Диссертация (Физико-технологические основы и пути совершенствования технологии получения кристаллов сапфира для электронной техники), страница 10

Данный метод включает в себя свойства как метода конечныхэлементов, так и метода конечных разностей. Получены результаты в форме графиков полей температуры, перемещений, деформаций и напряжений, которые открывают новую возможность проведения вычислительного эксперимента для проектирования нового ростового оборудования или усовершенствования существующего [56]. В работе [56] отмечено, что важнейшей причиной невозможности увеличения геометрических размеров кристаллов является нарушение оптическойсимметрии в них.Проведенное сравнение существующих математических моделей роста монокристаллов сапфира показало, что в существующих моделях роста кристалловне учтено распределение температур, термоупругих напряжений и газовых пузырей в конусной части кристалла, поэтому важной задачей является исследованиероста монокристаллов сапфира с расчетом температур, термоупругих напряженийи газовых пузырей в конусной части кристалла, что позволит оценить влияние параметров роста кристалла на его качество, а также усовершенствовать технологиюего получения.551.5 Проблема дефектообразования при выращивании и механическойобработке монокристаллов сапфира для подложек интегральных схемКристаллографическая ориентация, плотность и характер распределения точечных дефектов, плотность одиночных дислокаций, протяженность границ блоков и их разориентация, уровень остаточных напряжений, примесная неоднородность и химическая чистота определяют качество монокристаллического сапфира[57-89].Примесные атомы, расположенные в узлах и междоузлиях решетки, относятсяк точечным дефектам.

Положение атомов примесей характеризуется энергией ихвнедрения. Примесные атомы стремятся занять узлы более похожие на них по химической природе атомов. Между узлов обычно размещаются атомы малых размеров. Внедрение атомов больших размеров осуществимо только на дефектах типадислокаций и границ блоков.Известно несколько путей формирования дислокаций при получении кристаллов сапфира из расплава [69]: наследование дислокаций из затравочного кристалла,а также дислокаций, появляющихся в процессе формирования кристалла; пластическая деформация, вызванная термоупругими напряжениями; примесный механизм(захват примеси растущим кристаллом); вакансионный механизм (дискообразноескопление вакансий и их последующее захлопывание с формированием дислокационных петель); некогерентное срастание в случае неполного соответствия зародышей, слоев роста, ветвей дендритов.В последнее время принято рассматривать температурные напряжения в растущем кристалле в качестве основного источника дислокаций.

В.Л. Инденбомомразвита теория образования температурных напряжений в процессе выращиваниякристаллов [58, 88, 90]. Формирование дислокаций происходит из-за внутреннихнапряжений, которые вызваны нелинейностью распределения температуры в получаемом кристалле.56К одним из основных дефектов в кристаллах относят микро- и макроблочность. Исследование блочности разных кристаллов способствовало выделениюглавных механизмов их формирования: вакансионный, наследование границ затравочного кристалла, примесный, некогерентное срастание слоев, полигонизационный [91].Пресыщенность расплава растворенными газами является общим условиемформирования пор в кристаллах. Основная причина газонасыщенности заключается в диссоциации расплава, а также взаимодействии расплава с контейнером и средой и содержащимися в шихте примесями.

Газовые пузыри с размером, не превышающим критического, будут отталкиваться фронтом кристаллизации. В случаеслабого перемешивания жидкости концентрационное уплотнение [27, 91] и увеличение размеров пузырей ведут к их контакту с фронтом кристаллизации и удерживанию силами поверхностного натяжения. Поскольку формирование кристалла надпузырем затруднено, то в твердой фазе появляется пора.При получении кристаллов сапфира в контейнере происходит перегрев отдельных областей контейнера, а, значит, и расплава.

Движущийся фронт может захватывать микрообъемы расплава с более низкой температурой. В таком случаепри дальнейшей кристаллизации этих микрообъемов образуются пустоты из-заразличной плотности расплава и кристалла. Диссоциация расплава – не единственный источник газонасыщенности расплава. Шихта, атмосфера, тигель, конструкционные материалы тепловых узлов существенно влияют на механизм формирования и газовый состав пор.Резание, шлифование и полирование относятся к основным стадиями механической обработки монокристаллов сапфира. Выбор оптимального режима резания (подачи, глубины и скорости резания) позволит получить высокую производительность, точность и качество обработки монокристаллов сапфира.

Определено[88], что эффективность процесса резания обратно пропорциональна скорости этого процесса V и прямо пропорциональна скорости подачи S, таким образом привыборе режимов с большим значением отношения S/V получают наибольшую эф57фективность процесса резания.

Однако в данном случае понижается качество иточность обработки, что связано с влиянием сил резания на обработку кристалла.После операции резания кристалла имеются погрешности формы (неплоскостность, непараллельность плоскостей, изгиб), большой нарушенный слой и значительные отклонения по толщине, то есть данная операция не позволяет получитьповерхности кристалла требуемого качества. Поэтому, для повышения качестваповерхности проводят дальнейшую обработку (шлифование и полирование) поверхности с использованием абразивных материалов. После операции шлифованияполучается поверхность 9-12-го класса шероховатости, а полированные поверхности имеют 13-14-й класс шероховатости. Изменяя вид абразива, скорость резания,размер абразивного зерна и другие технологические параметры процессов шлифования и полирования, можно управлять структурой приповерхностного нарушенного слоя (менять глубину дефектного слоя).

Следовательно, оптическая однородность изделий, их работоспособность и долговечность, прочность и ряд других параметров во многом зависит от выбора определенных режимов шлифования и полирования монокристаллов.Выделяют шлифование свободным абразивом – абразивной суспензией ишлифование свободным абразивом – алмазными абразивными кругами [92-93].Преимущества шлифования свободным абразивом заключаются в следующем: отсутствие на поверхности обработанной пластины следов направленногодвижения абразива; улучшение геометрии пластин за счет возможности самоустановления шлифовальника и обрабатываемых пластин.Карбид бора (B4C) в свободном состоянии или алмаз в связанном состояниииспользуют в качестве абразивных материалов для шлифования кристаллов сапфира.

К достоинствам применения карбида бора для шлифования относится болеенизкая стоимость за единицу массы в сравнении с алмазом. Карбид бора может использоваться только в свободном состоянии – в составе суспензии, что ведет к повышенному расходу и является основным недостатком его использования [94].58Различные пасты АСМ-1/0, АСМ-2/1, АСМ-3/2 применяются для операцииполирования поверхности сапфира [93]. Использование абразивных суспензий спостепенным понижением размера фракции зерна позволяет значительно сократить шероховатость и глубину нарушенного слоя полученного после резания слитка.1.6 Анализ математического, информационного обеспечения процессаполучения подложек сапфираДля промышленного и опытного применения процессов кристаллизации израстворов, в работе [95] авторами разработана информационная система по процессам кристаллизации, позволяющая решить следующие задачи: выбрать оптимальное оборудование для кристаллизации; оценить степень очистки материала в результате проводимого процесса; представить модель процесса на используемом оборудовании; определить материал покрытия для оборудования при проведении конкретного процесса.Предложенная авторами работы [95] информационная система (ИС) состоитиз базы данных, в которой хранятся необходимые данные, а также расчетных модулей, которые определяют необходимые параметры процессов на оборудовании.Система включает в себя следующие автоматизированные модули:1.

ИС по процессам кристаллизации;2. ИС по выбору оптимального кристаллизационного оборудования;3. ИС по подбору материалов для покрытий оборудования;4. Асинхронная каскадная репликация данных.Все модули предложенной ИС связаны с общей базой данных (БД), однакоимеется возможность как их совместной работы, так и отдельно друг от друга.Расчетный модуль ИС для выбора оптимального оборудования дает возможность технологу выбрать метод кристаллизации, тип оборудования, конструкцион-59ные материалы, определить параметры кристаллизатора при требуемой производительности, а также построить модель процесса кристаллизации на оборудовании.В работе [96] предложена база данных высокочистых веществ и информационно-расчетная система (ИРС) “Высокочистые вещества и материалы” с информацией по примесночувствительным свойствам, основным особенностям методовполучения различных высокочистых веществ, а также метрологическим характеристикам методик анализа, предложенных как в России, так и за рубежом.Система представляет собой несколько баз данных, объединенных через понятие “вещество”.