[указывается ведомственная принадлежность организации]
[указывается название организации]
Утверждаю: _______________/__________________/ «____»__________20___ г. |
[указывается должность, инициалы, |
ПРОГРАММа МЕЖДИСЦИПЛИНАРНОГО КУРСА
«Оборудование для роста кристаллов методом Чохральского»
2012 г.
Программа предназначена для разработчиков технологии выращивания бездислокационных кристаллов германия из расплава для использования в оптоэлектронных приложениях
Организация-разработчик: ФГБО УВПО «Тверской государственный университет»
Разработчики:
, к. ф.-м. н., доцент кафедры прикладной физики ТвГУ
Правообладатель программы:
Тверской государственный университет, 170100,
Тверской государственный университет ©
СОДЕРЖАНИЕ
1. Паспорт программы междисциплинарного курса | 4 |
2. Структура и содержание междисциплинарного курса | 6 |
3 Условия реализации программы дисциплины курса | 9 |
4. Контроль и оценка результатов междисциплинарного курса | 10 |
Приложение 1. Образцы оценочных средств | 11 |
Приложение 2. Учебно-методические материалы для обучающихся | 13 |
Приложение 3. Методические материалы для преподавателя | 14 |
1. паспорт программы МЕЖДИСЦИПЛИНАРНОГО КУРСА
«ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РОСТА КРИСТАЛЛОВ МЕТОДОМ ЧОХРАЛЬСКОГО»
1.1. Область применения программы
Программа междисциплинарного курса является частью образовательной программы дополнительного профессионального образования «ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РОСТА КРИСТАЛЛОВ».
1.2. Цели и задачи междисциплинарного курса – требования к результатам освоения курса:
В результате освоения междисциплинарного курса обучающийся должен иметь практический опыт:
- производить подготовку оборудования для получения монокристаллов;
- владеть практическими навыками текущего обслуживания технологического оборудования: теплового узла и систем ростовой установки;
- производить настройку систем и узлов для ведения технологических процессов с заданными параметрами.
В результате освоения междисциплинарного курса обучающийся должен уметь:
- проводить пуско-наладочное работы на технологических печах, предназначенных для выращивания монокристаллов методом Чохральского;
- готовить технологическое оборудование к процессам выращивания монокристаллов;
- готовить ростовую оснастку для выращивания монокристаллов;
- определять неисправности систем установок и находить способы их устранения.
В результате освоения междисциплинарного курса обучающийся должен знать:
- физическую сущность способа Чохральского, условия теплового баланса, классы веществ, выращиваемых способом Чохральского;
- конструкции тепловых узлов в различных модификациях способа Чохральского;
- установки для выращивания монокристаллов;
- методы оптимизации тепловых полей;
- типы тиглей;
- методы нагрева и регулирования температуры;
- методы контроля диаметра монокристаллов: весовой контроль, оптическая пирометрия; визуализация.
Результаты междисциплинарного курса являются ресурсом для формирования следующих профессиональных компетенций:
- Готовность использовать технологическое оборудование для выращивания кристаллов германия из расплава методом Чохральского.
- Способность проводить пуско-наладочные работы и эксплуатировать промышленные установки – печи Чохральского.
- Способностью владеть основными законами и явлениями физики для конструирования теплового узла ростовой установки.
- Способность анализировать и применять наиболее эффективные конструкции теплового узла ростовой установки.
1.3. Количество часов на освоение междисциплинарного курса:
максимальной учебной нагрузки обучающегося - 36 часов, в том числе:
обязательной аудиторной учебной нагрузки обучающегося 18 часов.
2. СТРУКТУРА И ПРИМЕРНОЕ СОДЕРЖАНИЕ МЕЖДИСЦИПЛИНАРНОГО КУРСА
2.1. Объем междисциплинарного курса и виды учебной работы
Вид учебной работы | Количество |
Максимальная учебная нагрузка (всего) | 36 |
Обязательная аудиторная учебная нагрузка (всего) | 18 |
в том числе: | |
лабораторные занятия | 8 |
практические занятия | |
Итоговая аттестация в форме зачета в виде тестовых заданий |
2.2. Примерный тематический план и содержание междисциплинарного курса
Наименование разделов и тем | Содержание учебного материала, лабораторные, практические и контрольные работы обучающихся | Количество часов |
Тема 1 Выращивание кристаллов из расплава | Содержание учебного материала | |
1. | Метод Чохральского | 1 |
2. | Распределение температуры при выращивании кристаллов из расплава. Тепловой баланс | 1 |
3. | Основные стадии технологического процесса выращивания монокристалла | 1 |
Лабораторные работы | ||
1. | Выращивание монокристаллов методом Чохральского | 4 |
Самостоятельная работа при изучении темы | ||
1 | Классы веществ, выращиваемых способом Чохральского | 2 |
Тема 2 Установки для выращивания монокристаллов | Содержание учебного материала | |
1. | Конструкции тепловых узлов | 1 |
2. | Источники нагрева | 1 |
3. | Тигли | 0,5 |
Самостоятельная работа при изучении темы | ||
1. | Методы оптимизации тепловых полей | 1 |
2. | Основные характеристики ростового оборудования используемого на производстве | 2 |
Тема 3. Системы управления и автоматизации | Содержание учебного материала | |
1. | Контроль температурно-временных режимов кристаллизации | 0,5 |
2. | Методы контроля диаметра монокристаллов | 1 |
Лабораторные работы | ||
1. | Градуировка термопары | 2 |
Самостоятельная работа при изучении темы | ||
1. | Основные функции и классификация систем управления электроприводами | 1 |
Тема 4. Вакуумное оборудование ростовых установок | Содержание учебного материала | |
1. | Вакуумные измерения | 0,5 |
2. | Вакуумные герметичные соединения | 0,5 |
3. | Вакуумные насосы | 1 |
4. | Эксплуатация и обслуживание ростового оборудования | 1 |
Лабораторные работы | ||
1 | Ознакомление с вакуумной системой ростовых установок и приемами работ | 2 |
Самостоятельная работа при изучении темы | ||
1. | Разъемные и неразъемные соединения, вентили, клапаны, вспомогательное оборудование. | 2 |
2. | Конструкционные материалы в вакуумной технике. | 2 |
Всего: | 28 |
3. условия реализации программы МЕЖДИСЦИПЛИНАРНОГО КУРСА
3.1. Требования к материально-техническому обеспечению
Реализация программы междисциплинарного курса не предполагает наличия специализированного учебного кабинета при условии соответствия учебных кабинетов санитарным нормам, а его оборудования – изложенным ниже требованиям.
Оборудование учебного кабинета \ полигона \ лаборатории и рабочих мест кабинета:
Ростовая установка типа «Редмет 10»
Набор химической посуды
Термопары
Термометры
Гальванометры
Источники питания типа Б5-21
Технические средства обучения:
Компьютер, мультимедиапроектор
3.2. Информационное обеспечение обучения
Основные источники
, Ф. Технология полупроводниковых материалов: Учебное пособие. 2-е изд., испр. – СПб.: Издательство «Лань», 2012. 240 с. Багдасаров X. С. Высокотемпературная кристаллизация из расплава. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. 160 с. Случинская материаловедения и технологии полупроводников. М.: МИФИ, 2002. . Цветков полупроводниковых и диэлектрических материалов: Учебник для вузов. 3-е изд., стер, - СПб.: Издательстве «Лань». 2002. — 424 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). Технология полупроводникового кремния/, , и др. - М.: Металлургия, 1992. - 408 с.Дополнительные источники
Вакуумная техника: Справочник/, , и др.: Под общ. ред. , В, Е. Минайчева. –М.: Машиностроение, 1992. 480 с.
Вильке выращивания кристаллов. Л.: Изд-во Недра, 1977. Козлова кристаллов. Изд. МГУ, 1967 Рост монокристаллов. М.: Изд-во Мир, 1974. Мочалов оптических кристаллов. Конспект лекций. Ч. 2.– СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. Производство полупроводниковых материалов: Учеб. пособие для подготовки рабочих и мастеров на производстве. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Металлургия, 1989 . – 271 с. Розанов техника: Учеб. для вузов по спец, «Вакуумная техника». – 2-е изд., перераб. и доп.— М.: Высш. шк., 1990. 320 с. Тимофеева кристаллов из расплавов. М.: Наука, 1978. 268 с. Шашков монокристаллов методом вытягивания. М.: Металлургия, 1982. 310 с.4. Контроль и оценка результатов освоения МЕЖДИСЦИПЛИНАРНОГО КУРСА
Образовательное учреждение, реализующее подготовку по междисциплинарному курсу, обеспечивает организацию и проведение текущего и итогового (промежуточного) контроля демонстрируемых обучающимися знаний, умений и навыков.
Текущий контроль проводится преподавателем на основе выполнения тестовых заданий и оценке выполнения лабораторных работ. Объектом текущего контроля являются промежуточные результаты, обеспечивающие формирование конечных результатов междисциплинарного курса и конечные результаты учебной дисциплины по уровням освоения.
Итоговый (промежуточный) контроль проводится в форме зачета в тестовой форме.
Для текущего и итогового (промежуточного) контроля образовательными учреждениями создаются фонды оценочных средств (ФОС). ФОС включают в себя педагогические контрольно-измерительные материалы, предназначенные для определения соответствия (или несоответствия) индивидуальных образовательных достижений основным показателям результатов подготовки.
Результаты | Показатели оценки результатов |
Готовность использовать технологическое оборудование для выращивания кристаллов германия из расплава методом Чохральского. | Ориентирование в основных частях установки, существующих конструкциях тепловых узлов и методов автоматизированного контроля |
Способность проводить пуско-наладочные работы и эксплуатировать промышленные установки – печи Чохральского. | Соблюдение алгоритма включения и выключения промышленных установок во время эксплуатации Техническое обслуживание, ремонт установки и ее систем. |
Способностью владеть основными законами и явлениями физики для конструирования теплового узла ростовой установки. | Рациональность планирования и размещения элементов конструкции теплового узла в соответствии с условиями теплового баланса. |
Способность анализировать и применять наиболее эффективные конструкции теплового узла ростовой установки. | Соответствие выбранных параметров теплового узла ростовой установки требуемым качеству, размеру и свойствам готовой продукции своевременное, обоснованное изменение параметров процесса роста для получения продукции с заданным качеством. |
Оценочные материалы модуля
Образцы тестовых заданий
Тесты для промежуточного контроля
Тема 1 Выращивание кристаллов из расплава
1. В методе Чохральского для устранения неоднородного распределению примесей в монокристаллах, возникающего вследствие сложных гидродинамических потоков
а) вращают растущий монокристалл и тигель в противоположных направлениях
б) вращают растущий монокристалл и тигель в одном направление
в) вращают растущий монокристалл, оставляя тигель неподвижным
г) вращают тигель, оставляя растущий монокристалл неподвижным
2. Форма и совершенство выращенного кристалла в первую очередь определяются
а) тепловыми градиентами по диаметру тигля в непосредственной близости от затравки и градиентами, перпендикулярными границе роста.
б) тепловыми градиентами по периметру тигля в непосредственной близости от затравки и градиентами, перпендикулярными границе роста.
в) тепловыми градиентами по диаметру тигля в непосредственной близости от затравки и градиентами, параллельными границе роста.
г) тепловыми градиентами по периметру тигля в непосредственной близости от затравки и градиентами, параллельными границе роста.
3. Если основной тепловой поток входит в растущий кристалл снизу, а радиальный тепловой поток незначителен, изотермы будут
а) перпендикулярными направлению роста
б) параллельны направлению роста
в) под углом 45° к направлению роста
г) под углом 60° к направлению роста
4. Для получения кристаллов с низкой концентрацией дефектов нужно на протяжении всего процесса выращивания границу раздела кристалл – расплав сохранять
а) плоской
б) выпуклой
в) вогнутой
5. При выращивании методом Чохральского тепловые потери в вакууме вдоль кристалла осуществляются главным образом за счет
а) теплопроводности
б) конвекционного переноса
в) радиации
г) теплопроводности и радиации
6. При выращивании методом Чохральского тепловые потери с поверхности в вакууме расплава осуществляются главным образом за счет
а) радиации
б) теплопроводности
в) конвекционного переноса
г) теплопроводности и радиации
Тема 2 Установки для выращивания монокристаллов
1. Какие из перечисленных узлов установки требуют охлаждение водой: 1) токоподводы, 2) ростовая камера, 3)диффузионный насос, 4)тепловой узел, 5) шток перемещения и вращения затравки
а) 1, 2, 3, 5
б) 2, 3, 4
в) 1, 3, 4, 5
г) 1, 3, 5
2. В качестве экранирующих материалов наиболее часто используются: 1) вольфрам, 2) молибден, 3) графит, 4) медь, 5) платина, 6) керамика оксида алюминия.
а) 1, 2, 3, 6
б) 1, 2, 3, 5
в) 1, 2, 5, 6
г) 1, 2, 3, 4
3. Тепловой узел включает в себя: 1) подставку для тигля, 2) тигель, 3) нагреватель, 4) систему экранов.
а) 1, 3, 4
б) 3, 4
в) 1, 2, 3 ,4
г) 2, 3, 4
4. Выберите верное утверждение
а) при выращивании монокристаллов с открытой экранировкой в зоне кристаллизации создаются более высокие температурные градиенты, чем при выращивании в закрытой системе.
б) при выращивании монокристаллов с открытой экранировкой в зоне кристаллизации создаются более низкие температурные градиенты, чем при выращивании в закрытой системе.
в) при выращивании монокристаллов с открытой экранировкой в зоне кристаллизации создаются такие же температурные градиенты, как и при выращивании в закрытой системе.
5. Использование какого тока для питания омического нагревателя приводит к дополнительному сильному перемешиванию расплава
а) трехфазного переменного
б) однофазного переменного
в) постоянного
6. Какие из перечисленных источников нагрева наиболее часто применяются при выращивание монокристаллов методом Чохральского
а) омический, высокочастотный
б) лазерный, высокочастотный
в) омический, электронно-лучевой
г) электронно-лучевой, лазерный
Тема 3. Системы управления и автоматизации
1. Величина э. д.с. термопары определяется
а) природой металла и разностью температур между холодным и горячим спаями и не зависит от длины проводов
б) природой металла и разностью температур между холодным и горячим спаями и зависит от длины проводов
в) природой металла и не зависит от длины проводов
г) разностью температур между холодным и горячим спаями и зависит от длины проводов
2. При градуировке термопары холодный спай должен поддерживаться при температуре
а) 0° С.
б) 20° С
в) 25° С
г) 100° С
3. Какие из перечисленных термопар пригодны для измерения температур выше 1200° С
а) платина-платинородиевые
б) хромель-алюмелевые
в) хромель-капелевые
г) все не пригодны
4. Телевизионный метод контроля диаметра монокристалла применим в системах
а) с открытой и закрытой экранировкой
б) только с открытой экранировкой
в) только с открытой экранировкой
5. Телевизионный метод контроля диаметра растущего монокристалла основан на
а) изучении зависимости амплитуды и длительности видеосигнала от яркости и размеров наблюдаемого объекта
б) изучении изменения цвета излучения в зависимости от температуры.
в) изучении зависимости амплитуды и длительности видеосигнала от температуры
г) изучении изменения цвета излучения в зависимости от яркости и размеров наблюдаемого объекта
6. Пирометрический метод контроля диаметра растущего монокристалла основан на
а) изучении изменения цвета излучения в зависимости от температуры.
б) изучении зависимости амплитуды и длительности видеосигнала от яркости и размеров наблюдаемого объекта
в) изучении зависимости амплитуды и длительности видеосигнала от температуры
г) изучении изменения цвета излучения в зависимости от яркости и размеров наблюдаемого объекта
Тема 4. Вакуумное оборудование ростовых
1. Основное уравнение вакуумной техники, связывающее быстроту откачки сосуда s0 с быстротой действия насоса sН и проводимостью трубопровода U имеет вид:
а) 
б) 
в) 
г) 
2. Форвакуумом называют состояние газа при предельном остаточном давлении равном
а) 10-1 Па
б) 105 Па
в) 10-5 Па
г) 101 Па
3. Высоким вакуумом называют состояние газа при предельном остаточном давлении равном
а) 10-5 Па
б) 10-1 Па
в) 105 Па
г) 101 Па
4. Какие из перечисленных ниже насосов не относятся к форвакуумным
а) пароструйные
б) механические
в) сорбционные
г) жидкостноструйные
5. Какие из перечисленных ниже насосов не относятся к высоковакуумным
а) жидкостноструйные
б) пароструйные
в) магнитные электроразрядные
г) вакуумные турбонасосы
6. Диффузионные вакуумные насосы предназначены для работы в стационарных условиях
а) с механическими форвакуумными насосами
б) без механических форвакуумных насосов
в) как с механическими форвакуумными насосами так и без них
Методические рекомендации по организации самостоятельной работы студентов
Программой междисциплинарного курса «Оборудование для роста кристаллов методом Чохральского» предусмотрена самостоятельная работа студентов в объеме 18 часов. Самостоятельная работа проводится с целью углубления знаний по дисциплине и предусматривает:
- чтение студентами рекомендованной литературы и усвоение теоретического материала дисциплины;
- подготовку к лабораторным занятиям;
- работу с Интернет-источниками;
- подготовку к сдаче зачета.
Планирование времени на самостоятельную работу, необходимого на изучение настоящей дисциплины, студентам лучше всего осуществлять на весь срок изучения, предусматривая при этом регулярное повторение пройденного материала. Материал, законспектированный на лекциях, необходимо регулярно дополнять сведениями из литературных источников, представленных в «Программе междисциплинарного курса». По каждой из тем для самостоятельного изучения, приведенных в программе междисциплинарного курса «Оборудование для роста кристаллов методом Чохральского» следует сначала прочитать рекомендованную литературу и при необходимости составить краткий конспект основных положений, терминов, сведений, требующих запоминания и являющихся основополагающими в этой теме и для освоения последующих разделов курса.
Методические указания преподавателям
Комплект контрольно-измерительных материалов для текущего, промежуточного и итогового контроля
Контроль знаний студентов на всех этапах осуществляется путем тестирования. Комплект тестовых заданий по дисциплине состоит из 120 заданий – в основном закрытого типа. Выдаваемый каждому студенту индивидуальный тест включает 12 заданий по каждой теме. Время проведения тестирования рассчитывается исходя из двух минут на одно задание. Примеры контрольных тестовых вопросов и заданий приведены ниже.
Лабораторные занятия по дисциплине и порядок их проведения
Лабораторный практикум выполняется в соответствии с графиком и календарным планом, которые составляются на каждый учебный год. С содержанием и планом прохождения практикума, требованиями к выполнению работ, ведению лабораторного журнала и оформлению отчетов студенты знакомятся на первом вводном занятии. На этом же занятии проводится инструктаж по технике безопасности при работе в лаборатории и выдаются задания на выполнение первой лабораторной работы.
Лабораторные работы выполняются либо индивидуально, либо бригадами в составе не более двух студентов.
Необходимая для выполнения работы теоретическая информация, схемы установок, результаты измерений и их предварительной обработки заносятся в индивидуальный лабораторный журнал, который ведется в отдельной тетради. По окончании каждой лабораторной работы журнал подписывается преподавателем.
В конце занятия студент должен получить индивидуальное задание для подготовки к очередной лабораторной работе.
Подготовка к выполнению лабораторной работы включает в себя:
· изучение теоретического материала по краткому теоретическому введению, конспектам лекций и учебной литературе, указанной в конце практикума;
- выяснение идеи метода измерений и принципов работы измерительной установки; выделение всех измеряемых в процессе работы величин и процедур их дальнейшей обработки для достижения конечной цели работы.
В лабораторный журнал в процессе подготовки к работе необходимо занести следующее:
· название лабораторной задачи;
· цель работы;
· в нескольких фразах сформулировать идею метода измерений;
· привести основные расчетные формулы;
· изобразить схему экспериментальной установки с указанием основных элементов;
· привести перечень измеряемых в ходе работы величин, их обозначения и размерности.
Перед каждой работой студент проходит краткое собеседование с преподавателем для выяснения уровня готовности к выполнению задачи. Результаты собеседования учитываются при выставлении оценки за выполнение работы.
В процессе выполнения работы необходимо:
· изучить экспериментальную установку, правила эксплуатации конкретных измерительных приборов;
· указать на схеме в лабораторном журнале марки используемых измерительных приборов;
· составить план проведения измерений и согласовать его с преподавателем;
· подготовить в лабораторном журнале таблицы для записи результатов измерений;
· выполнить все запланированные измерения, включая опыты, направленные на проверку воспроизводимости результатов. При этом результаты измерений заносятся в лабораторный журнал без каких-либо преобразований и расчетов.
· произвести обработку результатов; построить графики (если это необходимо); предъявить результаты измерений и расчетов преподавателю. Все расчеты заносятся в лабораторный журнал.
Оформление отчета. Отчет о работе предоставляется на следующем после выполнения данной лабораторной задачи занятии. Он оформляется не в лабораторном журнале, а на отдельных листах. Отчет должен включать в себя название работы; ее цель; краткое теоретическое введение; схему экспериментальной установки с указанием типов измерительных приборов; первичные результаты измерений в виде таблиц; графики; отражающие полученные зависимости; результаты обработки первичных данных и примеры вычислений; выводы; список использованной литературы. Полученные в работе результаты следует сравнить с данными, представленными в приложениях к практикуму или в соответствующих справочниках. Каждый отчет должен быть подписан автором.
По итогам каждой лабораторной работы преподаватель выставляет оценку, учитывающую предварительную подготовку, объем и качество экспериментальной части работы, глубину обсуждения результатов и качество отчета.
