Технология материалов и изделий электронной техники

№1506 

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СГАЛ И И СПЛАВОВ 
(1 ЕХНОЛОГИЧЕСКИИ УНИВЕРСИТЕТ) 

Кафедра физики металлов 

Розин КМ. 

Одобрено Методическим 
советом институт 

Технология материалов и изделий 
электронной техники 

Лабораторный практикум 

для студентов специализации 
"Техническая физика" 
(направление 553100) 

Москва 1999 

В лабораторном практикуме изложены примениiелыю к 
учебной программе курса "Технолошя ма!ериалов и изделий электронной техники" (для специализации 553100 'Техническая физика") 
важнейшие методы выращивания монокристаллов из раствора (методы охлаждения маточно! о раствора, изотермическо! о испарения растворителя, разнообразные методы подпитки маточного раствора в 
процессе роста монокржмалла), некоторые специальные технологические операции (очистка Mai очною расiвора, подготовка и эксплуатация техноло! ической аппаратуры, контроль [ехнологических параметров и качества кристаллов) Рассмотрены вопросы выбора методов выращивания, механизмы формирования ростовых дефектов, 
проблемы повышения однородности выращивания монокристаллических материалов и др Даны общие указания по выполнению pa6oi и 
рекомендации по 1ехнике безопасное ж при их проведении По каждой работе приведен развернутый перечень кошрольных вопросов 
для закрепления полученных знаний. 

© Московский 
юсударс! венный 
институт 
стали 
и 
сплавов 
(МИСиС), 1999. 

Розии К М 

СОДЕРЖИМ Е 

Введение.. 
4 

Лабораторная работа 1 Очистка маточного раствора 

для выращивания монокристаллов 
9 

Лабораторная работа 2. Подготовка аппаратуры для выращивания 

монокристаллов из раствора 
17 

Лабораторная работа 3. Определение температуры насыщения 

маточного раствора 
24 

Лабораторная работа 4. Определение константы динамического 

межфазною распределения компонентов 
30 

Лабораторная работа 5. Измерение скорости кристаллизации 

воднорастворимых кристаллов 
36 

Лабораторная работа б Выращивание монокристаллов из 

раствора методом испарения растворителя...42 
Лабораторная работа 7. Выращивание монокристаллов методом 

охлаждения маточного раствора 
51 

Лабораторная работа 8. Выращивание монокристаллов методом 

испарения с твердой подпиткой 
57 

Лабораторная работа 9. Выращивание монокристаллов из 

раствора с жидкой подпиткой 
65 

Лабораторная работа 10 Контроль качества воднорас1воримых 

кристаллов и изучение их морфологии 
72 

Лабораторный практикум 

ВВЕДЕНИЕ 

Настоящий лабораторный практикум содержит работы по 
важнейшим методам выращивания воднорастворимых монокристаллов и позволяет ознакомиться с соответствующим шповым технологическим оборудованием. 

При подготовке к работе и ее выполнения студен 1Ы приобретаю! основные необходимые представления и навыки проведения 
технологических операций по выращиванию монокристаллов и анализу различных ростовых механизмов, по контролю качества монокристаллических ма1ериалов 

В целях развития углубленного понимания разнообразных явлений, сопровождающих процессы формирования монокристаллов, в 
большинстве описаний лабораторных работ (в теоретическом разделе) приводится специальный аналитический аппарат, позволяющий 
разобраться в важнейших деталях изучаемых техноло1ических процессов 

Следует подчеркнуть, что структура лабораторных работ, составляющих иасюящий Практикум, в значительной степени позволяет воспроизвести содержание и форму реальных 1ехнологических 
процессов, поскольку для выполнения большинства этих работ используется подлинное современное технологическое и контрольное 
оборудование. 

В целях активизации познавательной и творческой деятельности студен юн каждая лабораторная работа сопровождается достаточным количесгвом контрольных вопросов Кроме юю студентам 
предлагается подготовив собственные предложения по повышению 
качества выращиваемых кристаллов и совершенствованию технолоi ическо1 о оборудования и методов контроля. 

Однако при выполнении лабораторных работ необходимо 
учитывать , что несмотря на бесспорные преимущества оснащения 
настоящею лабораторного практикума подлинным современным 
технологическим оборудованием, работа студентов на реальных ростовых установках неизбежно требует неукоснжельного соблюдения 
всех правил техники безопасности. 

4 

Розин К М 

В ростовой лаборатории студент пользуется большим числом 
химических реактивов (кислоты, щелочи, соли и др.), MHOI ие из которых при несоблюдении обязательных требований техники безопасности могут оказать вредные воздействия на организм: химические 
ожоги различной степени, отравления и другие несчастные случаи. 
Кроме того при выполнении лабораторных работ студент соприкасается с работающими технологическими установками, горячими маточными растворами, действующими электродвигателями, открытыми движущимися деталями аппаратуры и другими опасными и вредными факторами. Поэтому до начала работы каждый студент обязан 
подробно ознакомиться как с приводимыми ниже общими правилами, 
так и со специальными инструкциями по технике безопасности и документально подтвердить факт ознакомления собственноручной подписью на специальном регистрационном листе. 

Общие правила техники безопасности 

1. Запрещается находиться в лаборатории в верхней одежде, 
класть на лабораторные столы свои сумки и другие вещи. 

2 Студент, работающий в ростовой лаборатории, должен отчетливо представлять себе отдельные источники потенциальных 
опасностей при работе на установках промышленного типа (химические, термические, электрические, механические, пожароопасные), но 
и их возможные сочетания, представляющие особую опасность. 

3. В лаборатории строго запрещается: - ишь воду и другие 
жидкости, - приносить с собой пищевые продукты, - испытывать реактивы на вкус и запах, - включать или выключать без разрешения 
электроприборы. - трогать подвижные детали кристаллизатора прикасаться к деталям электропроводки 

4. При работе с маточными растворами и реактивами во избежание химических ожогов следует остерегаться попадания этих веществ на кожу лица, руки и одежду. При случайном попадании эти 
вещества необходимо немедленно нешрализовать карбонатом или 
i идро-карбонатом натрия (пищевой содой) или их раствором, или же 
разбавленным водным раствором аммиака, а затем смыть водой. 

5 

Лабораторный практикум 

5 При нахождении вблизи работающих кристаллизаторов 
студент не должен касаться электродвигателей, электрических контактов, погружных нагревателей, любых проводов и др. 

Помимо приведенных выше Общих правил техники безопасности студент обязан детально ознакомиться со специальными кафедральными Инструкциями по правилам безопасной работы в лаборатории* 

- Инструкция № 10 по технике безопасности при работе на 
электроустановках; 

- Инструкция № 12 по работе с химреактивами; 
- Инструкция № 15 по противопожарной безопасности; 
- Инструкция № 20 по технике безопасности при работе на 
установках для выращивания кристаллов из растворов. 

Все эти указания необходимо усвоить не только с формальных позиций - как элементы обязательного инструктажа, но и с позиции самой сущности анализа потенциальных опасностей и вредностей, которые непрерывно окружают не только работающих сегодня 
студентов, но и их завтрашних подопечных: рабочих, аппаратчиков, 
техников, мастеров Все указанные опасности хотя и являются потенциальными, но становятся реальными и весьма серьезными при скоплении многих людей па узком пространстве росювой лаборатории, 
где расположено множество работающих установок, каждая из которых является самостоятельным источником опасностей и вредностей
- опасности поражения электрическим током, 
- опасности механических травм, 
- опасности поражения химреактивами и рабочими расiворами, 

- опасности внезапного возникновения пожара, 
- опасности одновременного воздействия нескольких факторов, 

-опасности неосторожного поведения друтих студентов и др. 
Вероятность воздействия каждой их отдельно взятых потенциальных опасностей и вредностей, а также их совместного воздействия существенно возрастает благодаря весьма большой продолжительности производственною цикла выращивания монокристаллов из 
раствора, который составляет от шести до двенадцати (1) месяцев В 
заключение отметим, чю хотя причины появления той или иной 

6 

I'OJUII К М 

опасности порою кажутся нам несущественными, не заслуживающими внимания, но ее серьезные последепшя, к сожалению, оказываются неотвратимыми 

Требования к отчету 

Отчет оформляется по ГОСТ 7 32-81. 
Чертежи и схемы выполняются в соответствии с требованиями ВСКД и ГОС12 319-81 

Статисшческая обработка экспериментальных данных - по 
ГОСТ 8 207-76 

Отчет должен содержать: 
- название, 
- цель работы, 
- краткое теоретическое введение, включая конкретные выкладки и расчеты, если таковые предполагаются в работе, 

- описание технологической и контрольной аппаратуры, 
- описание объектов исследования, 
- методику проведения работы и ее резульгаш, 
- технологическую схему изучаемо! о процесса с характеристикой сдельных операций, 

- выводы по работе, 
- замечания по отдельным фра1 ментам работы, а также обоснованные рекомендации по совершенствованию технологии и технологического оборудования. 

Рекомендуемая литература 

1. Петров Т Г , 1рейвус Е В, Лунин Ю.О. и др. Выращивание криС1аллов из растворов Л.:Недра, 1983. 

2. Козлова О Г Рост и морфология кристаллов. М: МГУ, 1980. 
3 Леммлеин Г Г. Морфоло1Ия и генезис кристаллов М.: Наука, 1973. 
4. Мокиевский В А Морфоло1 ия кристаллов Л.: Недра, 1983. 
5 Современная кристалле! рафия (т.Ш). М . Наука, 1980. 
6 Данилевич Ф М , Никитин В А. Катетометры М.: Машиностроение, 1970 

7 

Jlifiopniopm.'ti пракчикум 
7 АвдиенкоКИ идр Иодатлишя Новосибирск, Наука, 1980 
8 Розин КМ Физико-химические основы получения ошических и 
акуаических монокристаллов Раздел* Характеристика шповых 
техноло1 ических процессов Курс лекций М • МИСиС, 1977 

9. Конспект курса лекций 
10 Инструкции по технике безопасности № 10, 12, 15,20 

8 

I'OJHH К М 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 

Очистка маточного раствора $до 
выращивания моиосфистгаяшв 

f2 часа) 

1. Цель работы 

Ознакомление с методами предварительной очистки маточноi о раствора, с методами его глубокой кристаллизационной очистки or 
катионных микронримесей, с методами расчета этих процессов. 

2. Теоретическое введение 

Высокое содержание катионных примесей (например, примеси железа в промышленном сырье для выращивания монокристаллов 
иодата лития: 1лЮз и НЮ3 - до 10 2.. 10 %%) привело к необходимости дополнительной очистки сырья. 

Эксперименты по кристаллизации Lil03 при различных значениях кислотности раствора показали, что ионы железа оказываются 
неустойчивыми при рН = 8 ..12 (водородный показатель рН определяю i как логарифм концентрации водородных ионов в растворе, взятый с обратным знаком) и выделяются из раствора в виде мутных 
хлопьев желтовато1 о оттенка. 

Для очистки сырья 2,5 кг ЫЮз растворяют в 3,75 л трижды 
дистиллированной воды, ставят на перемешивание до полного растворения соли. Затем добавляют к раствору небольшими порциями 
LiOH марки ОСЧ до достижения рН = 8 ..9, нагревают расгвор до 
60 °С и выдерживают в течение суток После эюго раствор фильтруют с помощью филы ров Шотта № 3 или № 4 2-3 раза - до получения 
прозрачного чисюго раствора. 

Полученный чистый раствор иодата лития подвергают перекристаллизации при 60 °С, причем первую порцию кристаллического 

9 

JI аборатирш 1и up IITI и кум 
осадка L1IO3 удаляюi , чем доажлют первичной очистки раствора oi 
кагионныч микропримесей. Остальное количес1во осадка после дскашации высушивают и сохраняют для приготовления маючного 
раствора Однако ино1да эту перекристаллизацию не доводят до конца с целью удаления различных примесей с коэффициентами сокристаллизации менее единицы, которые собираются в последней порции раствора. Очищенная указанным способом umxia - белого цвета 

Описанной очистке рекомендуется подвергать иодат лишя, 
выпускаемой Новосибирским заводом редких металлов (марка ХЧ, 
рН = 6). В огличие oi эгого шихта, выпускаемая заводом "Красный 
химик" (Санкт-Петербург), не требует очистки от железа, зато зачастую содержи! значительное количество элементарного иода (повидимому- продукта восс!ановления пятивалентного иода исходного 
иода!а лития) Для удаления элементарного иода, придающего ших!е 
темноватый оггенок, целесообразно проводить обрабошу раствора 
иода га лития перекисью водорода Н2О2, причем процесс проводя! 
под тягой и при непрерывном перемешивании, добавляя перекись 
водорода малыми порциями до полною обесцвечивания раствора 
Затем производя! перекристаллизацию раствора иодата лития. Очищенный и перекристаллизованный вышеуказанными методами белый 
кристаллический порошок в количестве 4 кг помещают в чистый 
стеклянный цилиндр (СЦ-5), добавляя необходимое количество трижды дистиллированной воды Затем с помощью добавок перекристаллизованной йодноватой кислоты IIIOj доводя! водородный показатель раствора рН до величины 2,0 и ставят раствор на перемешивание на двухнедельный срок при температуре 40 °С 

По окончании указанного срока контролируют величины рН 
(с помощью рН-метра "рН-340" или иоиомера) и плотности (с помощью денсиметра) маточного раствора Раствор готов к использованию, если значение рН находится в пределах от 1,65 до 2,10, а плотность - oi 1,75 до 1,58 (г/м3), раствор остается лишь пропустить через 
фильтры Шотта № 3 или № 4 

Если же хотя бы один из контрольных параметров не укладывается в указанные пределы, необходимо провести его корректировку. 

Корректировка плотности ма!очною раствора осуществляется 
с помощью небольших добавок к раствору либо трижды дистиллиро
10 

Розин К М 

панной поды (если нлопюсть - выше нормы), либо - очищенного перекриааллизованною йодам лития 

Для корректировки водородного показателя рН к раствору 
добавляют соответсшенно либо йодноватую кислоту НЮз, либо гидроокись лития LiOII Допустим, что вместо реального значения 
рН 2,20 мы намерены нолучшь раствор с водородным показателем 
2,00 Значению рН = 2,20 соответствуе'1 концентрация водородных 
ионов в растворе [НЧ = 10"220 = 0,0063 г-ионов/лигр. Следовательно, в 
расчете на 1л раствора для достижения концентрации [Н+] = 10 "20° = 
= 0,01 г-ионов/лигр нужно увеличить содержание ионов водорода на 
величину 0,0037 г-ионов. 

Если 1 г-моль НЮз, растворенный в 1 л раствора, дает 
1 • Р г-ионов водорода (Р - константа диссоциации НЮ3), то для введения в раствор указанного дополнительного количества ионов нужно добавить 0,0037 • Р молей НЮз на каждый литр раствора или 
175,909 • 0,0037 : Р г НЮ3. Если р = 0,2, то добавка НЮ3 на литр рас1вора сое 1авит 3,24 i 

Однако описанные методы очистки маточно! о раствора далеко не всегда могут обеспечить достижение необходимой степени чистоты маточного раствора. С этой задачей могут успешно справиться 
особые кристаллизационные методы очистки Их содержание сводится к часшчной кристаллизации маточного раствора на специальных 
затравках, в результате чего из раствора удаляется заданное количество микрокомпонента. Затем эти специальные затравки вместе с наросшими на них кристаллическими слоями удаляются из раствора, и 
начинается основной процесс выращивания монокристалла (на новых 
затравках) Можно отметить некоторое сходство описываемою кристаллизационного метода глубокой очистки маточного раствора с 
вышеописанным методом перекристаллизации, когда удалялась первая порция крис1аллического осадка Существенное различие между 
ними заключается в том, что метод игубокой очистки обеспечивает 
достижение любой заданной степени чистоты маточного расiвора, 
тогда как в предыдущем методе степень очистки вообще не определялась 

Определим степень очистки маточного раствора как отношение исходной концентрации микрокомпонента в растворе (Сог*) к его 
конечной концешрации в растворе после очистки (С2/К)" 

11