Изготовление ГИС СВЧ на алюмонитридных подложках со сквозными отверстиями, заполненными поликристаллическим алмазом

Введение

Твердотельная СВЧ-электроника начала интенсивно развиваться с появлением кремниевых, а затем арсенидгаллиевых и нитридгаллиевых СВЧ-транзисторов с приемлемыми параметрами по коэффициенту усиления, коэффициенту шума, КПД и выходной мощности в СВЧ-диапазоне. Большая номенклатура, многофункциональность, сложность реализации технических характеристик при небольшой потребности (в основном – в военной технике) изначально направили развитие твердотельной СВЧ-электроники по пути технологии гибридных интегральных схем (ГИС). Эта технология представляет собой изготовление отдельных активных и пассивных компонентов (транзисторов, конденсаторов, линий задержки, ключей) в виде отдельных элементов, объединённых в ГИС.

Внедрение гибридной технологии на первых этапах развития твердотельной СВЧ-электроники за счёт несложных технологических приёмов – разварки, пайки, склеивания – при резком увеличении функциональных возможностей СВЧ-аппаратуры обеспечило высокие технические характеристики и приемлемую надёжность, а также резко снизило вес, габариты и стоимость аппаратуры. Добиться этого получилось за счёт использования компонентов высокого качества и подстройки в процессе изготовления ГИС. С развитием технологии арсенида галлия появились монолитные СВЧ-интегральные схемы (МИС СВЧ), в которых активные и пассивные СВЧ-компоненты изготавливаются на одном кристалле и в едином технологическом цикле. Эта технология открыла перспективы создания более сложных СВЧ-систем с повышенной надёжностью, меньшим весом и габаритами, в том числе наземных и бортовых систем радиолокации с активными фазированными решетками (АФАР) [1].

Основным элементом конструкции ГИС СВЧ является металлизированная керамическая подложка, на которой запроектированы рисунок схемы, пассивные элементы (индуктивности, конденсаторы и резисторы) и полупроводниковые кристаллы. При этом подложка выполняет две основные функции. Во-первых, осуществляется электрическая изоляция токоведущих шин топологического рисунка, расположенных на одной стороне, друг напротив друга, а также от токоведущих шин на другой стороне. Во-вторых, подложка передаёт тепло, выделяемое активными элементами, на теплоотводы и радиаторы. Керамическая подложка имеет относительно высокую механическую и электрическую прочность, малый коэффициент теплового расширения и способна образовывать соединения с металлами. Также подложка обеспечивает низкие диэлектрические потери при высокой температуре. Значительная часть керамических подложек в радио- и электронной технике подвергается металлизации. Металлизационное покрытие наносят на подложку для создания токопроводящего слоя на определённой её части, к которой присоединяют полупроводниковый кристалл и выводы, соединяющие изделие с корпусом полупроводникового прибора. Металлизация может также служить в качестве электродов конденсаторов, витков катушек индуктивностей и промежуточным слоем для соединения подложки с металлическим основанием или арматурой корпуса с помощью пайки. Металлизационный слой создаёт смачивающуюся припоем поверхность и позволяет получить прочное паяное соединение керамической подложки с металлическим основанием [2].

Передовые достижения в СВЧ-электронике несколько последних десятилетий в значительной степени связываются с успехами, достигнутыми в области разработки новых материалов и материаловедении сложных полупроводниковых соединений и наногетероструктур. Использование новых материалов при изготовлении ГИС и МИС СВЧ позволяет увеличить мощность схем, расширить частотный диапазон разрабатываемых устройств, улучшить их тактико-технические характеристики и, что крайне важно в условиях требований постоянной миниатюризации, уменьшить их массогабаритные параметры. Можно существенно уменьшить габариты, если использовать бескорпусные кристаллы диодов и транзисторов, но при этом возникает проблема отвода тепла, выделяющегося при работе этих приборов. Дополнительная сложность заключается в том, что кристаллы, как правило, должны быть электрически изолированы от корпуса. В этом случае проблема эффективного отвода тепла решается путём использования теплоотводящего основания из меди, алюминия, керамики на основе оксида бериллия, нитрида бора и карбида кремния. В тех случаях, когда требуется одновременно обеспечить отвод тепла от кристалла полупроводникового прибора и электрическое соединение с металлическими пластинами-теплоотводами или с корпусом, используются металлизированные отверстия, заполненные металлом с высокой теплопроводностью [1]. В случаях, когда необходима электрическая изоляция от корпуса прибора или устройства, применяются неметаллические теплоотводы в виде подложек из алюмонитридной керамики и алмаза [3].

В статье [4] описываются конструкции и методы изготовления ГИС СВЧ, использующих подложки с низкими значениями диэлектрической постоянной и тангенса угла диэлектрических потерь (кварц, поликор, сапфир и другие), на которых по тонкоплёночной технологии формируются элементы линий передачи и согласования, пассивные элементы и контактные площадки для установки кристаллов активных элементов. Недостатком таких ГИС СВЧ является неэффективный отвод тепла от кристаллов активных элементов из-за низкого коэффициента теплопровод­ности указанных выше диэлектрических материалов, что не позволяет значительно снизить тепловое сопротивление и ограничивает возможности создания мощных ГИС СВЧ.

В статье [5] изложен способ изготовления интегральной СВЧ-схемы сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн, заключающийся в формировании активных и пассивных элементов, элементов линий передачи и согласования на полуизолирующей подложке из арсенида галлия (GaAs) с выращенными на ней методом эпитаксии слоями заданной рабочей структуры. При этом пассивные элементы, элементы линий передачи и согласования формируются в едином технологическом цикле с активными элементами. После этого пластину разделяют на отдельные чипы, каждый из которых представляет собой монолитную интегральную СВЧ-схему. Такая технология изготовления позволяет повысить воспроизводимость электрических характеристик и снизить трудоёмкость изготовления благодаря исключению операции монтажа кристаллов активных элементов. Однако использование полуизолирующей подложки из арсенида галлия не обеспечивает эффективного отвода тепла от активных элементов из-за низкого коэффициента теплопроводности материала подложки из арсенида галлия, что не позволяет уменьшить тепловое сопротивление цепи «активный элемент – корпус интегральной схемы СВЧ» и создавать интегральные СВЧ-схемы повышенной мощности.

В патенте РФ [6] описан способ изготовления интегральной СВЧ-схемы, включающий в себя: формирование методами тонкоплёночной технологии на диэлектрической подложке микрополосковых линий передачи, согласующих элементов и выводов; разделение подложки на отдельные чипы, каждый из которых содержит пассивную часть интегральной схемы; монтаж навесных кристаллов активных элементов. Интегральную СВЧ-схему изготавливают на диэлектрической подложке из алмаза толщиной 100...200 мкм, на которую наносят металлизационное покрытие в виде сплошного слоя одинаковой толщины (3–7 глубин скин-слоя) на обратной и торцевых сторонах. На лицевую сторону диэлектрической подложки наносят покрытие в виде локального слоя, а заземление интегральной схемы осуществляют посредством упомянутого металлизационного покрытия. Конструкция ГИС СВЧ позволяет значительно улучшить электрические характеристики и, прежде всего, повысить выходную мощность (более 1 Вт).

Однако возможности такой технологии изготовления с точки зрения получения более мощных ГИС СВЧ (мощных усилителей СВЧ, переключателей и умножителей) с выходной мощностью более 5 Вт весьма ограничены из-за низкой скорости осаждения алмаза и экономической нецелесообразности получения алмазного слоя толщиной больше 200 мкм. Ограничение толщины применяемых в теплоотводах алмазных пластин связано с тем, что их изготовление толщиной более 200 мкм сопряжено с определёнными трудностями. Пластины из монокристаллического алмаза ограничены по размерам и до¢роги, а увеличение толщины пластин при сохранении скорости роста приводит к ухудшению теплопроводности. Снижение скорости роста приводит к резкому увеличению цены CVD-алмазной пластины.

Альтернативой дорогостоящим толстым пластинам полиалмаза в ряде случаев могут стать более тонкие (десятки микрометров) алмазные слои, нанесённые на стандартные диэлектрические подложки, например на AlN-керамику [7]. Это приводит к значительному (в 3–5 раз!) увеличению теплопроводности наиболее ответственного наружного слоя теплоотвода.

В связи с этим вопрос выбора материала для подложек стал особенно острым при создании современных мощных ГИС СВЧ с большой плотностью монтажа элементов. Подложки для таких приборов должны обладать высокой теплопроводностью, изоляционной способностью, механической прочностью, коэффициентом термического расширения (КТР), близким к КТР наиболее распространённых полупроводников: кремния, арсенида и нитрида галлия. Также подложки должны иметь низкие значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, обеспечивать хорошую обрабатываемость (резку и полировку) и иметь невысокую стоимость. Из всех этих требований главным является значение теплопроводности, в наибольшей степени определяющей надёжность ГИС и МИС СВЧ, поскольку с увеличением температуры активных элементов резко возрастает скорость выхода их из строя (например, повышение температуры ГИС c +100 до +125°C увеличивает скорость возникновения в них дефектов в 5–6 раз). Значения теплопроводности некоторых неметаллических материалов подложек современных ГИС приведены в таблице 1.

Сопоставление перечисленных выше требований к подложкам с данными из таблицы 1 указывает на перспективность использования нитрида алюминия для подложек массовых ГИС СВЧ. Теплопроводность подложек из AlN определяется, как и для всех неметаллических материалов, фононным механизмом передачи тепла. Сравнение свойств подложек из AlN с подложками из Аl₂О₃ и ВеО приведено в таблице 2.

Теплопроводность керамики из AlN уменьшается с увеличением температуры (слабее, чем керамики из ВеО), так что при +150°C она становится почти одинаковой с теплопроводностью ВеО (см. рис. 1).

Коэффициент термического расширения при комнатной температуре у AlN (4,3×10^–6 1/°C) близок к КТР кремния (3,4×10^–6 1/°C), арсенида галлия (5,7×10^–6 1/°C) и нитрида галлия (4,0×10^–6 1/°C), что позволяет получать соединения деталей из этих материалов с низкими внутренними напряжениями.

При нанесении на подложки из AlN слоёв Ti-Pd-Au, NiСr-Рd-Аu и Ti₂N-NiСr-Рd-Аu методами магнетронного напыления или ионного распыления обеспечивается их высокая адгезия к подложке [8]. 

Постановка задачи

С учётом резкого увеличения мощности современных полупроводниковых приборов в мощных ГИС СВЧ отвод тепла от активной области прибора становится одной из важнейших проблем. В связи с этим в последнее время всё более пристальное внимание разработчиков ГИС и МИС СВЧ обращается на поликристаллический алмаз, выращиваемый в плазмохимическом реакторе на основе СВЧ-разряда на подложке из кремния методом CVD (CVD – Сhemical Vapor Deposition – химическое осаждение из газовой фазы). Интерес к этому материалу вызван его уникальными физико-химическими свойствами и возможностью получения теплоотводящих подложек большой площади. Будучи изолятором, CVD-алмаз обладает существенно более высокой теплопроводностью, чем другие материалы с изолирующими свойствами (см. табл.1). Использование алмазных подложек в качестве изолирующего теплоотвода позволяет поднять мощностные характеристики приборов за счёт уменьшения теплового сопротивления и увеличения предельного тока и рассеиваемой мощности в 1,5–2 раза.

Целесообразность использования алмаза в качестве теплоотвода для полупроводниковых приборов обсуждалась в зарубежной технической литературе в начале 70-х годов. Однако с появлением в промышленности высокотеплопроводной бериллиевой керамики этот вопрос был забыт. В последние годы к нему снова вернулись в связи с миниатюризацией и повышением мощности полупроводниковых приборов. Алмаз – дорогой материал, но на высокую стоимость аппаратуры для военных и космических целей его применение не оказывает существенного влияния. Обладая превосходной изоляционной способностью, он имеет теплопроводность в 8 раз выше, чем у бериллиевой керамики, и в 4 раза выше, чем у чистой меди. В роли теплоотвода алмаз позволяет существенно снизить температуру основания (фланца) полупроводникового прибора, что приводит к уменьшению температуры р-n-перехода, благоприятно влияя на надёжность и долговечность прибора. Чтобы обеспечить требуемую для космических применений высокую надёжность аппаратуры, в которой для мощных транзисторов используются теплоотводы из ВеО, приходилось «смягчать» режим работы транзисторов приблизительно на 20%, ухудшая при этом эксплуатационные свойства аппаратуры. Обозначенные проблемы решали путём усложнения схемы и применения тепловых труб. Качественный выигрыш от применения алмазных теплоотводов для одного из типов мощных транзисторов представлен в таблице 3 [9].

В последнее время внимание разработчиков всё больше привлекают транзисторы на основе нитрида галлия (GaN), способные работать при высоких температурах и на более высоких частотах, чем кремниевые и арсенидгаллиевые приборы. Мощность GaN-транзисторов компании Nitronex (США) достигает 50 Вт на частоте 2,5 ГГц, транзисторов фирмы Eudina (Япония) – 180 Вт на частотах 2,11–2,17 ГГц [10]. Появились сообщения о формировании GaN-структур на тонких подложках из полиалмаза [6]. Реализация уникальных свойств таких структур (большие уровни мощности, способность работать при высоких температурах и на сверхвысоких частотах), вероятнее всего, возможна только с теплоотводом из полиалмаза.

Как видно из данных, приведённых в таблице 3, использование алмазных теплоотводов по сравнению с теплоотводом из бериллиевой керамики позволяет снизить на 18...22°C температуру на p-n-переходе мощных транзисторов при всех значениях температуры на фланце и в 3–4 раза увеличить среднее время безотказной работы транзисторов.

Применение алмаза затруднительно по причине того, что алмазные подложки большой толщины в связи с низкой скоростью осаждения имеют длительный процесс формирования, а из-за своей высокой твёрдости трудно поддаются механической обработке и поэтому являются дорогостоящими в изготовлении.

Возможности использования в качестве теплоотвода в ГИС СВЧ бериллиевой керамики ограничены её высокой стоимостью, чрезвычайной токсичностью, вследствие чего требуются дополнительные меры по обеспечению безопасности условий труда, и значительным снижением теплопроводности в диапазоне рабочих температур +100...+200°С.

КТР алюмонитридной керамики хорошо согласуется с кремнием, арсенидом галлия и нитридом галлия. Это особенно важно для приборов и устройств, выполненных на кристаллах больших размеров. Кроме того, в отличие от ВеО-керамики теплопроводность AlN-керамики не уменьшается при нагреве кристаллов полупроводниковых приборов. Всё вышесказанное позволяет сделать вывод о целесооб­разности применения алюмонитридной керамики в качестве теплоотвода.

Учитывая преимущества AlN-керамики и полиалмаза, представляет интерес совместное использование уникальных свойств обоих материалов в конструкции теплоотводящей подложки для мощной ГИС СВЧ. Авторами было проведено исследование возможности создания конструкции мощной ГИС СВЧ с использованием алюмонитридной подложки со сквозными отверстиями различных размеров, на поверхность которой нанесён слой поликристаллического алмаза.

Объекты исследования, материалы и оборудование

Эксперименты по разработке и изготовлению ГИС СВЧ на подложке из алюмонитридной керамики (AlN) с отверстиями, заполненными поликристаллическим алмазом, осаждённым методом CVD, проводились на шлифованных пластинах AlN размером 30×24×0,25 мм с плотностью 3,32 г/см³ и теплопроводностью 180 Вт/м·К. Для прошивки сквозных отверстий использовалась лазерная установка МЛ1-1, осаждение алмазной плёнки проводилось на установке Seki Technotron AX5250M, напыление металлизационной структуры – на установке магнетронного напыления «Оратория-9». Формирование топологического рисунка осуществлялось на оборудовании, входящем в состав специальной линии фотолитографии.

Экспериментальные исследования

Подложку из нитрида алюминия (AlN) шлифовали, обеспечивая шероховатость поверхности с размером микронеровностей 0,63 мкм. Отшлифованную подложку очищали от загрязнений в перекисно-аммиачном растворе, закрепляли на координатном столике технологической установки МЛ1-1 и выполняли лазерную перфорацию (см. рис. 2а).

Лазерное излучение фокусировали в пятно диаметром 10 мкм и проводили сканирование по поверхности подложки для прошивки отверстий в точках в соответствии с топологическим рисунком. Затем подложки трижды проходили очистку в деионизированной воде в ультразвуковой (УЗ) ванне при температуре +50°С. Прошивку проводили при частоте импульсов 0,3...2 Гц и общем числе импульсов от 5 до 20 в зависимости от размера отверстия. При энергии импульса, варьирующейся в пределах 2...3,8 Дж, образуются конусообразные отверстия диаметром от 100 мкм до 1,0 мм.

В результате воздействия светового импульса лазера материал керамической подложки, находившийся в фокусе луча, мгновенно расплавлялся и испарялся, при этом часть материала самой подложки выплёскивалась вокруг пятна луча. Стенки канала отверстий, сформированных при лазерной прошивке, имели оплавленную поверхность, а на поверхности подложки, обращённой к лазеру, имелись выплески материала. В керамической подложке были выполнены отверстия (см. рис. 2б) конусообразной формы и диаметром на входе лазерного луча в подложку от 100 мкм до 1 мм с шагом 100 мкм, они были выстроены друг за другом в ряды по всей площади подложки. Затем на подложках с прошитыми лазером сквозными отверстиями методом CVD выращивался слой поликристаллического алмаза в плазмохимическом реакторе на основе СВЧ-разряда.

Сначала проводилось выращивание алмазных плёнок на поверхности шлифованных подложек из нитрида алюминия с прошитыми рядами отверстий диаметром от 100 мкм до 1 мм с шагом 100 мкм, затем на основании этих экспериментов определялись размеры отверстий, заращиваемых алмазом, после чего изготавливались подложки со сквозными отверстиями выбранного размера (см. рис. 2в).

Структура шлифованных подложек с прошитыми рядами отверстий выбранного на основании предварительных экспериментов диаметра 0,3 мм представляет собой зернистую структуру со средним размером зерна около 200 нм. Рельеф ростовой поверхности и качество подготовки поверхности алюмонитридной керамической подложки оказывают значительное влияние на структуру синтезируемого алмазного слоя. Поэтому перед проведением синтеза подложки проходили очистку в ацетоне и изопропиловом спирте.

Осаждение алмазной плёнки проводилось методом плазменно-стимулированного осаждения из газовой фазы (PECVD) в микроволновом плазменном реакторе пониженного давления без автономного подогрева подложки, при генерации плазмы микроволновым излучением частотой 2,45 ГГц и мощностью до 5 кВт. Основным плазмообразующим газом служил водород, поступающий из электрохимического водородного генератора «Спектр-60» с объёмной скоростью 500 мл/мин. В качестве источника углерода использовался пентан.

По причине большого различия поверхностных энергий алмаза и нитрида алюминия плотность центров зародышеобразования алмаза мала, поэтому для роста сплошной плёнки использовали принудительную нуклеацию. Наилучшие результаты были достигнуты для нуклеационных смесей на основе водного раствора сахарозы и детонационных наноалмазов УДА-Ф9 (средний размер конгломератов около 20 нм), наносимых методом высушивания мениска. Эксперименты проводились при давлении в камере 120 мбар. Мощность СВЧ-генератора – 2000 Вт. Концентрация углеводорода и время синтеза варьировались. После проведения синтеза образцы были характеризованы методами оптической микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния света.

По оптическим микрофотографиям (см. рис. 3) видно, что образцы после проведения синтеза приобрели более тёмный окрас. Образцы № 1, № 2 и № 3 были получены на шлифованных подложках из нитрида алюминия (см. рис. 2а). Алмазная плёнка на образце № 1 была получена при проведении синтеза в течение 4,5 ч и подаче источника углерода (пентан) с объёмной скоростью 10 мл/мин. При взвешивании образцов до и после синтеза было установлено, что толщина алмазной плёнки составила 50 мкм (скорость роста 11 мкм/ч). Структура поверхности состоит из мелких кристаллитов и наноалмазной фазы, что подтверждается оптическими микрофотографиями и КРС спектра. Спектроскопия комбинационного рассеяния света демонстрирует характерный для алмазной фазы отклик на 1330 см^–1. На рисунке 3 показан спектр по Раману алмазного покрытия, в котором пик, присущий алмазу, может быть также опознан при волновом числе 1330 см^–1. Никакого пика другого углеродного материала, например графита, не обнаружено.

С целью повышения качества алмазной плёнки (уменьшения наноалмазной фазы и увеличения доли алмазных кристаллитов) была снижена скорость роста плёнки за счёт уменьшения потока пентана до 5 мл/ч. Также было сокращено время синтеза до 3 ч. В результате толщина алмазной плёнки образца № 2 составляет около 27 мкм (средняя скорость роста 9 мкм/ч). Данный образец демонстрирует лучшую адгезию алмазной плёнки (по сравнению с образцом № 1) к поверхности подложки из нитрида алюминия. Структура схожа с образцом № 1, что, скорее всего, связано с пониженной концентрацией источника углерода во время синтеза.

При синтезе образца № 3 была установлена скорость подачи пентана на уровне 7 мл/мин, время синтеза составило 3 ч. Скорость роста алмазной плёнки составила 10 мкм/ч (общая толщина плёнки 30 мкм). На образце № 3 присутствует хорошо кристаллизованная алмазная плёнка со средним размером кристаллов около 500 нм. Спектроскопия КРС подтверждает высокое качество алмазной плёнки в этой области.

Таким образом, для синтеза оптимальная скорость роста составила 10 мкм/ч при подаче пентана со скоростью 7 мл/ч. В дальнейшем синтез алмазных плёнок на подложках из нитрида алюминия со сквозными отверстиями проводился в режиме синтеза с параметрами, полученными на опытных образцах № 3.

Дифракция рентгеновских лучей алмазного покрытия показала, что оно представлено алмазными кристаллическими фазами (111), (220), (311), (331) и (400). Что касается твёрдости по шкале Виккерса, то оценка метки от давления алмазной пирамидкой слоя алмаза была затруднена по причине высокой твёрдости слоя поликристаллического алмаза. Впрочем, было установлено, что твёрдость по Виккерсу составляет 8000 кг/см² и выше. Из приведённых данных можно сделать вывод, что синтезированный алмаз является поликристаллическим покрытием хорошего качества.

Процесс нанесения поликристаллического алмаза иллюстрируется микрофотографиями. Как показано на рисунке 4, на поверхностях подложки из нитрида алюминия и сквозных отверстий нанесено алмазное покрытие, которое состоит из алмазных кристаллов, сгруппированных вместе и расположенных как на поверхности подложки, так и на стенках отверстий различных диаметров.

При этом на стенках отверстий толщина осаждаемого слоя алмаза примерно равна толщине слоя, наносимого на плоские поверхности лицевой и обратной сторон алюмонитридной подложки. При толщине алмазного слоя 200 мкм полностью заращиваются отверстия диаметрами 0,1; 0,2 и 0,3 мм. Начиная с отверстия диаметром 0,4 мм, заращивания не происходит, и в отверстиях диаметром от 0,4 мм до 1,2 мм остаются просветы.

На рисунке 5 показан вид в разрезе алюмонитридной подложки со сквозными отверстиями с нанесённым алмазным покрытием, которое также состоит из алмазных кристаллов, сгруппированных вместе и расположенных на стенках отверстий диаметрами 1,0 и 0,6 мм. Видно, что алмазное покрытие имеет форму кольца, примыкающего к внутренней стенке отверстия, и обладает незначительной неровностью поверхности.

Синтез проводился в течение 20 ч, в этих условиях итоговая толщина алмазного покрытия в центральной части подложки составила 200 мкм и 180 мкм – на её периферийных участках. Фрагмент промежуточной фазы осаждения поликристаллического алмаза в конусообразном отверстии диаметром 0,3 мм представлен на рисунке 6.

Заращивание конусообразного отверстия начинается с узкой его части (см. рис. 6а). Сначала алмазный слой в течение 10 ч закрывает отверстие тонкой перегородкой, а затем в оставшееся время до окончания процесса, в течение 10 ч, полностью его заполняет (см. рис. 7).

Полученные образцы алюмонитридных подложек с отверстиями 0,3 мм, с нанесёнными на обе стороны алмазными слоями, характеризуются шероховатой поверхностью. Чтобы обеспечить последующее напыление металлизационной структуры, для уменьшения шероховатости алмазных плёнок подложку с алмазным слоем с помощью воско-канифольной мастики наклеивали на стальной диск-спутник. Затем осуществлялось механическое шлифование поверхности алмазных слоёв на вращающемся чугунном круге, шаржированном алмазным порошком, с частотой вращения диска 200 об/мин и нагрузкой 10 Н. Далее полировали, нанося на поверхность чугунного круга полировальную эмульсию, состоящую из полиорганосилоксановой жидкости и мелкозернистого порошка искусственного алмаза. За счёт трения, возникающего при взаимодействии алмазной поверхности и полирующего чугунного круга при его вращении с частотой 100 об/мин, удалось уменьшить шероховатость поверхности алмазного слоя. Съём поверхности алмаза за 2 ч составил 10 мкм. Шероховатость поверхности не превышала 0,02 мкм.

Для проверки возможности изготовления ГИС СВЧ и обеспечения требуемых электрофизических параметров устройства на алюмонитридной подложке с отверстиями, заполненными алмазом, была разработана плата-усилитель мощности СВЧ в диапазоне частот 9...10,5 ГГц с использованием мощных нитридгаллиевых транзисторов. Учитывая, что диэлектрическая проницаемость нитрида алюминия составляет 8, а у алмаза при комнатной температуре в диапазоне частот 0…3 кГц – 5,6 [7], были проведены измерения диэлектрической проницаемости слоистой структуры, после чего рассчитали размеры микрополосковых линий и изготовили фотошаблоны. Последовательность операций и вся разработанная технологическая схема изготовления платы усилителя мощности СВЧ показана на рисунке 8.

В соответствии с технологической схемой изготовления на подготовленные поверхности подложек с алмазными слоями с обеих сторон наносили металлизационную структуру сначала путём последовательного напыления в вакууме резистивного слоя, а затем двухслойного покрытия, состоящего из адгезионного подслоя титана и электропроводного слоя палладия, которое в дальнейшем покрывалось защитным слоем гальванического золота. Подложки предварительно проходили ионную очистку при средней энергии ионов аргона 1 кэВ в течение 3–5 мин. Напыление проводилось с использованием установки магнетронного напыления «Оратория-9». На полированные поверхности поликристаллического алмаза сначала напыляли через маску резистивные элементы из сплава РС-3710 адгезионный подслой титана толщиной 0,002...0,003 мкм, затем проводящий слой палладия толщиной 2...3 мкм и никеля толщиной 0,2...0,3 мкм, после чего гальваническим методом наносили слой золота толщиной 1...3 мкм. Топологический рисунок проводящих плёночных элементов, контактных площадок, технологических проводников и экранной заземляющей металлизации ГИС СВЧ формировали методом фотолитографии. Такая металлизационная структура позволила обеспечить контакт структуры к алмазу с высокой адгезией: среднее значение усилия отрыва структуры от слоя алмаза составило 734 кгс/см².

На подготовленные подложки с алмазными слоями и металлизационной структурой на лицевой стороне подложки с топологическим рисунком схемы на контактные площадки, расположенные над отверстиями и заполненные алмазом, монтировали навесные конденсаторы и кристаллы мощных СВЧ-транзисторов из GaN. Помимо электрического контакта с элементами схемы обеспечивался ещё и тепловой контакт с алмазным столбиком, размещённым в отверстии подложки, для высокоэффективного отвода тепла. Такая многослойная структура из алмазных слоёв, нанесённых с обеих сторон алюмонитридной подложки и находящихся друг с другом в двойном тепловом контакте (через керамику из нитрида алюминия и столбики алмаза в отверстиях), позволяет эффективно отводить тепло от кристаллов мощных СВЧ-транзисторов из GaN. Отвод тепла осуществляется независимо от линейных размеров, так как в данном конструктивном варианте подложки при увеличении размеров кристаллов мощных СВЧ-транзисторов из GaN (источников тепла) не нужно пропорционально увеличивать толщину алмазного слоя. Для увеличения времени работы кристаллов мощных транзисторов подложку размещают на металлическом основании, прикреплённом к массивному корпусу усилителя мощности, что позволяет реализовать как импульсный, так и непрерывный режим работы.

Измеренные электрофизические параметры изготовленных устройств показали, что разработанная технология совместима с типовыми процессами изготовления ГИС СВЧ и позволяет получать высокодобротные усилители мощности СВЧ в диапазоне частот 9...10,5 ГГц. 

Заключение

Проведённые исследования позволили определить оптимальные условия формирования алмазной плёнки методом плазменного CVD с микроволновым возбуждением на поверхности керамической подложки из AlN со сквозными отверстиями. Такая комбинация технологий нитрида алюминия и поликристаллического алмаза позволяет обеспечить отвод тепла от кристаллов мощных транзисторов СВЧ из GaAs и GaN. Тонкие алмазные слои, нанесённые на нитрид алюминия и алмаз, заполнивший сквозные отверстия, позволяют повысить теплопроводность подложек минимум в 7 раз. Это достигается за счёт того, что тепло от источника при контакте с поверхностью алмазного слоя и столбиком алмаза в отверстии под ним отводится перпендикулярно и параллельно поверхности алмазного покрытия, таким образом, рассеивается на бо¢льшую площадь, что повышает эффективность отвода тепла.

Использование в качестве схемного элемента и теплоотвода ГИС подложки из нитрида алюминия с тонким алмазным слоем на обеих её поверхностях и со сквозными отверстиями, заполненными алмазом, позволяет улучшить характеристики СВЧ-устройств. Помимо этого обеспечивается снижение стоимости по сравнению с монолитной алмазной подложкой такой же толщины, как и AlN-подложка. Наличие на алюмонитридной подложке одновременно отверстий диаметром 0,1...0,3 мм, полностью заполненных алмазом, и отверстий диаметром более 0,3 мм, у которых алмазом покрыты только стенки, значительно расширяет возможности проектирования СВЧ-устройств. Такое сочетание позволяет на одной плате размещать кристаллы полупроводниковых приборов, требующие изоляции от заземлённой экранной стороны подложки, и кристаллы активных элементов, которым необходимо соединение с заземлённой стороной. Также сочетание позволяет покрывать стенки отверстий с алмазным слоем диаметром более 0,3 мм слоями металлических плёнок или полностью заполнять металлом, например сплавом вольфрама и меди. Таким образом можно получить короткозамыкающие перемычки для соединения элементов топологии схемы с одной стороны подложки с элементами топологии, расположенными на обратной стороне, и улучшить электрические характеристики за счёт уменьшения паразитной индуктивности соединений.

Авторами статьи разработаны конструкция и технология ГИС СВЧ с использованием подложки из нитрида алюминия со сквозными отверстиями, заполненными алмазом, с проводящей металлизационной структурой, позволяющей формировать топологический рисунок, включающий пассивные элементы и микрополосковые линии, а также создавать СВЧ-устройства повышенной мощности, обладающие улучшенными электрофизическими характеристиками.

Применение алмазного слоя на подложке из нитрида алюминия со сквозными отверстиями, заполненными алмазом, позволяет увеличить предельную выходную мощность, обеспечить эффективный отвод тепла от кристаллов полупроводниковых приборов и повысить срок службы усилителей мощности приёмопередающих устройств СВЧ. 

Литература