�ݺ�ߣ

Автор : ассистент кафедры конструирования электронных средств ТТИ ЮФУ Клунникова Ю.В. Научный руководитель : зав. каф. КЭС ТТИ ЮФУ, д.т.н., профессор, член-корреспондент РАЕН Малюков С.П. Оптимизация производства сапфира

Монокристаллы сапфира являются отличным конструкционным материалом микроэлектроники. Монокристалл сапфира находит широкое применение в авиационной, космической, химической, ювелирной промышленности, в медицине, в металлургии, где оборудование в целом или его отдельные элементы эксплуатируются в экстремальных условиях при одновременном воздействии агрессивных сред, высоких давлений, механических нагрузок и так далее. Актуальная задача обеспечения требуемого качества кристаллов может быть решена только при наличии эффективных инновационных средств, позволяющих заранее определять параметры, при которых получается бездефектный кристалл, и контролировать качество продукции. УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 2 , плакатов 29 Актуальность работы

применение моделей и алгоритмов математического и информационного обеспечения получения изделий из сапфира в производстве, выпуск промышленного образца. Поиск оптимального сочетания параметров роста кристаллов. Разработка моделей, охватывающих факторы процесса, имеющие корреляционную зависимость, которую трудно обнаружить. Разработка математического и информационного обеспечения получения изделий из сапфира для электронной техники для того, чтобы уйти от интуитивного выбора технологом параметров технологического процесса. Коммерциализация научно-технической разработки. УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 3, плакатов 29 Решаемые задачи Цель работы

Применение сапфира в ювелирной промышленности УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 4, плакатов 29

Применение сапфира в оптике УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 5, плакатов 29 ◄ Оптические детали, заготовки, стержни Офтальмологические скальпели ► ◄ Линзы

Применение сапфира в медицине УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 6, плакатов 29 ◄ Сапфировые имплантаты – для костей, позвонков, протез бедра ▲ В стоматологии – сапфировые брекеты

Применение сапфира в технике УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 7, плакатов 29 ▲ Стальные сопла пескоструйных аппаратов ◄ Часовые камни, часовые стекла

Применение сапфира в технике УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 8, плакатов 29 ◄ сапфировые подложки в микроэлектронике Сапфир, легированный Ti - одна из основных активных сред перестраиваемых лазеров, и соответственно лазерные элементы ►

Применение сапфира в технике УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 9, плакатов 29 ◄ броня из искусственного сапфира сапфировые иллюминаторы ►

УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 10 , плакатов 29 Сравнительный анализ методов получения монокристаллов сапфира Метод Достоинства Недостатки 1. Метод Вернейля Отсутствие контейнера и связанных с ним проблем. Однородность распределения легирующих добавок по длине кристалла. Кристаллизация в открытом муфеле с возможностью регулирования окислительно-восстановительного потенциала атмосферы кристаллизации изменением отношением H 2 / O 2 в пламени. Возможность введения в кристалл большого количества легирующих добавок и возможность выращивания кристалла, части которых имеют разное содержание примесей, рубиновых стержней с сапфировыми наконечниками. Техническая простота реализации и низкая себестоимость кристаллов. 1. Высокие температурные градиенты в зоне кристаллизации (30-100 град/мм), способствующие возникновению в кристаллах больших остаточных напряжений. 2. Метод зонной плавки Возможность одновременно с выращиванием регулировать содержание примесей. Высокая эффективность. Низкая производительность. Большая продолжительность. Высокая стоимость. Максимальные габариты лодочки - длина 50 см, толщина 2-3 см, длина расплавленной зоны 5 см. 3. Метод Чохраль- ского Отсутствие контакта со стенками тигля. Достаточно легко можно менять диаметр растущего кристалла и визуально контролировать рост. 1. Значительная химическая неоднородность выращиваемых кристаллов, выражающаяся в монотонном изменении состава последовательных слоев кристалла вдоль направления роста 4. Метод гори- зонтально- направленной кристаллизации (ГНК) Постоянная площадь расплава. Возможность выращивать монокристаллы большого сечения, эффективное удаление примесей. Возможность проведения многократной предростовой перекристаллизации материала, что способствует глубокой очистке кристаллизуемого вещества и позволяет значительно снизить требования к чистоте исходных шихтовых материалов. Наличие контакта выращиваемого монокристалла с контейнером, с чем связано загрязнение расплава и возникновение в кристалле остаточных напряжений, трещин. Небольшая толщина кристалла – до 50 мм. 5. Метод Степа- нова Высокая скорость отвода тепла позволяет выращивать кристалл на достаточно больших скоростях. Большая производительность. Возможность вырастить сапфировые профили, которые невозможно изготовить механической обработкой. Получение кристаллов с большой плотностью структурных дефектов.

УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 11 , плакатов 29 Сравнительный анализ существующих математических моделей выращивания монокристаллов сапфира Модель Достоинства Недостатки Физические и математические модели тепло- и массопереноса при выращивании монокристаллов направленной кристаллизации Сформулированы упрощенные модели тепло- и массопереноса для периодов цикла ГНК. Введение в модели уравнений баланса массы и примесей позволяет одновременно решать задачи: тепловую, формирования высоты кристалла и распределения примесей в ней. Модели дают ценную информацию для совершенствования процесса выращивания кристаллов. Даны рекомендации по выращиванию кристалла с постоянной высотой по длине и ведению процесса с остановкой контейнера и снижением мощности нагревателя. Тепловой процесс в системе рассматривается как квазистационарный. Температурное поле – одномерное. Численная модель процессов теплообмена при выращивании монокристаллов лейкосапфира методом ГНК Учет различных периодов цикла кристаллизации. Двумерная модель используется для отслеживания положения и формы фронта кристаллизации в зависимости от текущих температурных условий. Модели дают ценную информацию для создания оптимальной конструкции теплового узла ростовой установки для производства кристаллов с пониженным уровнем дислокаций. Двумерность модели. Требуется большое количество памяти. Математическая модель осевого распределения температуры в трубчатых кристаллах лейкосапфира, выращиваемых из расплава способом Степанова Математическая модель описывает процессы теплообмена в тепловой зоне. Проведено математическое моделирование процессов теплообмена и анализ основных факторов, обеспечивающих управление распределением температуры в кристалле. Одномерность модели. Модель температурных и термоупругих полей в сапфире в трехмерных криволинейных координатах Разработан математический аппарат с вычислительным программным обеспечением для расчетов полей температур, напряжений, перемещений и деформаций, в частности, для Al 2 O 3 . Модель открывает возможность вычислительного эксперимента для проектирования новых ростовых устройств или усовершенствования существующих. Не учитывается распределение температур в конусной части кристалла.

УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 1 2, плакатов 29 Модель процесса выращивания с использованием BPWin

Алгоритм проектирования математического и информационного обеспечения получения изделий из сапфира для электронной техники УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 1 3, плакатов 29

Обобщенная модель управления технологическим процессом получения изделий из сапфира УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 1 4, плакатов 29

Структура базы данных с использованием ERWin УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 15, плакатов 29

Эскиз конструкции печи СЗВН 155.320: 1 – теплоизоляционные экраны; 2 – контейнер с кристаллом сапфира; 3 – вольфрамовый нагреватель; 4 – устройство для механического перемещения лодочки (волокуша); 5 – тепловой узел Задача о нахождении распределения температуры в системе кристалл-расплав-шихта сводится к решению уравнений теплопроводности: 0 < x < x L , 0 < y < y L , 0 < z < z L , где i = 1,2,3 – соответственно кристалл, расплав и шихта; – коэффициенты температуропроводности, W – скорость движения контейнера. Граничные условия для системы уравнений (1), отражающие неразрывность тепловых полей и тепловых потоков на границах раздела сред, записываются в виде следующих соотношений: (1) УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 1 6, плакатов 29 Модель процессов теплопереноса в установках для получения монокристаллов сапфира по методу горизонтальной направленной кристаллизации

Расчет распределения температуры в системе кристалл-расплав-шихта для установки СЗВН-155 (в контейнере расплав и шихта) методом конечных объемов УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 17, плакатов 29 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 0.35 T, К x, м

Расчет распределения температуры в системе кристалл-расплав-шихта для установки СЗВН-155 (в контейнере кристалл, расплав и шихта) методом конечных объемов УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 18, плакатов 29 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 1600 1800 2000 2200 2400 2600 0.35 x, м T, К

Расчет распределения температуры в системе кристалл-расплав-шихта для установки СЗВН-155 (в контейнере кристалл и расплав) методом конечных объемов УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 19, плакатов 29 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 0.35 T, К x, м

УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 20, плакатов 29

x 1 – скорость движения лодочки (мм/час); x 2 – мощность нагревателя (кВт ) ; x 3 – степень вакуума (Па); y – количество пузырей на единицу площади (см -2 ). Уравнение в физических переменных: y =325,562+6,375 x 1 -15,875 x 2 -1365,625 x 3 +56,250 x 2 x 3 Сравнительная характеристика экспериментальных и расчетных данных Интерфейс программного модуля Гистограммы, отражающие разницу расчетных и экспериментальных значений УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 21, плакатов 29 № опы-та x 1 , мм/час x 2 , кВт x 3 , Па Экспери - ментальное значение у, см -2 Расчётное значение у, см -2 1 6 20,5 0,06 26 25,625 2 6 20,5 0,02 32 34,125 3 8 20,5 0,02 49 46,875 4 8 20,5 0,06 38 38,375 5 6 22,5 0,02 5 4,625 6 6 22,5 0,06 2 0,625 7 8 22,5 0,06 12 13,375 8 8 22,5 0,02 17 17,375

Обобщенная структура базы знаний экспертной системы УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 22, плакатов 29

Исследование процессов механической обработки монокристаллов сапфира Результаты исследования Параметры поверхности сапфира обработки алмазным порошком АСМ 28/20и АСМ 1/0 Микрофотографии поверхности сапфира после обработки алмазным порошком АСМ 28/20 и АСМ 1/0 Трехмерное изображение участка поверхности пластины сапфира после механической полировки c – глубина приповерхностного поврежденного слоя h бок.тр – глубина залегания формируемых трещин УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 23, плакатов 29 № Вид обработки с, [мкм] h бок.тр , [мкм] 1 Полировка свободным абразивом 0,5 мкм 0,098 0,013 2 Полировка свободным абразивом 0,7 мкм 0,153 0,018 1 ДСШ свободным абразивом 3 мкм 1,067 0,07647 2 ДСШ свободным абразивом 10 мкм 5,315 0,2549 3 ДСШ свободным абразивом 20 мкм 13,39 0,5098 4 ДСШ свободным абразивом 30 мкм 23 0,7647

Исследование процессов механической обработки монокристаллов сапфира Для монокристаллов сапфира первым методом расчета получены следующие значения: длина радиальных трещин C R = 0.1068 нм, длина боковых трещин С L = 1.566 нм, зона деформации S = 3.172 нм. Для монокристаллов сапфира величина зоны деформации кристалла, рассчитанная по другому методу составляет 3.865 нм, что согласуется с результатами полученными ранее. Влияние материала шлифовальника (1 – латунь, 2 – чугун, 3 – стекло) и радиуса абразива на глубину приповерхностного поврежденного слоя (а) и глубину залегаемых боковых трещин сапфира (б) УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 24, плакатов 29

Интерфейс программных модулей экспертной системы получения и обработки монокристаллов сапфира УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 25, плакатов 29

Электронный интегрированный портал процесса выращивания монокристаллов сапфира УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 26, плакатов 29

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 27, плакатов 29 1. Разработана методика проектирования математического и информационного обеспечения получения монокристаллов сапфира, которая является универсальной для технологических процессов получения различных материалов для электронной техники. 2. Разработана модель влияния параметров процесса выращивания на качество монокристаллов сапфира, отражающая в аналитическом виде степень влияния скорости лодочки, мощности нагревателя и степени вакуума на количество пузырей на единицу площади кристалла как одну из характеристик кристалла. Построена модель оптимизации временных параметров технологического процесса, учитывающая различные уровни дефектов. Определены основные практические приемы сокращения цикла кристаллизации при получении монокристаллов сапфира, которые позволяют снизить длительность цикла кристаллизации. Разработана трехмерная модель решения задачи теплообмена в кристаллах сапфира, позволяющая выявить распределение температурного поля в кристалле. На основании трехмерной модели решения задачи теплообмена в кристаллах сапфира создан пакет компьютерных программ для расчета полей температур. С помощью разработанной численной модели проведен ряд расчетов для изучения влияния теплофизических свойств материалов на процесс кристаллизации монокристаллов сапфира. 3. Разработана информационная система получения изделий из сапфира, которая позволяет дать точную характеристику получаемых кристаллов и которая позволяет не только систематизировать большие информационные массивы данных, но и выявить закономерности влияния факторов на рост кристалла. Разработана экспертная система, позволяющая выбрать оптимальные режимы роста монокристаллов сапфира: мощность нагревателя (20 – 22.5 кВт), степень вакуума (2·10 -2 – 6·10 -3 Па), скорость роста кристалла (4 – 6 мм/ч), пространственная ориентация, качество шихты (99.996 – 99.999 %), и представить прогноз категории качества кристалла. Эта система позволяет увеличить выход кристаллов, соответствующих выбранной категории качества.

По материалам работы опубликовано 27 печатных работ: 4 статьи - в центральных технических журналах, рекомендованных ВАК, св-во об оф. регистрации программы «Программа расчета и выбора параметров роста монокристаллов лейкосапфира» для ЭВМ № 2008612944 от 18.06.2008 г., св-во об оф. регистрации программы «Программа расчета распределения температуры в процессе роста монокристаллов сапфира методом горизонтальной направленной кристаллизации» для ЭВМ № 2011612757 от 20.04.20 11 г. УДК 681.518 :666.1/28 Оптимизация производства сапфира Плакат 28, плакатов 29 ПУБЛИКАЦИИ Потенциальные заказчики ЗАО «Монокристалл» (г. Ставрополь) ; ООО «Сектор» (г. Рыбинск) ; ООО «Завод Кристалл» (г.Таганрог) ; ООО «Кремний-Юг» (г. Таганрог). НИР по программе У.М.Н.И.К. «Разработка системы управления процессом выращивания монокристаллических структур» (2008 – 2009 гг.), НИР по программе У.М.Н.И.К. «Разработка программных модулей системы управления механической обработкой монокристаллов сапфира» (2009 – 2010 гг.), № гос. регистрации 01201051745 НИР № 13403 «Исследование технологии получения монокристаллов лейкосапфира методом горизонтальной направленной кристаллизации на установках типа СЗВН-15532, СЗВН 175» (2005 г.).

Благодарю за внимание!

�ݺ�ߣ

Презентация

Recommended

More Related Content

What's hot (10)

Similar to Презентация (20)

More from kulibin (20)

Презентация