.RU

Учебно-методический комплекс по дисциплине “технология изделий электронно-оптической техники” для студентов специальности т 08. 03. 00 «Электронно-оптические системы и технологии» - страница 8



Проводники. Проводники толстопленочных схем выполняются пу­тем нанесения через трафареты проводниковых паст.

Проводниковые пасты должны обеспечивать получение следующих характеристик композиции (после вжиганин):

  1. Высокую удельную проводимость во избежание заметного падения напряжения и нагрева.

  2. Высокую адгезию пленки с подложкой, поскольку непосредст­венно к ней присоединяются выводы и навесные элементы.

  3. Возможность присоединения к поверхностям проводников мон­тажных проводов и навесных элементов пайкой или сваркой.

  4. Композиция должна быть устойчива к воздействиям, связан­ным с выполнением технологических процессов, и выдерживать за­данные условия эксплуатации.


Проектирование топологии толстопленочных проводников во многом аналогично проектированию печатных плат. Проводники должны изго­тавливаться предельно короткими, чтобы уменьшить сопротивление схемы. Поверхностное сопротивление толстопленочных проводников должно изменяться в пределах от 0,005 Ом/а до 0,1 Ом/а в зави­симости от типа применяемой пасты. Для нанесения проводников не­обходимо использовать только одну сторону подложки. Количество пересечений должно быть минимальным, поскольку для их создания необходимы две дополнительные операции нанесения и вжигания пле­нок (нанесение межслойного диэлектрика и второго проводящего слоя). Для современной технологии стандартной шириной проводника считается 0,25 мм, однако, если это необходимо, можно изготавли­вать полоски шириной до 0,125 мм. Такие же значения допускаются и для расстояний между проводниками.

Толщина слоя проводника, например, на основе композиций палладий-серебро составляет 10-25 мкм, минимальная ширина (длина) проводника колеблется в пределах 0,15-0,20 мм при нанесении пас­ты на керамику и 0,20-0,30 мм при нанесении на слой диэлектрика. Минимальное расстояние между проводниковыми элементами 0,05-0,20 мм в зависимости от рецептурного состава пасты.

Резисторы. Резистивные пасты изготавливаются на основе более высокоомных функциональных материалов, обычно композиций: сереб­ро-палладий-окись палладия, серебро-окись рутения, висмут-руте­ний, рутений-иридий, платина-окись иридия. Резистивные пасты, из­готавливаемые на основе композиции палладий-серебро обеспечивают номинальные сопротивления резисторов от 25 Ом до 1 МОм. Сопротив­ление квадрата резистивной пленки соответствует ряду значений: 5,100,500,1000,3000,6000,20000,50000 Ом/а . Температурный коэф­фициент сопротивления подобных паст не превышает 800.10-6 1/град в интервале температур -60...+125 °С. Толщина резистивных пленок после вжигания составляет примерно 18-25 мкм.

Учет отношения длины пленочного резистора L к его ширине В является очень важным при проектировании толстопленочных резис­торов. Отношение сторон L/B или B/L никогда не должно превы­шать 10. Его лучше выбирать равным 3 или меньше. При проектирова­нии схемы следует избегать зигзагообразных резисторов или резис­торов в форме меандра. При такой геометрии на резисторе образу­ются области перегрева, а сопротивление резистора трудно подго­нять к номиналу. Минимальный размер резистора должен быть порядка 0,5x0,5 км, однако резисторы должны быть по возможности боль­шими для увеличения процента выхода годных и облегчения их по­следующей подгонки. Для обеспечения надежного электрического ко­нтакта резистор должен быть уже проводника на 0,25 мм (по 0,125 мм с каждой стороны), а длина перекрытия резистора проводником должна быть не меньше 0,125 мм (Рисунок 2.1).

Минимальное расстояние от края контактной площадки до края резистора должно быть не меньше 0,25 мм.

Расчет резисторов производится следующим образом. Номиналь­ное значение сопротивления резистора определяется по формуле


R=paKф (9.2.1)


где pa - сопротивление квадрата резистивной пленки, Ом/а;

K=l/i, - коэффициент формы.





Рисунок 9.2.1. Толстопленочный резистор; I - резистивная пленка, 2 - контактная площадка.


Ширина резистора


(9.2.2)


где Р - расчетное значение мощности рассеяния резистора, Вт; Ро - максимальная удельная мощность рассеяния резистивной пленки, Вт/мм2; Кр - коэффициент запаса мощности, учитывающий по­дгонку резистора, КР = 2п/100 + 1; п -допустимое отрицательное от­клонение сопротивления резистора от номинального до подгонки, %.


Максимальное значение Р принимается равна 52%. Расчетная дли­на резистора определяется из соотношения для Кф и по формуле (2.2). Расчет резисторов, имеющих Кф<1, начинают с определения длины, заменяя ширину В в формуле (2.2) на длину l .

Удельная мощность рассеяния резисторов на основе композиции палладий-серебро обычно принимается равной 3 Вт/сиг, однако тол­стопленочные резисторы могут быть нагружены и сильнее, до 6 Вт/ см и более (для паст других составов), при условии правильной организации охлаждения.

Конденсаторы. Диэлектрические пленки в толстопленочных микро­схемах применяются в качестве диэлектриков конденсаторов, межслойной изоляции, защитных слоев.

Диэлектрические пасты для конденсаторов изготавливаются на основе смеси керамических материалов и флюсов. Толщина диэлект­рических толстых пленок для конденсаторов после термической об­работки составляет 40-60 мкм.

Используя пленки, обеспечивающие удельную емкость Со= 3700 пФ/см2, изготавливают конденсаторы с номинальной емкостью от 500 до 300 пФ, а пленки с Со = 10000 пФ/см2 позволяют произво­дить конденсаторы в диапазоне от 100 до 2500 пФ. В большинстве толстопленочных гибридных схем и микросборок используются многослойные дискретные керамические конденсаторы, поскольку на пло­щади, необходимой для нанесения конденсатора с номиналом 300 пФ, можно расположить навесной многослойный конденсатор на 10000 пФ. Погрешность номинальной емкости конденсаторов обычно составляет ±15%. Пробивное напряжение не менее 150 В.

Величина диэлектрической проницаемости для диэлектрических паст конденсаторов на основе композиции титанат бария - окись титана - окись алюминия - легкоплавкое стекло составляет от 10 до 2000.

Исходя из основного соотношения, для емкости конденсатора


(9.2.2)


где - диэлектрическая постоянная; А - площадь, мм2; N -число обкладок; d - толщина диэлектрической пленки, мм, можно вычислить площадь, необходимую для изготовления конденсатора.

Расчетная площадь верхней обкладки конденсатора определяется по формуле


S=C/C0 (9.2.4)


где С - номинальное заданное значение емкости; С0 -удельная емкость.

Нижняя обкладка конденсатора должна выступать за край верхней не менее, чем на 0,3 мм, пленка диэлектрика - за край нижней об­кладки не менее, чем на 0,2 мм. Пасты верхних обкладок должны быть инертны к лужению.


10. 1 Классификация физико-химических методов обработки и очистки. Источники и виды загрезнений ИЭОТ. Назначение операций технохимической обработки. Химическое и электрохимическое травление пластин. Анизотропное травление п/п. Контроль качества очистки поверхности.


В соответствии с применяемыми средствами очистку делят на жидкостную и сухую.

Жидкостная очистка выполняется органическими -растворителями; разнообразными составами, содержащими ще­лочи, кислоты, пероксид, и другие реактивы, водой. Подобрать жидкое средство, одновременно удаляющее все возможные по-' верхностные загрязнения, весьма сложно, поэтому жидкостная ' очистка включает ряд последовательных операций. Нераствори­мые в воде органические жировые загрязнения делают поверх­ность гидрофобной, т. е. плохо смачиваемой водой и большинст­вом растворов. Для равномерной очистки поверхность подложек (пластин) необходимо перевести в гидрофильное, т. е. хорошо смачиваемое водой, состояние. Операция удаления жировых за-



Рисунок 10.1.1 Классификация методов очистки и травления пластин и подложек


грязнений, сопровождаемая переводом поверхности из гидрофоб­ного состояния в гидрофильное, называется обезжириванием. Обезжиривание — первая операция при жидкостной очистке.

Сухая очистка применяется на этапе формирования эле­ментов и межэлементных соединений микросхем и, как правило, выполняется непосредственно перед проведением ответственных технологических процессов (напыление пленок, литография) или совмещена, т. е. проводится в одном оборудовании, с последую­щей обработкой (например, с получением термического оксида, с эпитаксиальным наращиванием полупроводниковых слоев).

Методы сухой очистки исключают необходимость применения дорогостоящих и опасных в работе жидких реактивов, а также проблемы межоперационного хранения пластин и подложек и очистки сточных вод, которые являются немаловажными при ис­пользовании жидких средств очистки. Кроме того, процессы су­хой очистки более управляемы и легче поддаются автоматиза­ции.

С точки зрения механизма процессов все методы очистки мож­но условно разделить на физические и химические (см. рисунок 10.1.1). При физических методах загрязнения удаляются простым раст­ворением, отжигом, обработкой поверхности ускоренными до боль­ших энергий ионами инертных газов. В тех случаях, когда за­грязнения нельзя удалить физическими методами, применяют хи­мические методы, при которых загрязнения удаляют: их замеще­нием легко удаляемыми веществами, переводом в легко раство­римые комплексные соединения или травлением пластин (под­ложек) . Травление сопровождается удалением поверхностного слоя вместе с имеющимися на поверхности загрязнениями.

На рисунке 10.1.1 мы выделили травление, чтобы подчеркнуть, что в технологии микросхем (как будет ясно далее) травление не всег­да имеет целью очистку. Оно применяется для размерной обра­ботки, удаления слоя с нарушенной механическими обработками • структурой, локального удаления слоев различных материалов при формировании топологии микросхем, выявления поверхност­ных дефектов полупроводников и др.


10.2 Плазменные методы удаления материала с поверхности твердого тела. Сущность и классификация методов обработки поверхности


Плазмохимическое травление, как и ионное, проводят в вакуумных установках и также исполь­зуют плазму газового разряда. Плазмохимическое травление (в отличие от чисто физического распыления при ионном травлении) имеет химическую природу. Оно основано на использовании об­ладающих большой реакционной способностью химически актив­ных частиц, получаемых в плазме газового разряда.

Процесс плазмохимического травления можно разделить на ряд этапов: доставка плазмообразующего газа, пара или смеси в камеру вакуумной установки; образование химически активных частиц в газовом разряде; доставка их к обрабатываемой поверх­ности; химические реакции с образованием легко летучих соединений; десорбция и удаление образующихся летучих соединений через откачную -систему вакуумной установки.

Плазмообразующие газы выбирают исходя из свойств обраба­тываемого материала. Для травления кремния и некоторых ме­таллов применяют галогеносодержащие молекулярные газы, так как именно в их плазме образуются необходимые химически ак­тивные частицы, переводящие поверхностные слои в летучие со­единения. Для разбавления и обеспечения требуемых параметров травления в плазму дополнительно вводят аргон, кислород, азот. Наиболее часто для травления кремния и его соединений приме­няют смесь фреона-14 CF4 с (2 ... 8)% кислорода. Присутствие кислорода повышает скорость травления и качество очистки. Фреон-14 относительно инертен, при любых температурах он не вза­имодействует с кремнием. В плазме химически активные частицы образуются в результате взаимодействия молекул газа с ускорен­ными электронами, которые в отличие от тяжелых частиц обла­дают существенно большими энергиями. В плазме фреона-14 с кислородом образование химически активных частиц — возбуж­денного атома фтора F*, положительно заряженного радикала CF3+, атомарного кислорода О — сопровождается реакциями


(10.2.1)


Травление кремния и его соединений сопровождается реакция­ми:

(10.2.2)

Тетрафторид кремния SiF4 — летучее соединение, легко удаля­емое из рабочей камеры установки откачкой. На поверхности крем­ниевых пластин возможно образование углерода:


Si + CF3+ => C + 3F* + Si + e. (20.2.3)


Присутствие в плазме кислорода способствует очистке поверх­ности от углерода за счет его оксидирования до СО или СО2. Кис­лород также способствует повышению концентрации возбужден­ных атомов фтора в результате образования радикалов COF* и их диссоциации:


COF* => F* + CO. (10.2.4)


Это увеличивает скорость травления кремния. Атомарный кис­лород также очищает поверхность от органических загрязнений. При плазмохимическом травлении физическое распыление прак­тически отсутствует, так как энергия ионов не превышает 100 эВ. В зависимости от конструкции установок различают плазмен­ное и радикальное плазмохимическое травление.

Плазменное травление осуществляют непосредствен­но в плазме газового травления, т. е. с участием всех химически активных частиц, как с большим (F* — 0,1 ... 1 с), так и с малым, временем жизни ('CF+з — около 10 мкс). В камерах диодного ти­па (Рисунок 10.2.1) пластины кремния помещают на нижнем медлен­но вращающемся электроде (0,1 об/с). Пластины электрически, изолированы от электрода, чтобы исключить ионную бомбарди­ровку.

Радикальное плазм о химическое травление про­водят в области вакуумной камеры отделенной от плазмы газо­вого разряда перфорированным металлическим экраном (Рисунок 10.2.2) или магнитными электрическими полями. ВЧ-плазма воз­буждается между цилиндрическими поверхностями рабочей каме­ры и экрана. Травление осуществляется только нейтральными химически активными атомами О или радикалами F* с большим временем жизни, проникающими из плазмы в зону расположения пластин. Заряженные частицы плазмы не могут попасть к поверх­ности пл.астин через отверстия цилиндрического экрана. В зоне,, свободной от заряженных частиц, возбужденные атомы фтора и атомарный кислород, многократно соударяясь с молекулами ра­бочего газа, движутся разупорядоченно, что обеспечивает высо­кую однородность травления от пластины к пластине и по пло­щади каждой пластины.

Так как возбужденные атомы и свободные радикалы отлича­ются высокой реакционной способностью, то эффективность трав­ления существенно повышается. По сравнению с ионным травле­нием при одинаковых параметрах разряда скорость возрастаег более чем на порядок. Благодаря электрической активации газов илазмохимическое травление проводится при существенно мень­ших температурах 100... 300 °С по сравнению с обычным газовым травлением. Плазмохимическое травление из-за химического ме­ханизма обладает высокой избирательностью относительно раз-





Рисунок 10.2.1. Схема вакуумной камеры диодного типа для плазмохимического травления непосредственно в плазме:

1 — подача рабочего газа; 2— вакуумная камера; 3 — электрод Рисунок 10.2.1. Схема вакуумной камеры диодного типа для плазмохимического травления непосредственно в плазме:




Рисунок 10.2.2. Схема вакуумной камеры для радикального плазмохимического травления:

1 — кварцевая камера; 2— перфорирован­ный цилиндр; 3 — кассета с пластинами (подложками); 4 — ВЧ-индуктор; 5—пода­ча рабочего газа; 6 — откачной патрубок

личных материалов (например, F+ травит кремний значительно быстрее, чем диоксид кремния).

Благодаря невысокой энергии частиц, поступающих на обра­батываемую поверхность, радиационные дефекты незначительны.

Химический механизм травления обусловливает наличие бою> вой скорости травления, что является недостатком при локаль­ной обработке. К недостаткам плазмохимического травления мож­но также отнести: ограниченное количество соединений для полу­чения в плазме химически активных частиц, обеспечивающих об­разование летучих веществ; сложность химических реакций, про­текающих в плазме и на обрабатываемой поверхности; большое число взаимосвязанных технологических и конструктивных пара­метров. Последние трудности преодолеваются по мере изучения и освоения процессов.

Реактивное ионное травление. Реактивное ионное (называемое также ионно-химическим) травление по механизму процесса яв­ляется комбинированным методом. Удаление обрабатываемого ма­териала происходит в результате его распыления ускоренными ионами и образования легколетучих соединений при взаимодей­ствии с химически активными частицами плазмы. От плазмохими­ческого травления оно отличается тем, что энергия ионов больше и достаточна для распыления, а от ионного травления — тем, что используется не инертная, а содержащая химически активные частицы плазма. При этом физическое распыление интенсифици­рует химические реакции, а химические реакции, ослабляя меж­атомные связи на обрабатываемой поверхности, увеличивают ско­рости распыления.

По аналогии с ионным и плазмохимическим травлением реак­тивное ионное травление может выполняться при расположении обрабатываемых пластин (подложек) в плазме газового разряда (реактивное ионно-плазменное травление) или в вакууме и подвергаться воздействию пучка ионов, полученных в автономно расположенном источнике (реактивное ионно-лучевое травление). Для реактивного ионно-плазменного и ионно-лучевого травления применяют те же рабочие газы, что и для плазмохимического травления.

Оборудование для реактивного ионно-плазменного травления аналогично установкам ионно-плазменного травления. Пластины располагают на электроде, не изолированном от нижнего элект­рода (см. Рисунок 2.20). Реактивное ионно-лучевое травление выпол­няют в вакуумных установках, аналогичных установкам для ионно-лучевого травления (см. Рисунок 2.19).

Благодаря химическим реакциям реактивное ионное травление (и плазменное, и лучевое) обладает по сравнению с ионно-лучевым травлением большими скоростями (в 3 ... 15 раз) и избира­тельностью травления (в 2... 10 раз), а по сравнению с плазмо­химическим травлением меньшими скоростью травления (в 2... 3 раза) и боковой составляющей скорости при локальном травле­нии. Для уменьшения радиационных дефектов обрабатываемых образцов процессы травления проводят в режимах, обеспечиваю­щих превышение скорости удаления слоев за счет химических ре­акций над скоростями распространения дефектов, образующихся .вследствие ионной бомбардировки.


10.3 Очистка поверхности газовым травлением


Сущность процесса заключается в хими­ческом взаимодействии обрабатываемого материала с газообраз-ным веществом и образовании при этом легко удаляемых лету­чих соединений. Загрязнения при газовом травлении удаляются вместе с поверхностным слоем пластин или подложек.

В качестве газов-реагентов для травления кремниевых пластин можно применять галогены, галогеноводороды, соединения серы, пары воды. Небольшие количества этих газов добавляют к газу-носителю (водороду или гелию) и транспортируют в камеру уста­новки.

Травление кремния хлористым водородом широко используется перед выращиванием на пластинах кремни­евых слоев


Si (тв.) + 4НС1 (газ) = SiCl4 (газ) + 2Н2 (газ). (10.3.1)


Пары хлористого водорода доставляются водородом в реакци­онную камеру установки эпитаксиального наращивания, где рас­положены кремниевые пластины, нагретые до температуры 1150... ... 1250 °С.

Газовое травление сапфира водородом, в от­личие от жидкостного, позволяет получать поверхность подложек, свободную от механически нарушенного слоя и от микроприме­сей, что очень важно для последующего выращивания на них сло­ев кремния. Травление сапфира сопровождается химической реак­цией


А12О3 (тв.) + 2Н2 (газ) == А12О (газ) + Н2О (газ). (10.3.2)


В интервале температур 1200... 1600 °С травление сапфира во­дородом полирующее.

Газовое травление по сравнению с жидкостным позволяет по- • лучать более чистые поверхности. Во многих случаях газовое травление имеет ограниченное применение из-за высоких темпе­ратур обработки и необходимости использования особо чистых газов. Однако в тех случаях, когда газовое травление совместимо с последующим процессом (например, с выращиванием на крем­ниевых пластинах кремниевых слоев), его применение целесооб­разно.

11 Oсновные методы производства волоконных световодов

Принципы и особенности построения ВОПС (волоконно-оптической системы передач).

Одномодовые световоды. Многомодовые световоды с и ступенчатым профилем. Волоконные световоды со специальными свойствами. Полимерные световоды. Модифицированный процесс EVD (MCVD)

11.1 Одномодовые световоды. Многомодовые световоды с и ступенчатым профилем. Волоконные световоды со специальными свойствами. Полимерные световоды.

По назначению волоконные световоды можно разделить на пять основных групп:

  1. Одномодовые световоды для скоростных систем передачи и фазовых волоконно-оптических датчиков (ВОД). Эти световоды отличаются предельно низ­кими потерями (0,2 ... 1 дБ/км) и широкой полосой пропускания (1 ...100 ГГц-км).Сюда же можно отнести волокна с сохранением поляризации, необходимые для цело­го ряда датчиков и перспективных систем передачи с когерентным приемом. Типич­ные размеры световодов первой группы: диаметр сердцевины 5... 10 мкм, оболочки 125 мкм, числовая апертура 0,15 ... 0,2.

  2. Многомодовые световоды с градиентным профилем показа­теля преломления, предназначенные для использования в системах передачи нарасстояния в несколько километров с полосой пропускания 100 ... 1000 МГц-км. Поте­ри в таких волокнах лежат в пределах 0,5 ... 5 дБ/км, стандартные размеры: диаметр сердцевины 50 мкм, оболочки 125 мкм, типичное значение числовой апертуры около 0,2.

  3. Многомодовые световоды со ступенчатым профилем по­казателя преломления, предназначенные для использования в локальных сетях, объек­товых системах передачи и различных ВОД, с весьма умеренной полосой пропуска­ния (10... 100МГц-км) и потерями 3 ... 10 дБ/км. Такие световоды имеют повышенную числовую апертуру (0,3 ... 0,6) и диаметр сердцевины 80 ... 400 мк, допускающие эф­фективное сопряжение с дешевыми и надежными источниками излучения.

  4. Волоконные световоды со специальными свойствами, к ко­торым относятся волокна целевого назначения для датчиков и других волоконно-оптических функциональных устройств: лазерные волокна (см. гл. 5), активированные редкоземельными ионами, волокна с пьезоэлектрической или магнитострикционной оболочкой и т. п.

  5. Полимерные световоды со ступенчатым или градиентным профилем показателя преломления, отличающиеся высокой гибкостью, прочностью и низкой стоимостью. Область их применения ограничивается высокими потерями (100…500 дБ/км), поэтому используются они для передачи данных внутри ЭВМ, в роботах,в автомобильных датчиках и т. п.

6. Волокна для среднего ИК диапазона (Х — 2 ... 50 мкм) со сверхнизкими потерями.

Световоды первой, второй и отчасти третьей групп имеют одинаковую компози­цию и изготавливаются из кварцевого стекла, легированного различными добавками, изменяющими показатель преломления в нужную сторону. Кварцевое стекло имеет высокие однородность и чистоту, что обусловливает малые потери на рассеяние и пог­лощение (см. § 4.6), отличается высокой температурой плавления, химической и ра­диационной стойкостью. Технология производства высококачественных кварцевых во­локон, как будет видно ниже, достаточно сложна, но доведена до промышленного уров­ня, обеспечивающего массовый выпуск без снижения качества.

Требования к характеристикам световодов третьей и четвертой групп не являются предельно жесткими, поэтому они изготавливаются из более дешевых материалов (многокомпонентные стекла) и по более простой технологии. Производство полимер­ных волокон является самым простым и дешевым в рассматриваемом ряду. Произ­водство волокон шестой группы требует освоения новых материалов и технологий и находится в лабораторной стадии.

Наиболее распространенные в мировой практике способы изготовления высоко­качественных кварцевых волоконных световодов являются разновидности процесса химического осаждения основного стеклообразующего окисла SiO2 и легирующих окислов из парогазовой смеси CVD процесса (Chemical Vapour Deposition). Галоиды кремния, германия, бора, фосфора и т. п., входящие в состав парогазовой смеси, при высокой температуре реагируют с кислородом:




SiCl4 + O2 => SiO2 + 2Cl2

GeCl4 + O2 => GeO2 +2Cl2 (11.1.1)

4BBr3 + 3O2 => 2B2O3 + 6Br3

4POCl3 + 3O22 => 2P2O5 + 6Cl2

В результате реакции образуется мелкодисперсная масса, напоминающая белую сажу, которая после прославления превращается в прозрачное стекло, содержащее около 90 % SiO2. Добавки легирующих окислов меняют коэффициент преломления в нужную сторону в соответствии с зависимостями, приведенными на рисунок 4.31. Содер­жание добавок в стекле регулируется в ходе процесса путем изменения состава парога­зовой смеси галоидов, концентрации ее компонентов. Из рисунка 11.1.1 видно, что добавки окислов германия и фосфора повышают показатель преломления стекла, а добавка окиси бора снижает его.



Рисунок 11.1.1. Влияние легирующих окислов на коэффициент преломления


Минимальными потерями в области 1,3 и 1,5 мкм обладают кварцевые стекла, не содержащие бора, поэтому в последние годы в качестве присадки, снижающей показатель преломления, используется фтор, образующийся при окислении фреона CCl2F2 или фтористого углерода СF4. Естественно, что исходные компоненты процесса CVD должны быть высокой химической чистоты.

Во всех разновидностях процесса CVD производство волоконных световодов разде­ляется на две основные стадии. В первой стадии — изготовлении заготовки для вы­тяжки волокна — проявляются различия перечисленных вариантов, тогда как вторая стадия — вытяжка волокна из заготовки — одинакова по технологии и оборудованию для всех вариантов. Параметры заготовки во многом определяют характеристики волоконного световода, вытянутого из нее. Тип световода — одномодовый, многомодовый градиентный или ступенчатый — полностью определяется профилем показа­теля преломления заготовки. Все варианты процесса CVD позволяют организовать гибкое производство с быстрой перестройкой с одного типа световода на другой. Рассмотрим подробнее наиболее распространенный в настоящее время технологи­ческий метод.


11.2 Модифицированный процесс EVD (MCVD)


В этом способе заготовка изготав­ливается осаждением стеклообразующих окислов на внутреннюю поверхность квар­цевой опорной трубы. Установка для производства заготовок методом MCVD схемати­чески изображена на рисунке 11.2.1. В ней можно выделить три основных функциональных блока: блок формирования парогазовой смеси, тепломеханический станок, систему управления и контроля параметров процесса. Первыми операциями при производстве являются контроль и отбор опорных кварцевых труб, которые при вытяжке трансфор­мируются в оболочку волоконного световода. Типовые размеры опорных труб: внеш­ний диаметр 20 ... 25 мм, внутренний диаметр 16 ... 20 мм, длина около 1 м.

Опорная труба помещается в тепломеханический станок, в котором она вращается вокруг продольной оси со скоростью порядка 60 об/мин. Вдоль вращающейся опорной трубы со скоростью 20 см/мин перемещается кислородно-водородная горелка. В начале процесса производится полировка трубы в пламени горелки при температуре около 1600 "С, при которой оплавляются имеющиеся микротрещины. Парогазовая смесь образуется при прокачке газа — носителя (кислорода или инертных газов) через сме­сители, заполненные жидкими галоидами кремния, германия и т. п. Состав смеси и за­кон применения состава во времени в ходе процесса MCVD зависят от типа изготавливаемого световода (одномодовый, градиентный, ступенчатый) и формируется под уп­равлением ЭВМ по заданной программе



Рисунок 11.2.1. Установка для производства заготовок методом MCVD:


1 - смеситель с жидким SiСl2; 2 - один из смесителей с легирующим галоидом; 3—вентили; 4—опорная трубка; 5—вращающиеся патроны; б—кислородно-водородная горелка; 7—систе­ма откачки и очистки продуктов реакции

Парогазовая смесь поступает внутрь опорной трубки, и в горячей зоне с температурой 1500 ...1700 °С, перемещающейся вдоль трубки вместе с движением горелки, происходит осаждение окислов 5Юг, СеО2 и других в виде ультрачистого мелкодисперсионного порошка. При последующем дви­жении горелки вдоль трубки порошок проплавляется, превращаясь в слой стекла толщиной 1 ... 10 мкм. Легированное кварцевое стекло, получающееся в результате осаждения, является исключительно чистым в силу высокой чистоты исходных компо­нентов. Кроме того, в процессе MCVD происходит химическая осушка реагирующих материалов и осаждаемых слоев путем реакции

2Н2О + 2С12 => 4НС1 + О2 (4.131)

Хлор всегда присутствует в парогазовой смеси как продукт реакции окисления тетрахлоридов кремния и германия. В результате осажденное стекло содержит зна­чительно меньшее число гидроксильных ионов ОН, чем опорная труба. По этой причи­не потери на поглощение в используемых спектральных диапазонах (см. § 4.6) в осаж­денном стекле существенно меньше, чем в опорной трубе, и для снижения этих потерь в световоде в заготовке формируется внутренняя оболочка. Для этого первые несколько слоев (около 20) делаются с показателем преломления, равным показателю прелом­ления трубы или несколько меньшим. Парогазовая смесь, вводимая в трубы, во время осаждения этих слоев содержит пары SiCl4 с добавкой ВВr3, что предпочтительнее фреона. Последующие слои формируют сердцевину будущего световода. Для градиент­ных световодов показатель преломления увеличивается от слоя к слою по заданному за­кону, близкому к параболическому; заготовки для волокон со ступенчатым профилем имеют однородную сердцевину с показателем преломления большим, чем в оболочке. Общее число слоев в сердцевине обычно равно 50 ... 80.

Как правило, для повышения показателя преломления используется только GeО2, однако температура осаждения его велика и, чтобы исключить деформацию опорной трубы, температуру осаждения снижают добавкой в парогазовую смесь РОСl3. Поскольку наличие в стекле окисла Р2О5 увеличивает поглощение в диапазоне длин волн 1,5 ... 1,7 мкм (поглощение на ионах Р—ОН), его концентрация не должна превы­шать 0,2% молярных. При этом температура осаждения снижается до 1650 °С.

После осаждения заданного программой количества слоев температура горячей зоны увеличивается до 1900 ... 2100 "С, труба размягчается и «схлопывается» под действием поверхностных сил, превращаясь в сплошной стеклянный цилиндр-заготов­ку. В сечении заготовка представляет собой увеличенную в 100 ... 300 раз структуру волоконного световода с соответствующим профилем показателя преломления.

Специфика процесса MCVD такова, что профиль показателя преломления заготов­ки всегда отличается от желаемого по двум причинам. Первая состоит в том, что показатель преломления каждого слоя постоянен, поэтому профиль его в заготовке есть ступенчатая аппроксимация заданной функции. Вторая вызвана тем, что при температуре схлопывания, достаточно высокой: 1900...2100 °С, последние слои частично испаряются, причем скорость испарения ОеСЬ выше, чем скорость испарения 5Ю2- В результате в профиле показателя преломления заготовки в центре ее образуется провал, который сохраняется и в волокне (рисунок 11.2.2).

Даже из приведенного здесь краткого описания процесса следует, что эффективное производство заготовок для высококачественных световодов с высокой воспроизво­димостью параметров возможно только при условии полной автоматизации процесса. На рисунке 11.2.3 схематически изображена обобщенная по публикациям система управ­ления процессом MCVD. Система предназначена для управления рядом установок, производящих одновременно заготовки для световодов различныхтипов. Центральный компьютер с общесистемными полномочиями связан с местными микропроцессорами на каждой установке. К местным микропроцессорам с локальными полномочиями подключены контроллеры, управляющие параметрами процесса: составом и скоростью потока парогазовой смеси, вращением опорной трубы, скоростью движения горелки вдоль трубы, температурой в горячей зоне трубы, откачкой и очисткой продуктов реак­ции. Задание на каждую установку вводится через центральный компьютер, через него же выводится информация о ходе процесса на каждой установке. Система является очень гибкой и быстро перестраиваемой.

Гибкость процесса MCVD позволяет использовать его для производства воло­конных световодов, сохраняющих поляризацию. Изготовление заготовки для такого волокна ведется по следующей программе: при осаждении первых 50 слоев, соответст­вующих внутренней оболочке, опорная труба с интервалом в 1 ... 2 с поворачивается на 180 ° вокруг продольной оси, затем в обычном режиме при равномерном вращении трубы вокруг оси осаждаются слои с повышенным показателем преломления, форми­рующие сердцевину. При схлопывании анизотропные напряжения во внутренней




Рисунок 11.2.2. Профиль показателя преломления волокна, изготовленного по методу MCVD



Рисунок 11.2.3. Схема управления процессом производства по методу МСУЭ:

1 — контроллер состава смеси; 2—контроллер скорости потока смеси; 3 — контроллер вращения опор­ной трубы; 4 — контроллер движения горелки; 5 — контроллер температуры горячей зоны; 6 — контроллер управления горелкой; 7 — контроллер откачки и очистки продуктов реакции

оболочке, которая получается эллиптической в сечении (рисунок 4.35), приводят к дву-лучепреломлению в сердцевине заготовки, а затем после вытяжки — ив сердцевине во­локна.

Заготовки, изготовленные по методу МСУБ, обладают чрезвычайно высокими показателями по геометрическим, механическим и оптическим параметрам. Гибкость этого метода очевидна: на одном технологическом оборудовании путем изменения программы он позволяет производить заготовки для волокон разных типов (одно-модовых, одномодовых с сохранением поляризации, многомодовых градиентных и сту­пенчатых). Именно поэтому этот процесс доведен до высокого промышленного уровня и используется для массового производства во всем мире. Однако ему присущи и недостатки, главные из которых низкая эффективность использования галоидов (по­рядка 40 ... 60%) и сравнительно малая скорость осаждения (0,25 ... 0,5 г/мин).


11.3 Принципы и особенности построения ВОПС (волоконно-оптической системы передач).


С точки зрения проектировщиков ВОСП выбор и получение оптимального типа волокна является критическим, но не завершающим этапом в сложном процессе изго­товления оптического кабеля. После вытяжки волокна технологам приходится ре­шать ряд сложных проблем, чтобы в процессе заделки волокна в кабель не были ухудшены характеристики волокна, а также чтобы эти характеристики не подверга­лись заметной деградации в процессе прокладки и эксплуатации ВОСП.

Волокно является исходным продуктом для скрутки кабеля искомой конструкции. Кабели разных типов в зависимости от областей применения могут иметь от 1 до 144 во­локон, которые либо укладываются в спиральные пазы или канавки, либо заливаются в сердечник кабеля вместе с упрочняющими и токоведущими элементами. Для изготов­ления кабелей традиционного типа, т. е. цилиндрических, используются крутильные машины, похожие на аналогичные устройства в традиционном кабельном производст­ве. При изготовлении ленточных кабелей технология иная и более напоминает процесс изготовления электрических проводников ленточной формы. Сечения некоторых типов кабелей показаны на рисунке 11.3.1.



Рисунок 11.3.1. Сечение кабелей:

а—повивная скрутка; б—многоповивная скрутка; в—пучковая скрутка; 1 —оптическое волокно; 2 — промежуточный корд; 3 — оболочка кабеля; 4 — упрочающий элемент

viyavlenie-i-soprovozhdenie-obucheniya-odaryonnih-uchashihsya-nachalnoj-shkoli-v-usloviyah-vvedeniya-fgos.html
viyavlenie-naimenee-obremenitelnogo-sposoba-osushestvleniya-publichnogo-servituta-vistuplenie-na-seminare-25-marta-2010g.html
viyavlenie-potrebitelskih-orientacij-i-predpochtenij-celevoj-auditorii-pri-vibore-nazvaniya-elektroustanovochnih-izdelij-na-baze-kompanii-ooo-dek-korporaciya.html
viyavlenie-prirodnih-obektov-perspektivnih-dlya-organizacii-pamyatnikov-prirodi-mestnogo-znacheniya.html
viyavlenie-riskov-vvedenie-planirovanie-upravleniya-riskami-8-process-upravleniya-riskami-10-viyavlenie-riskov-12.html
viyavlenie-strategii-l-m-shukin-po-izdaniyu-unlimited-power-by-anthony-robbins-n-y-fawcett-colombine.html
  • paragraph.bystrickaya.ru/kontrol-jomgaklau-drese-rabochaya-programma-po-obshestvoznaniyu-8-klass-poyasnitelnaya-zapiska.html
  • student.bystrickaya.ru/12-poluprofessionalnoe-lico-rukovodstvo-k-vedeniyu-grazhdanskih-i-ugolovnih-del.html
  • lecture.bystrickaya.ru/68-konstruirovanie-korpusnih-detalej-stakanov-i-krishek-metodicheskie-ukazaniya-k-vipolneniyu-kursovogo-proekta.html
  • exchangerate.bystrickaya.ru/15-o-vzaimodejstvii-s-vlastyu-otchet-o-nauchno-organizacionnoj-i-hozyajstvennoj-deyatelnosti.html
  • ekzamen.bystrickaya.ru/rikyor-p-p50-konflikt-interpretacij-ocherki-o-germenevtike-per-s-fr-i-vstupit-st-i-vdovinoj-stranica-20.html
  • abstract.bystrickaya.ru/1-analiz-psihologo-pedagogicheskoj-literaturi-po-probleme-statusnih-otnoshenij-v-podrostkovih-uchenicheskih-gruppah-stranica-3.html
  • crib.bystrickaya.ru/kafedra-politologii-otchet-o-nauchno-issledovatelskoj-rabote-za-2011-god-moskva.html
  • books.bystrickaya.ru/ekologiya-bbk-28081-byulleten-novih-postuplenij-za-oktyabr-2009-goda.html
  • znanie.bystrickaya.ru/7-sposobi-upravleniya-strukturnij-v-supersistemah-bezstrukturnij-i-na-osnove-virtualnih-struktur.html
  • uchitel.bystrickaya.ru/programmno-metodicheskoe-obespechenie-po-anglijskomu-yaziku-uchitel-inostrannogo-yazika-v-prepodavanii-svoego-predmeta-dolzhen-opiratsya-na.html
  • ucheba.bystrickaya.ru/prilozhenie-3-metodicheskie-rekomendacii-prepodavatelyu-v-organizacii-uchebnoj-deyatelnosti-studentov.html
  • uchenik.bystrickaya.ru/kniga-chelovek-pered-licom-smerti-novejshaya-iz-mnogochislennih-nedavnih-publikacij-v-oblasti-tanatologii-perezhivayushej-sejchas-rascvet-stranica-14.html
  • zadachi.bystrickaya.ru/romanticheskoe-mirootnoshenie-v-tvorchestve-vashingtona-irvinga-chast-2.html
  • turn.bystrickaya.ru/plan-raboti-s-23-po-28-yanvarya-2012-goda-vperiod-s.html
  • literatura.bystrickaya.ru/sociologiya-v-saratove.html
  • literatura.bystrickaya.ru/ria-novosti-httpwwwrianru-18112005-00000-press-sluzhba-frakcii-edinaya-rossiya-gosduma-rf.html
  • knowledge.bystrickaya.ru/metodika-izucheniya-elementov-algebri-v-5-6-klassah-vi-semestr-metodika-obucheniya-matematike-v-5-6-klassah-algebre.html
  • abstract.bystrickaya.ru/-3-porevolyucionnij-eticheskij-idealizm-v-rossii-1918-1922-a-a-gusejnov-predislovie-razd-chetvertij-razd.html
  • uchit.bystrickaya.ru/tamozhennie-preferencii-chast-7.html
  • zadachi.bystrickaya.ru/mehanizm-vneseniya-izmenenij-v-organizacionnie-strukturi-upravleniya-subektov-predprinimatelskoj-deyatelnosti-i-ocenka-ih-effektivnosti.html
  • writing.bystrickaya.ru/dialog-i-diskussiya-slishat-i-bit-uslishannim.html
  • uchitel.bystrickaya.ru/rabochaya-programma-po-discipline-biologiya-s-ekologiej-dlya-specialnosti-060113-040900-medicinskaya-biofizika-forma-obucheniya-ochnaya-kafedra-biologii-i-genetiki.html
  • laboratornaya.bystrickaya.ru/publichnij-otchet-municipalnogo-obsheobrazovatelnogo-uchrezhdeniya-srednyaya-obsheobrazovatelnaya-shkola-4-imeni-a-g-golovko-2007-2008-uchebnij-god.html
  • testyi.bystrickaya.ru/aerodinamicheskoe-soprotivlenie-avtomobilya-chast-3.html
  • obrazovanie.bystrickaya.ru/povishenie-kvalifikacii-posobie-adresovano-visshim-rukovoditelyam-i-menedzheram-kompanij-dejstvuyushih-na-rinke-kolesnoj.html
  • writing.bystrickaya.ru/dogovor-najma-zhilogo-pomesheniya.html
  • knowledge.bystrickaya.ru/nikolaevich-krasnov-podvig-stranica-2.html
  • books.bystrickaya.ru/dzhonatan-kou-klub-rakalij-stranica-14.html
  • crib.bystrickaya.ru/kak-u-buddi-i-mahaviri-svami-satyananda-sarasvati-bhakti-joga-sagar.html
  • assessments.bystrickaya.ru/chast-i-celoe-kratkij-filosofskij-slovar.html
  • university.bystrickaya.ru/for-reading-science-and-technology.html
  • ekzamen.bystrickaya.ru/rekomendacii-po-privedeniyu-dejstvuyushego-zakonodatelstva-rk-v-sootvetstvie-s-polozheniyami-orhusskoj-konvencii.html
  • writing.bystrickaya.ru/dokumenti-neobhodimie-dlya-oformleniya-zahoda-sudna-v-morskoj-port-mintrans-rossii.html
  • otsenki.bystrickaya.ru/skritie-vnusheniya-rukovodstvo-po-eriksonovskoj-gipnoterapii-perevod-s-anglijskogo-a-d-iordanskogo.html
  • exam.bystrickaya.ru/visochnie-kolca-i-busi-kak-ukrashenie-zhenskogo-slavyanskogo-kostyuma-chast-4.html
  • © bystrickaya.ru
    Мобильный рефератник - для мобильных людей.