Материал для радиоэлектроники
Ученые НовГУ* разработали технологию лазерной обработки карбида кремния — перспективного материала для радиоэлектроники.
Исследователям удалось решить фундаментальную проблему его микрообработки — создание на его поверхности с помощью лазера сложных микроструктур с ювелирной точностью. Новая технология позволит создавать мини-датчики, способные работать в экстремальных условиях — от авиационных двигателей до нефтегазовых трубопроводов. На основе своей методики ученые уже создали и протестировали реальные прототипы таких устройств.
Авторы исследования — преподаватель кафедры физики твердого тела и микроэлектроники Даниил Евстигнеев и доктор наук и доцент Николай Корнышев.
Карбид кремния называют «полупроводниковым алмазом» за его уникальные свойства. Он выдерживает экстремальные температуры, радиационное излучение и воздействие агрессивных сред. При этом обладает высокой теплопроводностью. Но те же характеристики делают его сложным в обработке — он очень твердый, но при этом хрупкий. Традиционная механическая резка материала дорогая и малоэффективная, а лазерная обработка часто приводит к тому, что он просто повреждается — происходит оплавка или образование микротрещин.
Поэтому перед новгородскими учеными стояла нетривиальная задача — не просто разрезать карбид кремния или создать в нем отверстия, а сформировать на его поверхности сложный микрорельеф, не нарушив структуру. Они предложили принципиально новый подход к обработке материала, показав, что секрет успеха — не в мощности лазера, а в среде, в которую он помещен во время обработки.
— Просто обрабатывать карбид кремния труда не составляет и это уже делали ранее. А вот если стоит задача создать шероховатую поверхность, ровную канавку в виде мезаструктуры, или удалить материал без оплавления — это уже намного интереснее. Основой метода здесь служит среда, в которой этот материал обрабатывается с помощью лазера. Это можно делать на воздухе, можно погружать его в воду, масло, жидкий азот, и всегда будет разница в конечном результате, что позволяет прогнозировать его с хорошей точностью. При этом мы еще и отходы производства уменьшаем, — рассказал первый автор разработки Даниил Евстигнеев.
Так, при обработке на воздухе ученые научились создавать проводящие дорожки на поверхности материала. Но настоящим прогрессом стала «огранка» его через слой жидкости. При этом разные составы давали разные результаты. Очищенная вода эффективно охлаждала зону обработки, минимизируя термические повреждения. Вязкое и теплоемкое вакуумное масло позволило сформировать чистые и гладкие структуры.
Еще интереснее оказался эксперимент с силиконовым маслом. Вместо обычных ямок или канавок с ровными или вогнутыми краями на поверхности карбида кремния появились следы с выпуклым, приподнятым краем. Подобный эффект, по словам исследователей, невозможно создать другими способами. Такие разные результаты связаны с разным взаимодействием между лазерной плазмой, расплавленным карбидом кремния и средой, в которую он помещен.
— В рамках предложенного метода предложены и коэффициенты автоматизации, и программы, и методики улучшения текущих производств, и посчитана эффективность относительно сегодняшнего вооружения наших предприятий, и самое главное — разработан и опробован технологический маршрут, по которому мы сделали несколько устройств на карбиде кремния, позволяющих регистрировать газы в трубопроводах, их скорость и температуру, а также работать с открытым пламенем, — продолжил ученый.
Одним из них таких устройств стал образец теплового микроанемометра — датчика, способного с высокой точностью измерять скорость и температуру газовых потоков (например, в трубопроводах). Тепловой микроанемоментр, созданный по технологии новгородцев, работает, как миниатюрный нагреватель и термометр одновременно, выгравированный лазером прямо на пластине карбида кремния.
На поверхности кристалла ученые сформировали микроскопический гребешок — мезоструктуру. Этот элемент — чувствительное сердце датчика. Под воздействием пропускаемого через него электрического тока, он нагревается, а когда мимо него протекает газ, охлаждается. По степени этого охлаждения и вычисляется скорость потока газа.
Основной секрет нового «мезодизайна» в том, что лазерная обработка позволяет изолировать этот гребешок от основной массы материала, создав вокруг него микроскопические воздушные зазоры или канавки. Эти зазоры работают как термос, не давая теплу от чувствительного элемента утекать вглубь подложки. Вся энергия уходит именно на взаимодействие с газом, что делает измерения очень точными.
Вторым опытным устройством, которое разработали ученые, стал рефрактометрический детектор — датчик для контроля состава веществ, который может работать в условиях открытого пламени и других экстремальных сред. Такие детекторы используют другое свойство карбида кремния — его способность взаимодействовать со светом. Лазерная обработка используется здесь для создания на поверхности материала специальных структур, которые чувствительны к изменению показателя преломления света.
Когда состав газа или жидкости меняется, меняются и их оптические свойства. Это изменение фиксируется с помощью света, который проходит по созданному в материале волноводу или отражается от модифицированной поверхности. Поскольку сам карбид кремния термостоек и химически инертен, такой оптический датчик может «заглядывать» прямо в агрессивные среды, например, в пламя, и анализировать его состав в реальном времени, не разрушаясь.
— Оба устройства объединяет то, что они создаются не путем сборки из отдельных деталей, а через обработку лазером на цельной пластине карбида кремния. Используя различные жидкости, мы, по сути, выращиваем сложную внутреннюю структуру датчика на поверхности кристалла. Это позволяет получать монолитное, очень прочное и миниатюрное полноценное устройство, — подводит итог Даниил Алексеевич.
Технология открывает путь к созданию нового поколения устройств для радиоэлектроники, работающей в экстремальных условиях. Они станут более миниатюрными, надежными и эффективными. Новые методы также позволят значительно снизить стоимость обработки карбида кремния за счет уменьшения отходов и повышения выхода годной продукции.
*НовГУ – федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого».
Источник информации – НовГУ – https://novsu.ru/university/press/news/241483/
