Текст реферата: страница 4
кремнии, то процесс называют автоэпитаксиальным или гомоэпитаксиальным. Если же материалы слоя и подложки различаются (хотя их кристаллическая структура должна быть сходной для обеспечения роста монокристаллического слоя), то процесс называют гетероэпитаксиальным.
Перспективность использования силленитов для изготовления разнообразных тонкоплёночных устройств, применяемых для интегральных оптических схем, отмечена Ballman A.A. и Tien P.K. [44].
Для получения плёнок силленитов использовались разнообразные методы:
- Выращивание из газовой фазы [45],
- ВЧ – распыление [46],
- Из жидкой фазы [47],
- Методы термического испарения [48].
При осаждении Bi12GeO20 с использованием паров Bi и GeCl4 был использован сложный окислитель (N2O+H2O). Осадки Bi12GeO20 на Bi12GeO20, сапфире, шпинели, кварце, MgO были поликристаллическими. Соединения, которые могут быть выращены, имеют ряд составов: Bi12+yGexO20 в которых х может изменятся в пределах от Ѕ до 1.[45]
При выращивании Bi12GeO20 из газовой фазы при температуре реакционной зоны 860 °С наблюдалась реакция между осадком, подложкой и частями кварцевой трубы . .[45]
В работах [48,49] для получения плёнок использовались различные виды термического испарения исходного соединения с последующей конденсацией на подогреваемых подложках из стекла, скола {001} NaCl, слюды. В качестве исходных материалов брали стехиометрические составы Bi12ЭO20, где Э – Si, Ge. Не зависимо от метода испарения, полученные конденсаты являлись силленитами, на что указывал расчёт рентгенограмм.
При получении плёнок методом ВЧ – распыления [46] большое значение придавалось температуре подложек. Наиболее совершенная структура получена при температуре 500 – 550 °С на кварце. При более низких температурах получаемые слои были аморфны.
В работе [46] предпринимались попытки получить соединение со структурой силленита методом “взрывного” испарения. Тонкие конденсаты, полученные стекле, сколе слюды, пластинках из нержавеющей стали, изучались на электронном микроскопе ЭММ – 2. При напылении плёнок на холодные подложки (tп. = 20 °С) происходило образование аморфных слоёв. При конденсации плёнок на подложки, температура которых превышала 400 °С, образовывался поликристаллический слой германосилленита.
Для получения оптически высококачественных монокристаллических плёнок ряда силленитов был применён метод гетероэпитаксиального наращивания из жидкой фазы [47], причём подложкой в данном случае служило одно из соединений со структурой силленита, которое обладало большим показателем преломления и более высокой температурой плавления. Например, плёнки 12Bi2O3ЧGa2O3 на Bi12GeO20.
Объясняя механизм роста плёнки, Ю.М. Смирнов и А.Д. Шуклов [50] рассматривают его как последовательный процесс, состоящий из ряда стадий:
- Образование кластеров в расплаве;
- Диффузия кластеров к поверхности роста;
- Осаждение кластера на поверхности (образование зародыша);
- Поверхностная диффузия;
- Рост плёнки.
Образование кластера, как отмечают [51], определяется максимальной величиной энергетического барьера и будет лимитирующей стадией в процессе осаждения плёнки. Основной вклад на этой стадии существования расплава принадлежит температуре. Температура расплава, а точнее, его переохлаждение, будет оказывать определяющее влияние и на вторую стадию процесса – диффузию кластеров к поверхности роста. Однако, влияние переохлаждения на первую и вторую стадии образования плёнки различно: увеличение переохлаждения способствует образованию кластеров в расплаве и одновременно, уменьшает диффузию кластеров к фронту кристаллизации. Поэтому при получении эпитаксиальных плёнок важно установить температурные условия и кинетику осаждения плёнки. Основной выбора оптимальных технологических условий получения эпитаксиальных плёнок являются фазовые равновесия в соответствующих системах.
Для описание роста плёнок авторы [50] предлагают уравнение, описывающее кривую Таммана:
¦ =,
где
А – постоянная величина;
ТЕ – равновесная температура фазового перехода;
W1– энергетический барьер стадии образования, равный ;
Wd - энергетический барьер стадии диффузии;
W3 - энергетический барьер стадии осаждения кластеров, равный
k1 – константа скорости стадии образования;
k2 – константа скорости стадии осаждения кластеров.
Так как химические и физические свойства силленитов зависят от структурообразующих ионов (Si, Ge, Fe, Ga и т. д.) и от содержания этих ионов, то частичная или полная замена их, даёт возможность безошибочно изменять показатель преломления плёнки в достаточно широком интервале.
2.5 Возможность получения плёнок силленита на силлените.
Будущие высокоёмкие системы оптической связи, как считают A.A. Ballman и P.K. Tien [44], будут состоять из различных пассивных и активных интегральных оптических устройств, функция которых – проводить и манипулировать световыми волнами, несущими информацию. Со времени публикации [44] проводились интенсивные исследования различных тонкоплёночных светодиодов и, связанных с ними, оптических устройств. Работа в этой области [44] выявила, что окончательный успех предлагаемых оптических систем, в основном, зависит от разработки тонкоплёночных материалов, имеющих приемлемые свойства для применения в системах оптической передачи информации.
Авторами работы [52] было обнаружено, что монокристаллические тонкоплёночные материалы подходят для интегральных оптических устройств, так как они имеют малые потери для проводящих волн, относительно просты и недороги в изготовлении.
Авторы [44] обнаружили новый обещающий класс монокристаллических материалов, идеально подходящий для использования как в пассивных, так и в активных тонкоплёночных светопроводящих оптических устройствах.
Светопроводящие устройство [44] состоит из тонкой плёнки прозрачного силленитового материала на основе оксидов висмута, образованной на подложке так же прозрачного силленитового материала на основе оксидов висмута с более низким показателем преломления, чем у плёнки.
Как было показано ранее (глава 1.2.) семейство силленитов включает множество соединений Bi2O3 с оксидами GeO2, SiO2, TiO2, ZnO, Ca2O3, Al2O3, Fe2O3, B2O3, P205 и т.д.… Частичная или полная замена различных ионов силленитов позволяет изменять показатель преломления как плёнки, так и подложки в относительно широком диапазоне. Монокристаллические силленитовые плёнки совершенно прозрачны в видимом и ИК – спектре, обладают низкими потерями на рассеивание и поглощение световых волн.
Кроме того, было обнаружено [44], что силлениты обладают эффектом Фарадея, являются пьезоэлектриками, оптически активными, оптически нелинейными и фотопроводящими материалами.
Использование Bi12GeO20 в качестве подложки в процессе гетероэпитаксиального получения плёнок силленитов очевидно в связи с тем, что германосилленит имеет наивысшую точку плавления из всех соединений силленитов, приведённых в таблице 1.5.1. Подложка, таким образом может быть погружена во все соединения, чьи температуры плавления ниже. Близкое согласование параметров решётки и коэффициента теплового расширения так же дают возможность получить высококачественные эпитаксиальные слои. Соединения приведённые в таблице 1.5.1. удовлетворяют этим требованиям в вариантах, где в качестве подложки использовался германосилленит.
Таблица 1.5.1. [44]
Состав
Соотношение
Параметр решётки, Е
Температура плавления, °С
Bi2O3 – Bi2O3
12:1
10,12
700
Bi2O3 – SiO2
6:1
10,10
900
Bi2O3 – GeO2
6:1
10,14
935
Bi2O3 – TiO2
6:1
10,17
930
Bi2O3 – Ga2O3
12:1
10,17
825
Bi2O3 – Al2O3
12:1
10,16
930
Bi2O3 – Fe2O3
19:1
10,18
825
Bi2O3 – ZnO
6:1
10,20
800
Bi2O3 – P2O5
12:1
10,16
900
2.6 Влияние легирования на свойства монокристаллов силленита.
2.6.1 Оптические свойства.
Перспективность материалов со структурой силленита в значительной степени объясняются электрооптическими свойствами этих кристаллов, то есть сравнительно малой величиной полуволнового напряжения, а также значительными продольными и поперечными электрооптическими эффектами.
Известно, [53] что легирование Al, Ga, Sr значительно изменяет спектральную зависимость оптического поглощения и диэлектрические свойства монокристаллов. В работе Копылова с сотрудниками [54] исследовано влияние легирования монокристаллов Bi12SiO20 элементами II и III групп на величину и спектральную зависимость U .
В пространственно-временных модуляторах света типа ПРОМ важно иметь не слишком тонкий слой материала, поскольку к нему прилагается сильное электрическое поле. Коэффициент поглощения определяет максимально допустимую рабочую длину устройства, использующего данный материал.[55] Снижение коэффициента поглощения в области 400-600 нм обеспечивается введением в B12GeO20 0,1 масс % Al2O3 (рис. 1.6.1.)
Рис.1.6.1. Зависимость полуволнового напряжения U от длины волны для легированного силликосилленита:
I. Bi12SiO20;
II. Bi12SiO20 – Al;
III. Bi12SiO20 – Ga;
IV. Bi12SiO20 – Ca;
V. Bi12SiO20 – Sr;
VI. Bi12GeO20.
Такое легирование даёт возможность увеличения максимальной допустимой рабочей длины от 160 мкм для Bi12GeO20 до 3,2 мм для Bi12GeO20 –0,1 масс. % Al2O3 (при работе на длине волны 420 нм), а при записи голограмм на l = 514,5 нм она составит уже 10 мм[55].
Фотопроводность определяет возможность использования силленитов в устройствах записи оптической информации – пространственно-временных модуляторах света (ПВМС). Увеличение фоточувствительности за счёт легирования кристалла позволяет увеличить чувствительность таких устройств, если оно не вызывает увеличения темновой проводимости, уменьшающей время хранения записанной информации. Однако, в электрооптических лампах, управляемых электронным лучом [56] благоприятным условием использования силленитов является подавление фотопроводимости.
Рис.1.6.2. Спектр фоточувствительности кристаллов [57].
1 – Bi12SiO20
2 - Bi12SiO20 – Mn (0,15 масс. % в шихте)
3 - Bi12SiO20 – Cr (0,10 масс. % в шихте)
Значительное уменьшение фотопроводимости отмечено у Bi12SiO20 при легировании Cr и Mn [57](рис. 1.6.2.), Al и Ga (до 0,5 вес. % в расплаве) [58]; у Bi12GeO20 – при легированииCa и Ga [56].
2.7 Выводы из литературного обзора.
Сложные кислородные соединения Bi силленитов типа (mBi2O3ЧnMexOy) вызывают большой интерес, являясь пьезоэлектриками, обладают электрооптическими и магнитооптическими свойствами, что в сочетании с фотопроводимостью выдвигает их в число перспективных материалов для создания электро- и магнитооптических модуляторов лазерного излучения, запоминающих устройств типа ПРОМ и т.д.
Замена р-элементов (Ge, [ ] ns2np2) в Bi12ЭO20 ионами переходных металлов, имеющих неспаренные 3dn-электроны, позволяет получить новые свойства (изменения окраски, расширение области пропускания в длинноволновой части спектра).
Чистота поверхности подложки является решающим фактором для выращивания и адгезии плёнок. Хорошо очищенная подложка является необходимым предварительным условием для получения плёнок с воспроизводимыми свойства.
Будущие высокоёмкие системы оптической связи, как считают A.A. Ballman и P.K. Tien [44], будут состоять из различных пассивных и активных интегральных оптических устройств, функция которых – проводить и манипулировать световыми волнами, несущими информацию. Работа в этой области [44] выявила, что окончательный успех предлагаемых оптических систем, в основном, зависит от разработки тонкоплёночных материалов, имеющих приемлемые свойства для применения в системах оптической передачи информации. Светопроводящие устройство состоит из тонкой плёнки прозрачного силленитового материала на основе оксидов висмута, образованной на подложке так же прозрачного силленитового материала на основе оксидов висмута с более низким показателем преломления, чем у плёнки.
Таким образом необходимо нахождения условий получения плёнок заданной толщины твёрдого раствора Bi12GeO20 : 6 мольн. % Cr4+ со структурой силленита на германосилленитовой подложке методом жидкофазной эпитаксии.
3 Экспериментальная часть.
3.1 Цели и задачи работы.
Целью данной дипломной работы являлось получение плёнок заданной толщины твёрдого раствора Bi12GeO20 : 6 мольн. % Cr4+ со структурой силленита на германосилленитовой подложке методом жидкофазной эпитаксии.
Для достижения данной цели необходимо выполнить следующие задачи:
1. Подбор ориентации подложки,
2. Выбор оптимальгой температуры эпитаксии,
3. Определение зависимости толщины пленки от времени выдержки подложки в расплаве.
3.2 Характеристики исходных веществ.
Вещества
Категории
Технические условия
Содержание основного вещества, %
Bi2O3
ОСЧ 13-3
ТУ6-09-1853-72
99,99
GeO2
ОСЧ 2-14
ТУ6-09-1418-76
99,99
Cr2O3
“ХЧ”
HCl
“ХЧ”
ГОСТ 3118-67
35,0 – 38,0
CCl4
“ОСЧ”
ГОСТ 20288-77
Ацетон
“Ч”
ТУ 9-271-68
Глицерин
“ХЧ”
ТУ 9-271-68
3.3 Выбор материала тигля.
При выращивании монокристаллов силленитов в качестве материала тигля используется платина.
Хотя температура плавления германосилленита 930 °С, применять керамические, кварцевые, а также тигли из неблагородных металлов нельзя из-за высокой химической активности расплава Bi2O3.
3.4 Оборудование.
В ходе работы использовалось следующее оборудование:
1) Установка для роста кристаллов по Чохральскому.
В качестве нагревательного элемента использовалась нихромовая спираль (R = 2,1 Ом).
Максимальная мощность печи – 2,142 кВт.
Максимальная температура – 1250 °С.
Внутреннее устройство печи приведено на рис. 2.4.1.
Электрическая часть установки питается от сети переменного тока (напряжение 220 В, 50 Гц). Управление и контроль производится с помощью системы высокоточного регулирования температуры ВРТ-2. Система построена по принципу обратной связи по температуре. Напряжение на нагреватель подаётся с блока тиристоров БТ. Сигнал с термопары, расположенной в непосредственной близости от нагревателя, поступает на задатчик И-102, где сравнивается с заданным набором температуры. Сигнал разбаланса, полученный в результате сравнения, поступает на регулятор Р-111, где формируется заданный закон регулирования(в данном случае ПИ-регулирование) печью сопротивления. Сигнал с регулятора (0 ё 5 mА) поступает на блок управления тиристоров БУТ, который регулирует выходной сигнал с блока тиристоров БТ, подавая на них изменяющееся по величине, запирающее напряжение. Вытягивающий механизм конструкции ИКАНа.
Скорость вытягивания 3, 6, 12 мм/час.
Скорость вращения штока 47 об/мин.
2) Для синтеза шихты и отжига полученных кристаллов использовали муфельную печь ПМ-8.
Технические данные печи:
Мощность нагревателя
—
2,4
кВт
Напряжение сети
—
220
В
Максимальная рабочая температура
—
1100
°С
3.5 Изготовление подложек из монокристаллов Bi12GeO20 и подготовка поверхности подложек к эпитаксии.
Для изготовления подложек, монокристаллы германосилленита распиливали алмазным диском с наружной режущей кромкой перпендикулярно оси роста кристалла на пластины толщиной 1 ё 1,5 мм.
Далее пластины наклеивали пиццеином на металлическую планшайбу и шлифовали с применением алмазной шлифовальной пасты “М”.
После того как пластины были отшлифованы, планшайбу с наклеенными на неё подложками тщательно мыли для удаления с неё остатков шлифовальной пасты. Затем планшайбу помещали на полировочный круг и пластины полировались до зеркального блеска. Для полировки применялась полировальная паста “М”. После окончания механической полировки проводили химическую смесью глицерина и соляной кислоты в пропорции 10 : 1, соответственно. Химическую полировку проводили в несколько приемов по 10 с. с контролем качества поверхности на микроскопе МИИ-4.
После шлифовки и полировки из пластин вырезались пластины размеров, которые прикреплялись к корундовому стержню тонкой платиновой проволокой.
Для очистки от жировых загрязнений, подложки погружались в четырёххлористый углерод и кипятились в нём в течение 15 ё 20 минут.
3.6 Приготовление шихты для жидкофазной эпитаксии.
Для проведения экспериментов брали навески Bi2O3, GeO2 и Cr2O3 из расчёта получения смеси содержащей 3 масс. % Cr2O3 и производили синтез шихты по уравнению реакции приведённому ниже:
6Bi2O3 + 0,94GeO2 + 0,03Cr2O3 ® Ge0,94Cr0,06Bi12O39,97.
Суммарный вес навески составлял 50 г, что определялось размерами тигля. Исходные компоненты отвешивали в рассчитанных соотношениях на аналитических весах АДВ – 200 с точностью до 0,0001 г. Затем проводили твёрдофазный синтез шихты при 820 °С в течении 30 часов.
Для идентификации фаз применялся метод рентгенофазового анализа. Образцы анализировались на двукружном дифрактометре типа ДРОН - 2.0 (CuK ? в интервале углов 2° < 2Q < 70°).
3.7 Нанесения эпитаксиального слоя.
Эпитаксиальные плёнки получали методом окунания монокристаллической германосилленитовой подложки в расплав. Платиновый тигель с шихтой помещали в кристаллизационную камеру. Для выравнивания радиального градиента над поверхностью расплава, тигель накрывали диафрагмой из термостойкой керамики. Затем опускали шток с прикреплённой к нему платиновой проволочкой подложкой. Для наращивания эпитаксиальных плёнок Ge0,94Cr0,06Bi12O39,97 использовались подложки Bi12GeO20 с ориентацией [111] и [100]. Шток с подложкой ориентировали таким образом, чтобы подложка находилась точно над центром тигля. Затем температуру с помощью ручного регулятора плавно поднимали до 899 °С за 40 – 50 минут. Это делалось для того, чтобы подложка и нагреватель не подвергались термоудару. После того как шихта расплавлялась, температуру выводили на заданное значение и выдерживали в течение 30 мин. для установления теплового режима. Подложку держали непосредственно над расплавом для прогрева.
Далее подложку опускали в расплав при вращающемся штоке и выдерживали её там в течение 10 ё 30 мин. Затем включали подъём штока. После того как подложка с нанесённой на неё плёнкой вытягивается из расплава, её вручную поднимали на 2 ё 3 мм над расплавом и, выключив вращение и подъём штока, выдерживали в течении 1,5 часов. Затем плавно начинали снижать температуру в печи до комнатной. Затем подложку с нанесённой на неё плёнкой извлекали из печи.
Процесс жидкофазной эпитаксии проводился при скоростях подъёма штока 12 мм/час и скорости вращения 47 Об/мин.
После наращивания проводился отжиг эпитаксиальных плёнок в течение 5 – 6 часов при температуре 850 °С.
Температура наращивания плёнок изменялась в пределах от 899 до 914 °С.
3.8 Определение влияния температуры на толщину эпитаксиального слоя.
Для приборов магнитооптики требуются плёнки толщиной не менее 20 мкм. На толщину получаемых эпитаксиальных плёнок основное влияние оказывают температура расплава, скорость подъёма штока и время эпитасиального наращивания плёнки.
Для определения толщины эпитаксиального слоя, из пластин с нанесённой плёнкой изготовлялся срез вдоль оси роста. Измерение толщины производилось с использованием микроскопа МИН-8. Измерение под микроскопом производилось с помощью винтового окулярного микрометра. Он позволяет проводить замеры с большой точностью, нежели линейный. При 20Х объективе цена одного деления барабана составляет 0,375 мкм.
Экспериментальные данные показали, что при скорости менее 12 мм/час происходит налипание расплава на подложку. При постоянных скорости вытягивания и времени наращивания плёнки, основное влияние на ее толщину оказывает температура.
Влияние температуры на толщину плёнки представлено на рис. 2.8.1.
Рис. 2.8.1. Зависимость толщины эпитаксиальной плёнки от температуры при постоянной скорости вытягивания (12 мм/час. и 10- минутной выдержке подложки в расплаве).
На основании эксперимента выбран оптимальный температурный режим выращивания плёнок при скорости вытягивания 12 мм/час.
Важное влияние на толщину получаемых плёнок оказывает время эпитаксиального наращивания.(Рис. 2.8.2.)
Рис. 2.8.2. Зависимость толщины плёнок от времени эпитаксии при разных температурах расплава:
1. 914 °С.
2. 907 °С.
3. 900 °С.
Плёнки оптимальной толщины получались в интервале от 855 до 873 °С и времени эпитаксии 10 мин.
3.9 Выявление микроструктуры эпитаксиальных плёнок.
Изучение микроструктуры полученных плёнок производили кристаллооптическим методом на микроскопе МИН – 8 с 160 кратным увеличением.
Определяли положение монокристаллических блоков на поверхности подложки, их форму и размеры в зависимости от ориентации подложки. Определение размеров кристаллических блоков проводилось по методике, изложенной в главе 2.8. На каждом образце производилось 25 – 30 замеров. Результаты усреднялись.
В зависимости от ориентации подложки и температуры расплава, получались монокристаллические блоки различной величины и формы.
На подложках с ориентацией {100} получались кристаллические блоки вытянутые вдоль оси роста. При уменьшении температуры до 904 °С происходило увеличение размеров кристаллических блоков, а при достижении области температур ниже 904 °С происходило их нарастание друг на друга (рис. 2.9.1.).
На подложке с ориентацией {111} при прочих равных условиях, кристаллические блоки имели меньшие размеры и не столь явно выраженную направленность.(рис. 2.9.2.)
На рис. 2.9.3 представлен график зависимости средних размеров кристаллических блоков от температуры наращивания.
Рис. 2.9.1 Кристаллические блоки на подложке с ориентацией {100}.
Рис. 2.9.2. Мелкие кристаллические блоки на подложке с ориентацией {111}.
Рис. 2.9.3 Зависимость средних размеров монокристаллических зёрен от температуры расплава.
3.10 Результаты работы и выводы.
1. Получены плёнки твёрдого раствора Bi12GeO20 : 6 мольн. % Cr4+ со структурой силленита на германосилленитовой подложке.
2. Оптимальными условиями для получения качественных плёнок толщиной от 20 до 90 мкм. являются температурный интервал 904 – 914 °С и время эпитаксии 10 мин.
3. Величина кристаллических блоков изменяется от 15 до 70 мкм в температурном интервале от 904 до 914 °С.
4. Для получения эпитаксиальной плёнки твёрдого раствора Bi12GeO20 : 6 мольн. % Cr4+ со структурой силленита на германосилленитовой подложке. наиболее благоприятная ориентация подложки {100}
4 Экономическая часть .
[61].
4.1 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ обоснование проведения дипломной работы.
В последнее время развитие и совершенствование передовых технологий привело к широкому внедрению достижений науки и техники, в том числе и квантовой электроники, в медицину.
В современной медицине существуют несколько способов лечения онкологических заболеваний:
1. Химиотерапия. К недостаткам этого метода можно отнести вредность, используемых лекарств, а также их высокую стоимость, длительный период выведения лекарства из организма, побочные явления и невысокую эффективность.
2. Хирургическое вмешательство. Недостатки этого метода связаны с затратами на содержание человека в больнице и его длительной нетрудоспособностью в послеоперационный период.
Наиболее перспективными методами лечения в России и за рубежом считается методы с применением лазерной техники. Сейчас такие методы из-за их высокой стоимости доступны далеко не каждому больному. Данная дипломная работа является шагом в направлении уменьшения стоимости изготовления техники и, следовательно, большей ее доступности для потребителя.
Потребность современной техники в новых материалах, перспективных благодаря их необычным физическим свойствам, возрастает с каждым годом. Среди таких материалов важное место принадлежит неорганическим монокристаллам. Известные на сегодняшний день лазерные кристаллы удовлетворяют далеко не всем существующим потребностям: например КПД лучших из них не превышает 60%, порог генерации порядка 50 мВт, невысокое оптическое качество, связанное с неразрешёнными технологическими проблемами, такими как, например, подбор условий роста объёмных кристаллов.
В последние годы очень активно изучаются материалы, содержащие в качестве активатора хром в нетрадиционной для него степени окисления 4+. На их основе возможно создание лазеров с перестраеваемой частотой излучения в диапазоне 1,1–1,5 мкм.
На сегодняшний день, германосилленит (Bi12GeO20) активированный ионами хрома, является одним из перспективных материалов для перестраеваемых лазеров ближнего ИК диапазона. Благодаря наличию широкой области перестройки (около 200 нм) этот материал может быть использован в медицине для лечения онкологических заболеваний, так как область его перестройки захватывает длину волны 1,27 мкм, которая обладает высоким терапевтическим эффектом в борьбе с раковыми клетками. Основными методами получения монокристаллов германосилленита для лазерных применений являются методы Чохральского , оптической зонной плавки. Получение лазерных элементов этими методами сопряжено с большими материальными и энергетическими издержками, значительная часть монокристаллов теряется в процессе изготовления конечного продукта (до 50%) из-за дефектов, включений, двойников, дислокаций и т.д. На сегодняшний день основным производителем лазерных элементов на основе силленита является фирма Union Carbide Corporation, на долю которой приходится 40% производства. Себестоимость одного лазерного элемента составляет около $1500 ( по данным UC ) В связи со сложной экономической ситуацией в нашей стране производство лазерных элементов (НИИ "Полюс", АОЗТ "ИРЕА" ) полностью прекращено.
В последнее время ведутся интенсивные исследования в области миниатюрных лазерных компонентов, поскольку они дают значительные преимущества перед обьемными монокристаллами, например: высокий уровень легирования активного материала для получения высокой эффективности (КПД ориентировочно до 80%) при небольших энергиях накачки диода; высокая компактность и технологичность ( время изготовления лазерного элемента на основе обьемного кристалла составляет примерно 3-4 сут., а на основе пленки за 2 часа можно изготовить 80-100 элементов); размер лазерного элемента на основе пленки не превышает 1 мм2 ( для кристаллов 10-15 см3 ); низкие пороги генерации ( 17 мВт вместо 50 мВт для лучших образцов обьемных кристаллов.); соответственно более высокие КПД (80 % вместо 60 %); малые отходы при производстве конечного продукта и, как следствие, уменьшение себестоимости.
Основным преимуществом миниатюрных лазеров является возможность создания их в интегральном исполнении со стекловолокном и диодной системой накачки. Данное направление возможно реализовать исключительно с применением метода жидкофазной эпитаксии, чему и посвящена данная дипломная работа.
4.1.1 Оценка себестоимости лазерного элемента на основе монокристаллической пленки (по данным полученным в результате НИР )
Производство пленочного лазерного элемента состоит из трех основных стадий:
- наращивание трех слоев монокристаллической пленки на подложку из другого материала;
- полировка поверхностей;
- нанесение отражающих и защитных покрытий на элемент и сборка.
Рост состоит из трех этапов по 1 часу каждый, в результате чего получаем 100 шт элементов.
Стадия полировки длится 6 часов , при этом одновременно обрабатываются 100 шт элементов.
В собранном виде лазер включает в себя 1000 элементов обьемом 1 мм2 каждый. Следовательно для создания одного лазера необходимо провести 10 циклов наращивания-полировки.
Затраты на электроэнергию на один цикл производства лазерного элемента:
Стадия
Время на один цикл, час
Затрачиваемая мощность, кВт
Потребляемая мощность, кВт•час
Эпитаксиальное наращивание
3
1,5
4,5
Полировка
10
2
20
Сборка
1
0,5
0,5
Итого:
25
На 10 циклов наращивания-шлифовки лазерных элементов затраты электроэнергии составят: 25*10 = 250 кВт•час;
ЗЭЛ=250•0,42= 105 руб;
Затраты на заработную плату работников:
Род работы
Время на один цикл, час
З/п руб./час
З/п руб/цикл
Наращивание
3
10
30
Полировка
10
12
120
сборка
1
10
10
Итого:
160
За десять циклов расходы на З/п работников составят:
СЗП = 160•10=1600 руб.
С учетом отчисления в фонд социального страхования:
1600 • 1,39 = 2224 руб.
Затраты на сырье и материалы
Масса лазерного элемента около 50 мг, при средней стоимости сырья 1500 руб /кг (ОСЧ 9-12), стоимость материалов для 1000 шт элементов:
СМ = 1000•50•10-6•1500 = 75 руб.
Дополнительные затраты на вспомогательные реактивы ( 10% от основных ):
75•10 = 7,5 руб.
Накладные и прочие затраты на производство лазерных элементов (10% от фонда З/П):
СН = 2224•0,1 = 222,4 руб.
Амортизационные отчисления
Общая стоимость оборудования около 460000 руб. при норме амортизации 20 % отчисления на амортизацию производственного оборудования составят :
САМ = 460 000 • 0,2 = 92000 руб.
Годовой обьем продукции составляет около 60 лазеров. На единицу продукции лазера на основе монокристаллических пленок:
САМ = 92 000/60 = 1533,3 руб.
Затраты на содержание производственного здания учитываются в стоимости арендной платы, которая составит около 55 000 руб/год. для помещения площадью 50 кв м.
На единицу продукции затраты на арендную плату составят:
САР = 55000/60 = 916,7 руб.
Итого себестоимость монокристаллических пленок для одного лазера составляет :
С = 105+2224+75+7,5+222,4+1533,3+916,7 = 5083,9 руб.
В переводе на долларовой эквивалент: (по курсу 22 руб. за 1$ ).
$231
Оценим экономический эффект, c точки зрения потребителя, от замены лазерных элементов на основе обьемных кристаллов на пленочные лазерные элементы.
Себестоимость лазерного элемента на основе обьемных монокристаллов составляет $1500 ,. стоимость лазеной установки на ее основе $20000. т.е стоимость лазерного элемента составляет 7,5 % . Это связано со сложной аппаратурной схемой такого типа лазера, требованием точности юстировки и большой мощности лампы накачки и приводит к тому, что срок службы такого лазера 8 лет. ( по данным UC ).
В стоимости прибора для лечения стоимость плёнки составляет ~ 30 %, отсюда стоимость прибора ~1000 $ ( из учёта себестоимости монокристаллических плёнок для одного лазера себестоимость прибора для лечения ~ 770 $).
Оценим экономический эффект от замены лазерной установки на обьемных монокристаллах на установку с пленочными монокристаллическими лазерами.
Онкологический центр, лечение в котором проходят 1000 человек, больных раком, приобретает 5 лазерных установок.
4.1.2 лазерная установка на основе обьемных монокристаллов:
стоимость установки 440000 руб.
затраты на з/п обслуживающего специалиста 12•6000 = 72000 руб.
затраты на эл. энергию 5•6800•0,4•0,42 = 5712 руб
Затраты, приходящиеся на одного больного:
ЗОБ = (72000+5712 + 5•440000/8)/1000 = 352,7 руб/чел•год
4.1.3 лазерная установка на основе пленочных лазеров:
стоимость установки 22000 руб.
затраты на эл. энергию 5•6800•0,2•0,42 = 2856 руб.
затраты приходящиеся на одного больного:
ЗПЛ = (2856 + 5•22000/20)/1000 = 8,35 руб.
Экономический эффект от замены лазерной установки на обьемных монокристаллах на лазерную установку на основе пленочных лазеров приходящийся на одного больного составит:
Э = 352,7 – 8,35 = 344,35 руб / чел.
что означает уменьшение на 97,6 %.
Экономический эффект с учётом затрат на НИР: (Таблица 1.2.6.1)
Э = 344,35 Ч 1000 – 38630 = 340486,94 руб
4.2 Расчет затрат на проведение научно-исследовательской работы.
4.2.1 Расчет затрат на реактивы, сырье, материалы.
В следующей таблице приведен полный перечень всех используемых при проведении работы реактивов и химических веществ.
таблица 1.2.1.1.,затраты на реактивы
Название
расход, кг
цена, руб./кг
сумма, руб.
Bi2O3
99,6•10-3
350
34,86
GeO2
0,76•10-3
230
0,17
Cr2O3
18,5•10-6
860
0,02
Итого:
35,05
4.2.2 Расчет энергетических затрат.
ЗЭ = М•К•Т•Ц , где
ЗЭ – затраты на электроэнергию;
М – паспортная мощность , кВт;
К – коэффициент использования мощности (0,7-0,9);
Т – время работы прибора, час.;
Ц – цена 1 кВт/час. электроэнергии , Ц = 0,42 руб.
Затраты на электроэнергию приведены в таблице
таблица 1.2.2.1,затраты на эл. энергию
Наименование оборудования
М, кВт
К
Т, час.
Ц, руб.
ЗЭ, руб.
Установка эпитаксильного роста
1,5
0,9
68
0,42
38,55
итого:
Прочие затраты принимаем равными 10% от общих затрат.
ЗЭ, ОБЩ = ЗЭ + ЗПРОЧ =38,55 + 3,855 = 42,41 руб.
4.2.3 Расчет заработной платы.
Расчет основной заработной платы.
Проводится исходя из месячной стипендии и числа отработанных месяцев:
ЗПИССЛ = 250 • 7 = 1750 руб.
Расчет основной заработной платы руководителя.
ЗПРУК = 270 • 7 + 480 • 7 = 5250 руб.
Таким образом основная заработная плата составит:
ЗПОСН = ЗПИССЛ + ЗПРУК = 1750 + 5250 = 7000 руб.
Дополнительная заработная плата.
Дополнительная заработная плата составит 20% от суммы основной заработной платы:
ЗПДОП = 0,2 • 7000 = 1400 р
