№ ........

Министерство общего и профессионального образования

Российской федерации

Московский государственный институт стали и сплавов

(технологический университет)

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Кафедра технологии материалов электроники

В. В. Крапухин

Экология полупроводникового производства

Пособие для практических занятий

______________________________________________________________________________________

Москва 1999

Подготовка в области экологии инженеров электронной техники по специальности 200.100 “Материалы и компоненты твердотельной электроники” включает ряд курсов. На 6 семестре читается курс “Экология”, рассматривающий общие вопросы, связанные с экологической обстановкой и путях защиты окружающей среды. На 8 семестре читается курс “Безопасность жизнедеятельности “, в котором рассматриваются вопросы, связанные с влиянием условий работы на здоровье человека и мерах по созданию безопасных условий работы.

На 9 семестре учебным планом подготовки инженеров по специализации 200.102 - “Материалы микроэлектроники, их технология и сертификация” читается специальный курс “Экология полупроводникового производства”, в котором рассматриваются вопросы техники защиты окружающей среды от вредных отходов при производстве материалов электронной техники. В курсе изучаются процессы и оборудование, используемые для улавливания и обезвреживания вредных отходов производства при защите атмосферы, гидросферы и литосферы.

Большое значение имеет составление экологического паспорта процесса и всего производства. В основе экологического паспорта лежит материальный баланс. При этом выявляются отходы производства и их состав.

В пособии приводится набор из 6 задач, включающих составление материального баланса производства, расчеты пылеулавливающих устройств, непрерывно действующих абсорбционных колонных аппаратов для абсорбционной очистки газов и установок “кипящего слоя” для адсорбционной очистки газов. Пособие предназначено для проведения практических занятий и выполнения домашних заданий. Методики расчетов могут быть использованы в курсовых проектах и при написании раздела “экология” в дипломных работах.

Задача 1 Материальный баланс технологического процесса

Материальный баланс технологического процесса или всего производства какого-либо материала необходим для:

- знания распределения исходных элементов в технологическом процессе между его продуктами;

- определения выхода конечного продукта в процессе его получения;

- определения расхода сырья для получения единицы готового продукта;

- расчета количества и состава отходов производства для решения вопроса их улавливания и переработки с целью создания безотходного, экологически чистого производства;

- составления экологического паспорта производства;

- получения исходных данных для расчета оборудования.

Основанием для составления материального баланса является технологическая схема, в которой указываются последовательность проводимых технологических процессов, загружаемые материалы и продукты процесса. По каждому учитываемому компоненту приводится его выход - .

Выход i-го компонента в процессе (_i) рассчитывается как отношение массы компонента в полученном продукте процесса к массе этого компонента в загружаемых материалах и обычно выражается в %.

Выход компонента с начала технологической схемы (_i) находится перемножением выходов на всех предшествующих переделах:

_i = _i1 x _i2 x ....x _in (1.1)

По результатам расчетов составляется таблица материального баланса.

Материальный баланс технологического процесса или нескольких процессов, последовательно используемых для получения какого-либо продукта, представляет собой учет (баланс) всех поступивших элементов с исходными материалами и полученными в результате проведения технологического процесса (или ряда процессов).

Из материального баланса определяется количество и состав отходов производства, представляющих экологическую опасность. Отходы группируются по фазовому составу (газы, жидкости, твердые) и по возможным методам улавливания и переработки.

Виды материального баланса процесса

1.Материальный баланс при учете одного компонента

Обычно материальный баланс составляется при загрузке условного количества исходного материала. Часто таким числом является 100, поскольку при этом количества получаемых продуктов будут соответствовать % от исходного вещества. При этом упрощается пересчет баланса на любое иное количество загружаемого материала.

В качестве примера рассмотрим материальный баланс получения монокристаллов кремния по методу Чохральского. Технологическая схема показана на рис. 1.1

Рис. 1.1. Технологическая схема получения монокристаллов кремния по методу Чохральского.

В этом процессе годная часть слитка определяется заданными значениями концентрации легирующей примеси (минимальной и максимальной). По кривой распределения примеси (рис.1.2) определяется масса годной части слитка (в данном случае 60% от загруженного поликремния). Остальное количество (38 %) представляет собой отходы, подлежащие переработке.

Рис. 1.2. Схема к расчету выхода годного монокристалла: N_min и N_max – значения минимальной и максимальной допустимых концентраций легирующей примеси, L_годн – длина годной части монокристалла.

Потери в процессе (2 %) в виде мелких частиц кремния образуются при калибровке кристалла и изготовлении базового среза. Они не токсичны. Вместе с тем могут быть использованы вместе с другими твердыми отходами для производства солнечных элементов.

Материальный баланс обычно представляется в виде таблицы.

Таблица 1.1

Материальный баланс процесса получения монокристаллов кремния методом Чохральского

Загружено		Получено
Поликремний	100	Монокристалл кремния марки .......	60
		Твердые отходы кремния	38
		Потери кремния	2
Итого:	100		100

Из материального баланса следует, что для получения 1 кг монокристаллического кремния заданного состава требуется 1 / 0,6 = 1,67 кг поликристаллического кремния.

2. Материальный баланс однокомпонентного процесса с рециркуляцией

При получении отходов, позволяющих получать из них конечный продукт в том же процессе, целесообразно возвращать в начало процесса вместе с загрузкой исходного материала. Это повышает выход конечного продукта из исходного материала, но одновременно увеличивает загрузку оборудования.

Рециркуляция продукта в процессе характеризуется коэффициентом рециркуляции К_R, который определяется как:

К_R = 1 / (1 - _R) (1.2)

где _R - доля циркулирующего продукта.

В приведенном выше примере отходы в виде верхней и нижней частей монокристалла кремния могут быть использованы повторно при шихтовке с исходным поликристаллом.

Технологическая схема процесса при этом имеет вид (рис.1.3):

Рис. 1.3. Технологическая схема получения монокристаллов кремния с рециркуляцией отходов.

Коэффициент рециркуляции при этом будет К_R = 1/ (1 - 0,38) = 1,613

Выход кремния из исходного поликристалла _Si = 60 / 62 = 96,8 % вместо 60 % в процессе без рециркуляции отходов монокристалла. Расход поликристаллического кремния составляет 1 / 0.968 = 1,03 кг на 1 кг монокристалла, вместо 1,67 кг в процессе без рециркуляции. Экономия составляет около 38 %. Это свидетельствует о целесообразности использования рециркуляции отходов в тех случаях, когда это возможно.

3. Материальный баланс многокомпонентного процесса

В случае, когда в процессе используются химические реакции, необходимо учитывать составы исходных материалов и продуктов процесса. Баланс процесса включает балансы по каждому элементу, входящему в состав исходных материалов.

В качестве примера такого процесса рассмотрим материальный баланс процесса получения эпитаксиальных слоев кремния парофазной эпитаксией химическим осаждением (ПФЭХО). Технологическая схема процесса представлена на рис 1.4.

Рис. 1.4. Технологическая схема паро-фазной эпитаксии химическим осаждением кремния.

Материальный баланс составим при загрузке 100 г исходной парогазовой смеси (ПГС), содержащей SiCl₄ - 1% и H₂. - 99 % (объемных)

1. Находим массовый состав, % (масс.), исходной ПГС (молекулярные массы Si=28, H=1, Cl=35, SiCl₄=168)

SiCl₄ - 1 х 168 / (1х168 + 99х2) = 45,9%

H₂ - 100 - 45,9 = 54,1%

2. Массовый состав SiCl₄

Si - 28 / 168 = 16,7 %

Cl - 100 - 16,7 = 83,3 %

3. Масса эпитаксиальных слоев (Si - 100%) при их выходе _Si = 60%

45,9 х 0,167 х 0,6 = 4,6 г

4. Масса газовых отходов

Si - 45,9 х 0,167 х 0,37 = 2,8 г или 3%

Cl - 45,9 х 0,833 х 0,99 = 37,8г или 40,1%

H - 54,1 х 0,99 = 53,6г или 56,9%

--------------------------------------------------

Итого: 94,2г 100%

Результаты расчета сведем в таблицу материального баланса процесса получения эпитаксиальных слоев кремния в системе SiCl₄ - H₂ при содержании SiCl₄ - 1%(объем):

Поступило:

Наименование	Количество, г	Si		Cl		H
		%	Количество, г	%	Количество, г	%	Количество, г
SiCl4	45,9	16,7	7,7	83,3	38,2		-
H2	54,1		-		-	100	54,1
Итого:	100		7,7		38,2		54,1

Получено:

Наименование	Количество, г	Si		Cl			H
		%	Количество, г	%	Количество, г	%		Количество, г
Эпитаксиальные слои	4,6	100	4,6		-			-
Твердые отходы	0,2	100	0,2		-			-
Газовые отходы	94,2	3,0	2,8	40,1	37,8	56,9		53,6
Потери	1,0	7,7	0,1	38,2	0,4	54,1		0,5

Итого: 100 7,7 38,2 54,1

Из таблицы видно, что массы поступивших и полученных продуктов, как и отдельных элементов, равны.

Материальный баланс позволяет определить удельный расход материалов на единицу массы (г) эпитаксиального слоя:

Расход SiCl₄ 45,9 / 4,6 = 9,8г

Расход H₂ 54,1 / 4,6 = 11,8г

Улавливанию и переработке газообразных отходов подлежит:

94,2 / 4,6 = 20,5г на 1г эпитаксиального слоя.

Состав отходящих газов % (масс):

SiCl₄ - (2,8 / 28) х 168 = 17г или 17 / 94,2 = 18 %

HCl - (37,8 - 17 - 2,8) 36 / 35 = 24,3г или 24,3 / 94,2 = 25,8%

H - 54,1 - 0,5 - (24,3 /36) х1 = 52,9г или 52,9/94,2 = 56,2%

Состав отходящих газов в объемных %:

SiCl₄ - 17 / 168 = 0,1 мили моля или 0,4 %

HCl - 24,3 / 36 = 0,67 мили моля или 2,5 %

H₂ - 52,9 / 2 = 26,45 мили моля или 97,1 %

------------------------------------------------------------------

Итого: 27,22 мили моля 100 %

Расчет показывает, что общий объем отходящих газов велик, но основным компонентом в них является водород. Улавливанию и переработке подлежат лишь SiCl₄ и HCl. Водород целесообразно использовать как химический реагент или как источник тепловой энергии, учитывая большую его теплотворную способность.

При получении эпитаксиальных слоев производительность процесса часто определяется площадью получаемых композиций. Так при толщине получаемого слоя h=20мкм и плотности кремния  = 2,33 г/см³ из 4,6г кремния будет получено:

4,6 / h  = 4,6 / [(2*10^-3) 2,33] = 987 см².

Содержание задания

Составить материальный баланс по элементам производства одного из материалов твердотельной электроники. При этом:

- Определить выход конечного продукта производства и расход исходного сырья на единицу продукта;

- Определить виды, количество и состав отходов производства для решения вопросов их улавливания и переработки с целью защиты окружающей среды и составления экологического паспорта производства.

Объектом производства желательно выбрать материал, связанный с предстоящей дипломной работой или проводимой курсовой научно-исследовательской работой. Целесообразно использовать материал производственной практики.

При отсутствии указанных материалов может быть использована технологическая схема получения трихлорсилана, приведенная на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Технологическая схема получения трихлорсилана.

Процедура решения задачи

1. Рассчитываем массовый состав конечного продукта (%) по всем составляющим элементам.

2. Рассчитываем выход каждого элемента в конечный продукт по уравнению (1.1).

3. Рассчитываем количество получаемого конечного продукта по известному количеству какого-либо элемента в исходной загрузке.

4. Рассчитываем полный состав исходной загрузки.

5. Рассчитываем массу отдельных элементов, переходящих в побочные продукты в отдельных процессах, общую массу и состав этих продуктов в % по массе.

6. Полученные данные сводят в таблицу материального баланса.

7. На основе материального баланса определяют расход материала на единицу конечного продукта.

8. Определяют виды и массу отходов производства.

9.Отходы оценивают по степени токсичности и воздействию на природу.