Программа 222900.62 - Высшая школа экономики

Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики"
Московский институт электроники и математики Национального
исследовательского университета "Высшая школа экономики"
Факультет электроники и телекоммуникаций
Программа дисциплины «Физическое материаловедение»
для направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемной техники»
подготовки бакалавра
Автор программы:
Васильевский В.В. доцент vvasil@hse.ru
Одобрена на заседании кафедры «Микросистемная техника,
материаловедение и технологии» «_29_»_августа_ 2014 г
Зав. кафедрой Кулагин В.П.
Рекомендована секцией УМС по электронике
Председатель С.У.Увайсов
«___»____________ 20 г
Утверждена УС факультета электроники и телекоммуникаций
«___»_____________20 г.
Ученый секретарь В.П.Симонов
________________ [подпись]
Москва, 2014
Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями
университета и другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы.
1. Цели и задачи дисциплины
Научить студентов правильно оценивать и выбирать материалы для
создания устройств электроники, обеспечивающие их надежность,
долговечность, оптимальные массогабаритные и экономические
характеристики на основе знания структуры и свойств материалов, а также
методов воздействия на них.
1.
Установление зависимости между составом, структурой и
свойствами материалов,
2.
Изучение физической природы явлений, происходящих в
проводниковых,
резистивных,
полупроводниковых,
диэлектрических, магнитных и других материалах, используемых в
электронике, при воздействии на них различных факторов в условиях
производства и эксплуатации;
3.
Изучение основных групп материалов, их свойств и областей
применения.
2. Место дисциплины в структуре ООП:
Дисциплина требует наличия у студента знаний, умений и навыков,
полученных в ходе изучения дисциплин «Химия» «Физика», «Физика
твёрдого тела» Для изучения дисциплины студент должен обладать
следующими компетенциями:
ОК-10
–
Способность
использовать
основные
законы
естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности,
применять методы математического анализа и моделирования,
теоретического и экспериментального исследования.
ПК-1 – Способность представлять адекватную современному уровню
знаний научную картину мира на основе знания основных положений,
законов и методов естественных наук и математики.
ПК-2 – Способность выявлять естественно-научную сущность проблем,
возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлекать для их
решения соответствующий физико-математический аппарат.
ПК-6 – Способность собирать, обрабатывать, анализировать и
систематизировать научно-техническую информацию по тематике
исследования, использовать достижения отечественной и зарубежной
науки, техники и технологии.
2
ПК-14 – Способность выполнять работы по технологической подготовке
производства материалов и изделий электронной техники.
ПК-18 – Способность собирать, анализировать и систематизировать
отечественную и зарубежную научно-техническую информацию по
тематике исследования в области электроники и наноэлектроники.
ПК-21 – Готовность анализировать и систематизировать результаты
исследований, представлять материалы в виде научных отчетов,
публикаций, презентаций.
Дисциплина «Материалы электронной техники»
является
предшествующей для
изучения дисциплины »"Электронно- и ионнолучевое оборудова
ние":"Оборудование для получения тонкоплёночных структур" и
"Методы
исследования
материалов
и
структур
микрои
наноэлектроники"
.
3. Требования к результатам освоения дисциплины:
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать: физическую сущность явлений, происходящих в материалах
в условиях производства и эксплуатации; их взаимосвязь со свойствами;
основные свойства современных материалов;
Уметь: оценивать поведение материала и причины отказов устройств
электроники при воздействии на них различных эксплуатационных
факторов: обоснованно выбирать материал и при необходимости его
обработку для получения необходимой структуры и свойств,
обеспечивающих высокую надежность и долговечность элементов
электронной техники;
Владеть: навыками выбора материалов различного назначения, а
также работы с приборами, позволяющими определять свойства и оцени
ния; рассчитывать ионно-легированные профили распределения
примесей; качественно определять траекторию электронного пучка в
сложном электрическом поле; анализировать и выбирать элементную базу
элионного оборудования; оценивать применение элионного оборудования в
новых областях техники и технологий.
3
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Вид учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия (всего)
Всего часов /
зачетных
единиц
Модули
1
2
3-
182,2
170
В том числе:
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа (всего)
В том числе:
Курсовой проект (работа)
Расчетно-графические работы
Реферат
Другие виды самостоятельной
работы
Промежуточная аттестация (экзамен
,зачет)
4
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№ Наименование
п/п раздела
дисциплины
1.
Проводниковы
еи
резистивные
материалы
2.
Магнитные
материалы.
Содержание раздела
Классификация материалов по составу, свойствам и
назначению.
Строение
материалов.
Дефекты
кристаллического строения. Кристаллизация.
Классификация,
комплекс
требований,
предъявляемых к проводниковым материалам
различного
назначения:
электропроводность,
теплопроводность,
механические,
коррозионные
свойства, стабильность по температуре и во времени,
технологические свойства и т.п.
Факторы,
влияющие
на
электропроводность.
Использование
измерений
удельного
электросопротивления для исследований изменений
структуры материалов в результате их обработки.
Металлы и сплавы для проводников, основные
требования. Медь, влияние примесей, способы
упрочнения. Проводниковые сплавы на основе меди.
Серебро, золото, платина, никель и сплавы на их
основе.
Металлы и сплавы высокого электросопротивления,
назначение и основные требования.
Сплавы для резисторов постоянных и переменных.
Углеродистые
и
безуглеродистые
пленочные
резисторы.
Сплавы для нагревателей на никелевой, железной
основе, на основе тугоплавких
металлов, платины.
Материалы для микросхем, Фильерный и литой
микропровод.
Особенности
тонкопленочных
материалов для резисторов и проводников, понятие о
принципах
получения,
основные
параметры,
определяющие совместимость материалов, в том числе
в интегральных микросхемах: КТР. адгезии,
диффузионные характеристики и т.д.
Контактные материалы для разрывных и скользящих
контактов. Криопроводники. Особенности свойств и
принцип получения.
Понятие
о
сверхпроводниках:
параметры,
сверхпроводящие
материалы,
применение
для
создания магнитных полей большой мощности.
Эффект Джозефсона и устройства на его основе для
создания сверхпроводников для ЗУ.
Классификация материалов по их отношению к
магнитному полю. Ферромагнитные материалы.
Обменное взаимодействие. Доменная структура,
магнитная
анизотропия.
Намагничивание
и
5
3.
перемагничивание, магнитный гистерезис, влияние
структуры. Магнитные свойства в переменных полях,
потери
на
перемагничивание.
Магнитная
проницаемость. Зависимость магнитных свойств от
температуры, точка Кюри.
2.1 Магнитно-мягкие материалы. Металлические
магнитно-мягкие материалы: структура, свойства,
особенности обработки. Сталь, железо-никелевые,
железо-кобальтовые и железо-алюминиевые сплавы.
Магнитно-мягкие ферриты.
2.2 Магнитно-твердые материалы. Металлические
магнитно-твердые материалы; структура, свойства,
особенности обработки. Магнитно-твердые ферриты.
Интерметаллические магнитно-твердые материалы.
Материалы для записи и хранения информации.
2.3. Магнитные материалы се специальными
свойствами.
Физико-химическая природа полупроводимости — 4ч.
Критерии,
описывающие
общие
свойства
Полупроводн
полупроводников. Типы химической связи и
иковые
механизмы переноса носителей заряда в металлах,
материалы.
полупроводниках и диэлектриках. Температурные
коэффициенты электросопротивления, Ковалентная
связь, гибридизация волновых функций валентных
электронов в полупроводниках. Кристаллическая
структура моноатомных полупроводников 1VB –
V11B трупп. Сильные и слабые связи в
полупроводниках, гетеродесмия, анизотропия свойств
монокристаллов. Особенности свойств и применения
полупроводников в микроэлектронных устройствах
(МЭУ).
Моноатомные
алмазоподобные
полупроводники. Аллотропические формы углерода,
различия в схемах их гибридизации и в свойствах.
Природные и синтетические алмазы, собственные и
примесные, безазотные и азотные, нелегированные и
легированные. Структура, свойства и применение в
электронике полупроводниковых алмазов. Углеродные
и алмазные пленки, их формирование и
применение. Германий и кремний. Требования к
германию и кремнию, предназначенным для
изготовления МЭУ, Исходные материалы для
получения чистых германия и кремния, общее
описание технологии их переработки. Получение
объемных поликристаллов. Способы получения
монокристаллов. Фазовые диаграммы равновесия
полупроводник-примесь.
Макродиаграммы.
Вырожденная эвтектика, солидус, их природа.
Качественные характеристики растворимости примеси
6
в полупроводниках: равновесный коэффициент
растворимости,
его
практическое
значение,
эффективный
коэффициент
растворимости.
Нелегированные и легированные полупроводники.
Получение и свойства монокристаллов германия и
кремния. Высокочистый и высокосовершенный
монокристалл. Получение монокристаллов германия,
кремния методами направленной кристаллизации,
зонного переплава и Чохральского. Принципы, этапы,
результаты. Параметры, определяющие качество
монокристаллов германия и кремния, принципы их
определения в соответствии со стандартом. Система
обозначений монокристаллов германия и кремния в
соответствии со стандартом. Поведение примесей в
моноатомных алмазоподобных полупроводниках.
Изовалентные и неизовалентные примеси в германии
и кремнии, их поведение: мелкие и глубокие,
медленные и быстрые. Собственные и примесные
полупроводники.
Слабо,
средне
и
сильно
легированные германий и кремний, влияние степени
легирования на комплексы их электрофизических
характеристик при нормальной и повышенной
температурах. Особенности диффузии примесей в
германии и кремнии: корреляция коэффициента
диффузии примеси с пределом ее растворимости и
коэффициентом ее распределения. Направления
применения германия и кремния в'МЭУ. Дефекты в
алмазоподобных моноатомных полупроводниках.
Классификация дефектов в германии и кремнии в
соответствии со стандартом. Макро- и микродефекты.
Структурные и кристаллические дефекты. Способы их
выявления, их влияние на электрофизические
параметры полупроводников и характеристики
полупроводниковых приборов и МЭУ. Общие
представления об электронике дефектов и требования
к материалам для микроэлектроники по степени
совершенства кристаллической структуры. Точечные
дефекты
в
алмазоподобных
полупроводниках.
Происхождение точечных дефектов, их поведение,
комплексообразование и влияние на свойства
полупроводников.
Линейные
дефекты
в
алмазоподобных
полупроводниках. Дислокации в алмазоподобных
полупроводниках. Типы дислокаций и их системы
скольжения. Энергетика и электроника дислокаций, их
влияние на энергию кристалла и его зонную
структуру. Плотность дислокаций, методы их
наблюдения и определения плотности, скольжение и
взаимодействие дислокаций между собой и с
дефектами других типов. Хрупкость и пластичность
алмазоподобных полупроводников. Контролируемое
использование
дислокационной
структуры
полупроводников в технологии МЭУ: геттерирование
7
быстрых
примесей,
резка
монокристаллов,
скрайбирование
пластин
и
пр.
Пленочные
алмазоподобные
моноатомные
полупроводники.
Получение, характеристики" и применение в
микроэлектронике эпитаксиальных пленок кремния.
Автоэпитаксйальные
и
гетероэпитаксиальные
структуры.
Проблемы
автолегирования
.эпитаксиальных пленок. Дефекты эпитаксиальных
кремниевых структур, возможности предотвращения
их образования и уменьшения их плотности
посредством постэпитаксиальной обработки. Примеры
обозначений кремниевых эпитаксиальных структур.
Структуры «кремний на сапфире». Получение и
свойства монокристаллического сапфира, особенности
характеристик и применения структур КНС.
Поликристаллические пленки кремния. Получение,
морфология,
свойства
и
применение
в
микроэлектронике нелегированных и легированных
поликристаллических пленок кремния. Аморфные
пленки кремния. Стеклообразное и аморфное
состояние слоев кремния. Получение, морфология,
характеристики и применение в микроэлектронике
аморфных
негидрогенизированных
и
гидрогенизированных
нелегированных
и
легированных слоев аморфного кремния. Пористый
кремний. Методика получения пористых слоев на
монолитной
подложке
кремния.
Особенности
морфологии пористого кремния. Свойства пористых
кремниевых
слоев,
их
применение
в
фотолюминисцентных и иных кремниевых МЭУ.
Нитевидные
кристаллы
кремния.
Получение,
строение, свойства и применение нитевидных
кристаллов-«усов»
кремния,
Алмазоподобные
полупроводниковые
соединения.
Принципы
формирования полупроводниковых соединений (ППС)
типа АВ: «несимметричные» и «симметричные»
ППС.
«Симметричные»
ППС:
образование,
кристаллическое строение, схема гибридизации,
зонная структура. Сфалерит, вюрцит, политипы.
Электронная концентрация ППС. ППС типа АВ и АВ:
составляющие их химической связи, влияние
соотношения составляющих связи на зонную
структуру и комплекс электрофизических параметров
ППС. Фазовые диаграммы равновесия двойных ППС
типа АВ и АВ. Стехеометрия и нестехиометрия, их
влияние на зарядовое состояние ППC. Поведение
примесей в ППС типа АВ и АВ. Замещение ППС типа
АВ – принцип замещения и закономерности
изменения свойств в твердых растворах на основе
соединений АВ и АВ.
Нелегированные и
легированные
незамещенные
и
замещенные
соединения типа АВ и АВ. Система обозначений
объемных монокристаллов ППС типа АВ.
8
4.
.
Диэлектриче
ские
материалы.
Гетероэпитаксиальные структуры на основе ППС типа
АВ. Получение, электрофизические и оптические
свойства
и
применение
гетероструктур
с
использованием
трех-,
четырех-,
пятии
шестикомпонентных нелегированных и легированных
твердых растворов на базе соединений АВ, Система
обозначений гетероэпитаксиальных структур на базе
соединений АВ. Полупроводниковые сверхрешетки.
Поверхностные эффекты в полупроводниках. Понятие
о критической толщине полупроводниковой пленки,
приводящей
к
образованию
поверхностей
псевдоморфной сверхрешетки. Сверхрешетки с
чередующимся узкозонными и широкозонными,
нелегированными и легированными, ненапряженными
и напряженными слоями. Закономерности изменения
зонных структур сверхрешеток. Квантовые эффекты в
сверхрешетках, их влияние на электрофизические
параметры
отдельных
типов
сверхрешеток.
Применение
сверхрешеток
в
устройствах
микроэлектроники и наноэлектроники. Другие типы
полупроводниковых соединений. Соединения типа АВ
и
АВ,
оксидные
ППС,
халькогенидные
стеклообразные ППС и др. Тройные ППС. Принципы
формирования тройных ППС ABC тетраэдрического
типа.
Поляризация диэлектриков. Виды поляризации.
Диэлектрическая проницаемость, ее зависимость от
температуры и частоты внешнего поля. Полярные и
неполярные
диэлектрики.
Электропроводность
диэлектриков. Удельное объемное и поверхностное
сопротивление, их зависимость от структуры
материала, температуры и других факторов.
Диэлектрические потери, их виды и характеристики:
активная
мощность,
угол
и
тангенс
угла
диэлектрических потерь, их температурно-частотные
зависимости. Пробой и электрическая прочность
диэлектриков. Зависимость электрической прочности
от структуры материала, его толщины, однородности
электрического поля и других факторов. Стойкость
диэлектриков
к
эксплуатационным
условиям:
механическим нагрузкам, температуре, влажности,
химическим реагентам. излучению и т.д.
4.1.
Электроизоляционные
и
конденсаторные
материалы, Полимеры, пластмассы, композиционные
материалы, лаки эмали, компаунды, эластомеры,
стекла, ситаллы, керамика.
4.2.
Активные
диэлектрики.
Материалы
твердотельных лазеров, сегнето- и пьезоэлектрики,
электреты,
жидкокристаллические
материалы.
9
Материалы со специальными свойствами
6. Лабораторный практикум
№
п/п
№ раздела
дисциплины
Наименование лабораторных работ
Трудоемкость
(часы)
1
1
Металлографический анализ металлов и
сплавов
4,5
2.
2
Электрические свойства металлов и сплавов
4,5
3.
2
Изучение влияния химического состава,
4,5
обработки и условий испытании на магнитные
характеристики магнитомягких материалов
4
4
Поляризация и диэлектрические потери в
4,5
твёрдых диэлектриках
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
а) основная литература
1. Пасынков В.В., Сорокин B.C., Материалы электронной техники, М,:
«Высшая школа», 1986.267с.
2. Справочник по электротехническим материалам. Под ред. Ю.В.
Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. М.: «Энергия». 1981.
3. Горелик С.С., Дашевский М.Я.. Материаловедение полупроводников и
диэлектриков. М.: «Металлургия», 1988. 574 с.
10
4. . Вульф Б.К. Диэлектрические материалы. М: МИЭМ, 1974. 254 с.
5. Материалы для производства изделий электронной техники. Г.Н.
Кадыкова, Г.С. Фонарев и др. М.: «Высшая школа», 1986. 247 с.
6. Электрорадиоматериалы, Под ред. Б.М.Тареева. М,: «Высшая школа»,
1978. 336 с, Кадыкова Г.Н.. Магнитные материалы в радиоэлектронике.
М: МИЭМ, 1970. 111с.
7. Кабанова Т. А.. Электрофизические свойства твердых диэлектрических
материалов. М: МИЭМ, 2000, 78 с,
б) дополнительная литература
8. Конструкционные свойства пластмасс (физико-химические основы
применения). Под ред. Э. Бэра. М.: «Химия», 1967. 463 с.
9. Марихин В, А., Мясникова Л,П„ Надмолекулярная структура полиме
ров. Л,: «Химия», 1977. 238 с.
10. Кадыкова Г.Н.. Сверхпроводящие материалы. М: МИЭМ. 1990. 36 с.
11.
Кабанова Т.А., Воздействие ионизирующих излучений на
электрофизические свойства диэлектриков, М: МИЭМ, 1998. 58 6.
в) программное обеспечение
Не используются
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы
Не используются.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
Лаборатория металлографического анализа: металломикроскопы,
коллекции металлографических шлифов, альбомы микрофотографий,
плакаты
с
изображениями
фазовых
диаграмм
равновесия,
Периодическая система химических элементов, проекционный
телевизор с компьютерным управлением.
Лаборатория физических свойств материалов: установка бесконтактного
электродинамического измерения
поверхностного электрического
сопротивления тонких резистивных пленок на ситалловых подложках,
комплект
образцов,
персональный
компьютер;
установка
трансформаторного типа для измерения петли магнитного гистерезиса
магнитномягких материалов, комплект образцов, персональный
компьютер.
Рабочая программа составлена в соответствии с Государственным
образовательным стандартом высшего профессионального образования по
направлению 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемной техники»
подготовки бакалавра
11