Новые материалы

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

скачать книгу Новые материалы

тепловыделения наблюдается при температуре значительно ниже начала интенсивного роста зерен. Природа этого тепловыделения связана с процессами возврата, а также началом переупорядочения. Следует отметить высокую термостабильность наноструктурного состояния этого интерметаллида, позволившую реализовать его уникальное сверхпластическое течение [4].
...
Необычные свойства НСМ и области применений. Специфические микроструктуры в объемных наноматериалах определяют их необычные свойства, многие из которых уникальны и весьма привлекательны для практического использования. Эти специфические качества связаны с изменением некоторых фундаментальных свойств материала при уменьшении размера частиц или зерна, а также с изменением соотношения некоторых объемных и поверхностных свойств.
...
К уникальным особенностям наноматериалов относятся отличия их температур плавления и размеров кристаллических решеток от соответствующих величин в материалах с обычной структурой. В связи с этим возникает вопрос о справедливости использования термина «постоянные решетки», применительно к размерам решетки.
...
С уменьшением размера частиц растет их поверхностная энергия. В результате изменяется (снижается) температура плавления частицы. Выражение для температуры плавления (Тш)
...
где Тш и Т^г) — температуры плавления массивного материала и наночастицы этого материала радиусом г, рж, рт - плотности жидкой и твердой частиц; а, аж — поверхностное натяжение твердой и жидкой частиц.
...
Установлено также уменьшение параметра решетки для металлов и некоторых соединений при уменьшении размера частиц. Так, при уменьшении диаметра частиц алюминия от 20 до бнм период решетки уменьшается примерно на 1,5 %. Размер, ниже которого наблюдается уменьшение параметра решетки, различен для разных металлов и соединений.
...
Наноструктурные металлы и сплавы могут обладать высокой коррозионной стойкостью. В частности, эксперименты демонстрируют возможность получения обычных углеродистых сталей в наноструктурном состоянии с более высокими коррозионными свойствами, чем у специальных нержавеющих сталей. Результаты недавних исследований пока-
...
Однако особый интерес представляют механические свойства объемных наноструктурных материалов. Как свидетельствуют теоретические оценки, с точки зрения механического поведения формирование наноструктур в различных металлах и сплавах может привести к высокопрочному состоянию в соответствии с соотношением Холла—Петча, а также к появлению низкотемпературной и/или высокоскоростной сверхпластичности [4].
...
Вместе с тем, как отмечалось выше, существуют нерешенные проблемы в получении таких наноматериалов специальными методами порошковой металлургии — газовой конденсацией или шаровым размолом, в связи с сохранением в них при компактировании некоторой остаточной пористости и наличием дополнительных трудностей при приготовлении массивных образцов. Как результат, до недавнего времени были выполнены лишь единичные работы по исследованию механических свойств наноструктурных металлов и сплавов, имеющих размер зерен около 100 нм и менее. Большинство проведенных исследований связано с измерениями микротвердости, и полученные данные весьма противоречивы. Например, в некоторых исследованиях обнаружено разупрочнение при уменьшении зерен до нанометрических размеров, в то же время в ряде других работ наблюдали в этом случае упрочнение, хотя наклон кривых был меньше, по сравнению с соотношением Холла— Петча. При растяжении эти НСМ оказались очень хрупкими, несмотря на высокую твердость.
...
Многие из этих проблем удалось преодолеть при создании наноструктур в крупнокристаллических материалах, за счет использования методов ИПД. Полученные образцы позволили начать систематические исследования механических свойств на растяжение и сжатие во многих металлических материалах, включая промышленные сплавы. Было продемонстрировано, что в полученных наноструктурных образцах могут наблюдаться очень высокие прочностные свойства. Более того, полученные материалы часто проявляют сверхпластичность при относительно низких температурах и могут демонстрировать высокоскоростную сверхпластичность. Недавние исследования [4] показали также новые возможности повышения механических свойств в наноструктурных сплавах с метастабильной структурой и фазовым составом. Формирование метаста-бильных состояний позволяет получить особо прочные материалы после последующих отжигов, что связано не только с наличием очень мелкого зерна, но также со специфической дефектной структурой границ зерен, морфологией вторых фаз, повышенным уровнем внутренних напряжений, кристаллографической текстурой и т. д. В связи с этим становится актуальной задача комплексного исследования влияния структурных особенностей наноматериалов на их механическое поведение.
...
Например, наноструктурная Си, полученная РКУ прессованием, в сравнении с хорошо отожженным крупнозернистым состоянием, проявляет два наиболее существенных различия: во-первых, в несколько раз более высокое значение предела текучести, превышающее 400 МПа, и, во-вторых, значительно менее выраженное деформационное упрочнение на стадии пластического течения. Короткий отжиг не приводит к заметному росту зерен, однако ведет к возврату дефектной структуры их границ, выраженному в резком уменьшении внутренних напряжений. Несмотря на аналогичный размер зерен, имеется весьма существенная разница деформационного поведения в этих двух состояниях. После кратковременного отжига вид кривой «истинное напряжение — деформация» становится похожим на вид кривой, соответствующей крупнокристаллической Си. Этот результат очень важен и показывает, что на прочностные свойства наноструктурных материалов может влиять не только средний размер зерна, но и дефектная структура границ зерен.
...
Развитием этих работ [4] явилось обнаружение нового эффекта, заключающегося в одновременном увеличении прочности и росте пластичности в металлах после интенсивных пластических деформаций. Известно, что при обычных обработках чем больше величина деформации, тем прочнее металл, но тем меньше ресурс его пластичности. Физическая
...
природа нового явления, названного «парадоксом прочности и пластичности в ИПД материалах», связана с формированием наноструктур и изменением микромеханизмов деформации.
...
В проведенных исследованиях [9] чистую Си (99,996 %) подвергали РКУ прессованию, а чистый Ti (99,98 %) и интерметаллид Ni3Al - кручению под высоким давлением. Интенсивная пластическая деформация осуществлялась при комнатной температуре. Результаты механических испытаний на растяжение для каждого из этих материалов показаны на рис. 1.7, где приведены кривые
...
«напряжение-деформация» для состояния, полученного интенсивной пластической деформацией, крупнозернистого, отожженного состояния, а также состояния, подвергнутого обычной деформации прокаткой или экструзией.
...
Исходная крупнозернистая Си с размером зерен около 30 мкм проявляет типичное поведение (рис. 1.7, кривая 7), связанное с низким пределом упругости, незначительным деформационным упрочнением и высокой пластичностью. После холодной прокатки наблюдается существенное повышение прочности Си, но значительно снижается пластичность (рис. 1.7, кривая 2).
...
Аналогичная закономерность была обнаружена в Ti, подвергнутом интенсивной пластической деформации кручением (рис. 1.7, б).
...
Интерметаллид Ni3Al в рекристаллизованном состоянии, полученном горячей экструзией (размер зерна бмкм), проявляет ограниченную пластичность, в том числе при растяжении при 650 °С (рис. 1.7, в,
...
Интенсивная деформация кручением в один оборот увеличивает прочность, но пластичность остается незначительной (рис. 1.7, в, кривая 9).
...
Таким образом, испытания всех 3-х материалов показали, что под воздействием интенсивной пластической деформации, как кручением под высоким давлением, так и РКУ прессованием, их поведение качественно меняется, и они демонстрируют не только очень высокую прочность, но и пластичность. Такое поведение материалов принципиально отличается от поведения металлов и сплавов после большой пластической деформации, например, прокаткой или вытяжкой, где увеличение прочности обычно коррелирует с уменьшением пластичности.
...
Для понимания природы данного эффекта важно, что в условиях ИПД происходит формирование наноструктур, имеющих очень малый размер зерен (около 100 нм). Наноструктуры, формирующиеся в результате интенсивной пластической деформации, качественно отличаются от
...
ячеистых или фрагментированных микроструктур, образующихся после обычных больших деформаций. Очевидно, вследствие формирования наноструктур может происходить изменение механизмов деформации в условиях растяжения образцов, когда наряду с движением решеточных дислокаций активное участие начинают принимать процессы на границах сформировавшихся при интенсивной пластической деформации нанозерен, в частности, зернограничное проскальзывание [4, 10].
...
Как известно, сочетание прочности и пластичности является необходимым условием для разработки перспективных материалов. В этой связи достижение очень высокой прочности и пластичности в металлах и сплавах, подвергнутых интенсивной пластической деформации, открывает пути создания принципиально новых конструкционных материалов, микроструктуры которых являются наноразмерными.
...
Такие наноструктурные материалы могут обладать более высокими значениями прочности, ударной вязкости, усталости, в сравнении с используемыми в настоящее время промышленными материалами. Например, наноструктурный титан BTI-0 после ИПД проявляет очень высокие значения предела прочности ав = 1010...1040 МПа и выносливости а_[ = 591 МПа, что превышает аналогичные параметры высоколегированного Ti сплава ВТ-6 (ав = 990... 1000 МПа и а_,
...
При этом в отличие от титановых сплавов, широко используемых в медицине, чистый титан обладает полной биологической совместимостью с живой тканью человека.
...
Еще один пример — рекордные значения сверхпластичности, значительно превышающие аналогичные, характерные для микрозернистого состояния. Измельчение структуры в А1- и Ti-сплавах, используя ИПД, позволило существенно сместить скоростной интервал проявления сверхпластической деформации в область более высоких скоростей (рис. 1.9), при этом одновременно снизить температуру деформации. Такие уникальные свойства наноструктурных сплавов позволяют значительно расширить возможности практического применения высокоскоростной и низкотемпературной сверхпластичности для эффективной формовки различных деталей и изделий сложной формы. Более того, сверхпластичные наноструктурные материалы могут использоваться в качестве соединительных слоев для сварки различных материалов в твердом состоянии и разного химического состава.
...
В объемных наноматериалах изменяются не только механические свойства. В ферромагнитных материалах, в которых размеры зерен становятся соизмеримыми с размерами доменов, существенно (в 10 раз) возрастает коэрцитивная сила, а доменная структура по своему характеру отличается от структуры в обычных материалах. В объемных наноструктурных кремнии и германии изменяются оптические свойства.
...
Весьма существенно могут изменяться магнитные свойства наночастиц по сравнению с массивным материалом. Это видно из сопоставления свойств массивного материала и наночастиц из этого материала на примере ряда металлов:
...
Изменение магнитных свойств наноматериалов отражает изменения самой кристаллической структуры твердых тел. При уменьшении размера ферромагнетика замыкание магнитных потоков внутри него оказывается все менее выгодным энергетически. При достижении некоторого критического размера (d
...
В целом магнитные свойства наноматериалов представляют новые и многообещающие возможности для новых открытий и достижений. Тонкие слои магнитных материалов, таких как железо, в сочетании со слоями халькогенидов, имеют важное значение для нелетучих записывающих устройств.
...
Природа влияния наноразмеров зерна на физические и служебные свойства металлов неоднозначна. Вместе с тем представляет интерес сделанная в работе [4] попытка связать этот вопрос для материалов,
...
Рис. 1.9. Проявление высокоскоростной сверхпластичности в нанозернистом алюминиевом сплаве 1420 при испытании растяжением
...
По этой концепции в обычных материалах имеет место равновесное состояние зернограничной структуры с минимальной свободной энергией при данных кристаллогеометрических параметрах и внешних условиях. В то же время в нанозернистых материалах границы зерен содержат избыточные по отношению к телу зерна дислокации и лисклина-ции, т. е. система «объем зерна — граница зерна» неравновесна.
...
При ИПД происходит переход (превращение) внутризеренных дислокаций в зернограничные. В измельченных при ИПД зернах резко возрастает количество дефектов структуры, т. е. их неравновесность. Атомные смещения в приграничных областях меняют динамику колебания решетки, приводя к изменению таких фундаментальных свойств, как упругие модули, температуры Кюри, Дебая и т. п.
...
При нагреве зернограничные дислокации и дисклинации переходят в объем зерна, и металл переходит в обычное состояние с обычным уровнем свойств.
...
Интересным и перспективным направлением использования наноматериалов является подшихтовка УД порошков к обычным порошкам при их прессовании и спекании. При подшихтовке 0,1...0,5%
...
Из реализованных на практике объемных компактных наноматериалов, кроме приведенного выше примера порошковой стали и исполъзо-вания нано-структурного титана в медицине, в качестве материала для имплантантов, протезов и инструментария следует указать на постоянные магниты с повышенной коэрцитивной силой и перспективность нанозернистых изделий в авиа- и автомобилестроении, в качестве высокопрочных резьбовых соединений.
...
Наряду с металлическими объемными наноматериалами получены также и неметаллические. Примером могут служить полинанокристал-
...
лические алмазы, т. е. поликристаллические алмазы с нанометровым размером составляющих их кристаллов. Сверхтвердое вещество получается при обработке давлением кристаллов-фуллеритов, образованных фуллеренами - сфероподобными молекулами углерода С60, в которых атомы углерода располагаются по сфере, образуя на ее поверхности пяти- и шестиугольники.
...
Кроме чистых фуллеренов известны также и металлофуллерены, в частности фазы типа FexC60, обладающие высокими механическими свойствами, которые были обнаружены при спекании смеси порошков железа и чугуна в вакууме.
...
Особой разновидностью компактных наноматериалов являются тонкие пленки, представляющие собой двумерные наноматериалы. Используемые главным образом в электронной технике, эти пленки получают конденсацией из паровой фазы, осуществляя, например, электроннолучевое или магнетронное распыление.
...
Нанопроволоки и нановолокна. Нанопроволоки, металлические наноп-роволоки для электронных микросхем, а также нанопроволоки из точеных наночастиц («мушек»), выращивают методом конденсации из паровой фазы на ступенчатых подложках (рис. 1.10). Требуется, чтобы поверхностная энергия материала подложки (субстрата) превышала поверхностную энергию абсорбата. Так, для получения медных проволок требуется подложка из молибдена. На вольфраме, имеющем более высокую поверхностную энергию, формируются цепочки нано-«мушек». Сущность процесса заключается в том, что паровая частица, осевшая на плоскости «ступеньки», под влиянием поверхностных сил диффундирует по плоскости ступеньки в ее угол, где действуют силы двух плоскостей. Процесс позволяет получать нанопроволоки как в виде «прутков» диаметром порядка 3 нм, так и в виде «полосок» такой же
...
Нанопроволот на основе кремния и германия. Нановолокна (нанопро-волоки) кремния в изоляционной оболочке из Si02, а также нановолокна германия привлекают в последние годы внимание как материал для электронных наноприборов. Для их получения были опробованы различные способы, включая фотолитографию, технику травления и т. п. Наиболее перспективным оказался метод лазерного облучения мишеней из смесей Si + Si02, Si + Fe203, Ge + Si02, Ge + Ge02 по известной схеме ПЖТ (пар — жидкость — твердое) (рис. 1.11).
...
Углеродные нанотрубки. Углеродные нанотрубки как полые, так и заполненные либо металлами, либо карбидами или оксидами, получают несколькими способами: пиролизом углеводородов в присутствии металлического катализатора при 700... 1000 °С; в дуговом разряде на торце графитового катода; электролизом солей галогенов между графитовыми электродами.
...
В последнее время все большее внимание привлекают многостенные наполненные нанотрубки с внешним диаметром 2...70 нм и длиной до 60 мкм.
...
Трубки, наполненные железом, никелем, кобальтом, а также интерметалл идами самария с кобальтом типа Sm^Co^ используют в магнитных чернилах и тонерах при ксерографии. Трубки, наполненные карби-Рис. 1.П.
...
Освоение наноматериалов в последние годы уверенно выходит на промышленный уровень. Некоторые страны и объединения (США, Япония, НАТО и др.) вкладывают сотни миллионов долларов в разработку способов синтеза, исследования свойств, производство наноматериалов, изготовление приборов и конструкций с использованием наноматериалов.
...
Уже в конце 80-х годов XX века США и Япония ежегодно тратили на исследования в области наноматериалов порядка ПО... 120 млн долларов. Только в США более трех десятков компаний ведут на различном уровне работу по их производству. Многие наноматериалы уже доступны на рынке. В настоящее время они широко используются в микроэлектронике, способствуя дальнейшей миниатюризации электронных приборов, в защитных системах поглощения ВЧ- и рентгеновского излучений, в качестве катализаторов (чему способствует огромная, порядка 5 • 107 м^1 удельная поверхность нанопорошков). В атомной энергетике таблетки ТВЭЛов изготавливаются из УДП U02, в термоядерной технике из УДП бериллия изготавливают мишени для лазерно-термо-ядерного синтеза. Металлические нанопорошки добавляют к моторным маслам для восстановления трущихся поверхностей. Наноматериалы используют в качестве сверхпрочных конструкционных материалов и износостойких покрытий. Пленочные наноматериалы плоской и сложной формы из магнито-мягких сплавов используются для видеоголовок видеомагнитофонов, существенно превосходя по служебным свойствам традиционные материалы. Полученные плазмохимическим способом УДП металлов с включениями карбидов используются в качестве шлифующего и полирующего материала при «финишинге» полупроводников и диэлектриков.
...
В медицине УДП применяют для защиты персонала от рентгеновского излучения (перчатки, фартуки и т. п. из резины с УДП свинцовым наполнителем в четыре раза легче обычных), а также для лекарств быстрого усвоения и действия, используемых в экстремальных условиях (ранения в катастрофах, боевых действиях и т. п.).
...
В военном деле УДП применяются в качестве радиопоглощающего покрытия самолетов-невидимок «Стеле», в новых видах взрывного оружия. В «графитовой бомбе» используются углеродные нановолокна, выводящие из строя энергосистемы противника. Трубчатые углеродные
...
Необычность свойств наноматериалов такова, что смело можно сказать: начиная с 90-х годов XX века научно-технический прогресс человечества стал определяться наноматериалами и нанотехнологнями.
...
На коммерческий рынок давно уже вышли не только металлические, но и неметаллические наноматериалы, такие, как оксиды кремния и железа, а оксиды алюминия, титана, сурьмы и др. на этот рынок выходят. Стали уже доступны некоторые карбиды с размером частиц 20...200нм. Быстро развивается сам рынок наноматериалов. Так, только в США за пять лет с 1996 по 2000 гг. объем рынка наноматериалов вырос с 42 до 154 млн долларов в год. При этом среднегодовой рост объема рынка наноматериалов составил почти 30 %, в том числе для наночастиц 24,2% и для нанопокрытий 43,1 %.
...
В крупных странах сформированы долговременные программы развития и практического использования наноматериалов. В качестве главной проблемы ставится практическое освоение технологий, обеспечивающих производство наноматериалов в достаточно больших объемах и конкурентоспособных на рынках сбыта продукции.
...
Полупроводниковые материалы по праву занимают одно из ведущих мест в раду важнейших материалов, определяющих уровень развития мировой цивилизации. Они составляют основу элементной базы современной электронной техники, без которой сегодня немыслим научно-технический прогресс. С развитием твердотельной электроники (и, прежде всего, микроэлектроники) связано успешное решение проблем крупномасштабной компьютеризации и информатизации, создания современных систем связи и телевидения, эффективной передачи и преобразования электроэнергии, разнообразной бытовой, медицинской и специальной электронной аппаратуры. Большую роль играют эти материалы в решении задач развития экологически чистых энергетики и холодильной техники, создания современных систем мониторинга загрязнений окружающей среды, а также высокочувствительной сенсорной техники широкого функционального назначения.
...
Развитию элементной базы твердотельной электроники уделяется большое внимание во всех передовых странах мира. Только в 1996 г. мировое производство полупроводниковых приборов в денежном исчислении превысило 160 млрд долларов, а в 2000 г. оно составило уже около 300 млрд долларов. Ежегодно в развитие этой области науки и техники вкладываются миллиарды долларов. Достижения физики, фи-зикохимии и технологии полупроводниковых материалов, а также полупроводникового материаловедения в значительной степени определяют прогресс в развитии твердотельной электроники. Наша страна традиционно занимала (и занимает сейчас) ведущие позиции в материаловед-ческой науке и располагает высококвалифицированными научными и инженерными кадрами, которые способны на современном уровне решать самые сложные научно-технические задачи развития технологии производства полупроводниковых материалов.
...
Характерной особенностью современного этапа развития электронной техники является вовлечение в сферу ее непосредственных интересов широкой номенклатуры полупроводниковых материалов. Важнейшими из них являются: кремний, арсенид галлия и большая группа других бинарных соединений и многокомпонентных твердых растворов на основе
...
2.1. АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
...
соединений А" В ; германий; карбид кремния; бинарные соединения и твердые растворы на основе узкозонных и широкозонных соединений AllBYl;
...
Материалом № 1 современной твердотельной электроники является кремний. Мировое производство монокристаллов кремния составляет по разным оценкам 8...9 тыс. т/г. Сегодня монокристаллический кремний -это самый совершенный кристаллический материал из огромного многообразия материалов, созданных когда-либо человеком или природой. Высокий уровень качества характерен и для ряда других хорошо освоенных полупроводниковых материалов. Современная полупроводниковая индустрия - это яркий пример выдающихся достижений человеческой мысли на пути развития мировой цивилизации, и ее дальнейший прогресс связан с решением непрерывно усложняющихся научно-технических задач.
...
Далее рассмотрим некоторые наиболее актуальные проблемы современного этапа развития технологии и материаловедения полупроводников.
...
Выращивание монокристаллов — одна из наиболее ответственных стадий на пути создания приборных структур. Вырезаемые из монокристаллов пластины используются либо для непосредственного формирования на их основе интегральных схем и дискретных приборов, либо в качестве подложек в процессах получения тонкопленочных эпитаксиальных структур. В обоих случаях к качеству монокристаллических пластин предъявляются очень высокие требования.
...
Основной тенденцией в развитии технологии получения монокристаллов широкого круга полупроводников является увеличение диаметра выращиваемых слитков, при одновременном непрерывном ужесточении требований к совершенству кристаллической структуры и однородности распределения задаваемых электрофизических характеристик в объеме материала. В случае кремния речь идет о получении бездислокационных монокристаллов диаметром до 450 мм, в случае GaAs, InP, GaSb, InSb, CdTe и др. — малодислокационных (Na
...
Наиболее универсальным методом выращивания монокристаллов больших диаметров остается метод Чохральского. Увеличение диаметра выращиваемых монокристаллов и необходимость обеспечения высокой экономической эффективности технологического процесса в цепочке
...
монокристалл-пластина требуют создания прецизионных большегрузных, высокопроизводительных и полностью автоматизированных ростовых установок. Если, например, в производстве монокристаллов кремния диаметром 200 мм используются печи с загрузкой до 150 кг, а диаметром 300 мм — до 250...300 кг, то переход на выращивание монокристаллов диаметром 450 мм требует создания ростового оборудования на загрузку 550...600 кг. При этом диаметр используемых кварцевых тиглей увеличивается до 0,9...1,0 м [1].
...
В настоящее время основной продукцией на мировом рынке полупроводникового кремния являются монокристаллы и пластины диаметром 150 и 200 мм. В 2001 г. ведущие производители кремния начали производство бездислокационных монокристаллов и пластин диаметром 300 мм. Ожидается, что к 2005—2006 гг. объемы производства пластин диаметром 300 мм сравняются с таковыми для пластин диаметром 200 мм, а в дальнейшем существенно их превысят. Кроме того, следует иметь в виду, что уже разработана и проходит опытно-промышленное опробование технология выращивания бездислокационных монокристаллов (и изготовления из них пластин) диаметром 400...450 мм.
...
Однако решение проблемы выращивания монокристаллов больших диаметров за счет последовательного увеличения массы исходной загрузки и размеров используемых кварцевых тиглей на каждом новом этапе увеличения диаметра слитка становится все менее экономически эффективным, т. к. связано с существенным увеличением энергозатрат, удорожанием тиглей и повышением расходов на обеспечение безопасных условий труда. С этой точки зрения особого внимания заслуживает метод вытягивания расплава с непрерывной подпиткой гранулированным или измельченным поликристаллическим кремнием. Основным преимуществом этого метода является возможность выращивать кристаллы большой массы из относительно небольшой и постоянной по объему ванны расплава в тиглях меньшего размера. Есть и другие принципиальные преимущества: обеспечение повышения однородности распределения примесей по длине и в поперечном сечении выращиваемого кристалла; решается проблема поддерживания постоянной формы фронта кристаллизации и неизменных тепловых условий у границы раздела кристалл — расплав на протяжении практически всего процесса. В настоящее время этот метод доведен до уровня промышленного использования.
...
С точки зрения повышения экономических показателей процесса несомненно перспективен и метод полунепрерывного вытягивания монокристаллов с периодической дозагрузкой горячего кварцевого тигля
...
через специальный бункер без разгерметизации и охлаждения ростовой установки. Серьезной и пока до конца не решенной проблемой в данном случае (как, впрочем, и в предыдущем) является постепенное накопление нежелательных фоновых примесей в расплавленной ванне (и, соответственно, в выращиваемом монокристалле) по мере увеличения количества дозагрузок. Существенно сдерживают широкое развитие метода и недостаточные механическая прочность и термостойкость используемых в настоящее время большегрузных кварцевых тиглей. Однако в этом направлении в последние годы наметились серьезные положительные сдвиги.
...
Весьма существенную роль в получении высококачественных монокристаллов больших диаметров играет конструкция теплового узла ростовой установки. Оптимизация тепловых узлов современных ростовых установок для выращивания монокристаллов проводится не только с учетом необходимости прецизионного управления процессами тепло- и массопереноса (ТМП) в расплаве большой массы, но и тепловыми полями в выращиваемом монокристалле. Именно такой подход обеспечивает сегодня получение бездислокационных монокристаллов кремния большого диаметра с контролируемыми природой и плотностью присутствующих в них микродефектов.
...
Оптимизация тепловых узлов требует проведения достаточно трудоемких исследований по установлению связи тепловых условий выращивания с электрофизическими характеристиками и структурными особенностями получаемых кристаллов. По мере увеличения диаметра выращиваемых монокристаллов такие исследования становятся все более трудоемкими и требуют больших материальных затрат. В связи с этим, в последние годы для оптимизации конструкций тепловых узлов ростовых установок и тепловых условий выращивания монокристаллов все шире используются методы математического и физического моделирования, учитывающие не только тепловые особенности моделируемых ростовых процессов, но и конкретные механизмы дефектообразования в выращиваемых кристаллах (см., например, [2]).
...
В последние годы для управления процессами ТМП в расплавах большой массы начинают широко использовать электромагнитные воздействия на расплав с помошью магнитных устройств на основе сверхпроводящих материалов. Наибольшее распространение получило использование постоянных магнитных полей. Однако интенсивно исследуются и возможности переменных электромагнитных воздействий, в первую очередь вращающих. Электрсшгагнитные воздействия за счет существен-
...
ного увеличения эффективной вязкости расплавов полупроводниковых материалов позволяют практически полностью подавить турбулентные течения в расплавленной ванне, обусловленные тепловой конвекцией, и тем самым резко снизить уровень колебаний температуры в подкрис-тальной области расплава (а соответственно, и уровень обусловленных ими колебаний скорости кристаллизации). Это приводит к существенному повышению однородности распределения примесей и уменьшению содержания структурных дефектов в объеме выращиваемых монокристаллов. Вместе с тем, в условиях различных электромагнитных воздействий существенно расширяются возможности создания контролируемых гидродинамических потоков, обеспечивающих оптимизацию условий ТМП в расплаве. В этом плане особого внимания заслуживают комбинированные электромагнитные воздействия [3].
...
Тепловые узлы современных ростовых установок изготавливаются из особо чистого изотропного графита (нагреватели, тигли, подставки) при широком использовании углеродсодержащих композитных материалов, обладающих хорошими теплоизоляционными свойствами (экраны).
...
При конструировании современных большегрузных установок выращивания монокристаллов больших диаметров приходится одновременно решать проблему создания надежной системы поддержки очень тяжелого слитка в процессе его вытягивания, а также оснащения соответствующих производственных участков вспомогательным оборудованием для транспортировки и монтажа графитовых деталей теплового узла и кварцевых тиглей, для выгрузки и транспортировки выращенного кристалла и его калибровки, обеспечения безопасных условий труда. Все это предполагает повышение уровня автоматизации, роботизации и стандартизации соответствующих процессов, для чего необходимо более широкое оснащение технологического и вспомогательного оборудования средствами современной высокочувствительной сенсорной техники.
...
В применении к монокристаллам «разлагающихся» полупроводниковых соединений (GaAs, InP, GaP, CdTe и др.) метод Чохральского реализован в варианте жидкостной герметизации расплава в тигле слоем борного ангидрида. Получение монокристаллов осуществляется в полностью автоматизированных установках высокого давления, обеспечивающих выращивание слитков диаметром до 150 мм и массой до 30 кг. При этом используют как совмещенный, так и раздельный процессы синтеза исходного соединения и выращивания монокристаллов. В качестве материалов для изготовления тиглей применяются кварцевое стекло и пиролитический нитрид бора.
...
Если проблема получения бездислокационных монокристаллов кремния большого диаметра при выращивании по методу Чохральского решается сравнительно просто, то на пути получения этим методом крупногабаритных малодислокационых монокристаллов большинства полупроводниковых соединений возникают принципиальные сложности. Они обусловлены, в первую очередь, существенно более низкими значениями критических напряжений образования дислокаций в этих материалах, их меньшей теплопроводностью и трудностью обеспечения стехио-метрического состава в процессе выращивания.
...
Для снижения плотности дислокаций в выращиваемых монокристаллах, в данном случае широко используется легирование до сравнительно высоких концентраций так называемыми упрочняющими примесями, повышающими критические напряжения образования дислокаций в соответствующих материалах. В качестве таких упрочняющих примесей хорошо зарекомендовали себя изовалентные примеси, обладающие высокой растворимостью в соответствующих полупроводниковых материалах и слабо влияющие на их электрофизические свойства (например, In в монокристаллах GaAs; Zn в монокристаллах CdTe).
...
Однако более предпочтительным способом получения малодислокационных монокристаллов является снижение уровня термических напряжений в выращиваемом из расплава слитке, поскольку именно термопластическая деформация является в данном случаем основной причиной генерации в нем дислокаций. Так как уровень термических напряжений напрямую связан с величиной осевых и радиальных температурных градиентов в выращиваемом кристалле, то естественно возникает задача снижения последних. При этом принципиально важным является линейный или близкий к нему характер осевого распределения температуры в кристалле в области, прилегающей к фронту кристаллизации.
...
Выполнить эти условия в традиционном процессе вытягивания монокристаллов из-под слоя герметизирующего флюса, без существенного поверхностного разложения слитка в области над флюсом, не удается. Новые возможности в этом плане предоставляет разработанный сравнительно недавно способ выращивания монокристаллов по методу Чохральского с жидкостной герметизацией расплава, в условиях поддержания в газовой атмосфере ростовой камеры над слоем флюса контролируемого давления паров летучего компонента соответствующего соединения, позволивший решить задачу создания необходимых тепловых условий выращивания, не опасаясь поверхностного разложения ра-
...
стущего кристалла. Сегодня этот метод успешно используется для получения монокристаллов GaAs и InP больших диаметров (до 150 мм и 75 мм, соответственно) с плотностью дислокаций < (1...2) • 104 см-2.
...
Наиболее перспективными методами выращивания малодислокационных монокристаллов разлагающихся полупроводниковых соединений больших геометрических размеров являются методы горизонтальной (ГНК) и вертикальной (ВНК) направленной кристаллизации в контейнере, размещаемом в запаянной кварцевой ампуле. Оба метода позволяют выращивать монокристаллы при достаточно низких температурных градиентах, в условиях строгого контроля стехиометрии. В последние годы все большее предпочтение отдается методу ВНК, который обеспечивает получение кристаллов цилиндрической формы в условиях осе-симметричного теплового поля и поддержания плоского фронта кристаллизации, а также отсутствия тепловой конвекции в расплаве. Специальная подготовка контейнеров из кварца или нитрида бора позволяет исключить их отрицательное влияние на качество выращиваемых монокристаллов. Особенно перспективным вариантом реализации метода ВНК является кристаллизация в условиях «движущегося температурного градиента». В настоящее время методом ВНК в промышленных условиях успешно выращиваются монокристаллы GaAs диаметром до 150 мм и массой 15...30кг, с плотностью дислокаций <5-103см~2 и с высокой однородностью распределения электрофизических свойств в объеме.
...
В последние годы резко повысился интерес к таким широкозонным полупроводниковым материалам как карбид кремния и нитриды элементов III группы Периодической системы. Эти материалы обладают очень высокими температурами плавления и чрезвычайно высокими давлениями паров летучих компонентов над собственными расплавами. Для выращивания достаточно крупных монокристаллов этих материалов приходится использовать кристаллизацию из растворов и различные методы кристаллизации из газовой фазы, в том числе в аппаратуре высокого давления. Получение достаточно крупных и совершенных монокристаллов этих широкозонных полупроводников связано с преодолением большого количества принципиальных сложностей и, за исключением карбида кремния, еще не вышло за рамки лабораторных исследований.
...
Резкое увеличение плотности монтажа и уменьшение размеров рабочих элементов в современных интегральных схемах диктует необходимость снижения рабочих токов и напряжений. В этих условиях существенно возрастает роль посторонних шумов, обусловленных, в первую
...
очередь, присутствием в активной области приборной композиции остаточных примесей и структурных дефектов, способных образовывать в полупроводниковом материале электрически- и рекомбинационноактив-ные центры. В связи с этим существенно ужесточаются требования к чистоте используемых в твердотельной электронике монокристаллов. Достаточно сказать, что в бездислокационных монокристаллах кремния большого диаметра, применяемых для изготовления ультрасверхбольших интегральных схем, суммарное содержание быстродиффундирующих примесей тяжелых металлов не должно превышать 1011 ат/см3, а углерода — (1...2)-1015 ат/см3. Большое внимание уделяется также обеспечению заданной концентрации и равномерного распределения кислорода в объеме кристалла (разброс концентрации в поперечном сечении <3...5 %).
...
Очень жесткие требования по содержанию электрически активных фоновых примесей выдвигаются и при решении проблемы получения высококачественных нелегированньгх полуизолирующих монокристаллов GaAs и InP, используемых в производстве дискретных приборов и интегральных схем СВЧ-диапазона. В данном случае помимо примесей тяжелых металлов необходимо строго ограничивать содержание в монокристаллах примесей элементов II и VI групп Периодической системы — Zn, Cd, Mg, S, Se, Те и др. (< 1 • 1014 ат/см3), а также кремния (< 1 • Ю14 ат/см3) и углерода (< I • I015 ат/см3).
...
Весьма существенная роль в решении проблемы чистоты отводится исходным и вспомогательным (технологические газы; материалы контейнеров, нагревательных элементов и тепловых экранов; химические реактивы и т. д.) материалам, содержание лимитирующих остаточных примесей в которых не должно превышать 1(Г7...10~9 %. Тем не менее очень многое зависит и от обеспечения стерильности самого ростового процесса. Особенно велика вероятность дополнительного загрязнения материала на стадии его подготовки к загрузке и в процессе осуществления самой этой операции (все необходимые операции, связанные с финишной подготовкой как исходной загрузки, так и контейнера, а также их размещением в ростовой камере, должны проводиться в особо чистых условиях). Транспортировка подготовленной загрузки к ростовой установке осуществляется в специальной чистой герметизированной таре. Серьезное внимание уделяется процессу подготовки самой ростовой установки, в том числе предварительному отжигу графитовых деталей теплового узла (и их хранению), а также исключению сильного перегрева расплава на стадии расплавления загрузки.
...
Серьезные новые задачи возникают и в оснащении все усложняющихся производств методами контроля качества продукции, особенно в применении к пластинам. По мере увеличения степени интеграции твердотельных электронных устройств все острее ощущается потребность в новых высокоразрешающих, экспрессных, высокоинформативных и автоматизированных бесконтактных методах контроля, объективно характеризующих пригодность монокристаллов и пластин для решения новых задач. Требования по количеству и размерам присутствующих в монокристаллах и на поверхности пластин дефектов ужесточаются с каждым годом, и возможности традиционных оптических и электрофизических методов контроля уже практически исчерпаны. Необходим переход на метрологию нового уровня, с использованием возможностей сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии, а также других современных методов контроля структуры и свойств с субмикронным и нанометровым разрешением. При этом новые средства контроля должны хорошо вписываться в идеологию создания гибких, непрерывных, высокопроизводительных автоматизированных технологических линий. Весьма актуальной становится и проблема экспрессного контроля загрязнения поверхности пластин металлическими примесями с чувствительностью на уровне ~108 ат/см2.
...
Для придания выращиваемым монокристаллам тех или иных электрофизических параметров, необходимых для успешного их использования в конкретных областях полупроводникового приборостроения, применяются процессы легирования определенными примесями. В настоящее время крут используемых в технологии важнейших полупроводниковых материалов легирующих примесей достаточно ограничен. Как правило, легирование осуществляется примесями, образующими мелкие донорные и акцепторные уровни в запрещенной зоне, соответственно у дна зоны проводимости или у потолка валентной зоны. При этом удается управляемо воздействовать на тип проводимости и концентрацию носителей заряда в полупроводнике. Иногда для легирования используются примеси, образующие глубокие уровни в запрещенной зоне, что позволяет воздействовать на диффузионную длину носителей заряда и регулировать степень компенсации электрически активных центров в легируемом материале.
...
В то же время, сегодня уже хорошо известно, что введение тех или иных легирующих добавок позволяет эффективно воздействовать на состояние ансамбля собственных точечных дефектов (СТД) в кристаллах, на особенности поведения в них дислокаций и сопутствующих
...
примесей, что в конечном итоге может привести к существенному расширению возможностей управляемого воздействия на свойства полупроводникового материала. С этой точки зрения большой интерес представляют уже упоминавшиеся изовалентные примеси, обладающие высокой растворимостью в соответствующих полупроводниках и позволяющие эффективно воздействовать на спектр энергетических уровней в их запрещенной зоне, на механические свойства монокристаллов, на их термостабильность и радиационную стойкость, на величину периода кристаллической решетки материала. К числу перспективных нетрадиционных легирующих добавок относятся и примеси редкоземельных элементов, необычные свойства которых привлекают к ним в последние годы пристальное внимание исследователей. Можно обоснованно предполагать, что в ближайшем будущем при получении кристаллов с необходимым набором свойств все большее значение будут приобретать методы сложного легирования с использованием как традиционных, так и нетрадиционных легирующих примесей.
...
Достигнутый в последние годы прогресс в получении бездислокационных и малодислокационных монокристаллов важнейших полупроводников большого диаметра выдвинул на передний план проблему особенностей дефектообразования в такого рода структурно совершенных (с точки зрения существующих представлений) средах, и прежде всего роли собственных точечных дефектов (СТД) в этих процессах. Особую остроту этой проблеме придает переход микроэлектроники на создание ультрасверхбольших интегральных схем (УСБИС) с использованием технологий субмикронного уровня, требующих дальнейшего существенного повышения качества (в первую очередь, микрооднородности) используемых полупроводниковых материалов. Как показывают исследования последних лет, именно микродефекты ростового происхождения, содержащиеся в бездислокационных пластинах, оказывают наиболее существенное влияние на рабочие характеристики УСБИС.
...
Несмотря на очевидную принципиальную сложность исследований в этом направлении, в настоящее время мы располагаем убедительными экспериментальными данными, позволяющими уверенно констатировать, что успех в создании высококачественных монокристаллов и приборных структур с четко прогнозируемыми и контролируемыми параметрами в
...

Сварка на контактных машинах
Краткий справочник технолога-термиста
Спутник термиста
Новые материалы
Твердые сплавы
Цементация стали
Зварювальні матеріали

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Новые материалы