Диссертация (1143290), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Наличие современной эффективной отечественной технологической базы попроизводству монокристаллов сапфира является стратегическим приоритетом игарантом национальной независимости, технологической и экономической безопасности страны [1-15].Постоянно увеличивающийся интерес к сапфиру обусловлен тем, что он обладает набором уникальных качеств и может удовлетворять высоким требованиям,предъявляемым одновременно к большой группе его свойств.
Прозрачность кристалла в пределах широкого диапазона длин волн, высокая оптическая однородность, слабое светорассеивание, малые остаточные механические напряжения сочетаются с хорошими механическими, термическими и диэлектрическими свойствами, обеспечивающими работу сапфировых изделий в условиях высоких температур, давлений, в контакте с агрессивными средами [1, 6, 12-13].Подложки из сапфира имеют комплекс физических свойств (радиационная ихимическая стойкость, высокая температура плавления, высокая твердость и прозрачность), что позволяет широко их использовать в электронной технике, микроэлектронике, квантовой электронике, оптике высокого разрешения и нанотехнологиях. Доля применения таких материалов значительно повышается во многих отраслях производства [14,15].В настоящее время сформировались две основные области применения сапфира: в качестве конструкционного материала с уникальными механическими характеристиками (микроэлектроника, ювелирное дело, медицина, атомная промыш23ленность) и в качестве оптического материала с не менее уникальными возможностями (оптика – линзы и призмы, световоды, лазерные элементы) [15].Область применения изделий из сапфира огромна: техника (большие оптические окна – космос, вертолетостроение, самолеты, металлургия, химическая промышленность и т.д.), медицина (различного вида имплантанты, скальпели), подложки для электронной техники, подложки для структур кремний на сапфире дляпроизводства различного рода датчиков, выдерживающих большие дозы радиациии работающие в агрессивных средах.
Лейкосапфировая лента применяется дляпроизводства часовых стекол, линз, сотовых телефонов и т.д. В последнее времяпоявилась новая возможность использования лейкосапфира в качестве защитныхпанелей, которые не имеют аналогов. Пробные испытания были проведены в Перми (ООО «Кираса») и подтвердили высокую стойкость сапфира к ударной волне[2, 15]. Структура панели представляет собой послойное расположение сапфира,стекла и пластмассы. Преимущества таких панелей очевидны – сапфир толщиной30 миллиметров способен обеспечить такую же защиту, как стекло толщиной в 100миллиметров [3].Основные области применения сапфира представлены на рисунке 1.1.Рисунок 1.1 – Основные области применения сапфира24Мировой рынок сапфира в последние несколько лет растет в среднем на20 % в год.
Прогноз цен [7] на сапфировые подложки представлен на рисунке 1.2.Рисунок 1.2 – Прогноз цен на сапфировые подложки (цены представлены вдолларах США)Основные рынки сбыта сапфира – Германия, Израиль, Китай, Тайвань,Швейцария, Россия, США, Чехия и др. В тройку ведущих мировых производителей сапфира входят американская компания Rubicon Technology, японская корпорация Kyocera и ООО «Монокристалл» (г. Ставрополь, Россия). Около 90% производимых в Ставрополе сапфировых подложек для электроники поставляются 50азиатским, европейским и американским компаниям, работающим в электроннойпромышленности.
В 2010 году доля ООО «Монокристалл» (г. Ставрополь, Россия)на мировом рынке сапфира составила около 25%. Завод ООО «Монокристалл» (г.Ставрополь, Россия) – крупнейшая производственная площадка Европы по выращиванию искусственного сапфира для нужд электронной техники [7, 9].Сапфировые подложки широко применяются для эпитаксии полупроводниковых (пленок Si, AlGaN, GaN и многих других) и изготовления интегральныхмикросхем. Несомненными их достоинствами являются способность полученияподложек больших размеров, способность работы при больших температурах имеханических нагрузках, инертность. Поэтому, сапфировые подложки используются даже в тех случаях, когда параметры решетки кристалла не совсем соответствуют параметрам гетероэпитаксиальных структур.
Использование сапфира в ка25честве подложек интегральных микросхем микроэлектроники, оптоэлектроникипозволяет решить проблемы, касающиеся улучшения надежности и стабильностипараметров микросхем при работе в сложных эксплуатационных условиях (высокие и низкие температуры, ионизирующие излучения и др.). Диэлектрические подложки в отличие от полупроводниковых обладают следующими достоинствами,которые оправдывают их стоимость [4]: исключается паразитный (тиристорный)эффект; практически отсутствуют слабые токи (токи утечки) и возможность электрического пробоя; возникает воздушная или диэлектрическая изоляция активныхи пассивных деталей друг от друга; резко уменьшаются паразитные емкости и повышается быстродействие приборов; увеличивается плотность размещения элементов, надежность, радиационная и температурная стойкость интегральных микросхем.Подложки Al2О3 находят широкое применение для роста гомо- и гетероэпитаксиальных плёнок, для чего требуется поверхность подложки высокого качествапо геометрическим (нано- и субнаношероховатость) и структурным (отсутствиемакро- и микродефектов) свойствам, так как дефекты подложки наследуются выращиваемыми на поверхности кристалла пленками.
Для резания слитков сапфира,шлифования и полирования пластин в промышленном производстве серьёзнойтрудностью является их высокая твёрдость и химическая стойкость (таблица 1.1).Целевой аудиторией для заготовок пластин для эпитаксии полупроводникови готовых пластин являются заводы по производству светодиодов и микросхем,расположенные в основном в Тайване, Южной Корее, Китае (включая Гонконг),Японии, Германии и США [7].26Таблица 1.1 – Физические свойства подложек сапфира и кремния, используемых для гетероэпитаксиальных пленок [5]ПараметрПлотность, г/смТвердость по МоcсуМодуль упругости, ГпаРастворимость3- в H2O:ВеществоAl2O33,989350не растворим- в кислотах:в HNO3, H2SO4, HCl,HF при t>300°С- в щелочах:не растворим до800-1000°С- в расплавах металлов (Mg, Al, Cr, не растворим доCo, Ni, Na, K, Zn, Cs):800°СSi2,33718,9не растворимв смеси HNO3 иHFпри нагреваниирастворимПоэтому, следует провести отработку всех этапов и выбор оптимальных режимов всего технологического процесса получения изделий из монокристалловсапфира.Одним из применений подложек из сапфира являются приборы на основеструктуры «кремний на сапфире» (КНС).
Изготовление тензорезисторных преобразователей (ТП) механических величин в настоящее время относится к одной изобластей использования структуры КНС. Полупроводниковые чувствительныеэлементы (ЧЭ) на основе КНС обладают достоинствами и недостатками по сравнению с широко применяемыми твердотельными кремниевыми тензочувствительными элементами с диффузионными или имплантированными тензорезисторами[4, 6-8].Рост объемов поставок изделий из сапфира на рынке за последние нескольколет способствовали активному развитию новых технологий и применений в электронике и оптоэлектронике, использующих сапфир. Одно из самых главных применений сапфира на сегодняшний день – это светоизлучающие диоды (СИД).
СИДшироко используются в панелях телевизоров высокой четкости, дисплеях компьютеров, в дорожных знаках и табло, в экранах мобильных телефонов; развитие по27лучает использование СИД в энергосберегающих системах общего освещения, т.к.позволяет экономить затрачиваемую электроэнергию (рисунок 1.3). В настоящеевремя три четверти выпускаемых в мире светоизлучающих диодов производится сиспользованием сапфира (рисунок 1.3).
В оптоэлектронике основными заместителями пластин из сапфира являются подложки из карбида кремния (SiC) и цельныедиоды из нитрида галлия (GaN). Однако пока производство светодиодов из этихматериалов обходится дороже, чем на подложках из сапфира.Рисунок 1.3 – Светодиод на основе сапфираБольшинство современных светодиодов состоят из нитридов элементов IIIгруппы, которые наносятся на сапфировые подложки (рисунок 1.4). Причина этому– особое эпитаксиальное соотношение между нитридами элементов III группы исапфира, а именно поворот решетки GaN на 30° по отношению к решетке сапфирапозволяет добиться идеальной ориентации кристалла вдоль оси [0001], а такжевозможность предварительной очистки подложки перед началом выращиванияструктуры диода и высокая термическая стойкость [7, 8, 9].Рисунок 1.4 – Тренды использования сапфировых подложек для светодиодов28Так как основными рынками сбыта сапфировых пластин являются производители светодиодов и микросхем SoS (Silicon on Sapphire), причем, на светодиодыприходится основной объем потребления сапфировых подложек, динамика рынкасапфира жестко привязана к динамике рынков соответственно светодиодов и содержащих их устройств [7, 9, 15].На рисунке 1.5 приведен объем мирового рынка сапфировых изделий по сегментам в миллионах долларах США [7, 9].Важной тенденцией рынка светодиодов является более быстрый, чем в других сегментах, рост рынка мощных (и в меньшей степени – сверхъярких) светодиодов.
Как раз в таких светодиодах необходимы сапфировые подложки. На рисунке1.6 приведен объем мирового рынка светодиодов [7, 9, 15].Рисунок 1.5 – Объем мирового рынка сапфировых изделий по сегментамрынка в миллионах долларах СШАРисунок 1.6 – Объем мирового рынка светодиодов, млрд. долларов29Проблема выращивания монокристаллов в последние годы приобрела важное значение как для исследований, так и для промышленности. Развитие радиоэлектроники, космонавтики, лазерной техники, атомной энергетики и ряда другихобластей техники практически невозможно без кристаллических и монокристаллических материалов.Исследования процесса кристаллизации сапфира ведутся в двух направлениях [10].
Первое направление касается рассмотрения тепловой составляющей процесса, поскольку при выращивании монокристаллов из расплава к основным факторам, влияющим на их качество, относятся температурные условия: градиентытемпературы в монокристалле характеризуют уровень термоупругих напряжений иконцентрацию дислокаций; температурное распределение в расплаве характеризует интенсивность конвективных потоков, характер распределения примесей нафронте кристаллизации, уровень колебаний температур и так далее.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
