Диссертация (1143290), страница 14
Текст из файла (страница 14)
При этомALON прозрачен в диапазоне от ультрафиолетовой до средней инфракрасной области спектра. Он характеризуется существенно большей стойкостью к влияниюагрессивных сред по сравнению с силикатными стеклами, включая кварцевое, и,следовательно, существенно большей долговечностью при работе в экстремальныхусловиях [2, 3].К одной из главных задач, оказывающей влияние на качество и стоимостьпрозрачной керамики ALON, относится получение исходного порошка.
На сегодняшний день основным при промышленном получении порошков ALON являетсякарботермальный метод, заключающийся в высокотемпературном (1700 0С) твердофазном взаимодействии между исходными компонентами Al2O3, AlN и углеродом в атмосфере азота. Однако усовершенствуются и новые технологические подходы, базирующиеся на альтернативных методах синтеза, например, жидкофазныйсинтез ALON из растворимых азотсодержащих соединений.
Выполнение даннойтехнологической схемы дало бы возможность уменьшить температуру процесса с1700 0С до 1200 – 1300 0С, что существенным образом повлияло бы на технологичность производства и сокращение стоимости конечного материала.Важно сказать, что до настоящего времени проблемам получения отечественного аналога ALON (прозрачной керамики из оксинитрида алюминия) в России уделяли мало внимания [2, 3]. В результате на данный момент нет как отработанной технологии получения порошка оксинитрида алюминия требуемого качества, так и технологии создания из него прозрачных керамических деталей.77Таким образом, анализ основных проблем создания изделий из сапфира показал, что одной из важных народно-хозяйственных задач является создание газочувствительных датчиков и защитных покрытий на основе пленок на сапфире, чтопозволит значительно расширить область его применения для электроники и микроэлектроники.1.8 Выводы по главе 1По результатам анализа современных проблем создания изделий из сапфираможно сформулировать следующие выводы:1.
Анализ литературных источников показывает, что наиболее перспективными методами выращивания крупногабаритных монокристаллов сапфира является получение из расплава методом горизонтальной направленной кристаллизациии методом Киропулоса.2. Рассмотрена технология получения монокристаллов сапфира методомГНК, определены основные преимущества и недостатки. Выявлена недостаточнаяизученность ряда вопросов комплексного управления качеством сапфировых изделий, получаемых методом ГНК.3. Выполнен анализ основных дефектов (примеси, дислокации, блоки, пузыри) при получении монокристаллов сапфира и причин их формирования. Определено, что на качество растущих кристаллов сильно влияют температурные условияв ростовой установке.4. Рассмотрены существующие математические модели получения монокристаллов сапфира.
В данных моделях не учитывается распределение температур итермоупругих напряжений, газовых пузырей в конусной части монокристалла сапфира, которая составляет до третей части выращенного кристалла, что являетсяважной задачей для исследования процессов роста кристаллов.5. Анализ существующих тепловых узлов для роста сапфира методом горизонтальной направленной кристаллизации показал, что разработка теплового узлавыращивания монокристаллов сапфира с регулированием температурного поля си78стемой, состоящей из нагревателей с независимым управлением, позволит повысить точность и достоверность результатов управления и контроля технологических параметров процесса выращивания сапфира и улучшить качество получаемыхкристаллов.6. Выявлено, что главными проблемами, которые препятствуют получениюмонокристаллов сапфира высокого качества и требуют технологических решений,являются следующие: неполнота математического описания технологических процессов получения сапфировых изделий и недостаток информационного обеспечения, позволяющего провести оптимизацию технологии; сложность задач контроляи управления процессом кристаллизации.7.
Выявлена необходимость разработки системы учета влияния параметровроста и обработки на качество кристалла, в которой важным является учет содержания в кристаллах трещин, примесей, блоков, включений, пузырей.8. Анализ основных проблем создания изделий из сапфира показал, что одной из важных задач является создание газочувствительных датчиков и защитныхпокрытий на основе пленок на сапфире, что позволит значительно расширить область его применения для электроники и микроэлектроники.Исходя из вышесказанного, целью работы является разработка физикотехнологических основ получения кристаллов сапфира высокой чистоты, однородных по структуре и примесному составу для последующего их практического применения для микроэлектронных устройств.
Для этого требуется создать модели иалгоритмы математического и информационного обеспечения получения изделийиз сапфира для микроэлектроники, что позволит определить факторы и параметрыпроцесса получения изделий из сапфира, важные для проведения оптимизациитехнологии и значительного повышения итогового качества сапфировых изделий.В соответствии с целью, к основным задачам работы относятся:1.Исследование основных закономерностей и разделение вкладов различ-ных механизмов роста кристаллов сапфира методом горизонтальной направленнойкристаллизации и их последующей обработки в ход процесса получения изделий79из сапфира для микроэлектронных устройств.2.Исследование влияния параметров технологических процессов на свой-ства объемных кристаллов сапфира, определяющие возможности их практическогоприменения.3.Теоретическое исследование методов снижения дефектов, внутреннихмеханических напряжений на различных стадиях роста кристаллов сапфира.4.Экспериментальные исследования формирования дефектов в сапфире иих влияния на качество получаемых изделий.5.Теоретические и экспериментальные исследования воздействия лазер-ного излучения на монокристаллы сапфира и структуру пленка-сапфир для газочувствительных датчиков.6.Усовершенствование технологии получения подложек из сапфира дляинтегральных схем, газочувствительных датчиков и защитных покрытий на базеразработанных физико-технологических основ.80Глава 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ САПФИРАДЛЯ ПРИБОРОВ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ2.1 Расчет проплавления шихты в процессе роста сапфира методомнаправленной кристаллизацииФазовые переходы в сплошных средах наблюдаются в разнообразных природных и технологических процессах.
Одним из примеров такого рода процессовявляется распространение тепла в материале, включающее затвердевание среды.Задача описания процесса плавления твердого тела и кристаллизации расплава,сформулированная Стефаном, а именно задача определения температурного поля играницы фазового перехода в веществе, относится к одной из проблем теории теплопроводности для случаев, когда перемещается граница раздела жидкой и твердой фаз. Закон перемещения границы раздела фаз, как правило, неизвестен, поэтому одной из важных проблем при решении задачи Стефана является нахождениезакона перемещения границы [118].В некоторых существующих решениях этой проблемы проводили аналитические расчеты [119], но во многих случаях необходимо применение численныхметодов [120]. В работах [121, 122] представлен новый подход для решения однофазной задачи.
В этом подходе рассматриваемая область вначале разбивается наряд квадратов, а после используется итерационный метод.Целью данной работы является изучение физических свойств исходных материалов и разработка моделей, описывающих процесс плавления шихты.Процесс передачи тепла в процессе кристаллизации происходит как результат кондукции, конвекции и излучения. Конвекция, доминирующая в процессе фазовых изменений, моделируется энтальпийным методом и позволяет нам учестьфизические свойства жидкости и твердого тела.
Энтальпийная формулировка решения задачи Стефана представляется наиболее удобной, поскольку она позволяетизбежать необходимости явно учитывать движение фазового фронта и определитьэнтальпию как функцию температуры.81Математическая модель двухфазной задачи Стефана авторами [121, 122]описывается следующим дифференциальным уравнением [121, 122]:( H ) (T ),t(2.1)где – плотность, H – энтальпия, – коэффициент теплопроводности, – оператор набла, T – температура, t – время.В работах [121, 122] рассматривается общий случай, когда теплофизическиесвойства жидкости и твердого тела различаются.
Выражение получается из энтальпийного метода рассмотрением следующей общей формулы (рисунок 2.1)[121-122]:H s s СsT , if T < TmH H l l L s CS Tm L C L (T Tm ), if T > Tm(2.2)где L – удельная теплота плавления, H l и H s – энтальпия для жидкости и твердоготела, l и s – плотности для жидкости и твердого тела, C L и С s – удельная теплоемкость для жидкости и твердого тела, Tm – температура плавления, T – температура.
Переменная фазового изменения вводится как:0, in s , 1, in L .(2.3)HHLHsTmTРисунок 2.1 – Зависимость энтальпии и температуры для фазового перехода82Для численного расчета автором диссертации использовался метод контрольных объемов (МКО) и учитывалась непрерывность тепловых потоков в точкесоединения (на границе раздела сред) и выделение теплоты при T=Tm.
[119,123].Результаты аналитических и численных расчетов для исследования процесса плавления сапфира были получены и приведены на рисунках 2.2 – 2.3.Рисунок 2.2 – Аналитическое решение двухфазной задачи СтефанаРисунок 2.3 – Численное решение двухфазной задачи Стефана83Результаты численных расчетов позволяют оценить время, температуру ирадиус частиц шихты сапфира, необходимые для проплавления шихты сапфира.Результаты аналитических и численных расчетов были получены и для кристаллизации воды [124].
Результаты расчетов приведены на рисунках 2.4 – 2.7.Рисунок 2.4 – Аналитическое решение двухфазной задачи СтефанаРисунок 2.5 – Численное решение двухфазной задачи Стефана84Рисунок 2.6 – Сравнение аналитического и численного решения двухфазнойзадачи Стефана по времени и радиусу (1 – численное решение; 2 – аналитическоерешение)Рисунок 2.7 – Сравнение аналитического и численного решения двухфазнойзадачи Стефана по температуре и радиусу (1 – численное решение; 2 – аналитическое решение)Таким образом, двухфазная задача Стефана по определению распределениятемпературы и функции, описывающей позиции движущегося фронта кристаллизации, была решена как аналитически, так и путем численного моделирования.
Длячисленного моделирования использовался метод контрольных объемов. Найденырасчетные соотношения, позволяющие выявить главные факторы и установить ве85личины их параметров, определяющие размеры ванны расплава и характер процессов, от которых зависит динамика кристаллизации, механизм формирования газовых пузырей и примесей, которые образуются в процессе роста кристаллов в расплаве. Адекватность проведенного исследования согласуется с результатами аналитического расчета и подтверждается экспериментальными данными.Данный раздел работы был поддержан Немецкой службой академическихобменов (DAAD, 2013).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
