Автореферат (Физико-технологические основы и пути совершенствования технологии получения кристаллов сапфира для электронной техники)

1На правах рукописиКЛУННИКОВА Юлия ВладимировнаФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПУТИСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯКРИСТАЛЛОВ САПФИРА ДЛЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИСпециальность 05.27.06 – «Технология и оборудование для производстваполупроводников, материалов и приборов электронной техники»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора технических наукСанкт-Петербург-20182Работа выполнена на кафедре конструирования электронных средств (КЭС)Федерального государственного автономного образовательного учреждениявысшего образования «Южный федеральный университет» (ФГАОУ ВО «ЮФУ»)института нанотехнологий, электроники и приборостроения (ИНЭП),на кафедре физической электроники ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургскийполитехнический университет Петра Великого»доктор технических наук, профессорМалюков Сергей Павлович (профессор кафедры КЭС ИНЭПЮФУ)доктор физико-математический наук, доцентФилимонов Алексей Владимирович (заведующий кафедройфизической электроники ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургскийполитехнический университет Петра Великого»)Официальныедоктор физико-математических наук, профессор, членоппоненты:корреспондент РАН, Квардаков Владимир Валентинович(заместитель председателя совета ФГУП «Российский фондфундаментальных исследований», Москва, Россия)доктортехническихнаук,доцентКаримбеков Мырзамамат Арзиевич (профессор кафедрытехнологии металлов, ФГБОУ ВО «Национальныйисследовательский университет «МЭИ», Москва, Россия)докторфизико-математическихнаук,доцентИсаев Владислав Андреевич (заведующий кафедройтеоретической физики и компьютерных технологий, ФГБОУВО «Кубанский государственный университет», Краснодар,Россия)Научныеконсультанты:Ведущаяорганизация:ФГАОУВОСанкт-Петербургскийгосударственныйэлектротехнический университет «ЛЭТИ» (Санкт-Петербург,Россия)Защита состоится 18 июня 2019 г.

в 16:00 часов на заседании совета позащите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соисканиеученой степени доктора наук Д 212.229.02 на базе ФГАОУ ВО «СанктПетербургский политехнический университет Петра Великого» по адресу:195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул. 29.С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке и наофициальном сайте ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственныйполитехнический университет Петра Великого».Замечания и отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просимнаправлять на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.229.02 поадресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул. 29, СанктПетербургский политехнический университет Петра Великого.Справки по тел.

(812) 552-61-71Автореферат разослан «__» _______________ 2019 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.229.02кандидат химических наукСеменча А.В.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность диссертационной работыМонокристаллы сапфира благодаря уникальному сочетанию ихфизико-химических свойств (высокая температура плавления, большаятвердость, высокая прочность, оптическая прозрачность на большомдиапазоне длин волн, радиационная стойкость) широко применяются вразличныхотрасляхнаукиитехники–микроэлектронике,приборостроении, оптике, химических технологиях.

В течение последнихдесятилетий для выращивания монокристаллов большого размера,использующихсявмикроэлектронике,применялисьметодыгоризонтальной направленной кристаллизации (ГНК), Чохральского,Киропулоса и метод Степанова.Метод ГНК является одним из методов роста кристаллов сапфира дляэлементов электронной техники, так как по сравнению с другими методамион относительно прост и производителен, а также обеспечивает получениеоднородной,ориентирующейсявдольнаправлениятеплоотводамикроструктуры сапфира, обеспечивающей высокий уровень свойствданного материала.Дальнейшеесовершенствованиетехнологиивыращиваниякрупногабаритных кристаллов сапфира методом ГНК требует повышениякачества кристаллов сапфира, предотвращения появления дефектов вструктуре сапфира на всех стадиях его получения, увеличенияпроизводительности, снижения энергоемкости технологии, разработкиметодов управления и контроля процессами кристаллизации в режимереального времени.Решение указанных задач связано с исследованием процессовтеплопереноса в процессе получения кристаллов сапфира, изучениемзакономерностей возникновения дефектов в кристаллах сапфира,оптимизацией конструкции установки для роста кристаллов сапфира.

Вэтой связи развитие технологии получения кристаллов сапфира методомГНК с целью получения кристаллов с заданными свойствами и ихпоследующей обработки для дальнейшего широкого практическогоприменения для микроэлектронных устройств действительно представляетактуальную задачу.Цель и задачи диссертационной работыЦель диссертационной работы заключается в разработке физикотехнологических основ получения кристаллов сапфира высокой чистоты,однородных по структуре и примесному составу для последующего ихпрактического применения для микроэлектронных устройств. Привыполнении данной цели решались приведенные ниже задачидиссертационной работы:41.

Исследование основных закономерностей роста кристаллов сапфира методом горизонтальной направленной кристаллизации и их последующей обработки в ход процесса получения изделий из сапфира для микроэлектронных устройств.2. Исследование влияния параметров технологических процессов насвойства объемных кристаллов сапфира, определяющие возможности ихпрактического применения.3.

Теоретическое исследование методов снижения дефектов, внутренних механических напряжений на различных стадиях роста кристалловсапфира.4. Экспериментальные исследования формирования дефектов в сапфире и их влияния на качество получаемых изделий.5. Теоретические и экспериментальные исследования воздействия лазерного излучения (ЛИ) на монокристаллы сапфира и структуру пленкасапфир для газочувствительных датчиков.6.

Усовершенствование технологии получения подложек из сапфирадля интегральных схем, газочувствительных датчиков и защитных покрытий на базе разработанных физико-технологических основ.Научная новизна работы:1. Проведен целенаправленный комплекс теоретических иэкспериментальных исследований теплообмена в установке для ростакристаллов сапфира и процессов дефектообразования (газовые пузыри,термоупругие напряжения, трещины) с учетом конусной части кристалла,которая составляет до третей части выращенного кристалла.

Показано, чтоизменение конфигурации и температуры тепловой зоны позволяет снизитьуровень термонапряжений в кристаллах на 10-15 %.2. Впервые определено, что существенное влияние на процесс получения кристаллов сапфира на начальном и последующих этапах роста оказывает фактор формы кристалла, который позволяет изучить степень влиянияповерхности кристалла по сравнению с его объемом на динамику процессароста, так и сопутствующие росту факторы (термонапряжения в кристаллахна разных этапах роста). Выявлено, что на ранней стадии роста сапфираимеет место доминирование процесса сброса скрытой теплоты через объемкристалла, а на последующих этапах сброс скрытой теплоты кристаллизации осуществляется через верхнюю и нижнюю поверхность кристалла.3. Впервые показано влияние степени переохлаждения и скорости кристаллизации на сегрегационные процессы, формирование напряжений итрещин в кристаллах сапфира.

Определено, что дефект размером 2 мм способен привести к получению бракованного кристалла. На основе комплексных исследований роста кристаллов сапфира методом горизонтальнойнаправленной кристаллизации и новых аналитических и эксперименталь-5ных данных определены условия, позволяющие получать кристаллы высокого качества.4. Экспериментально определены дефекты (микротрещины и поры), атакже основные тенденции дефектообразования, которые позволяют следить за изменением морфологии структуры и рассматривать динамику изменения дефектов размером порядка 1 мкм в приповерхностном слое сапфировых подложек. Продемонстрировано, что взаимодействие поверхностных акустических волн с дефектами сапфира позволяет определить местоположение, глубину и протяженность поверхностных трещин, что можетнайти широкое применение для обнаружения, контроля и анализа дефектовв приповерхностном и поверхностном слое сапфира, которые практическинельзя выявить другими методами.

Проведен анализ распределения температур и термоупругих напряжений в процессе отжига сапфира лазернымизлучением с длиной волны 1064 нм для обеспечения уменьшения дефектов в структуре сапфировой пластины.5. Впервые предложен способ лазерного управляемого термораскалывания сапфировых пластин с нанесенным слоем графита с помощью излучения лазера с длиной волны 1064 нм (скорость перемещения луча лазера 1мм/с, средняя мощность лазера 90 Вт, время обработки 300-350 с), что позволяет повысить прочности краев пластины в результате их получения безсколов и поперечных трещин и обеспечить высокую скорость резки.