В. И. Смирнов (987304), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Будем считать,что содержание обоих компонентов в сплаве одинаково и равно соответственно 50 %, а сам он находится в жидком состоянии (точка 0 на диаграмме). Еслиохлаждать расплав, то есть перемещаться по диаграмме состояния из начальнойточки вертикально вниз, то при достижении линии ликвидуса (точка 1на диаграмме) в расплаве будут образовываться кристаллы фазы β.
Состав этойфазы можно определить, проведя горизонтальную линию до пересеченияс кривой солидуса, разделяющей области β и β + L (точка 2 на диаграмме). Поскольку расплав при этом обедняется компонентом В, то его новый состав будет определяться точкой на кривой ликвидуса, смещенной вправо от точки 1(точка 3 на диаграмме). Соответственно этому будет изменяться и состав кри101сталлов фазы β, образующихся в расплаве в процессе охлаждения.
Охлаждениепредполагается достаточно медленным, чтобы состояние системы в любой момент времени было равновесным. Это важно, поскольку диаграмма состоянияописывает именно равновесные состояния системы.В конечном итоге при достижении точки эвтектики весь сплав перейдетв твердое состояние, представляющее собой смесь частиц фаз α и β. При дальнейшем охлаждении сплава состав этих фаз будет изменяться в соответствии скривой сольвуса.Рассмотрим примеры диаграмм состояния конкретных бинарных сплавов.Начнем с простейшего случая бинарных систем с неограниченной растворимостью, когда атомы одного вещества в любом количестве могут замещать в кристаллической решетке атомы другого вещества. Неограниченной растворимостью обладают бинарные системы, для которых выполняются правила ЮмаРозери, а именно, оба вещества должны иметь одинаковый тип кристаллической решетки, атомы должны иметь одинаковую валентность, а их размеры недолжны отличатся более чем на 15 %. Примерами таких систем являются Cu –Ni, Au − Pt, Ag – Pd, Si – Ge.Диаграмма состояния системы Si – Ge приведена на рис.
5.5. На оси ординат отмечены температуры плавления Ge и Si (равные соответственно 973 и1412 °С). При произвольном соотношении компонентов плавление сплава происходит в некотором температурном диапазоне при одновременном существовании жидкой фазы и кристаллов твердого раствора фазы α, представляющейсобой кремний, в решетке которого содержится произвольное число атомовгермания, зависящее от температуры и исходного состава системы.Эвтектической точки диаграмма состояния не имеет. Анализ процессакристаллизации данной бинарнойсистемы с произвольным соотношением компонентов осуществляетсяаналогично тому, как это было сделано выше при рассмотрении сисРис. 5.5. Диаграмма состояния Ge -Siтемы с эвтектикой, которая изображена на рис. 5.4.Рассмотрим диаграмму состояния сплава олово − свинец, который широко используется в качестве припоя при пайке.
Система Pb − Sn является хорошим примером простой бинарной системы со значительной, хотя и ограниченной растворимостью. Диаграмма состояния этой системы приведена на рис. 5.6.Точка эвтектики (точка Е на диаграмме) соответствует содержанию оловаоколо 62 %. Температура плавления эвтектики равна 183 °С. Из диаграммывидно, что изменение состава сплава меняет его температуру плавления. Когдатребуется провести несколько последовательных паек, то для каждой следую102щей пайки применяются припои с более низкой температурой плавления.Это делается для того, чтобы«не потекли» пайки, сделанные ранее.Точка пересечения солидусаи сольвуса называется граничной(предельной) растворимостью. Значения граничной растворимости каколова в свинце (фаза β), так и свинцав олове (фаза α) довольно большиеРис.
5.6. Диаграмма состояния Pb -Sn(около 19 и 2,5 весовых процентовсоответственно). После полной кристаллизации сплава (при температуре183 °С) и дальнейшем его охлаждении до комнатной температуры, предельнаярастворимость обоих фаз уменьшается. Для фазы β, например, равновесное содержание олова в свинце уменьшается с 19 % до примерно 2 %. Если охлаждение происходит достаточно быстро, то это сопровождается перенасыщениемфазы β оловом. Такая система далека от термодинамического равновесия. Постепенно это приведет к изменению структуры сплава, сопровождающемусявыпадением частиц олова, и к изменению его механических и электрическихсвойств.
Заметные изменения могут произойти примерно через год. Для тогочтобы предотвратить эти негативные явления, оловянно-свинцовые припои легируют специальными добавками, в качестве которых обычно используютсурьму в количестве несколько десятых долей процента.Практический интерес представляет бинарная система золото − кремний,диаграмма состояния которой представлена на рис. 5.7. Растворимости золотав кремнии и кремния в золоте настолько малы, что отобразить этонадиаграммесостоянияв выбранном масштабе практически невозможно.
Эвтектика соответствует содержанию кремния взолоте примерно 6 % . Особенностью данной системы является то,что температура плавления эвтектики намного ниже, чем у чистыхРис. 5.7. Диаграмма состояния Au -Siкомпонентов (золота и кремния).Это позволяет использовать эвтектический сплав для крепления кремниевых кристаллов к основанию корпуса(пайка эвтектикой).Разновидностью пайки эвтектическим сплавом Au − Si является соединение кремниевого кристалла с золоченой поверхностью основания корпуса илиподложки за счет контактного плавления без введения припоя.
Схема процессапоказана на рис. 5.8. Кристалл кремния 1 под давлением устанавливается на103контактную площадку 2 из золота, нанесенногона основание корпуса или подложки 3. Толщина золотого покрытия должна быть не менее 6 мкм. Соответствующие покрытия на ситалловых или поликоровых подложках могут быть получены вакуумнымосаждением золота. Золотые площадки на основанииРис. 5.8. Схема процессаметаллического корпуса целесообразно формироватьсоединения кристалла излокальным гальваническим золочением. При нагревеSi к основанию корпусазоны контакта до температур 390 − 420 °С происходитвзаимная диффузия (растворение в твердой фазе) золота и кремния. Вследствиеплавного изменения концентрации компонентов по нормали к соединяемымповерхностям возникает слой, состав которого близок к эвтектическому.
Приуказанных температурах в зоне контакта этот слой переходит в жидкую фазу. Смомента возникновения жидкой фазы процессы диффузии и растворения ускоряются, а расплавленный слой быстро расширяется.После отключения источника нагрева и снятия давления, образуетсяпрочное соединение кремниевого кристалла к основанию корпуса.При охлаждении места соединения кристалла вследствие явления сегрегациикомпонентов может произойти расслоение сплава, что отрицательно скажетсяна механической прочности соединения. Во избежание этого в процессе соединения на инструмент-прижим оказывается ультразвуковое воздействие, способствующее перемешиванию образующегося расплава.
Длительность процессапайки составляет 3 − 5 с.Диаграммы состояния, представленные на рис. 5.4 – 5.7, соответствуютбинарным сплавам, не образующих между собой химических соединений.Для некоторых систем при определенных (стехиометрических) соотношенияхкомпонентов могут образовываться так называемые интерметаллические соединения. Примером может служить бинарная система золото − алюминий,в которой могут образовываться интерметаллиды AuAl2, AuAl, Au2Al, Au3Al2и Au4Al.
При соединении золотых проводников с алюминиевым слоем методомтермокомпрессионой или ультразвуковой сварки в зоне контакта могут образовываться все из перечисленных выше интерметаллидов. Эти интерметаллидымогут возникнуть и позже, в процессе эксплуатации приборов, в которых имеются соединения проводников из Au к контактным площадкам из Al. Качествоконтакта золотых проводников к алюминиевым слоям заметно ухудшается и, вконечном итоге, возникновение интерметаллидов может привести к разрушению контакта. Этот эффект известен в литературе как «пурпурная чума» − поцвету одного из интерметаллидов.104Контрольные вопросы1. Каким требованиям должны удовлетворять металлы, используемые для формированияпроводников и контактных площадок полупроводниковых ИМС?2.
Нарисуйте структуру эпитаксиально-планарного транзистора с диодом Шоттки и объясните его работу.3. В чем суть явления электромиграции ионов в проводниках?4. Как влияет явление электромиграции на свойства металлических проводников? Какиесуществуют методы, снижающие негативное влияние этого явления?5. Объясните диаграмму состояния бинарного сплава с эвтектикой.6. Что такое бинарные сплавы с неограниченной растворимостью?7.
Объясните поведение систем Pb−Sn и Au−Si при их кристаллизации на основе анализадиаграмм состояния.105ЗАКЛЮЧЕНИЕПоследние исследования в области проектирования и технологии электронных средств показывают, что в отличие от традиционной микроэлектроники, потенциальные возможности которой в ближайшее десятилетие, повидимому, будут исчерпаны, дальнейшее развитие электроники возможнотолько на базе принципиально новых физических и технологических идей. Напротяжении ряда десятилетий повышение функциональной сложности и быстродействия микроэлектронных приборов достигалось увеличением плотностиразмещения и уменьшением размеров элементов, принцип действия которых независел от их масштаба.
При переходе к размерам элементов порядка десятковили единиц нанометров возникает качественно новая ситуация, состоящая втом, что квантовые эффекты (туннелирование, размерное квантование, интерференционные эффекты) оказывают определяющее влияние на физическиепроцессы в наноструктурах и функционирование приборов на их основе.Создание таких наноструктур с принципиально новыми свойствами требует и новых технологий, которые получили название нанотехнологий. Нанотехнологии стали активно развиваться в последние 10 − 15 лет и к настоящемувремени ученым удалось добиться немалых успехов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
