Каленик Д.В. Технология материалов электроники. Часть 1 (2001) (1152092), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Точечные дефекты распространяются лишь на узлырешетки (рис.1.15), простейшая из них – вакансия (“атом пустоты” по Я. И.Френкелю). Если при температурах, близких к абсолютному нулю, вакансий нет,то при повышении температуры их количество растет экспоненциально. Принормальной температуре (Т=300 К) концентрация вакансий ∼ 1015 см–3, т.е. накаждые 10 млн. атомов приходится одна вакансия, но при нагреве их количестворезко увеличивается и может не снизиться до равновесной при быстромохлаждении – “заморозится”. Так как такие кристаллы сильно отличаются посвойствам, их для стабилизации характеристик подвергают отжигу в вакууме илиатмосфере какого-нибудь газа.
Диффузионное легирование полупроводников привысокой температуре происходит в основном вакансионным путем. Энергия,затрачиваемая на переход атома в междоузлие больше, чем на образованиевакансии и концентрация таких дефектов меньше. Видом точечных дефектовявляется отклонение состава от стехиометрического (частичная потерясоединением одного из компонентов, например, более летучего, при нагреве).Атомы примесей также являются дефектами структуры, поскольку ониобязательно отличаются размерами или числом валентных электронов иискажают решетку кристалла. Меньше нарушается структура примесямизамещения. Это возможно, когда свойства и размеры примеси и основноговещества близки; если содержание примеси высокое, то говорят о твердыхрастворах замещения.Линейные дефекты.
Наиболее характерным примером таких дефектовявляются дислокации (“смещения”). Простейшими видами дислокаций являютсякраевые (рис.1.16) и винтовые. Дислокации и их перемещение под нагрузкойобъясняют пластичность металлов. Возникновение дислокаций в кристаллах –следствие механических напряжений (внешнее нагружение, внутренниетермические напряжения при выращивании монокристаллов). Их можнонепосредственно наблюдать в электронном микроскопе, но обычно применяетсяселективное травление, при котором выход дислокации на поверхностиобозначается ямкой.
Характеристикой качества кристалла является количествоямок на 1см2. Обычная для искусственных монокристаллов плотность дислокаций– 104…105 см–2. В Si за счет тонкого регулирования условий роста удается снизитьее до единиц на 1 см2 (бездислокационные кристаллы). Наиболее характернымипредставителями поверхностных дефектов (имеют два измерения) являютсядвойники. Эти дефекты легко различимы и свидетельствуют о браке кристалла.Современная технология выращивания кристаллов позволяет свести их кминимуму. Трехмерные или объемные дефекты (раковины, трещины) охватываютбольшую область кристалла, энергетически невыгодны, и для налаженнойтехнологии нехарактерны.
Структурное совершенство промышленных кристалловопределяется главным образом точечными дефектами и дислокациями. Без учета28Рис. 1.16. Краевая дислокация в кристаллеРис. 1.17. Упругая и пластическая деформации при сдвиговомнапряжении29вида и концентрации дефектов, характеристики кристалла неопределенны,двусмысленны, не соответствуют справочным.
Поэтому интенсивно развиваютсяметоды исследования строения кристаллов (рентгеновский микроанализ,растровая электронная микроскопия, нейтронография и др.). Конструктор долженхорошо знать особенности производства материалов, а наука о материалахдолжна включать, наряду с изучением состава, структуры (с учетом дефектов) исвойств, также и способы получения – технологию материалов.Несколько подробнее о примесных точечных дефектах. Хорошо известно,что условием применения многих материалов, в первую очередьполупроводников, является высокая степень очистки. В микроэлектронике,почти такие же требования по чистоте, предъявляются и к тонкопленочнымпроводникам и к диэлектрикам. В то же время, все эти материалы редкоиспользуются в беспримесном виде – для управления свойствами в нихнамеренно вводят примеси, легируют.
Таким образом, примеси разделяют наконтролируемые, намеренно вводимые (легирующие) и неконтролируемые –загрязнения. Загрязнения обуславливают зависимость свойств изделий отданного производителя и исходного сырья, непостоянство их вида иконцентрации, приводит к нестабильности технологии, снижению выходагодных приборов.
Десятипроцентный выход годной продукции,припроизводстве интегральных схем (ИС) из монокристаллов кремния, считаетсявысоким. Поэтому усилия технологов направлены на снижение уровня фонанеконтролируемых примесей до предела, исключающего его существенноевлияние на свойства.
Во многих случаях такому качеству соответствуетсодержание примесей 10–4% или относительному содержанию примесей 10–6.Вещества и материалы в этом случае называют особо– или высокочистыми.Количественно это будет соответствовать тому, что в каждом см3 объема будетсодержаться 1022–6=1016 атомов примеси, что для полупроводниковыхматериалов недопустимо много. Современные способы очистки даютвозможность получать исходные материалы с концентрацией примесей 1012 см–3по кремнию и 1010 см–3 по германию.
Вследствие термодинамических особенностей твердых растворов, в каждом материале содержится очень большоечисло примесей – в ничтожных количествах все элементы таблицыМенделеева, как говорят химики “все растворяется во всем”. Поэтому контрольза их содержанием ведется по нескольким, наиболее вредным, и частоограничиваются определением концентрации “бытовых” примесей – Fe, Cu, Ca,Mg, Na и по их содержанию судят об общем уровне загрязнения. Источникомзагрязнений, кроме исходного сырья, служат реагенты, контейнеры, рабочаясреда (газы, жидкости), окружающая среда. Особо опасно загрязнение впроцессе обработки, когда прежде всего страдает качество поверхностей играниц раздела (многие важные физические эффекты происходят именно там).Высокие объемные характеристики материала не реализуются в приборах вслучае загрязнения поверхностей, причем загрязнить поверхность значительнолегче, чем объем, а проконтролировать загрязнение труднее. Опыт технологиипроизводства ИС показал, что пока защита поверхностей материала, чистота30реагентов и окружающей среды рассматривались как второстепенные условия,выход годных изделий оставался крайне низким.
Требования к чистотепроизводственных помещений в таком производстве намного жестче, чемтребования к больничным операционным.Кроме рассмотренных статических дефектов, иногда рассматриваются идинамические дефекты. Наиболее распространенный вид динамическихдефектов – фононы или временные искажения регулярности решетки,вызванные тепловым движением атомов.Кристаллическое состояние большинства твердых тел являетсяестественным, потому что энергия при упорядоченном расположении атомовменьше и любая система стремится перейти в состояние с минимальнойсвободной энергией. Однако атомы не всегда имеют благоприятнуювозможность располагаться упорядоченно в процессе затвердевания,сопровождающегося охлаждением среды.
Когда скорость охлаждения большая,а вязкость с понижением температуры изменяется очень сильно (например, устекла), скорость диффузии также резко уменьшается и атомы не успеваютрасположиться в требуемом порядке. Такие твердые тела называютсяаморфными. По современным представлениям это не полностью хаотичные,бесструктурные материалы, в них обнаружена упорядоченность в небольшихобластях, говорят о ближнем порядке аморфных тел. Аморфными являются имногие пластики, молекулы которых состоят из громадного количества атомов.В отличие от кристаллов аморфные материалы изотропны, не имеютопределенной температуры плавления и характеризуются широкимтемпературным интервалом размягчения. В технике монокристаллом называютединичный, относительно крупный кристалл с совершенной структурой.Подавляющее большинство природных и искусственных материалов имеетполикристаллическуюструктуру.Поликристалл–совокупностьнеориентированных относительно друг друга зерен – кристаллитов.Кристаллиты не являются монокристаллами, т.к.
они образуются в стесненныхусловиях и их структура сильно искажена. Связано это с тем, что процессобразования кристаллов из паров, растворов, расплавов начинается придостижении некоторого предельного условия (переохлаждения жидкости,пересыщения пара), при котором практически мгновенно возникает многомелких кристалликов – центров кристаллизации. Центрами кристаллизациимогут быть и примеси и более тугоплавкие включения (например, в сталях –микрочастички карбида железа Fe3C). Свойства поликристаллическихматериалов определяются границами зерен, которые являются нарушениемпериодичности, появлением оборванных, ненасыщенных связей. Электроныпроводимости взаимодействуют с ними (меняется скорость и направлениедвижения), в результате удельное сопротивление поликристаллов заметновыше. Растворимость примесей в жидкой фазе обычно выше и поэтому онискапливаются по границам зерен (говорят примесь горофильная).
Примеромгорофильной примеси является сера, даже при небольшом процентномсодержании в среднем, она, скапливаясь по границам зерен в больших31количествах, является причиной хрупкости поликристалла, резко снижает егопрочность. На этом же основано микролегирование горофильнымиэлементами.
Скапливаясь по границам зерен, иногда вступая в химическуюреакцию с серой, эти элементы нейтрализуют вредное ее влияние. Площадьграниц в мелкозернистой структуре может быть очень велика. Четкой границымежду кристаллической и аморфной структурами нет, между ближним идальним порядком разница условна и определяется возможностямиэкспериментального метода исследования. Если используется рентгеноструктурный анализ (разрешающая способность ∼0,01 мкм), то говорят, чтоматериал рентгеноаморфный. Имеется в виду, что если в нем есть кристаллы,то их размер меньше 10 нм.1.3. Свойства материаловОбщий подход к оценке свойств – макросвойства материалов определяютсясоставом, внутренним строением (структурой) вещества, микростроениематомов. Основное внимание уделяется универсальным физико–химическимхарактеристикам, в данном разделе рассматриваются, только присущие вразной мере всем классам материалов, свойства.Механические свойства.
К ним относится, прежде всего, прочность ижесткость. Жесткостью должны обладать несущие платы и каркасыэлектронной техники, которые подвергаются длительным знакопеременнымнагрузкам и могут передать недопустимые деформации установленным на нихприборам и вызвать обрыв пленочных проводников, паяных соединений,нарушение герметичности. Источником внутренних напряжений в материалеявляются не только внешние нагрузки, но и температурные градиенты,возникающие в процессе изготовления аппаратуры (выращиваниемонокристалла, термодиффузионное легирование, термообработка и т.д.),физико–химические явления в самом материале при выполнении операцийтехнологического процесса изготовления.
Характерно возникновениенапряжений в многослойных структурах из материалов с различающимисятемпературными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР) приизменении температуры. Результатом может быть появление дефектов,вызывающих деградацию приборов, особенно чувствительны к деформациямполупроводниковые элементы электроники (диоды, транзисторы и т.д.). Нарост внутренних напряжений материал реагирует в общем случае в три стадии:1. Упругая деформация – обратимое изменение размеров и формы, из–за изменения расстояний между атомами, ионами (рис.1.17).2.
Пластическая деформация – необратимое скольжение, смещениеотдельных частей твердого тела относительно друг друга, характерно дляметаллов при относительной деформации больше 0,1 %. На рис.1.17 показанэлементарный акт сдвига – смещение верхней части кристалла относительнонижней на одно межатомное расстояние. Благодаря движению дислокаций,напряжение, необходимое для пластической деформации, снижается на два–32три порядка, по сравнению с напряжениями, необходимыми дляодновременного “жесткого” синхронного сдвига частей кристалла.3. Разрушение – зарождение и распространение трещин, и образованиеновых поверхностей.Вследствие влияния дефектов, техническая прочность оказывается намногоменьшей, чем рассчитанная, исходя из силы связи между микрочастицами.
Впластичных материалах реальная прочность и жесткость определяется главнымобразом движением дислокаций, в хрупких – наличием поверхностныхтрещин—очагов хрупкого разрушения.Сопротивление материала упругой деформации (жесткость материала)можно проиллюстрировать следующим образом (рис.1.18). Пусть два атома 1 и2 находятся на расстоянии r, при этом, вследствие действия сил Ван-дерВальса, они испытывают слабое взаимное притяжение и эти силы обратнопропорциональны расстоянию в степени m: Fприт. ∼ 1/r m.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
