CC BY
84
Вершовский Евгений Алексеевич
Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: vershovsky@cbt.ru.
347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.
Тел.: 88634371673.
Vershovsky Eugeniy Alekseevich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establisment of Higher Vocational Education «Southern Federal University».
E-mail: vershovsky@cbt.ru.
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78634371673.
УДК 681.518
Ю.В. Клунникова МОДЕЛЬ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ САПФИРА НА КАЧЕСТВО КРИСТАЛЛОВ
Представлена модель влияния параметров технологического процесса получения монокристаллов сапфира на качество кристаллов. Разработано математическое и информационное обеспечение процесса получения кристаллов сапфира, которое систематизирует большие информационные массивы данных и дает точную характеристику кристаллов.
Информационная система; технологический процесс получения монокристаллов сапфира; качество; оптимизация.
Y.V. Klunnikova
MODEL OF THE SAPPHIRE GROWTH TECHNOLOGICAL PROCESS PARAMETERS INFLUENCE ON CRYSTALS QUALITY
The model of sapphire growth technological process parameters influence on crystals quality is presented in this article. The software and data ware for sapphire crystals growth process are developed. It allows to systematize the large information volumes and to give the exact crystals characteristics.
Information system; sapphire production technological process; quality, optimization.
Технологическими особенностями получения монокристаллических структур сапфира являются длительность этих процессов (от нескольких дней до нескольких недель), высокие температуры процессов, зависимость качества монокристаллических структур от режимов выращивания. Такие технологические процессы очень трудоемки. Современное состояние средств их автоматизации предполагает использование интегрированных информационных сред с применением технологий представления знаний при создании автоматизированных информационных систем. Это открывает неограниченные возможности использования автоматизированных систем для процессов получения монокристаллических структур сапфира. Сложность использования этих систем состоит в неполноте математического описания технологических моделей процессов кристаллизации сапфира [1].
Целью данной работы является разработка модели влияния параметров технологического процесса получения сапфира на качество кристаллов. Информационные системы рассматриваются в качестве инструментария для реализации поставленной цели исследования.
Сравнительный анализ существующих систем для процессов кристаллизации и обработки материалов [2-8] показал, что в работах [2,3] не решена задача получения бездефектных структур, так как не учитывалось содержание всех дефектов в комплексе. В системе управления для размерного микрошлифования изделий из сверхтвердых и хрупких материалов [4] рассматривался ограниченный набор параметров плоского шлифования, влияющий на качество поверхности кристалла. Системы, разработанные в [5,6], имеют, скорее, теоретическое, чем прикладное значение. В работах [7,8] не принималась во внимание зависимость качества полученного материала от режимов обработки.
Исходя из выше изложенного, необходимо разработать математическое обеспечение получения сапфира, в котором важным моментом является учет влияния максимально возможного количества параметров роста и обработки кристалла на качество сапфира.
Технологическая схема выращивания кристаллов и изготовления пластин сапфира (рис. 1) дает возможность сформулировать основные требования, предъявляемые к математическому и информационному обеспечению [9].
Рис. 1. Технологическая схема выращивания кристаллов сапфира и изготовления
пластин
Для решения задач, связанных с промышленными процессами получения монокристалла сапфира, нами была ранее разработана информационная система [10], которая содержит наиболее исчерпывающую информацию по кристаллам (вес, геометрические размеры, процент содержания примесей, процент содержания трещин, процент содержания включений, процент содержания блоков, процент содержания пузырей от общего объема кристалла, категорию качества кристалла по дефектным характеристикам и многую другую информацию). Система упорядочивает разрозненную информацию по процессам кристаллизации на установках типа СЗВН; помогает инженеру-технологу в выборе параметров роста; дает прогноз степени дефектности получаемого кристалла [11]. Развитие разработанной ранее системы заключается в расширении круга параметров (градиент температур, пространственная ориентация, материал контейнера и другие), влияющих на качество кристаллов, а также в учете процессов обработки (резание, шлифование, полирование) монокристаллических структур сапфира.
На практике при определении технологических параметров во многих случаях не удается воспользоваться методами традиционного программирования (например, сформировать решение задачи в математических терминах в виде систем уравнений). Поэтому, особое внимание следует уделять проектированию интегрированной экспертной системы [12].
Общая модель математического и информационного обеспечения получения монокристаллических структур, предложенная автором, приведена на рис. 2.
Интерфейс пользователя
Логический блок
ЭВМ
Рис. 2. Общая модель математического и информационного обеспечения получения монокристаллических структур
Для разработки математического и информационного обеспечения получения монокристаллических структур была использована методика проектирования (рис. 3), учитывающая все аспекты технологического процесса производства кристаллов.
Оптимизацию процесса получения монокристаллов сапфира можно разделить на три основные части: подготовка исходных данных; расчет основных параметров технологического процесса и дефектов кристаллов; оптимизация техноло-
гического процесса. После получения данных в необходимом количестве строятся модели зависимости уровня дефектов от параметров технологического процесса получения монокристаллических структур. Заключительной частью является построение оптимизационной модели технологического процесса. Для этого определяется целевая функция (время, уровень дефектов и т.п.) и вводятся ограничения (уровни дефектов, температуры, скорости, мощности нагревателя и т.п.).
Рис. 3. Алгоритм методики проектирования математического и информационного обеспечения получения монокристаллических структур
Для решения задач поиска оптимальных технологических условий получения монокристаллов лейкосапфира автор использовал метод полного факторного эксперимента [13,14], поскольку при минимальных затратах времени и материалов можно получить сведения не только о степени воздействия каждого фактора, но и их взаимном влиянии на выбранные параметры, что дает возможность оптимизировать процесс. В качестве факторов были выбраны 3 параметра: скорость движения лодочки, степень вакуума, мощность нагревателя. В качестве параметра оптимизации автором было выбрано количество пузырей [15,16] на единицу площади, которые являются одной из характеристик дефектности кристалла, поскольку специфика кристаллизации расплава оксида алюминия заключается в том, что она проходит в условиях газонасыщенности расплава. Нарушение стабильности тепловых условий на фронте кристаллизации приводит к захвату в расплаве на границе раздела фаз газовых пузырей, обуславливающих возникновение пор в кристалле. Эти поры, являясь концентраторами напряжений, служат дополнительным источником дислокаций и, как следствие, источником блоков.
После проведения экспериментов и некоторых вычислений, автором в качестве одной из целевых функций получено уравнение регрессии в физических переменных, показывающее влияние скорости роста, мощности нагревателя и степени вакуума на количество пузырей на единицу площади:
y=325,562+6,375x1-15,875x2-1365,625xз+56,250x2xз, (1)
где х1 - скорость движения лодочки (мм/час); х2 - мощность нагревателя (кВт); х3 - степень вакуума (Па); у - количество пузырей на единицу площади (см-2).
Проверка на адекватность полученного уравнения регрессии показала, что найденное решение адекватно описывает экспериментальные данные.
Для эффективного проведения оптимизации технологического процесса разработано программное обеспечение, включающее в себя: базу данных; информационную систему, позволяющую рассчитать параметры роста и обработки кристаллов; экспертную систему, помогающую при выборе параметров роста и обработки кристаллов.
Интерфейс разработанных программных модулей приведен на рис. 4.
Рис. 4. Интерфейс программных модулей математического и информационного обеспечения получения монокристаллических структур
Таким образом, для процесса получения монокристаллических структур сапфира разработаны программные модули, систематизирующие большие информационные массивы данных и которые дают точную характеристику кристаллов. На основании методов экспертной оценки и планирования эксперимента, а также на основании закономерностей влияния факторов на рост и обработку кристаллов, выявленных с помощью предложенного математического и информационного обеспечения, сформулирована модель влияния параметров процесса получения сапфира на качество кристаллов. Данная модель позволяет проводить предварительную оценку результатов технологического процесса и способствует выбору оптимальных параметров технологического процесса.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Добровинская Е.Р., Литвинов Л.А., Пищик В.В. Энциклопедия сапфира. - Харьков: НТК «Институт монокристаллов», 2004. - С. 42-200.
2. Кольцова Э.М., Шилов Н.И., Василенко В.А. Алгоритмическое и программное обеспечение для процессов массовой кристаллизации из растворов // Программные продукты и системы. - 1997. - № 1. - С. 37-43.
3. Девятых Г.Г., Ковалев И.Д., Крылов В.А. Информационно-расчетная система «Высокочистые вещества и материалы» // Материалы электронной техники. - 1998. - № 3. - С. 44-51.
4. Шейн Н.Н. Система управления для размерного микрошлифования изделий из сверхтвердых и хрупких материалов // Микроэлектроника и информатика: тезисы докл. Все-рос. конф. - М.: МИЭТ, 2007. - С. 261.
5. Чернышев Ю.О., Иванян А.Ю. Программная поддержка расчетов и оптимизации режимов резания // Известия ТРТУ. - 2оо4. - № 3. - С. 137-140.
6. Иванян А.Ю. Исследование и оптимизация основных показателей систем механической обработки // Известия ТРТУ. - 2004. - № 3. - С. 288-289.
7. Майоров В.С. Система поддержки принятия решений для задачи выбора оптимальных режимов лазерной закалки // Физика и химия обработки материалов - 2001. - № 2.
- С. 91-94.
8. Суслов А.Г., Бишутин С.Г., Медведев Д.М. Автоматизация расчета нормальной контактной жесткости стыков плоских поверхностей шлифованных деталей // Вестник Брянского государственного технического университета. - 2006. - № 2. - С. 135-139.
9. Малюков С.П., Клунникова Ю.В. Моделирование процесса выращивания монокристаллов лейкосапфира методом горизонтальной направленной кристаллизации // Деп. в ВИНИТИ. - 2007. - № 2-В2007. - С. 1-13.
10. Малюков С.П., Клунникова Ю.В. Программа расчета и выбора параметров роста монокристаллов лейкосапфира // Св. об офиц. рег. прогр. для ЭВМ № 2008612944. 2008.
11. Малюков С.П., Лапшина И.В., Клунникова Ю.В. Информационная система получения монокристалла лейкосапфира // XV Туполевские чтения: тезисы докл. Междунар. конф. (Казань, 9-10 нояб. 2007 г.). - Казань, 2007. - Т. 3. - С. 128-131.
12. Рыбина Г.В. Интегрированные экспертные системы: современное состояние, проблемы и тенденции // Известия академии наук. Теория и системы управления. - 2002. - № 5.
- С. 111-126.
13. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. - М.: Наука, 1971. - С. 38-115.
14. Саутин С.Н., Пунин А.Е. Мир компьютеров и химическая технология. - Ленинград: «Химия», 1991. - С. 40-89.
15. Малюков С.П., Нелина С.Н. Снижение количества дефектов в монокристаллах сапфира за счет стабилизации градиента температуры теплового поля // Труды десятой международной научной конференции и школы-семинара Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники. - Таганрог, 2006. - С. 82-84.
16. Дзюба А.С., Ионг Зу. Взаимодействие газовых пузырьков с фронтом кристаллизации расплава // Кристаллография. - 1985. - Т. 30, № 6. - С. 1177-1180.
Клунникова Юлия Владимировна
Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: jklunnikova@rambler.ru
347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.
Тел.: 88634371603.
Klunnikova Y ulia Vladimirovna
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: jklunnikova@rambler.ru
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78634371603.
