Автореферат (1143287), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Многослойность структуры ростовой установки, показаннойна рисунке 3, учитывалась при расчете. Сапфир находился в расплавленномсостоянии,таккакраспределениетемпературисследовалосьнепосредственно под нагревателями.T12 T13q13T14 xРисунок 3 – Изображение многослойной схемы вакуумной камерыРезультаты расчета температур в вакуумной установке для ростасапфира представлены на рисунке 4.Показано, что поддон оказывает значительное влияние натемпературное поле в ростовой камере, выполняя роль теплового экрана.Из-за поддона асимметрия распределения температуры в камере печиотносительно расплава равна примерно 20 К, что обеспечиваетнеобходимый изгиб фронта кристаллизации и облегчает отвод пузырей отфронта кристаллизации (рисунок 4).15T, К3500300028312939 29392832250027712749283927492939 29392850283128322000150010005000860860Т0 Т1 Т2 Т3 Т4 Т5 Т6 Т7 Т8 Т9 Т10 Т11 Т12 T13 T14 xРисунок 4 – Результаты расчета температур в вакуумной установке впроцессе роста кристаллов сапфираКристаллы сапфира, полученные методом ГНК, имеют характернуюконфигурацию на начальном и последующих этапах роста и представляетсяважным исследование процесса формирования структуры, распределенияпримесей и характер дефектов в объеме кристалла, возникающих впроцессе роста.Соотношение для фактора формы сапфира, полученного методомГНК, имеет вид:1 (1 )h (8) ( , S ) 1 ,hS где S – осевой размер кристалла; h – толщина кристалла; – угол(вершинный) зоны разрастания кристалла от затравки.Определено, что на самой ранней стадии роста сапфира имеет местодоминирование процессов, в частности, сброс скрытой теплоты через объемкристалла при S << h .При S >> h сброс потока тепла разветвляется и сброс скрытойтеплоты кристаллизации (фазового превращения) осуществляется черезверхнюю и нижнюю поверхность кристалла.
Так как снизу дно тигля, тотеплопроводность материала тигля и тепловое сопротивление контактарасплав – дно тигля будут сказываться на характере роста. Этимобъясняется изменение наклона поверхности фазового превращения втечение процесса.Фактор формы указывает на степень влияния поверхности кристаллапо сравнению с его объемом на динамику процесса на всех этапах ростакристалла сапфира (рисунок 5).Получено замкнутое решение задачи Стефана для роста кристалловсапфира по методу ГНК, которое позволяет исследовать как процесс роста,так и сопутствующие росту факторы (термонапряжения в кристалле наразных этапах роста), гидродинамику расплава и ее влияние надефектообразование и, как результат, качество кристалла. Расчеты также16необходимы для проектирования установок выращивания сапфира пометоду ГНК.Рисунок 5 – Зависимость осевой длины кристалла от фактора формыа)б)Рисунок 6 – Зависимость скорости роста (а) и времени роста (б) отосевой длины кристаллаОдними из важных дефектов в кристаллах сапфира являютсяпарогазовые включения в виде микропор.
Скопления пузырей,расположенные в придонной зоне контейнера ростовой установки нарасстоянии 250 мм от затравки при контейнере длиной 320 мм,представляют собой наибольшую проблему для удаления.На основании распределения температур в кристалле полученыградиенты температур в сапфире методом наименьших квадратов.Результаты оценки размера формируемых газовых пузырей приведенына рисунке 7.Рисунок 7 – Зависимость размера газовых пузырей от градиентовтемператур при вертикальном сечении кристалла в системе кристаллрасплав-шихта17Результаты исследований показали, что процесс формированияпузырей начинается на дне расплава, где максимальный радиусформируемых пузырей составляет порядка 0,16 мм при скорости ростакристалла 6 мм/ч.Повышение скорости роста кристалла приведет к увеличениювероятности захвата более крупных пузырей.
Образование пузырей можноустранить путем варьирования параметров роста кристалла (например,повышением температуры нагревателя).Численныерасчетыпроцессовростасапфирапозволилипроанализироватьприродуфизическихявленийивыполнитьколичественные оценки параметров (мощности нагревателя, скорости ростасапфира).В четвертой главе проведены экспериментальные исследованиядефектов в сапфире и их влияния на получаемые изделия.Для экспериментального определения дефектов сапфира (размера иместоположения микротрещин и пор) использовались различные методы:метод поверхностных акустических волн (ПАВ), виброакустический метод,оптический и тепловой методы.На рисунке 8 показана частотная зависимость комплексногокоэффициента S11 для различных расстояний от дефекта и Фурьепреобразования измеренной зависимости частоты.В переданном электромагнитном сигнале и в сигнале, отраженном отвхода (выхода) ПАВ преобразователя, происходит интерференция,приводящая к появлению многочисленных максимумов и минимумовпараметра S11 в зависимости от частоты (рисунок 8).
Расстояние междумаксимумами и минимумами ΔS зависит от амплитуды отраженной ПАВ(большее отражение ПАВ от дефекта определяет большее значение ΔS).Расстояние между соседними максимумами и минимумами Δf зависит отрасстояния между дефектами, от которых ПАВ отражается: большеерасстояние между дефектами дает меньшее значение Δf.
Дискретностьвосстановления частоты в 1 Гц позволяет определить расстояние Δf междуближайшим максимумом и минимумом с дискретностью в 1 Гц, повышаяпри этом точность измерения.18Рисунок 8 – Типичные зависимости коэффициента отражения S11 отчастотыИсследования сапфира проводились с помощью измерителякомплексных коэффициентов передачи ИККП «Обзор-103» в лабораториимеханики и физики новых материалов и устройств Института математики,механики и компьютерных наук им.
Воровича И.И. ЮФУ. Метод ПАВпозволил определить местоположение, глубину и протяженностьповерхностных трещин (а также царапин) и профиля их берегов, что можетнайти широкое применение для обнаружения, контроля и анализа дефектовв приповерхностном и поверхностном слое сапфира, которые практическинельзя выявить другими методами.Метод вибродиагностики дал возможность находить скрытые дефектыв сапфире. При наличии дефектов (газовых пузырей, трещин) в структуресапфира в спектре вибраций и шума появляются гармоникисоответствующих частот.Проведены исследования образца сапфира с использованиемтеплового метода (тепловизор Flir i5).Таким образом, с помощью различных экспериментальных методов(метода ПАВ, виброакустического метода, оптического и тепловогометодов) определялось распределение дефектов сапфира, что позволяетследить за изменением морфологии структуры и дефектов сапфира.Для уменьшения количества дефектов сапфира в приповерхностномслое проведены экспериментальные исследования механической обработкиповерхности сапфира.
Расчетным путем получены данные о глубиненарушенного слоя в сапфире, которые служат основой для оптимизациипроцессов обработки кристаллов сапфира, выработаны рекомендации поопределениюсвойствприповерхностныхслоевсапфира,усовершенствованию качества кристалла.В пятой главе представлены результаты экспериментальныхисследований и математического моделирования воздействия ЛИ намонокристаллы сапфира и структуру пленка-сапфир. Проведеныисследования влияния дефектов подложки на структуру пленки.Экспериментальные исследования обработки кристаллов сапфира, атакже боросиликатного стекла для дальнейшего получения его спая с19сапфиром с целью создания защитных структур, формирования пленок наповерхности сапфира в данной главе осуществлялись на установке LIMO100-532/1064-U с инфракрасным (ИК) Nd:YAG лазером с фиксированнымидлинами волны 532 нм и 1064 нм.Проведен расчет температуры, напряжения и деформации в процесселазерной обработки сапфира, дающий возможность обеспечитьмаксимальный отжиг дефектов (дислокации, вакансии), в системеинженерного конечно-элементного анализа ANSYS, позволяющейанализировать термическое напряжение и деформирование образца привоздействии лазерного луча на поверхности.На рисунке 9 представлено распределение температурного поля наповерхности пластины сапфира при влиянии ЛИ (средняя мощность ЛИ25 Вт, скорость 10 мм/с).Рисунок 9 – Распределение температуры на поверхности кристалласапфира (средняя мощность ЛИ 25 Вт)На рисунке 10 представлены результаты расчета деформации (а) итермических напряжений (б) на поверхности сапфира.С помощью исследований определено, что при средней мощности ЛИ25 Вт и скорости луча лазера 10 мм/с максимальная температура наповерхности будет около 250 °C, что является обеспечивающиммаксимальный отжиг дефектов (удаление дислокаций и точечных дефектов,изменение приповерхностных слоев кристалла, восстановление регулярнойкристаллической структуры).
При данном режиме лазерной обработкисапфира максимальное термическое напряжение составляет порядка100 МПа и деформация составляет порядка 0.16 мкм.20а)б)Рисунок 10 – Результаты расчета деформаций (а) и термическихнапряжений (б) на поверхности сапфираПроведены численные расчеты процессов лазерной обработкинеорганического стекловидного диэлектрика B2O3 – SiO2 – R2O – RO,дающие возможность рассчитывать распределение температуры наповерхности образца для различных скоростей перемещения луча лазера.Неорганическийстекловидныйдиэлектрикрассматривалсякакперспективный материал для получения его спая с сапфиром для созданиязащитных структур.Результаты исследований позволили определить, что на поверхностипластины неорганического стекловидного диэлектрика температуранелинейно зависит от скорости перемещения луча лазера.
В результатемоделирования определено, что температура на поверхности образца будетпримерно 750 0C при средней мощности ЛИ 25 Вт и скорости перемещениялуча лазера 10 мм/с. Проведен расчет деформаций и термическихнапряжений на поверхности неорганического стекловидного диэлектрикапри воздействии ЛИ. Полученные результаты позволяют выбратьоптимальный режим обработки материала, сократить среднююшероховатостьиперепадвысотповерхностиисследуемогоборосиликатного стекла, относящегося к перспективным материалам дляполучения спая с сапфиром для микро- и наноэлектроники.Тонкие пленки и пленочные структуры высокого качества,полученные на подложках с определенным набором свойств, являютсябазовым элементом большинства устройств электроники.
В работепроведено исследование влияния дефектов подложки на получаемыепленки на ее поверхности.Пленки (Fe2O3, TiO2, Si) на основе сапфира могут быть полезными присоздании специальных тонкопленочных покрытий элементов, новыхгазочувствительных датчиков и защитных покрытий, интегральных схем.21Дляполученияпленоккремнияиспользовалсяметодплазмохимического осаждения из газовой фазы (ПХО).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
