Термоиндикатор

Применение аморфного кремния в качестве термоиндикатора.

Изобретение относится к термометрии, а именно к термоиндикаторам, которые могут быть использованы для определения максимальной температуры в условиях, когда доступ к объекту контроля затруднен: в атомном реакторостроении, космическом и авиационном моторостроении, турбостроении, полупроводниковой микроэлектронике.
Цель изобретения повышение надежности контроля.
Применение аморфного кремния (a -(a-Si) в качестве термоиндикатора, обладающего свойством "запоминания" максимальной температуры, которой подвергался объект в период его эксплуатации, основано на обнаруженной авторами изотермической стабильности физических свойств (определенных термометрических параметров) a-Si: сопротивления и плотности парамагнитных центров.
Из-за предельной разупорядоченности структуры аморфного кремния, в ней имеется значительная концентрация точечных дефектов (оборванных связей), чувствительных к термообработке. При нагревании происходит структурная релаксация с восстановлением порядка, концентрация дефектов уменьшается. При этом кинематика "отжига" дефектов такова, что при заданной температуре всегда можно выделить два участка: первый участок быстрого спада зависимости сопротивления R и концентрации парамагнитных центров N_s от температуры, длительностью десятки секунд, и второй, на котором величины R и N_s практически не меняются при длительных прогревах (t) в десятки и сотни часов. Для каждой температуры (Т) исчезает строго определенное количество оборванных связей и соответственно на вполне определенную величину изменяется R и N_s.
Таким образом, измеряя значения R или N_s после воздействия термообработок и сравнивая их с известными по эталонным графикам R(t,T) или N_s (t,T), можно определить предельную температуру нагрева T_x. То есть, дефектная система в аморфном Si, прошедшая термообработку, помнит ее воздействие, причем в этом состоянии она может находиться длительное время (годы).
Для получения эталонных графиков R(t,T_отж) или N_s(t, T_отж) проводится выдержка термоиндикатора, полученного, например, методом испарения в вакууме 10^-6 Торр в виде пленки толщиной 1 (3 1)10^-5 см. Толщина 1 a-Si задается тем, что при меньших значениях 1 уменьшается точность измерений R, N_s, а при больших 1 требуется больше времени осаждения и к тому же начинается процесс кристаллизации из-за больших внутренних напряжений.
Для измерения сопротивления на пленку напыляют алюминиевые контакты, что может быть сделано после выдержки. Последняя проводится в печи определенное время t₁, при заданной температуре T₁ (изотермический отжиг с последующим измерением при комнатной температуре R или N_s. Далее эта операция повторяется снова, но со временем отжига t₂, при условии, что t₂>t₁, и т.д. Таким образом снимается изотерма R(t₁,T₁) и N_s(t,T₁) для одной температуры. Общее время отжига должно составлять 3 5 ч. При больших временах отжига при одной температуре T, R,N_s=const. Затем такая изотерма снимается для другой, более высокой температуры, выше исходной, например, на 15^oK и т.д. вплоть до 1000^oK.
Если используются термоиндикаторы, полученные по одинаковому режиму, то эталонный график готовится один раз для всех индикаторов.
Для проведения измерений термоиндикатор закрепляют на объекте контроля. Поскольку a-Si имеет структуру непрерывной сетки, его можно наносить на различные поверхности, содержащие развитый рельеф, а именно: выступы, выемки, в виде пленки как малой 0,06 см², так и большой площади 100 см², равномерно и однородно, с высокой механической прочностью покрывающей объект. Возможность нанесения аморфного кремния в виде пленки на гибкие подложки позволяет осуществлять контроль температурного поля с непрерывным распределением значений T по поверхности.
Химическая стойкость термоиндикатора (a-Si всегда покрыт пленкой SiO₄ толщиной приблизительно равной 10^-7-2 10^-7 см), и высокая механическая прочность позволяют применять его в газотурбинном производстве, в полупроводниковой технологии. В полупроводниковой микроэлектронике при создании больших интегральных схем проходит обработку сразу серия (>10 штук) кремниевых пластин большого диаметра (приблизительно 10 см), закрепленных на вращающихся барабанах, поэтому важно значение величины разогрева пластин, например, при таких технологических операциях, как напыление металла, ионная имплантация.
Благодаря высокой радиационной стойкости a-Si, его можно также использовать в объекте с повышенной радиацией (йонное, нейтронное облучение).
После проведения процесса (время выдержки фиксируется), в том случае если требуется экспрессность контроля, не снимая термоиндикатор с объекта, измеряют R (точность определения сопротивления составляет 10%) или, если требуется большая точность концентрацию парамагнитных центров N_s (с помощью метода электронного парамагнитного резонанса ЭПР). Искомая температура T_x, при которой выдерживалась пленка a-Si, определяется по эталонному графику R(t, T) или N_s(t,T) изотермой, проходящей через точку с координатами: по оси абсцисс-время теплового воздействия: по оси ординат-измеренные значения R или N_s соответственно.
Диапазон контролируемых температур составляет 400 900^oK.
Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить надежность контроля в условиях затрудненного доступа к объекту. Предложено в качестве термоиндикатора использовать аморфный кремний, обладающий св-вом "запоминания" макс. т-ры, которой подвергался объект в период его эксплуатации. В разупорядоченной структуре аморфного кремния имеется значительная концентрация точечных дефектов, уменьшающаяся при его нагревании. Поскольку аморфный кремний имеет структуру непрерывной сетки, его можно наносить в виде пленки на поверхности с развитым рельефом. Предложенный термоиндикатор обладает химической стойкостью и высокими радиационной стойкостью и механической прочностью, что позволяет использовать его в газотурбинном производстве, в полупроводниковой технологии, а также в объектах с повышенной радиацией.