СД - Ивановский государственный химико

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
«Ивановский государственный химико-технологический университет»
Факультет неорганической химии и технологии
Кафедра технологии приборов и материалов электронной техники
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
по дисциплине
"ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ ЭЛЕКТРОННОЙ
ТЕХНИКИ"
Направление подготовки
Специальность
210100 «Электроника и микроэлектроника»
«Микроэлектроника
электроника»
Квалификация (степень)
Инженер
Форма обучения
очная
Составитель: к.х.н., доцент Шикова Т.Г.
Иваново, 2011
и
твердотельная
Выписка из ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО СТАНДАРТА
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
СД. 03
Технология материалов электронной техники:
основные процессы в гетерогенных химикотехнологических системах: массо- и теплопередача в
неподвижной
среде,
конвективный
массои
теплообмен; явления на границе раздела фаз;
представления теории пограничного слоя; кинетика
гетерогенных процессов; процессы измельчения
разделения и очистки веществ; кристаллизация и
стеклование; механизмы и кинетика роста кристаллов;
закономерности кристаллизации из жидкой, паровой и
твердой фаз; аппаратурное оформление процессов
выращивания;
разновидности
эпитаксиальных
процессов; физико-химические основы легирования
кристаллов; расчет распределения примесей при
консервативных и неконсервативных процессах
кристаллизации; радиационное легирование; методы
получения некристаллических и композиционных
материалов: керамика, стекла, аморфные материалы
полимерные композиции; аппаратурное оформление и
организация технологических процессов; эксплуатация
и
сервисное
обслуживание
технологического
оборудования.
150
РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
По дисциплине ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ
Составитель: к.х.н., доцент Шикова Т.Г.
Курс 4;
Семестр 7; Экзамен 7 сем; Зачет 7 сем;
Всего часов по дисциплине: 150
Аудиторные занятия: 75 час.
Лекции - 30 час.
Лабораторно-практические занятия - 45 час.
Самостоятельная работа - 75 час, в том числе курсовая работа.
1. ВВЕДЕНИЕ.
1.1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
Целью дисциплины является изучение общих подходов к описанию и анализу
технологических процессов, а так же сущности и назначения традиционных и новых
технологических процессов и операций производства материалов электронной техники.
1.2. ТРЕБОВАНИЯ К ЗНАНИЯМ И УМЕНИЯМ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
Специалист должен:
Иметь представление:
- о технологии как науке, методах и приемах анализа технологических процессов;
- об основных технологических процессах производства и обработки материалов
электронной техники;
- о совокупности и состоянии решения проблем в области технологии получения
материалов и изделий в связи с основными тенденциями и перспективами развития
электронного приборостроения;
знать и уметь использовать:
- способы управления фазовыми и химическими превращениями веществ в
технологических процессах, дефектообразованием и электрофизическими свойствами
материалов;
- физико-химические процессы и технологические основы подготовки сырья,
производства и обработки (механической, термической, технохимической) основных
полупроводниковых, композиционных и диэлектрических материалов электронной
техники.
иметь навыки (опыт):
- проведения эксперимента по исследованию свойств материалов;
- разработки технологических схем производства материалов электронной техники;
- выбора методов и режимов обработки.
. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ (учебные модули)
2.1. МОДУЛЬ 1.
Общая характеристика основных процессов технологии материалов электронной техники.
2.1.1. Лекционный материал. (10)часов.
Основные процессы в гетерогенных химико-технологических системах: массо- и
теплопередача в неподвижной среде, конвективный массо- и теплообмен; явления на
границе раздела фаз; представления теории пограничного слоя; кинетика гетерогенных
процессов; процессы измельчения, разделения и очистки веществ.
Физико-химические процессы переработки сырья.
Процессы измельчения и
рассеивания твердых тел. Основы процессов разделения и очистки. Сорбционные
процессы, экстракция, кристаллизация, перегонка через газовую фазу.
2.1.2. Лабораторные занятия: 9 час.
Химическая обработка полупроводников.
2.1.3. Практические занятия: не планируются.
2.1.4. Самостоятельная работа: 10 час. Обработка и анализ результатов лабораторных
работ, подготовка к коллоквиуму.
2.2.МОДУЛЬ 2.
Технология получения и обработки монокристаллических материалов.
2.2.1. Лекционный материал: 10 час.
Технология получения монокристаллов из твердой, жидкой и газовой фаз, основы
управления технологическим процессом выращивания монокристаллов.
Физико-химические основы процессов образования кристаллов, процессы
конденсации, адсорбции и зародышеобразования. Кристаллизация и стеклование.
Механизм и кинетика роста кристаллов; закономерности кристаллизации из жидкой,
паровой и твердой фаз; разновидности эпитаксиальных процессов; аппаратурное
оформление процессов выращивания;
Физико-химические основы легирования кристаллов; расчет распределения
примесей при консервативных и неконсервативных процессах кристаллизации;
радиационное легирование.
Особенности технологии важнейших монокристаллических материалов (кремния,
арсенида галлия).
Физико-химические основы механической и технохимической обработки
монокристаллических материалов. Механическая обработка полупроводниковых
материалов, методы ориентации кристаллов, резка кристаллов на пластины, шлифовка,
полировка пластин, контроль геометрических параметров пластин, скрайбирование.
Аппаратурное оформление и организация технологических процессов; эксплуатация
и сервисное обслуживание технологического оборудования
2.2.2. Лабораторные занятия: 9 час.
Синтез и исследование свойств кристаллофосфоров на основе полупроводниковых
соединений АIIВVI.
2.2.3. Практические занятия 3 час.
Сравнительный анализ различных методов обработки полупроводниковых
материалов, сравнение различных методов выращивания кристаллов, выбор и
обоснование технологических режимов.
Доклады по теме модуля.
2.2.4. Самостоятельная работа: 20 час. Обработка и анализ результатов лабораторных
работ, подготовка к коллоквиуму, практическим занятиям.
2.3. МОДУЛЬ 3. ТЕХНОЛОГИЯ НЕКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ.
2.3.1. Лекционный материал: 6 час.
Особенности стеклообразного состояния и строение стекла. Физико-химические
основы стекловарения. Методы получения некристаллических и композиционных
материалов: стекла, аморфные материалы полимерные композиции.
Основы
технологии
стеклоизделий:
лазерные
и
оптические
стекла,
светочувствительные стекла, стеклянные волоконные и пленочные оптические элементы,
халькогенидные полупроводниковые стекла.
Аппаратурное оформление и организация технологических процессов.
2.3.2. Лабораторные занятия: 9 час.
Исследование оптических свойств стекол.
Химическая очистка и травление стекла.
Плазменное травление и очистка стекла.
2.3.3. Практические занятия. 3 час.
Анализ процессов, выбор и обоснование технологических режимов получения и
обработки некристаллических материалов и изделий.
Доклады по теме модуля.
2.3.4. Самостоятельная работа: 25 час. Обработка и анализ результатов лабораторных
работ, подготовка к коллоквиуму, практическим занятиям.
2.4. МОДУЛЬ 4. ТЕХНОЛОГИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ. ПОЛУЧЕНИЕ
ТОНКИХ ПЛЕНОК МЕТАЛЛОВ.
2.4.1. Лекционный материал. 4 час.
Физико-химические основы технологии керамических материалов. Методы
получения некристаллических и композиционных материалов: керамика. Подготовка
исходных материалов, приготовление и гранулирование шихты. Формование заготовок.
Холодное прессование. Термическая обработка заготовок. Спекание. Горячее
прессование. Технология важнейших керамических материалов.
Основы технологии ситаллов.
Получение тонких пленок металлов методами термического испарения в вакууме,
катодного и магнетронного распыления.
2.4.2. Лабораторные занятия. 9 час.
Получение тонких металлических пленок и исследование их характеристик.
Материалы для полупроводниковых и гибридных интегральных микросхем.
2.4.3. Практические занятия. 3 час.
Анализ процессов, выбор и обоснование технологических режимов производства
керамики, ситаллов.
Доклады по теме модуля.
2.4.4. Самостоятельная работа: 20 час. Обработка и анализ результатов лабораторных
работ, подготовка к коллоквиуму, практическим занятиям.
2.5. Курсовая работа технология производства и обработки одного из материалов
3. ФОРМЫ ОТЧЕТНОСТИ:
3.1. Коллоквиумы по каждому модулю – всего 4.
4. ЛИТЕРАТУРА
4.1. Основная литература:
1.Раскин, А. А. Технология материалов микро-, опто- и наноэлектроники : учеб. пособие
для вузов. Ч.1 / А. А. Раскин, В. К. Прокофьева. - М. : БИНОМ. Лаборатор. знаний, 2010.
- 165 с.
2.Рощин, В. М. Технология материалов микро-, опто- и наноэлектроники : учеб. пособие
для вузов. Ч.2 / В. М. Рощин, М. В. Силибин. - М. : БИНОМ. Лаборатор. знаний, 2010. 181 с.
3.Ю.М.Таиров, В.Ф.Цветков. Технология полупроводниковых и диэлектрических
материалов. СПб., Изд. Лань, 2002 г., 418 с.
4.А.А. Барыбин. Физико-технологические основы электроники. СПб, Лань, 2001 г., 268 с.
5.Д.А. Шутов, Д.В. Ситанов Процессы микро- и нанотехнологий // Лабораторный
практикум. Часть 1. – Иваново, ИГХТУ, 2006.
6.Кротова Г.Д., Дубровин В.Ю., Титов В.А., Шикова Т.Г. Технология материалов и
изделий электронной техники: Лабораторный практикум. – ИГХТУ. – Иваново. – 2007. –
156 с.
7.Киреев В.Ю. Технологии микроэлектроники. Химическое осаждение из газовой фазы /
Киреев, Валерий Юрьевич, А. А. Столяров. - М. : Техносфера, 2006. - 191 с.
4.2. Дополнительная литература
1. Козловский В. В. Модифицирование полупроводников пучками протонов / В. В.
Козловский ; Отв. ред. Р. Ш. Малкович. - СПб. : Наука, 2003. - 268 с.
2. Пасынков В. В. Материалы электронной техники : учебник для вузов по спец.
"Полупроводники и диэл.", "Полупроводниковые и микроэл.приборы" / В. В.
Пасынков, В. С. Сорокин. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Высш. шк., 1986. - 368 с.
3. Герасименко, Пархоменко,, .Ю. Н. Кремний - материал наноэлектроники. М.:
Техносфера, 2007. 351 с. (23)
4. Курносов А.И.,Юдин В.В. Технология производства полупроводниковых приборов и
интегральных микросхем: Учеб.пособие для вузов.-М.:Высшая школа,1979.-368 с.
5. Румак Н.В. Диэлектрические пленки в твердотельной микроэлектронике / Н. В. Румак,
В. В. Хатько ; Под ред. В.Е. Борисенко; АН БССР. Физико-техн. ин-т. - Минск : Навука
i технiка, 1990. - 191с.
6. Металлургия и технология полупроводниковых материалов /Под ред. Б.А. Сахарова.
М., Металлургия, 1972 г., 544с.
5. ПРИМЕНЕНИЕ ЭВМ
4. График текущего и промежуточного контроля
1 занятие – вводное;
2 занятие – Лабораторная работа №1;
3 занятие – Сдача отчета и защита лабораторной работы №1;
4 занятие – Лабораторная работа №2;
5 занятие – Лабораторная работа №2;
6 занятие – Сдача отчета и защита лабораторной работы №2;
7 занятие – Выступление с докладами по 1 модулю. Коллоквиум по 1 модулю;
8 занятие – Лабораторная работа №3;
9 занятие – Лабораторная работа №3;
10 занятие – Сдача отчета и защита лабораторной работы №3;
11 занятие – Выступление с докладами по 2 модулю. Коллоквиум по 2 модулю;
12 занятие – Лабораторная работа №4;
13 занятие – Лабораторная работа №4;
14 занятие – Сдача отчета и защита лабораторной работы №4;
15 занятие – Выступление с докладами по 3, 4 модулю. Коллоквиум по 3, 4 модулю.
Рейтинговый контроль работы студентов
Вид контроля
Количество баллов
Сумма баллов
10
Кол-во данных
видов контроля за
семестр
1
Выступление с докладом
Лабораторная работа
Коллоквиум
Суммарный балл по
текущей работе в
семестре
4
8
4
3
16
24
50
10
Зачет проставляется автоматически, если студент набрал по текущей работе не менее 26
баллов.
5. Карта обеспеченности дисциплины учебной и методической литературой
№
п/п
1
2
3
4
Авторы, название, место
издания, издательство, год
издания, количество страниц
Вид издания
Кол-во
Кол-во
Кол(учебник, уч. обучающихся, экземпляров
во
пособие, и т.д.) одновременно
в
экз.
Категория
изучающих библиотеке
на
(Основная,
данную
1
дополнительная) дисциплину
обуч.
Раскин, А. А. Технология Учебник
20
25
1,25
материалов микро-, опто- и основная
наноэлектроники : учеб.
пособие для вузов. Ч.1 / А.
А. Раскин, В. К. Прокофьева.
- М. : БИНОМ. Лаборатор.
знаний, 2010. - 165 с.
Рощин, В. М. Технология Учебник
5
0,25
материалов микро-, опто- и основная
наноэлектроники : учеб.
пособие для вузов. Ч.2 / В.
М. Рощин, М. В. Силибин. М. : БИНОМ. Лаборатор.
знаний, 2010. - 181 с.
Ю.М.Таиров, В.Ф.Цветков. Учебник
24
1,2
Технология
основная
полупроводниковых
и
диэлектрических
материалов. СПб., Изд. Лань,
2002 г., 418 с.
Кротова Г.Д., Дубровин Уч. пособие
50
2,5
В.Ю., Титов В.А., Шикова основная
Т.Г. Технология материалов
и
изделий
электронной
техники:
Лабораторный
практикум. – ИГХТУ. –
Иваново. – 2007. – 156 с.
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Д.А. Шутов, Д.В. Ситанов
Процессы
микрои
нанотехнологий
//
Лабораторный
практикум.
Часть 2. – Иваново, ИГХТУ,
2006.
А.А.
Барыбин.
Физикотехнологические
основы
электроники. СПб, Лань,
2001 г., 268 с.
Киреев В.Ю. Технологии
микроэлектроники.
Химическое осаждение из
газовой фазы / Киреев,
Валерий Юрьевич, А. А.
Столяров. - М. : Техносфера,
2006. - 191 с.
Металлургия и технология
полупроводниковых
материалов /Под ред. Б.А.
Сахарова. М., Металлургия,
1972 г., 544с.
Козловский
В.
В. Модифицирование
полупроводников пучками
протонов / В. В. Козловский
; Отв. ред. Р. Ш. Малкович. СПб. : Наука, 2003. - 268 с.
Пасынков В. В. Материалы
электронной
техники
:
учебник для вузов по спец.
"Полупроводники и диэл.",
"Полупроводниковые
и
микроэл.приборы" / В. В.
Пасынков, В. С. Сорокин. 2-е изд., перераб. и доп. - М.
: Высш. шк., 1986. - 368 с.
Герасименко, Пархоменко,,
.Ю. Н. Кремний - материал
наноэлектроники.
М.:
Техносфера, 2007. 351 с. (23)
Курносов А.И.,Юдин В.В.
Технология
производства
полупроводниковых
приборов и интегральных
микросхем:
Учеб.пособие
для
вузов.-М.:Высшая
школа,1979.-368 с.
Румак Н.В. Диэлектрические
пленки в твердотельной
микроэлектронике / Н. В.
Румак, В. В. Хатько ; Под
Уч. пособие
основная
50
2,5
Учебник
основная
15
0,75
Учебник
основная
40
2,0
Учебное
пособие
дополнительная
1
0,05
Учебник
дополнительная
24
1,2
Учебник
дополнительная
23
1,15
Учебник
дополнительная
48
2,4
Учебник
дополнительная
20
1,0
Учебник
дополнительная
ред. В.Е. Борисенко; АН
БССР. Физико-техн. ин-т. Минск : Навука i технiка,
1990. - 191с.
6. Перечень лабораторных и практических занятий по дисциплине и порядок их
проведения
6.1. Порядок прохождения лабораторного практикума
Лабораторный практикум выполняется в соответствии с графиком и календарным
планом, составляемым на каждый учебный год. По дисциплине "Технология материалов
электронной техники" объем лабораторного практикума составляет 36 час и студенты
выполняют 4 лабораторные работы. Каждая лабораторная работа выполняется, как
правило, индивидуально. Допускается выполнение отдельных лабораторных работ
бригадами в составе не более двух студентов.
На первом, вводном занятии до студентов доводится содержание и календарный
план проведения практикума, Указывается число баллов, которое может набрать студент
при выполнении лабораторного практикума в соответствии с действующей в вузе
рейтинговой системой со 100-балльной шкалой оценок, проводится инструктаж по
технике безопасности при выполнении работ с оформлением в соответствующем журнале.
На этом же занятии преподаватель выдает задания для выполнения первой лабораторной
работы.
Перед каждой лабораторной работой студент проходит краткое собеседование, в
результате которого преподаватель оценивает степень готовности к выполнению
лабораторной работы. Студент должен знать:
цель работы;
последовательность ее выполнения;
принцип работы оборудования;
методику обработки экспериментальных результатов.
В ходе подготовки к лабораторному занятию студент готовит лабораторный
журнал (отдельная тетрадь), в которую заносит:
- название работы;
- задание на выполнение работы;
- план работы;
- схему экспериментальной установки;
- заготовку таблицы для экспериментальных данных.
По окончании работы лабораторный журнал подписывается преподавателем.
По итогам каждой лабораторной работы оформляется отчет, который сдается
преподавателю на следующем после выполнения данной работы занятии.
Отчет должен включать:
- цель работы;
- краткое теоретическое введение;
- схему установки и ее краткое описание;
- экспериментальные результаты и их обсуждение,
в том числе анализ
погрешности эксперимента, примеры расчетов;
- выводы по работе.
При сдаче отчета преподаватель проводит собеседование по выполненной работе, в
результате которого оценивается знание теоретического материала по теме исследования
и умение оценивать и делать выводы на основе полученных экспериментальных
результатов. По итогам каждой лабораторной работы преподаватель выставляет оценку,
учитывающую предварительную подготовку, объем и качество экспериментальной части
работы, глубину обсуждения результатов и качество отчета и результаты собеседования..
"Удовлетворительно" выставляется при выполнении работы по стандартной схеме
и удовлетворительном знании основных закономерностей изучаемого явления.
"Хорошо" выставляется при наличии творческого, тщательно продуманного плана
работы, качественного выполнения экспериментальной части, детального анализа
полученных результатов и хороших знаний изучаемого вопроса.
"Отлично" требует нестандартного подхода к выполнению работы, включения в
нее элементов исследования, машинной обработки результатов.
Каждая из полученных студентом оценок в конечном итоге влияет на итоговую
оценку по предмету.
6.2. Перечень лабораторных работ, выполняемых по курсу «Технология материалов
электронной техники»:
1. Химическая обработка полупроводников.
2. Синтез и исследование свойств кристаллофосфоров на основе полупроводниковых
соединений АIIВVI.
3. Исследование оптических свойств стекол.
4. Получение тонких металлических пленок и исследование их характеристик.
5. Материалы для полупроводниковых и гибридных интегральных микросхем.
Описания к лабораторным работам №1, 5 и порядок их выполнения приведены в
лабораторном практикуме Д.А. Шутов, Д.В. Ситанов Процессы микро- и нанотехнологий.
Часть 2. – Иваново, ИГХТУ, 2006.
Описания к лабораторным работам №2, 4 и порядок их выполнения приведены в
лабораторном практикуме Кротова Г.Д., Дубровин В.Ю., Титов В.А., Шикова Т.Г.
Технология материалов и изделий электронной техники: Лабораторный практикум. –
ИГХТУ. – Иваново. – 2007. – 156 с.
Описание и прядок выполнения работы №3.
Определение оптических свойств стекол
Теоретическое введение
При взаимодействии электромагнитного излучения оптического диапазона с
веществом наблюдаются пропускание, отражение, поглощение, преломление световой
волны (рис. 1).
Результатом поглощения излучения в зависимости от его спектрального состава и
свойств твердого тела может быть генерация фононов, экситонов, свободных электронов,
или электрон-дырочных пар.
Рис. 1. Световые потоки в частично
поглощающем
образце:
I0
–
интенсивность падающего света, IR –
интенсивность отраженного света, IT
– интенсивность прошедшего сквозь
образец света.
Подобно тому, как свойства диэлектриков в переменных электромагнитных полях

характеризуют комплексной диэлектрической проницаемостью      i  , для
описания оптических характеристик твердых тел используют комплексный показатель
преломления
(1)
n*  n  ik .
Обе комплексные величины: * и n*, - учитывают взаимодействие электромагнитной
волны с веществом, в котором энергия частично поглощается.
Действительная часть показателя преломления определяется скоростью
распространения световой волны в веществе:
(2)
n  c/v .
В выражении (2) с – скорость распространения волны в вакууме, v – фазовая скорость ее в
веществе. Изменение преломляющей способности вещества (величины n) с длиной волны
электромагнитного излучения отражает явление дисперсии.
Мнимая часть выражения (1) (величина k) характеризует поглощение излучения и
называется показателем поглощения (или коэффициентом экстинкции).
Пусть на поверхность образца падает свет интенсивностью I0. Под интенсивностью
будем понимать количество световой энергии, падающее на единицу площади образца в
единицу времени. Часть световой энергии отражается от поверхности. Коэффициент R,
равный отношению интенсивности отраженной световой волны IR к интенсивности
падающей волны I0
R  I R / I0 ,
(3)
называют коэффициентом отражения.
Долю прошедшего через образец света характеризуют коэффициентом
пропускания, который определяется выражением
T  IT / I 0
(4)
Как и коэффициент отражения, он является безразмерной величиной.
Интенсивность света, прошедшего через образец, подчиняется закону Бугера –
Ламберта
I T  I 0 exp(  x) .
(5)
Величина  в показателе экспоненты называется линейным коэффициентом поглощения.
Из выражения (5) видно, что коэффициент  имеет размерность обратной длины. Его
значение отражает вероятность поглощения фотона на расстоянии, равном единице
длины. В соответствии с этим величину  -1 можно рассматривать как среднюю длину
пробега фотона в веществе.
Коэффициент поглощения связан с коэффициентом экстинкции k соотношением
  4 k /  ,
(6)
где  - длина волны в вакууме.
Выражение (5) описывает пропускание света без учета отражения от освещаемой
поверхности образца. Если же имеет место частичное отражение светового потока, то
вместо I0 в (5) будет фигурировать величина (1-R)I0, которая равна доле световой энергии,
вошедшей через освещаемую поверхность внутрь образца.
При нормальном падении света коэффициент отражения R связан с показателями
преломления и поглощения соотношением
R
(n  1) 2  k 2
(n  1) 2  k 2
.
(7)
Если поглощение пренебрежимо мало, то коэффициенты отражения и пропускания
образца будут определяться только показателем преломления:
R  (n  1) 2 /( n  1) 2 ,
(8)
T  4n /( n  1) 2 .
(9)
Все оптические коэффициенты являются функциями длины волны падающего
излучения. Зависимость коэффициента поглощения от длины волны () называют
спектром поглощения вещества, а R() – спектром отражения. В силу дисперсии света
величина n также зависит от длины волны излучения. Поэтому для сравнительной
характеристики оптических свойств материалов часто используют фиксированные
значения . Так, показатель преломления для длины волны =546,07 нм принято называть
основным показателем преломления (nосн). Для характеристики дисперсии используют
основной коэффициент дисперсии (осн), который определяется как отношение
 осн  nосн  1 / nF  nC  ,
где n F и nC - показатели преломления, соответствующие длинам волн F=479,99 и
C=643,85 нм соответственно.
Количественная регистрация спектров пропускания и отражения в инфракрасной
(ИК), видимой и ультрафиолетовой (УФ) области – основной метод определения
оптических констант материалов. УФ область ограничена значениями длин волн от 180 до
400 нм, видимая область – от 400 до 750 нм, ИК область – от 750 до 50000 нм. Для
характеристики излучения в практике спектрофотометрии наряду с длиной волны часто
используют волновое число   1 /  .
В данной работе исследуются образцы бесцветных силикатных оптических стекол,
пропускание которых в видимой и ближней ультрафиолетовой области очень высоко.
Такие стекла используются для изготовления линз, призм, и других деталей в
наблюдательных приборах и измерительных оптических инструментах, в приборах
оптической электроники. Получение и обработка спектров их пропускания позволяет
найти коэффициенты преломления и отражения (см. соотношения (8) и (9)), а также –
коэффициент дисперсии.
Оптические стекла в зависимости от сочетания значений показателя преломления и
коэффициента дисперсии делятся на две большие группы: кроны и флинты. Для группы
кронов характерны сравнительно низкий показатель преломления и высокий коэффициент
дисперсии. Пределы изменения этих характеристик для группы кронов ограничены
значениями n от 1,47 до 1,67 и коэффициента дисперсии от 100 до 47. Флинты отличаются
высокими значениями показателя преломления в сочетании с низкими значениями
коэффициента дисперсии. Значения этих параметров для группы флинтов лежат в
пределах n=1,52 - 1,90 и выше, а = 54 - 15.
Каждому оптическому стеклу со строго определенными показателями всех свойств
присвоена марка, включающая условное обозначение группы и типа оптического стекла, а
также порядковый номер, например, К8 – крон 8, КФ7 – кронфлинт 7 и т.д.
Оптические и электрические свойства стекол сильно зависят от их состава. В ряду
силикатных стекол наиболее низким значением показателя преломления обладает
кварцевое стекло (n=1,4584). Обычные стекла тройной системы Na2O–CaO–SiO2
принадлежат к группе кронов. Пределы изменения их показателя преломления в
зависимости от состава n =1,48 – 1,53.
На основе силикатных стекол получают кроны и баритовые флинты с n до 1,65 –
1,67, а также флинты с n до 2,00 – 2,05. Таких свойств удается достичь за счет введения в
состав стекла различных оксидов. В кроны вводят B2O3, Al2O3, BaO, в состав флинтов –
оксиды свинца и титана. В стекла промежуточных типов вводят MgO, ZnO, Sb2O3.
Методика выполнения работы
Схема установки
Исследование спектров пропускания образцов в УФ и видимой области
производится на приборе “Specord UV – VIS”. Это автоматический двухлучевой
спектрофотометр, регистрирующий линейно пропускание или экстинкцию (поглощение)
как функцию волнового числа. Принципиальная оптическая схема спектрофотометра
приведена на рис. 2.
Рис.2. Оптическая схема спектрофотометра “Specord UV–VIS”.
В качестве источника излучения в УФ области используется дейтериевая лампа, в
видимой – лампа накаливания. Световой пучок попадает на входную щель
монохроматора, откуда монохроматический пучок направляется на зеркальный
прерыватель. Там он разделяется на два потока, поступающие в канал образца (измерения)
и канал сравнения. На приемник излучения, в качестве которого используется сурьмяноцезиевый фотоумножитель, поочередно падает свет то из канала образца, то из канала
сравнения. Электронная схема прибора преобразует сигнал в спектр пропускания в
координатах Т(  ) или экстинкции k(  ). Регистрация спектров производится на
специальном бланке, закрепляемом на столике самопишущего потенциометра. Отсчет
волнового числа осуществляется по градуированной шкале с нониусом.
При работе используются следующие масштабы ординат:
Т = 0 – 100 % - стандартная область;
Т = 0 – 20 % - растяжение оси ординат для образцов с малым коэффициентом
пропускания;
-0,1 - +1,4 – экстинкция.
Обозначения управляющих клавиш на лицевой панели прибора приведены ниже.
Порядок работы на спектрофотометре “Specord UV – VIS”
1.
Включить вилку прибора в сеть. Нажать кнопку «Сеть».
2.
Включить источник излучения для соответствующего участка спектра.
Переключатель масштаба ординат установить в положение 0 – 100%.
3.
Закрепить перо для записи спектра в держатель на потенциометре.
4.
Используя кнопки «Быстро вперед» и «Быстро назад» по нониусу против
нуля установить начальное значение волнового числа (например, 21000 см –1).
5.
Зафиксировать бланк для записи спектра на каретке самопишущего
потенциометра так, чтобы при закрытом канале измерения перо находилось в точке
пересечения горизонтальной нулевой линии (Т=0) и вертикальной черты.
6.
Проверить положение нуля и правильность установки регистрационного
листа, проведя пробную регистрацию (нажать кнопку «Пуск»).
7.
Установить линию, соответствующую полному пропусканию излучения
(Т = 100 %). Для этого открыть канал измерения и включить регистрацию спектра. Если
регистрируемая линия не проходит на бланке точно по линии Т = 100 %, то
скорректировать ее положение ручкой 100 %-ной коррекции.
8.
Нажать кнопку «Быстро назад». Каретка быстро движется вправо, а
регистрирующее устройство занимает левое крайнее положение.
9.
Поместить измеряемый образец в кюветный отсек в ближний канал.
10.
Нажать клавишу «Пуск». Нажатием клавиши «Стоп» регистрация может
быть прервана на любом участке.
11.
Вынуть регистрационный лист, выключить источник излучения, отжать
кнопку «Сеть».
Порядок выполнения работы
1. Записать на приборе “Specord UV – VIS” спектр пропускания оптических стекол в УФ
и видимой области спектра.
2. По полученным спектрам определить коротковолновую границу пропускания min –
длину волны со стороны более коротких волн, при которой коэффициент пропускания
не ниже 50 %.
3. По коэффициенту пропускания в видимой области спектра (длина волны задается
преподавателем) определить показатель преломления стекла n.
4. Рассчитать коэффициент отражения R. Оценить основной коэффициент дисперсии.
5. Используя справочную таблицу, по найденным величинам коротковолновой границы
пропускания min и показателя преломления n определить тип оптического стекла.
n(=530нм)
min, нм
ЛК6
1,47290
321
К8
1,51916
320
Кроновые стекла
БК8
1,54979
325
ТК2
1,57593
318
ТК16
1,61633
347
n(=530нм)
min, нм
БФ12
1,63157
347
n(=530нм)
min, нм
КУ1
1,46079
180
Флинтовые стекла
БФ24
Ф1
ТФ1
1,64052
1,61868
1,65421
364
346
355
Кварцевые стекла
КУ2
КВ
КВ-Р
1,46079
1,46079
1,46079
180
230
220
ТФ5
1,76470
385
КИ
1,46079
240
6.3 Порядок прохождения практических занятий.
В соответствии с рабочей программой на практические занятия отводится 9 часов –
3 занятия. Практические занятия проводятся с целью более детального изучения
материала по отдельным темам или рассмотрения вопросов, которые не вынесены в
лекционный материал, но представляют интерес и позволяют расширить знания студента
в области технологии материалов электронной техники.
На практическом занятии студенты выступают с докладами по теме одного из
модулей, и проводится их обсуждение (2 часа). В оставшееся время (1 час) проводится
письменный опрос по материалам модуля.
7. Перечень лабораторного оборудования и оргтехники, используемых при
проведении лабораторного практикума
Спектрофотометр “Specord UV – VIS”;
Установка для исследования спектров люминесценции фотолюминофоров;
Аналитические весы;
Гелий-неоновый лазер;
Сушильный шкаф;
Печь для прокалки люминофоров;
Ультразвуковой дезинтеграторUD-20;
Установка для получения пленок методом термического испарения в вакууме
«ПОРА-1М»
Установка для получения пленок методом катодного распыления
Установка для получения пленок методом магнетронного распыления.
Бинокулярные микроскопы.
8. Комплект заданий для самостоятельной работы, тематика рефератов по
дисциплине
Примерные темы докладов:
1. Ситаллы. Виды. Применение. Особенности получения.
2. Оптическое стекло. Виды. Классификация. Особенности состава. Свойства.
3. Лазерное стекло. Лазерные кристаллические материалы.
4. Несиликатные стекла.
5. Получение полупроводниковых соединений AIIBVI.
6. Получение соединений AIIIBV и твердых растворов на их основе.
7. Получение поли – и монокристаллов из жидкой фазы.
8. Сегнето-, пьезо, пироэлектрические эффекты в монокристаллах и керамических
материалах.
9. Получение монокристаллов и керамических материалов, обладающих
свойствами сегнето-, пьезо, пироэлектриков.
10. Получение аморфных и кристаллических пленок кремния.
11. Вакуумно – дуговые методы получения тонких пленок.
12. Получение тонких пленок методом катодного распыления с ионной
бомбардировкой.
9. Комплект контрольно-измерительных материалов для текущего, промежуточного
и итогового контроля
Итоговый тест
1. Выберите параметр, изменение которого приведет к изменению скорости гетерогенного
процесса, протекающего в диффузионной области
температура
площадь контакта фаз
скорость потока газа или жидкости
давление
2. Какие из перечисленных способов очистки и разделения веществ основаны на сорбции?
химический транспорт
ионный обмен
зонная перекристаллизация
дистилляция
хроматография
сублимация
жидкостная экстракция
3. Какое вещество считается чистым?
вещество, не содержащее никаких примесей
вещество, не содержащее вредных примесей
вещество, содержание примесей в котором таково, что не мешает использовать его для
заданной цели
4. Выберите вещества, которые могут быть использованы в качестве сорбентов
графит
активированный уголь
сажа
силикагель
кварцевый песок
алюмоксидная керамика
высокодисперсные алюмосиликаты
5. Какой способ хроматографии
отдельные компоненты
проявительный
вытеснительный
фронтальный
позволяет разделить двухкомпонетную смесь на
6. Что лежит в основе разделения и очистки веществ кристаллизационными методами?
разная температура плавления основного вещества и примеси
разная концентрация примеси в твердой и жидкой фазе
разные объемы твердой и жидкой фаз
разные скорости диффузии примеси в твердой и жидкой фазе
разное давление паров основного вещества и примеси
7. Как влияет на температуру плавления расплава введение примеси с К>1?
не изменяет
повышает
понижает
8. Преимущества метода вытягивания из расплава перед методом нормальной
направленной кристаллизации
возможность получать монокристаллы веществ с более высокой температурой плавления
возможность визуально контролировать процесс
возможность получать более структурно совершенные монокристаллы
9. Какое изменение параметров процесса приведет к увеличению диаметра растущего
кристалла?
уменьшение градиента температур в расплаве
увеличение градиента температур в расплаве
увеличение скорости вытягивания
уменьшение скорости вытягивания
увеличение скорости вращения кристалла
уменьшение скорости вращения кристалла
10. При каких условиях эффективный коэффициент распределения примеси будет
приближаться к равновесному?
увеличение скорости кристаллизациии
уменьшение скорости кристаллизации
перемешивание расплава
увеличение градиента температур в расплаве
11. Какая часть кристалла характеризуется равномерным распределением примеси при
получении монокристаллов методом Чохральского?
начальная (у затравки)
средняя
конечная
12. Какая часть кристалла характеризуется равномерным распределением примеси при
получении монокристаллов методом зонной плавки?
начальная (у затравки)
средняя
конечная
13. Для выращивания монокристаллов каких веществ целесообразно применять
бестигельные методы?
имеющих высокое давление собственных паров
имеющих высокую температуру плавления
разлагающихся при температурах ниже температуры плавления
14. Выберите методы выращивания монокристаллов, относящиеся к бестигельным
метод нормальной направленной кристаллизации
метод Чохральского
метод горизонтальной зонной плавки
метод вертикальной зонной плавки
метод Багдасарова
метод Степанова
метод Вернейля
метод выращивания с пьедестала
15. В чем состоит отличие строения стекла от строения кристалла?
отсутствие элементарной ячейки
хаотическое расположение элементарных ячеек в пространстве
различная сингония элементарных ячеек
16.
Из
предложенного
стеклообразователями
ZnO
Na2O
SiO2
B2O3
CaO
P2O5
HF
BeF2
S
Cu
In
As
списка
выберите
вещества,
которые
являются
17. "Длинное" стекло - это стекло, у которого
большой температурный интервал формования
высокая температура плавления
длительный цикл варки
18. Расположите стекла указанного состава в порядке возрастания вязкости.
Na2O·2SiO2
2Na2O·SiO2
SiO2
Na2O·SiO2
19. Расположите стекла указанного состава в порядке возрастания вязкости.
SiO2
K2O·SiO2
Na2O·SiO2
Li2O·SiO2
20. С какой целью при изготовлении стекла проводят брикетирование или гранулирование
шихты?
для удобства загрузки
для более точного дозирования
для более равномерного прогрева
21. Осветление стекломассы - это
образование расплава силикатов
обесцвечивание стекломассы
удаление газовых включений из стекломассы
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ
для итогового контроля по дисциплине
1. Технологический процесс, основные понятия.
2. Процессы массопередачи. Механизм процессов межфазного переноса.
3. Процессы теплопередачи.
4. Химические процессы. Лимитирующая стадия процесса.
5. Активное состояние твердофазных реагентов и продуктов.
6. Процессы измельчения и рассеивания твердых тел.
7. Общая характеристика чистоты вещества, процессов разделения и очистки.
8. Сорбционные процессы разделения и очистки: адсорбция.
9. Сорбционные процессы разделения и очистки: ионный обмен.
10. Сорбционные процессы разделения и очистки: хроматография.
11. Кристаллизационные процессы разделения и чистки: принцип очистки
кристаллизацией.
12. Оценка эффективности очистки веществ. Коэффициент распределения.
13. Основные методы направленной кристаллизации.
14. Процессы дистилляции и сублимации. Основные виды диаграмм состояния
двухкомпонентных систем с неограниченной растворимостью в жидкой и твердой фазах.
15. Рассмотреть сущность процесса очистки дистилляцией на примере конкретной
системы.
16. Количественная характеристика процессов разделения и очистки при дистилляции.
Ректификация.
17. Очистка веществ с помощью химических транспортных реакций.
18. Деление химических транспортных реакций по различным признакам.
19. Получение кристаллов из твердой фазы и основные методы получения кристаллов из
жидкой фазы. 20. Методы нормальной направленной кристаллизации расплавов.
21. Суть и основные стадии выращивания монокристаллов методом Чохральского.
22. Влияние тепловых условий процесса на рост кристалла, вытягиваемого из расплава.
23. Особенности выращивания монокристаллов разлагающихся полупроводников. Метод
Киропулоса (суть и особенности применения).
24. Методы зонной плавки.
25. Выращивание монокристаллов с пьедестала и методом Вернейля.
26. Выращивание кристаллов из растворов.
27. Получение кристаллов из газовой фазы.
28. Оборудование для выращивания монокристаллов методом Чохральского.
29. Методы контроля параметров технологического процесса и системы кристалл-расплав
при выращивании монокристаллов методом Чохральского.
30. Выбор управляющих воздействий при выращивании монокристаллов методом
Чохральского.
31. Легирование кристаллов в твердой фазе: радиационное легирование кристаллов.
32. Легирование кристаллов в процессе выращивания из жидкой фазы. Кристаллизация
расплава, содержащего легирующую примесь.
33. Распределение примесей в кристаллах, выращиваемых методом направленной
кристаллизации или зонной плавки.
34. Методы получения однородно легированных монокристаллов. Основные способы
сегрегационных методов выравнивания состава кристаллов.
35. Выравнивание состава кристаллов с помощью подпитки расплава.
36. Технологические неоднородности состава кристаллов и методы их уменьшения.
37. Особенности стеклообразного состояния и строение стекла.
38. Физико-химические основы стекловарения.
39. Сырьевые материалы для производства стекла.
40. Основные этапы процесса получения стекол.