МАТЕРИАЛЫ К ЭКЗАМЕНУ

ПО КУРСУ

«ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ В МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКЕ»

специальность 010400 «Микроэлектроника и полупроводниковые приборы»

3 курс, 6 семестр

доц. Битюцкая Л.А.

---

Вопросы к экзамену

«Физико-химические основы технологии полупроводниковых материалов»

Ч 1.

Правило фаз. Принцип непрерывности и соответствия в диаграммах состояния.

Однокомпонентные системы. Агрегатные превращения. Полиморфизм. Критическая точка. Фазовые переходы I и II рода. Уравнение Клайперона-Клаузиуса. Стабильные и метастабильные состояния.

Двухкомпонентные системы. Двухкомпонентные системы с образованием простой эвтетики. Эвтектика как фаза. Системы с образованием непрерывного ряда твердых растворов. Закон Вегарда и его следствие. Изотермы, состав, свойства. Ограниченные твердые растворы перитектического типа. Ограниченные твердые растворы эвтектического типа. Двухкомпонентные системы с образованием конгруэнтно плавящегося соединения. Двухкомпонентные системы с образованием инконгруэнтно плавящегося соединения. Фазы переменного состава. Дальтониды и бертолиды. Стехиометрические законы для твердых тел. Микрорастворимость и микродиаграммы. P-T-x диаграммы. Общие представления о трехкомпонентных системах.

Ч 2.

Чистые вещества:

Термодинамическая и техническая классификация чистых веществ. Нормирование примесей. Марки качества. Требование к работе с особо чистыми веществами. Роль чистых веществ в полупроводниковых технологиях.

Общая характеристика методов очистки. Кристаллизационные методы очистки. Физико-химические основы очистки кристаллизационными методами. Коэффициент распределения (сегрегации) примеси для систем с образованием твердых растворов эвтектического и перитектического типа. Равновесный и эффективный коэффициент распределения. Распределение примесей при очистке направленной кристаллизацией и зонной плавки в пфанновском приближении.

Другие методы очистки. Сорбция. Перегонка и возгонка. Фильтрация. Хроматография. Экстракция. Электролитические методы. Химические методы. Физические методы.

Методы получения монокристаллов. Кристаллизация из стехиометрического расплава. Метод Чохральского, Бриджмена-Стокбаргера, Чалмерса, зонная плавка. Кристаллизация из раствора-расплава. Метод Вернейля. Гидротермальные методы. Кристаллизация из газовой фазы. Сублимация и транспортные реакции. Рекристаллизация. (самостоятельно)

Таиров Ю.М., Цветков В.Ф. Технология полупроводниковых и диэлектрических материалов. СПб. 2002.

Элементарные полупроводники:

Закономерности изменения свойств полупроводников IVВ подгруппы.

Кремний. Кристаллическая и зонная структура. Особенности химической связи. Sp³–гибридизация. Общие представления о механизмах легирования. Легирование кремния. Энергетический спектр электронов в приближении чистых полупроводников. Мелкие и глубокие уровни. Энергетический спектр электронов в сильно легированном полупроводнике. Понятие о примесной зоне. Методы легирования. Химические свойства кремния. Амфотерность кремния. Взаимодействие с металлами и металлоидами. Взаимодействие с кислотами и щелочами. Применимость соединений кремния в полупроводниковой технологии. Технология кремния. Исходное сырье. Очистка промежуточных продуктов. Получение кремния-сырца. Получение однородно легированных кристаллов. Дефекты в кремнии. (самостоятельно)

---

Угай Я.А. Введение в химию полупроводников.

Общая характеристика соединений A^IIIB^V. Кристаллическая и зонная структура. Особенности химической связи. Твердые растворы на основе соединений A^IIIB^V. Приборы на основе твердых растворов соединений A^IIIB^V. Фотодиоды. Лазеры. Солнечные элементы. Кватоворазмерные приборы. Сверхрешетки. Варизонные полупроводники. Квантовые ямы и точки. (самостоятельно)

Наноматериалы:

Общая характеристика наноматериалов. Методы исследования наноструктур. Принципы молекулярной динамики. Принципы АСМ- и СТМ-микроскопии. Углеродные наноматериалы: фуллерены и нанотрубки, методы получения. Структурные особенности углеродных нанотрубок. Влияние симметрии нанотрубок на физические свойства. Уникальность физических свойств нанотрубок. Применение нанотрубок.

План ответа по диаграмме состояния

Для «прочтения» диаграммы состояния надо руководствоваться тремя правилами: принцип соответствия, правило фаз, правило сопряженных фаз в гетерогенной области (правило каноды).

1. Определить физико-химический смысл точек, линий и поверхностей на заданной диаграмме состояния.

2. Определить число и тип фаз, образующих данную систему.

3. Для каждой фазы определить температурно-концентрационную термодинамическую область существования, наличие фазовых переходов I и II рода.

4. Определить фазовый состав гетерогенных областей.

5. Для всех фаз и комплекса фаз определить число степеней свободы.

6. Предложить термодинамические условия получения заданной фазы, химического соединения, эвтектики, твердого раствора заданного состава, полиморфной модификации.

7. Для системы полупроводник-металл оценить термодинамические свойства микропримесей, растворимость, коэффициент распределения.

8. Для системы полупроводник-металл оценить влияние примеси на электрические свойства – проводимость, время жизни неравновесных носителей.

9. Используя диаграмму состояния оценить фазовый состав интерфейса на границе раздела металл-полупроводник.

10. Для диаграмм с образованием непрерывного ряда твердых растворов предложить условия получения полупроводников с заданной шириной запрещенной зоны.

Дополнительные вопросы

1. Запишите правило фаз для двухкомпонетных полупроводниковых систем коденсированного типа, таких как Si-Au, Si-Ge и др.

2. Запишите правило фаз для двухкомпонетных полупроводниковых систем с летучим компонентом Ga-As, In-P и др.

3. Нарисуйте диаграмму состояния агрегатных превращений в однокомпонентных системах. Определите число степеней свободы в тройной точке.

4. Каким уравнением описывается процесс возгонки, испарения, плавления?

5. Назовите условия устойчивости метастабильных фаз на примере полиморфных фаз углерода: алмаз, графит, фуллерит.

6. Какие устройства микроэлектроники могут быть построены с использованием фазовых переходов проводник-сверхпроводник, металл-диэлектрик, ферромагнетик-парамагнетик?

7. Нарисуйте Т-Х диаграмму состояния с образованием непрерывного ряда твердых растворов.

8. Назовите кристаллохимические условия, необходимые для образования непрерывного ряда твердых растворов. Приведите пример.

9. Для какого типа диаграмм состояния выполняется закон Вегарда?

10. Какими параметрами полупроводников можно управлять с помощью состава в системах с образованием твердых растворов в макромасштабах?

11. Какими параметрами полупроводников можно управлять с помощью состава в системах с образованием твердых растворов в микромасштабах?

12. В каких технологических процессах используются микродиаграммы состояния полупроводник-примесь?

13. Почему фосфор и бор являются основными легирующими примесями при получении p-n перехода?

14. Назовите условия образования преципитата примеси в кремнии.

15. Как влияют преципитаты легирующих примесей на свойства полупроводниковых материалов и приборов?

16. Нарисуйте диаграмму состояния с образованием простой эвтектики. Определите число степеней свободы в точке эвтектики.

17. Назовите основные практические применения эвтектики в полупроводниковой технологии.

18. Нарисуйте диаграмму состояния с образованием конгруэнтно плавящегося вещества. Укажите фазовый состав гомогенных и гетерогенных областей.

19. Какие системы классификации чистых веществ вам известны?

20. Для какого типа диаграмм состояния полупроводник-примесь коэффициент сегрегации больше 1?

21. Для какого типа диаграмм состояния полупроводник-примесь коэффициент сегрегации меньше 1?

22. Перечислите кристаллизационные методы глубокой очистки полупроводников и металлов.

23. Каким методом получают монокристаллы кремния для электронной промышленности?

24. Перечислите полупроводники IVB подгруппы. Закономерности изменения электрофизических свойств.

25. Какие примеси в кремнии образуют мелкие уровни и какие свойства они модулируют?

26. Какие примеси в кремнии образуют глубокие уровни и какие свойства они модулируют?

27. В чем проявляется амфотерность химических свойств кремния?

28. Какие вещества входят в состав жидкостного травителя кремния?

29. Какие летучие соединения кремния используются для получения кремния-сырца и эпитаксиальных пленок?

30. Назовите область практического использования силицидов переходных металлов в технологии ИС.

31. Распространенность кремния в природе; исходное сырье для получения кремния в полупроводниковой промышленности.

32. Перечислите соединения A^IIIB^V и укажите область их применения.

33. Каковы физико-химические принципы образования гетеропереходов и квантоворазмерных структур на основе A^IIIB^V?

34. Назовите свойства пористого кремния как материала для наноэлектроники.

35. Назовите принципы работы атомно-силового микроскопа как метода наблюдения наноструктур.

36. Назовите принципы работы сканирующего туннельного микроскопа как метода наблюдения наноструктур.

---

Задачи

1. Как определить энергию активации процесса испарения, используя уравнение Клайперона-Клаузиуса?

2. Определить ширину запрещенной зоны твердого раствора Si₀₂Ge₀₈, считая, что система подчиняется закону Вегарда.

3. Определить ширину запрещенной зоны твердого раствора Si₀₄Ge₀₆, считая, что система подчиняется закону Вегарда.

4. Определить величину коэффициента сегрегации Ga в Si, если растворимость Ga в Si составляет 10¹⁸ cм^-3, а сопряженная этой точке концентрация Si в расплаве составляет 1.25^.10²¹ cм^-3.

5. Оцените эффективность очистки Si при направленной кристаллизации из расплава в точке g=0. Концентрация Au в расплаве n₀=10¹⁸ cм^-3, коэффициент сегрегации Au k=10^-7.

6. Оцените эффективность очистки Si при направленной кристаллизации из расплава в точке g=0. Концентрация В в расплаве n₀=10¹⁸ cм^-3, коэффициент сегрегации В k=0.9.

7. Оцените тип и величину электропроводности Si, легированного В с концентрацией 10¹⁶ cм^-3.

8. Оцените тип и величину электропроводности Si, легированного In с концентрацией 10¹⁶ cм^-3.

9. Оцените тип и величину электропроводности Si, легированного As с концентрацией 10¹⁶ cм^-3.

10. На сколько порядков изменится проводимость собственного Si при легировании As с концентрацией 10²¹ cм^-3.

11. На сколько порядков изменится проводимость собственного Si при легировании B с концентрацией 10¹⁹ cм^-3.

12. Определите норму примеси As в особо чистом Si.

13. Определите норму примеси Au в особо чистом Si.

14. Почему нельзя получить p-n переход, если использовать в качестве легирующей примеси Au?

15. Укажите, какие из перечисленных примесей могут быть использованы для получения p-n перехода: Li, Au, Ag, Fe, Ni, Co, In, Ga, Al, S, Se, P, As, C, B.

16. Сделайте оценку концентрации примеси в кремнии и типа проводимости марки КЭФ-15 (1, 25, 40, 75, 100).

17. Сделайте оценку концентрации примеси в кремнии и типа проводимости марки КДБ-15, (1, 20, 500).

18. Сделайте оценку концентрации примеси в кремнии и типа проводимости марки КЭС-0.005 (0.1).

---

Смотрите также файлы

• phys-chem.pdf

• перевод про птиц.doc

• Christian Lévêque, Jean-Claude Mounolou Biodiversité Dynamique biologique et conservation 2008.pdf

• Nouveaux souvenirs entomologiques - Livre II.pdf

• 1.docx