А.А. Бабырин - Электроника и микроэлектроника, страница 2

Многообразие технологических приемов, методов и процессов, используемых в современном электронном приборостроении, делает методически оправданным вышеупомянутый дедуктивный подход при изучении курса технологии электронных приборов в широком их понимании. В основе любого технологического процесса лежит определенное физическое, химическое или электрохимическое воздействие на материал с целью управляемого изменения его состояния, структуры или состава. Такой взгляд на техно- Предисловие логические процессы позволяет выделить их базовые физико- технологические черты и увидеть общие физические закономерности, управляющие этими процессами вне зависимости от конкретного типа электровакуумного или твердотельного прибора. Именно такой методический подход положен в основу построения данного учебного пособия.

Авторский отбор материала, необходимого для изложения физических основ технологии, определяется исключительно его применимостью к технологическим проблемам электроники, что, бесспорно, ограничивает круг рассматриваемых вопросов, Первая глава является базовой и посвящена фундаментальным вопросам термодинамики, важным для понимания физических закономерностей, которые составляют основу многообразных методов и процессов, используемых в современной электронной технологии. Традиционное изложение термодинамики базируется на трех постулатах, называемых началами термодинамики, которые феноменологически выражают общие закономерности, наблюдаемые в природе, без выяснения их микроскопической основы.

Благодаря общности базовых положений, термодинамический подход дает результаты, применимые к разнообразным макроскопическим системам. В отличие от традиционного изложения, в первой главе за основу взят статистический подход, основанный на больцмановском определении энтропии. В таком изложении известные начала термодинамики, выражаю|цие закон сохранения энергии в открытых системах, критерий самопроизвольности процессов в замкнутых системах и принцип недостижимости абсолютного нуля температуры, появляются в обратном порядке. Полученные в этой главе общие соотношения термодинамики, в частности, условия фазового и химического равновесия, активно работают в последующих главах. Вторая и третья главьс рассматривают основные физические закономерности, которые описывают фазовые равновесия и управляют изменением фазового состояния веществ, а также основные положения химической термодинамики для систем с реактивными компонентами, включая ионные и электрохимические процессы, имеющие непосредственное отношение к технологическим проблемам электроники.

Как уже отмечалось, несмотря на многообразие процессов технологии, они могут быть объединены общностью физических явлений, лежащих в основе их действия. Например, технологические операции, проводимые в вакууме и газовых средах (такие как вакуумное обезгаживание и очистка материалов, термовакуумное испарение и конденсация, газофазная эпитаксия, легирование полупроводников из газовой фазы Предисловие и др.), управляются законами испарения и сублимации конденсированных сред, растворения и диффузии газов в этих средах. Закономерности взаимодействия между жидкой и твердой фазами, описываемые с помощью диаграмм плавкости, лежат в основе таких технологических операций, как пайка припоями, формирование омических контактов к полупроводникам, жидкофазная эпитаксия, кристаллизационные методы выращивания и очистки веществ и др.

Законы химического и электрохимического взаимодействия управляют процессами очистки, травления и окисления поверхности, химическим транспортом веществ при газофазной эпитаксии, формированием люминофорного и термоэмиттирующего покрытий в вакуумных приборах и т.п.

Четвертая глава описывает физические закономерности, определяющие поведение точечных дефектов в кристаллах, и управление нми для целенаправленного изменения электрофнзических свойств полупроводниковых материалов путем их легирования, т. е. искусственного создания точечных дефектов в кристаллах. Некоторые свойства твердых тел (такие как плотность, упругость, решеточная теплоемкость, диэлектрическая проницаемость) малочувствительны к дефектности кристалла и адекватно описываются моделью идеальной кристаллической решетки.

Однако большинство физических свойств (электрические, магнитные, оптические, механические, тепловые) являются структурно-чувствительными, т.е, зависят от степени несовершенства кристаллической решетки. Поскольку реальные твердые тела имеют в большей или меньшей степени нарушения периодической структуры, то управление дефектообразованием в технологических процессах приобретает важное практическое значение.

Пятая глава включает неравновесные физические явления, возникающие при нарушении условий фазового и химического равновесия, в применении к технологическим системам. В предыдущих главах были рассмотрены равновесные закономерности, лежащие в основе управления фазовыми, химическими и электрохимическими превращениями веществ и процессами образования дефектов в кристаллах полупроводников. Принципиальная возможность (или невозможность) смещения термодинамического равновесия в нужном направлении устанавливалась на основании знака приращения изобарного потенциала ЬС (или изохорного потенциала ЬЕ) для рассматриваемого процесса, Однако практическая осуществимость процесса определяется не только термодинамическимн факторами.

Важную роль в этом, в частности, при формировании скорости протекания процесса, Предисловие играют существенно неравновесные закономерности, лежащие в основе диффузионной и химической кинетики. Именно эти закономерности управляют процессами вакуумного обезгаживания и газопроницаемости материалов, диффузионного легирования полупроводников, термического окисления кремния, химического травления полупроводников и эпитаксиального выращивания монокристаллических слоев, рассмотрение которых и составляет содержание пятой главы. Шестая глава посвящена изложению основных положений термодинамики поверхностных явлений и межфазных взаимодействий, имеющих отношение к таким технологическим проблемам, как сорбционные явления при газопоглощении и газо- выделении материалов, процессы зародышеобразования и эпитаксиального роста пленок на реальных подложках, процессы удаления поверхностных загрязнений и формирования вакуумноплотных и герметичных соединений материалов.

Приложение А содержит изложение методики термодинамических расчетов в применении к технологическим задачам на примере, во-первых, анализа состава газовой фазы и окисляемости конструкционных материалов в вакуумном приборе при термообработке оксидного катода и, во-вторых, расчета процесса химического осаждения арсенида галлия из газовой фазы в системе ОаАз — НгΠ— Нз.

Справочный материал, включая список основных обозначений физических величин, приведен в приложении Б. В настоящее учебное пособие не включены вопросы, относящиеся к процессам электронного, ионного и лазерного воздействия на материалы, которые сегодня находят широкое применение в микроэлектронной технологии. Это сделано сознательно по следующим причинам, Во-первых, специфика физических явлений при взаимодействии корпускулярных потоков с поверхностью твердых тел не вписывается в избранную нами «термодинамическую схему» изложения физических основ технологии.

Во-вторых, к настоящему времени издано достаточно большое число превосходных книг по этой тематике, среди которых можно назвать, например, такие: ° Мейер Дж., Эриксон Л., Дэвис Дж. Ионное легирование полупроводников. — Мл Мир, 1973.

° Шиллер 3., Гайзик У., Панцер А. Электронно-лучевая технология. — Мл Энергия, 1980. ° Рассел Х., Руге И. Ионное имплантация. — Мл Наука, 1983. Предисловие ° Вендик О.Г., Горин Ю.Н., Попов В.Ф. Корпускулярнофотонная технология. — Мг Высшая школа, 1984.

° Аброян И.А., Андронов А.Н., Титов А.И. Физические основы электронной и ионной технологии. — Мл Высшая школа, 1984. ° Валиев К.А., Раков А.В. Физические основы субмикронной литографии в микроэлектронике. — Мл Радио и связь, 1984, ° Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии. — Мг Мир, 1985, ° Оцуки Е.-Х. Взаимодействие заряженных частиц с твердыми телами. — Мг Мир, 1985. ° Дьюли У. Лазерная технология и анализ материалов,— Мл Мир, 1986.

° Фелдман Л., Майер Д. Основы анализа поверхности и тонких пленок. — Мг Мир, 1989. ° Моро У. Микролитография. — Мл Мир, 1990. ° Барченко В. Т., Быстров Ю.А., Колгин Е.А. Ионноплазменные технологии в электронном производстве. — СПбг Энергоатомиздат, 2001. В настоящем учебном пособии изложение материала построено таким образом, 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. С этой целью рассмотрение большинства вопросов начинается с обсуждения исходных модельных представлений, на базе которых приводится детальный вывод необходимых математических соотношений с последующей интерпретацией их физического содержания.

Каждая глава заканчивается перечнем контрольных вопросов. Для углубленного изучения отдельных разделов в конце книги приведен список рекомендуемой литературы. Настоян!ая книга является исправленным и дополненным вариантом первого издания, выпущенного под названием «Физико- технологические основы электроники» издательством «Лань» !Санкт-Петербург) в 2001 году, Она написана на основе многолетнего опыта чтения лекций для студентов факультета электроники Санкт-Петербургского электротехнического университета !бывшего ЛЭТИ).