2_Voprosy_k_ekzamenu_1

Оглавление

1.Технологический процесс. Основные стадии. Классификация процессов. 5

2.Гетерогенные химико-технологические системы. Гетерогенные и

4

1. Технологический процесс. Основные стадии. Классификация процессов.

Технологический процесс получения материалов электронной техники

— это совокупность способов и процессов переработки сырья в проводники, полупроводники, диэлектрики и магнетики.

Материалы электронной техники получают в основном с помощью химико-технологических процессов, состоящих из ряда элементарных физических, физико-химических и химических процессов (операций), которые складываются из следующих основных стадий:

1)подготовки сырья и подвода реагирующих компонентов в зону реакции;

2)химических превращений (реакций);

3)отвода из зоны реакции полученных продуктов и выделения целевого продукта.

В первой стадии протекают физические процессы, в результате которых перерабатываемые материалы изменяют только свою внешнюю форму или физические свойства и химически неизменными переходят во вторую стадию. Подвод реагирующих компо­нентов в зону реакции может совершаться диффузией или конвекцией, абсорбцией или десорбцией газов, конденсацией паров, плавлением твердых веществ или растворением их в жидкости, испарением жидкостей или возгонкой твердых веществ и др.

Во второй стадии протекают процессы, в которых исходные материалы претерпевают более глубокие превращения, вызывающие изменения не только физических свойств, но также агрегатного состояния и химического состава вещества. В реагирующей системе обычно происходит несколько последовательных (а иногда и параллельных) химических реакций. приводящих к образованию основного продукта. а также ряд побочных реакций между основными исходными веществами и примесями. наличие которых в исходном сырье неизбежно. В результате кроме основного образуются побочные продукты (материалы, имеющие народнохозяйственное значение) или отходы производства. т. е. продукты реакций, не имеющие значительной ценности. Побочные продукты и отходы производства могут образоваться как при основной реакции наряду с основным продуктом. так и вследствие побочных реакций между основными веществами и примесями. Обычно при анализе производственных процессов учитываются не все

5

реакции, а лишь те из них. которые оказывают определяющее влияние на количество и качество получаемых основных продуктов.

В третьей стадии химических превращений нет, здесь происходит разделение: выделяются целевой (основной) продукт, побочные продукты и оставшиеся исходные реагенты, которые могут быть возвращены в начало процесса.

Классификация процессов:

По времени:

●непрерывный (длятся годами в установившемся режиме);

●периодический.

По физико-химической сущности:

●механический;

●термический (2 способа нагрева: резистивный и индукционный (токи Фуко));

●корпускулярно-полевой (процессы с использованием лазеров и электронных пучков).

6

2. Гетерогенные химико-технологические системы. Гетерогенные и гомогенные реакции. Гетерофазные и гомофазные процессы.

Фаза - гомогенная часть гетерогенной системы, отделенная от других частей поверхностью, раздела, на которой скачком меняются свойства.

Гомофазный процесс - процесс, в котором исходные, промежуточные и полученные вещества находятся в одной фазе. Этот процесс протекает по всему объему вещества.

Гетерофазный процесс - процесс, происходящий на стыке фаз.

Гомогенные реакции:

Гетерогенные реакции:

Реальные процессы получения материалов электронной техники являются гетерогенными химико-технологическими процессами. При их анализе наряду с химической реакцией получения заданного продукта необходимо учитывать соответствующие физические явления, связанные с макросостоянием системы и накладывающиеся на основной химический процесс. Наиболее важными из них являются: а) массоперенос исходных реагентов в зону реакции и продуктов реакции из этой зоны; б) теплоперенос между зоной реакции и окружающей средой.

Процессы массо- и теплопереноса подобны друг другу. Виды теплопереноса: молекулярный, конвекционный (наблюдается только в жидкостях и газа) и излучение. Для массопереноса первые два вида аналогичны, но для излучения нет аналогов.

7

3. Процессы массопереноса в химико-технологических системах. Законы Фика.

Процессы массопередачи характеризуются переносом вещества из одной фазы в другую. Путем переноса одного (или более) компонента из фазы в фазу можно разделять, а также и получать как гетерогенные, так и гомогенные системы (газовые смеси, жидкие или твердые растворы и др.).

Массопередача представляет собой сложный процесс, включающий перенос вещества в пределах одной фазы. через поверхность раздела фаз и в пределах другой фазы. Перенос вещества из фазы к границе раздела фаз или в обратном направлении, т. е. в пределах одной из фаз, называют массоотдачей. Распределяемое вещество внутри каждой фазы переносится путем молекулярной и конвективной диффузии, поэтому процессы массопередачи часто называют также диффузионными.

Движущей силой процессов массопередачи является разность химических потенциалов распределяемого вещества, характеризующая степень отклонения системы от состояния равновесия. В простейших случаях диффундирующее в пределах фазы вещество перемещается от точки с большей концентрацией к меньшей, и в расчетах движущую силу процессов массопереноса выражают приближенно через разность концентраций. В реальных условиях проведения технологических процессов для определения направления массопереноса необходим учет не только разности концентраций переносимого вещества, но и градиента температур и градиента давлений, вызванных внешними силами. Предельным состоянием процесса массопередачи является достижение состояния равновесия системы.

Процесс переноса вещества в твердом теле при массопроводности подчиняется законам Фика для молекулярной диффузии и описывается дифференциальными уравнениями:

где К - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом массопроводности, представляющий собой коэффициент диффузии распределяемого вещества в твердом теле.

В лекции 1-ый закон Фика был записан так:

8

j = - D * gradC,

где j - масса потока, D - коэффициент диффузии. Закон справедлив для

твердых тел при диффузии.

Для конвективной (конвекция - нагрев, при котором движение зарядов обуславливается разностью температур) диффузии закон Фика выглядит так:

j = - D * gradC +VC,

где V - скорость движения самой среды, а VС - состояние системы.

В лекции 2-ой закон Фика был записан так:

Закон справедлив для нестационарных состояний.

- полная производная, инвариантная производная по времени.

Если взять производную , то получается:

,

где во второй строчке - скорости движения.

9

4. Процессы теплопередачи в химико-технологических системах. Законы Фурье.

Процессы теплопередачи. Движущей силой процессов переноса теплоты между телами, или теплообмена, является разность температур более нагретого или менее нагретого тел, при наличии которой теплота самопроизвольно в соответствии со вторым законом термодинамики переходит от более нагретого к менее нагретому телу.

Выделяют три принципиально различных элементарных способа распространения теплоты: за счет теплопроводности, теплового излучения и конвекции. Эти виды теплообмена в реальных условиях редко наблюдаются раздельно: в большинстве случаев они связаны между собой и проявляются одновременно.

Сложная теплопередача. Разделение общего процесса передачи теплоты на элементарные производят в основном из методологических соображений. В действительности теплота передается путем одновременного действия каких-либо двух или всех трех элементарных видов передачи теплоты. Конвекция, например, часто сопровождается тепловым излучением, теплопроводность в пористых телах - конвекцией и излучением в порах, а тепловое излучение - теплопроводностью и конвекцией. Подобные процессы переноса теплоты носят название сложной теплоотдачи. В практических расчетах разделение таких сложных процессов на элементарные не всегда возможно и целесообразно. Обычно результат совокупности действия отдельных элементарных процессов приписывается одному из них, которое и считается главным. Влияние же остальных (второстепенных) процессов сказывается лишь на количественной характеристике основного.

В лекции 1-ый закон Фурье был записан так:

где q - тепловой поток, лямбда - теплопроводность. Закон справедлив для твердых тел при диффузии.

Для конвективной (конвекция - нагрев, при котором движение зарядов обуславливается разностью температур) диффузии закон Фурье выглядит так:

,

10