МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ и НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электроники и математики «УТВЕРЖДАЮ» Декан факультета Электроники д.т.н., профессор _______________ Львов Б.Г. «__» ______ 2011 г. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ Направление подготовки 210100 - Электроника и наноэлектроника Профиль подготовки – «Микроэлектроника и твёрдотельная электроника» Квалификация выпускника - бакалавр Форма обучения - очная Москва - 2011 г. 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» ( 2 ) «Физика» (2-4 семестры), «Физика твёрдого тела»( 3 ). 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. ПК-14 – Способность выполнять работы по технологической подготовке производства материалов и изделий электронной техники. 2 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 микро- и 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 Всего часов / зачетных единиц 288 / 8 Аудиторные занятия (всего) 162 / 4.5 Семестры 3 4 В том числе: Лекции 36 / 1 Практические занятия (ПЗ) 18 / 36 / 1 0,5 Семинары (С) Лабораторные работы (ЛР) Самостоятельная работа (всего) 18 / 18 / 0,5 0,5 54 / 1,5 В том числе: Курсовой проект (работа) Расчетно-графические работы Реферат Другие виды самостоятельной работы Промежуточная аттестация (экзамен) 36 / 1 Общая трудоемкость 288 часы 8 зачетные единицы 5. Содержание дисциплины 4 36 / 1 - 5.1. Содержание разделов дисциплины № Наименование п/п раздела дисциплины 1. Проводниковые и 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 перемагничивание, магнитный гистерезис, влияние структуры. Магнитные свойства в переменных полях, потери на перемагничи5 3. Полупроводниковые материалы. вание. 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, железокобальтовые 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 полупроводников. Типы химической связи и механизмы переноса носителей заряда в металлах, 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 в полупроводниках: равновесный коэффициент растворимости, его практическое значение, эффективный коэффициент растворимости. Нелегированные и легированные полупроводники. Получение и свой6 ства 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 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. Де7 фекты 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. Гетероэпитаксиальные структуры на основе ППС типа АВ. Получение, электрофизические и оптические свойства и применение гетероструктур с использованием трех-, четырех-, пяти- и 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 сверхре8 4. . Диэлектрические материалы. шетки. 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. Материалы со специальными свойствами 9 6. Лабораторный практикум № п/ п № раздела дисциплины Наименование лабораторных работ 1 1 2. 2 Электрические свойства металлов и сплавов 4,5/0,125 3. 2 Изучение влияния химического состава, обработ- 4,5/0,125 Металлографический анализ металлов и сплавов Трудоемкость (часы/зет) 4,5/0,125 ки и условий испытании на магнитные характеристики магнитомягких материалов 4 1 Изучение диаграмм состояния двойных сплавов 4,5/0,125 методами металлографического и термического анализа 5 3 Изучение дефектов кристаллической структуры 4,5/0,125 и фазовых диаграмм полупроводниковых материалов 6 4 Изучение электрической прочности твёрдых 4,5/0,125 диэлектриков 7 4 Изучение удельных электрических сопротивле- 4,5/0,125 ний твёрдых диэлектриков 8 4 Поляризация и диэлектрические потери в твёр- 4,5/0,125 дых диэлектриках 7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины: а) основная литература 10 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. 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. 11 Рабочая программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению подготовки 210100 - Электроника и наноэлектроника. Программу составил доцент кафедры материаловедения электронной техники Васильевский В.В. Настоящая рабочая программа рассмотрена на заседании кафедры «___»____________2011 г. протокол №____ и рекомендована к применению в учебном процессе. Заведующий кафедрой Материаловедения электронной техники Тихонов А.Н. «___» __________ 2011 г. Срок действия программы продлен на: 20__/20__ уч.год_______________________________________. (подпись зав. кафедрой) 20__/20__ уч.год_______________________________________. (подпись зав. кафедрой) 20__/20__ уч.год_______________________________________. (подпись зав. кафедрой) 20__/20__ уч.год_______________________________________. (подпись зав. кафедрой) 12