Диссертация (1143290), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Таким образом, для решения задачи нагреванияструктуры графит – сапфировая пластина – графит требуются условия однозначности (дополнительные условия, определяющие однозначно поставленную задачутеплопроводности) [215].Приведем граничные и начальные условия для структуры графит – сапфировая пластина – графит. На обрабатываемой поверхности (верхний слой графитапри x = 0) выполняются граничные условия третьего рода (так как известны температура окружающей среды и закон теплообмена между поверхностью облучаемого материала и окружающей средой), характеризующие конвекционный теплообмен (по закону Ньютона) между поверхностью структуры и окружающей средой[215]:∂T1 (x = 0, t)(5.29)= β(T1 − T0 ),∂xгде T0 – температура окружающей среды, β – коэффициент конвекционной тепло−k1передачи (Вт/(см2·К)), определяющий интенсивность теплообмена между поверхностью графита и окружающей средой.На верхней границе структуры графит-сапфир-графит (x = L1 + L2 + L3) действует граничное условие первого рода (на границе тела не выполняется процессовпоглощения или выделения теплоты), определяющее распределение температурного поля на поверхности в любой момент времени:T3 (x = L1 + L2 + L3, t) = T0.(5.30)Начальное условие для уравнения теплопроводности заключается в указаниитемпературы в исходный момент времени t = 0 во всех точках структуры, подвергаемой обработке лазерным излучением:T1 (x, 0) = T0.(5.31)Для получения решения нестационарных уравнений теплопроводности (5.18)– (5.20) при лазерном воздействии на структуру графит – сапфировая пластина –234графит, принимая во внимание граничные условия (5.29), (5.30), применялся численный метод [162], основывающийся на аппроксимации частных производныхначальных дифференциальных уравнений соответствующими конечными разностями.На рисунке 5.57 приведено распределение температуры в структуре графит –сапфировая пластина – графит при средней мощности излучения лазера 90 Вт.
Врезультате исследований определено, что процесс нагрева лазером на границе графит – сапфировая пластина – графит характеризуется большими температурнымиградиентами, при этом максимальная величина температуры приходится на энергопоглощающее покрытие графита (рисунок 5.57).Рисунок 5.57 – Распределение температуры в структуре графит-сапфироваяпластина-графит при средней мощности излучения лазера 90 ВтПроведены расчеты распределения температуры в процессе лазерногоуправляемого термораскалывания сапфировых пластин. В результате проведенныхисследований определено, что при средней мощности излучения лазера 80 – 90 Втна поверхности структуры графит – сапфировая пластина – графит температура235будет порядка 600 – 700 К, что согласно экспериментальным исследованиям достаточно для термического раскалывания. При этом энергопоглощающие слоиграфита оказывают значительное влияние на процесс лазерной резки сапфировыхпластин.На способ управляемого термораскалывания лазером сапфировых пластинполучен патент № 2582181.5.9 Выводы по главе 5По данной главе можно сделать следующие основные выводы:1.Проведены исследования лазерной обработки сапфира, позволяющиерассчитать температуру, напряжения и деформации в процессе лазерной обработкисапфира.
Получено, что при средней мощности излучения лазера 25 Вт со скоростью лазерного луча 10 мм/с максимальная температура на поверхности составляетоколо 250 0C, что является обеспечивающим максимальный отжиг дефектов. Приданном режиме лазерной обработки сапфира максимальное термическое напряжение составляет порядка 100 МПа и деформация составляет порядка 0.16 мкм.
Длямаксимального отжига дефектов (дислокации, вакансии) в приповерхностном слоесапфира исследованы процессы лазерной обработки структуры сапфира с использованием лазерной установки (LIMO 100-532/1064-U, длина волны 1064 нм).2.Проведены расчеты лазерной обработки неорганического стекловидно-го диэлектрика. Результаты исследований показали, что температура на поверхности подложки нелинейно зависит от скорости сканирования лазерного луча.
В результате расчетов определено, что при средней мощности лазерного излучения25 Вт со скоростью лазерного луча 10 мм/с температура на поверхности составляетпорядка 750 0C. Проведен расчет деформаций и термических напряжений на поверхности неорганического стекловидного диэлектрика при воздействии лазерногоизлучения. Полученные результаты позволяют подобрать оптимальный режим обработки выбранного материала, уменьшить перепад высот и среднюю шероховатость поверхности боросиликатного стекла, которое является перспективным ма236териалом для получения спая боросиликатное стекло – сапфир для микро- и наноэлектроники.
Исследованы процессы лазерной обработки поверхности неорганического стекловидного диэлектрика при различных условиях с использованием лазерной установки (LIMO 100-532/1064-U, длина волны 532 нм).3.Проведены исследования влияния дефектов подложки на качество пле-нок (Fe2O3, TiO2, Si) на ее поверхности. Проведены расчеты распределения температур в процессе лазерной обработки структуры пленки Fe2O3, применяемой какгазочувствительный материал для химических сенсоров, на поверхности сапфира ипленки TiO2, применяемой для создания солнечных элементов, на поверхностисапфира. Определено, что при средней мощности излучения лазера 80 – 90 Вт температура на поверхности пленки Fe2O3 составляет порядка 800 – 900 К, что является необходимым условием для образования пленки на поверхности сапфира.
Присредней мощности излучения лазера 70 – 80 Вт температура на поверхности пленки TiO2 будет порядка 650 – 700 К, что является необходимым условием формирования пористой структуры пленки. Морфологию структуры пленок можно изменять путем варьирования мощности лазерного излучения и температуры, что в результате позволяет перераспределить дефекты в структуре и улучшить качествопленок для применения в тонкопленочной оптике и микроэлектронике. Исследованы процессы лазерной обработки структур пленка-сапфир.4.Проведены расчеты лазерной обработки структуры пленка Fe2O3 –сапфир с помощью ANSYS.
Определено, что температура структуры пленка Fe2O3– сапфир нелинейно зависит от скорости сканирования лазерного луча и линейнозависит от средней мощности излучения лазера. Показано, что при средней мощности излучения лазера 70 – 90 Вт со скоростью лазерного луча 5 – 10 мм/с температура на поверхности пленки Fe2O3 составит порядка 500 – 600 0С, что являетсянеобходимым условием для формирования пленки Fe2O3 на поверхности сапфираи для обеспечения максимального отжига дефектов (дислокаций, точечных дефектов).2375.Исследованы процессы, происходящие в поглощающей жидкости прилазерном воздействии на границу ее раздела с сапфиром. Показано, что абляциялазерным излучением твердых материалов в жидкости является методом созданияпленок оксидов металлов на сапфировой подложке, которые могут быть использованы в качестве чувствительных элементов сенсора газа.6.Проведены экспериментальные исследования лазерного отжига плен-кообразующих растворов с получением пленок оксида железа (Fe2O3) и оксида титана (TiO2) на поверхности сапфира.
Воздействие излучения лазера на структурупленки Fe2O3 на сапфире позволяет модифицировать ее кристаллическую структуру. В зависимости от параметров лазерного излучения можно достигать улучшениякачества поверхности пленки за счет рекристаллизации аморфных слоев. В частности, воздействие лазерного излучения мощностью порядка 90 Вт на пленку Fe 2O3приводит к получению размеров кристаллитов Fe2O3 порядка 700 нм.7.Проведены расчеты распределения температуры в процессе лазерногоуправляемого термораскалывания сапфира. В результате исследования 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 термического раскалывания.
При этом существенное влияние на процесс лазерной резки сапфира оказывают энергопоглощающие слои графита.8.Разработан и исследован способ лазерного управляемого термораска-лывания сапфировых пластин путем направления лазерного луча от импульсноготвердотельного Nd:YAG лазера с длиной волны 1064 нм на поверхность сапфировой пластины, отличающийся тем, что осуществляется предварительное нанесениеэнергопоглощающих слоев графита на обе стороны сапфировой пластины понаправлению реза, локальный нагрев линии реза лазерным излучением с длительностью импульса 50 – 100 нс и средней мощностью 80 – 100 Вт, образование в материале сквозной разделяющей трещины.238Глава6РЕАЛИЗАЦИЯРАЗРАБОТАННЫХТЕХНОЛОГИЙВПРОЦЕССАХ СОЗДАНИЯ ПРИБОРОВ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ НАОСНОВЕ САПФИРА6.1 Модернизация теплового узла выращивания монокристаллов сапфира методом горизонтальной направленной кристаллизацииВ рамках реализации Федеральной целевой программы (ФЦП) «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-техническогокомплекса России на 2014-2020 годы» с участием научно-исследовательских организаций и университетов Словакии по теме № 14.587.21.0025 «Разработка математических моделей, алгоритмов и программного обеспечения для оптимизации производства изделий из сапфира в микро- и наноэлектронике» на основе результатовисследования тепловых полей и термических напряжений в монокристаллах сапфира, выращиваемых из расплава, будет сторонами выполнена оптимизация конструкции теплового узла, заключающаяся в изменении конструкции тигля, экранировке зоны кристаллизации и замене материалов тепловой изоляции и нагревателя.Для повышения точности и достоверности результатов управления и контроля технологических параметров процесса выращивания сапфира и улучшениякачества получаемых кристаллов были проведены исследования роста кристалловсапфира методом горизонтальной направленной кристаллизации согласно функциональной схеме теплового узла выращивания сапфира нового поколения, которыйбыл разработан компанией CEIT, a.s.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
