Технология материалов электронной техники

УДК 621.382 
Т38 

Р е ц е н з е н т 
доцент Т.Г. Лисовская 

Авторы: Л.В. Кожитов, В.В. Крапухин, 
С.Ф. Маренкин, 
Г.Г. Тимошина 

Технология материалов электронной техники: Лаб. пракТ38 тикум/Л.В. Кожитов, 
В.В. Крапухин, 
С.Ф. Маренкин, 

Г.Г.Тимошина; Под общ. ред. проф. Л.В. Кожитова. - М.: 
МИСиС,2004.-103с. 

Данный лабораторный практикум содержит описание семи лабораторных 
работ по курсу «Технология материалов электронной техники». Лабораторные работы посвящены исследованию физико-химических свойств материалов, кинетических характеристик процессов водородного восстановления, 
ионного обмена, очистки, ректификации и зонной перекристаллизации. 

По ряду процессов составляются математические модели, которые идентифицируются по экспериментальным данным. 

Соответствует государственному образовательному стандарту дисциплины «Технология материалов электронной техники». 

Предназначен для студентов третьего и четвертого курсов факультета 
ПМП, обучающихся по специальностям 200100, 07100, 550700. 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов (Технологический 
университет) (МИСиС), 2004 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение 
4 

Лабораторная работа 1. Исследование кинетики процесса 

ионного обмена 
6 

Лабораторная работа 2. Получение воды высокой степени 

чистоты 
22 

Лабораторная работа 3. Исследование процесса ректификации 

с моделированием на ЭВМ 
30 

Лабораторная работа 4. Водородное восстановление кремния 

из его хлорводородных соединений 
49 

Лабораторная работа 5. Определение эффективного 

коэффициента распределения примеси при зонной 
перекристаллизации 
58 

Лабораторная работа 6. Оптимизация параметров процесса 

очистки материала методом многопроходной зонной 
перекристаллизации 
78 

Лабораторная работа 7. Исследование процесса испарения 

веществ в вакууме 
88 

3 

ВВЕДЕНИЕ 

Практикум по курсу «Технология материалов электронной техники» предназначен для активного закрепления у студентов знаний по 
физико-химическим основам процессов получения материалов электронной техники. 

Студенты приобретают навыки работы на типовом (модельном) 
технологическом оборудовании, исследования параметрических зависимостей гетерогенных процессов и физико-химических свойств 
материалов, математического моделирования и оптимизации процессов, обработки экспериментальных данных с использованием ЭВМ. 

Нефронтапьный метод проведения работ потребовал уделить 
большое внимание изложению теоретических основ рассматриваемых вопросов. Тем не менее, теоретическое введение к каждой из 
работ содержит только информацию, необходимую для выполнения 
и защиты работы, и не претендует на всестороннее и глубокое освещение вопроса. В большинстве работ использована теория кинетики 
гетерогенных систем с учетом гидродинамики рабочей среды, особенностей протекания в условиях изучаемого процесса химических 
реакций, гетерогенных равновесий. Работы проводятся на модельном 
оборудовании, скомпонованном из типовых блоков-модулей, которые используются в современных промышленных установках на 
предприятиях цветной металлургии и электронной промышленности. 
При проведении работ используются физико-химические методы 
анализа состава веществ. 

Большой набор задач обеспечивает выполнение работ индивидуально или бригадой из двух человек. При математическом моделировании предусматривается индивидуальная работа за дисплеем с 
решением различных задач по указанию преподавателя. Для хорошо успевающих студентов создаются различные проблемные ситуации с поиском решения. Например, при выполнении лабораторной 
работы 7 студенту предлагается определить время экспозиции, при 
котором можно измерить давление насыщенного пара свинца с точностью до 10%. 

При выполнении экспериментальной части всех работ предусмотрена оценка погрешностей определяемых параметров. Необходимые 
данные для этого студент должен собрать самостоятельно, анализируя возможности измерительных приборов, инструментов и приспо
4 

соблений. При оценке погрешностей измерений необходимо пользоваться стандартными методами, усвоенными на лабораторных занятиях при изучении курсов «Основы классической физики» и «Электротехника». 

Некоторые работы проводятся в два этапа с получением экспериментальных или расчетных данных с последующим моделированием 
процесса на ПЭВМ. Работа на ПЭВМ осуществляется, как правило, в 
диалоговом режиме. При моделировании используются экспериментальные данные, полученные на первом этапе работы. Моделирование проводится для исследования процессов в широком интервале 
изменения их параметров. По результатам моделирования студент 
должен предложить оптимальные условия проведения процесса, 
обеспечивающие его заданные характеристики. При выполнении работы используются программы, в основу которых положено математическое описание, приведенное в теоретическом введении к каждой 
работе. 

5 

Лабораторная работа 1 

ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССА 
ИОННОГО ОБМЕНА 

Щ е л ь работы 

Изучение кинетики гетерогенного процесса ионного обмена, протекающего в динамических условиях, а также освоение методик выявления лимитирующей стадии процесса и определения рабочих характеристик попита, необходимых для решения задач, связанных с 
практической реализацией процесса в производственных условиях. 

2. Теоретическое введение 

Процесс ионного обмена применяется для глубокой очистки и 
анализа состава растворов различных веществ. В технологии полупроводниковых материалов и элементов микроэлектроники его широко применяют для получения деионизованной воды. 

2.1. Ионообменные 
процессы 

Ионообменные процессы основаны на способности некоторых 
твердых веществ, называемых ионитами, при контакте с растворами 
поглощать из них ионы знака, входящего в состав ионита. Ионный 
обмен имеет сходство с адсорбцией. Отличие состоит в том, что ионный обмен представляет собой стехиометрическое замещение: на каждый эквивалент поглощенных ионов ионит отдает в раствор эквивалент ионов того же знака. Под адсорбцией же понимают вообще способность поверхностей конденсированных фаз в той или иной степени 
поглощать из окружающей среды молекулы, атомы или ионы. 

Ионный обмен можно рассматривать как химическую реакцию. 
Причем, как и всякие химические реакции, ионообменные реакции 
обратимы, подчиняются закону действующих масс и закону химических эквивалентов. 

В качестве ионитов (ионообменников) обычно используют синтетические ионообменные смолы. Они имеют пространственную 
структуру в виде неравномерно связанных сеток, состоящих из углеводородных цепей, которые, сплетаясь, образуют плотный клубок. 
Плотность переплетения углеводородных цепей называют степенью 
сшивки. Пространственную сетку называют каркасом или матрицей 

6 

и обозначают буквой R. Сетки несут на себе прочно связанные с ними гомеополярными связями ионогенные группы - фиксированные 
ионы. Фиксированные ионы связаны менее прочными (хелатными) 
связями с противоионами, которые при контакте с раствором способны к обмену. 

Иониты иногда считают поливалентными, пространственно сшитыми макроионами. В целом структура зерна попита напоминает губку с 
неравномерно распределенными порами. Размер пор 0,001.. .0,01 мкм. 

По знаку заряда обменивающихся ионов (противоионов) различают катиониты и аниониты. Существуют также амфотерные иониты - амофлиты, способные одновременно осуществлять катионный и 
анионный обмен. 

При контакте раствора с ионитом в поры ионита проникают растворитель и растворенное вещество. В результате происходит набухание ионита, сопровождающееся ослаблением связей между фиксированным ионом и противоионом. В процессе ионного обмена, кроме 
обмениваемых противоионов, внутрь зерна поступает и некоторое 
количество ионов с зарядом того же знака, что и заряд каркаса. Эти 
заряды называют коионами. Присутствие коионов влияет на электростатику в зерне ионита. Тем самым они влияют и на характеристики 
процесса ионного обмена. 

Реакции ионного обмена можно представить уравнениями. 
Катионный обмен: 

К-80,Я + Ш'^К-30,Ш + Я\ 
(1.1) 

Анионный обмен: 

R - МПзОП + Cl-^R- 
NHsCl + ОП". 
(1.2) 

Эффективность процесса ионного обмена зависит от концентрации противоионов в растворе ионита, рП раствора, температуры. При 
увеличении рП раствора в нем возрастает количество гидроксильных 
ионов, способных связывать катионы. В результате эффективность 
катионного обмена будет возрастать, а анионного уменьшаться. Эффективность ионного обмена также возрастает, если поступающий из 
ионита в раствор противоион связывается в прочное малодиссоциирующее химическое соединение. Кроме того, эффективность ионообмена зависит от размеров пор внутри ионита, определяющих возможность проникновения в него противоионов и коионов, величин 
радиусов ионов, степени их гидратации, валентности обмениваемых 
ионов, степени сшивки углеводородных цепей в ионите. При малых 
концентрациях обмениваемых ионов в растворе полнота обмена ионов возрастает с увеличением их валентности. Если процесс прово
7 

дится в динамических условиях, т.е. при непрерывном пропускании 
раствора через ионит, находящийся в ионообменной колонне 
(рис. 1.1), полнота ионного обмена зависит также от скорости пропускания раствора. При движении раствора относительно ионита происходит удаление из реакционной зоны продуктов реакции ионного 
обмена. В результате имеет место сдвиг равновесия реакций (1.1) и 
(1.2) ионного обмена в сторону более полного их протекания. 

Рис. 1.1. Схема установки для исследования кинетики ионного обмена: 

1 - кран с расширителем; 2 - пробка; 3 - ионообменная колонна; 
4 - мерная колба; 5 - кондуктометрическая ячейка; 6 - электроды; 

7 - колба; 8 - фильтр; 9 - электронный потенциометр; 

А - распределение концентраций взаимообмениваемых ионов по 
высоте колонны; Б - принципиальная измерительная схема для 

определения концентрации ионов меди в растворе; I, II, III - зоны 

Таким образом, процесс ионного обмена, протекающего в динамических условиях, является более эффективным по сравнению с процессом, осуществляемым в статических условиях, когда постоянное 
количество раствора в течение определенного времени (до наступления равновесия) выдерживается в контакте с данной навеской ионита. 

Все перечисленные факторы, влияющие на эффективность процесса ионного обмена, определяют емкость ионитов, которой руководствуются при выборе ионита и условий проведения процесса. 

8 

2.2. Емкость ионита 

Емкость характеризуется количеством ионов, которое может поглотить единица массы или объема ионита в конкретных условиях 
проведения процесса. Наиболее часто ее выражают количеством 
миллиграмм-эквивалентов ионов, поглощенных одним граммом сухого ионита. Для характеристики ионитов используют понятия «полная обменная емкость» (ПОЕ), «равновесная статическая обменная 
емкость» (РСОЕ), «динамическая (рабочая) обменная емкость» 
(ДОЕ) и «полная динамическая обменная емкость» (ПДОЕ). 

ПОЕ характеризует максимальное количество ионов определенной валентности, которое может поглотить данный попит при условии замещения всех его противоионов. Ее величина определяется 
только количеством фиксированных ионов в структуре ионита. 

РСОЕ равна емкости ионита, находящегося в равновесии в статических условиях с раствором определенного состава и объема и при 
фиксированном значении рН. Величина ее определяется константой 
равновесия реакций (1.1) и (1.2). 

Величины ДОЕ и ПДОЕ используют для характеристики ионитов, 
работающих в ионообменных колоннах. Эти характеристики определяют по выходным кривым процесса ионного обмена, представленным на рис. 1.2. 

Рис. 1.2. Выходная кривая ионного обмена: 
т - масса сухого ионита в колонне 

По оси абсцисс отложен объем пропущенного через колонну раствора с исходной концентрацией обмениваемых ионов (нормальнос
9 

тью) с» при его расходе Q. Кривая АДГ показывает концентрацию 
обмениваемых ионов в растворе, выходящем из колонны, в зависимости от объема пропущенного раствора V=Qt, где t - время от начала процесса. Участок АД выходной кривой показывает, какой объем раствора можно пропустить при данном расходе через колонну 
при условии полного поглощения первоначально содержащихся в 
нем обмениваемых ионов. Таким образом, площадь АБВД характеризует количество ионов, полностью поглощенных попитом в динамических условиях. При дальнейшем пропускании раствора через 
колонну уже не все ионы будут поглощаться ионитом, часть их будет 
обнаруживаться в выходящем растворе. В этом случае говорят: «наступает проскок». Емкость попита до проскока, таким образом, характеризует способность попита полностью задерживать обмениваемые ионы и поэтому называется рабочей или динамической обменной емкостью (ДОЕ). 

Точка Г выходной кривой показывает объем прошедшего раствора (при данном его расходе), когда концентрация ионов в растворе, 
выходящем из колонны, (О становится равной исходной концентрации (С»), т.е. соответствует окончанию периода поглощения ионов 
из раствора. При этом реализуется полная динамическая обменная 
емкость ионита (ПДОЕ). Таким образом, с помощью выходной кривой величина ДОЕ определяется по площади АБВД, а величина 
ПДОЕ - по площади АБГД. Соотношение ДОЕ и ПДОЕ определяется видом исходной кривой и зависит от кинетики процесса. 

2.3. Кинетика процесса ионного обмена 

2.3.1. Стадии процесса ионного обмена 

Процесс ионного обмена, как и всякий гетерогенный процесс, является многостадийным. Можно выделить пять отдельных стадий: 

1) массоперенос вытесняющего противоиона из раствора к поверхности зерна ионита; 

2) диффузию вытесняющего противоиона внутри зерна ионита к 
месту, занимаемому функциональной группой в каркасе ионита; 

3) химическую реакцию двойного обмена ионов; 
4) диффузию вытесненного противоиона внутри зерна ионита от 
места обмена к поверхности; 

5) массоперенос вытесненного противоиона от поверхности зерна 
в раствор. 

10