Диссертация (1143290), страница 35

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 35)

На рисунке показано, что оптимизациюможно провести тремя основными этапами:1.Подготовка начальных данных, необходимых для расчета. Данный этапявляется очень трудоемким и ответственным.2.Расчет параметров технологии и дефектов материалов.3.Оптимизация технологического процесса получения кристаллическогосапфира. После получения информации формируется зависимость уровня дефектов от параметров технологического процесса роста монокристаллического сапфира. Завершающим этапом является создание оптимизационной модели технологического процесса получения монокристаллического сапфира. Находится целеваяфункция (содержание дефектов, время, и так далее) и необходимые ограничения(температуры, содержания дефектов, скорости и так далее).250начальные данныеПодготовка начальныхданных для расчетаПодготовкатребований,предъявляемых ккачествуЗаданиетеплофизическихусловий процессаполучениямонокристалловсапфираМоделированиепроцессоввыращиваниякристаллов сапфираОптимизация процессаПредставлениерезультатовмоделированияПолучениезависимостисодержания дефектовот наиболее значимыхтехнологическихпараметровПроверка модели наадекватностьдаРазработка моделидля оптимизациипроцесса получениямонокристаллическогосапфиранетВыбор в БД начальныхданныхИзменение наиболеезначимых начальныхданныхЭкспертная оценказначимоститехнологическихпараметров накачествомонокристаллическогосапфираВыбор условий ирешение полученнойоптимизационноймоделиОптимальныепараметры технологииполучениямонокристаллическогосапфираОптимальныепараметрыРисунок 6.9 – Алгоритм функционирования математического и информационного обеспечения получения монокристаллов сапфираНа рисунке 6.10 представлена обобщенная схема управления технологическим процессом получения изделий из сапфира.251ВходныеданныеТехнология получениямонокристаллов сапфираИзмерители информации(цифровые датчики)ВыходныеданныеИсполнительноеустройствоОбработка информацииуправляющим субъектомАлгоритмы анализа исбора информацииРисунок 6.10 – Обобщенная схема управления технологическим процессомполучения монокристаллов сапфираДля выполнения поставленной цели исследования в качестве инструментария разрабатывается информационная система анализа и сбора информации.

Нарисунке 6.11 приведена общая структура информационной системы получения монокристаллов сапфира.Разрабатываемые алгоритмы для анализа и сбора информации выполняютследующие основные функции:- анализ начальных технологических данных;- статистическая обработка данных;- моделирование воздействия параметров роста сапфира на качество кристалла;- прогнозирование качества сапфира по начальным данным;- принятие решения;- анализ причин возможных отклонений;- коррекция модели при необходимости.252Рисунок 6.11 – Общая структура информационной системы для технологического процесса получения монокристаллов сапфира методом ГНКВ целом предложенные алгоритмы для анализа и сбора информации включают несколько важных составляющих:1.

Базу данных;2. Аналитический блок для определения оптимальных параметров процессаполучения сапфира с целью получения кристаллов сапфира высокого структурногокачества [276-281];3. Логический блок, определяющий режимы роста и обработки монокристаллов сапфира [282];4. Логический блок, который позволяет провести экспертный анализ исходнойтехнологической ситуации, оценить текущую ситуацию, представить детальныйпрогноз уровня дефектов и шероховатости поверхности получаемого кристалласапфира, сформулировать соответствующее управляющее воздействие [283-286].Модель управления технологическим процессом кристаллизации сапфира сконтролем и управлением технологическими показателями и физическими параметрами расплава и кристалла может быть представлена как последовательная це253почка: питающая среда, граница раздела фаз (кристаллизационная зона), кристалл[28, 287].

В данной системе выходные параметры предыдущего звена являютсявходами для следующего звена цепочки. Управление звеньями процесса осуществляется с помощью элементов ростовой установки – нагревателей и приводов технологических перемещений. Следует отметить, что система автоматическогоуправления (САУ) будет наиболее эффективной, когда контроль параметров процесса и свойств кристалла осуществляется в течение всего процесса его выращивания.

На практике это трудно достижимо, в том числе и при получении информациио процессе.Непосредственное измерение с высокой точностью температуры расплаваявляется сложным и инерционным процессом, и поэтому вызывает значительныетрудности для использования данного параметра в контуре стабилизирующейСАУ, которая обеспечивает требуемую рабочую мощность нагревателя.В процессе производства кристаллов сапфира чаще применяется стабилизация и изменение по заданной циклограмме напряжения нагревателя и его тока, являющейся косвенным критерием определения температуры в зоне расплава. Натемпературу в расплаве также сильное влияние оказывает температура и скоростьпотока воды в системе охлаждения элементов ростовой установки, окружающаятемпература, постоянство скорости перемещения контейнера, тепловая передачачерез тепловые экраны в камере установки, степень вакуума, однородность шихтыпо длине и ширине контейнера.

На качество кристаллов также влияют вибрации отфорвакуумного насоса и вибрация помещения, в котором располагается ростовоеоборудование.Процесс плавления шихты в вакуумной ростовой установке является сложным многофакторным технологическим процессом. В связи с этим основным составом сигналов датчиков, обеспечивающих успешное проведение технологического процесса получения монокристаллов сапфира, является: напряжение на нагревателе ростовой установки; ток нагревателя;254 скорость вращения двигателя привода контейнера; величина линейного перемещения контейнера; степень вакуума в камере ростовой установки; температура входящей воды; скорость потока воды; температура окружающей среды в помещении; температура кожуха камеры ростового оборудования; сигналы концевых выключателей, тумблеров и так далее.САУ должна вырабатывать следующие управляющие воздействия: управляющее напряжение на вход мощного трехфазного регулятора; сигналы, обеспечивающие работу двигателей электропривода перемещенияконтейнера; сигналы включения звукового оповещения при нарушениях технологического процесса; дискретные сигналы для вспомогательных устройств; аналоговые сигналы с задатчиков ручного управления и т.

п.Математическое обеспечение должно осуществлять расчет оптимальногоуправления регулятором с учетом: заданной циклограммы напряжения на нагревателе; расчет мощности нагревателя с учетом постепенного выгорания вольфрама; поправки на температуру и скорость поступающей воды в системе охлаждения; поправку на температуру кожуха камеры ростового оборудования; поправку на температуру окружающей среды в помещении; поправку на степень вакуума в камере ростового оборудования.В течение всего процесса в автоматическом режиме вычислительной системой должны постоянно проводиться расчеты, допуская оперативное вмешательство технолога или оператора ростовой установки.

Учаcтие оператора (сменногодежурного) в процессе роста сапфира должно быть сведено к минимуму для избе255жания неточностей, которые могут поставить под угрозу необходимый результаттехнологического процесса. Таким образом, для повышения качества получаемыхкристаллов сапфира необходимо глубокое знание не только свойств кристалла, нои основных закономерностей кристаллизации, взаимосвязи условий роста кристаллов и последующих стадий их обработки.Для реализации общей концепции создания высококачественных подложекиз сапфира для оптического и электронного приборостроения представлен перечень наиболее существенных результатов диссертационной работы:- Определено, что для получения кристаллов сапфира высокого качества оптимальными являются скорость роста кристаллов 6 мм/ч, мощность нагревателя22.5 кВт, степень вакуума 0.06 Па (см.

глава 2).- Приведены основные практические методы уменьшения длительности процесса кристаллизации при получении сапфира, удалось сократить время цикла всреднем на 14 часов, уменьшить расход энергии в среднем на 560 кВт за один циклкристаллизации (см. глава 2).- Проведено исследование распределения температур, формирования пузырей в процессе роста кристаллов сапфира методом ГНК, что открыло возможностьпроведения вычислительного эксперимента для проектирования новых ростовыхустановок или совершенствования существующих для повышения качества кристаллов сапфира (см. глава 3).- Проведены экспериментальные исследования дефектов (трещин, пор, сколов) с помощью метода ПАВ, виброакустического метода, оптического и теплового методов, что позволяет наблюдать за динамикой изменения дефектов в структуре сапфира (см. глава 4).- Проведено исследование абразивной обработки на процесс образованиядефектов в приповерхностном слое сапфира с целью их минимизации (см.

глава 4).- Исследовано влияние излучения лазера (длина волны 1064 нм) на поверхность сапфира с целью максимального отжига дефектов (дислокаций, вакансий)(см. глава 5).256- Предложен новый способ лазерного управляемого термораскалывания сапфировых пластин с применением излучения лазера с длиной волны 1064 нм снанесенным слоем графита, позволяющий увеличить производительность и качество резки (см. глава 5).- Разработано программно-математическое обеспечение (см. приложение),позволяющее давать наиболее значимую информацию по характеристикам кристаллов (вес, габариты, параметры технологии, процент содержания дефектов, категорию качества кристалла по дефектам и многую другую информацию); структурировать информацию по процессам кристаллизации и обработки кристалловсапфира; помогать инженеру-технологу в выборе параметров роста и обработкикристаллов; прогнозировать содержание дефектов в получаемом кристалле; рассчитывать режимы обработки монокристаллов сапфира.В диссертационной работе были получены по усовершенствованной технологии методом горизонтальной направленной кристаллизации кристаллы сапфираориентации (1102).

Шихта (порошок Al2O3 высокой чистоты с уровнем содержанияпримесей 0.0001 %, спеченный в брикеты по бестигельному методу) применялась вкачестве исходного материала для выращивания. Параметры кристаллов и уровеньостаточных напряжений в выращенных кристаллах представлены в таблице 6.3.Таблица 6.3 – Режим получения монокристаллов сапфира с малым содержанием микрочастиц и малым уровнем остаточных напряженийПлоскостьВакуумкристалла(1102)Скорость кристаллизации2 – 6·10-36 – 8 мм/чЧисло порОстаточныеПроцентв кристалле напряжения примесей в104 см-3в кристаллешихте≤ 3 МПа0.0001 %ПаВыполненные автором исследования дали возможность значительно усовершенствовать технологию получения изделий из монокристаллического сапфирадля микроэлектроники.

Характеристики

Список файлов диссертации