1. 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

2. 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

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

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

6. 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

7. 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

8. 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 ►

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

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

13. 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

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

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

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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

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

21. 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

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

23. 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

24. 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

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

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

27. 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.

29. Благодарю за внимание!