Программа дополнительного экзамена для поступающих в

Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования
«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»
ПРОГРАММА
дополнительного экзамена в магистратуру
по специальности 1-41 80 03
“Нанотехнологии и наноматериалы в электронике”
Минск 2015
2
Программа составлена на основании типовой учебной
дисциплины «Материалы и компоненты электронной техники».
программы
СОСТАВИТЕЛЬ:
Е.А.Уткина, доцент кафедры микро- и наноэлектроники учреждения
образования «Белорусский государственный университет информатики и
радиоэлектроники», кандидат технических наук, доцент.
РЕКОМЕНДОВАНА К УТВЕРЖДЕНИЮ
Кафедрой микро- и наноэлектроники учреждения образования «Белорусский
государственный университет информатики и радиоэлектроники (протокол № 11
от « 20 » апреля 2015 г.)
Заведующий кафедрой МНЭ
________________
В. Е. Борисенко
3
Содержание программы
Введение. Роль материаловедения в электронной технике.
Основные сведения о развитии науки о материалах и последние
достижения в области их производства и промышленного освоения в нашей
стране и за рубежом.
Классификация
материалов.
Актуальность
изучения
свойств
наноразмерных материалов для создания устройств на основе размерных
эффектов. Требования, предъявляемые к материалам в связи с дальнейшей
миниатюризацией и интеграцией изделий электронной техники
Раздел 1. Особенности строения вещества
Тема 1. Строение кристаллов
Содержание понятий «строение вещества» и «структура вещества». Типы
химической связи. Классификация материалов по фазовому составу, свойствам и
техническому назначению. Структура энергетических зон в кристаллах.
Кристаллическая решетка и кристаллическая структура. Симметрия кристаллов.
Кристаллографические точечные группы симметрии, типы решеток, понятие о
пространственных группах симметрии кристаллов. Реальные кристаллы. Типы
дефектов в реальных кристаллах. Кристаллическая решетка кремния.
Строение твердых растворов. Упорядоченные твердые растворы. Фазовые
диаграммы и их применение в электронной технике.
Тема 2. Аморфные материалы
Модели атомного строения аморфных тел. Особенности энергетического
спектра носителей заряда. Локализация электронных состояний. Порог
подвижности. Модель Мотта для некристаллических твердых тел. Термическая
стабильность аморфного состояния. Особенности механических свойств
аморфных материалов в сравнении с их кристаллическими аналогами.
Электрические свойства аморфных материалов и плёнок на их основе.
Аморфные и нанокристаллические полупроводники. Магнитные материалы на
основе аморфных сплавов и их практическое применение
Раздел 2. Основные материалы электронной техники
Тема 1. Проводники
Электропроводность и удельное сопротивление металлов и сплавов. Квантовая
статистика электронов в металле. Понятие об уровне Ферми. Влияние
температуры на удельное сопротивление металлов и сплавов. Температурный
коэффициент сопротивления. Термоэлектрические свойства проводников.
Термоэмиссионные свойства, работа выхода. Термо-эдс. Особенности свойств
металлов в виде тонких слоев.
Медь, алюминий, серебро, золото. Сплавы на основе меди и алюминия.
Материалы высокого удельного сопротивления. Резистивные материалы.
Сплавы для термопар. Материалы нагревательных элементов. Основные
требования, предъявляемые к этим материалам в микроэлектронике.
4
Тонкопленочные проводники. Алюминиевая
металлизация. Тонкоплёночные силициды металлов.
металлизация.
Медная
Аллотропные формы углерода (графит, алмаз, фуллерены, углеродные
нанотрубки). Композитные материалы на основе углеродных нанотрубок.
Алмазоподобные пленки. Нановолокна.
Тема 2. Полупроводники
Электропроводность полупроводниковых материалов. Собственная и
примесная электропроводность. Доноры и акцепторы. Зонная диаграмма для
собственных и примесных полупроводников. Механизмы рассеяния и
подвижность
носителей
заряда.
Зависимость
электропроводности
полупроводников от внешних воздействий. Концентрация носителей заряда.
Влияние примесей на свойства полупроводников. Оптические явления в
полупроводниках.
Требования,
предъявляемые
к
современным
полупроводниковым материалам.
Элементарные полупроводники. Германий, кремний, основные свойства.
Методы получения, очистка, применение. Полупроводниковые пленки.
Силициды: строение, проводимость, классификация. Барьерные слои на основе
металлов и силицидов.
Соединения AIIIBV. Основные свойства (арсенид галлия, арсенид индия,
антимонид фосфора, антимонид галлия, нитрид бора, арсенид бора). Применение
в электронной технике.
Соединения AIIBVI. Основные свойства (теллуриды/сульфиды/селениды
свинца, ртути, кадмия).
Соединения AIVBIV. Карбид кремния, основные свойства, методы
получения.
Тройные полупроводниковые соединения AIBIIICVI. Основные свойства,
применение. Халькогенидные полупроводники (CIGS). Твердые растворы.
Полимерные полупроводники и проводящие полимеры.
Тема 3. Диэлектрики
Основные свойства диэлектриков. Поляризация диэлектриков.
Электропроводность диэлектриков. Основные виды диэлектрических потерь.
Зависимость tg от внешних факторов (температуры, частоты, напряженности
электрического поля). Электрическая прочность диэлектриков.
Физико-механические
свойства
диэлектриков.
Особенности
свойств
тонкопленочных диэлектриков. Микропробой и электрическая прочность тонких
пленок.
Неорганические
диэлектрики.
Керамика.
Установочная
керамика.
Высокочастотная конденсаторная керамика. Низкочастотная конденсаторная
керамика. Высокотемпературная сверхпроводящая керамика. Стекла. Ситаллы.
Состав, основные свойства, применение в электронной технике.
Органические диэлектрики. Полиэтилен, полистирол, фторопласт,
полиимиды,
полиэфирные
смолы,
эпоксидные
смолы,
эластомеры.
Композиционные порошковые пластмассы. Волокнообразные диэлектрики,
5
лаки, клеи, битумы, компаунды. Состав, свойства, использование в изделиях
электронной техники.
Активные диэлектрики. Сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты. Состав,
получение, основные свойства, использование в диэлектрических приборах.
Активные диэлектрические материалы и элементы на их основе. Основные
требования, предъявляемые к диэлектрикам, используемым в микроэлектронике.
Тонкопленочные диэлектрики. Диоксид кремния. Нитрид кремния.
Оксинитрид кремния. Оксид алюминия. Сверхтонкие диэлектрические слои.
Материалы тонко- и толстоплёночных гибридных интегральных микросхем:
материалы подложек, межслойной изоляции, конденсаторов и резисторов,
материалы защитных покрытий интегральных микросхем.
Раздел 3. Материалы специального назначения
Тема 1. Сверхпроводники
Сверхпроводимость.
Механизм
явления
сверхпроводимости.
Сверхпроводники первого и второго рода. Материалы, обладающие свойством
сверхпроводимости.
Магнитные
сверхпроводники.
Материалы
низкотемпературной
сверхпроводимости.
Высокотемпературные
сверхпроводники (ВТСП). Сплавы ниобий-титан и интерметаллические
соединения ниобий-олово. Керамика с эффектом ВТСП.
Тема 2. Магнитные материалы
Классификация веществ по магнитным свойствам. Основные свойства
магнитных материалов. Доменная структура, магнитная анизотропия,
температура Кюри, влияние внешнего магнитного поля, гистерезис, процессы
намагничивания, кривая технического намагничивания, магнитные потери.
Общая характеристика и требования, предъявляемые к материалам. Пермаллои,
магнитодиэлектрики. Ферромагнетики. Антиферромагнетики. Магнитомягкие
ферриты. Применение в электронной технике.
Магнитотвердые материалы. Сплавы на основе благородных и
редкоземельных металлов. Ленты для магнитной записи. Состав, свойства.
Тонкие ферромагнитные пленки. Материалы для устройств на
цилиндрических магнитных доменах (ЦМД), их основные свойства. Гигантское
магнитосопротивление.
Тема 3. Жидкие кристаллы
Жидкие кристаллы. Анизотропия физических свойств, однородность
симметрия. Анизотропия диэлектрической проницаемости. Классификация
жидких кристаллов. Холестерические, нематические, смектические жидкие
кристаллы. Основные свойства, получение, способы применения в деталях
электронной техники. Электрооптические эффекты. Эффект динамического
рассеяния. Эффект памяти. Эффект «гость – хозяин». Твист-эффект. Эффект
управляемого полем двулучепреломления. Жидкристаллические индикаторы.
Раздел 4. Технология получения объемных материалов
6
Тема 1. Исходные компоненты
Градация материалов по степени очистки. Требования по классу чистоты.
Чистые и сверхчистые материалы. Способы очистки исходных материалов.
Методы глубокой очистки. Разбавленные растворы. Способы организации
глубокой очистки. Процессы очистки в гомогенных системах. Процессы очистки
в гетерогенных системах. Коэффициенты распределения и фазовые диаграммы.
Жидкие, твердые и газообразные исходные компоненты. Элементорганические соединения.
Тема 2. Получение аморфных и поликристаллических материалов
Способы получения материалов в аморфном состоянии. Факторы,
влияющие на способность к аморфизации.
Аморфный кремний. Применение и основные свойства. Технология
получения аморфного кремния. Аморфный гидрогенизированный кремний.
Технология формирования стекол. Специальные методы получения стекол
и аморфных материалов. Оксидные стекла. Стекла галогенидов. Металлические
стекла. Углеродоподобные стекла. Органические стекла и полимеры.
Оптические, электрические, механические свойства и технология формирования
оптических волокон.
Поликристаллические материалы. Способы формирования
поликристаллических материалов. Химическое осаждение из газовой фазы.
Поликристаллический и нанокристаллический кремний. Фторидно-гидридная
технология получения поликристаллического кремния. Поликремний – материал
солнечной энергетики.
Тема 3. Выращивание монокристаллов
Монокристаллическая фаза. Основные свойства. Способы получения.
Формирование монокристаллов методом зонной плавки. Метод бестигельной
зонной плавки. Метод Чохральского. Метод направленной кристаллизации
полупроводников из расплава. Метод Бриджмена. Метод выращивания
кристаллов из растворов. Метод сублимации-конденсации. Газотранспортный
синтез. Селенизация, сульфидизация.
Оборудование и технологические особенности формирования
монокристаллов. Монокристаллы полупроводников. Монокристаллические
германий и кремний. Арсенид галлия. Многокомпонентные полупроводники.
Монокристаллические пленки и способы их получения. Получение нитевидных
нано- кристаллов.
Раздел 5. Формирование пленок
Тема 1. Вакуумные методы
Стадии роста пленок. Структура и состав пленок. Способы формирования
пленок полупроводников, диэлектриков и проводников. Основы метода
вакуумного осаждения. Метод термического испарения. Использование
резистивного и индукционного нагрева. Физические основы катодного
распыления. Параметры распыления. Методы ионного распыления.
Технологические
особенности
ионно-плазменного
распыления.
7
Плазмохимическое распыление. ВЧ-распыление. Магнетронное распыление.
Тема 2. Химическое осаждение из газовой фазы
Химические транспортные реакции. Метод химического осаждения
различных пленок из сложной газовой фазы (CVD) при нормальном и
пониженном давлениях. Термическая устойчивость в конденсированной и
паровой фазах. Давление пара (методы измерения, сравнительная летучесть).
Управление процессом осаждения плёнок из газовой фазы.
Получение металлических, оксидных покрытий. Получение сульфидных,
нитридных, фторидных и пр. покрытий. Получение сложных покрытий.
Технология получения материалов электронной техники: кремния, арсенида
галлия, нитридов кремния и бора.
Общие сведения об эпитаксии. Основные методы эпитаксиального
наращивания. Жидкофазная, газофазная, молекулярно-лучевая эпитаксии.
Автолегирование. Гетероэпитаксия. Определение параметров эпитаксиальных
слоев.
Тема 3. Химическое и электрохимическое осаждение
Автокаталитическое (химическое) осаждение металлов. Механизм
процесса. Факторы, влияющие на свойства покрытий.
Основы электрохимического осаждения пленок металлов и сплавов.
Электролиз. Электрохимическое меднение и никелирование. Контроль
параметров осаждения. Способ электрохимического анодного окисления.
Электрохимическая полировка. Электрофорез.
Химическая и электрохимическая металлизация. Использование анодного
окисления для формирования многоуровневой системы межсоединений.
Пассивация. Изготовление печатных плат.
Тема 4. Золь-гель-технология
Основы золь – гель-технологии. Основные стадии золь – гель-процесса.
Теоретические представления о золь – гель-синтезе. Состав и свойства
пленкообразующих растворов. Пленкообразующие растворы тетраэтоксисилана.
Аэрогели.
Ксерогели.
Технологические
аспекты
производства
многокомпонентных пленок. Получение полупроводниковых, резистивных,
сегнетоэлектрических материалов. Гидролитическое осаждение тонких пленок
диэлектриков
Тема 5. Толстопленочная технология
Основы толстопленочной технологии. Пасты для толстых пленок.
Классификация паст для толстых пленок. Резистивные пасты. Проводящие
пасты. Диэлектрические пасты. Припои. Трафаретная печать. Сушка и вжигание
паст. Подгонка толстопленочных резисторов.
ЛИТЕРАТУРА
Основная
1. Пасынков В.В. Материалы электронной техники: / В.В.Пасынков, B.C.
Сорокин. - 3-е изд. - СПб. : Лань, 2001. - 368 с. - ISBN 5-8114-0409-3 : 4250.
8
2. Антипов Б.Л. Материалы электронной техники: задачи и вопросы :
учебное пособие для вузов по специальности электронной техники / Б. Л.
Антипов, В. С. Сорокин, В. А. Терехов ; под ред. В. А. Терехова. - 2-е изд. - СПб.
: Лань, 2001. - 208 с. : ил. - ISBN 5-8114-0410-7 : 2800-00.
3. Сорокин, В. С. Материалы и элементы электронной техники: учебник: в 2
т. [доп. УМО РФ]. Т. 1 : Проводники, полупроводники, диэлектрики / В. С.
Сорокин, Б. Л. Антипов, Н. П. Лазарева. - М. : Академия, 2006. - 448 с. - (Высшее
профессиональное образование). - ISBN 5-7695-2785-4 : 66198-00.
4. Воробьева А.И. Материалы электронной техники [+ электр. вариант] :
учебное пособие [доп. МО РБ] / А. И. Воробьёва, Е. А. Уткина. - Мн. : БГУИР,
2007. - 226 с. - ISBN 978-985-488-106-5 : 17821-00.
5. Таиров Ю.М. Технология полупроводниковых и диэлектрических
материалов : учебник для вузов / Ю. М. Таиров, В. Ф. Цветков. - 3-е изд.,
стереотип. - СПб. : Лань, 2002. - 424 с. - ISBN 5-8114-0438-7 : 13551-00.
6. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: [учебное пособие] / И. П.
Степаненко. - 2-е изд. - М. : Лаборатория базовых знаний, 2004. - 488 с. : ил. (Технический университет). - ISBN 5-93208-045-0 : 24485-00.
Дополнительная
7. Справочник по электротехническим материалам: в 3 т. Т. 1 / под ред. Ю.
В. Корицкого [и др.] . - 3-е изд., перераб. - М. : Энергоатомиздат, 1986. - 368 с.
8. Справочник по электротехническим материалам : в 3 т. : Т. 2 / В. А.
Шарковский [и др.] / под ред. Ю. В. Корицкого [и др.]. - 3-е изд., перераб. - М. :
Энергоатомиздат, 1987. - 463 с. : ил.
9. Справочник по электротехническим материалам : в 3 т. Т. 3 / под ред. Ю.
В. Корицкого [и др.] . - 3-е изд., перераб. - Л. : Энергоатомиздат, 1988. - 726 с. :
ил. - ISBN 5-283-04416-5 : 4-10.
10. Гапоненко Н.В. Пленки, сформированные золь-гель методом на
полупроводниках и в мезопористых матрицах / Н.В. Гапоненко. - Минск:
Беларус. навука, 2003.