Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Утверждаю: ______________// «____»__________2012 г. |
ПРОГРАММа МЕЖДИСЦИПЛИНАРНОГО КУРСА
«Технология выращивания 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:
, д. т.н., профессор 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 | 15 |
Приложение 3. Методические материалы для преподавателя | 16 |
1. паспорт программы МЕЖДИСЦИПЛИНАРНОГО КУРСА
«ТЕХНОЛОГИЯ ВЫРАЩИВАНИЯ 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:
- владения практическими навыками проведения технологических процессов;
- приготовления загрузки для выращивания кристаллов;
- приготовления и размещения затравочных монокристаллов;
- произведения расплавления исходной загрузки;
- произведения затравления, разращивания и выращивания цилиндрических монокристаллических слитков методом Чохральского;
- закачивания процесса выращивания слитков путем формирования конуса отрыва;
- исследования оптическими, химическими и электрофизическими методами структуру и свойства кристаллов.
В результате освоения междисциплинарного курса обучающийся должен уметь:
- рассчитывать количество загрузки, количество вводимой легирующей добавки;
- задавать параметры технологического процесса выращивания монокристаллов;
- анализировать структуру, примесную неоднородность и оптические свойства монокристаллов;
- анализировать технологические процессы и вносить корректировки в параметры процессов.
-
В результате освоения междисциплинарного курса обучающийся должен знать:
- основные свойства полупроводников (электрические, оптические, акустические, механические свойства, тепловые);
- основные законы и основные понятия термодинамики фазовых равновесий и фазовых превращений, диаграммы фазовых равновесий и методы их построения;
- возможные виды дефектов кристаллического состояния материалов;
- влияние примесей на свойства материалов, принципы, применяемые при легировании полупроводниковых оптических кристаллов;
- связь условий выращивания (температурные градиенты, переохлаждение расплава, скорости роста, скорости вращения кристалла и тигля) с формой фронта кристаллизации, размерами, огранением, дефектностью монокристаллов;
- применение послеростового отжига кристаллов.
-
Результаты междисциплинарного курса являются ресурсом для формирования следующих профессиональных компетенций:
- Способность выращивать кристаллы в соответствии с технологическим маршрутом.
- Способность разрабатывать технологию роста кристаллов германия из расплава методом Чохральского.
- Способность проводить оценку структурного совершенства и оптического качества получаемых кристаллов.
- Способность проводить измерения электрофизических свойств полупроводниковых кристаллов.
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 Фазовые равновесия в полупроводниковых системах | Содержание учебного материала | |
1. | Диаграмма состояния и условия выращивания монокристаллов | 1 |
Самостоятельная работа при изучении темы | ||
1. | Элементы общей теории образования фаз | 2 |
Тема 2 Образование дефектов в кристаллах, растущих из расплава | Содержание учебного материала | |
1. | Точечные дефекты | 0,5 |
2. | Краевые и винтовые дислокации | 0,5 |
3. | Плоскостные дефекты. Механическое двойникование | 0,5 |
4. | Объемные дефекты | 0,5 |
5. | Влияние дефектов кристаллических материалов на свойства | 0,5 |
6. | Методы управления структурой и свойствами материалов | 0,5 |
Лабораторные работы | ||
1 | Выявление дислокационной структуры монокристаллов полупроводников | 2 |
Самостоятельная работа при изучении темы | ||
1. | Примеси в элементарных полупроводниках | 3 |
Тема 3. Легирование полупроводниковых материалов | Содержание учебного материала | |
1. | Коэффициент распределения примесей | 0,5 |
2. | Равновесный коэффициент распределения | 0,5 |
3. | Эффективный коэффициент распределения примесей | 0,5 |
4. | Легирование объемных кристаллов в процессе выращивания из жидкой фазы (общие принципы) | 0,5 |
Лабораторные работы | ||
1 | Определение типа проводимости и измерение удельного электросопротивления монокристаллов германия | 2 |
Самостоятельная работа при изучении темы | ||
1. | Пассивные методы выравнивания состава | 2 |
2. | Активные методы выравнивания состава кристаллов | 1 |
Тема 4. Выращивание кристаллов | Содержание учебного материала | |
1. | Метод Чохральского | 0,5 |
2. | Источники нагрева | 0,5 |
3. | Контроль температурно-временных режимов кристаллизации | 0,5 |
4. | Системы управления и автоматизации | 0,5 |
5. | Тигли | 0,5 |
6. | Распределение температуры при выращивании кристаллов из расплава. Тепловой баланс | 0,5 |
7. | Основные стадии технологического процесса выращивания монокристалла | 1 |
Лабораторные работы | ||
1. | Выращивание монокристаллов методом Чохральского | 4 |
Самостоятельная работа при изучении темы | ||
1. | Гранные и негранные формы роста | 1 |
2. | Механизмы роста и морфологическая неустойчивость | 0,5 |
3. | Выращивание монокристаллов с малой плотностью дислокаций (метод Дэша) | 0,5 |
Всего: | 36 | |
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»
Металлографический микроскоп типа МЕТ-3
Осциллографы, пригодные для наблюдения вольтамперных характеристик типа С1-5, С1-19, С1-48
Набор химической посуды
Технические средства обучения:
Компьютер, мультимедиапроектор
3.2. Информационное обеспечение обучения
Основные источники
, . 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
Вильке выращивания кристаллов. Л.: Изд-во Недра, 1977. Козлова кристаллов. Изд. МГУ, 1967 ост монокристаллов. М.: Изд-во Мир, 1974. Мочалов оптических кристаллов. Конспект лекций. Ч. 1.– СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. Мочалов оптических кристаллов. Конспект лекций. Ч. 2.– СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. ыращивание кристаллов из расплава. Конвекция и неоднородности. Пер. с англ. – М.: Мир, 1991. 143 с. Производство полупроводниковых материалов: Учеб. пособие для подготовки рабочих и мастеров на производстве. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Металлургия, 1989 . – 271 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 |
Способность выращивать кристаллы в соответствии с технологическим маршрутом. | Соответствие количества загруженного материала и выхода готовой годной продукции; Соответствие количества введенной легирующей добавки и заданных свойств получаемого монокристалла |
Способность разрабатывать технологию роста кристаллов германия из расплава методом Чохральского. | Рациональность планирования и организации процесса; Соответствие выбранных параметров роста кристалла требуемым качеству, размеру и свойствам готовой продукции своевременное, обоснованное изменение параметров процесса роста для получения продукции с заданным качеством. |
Способность проводить измерения электрофизических свойств полупроводниковых кристаллов. | Проведение исследований электрофизических свойств готовой продукции; Сравнение полученных результатов исследований с заданными критериями качества продукции |
Способность проводить оценку структурного совершенства и оптического качества получаемых кристаллов. | Проведение исследований физических свойств готовой продукции; Сравнение полученных результатов исследований с заданными критериями качества продукции |
Оценочные материалы модуля
Образцы тестовых заданий
Тесты для промежуточного контроля
Тема 1. Фазовые равновесия в полупроводниковых системах
1. Под фазой понимают:
а) часть системы, гомогенную на всем своем протяжении и физически отделенную от других фаз четкими границами.
б) часть системы, гомогенную на всем своем протяжении, физически не отделенную от других фаз четкими границами.
в) часть системы, гетерогенную на всем своем протяжении и физически отделенную от других фаз четкими границами.
г) всю систему, гетерогенную на всем своем протяжении и физически не отделенную от других фаз четкими границами.
2. Число компонентов системы – это
а) минимальное число химических составляющих, которое нужно выделить для описания состава всех присутствующих фаз.
б) максимальное число химических составляющих, которое нужно выделить для описания состава всех присутствующих фаз.
в) минимальное число физических составляющих, которое нужно выделить для описания состава всех присутствующих фаз.
г) максимальное число физических составляющих, которое нужно выделить для описания состава всех присутствующих фаз.
3. Переменная, не зависящая от количества присутствующей фазы называется
а) Интенсивная
4. Количественное соотношение, называемое правилом фаз, которое вывел Гиббс, выражает связь между числом степеней свободы в равновесии, числом компонентов и числом фаз в виде F=C-P+2, где
а) число степеней свободы в равновесии F, число компонентов С и число фаз Р
б) число степеней свободы в равновесии Р, число компонентов С и число фаз F
в) число степеней свободы в равновесии F, число компонентов Р и число фаз С
г) число степеней свободы в равновесии С, число компонентов F и число фаз Р
5. Правило фаз описанное количественным соотношением F=C-P+2 соблюдается, когда в качестве интенсивных переменных выбраны:
а) давление, температура и состав
б) давление, температура и гравитационное поле,
в) давление, температура и магнитное поле.
г) давление, температура и состав или гравитационное поле
6. Независимыми переменными в уравнении Гиббса являются концентрация, температура и давление. Если давление постоянно, то уравнение примет вид
а) F=C-P+1
б) F=C+P+2
в) F=C+P+1
г) F=C-P-2
Тема 2. Образование дефектов в кристаллах, растущих из расплава
1. Какие из перечисленных дефектов тонкой структуры согласно существующей классификации являются одномерными
а) дислокации
б) вакансии
в) примесные атомы
г) пустоты
2. Какие из перечисленных дефектов тонкой структуры согласно существующей классификации являются равновесными
а) вакансии
б) дислокации
в) пустоты
г) межзеренные границы
3. Что из перечисленного неверно
а) дефекты по Френкелю чаще встречаются в решетке, характеризуемой незначительным различием ионных радиусов катиона и аниона.
б) дефект по Френкелю - атом, передвинутый с упорядоченного узла кристаллической решетки в междоузлие.
в) дефект по Френкелю не оказывает на плотность кристалла существенного влияния.
г) дефекты по Френкелю относятся к точечным дефектам
4. Что из перечисленного неверно
а) Дефекто по Шоттки повышает плотность кристалла
б) Дефект по Шоттки - незанятый узел решетки, образуется в чистом виде, если атом из узла решетки переместить на поверхность кристалла.
в) дефекты по Шоттки чаще встречаются в решетке, характеризуемой незначительным различием ионных радиусов катиона и аниона
г) дефекты по Шоттки относятся к точечным дефектам
5. Линейное несовершенство, образующее внутри кристалла границу зоны сдвига называют
а) дислокацией
б) вакансией
в) пустотой
г) межзеренной границей
6. Величина и направление вектора Бюргерса
а) полностью определяются видом дислокации.
б) зависят от размеров контура и выбора точки начала контура,
в) зависят от выбора точки начала контура и от размеров контура
г) зависят от размеров контура и не зависят выбора точки начала контура
Тема 3. Легирование полупроводниковых материалов
1. Для оценки эффективности очистки веществ от примесей кристаллизацией из расплава служит коэффициент распределения определяемый соотношением (K ‑ коэффициент разделения, CS ‑ концентрации растворенного вещества в твердой фазе CL ‑ концентрации в жидкой фазе)
а) 
б) 
в) 
г) 
2. Значение коэффициент распределения K может быть
а) больше или меньше 1
б) больше 1
в) меньше 1
г) только равным 1
3. Если примесь понижает температуру плавления вещества, то
а) K < 1
б) K > 1
в) K = 1
г) K = 0
4. Если примесь повышает температуру плавления вещества, то
а) K > 1
б) K < 1
в) K = 1
г) K = 0
5. Различают следующие коэффициенты распределения.
а) равновесный и эффективный
б) неравновесный и эффективный
в) равновесный и неравновесный
г) равновесный, неравновесный и эффективный
6. Эффект разделения компонентов смеси в каждый момент равновесия между кристаллом и расплавом характеризуют с помощью
а) равновесного коэффициента распределения K0
б) неравновесного коэффициента распределения K0
в) эффективного коэффициента распределения K0
г) равновесного и эффективного коэффициента распределения K0
Тема 4. Выращивание кристаллов
1. Что из перечисленного не верно
а) в методе Чохральского нет возможности извлечения кристалла из расплава на любом этапе выращивания
б) в методе Чохральского отсутствует прямой контакт между стенками тигля и растущим монокристаллом
в) метод Чохральского позволяет заведомо задавать геометрическую форму растущего монокристалла путем варьирования температуры расплава и скорости вытягивания
г) метод Чохральского относится к методам с неограниченным объемом расплава
2. 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
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. Какой из перечисленных источников нагрева относится к лучевым
а) лазерный
б) омический,
в) высокочастотный,
г) плазменный
6. Какой из перечисленных источников нагрева относится к нелучевым
а) плазменный
б) электронно-лучевой,
в) лазерный
г) оптический.
Методические рекомендации по организации самостоятельной работы студентов
Программой междисциплинарного курса «Технология выращивания 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 «Технология выращивания 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 компьютерного тестирования. Комплект тестовых заданий по дисциплине состоит из 120 заданий – в основном закрытого типа. Выдаваемый каждому студенту индивидуальный тест включает 12 заданий по каждому теме и. 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.
