоляторе, токопроводящая дорожка или электрод».

Однако не всё так просто. Основной технологией современной микроэлектроники является фотолитография (метод нанесения на материал «очертаний» будущей микросхемы), однако алмаз и фотослой — из-за низкой адгезии вещи, почти несовместные. К счастью, сотрудникам ФИАНа вместе со специалистами из НИИ «Пульсар» удалось преодолеть все технологические трудности, создав, по сути, фотолитографию по алмазу.

Слово Роману Хмельницкому: «Сначала мы напыляем на алмаз металл, но далеко не любой, а только тот, что хорошо контактирует с углеродом. То есть получается фотолитография не по алмазу, а по металлу, который используется в качестве маски. Для ионной имплантации приходится использовать двух- и трёхслойные металлические покрытия».

До недавнего времени алмаз не считался перспективным электронным материалом. Чему причиной дороговизна природных алмазов, малость доступных образцов и низкое качество материала. Ситуацию переломило создание технологий выращивания синтетических алмазов достойного качества, а также появление перспектив получения алмазных пластин относительно большой площади (сейчас речь идет о 2-дюймовых пластинах). Ну а конкретные методики «обуздания» алмаза в практических целях, вроде той, что описана выше, делают эту кристаллическую модификацию углерода реальным участником электронного рынка.

Подготовлено по материалам Физического института им. П. Н. Лебедева РАН.

Источник: Компьюлента