МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2012, том 41, № 5, с. 324-330
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И МАТЕРИАЛЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621.3+537.33
ТРАНСФОРМАЦИЯ ФОРМЫ ПРИРОДНЫХ КРИСТАЛЛОВ АЛМАЗА ПРИ АКТИВАЦИИ НЕРАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССОВ © 2012 г. В. Ю. Карасёв, С. М. Пинтус, А. А. Алтухов, Б. А. Белов, Е. В. Гладченков
Научно-производственное предприятие "Микроприбор" E-mail: murena11@bk.ru, karasev@mikropribor.ru, info@mikropribor.ru.
Поступила в редакцию 22.09.2011 г.
Показана принципиальная возможность возникновения необратимых сильнонеравновесных явлений в кристаллах алмаза при использовании алгоритмов комбинированного волнового воздействия. Описана методика эксперимента по созданию в алмазе значительных высокоэнергетических флуктуаций возмущающего волнового поля и, как следствие, формирование в процессе воздействия диссипативных структур как поверхностных, так и объемных. Поверхностные структуры проявляются в виде регулярности морфологического мотива приповерхностного слоя. Объемные структуры обусловлены трансформацией кристаллического строения материала. Приведены и обсуждаются результаты экспериментов по целенаправленной трансформации формы кристаллов алмаза.
1. ВВЕДЕНИЕ
Наблюдаемый прогресс в создании синтетических алмазов с заданными характеристиками создает определенные перспективы эффективного применения этого кристалла для разработки компонентов и изделий микроэлектроники, использующих уникальные свойства этого материала. Искусственно выращенные алмазы [1], сегодня еще не в полной мере удовлетворяют требованиям разработчиков современной микроэлектронной аппаратуры и не по всем аспектам могут конкурировать с природными кристаллами [2].
Природные кристаллы алмаза характеризуются многообразием геометрических форм, разнообразием дефектно-примесной структуры [3], непредсказуемостью своих электрофизических параметров, что делает их пока "неудобными" исходными объектами для создания серийной продукции современного приборостроения.
Интенсивное развитие таких научных направлений, как синергетика, современные версии квантовой термодинамики неравновесных процессов и т.п. позволяют анализировать результаты обработки природного алмаза с точки зрения самоорганизации всех его подсистем (фононной, нуклонной, электронной и т.д.) и физики формирования диссипативных кристаллофизических структур во всем объеме материала, включая его поверхность. На наш взгляд подобный подход к кристаллическому алмазу позволит открыть новые перспективные свойства этого материала, которые могут найти практическое применение в различных областях деятельности человека, в том числе и в современных технологиях создания оригинальных изделий опто- и микроэлектроники.
В данной работе приведены экспериментальные результаты по активации сильнонеравновесных физических состояний подсистем алмаза (в частности фононной и нуклонной [4]) при использовании возмущающих волновых воздействий в технологии обработки кристаллов. Обсуждаются возможности возникновения когерентных диссипативных кристаллофизических структур при создании требуемых геометрических форм из натуральных образований.
2. УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Возмущающим воздействием в наших экспериментах являются волны упругих деформаций, целенаправленно генерируемые работающим инструментом. Именно это волновое воздействие возбуждает фононную подсистему кристалла и стимулирует реализацию ее неравновесных ситуаций. Ранее мы сообщали о роли волновых явлений при обработке кристаллов алмаза и сформулировали требования к инструменту для образования неравновесных волновых полей упругих деформаций [4].
Известно, что для формирования диссипатив-ных структур любого типа требуется наличие сильнонеравновесных условий в системе [5]. Поэтому, активация процессов нелинейного взаимодействия внешних волн, которые возмущают имеющиеся колебания атомов, должна создавать (в нашем случае) предпосылки для возникновения "сильных" незатухающих флуктуаций этого процесса в объеме алмаза, включая его приповерхностный слой. В первую очередь, имеется в виду эффект макроквантования [6] подводимой
плотности волновой энергии, т.е. образование су-перкондесатов [4].
Для реализации этих требований нами были соблюдены два главных условия.
1. Создание оборудования, обеспечивающего когерентное волновое возбуждение кристалла (с учетом нашей модели [4], этот процесс воздействия мы условно назвали "квантово-волновая технология"). Соблюдение этого условия потребовало радикальной модернизации существующих (и близких по техническому предназначению) обрабатывающих систем, например, типовой станок с числовым программным управлением. Исходя из этого, был создан новый, альтернативный способ обработки кристаллов алмаза, общий принцип которого описан в работе [7].
Известно, что в традиционной технологии обработки алмазов в бриллианты одним из определяющих моментов является стабильность оборотов вращающегося инструмента [8]. В этом случае линейная скорость каждого зерна абразива в точке касания инструмента с объектом (Уй.) является величиной постоянной (рис. 1).
В нашем случае обрабатывающий инструмент имеет одну ось вращения а (с циклической частотой а) вокруг своего геометрического центра и одновременно совершает независимое эксцентричное перемещение как целое тело вокруг другой, но неподвижной оси в (с циклической частотой в). Общий кинематический принцип такого комбинированного двухосевого движения был нами реализован ранее [9]. Расстояние между подвижной а и неподвижной в осями вращения (га) является аппаратурным фактором и выбирается в соответствии с используемым алгоритмом обработки.
Важно заметить, что параметр АУ (рис. 1) как приращение к линейной скорости движения инструмента относительно обрабатываемой поверхности алмаза есть величина постоянная в любой точке контакта обрабатывающего инструмента с кристаллом и зависит только от га. Следовательно, и тангенциальное ускорение всех зерен, участвующих в процессе генерации возмущающих волн, будет также инвариантно относительно координат контакта. В этом суть одного из многочисленных разновидностей наших алгоритмов. В этих алгоритмах так же предусмотрена возможность задаваемого вращательного и возвратно поступательного перемещений кристалла алмаза относительно инструмента.
Критерий пространственного постоянства А У является определяющим фактором при создании когерентного волнового поля упругих деформаций в объеме алмаза. Частота а вращения инструмента может находиться в диапазоне 0—10000 об/мин, частота в варьируется в пределах 0—50 Гц. Конкретные параметры и соотношения частот в слу-
V
Рис. 1. Графическое отображение скоростей движения инструмента как функции времени t. Горизонтальная линия — линейная скорость среднестатистического зерна абразива при использовании стандартной технологии (Vt). Волнистая линия — характер изменения скорости аналогичного зерна абразива относительно обрабатываемой поверхности алмаза при применении квантово-волновой технологии (AV = V2 — Vi).
чае независимого двухосевого механического движения инструмента определяются поставленной целью и задачей при применении нашей технологии обработки алмаза. Подобный подход к решению проблемы обработки алмазного сырья был реализован в процедурах снятия внутренних напряжений в кристалле [10, 11].
2. Целесообразность рассмотрения кристалла с точки зрения некоего волнового резонатора с предполагаемой его оптической схемой. В этом направлении исследований мы основывались на анализе природных пространственных конфигураций (форм) алмаза, которые подсказали алгоритм технологического формирования оптической схемы кристалла.
Поскольку созданная нами технология позволяет формировать поверхности, описываемые уравнениями второго порядка [12], то и природный кристалл алмаза в наших экспериментах рассматривался с точки зрения совокупности подобных трехмерных образований.
Напомним, что скорость распространения продольных акустических волн в алмазе составляет ~18 км/с, а поперечных ~12 км/с. Поэтому даже кратковременное прикосновение работающего инструмента к любой точке поверхности кристалла создает дальнодействующее волновое поле в его объеме. В этом случае необходимо учитывать уникальную конфигурацию поверхности природных кристаллов алмаза. Эта специфика форм диктует условия для создания внутренних волновых деформационных потоков посредством внешнего когерентного воздействия.
На рис. 2 представлен природный кристалл алмаза, который относится к категории сырья Rejection Stones (a) и приведена геометрическая схема (б) его формы. Видно, что этот кристалл обладает формой поверхности искаженного октаэд-
(а)
(б)
2 мм
I_I
Пирамида 1 6
Главная ось "а" 1
5
2
Пространство "б" ...............
^\Пирамида 2
Вершины октаэдра 1, 2, 3, 4, 5, 6
Рис. 2. Природный кристалл алмаза (а) и вписанная в него фигура идеального октаэдра (б).
Рис. 3. Вершина октаэдра 1 (а), вершина октаэдра 2 (б). Стрелками отмечены направления схождения ребер исходного октаэдра.
ра, т.к. грани и ребра его округлые. Заметен характерный для этого типа сырья рельеф поверхности граней октаэдра.
Главная ось октаэдра обозначена как ось (а). Пространство, плоскость (б) — область сопряжения двух четырехгранных пирамид (пирамида 1 и пирамида 2 соответственно). С точки зрения создания определенной оптической схемы кристалла представляет интерес изучение геометрии вершин естественного октаэдра алмаза. Например, проанализируем возможности формирования сферических и конусообразных поверхностей на его вершинах. Рассмотрим вершины 1 и 2, находящиеся на главной оси октаэдра (рис. 3).
На вершине 1 в месте схождения ребер октаэдра наблюдается конфигурация, напоминающая пирамиду (рис. 3а). На этой вершине целесообразно сформировать конусообразную поверхность, повторяющую размеры этой конфигурации. На вершине 2 (рис. 3б) схождение ребер про-
исходит не в одну точку. Видимо по этой причине, вершина 2 имеет своеобразную вытянутую форму с характерным абрисом поверхности (рис. 4).
Очевидно, что на этой вершине целесообразно сформировать короткофокусную сферическую линзу, тем более что абрис этого
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.