Введение к работе
Актуальность темы. Диссертационная работа посвящена теоретическому исследованию на ЭВМ физических и физико-химичесіаїх процессов з деталях из поликристаллического карбида кремшя при их изготовлении и эксплуатации.
Карбид кремния широко применяется в электротехнике и электронике при изготовлении высоковольтных разрядников, нелинейных полупроводниковых сопротивлений и нагревателей. Проводятся интенсивные исследования, направленные на использование к карбида креміпія в качестве конструкционного матэриача в машиностроении и электронике. О ванной роли, которая отводится керамическим материалам на основе карбида кремния в техническом прогрессе", могло судить по многочисленным публикациям и материалам научно-технических конференцій. Базой для проведе-; ния настоящей работы явились успехи в исследовании электрофизических свойств поли- и монокристаллического карбида крем-. кия на кафедре- диэлектриков и полупроводников СПб ЭТУ, а также широкие возможности.для моделирования физических и технологических процессов, открывшиеся в связи с появлением быстродействующих ЭВМ и программного обеспечения. Использование ЭВМ позволяет сделать наглядными высокотемпературные процессы, происходящие в замкнутом объеме и недоступные непосредственному наблюдений-;' способствует лучшему пониманию физических явлений, совершенствованию характеристик приборов и технологии их производства. Ощущается необходимость в обучаю-' щих программах для подготовки научно-технических кадров, специализирующихся в области исследования, разработки к технологии производства изделий из поликристалличеокого карбида кремния. Моделирование физическая и физико-химических процессов в карбиде кремния - подходящая база для разработки таких программ. Теоретические исследования карбида кремния с применением ЭВМ проводились в рамках плана ІШР кафедри ПД СПб ЭТ/ по шрокозонным полупроводникам в соогве'їстхяи с координационным планом АН по егтуальнкн пгуА."тт.
- г -
Целью настоящей диссертации является обобщение экоперимен-. тальшх и теоретических работ, выполненных на кафедре диэлектриков и полупроводников СПб ЭТУ в области поликристаллического карбида кремния и составление на его основе программно^ го обеспечения для моделирования, на ПЭВМ процессов в карбиде кремния, а также дальнейшее развитие теории явлений, происходящих при эксплуатации нагревателей из'карбида кремния,
В связи с поставленной целью рассмотрены следующие вопросы:
-
Проведен анализ современного состояния работ в области исследования и применения поликристаллического карбида крем-'ния в электротехнике'и полупроводниковой промышленности с концентрацией внимания на результатах, полученных: на кафедре ДП СПб ЭТУ.
-
Исследованы тепловые поля и термоупругие напряжения1 в'' стержневых и трубчатых"Нагревателях и получены аналитические выражения для расчета распределения температуры и механических напряжений в нагревателях и защитных покрытиях на их поверхности.
-
Изучены процессы деградации нагревателей с учетом особенностей структуры и физико-химических свойств карбида кремния и показано, что имеется хорошее согласование предложенной теории с экспериментальными данными.
-
Разработаны модели-и программы расчета на ПЭВМ процессов, происходящих при производстве и применении изделий из поликристаллического карбида кремния, с использованием экс-г перименталышх данных и стандартного программного обеспечения с ориентацией на интерактивный режим работы на ЭВМ и наглядное и информативное представление результатов моделирования.
Научная новизна работы состоит в том, что:
-
Рассмотрены физические и физико-химические процессы* происходящие при изготовлении и эксплуатации деталей из поликристаллического карбида кремния, на основе чего развита теория и получены аналитические выражения для распределения' температуры и термоупругих напряжений с учетом резгама работы.
-
Предложена теория процессов окисления .изделий из кар-
бида кремния, иглеющих форму пластин, стержней, трубок и шаров и установлены общие закономерности деградационных явлений.
3. Разработаны модели и методика расчета на ПЭВМ физических и физико-химических процессов в деталях из карбида кремния в зависимооти от режима работы и характеристики конкретных изделий.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в создании методики расчета на ЭВМ и программного обеспечения, которые могут быть использованы при конструировании нагревателей из карбида кремния, управлении технологическим процессом и в учебном процессе по дисциплинам технологического профиля.
Теория позволяет подобрать конструкции и режимы изготовления нагревателей о требуемыми характеристиками, произвести оценку допустимой пористости и минимизировать производственные затраты.
Разработан и внедрен в учебный процесс пакет прикладных программ для моделирования физических явлеїшй в поликристаллических полупроводниках и керамических диэлектриках.
Научные положения, выносимые на защиту:
I. Учет деградационных явлений в нагревателях из поликристаллического карбида кремния позволяет рассчитывать и моделировать процессы окисления изделий, тлеющих форму пластин, стержней, трубок и сфер, а также окисление в шаровых и цилиндрических порах.
2.. На начальном этапе скорость возрастания массы окисла пропорциональна поверхности деталей, находящихся в контакте с агрессивной средой, а на заключительных этапах скорость увеличения толщины окисла и прирост его массы зависят от формы изделий. Время полного окисления деталей цилиндрической или сферической формы пропорционально квадрату радиуса или квадрату толщины пластины при окислении плоских изделий,
3. Предложенный расчет тепловых полей и термоупруґих напряжений в нагревателях и в защитных покрытиях позволяет подбирать физичзсние параметры материала для покрытий.
4. Пакет програш моделирования на ЭВМ физических и физико-химических процеосов в изделиях из поликристаллическоги карбида крешшя и из керамических материалов, предназначенных для применения в лабораторном практикуме при обучении студентов технологическим дисциплинам.
Апробация результатов диссертационной работы была проведена следующих научно-технических конференциях:
-
45-ой научно-технической конференции Ленинградского электротехнического института связи им.проф.М.А.Бонч-Бруеви ча, состоявшейся 27 - 31 января 1992 г. в С.-Петербурге; тема доклада:"Электрофизические.процессы в неоднородных структурах".
-
Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного машиностроения" АПЭП-92, состоявшейся 23 - 26 сентября в г.Новосибирске; тема доклада: "Исследование и моделирование технологических процеооов изготовления изделий из анизотропных полупроводниковых материалов".
-
46-ой научно-технической конференции Электротехнического института связи им.проф.М.А.Бонч-Бруевича, состоявшейся. 25 - 29 января 1993 г. в С.-Петербурге; тема доклада:"Моде-лирование влияния примесей на'электрические овойства высокотемпературных полупроводниковых материалов".
-
Научно-технической конференции "Проблемы и прикладные вопросы физики", состоявшейся 18 - 20 мая 1993 г. в г.Саранске; тема доклада:"Использование ЭВМ при обучении студентов технологическим дисциплинам"
-
Научной конференции "Эргономика в Роосии, СНГ и мире:, прошлое, настоящее, будущее", состоявшейся 20 - 23 июня 1993 года в С.-Петербурге; тема доклада:"Компьютеризация обучения студентов технологическим дисциплинам".
-
Российской научно-технической конференции по физике диэлектриков с международным 'участием "Диэлектрики - 93", состоявшейся 22 - 24 июня 1993 г, в С.-Петербурге; тема до-"лг-ца:" Физические процессы при фор.'ягоовании и деградации
изделий из карбидкремниевой керамики".
Публикации. По материалам диссертации подготовлены и направлены в журнал "Электронная техника, , Материалы'' две статьи:
1. Тепловые поля и связанные с ними механические напряже
ния в высокотемпературных полупроводниковых элементах.
2. К расчету параметров пленочных покрытий.
Опубликованы тезисы докладов на 6-ти конференциях, пере
численных выше.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа включает введение, четыре раздела, заключение п список литературы, содержащий 88 наїшеновании. Основная часть работы изложена на ІЯ9 страницах машинописного текста. Приводятся 33 рисунка.
