Диссертация (1090422), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Первый слой образуется в результате хемосорбции молекул воды и обладает наибольшей энергией связи.Энергия десорбции третьего слоя сопоставима с энергией ван-дер-ваальсовоговзаимодействия. Энергия водородной связи молекул воды на поверхности Al2O3составила 19,3 кДж/моль, для поверхности SiO2 эта величина составляет 12,5кДж/моль.42Дегидратация поверхностиПри производстве лазерных гироскопов непосредственно перед сборкой оптических деталей на ОК производится их отжиг в вакууме. В настоящее времятемпература отжига была снижена с 600ºС до 450ºС. Кроме того, отменен отжиг внеоне при 700ºС, общее время проведения отжига сократилось в два раза (до 5 часов).
Как известно, отжиги при подобных температурах могут существенно влиять на состояние соединяемых поверхностей, а конкретно - на количество поверхностных ОН-групп, поэтому необходимо детальное рассмотрение данного вопроса.Итак, по мере повышения температуры гидроксильные группы на поверхности конденсируются с образованием силоксановых связей и с выделением воды.Уменьшение концентрации гидроксильных групп с ростом температуры широкоизучалось различными исследователями.Поскольку дегидратация представляется неравновесным процессом, то скорость, с которой вода покидает поверхность на любой стадии процесса, будет являться функцией температуры и концентрации оставшихся силанольных групп[54].Как правило, начальная концентрация SiOH-групп на полностью гидроксилированной поверхности составляет примерно 5 ОН-групп/нм2 при 150°С и только ≈1 OH-группа/нм2 при 700-800°С.
Изменение концентрации ОН-групп происходит постепенно.Силанольные группы на поверхности кремнезема начинают конденсироваться и удаляться в виде воды в заметной степени при температурах выше 150-170°С.При 400°С немногим менее половины исходных гидроксильных групп оказывается удаленными от поверхности, но большая часть остальных групп сохраняет попарно смежное положение. По крайней мере, это имеет место для каждой второйгруппы ОН. При таком состоянии поверхности вода может адсорбироваться и,следовательно, поверхность легко регидратируется.
Выше 400-450°С уже большоечисло гидроксильных групп удалено с поверхности и появляются обширные си-43локсановые участки, регидратация которых затруднена. При температуре ≈ 750°Сна поверхности присутствуют только одиночные свободные неспаренные группыSiOH с величиной поверхностной концентрации 1,3 ОН-групп/нм2.Независимо от взглядов различных авторов на природу дегидратации [54-56]поверхности до температур 400-450°С исследователи сходятся во мнении, что поверхность имеет высокую реакционную способность. Ведь по сути, "перенапряженные мостики", "сопряженные поверхностные радикалы" и "активные центры"отличаются только названием, практически не отличаясь по своим свойствам.Регидратация поверхностиНе менее важную роль играет и процесс регидратации поверхности [54]. Исследования, проведенные Янгом и Баршем, отчетливо показали, что молекулы воды адсорбируются только на гидроксилированной поверхности кремнезема, но нена силаксановой, которая по существу оказывается гидрофобной.
Однако процессрегидратации должен включать в качестве первого этапа адсорбцию воды так, чтогидратация, вероятно, имеет место и на силоксановых кислородных центрах послетого, как она прошла на силанольных центрах. Исследователи обнаружили, чтоповерхность силикагеля, дегидратированная при нагреве образцов вплоть до 400425°С, легко повторно гидратировалась, в то время как при более высокой температуре предварительной обработки образцов процесс регидратации становилсявсе медленнее. При температуре предварительной обработки 425°С на поверхности остается около 2 ОН-групп/нм2 или 40-45% от исходной концентрации.
Дегидратированные силоксановые центры, вероятно, являются обособленными притаком состоянии поверхности.В результате проведенных исследований было установлено, что регидратация частично дегидраксилированной поверхности происходит чрезвычайно медленно при 25°С даже в воде. При повышении температуры до 95°С кремнеземдолжен выдерживаться в воде в течение нескольких часов.44Отметим, что регидратация частично гидроксилированной поверхностью катализируется щелочью.
Используя "водную" модель образования ОК, это должноозначать, что применение щелочей на контактных поверхностях отжигаемых деталей должно улучшить качество получаемого соединения из-за образованиябольшего числа ОН-групп, участвующих во взаимодействии.Регидратация происходит вначале на гидроксильных группах, и образующиеся гидроксилированные участки поверхности распространяются в виде отдельных пятен по мере того, как гидратация продолжается вдоль границы между гидроксилированными и силоксановыми участками поверхности.1.7. Физико-химическая модель ОКПосле рассмотрения взаимодействия молекул воды с поверхностью можноперейти непосредственно к вопросу образования ОК.
Одной из первых работ,описывающих физико-химическую модель ОК, является работа, выполненнаяQ. Tong, M. Gosele в 1999 году [46]. В статье рассмотрена одна из разновидностейсоединения кремниевых деталей – метод прямого сращивания. Данный метод используется в полупроводниковой индустрии и практически аналогичен методуГОК. Модель образования соединения, предложенная авторами, хорошо описывает процесс осуществления контакта между оптическими деталями и в настоящеевремя получила широкая распространение и признание в среде исследователей,занимающихся данной тематикой.Под прямым сращиванием исследователи понимают такое явление, когдазеркально полированные, гладкие и чистые поверхности деталей, будучи приведенными в контакт при комнатной температуре, соединяются между собой безиспользования клеев или приложения дополнительных сил.
Как нетрудно заметить, данное определение ничем не отличается от определения ОК.Метод прямого сращивания используется, в основном, при производствеструктур кремний на изоляторе (КНИ). Такой способ соединения деталей разработан в 80-х годах XX-го столетия. Процесс нагрева, производимый при соедине-45нии деталей по технологии прямого сращивания, по сути, ничем не отличается отсоздания ГОКа, а потому физико-химическая модель, предложенная авторами,может быть использована и для описания, применяемого в нашем производствеОК.Так как соединение методом прямого сращивания образуется за счет действия межмолекулярных сил, к соединяемым поверхностям применяются специальные требования.
Такие поверхности должны быть совершенно плоскими игладкими. Кроме того, поверхности должны быть абсолютно чистыми и желательно быть покрытыми несколькими монослоями вещества, через которое будетосуществляться взаимодействие.Так, две совершенно плоские подложки можно установить на контакт, есливеличина их локальной неплоскостности не превышает несколько микрометров[25].
Если величина локальной неплоскостности будет больше, то начинают появляться участки несвязывания. Такие участки появляются также, если на границураздела попадают какие-либо загрязнения, например, частицы пыли. Размерыучастков несвязывания зависят не только от размеров дефектов, но и от жесткостисоединяемых деталей.В технологии производства структур КНИ используются подложки толщиной около 500 мкм, в то время как в лазерной гироскопии толщины соединяемыхдеталей лежат в сантиметровом диапазоне, а, следовательно, жесткость соединяемых элементов и, соответственно, возможность компенсации локальных неровностей будут существенно различаться.На практике гидрофильные кремниевые подложки могут спонтанно соединяться через водородные связи, если величина их шероховатости (rms) не превышает 5 Å. В настоящее время в производстве, в том числе и на нашем предприятии, величина шероховатости поверхности лежит в пределах нескольких ангстрем.Длядостиженияподобнойшероховатостииспользуетсяхимико-механическая полировка.Сам процесс соединения деталей должен проводиться в чистой комнате склассом чистоты не ниже 6 ИСО (согласно ГОСТ ИСО 14644-1-2002 [59]).
Соеди-46нение производят как вручную, так и автоматически на воздухе или в атмосферекислорода, азота или аргона. Такое соединение является разборным, т.е. его можно разъединить, не повредив поверхность.Итак, как известно, атом водорода может образовывать связь с кислородом,азотом, фтором, хлором и некоторыми другими элементами. Такие соединенияоказываются сильно полярными, что позволяет осуществить их взаимодействие сатомом водорода, обладающим частично положительным зарядом. Например, вода состоит из полярных молекул. Эти молекулы, в свою очередь, состоят из атомов кислорода и водорода, которые формируют водородные связи между молекулами воды.
Поэтому, если две соединяемые поверхности покрыты такими молекулами, то образуется Н∙∙∙О водородная связь между молекулами воды через границу раздела.Так как кластер из двух и более молекул энергетически более выгоден, чемизолированная молекула, связь между молекулами воды может формировать мостики между двумя соединяемыми поверхностями. В этом случае реализуетсяпротяженное межмолекулярное взаимодействие, и, таким образом, требования кшероховатости поверхности при соединении при комнатной температуре могутбыть заметно снижены.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
