Каленик Д.В. Технология материалов электроники. Часть 1 (2001)

Министерство образования Российской ФедерацииЮжно-Уральский государственный университетКафедра автоматизации механосборочного производства621.38(07)К171Каленик Д.В.ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ ЭЛЕКТРОНИКИУчебное пособиеЧасть 1Под редакцией М.М.ТверскогоЧелябинскИздательство ЮУрГУ2001УДК [621.38: 620.22] (0.75.8) + 621.382.002.2(075.8)Каленик Д. В. Технология материалов электроники: Учебное пособие.– Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2001.− Ч.1.− 119 с.В пособии рассмотрены вопросы технологии полупроводниковых, магнитных,диэлектрических и проводниковых материалов, широко применяющихся вэлектронике и микроэлектронике, прогрессивные технологии производстватонкопленочных материалов и наращивания на подложку монокристаллическихэпитаксиальных пленок, планарная технология производства интегральных схем,методы создания p−n- переходов и способов легирования (введения примесей) вподложку и другие вопросы производства приборов и устройств электроннойтехники.

Общеизвестно значение материаловедения и технологии в разработкесовременных изделий, в частности, изделий электроники. Это значение хорошовидно на примере полупроводниковых материалов. Пока не были разработанысовременные способы создания монокристаллических полупроводниковыхматериалов очень высокой степени чистоты, невозможно было создание приборови изделий электронной техники с воспроизводимыми, предсказуемымисвойствами. В пособии рассмотрены физикохимия поверхностных явлений,диффузионныхпроцессов,физико-химическаямеханика,физикаполупроводников и другие вопросы, тесно связанные с технологией материаловэлектроники.

В общетехнических курсах материаловедения, читаемых студентамвсех специальностей вузов, не уделяют или уделяют недостаточное вниманиетаким материалам, как полупроводники, сверхпроводники, активные диэлектрики,композиционные,керамические,полимерные,пленочные,монокристаллические и другие материалы.Может использоваться студентами специальностей 1211, 1301, 1304, 1306,1313, 1709 при изучении общих вопросов технологии производствасоответствующих машин и агрегатов.

Пособие будет полезным студентам МТ,ПС, Э факультетов.Ил. 81, табл.5, список лит.− 16 назв.Одобренофакультета.учебно-методическойкомиссиеймеханико-технологическогоРецензенты: Андрианов В. Н., Закамалдин В. И. Издательство ЮУрГУ, 2001.ISBN 5-696-02048-82ВВЕДЕНИЕМатериал – один из видов вещества, идущего на изготовление изделий.Одно из требований к нему – стабильность, сохранение внутреннего строения впроцессе длительной эксплуатации, что присуще только твердому агрегатномусостоянию. При переработке материала в изделия (резание, диффузия,окисление, нанесение покрытий и т.д.), когда воздействуют, в основном, наповерхностные слои, материалы не должны изменять внутреннего строения.Однако стабильность относительна, изменчивость же – абсолютна.

Последняяпроявляется как зависимость от внешних воздействий, основные из которых:изменение температуры – тепловое движение атомов и частиц; движениеэлектронов, ионов и целых групп атомов под действием полей; диффузия – всеее виды; структурные дефекты и неоднородность самого материала. Отсюда иусловность терминов и классификаций. Даже общепринятое разделениематериалов на проводники, полупроводники и диэлектрики весьмаотносительно. Так при очень низких температурах разница междуполупроводниками и диэлектриками стирается, а при повышенныхтемпературах полупроводники становятся хорошими проводниками. Крометого, есть вещества, занимающие промежуточное положение между этимитипами материалов, что предоставляет широкий выбор для инженерноготворчества.Электроника – наука о взаимодействии электронов с электромагнитнымиполями и о методах создания электронных приборов и устройств дляобработки, передачи и хранения информации.

Возникшая в ХХ веке вначалекак вакуумная, в 50-х г. она все больше становится полупроводниковой, сначала 60-х г. одно из перспективных ее направлений – микроэлектроника.Решающее значение имеет то, что быстродействие приборов и малоепотребление ими мощности можно получить только путем использованияминиатюрных элементов. После создания квантового генератора началосьразвитие квантовой электроники. Электронные приборы и устройствасоставляют аппаратную основу автоматики, вычислительной техники,измерительной техники и т.д.В курсе рассмотрены вопросы технологии полупроводниковых, магнитных,диэлектрических и проводниковых материалов, широко применяющихся вэлектронике и микроэлектронике, прогрессивные технологии производстватонкопленочныхматериаловинаращиваниянаподложкумонокристаллических эпитаксиальных пленок, планарная технологияпроизводства интегральных схем, методы создания р–n-переходов и способовлегирования (введения примесей) в подложку и другие вопросы производстваприборов и устройств электронной техники.

В электронике материалывыполняют сложные функции, поэтому требования к ним многопараметричны.Так, технические условия на монокристаллический кремний содержат болеедесяти характеристик, отражающих химические, электрические, механическиесвойства каждого типономинала (намного больше, чем раньше в3машиностроении и электротехнике). Поэтому оценка эффективностиразработки, поиск оптимального решения затруднены.

Важно отметить, чтоматериалы, применяемые в электронике – это целиком искусственныематериалы. Практически ни один из встречающихся в природеполупроводниковых кристаллов не легируется. Получение исходногоматериала связано с большими затратами сил и средств. В то же времяуправление свойствами веществ за счет только регулирования степениупорядоченности структуры достигло столь высокого уровня, что один и тотже материал (например, кремний) можно получить в виде полупроводника,проводника или диэлектрика за счет изменения концентрации структурныхдефектов.Общеизвестно значение материаловедения и технологии в разработкесовременных изделий, в частности, изделий электроники. Это значение хорошовидно на примере полупроводниковых материалов, известных несколькостолетий. Пока не были разработаны современные способы созданияполупроводниковых материалов очень высокой степени чистоты, невозможнобыло создание приборов и изделий электронной техники с воспроизводимыми,предсказуемыми свойствами.

Физикохимия поверхностных явлений,диффузионных процессов, физико–химическая механика, физика полупроводников и другие отрасли знаний, находящиеся на стыке традиционных разделовнауки, помогли разработке этих современных материаловедческих технологий.Потребности практики способствовали стремительному развитию этих новыхотраслей знаний.Традиционный путь создания новых изделий, когда после окончанияконструирования производилась оценка технологичности и экономическойэффективности, разработка технологии производства изделий, оказалсяэкономически нецелесообразным.

Такая последовательность увеличиваетвремя подготовки производства, время между окончанием проектирования иначалом серийного выпуска продукции. Иногда конструкция моральноустаревает ко времени серийного выпуска, или оказывается вообщеневозможным промышленное освоение изделия. Поэтому современнаятенденция – материаловед и технолог должны с самого началаконструирования любого изделия, с эскизного проекта, участвовать в егоразработке.В общетехнических курсах материаловедения, читаемых студентам всехспециальностей технического вуза, не уделяют или уделяют недостаточноевнимание таким материалам как полупроводники, сверхпроводники, активныедиэлектрики, композиционные, керамические, полимерные, пленочные идругие материалы. Поэтому данное учебное пособие начинается с вопросовматериаловедения.

Материаловедение – это наука, изучающая связь междусоставом, строением (структурой) и свойствами материалов, закономерностиих изменения под влиянием тепловых, химических и других видоввоздействий. Это научная основа получения новых материалов с заданнымисвойствами. Материаловедение тесно связано с материалофизикой.41.СОСТАВ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ1.1. Состав материаловХотя количество известных химических соединений измеряется десяткамимиллионов, и каждый год добавляется более 100.000 только органическихсоединений, все они состоят из сравнительно небольшого количества простыхвеществ (элементов) периодической системы Д.

И. Менделеева (табл. 1.1). 105известных элементов можно разделить на металлы, полуметаллы и неметаллы(табл. 1.2). Природа явно предпочла металлы, их 80 из 105, но лишь немногие изних применяются в электронике в чистом виде. Сu, Аg, Аu обладают высокойэлектро– и теплопроводностью; Сr, Ni имеют высокую химическую стойкость; Fe,Ni, Со характеризуются хорошими магнитными свойствами. Но в основномвещества применяются в виде сплавов, химических соединений. Средиполуметаллов (заштрихованы в таблице 1.2) главную роль в электронике играютполупроводники Si и Ge, которые широко применяются в элементном виде(моно– и поликристаллы).

Углерод является основой большинства органическихсоединений и полимеров, без которых современная электроника обойтись неможет. Неметаллы в элементарном виде практически не используются, иобъясняется это просто: большинство из них (9 из 12) являются газами, один (Вr)– жидкость и лишь два (S и J) – твердые, но легкоплавкие, летучие вещества.Периодическая система (табл.1.1, 1.2) отражает закон изменения физико–химических свойств элементов с изменением заряда ядра Z и числа электронов вовнешней оболочке атомов.

Говорить о макросвойствах материалов невозможнобез знания структуры атома. Последовательность расположения элементов втаблице определяется зарядом ядра Z, а периодичность физико–химическихсвойств связана с существованием электронных оболочек атома, постепенно заполняющихся с возрастанием Z. Электроны в атомах располагаются по оболочкам(слоям). Первая, ближайшая к ядру K-оболочка, далее следуют L, М, N, O, Р и Qоболочки (последние оболочки – для самых тяжелых элементов таблицы). Энергетическое состояние электрона в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами – главным (n), орбитальным (l), спиновым (ms) и магнитным (ml). Главноеквантовое число n определяет орбиту электрона (радиус орбиты или большая полуось эллипса), от него зависит энергия электрона в атоме.