СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №6/2015

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 24 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2015 Оптимизация производства отечественного сапфира В настоящее время сформировались две основные области применения сапфира: в качестве конструкционного материала с уникальными механическими характеристиками (микроэлектроника, ювелирное дело, медицина, атомная промышленность) и в качестве оптического материала с не менее уникальными возможностями (линзы, призмы, световоды, лазерные элементы, светодиоды). Выращивание крупных кристаллов сапфира с повышенным структурным совершенством стало первоочередной задачей современной науки и техники. Сергей Малюков, Юлия Клунникова (г. Таганрог, Ростовская обл.) В ВЕДЕНИЕ Наличие современной эффективной отечественной технологической базы по производству монокристаллов сап- фира является стратегическим приори- тетом и гарантом национальной неза- висимости, технологической и эконо- мической безопасности страны. Постоянно увеличивающийся инте- рес к сапфиру обусловлен тем, что он обладает набором уникальных качеств и может удовлетворять высоким требо- ваниям, предъявляемым одновремен- но к большой группе его свойств. Высо- кая оптическая однородность и про- зрачность в широком диапазоне длин волн, слабое светорассеивание, малые остаточные механические напряжения сочетаются с хорошими механически- ми, термическими и диэлектрическими свойствами, обеспечивающими работу сапфировых изделий в условиях высо- ких температур, давлений, в контакте с агрессивными средами [1]. Подложки из сапфира обладают ком- плексом определённых физических свойств (высокая температура плав- ления, химическая и радиационная стойкость, высокая твёрдость и про- зрачность), благодаря чему они находят широкое применение в микроэлектро- нике, квантовой электронике, оптике высокого разрешения и нанотехноло- гиях. Доля использования таких мате- риалов резко возрастает практически во всех отраслях производства [2]. С РАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ВЫРАЩИВАНИЯ САПФИРА В течение последних десятилетий для выращивания монокристаллов сапфира большого размера, исполь- зуемых для электронной техники, применялись, в основном, четыре метода: горизонтальной направлен- ной кристаллизации (ГНК), Чох- ральского, Киропулоса и Степанова (см. табл. 1) [3, 4]. Наиболее перспективными оказа- лись методы выращивания из расплава, позволяющие получать кристаллы сап- фира больших размеров при больших скоростях роста по сравнению с кри- сталлизацией из растворов или газо- вой среды. Расплавные методы можно разделить на две группы: методы выра- щивания из малого объёма расплава (методы Вернейля, Степанова и зон- ной плавки) и методы выращивания из большого объёма расплава (мето- ды Киропулоса, Чохральского, Брид- жмена-Стокбаргера, ГНК). В таблице 2 приведены оценочные характеристи- ки монокристаллов сапфира при раз- личных способах выращивания. Метод ГНК для получения монокри- сталлов синтетического корунда раз- работан академиком Х.С. Багдасаро- вым в институте кристаллографии Российской Академии Наук (Москва). Далее он получил развитие в институ- те монокристаллов (Харьков, Украи- Таблица 1. Сравнение методов получения монокристаллов сапфира Метод Достоинства Недостатки Метод Вернейля Отсутствие контейнера и связанных с ним проблем. Однородность распределения легирующих добавок по длине кристалла. Кристаллизация в открытом муфеле с возможностью регулирования окислительно- восстановительного потенциала атмосферы кристаллизации изменением отношения H 2 / O 2 в пламени. Возможность введения в кристалл большого количества легирующих добавок и возможность выращивания кристалла, части которого имеют разное содержание примесей, рубиновых стержней с сапфировыми наконечниками. Техническая простота реализации и низкая себестоимость кристаллов Высокие температурные градиенты в зоне кристаллизации (30–100 град/мм), способствующие возникновению в кристаллах больших остаточных напряжений Метод зонной плавки Возможность одновременно с выращиванием регулировать содержание примесей. Высокая эффективность. Возможность использования тигельной и бестигельной технологии Низкая производительность. Большая продолжительность. Высокая стоимость. Максимальные габариты лодочки: длина – 50 см, длина расплавленной зоны – 5 см, толщина 2–3 см Метод Чохральского Отсутствие контакта со стенками тигля. Достаточно легко можно менять диаметр растущего кристалла и визуально контролировать рост Значительная химическая неоднородность выращиваемых кристаллов, выражающаяся в монотонном изменении состава последовательных слоёв кристалла вдоль направления роста. Высокая стоимость Метод ГНК Постоянная площадь расплава. Возможность выращивания монокристаллов большого сечения, эффективное удаление примесей. Возможность проведения многократной предростовой перекристаллизации материала, что способствует глубокой очистке кристаллизуемого вещества и позволяет значительно снизить требования к чистоте исходных шихтовых материалов Наличие контакта выращиваемого монокристалла с контейнером, с чем связано загрязнение расплава и возникновение в кристалле остаточных напряжений, трещин. Небольшая толщина кристалла – до 5 см Метод Степанова Высокая скорость отвода тепла позволяет выращивать кристалл на относительно больших скоростях. Высокая производительность. Возможность вырастить сапфировые профили, которые невозможно изготовить механической обработкой Высокая плотность структурных дефектов © СТА-ПРЕСС