Ральченко В. Г., Конов В. І. Центр природно-наукових досліджень Інституту загальної фізики РАН 119991, Москва, вул. Вавилова 38, Росія, Тел: (095) 132-8229, E-mail: ralchenko (S> nsc. Gpi.ru Паршин В. В. Інститут прикладної фізики РАН, вул. Ульянова, 46, Н-Новгород 603950, Росія Гарін Б. М. Інститут радіотехніки й електроніки РАН, 141190 Фрязіно, площ. Введенського, 1, Росія Хайдінгер Р. Дослідницький центр Карлсруе, Інститут матеріалознавства I, D-76021, Карлсруе, Гзрманія


Анотація Наведено властивості полікристалічних алмазних пластин великого розміру, синтезованих з газової фази (CVD алмаз), важливі для застосування цього матеріалу в пристроях НВЧ електроніки. Коротко описана техніка вирощування алмазу високої якості з СВЧ плазми вуглеводнів. Показано, що вже сьогодні CVD алмаз досяг статусу інженерного діелектричного матеріалу з рекордними електрофізичними і тепловими параметрами, придатного для створення НВЧ техніки нового покоління.

I. Вступ

Алмаз має унікальний набір діелектричних, теплових, механічних властивостей, які роблять його вкрай привабливим матеріалом для СВЧ техніки. Будучи ізолятором, по теплопровідності алмаз в 5 разів перевершує мідь, ще помітніше його перевага в порівнянні з таким діелектриками, як оксид берилію, який використовується в якості матеріалу тепловідводів в СВЧ транзисторах і підсилювачах. Алмаз прозорий в дуже широкому діапазоні спектра від ультрафіолетового до радіохвильового, і тому придатний для виготовлення вікон надпотужних гіротронов і клистронов. Завдяки високій твердості, хімічної та радіаційної стійкості алмазу його можна використовувати для виготовлення конструкційних елементів для роботи при високих температурах і в агресивних середовищах.

II. Основна частина

В даний час методом осадження з газової фази (chemical vapor deposition CVD) можливе вирощування алмазних пластин високої чистоти діаметром більше 100 мм і товщиною понад 2 мм [1]. Відомо більше десяти CVD-методів синтезу, відмінність між ними полягає лише в способі активації реакційного газу (зазвичай це суміш метан-водень). Продукти розкладання газу під дією електричного розряду, СВЧ плазми, лазерного випромінювання, на гарячій нитки або в полум’я газового пальника осідають у вигляді полікристалічної алмазної плівки (рис. 1) на підкладці, нагрітої до температур 7001000 ° С. Найбільш досконалий алмаз вдається отримувати в СВЧ плазмі, при цьому типові швидкості осадження складають 1-5 мкм / год [1, 2].

Перевагами CVD алмазу є: дуже великі розміри, висока відтворюваність фізичних параметрів, можливість вирощування виробів заданої форми [3]. Теплопровідність CVD алмазу досягає величин / < = 20-22 Вт / СМЯ, властивим лише найбільш чистим природним монокристалах типу На. Внаслідок особливої ​​текстури (кристаліти ростуть у вигляді колон, витягнутих по нормалі до плівки) є анізотропія теплопровідності: по нормалі до плівки вона на 10-15% вище, ніж в площині плівки: [4]. При нагріванні до 200 ° С теплопровідність знижується приблизно вдвічі, слідуючи залежності k ~ Т "1 [4]. При застосуванні як тепловідвідних підкладок елементів електроніки велика площа пластин дозволяє використовувати групові технології монтажу.

Внаслідок виняткової твердості алмаза полірування пластин становить певну проблему. В тих же випадках, коли допустимі шорсткості порядку 0.5-1 мкм, ефективна лазерна полірування [5]. Інші операції, такі як різання і свердління, так також проводяться за допомогою лазерів [1].

Рис. 1. Алмазна пластина товщиною 0.2 мм, отримана осадженням в СВЧ плазмі. Шорстка поверхня складається з хаотично орієнтованих зерен розміром близько 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 нагріванні в вакуумі полікристалічний алмаз термостабілен до 1200 ° С, при більш високих температурах відбувається графітизація внутрішніх кордонів зерен і дефектів, що супроводжується зростанням оптичного поглинання в матеріалі, хоча зміни в теплопровідності при цьому незначні [6].

Дуже низький тангенс кута втрат близько 10 ‘5 (Теоретичний межа близько 10 ‘8 [7]), в поєднанні з високою теплопровідністю, високою міцністю і можливістю металізації та забезпечення вакуумно-щільних з’єднань роблять алмаз ідеальним матеріалом для виготовлення вікон ІК і мм діапазону довжин хвиль, у тому числі в конструкціях надпотужних, порядку 1 МВт, гіротронов [7]. Порівняльні характеристики алмазу і ряду діелектриків, традиційно використовуваних для цієї мети (Табл. I), показують безсумнівну перевагу алмазу.

Таблиця 1. Властивості малопоглощающіх матеріалів (Т = 293 К): діелектрична проникність s, тангенс кута втрат tg5 (f = 145 GHz) теплопровідність к, температурний коефіцієнт розширення а, модуль Юнга Е.

речовина

s

tgs

x10′4

k

Bt/cmK

a

1 про ‘6 до: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

сапфір

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

Вимірювання втрат на частоті при 170 ГГц в широкому діапазоні температур показали [7], що величина tg5 практично незмінна в області 7 = 80700 К, але швидко наростає при подальшому нагріванні. Механізми поглинання, однак, поки недостатньо вивчені.

III. Висновок

Останні досягнення в області плазмохімічного вирощування алмазу у вигляді пластин великих розмірів зробили доступним цей новий матеріал з унікальними властивостями для розробників нових НВЧ приладів, в тому числі з рекордними характеристиками. Існуючі в даний час бар’єри, зокрема, висока ціна, для широкого впровадження CVD алмазу в СВЧ техніку, мабуть, будуть подолані при продовженні вдосконалення технології синтезу і масовому виробництві.

Робота виконана при частковій підтримці Програми ІНТАС, грант 01-2173.

IV. Список літератури

[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] Івакін E. S., Суходолов A. S., Ральченко В. Г., та ін Квантова електроніка, 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] Гарін Б. М., Копнін A. H., Паршин В. В. та ін

Листи до 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.

ПРО ОРГАНІЗАЦІЮ ЗНАНЬ І ДАНИХ У СИСТЕМАХ ПРОЕКТУВАННЯ ТА АНАЛІЗУ ПРИСТРОЇВ НА діелектричних хвилеводах (ДВ) І діелектричних резонаторів (ДР)

Взятишев В. Ф., Крутских В. В. Московський енергетичний інститут (технічний університет), Москва, Росія Тел.: 362-88-06; 215-77-42; e-mail: vitaidea@mtu-net.ru; wk444 @ land.ru

Анотація Проведено аналітичний огляд масиву фізичних знань, технологій розрахунку і проектних даних в області ДВ і ДР за 30-40 років. Сформовано нове розуміння технологій обробки, аналізу та зберігання знань, інформації та технологій. Описано ескізний варіант комплексу з новою організацією знань і даних, призначеного для проектування, дослідження та навчання. З його допомогою виявлені деяких неочевидні раніше фізичні та проектні закономірності.

I. Вступ. Аналіз ситуації

Сформована в 60-80 роках практика і технологія дослідження ДВ, ДР і пристроїв на них[8] характеризуються наступними ознаками [1-3]:

1. Переважання аналітичного, дослідницького підходу. Задавалося безліч варіантів внутрішніх параметрів X (розміри, відстані, параметри матеріалів, частоти, довжини хвиль та ін), потім будувалися прямі фізико-математичні моделі залежності тих чи інших зовнішніх параметрів Y (швидкості, загасання, коефіцієнти передачі та відображення і т. д.) від X; на більшій або меншій підпросторі X і Y.

2. Прагнення до економії обчислювальних ресурсів та графічна форма представлення результатів. Чисельний (ручний або машинний) розрахунок залежностей зовнішніх параметрів від внутрішніх проводився в мінімальному числі варіантів. А для полегшення інтерполяції та підвищення точності використовувалися відносні (безрозмірні) та / або наведені (нормовані на граничні або характерні значення) змінні;

Можна сказати, що до початку дев’яностих років у цій області переважали «графічні бази даних», реалізовані у вигляді статей і звітів. Переважна більшість машинних програм використовувалися тільки їх авторами і творцями.

3. Необхідні для проектування зворотні моделі, засновані на залежностях X (Y), практично відсутні. Базою проектування служили узагальнення і висновки як фізичного, так і прикладного характеру, отримані обробкою оригіналів отриманої графічної бази. Так, в [1,3] були виявлені, і досліджені, наприклад:

• мінімальні ефективні розміри поля різних типів хвиль у різних ДВ;

• мінімальні значення сумарних втрат на зігнутих ділянках ДВ;

• оптимальні значення кривизни, що забезпечують мінімальні втрати на повороті.

Для свого часу, при обмежених обчислювальних ресурсах і вельми неоперативне доступі до них ця технологія була близька до оптимальної. Загальне уявлення про цю технології дають роботи

[2] для ДР і [3] для ДВ.

У дев’яності роки ситуація якісно змінилася. З’явилися сумісні персональні комп’ютери з потужностями, на порядки перевищують потужності великих машин 80-х років, і універсальні пакети прикладних програм. Цей прорив у галузі обчислювальних систем сприяв розвитку різних чисельних методів і стрибка в галузі математичних моделей СВЧ техніки. Наприклад, в програмах HFSS (фірм Hewlett Packard, Ansoft і Maxell) методом кінцевих елементів моделюються повні картини поля всередині структури, а по них обчислюються S-параметри пристроїв [4].

Перший в МЕІ досвід розробки сучасних систем моделювання (на прикладі технології проектування екранованих гнучких ДВ ЕГДВ) реалізований кафедрою ОРТ [5] за контрактом з Шанхайським інститутом зв’язку (КНР).

Модулі програмного комплексу дозволяють:

• розраховувати дисперсійні характеристики

ЕГДВ (для робітника і для інших типів хвиль);

• розраховувати і будувати розподілу полів;

• аналізувати характеристики загасання рабо

чий і небажаних типів хвиль ЕГДВ;

II. Концепція проекту

В роботі сформульовані вимоги і розпочато розробку програмного комплексу DWRS:

1. Комплекс DWRS орієнтований на застосування сучасних ЕОМ і стандартних наукових пакетів2 для перетворення і рішення рівнянь, виведення інтегральних та інших співвідношень, обчислень і обробки, створення та зберігання баз даних і знань; графічного представлення результатів.

2. Досягаються високі значення наступних показників якості розроблюваного комплексу:

• зручність роботи і простота навчання кінцевого

користувача;

• стандартизація на рівні потоків даних;

• коректне і широке діалогове спілкування з

користувачем;

• збереження чисельних результатів спільної

роботи машини і діяльності користувача в базах даних з можливостями їх використання в інших модулях комплексу;

• збереження аналітичних результатів у машин

них інформаційних базах;

• графічне представлення результатів у раз

нообразна системах безрозмірних і наведених координат.

3. Перший [6] об’єкт дослідження та проектування в DWRS з’єднання ДВ обраний так, щоб ввести в систему три типових класу параметрів:

Наприклад Mathcad, Mathlab, Excel та ін

• явища в регулярних хвилеводах, що описуються

хвильовими числами, швидкостями розповсюдження і розподілами полів;

• явища в системах хвилеводів, що описуються спектром хвиль системи та їх параметрами, лінійним коефіцієнтом зв’язку та ін;

• перетворення хвиль на стиках різних хвилеводів та їх систем.

4. Головне в роботі пошук і реалізація можливостей найбільш ефективної організації знань і даних між модулями комплексу. На першому етапі використовувалися прості двовимірні моделі.

Зіставимо функціональні можливості трьох згаданих вище комплексів.

Табл.1. Функціональні можливості комплексів

Table 1. Functional possibilities of the complex

Функція

Комп

лекс

HFSS

Комп

лекс

[5]

Комплекс [6] DWRS

Ф1 Універсальність на рівні завдань

ТАК

НІ

НІ

Ф2 Універсальність, в класі задач

НІ

ТАК

ТАК

ФЗ Зберігання даних

ТАК

НІ

ТАК

Ф4 Використання даних з попередніх проектів

НІ

НІ

ТАК

Ф5 Аналіз проекту

ТАК

НІ

ТАК

Ф6 Зіставлення різних проектів

НІ

НІ

ТАК

Ф7 Формування текстів і графіки

НІ

НІ

ТАК

III. Висновок. Перші результати

Уже на початковому етапі робіт з макетом комплексу DWRS, завдяки можливості аналізу, були отримані наступні результати:

1. Помічено, що зовнішні та внутрішні хвильові числа і уповільнення хвиль збігаються при перестановці чисельних значень відносної діелектричної е і магнітної / і проникності, якщо одночасно взаємно замінюються типи хвиль Е і Н.

2. Властивості поляризаційної дискримінації (відмінності параметрів Е і Н хвиль), звичні для діелектричних хвилеводів (в> ц), змінюються на якісно протилежні в разі так званим магнетичних хвилеводів (е

3. Якщо ж е = / і, у такого «магнетодіелектріческого» хвилеводу (МДВ) пропадають обидва властивості поляризаційної дискримінації: хвилі, поляризовані паралельно і перпендикулярно кордонів розділу середовищ, мають однакові уповільнення (і, відповідно, дисперсії) на всіх частотах.

По всій видимості, це незвичайна властивість, що дозволяє працювати з хвилями кругової та еліптичної поляризації, буде мати місце при прямокутної та інших формах перетину МДВ з е = / і.

IV. Список літератури

[1] Взятишев В. Ф. Діелектричні хвилеводи,-М.: «Рад. радіо », 1970. 275 с.

[2] Діелектричні резонатори, під ред. Ільченко М.Є. М.: «Радіо і зв’язок», 1989, 328 с.

[3] Взятишев В. Ф. Основи теорії та принципи застосування діелектричних хвилеводів міліметрового діапазону. Дис. на соіск. 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] Звіти за контрактом № 96EMCR/471211K-433RF з Шанхайським інститутом зв’язку (КНР), 1996-1999.

[6] Крутских В. В. Система організації знань і даних у галузі діелектричних хвилеводів та їх систем, Дис. на соіск. ст. магістра техн. і технол. М. 2002 р. 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.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.