Технология изготовления пластин. Формирование приборных структур. Выращивание эпитаксиальной структуры.

Разработка термически стабильных композитов на основе тугоплавких металлов.

Композицио́нный материа́л (компози́т, КМ) — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними.Для достижения термостабильности композитов, они создаются с матрицами из жаростойких сплавов на основе железа, кобальта, армированными волокнами из сплава вольфрама,упрочненным рением, оксидом тория, алюмокремнещелочными присадками (Sio2,Al2o3,k2o), карбидами (hfc, zrc).методы получения: - пропитка арматуры из вольфрамовой проволки расплавом матрицы- плазменное напыление материала матрицы- совместная экструзи - горячее изостатическое прессование- диффузионная сварка(W- волкно, матрица-лист.

Сверхпроводящее состояние и основные группы сверхпроводящих материалов.

Сверхпроводимость- cостояние, в которое при низкой температуре переходят некоторые твердые электропроводящие вещества.Сверхпроводимость обнаружена более чем у 20 металлов и большого количества соединений и сплавов (Тк £ 23К), а также у керамик (Тк > 77,4К – высокотемпературные сверхпроводники.) Сверхпроводимость материалов с Тк £ 23К объясняется наличием в веществе пар электронов, обладающих энергией Ферми, с противоположными спинами и импульсами, которые образуются благодаря взаимодействию электронов с колебаниями ионов решетки – фононами

Сверхпроводимость керамик, возможно, объясняется взаимодействием электронов с каким-либо другими квазичастицами.У сверхпроводимости три врага: высокие температуры, мощные магнитные поля и большие токи.Если их величины превысят предельные значения, называемые критическими, сверхпроводимость исчезает, сверхпроводник становится обычным проводником.По взаимодействию с магнитным полем сверхпроводники делятся на две основные группы: сверхпроводники I и II рода.

Сверхпроводники первого рода при помещении их в магнитное поле «выталкивают» последнее так, что индукция внутри сверхпроводника равна нулю (эффект Мейсснера).Напряжонность магнитного поля, при котором разрушается сверхпроводимость и поле проникает внутрь проводника, называется критическим магнитным полем Нк.У сверхпроводников второго рода существует промежуток напряженности магнитного поля Нк2 > Н > Нк1, где индукция внутри сверхпроводника меньше индукции проводника в нормальном состоянии.Нк1 – нижнее критическое поле, Нк2 – верхнее критическое поле. Н < Нк1 – индукция в сверхпроводнике второго рода равна нулю, Н > Нк2 – сверхпроводимость нарушается.Через идеальные сверхпроводники второго рода можно пропускать ток силой: (критический ток).

Каждая химическая связь, соединяющая атомы,- это пара принадлежащих им обоим электронов. В цепочке сопряженных связей степень обобщестления электронов еще выше: каждый из них в равной мере принадлежит всем атомам цепочки и может свободно перемещаться вдоль нее.

Технология изготовления пластин. Формирование приборных структур. Выращивание эпитаксиальной структуры.

Необходимость увеличения диаметра пластин продиктована, прежде всего, экономическими соображениями. Чтобы сделать процесс произ­водства УСБИС рентабельным, необходимо, чтобы в пределах площа­ди одной пластины умещалось по крайней мере сто чипов, размер ко­торых возрастает по мере перехода к УСБИС все большей сложности. Разумные оценки показывают, что, если на смену пластинам диаметром 150 мм пришли пластины диаметром 200 мм, то на смену последним должны прийти уже пластины диаметром 300 мм. Следующим за этим экономически оправданным диаметром пластин должен стать диаметр 450 мм. Ужесточение других качественных показателей пластин связано, с одной стороны, с необходимостью удовлетворения требованиям совре­менных процессов литографии, а с другой — с необходимостью резкого снижения уровня шумов в условиях существенного ограничения допус­тимых рабочих токов и напряжений в УСБИС повышенной сложности с постоянно уменьшающимися размерами и увеличивающейся плотнос­тью «упаковки» рабочих элементов.Для резки пластин диаметром 150...200 мм обычно используют дисковые станки с внутренней режущей кромкой. После последующих операций многократной шлифовки пластины подвергаются химическому травле­нию, а затем трехступенчатой односторонней полировке с креплением в носителях с помощью воска. Конечными являются операции групповой жидкостной очистки поверхности пластин в различных растворах. Характерными особенностя­ми технологии изготовления пластин диаметром 300 и 400 мм являются использование проволочных станков резки и операции двухсторонней полировки, предшествующей операции односторонней полировки рабо­чей поверхности пластины..Окончательная доводка пластин до необходимой кондиции осуществ­ляется на заключительных стадиях технологического процесса — финиш­ной односторонней полировки и «вращательной» очистки рабочей повер­хности

Прямое» соединение монокристаллических пластин - новый перспективный метод формирования приборных структурНаличие высококачественных исходных пластин явля­ется одним из важнейших условий успешного использования этого ме­тода для получения высококачественных приборных композиций. Вот почему к настоящему времени метод прямого соединения завоевал дос­таточно прочные позиции именно в кремниевом приборостроении: в технологии формирования структур кремния на диэлектрике, широко используемых для создания современных низковольтных и маломощных высокочастотных УСБИС; в технологии формирования разнообразных многослойных p-n-структур для «силовой» электроники. В обоих случаях метод доведен до уровня достаточно широкого промышленного исполь­зования [17, 18, 19].В методе прямого соединения в качестве исходных используются по­лированные пластины, характеризующиеся малым изгибом, обладающие низкой общей и локальной неплоскостностью. Поверхность таких плас­тин должна быть чистой и обладать определенными физико-химически­ми свойствами. С целью выполнения последнего требования исходные пластины подвергаются «химической активации», путем специальной жидкостной обработки. Процесс прямого соединения является двухстадийным.Выращивание эпитаксиальных структур.С каждым годом процессы эпитаксиального наращивания в сочета­нии с ионной имплантацией и импульсным радиационным воздействи­ем на материал играют все большую роль в формировании активных элементов сложнейших приборных структур. Особенно рельефно это проявляется в технологии широкой номенклатуры приборов, создавае­мых на основе полупроводниковых соединений А^ШВ^V, А^IIВ^VI, А^IVВ^VI и др. В применении к полупроводниковым соединениям именно эпитаксиальные процессы позволяют наиболее полно реализовать преимуще­ства этих материалов, обеспечивая получение монокристаллических слоев со свойствами, которые, как правило, недостижимы при выращивании монокристаллов из расплава. Кроме того, в процессах эпитаксиального наращивания сравнительно просто решаются проблемы создания высо­кокачественных многослойных гомо- и гетероэпитаксиальных структур разнообразной геометрии и состава.

8.Металлические композиционные материалы. Композиционные материалы с алюминиевой, магниевой, титановой матрицей. КМ с металлической матрицей впервые начали применяться в авиа­космической технике, где была приемлема высокая стоимость их про­изводства. В настоящее время совершенствование технологии их произ­водства сделало возможным применение КМ с металлической матрицей в автомобильной промышленности, судостроении и других отраслях тех­ники, где требуется сочетание высокой прочности, жесткости, а также высокое сопротивление износу, воздействию высокой температуры и агрессивных сред. Упрочнение КМ с металлической матрицей осуществ­ляется частицами различных форм и размеров, непрерывными и пре­рывистыми волокнами. КМ с упрочняющими частицами отличаются от КМ упрочненных волокнами, изотропностью свойств, более низкой стоимостью производства и возможностью последующей обработки.КМ с алюминиевой матрицей. Перспективы эффективного использо­вания КМ с алюминиевой матрицей обусловлены достаточно высокими удельными прочностными характеристиками материала матрицы, напри­мер, применение волокнистых КМ с алюминиевой матрицей позволяет получить значительное преимущество в удельной жесткости и снизить массу конструкции на 30...40 %. К числу достоинств данных материалов следует относить и достаточно низкие технологические температурные параметры: до 600 °С при получении КМ твердофазными методами и до 800 °С - жидкофазными. Алюминиевая матрица отличается высоки­ми технологическими свойствами, обеспечивает достижение широкого спектра механических и эксплуатационных свойств. При дискретном армировании КМ с алюминиевой матрицей используют частицы из высокопрочных, высокомодульных тугоплавких веществ с высокой энер­гией межатомной связи - графита, бора, тугоплавких металлов, карби­дов, нитридов, боридов, оксидов, а также нитевидные кристаллы и короткие волокна. Существуют различные способы совмещения алюми­ниевых матриц с дисперсной упрочняющей фазой: твердофазное или жидкофазное компактирование порошковых смесей, в том числе приго­товленных механическим легированием; литейные технологии пропитки пористых каркасов из порошков или коротких волокон, или механичес­кого замешивания дисперсных наполнителей в металлические расплавы; газотермическое напыление композиционных смесей.КМ с магниевой матрицей. КМ с магниевой матрицей отличаются малой плотностью. В качестве матричных сплавов применяют сплавы МА2-1, МА5, МА8 и некоторые другие. При создании КМ с магниевой матрицей применяются углеродное и борное волокна и волокно карбида кремния. Для изготовления данных КМ могут быть использованы тех­нологии пропитки, компрессионного литья и горячего изостатического прессования. В табл. 3.4 приведены свойства КМ магний/волокно SiC.

КМ с титановой матрицей. Для упрочнения титановой матрицы ис­пользуется целый ряд соединений, к ним относятся TiB₂, TiN, В₄С, ZrC, SiC, TiB, TiC и A1₂0₃. В табл. 3.5 приводится сравнение свойств ти­тана и керамических упрочняющих частиц. TiB₂, TiB, В₄С и TiC отличаются высокими модулями Юнга, что делает их безусловно привлекательными в качестве упрочнителей, однако это не является единственным критерием при выборе упрочняющих частиц. TiВ и А1₂0₃ имеют близкие к титану коэффициенты линейного термического расши­рения, что решает проблему остаточных напряжений при обработке

9.Композиционные материалы на основе несмешивающихся металлических компонентов. Системы на основе меди. Постоянно развивающаяся техника настоятельно тре­бует создания новых материалов. Известно, что только потери на тре­ние и износ ежегодно составляют многие миллиарды долларов. Теорети­ческий анализ, выполненный специалистами HACA в начале 60-х годов, показал, что существует особый тип систем компонентов, наиболее пер­спективных с этой точки зрения. Этот тип систем был назван «система­ми, проявляющими склонность к расслоению в жидком состоянии» или «системами несмешивающихся компонентов». Однако до недавнего вре­мени в силу ряда специфических особенностей большое число этих си­стем было фактически вне практического рассмотрения, хотя только двой­ных систем несмешивающихся компонентов насчитывается более 500. Изучаемые сплавы могут быть использованы для создания специальных материалов разнообразного на­значения, в том числе антифрикционных на базе систем Cu-Pb, Al-In,Al-Pb и некоторых других. Были детально изучены все известные попыт­ки создания сплавов на основе систем несмешивающихся компонентовСреди ряда уникальных свойств сплавов несмешивающихся компо­нентов особо следует отметить низкий коэффициент трения и высо­кую стойкость к износу.Монотектический сплав меди со свинцом со сферическими включениями свинца. По сравнению с базовым сплавом того же состава БрС30 новыйсплав обладает втрое меньшим коэффициентом трения, его высокой термической стабильностью и значительно большей износостойкостью и контактной прочностью.Сплавы на основе системы А1—Sn—Рb. Сплавы на основе названной си­стемы, содержащие около 10% Sn и 20% Рb, обладают коэффициен­том трения в три раза меньшим, чем у сплава АO-20, и значительно большей износостойкостью. Снижение прочности материала за счет вве­дения свинца может быть с избытком компенсировано с помощью спе­циальных методов, разработанных для повышения прочности сплавов данной группы. Так, применяя комбинированные способы упрочнения, удалось повысить прочность сплавов А1—Sn— Рb, содержащих до 35 % (масс.) Рb, до 350 МПа.

10. Слоистые композиционные материалы. Алюмостеклопластики (сиалы).

Композиционный материал - неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу, обеспечивающую совместную работу армирующих элементов.По структуре наполнителя композиционные материалы подразделяют на волокнистые (армированы волокнами и нитевидными кристаллами), слоистые (армированы пленками, пластинками, слоистыми наполнителями), дисперсноармированные, или дисперсно-упрочненные (с наполнителем в виде тонкодисперсных частиц). К слоистым композитам (англ. LCM - Laminatedcompositematerials) относят композиционные материалы, у которых входящие в композицию элементы выполнены в виде слоев.Современные слоистые композиты составляются из природных материалов, металлов, сплавов, пластических масс, керамики, искусственных волокон и т. д.Этим композитам присуща высокая изгибная прочность. Слоистая конструкция создает исключительно богатые возможности для создания материалов с разнообразными сочетаниями технологических, декоративных, механических, теплофизических, электрических, оптических, химических и др. свойств, в которых - каждый слой имеет свою специальную функцию или даже несколько функций.Одним из важных недостатков слоистых композитов является их сравнительно низкая прочность по отношению к ударам по поверхности, которые могут послужить источником возникновения в структуре материала дефектов типа расслоений. При дальнейшей эксплуатации рост таких дефектов и выпучивание приповерхностных отслоений могут привести к неустойчивому развитию трещин и полному расслоению конструкции.Алюмостеклопластики(сиалы)- новый класс конструкционных материалов, состоящих из тонких (0,3-0,5 мм) алюминиевых листов и прослоек клеевого препрега со стекловолокнами различной структуры армирования в зависимости от назначений деталей. Материалы отличаются чрезвычайно высоким сопротивлением росту трещины усталости (d2l/dN<0,2 мм/кцикл) при пониженной плотности (2,35-2,55 г/см3), повышенной прочности и пожаростойкости. СИАЛы (СИАЛ-3-1 и др.) на базе листов из высокотехнологичного Al-Li сплава 1441-Т11 обладают дополнительно повышенными модулем упругости (62-70 ГПа) и теплостойкостью. По сравнению с алюминиевыми конструкционными монолитными листами обладают пониженной массой, повышенной надежностью, меньшей стоимостью.