
- •654100 – Электроника и микроэлектроника
- •Оглавление
- •Часть первая. Микроэлектроника Глава 1. Общая характеристика микроэлектроники. Принципы функционирования элементов
- •1.1. Основные определения
- •1.2. Классификация изделий микроэлектроники
- •1.3. Физические явления, используемые в интегральной микроэлектронике
- •1.4. Процессы и явления, определяющие функционирование интегральных схем (ис)
- •1.5. Контактные явления в микроэлектронных структурах
- •1.6. Поверхностные явления в полупроводниках
- •1.7. Механизмы переноса носителей заряда
- •Глава 2. Базовые физико-химические методы создания микроэлектронных структур
- •2.1. Очистка поверхности пластин для ис
- •2.2. Получение полупроводниковых монокристаллов методом вытягивания из расплава
- •2.3. Термическое окисление
- •2.4. Эпитаксия
- •2.5. Фотолитография
- •2.6. Диффузия
- •2.7. Ионная имплантация (ионное легирование)
- •2.8. Металлизация
- •Глава 3.Типы подложек интегральных схем, их основные характеристики и процессы изготовления подложек
- •3.1. Изготовление подложек ис
- •3.3. Оптический метод ориентации полупроводниковых пластин
- •3.4. Шлифовка и полировка пластин
- •3.5. Строение нарушенного слоя после механической обработки пластины
- •Глава 4. Технология химической обработки подложек для интегральных микросхем
- •4.1. Механизм химической обработки кремниевых пластин
- •4.2. Термохимическое (газовое) травление
- •4.3. Ионно-плазменное травление
- •Глава 5. Диэлектрические пленки в ис. Методы их получения. Технологии изготовления гибридных ис
- •5.1. Конструктивно-технологические функции диэлектрических плёнок
- •5.2. Формирование плёнок SiO2термическим окислением кремния
- •5.3. Методы получения диэлектрических пленок в технологии гибридных ис
- •5.3.1. Термовакуумное реактивное испарение
- •5.3.2. Анодное окисление
- •5.3.3. Ионно-плазменное окисление
- •Глава 6. Ионное легирование полупроводников
- •6. 1. Общие принципы процесса ионного легирования
- •Для количественной оценки ф согласно (6.1) необходимо знать потенциал φ(u) взаимодействия частиц. В простейшем случае он равен кулоновскому потенциалу. Однако в реальном случае
- •6.2. Отжиг дефектов и электрические свойства слоёв
- •6.3. Импульсный лазерный отжиг
- •6.4. Маскирование в процессах ионного легирования
- •6.5. Маскирование фоторезистами
- •6.6. Маскирование пленками металлов
- •Глава 7. Элионные методы литографических процессов
- •7.1. Электронно-лучевая литография
- •7.2. Рентгенолучевая литография (рлл)
- •7.2.1. Особенности экспонирования в рлл
- •7.2.2. Технология рентгенолитографических процессов
- •7.2.3. Выбор резистов для рлл
- •Глава 8.Пленки в технологии ис, микросборок и коммутационных элементов
- •8.1. Металлические пленки для ис
- •8.2. Технология коммутационных элементов ис
- •8.3. Технология пленочных резисторов
- •8.4. Чистый металл и сплавы
- •8.5. Керметы (микрокомпозиционные пленки)
- •8.6. Изготовление тонкопленочных конденсаторов
- •8.7. Монооксид кремнияSiO
- •8.8. Пятиокись тантала Та2о5
- •8.9. Оксид алюминия Al2o3 и диоксид кремнияSiО2
- •8.10. Диоксид титана ТiО2
- •Глава 9.Монтаж кристаллов ис на носителях. Типы носителей. Особенности сборки ис в корпуса
- •9.1. Конструктивно-технологические варианты монтажа
- •9.2. Изготовление ленточных носителей
- •9.3. Получение внутренних выводов на кристаллах ис
- •9.4. Монтаж кристалла ис на гибкую ленту
- •9.5. Монтаж гибридных ис и микросборок
- •9.6. Особенности сборки сверхбыстродействующих ис и процессоров
- •Глава 10. Технология герметизации ис и мп
- •10.1. Пассивирующие и защитные покрытия ис
- •10.2. Принципы герметизации ис в корпусах
- •10.3. Герметизация ис в металлических корпусах
- •Часть вторая наноэлектроника
- •Глава 11. Теоретические основы наноэлектроники. Одноэлектронные приборы
- •11.1. Проблемы наноэлектроники (одноэлектроники)
- •11.2. Базовая теория кулоновской блокады
- •11.3. "Кулоновская лестница"
- •11.5. Квантовые размерные эффекты
- •11.6. Классификация одноэлектронных приборов
- •11.7. Одноэлектронный прибор на основе сканирующего туннельного микроскопа
- •11.8. Субмикронный вертикальный одноэлектронный транзистор (транзистор Остина)
- •11.9. Применение одноэлектронных приборов
- •Глава 12. Наночастицы и нанокластеры
- •12.1. Свойства наночастиц и их характеристики
- •12.2. Теоретическое моделирование наночастиц (модель ″желе″)
- •12.3. Геометрическая и электронная структуры нанокластеров
- •12.4. Реакционная способность наночастиц
- •12.5. Флуктуационные наноструктуры
- •12.6. Магнитные кластеры
- •12.7. Переход от макро- к нано-
- •12.8. Полупроводниковые наночастицы
- •12.9. Кулоновский взрыв
- •12.10. Молекулярные кластеры
- •12.11. Методы синтеза наночастиц
- •12.12. Химические методы синтеза наночастиц
- •12.13. Термолиз
- •12.14. Импульсные лазерные методы
- •Глава 13.Углеродные наноструктуры
- •13. 1. Природа углеродной связи
- •13.2. Малые углеродные кластеры – с60.
- •13.3. Неуглеродная шарообразная молекула
- •13.4. Углеродные нанотрубки
- •13.4.1. Методы получения нанотрубок
- •13.4.2. Электрические свойства нанотрубок
- •13.4.3. Колебательные свойства нанотрубок
- •13.4.4. Механические свойства нанотрубок
- •13.5. Применение углеродных нанотрубок
- •13.5.1. Полевая эмиссия и экранирование
- •13.5.2. Информационные технологии, электроника
- •13.5.3. Топливные элементы
- •13.5.4. Химические сенсоры
- •13.5.5. Катализ
- •13.5.6. Механическое упрочнение материалов
- •Глава 14.Объемные наноструктурированные материалы: разупорядоченные и кристаллизованные
- •14.1. Методы синтеза разупорядоченных структур
- •14.2. Механизмы разрушения традиционных материалов
- •14.3. Механические свойства наноструктурированных материалов
- •14.4. Многослойные наноструктурированные материалы
- •14.5. Электрические свойства наноструктурированных материалов
- •14.6. Нанокластеры в оптическом материаловедении
- •14.7. Пористый кремний
- •14.8. Упорядоченные наноструктуры
- •14.8.1. Упорядоченные структуры в цеолитах
- •14.8.2. Кристаллы из металлических наночастиц
- •14.8.3. Нанокристаллы для фотоники
- •Глава 15.Наноприборы и наномашины
- •15.1. Микроэлектромеханические устройства (mems)
- •15.2. Наноэлектромеханические системы (nems)
- •15.3. Наноактуаторы
- •15.4. Молекулярные и супрамолекулярные переключатели
- •Библиографический список Основной
- •Физические основы технологии микро- и наноэлектроники
- •620002, Екатеринбург, Мира, 19
- •620002, Екатеринбург, Мира, 19
Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет-УПИ»
Российская Академия наук
Институт физики металлов Уральского отделения РАН
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЙ
МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
Утверждено в качестве учебника на заседании РИС
ГОУ ВПО УГТУ-УПИ для студентов
специальности 210101 – Физическая электроника
направления подготовки дипломированных специалистов
654100 – Электроника и микроэлектроника
Научный редактор проф., д-р физ.-мат. наук Э.З. Курмаев
Екатеринбург
2006
УДК 621.382.049.077 (075.8)
ББК 32.844.1я73
З 38
Рецензенты: Федеральное космическое агентство, Федеральное государственное унитарное предприятие НПО «Автоматика» имени академика Н.А.Семихатова, технический директор, первый заместитель генерального директора, канд. техн. наук В.С.Уксусов;
кафедра общей и молекулярной физики Уральского государственного университета им. М. Горького, заведующий кафедрой, проф., д-р физ.-мат. наук С.Ф. Борисов;
заведующий кафедрой технологий и средств связи ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, профессор, д-р техн. наук В.Э. Иванов
Зацепин Д.А., Чолах С.О.
З 38 Физические основы технологий микро- и наноэлектроники: учебник / Д.А.Зацепин, С.О.Чолах. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. 236 с.
ISBN 5-321-00974-0
ISBN 978-5-321-00974-1
В книге изложены основные направления развития микро- и наноэлектроники: рассмотрены физические основы функционирования интегральных микросхем (ИС) и их структурных элементов, приведены конструктивно-технологические варианты исполнения ИС, проанализированы физические особенности отечественных и зарубежных промышленных технологических процессов формирования топологии полупроводниковых радиоэлектронных устройств. Описаны конструкции перспективных структурных элементов микро- и наноэлектроники, а также методы их изготовления.
Учебник предназначен для студентов специальности 210101 – Физическая электроника направления подготовки дипломированных специалистов 654100 – Электроника и микроэлектроника, аспирантов и научных работников.
Библиогр.: 36 назв. Рис.136. Табл.12.
Подготовлено кафедрой электрофизики ГОУ ВПО УГТУ-УПИ и лабораторией рентгеновской спектроскопии Института физики металлов УрО РАН.
УДК 621.382.049.077 (075.8)
ББК 32.844.1я73
ISBN 5-321-00974-0 ISBN 978-5-321-00974-1
|
Ó ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ», 2006
|
Оглавление
|
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
7 |
|
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
9 |
|
ЧАСТЬ 1. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
11 |
Глава 1. |
Общая характеристика микроэлектроники. Принципы функционирования элементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
11 |
1.1. |
Основные определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
11 |
1.2. |
Классификация изделий микроэлектроники . . . . . . . . . . . . . . . . . |
13 |
1.3. |
Физические явления, используемые в интегральной микроэлектронике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
15 |
1.4. |
Процессы и явления, определяющие функционирование интегральных схем (ИС) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
15 |
1.5. |
Контактные явления в микроэлектронных структурах . . . . . . . . . |
17 |
1.6. |
Поверхностные явления в полупроводниках . . . . . . . . . . . . . . . . |
19 |
1.7. |
Механизмы переноса носителей заряда . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
20 |
Глава 2. |
Базовые физико-химические методы создания микроэлектронных структур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
22 |
2.1. |
Очистка поверхности пластин для ИС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
22 |
2.2. |
Получение полупроводниковых монокристаллов методом вытягивания из расплава . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
23 |
2.3. |
Термическое окисление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
24 |
2.4. |
Эпитаксия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
26 |
2.5. |
Фотолитография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
27 |
2.6. |
Диффузия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
29 |
2.7. |
Ионная имплантация (ионное легирование) . . . . . . . . . . . . . . . . . |
32 |
2.8. |
Металлизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
34 |
Глава 3. |
Типы подложек интегральных схем, их основные характеристики и процессы изготовления подложек . . . . . . . |
35 |
3.1. |
Изготовление подложек ИС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
35 |
3.2. |
Резка слитков и пластин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
38 |
3.3. |
Оптический метод ориентации полупроводниковых пластин . . . |
39 |
3.4. |
Шлифовка и полировка пластин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
43 |
3.5. |
Строение нарушенного слоя после механической обработки пластины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
45 |
Глава 4. |
Технология химической обработки подложек для интегральных микросхем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
49 |
4.1. |
Механизм химической обработки кремниевых пластин . . . . . . . |
49 |
4.2. |
Термохимическое (газовое) травление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
55 |
4.3. |
Ионно-плазменное травление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
58 |
Глава 5. |
Диэлектрические пленки в ИС. Методы их получения. Технологии изготовления гибридных ИС . . . . . . . . . . . . . . . . |
61 |
5.1. |
Конструктивно-технологические функции диэлектрических плёнок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
61 |
5.2. |
Формирование плёнок SiO2 термическим окислением кремния |
62 |
|
|
|
5.3. |
Методы получения диэлектрических пленок в технологии гибридных ИС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
68 |
5.3.1. |
Термовакуумное реактивное испарение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
68 |
5.3.2. |
Анодное окисление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
69 |
5.3.3. |
Ионно-плазменное окисление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
69 |
5.3.4. |
Ионно-плазменное распыление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
70 |
Глава 6. |
Ионное легирование полупроводников . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
71 |
6.1. |
Общие принципы процесса ионного легирования . . . . . . . . . . . . |
71 |
6.2. |
Отжиг дефектов и электрические свойства слоёв . . . . . . . . . . . . . |
80 |
6.3. |
Импульсный лазерный отжиг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
81 |
6.4. |
Маскирование в процессах ионного легирования . . . . . . . . . . . . |
82 |
6.5. |
Маскирование фоторезистами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
83 |
6.6. |
Маскирование пленками металлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
83 |
Глава 7. |
Элионные методы литографических процессов . . . . . . . . . . . . |
85 |
7.1. |
Электронно-лучевая литография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
85 |
7.2. |
Рентгенолучевая литография (РЛЛ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
88 |
7.2.1. |
Особенности экспонирования в РЛЛ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
89 |
7.2.2. |
Технология рентгенолитографических процессов . . . . . . . . . . . . |
90 |
7.2.3. |
Выбор резистов для РЛЛ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
93 |
Глава 8. |
Пленки в технологии ИС, микросборок и коммутационных элементов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
96 |
8.1. |
Металлические пленки для ИС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
96 |
8.2. |
Технология коммутационных элементов ИС . . . . . . . . . . . . . . . . |
98 |
8.3. |
Технология пленочных резисторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
101 |
8.4. |
Чистый металл и сплавы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
102 |
8.5. |
Керметы (микрокомпозиционные пленки) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
102 |
8.6. |
Изготовление тонкопленочных конденсаторов . . . . . . . . . . . . . . |
104 |
8.7. |
Монооксид кремния SiO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
106 |
8.8. |
Пятиокись тантала Та2О5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
107 |
8.9. |
Оксид алюминия Al2O3 и диоксид кремния SiО2 . . . . . . . . . . . . . . |
108 |
8.10. |
Диоксид титана ТiО2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
109 |
Глава 9. |
Монтаж кристаллов ИС на носителях. Типы носителей. Особенности сборки ИС в корпуса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
110 |
9.1. |
Конструктивно-технологические варианты монтажа . . . . . . . . . |
110 |
9.2. |
Изготовление ленточных носителей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
112 |
9.3. |
Получение внутренних выводов на кристаллах ИС . . . . . . . . . . . |
114 |
9.4. |
Монтаж кристалла ИС на гибкую ленту . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
116 |
9.5. |
Монтаж гибридных ИС и микросборок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
117 |
9.6. |
Особенности сборки сверхбыстродействующих ИС и процессоров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
120 |
Глава 10. |
Технология герметизации ИС и МП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
123 |
10.1. |
Пассивирующие и защитные покрытия ИС . . . . . . . . . . . . . . . . . |
123 |
10.2. |
Принципы герметизации ИС в корпусах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
125 |
10.3. |
Герметизация ИС в металлических корпусах . . . . . . . . . . . . . . . . |
127 |
|
|
|
|
|
|
|
ЧАСТЬ 2. НАНОЭЛЕКТРОНИКА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
136 |
Глава 11. |
Теоретические основы наноэлектроники. Одноэлектронные приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
136 |
11.1. |
Проблемы наноэлектроники (одноэлектроники) . . . . . . . . . . . . . . |
136 |
11.2. |
Базовая теория кулоновской блокады . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
138 |
11.3. |
″Кулоновская лестница″ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
142 |
11.4. |
Со – туннелирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
143 |
11.5. |
Квантовые размерные эффекты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
144 |
11.6. |
Классификация одноэлектронных приборов . . . . . . . . . . . . . . . . . |
145 |
11.7. |
Одноэлектронный прибор на основе сканирующего туннельного микроскопа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
146 |
11.8. |
Субмикронный вертикальный одноэлектронный транзистор (транзистор Остина) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
147 |
11.9. |
Применение одноэлектронных приборов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
149 |
Глава 12. |
Наночастицы и нанокластеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
151 |
12.1. |
Свойства наночастиц и их характеристики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
151 |
12.2. |
Теоретическое моделирование наночастиц (модель ″желе″) . . . . |
153 |
12.3. |
Геометрическая и электронная структуры нанокластеров . . . . . . |
155 |
12.4. |
Реакционная способность наночастиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
159 |
12.5. |
Флуктуационные наноструктуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
160 |
12.6. |
Магнитные кластеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
161 |
12.7. |
Переход от макро- к нано- . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
163 |
12.8. |
Полупроводниковые наночастицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
164 |
12.9. |
Кулоновский взрыв . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
165 |
12.10. |
Молекулярные кластеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
166 |
12.11. |
Методы синтеза наночастиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
167 |
12.12. |
Химические методы синтеза наночастиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
168 |
12.13. |
Термолиз . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
169 |
12.14. |
Импульсные лазерные методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
170 |
Глава 13. |
Углеродные наноструктуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
172 |
13.1. |
Природа углеродной связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
172 |
13.2. |
Малые углеродные кластеры – С60 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
173 |
13.3. |
Неуглеродная шарообразная молекула . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
175 |
13.4. |
Углеродные нанотрубки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
176 |
13.4.1. |
Методы получения нанотрубок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
176 |
13.4.2. |
Электрические свойства нанотрубок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
179 |
13.4.3. |
Колебательные свойства нанотрубок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
181 |
13.4.4. |
Механические свойства нанотрубок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
182 |
13.5. |
Применение углеродных нанотрубок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
184 |
13.5.1. |
Полевая эмиссия и экранирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
184 |
13.5.2. |
Информационные технологии, электроника . . . . . . . . . . . . . . . . . |
185 |
13.5.3. |
Топливные элементы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
187 |
13.5.4. |
Химические сенсоры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
188 |
13.5.5. |
Катализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
188 |
13.5.6. |
Механическое упрочнение материалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
189 |
Глава 14. |
Объемные наноструктурированные материалы: разупорядоченные и кристаллизованные . . . . . . . . . . . . . . . . |
192 |
14.1. |
Методы синтеза разупорядоченных структур . . . . . . . . . . . . . . . |
192 |
14.2. |
Механизмы разрушения традиционных материалов . . . . . . . . . . . |
195 |
14.3. |
Механические свойства наноструктурированных материалов . . |
196 |
14.4. |
Многослойные наноструктурированные материалы . . . . . . . . . . |
199 |
14.5. |
Электрические свойства наноструктурированных материалов . . |
201 |
14.6. |
Нанокластеры в оптическом материаловедении . . . . . . . . . . . . . . |
204 |
14.7. |
Пористый кремний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
206 |
14.8. |
Упорядоченные наноструктуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
209 |
14.8.1. |
Упорядоченные структуры в цеолитах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
210 |
14.8.2. |
Кристаллы из металлических наночастиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
211 |
14.8.3. |
Нанокристаллы для фотоники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
211 |
Глава 15. |
Наноприборы и наномашины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
215 |
15.1. |
Микроэлектромеханические устройства (MEMS) . . . . . . . . . . . . . |
215 |
15.2. |
Наноэлектромеханические системы (NEMS) . . . . . . . . . . . . . . . . . |
217 |
15.3. |
Наноактуаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
219 |
15.4. |
Молекулярные и супрамолекулярные переключатели . . . . . . . . . |
224 |
|
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
231 |
|
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
233 |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящее учебник адресован студентам вузов, аспирантам и научным работникам, специализирующимся в области физической электроники, информационных технологий и инженерных наук, а также специалистам производственных организаций и предприятий, желающим освежить и дополнить свои знания по данной тематике.
Основной задачей учебного курса является систематизация физических принципов конструирования, изготовления и функционирования интегральных микросхем различной степени сложности, а также анализ возможных перспективных направлений развития микроэлектроники в ближайшем будущем. Овладев изложенным материалом, читатель получит базовые знания, которые необходимы как для дальнейшего углубленного изучения физики электронных систем, схемотехники и сверхбыстродействущих микропроцессоров, так и для понимания принципов и условий функционирования различных радиоэлектронных устройств, в которых применяются интегральные схемы.
В предлагаемой книге материал скомпонован и подан таким образом, чтобы удовлетворить современные требования к преподаванию научно-технических дисциплин в высших учебных заведениях. Для этого учтены и систематизированы достижения отечественной и зарубежной микроэлектронной промышленности за последние десятилетия, приведены примеры возможного практического использования микро- и наноэлектронных устройств, находящихся в стадии концептуальных разработок, широко используются сравнительные диаграммы, схемы и таблицы. Выбранный метод изложения обусловлен желанием сделать материал более доступным для самостоятельного обучения. Однако в этом случае предполагается, что читатель хорошо знаком с дифференциальным и интегральным исчислением, уравнениями в частных производных и обладает необходимыми познаниями из курсов физики твердого тела и квантовой механики.
Исторически микроэлектроника как научно-техническая отрасль развивалась более полувека, тогда как нанотехнологии (и, в частности, наноэлектроника) стали развиваться только в последние 10-15 лет. Эта особенность определила характер изложения материала в учебнике. Значительная по объему часть 1 посвящена физическим основам технологии микроэлектроники. В части 2 рассматриваются теоретические аспекты наноэлектроники и методы получения наноразмерных объектов. Такая последовательность изложения материала, по мнению авторов, позволяет подчеркнуть известную преемственность технологий при переходе от микро- к наноэлектронике. Рассмотрены получение и свойства отдельных наночастиц и атомных кластеров, объёмных наноматериалов. Отмечены новейшие области применения нанотехнологий, наноприборов и наномашин. В целом данный подход обеспечивает возможность акцентирования внимания читателей на принципиальной новизне используемых в наноэлектронике технологических методов анализа и контроля.
Следует заметить, что представленный в настоящем учебном издании материал характеризуется лаконичной формой изложения. Это связано, с одной стороны, ограниченным объемом книги, а с другой стороны, обширностью затронутой тематики. По этой причине читателю предлагается для более глубокого изучения и усвоения материала по ряду вопросов воспользоваться дополнительными литературными источниками, список которых приведен в конце учебника.
Авторы считают своим долгом выразить глубокую признательность творческим вдохновителям этого учебного издания − Анатолию Федоровичу Зацепину, Эрнсту Загидовичу Курмаеву и Анатолию Зотеевичу Меньшикову, с которыми интенсивно обсуждались рассматриваемые в книге вопросы физики и технологии микро- и наноэлектроники.
ВВЕДЕНИЕ
Эра электроники начинается с открытия Дж.Томсоном в 1897 году электрона и создания первоначального варианта теории электропроводности твёрдого тела. В 1905 г. А.Флемингом была разработана конструкция вакуумного диода, а Гертель и Эльстел (1905) создали фотоэлемент. В 1923 году Шоттки опубликовал теорию твёрдотельного выпрямителя – первую теоретическую работу в области полупроводников, выполненную с применением квантово-механических расчётов и положившую начало твёрдотельной электронике.
Наиболее сильный импульс в развитии электронная промышленность получила в 40-е годы прошлого века, когда были созданы технические основы миниатюризации изделий радиоэлектроники. В этот период были разработаны новые материалы и технологические приемы изготовления твёрдотельных устройств, однако наиболее важным следует считать осознание факта преимущества твёрдотельных электронных приборов перед электровакуумными (габариты, долговечность, рабочий диапазон). Была сформулирована основная концепция прикладной электроники:
отказ от приборов с накаливаемыми катодами;
применение твёрдотельных материалов, электропроводность которых меняется под действием электрических факторов;
дальнейшая миниатюризация электронных устройств.
Результатом претворения данной концепции в жизнь явилось создание устройств на дискретных компонентах, выполненных из Si (автогенератор Килби, 1959 г.). Первые цифровые схемы на дискретных биполярных транзисторах появились в 1962 г. В это же время были созданы монолитные микросхемы, выполненные на общей кремниевой подложке. Поэтому можно считать, что собственно эра микроэлектроники начинается именно с 1962 г. Дальнейшее развитие микроэлектронных устройств представлено в следующей таблице:
Эволюция миниатюрных электронных устройств
Степень интеграции |
Начало внедрения |
Число элемен-тов на одном кристалле |
Область применения |
Малая |
Начало 60-х годов |
От 3 до 30 |
Базовые логические элементы |
Средняя |
Середина и конец 60-х |
От 30 до 300 |
Сумматоры, запоминающие устройства на 256 бит |
Большая (БИС) |
Начало 1970-х |
От 300 до 3000 |
Калькуляторы, запоминающие устройства с произвольным доступом на 1-16 кбит |
Сверхболь-шая (СБИС) |
Конец 70-х – наши дни |
>>30000 |
Устройства памяти, процессоры ЭВМ |
На основе представленных в таблице данных можно сформулировать основную тенденцию развития прикладной микроэлектроники – рост числа элементов, размещаемых на одном кристалле, сопровождающийся уменьшением их геометрических размеров.
Достижения физики твердого тела, квантовой электроники и полупроводниковой технологии в последние десятилетия XX века привели к возникновению новой отрасли науки – наноэлектроники. По мере приближения размеров к нанометровой области (когда формируются образования из единиц и десятков атомов) все в большей степени проявляются квантовые свойства электрона, что открывает перспективы создания принципиально новых устройств. Содержание наноэлектроники как прикладной науки состоит в изучении физико-химических закономерностей формирования микроэлектронных структур с размерами от единиц до десятков нанометров, установлении основных механизмов поведения электронов в тончайших слоях и многослойных структурах, в разработке принципов создания нового поколения быстродействующих сверхминиатюрных электронных устройств.
Большой вклад в создание и развитие наноэлектроники, этой важнейшей области науки и техники, внесла отечественная научная школа, возглавляемая нобелевским лауреатом, академиком Ж.И. Алферовым.