Диссертация (1143290), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Показано, что изменение конфигурации и температуры тепловой зоныпозволяет снизить уровень термонапряжений в кристаллах на 10-15 %.102. Впервые определено, что существенное влияние на процесс получения кристаллов сапфира на начальном и последующих этапах роста оказывает факторформы кристалла, который позволяет изучить степень влияния поверхности кристалла по сравнению с его объемом на динамику процесса роста, так и сопутствующие росту факторы (термонапряжения в кристаллах на разных этапах роста). Выявлено, что на ранней стадии роста сапфира имеет место доминирование процессасброса скрытой теплоты через объем кристалла, а на последующих этапах сбросскрытой теплоты кристаллизации осуществляется через верхнюю и нижнюю поверхность кристалла.3. Впервые показано влияние степени переохлаждения и скорости кристаллизации на сегрегационные процессы, формирование напряжений и трещин в кристаллах сапфира.
Определено, что дефект размером 2 мм способен привести к получению бракованного кристалла. На основе комплексных исследований ростакристаллов сапфира методом горизонтальной направленной кристаллизации и новых аналитических и экспериментальных данных определены условия, позволяющие получать кристаллы высокого качества.4.
Экспериментально определены дефекты (микротрещины и поры), а такжеосновные 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 дефектамисапфира позволяет определить местоположение, глубину и протяженность поверхностных трещин, что может найти широкое применение для обнаружения, контроля и анализа дефектов в приповерхностном и поверхностном слое сапфира, которые практически нельзя выявить другими методами. Проведен анализ распределения температур и термоупругих напряжений в процессе отжига сапфира лазерным излучением с длиной волны 1064 нм для обеспечения уменьшения дефектов вструктуре сапфировой пластины.5. Впервые предложен способ лазерного управляемого термораскалывания11сапфировых пластин с нанесенным слоем графита с помощью излучения лазера сдлиной волны 1064 нм (скорость перемещения луча лазера 1 мм/с, средняя мощность лазера 90 Вт, время обработки 300-350 с), что позволяет повысить прочностикраев пластины в результате их получения без сколов и поперечных трещин иобеспечить высокую скорость резки.
Выполнен анализ температурных полей впроцессе лазерного управляемого термораскалывания сапфировых пластин. Определено, что при средней мощности излучения лазера 80 – 90 Вт температура на поверхности структуры графит – сапфир – графит составляет порядка 600 – 700 К,что согласно экспериментальным исследованиям достаточно для термическогораскалывания.6. Показано, что микрорельеф поверхности сапфировой подложки оказываетзначительное влияние на качество получаемых на ее поверхности пленок, для чегоэкспериментальным путем получены пленки поликремния методом плазмохимического осаждения, пленки оксида железа (Fe2O3), оксида титана (TiO2) методомлазерного отжига, пленки хрома методом магнетронного напыления, которые могут найти широкое применение при создании интегральных схем и газочувствительных датчиков.7. Впервые выявлены условия формирования и получен спай сапфирстекловидный диэлектрик-керамика для многокомпонентных интегральных схем.Практическая значимость диссертационной работы заключается в следующем:1.
На основе результатов исследования тепловых полей и термоупругихнапряжений выработаны рекомендации по оптимизации конструкции ростовойустановки и выбору параметров ростовых установок (мощность нагревателя, степень вакуума, скорость перемещения контейнера установки для роста кристаллов),которые обеспечивают возможность снижения дефектов сапфира, получаемых методом горизонтальной направленной кристаллизации, в среднем на 5 – 10 %.2. Установленные закономерности процесса получения кристаллов сапфираметодом горизонтальной направленной кристаллизации представляют основу для12усовершенствования технологических процессов.
На базе проведенных исследований разработан программный комплекс, позволяющий выбирать параметры ростаи оптимизировать процесс получения кристаллов сапфира.3. Разработаны физико-технологические основы получения кристаллов сапфира методом ГНК, позволяющие получать кристаллы сапфира (350×150×45 мм) снизким содержанием микрочастиц (104 см-3) и низким уровнем остаточных напряжений (менее 3 МПа).4.
Экспериментально установлены закономерности распределения дефектов всапфировых пластинах на базе различных методов исследования (метод поверхностных акустических волн, виброакустический метод, оптический и тепловой методы). Выработаны рекомендации по определению свойств приповерхностныхслоев сапфира, усовершенствованию качества кристалла.5. Предложен способ управляемого термораскалывания сапфировых пластинизлучением импульсного твердотельного Nd:YAG лазера, исключающий операциимеханического разламывания и нанесения предварительных надрезов. Проведеныисследования лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ) сапфировых пластин, на основании которых установлено, что существенное влияние на процесслазерной резки сапфира оказывают энергопоглощающие слои графита. Установлено, что термораскалывание пластин сапфира с нанесенным слоем графита позволяет повысить прочности краев пластины в результате их получения без сколов и поперечных трещин и обеспечить высокую скорость резки.6.
Экспериментально установлено влияние дефектов подложки на качествопленок (оксида железа (Fe2O3), оксида титана (TiO2), поликремния), которые могутнайти применение для микроэлектронной сенсорики и интегральных схем.7. Предложена методика и разработан технологический маршрут создания спаясапфир-стекловидный диэлектрик-керамика. Получен опытный образец спая, который может найти применение для многокристалльных модулей.Используемые методики. Для реализации поставленной цели диссертационной работы проводились экспериментальные исследования, численное модели13рование и аналитические расчеты процессов направленной кристаллизации сапфира, лазерной обработки сапфира, использовались метод поверхностных акустических волн, виброакустический метод, оптический и тепловой методы, метод атомно-силовой микроскопии, метод сканирующей электронной микроскопии, методэнерго-дисперсионной спектроскопии, рентгено-фазовый анализ, мессбауэровскаяспектроскопия.Положения, выносимые на защиту:1.
Снижение уровня термонапряжений в кристаллах сапфира на 10 – 15 %целенаправленным изменением конфигурации и температуры тепловой зоны дляметода горизонтальной направленной кристаллизации.2. Получение кристаллов сапфира методом горизонтальной направленнойкристаллизации характерной геометрии с изменением наклона поверхности фазового превращения в течение процесса приводит к уменьшению количества газовыхпузырей на 2 %.3. Уменьшение цикла кристаллизации сапфира на 28 % на основе совершенствования технологии получения кристаллов сапфира методом горизонтальнойнаправленной кристаллизации.4. Объемная плотность дефектов (микротрещин и пор) размером порядка 1мкм в приповерхностном слое сапфировых подложек снижается на 2 % при согласованном варьировании параметров роста (мощности нагревателя, времени нахождения в высокотемпературной зоне, степени вакуума) и обработки сапфира.5.
Способ получения пленок определенной дефектной и кристаллическойструктуры на сапфировой подложке с учетом микрорельефа ее поверхности для газочувствительных датчиков и микромеханических датчиков мембранного типа.6. Производительность и качество резки сапфира увеличивается при лазерном управляемом термораскалывании сапфировых пластин с длительностью импульса 50-100 нс и средней мощностью 80-100 Вт при нанесении энергопоглощающих слоев графита на обе стороны сапфировой пластины по направлению реза.147. Получение спая сапфир-стекловидный диэлектрик PbO-B2O3-ZnO, обладающего хорошей адгезией и согласованностью по коэффициенту линейнотермического расширения с подложкой, а также спая сапфир-стекловидный диэлектрик PbO-B2O3-ZnO-керамика для многокомпонентных интегральных схем.Внедрение и использование результатов диссертационной работыДиссертационная работа выполнялась на кафедре Конструирования электронных средств (КЭС) Института нанотехнологий, электроники и приборостроения (ИНЭП) Южного федерального университета (ЮФУ), на кафедре Физическойэлектроники ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университетПетра Великого».
Основные результаты диссертации были использованы в рамкахгрантов Южного федерального университета № 213.01-24/2013 – 123 от 30.04.2013г. по теме: «Создание интерактивной мультимедийной учебно-методической виртуальной лаборатории по естествознанию для дистанционного обучения в областилазерных технологий»; № 213.01-24/2013 – 119 от 30.04.2013 г. по теме: «Разработка методов и средств проектирования и моделирования наноэлектронных систем с пониженным энергопотреблением, формируемых с помощью лазерных технологических операций».Полученныерезультатыработытакжеиспользовалисьвнаучно-исследовательской работе по теме «Разработка и исследование технологии получения крупногабаритных монокристаллов лейкосапфира методом горизонтальнойнаправленной кристаллизации на установках типа СЗВН-155.32, СЗВН-175» (мероприятие 2.3 «Модернизация научно-исследовательского процесса» Южного федерального университета, 2011 г.): поисковой научно-исследовательской работе«Разработка и исследование моделей, методов и алгоритмов интеллектуальногоанализа состояния сложных динамических объектов», проводимой при поддержкеФедеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы»; в научно-исследовательской работе по теме«Разработка конструкций и методов проектирования программируемых логиче15ских интегральных схем сверхмалого энергопотребления на основе мемристоров иасинхронной логики» (в рамках федеральной целевой программы «Научные инаучно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., соглашение на представление гранта от 06.08.2012 № 14.А18.21.0458); в работе по теме«Разработка и исследование микроэлектронных мемристорных структур» (соглашение на представление гранта от 01.10.2012 № 14.А18.21.0107); в научноисследовательской работе по теме «Разработка математических моделей, алгоритмов и программного обеспечения для оптимизации производства изделий из сапфира в микро- и наноэлектронике» (в рамках федеральной целевой программы«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2014-2020 годы», 2016-2018 гг., №14.587.21.0025); в научно-исследовательской работе по теме: «Фундаментальныеосновы создания эффективных солнечных элементов на основе гетероперехода оксид металла – металлоорганический перовскит» (грант РФФИ 2016-2017 гг., № 1638-00204).По работе также были получены гранты по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» Фонда содействия малых форм предприятий в научно-технической сфере (Россия) на финансирование работ (2011 г.); попрограмме «Научно-исследовательские стипендии для молодых ученых», проводимой Германской службой академических обменов (DAAD) для выполнениянаучно-исследовательской работы в Институте интегральных схем общества Фраунгофера (Эрланген, Германия, 2013), грант ЮФУ для выполнения научноисследовательской работы в Институте прикладной математики (Висбаден, Германия, 2014); по программе «Михаил Ломоносов», проводимой Германской службойакадемических обменов (DAAD) для выполнения научно-исследовательской работы в Институте вычислительной механики (Ганновер, Германия, 2015, 2018), грантРФФИ и DFG для выполнения научно-исследовательской работы в Институте прикладной математики (Висбаден, Германия, 2016-2017).16Результаты диссертационной работы внедрены на промышленном предприятии НПК «Аксель» (г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
