Владимирский государственный университет

Кафедра КТ РЭС

Физико-химические основы технологии

электронных средств.

(Конспект лекций)

Автор-составитель: Бушевой С.Н.

Содержание

Владимирский государственный университет 1

Кафедра КТ РЭС 1

Физико-химические основы технологии 1

электронных средств. 1

(Конспект лекций) 1

Автор-составитель: Бушевой С.Н. 1

Содержание 2

Роль физико-химических процессов в технологии и конструировании электронных средств. 3

Основные термодинамические понятия. 3

(P,V,T,C,Ce,U,Sn…)=0, где 4

Законы термодинамики. 5

Разобьем интеграл по замкнутому контуру на 2 простых интеграла: 5

Энтропия. 6

Условия равновесия термодинамических систем. Правило фаз. 7

Диаграммы состояния различных систем и их роль при проектировании технологических процессов. 9

Однокомпонентные системы. 9

Объемные диаграммы состояния. 10

Многокомпонентные системы. 10

Основные типы диаграмм равновесия бинарных систем. 11

Статистический характер второго закона термодинамики. 13

Характеристические функции и термодинамические потенциалы системы. 15

Явления и процессы на поверхности раздела двух фаз. Адсорбция физическая и химическая. 17

Термодинамическое равновесие поверхностного слоя с объемными фазами. 19

Растворы и их применение в технологии ЭС. 21

Виды химической связи между атомами. Равновесное состояние системы атомов. Основные свойства материалов, определяемые особенностями химической связи. 22

Металлическая связь: 24

Молекулярная связь: 24

Пространственное расположение частиц при образовании кристалла. 24

Кристаллические решётки. Типы симметрии и виды решёток. Индексы Миллера. 25

Структура жидкости. 28

Структура полимеров. 28

Жидкие кристаллы. 29

Образование и структура пленок. 30

Получение тонких пленок на ориентирующих подложках (эпитаксия). 35

Особенности структуры пленок. Влияние физико-химических факторов на структуру и свойства пленок. 36

Влияние физико-химических факторов на свойства пленок. 37

Закономерности и механизмы диффузии в полупроводниковых и планарных структурах. 39

Диффузия в твердых телах. Механизмы диффузии. 39

Законы диффузии Фика. 41

Использование диффузии для введения примеси в полупроводниковые кристаллы. Диффузия из ограниченного и неограниченного источника. 42

Физические основы ионной имплантации. 46

Роль физико-химических процессов в технологии и конструировании электронных средств.

Один из факторов определяющих научно-технический прогресс и уровень производства – это технология производства.

В настоящее время в технологии производства ЭС используются новые виды конструкций элементов и новые физико-химические явления в различных средах. Для получения элементов ЭС используется широкий спектр технологических процессов: осаждение пленок, формирование слоев из жидкой, паровой, газовой, ионно-плазменной фаз, травление пленок, литографические процессы с применением оптического, электронного, ионного и рентгеновского излучений, электрохимические, диффузионные и имплантационные процессы.

В этих технологиях трудно произвести разделение на физические и химические процессы, так как они накладываются друг на друга. Поэтому речь идет о физико-химических основах.

Технологические процессы в технологии ЭС (т.е. физико-химические процессы) описываются с помощью термодинамики, ее кинетических и статистических законов.

Основные термодинамические понятия.

Термодинамика - это один из разделов теоретической физики, в котором изучают:

1. Переходы энергии из одной формы в другую, от одной части системы к другой.

2. Энергетические эффекты, сопровождающие различные физические или химические процессы, зависимость их от условий протекания процессов.

3. Возможность, направления и пределы самопроизвольного (т.е. без затраты работы извне) течения самих процессов в рассматриваемых условиях.

Формы передачи энергии можно разбить на две группы:

1. Путем хаотических столкновений молекул соприкасающихся тел. Мерой передаваемой таким способом энергии является теплота (нагрев тел).

2. Различные формы перехода движения за счет перемещения макроскопических масс, состоящих из ограниченного числа молекул (поднятие тел в поле тяготения, расширение газа). Мерой передаваемой таким способом энергии является работа.

Термодинамика на основе понятий теплоты и работы устанавливает многочисленные связи между различными свойствами вещества, и дает их обобщение в виде законов термодинамики, при этом не детализируются энергетические превращения внутри тела и не дифференцируются виды энергии свойственные телу в данном состоянии. Совокупность всех видов энергии рассматривается как единая внутренняя энергия системы.

Термодинамика рассматривает лишь тела, состоящие из большого числа молекул, т.е. макроскопические системы. Классическая термодинамика не принимает во внимание поведение и свойства 1 молекулы. Для 1 молекулы или для совокупности из нескольких молекул понятие теплоты и работы теряют смысл.

Объектом исследования термодинамики является термодинамическая система.

Системой называют тело или группу тел, находящихся во взаимодействии и мысленно обособляемых от окружающей среды.

Гомогенной системой называется такая система, внутри которой нет поверхностей раздела отделяющих друг от друга части системы, различающиеся по свойствам (свойства одинаковые или изменяются плавно от точки к точке).

Гетерогенная система состоит из нескольких макроскопических частей, каждая из которых состоит из большого числа молекул, отделенных одна от другой видимыми поверхностями раздела, на этих поверхностях некоторые параметры могут изменяться скачком.

От этих понятий следует отличать понятия однородной и неоднородной систем.

Однородной называется система, в которой все участки объема обладают одинаковым составом (химически однородная система) и свойствами (физически однородная система).

В противоположном случае система называется неоднородной.

Неоднородная система, может быть и гомогенной, если ее состав и свойства изменяются постепенно от одного участка объема к следующим без образования поверхности раздела между ними.

Фаза-это термин, которым обозначается совокупность всех гомогенных частей системы, одинаковых по составу и по физическим и химическим свойствам (не зависящим от количества вещества) и ограниченных от других частей системы некоторой поверхностью (поверхностью раздела).

Фазы, состоящие из одного какого-нибудь химически индивидуального вещества, называют простыми (а также чистыми); а фазы, содержащие два индивидуальных вещества или больше - смешанными фазами.

Любая гомогенная система представляет собой одну фазу, гетерогенные системы содержат не менее двух фаз.

Каждая фаза характеризуется собственным уравнением состояния. В общем виде уравнение состояния термодинамической системы имеет вид:

(P,V,T,C,Ce,U,Sn…)=0, где

Р – давление;

V –­ объем;

Т – температура;

С – концентрация компонентов;

Се – концентрация заряда;

U – внутренняя энергия системы;

Sn – площадь поверхности системы.

Совокупность всех физических и химических свойств системы характеризует её состояние. Изменение каких-нибудь из этих свойств означает изменение состояния системы. Принято называть общим термином термодинамический параметр состояния (параметр состояния) любую из величин, служащих для характеристики состояния термодинамической системы- P,V,T,C…

Термодинамическая система называется изолированной, если она не может обмениваться веществом и энергией (в форме теплоты и работы) с окружающей средой и имеет постоянный объем.

Термодинамическая система может быть:

Равновесной – это такое состояние системы, при котором ряд свойств системы P,V,T,C и.т.д. не изменяется самопроизвольно во времени, и имеют одинаковые значения во всех точках объема отдельных фаз.

Неравновесное состояние характеризуется неравномерным и изменяющимся во времени распределением термодинамических параметров внутри фаз.