Введение к работе
Актуальность темы. Разработка новых материалов и высокопроизводительных технологических процессов производства из них электронных приборов является одной из важнейших задач современного материаловедения. Микроминиатюризация электронной аппаратуры, высокие требования к воспроизводимости и стабильности электрофизических параметров, расширение.диапазона функциональных возможностей способствует повышению требований к подготовке широко используемых монокристаллов полупроводниковых материалов: кремния, германия, арсенида галлия, антимонида индия и перспективных термоэлектрических материалов твердых растворов халькогенвдов висмута и сурьмы и сплавов висмута с сурьмой.
Изготовление опытных образцов и серийное производство электронных приборов не обходится без механической обработки монокристаллов, получаемых в виде слитков различных размеров. В связи с существенным различием физических свойств большинства полупроводниковых материалов значительно отличаются и технологические процессы их обработки, в основном состоящие из разрезания слитков на пластины, шлифования и полирования полученной после резки поверхности, что обусловлено образованием нарушенного слоя на обрабатываемой поверхности монокристалла.
В этой связи одним из актуальных вопросов материаловедения полупроводников является изучение поверхностного нарушенного слоя монокристаллов, образующегося после их механической обработки, его влияния на электрофизические параметры кристаллов и производительность.процесса механической обработки монокристаллов.
Наиболее полно изучены поверхностные слои в монокристаллах кремния, полученных методами вытягивания из расплава по Чохральскому и зонной плавкой. Однако не полностью изучен вопрос механизма разрушения зтігх монокристаллов при алмазной обработке. Возможность решения этого вопроса обусловлена широким использованием монокристаллн-ческого кремния в качестве подложек электронных приборов.
Одним из наиболее изученных полупроводниковых материалов является германий. Механизм разрушения монокристаллов германия играет важную роль в совершенствовании технологического процесса его механической обработки.
Перспективным полупроводниковым материалом является арсенид галлия. Создание на основе монокристаллов арсенида галлия приборов для оптоэлектроники, вычислительной техники и СВЧ связи повышает требования к его прочности и разработке высокопроизводительной механической обработки.
Важную роль играет качество поверхности для повышения чувствительности датчиков ИК-излучения. Наиболее распространенным полупроводниковым материалом, нашедшим большое практическое применение в этой области излучения, является антимонвд индия, процессы разрушения и технология механической обработки которого не полно изучены.
Практически отсутствуют сведения о возможности механической обработки с помощью алмазного инструмента термоэлектрических материалов, используемых для изготовления твердотельных холодильников. Твердотельные охлаждающие устройства по сравнению с механическими холодильными системами обладают такими преимуществами, как отсутствие движущихся частей, бесшумностью и большим ресурсом работы, что создает предпосылки к использованию их в космической, квантовой и криогенной электронике. Применение таких устройств весьма разнообразно: охлаждение малошумящих усилителей, детекторов, фильтров, фотоприемннков, болометров, создание автомобильных и бытовых холодильников и т.д. Растущий интерес к современным высокоэффективным термоэлектрическим охлаждающим устройствам способствует созданию нового технологического процесса алмазной резки ветвей термоэлементов. Наибольшей термоэлектрической эффективностью для области температур от комнатных до 180 К обладают твердые растворы халькогенидов висмута и сурьмы, получаемые методами вытягивания из расплава по Чохральскому и зонной плавкой. Одной из сложных задач твердотельной криогенной техники является создание эффективного твердотельного охладителя, с помощью которого можно производить охлаждение от 300 до 77 К, т.е. до температуры жидкого азота. Известно, что в настоящее время сплавы висмут-сурьма как материал n-типа в области температур 77-200 К находятся вне конкуренции, так как обладают высокими значениями термо- и магннтотермоэлектрнческой добротностей.
В настоящее время разрезание слитков кристаллов на ветви для термоэлементов производят электроискровой и проволочной резкой, которые имеют низкую производительность. Практически отсутствуют сведения по изучению резки термоэлектрических материалов алмазными инструментами.
В связи с вышеизложенным, является актуальным повышение качества кристаллов полупроводников при их обработке алмазным инструментом.
Цель и задачи исследования. Повышение качества поверхностного слоя термоэлектрических материалов для производства твердотельных охлаждающих устройств методами алмазной обработки.
Для достижения поставленной цели сформулированы основные задачи исследования:
- разработать методику измерения нарушенного слоя, образующегося после алмазной обра-
ботки в кристаллах термоэлектрических материалов;
определить глубину нарушенного слоя при различных режимах резания и ее влияние на электрофизические параметры кристаллов;
получить закономерности, позволяющие по прочностным характеристикам монокристаллов
кремния, германия, арсенида галлия, антимонида индия определить глубину нарушенного слоя и высоту микронеровностей при обработке свободным абразивом;
- установить механизм разрушения кристаллов полупроводников с различными типами кри-
сталлических решеток в процессе алмазной обработки;
- рассчитать контактные напряжения и температуру в зоне обработки и определить нх влия-
ние на глубину нарушенного слоя.
- уменьшить удельное электросопротивление за счет снижения величины нарушенного слоя
термоэлектрических материалов.
Теоретическая ценность работы. На основании проведенных теоретических исследований установлен механизм разрушения кристаллов полупроводников в процессе алмазной обработки. Получена взаимосвязь между глубиной нарушенного слоя, образующегося в процессе шлифования свободным абразивом, шероховатостью обрабатываемой поверхности с прочностными свойствами полупроводниковых материалов. Установлена область необратимых допускаемых изменений в материале и определен критический радиус скругления герщины алмазного зерна. Определена температура в зоне контакта алмазного зерна с обрабатываемым слитком.
Научная новизна полученных результатов:
- разработана методика измерения нарушенного слоя, образующегося после алмазной обра-
ботки в кристаллах термоэлектрических материалов;
определено влияние нарушенного слоя на электрофизические параметры термоэлектрических материалов в зависимости от режимов обработки:
установлен механизм разрушения кристаллов термоэлектрических материалов;
проведена оценка контактных напряжений и температуры в зоне обработки.
Практическая ценность полученных результатов. Разработаны методы измерения нарушенных слоев в термоэлектрических материалах и условия алмазной обработки кристаллов термоэлектрических материалов для получеши ветвей термоэлементов с наименьшим нарушенным слоем и высокими термоэлектрическими свойствами.
Разработанные методы измерения нарушенных слоев и условия алмазной обработки кристаллов твердых растворов халькогенилов висмута и сурьмы и монокристаллов сплавов висмут-сурьма, полученных методами направленной кристаллизации и экструзии, позволили разработать технологический процесс алмазной резки, повысить термоэлектрическую эффективность кристаллов, перепад температур на термоэлементе и увеличить производительность процесса изготовления ветвей термоэлементов для твердотельных охлаждающих устройств, используемых в СКТБ "НОРД", ТО НПК "Кристаллит" г. Москва.
Личный вклад диссертанта.
- разработана методика измерения глубины нарушенных слоев в кристаллах твердых раство-
ров халькогенилов висмута и сурьмы, монокристаллах висмута и сплавов висмут-сурьма;
- установлена взаимосвязь величины нарушенного слоя с прочностными характеристиками
монокристаллов полупроводников при шлифовании их свободным абразивом;
- выполнены расчеты контактных напряжений и температуры в области
резания монокристаллов полупроводников;
установлена взаимосвязь величины нарушенного слоя и удельного электросопротивления термоэлектрических материалов;
разработан технологический процесс алмазной резки термоэлектрических материалов, обеспечивающий высокие термоэлектрические свойства кристаллов.
Апробация результатов диссертации. Материалы работы докладывались и обсуждались:
на Международной конференции "Автоматизация проектирования и производства изделий в машиностроении" - Луганск, Украина, 1996 г.;
на IV Китайско-Российском симпозиуме "Актуальные проблемы современного материало-
ведения" - Пингу, Китайская Народная республика, 1997 г.;
- на научных семинарах кафедры механики твердого тела ВУГУ, 1997 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 2 статьи в научных журналах, 1 статья в сборнике научных работ и 3 тезиса докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит в себе 4 1 рисунотс , 10 таблиц, 130 наименований литературных источников.
