Диссертация (1143290), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Словакия.Разработан тепловой узел нового поколения компанией CEIT, a.s. Словакия(рисунок 6.1), позволяющий на 10 % повысить выход годных кристаллов и добиться среднего выхода годного материала 60 – 70 %. В качестве материала для теплозащиты использовался пористый углеграфит с толщиной теплозащиты в зоне кристаллизации 80 мм (удельная теплопроводность теплозащиты при 20000С0.95 Вт/мК).
На базе разработанного теплого узла нового поколения полученыопытные образцы сапфира размерами 50-220-300(450) мм весом 8-15 кг.239Сравнительные характеристики существующих тепловых узлов приведены втаблице 6.1.Таблица 6.1 – Сравнительные характеристики тепловых узлов для роста сапфира методом ГНКПотребляемая мощностьРазмеры кристаллаМатериал теплозащитыДиаметр прутка нагревателяВнутренний диаметр камеры установкиСреда в рабочем пространствеПредельный вакуум, ПаПредельноедавлениеинертного газа, ПаСкоростьперемещенияконтейнера,рабочая,мм/часДавлениеохлаждающейводы, кг/см²Расход охлаждающей воды, м³/час, не болееСредний выход годногоматериала, %Характеристики теплового узла печи СЗВН155.320.35/22-И130 кВт35-155-320 ммМолибден, вольфрам14 ммХарактеристики теплового узла нового поколения (CEIT, a.s.)40 кВт1) 55-220-300 мм2) 55-220-450 ммПористый углеграфит11,4 мм700 мм900 ммВакуум или инертный газВакуум6.65×10-31.4×10-5––6 – 10101,5 – 2,52,0457,550-55 %60-70%240Рисунок 6.1 – Тепловой узел для роста сапфира методом ГНК (компанииCEIT a.s.
(Словакия))Лодочка изготавливается из очень качественного молибдена с чистотой99.97 % (рисунок 6.2).Рисунок 6.2 – Фотография контейнера для роста кристаллов сапфира (компании CEIT a.s. (Словакия))На основе результатов расчетов исследовано влияние тепловых условий,формируемых благодаря активным нагревателям и радиационным экранам, на газовые включения в сапфире. Определено положение экранов, обеспечивающее минимальное содержание дефектов в кристаллах сапфира.241На рисунке 6.3 представлены фотографии ростовой установки и 3D тепловойузел.Рисунок 6.3 – Фотография ростовой установки и 3D тепловой узел (компании CEIT a.s.
(Словакия))При отработке технологического процесса выращивания крупногабаритныхпластин компанией CEIT a.s. (Словакия) тепловой узел был выполнен следующимобразом: прямоугольный просвет вдоль направления протяжки кристалла145×300 мм, диаметр прутка нагревателя – 11,4 мм, используется резистивныйнагрев.В ростовой установке имеется два нагревателя с независимым управлением –верхний плоский и нижний, который включает в себя также и боковые элементы(перевернутое П). Предельные мощности на них лимитируются источниками питания. Для верхнего нагревателя предельная мощность составляет 20,5 кВт; предельная мощность на нижнем нагревателе – 51 кВт.Компанией CEIT a.s.
(Словакия) проведены экспериментальные исследования, по результатам которых получены два различаемых по габаритам типа кристаллов А-плана (11-20):1) Длина (от вершины треугольника) – 320 мм, ширина – 225 мм, высота –40 мм в середине треугольника, 30 мм в середине кристалла, 23 мм в самой заднейчасти.2422) Длина (от вершины треугольника) – 450 мм, ширина 225 мм, высота –40 мм в середине треугольника, 30 мм в середине кристалла, 23 мм в самой заднейчасти.Основные технические параметры существующих установок для роста сапфира направленной кристаллизацией представлены в таблице 6.2.Таблица 6.2 – Технические параметры существующих установок для ростасапфира направленной кристаллизациейТехничеПечь СЗВНские пара- 155.320.35/2метры2-И1(ООО «ЗаводКристалл», Таганрог)Средний50-55 %выход годного материала, %Размеры35×155×320кристалла,ммУстройстводля получениякристалловсапфира [47]Способ для получения кристаллов сапфира [48]Способ и устройство для получения монокристаллов сапфира [49]более 50 %более 50 %более 50 %300×300×24050×380×520100×100×400(600)МатериалтеплозащитыСреда в рабочем пространствеНеобходимость отжигаМолибден,вольфрамМолибден,вольфрамМолибден, вольфрамВакуумВакуумилиинертный газНетЕстьМолибден,вольфрамВакуум или ВакууминертныйгазЕстьНетРостовая установка компании CEIT a.s.
(Словакия) позволяет повысить вкристалле выход материала с категориями 1 – 3 (по 6-ти бальной шкале), причемтаким образом, чтобы выход этой категории составлял по массе не менее 70 %.Данные категории используются и в оптике, и в оптоэлектронике (подложки), что243говорит о возможности серийного применения в оптоэлектронике для подложекбольших диаметров.
Рост кристаллов ведется без отжига, что позволяет оптимизировать процесс в плане сокращения энергозатрат.а)б)Рисунок 6.4 – Кристаллическая решетка сапфира (а) и сапфира с примесьюмолибдена (б) в программной среде AvogadroПроведенные исследования межатомных расстояний в структуре сапфирапоказали (рисунок 6.4, а и б), что расстояние между атомами сапфира до внедренияпримеси молибдена составило 4.640 Ǻ, после – 4.707 Ǻ.
Расстояние между атомами в кристаллической решетке сапфира увеличилось на 0.067 Ǻ.Результаты исследования образца сапфира, полученного методом ГНК на ростовой установке компании CEIT a.s. (Словакия), с помощью рентгеновского микро-флуориметра Bruker M4 TORNADO для его элементного анализа, представленына рисунке 6.5.Рисунок 6.5 – Результаты исследования образца сапфира244В кристаллах сапфира, полученных методом ГНК, обнаружены включенияметалла, из которого изготовлены тигель и другие элементы технологическойоснастки.
Как правило, они представляют собой непрозрачные включения размером до 50 мкм или их скопления. Захват таких образований облегчается изгибомфронта кристаллизации в области металлических включений из-за их высокой теплопроводности.Результаты расчетов и экспериментальных исследований процессов выращивания кристаллов сапфира могут быть использованы для улучшения эксплуатационных характеристик настоящего теплового узла и при его дальнейшей оптимизации.6.2 Оптимизация технологического процесса получения подложек сапфира для электронного приборостроенияВ настоящее время развитие оптического и электронного приборостроенияво многом определяется разработкой функциональных возможностей нового уровня для приборов и устройств, что ведет к увеличению технических требований ккачеству материала, состоянию шероховатости, оптической чистоте, большой отражательной способности и большой точности поверхности их деталей.
Для решения данных проблем необходимо выполнение фундаментальных исследований вобласти производства оптических материалов, позволяющих получить оптическиеэлементы высокого качества из различных оптических кристаллов.В настоящее время становится все более актуальным использование оптических элементов на основе сапфира, что может быть объяснено свойствами данногоматериала. Для успешного применения оптических элементов основное значениеимеет качество поверхности кристалла. При изготовлении подложек интегральныхмикросхем важное значение имеет качество обработанной поверхности с минимумом отходов материалов в микроэлектронике.
Надежность функционирования интегральной микросхемы зависит от качества подложки и ее приповерхностногослоя. Микродефекты и дислокации поверхностного слоя образуются от подложки245и наследуют ее негативные свойства, тем самым ухудшая эксплуатационные качества интегральной микросхемы.Для усовершенствования технологического процесса получения сапфировыхподложек высокого качества для оптического и электронного приборостроениябыла построена организационно-функциональная структура цеха синтетическихкристаллов (ООО «Завод «Кристалл», Россия, г. Таганрог), которая представленана рисунках 6.6, 6.7. На рисунке 6.8 приведена технологическая схема производства кристаллов сапфира методом ГНК.В последнее время активное развитие информационных технологий открывает широкие перспективы использования компьютерной техники в процессе производства и обработки различных кристаллических материалов. К основным трудностям их использования относится неполнота математического описания процессов кристаллизации и недостаток информационного обеспечения, дающего возможность оптимизировать технологию получения сапфира.Также к трудностям использования автоматизированных систем относят существующую практику накопления производственного опыта и эмпирическихданных в производственном процессе.Поэтому, для эффективного применения информационных технологий в получении кристаллов необходимо создание новых подходов и улучшение существующих методов.246Рисунок6.6–Организационно-функциональнаяструктурацехасинтетических кристаллов247Рисунок 6.7 – Организационно-функциональная структура технологическогопроцесса получения монокристаллов сапфира248Подготовка сырьяИзготовление и подготовкаконтейнера из молибденаКонтроль режима оборудованиядля роста кристаллаКомпоновка материалов для получениямонокристаллов сапфираРост монокристаллического сапфираОчистка кристалла от контейнера, контроль ориентации и дефектовОриентированное резаниемонокристаллического сапфировогослитка на пластиныИзолятор бракаКонтроль пластин сапфира надефектностьИзготовление пластин сапфиранеобходимой формыШлифование сапфировых пластинФинишное химико-механическоеполирование сапфировых пластинКонтроль по требованиям кплоскостностиИтоговая продукцияРисунок 6.8 – Технологическая схема получения монокристаллов сапфира наустановке СЗВН-155 (ООО «Завод «Кристалл», г.
Таганрог, Россия) методом ГНК249Основными особенностями предлагаемой автором методики являются:применение методов экспертной оценки и планирования эксперимента впроцессе исследования с целью получения зависимости функций отклика (уровнидефектов и так далее) от начальных параметров (скорость роста, мощность нагревателя и так далее);создание оптимизационной модели;применение базы данных, наиболее адекватно отражающей особенноститехнологии.Результатом исследований явилась разработка алгоритма функционированияматематического и информационного обеспечения получения монокристалловсапфира, представленного на рисунке 6.6.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
