|
Реферат: Монокристаллический кремень (Химия)
Введение
Основной объем монокристаллического кремния (80-90%) потребляемого
электронной промышленно-
стью, выращиваеться по методу Чохральского.
Фактически весь кремний,используемый для произво-
дства интегральных схем,производиться этим методом.
Кристаллы выращенные этим методом обычно не содержат краевых дислокаций,но
могут включать
небольшие дислокационные петли,образующиеся при
конденсации избыточных точечных дефектов.
Кристаллический рост заключаеться в фазовом переходе из жидкого состояния в
твердую фазу.
Применительно к кремнию этот процесс может быть охарактеризован как
однокомпонентная ростовая система жидкость-твердое тело.
[pic]
Рост кристаллов по методу Чохральского заключаеться
в затвердевании атомов жидкой фазы на границе раздела
Скорость роста определяеться числом мест на поверхности растущего кристалла
для присоединения
атомов,поступающих из жидкой фазы,и особенностями
теплопереноса на границе раздела фаз.Скорость вытягивания оказывает влияние
на форму границы раздела фаз между растущим кристаллом и расплавом,
которая являеться функцией радиального градиента
температуры и условий охлаждения боковой поверхности растущего кристалла.
Оборудование для роста кристаллов.
Установка для выращивания кристаллов представлена на
рисунке 2,и включает в себя 4 основных узла:
[pic]
1.Печь в которую входят тигель,контейнер,
механизм вращения,нагреватель,источник пита-
ния и камера.
2.Механизм вытягивания кристалла содержащий
стержень,или цепь с затравкой,механизм вращения
затравки и устройство для зажима затравки.
3.Устойство для управления составом атмосферы,
состоящее из газовых источников,расходомеров,
системы продувки и вакуумной системы.
4.Блок управления,в который входят микропроцессор,датчики и устройства
вывода.
Тигель является наиболее важным элементом
ростовой системы.Так как тигель содержит расплав,его материал должен быть
химически инертен по отношению к расплавленному кремнию.
Это основное требование при выборе материала
тигля,так как электрические свойства кремния чувствительны даже к таким
уровням примеси,
как 10(-7)ат.%.Кроме того,материал тигля должен
иметь высокую температуру плавления,обладать
термической стабильностью и прочностью.
Также он должен быть недорогим или обладать способностью к многократному
использованию.
К сожалению,расплавленный кремний растворяет
почти все используемые материалы (например
карбиды тугоплавких металлов TiC или TaC,тем
самым способствуя слишком высокому уровню
металлических примесей в растущем монокристалле.Тигли из карбида кремния
также
неприемлимы.Несмотря на то что углерод
являеться электрически нейтральной примесью в
кремнии,вырастить высококачественные монокристаллы кремния из
расплавов,насыщенных
углеродом,не удаеться.
Отношение диаметра тигля к его высоте в больших
установках =1 или немного превышает это значение
Обычно диаметр тигля равен 25,30 или 35 см.для
объема загрузки 12,20 и 30 кг. соответственно.
Толщина стенок тигля равна 0.25см,однако кварц
недостаточно тверд,чтобы использовать его в качестве контейнера для
механической поддержки расплава.После охлаждения несоответствие термических
коэффициентов линейного расширения
между оставшимися в тигле кремнием и кварцом
приводит к растрескиванию тигля.
Возможность использования нитрида кремния в ка-
честве материала для тиглей была продемонстрирована при осаждении нитрида
из
парогазовых смесей на стенки обычного тигля.
Контейнер используеться для поддержки кварце-
вого тигля .В качестве материала для контейнера
служит графит,поскольку он обладает хорошими
высокотемпературными свойствами.Обычно используют сверхчистый
графит.Высокая степень чистоты необходима для предотвращения загрязнения
кристалла,примесями,которые выделяються из графита при высоких температурах
процесса .Контейнер устанавливают
на пьедестал,вал которого соединен с двигателем,
обеспечивающим вращение.Все устройство можно
поднимать или опускать для поддержания уровня
расплава в одной фиксированной точке,что необходимо для автоматического
контроля диаметра растущего слитка.
Камера высокотемпературного узла установки
должна соответствовать определенным требованиям.Прежде всего она должна
обеспечивать
легкий доступ к деталям узла для облегчения
загрузки и очистки.Высокотемпературный узел
должен быть тщательно герметизирован,дабы
предотвратить загрязнение системы из атмосферы
Кроме того,должны быть предусмотрены специальные устройства,предотвращяющие
нагрев
любого узла камеры до температуры,при которой
давление паров ее материала может привести к загрязнению кристалла.Как
правило,наиболее сильно
нагреваемые детали камеры имеют водяное охлаждение,а между нагревателем и
стенками камеры устанавливают тепловые экраны.
Для расплавления материала загрузки используют главным образом
высокочастотный индукционный или резистивный нагрев.Индукционный нагрев
применяют при малом объеме загрузки,а резистивный-исключительно в больших
ростовых
установках.Резистивные нагреватели при уровне мощности порядка нескольких
десятков киловатт
обычно меньше по размеру,дешевле,легче в изготовлении и более
эффективны.Они представляют собой графитовый нагреватель
,соединенный с источником постоянного напряжения.
Механизм вытягивания кристалла.
Механизм вытягивания кристалла должен с минима-
льной вибрацией и высокой точностью обеспечить
реализацию двух параметров процесса роста:
-скорости вытягивания;
-скорости вращения кристалла.
Затравочный кристалл изготавливаеться с точной
(в пределах установленного допуска)ориентацией,
поэтому держатель затравки и механизм вытягивания должны постоянно
удерживать его
перпендикулярно поверхности расплава.
Направляющие винты часто используються для
подъема и вращения слитка. Этот метод позво-
ляет безошибочно центрировать кристалл отно-
сительно тигля , однако при выращивании слитков
большой длины может оказаться необходимой
слишком большая высота установки.Поэтому,
когда поддержание необходимой точности при вы-
ращивании длинных слитков не обеспечиваеться
винтовым устройством,приходиться применять многожильные тросы.В этом случае
центровка
положения монокристалла и тигля затруднена.
Более того,в процессе наматывания троса возможно
возникновение маятникого эффекта.Тем не менее
применение тросов обеспечивает плавное вытя-
гивание слитка из расплавава , а при условии их
наматывания на барабан высота установок значительно уменьшаеться. Кристалл
выходит из
высокотемпературной зоны через систему продувки
,где газовый поток-в случае если выращивание про-
изводиться в газовой атмосфере-движеться вдоль
поверхности слитка,приводя к его охлаждению.
Из системы продувки слиток попадает в верхнюю
камеру,которая обычно отделена от высокотемпературной зоны изолирующим
клапаном.
Устройство для управления составом атмосферы.
Рост монокристалла по методу Чохральского должен
проводиться в инертной среде или вакууме,что вызвано следующими причинами:
1) Нагретые графитовые узлы должны быть
защищены от воздействия кислорода для
предотвращения эррозии;
2) Газовая атмосфера не должна вступать в
химическую реакцию с расплавом кремния.
Выращивание кристаллов в вакууме удовлетворяет указанным требованиям и ,
кроме того, имеет ряд
преимуществ,в частности ,способствует удалению
из системы моноокиси кремния, тем самым предо-
твращаяет ее осаждение на стенках камеры.При
выращивании в газовой атмосфере чаще всего используют инертные газы :аргон
и гелий.
Инертные газы могот находиться при атмосферном или пониженном давлении.В
промышленных производстве для этих целей используются аргон
что объясняеться его низкой стоимостью.
Оптимальный расход газа составляет 1500л на 1кг
выращенного кремния.Аргон поступает в камеру при
испарении из жидкого источника и должен соответствовать требованиям высокой
чистоты
в отношении содержания влаги,углеводородов,
и других примесей.
Блок управления.
Блок управления может включать в себя разные
приборы.Он предназначен для контроля и
управления такими параметрами процесса,как
температура,диаметр кристалла,скорость вытягивания и скорость
вращения.Контроль
может проводиться по замкнутому или разомкнутому
контуру.Параметры,включающие
скорости вытягивания и вращения,имеют большую
скорость отклика и чаще всего контролируються
по принципу замкнутого контура с обратной связью.
Большая тепловая масса обычно не требует
кратковременного контроля температуры.Например
для контроля диаметра растущего кристалла ин-
фракрасный датчик температуры может быть сфокусирован на границе раздела
фаз расплав-
монокристалл и использован для определения температуры мениска.Выход
датчика связан с
механизмом вытягивающего устройства и контро-
лирует диаметр слитка путем изменения скорости вытягивания.Наиболее
перспективными управляющими являються цифровые микропроцессорные
системы.Они позволяют уменьшить непосредственное участие оператора в
процессе выращивания и дают возможность
организовать програмное управление многими этапами технологического
процесса.
Схема установки для выращивания кристаллов.
[pic]
1.затравочный шток 2.верхний кожух 3.изолирующий клапан
4.газовый вход 5.держатель затравки и затравка 6.камера
высокотемпературной зоны 7.расплав 8.тигель 9.выхлоп
10.вакуумный насос 11.устройство вращения и подъема тигля
12.система контроля и источник энергии 13.датчик температуры
14.пьедестал 15.нагреватель 16.изоляция 17.труба для продувки
18.смотровое окно 19.датчик для контроля диаметра растущего
слитка.
Список литературы:
1.Технология СБИС
под редакцией С.ЗИ.,МОСКВА”МИР”1986
2.Оборудование полупроводникового производства
Блинов,Кожитов,”МАШИНОСТРОЕНИЕ”1986
Учебно-исследовательская работа на тему :
“Выращивание монокристаллов методом
Чохральского”
ст.пр. Каменев А.Б.
студ.гр.Э-92 Васильев А.Е.
Москва,1996
Реферат на тему: НЕОРГАНИЧЕСКИЕ АНИООБМЕННИКИ, СИНТЕЗИРОВАННЫЕ НА ОСНОВЕ ГИДРОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ
Пермский государственный технический университет
РЕФЕРАТ
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ АНИООБМЕННИКИ, СИНТЕЗИРОВАННЫЕ НА ОСНОВЕ ГИДРОКСИДОВ
МЕТАЛЛОВ
Выполнил: Нагорный О.В.
Пермь,2000
ВВЕДЕНИЕ
В представленных статьях гидроксиды металлов рассмотрены в качестве
ионитов в различных водных и смешанных средах. Обсуждены химические и
физические свойства, методы синтеза и сорбционная активность гидроксидов
металлов. Разобраны кинетика и термодинамика ионного обмена на гидроксидных
ионитах. На обширном экспериментальном материале сделаны выводы о механизме
сорбции и предложены модели, описывающие этот процесс.
Показана возможность применения гидроксидных материалов в качестве
неорганических ионитов в аналитической химии, химической технологии и
промышленной экологии. Селективность таких ионообменников позволяет
использовать их как при разделении смесей, так и для извлечении из сложного
раствора какого-то одного конкретного иона.
ГИДРОКСИДЫ МЕТАЛЛОВ, ОБЛАДАЮЩИЕ БРУСИТОВОЙ СТРУКТУРОЙ
Большая часть статей посвящена изучению анионообменных свойств
гидроксидов металлов, имеющих слоистую структуру типа брусита. В настоящее
время их выделяют в отдельную группу соединений. Для них характерно
построение кристаллической решетки из отдельных слоев, соединенных
водородными связями или силами Ван-дер-Ваальса. Внедрение анионов в
межслоевые пространства таких гидроксидов происходит на основе
нуклеофильного замещения функциональных гидроксогрупп.
Важно, что гидроксиды различных металлов со слоистой структурой могут
образовывать твердые растворы замещения, обладающие рядом ценных
ионообменных свойств. Представленные публикации отражают современный
уровень исследований по этой проблеме в мировой практике.
Рис. Мотив решетки гидроксидов металлов со слоистой структурой
типа брусита.
В работах [1-2, 5-7] указывается на возможность использования в
качестве анионообменных материалов так называемых слоистых двойных
гидроксидов (СДГ). Cтруктура СДГ (M2+1-xM3+x(OH)2[(anionn-)x/n.mH2O])
состоит из положительно заряженных гидроксидных слоев (M2+1-xM3+x(OH)2)x+ и
анионов, находящихся в межслоевом пространстве. Интерес исследователей к
этому классу соединений обусловлен возможностью вариации их свойств путем
замещения анионов в межслоевом пространстве или атомов металла в
гидроксидном слое.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В исследованиях широко применяются химические и физико-химические
методы анализа. К наиболее часто используемым методам относятся
инфракрасная спектроскопия, рентгенофазовый анализ, атомно-абсорбционная
спектроскопия и термогравиметрический анализ.
Так, результаты рентгенофазового анализа свидетельствуют о возможности
расширения межслоевых пространств гидроксидов при интеркаляции в них
различных анионов. Например, в статье [1] показано, что при внедрении в Mg-
Al СДГ терефталат-анионов происходит изменение параметра решетки С от 9Е
до 14Е. Это позволяет извлекать гидроксидными ионитами из растворов
достаточно крупные анионы.
Инфракрасная спектроскопия использована для анализа состояния анионов
в составе различных гидроксидов. Например, приведены инфракрасные спектры
поглощения продуктов сорбции нитрат-ионов на гидроксидах таких металлов,
как Zn, Cu, Ni и La [6].
Атомно-абсорбционный анализ применяется во многих работах, например, в
[4] при определении концентраций ионов в растворах.
Термогравиметрический анализ позволяет проследить процессы,
происходящие при нагревании гидроксидных материалов. Примером применения
термогравиметрии может служить исследование, проведенное в работе [6].
Здесь проанализирована устойчивость к нагреванию терефталатных, ацетатных и
бензоатных производных от соединений вида: Zn5(OH)8(NO3)2·2H2O, Cu2(OH)3NO3
и La(OH)2NO3·H2O. Полученные экспериментально кривые DTA показывают
температуру, при которой начинается термическое разложение первоначально
взятых образцов и глубокая перестройка структуры соединений. Кривые DTG
отражают потерю массы образца при нагревании. Показано, что потеря массы
твердой фазы происходит за счет отделения при высокой температуре таких
легколетучих веществ, как H2O, CO2, NO и др. Полученные в работе результаты
позволили охарактеризовать термическую устойчивость гидроксидных ионитов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, рассматриваемые публикации показывают, что сегодня
продолжается интенсивное исследование неорганических ионитов. В частности,
ведется активный поиск неорганических материалов с анионообменными
свойствами. Среди наиболее перспективных указываются гидроксиды металлов.
Химическая модификация гидроксидных материалов позволяет получать широкую
гамму анионообменников, обладающих высокой обменной емкостью. В качестве
ионитов могут быть использованы как индивидуальные, так и смешанные
гидроксиды металлов. В публикации [5] отмечается, что есть возможность
синтеза различных по свойствам гидроксидных ионитов, включающих такие
металлы, как Mg2+, Fe2+, Co2+, Cu2+, Ni2+, Zn2+, Al3+, Cr3+, Ga3+ или Fe3+.
Это задает интересные темы для исследований и обуславливает множество вновь
появляющихся публикаций.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Steven P. Newman, Samuel J. Williams, Peter V. Coveney, William Jones.
Interlayer arrangement of hydrated MgAl layered double hydroxides
containing guest terephtalate anions: comparison of simulation and
measurment // Journal of Physical Chemistry.1998. V.102. P.6710-6719.
2. Masami Kaneyoshi, William Jones. Exchange of interlayer terephtalate
anions from Mg-Al layered double hydroxide formation of intermediate
phases // Chemical Physics Letter. 1998. V.296. P.183-187.
3. Nasr Z. Misak. Outlines of the ion exchange characteristics of hydrous
oxides // Advances of Colloid and Interface Science. 1994. V.51. P.29-
135.`
4. Milan Marhol. Ion exchanger in analitycal chemistry, their properties
and use in inorganic chemistry. 1982. p.585.
5. Masami Kaneyoshi, William Jones. Formation of Mg-Al layered double
hydroxides inter calated with nitriloacetate anions // Journal of
Chemistry Materials. 1999. №9. P.805-811.
6. Steven P. Newman, William Jones. Comparative study of some layered
hydroxide salts containing exchangeable interlayer anions // Journal of
Solid State Chemistry. 1999. V.148. P.26-40
7. Samuel J. Williams, Peter V. Coveney, William Jones. Molecular dynamics
simulation of the swelling of terephtalate anions // Journal of Solid
State Chemistry.1999. V.21. P.183-189.
| |
