Актуальность решения задачи снижения вероятности возникновения дефектов в поверхностном и подповерхностном слоях обрабатываемого материала при автоматизации процесса шлифования.

В настоящее время большое внимание уделяется становлению и развитию в России алмазно-бриллиантового комплекса, основанного на использовании отечественного алмазного сырья, для производства принципиально новых наукоёмких изделий микроэлектроники, медицины и ювелирных изделий. Россия по добыче алмазного сырья занимает в настоящее время 2-3-ое место в мире, к 1998г. в России зарегистрировано около 170 гранильных предприятий. Количество рабочих по основным специальностям в гранильной промышленности более 5000 человек.

Однако в настоящее время для отраслей, добывающих ювелирное сырье

(в том числе и алмазы), характерна ярко выраженная экспортная ориентация. Так по объему экспорта алмазного сырья Россия занимает первое место в мире. При этом ежегодно теряется около трех миллиардов долларов США прибыли.

В процессе переработки сырья ювелирная промышленность является завершающей. Сейчас производственно-технические возможности ювелирной промышленности позволяют потреблять более 100 тысяч карат бриллиантов.

Перспектива завоевания российскими производителями ювелирных украшений внутреннего рынка России, рынка СНГ, международного рынка в условиях открытой экономики возможна при условии достижения международной конкурентоспособности. На сегодняшний день отечественные предприятия не в состоянии обеспечить переработку и реализацию большей части ассортимента ювелирного сырья на своей территории. Разрешение этих противоречий, как показывает анализ, возможно только при гармоничном взаимодействии природной, технико-технологической и организационно-экономической составляющих производств на предприятиях ювелирного комплекса. Под ювелирным комплексом понимается динамическая совокупность природных и организационно-технических объектов, связанных между собой в процессе получения продукции требуемого качества.

По результатам анализа, обобщающего экономические и социальные тенденции, протекающие на алмазно-бриллиантовом рынке выделены основные показатели, позволяющие адекватно оценить экономическую эффективность использования ювелирного сырья.

1. Рентабильность, как отношение прибыли к производственным затратам на предприятиях алмазно-бриллиантового комплекса.

2. Уровень самообеспеченности финансовыми ресурсами предприятий алмазно-бриллиантового комплекса.

3. Уровень доходов населения, занятого на предприятиях алмазно-бриллиантового комплекса.

4. Уровень занятости населения в регионах, где функционируют предприятия алмазно-бриллиантового комплекса.

Проанализировав ситуацию в алмазно-бриллиантовом комплекс по этим показателям, можно сделать вывод о необходимости в ближайшие 10-15 лет:

- обеспечить высокие темпы экономического роста, прежде всего в наукоемких отраслях и в обрабатывающей промышленности при условии создания режима наибольшего благоприятствования для отечественных производителей;

- осуществить структурный сдвиг в сторону ресурсосберегающих производств, обновить систему основных фондов страны;

- вывести страну из разряда слаборазвитых государств.

Эти задачи могут быть выполнены при решении проблемы автоматизации размерно-регулируемой обработки алмазов, в том числе в «твердом» направлении к истиранию в кристаллической решетке. Особое значение при этом приобретает качество и бездефектность обработанной поверхности алмаза.

Кроме того, большое значение имеет автоматизация процессов получения полированных поверхностей с нанометровым рельефом на пластинах из сверхтвердых хрупких материалов полупроводниковых структур, используемых в светотехнике, т.к. это позволяет отказаться от сложной технологии химико-механической полировки в агрессивных средах и существенно повысить выход годной продукции.

В настоящее время в России производителями светоизлучающих диодов являются ОАО «Планета», ОАО «Протон», ОАО «Сапфир», выпускающие светоизлучающие диоды красного, оранжевого, желтого и желто-зеленого свечения с уровнем яркости не более 0,5 – 4,0 к_д. Основой для них традиционно являются полупроводниковые твердые растворы галлий – алюминий – мышьяк, алюминий – галлий – индий – фосфор. Однако, для получения полного спектра цветового излучения с высокой яркостью (от красного до фиолетового и белого) необходим переход на другие полупроводниковые материалы, в частности переход на гетероэпитапсиальные структуры, состоящие из сапфировой подложки (α – Al₂O₃) с нанесенным из газовой фазы (МОС – гидридная технология) гетероэпитаксиальным слоем нитрида галлия (индия, алюминия).

В настоящее время в России производство таких нитридных СИД голубого, зеленого (526 нм), синего (472 нм), белого свечения отсутствует.

Ориентировать Российскую полупроводниковую отрасль на закупку за рубежом такой стратегически важной техники нецелесообразно, т.к. современные производители СИД высокой яркости, лазерных диодов (на основе нитридов) устанавливают предельно высокие цены на свою продукцию. Например, при себестоимости одного светоизлучающего элемента (СИД – типа) у производителя0,15 – 0,25 цента рыночный цены одного такого СИД –типа голубого, белого или зеленого свечения колеблется в пределах 1,5 – 2 долл. США, и не менее чем 0,95долл. США при продаже крупных оптовых партиях (свыше 100,0 тысяч штук в партии). Массовые поставки СИД высокой яркости в Россию не производятся ввиду возможности двойного использования таких изделий.

Весьма заниженные оценки годовой потребности в СИД высокой яркости современного российского рынка определяются объемом 27 – 35 млн. долл. США. При этом согласно маркетинговым исследованиям стратегического фонда современная годовая потребность в СИД высокой яркости во всем мире оценивается в объеме 7,7 млрд. долл. США.

Такое обстоятельство диктует необходимость обеспечения технологической и экономической безопасности полупроводниковой отрасли России путем создания отечественного производства экономичных электроосветительных приборов нового поколения на основе гетероэпитаксиальных структур, состоящих из сапфировой подложки с нанесенным гетероэпитаксиальным слоем нитрида галлия (индия, алюминия).

Современное состояние исследований и разработок в области реализации проекта рассматриваются на примере состояния и перспектив развития производства светоизлучающих диодов высокой яркости.

Созданные в 60-е и 70-е годы светоизлучающие диоды (СИД) красного и желтого свечения использовались, в основном, в качестве сигнальных индикаторов.

Начиная с середины 90-х годов за рубежом (США, Япония, Германия и др.) широким фронтом ведутся работы по освоению массового выпуска высокоэффективных экономичных источников голубого, синего цвета на основе гетероэпитаксиальных структур нитридов галлия – индия – алюминия на сапфире на основе комплексной автоматизации всех технологических переходов (за исключением операций шлифовки и полировки подложек).

Существуют различные данные по объемам производства и продаж СИД высокой яркости.

В соответствии с маркетинговыми исследованиями, проведенных стратегическим фондом в 1998 –2000 гг., годовая потребность в оптоэлектронных приборах оценивалась – 7,7 млрд. долл. США в год, а фактически в 1998 году светоизлучающих диодов видимого света было изготовлено на сумму – 3 млрд. долл. США. При этом продажа светоизлучающих диодов высокой яркости составила 440 млн. долл. США, включая AlGaAs (красный), AlInGaP (красно-желтый), 223 млн. долл. США GaN (главным образом зеленые и голубые, очень немного белые).

В 2003 году ожидается выручить 3,16 млрд. долл. США за светоизлучающие диоды, в том числе 1,07 млрд. долл. США за СИД высокой яркости (включая 630 млн. долл. США за СИД на основе GaN). Комбинирование зеленых и голубых светодиодов на основе GaN с существующими красными СИД открывает новые возможности их применения для многоцветных дисплеев и уличного освещения. Например, в Стокгольме с 2000 года 100 % светофоров были переведены на использование СИД высокой яркости. В том же году в Сингапуре по правительственному контракту (22 млн. долл. США) также были переоснащены светофоры на СИД высокой яркости. В 1999 году в США четверть миллиона красных светильников (в светофорах) была заменена на AlInGaP СИД, но с учетом того, что желтые и зеленые СИД уже имели более высокую интенсивность свечения, то суммарная годовая экономия электроэнергии составила в размере 200 млн. долл. США.

Важно отметить, что другие компании предвидят спрос на СИД белого света (голубые СИД, покрытые люминофором), который за период с 1999 по 2003 г возрос с нескольких миллионов долларов до 120 млн. долл. США для освещения. По прогнозам за десятилетие такой рост составит 1 млрд. долл. США. В мире имеется 3 главных производителя осветительных приборов:

в США – фирма GE – General Electric; в Голландии – Philips; в Германии – SIEMENS, субсидирующая фирму OSRAM. Эти фирмы имеют все необходимое оборудование для оптоэлектронного производства. (Источник: Europen semicondyctor, jannary 2000, p 27 -31)

Потенциальное применение СИД включает также и освещение улиц, так как при этом ожидается значительная экономия энергии. Так Японское Министерство Международной торговли и промышленности в 2000г выделило 50 млн. долл. США на проект «Свет ХХ1 века», предусматривающий широкомасштабное использование СИД для освещения улиц к 2005 году.

Действительно, потенциальная возможность сделать белые СИД высокой яркости традиционными светильниками взамен устарелых, показана тремя самыми крупными в мире светотехническими компаниями (которые имеют люминесцентную технологию), в союзе с изготовителями оптоэлектронных приборов, такими как HP, Emcore, Cree и Infineon с целью создания световой технологии будущего.

Philips Lighting и HP (сейчас АТ), образовали совместное предприятие LumiLeds для производства высоко ярких СИД, начиная с 1997 г. Фирма HP красные, оранжевые и желтые СИД начала выпускать с 1997г. Первые голубые на основе InGaN (475 нм) и чисто зеленые (526 нм) СИД с 1998г. Фирмой Limiteds были получены «высоко стабильные» (постоянные голубовато-зеленые – 505 нм) СИД, которые устанавливают в уличные светофоры фирмы Dialight.

Фирма SIEMENS в 1998г субсидировал фирму OSRAM и опто-полупроводниковую группу SIEMENS (сейчас IT – стала третьей большой оптоэлектронной компанией и второй по автомобильным применениям), которая была создана в Регенсбурге (51:49) JVOsram Opto Semiconductors, которая насчитывает 2300 человек. Фирма SIEMENS ранее была производителем красных СИД для габаритных фонарей автомашин, а также автоцентром, где устанавливали верхние стоп-сигналы. Однако, белые GaN на SiC СИД, выпускаемые Cree Research, оказались более яркими и в дальнейшем производились по лицензии Cree на подложках SiC.

В связи с этим фирма OSRAM перестроила свое производство с тем, чтобы повысить уровень светимости (яркости) выпускаемых СИД, а также для снижения цены по сравнению с лампами накаливания.

В 1999 г. фирма GE Lighting и производитель MOCVD реакторов фирма EMCORE создала (51:49) JV GEL core LLC. Их задача состоит в производстве и продаже белых и цветных СИД высокой яркости для замены миниатюрных автомобильных индикаторных лампочек, освещения улиц, в производстве галогенных ламп, контактных люминисцентных ламп, плоских панелей дисплеев и традиционного индикаторного освещения.

Таким образом из анализа состояния и направления развития производства нитридных многослойных гетероэпитаксиальных структур на лейкосапфировых подложках можно отметить в расширяющиеся масштабы освоение таких изделий в массовом производстве. Однако, несмотря на то, что несколько лет назад главные светотехнические компании вступили в альянс с производителем оптоэлектроники, до сих пор для освещения используются лампы накаливания в большей степени, чем твердотельные приборы в электронных схемах.

Этот факт объясняется тем обстоятельством, что хотя управление нанометрическими перемещениями малогабаритных и легких предметов и является одной из наиболее успешно развивающихся областей техники в Японии, США, Германии и других стран, однако в этих странах до настоящего времени не решена задача обеспечения точности перемещения порядка 0,005 мкм не только мелких, но и крупногабаритных и массивных предметов.

Необходимость решения такой задачи определяется мировой тенденцией развития технологического оборудования для производства нового поколения полупроводниковых приборов с большой степенью интеграции из сверхтвердых и хрупких материалов, монокристаллов и алмазов.

Развитие современной микроэлектроники предполагает применение как традиционных полупроводниковых материалов: кремния, сапфира, кварца, бинарных соединений, так и перспективных: природных и искусственных алмазов.

Тенденции к увеличению степени интеграции микроминиатюризации полупроводниковых приборов диктует жесткие требования к микрогеометрии и качеству поверхности полупроводниковых подложек.

Существующая технология прецизионной обработки полупроводниковых подложек представляет собой многоэтапный процесс, включающий прецизионную резку монокристаллов, двустороннее шлифование подложек, химическое травление, финишное и суперфинишного полирование, а также межоперационную и окончательную очистку поверхности подложек. Несмотря на то, что в процессе обработки подложек используются агрессивные химические реагенты, к обрабатывающим составам предъявляются высокие требования по чистоте среды.

Развивающая нанотехнология делает актуальной задачу разработки прецизионной механической обработки поверхности полупроводниковых подложек высокого качества поверхности при отсутствии дефектов поверхностного и подповерхностного слоев при исключении стадий: химического травления, финишного и суперфинишного полирования, которые, как показывает практика, только ухудшают микрогеометрию подложек.