авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Разработка и исследование технологии получения изделий лейкосапфира для электронной техники

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

СТЕФАНОВИЧ Владимир Алексеевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ЛЕЙКОСАПФИРА ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Специальность 05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро – и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Таганрог-2009

Работа выполнена в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге на кафедре «Конструирование электронных средств».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

С.П. МАЛЮКОВ (ТТИ ЮФУ, г. Таганрог)

Научный консультант: кандидат физ.-мат. наук, профессор

В.С. КЛОПЧЕНКО (ТТИ ЮФУ, г. Таганрог)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

зав. каф. ХиЭ, А.Н. КОРОЛЕВ (ТТИ ЮФУ,

г. Таганрог)

Доктор физ.-мат. наук, профессор, исп. директор Курчатовского центра синхротронного излучения и нанотехнологий, В.В. КВАРДАКОВ

(РНЦ «Курчатовский институт», г. Москва)

Ведущая организация: Учреждение РАН Институт Кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН (г. Москва)

Защита состоится « 18 » июня 2009г. в 14 ч. 20 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.208.23 в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге по адресу: 347928, г. Таганрог, ул. Шевченко, 2, ауд. Е – 306.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной библиотеке Южного федерального университета.

Автореферат разослан « » мая 2009г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, доцент Старченко И.Б.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность диссертационной работы

Разработка технологии получения монокристаллов лейкосапфира и изделий из них во многом определяет успехи развития важнейших направлений квантовой электроники, микроэлектроники, атомной энергетики. Весьма широк диапазон потребительских свойств монокристаллического лейкосапфира: от генерации, усиления и преобразования электромагнитных колебаний до использования в качестве конструктивного материала. Такое широкое применение монокристаллов лейкосапфира связано с тем, что они обладают набором уникальных качеств: высокая оптическая однородность и прозрачность в широком диапазоне длин волн, радиационная стойкость, высокие механические, термические и диэлектрические свойства.

Разработка технологии получения монокристаллов лейкосапфира и изделий из них является актуальной задачей для микроэлектроники. Однако производство и решение научно – технических задач, связанных с получением и обработкой крупногабаритных кристаллов лейкосапфира до сих пор остается серьезной проблемой. Это связанно с высокой плотностью дислокаций, пористостью, и наличием значительных внутренних механических напряжений по всему объему кристалла.

В области исследования качества монокристаллов лейкосапфира недостаточно изученными остается ряд вопросов. Не до конца изучены теплофизические процессы при получении лейкосапфира, влияние технологических факторов на механизм образования пор в монокристаллах.

Таким образом, тема диссертационной работы, связанная с разработкой и исследованием технологии получения монокристаллов лейкосапфира для электронной техники, представляется современной и актуальной.

Цель и задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы являются разработка и исследование технологии получения изделий лейкосапфира для электронной техники. Для достижения реализации поставленной цели решались следующие задачи диссертационной работы:

  1. Исследование теплофизических процессов, протекающих при получении монокристаллов лейкосапфира методом горизонтальной направленной кристаллизации и процессов массопереноса.
  2. Изучение процессов

-релаксации пузырей в расплаве;

-размещения пор в кристалле лейкосапфира;

-влияние примесей исходного материала на процессы роста и качество монокристалла.

  1. Создание математической модели технологического процесса получения монокристаллов лейкосапфира методом ГНК.

4

  1. Расчет параметров технологического процесса и определение факторов, обуславливающих итоговое качество монокристаллов лейкосапфира.
  2. Разработка аппаратно-программного комплекса управления установкой для выращивания монокристаллов лейкосапфира методом ГНК.
  3. Разработка и исследование конструкции датчика давления с полупроводниковым чувствительным элементом на основе структуры «кремний на сапфире».
  4. Исследование возможности применения монокристаллов лейкосапфира, выращенных методом горизонтальной направленной кристаллизации в качестве защитных экранов, способных противостоять ударной волне с высокой кинетической энергией.

Научная новизна работы:

  1. Разработана модель процесса получения монокристалоов лейкосапфира по методу горизонтальной направленной кристалиизации.
  2. Установлено, что диссипация скрытой теплоты фазового превращения через объем растущего монокристалла является главным, определяющим рост фактором.
  3. Разработана методика расчета протяженности области расплава, образующегося между фронтом кристаллизации и нагревателем, при постоянной скорости протягивания контейнера. Наличие зазора существенно влияет на механизм массопереноса в жидкой фазе.
  4. Сформирована модель, на базе которой показано, что микропузырь в расплаве исходного радиуса г0 является существенно неустойчивым и под действием капиллярного давления быстро релаксирует к своему равновесному размеру. Определена скорость и время релаксации пузыря, а также время выхода (всплытия) пузырей во время релаксации на поверхность расплава под действием гидростатического давления.
  5. Установлено, что высокая стабильность закристаллизованных пор (r10-6м) при отжиге монокристаллов лейкосапфира объясняется изначальным термодинамическим равновесием внутренней поверхности поры с собственной парогазовой смесью.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в следующем:

  1. Установлены факторы, влияющие на бездефектность крупногабаритных монокристаллов лейкосапфира, получаемых методом ГНК.
  2. Разработаны оптимальные технологические методики, обеспечивающие рост бездефектных крупногабаритных монокристаллов лейкосапфира методом ГНК.
  3. Разработан аппаратно-программный комплекс управления установкой (термической печью типа СЗВН) позволяющий с требуемой точностью задавать параметры роста кристалла и оперативно влиять на теплофизические процессы в момент роста монокристалла лейкосапфира.

5

  1. Разработан и исследован датчик давления, включающий полупроводниковый чувствительный элемент, выполненный по планарной микроэлектронной технологии, который может быть применен для измерения абсолютного, избыточного и разности давлений.
  2. Проведено исследование возможности применения монокристаллов лейкосапфира, выращенных методом горизонтальной направленной кристаллизации в качестве защитных экранов, способных противостоять ударной волне с высокой кинетической энергией.

Положения, выносимые на защиту:

  1. Результаты исследования влияния теплофизических процессов при получении монокристаллов лейкосапфиров методом ГНК.
  2. Результаты исследования влияния технологических факторов на механизм образования «пор» в монокристалле лейкосапфира.
  3. Механизм релаксации пузырей в монокристаллах лейкосапфира.
  4. Математическая модель теплофизических процессов, позволяющая определить факторы влияния на механизм роста бездефектного монокристалла лейкосапфира.
  5. Аппаратно – программный комплекс управления установкой для выращивания монокристаллов лейкосапфира методом ГНК.
  6. Конструкция датчика давления на основе структуры «кремний на сапфире» и результаты исследования возможности применения монокристаллов лейкосапфира, выращенных методом горизонтальной направленной кристаллизации в качестве защитных экранов, способных противостоять ударной волне с высокой кинетической энергией.

Реализация результатов диссертационной работы.

Диссертационная работа выполнялась на кафедре КЭС ТТИ ЮФУ и предприятии ООО «Завод Кристалл» г.Таганрог в рамках х/д работ 2004г.: «Исследование технологического процесса нанесения защитного покрытия методом активированного диффузионного насыщения в вакууме», 2005 – 2007 гг.: «Исследование технологии получения кристаллов лейкосапфира методом горизонтальной направленной кристаллизации на установках типа СЗВН – 155.320, СЗВН - 175».

Результаты диссертационной работы внедрены на промышленном предприятии: ООО «Завод Кристалл» (Россия, г. Таганрог), на предприятии ООО «Кристаллограф» (Россия, г. Таганрог), в НИИ Связи (Россия, г. Таганрог), а также, в Институте Монокристаллов Национальной Академии Наук Украины (Украина, г. Харьков) и на кафедрах КЭС ТТИ ЮФУ и ТМИНа ТТИ ЮФУ.

6

Апробация работы

Основные научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных международных и всероссийских научных конференциях и семинарах, в частности: на 5-й Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Россия, Кисловодск 2005 г.); 10-й международной научной конференции и молодежной школе – семинаре «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Россия, Краснодарский край, п. Дивноморское, сентябрь 2006 г.); на 15 международной конференции в институте Кристаллографии РАН им. Шубникова (Россия, Москва, ноябрь 2006 г.); на 5 международной конференции в институте монокристаллов в Украине, (Украина, г. Харьков, сентябрь 2007 г.).

Публикации

По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, из них 8 статей и 4 работы в сборниках трудов конференций, в том числе 4 статьи в центральных технических журналах, входящих в перечень ВАК.

Материалы диссертации также использовали в отчете ООО «Завод Кристалл» г. Таганрог, Россия, по госконтракту «Развитие производства кристаллов диэлектриков и изделий из них» 2007г.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы и 2 приложений.

Содержание диссертации изложено на 169 страницах и включает 37 страниц с рисунками, 7 страниц с таблицами и список использованных источников, включающий 96 наименований. В приложениях содержатся описание программы управления технологическим процессом и акты внедрения результатов диссертационной работы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены цель работы, основные задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы, приведены сведения об апробации работы и структуре диссертации.

В первой главе выполнен обзор литературных источников, проанализированы современные проблемы выращивания монокристаллов лейкосапфира, описаны дефекты структуры монокристалла, проанализировано влияние параметров роста на наличие дефектов в кристаллах лейкосапфира, дан анализ современного состояния проблемы программного управления в выращивания лейкосапфира в вакуумных печах.

Проведенное обобщение имеющихся к настоящему времени результатов позволяет сделать вывод о том, что в связи с предъявляемыми требованиями к

7

размерам и условиям эксплуатации, в настоящее время является перспективным использование изделий из монокристаллов лейкосапфира в качестве элементов электронной техники.

На основании сделанных выводов выбрано направление исследования и осуществлена постановка цели и задач диссертационного исследования.

Во второй главе исследованы и выбраны оптимальные методики используемые для исследования свойств монокристаллов лейкосапфира.

Для измерения углов разориентации боков и определения направления оси поворота использовался метод обратной рентгеновской съемки в расходящемся пучке. Преимущество обратной съемки заключается в возможности исключения специальной обработки кристаллов.

Для исследования дислокационного строения монокристаллов лейкосапфира в настоящей работе применялись методы: рентгенографический метод Ланга, съемка в расходящемся полихроматическом рентгеновском пучке (съемка РПП), метод избирательного травления поверхности.

Для определения внутренних напряжений, исследований блочного строения монокристалла лейкосапфира применялся поляризационно-оптический способ. Данный метод позволяет определить не только среднее значение напряжений в выращенном кристалле блоков, но и влияние механической обработки на остаточные напряжения.

В третей главе разработана математическая модель теплофизических процессов при получении монокристаллов лейкосапфира методом ГНК. Проведен анализ этих процессов с учетом сохранения плоского фронта кристаллизации и разветвления теплового потока на осевой и радиальный по мере увеличения длины кристалла. Определены оптимальные технологические режимы роста монокристалла.

При начале движения тигля со скоростью V0 на подложке инициируется процесс кристаллизации, а на передней границе ванны расплава происходит плавление новых порций материала шихты (рис. 1). В начале процесса скорость движения фронта кристаллизации «синхронизируется» (V = V0 = 8 мм/час) со скоростью протягивания тигля путем выбора соответствующих значений степени начального переохлаждения расплава и кинетического параметра K. На начальной стадии при малых значениях S (t0) переохлаждение выбирается равным TK = TL =10 K.

В соответствии с нормальным законом роста скорость фронта кристаллизации равна

(1)

Если переохлаждение ТL играет роль главной стимулирующей рост силы, то условие теплового баланса на поверхности кристаллизации

(2)

определяет динамику этого процесса (L – скрытая теплота фазового превращения; – плотность кристалла; s – коэффициент теплопроводности кристалла; D498,0 Дж/м2с·K – параметр теплопередачи расплав – кристалл, который вычисляется как

8

первый коэффициент в линейной аппроксимации теплового потока, излучаемого жидкой фазой; - градиент поля температуры в плоскости кристаллизации, обуславливающий скрытый отвод теплоты в твердую фазу.Предполагается, что в исходном состоянии шихта под нагревателем проплавлена на полную глубину и затравка находится в тепловом контакте с расплавом (рис. 1).

Процесс плавления разбивается на два этапа, а именно: начальную стадию, в течение которой материал шихты прогревается до точки плавления, и второй этап проплавления новой порции шихты.

Ширину зоны проплавления и время проплавления tm можно рассчитать по формулам

, (3)

Модель предполагает, что мощность F0 выбиралась таким образом, чтобы при фиксированной скорости сканирования полное проплавление материала шихты завершалось у задней кромки нагревателя. При F>F0 полное проплавление материала шихты завершается непосредственно под нагревателем. При F<F0 шихта остается непроплавленной. Время полного проплавления шихты .

Рис. 1 – Расчетная модель процесса: 1 – монокристалл – затравка

(подложка); 2 – закристаллизованный слой кристалла; 3 – расплав; 4 – нагреватель.

К этому времени скорость роста уменьшается до и степень переохлаждения становится величиной порядка , а ширина свободной области расплава перед фронтом кристаллизации достигает значения . Оценки выполнялись при фоновой температуре зоны контейнера с засыпкой 2162К, соответствующей мощности F0.

Аппроксимируя градиент температуры на поверхности роста как

(4)

и решая совместно уравнения (1) и (2), скорость роста на начальном этапе можно представить в виде функции толщины кристалла

(5)

здесь - параметр, учитывающий влияние всех факторов на теплофизические условия роста ( 0,014 м).

По мере увеличения толщины закристаллизованного слоя процесс роста существеннозамедляется, так как к моменту времени осевой поток тепла практически блокируется. Этот момент времени можно принять за

9

условную границу справедливости одномерной модели роста.

Анализ процесса на последующих этапах, можно провести, полагая, что, плоский фронт кристаллизации сохраняется, а тепловой поток по мере увеличения длины кристалла разветвляются на поток осевой и радиальный. При этом по мере увеличения боковой площади кристалла относительно площади торца, сброс Скрытой теплоты фазового превращения через боковую поверхность становится доминирующим. Аппроксимируя тепловой поток на поверхности роста как функцию конфигурационного фактора G

(6)

(где , TS – температура поверхности роста) как и ранее, скорость роста можно выразить в виде функции продольного размера кристалла

(7)

причем продолжительность процесса кристаллизации и полная длина кристалла взаимно определяются трансцендентным уравнением:

(8)

где - конфигурационный фактор; , n=d/d1, d – толщина и d1 – ширина кристалла.

Поперечное сечение кристалла d·d1 считается постоянным на всех этапах роста. Из полученных соотношений видно, что на начальной стадии (S 0,005м)

скорость роста максимальная и по мере увеличения длины кристалла быстро убывает. Когда длина кристалла начинает превосходить его толщину , скорость приближается к своему стационарному значению

(9)

и, в дальнейшем, держится постоянной (рис. 2).

Рис. 2 – Относительная скорость роста в зависимости от длины кристалла (1 – d = 0,025 м; 2 – d = 0,05 м; 3 – d = 0,075 м)

Таким образом, установлено, что скорость движения границы раздела фаз с увеличением толщины растущего кристалла уменьшается. Как результат, при постоянной скорости протягивания нагревателя VV0 между фронтом кристаллизации и нагревателем будет образовываться «зазор» области расплава, протяженность которой можно определить по формуле

(10)

10



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.