Технология получения монокристаллического слитка InP n-типа

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 06 Января 2014 в 21:06, курсовая работа

Краткое описание

В данной работе произведён обзор научно-технической литературы по выращиванию фосфида индия. В работе выполнены инженерно-технологические расчеты материального баланса установки получения монокристалла InP.
Разработана технологическая схема выращивания фосфида индия n – типа, содержащего Тe в качестве легирующей примеси.
Также в разделе инженерных решений осуществляется обоснование выбора метода выращивания.

Содержание

Реферат 4
Введение 5
1 Литературный обзор 6
1.1 Структура фосфида индия 6
1.2 Физико-химические и электрические свойства 7
1.3 Методы получения поликристаллического фосфида индия 9
1.3.1 Метод горизонтальной направленной кристаллизации (ГНК). 9
1.3.2 Метод горизонтальной зонной плавки (ГЗП) 11
1.3.3 Метод кристаллизации расплава нестехиометрического состава в градиенте температуры 12
1.3.4 Синтез фосфида индия в квазигерметичных реакторах 13
1.3.5 Совмещенный процесс 14
1.4 Выращивание монокристаллов фосфида индия 15
1.4.1 Получение высокочистых нелегированных монокристаллов фосфида индия 20
1.4.2 Производство легированных монокристаллов фосфида индия 21
1.4.3 Получение мало- и бездислокационных монокристаллов фосфида индия 22
2 Инженерные решения 25
3 Технологический раздел 28
3.1 Описание технологической схемы получения монокристалла InP 28
3.2 Расчет материального баланса установки получения монокристалла n-InP 30
3.2.1 Расчёт времени цикла выращивания монокристалла InP 30
3.2.2 Расчёт единичной загрузки 33
3.2.3 Подбор тигля 37
3.2.4 Расчёт массы флюса B2O3. 38
3.2.5 Расчёт материального баланса процесса кристаллизации по основным компонентам. 38
3.2.6 Расчет распределения примеси по длине слитка и выхода годного продукта. 41
3.2.7 Расчет скорости производства и коэффициента загрузки оборудования 43
3.2.8 Расчет основных исходных компонентов на заданную программу выпуска 44
4 Охрана труда и окружающей среды 47
4.2 Защита от вредных (ядовитых) веществ 48
4.3 Защита от электрического тока 50
4.4 Правила безопасной работы с газами 50
Заключение 52
Список используемых источников 53

Вложенные файлы: 1 файл

kursach_PP.docx

— 371.27 Кб (Скачать файл)

 

 

   3.2.1  Расчёт времени цикла выращивания монокристалла InP

 

Время цикла  выращивания монокристаллического слитка из жидкой фазы складывается из следующих составляющих:

 

                   τц= τз + τот + τн + τоп + τш + τкр + τц + τко + τох + τв, (3.1)                                        

 τз – время, необходимое для загрузки оборудования; τз =20 мин;

τот – время, необходимое для откачки установки выращивания монокристалла и создания рабочей атмосферы; τот= 90 мин;

τн – время, необходимое для нагревания и расплавления исходной загрузки

Таблица 3.1

Режим нагрева загрузки

Этап

Диапазон температур, °C

Скорость нагрева, град/мин

Время на нагрев, ч

1

20-200

10

0,5

2

200-400

6

1

3

400-600

4

1,3

4

600-800

2

1,67

5

800-1000

1

2,5

6

1000

0

1

7

1000-1100

0,5

1

8

1100-1070

0,5

0,33

Итого:

τнагр=9,63ч


 

 τоп – время, необходимое для оплавления затравки и затравливания кристалла; τоп =30 мин;

τш – время, затрачиваемое на выращивание шейки (линейная скорость выращивания шейки в 2-5 раз превышает скорость роста кристалла номинального диаметра)

Скорость роста кристалла номинального диаметра: vн.д.=0,2 мм/мин

         vш= 4 vц=4∙0,2=0,8 мм/мин

                      τш= hш/vш =25/0,8=31,25 мин

  τкр – время, затрачиваемое на выращивание конуса разращивания (скорость разращивания уменьшается от скорости вытягивания шейки до скорости роста номинального кристалла)

τкр= hкр/vкр = 2,97/((0,8+0,2)/2) = 5,94 мин;

τц – время, затрачиваемое на выращивание цилиндрической части кристалла номинального диаметра

τц= hн.д./vн.д. = 180/0.2 = 900 мин;

τко – время, затрачиваемое на выращивание конуса отрыва (средняя скорость имеет промежуточное значение между скоростью вытягивания шейки и средней скоростью разращивания)

τко= hко/vко

vко= (vш + vкр)/2 = (0,8 + 0,5)/2 = 0,65 мм/мин

τко= 2,89/0,65 = 4,45 мин;

τох – время, необхадимое для охлаждения кристалла и расплава

 

 

 

 

 

 

Таблица 3.2

Режим охлаждения загрузки

Этап

Диапазон температур, °C

Скорость охлаждения, град/мин

Время на охлаждение, ч

1

1070-1000

0,5

5

2

1000-800

1

8,3

3

800-600

1,5

5

4

600-400

2

4,167

5

400-200

2,5

3,33

6

200-20

3

2,56

Итого:

 

τох=1700 мин =23,35 ч


τв – время, затрачиваемое на выгрузку продукта

τв =20 мин

 

Таблица 3.3

Этапы цикла выращивания монокристаллического слитка

Операции цикла выращивания

Продолжительность, ч

% от τц

1

Загрузка оборудования

0,33

0,59

2

Откачка и заполнение рабочим газом  установки

1,5

2,69

3

Нагревание и расплавление исходной массы

9,33

16,75

4

Оплавление

0,5

0,89

5

Выращивание шейки

0,52

0,93

6

Выращивание конуса разращивания

0,099

0,177

7

Выращивание кристалла номинального диаметра

15

26,78

8

Выращивание конуса отрыва

0,074

0,132

9

Охлаждение

28,3

50,8

10

Выгрузка

0,33

0,59

Итого:

τц= 56


 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

3.2.2 Расчёт единичной загрузки

Расчет массы були

Размеры затравки (куб со стороной а=5-20 мм): a=20 мм

 

Рисунок 3.1 Изменение температуры кристализационной  системы в ходе выращивания монокристалла

 

3.2.2 Расчёт единичной загрузки

Объём затравки:

                                           Vзатр.=a3                                       (3.2)                                           

Vзатр.= (20·10-3)3 = 8∙10-6 м3 = 8 см3

Масса затравки:

                                        mзатр.= Vзатр·ρкр                                           (3.3)

mзатр= 8·4,78 = 38.24г

Размеры шейки: dш= 15 мм, hш= 25 мм.

Объём и масса шейки:

mш= Vш·ρкр

mш= 4.42·4,78 =21,128 г

Объём и масса конуса разращивания:

                        , (3.4)

где h1 – высота конуса разращивания

                              , (3.5)

где α – угол разращивания, α= 55°

mк.р.= Vк.р.·ρкр

mк.р= 91,12·4,78 = 435,558 г

Объём кристалла номинального диаметра:

                                         (3.6)

Масса кристалла номинального диаметра:

mн.д.= Vн.д.·ρкр

mн.д= 1413·4,78 =6754,14 г

          Объём  и масса конуса отрыва:

 (3.7)

где h2 – высота конуса отрыва

 

                                     (3.8)    

Примем β= 60°

mк.о.= Vк.о.·ρкр

mк.о=75,53·4,78 = 361,033 г

Масса були:

                        mбули= mш + mк.р. + mн.д. + mк.о. (3.9)

mбули= 21,128+435,558+6754,14+361,033 = 7571,859 г

Таблица 3.4

Состав и параметры були

Часть монокристалла

Длина, см

Масса, г

%-ое содержание

Затравка

2

38.24

-

Шейка

2,5

21,128

0,28

Конус разращивания

2,97

435,558

5,75

Кристалл номинального диаметра

18

6754,14

89,2

Конус отрыва

2,89

361,033

4,77

Итого

28,36

7571,859

100


 

1. Расчёт  массы загрузки:

                                 mз=k·mбули, (3.10)

где k – коэффициент избытка, k = 1.4 ( КTe=0.4)

mз = 1.4∙7571,859=10600,603 г

2. Расчёт  массы лигатуры

                n1 = 5∙1015 см-3.

Требуется получить монокристалл InP с концентрацией n2:

                                    n2=1/(ρ·μ·e) (3.11)

n2 = 1/(0,02·1,6·10-19·3700) = 8,45·1016 см-3

Cm = n2 - n1

Cm = 8,45·1016 -5∙1015 = 7,95·1016 см-3

Концентрация  примеси в расплаве:

                                        Cж=Cт/K, (3.12)

где K – эффективный коэффициент распределения примеси, KTe = 0.4

Cж = 7,95·1016/0,4 =1,99·1017 см-3

Объём расплава равен:

                                                                                                   (3.13)

 
         

Количество  атомов примеси в расплаве:

                             NTe = nрасп.·Vрасп    (3.14)

NTe = 1,99·1017·2058,37 = 4,096·1020 шт.

Масса вводимого  Te равна:

                             MTe=(NTe·MTe)/NA, (3.15)

где MTe – молярная масса Te, MTe = 127.6 г/моль; NA – число Авогадро, NA = 6,02·1023 ат/моль.

MTe = (4,0961020·127.6)/ 6,02·1023 =0.0868 г

Берём лигатуру InP с ω=0,005% Te. Масса лигатуры равна:

                               (3.16)

Масса загрузки с учётом лигатуры равна:

mз с лиг. = mз + mлиг

mз с лиг = 10600,603+1735,913=12336,516 г

Пересчёт концентрации примеси  с учётом массы InP в лигатуре.

NTe = n*расп.·Vрасп => n*расп = NTe/ Vрасп

n*расп = 4,096·1020/2395.44 = 1,71·1017 см-3

3.2.3 Подбор тигля

 

dт=2∙dкр=2∙10=20см

Объём расплава равен:

Объём тигля  на 20% превышает объём расплава:

Vт = 1,2·Vрасп.

Vт = 1,2∙2469.1 = 2874,528 см3

Объём тигля :

Отношение диаметра тигля к высоте тигля  должно лежать в интервале 0,75-1,25

К = dт/hт = 20/36,62 = 0,546, т.к. в предел не входит, то следует увеличить диаметр тигля dт=30.

К = dт/hт=30/36,62=0,819

Выбираем  тигель сдиаметром 30 см и длиной 36,62 см

 

 

  3.2.4 Расчёт массы флюса B2O3

 

Объём флюса равен:

                            , (3.18)

где dт – диаметр тигля, dт = 30 см; d – диаметр кристалла d=10см ; hфл – высота флюса, hфл =15мм

 

Масса флюса равна:

mфл.= Vфл·ρфл

mфл = 942∙1,8 = 1695,6г

3.2.5 Расчёт материального баланса процесса кристаллизации по основным компонентам.

Расчет прихода:

Приход  поликристаллического InP в систему равен mз = 10925,93 г. Зная молярную массу InP, которая равна 145.79 г/моль, а также молярные массы индия M(In)=114.8г/моль и фосфора M(P)=30,974 г/моль, можно рассчитать массы простых веществ In и P через пропорцию следующим образом:

 

                      10600,603 г [m(InP)] — 145.79 г/моль [M(InP)]

х [m(In)] — 114.8 г/моль [M(In)]

m(In) = 8347,275 г

 

m(P) = m(InP) – m(In) = 10600,603 – 8347,275 = 2253,328 г

 

Приход лигатуры в систему равен  массе лигатуры mInPTe = 1789,9 г. Масса вводимого Te, которая равна mTe = 0.0895 г.

 

Масса InP в лигатуре:

 

m InP = mInPTe – mTe = 1735,913 – 0.0868 = 1735,8262 г

 

1735,8262 г [m InP] — 145.79 г/моль [M(InP)]

х [m In] — 114.8 г/моль [M(In)]

m In = 1366,849 г

 

m P = m InP – m P = 1735,8262 –1366,849 =368,978 г

 

Расчёт расхода:

Концентрация примеси в остатке  составляет:

                         Сж = Сж0(1-g)k-1

где g – доля закристаллизовавшегося расплава, g = mкр/mз с лиг. = 7571,859/12336,516 = 0.614

Сж = 1,71·1017(1-0.614)0.4-1 = 3,03·1017 см-3

Масса остатка равна:

mост = mрасп – mбули = 12336,516-7571,859= 4764,657 г

4764,657 г [mост..] — 145.79 г/моль [M(InP)]

х [mIn] — 114.8 г/моль [M(In)]

mIn = 3751,85 г

mP = mост. – mIn = 4764,657 – 3751,85= 1012,8 г

Объём остатка:

               

Информация о работе Технология получения монокристаллического слитка InP n-типа