А.А. Бабырин - Электроника и микроэлектроника

УДК 538.9 ББК 32.85 Б26 Барыбин А. А. Электроника и микроэлектроника. Физико- технологические основы. — Мл ФИЗМАТЛИТ, 2006. 424 с. 15ВХ 5-9221-0679-! . В книге изложены основные физические явления и закономерности, лежащие в основе технологических методов и процессов, используемых в производстве современных электронных приборов и интегральных микросхем. Изложение материала построено так, чтобы дать читателю возможность самостоятельно сформировать общие физико- технологические представления путем изучения основных физических, химических и электрохимических закономерностей, как правило, без обращения к другой литературе. Для углубленного изучения отдельных вопросов в конце книги приведен список рекомендуемой литературы.

Книга предназначена главным образом для студентов как учебное пособие по физико-технологическим основам электроники и микроэлектроники, но может оказаться полезной и специалистам в этой области. Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации в качестве учебного пособия для студентов высщих учебных заведений, обучающихся по направлениям 550700 и 654100 «Электроника и микроэлектроника» подготовки бакалавров, магистров и дипломированных специалистов. © ФИЗМАТЛИТ, 2006 © А.

А. Барыбин, 2006 15В51 5-922141679-1 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие Введение 7 14 21 22 24 27 30 32 36 38 41 43 47 51 54 62 69 74 80 81 85 Глава 2. Управление фазовыми превращениями веществ .. 2.1. Фазовые превращения в однокомпонентных системах...... 2.2. Давление насыщенного пара чистого вещества........... 2.3. Давление насыщенных паров над растворами и смесями веществ в конденсированном состоянии ................. 2.4.Молекулярная и атомарная растворимость газов в конденсированных средах . 2.5.

Равновесие жидкой и твердой фаз в однокомпонентных и 89 96 бинарных системах 101 Глава 1. Термодинамические основы технологических процессов !.1. Статистическое определение энтропии................. 1.2. Свойства энтропии. Статистический смысл температуры ... 1.3.

Закон сохранения энергии в открытых системах ......... 1.4. Типы термодннамическнх процессов .................. 1.5. Тепловой эффект изохорных и изобарных процессов ...... 1.6. Тепловой эффект и энтропия необратимых процессов...... 1.7. Условия самопроизвольности изотермических процессов в открытых системах 1.8. Основные термодинамические функции и соотношения между ними 1.9. Химический потенциал и парциальные мольные величины..

1.10. Термодинамические функции идеального газа ........... 1.11. Понятие о стандартном состоянии веществ и таблицах стандартных термодинамнческих величин 1.12.Модели и термодинамические свойства растворов ........ 1.13. Термодинамика образования твердых и жидких растворов .. 1.14.

Условия фазового и химического равновесия. Правило фаз Гиббса 1.15. Условия фазового и электрохимического равновесия в системах с заряженными частицами Оглавление 2.6. Диаграмма плавкости бинарных систем без твердых растворов 108 2.7. Диаграммы плавкости бинарных систем с неограниченным твердым раствором 11! 2.8. Диаграммы плавкости бинарных систем с ограниченными твердыми растворами 115 2.9.

Диаграммы плавкости бинарных систем с химическими соединениями в твердой фазе . 120 Г л а в а 3. Управление химическими превращениями веществ 129 3.1. Закон действия масс и константы химического равновесия.. 129 3.2. Направление протекания химической реакции. Уравнение изотермы Вант-Гоффа . 135 3.3. Температурная зависимость констант химического равновесия. Уравнения изобары и изохоры Вант-Гоффа .......... 140 3.4. Управление химическими реакциями. Принцип Ле Шателье 144 3.5.1'азотранспортные химические реакции ................ 148 3.6.

Ионное равновесие и термодинамические свойства растворов электролитов. 152 3.?. Термодинамика электрохимических процессов ........... 158 3.8. Электродные процессы в электрохимических системах...., 167 3.9. Управление ионными процессами в водных растворах электролитов. 176 Глава 4. Управление точечными дефектами в кристаллах.. 190 4.1. Точечные дефекты и физические свойства кристаллов..... 191 4.2. Квазихимический метод описания дефектов....,...... 200 4.3. Электронно-дырочное равновесие в полупроводниках...... 203 4.4.

Растворимость примесей в полупроводниках с учетом ионизации примесных атомов. 208 4.5. Внутреннее равновесие собственных и примесных дефектов 213 4.6. Управление собственными дефектами путем отжига кристаллов в парогазовой среде. 219 4.7. Распределение амфотерной примеси в кристаллической регпетке полупроводников. 223 Г л а в а 5.

Управление диффузионными и кинетическими процессами 228 5.1. Термоактивационные процессы. Закон Аррениуса ........ 228 Оглавление 5.2.Механизм кинетики химических реакций. Уравнение Аррениуса 5.3. Механизмы диффузии атомов в твердом теле............ 5.4. Законы Фика. Начальные и граничные условия в задачах диффузии 5.5. Диффузионные задачи на удаление вещества из твердого тела 5.6. Принципы вакуумного обезгаживания материалов........ 5.7. Роль диффузии в газопроницаемости вакуумных оболочек .. 5.8. Диффузионные задачи на введение вещества в твердое тело 5.9. Принципы диффузионного легирования полупроводников...

5.10. Диффузионная и химическая кинетика гетерогенных процессов 5.11.Маскирующие свойства слоев двуокиси кремния ......... 5.12. Кинетика термического окисления кремния ............. 5.13. Кинетика химического травления полупроводников,...... 5.14. Принципы выращивания монокристаллических слоев методами жидкофазной и газофазной эпитаксии............. 5.15. Кинетика химического транспорта веществ в проточных системах 5.16.

Кинетика химического транспорта веществ в сэндвич-системах 5.17. Кинетика процессов в электрохимических системах....... Глава 6. Управление поверхностными явлениями и межфазными взаимодействиями . 6.1. Термодинамика поверхностных явлений................ 6.2. Поверхностное давление. Формулы Гиббса — Томсона....... 6.3. Физическая и химическая адсорбция на поверхности твердых тел. 6.4. Кинетика процесса физической адсорбции. Уравнение изотермы Ленгмюра. 6.5. Роль адсорбции, растворения и диффузии в газопоглощении материалов 6.6.

Движущая сила процесса кристаллизации.............. 6.7. Термодинамические условия гетерогенного зародышеобразования 6.8. Механизмы роста пленок на реальных подложках........ 6.9. Механизмы удаления поверхностных загрязнений........ 234 238 24! 244 253 256 261 267 274 282 286 293 299 305 310 318 330 331 335 343 349 352 355 363 373 381 Оглавление 8.10. Механизмы формирования вакуумно-плотных соединений материалов 385 Приложение А. Термодинамические расчеты в задачах технологии. 392 А.1. Состав газовой фазы и окисляемость металлов при термообработке оксидного катода .

392 А.2. Химическое осаждение арсенида галлия из газовой фазы в системе ОаАз — НзО-Нз . 401 Приложение Б. Справочный материал................. 408 Б.1. Важнейшие физические константы ................... 408 Б.2. Некоторые внесистемные единицы....,...,.........., 408 Б.З. Обозначения физических величин .................... 409 Литература, рекомендуемая для углубленного изучения........

415 Предметный указатель . 417 Предисловие Современная электроника как научно-техническое направление имеет дело с исследованием и техническим применением разнообразных физических явлений в материальных средах с заряженными частицами (в вакууме, плазме и твердом теле) для создания различных электронных приборов и устройств. Изучение физических закономерностей, положенных в основу принципа действия приборов, составляет содержание учебных дисциплин, близких по названию к «Физическим основам электроники». В отличие от этого, данное учебное пособие содержит изложение основных физических явлений и закономерностей, лежащих в основе технологических методов и процессов, используемых в производстве современных электронных приборов и интегральных микросхем. Именно это отражает как название, так и содержание данной книги — «Электроника и микроэлектроника.

Физико-технологические основы». На сегодняшний день электронные приборы перекрывают огромный частотный диапазон, начиная от сверхнизких и низких звуковых частот до высоких и сверхвысоких радиочастот и кончая оптическим и рентгеновским излучением. Они выполняют самые разнообразные функции в системах передачи, приема, хранения и обработки информации. Сюда относятся такие функции, как: ° генерация и усиление сигналов; ° различные виды преобразования спектра сигналов (модуляция, детектирование, смешение, фильтрация, сжатие, расширение или фурье-трансформация сигналов, временная задержка и свертка сигналов); ° коммутационные преобразования в устройствах хранения и цифровой обработки сигналов; ° электрооптические и фотоэлектрические преобразования в устройствах индикации и визуализации сигналов.

Даже простое перечисление функциональных назначений приборов свидетельствует об их огромном многообразии, которое расширяется за счет различия в принципе действия, в частотно- геометрических факторах и конструктивно-типовых признаках. Эти различия естественно порождают многообразие технологи- Предисловие ческих процессов, методов, операций и приемов изготовления электронных приборов. В настоящее время к электронным приборам в широком понимании принято относить все классы и типы современных приборов электронной техники, вычислительной техники, радиоэлектроники и оптоэлектроники, как в дискретном, так и в интегральном или гибридном исполнении. Номенклатура современных приборов — электровакуумных, газоразрядных, полупроводниковых, ферритовых приборов дискретного исполнения и интегральных микросхем — настолько обширна и разнообразна по их функциональному назначению, принципу работы, конструктивным и технологическим особенностям, что не представляется возможным детальное и углубленное изучение всех типов приборов в рамках часов, предусмотренных учебными планами той или иной специальности.

В этих условиях при построении учебного курса единственно возможным и методически оправданным является дедуктивный подход (от общего к частному) в отборе учебного материала, базирующийся на изложении общих физических и физико-химических закономерностей, присущих технологическим процессам, используемым при изготовлении электронных приборов различных типов. Современная электронная технология составляет наиболее динамичную часть электронной техники в целом. В последние годы интенсивное развитие технологии, с одной стороны, было порождено потребностями новых перспективных направлений в электронике, таких как микроэлектроника, оптоэлектроника, акустоэлектроника, криоэлектроника, спинволновая электроника, а с другой стороны, само обеспечило значительные успехи, достигнутые в этих направлениях. Характерной особенностью современного развития технологии является быстрое техническое освоение последних достижений в различных областях науки, таких как физика пучков заряженных частиц в вакууме и плазме, физика твердого тела и тонких пленок, химическая термодинамика и кинетика, электрохимия, кристаллохимия, материаловедение и др.