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:     | 1 || 3 |

Разработка и исследование технологии получения изделий лейкосапфира для электронной техники

-- [ Страница 2 ] --

Формула (10) справедлива к моменту времени tl0/V0, при котором в результате дальнейшего движения тигель выходит за пределы непосредственного теплового воздействия нагревателя, где l0=0,25м – продольный размер тигля.

Так как распределение температуры, скорость роста и гидродинамика жидкой фазы определяет практически все процессы, то при потере тепла свободной поверхностью расплава перед плоским фронтом кристаллизации в результате переохлаждения можно ожидать зарождения объемных центров кристаллизации.

Если считать, что температура переохлажденного слоя расплава у поверхности фронта фазового превращения Tl приближается к температуре роста кристалла, то при может выполняться первое условие независимого зарождения центров новой фазы (Rк<<bm, где - критический радиус центра кристаллизации). Здесь - поверхностная энергия границы раздела кристалл – расплав;G – модуль сдвига; b1 – вектор Бюргерса; – коэффициент Пуассона; Т0 – степень переохлаждения расплава.

При большой удельной энергии границы кристалл – расплав, характерной для прочных материалов, флуктуационное образование зародышей критических размеров может оказаться достаточно продолжительным. Оценивая время по длительности нестационарного периода образования центров кристаллизации, можно показать, что при данных условиях время нестационарности .

Если, определить величину параметра Грасгофа как функцию характерного размера свободной области расплава b

(11)

то, используя формулу (11), можно установить на каком этапе роста в расплаве развивается конвективный массоперенос (рис. 3).

Здесь средняя плотность жидкой фазы вычисляется по формуле при установившейся температуре поверхности роста и усредненной температуре расплава (где g – ускорение свободного падения; – перепад плотности в пределах свободной области расплава). Заметное конвективное движение в жидкости появляется на более ранних стадиях при росте толстых кристаллов. Например, при d = 0,075м параметр Грасгофа достигает значений, характерных для начала конвекции (рис. 3), когда длина кристалла приближается к величине Sk 0,07м, в то время как, при d = 0,025 м это условие выполняется существенно позже – Sk 0,15 м (Sk – длина кристалла, соответствующая моменту возникновения конвекции в расплаве).

Диапазон значений b, который соответствует началу конвекции, находится в пределах (0,052 – 0,057) м и, к моменту времени , приближается к своей предельной величине (0,064 – 0,114) м.

С течением времени, начиная с момента возникновения, максимальная скорость жидкости, которая развивается в конвективном потоке

(12)

изменяется в пределах (0,029 – 0,30) м/с при росте кристалла толщиной,075 м и (0,025 – 0,046) м/с при толщине 0,025 м. Причем, по мере протекания процесса, ближняя плоскость, соответствующая максимальной скорости жидкости, отстоит от

11

параллельной ей поверхности роста на расстоянии .

  Параметр Грасгофа на различных-39

Рис. 3 – Параметр Грасгофа на различных этапах роста

( 1 – d = 0,025 м; 2 – d = 0,05 м; 3 – d = 0,075 м)

В четвертой главе приводятся результаты исследований влияния технологических факторов на механизм образования пор, устойчивость и динамика релаксации пузырей в расплаве, остаточная пузырчатость расплава и размещение пор в монокристалле лейкосапфира. Разработана и исследована технологическая методика, позволяющая производить рост бездефектных монокристаллов лейкосапфира.

Характерный радиус микропустот, определяющий степень пористости материала шихты равен

(13)

где d - характерный размер зерна.

Поверхность лейкосапфира хорошо смачивается собственным расплавом. В этом случае можно предположить, что во время плавления расплавленное вещество, стекая по твердой поверхности зерен и заполняя промежутки в точках их соприкосновения, будет капсулировать оставшиеся между зернами пустоты. При полном расплавлении шихты закапсулированные микропустоты могут образовывать изначальную пузырчатость расплава.

Под воздействием капиллярного давления пузыри начальных радиусов r0 являются существенно неустойчивыми и будут релаксировать до объема равновесного размера, при достижении которого давление парогазовой смеси и капиллярное давление уравниваются.

При этом равновесный радиус, который принимает пузырь в результате релаксации, равен

. (14)

Где - общее давление парогазовой смеси в поре, PS, PA – давление

12

компонент диссоциации и парциальное давление защитного газа в полости пузыря, L – поверхностное натяжение расплава.

Расчет времени подъема пузыря начального радиуса r0 на поверхность расплава показал, что является функцией давления защитного газа. При давлении PА=0,5 Па время всплытия пузыря составляет 3,12·10-4с. Равновесный радиус таких пузырей после релаксации находится в пределах (3-7)10-6м. Будучи захваченными объемом материала при кристаллизации, такие пузыри могут образовывать систему устойчивых дефектов в виде микропор и служить источниками возникновения пустот закритических размеров.

Процесс получения монокристаллов лейкосапфира методом ГНК можно разделить на два характерных периода: период S < Sk, в течение которого кристалл растет при диффузионном переносе вещества в жидкости, и, второй, на котором преобладает конвективное перемешивание расплава.

Если исходить из механизма стимулированного движения газовых пузырьков, захват которых поверхностью кристаллизации является причиной образования одного из характерных дефектов в структуре лейкосапфира, то можно предположить, что в течение первого периода движение газовых пузырьков инициируется градиентом поверхностного натяжения внутри пузыря при наличии градиента температуры в расплаве. Скорость и направление движения поры можно

оценить по формуле:

(15)

Из формулы (16) следует, что имеется критический размер поры, при котором изменяется механизм ее движения в расплаве. Фактором, стимулирующим движение больших пор r0>rкр является массоперенос вдоль поверхности поры, вызванный градиентом поверхностного натяжения. Мелкие поры r0<rкр, как более стабильные «догоняются» фронтом роста или переносятся потоком жидкости при наличии конвекции в расплаве. Укрупняясь, мелкие поры могут менять механизм и направление перемещения.

В области конвективного движения газовые пузыри будут выделяться непосредственно у поверхности роста в виде новой фазы, если условия перемешивания таковы, что толщина пограничного слоя * превышает величину

(16)

где Сf/C0=1,9 - степень пересыщения расплава, выше которого наблюдается зарождение газовых пузырей в Al2O3, в виде включений второй фазы. K0 - коэффициент сегрегации; Dd – коэффициент диффузии в расплаве. Для стационарных условий роста величина пограничного слоя находится в пределах 610-4 < * < 10-3 м. При найденных скоростях конвективного движения , концентрация газообразных компонент в пределах пограничного слоя <<*, не превосходит порог метастабильности, поэтому возможность образования устойчивых центров второй фазы в этом слое уменьшается ( –толщина пограничного слоя при наличии конвективных течений в расплаве).

Таким образом кристалл может расти свободным от посторонних частиц из чистого расплава, но будет дефектным, если в расплаве имеется даже очень малое количество примеси. Другими словами, даже примесь, сама по себе не вызывающая

13

дефектности, может испортить кристалл, облегчая захват газовых микрочастиц.

Перемешивание расплава снижает концентрацию примеси на фронте роста (при К<1), что ослабляет действие примеси и облегчает отталкивание частиц.

В пятой главе разработан и описан аппаратно-программный комплекс управления установки для выращивания монокристаллов лейкосапфира.

Для оптимизации автоматического управления ростом кристалла лейкосапфира с заданным качеством должна быть решена задача синтеза многоконтурной оптимальной системы, обеспечивающей оптимизацию критериев, например, минимизацию функционалов Ляпунова:

(17)

где; = x3 – x – отклонение системы от заданной траектории; Аi – весовые коэффициенты; k, - коэффициенты пропорциональности.

Объектом управления является электродвигатель постоянного тока, вал которого соединен посредством упругого звена с рабочим органом (например, двигатель перемещения лодочки в процессе выращивания кристаллов лейкосапфира).

В качестве исходной системы управления принимается традиционная многоконтурная система управления контурами: тока I двигателя, скоростью 1 двигателя, скоростью 2 рабочего органа, обеспечивающей поступательное движение лодочки, величиной угла поворота вала.

В соответствии с методологией синтеза систем оптимального управления задача синтеза оптимальной следящей системы решается как задача построения блока оптимального управления, входы которого соединены с датчиками тока I и скоростями 1 и 2, а выход соединен со входом контура управления скоростью 1.

Исследование отдельных контуров управления, содержащих нелинейные динамические регуляторы, подключенные параллельно линейным (рис. 4), показывает значительное повышение быстродействия.

Рис. 4 – Структурная схема оптимальной следящей системы.

14

Микропроцессорный блок управления технологическим процессом выращивания объемного лейкосапфира

В состав МПБУ входят: модуль центрального процессора, модуль процессора регулирования скорости, модуль предварительного усиления сигнала датчика тока, модуль двухпетлевого регулятора выходного напряжения, модуль связи с внешнего ПК, формирователь сигнала синхровизации от сети 220В, входные и выходные делители, источники питания +15В, -10В, +5В, +9В и прецизионный источник +5В. Дополнительно имеются датчики скорости, датчики для измерения положения лодочки.

МПБУ используется в составе с печью и персональным компьютером обычного класса для процессов выращивания кристаллических структур, отжига различных материалов и прочих тепловых процессов. При этом основными функциями являются прецизионная регулировка напряжения на нагревателе и скорость вращения коллекторного двигателя постоянного тока независимо друг от друга по заданным программам. Структурная схема МПБУ приведена на рис. 5.

  Блок схема МБПУ В шестой главе-49

Рис. 5 – Блок схема МБПУ

В шестой главе разработан и исследован датчик давления, включающий полупроводниковый чувствительный элемент, выполненный по планарной микроэлектронной технологии, который может быть применен для измерения

15

абсолютного, избыточного и разности давлений. Конструкция датчика представлена на рис. 6. Изобретение направлено на увеличение надежности конструкции при механических воздействиях, уменьшение дополнительной погрешности от монтажных и термомеханических напряжений и снижение трудоемкости при изготовлении датчика давления.

Разработанное устройство датчика давления позволяет работать с большим уровнем деформаций, чем в других интегральных полупроводниковых чувствительных элементах, а также обеспечивает работу в условиях высокой радиации.

Применение полупроводникового чувствительного элемента на основе структуры КНС позволяет избежать явления гистерезиса и усталостных явлений, так как в интегральных схемах на основе КНС отсутствет p-n – переход, в качестве упругого элемента используется сапфир, который прочнее и жестче кремния, это позволяет работать с большим уровнем деформаций, чем в других интегральных полупроводниковых чувствительных элементах; сапфир химически и радиационно стоек, поэтому интегральные схемы на основе КНС могут работать в условиях высокой радиации.

Использование алюмосиликатной керамики в качестве керамической чашки позволяет исключить влияние монтажных и термомеханических напряжений на полупроводниковый чувствительный элемент, а также уменьшить температурную зависимость начального выходного сигнала благодаря близости температурных коэффициентов расширения алюмосиликатной керамики и лейкосапфира в кристаллографической плоскости (0112).

 Разрез конструкции датчика-50

Рис. 6. Разрез конструкции датчика давления. 1 - полупроводниковый чувствительный элемент на основе КНС, 2 – керамическая чашка с отверстием D, 3 – полость, 4 – корпус, 5 – крышка, 6 – гофрированная мембрана, 7 – металлизированные токоведущие дорожки,9 – паяное соединение, 11 – отверстие диаметром D, 12,13 – надмембранная и подмебранная полости, 14 – эластичный компаунд.

16

Было также проведено исследование возможности применения монокристаллов лейкосапфира, выращенных методом горизонтальной направленной кристаллизации в качестве защитных экранов, способных противостоять ударной волне с высокой кинетической энергией.

Известно, что на параметры монокристалла (прочность, обрабатываемость, твердость) влияет содержание дефектов в кристалле, таких как поры и включения, которые уменьшают плотность пластин, а следовательно и их прочность. Для повышения этих характеристик необходимо добиться минимального содержания структурных дефектов при выращивании и последующей обработке кристаллов.

В рамках диссертационной работы были выращены по отработанной технологии горизонтальной направленной кристаллизации монокристаллы лейкосапфира с ориентацией (1102). Для выращивания использовался высокочистый порошок Al2O3, с содержанием примесей 0,0001%, спеченный в брикеты по бестигельному методу. Параметры кристаллизации и содержание пор в полученных кристаллах приведены в таблице 1.

Таблица 1.Режимы получения монокристаллов с низким содержанием микрочастиц

Плоскость кристалл-лизации Вакуум Скорость кристалл-лизации Количество пор в кристалле Диаметр пор Давление газа в поре Содержание примесей в шихте
1102 2-610-3 Па 6-8 мм/ч 104 см-3 10-4-10-3см 700 дин/см 0,0001%

Параметры монокристаллов лейкосапфира до и после доработки технологии выращивания приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Физико – химические свойства лейкосапфира

Параметры Значения (обычная технология) Значения (доработанная технология)
Молекулярный вес 101,96
Температура плавления 2050 єС
Удельная теплоемкость 0,181 – 0,187 кал/(градК)
Теплопроводность 0,01 кал/ссмград С
Удельный вес 3,98 г/см3 4,01 г/см3
Твердость по Кнуупу 2000 2100
Коэффициент преломления 1,753 1,760
Обрабатываемость Хорошо шлифуется, полируется механическим способом Требует применения хим. реагентов

Была исследована партия бездефектных монокристаллов лейкосапфира на проведение испытаний по противодействию ударной волне узкой

направленности, содержащая 10 кристаллов с характерными размерами 50х50 мм, 75 х 75 мм, 100 х 100 мм. Толщина подложки (высокомодульный полиэтилен)

17

изменялась в зависимости от толщины образца с целью компенсации недостатка толщины монокристалла лейкосапфира более дешевой подложкой. Результаты испытаний приведены в таблице 3.

В результате проведенных исследований была разработана технология выращивания монокристаллов лейкосапфира с содержанием пор не превышающим 104 см-3. Исследования, проведенные в ОАО «Кираса» г. Пермь показали, что лейкосапфир (плоскость роста 1102), выращенный методом ГНК обладает высокой прочностью и имеет возможность дальнейшего применения в различных областях, связанных с оптическим наблюдением в условиях воздействия направленных ударных волн со скоростями до 830,0 м/с.

Таблица 3.

Результаты испытаний

Опыт №1 Опыт №2 Опыт №3 Опыт №4 Опыт №5
Толщина образца 5 мм 6,5 мм 7,6 мм 8,5 мм 10 мм
Поверхностная плотность кристалла 320 г/дм2 320 г/дм2 320 г/дм2 320 г/дм2 320 г/дм2
Толщина подложки (высокомодульный полиэтилен) 7 мм 5 мм 3 мм 2 мм 1 мм
Кинетическая энергия m=64г V=827 м/с m=64г V=827 м/с m=64г V=827 м/с m=64г V=827 м/с m=64г V=827 м/с
Расстояние до образца 5 м 5 м 5 м 5 м 5 м
Результат Отрицатель-ный Отрицатель-ный Положитель-ный Положи-тельный Положи-тельный


Pages:     | 1 || 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.