Разделение изотопов кремния методом химического обмена с термическим обращением потоков между SiF4 и его комплексными соединениями донорно-акцепторного типа

• Автор: Чередниченко, Сергей Анатольевич
• Шифр специальности: 05.17.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 199 с. : ил.

Введение.

1. Литературный обзор

1.1. Свойства и перспективы использования изотопов кремния

1.1.1. Изотопный эффект в теплопроводности кремния и его возможное применение в микроэлектронике

1.1.2. Другие области возможного применения изотопов кремния

1.1.3. Перспективы развития технологии кремния

1.2. Физические методы разделения изотопов кремния.

1.2.1. Разделение изотопов кремния методом термодиффузии

1.2.2. Лазерное разделение изотопов кремния.

1.2.3. Газоцентробежная технология

1.3. Физикохимические методы разделения изотопов кремния

1.3.1. Ректификация кремнийсодержащих соединений
1.3.2.Разделение изотопов кремния при химическом изотопном обмене.
1.4. Свойства Р4 и его комплексных соединений
1.4.1. Физические свойства Р4.
1.4.2. Взаимодействие Р4 с водой
1.4.3. Комплексообразующая и каталитическая способности Э1Р4
1.4.4. Физикохимические свойства комплексных соединений Р4.
1.5. Выводы из литературного обзора, цель и задачи работы
1.5.1. Выводы.
1.5.2. Цель работы и задачи исследования
2. Исследование физикохимических свойств комплексов Э1р4 с различными
классами органических соединений.
2.1. Предварительная подготовка реактивов
2.1.1. Порядок подготовки комплексообразователей
2.1.2. Определение концентрации воды в органических растворителях
2.1.3. Методика осушки алифатических спиртов на цеолитах
2.2. Определение величины мольного отношения в различных классах органических соединений.
2.2.1. Экспериментальное оборудование и методика измерения мольного отношения.
2.2.2. Определение мольного отношения в различных классах органических соединений
2.2.3. Определение мольного отношения для атифатических спиртов
2.3. Расчт энтальпии образования комплексных соединений Р4 с алифатическими спиртами.
2.4. Определение плотности, вязкости и показателя преломления комплексных соединений Э1Р4 с алифатическими спиртами
2.4.1. Измерение плотности комплексов 8ПуЮН.
2.4.2. Измерение вязкости комплексов РЯОН
2.4.3. Измерение показателя преломления комплексов РЯОН. .
2.5. Обобщение полученных экспериментальных данных.
3. Определение коэффициента разделения изотопов кремния в системах
Р4 Г Р4 2ЖН Ж методом однократного уравновешивания.
3.1. Изотопный анализ тетрафторида кремния.
3.1.1. Массспектрометрический метод анализа
3.1.2. Особенности массспектрометрического анализа Р
3.2. Однократное уравновешивание как метод исследования изотопного равновесия в системах жидкость пар газ
3.3. Экспериментальная установка для измерения коэффициента разделения однократным уравновешиванием и методика проведения исследований.
3.3.1. Схема и описание установки.
3.3.2. Методика проведения и обработки экспериментов
3.4. Результаты определения коэффициента разделения изотопов кремния в системах 8Р4 Г БК 2ЯОНЖ.
3.5. Сравнение полученных результатов.
Обращение потоков, гидродинамика и массообмен в системах 8Р4г
8Р4 2ЛОН ж
4.1. Исследование процесса обращешя потоков
4.1.1. Назначение и суть процесса обращения потоков
4.1.2. Изучение процесса десорбции 8Р4 в статических условиях .
4.1.3. Установка для исследования процесса обращения потоков в динамических условиях и методика исследований
4.1.4. Изучение процессов, происходящих в узлах обращения потоков, в динамических условиях
4.2. Исследование гидродинамики в системах 8Р4 г 8Б4 2ЮН ж на основе бутанола, пентанола и гексанола
4.2.1. Установка для исследования гидродинамики и массообмена в системах 8Р4Г 8Р4 2ЮНЖ
4.2.2. Определение удерживающей и пропускной способностей насадки
4.2.3. Определение гидравлического сопротивления насадочного слоя.
4.3. Изучение массообменных характеристик процесса разделения изотопов кремния в системах 8Р4 г 8Б4 2ЯОН ж
4.3.1. Методика определения массообмениых характеристик
4.3.2. Предварительные исследования процесса разделения изотопов кремния в колонне
4.3.3. Влияние природы комплексообразователя на массообмен в системах Р4 г Р4 ЮН ж на основе спиртов гомологического ряда бутанол1 гексанол
4.3.4. Влияние потока газа на массообмен в системе Б1Р4 Г Р4 2КОИ Ж на основе пентанола1.
4.3.5. Оценка предельно допустимой величины отбора для систем Р4г Р4 ЮН ж
4.3.6. Разделение изотопов кремния в условиях циркуляции комплексообраювателя.
4.4. Сравнение полученных результатов с литературными данными,
5. Сравнение способов разделения изотопов кремния
5.1. Постановка задачи и особенности расчета
5.2. Экономические оценки физико химических способов разделения изотопов кремния.
5.3. Сравнение физико химических способов разделения с газоцентробежной технологией.
Выводы.
Список использованной литературы


Интересной областью применения изотопночистого кремния может стать создание эталонов массы и уточнение числа Авогадро . В последние лет в России и в мире наблюдается рост интереса ко всем технологическим стадиям производства кремния вообще и к изотопам кремния в частности, что, безусловно, связано с быстрым развитием микроэлектроники в этот период. Так, активно разрабатываются технологии, направленные на получение летучих газообразных соединений кремния , которые могут быть использованы для разделения его изотопов, совершенствуются уже известные и разрабатываются новые способы разделения изотопов , предлагаются новые способы выделения кремния из его газообразных соединений . Объм исследований изотопночистых полупроводниковых магериатов ограничивается, как правило, недоступностью достаточного количества материалов, что не позволяет создавать образцы с высокими чистотой и кристаллическим совершенством. Решение проблемы сдерживается отсутствием в мировой практике широкого и доступного производства изотопов кремния и изделий на его основе. В настоящее время в России при активном сотрудничестве с зарубежными научноисследовательскими центрами разрабатываются все технологические стадии, необходимые для производства совершенных моноизотопных кристаллов кремния. Так, например, на прошедшей недавно XII конференции Высокочистые вещества и материалы. Полупроводниковая промышленность является на протяжении последних десятилетий наиболее быстро развивающейся отраслью, фактором, определяющим научнотехнический прогресс. Однако реальный интерес полупроводниковой промышленности к изотопным материалам появится только после подтверждения наличия отработанной технологической цепочки производства изотопночистых полупроводниковых материалов гарантированного качества и полномасштабных систематических исследований свойств таких материалов. Масштаб планируемого производства изотопов кремния оценивается авторами в десятки тонн. На сегодняшний день большая часть изотопов кремния производится посредством газоцентробежной технологии, однако производственных мощностей при заявленных объемах производства может оказаться недостаточно. Мировая цена изотопов кремния в несколько ра выше цепы золота , поэтому инвестиции должны окупиться многократно. Абсолютно очевидно, что весьма актуальным становится вопрос снижения себестоимости изотопов кремния, для решения которого требуются дальнейшие исследования и разработка процессов разделения изотопов. Сущность явления термодиффузии состоит в том, что при наличии температурного градиента в смеси, состоящей из нескольких компонентов, возникает и градиент концентраций . Термодиффузионная колонна представляет собой две вертикально расположенные поверхности, пространство между которыми заполнено разделяемой смесью. Температура каждой из поверхностей постоянна и отличается от температуры другой поверхности. Вследствие разности температур возникает градиент концентраций в горизонтальном направлении. Одновременно изза различия в плотности разделяемой смеси вблизи холодной и горячей поверхностей в колонне создается конвективное движение менее нагретый поток газа опускается вниз, а более нагретый вверх. За счет этого в колонне осуществляется прогивоточное движение, результатом которого является многократное умножение эффекта разделения, приводящее к изменению концентраций компонентов смеси по высоте колонны. Известно, что коэффициент разделения при термодиффузии зависит в основном от трех факторов разности температур холодной и горячей стенок, молекулярной массы компонентов газа, подлежащих разделению, и свойств самих молекул. В е годы XX века проводились исследования процесса разделения изотопов кремния методом термодиффузии. В качестве рабочих веществ использовались силан ЗШЦ , метилсилан ЭИзСНз и тетрафторид кремния Р4 . Авторы в своих исследованиях использовали термодиффузионную колонку высотой 2 см. Диаметр внутреннего цилиндра составлял мм, ширина зазора между цилиндрами 2 мм. Температура внутренней стенки составляла 0 С, внешней С термическая нестойкость силана не позволяла увеличить температуру горячей стенки.