Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ № 3, 4 по дисциплине «Материалы электронной техники». Новокрещенова Е.П

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Кафедра полупроводниковой электроники и наноэлектроники

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ № 3, 4

по дисциплине

«Материалы электронной техники»

для студентов направления 11.03.04

«Электроника и наноэлектроника»

(профиль «Микроэлектроника и твердотельная электроника»)

очной формы обучения

Воронеж 2015

Составитель канд. техн. наук Е.П. Новокрещенова

УДК 621.382

Методические указания к выполнению лабораторных работ № 3, 4 по дисциплине «Материалы электронной техники» для студентов направления 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника» (профиль « Микроэлектроника и твердотельная электроника») очной формы обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Е.П. Новокрещенова. Воронеж, 2015. 38 с.

В методические указания включены лабораторные работы по изучению основных закономерностей, используемых при анализе диаграмм фазовых равновесий двухкомпонентных систем. В приложении содержатся диаграммы состояния, необходимые для численных расчетов. Приведены контрольные вопросы и библиографический список.

Методические указания предназначены для студентов второго курса.

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD 2007 и содержатся в файле Лаб. МЭТ 3, 4.doc.

Табл. 10. Ил. 30. Библиогр.: 6 назв.

Рецензент канд. техн. наук, доц. Т.В. Свистова

Ответственный за выпуск зав. кафедрой

д-р физ.-мат. наук, проф. С.И. Рембеза

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

© ФГБОУ ВО «Воронежский государственный

технический университет», 2015

Теоретические сведения

В курсе материаловедения электронной техники понимание диаграмм состояния двухкомпонентных систем является одним из основных и важнейших. Современная интегральная схема состоит из многих различных материалов, находящихся в контакте друг с другом. Поэтому разработка интегральных схем и технологии их производства требует знания диаграмм состояния для оценки совместимости материалов схемы в условиях их изготовления и эксплуатации. Знание диаграмм фазовых равновесий используется в изучении технологии полупроводниковых материалов и физико-химических основ легирования полупроводников.

При рассмотрении равновесия фаз в гетерогенных системах целью анализа является установление взаимосвязей между параметрами, характеризующими состояние системы. Основными параметрами гетерогенного равновесия являются температура, давление и концентрация в различных фазах. В системах, образованных конденсированными фазами, роль давления сравнительно невелика, поэтому основными параметрами будут температура и концентрация одного из компонентов.

Свойства сплава определяются состоянием сплава и его микроструктурой.

Состояние сплава определяется:

• фазами, присутствующими в сплаве;

• составом каждой фазы;

• весовой (массовой) долей каждой фазы (в %).

Микроструктура определяется характерным размером (порядка нанометров, микрометров, миллиметров) и морфологией фаз. Под морфологией понимают форму твердых фаз в материале (например, глобулы, диски, столбики) - рис. 1. Самый простой и распространенный метод изучения микроструктуры – оптическая металлография.

Рис. 1. Морфология фаз в материале

1. Основные фазы в сплавах

Рассмотрим двойную металлическую систему А–В. В жидком состоянии обычно существует полная взаимная растворимость компонентов друг в друге. При затвердевании возможны следующие три варианта взаимодействия компонентов А и В:

• атомы А и В сильно отталкивают друг друга; в результате формируется механическая смесь зерен двух чистыхкомпонентов, кристаллизующихся порознь, т. е. А + В;

• силы взаимодействия (отталкивания и притяжения) между атомами А и В малы; в результате атомы компонента В частично или полностью растворяются в решетке А и наоборот. В этом случае образуются ограниченные или неограниченные твердые растворы, причем в первом случае образуются также механические смеси ограниченных твердых растворов;

• атомы А и В испытывают сильное взаимное притяжение; в этом случае могут формироваться химические соединения, в том числе интерметаллиды (в системах металл–металл).

Таким образом, в сплавах могут образовываться следующие основные фазы: жидкие растворы, твердые растворы, химические соединения. Сплав может быть однофазным (гомогенным) или многофазным (гетерогенным).

1.1. Твердые растворы

В жидком состоянии большинство сплавов, применяемых в технике, представляют собой химически однородные жидкости, т. е. жидкие растворы. При затвердевании в ряде таких сплавах однородность сохраняется, следовательно, сохраняется растворимость компонентов в твердом состоянии.

Твердые растворы – это кристаллические фазы, имеющие решетку основного компонента А (растворителя), в которой размещены атомы другого (или других) компонентов (B и т. д).

Твердые растворы обозначают греческими буквами, например: α = А(В), где А – растворитель, В – растворяемый компонент. Схематически микроструктура твердого раствора (однофазный сплав) показана на рис. 2.

Различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения . При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента B статистически случайно занимают узлы решетки растворителя A . При этом решетка искажается, что приводит к изменению параметра решетки и возникновению напряжений.

Твердые растворы внедрения образуются в том случае, когда атомы растворенного компонента B внедряются в межузельные промежутки растворителя A . При этом атомы компонента B занимают не любые междоузлия, а только те, которые имеют достаточный свободный объем. В таких пустотах могут разместиться только атомы с очень малыми размерами.

Наименьшие размеры имеют атомы неметаллов (водород, азот, углерод, бор); именно они образуют с металлами твердые растворы внедрения. Но и у этих элементов размер атомов превышает размеры междоузлий в решетке металлов, Поэтому при образо-

вании твердого раствора внедрения решетка металла искажается и возникают напряжения. При этом тип решетки не изменяется. Максимальная концентрация твердого раствора внедрения не может быть высокой: обычно она не превышает 1÷2 вес. %. Таким

образом, твердые растворы внедрения являются ограниченными.

Рис. 2. Схема микроструктуры твердого раствора

Неограниченные твердые растворы образуются, если выполняются следующие условия:

• компоненты А и В имеют одинаковый тип решетки (изоморфизм);

• различие атомных радиусов (или периодов решеток) компонентов A и B не превышает 15 %;

• атомы компонентов А и В имеют одинаковую валентность;

• взаимодействие между компонентами А и В слабое, т. е. силы притяжения и отталкивания малы.

Период решетки твердого раствора а подчиняется закону Вегарда:

а = С_А а_А + С_В а_В ,

где а_А и а_В – периоды решеток компонентов А и В, С_А и С_В – их концентрации.

1.2. Химические соединения

Химические соединения имеют следующие особенности, отличающие их от твердых растворов:

• соединение имеет строго определенное соотношение между числом атомов элементов А и В, соответствующее стехиометрическому составу, выраженному формулой А_mВ_n;

• соединение имеет специфическую решетку, отличную от решеток исходных компонентов;

• соединение имеют постоянную температуру плавления (диссоциации);

• свойства соединения существенно отличаются от свойств исходных компонентов; например, соединение Fe₃C имеют высокую твердость, но очень хрупкое, что связано с наличием ковалентной связи между атомами Fe и C.

Если химическое соединение А_mВ_n является устойчивым (конгруэнтно-плавящим- ся), т. е. не диссоциирует вплоть до температуры плавления, то его можно рассматривать как самостоятельный компонент С, способный образовывать твердые растворы с исходными компонентами А и В.

1.3. Механические смеси

Механическая смесь двух компонентов A и B образуется, если они не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химические реакции друг с другом с образованием химического соединения. При таких условиях сплав будет состоять из кристаллов A и B (рис. 3 а), отчетливо выявляемой с помощью металлографии (рис. 3 б). В общем виде механические смеси обозначают: A + B.

а б

Рис. 3. Микроструктура механической смеси (схема) - а; микроструктура сплава Bi-40 вес. % Cd - б

Образующими смесь фазами могут быть элементы и соединения, но чаще ими являются твердые растворы. Образование смесей происходит при выделении второй фазы из пересыщенных твердых растворов, вследствие эвтектических или эвтектоидных превращений.

2. Диаграммы состояния двойных сплавов

Диаграмма состояния сплава – это графическое изображение состояния сплава в зависимости от температуры и химического состава. В каждой точке диаграммы можно определить состояние сплава, а именно:

• фазовый состав сплава (тип и число фаз);

• химический состав каждой фазы;

• массовую долю каждой фазы (в двухфазных областях).

Диаграмма состояния показывает только устойчивые или равновесные состояния. Поэтому диаграммы состояния называют также диаграммами фазового равновесия. При равновесии состояние сплава данного состава при данной температуре и давлении термодинамически стабильно, т. е. отсутствует стремление к изменению этого состояния во времени.

Состояние системы (сплава) определяется тремя параметрами: температура, давление и концентрация компонентов.

2.1. Правило фаз Гиббса

Состояние сплава зависит от внешних (температура, давление) и внутренних (концентрация) параметров. Это состояние характеризуется числом образовавшихся фаз, их составом (концентрацией) и отношением масс (массовой долей фаз). Закономерности изменения числа фаз в гетерогенных системах (с числом фаз ≥ 2) определяются правилом фаз Гиббса.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз. Оно выражается уравнением

С = К – Ф + 2, (1)

где С – число степеней свободы (или вариантность); К – число компонентов, образующих систему; 2 – число внешних параметров (температура и давление); Ф – число фаз, находящихся в равновесии.

Под числом степеней свободы (вариантностью системы) понимают число независимых внутренних (концентрация) и внешних (температура, давление) параметров, значение которых можно изменять без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.

Если число степеней свободы С = 0, то это означает,что для сохранения фазового равновесия (Ф=const) необходимо,чтобы все параметры оставались постоянными, т. е. концентрация n = const, температура T= const и давление P = const .

Если же число степеней свободы С = 1, то это означает, что для сохранения фазового равновесия (Ф = const) необходимо,чтобы только один из параметров изменялся в некоторых пределах, а два других оставались постоянными.

Если принять, что все фазовые превращения в металлах и сплавах происходят при постоянном давлении (P = const),то число внешних факторов будет равно 1 (температура), и правило фаз примет вид

С = К – Ф + 1. (2)

Правило фаз позволяет проверять правильность построения кривых охлаждения и диаграмм состояния на тех отрезках и в тех областях, где число фаз Ф ≥ 2.