Диаграммы состояния бинарных сплавов
Диаграммы состояния широко используются при исследовании свойств материалов, представляющих собой многокомпонентную систему, например, сплав из двух компонент (бинарный сплав). Они позволяют определять поведение многокомпонентной системы при изменениях температуры или химического состава, а также количество фаз и их процентное содержание при кристаллизации расплава и так далее.
Диаграммой состояния или фазовой диаграммой называют графическое изображение соотношений между параметрами состояния однокомпонентной или многокомпонентной системы. Каждая точка на диаграмме определяет числовое значение параметров, характеризующих данное состояние системы. Диаграмма состояния показывает, сколько и какие конкретно фазы образуют систему при данных значениях параметров состояния. Для бинарных систем принято строить диаграмму состояния в координатах «температура – химический состав». Давление обычно полагается равным нормальному атмосферному. Если рассматривается только жидкая и твердая фазы, изменением объема системы пренебрегают. На рис. 5.4 представлена типичная диаграмма состояния системы из двух компонент А и В. По оси ординат откладывается температура системы, по оси абсцисс - весовое или атомное процентное соотношение компонентов.
Буквой a обозначена твердая фаза вещества А с растворенным в нем веществом В, буквой b - фаза вещества В с растворенным в нем веществом А, буквой L – жидкая фаза. Комбинацией букв a + b , a + L и b + L обозначены смесь фаз или совокупность твердой фазы и жидкой фазы (расплава).
|
|
|
Линия ликвидуса на диаграмме состояния определяет области начала кристаллизации сплавов данных составов при охлаждении. Линия солидуса определяет области начала плавления сплавов данных составов при нагреве. Линия сольвус определяет область параметров, при которых одновременно существуют фазы a и a + b или b и a + b. Точка на диаграмме, соответствующая минимальной температуре плавления, называется эвтектикой (на рисунке эта точка отмечена стрелкой), а соответствующий состав сплава называется эвтектическим. Для изображенной на рис. 5.4 диаграммы состояния эвтектический состав соответствует приблизительно 60 % компонента А и 40 % компонента В.
Рассмотрим процессы, происходящие при кристаллизации расплава, то есть при переходе системы из жидкого состояния в твердое. Будем считать, что содержание обоих компонентов в сплаве одинаково и равно соответственно 50 %, а сам он находится в жидком состоянии (точка 0 на диаграмме). Если охлаждать расплав, то есть перемещаться по диаграмме состояния из начальной точки вертикально вниз, то при достижении линии ликвидуса (точка 1 на диаграмме) в расплаве будут образовываться кристаллы фазы b. Состав этой фазы можно определить, проведя горизонтальную линию до пересечения с кривой солидуса, разделяющей области b и b + 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 кристаллов фазы b, образующихся в расплаве в процессе охлаждения. Охлаждение предполагается достаточно медленным, чтобы состояние системы в любой момент времени было равновесным. Это важно, поскольку диаграмма состояния описывает именно равновесные состояния системы.
|
|
|
В конечном итоге при достижении точки эвтектики весь сплав перейдет в твердое состояние, представляющее собой смесь частиц фаз a и b. При дальнейшем охлаждении сплава состав этих фаз будет изменяться в соответствии с кривой 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 Юма-Розери, а именно, оба вещества должны иметь одинаковый тип кристаллической решетки, атомы должны иметь одинаковую валентность, а их размеры не должны 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 и 1412 °С). При произвольном соотношении компонентов плавление сплава происходит в некотором температурном диапазоне при одновременном существовании жидкой фазы и кристаллов твердого раствора фазы a, представляющей собой кремний, в решетке которого содержится произвольное число атомов германия, зависящее от температуры и исходного состава системы. Эвтектической точки диаграмма состояния не имеет. Анализ процесса кристаллизации данной бинарной системы с произвольным соотношением компонентов осуществляется аналогично тому, как это было сделано выше при рассмотрении системы 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 олова около 62 %. Температура плавления эвтектики равна 183 °С. Из диаграммы видно, что изменение состава сплава меняет его температуру плавления. Когда требуется провести несколько последовательных паек, то для каждой следующей пайки применяются припои с более низкой температурой плавления. Это делается для того, чтобы «не потекли» пайки, сделанные ранее.
Точка пересечения солидуса и сольвуса называется граничной (предельной) растворимостью. Значения граничной растворимости как олова в свинце (фаза b), так и свинца в олове (фаза a) довольно большие (около 19 и 2,5 весовых процентов соответственно). После полной кристаллизации сплава (при температуре 183 °С) и дальнейшем его охлаждении до комнатной температуры, предельная растворимость обоих фаз уменьшается. Для фазы b, например, равновесное содержание олова в свинце уменьшается с 19 % до примерно 2 %. Если охлаждение происходит достаточно быстро, то это сопровождается перенасыщением фазы b оловом. Такая система далека от термодинамического равновесия. Постепенно это приведет к изменению структуры сплава, сопровождающемуся выпадением частиц олова, и к изменению его механических и электрических свойств. Заметные изменения могут произойти примерно через год. Для того чтобы предотвратить эти негативные явления, оловянно-свинцовые припои легируют специальными добавками, в качестве которых обычно используют сурьму в количестве несколько десятых долей процента.
Практический интерес представляет бинарная система золото - кремний, диаграмма состояния которой представлена на рис. 5.7. Растворимости золота в кремнии и кремния в золоте настолько малы, что отобразить это на диаграмме состояния в выбранном масштабе практически невозможно. Эвтектика соответствует содержанию кремния в золоте примерно 6 % . Особенностью данной системы является то, что температура плавления эвтектики намного ниже, чем у чистых компонентов (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 или подложки за счет контактного плавления без введения припоя. Схема процесса показана на рис. 5.8. Кристалл кремния 1 под давлением устанавливается на контактную площадку 2 из золота, нанесенного на основание корпуса или подложки 3. Толщина золотого покрытия должна быть не менее 6 мкм. Соответствующие покрытия на ситалловых или поликоровых подложках могут быть получены вакуумным осаждением золота. Золотые площадки на основании металлического корпуса целесообразно формировать локальным гальваническим золочением. При нагреве зоны контакта до температур 390 - 420 °С происходит взаимная диффузия (растворение в твердой фазе) золота и кремния. Вследствие плавного изменения концентрации компонентов по нормали к соединяемым поверхностям возникает слой, состав которого близок к эвтектическому. При указанных температурах в зоне контакта этот слой переходит в жидкую фазу. С момента возникновения жидкой фазы процессы диффузии и растворения ускоряются, а расплавленный слой быстро расширяется.
После отключения источника нагрева и снятия давления, образуется прочное соединение кремниевого кристалла к основанию корпуса. При охлаждении места соединения кристалла вследствие явления сегрегации компонентов может произойти расслоение сплава, что отрицательно скажется на механической прочности соединения. Во избежание этого в процессе соединения на инструмент-прижим оказывается ультразвуковое воздействие, способствующее перемешиванию образующегося расплава. Длительность процесса пайки составляет 3 - 5 с.
Диаграммы состояния, представленные на рис. 5.4 – 5.7, соответствуют бинарным сплавам, не образующих между собой химических соединений. Для некоторых систем при определенных (стехиометрических) соотношениях компонентов могут образовываться так называемые интерметаллические соединения. Примером может служить бинарная система золото - алюминий, в которой могут образовываться интерметаллиды AuAl2, AuAl, Au2Al, Au3Al2 и Au4Al. При соединении золотых проводников с алюминиевым слоем методом термокомпрессионой или ультразвуковой сварки в зоне контакта могут образовываться все из перечисленных выше интерметаллидов. Эти интерметаллиды могут возникнуть и позже, в процессе эксплуатации приборов, в которых имеются соединения проводников из Au к контактным площадкам из Al. Качество контакта золотых проводников к алюминиевым слоям заметно ухудшается и, в конечном итоге, возникновение интерметаллидов может привести к разрушению контакта. Этот эффект известен в литературе как «пурпурная чума» - по цвету одного из интерметаллидов.
Контрольные вопросы
1. Каким требованиям должны удовлетворять металлы, используемые для формирования проводников 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? Какие существуют 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 анализа диаграмм состояния.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Последние исследования в области проектирования и технологии электронных средств показывают, что в отличие от традиционной микроэлектроники, потенциальные возможности которой в ближайшее десятилетие, по-видимому, будут исчерпаны, дальнейшее развитие электроники возможно только на базе принципиально новых физических и технологических идей. На протяжении ряда десятилетий повышение функциональной сложности и быстродействия микроэлектронных приборов достигалось увеличением плотности размещения и уменьшением размеров элементов, принцип действия которых не зависел от их масштаба. При переходе к размерам элементов порядка десятков или единиц нанометров возникает качественно новая ситуация, состоящая в том, что квантовые эффекты (туннелирование, размерное квантование, интерференционные эффекты) оказывают определяющее влияние на физические процессы 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 настоящему времени ученым удалось добиться немалых успехов. Развитие нанотехнологий идет по нескольким направлениям: изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размеры которых сравнимыми с размерами молекул и атомов; разработка и изготовление микро- и наномашин, то есть механизмов и роботов, размеры которых порядка нескольких молекул (микросистемотехника); модификация поверхности твердотельноых объектов посредством манипуляции отдельными атомами и сборка из них наноструктур. Реализация всех этих направлений уже началась. Почти десять лет назад были получены первые результаты по перемещению единичных атомов и сборки из них определенных конструкций, разработаны и изготовлены первые наноэлектронные элементы. По оценкам специалистов, уже в ближайшее десятилетие начнется производство наноэлектронных чипов, например, микросхем памяти емкостью в десятки гигабайт.
Технологическое решение всех этих задач возможно на основе двух подходов. В первом из них используют групповые технологии создания объектов нанометровых размеров с помощью традиционных методов осаждения тонких пленок и литографии. Групповые технологии осаждения пленок характеризуются особенностями, существенно ограничивающими возможности создания структур нанометровых размеров. Из-за одновременного осаждения пленки на различные участки поверхности подложки возникают зерна, дислокации и другие структурные дефекты. Применение методов эпитаксии позволяет преодолеть данные недостатки, однако из-за высокой температуры эпитаксиальных процессов (необходимой для повышения поверхностной миграции атомов) практически исключается возможность получения структур нанометровых размеров.
Другой подход реализации нанотехнологических процессов основан на проведении локальных атомно-молекулярных взаимодействий с помощью сканирующего туннельного микроскопа, а также атомно-силового или ближнепольного оптического микороскопов. Сканирующий туннельный микроскоп, созданный в 1981 г. немецкими учеными Биннигом и Рорером как инструмент для исследования поверхности на атомарном уровне, позволяет осуществлять перемещение и установку зонда в любую точку вблизи поверхности объекта, причем положение зонда относительно поверхности подложки может быть установлено с высокой точностью. Основным узлом таких нанотехнологических установок является нанореактор, формируемый между вершиной зонда и обрабатываемой поверхностью. В процессе локального воздействия на поверхность объекта электрического и магнитного полей направленным образом трансформируются межатомные и межмолекулярные связи вещества подложки и технологической среды. В результате образуются новые структурные композиции вещества: кластеры молекул, локальные образования нового вещества, композиции органических веществ с неорганическими и так далее. Так формируются нужные объекты с нанометровыми размерами. Кроме этого, сканирующая туннельная микроскопия позволяет обеспечить захват отдельных атомов, перенос их в новую позицию на поверхности подложки, атомарную сборку проводников шириной в один атом, локальные химические реакции и так далее.
Осуществление атомных манипуляций в массовом масштабе, пригодном для производства, требует преодоления многих сложностей: необходимости использования криогенных температур и сверхвысокого вакуума, низкой производительности, надежности и воспроизводимости результатов. Гораздо больших успехов зондовые методы достигли в нанолитографии – «рисовании» на поверхности различных наноструктур с характерными размерами в десятки нанометров. Ближе всего к практическим приложениям подошли процессы трех типов: химического окисления поверхности, индуцируемого движущимся зондом; осаждения наноостровков металла на поверхность за счет скачка напряжения на зонде; контролируемого формирования острием зонда на поверхности наноцарапин. Минимальные размеры элементов, создаваемых этими способами, составляют около 10 нм, что позволяет в принципе осуществлять очень плотную запись, но производительность и надежность оставляют желать лучшего. Решение проблемы возможно с помощью специальных зондовых матриц.
Кроме наноэлектроники, на основе нанотехнологий активно развиваются и другие направления: микро- и наноробототехника, позволяющая создать миниатюрные исполнительные механизмы с быстродействием в миллионы раз выше существующих и более сложные робототехнические системы с распределенными механическими устройствами; интегральная нанооптоэлектроника, позволяющая создать солнечные элементы с очень высоким КПД, светодиоды и лазеры с перестраиваемым спектром излучения от инфракрасного до ультрафиолетового, а также другие функциональные оптические приборы.
Многообещающим является также создание наноструктур, в которых роль функциональных элементов выполняют отдельные молекулы. В перспективе это позволит использовать принципы приема и переработки информации, реализуемые в биологических объектах (молекулярная электроника). Природа создала за миллионы лет эволюции самые разнообразные молекулы, выполняющие все необходимые для сложного организма функции: сенсорные, логически-аналитические, запоминающие, двигательные. Зачем разрабатывать и производить искусственные структуры из отдельных атомов при наличии готовых строительных «блоков»? Тем более, что они имеют оптимальную конфигурацию, структуру и нанометровые размеры. Молекулярная электроника входит составной частью в более крупную отрасль - нанобиотехнологию, занимающуюся биообъектами и биопроцессами на молекулярном и клеточном уровнях и держащую ключи к решению многих проблем экологии, медицины, здравоохранения, сельского хозяйства, национальной обороны и безопасности.
Внимание к развитию нанотехнологий в настоящее время во всем мире очень велико. Так, в США действует программа «Национальная нанотехнологическая инициатива». Евросоюз принял рамочную программу развития науки, в которой нанотехнологии занимают главенствующие позиции. Серьезные успехи достигнуты в Японии, где работы в области нанотехнологий ведутся очень давно. В России существует несколько программ по нанотехнологиям («Низкоразмерные квантовые структуры», «Наноматериалы и супермолекулярные системы», «Ультрадисперсные наноматериалы и нанотехнологии»). Ряд важных исследований осуществляется в рамках Федеральной целевой программы «Национальная технологическая база». Согласно оценкам специалистов вобласти стратегического планирования, сложившаяся сейчас ситуация вомногом аналогична той, что предшествовала тотальной компьютерной революции, однако последствия нанотехнологической революции будут еще обширнее и глубже. По многим прогнозам именно развитие нанотехнологий определит облик XXI века, подобно тому, как открытие атомной энергии, изобретение лазера и транзистора определили облик XX столетия.
Разумеется, это не означает, что изложенные в данном учебном пособии технологические методы потеряют свою актуальность, а производство интегральных микросхем и микропроцессоров резко сократится. Еще долго традиционная технология будет существовать совместно с нанотехнологией, хотя и не исключено, что наноэлектронные приборы смогут в будущем значительно «потеснить» существующие микроэлектронные устройства, как в свое время полупроводниковые транзисторы и диоды повсеместно вытеснили из большинства радиоэлектронных приборов и систем электронные лампы.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Автолегирование 21
Анизотропия травления 70
Вжигание паст 92
Газовый разряд 81
Гетероэпитаксия 16, 23
Глубина залегания p-n-перехода 38, 43
Голографическая литография 63
Гомоэпитаксия 16
Графоэпитаксия 47
Давление насыщенного пара 73
Дефекты радиационные 39, 48
Диаграмма состояния 101
- системы Au - Si 103
- системы Pb - Sn 103
- системы Si – Ge 102
Диффузия 32
- внедрения 33
- замещения 32
- из неограниченного источника 36
- из ограниченного источника 37
- лазерно-стимулированная 47
- радиационно-стимулированная 50
Длина пробега ионов 41
Доза легирования 37, 43
Законы Фика 26, 34
Зародыша критический размер 19, 78
Излучение рентгеновское 57
- синхротронное 57
Интерметаллид 104
Ионная имплантация 39
Ионно-лучевая литография 61
Кислотостойкость фоторезистов 55
Конденсация вещества 78
Контакт омический 97
Коэффициент диффузии 34
- распыления 81
- сегрегации примеси 14
Кремний 12
- монокристаллический 13
- поликристаллический 12, 98
- технический 12
Легирование кремния ядерное 44
Ликвидус 101
Магнитный сепаратор 40
Металлизация 11, 96
Метод бестигельной плавки 15
- силановый 22
- хлоридный 21
- Чохральского 13
Механизмы диффузии 32
Микросхема интегральная 6
- гибридная толстопленочная 7, 89
- гибридная тонкопленочная 7
- пленочная 7
- полупроводниковая 6
- совмещенная 7
Модель Дила-Гроува 25
- процесса диффузии 32
Напыление термовакуумное 72
Нитрид кремния 30
Окисление термическое 25
Оксид алюминия 31
Отжиг лазерный 46
- термический 46
Пасты 90
- диэлектрические 91
- проводниковые 91
- резистивные 91
Пиролиз тетраэтоксилана 30
Подгонка параметров элементов 94
Правила Юма-Розери 102
Предельная растворимость 103
Примесей загонка 36
- разгонка 37
Профиль распределения примесей 36, 38
Пурпурная чума 104
Распыление высокочастотное 86
- катодное 80
- магнетронное 88
- реактивное 87
Рентгенолитография 56
Рентгеношаблон 58
Сапфир 24, 48
Свободная энергия 18
Селективность травления 70
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 3708; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!