Калугин В.В., Заводян А.В.

Учебно-методическая разработка для самостоятельной работы студентов по курсу «Физико-химические основы технологии электронных средств»

Введение

В микроэлектронике, электротехнике используется большое разнообразие технологических процессов, в которых исходные материалы и полуфабрикаты преобразуются в сложные изделия, выполняющие заданные функции. К основным группам технических процессов относятся:

• Подготовительные (различные виды очисток, термообработок, обезгаживание т. д.), которые направлены на получение, у исходных материалов, требуемых свойств.

• Процесс формообразования (получение рисунка в различных слоях, вырезка заготовки, вырезка отверстий и т.д.).

• Получение различных слоев или структур с заданными свойствами. К ним относят получение пленок, p-n-переходов, пассивирующих и других покрытий.

• Процессы, направленные на придание объекту нужных свойств (термо-оджиг, термо-электро тренировки, лазерная обработка, плазменная и другие).

• Сборка и монтаж. Сборка направлена на получение механических соединений между конструктивами электронно-вычислительных средств (ЭВС). Конструктив – это любая единица конструкции ЭВС. Монтаж направлен на получение электрических соединений между единицами (конструктивами).

• Процессы регулировки ЭУ (ЭУ – электронное устройство), направленные на определение состояния и доведение электрических параметров ЭУ до требуемых техническими условиями.

• Процессы герметизации (для защиты изделия от внешних воздействий).

• Процессы, связанные с испытанием ЭУ.

Технология (греч. Технос – искусство, логос – наука) – это наука об искусстве осуществления чего-либо, поэтому технический процесс подразумевает реализацию изделия материально.

Химия – наука о веществах, свойствах и их превращениях.

В технологии ЭУ трудно выделить процессы, относящиеся чисто к физическим или чисто к химическим так, как это процессы обычно накладываются. Например:

Химические процессы сопровождаются диффузией - прониканием, сорбция – поглощение, адсорбция – поглощение поверхностью, абсорбция – поглощение объемом.

На физические процессы влияют химические, такие как: межмолекулярное взаимодействие, хемосорбция – поглощение при химических реакциях.

Физико-химические процессы изготовления, общие для разных технологий производства ЭУ, называются базовыми (основными) технологическими процессами ТП. Поэтому целесообразно изучать физико-химические основы, основы технологий для того, чтобы понимать природу процессов, благодаря чему определять способы осуществления этих процессов. В данном курсе будет рассматриваться основа теории более важных процессов производства ЭУ и некоторые методы, и способы их осуществления.

Метод – это подход или теория лежащий в его основе. Способ – это действие, средство реализации при исполнении чего-либо.

Данный курс – научно инженерная дисциплина, которая является основой для изучения специальных дисциплин конструкторско-технологического направления. Целью курса является постепенная, направленная подготовка инженеров, конструкторов и технологов ЭВС. Задачи:

• Получить общее представление о ТП производства ЭУ.

• Получить основополагающие знания явлений и процессов, на которых базируются современные технологии производства ЭУ, чтобы обеспечить усвоение спецдисциплин конструкторского, технологического профиля.

• Рассмотреть основы теории и анализа базовых ТП.

• Научиться элементам исследования физико-химических процессов в производстве ЭУ.

Любая технология характеризуется определенными закономерностями (физическими, химическими). Накопление инженерного опыта, его систематизация, анализ и описание дают новые закономерности, в результате чего появляется новая дисциплина, этот вывод справедлив для всех технических наук.

Пример: появление радиотехники, и тут же технология радиоаппаратостроения, и технология радиоприборостроения; микроэлектроника и технология МЭА.

Из истории известно, что отдельные науки, которые появляются в результате производственной деятельности и требований к повседневной жизни, обобщаются в ходе экспериментальных и теоретических исследований, перерастая в закономерности и законы. Естественно, что закономерности описываются с определенной достоверностью – это приводит к образованию научной дисциплины. Данная дисциплина сложилась на основе обширного материала, который включал:

• Теоретические основы ЭУ (физико-химические основы ТП, анализ и моделирование ТП).

• Научные основы диагностики, оптимизации и управления ТП.

Явление – это то в чем сказывается или обнаруживается суть чего-либо, событие, случай, очевидное. Процесс – это ход, развитие какого-либо явления (последовательная схема состояний в развитии чего-либо).

Радиоэлектроника РЭ начала развиваться с начала 60-х годов, но к концу 70-х развилась в комплекс крупных отраслей (электронная, вычислительная, средства связи и автоматизации). И с развитием вычислительной техники технология ЭУ стала выделяться в отдельную область науки и техники, обобщающую основные закономерности ТП, разрабатывающую способы ТП, а также методологию проектных расчетов ТП и оборудования для них. С развитием МЭ появляются совсем новые направления исследований и разработок ТП связанных с:

• Повышением точности ТП, стабильности функционирования Тсистем.

• Учетом многофакторности.

• Возрастанием наукоемкости ТП.

• Максимизацией групповых ТП.

• Реализацией без инструментальных технологий.

• Автоматизацией, управлением и оптимизацией ТП.

• Освоением компьютерно-интегральных технологий.

Без знаний физико-химической сущности процессов производства ЭУ невозможно их правильно описать, организовать, сделать серийно способными с минимальными затратами интегральных и вычислительных ресурсов. Данный курс должен способствовать повышению технико-экономической эффективности разрабатываемых и реализованных ТП. Дальнейшее внедрение в производство принципов кибернетики, исследования и внедрения процессов протекающих на атомарном уровне, в том числе биоматериалах при формировании структурных единиц ЭУ.

Содержание

Введение 2

1. Основы молекулярно- кинетической теории (МКТ). 8

1.1 Количественное выражение элементов системы. 9

1.2 МКТ газов. 10

1.3 Изопроцессы 12

1.4 Закон Авагадро. 13

1.5 Закон Дальтона. 14

1.6 Вероятный характер скорости хаотического движения. 14

1.7 Реальные газы 15

2 Термодинамика 19

2.1 Основные понятия и определения термодинамики. 19

2.2 Понятие о ТД системах. 20

F(T,p,c,Ce,V)=0 (2.2) 21

2.3 Законы начала термодинамики. Их использование. 21

2.4 Термохимия. Использование первого закона ТД. 27

2.5 Закон Гесса. 29

2.6 Теплота образования 30

2.7. Теплота растворения 31

2.8 Теплота нейтрализации 33

2.9 Зависимость тепловых эффектов от температуры. 33

3 Второй закон термодинамики 38

3.1 Обратимые и необратимые процессы. 39

3.2 Характеристические функции ТД систем. 43

3.3 Направление протекания процессов. 47

3.4 Химический потенциал 47

4.1 Закон действия масс. Константа равновесия. 54

4.2 Правило фаз 55

4.3 Общие представления о диаграммах состояния. 59

4.4 Однокомпонентные системы 60

4.5 Двухкомпонентные системы 64

4.6 Основные виды диаграмм состояния двухкомпонентных систем. 66

4.7 Термический анализ. 71

4.8 Фазовые переходы 79

5 Закон Рауля. 84

6 Физико-химические особенности процессов подготовки подложек при получении ЭС и микроэлектронных изделий 88

6.1 Поверхностные явления при изготовлении ИС, ЭС 88

6.2. Технология очистки подложек для производства микроэлектронных изделий 89

6.2.1. Важность снижения уровня загрязнений 89

6.2.2. Классификация загрязнений 90

6.2.3. Источники загрязнений 91

Требования 91

Емкость памяти ИС 91

6.3. Влияние загрязнений на характеристики микроэлектронных изделий 92

6.3.1. Механические загрязнения 92

6.3.2. Металлические загрязнения 93

6.3.3. Микронеровности поверхности 94

6.3.4. Кристаллические дефекты 95

6.4. Механические загрязнения на поверхности полупроводниковых пластин 96

6.4.1. Адгезия механических частиц на поверхность полупроводниковых пластин 96

6.4.2. Удаление загрязнений с поверхности пластин в процессах химической обработки 98

Материалы 99

6.4.3. Очистка поверхности подложек в перекисно-аммиачном растворе 102

6.5. Методы исследования состояния и характеристик поверхности подложек 103

6.5.1. Методы анализа частиц на поверхности пластин 104

6.5.2. Методы анализа органических загрязнений на поверхности пластин 104

6.5.3. Методы анализа металлических загрязнений на поверхности пластин 104

6.5.4. Методы исследования рельефа поверхности подложек 105

6.6. Технологические процессы очистки поверхности полупроводниковых пластин 105

6.6.1. "Жидкостная" химическая обработка 106

6.6.2. Методы проведения "жидкостной" химической обработки 109

6.6.3. "Сухая" химическая обработка 112

6.7. Проблемы очистки поверхности полупроводниковых пластин 115

6.7.1. Влияние химической обработки на шероховатость поверхности Si пластин 115

6.7.2. Проблемы нежелательного формирования слоев оксида на поверхности кремниевых пластин 120

6.7.3. Органические загрязнения на поверхности полупроводниковых пластин 121

7. Физико-химические аспекты получения многослойных структур 131

7.1. Имплантация ионов водорода в кремниевые пластины 131

7.2. Особенности технологии прямого сращивания подложек 131

7.3. Сращивание пластин, покрытых SiO₂ 133

7.4. Состояние сращенных пластин 135

7.5. Плоскостность пластин 136

7.6. Утончение сращенных пластин 137

7.7. Микродефекты сращенных структур 138

7.8. Радиационные свойства многослойных структур 139

7.9. Движение и залечивание пор на границе сращивания стандартных пластин кремния 142

7.9.1. Скорость движения пор, связанных с диффузионными потоками в объеме матрицы, в поле температурного градиента 143

7.9.2. Скорость перемещения пор за счет диффузии атомов на ее поверхности в поле температурного градиента 144

7.9.3. Скорость перемещения пор за счет диффузии атомов в объеме в поле температурного градиента 144

7.9.4. Скорость движения пор в неоднородном поле напряжений при разных механизмах перемещения 148

7.9.5. Диффузионное движение пор вблизи границы кристалла, обусловленное поверхностной диффузией 149

7.9.6. Диффузионное движение пор под действием сил со стороны дислокаций 151

7.9.7. Рекристаллизация, спекание и залечивание пор 152

7.10. Пористый кремний в технологии прямого соединения 156

7.10.1. Теория и экспериментальные исследования заращивания пористых слоев 157

7.10.2 Осаждение слоев кремния на стенках пор и капилляров из парогазовых смесей 163

8. Исследование физико-химических свойств многослойных структур 168

8.1. Определение энергии связи прямого связывания пластин кремния методом генерации трещины между поверхностями сращивания 168

8.2. Исследование многослойных структур и материалов, используемых в процессе их производства ЭС, методами позитронной аннигиляционной спектроскопии 176

8.2.1. Сущность и особенности методов позитронной аннигиляционной спектроскопии 176

8.2.2. Теория метода УРАФ и результаты исследований 179

In 184

Pb 184

8.2.3. Определение концентрации электронов n_p в зоне проводимости металлов 185

8.2.4. Исследование полупроводников методом ПАС 188

8.3. Исследование поверхности пластин 189

8.3.1. Метод масс-спектрометрического исследования процесса термодесорбции с поверхности кремниевых пластин 189

8.3.2. Измерения контактной разности потенциалов подложек 191

8.3.3. Влияние адсорбции на электронные свойства поверхности твердых тел 196

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛАВЕ 8 200