Крутогин - Материалы и компоненты микроэлектроники (1074334), страница 7
Текст из файла (страница 7)
На рис.22 приведенаобобщенная классификация металлов.Особенности электропроводности металловКонцентрация электронов в металлах велика 5 .1021 – 5.1022 е/см3 ислабо зависит от внешних воздействий. Это значит, что увеличить ее путемлегирования или нагрева нельзя.Почти каждый атом решетки металлаосвобождает свой электрон, образуя электронный газ.51Рисунок 22 – Классификация металловЭлектрическое поле внутри металла равно нулю, т.к.
движениеэлектронов(смещениеихквнешнимповерхностям)мгновеннокомпенсирует любое приложенное внешнее поле. Дрейфовая скоростьэлектронов мала - мм/сек , тепловая скорость велика – тысячи км/сек . Рис.23 приближенно интерпретирует соотношение тепловой скорости и дрейфапод действием поля Е,рис.24 показываетхарактер изменений модулятепловой скорости и смысл средней тепловой скоростиРазница в проводимости металлов зависит от длины свободногопробега электронов ( порядка 1-10 нм ). Механизмы рассеяния определяютсяиз волновых свойств электрона и зависят от рассеяния на колебанияхрешетки - фононах, на атомах примесей и кристаллических дефектахвакансиях, дислокациях ит.п.=фонон+примес+дефект( 15 )52или по уравнению МатиссенаФононная составляющаяфон=фон+ост( 16 )– зависит от температурыРисунок 23 – Тепловое и дрейфовое движение электронов в металлахРисунок 24 – Изменение скорости электронов в результате соударений53в металлахБолее известно выражениет=о(ост)Т)(1+например для Cu :т=ТКогдеоТ( 17 )1,8.10-6(1+4,6.10-3 Т ),( 18 )– уровень начала отсчета, например для температуры комнатной( 300 К ) или О оС.Примесь в металле всегда повышает сопротивление, т.к.
являетсядополнительным рассеивающим центром ( даже золото, растворенное в Agуменьшает проводимость сплава)Уравнение Нордхейма описывает сопротивление двухкомпонентногосплаваспл=Ме+ Ах(1-х) ,( 19 )где А – постоянная рассеивания с размерностью удельного сопротивления,для Ag А = 30 Ом.см; для Au А = 20 Ом.см . Диаграмма составудельное сопротивление для Au-Ag приведена на рис.2554Рисунок 25 – Зависимость удельного сопротивления сплава Au – Ag отСоставаТеплопроводность металловТеплопроводность металлов главным образом электронная.Для металлов действует эмпирический закон Видемана-Франца= LT ,где( 20 )- теплопроводность [вт/см.к];-электросопротивление , [мкОм.см];L – постоянная Лоренца ( порядка 2-3-3,6 )2Т( 21 )= коэффициент термоЭДС.Например,длятермоэлементануженметаллсбольшойэлектропроводностью и низкой теплопроводностью. А такое сочетаниесвойствв одном материале противоречиво, поэтомубиметаллическиетермоэлементы менее эффективны, чем полупроводниковые.Некоторые дополнительные функции металлов:Вентильные – ( Пример: фольга Та с прочным и добротнымдиэлектрическим оксидом Ta2O5 используется в конденсаторах).Барьерные – противодиффузионные ( Примеры: тончайший подслой Ptтормозит диффузиюзолота,также ведет себя Cu для бора, олово длядиффузии азота).Адгезионные – тонкие слои некоторых металлов переходных группспособствуют адгезииЗащитные (антикоррозийные)– Au , Pt, Sn, Ni (соответствующиетехнологические операции: золочение, лужение, никелирование и т.п.)55Припойные - сплавы Sn – Pb , Sn – Bi –Sb с различной температуройплавления и прочностью.Структура металловВ подавляющем большинствепрактических применений металлынаходятся в поликристаллическом состоянии – т.е.
состоят из массыпроизвольноориентированныхзерен–кристаллитов,разделенныхграницами. Типичные размеры кристаллитов- от единиц до десятковмикрометров. Поэтому:а) свойства поликристаллов макроизотропны для всего изделия, номикроанизотропны внутри кристаллита;б) кристаллит, в отличие от кристалла, имеет сильно искаженнуюструктуру с дефектами и неоднородностью состава, т.к. рост кристаллитапротекает в сильно неравновесных условиях.
Поэтомунеправомерносчитать кристаллит микроскопическим кристаллом, идеальный кристаллоднороден и совершенен.в)огромноевлияниенасвойстваполикристалловимеютмежкристаллитные границы. Их совокупная площадь огромна, их толщина 110 нанометров. Это гигантский распределенныйструктурный дефект.Рисунки 26 и 27 иллюстрируют дефектность кристаллического строенияграницы между двумя слегка разориентированными зернами56А – атом принадлежит обоим зернам; В – ни одному из зеренРисунок 26 - Границы зерен в поликристаллическом материалеПлоскость двойникования, построенная из краевых дислокаций: d –характерный размер,- угловой разворот, a – межатомное расстояниеРисунок 27 – Поверхностные дефекты ()Роль межкристаллитных границ:а) аномально быстрая диффузия атомов по границам, обычно протекаетна несколько порядков быстрее, чем диффузия внутри регулярной решетки;б) межкристаллитная коррозия и внутреннее окисление ( собственно таже диффузия кислорода)разрушениюпо границам идет быстрее и приводит кграниц или увеличению рассеяния носителей , снижениюподвижности и увеличению сопротивления;в) на границах кристаллитов концентрируются примеси – т.е.
идетгеттерирование(самоочищение)выделение второйтвердогораствора,направленноенафазы на границе, что может ухудшить механическиесвойства сплава.Но в поликристаллическом состоянии есть и плюсы:а) изотропия свойств металла часто практически удобна;57б) структурой поликристаллов можно управлять в достаточно широкихпределах, (чемуи учат на металлургических специальностях МИСиС).Можно создать текстуру(неизотропные по форме кристаллиты!) илинанокристаллическое, или аморфное состояние.Металлические порошки (наночастицы) ( 1-100 нм) – особые состоянияметаллов.
Их особенности: высокая реакционная способность в композицияхи при спекании, возможность в широком диапазоне менять свойстваметаллов в составе композиций со стеклами, керамиками, клеями, графитоми т.п.Металлические пленкиСвойства металлов в пленках отличны от объѐмных по следующимпричинам:1) при вакуумном напылении пленок пары металловвзаимодействуют с газами или остаточнымисредамидлительновакуума: водой,парами масла, кислородом.. Окисленные металлические фазы оказываютсяна наружной или внутренней границах пленки2) металлические пленки взаимодействуют с подложкой и оценкасвойств пленки (например, электрических) идет общая.Прочное сцепление пленки с подложкой должно быть обеспечено –иначе возможно отслоение пленки.
За прочность контакта отвечает адгезия –процесс образования химических связей на поверхности. Как правило, вышеадгезия у МПГ, образующих прочные оксиды, например, у Ti, Ni, Cr, сплаванихром. Адгезия у металлов 1 группы Cu, Au – минимальна. ( Интереснозадуматься -почему? ) Значит для созданияпрочных проводящих слоевнужны тонкие адгезионные подслои ( доли мкм – нанометры ). Адгезияулучшается при повышенных температурах образования пленок; т.е принагреве подложки, на которую наносят пленку.583) ТКЛР на границе пленка-подложка приводит к напряжениям,образованию дислокаций, даже к деформации подложки. Прогнутые даже наединицы микрон полупроводниковые подложки неудобны и ненадежны(могут расколоться!) при последующей обработке;4) внекоторыхпленкахпосленапыленияидутактивныедиффузионные реакции на границе ( известный пример из истории микроэлектроники 60-х годов прошлого века: пленка контактного Au наалю-миниевой металлизации микросхем: при рабочих температурах 50-70 0С наконтакте медленно, но непрерывно идет реакция с образованием хрупкогосоединения AuAl2– “пурпурная чума»( соединение AuAl2 – красновато-оранжевое!) отрывает приборные контакты на микроприборах).5) воченьтонкихпленкахпоявляютсяразмерныеэффектыпроводимости.
При длине пробега электрона, сравнимой с толщиной пленкивозникает дополнительное рассеяние носителей – отражение от обеих границпленки – от наружной и от подложки. Зависимость сопротивления итемпературного коэффициента сопротивления от толщины пленки металла δпредставлена на рисунке 28.Рисунок 28 – Зависимость удельного сопротивления и ТК59металлической пленки от еѐ толщины ( размерный эффект )Пунктир- сопротивление объемного металлаФормулаRlbстановится ограниченно верной, с учетом6) пластичность проводниковыхтокавшинахэлектродиффузиикоммутациии=f( ) /.металлов при больших плотностяхприводитэлектромиграции.кШинынеприятнымявлениям:коммутациисложныхмикросхем состоят из множества металлических параллельных дорожекминимальнодопустимогодиэлектрической пленкой.собойпоперечногосечения,разделенныхПоперечный профиль дорожки представляетобычно трапецию с основанием, близким к проектной норме,например 0,25 мкм, и вдвое большей высотой.
При площади поперечногосечения дорожки 0,125 мкм2 (1,25х10-9 см2 ) и токе 10мка плотность токаприближается к 104 А/см2. В некоторых дорожках, ослабленных по площадипоперечного сечениялибо включенным дефектом, либо незначительнымтехнологическим отклонением размеров возрастает плотность электронноговетра и из этих сечений (атом за атомом) уносится металл. Предельноеследствие уноса – обрыв токоведущей дорожки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
