Технологія одержання великогабаритних кремнієвих заготівок для оптико-електронних систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кременчуцький університет економіки, інформаційних технологій і управління

УДК 621.315.592

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Технологія одержання великогабаритних кремнієвих заготівок для оптико-електронних систем

05.27.06 - технологія, обладнання

та виробництво електронної техніки

Рябець Олексій Миколайович

Кременчук - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на Казенному підприємстві "Запорізький титано-магнієвий комбінат"

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Левінзон Давид Іделевич, Класичний приватний університет (м. Запоріжжя), проректор з науково-методичної роботи

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент Критська Тетяна Володимирівна, Запорізька державна інженерна академія, професор кафедри електронних систем;

кандидат технічних наук, доцент Міхальчук Віктор Ілліч, Кременчуцький університет економіки, інформаційних технологій і управління, проректор з науково-педагогічної і навчально-методичної роботи

Захист відбудеться “26” лютого 2010 р. о 12.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К45.124.01 у Кременчуцькому університеті економіки, інформаційних технологій і управління за адресою: 39600, м. Кременчук, вул. Пролетарська, 24/37, аудит.1301.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Кременчуцького університету економіки, інформаційних технологій і управління за адресою: 39600, м. Кременчук, вул. Пролетарська, 24/37.

Автореферат розісланий “14” січня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради С.Е. Притчин

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Досягнення останніх десятиліть в області астрономії та лазерної техніки значною мірою стали можливими завдяки створенню нових високоточних оптико-електронних наземних і космічних систем, застосування яких дозволяє ефективно вирішувати ряд наукових, технічних і господарських завдань в галузі астрономії, метеорології, геофізики, геодезії, дослідженні природних ресурсів, контролі стану навколишнього середовища та ін. Особливі умови експлуатації цих систем на різних наземних авіаційних та космічних транспортних засобах вимагають спеціального підходу при їх розробці.

Створення сучасних оптико-електронних систем є складним комплексним завданням, рішення якого потребує проведення теоретичних, науково-дослідницьких і експериментальних робіт за цілою низкою напрямів, серед яких особливо важливим є вибір матеріалу дзеркала. На сьогоднішній день існує досить широкий спектр таких матеріалів.

Вибір найбільш відповідного матеріалу залежить від низки параметрів і визначається необхідністю забезпечення необхідного рівня якості зображення в заданих умовах експлуатації оптико-електронного комплексу.

Серед найбільш перспективних оптичних матеріалів особливе місце посідає кремній, що має набір унікальних фізико-хімічних властивостей у порівнянні з іншими матеріалами. Водночас можливості існуючих технологій одержання кремнієвих заготівок дзеркал не взмозі повністю задовольнити потреби розробників сучасних оптико-електронних систем. Цим пояснюється актуальність розробки технологій виробництва заготівок із кремнію.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на Казенному підприємстві "Запорізький титано-магнієвий комбінат" (КП "ЗТМК") впродовж 2003...2009 рр. і є продовженням досліджень, що проводилися на КП "ЗТМК" у 1985...2000 рр. в області розробки теоретичних основ, обладнання та технології отримання виробів із кремнію методом лиття.

Тематика дисертації безпосередньо пов'язана з дослідженнями, виконаними автором як відповідальним виконавцем за темами НДР з державною реєстрацією №0105U002572 "Механізми формування структури та фізичних властивостей високочистих високодосконалих кристалів і приладових композицій на їх основі" (2005...2008 рр.) і №0108U008356 "Матеріали, прилади і системи фізичної та біомедичної електроніки" (2009...2014 рр.), відповідає планам науково-дослідницьких робіт КП "ЗТМК" за 2003...2009 рр., а також міждержавному договору про наукове співробітництво з Федеральним державним унітарним підприємством "Науково-виробнича корпорація "ДОІ ім. С.І. Вавілова" за темою: "Розробка технології отримання великогабаритних заготівок для оптики з литого кремнію" (договір №14/77, 2003...2005 рр.).

Мета та завдання дослідження. Мета дисертаційної роботи - розробка промислової технології та обладнання для одержання методом лиття великогабаритних (діаметром до 1000 мм) кремнієвих заготівок для дзеркал оптико-електронних систем.

Для досягнення зазначеної мети необхідно вирішити наступні завдання:

1. Розробити методики визначення питомої швидкості дегазації розплаву та вмісту водню в кремнії.

2. Визначити особливості та умови проведення спрямованої кристалізації кремнію при використанні розбірного графітового формоутворюючого оснащення.

3. Розробити фізичну модель нагрівального елементу опору і відповідну конструкцію теплового вузла установки лиття на її основі.

4. Визначити температурні поля та розробити геометрію розбірних формоутворюючих елементів для одержання великогабаритних суцільних і полегшених заготівок із кремнію.

5. Встановити механізми утворення, розподілу та шляхи усунення газових раковин в обємі кремнієвих литих виробів.

Об'єкт дослідження - процес виготовлення кремнієвих заготівок заданої геометричної форми та розмірів для оптико-електронних відбивних систем.

Предмет дослідження - метод лиття як базова технологія одержання великогабаритних кремнієвих заготівок.

Методи дослідження. Виконані дослідження базувалися на фундаментальних положеннях теорії роста полікристалів напівпровідників з розплаву та експериментальних дослідженнях відомих спеціалістів в даній галузі.

У дослідженнях використовувалися добре відомі та апробовані методи:

- метод контактного вимірювання температури розплаву, нагрівача та ливарної форми за допомогою термоелектричних перетворювачів;

- метод плавлення в потоці газу-носія (Gas fusion analysis) для визначення вмісту водню в кремнії;

- методи металографії та рентгенівської дефектоскопії для виявлення у виробах раковин;

- методи регресійного та кореляційного аналізу для обробки експериментальних даних.

Робота проводилася з використанням технологічної та вимірювальної бази КП "ЗТМК".

Наукова новизна отриманих результатів. У процесі розвязання поставлених завдань автором отримані такі наукові результати:

1. Вперше отримано кількісні дані про вміст і розподіл водню в об'ємі кристалів кремнію напівпровідникової чистоти, що використовувалися як вихідний матеріал для лиття і у литих кремнієвих виробах.

2. Вперше визначено питому швидкість дегазації розплаву кремнію при залишковому тиску в камері установки 8·10^-3 мм.рт.ст., яка складає 7,4·10^-3 0,2·10^-3 см³/см²хв і розраховано тривалість дегазації розплаву, яка в залежності від типорозмірів плавильного тиглю та маси кремнію, що завантажується, складає 15...99 хв.

3. Вперше визначено критичне значення залишкового тиску в камері установки (5·10^-2 мм.рт.ст.), нижче якого починається інтенсивна евакуація водню з розплаву кремнію.

4. Набув подальшого розвитку спосіб лиття кремнію в ливарні форми, що підігріваються, у варіанті отримання великогабаритних заготівок як суцільної, так і полегшеної конструкції, який полягає в заливанні розплаву у відкриті графітові ливарні форми заданої конфігурації, проведенні спрямованої кристалізації в кремнієвому гарнісажі з питомою швидкістю кристалізації 0,03...0,9 г/см²хв. у тепловому вузлі з верхнім теплопідведенням, що, на відміну від відомих технічних рішень, дозволило збільшити діаметр одержуваних виробів до 1000 мм.

Практична значимість отриманих результатів. На основі даних, отриманих при дослідженнях теплових умов і особливостей протікання процесу кристалізації кремнію у відкритих ливарних формах із графіту з верхнім теплопідведенням, а також газонасиченості вихідного кремнію воднем і шляхів його видалення при витримці розплаву у вакуумі, розроблена промислова технологія одержання суцільних і полегшених виробів із кремнію діаметром до 1000 мм для оптичних систем.

Результати проведених досліджень впроваджено у промислове виробництво на КП "ЗТМК" (акти від 08.06.09 р., 01.10.09 р.). Результати, отримані в дисертаційній роботі, використовуються в навчальному процесі в Класичному приватному університеті (м. Запоріжжя) при вивченні дисципліни "Матеріали електронної техніки" і при дипломуванні (акт впровадження від 07.09.09 р.).

Особистий внесок здобувача. Сформульовані в дисертаційній роботі наукові результати, висновки та рекомендації належать особисто авторові і є його науковим внеском. У роботах виконаних у співавторстві, особисто Рябцю О.М. належать наступні наукові результати:

1. У роботах [1, 8, 9] авторові особисто належить загальна постановка завдання та проведення експериментальних досліджень процесу витримки розплаву кремнію у вакуумі.

2. У роботі [2] авторові особисто належить дослідження розподілу водню в обємі кристалів кремнію, які використовуються як вихідний матеріал для лиття.

3. У роботах [3, 14] авторові особисто належить встановлення факту впливу маси графітового стрижня та маси затверділого кремнію в ребрах жорсткості на швидкість охолодження ребер.

4. У роботах [4, 16] авторові особисто належить розробка конструкції відкритих ливарних форм, проведення досліджень температурних полів і вивчення взаємодії розплаву кремнію з ливарною формою.

5. У роботі [5] авторові особисто належить розробка алгоритмів, методик визначення вмісту водню в кремнії та питомої швидкості дегазації розплаву кремнію.

6. У роботі [6] авторові особисто належить розробка процесу дегазації розплаву кремнію у вакуумі перед його виливанням у ливарну форму.

Апробація результатів роботи. Основні положення роботи доповідалися і обговорювалися на: Всеукраїнській науково-практичній конференції "Системний аналіз і управління" (м. Запоріжжя, 2005 р.), 2-й науково-технічній конференції з міжнародною участю "Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології" (МЕТІТ-2) (м. Кременчук, 2006 р.), Всеукраїнській науково-практичній конференції "Системний аналіз і управління" (м. Запоріжжя, 2006 р.), III Українській науково-технічній конференції з фізики напівпровідників "УНКФП-3" (м. Одеса, 2007 р.), Всеукраїнській науково-практичній конференції "Системний аналіз і управління" (м. Запоріжжя, 2007 р.), 3-й науково-технічній конференції з міжнародною участю "Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології" (МЕТІТ-3) (м. Кременчук, 2008 р.), Всеукраїнській науково-практичній конференції "Системний аналіз і управління" (м. Запоріжжя, 2008 р.), засіданні Запорізького регіонального наукового семінару з фізики та технології напівпровідників (м. Запоріжжя, 2008 р.), 3-й Всеукраїнській науково-технічній конференції "Інформаційні технології в економічних і технічних системах" (ІТЕТС-2009) (м. Кременчук, 2009 р.), засіданні Запорізького регіонального наукового семінару з фізики та технології напівпровідників (м. Запоріжжя, 2009 р.), IV Українській науково-технічній конференції з фізики напівпровідників (УНКФП-4) (м. Запоріжжя, 2009 р.), II Міжнародній науковій конференції "Електронна компонентна база. Стан і перспективи розвитку" (м. Ялта, смт. Кацивелі, 2009 р.), 10^th International Young Scientists Conference "Optics and High Technology Material Science SPO 2009" (м. Київ, 2009 р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 18 друкованих роботах, у тому числі: 5 статей у наукових журналах, які входять до переліку ВАК України, 12 робіт у збірниках матеріалів конференцій, отримано один патент України на корисну модель.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, списку використаних джерел і 4 додатків. Містить 127 сторінок основного тексту, 48 малюнків, 22 таблиці, список використаних джерел з 128 найменувань, 4 додатки наведені на 16 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі надано загальну характеристику стану проблеми створення високоточних оптико-електронних систем на основі кремнію, обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та завдання досліджень, визначено наукову новизну і практичну значимість отриманих результатів.

У першому розділі розглянуто технологічні та наукові проблеми створення сучасних оптико-електронних приладів для великогабаритних телескопічних і лазерних систем. Досягнення високих показників якості таких систем потребує визначення вимог до застосовуваних оптичних матеріалів.

Зроблено наголос на тому, що наразі серед великого різноманіття оптичних матеріалів при виборі матеріалу для створення великогабаритних дзеркал для оптичних комплексів космічного і наземного базування найбільшу перевагу має кремній напівпровідникової чистоти. Порівняльний аналіз теплофізичних і механічних властивостей оптичних матеріалів, представлений у роботі, показав, що кремній по суті є оптимальним оптичним матеріалом.

Подальший розвиток оптичного приладобудування і покращання характеристик оптико-електронних комплексів потребують збільшення габаритів дзеркал. Максимальний діаметр дзеркал обмежується технологічними можливостями методів одержання заготівок для дзеркал.

У роботі наведено класифікацію та надано критичний аналіз відомих методів одержання великогабаритних заготівок із кремнію для оптики. Зокрема, до найбільш поширених можна віднести метод Чохральського, метод лиття і метод осадження епітаксіальних плівок на макропористі кремнієві підкладки. Аналіз перспектив подальшого розвитку перелічених вище методів за такими критеріями, як збільшення діаметра до 1000 мм; одержання заготівок складної конфігурації суцільної та полегшеної конструкції показав, що найбільші перспективи має метод лиття, який здійснюється заливанням розплаву кремнію у форму, що повторює конфігурацію оптичної заготівки.

Визначено основні труднощі, пов'язані з отриманням заготівок із кремнію методом лиття. Найважливішою проблемою є те, що кремній належить до неливарних матеріалів. У зв'язку з цим гостро постають наступні питання: можливість проведення спрямованої кристалізації, вибір матеріалу та конструкції ливарних форм, мінімізація вмісту макродефектів.

На підставі виконаного аналітичного огляду автором обґрунтовано вибір способу лиття в ливарні графітові форми, що підігріваються, перевагою якого є те, що операції плавлення вихідного завантаження та спрямованої кристалізації розділені апаратурно, при цьому використання ливарних форм припускає широкий спектр конфігурацій і розмірів одержуваних виробів.

Другий розділ присвячено розробці методик визначення вмісту водню та питомої швидкості дегазації розплаву кремнію, на основі застосування яких вирішувалось завдання, повязане з мінімізацією вмісту раковин.

Як базовий нами було обрано метод плавлення в протоці газу-носія, заснований на залежності між теплопровідністю компонента газової суміші, який контролюється і його концентрацією, оскільки він має досить високу чутливість і відповідає критерію експресності проведення вимірювань. Розроблена методика реалізована на газоаналізаторі RHEN-602 фірми Leco.

У процесі вимірювання необхідно забезпечити певні метрологічні вимоги, які позначені у табл. 1:

- характеристика випадкової складової похибки, _в (показник відтворюваності);

- характеристика систематичної складової похибки, _С (показник правильності);

- характеристика частини випадкової складової похибки, _сх (показник збіжності);

- похибка результату аналізу, ± (показник точності);

- норматив оперативного контролю відтворюваності D_n;

- норматив оперативного контролю збіжності d_n;

Перевірка сталості показника відтворюваності результатів вимірювання визначень для всієї області дії методики визначень за допомогою критерію Фішера показала необхідність розбиття всього діапазону вимірювання 0,004…0,610^-3% мас на 3 піддіапазони: 0,004…0,110^-3; 0,1...0,310^-3; 0,3...0,610^-3% мас включно.

Таблиця 1. Характеристики похибки вимірювання і нормативи оперативного контролю

Вміст водню, 10-3% мас	Характеристика випадкової складової похибки, В10-4, % мас	Характеристика систематичної складової похибки, С10-4, % мас	Похибка результатів аналізу, 10-4, % мас	Нормативи контролю
				d10-4, % мас	D10-4, % мас
0,04…0,1	0,03	0,06	0,08	0,2	0,13
0,1…0,3	0,2	0,2	0,4	0,7	0,31
0,3…0,6	0,2	0,6	0,7	0,17	0,61

Розроблена методика метрологічно атестована на КП "Запорізький титано-магнієвий комбінат" (акт впровадження від 1.10.2009 р.).

Для знаходження умов дегазації (час, залишковий тиск у камері установки лиття) розплаву кремнію при його витримці у вакуумі необхідно знати питому швидкість дегазації.

Нами було розроблено методику визначення питомої швидкості дегазації, що базується на розрахунку кількості дегазованого водню при фіксованих значеннях часу витримки розплаву та залишкового тиску у камері установки, оскільки кількісні дані щодо величини питомої швидкості дегазації у відомій літературі відсутні.

Для знаходження питомої швидкості дегазації було запропоновано наступне рівняння:

(1)

де V_дег - обєм дегазованого з розплаву водню; S_Si - площа дзеркала розплаву кремнію; t - час витримки у вакуумі.

Обсяг дегазованого з розплаву водню дорівнює:

V_дег = V_исх - V_рак - V_отл , (2)

де V_дег - обєм дегазованого з розплаву водню; V_рак - обєм водню, що перебуває в раковинах; V_отл - обєм водню, розподіленого у частині виливка, який не має раковин.

Було встановлено, що досить інтенсивна евакуація водню з розплаву кремнію починається при залишковому тиску нижче 5·10^-2 мм.рт.ст., а дегазація розплаву, необхідна для отримання тонкостінних кремнієвих труб без раковин, досягається протягом 30 хвилин при тиску в камері печі не більш ніж 810^-3 мм.рт.ст.

З використанням розробленої методики визначено значення питомої швидкості дегазації і відповідної похибки для постійних умов, що обумовлюються особливостями застосованого обладнання та методу лиття. Для випадку, коли тиск у камері дорівнює 810^-3 мм.рт.ст., =7,410^-3 см³/см²хв, абсолютна похибка склала: = 0,2 10^-3 см³/см²хв.

Третій розділ присвячено дослідженню процесу отримання виробів заданої геометрії та розмірів із кремнію методом лиття, а також у ньому представлені результати досліджень розподілу водню у кремнії та вивчення механізмів утворення газових раковин.

Запропоновано та обґрунтовано спосіб отримання виробів заливанням розплаву з наступною спрямованою кристалізацією у відкритих ливарних формах. дегазація кремній лиття тепловий

У запропонованому способі в умовах регульованого теплопідведення до вільної поверхні та завдяки можливості візуального спостереження за процесом затвердіння, теплову систему можна перевести в режим рівноважного стану, а потім вести спрямовану кристалізацію, підтримуючи питому швидкість кристалізації в межах 0,03...0,9 г/см²хв.

Через адгезію рідкого кремнію із графітом ливарної форми в певних температурних інтервалах виникає необхідність заливання розплаву при температурі, яка не перевищує температуру кристалізації з обов'язковим формуванням кремнієвого гарнісажу по площі контакту розплаву з ливарною формою. Подальша спрямована кристалізація залитого обєму в умовах підвищеної температури ливарної форми повинна протікати у кремнієвому гарнісажі.

Товщина гарнісажу описується рівнянням:

(3)

де r_Si - теплота плавлення - кристалізації кремнію; m - маса графіту ливарної форми; С_С - теплоємність графіту; Т_Н - температура ливарної форми перед заливанням розплаву; Т_К - температура ливарної форми після заливання розплаву;

S - площа контакту розплаву з ливарною формою; с - густина твердого кремнію.

Значення д, розраховане за формулою (3) для бічної поверхні ливарної форми діаметром 350 мм, склало 2,96 мм. Отримані результати підтверджуються візуальними спостереженнями: товщина затверділого шару кремнію на границі твердої та рідкої фаз у периферії виливка відразу після заливання становить 3...4 мм.

Оскільки у формуванні ізотермічних поверхонь на границі тверде-рідке в системі ливарна форма - виливок - нагрівач - теплові екрани визначальна роль належить нагрівальному елементу та оптимальному вибору його параметрів: форми, габаритів і температури поверхні, - у роботі було проведено фізичне моделювання плаского нагрівального елементу опору підігрівного теплового вузла у трьох варіантах: радіальне фрезерування, радіальне Y-подібне фрезерування, фрезерування рівновеликими перерізами.

У загальному випадку модель нагрівача являє собою три рівновеликих сектори із центральним кутом 120°. Струмопроходження задається шляхом розподілу секторів на ламелі. Характерні розміри (радіуси (r1, r2), мінімальний поперечний переріз (b), довжина ламелі (L), кількість ламелей визначаються методом добору за спеціально розробленим алгоритмом.

Зіставлення ефективності запропонованих варіантів моделі проводили шляхом дослідження температурного профілю нагрівачів для умов, що відповідають процесу одержання великогабаритних кремнієвих заготівок діаметром 1000 мм. Для побудови аналітичних залежностей отримані експериментальні дані були оброблені за методом регресії, при цьому як апроксимуючу функцію було обрано поліном 4-го ступеня виду:

f(x)= ₀ + ₁х + ₂х² + ₃х³ + ₄х⁴.

Складний вид температурної залежності можна пояснити тим, що практично для всіх марок графіту при підвищенні температури спостерігається зниження теплопровідності. Крім того, при збільшенні кількості ламелей у фазі з урахуванням розрахункової та припустимої густини струму перегріта кільцева зона має тенденцію зсуву до периферії.

Аналіз розподілу температур на поверхні нагрівачів дозволяє зробити висновок, що мінімальні температурні градієнти (0,7 К/см), а отже найкращі характеристики для отримання великогабаритних виробів із кремнію, має варіант конструкції нагрівача з рівновеликими перерізами.

Нагрівач з радіальним Y-подібним фрезеруванням характеризується відносно великим радіальним градієнтом температур (1,7 К/см), тому рекомендується його використання у тих випадках, коли застосування нагрівача з фрезеруванням рівновеликими перерізами ускладнено, наприклад, при одержанні заготівок із центральним отвором.

Збільшення діаметра одержаних пластин потребує створення універсального теплового вузла підігрівного нагрівача для пластин будь-якого заданого діаметру і конфігурації в діапазоні 420...1000 мм. Особливістю даного теплового вузла є принципово нова конструкція комбінованого екрана, яка складається із суцільної плити з вуглецевого композиційного матеріалу УКПМ-3 і гнучких бічних екранів з вуглецевої тканини ТМ-4.

Для теплового вузла зазначеної конструкції замість існуючої вісесиметричної схеми заливання розплаву реалізоване ексцентричне заливання розплаву в ливарну форму, що забезпечує утворення кремнієвого гарнісажу за усією площею контакту розплаву з ливарною формою.

Для пластин діаметром більше 420 мм запропоновано нову конструкцію відкритої ливарної форми з вільною поверхнею кристалізації, що у сполученні з верхнім теплопідведенням дозволяє проводити спрямовану кристалізацію виробу знизу вгору у повному обсязі, а також здійснювати регулювання та візуальний контроль за процесом спрямованої кристалізації, що дозволило знизити брак за "гарячими" тріщинами до мінімуму (з 40 до 3%).

Конструкція ливарної форми для одержання круглих пластин містить основу (товщина 25...30 мм) і бічне кільце (товщина 15...20 мм), яке встановлюється в проточування на основі.

Залежність адгезії розплаву кремнію із графітом від його якості викликає необхідність визначення температурних інтервалів розплаву та ливарної форми перед заливанням для різних марок графіту: МГ-1, ГМЗ, ЕГ-1, МПГ-7. Встановлено, що температура ливарної форми перед заливанням розплаву для різних марок графіту повинна перебувати у діапазоні 1412...1450°С, а температура розплаву - у діапазоні 900...1100°С. Перевищення встановлених інтервалів призводить до адгезії виливка з ливарною формою або руйнування ливарної форми. Нижня температурна границя ливарної форми обумовлена ймовірністю утворення тріщин у виливку.

Оскільки форма фронту кристалізації істотно впливає на величину та характер розподілу термічних напружень, її якісну оцінку проводили на великогабаритних пластинах шляхом вивчення характеру розподілу температур у ливарній формі при її розташуванні у розробленій тепловій системі підігрівного нагрівача з використанням пласких нагрівачів з рівновеликими перерізами та нагрівачами з радіальним Y-подібним фрезеруванням.

З аналізу характеру розподілу температур у ливарній формі перед заливанням розплаву випливає, що фронт кристалізації має складну (хвилеподібну) форму - увігнуту на периферії та опуклу у центрі. Це підтверджується візуальними спостереженнями за просуванням границі розділу між твердою та рідкою фазами на кінцевих стадіях процесу кристалізації.

Для зменшення стріли прогину периферійної западини і створення форми фронту кристалізації, близької до опуклої, було запропоновано нову конструкцію основи ливарної форми, що складається із центрального та периферійного елементів. Елементи форми, розташовані коаксіально та між собою, мають роз'єм по горизонтальній кільцевій і вертикальній циліндричній площинам.

Застосування розбірної основи ливарної форми дозволило збільшити тепловідбір у центральній частині виливка і зменшити його на периферії, що еквівалентно збільшенню опуклості фронту кристалізації в центральній частині виливка і зменшенню стріли прогину на периферії. Застосування розбірної основи дозволило зменшити брак за тріщинами і збільшити вихід придатних пластин з 60 до 78%.

Як відзначено у розділі 1 дисертації, однією з найважливіших проблем є одержання заготівок полегшеної конструкції. Відомий метод зниження маси оптичних елементів із кремнію шляхом формування порожнин за допомогою механічної обробки (висвердлювання, шліфування тощо) має певні недоліки: достатньо великі витрати на обробку та підвищення ймовірності руйнування заготівки дзеркала. Доцільно розглянути можливість формування порожнин у тілі заготівки безпосередньо у процесі її одержання. Реалізацію означеного варіанту нами було досягнуто формуванням порожнин за допомогою ливарних стрижнів, закріплених на основі ливарної форми.

Для виготовлення заготівок полегшеної конструкції з порожнинами або отворами діаметром понад 100 мм використовують стрижні розбірної конструкції. Натомість, стрижні більш складної конфігурації, що мають у своєму перетині трикутник, квадрат, циліндричні або усічені кругові сектори малого діаметра, виготовити таким шляхом досить складно.

З метою з'ясування можливості виготовлення складних за конфігурацію стрижнів нерозбірної конструкції нами вивчалася динаміка зміни температури стрижня на всіх стадіях процесу і вплив ТКЛР (температурного коефіцієнта лінійного розширення) на защемлення стрижня в тілі виливка.

Встановлено, що використання графітових стрижнів з ТКЛР, який на 60...80% перевищує ТКЛР кремнію, при дотриманні конусності в межах 1...2 не призводить до руйнування кремнієвих виливків під час процесу лиття та дозволяє вільно витягати стрижні з тіла виливка.

Для запобігання утворенню тріщин в ребрах при використанні суцільних стрижнів співвідношення їх теплосприймальних мас (m_С) до маси кремнію в ребрах жорсткості (m_Si) повинне задовольняти співвідношенню: m_С / m_Si 2,2.

Методом плавлення в потоці інертного газу-носія за розробленою методикою вивчено розподіл водню за висотою і за радіусом у вихідному кремнії (стрижнях, отриманих методом водневого відновлення трихлорсілану (ВВТ), відходах монокристалів), а також у виливках, отриманих методом лиття.

Середній вміст водню в стрижнях ВВТ залежно від діаметра становить 0,2210^-3…0,2710^-3 % мас, при цьому спостерігається монотонне зменшення його концентрації від нижнього торця до верхнього. У кристалах, вирощених за методом Чохральського, розподіл водню має аналогічний характер.

Для визначення концентрації водню в литому кремнії були проведені дві серії експериментів: у першій серії пластини одержували за стандартною технологією в протоці інертного газу, у другій серії процеси проводили у вакуумі. Середній вміст водню в пластинах, отриманих у кожній серії, відповідно склав 0,4210^-3% мас і 0,1210^-3% мас. Середній вміст водню в отриманих в протоці аргону виробах перевищує його вміст у вихідному матеріалі.

Збільшення концентрації водню в кремнієвих виробах, отриманих у протоці інертного газу, обумовлено додатковими джерелами надходження водню, а саме: вологою, яка заноситься в камеру з повітрям, що натікає, або інертним газом, а також через мікротріщини. Утворення водню при плавленні кремнію описується реакцією:

SiO + Н₂О = SiO₂ + H₂^. (5)

Вивчення розподілу газових раковин у литих виробах показало, що раковини розташовуються на границі зрощення шарів, які кристалізуються. У прямокутних пластинах зі співвідношенням сторін a/b?2 раковини розташовуються на периферії довгих сторін. У пластинах у вигляді трикутників, квадратів, шестигранників та восьмигранників раковини розташовуються на периферії кутів, як правило, за межами уявлюваного кола, вписаного у багатогранник. Діаметр кола відповідає ізотермі температури плавлення кремнію на момент початку кристалізації виробу.

У пластинах полегшеної конструкції раковини розташовуються у полегшуючих ребрах (переважно у верхній частині ребра) і у суцільній частині пластини.

Таким чином, можна стверджувати, що механізм формування раковин ідентичний для різних видів кремнієвих литих виробів, а саме - утворення раковин відбувається на границі стику двох зростаючих назустріч один одному шарів, з обмеженим виходом до вільної поверхні.

У процесі затвердіння рідка фаза безперевно збагачується газом, що відтискується у розплав. При досягненні концентрації газу у розплаві більшої межі його розчинності у твердій фазі, на її границі з рідкою фазою відбувається формування газових кульок і їх закривання на границі стику.

На основі проведених досліджень зроблено висновок про те, що кремнієві вироби без раковин найбільш доцільно одержувати способом заливання попередньо дегазованого розплаву у ливарну форму, однак для цього необхідно враховувати залишковий тиск і час витримки розплаву перед заливанням.

У четвертому розділі розглядаються питання модернізації установки лиття, розробки технологічних заходів щодо мінімізації газових раковин, а також розроблено технологічну схему одержання виробів із кремнію методом лиття.

Як базову для одержання виробів із кремнію методом лиття обрано існуючу установку лиття кремнію С-3179, яку відповідно до завдань дисертаційної роботи було істотно модернізовано, а саме: у камері розміщено нові теплові вузли, розмір нижньої царги збільшений з 900 до 1400 мм з метою забезпечення можливості одержання виробів діаметром до 1000 мм.

Розробка технології одержання великогабаритних литих виробів із кремнію викликала низку змін у конструкціях теплових систем установки. Для плавлення збільшеного вихідного завантаження кремнію розроблено три типорозміри плавильних теплових вузлів відповідно до стандартних тиглів діаметром 330, 356 і 406 мм, які забезпечують масу кремнію, що завантажується, 35, 50 і 78 кг, відповідно. Особливістю цих теплових вузлів є використання трифазних нагрівачів.

При розробці технології одержання литих кремнієвих виробів без раковин здійснено вдосконалення існуючої вакуумної системи установки лиття з метою досягнення залишкового тиску в камері установки не більше 510^-3 мм.рт.ст., шляхом додаткового оснащення дифузійним пароолійним насосом Н-400. При випробуваннях модернізованої вакуумної системи вдалося досягти залишкового тиску в камері 110^-5…110^-6 мм.рт.ст. без теплового навантаження та тиску (2...8)·10^-3 мм.рт.ст. при сумарному тепловому навантаженні 100 кВт.

Як було зазначено у розділі 3, для запобігання утворенню раковин при кристалізації виробів, необхідно здійснювати витримку розплаву кремнію при залишковому тиску не більше 810^-3 мм.рт.ст. Використовуючи встановлене нами значення питомої швидкості дегазації та формулу (1) побудовано залежність тривалості дегазації від маси вихідного завантаження та типорозмірів використаних тиглів (рис. 8).

У процесі виконання дисертаційної роботи за розробленою технологією у промисловому виробництві освоєно наступну номенклатуру продукції: суцільні пластини діаметром 940х22 і 810х22 мм; пластини полегшеної конструкції діаметром 320х40, 584х70, 643х107 мм; сендвіч-структура, що складається із пластини полегшеної конструкції діаметром 515х70 мм і решітки 515х15 мм; пластини у вигляді восьмигранників з нерівновеликими осями симетрії 636х433х60 мм, 522х397х60, 402х292х50 мм.

У додатках наведено акти про впровадження результатів дослідження у виробництво та у навчальний процес, алгоритм розробленої методики визначення вмісту водню у кремнії, а також фотографії зразків кремнієвих заготівок дзеркал, які були одержані під час виконання дисертаційних досліджень за безпосередньою участю автора.

Висновки

1. Розроблено методику визначення масової частки водню у вихідних і литих кристалах кремнію методом плавлення в потоці газу-носія для трьох піддіапазонів: 0,004…0,110^-3;0,1…0,310^-3;0,3…0,610^-3% мас включно, за допомогою якої встановлено, що вміст водню у вихідному кремнії залежить від способу одержання і подальшої переробки кремнію та коливається в межах 0,0910^-3…0,4510^-3% мас.

2. Розроблено методику визначення питомої швидкості дегазації розплаву кремнію, за допомогою якої встановлено її значення (7,4·10^-30,2·10^-3 см³/см²хв ) при залишковому тиску у камері установки 8·10^-3 мм.рт.ст., що дозволило розрахувати оптимальний час витримки розплаву (15…99 хв.) в залежності від маси завантаженого кремнію (4…78 кг) і типорозміру використовуваного тигля (діаметр 200…406 мм).

3. Вдосконалено спосіб лиття кремнію в ливарні форми, що включає розплавлювання кремнію, ексцентричне заливання розплаву в підігріті відкриті ливарні форми і спрямовану кристалізацію з використанням верхнього теплопідведення у кремнієвому гарнісажі з питомою швидкістю 0,03 …0,9 г/см²·хв і на його основі розроблено промислову технологію виготовлення кремнієвих заготівок діаметром до 1000 мм,

4. Встановлено, що температура розплаву перед заливанням повинна перебувати в інтервалі 1412...1450°С, а температура ливарної форми - 900...1100°С, що забезпечує одержання якісних виробів і багаторазове використання ливарної форми.

5. На підставі розробленої фізичної моделі плаского нагрівача опору розроблено конструкцію нагрівача з фрезеруванням рівновеликими перерізами та конструкцію нагрівача для одержання виробів з центральним отвором з Y-подібним фрезеруванням, які забезпечують мінімальні температурні радіальні градієнти 0,7 К/см та 1,7 К/см відповідно.

6. Встановлено, що для одержання заготівок кремнію діаметром 420...1000 мм найбільш ефективним є використання відкритих ливарних форм із вільною поверхнею кристалізації. Розроблено конструкції відкритих ливарних форм для одержання суцільних і полегшених виробів, що забезпечують мінімальні радіальні температурні градієнти 0,5...0,64 К/см відповідно.

7. Встановлено, що раковини у литих кремнієвих виробах утворюються на границі стику шарів, що кристалізуються, при цьому порушуються умови виводу газу з їх обєму. Для запобігання утворення раковин розплав необхідно дегазувати шляхом витримки у вакуумі при залишковому тиску не більше 5·10^-2 мм.рт.ст.

Список опублікованих праць здобувачем за темою дисертації

1. Рябець О.М. Дослідження процесу одержання литих кремнієвих виробів без раковин / О.М. Рябець, Д.І. Левінзон, Л.Є. Березенко // Нові технології. Науковий вісник КУЕІТУ. - 2006. - № 1(11). - С. 22 - 26.

2. Левинзон Д.И. Вплив водню на якість кремнієвих виробів / Д.І. Левінзон, О.М. Рябець, Р.В. Головаха // Нові технології. Науковий вісник КУЕІТУ. - 2006. - № 4(14). - С. 7 - 10.

3. Рябець О.М. Оптичні системи полегшеної конструкції із напівпровідникового кремнію / О.М. Рябець, Д.І. Левінзон, Л.Є. Березенко // Складні системи і процеси. - 2008. - №2 (14). - С. 83 - 87.

4. Рябець О.М. Одержання великогабаритних кремнієвих пластин методом лиття з використанням відкритих графітових ливарних форм / О.М. Рябець, Д.І. Левінзон, Л.Є. Березенко // Нові технології. Науковий вісник КУЕІТУ. - 2009. - № 1(23). - С. 36 - 42.

5. Рябець О.М. Розробка методик визначення вмісту водню та питомої швидкості дегазації розплаву кремнію / О.М. Рябець, Д.І. Левінзон // Нові технології. Науковий вісник КУЕІТУ. - 2009. - № 3(25). - С. 23 - 27.

6. Пат. 38037 Україна, МПК (2006) В 22 D 15/00. Спосіб одержання кремнієвої пластини методом лиття / [О.М. Рябець, Л.Є. Березенко, С.І. Давидов та інш.]; заявник і власник КП "Запорізький титано-магнієвий комбінат". - № u 2008 06204 ; заявл. 12.05.08; опубл. 25.12.2008, Бюл. № 24.

7. Рябець О.М. Новий підхід до одержання великогабаритних пластин із полікристалічного кремнію / О.М. Рябець // Електронна компонентна база. Становище та перспективи розвитку: зб. наук. праць 2-ї міжнар. наук. конф., Кацівелі, 30 вересня - 3 жовтня 2009 р. - Харків: ХНУРЕ, 2009. - С. 118 - 121.

8. Левінзон Д.І. Одержання кремнієвих виливків без раковин методом лиття / Д.І. Левінзон, О.М. Рябець, Л.Є. Березенко // Дні науки: зб. тез доп. наук.-практ. конф. "Системний аналіз і управління", Запоріжжя, 27 - 28 жовтня 2005 р. / ред. кол.: В.М. Огаренко. - Запоріжжя: ГУ "ЗІДМУ", 2005. - Т. 1. - С. 267 - 268.

9. Рябець О.М. Дослідження процесу одержання литих кремнієвих виробів без раковин / О.М. Рябець, Д.І. Левінзон, Л.Є. Березенко // Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології: зб. тез доп. наук.-техн. конф. з міжнар. участю "МЕТІТ-2", Кременчук, 17 - 19 травня 2006 р. / укл. В.Р. Петренко, О.А. Палант. - Кременчук: КУЕІТУ, 2006. - С. 92 - 93.

10. Левінзон Д.І. Вплив динаміки заповнення ливарної форми розплавом кремнію на якість відливків / Д.І. Левінзон, О.М. Рябець, Л.Є. Березенко // Дні науки: зб. тез доп. наук.-практ. конф. "Системний аналіз і управління", Запоріжжя, 5 - 6 жовтня 2006 р. / ред. кол.: В.М. Огаренко. - Запоріжжя: ГУ "ЗІДМУ", 2006. - Т. 3. - С. 84 - 85.

Авторові особисто належить здійснення експериментів з дослідження впливу швидкості заливання розплаву на якість литих кремнієвих виробів.

11. Левінзон Д.І. Технологія виробництва великогабаритних кремнієвих пластин для оптики методом лиття / Д.І. Левінзон, О.М. Рябець, Л.Є. Березенко // III Українська наукова конференція з фізики напівпровідників: тез. доп., Одеса, 17 - 22 червня 2007 р. - Одеса: Астропрінт, 2007. - С. 403.

Авторові особисто належить постановка завдання, формулювання ключових особливостей технології одержання великогабаритних кремнієвих пластин для оптики.

12. Левінзон Д.І. Дефектоутворювання у литих кремнієвих трубах / Д.І. Левінзон, О.М. Рябець, Л.Є. Березенко // Дні науки: зб. тез доп. наук.-практ. конф. "Системний аналіз і управління", Запоріжжя, 11 - 12 жовтня 2007 р. / ред. кол.: В.М. Огаренко. - Запоріжжя: ГУ "ЗІДМУ", 2007. - Т. 3. - С. 143 - 144.

Авторові особисто належить проведення аналізу та класифікація дефектів у литих кремнієвих трубах.

13. Рябець О.М. Одержання великогабаритних кремнієвих пластин методом лиття з використанням трифазного графітового нагрівача / О.М. Рябець, Д.І. Левінзон, Л.Є. Березенко // Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології: зб. тез доп. наук.-техн. конф. з міжнар. участю "МЕТІТ-3", Кременчук, 21 - 23 травня 2008 р. / укл. В.Р. Петренко, О.І. Черниш. - Кременчук: КУЕІТУ, 2008. - С. 184 - 185.

Авторові особисто належить постановка завдання, дослідження і розробка конструкцій графітових пласких нагрівачів для здійснення спрямованої кристалізації кремнієвих виробів методом лиття.

14. Рябець О.М. Одержання кремнієвих пластин полегшеної конструкції для оптики методом лиття / О.М. Рябець // Матеріали електронної техніки та сучасні інформаційні технології: зб. тез доп. наук.-техн. конф. з міжнар. участю "МЕТІТ-3", Кременчук, 21 - 23 травня 2008 р. / укл. В.Р. Петренко, О.І. Черниш. - Кременчук: КУЕІТУ, 2008. - С. 221 - 222.

15. Левінзон Д.І. Великогабаритні кристалічні деталі з германію та кремнію для оптичних систем / Д.І. Левінзон, О.М. Рябець // Дні науки: зб. тез доп. наук.-практ. конф. "Системний аналіз і управління", Запоріжжя, 23 - 24 жовтня 2008 р. / ред. кол.: В.М. Огаренко. - Запоріжжя: ГУ "ЗІДМУ", 2008. - Т. 2. - С. 147.

Авторові особисто належить аналіз останніх досягнень в галузі технологій одержання великогабаритних деталей для оптичних систем на основі кремнію.

16. Рябець О.М. Одержання великогабаритних кремнієвих пластин методом лиття з використанням відкритих графітових ливарних форм / О.М. Рябець, Д.І. Левінзон, Л.Є. Березенко // Інформаційні технології в економічних та технічних системах: зб. тез доп. III всеукр. наук.-техн. конф. молодих учених та студентів "ІТЕТС-2009", Кременчук, 15 - 16 квітня 2009 р. / укл. В.Р. Петренко, О.І. Черниш. - Кременчук: КУЕІТУ, 2009. - С. 221 - 222.

17. Рябець О.М. Одержання великогабаритних кремнієвих пластин для оптико-электронних систем методом лиття / О.М. Рябець, Д.І. Левінзон // IV Українська наукова конференція з фізики напівпровідників: тези доп., Запоріжжя, 15 - 19 вересня 2009 р. - Запоріжжя: Класичний приватний університет, 2009. - Т. 1. - С. 176 - 177.

Авторові особисто належить проведення експериментальних досліджень можливостей одержання великогабаритних кремнієвих пластин складної конфігурації для оптико-електронних систем.

18. Riabets Alexei N. Silicon substrates and casting process development for large-sized spaceborne optics / Alexei N. Riabets // Optics and High Technology Material Science: proceedings of the 10th International Young Scientists Conference "OHTM-2009", Kiev (Ukraine), 22 - 25 October 2009. - Kiev, 2009. - P. 161.

Авторові особисто належить формулювання основних положень способу вирішення проблеми одержання великогабаритних кремнієвих пластин для космічної оптики.

Анотація

Рябець О.М. Технологія одержання великогабаритних кремнієвих заготівок для оптико-електронних систем. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.27.06 - Технологія, устаткування і виробництво електронної техніки. - Кременчуцький університет економіки, інформаційних технологій і управління, Кременчук, 2009.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню процесів одержання великогабаритних кристалів кремнію методом лиття та розробці технологій, спрямованих на підвищення їх якості.

Вдосконалено спосіб одержання кремнієвих виливків заливанням розплаву у відкриті ливарні графітові форми з використанням верхнього теплопідведення і подальшою спрямованою кристалізацією. Показано, що спрямована кристалізація у розбірних графітових формах може здійснювати лише у кремнієвому гарнісажі.

Розроблено конструкцію пласких нагрівачів, ливарних форм і теплового вузла для проведення направленої кристалізації великогабаритних виробів, що забезпечують мінімальні температурні градієнти.

Розроблено методики визначення вмісту водню в кремнії та питомої швидкості дегазації розплаву кремнію.

Визначено характер розподілу газових раковин у виробах різної конфігурації. Встановлено, що раковини у литих кремнієвих виробах утворюються на границі стику шарів, що кристалізуються, при цьому порушуються умови виводу газу з їх обєму.

Розроблено промислову технологію одержання великогабаритних кремнієвих заготівок суцільної та полегшеної конструкції діаметром до 1000 мм.

Ключові слова: кремній, оптика, литво, ливарна форма, тепловий вузол, водень, раковини.

Аннотация

Рябец А.Н. Технология получения крупногабаритных кремниевых заготовок для оптико-электронных систем. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06 - Технология, оборудование и производство электронной техники. - Кременчугский университет экономики, информационных технологий и управления, Кременчуг, 2009.

Диссертационная работа посвящена исследованию процессов получения крупногабаритных кристаллов кремния методом литья и разработке технологий, направленных на повышение их качества.

Усовершенствован способ получения кремниевых отливок заливкой расплава в открытые литейные формы из графита с использованием верхнего теплоподвода и последующей направленной кристаллизацией заливаемого объема. Применение верхнего теплоподвода позволило осуществить управляемую направленную кристаллизацию расплава с удельной скоростью 0,03…0,9 г/см²·мин. Установлено, что направленная кристаллизация в графитовых формах разборной конструкции может осуществляться исключительно в кремниевом гарнисаже. Найдены условия формирования и произведена оценка толщины кремниевого гарнисажа, образующегося при заливке расплава.

Определен процесс взаимодействия расплава кремния с графитом различных марок, применяемых для изготовления литейных форм. Экспериментально установлено, что для получения качественных отливок и многократного использования литейной формы, температура заливаемого расплава должна находится в интервале 1412…1450 С, а температура литейной формы - 900…1100 С.

На основании разработанной физической модели нагревателя сопротивления разработаны конструкции нагревателей с фрезеровкой равновеликими сечениями и Y-образной фрезеровкой для получения изделий с центральным отверстием, что позволило снизить радиальные градиенты до 1,7 К/см и 0,7 К/см соответственно. Разработана конструкция теплового узла для проведения направленной кристаллизации крупногабаритных изделий.

Разработаны конструкции открытых разборных литейных форм из графита для получения цельных и облегченных изделий из кремния. Предложен новый подход к получению изделий облегченной конструкции, заключающийся в том, что полости формируют путем установки в литейную форму цельных или разборных графитовых стержней. Показано, что цельные стержни следует изготавливать из графита, КТЛР которого превышает КТЛР кремния.

Разработаны методики определения содержания водорода в кремнии и удельной скорости дегазации расплава. Установлено, что для получения отливок без раковин расплав должен быть дегазирован от водорода путем выдержки в вакууме перед заливкой в литейную форму при давлении в камере не более 5·10^-2 мм.рт.ст.

Определен характер распределения газовых раковин в изделиях различной конфигурации. Раковины образуются на границе стыка кристаллизующихся слоев. В изделиях сложной конфигурации раковинами поражаются периферийные области и ребра жесткости, где протекают быстротекущие процессы кристаллизации, при которых нарушаются условия вывода газа из их объема.

Разработана промышленная технология получения крупногабаритных кремниевых изделий цельной и облегченной конструкции диаметром до 1000 мм для оптико-электронных систем, в основу которой положен способ литья в открытые подогреваемые графитовые литейные формы.

Результаты разработок внедрены в промышленное производство на КП "Запорожский титано-магниевый комбинат".

Ключевые слова: кремний, оптика, литье, литейная форма, тепловой узел, водород, раковины.

Abstract

A.N. Ryabets. Large silicon ingot technology for optoelectronic systems. - Manuscript.

Thesis for the сandidate of science degree in specialty 05.27.06 - Technology, equipment and production of electronics. - Kremenchuk University of Economics, Information Technologies and Management, Kremenchuk, 2009.

The thesis is aimed to investigate the process of large silicon crystal casting and to develop the technologies focused on improvement of the quality.

Silicon casting technology by eccentric filling the melt in open graphite molds using overhead heat supply and followed by direct crystallization of the filling bulk has been developed. It is found that direct crystallization in graphite movable molds can be performed only if the silicon scull layer is provided.

The design of heaters, casting moulds and thermal unit is developed for making of an oriented crystallization of large-sized blanks.

The approaches were developed to determine the hydrogen content in silicon and a specific rate of melt degassing.

The air bubble pattern in respect of the products of various shapes was established. Bubbles are formed on the junction border of crystallizing layers which affect the conditions of gas removal from the products.

The industrial technology was developed, in particular the advanced technology for production of solid and lightweight large size silicon blanks with diameter up to 1000 mm for optoelectronic systems.

Keywords: silicon, optical system, casting, mold, furnace, hydrogen, bubbles.

Размещено на Allbest.ru

...