Физическая химия материалов и процессов электронной техники

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Мордовский государственный университет им Н.П.Огарёва»
УТВЕРЖДАЮ
Декан факультета
электронной техники,
профессор
«
И.В.Гуляев
2011 г.
»
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ МАТЕРИАЛОВ И ПРОЦЕССОВ ЭЛЕКТРОННОЙ
ТЕХНИКИ»
Рекомендуется для направления подготовки
210100 «Электроника и наноэлектроника»
по профилю «Микроэлектроника и твердотельная электроника»
Квалификация (степень) выпускника
бакалавр
Рабочая программа составлена на основании ФГОС ВПО направления утверждённого
Минобрнауки РФ 22 декабря 2009 г. (рег. №799)
Составитель рабочей программы: А.И. Сурайкин, к.т.н., доцент кафедры микроэлектроники
Заведующий кафедрой микроэлектроники
доцент
В. К. Ионычев
Председатель УМК факультета
электронной техники, доцент
А. В. Мускатиньев
2011 г
1. Цели и задачи дисциплины:
Целью преподавания дисциплины «Физическая химия материалов и процессов электронной техники» является формирование фундаментальных знаний в области физикохимических процессов разработки материалов электронной техники и их применение для
решения практических задач в области технологии получения материалов электронной
техники.
Задачи дисциплины:
- обучение студентов по всем разделам физической химии;
- овладение фундаментальными понятиями, законами и их следствиями, применяемыми в
физической химии;
- овладение навыками в проведении физико-химических процессов;
- выработка у студентов навыков самостоятельной учебной деятельности, развитие у них
интереса к дальнейшей познавательной деятельности;
- стремление студентов к изучению и применению новых компьютерных технологий.
Кроме того, целью и задачами преподавания дисциплины являются ознакомление студентов с российскими национальными и международными стандартами в области физической
химии материалов и процессов электронной техники.
2. Место дисциплины в структуре ООП:
Дисциплина относится к базовой части профессионального цикла Б.3. Изучение дисциплины базируется на знаниях, полученных студентами при изучении дисциплин “Общая
физика” “Высшая математика”, “Общая химия”, “Физика твердого тела”, “Квантовая механика”, иностранного языка, международной системы СИ.
Знания, полученные студентами после изучения дисциплины “Физическая химия
материалов и процессов электронной техники”, используются далее при изучении дисциплин “Технология материалов электронной техники”, “Процессы микро- и нанотехнологии”, “Физика полупроводников”, “Физика полупроводниковых приборов”, “Микроэлектроника”.
3. Требования к результатам освоения дисциплины:
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
- способностью к обобщению, анализу, восприятию, информации, постановки цели и выбору путей ее достижения (ОК-6);
- способностью к письменной и устной коммуникации на государственном языке: умением логически верно, аргументировано и ясно строить устную и письменную речь, готовностью использовать одного из иностранных языков (ОК-2);
- готовностью к кооперации с коллегами, работе в коллективе (ОК-3);
- готовностью приобретать новые знания, использовать различные средства и технологии
обучения (ПК-4);
- готовностью к самостоятельной индивидуальной работе, принятию решений в рамках
своей профессиональной компетенции (ПК-5);
- способностью владеть основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, использовать компьютер как средство работы с информацией (ОК-12)
- готовностью к публичным выступлениям, ведению дискуссии и полемики (ОК-1);
- способностью понимать сущность и значение информации в развитии современного информационного общества, соблюдать основные требования информационной безопасности, в том числе защиты государственной тайны (ПК-3).
Профессиональные компетенции.
- способность и готовность использовать информационные технологии, в том числе современные средства компьютерной графики;
- способность применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования;
- способность и готовность анализировать научно-техническую информацию, изучать
отечественный и зарубежный опыт;
- готовность использовать информационные технологии в своей предметной области;
- способность использовать методы анализа и моделирования физико-химических процессов;
- способность рассчитывать термодинамические режимы процессов получения материалов электронной техники;
- способность использовать технические средства для измерения основных физикохимических параметров;
- готовность к наладке и опытной проверке оборудования, используемого при проведении
физико-химических процессов в технологии получения материалов электронной техники;
- способность выполнять экспериментальные исследования по заданной методике, обрабатывать результаты экспериментов.
В результате освоения дисциплины студент должен
знать:
основные физико–химические закономерности, определяющие свойства материалов электронной техники;
термодинамический и кинетический методы анализа и их применение при получении материалов и компонентов твердотельной электроники;
основные положения физической химии фаз переменного состава и ее применение
для управления составом и свойствами материалов электронной техники.
уметь:
проводить термодинамические и кинетические расчеты условий получения материалов электронной техники с заданными свойствами;
проводить анализ фазовых равновесий на основе T–х и P–T–х диаграмм состояния
полупроводниковых систем для выбора условий проведения процессов получения, очистки и легирования полупроводниковых материалов.
владеть:
методами физико-химического анализа материалов и процессов электронной техники.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Всего часов
Вид* учебной работы
Аудиторные занятия (всего)
Семестры
2
54
2
-
-
Лекции
18
2
Практические занятия (ПЗ)
18
2
В том числе:
Семинары (С)
-
-
-
-
Лабораторные работы (ЛР)
18
2
Самостоятельная работа (всего)
72
2
В том числе:
-
-
-
-
-
Курсовой проект (работа)
-
-
-
-
-
Расчетно-графические работы
-
-
-
-
-
Реферат
-
-
-
-
-
Другие виды самостоятельной работы
-
-
-
-
-
Вид текущего контроля успеваемости
-
-
-
-
-
Вид промежуточной аттестации (зачет)
Общая трудоемкость
2
час
зач. ед.
126
3
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№
п/п
Наименование раздела дисциплины
1
Введение. Кристаллографическая характеристика фаз
2
Физико-химические
основы управления типом и концентрацией
дефектов в кристаллических фазах переменного состава
3
Элементы энергетической кристаллохимии и
химической термодинамики
4
Химическое равновесие в технологии получения материалов электронной техники
Содержание раздела
Кристаллы и аморфные тела. Внутренняя структура
кристаллов. Виды связей между частицами в кристаллах: ионная, ковалентная, металлическая, молекулярная.
Координационное число и плотность упаковки. Образование энергетических зон в кристаллах. Зонные диаграммы металлов, полупроводников и диэлектриков.
Методы описания кристаллических структур: элементарная ячейка, кристаллографические плоскости и
направления. Индексы Миллера. Идеальные и реальные
кристаллы. Дефекты кристаллической структуры: точечные и протяженные. Влияние дефектов структуры на
физические, химические и электрические свойства монокристаллических полупроводников
Основные положения термодинамики. Свободная энергия процессов. Тепловая теорема Нернста. Связь между
физическими и термодинамическими свойствами веществ. Термодинамика растворов. Идеальные и реальные растворы. Основные процессы в гетерогенных химико-технологических системах. Массопередача и теплопередача. Пограничные слои. Кинетика гетерогенных
химических процессов. Понятие о лимитирующей стадии процесса.
Общая характеристика чистоты вещества. Сорбционные
процессы. Адсорбция, абсорбция, ионный обмен, хроматография. Изотермы адсорбции и ионного обмена.
Жидкостная экстракция. Кристаллизация как метод разделения и очистки веществ. Термодинамика растворов
и фазовые равновесия. Методы фазового анализа. Правило фаз Гиббса. Фазовые превращения однокомпонентных и двухкомпонентных систем. Основные типы
P-T-x диаграмм состояния полупроводниковых систем.
Диаграммы состояния для непрерывных твердых и
жидких растворов. Диаграммы состояния для систем с
простой эвтектикой. Принцип очистки кристаллизацией. Равновесный и эффективный коэффициенты распределения. Процессы перегонки через газовую фазу.
Закон Рауля. Диаграмма состояния системы «жидкостьпар». Ректификация. Химические транспортные реакции (реакции переноса). Механизм и кинетика роста
кристаллов при кристаллизации из твердой, жидкой и
газообразной фазы.
5
6
Диффузионная кинетика и физикохимические основы
процессов получения
полупроводниковых
материалов
Кинетика диффузионных процессов. Легирование кристаллов в твердой фазе. Легирование в процессе выращивания из жидкой и газовой фаз. Общие требования к
полупроводниковым материалам. Процессы и методы
получения монокристаллического кремния. Процессы и
методы получения монокристаллических полупроводниковых материалов: германия, материалов A3B5, A2B6,
карбида кремния.
Физико-химические
основы нанотехнологий и молекулярной
наноэлектроники
Классификация и методы получения нанокластеров и
наноструктур. Молекулярные кластеры. Твердотельные
нанокластеры и наноструктуры. Физико-химический
аспект зарядовых и квантово-размерных эффектов.
Термодинамика поверхности. Фуллериты и углеродные
нанотрубки. Наноустройства на основе углеродных
нанотрубок.
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
№
п/п
Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1
Технология материалов электронной техники
Процессы микро- и
нанотехнологий
Физика полупроводников
Физика полупроводниковых приборов
Микроэлектроника
2
3
4
5
№ № разделов данной дисциплины, необходимых для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1
2
3
4
5
6
+
+
+
+
+
-
+
+
+
+
+
+
+
+
-
-
+
+
+
-
-
-
+
-
+
-
-
+
+
-
5.3 Разделы дисциплины и виды занятий
№
Наименование раздела дисциплины
п/п
Кристаллографическая
характеристика фаз
Физико-химические основы управления типом и концентрацией дефектов в кристаллических фазах
переменного состава
Элементы энергетической кристаллохимии и химической термодинамики
Химическое равновесие в технологии получения материалов электронной техники
Диффузионная кинетика и физикохимические основы процессов получения полупроводниковых материалов
Физико-химические основы нанотехнологий и молекулярной наноэлектроники
Всего:
1
2
3
4
5
6
Лекц. Практ. Лаб.
зан.
зан.
2
2
2
Семин.
зан.
СРС
-
8
Всего
час.
14
4
2
10
4
4
2
28
12
10
20
2
4
2
20
28
4
3
2
3
18
18
2
21
12
-
15
10
18
-
72
126
6. Лабораторный практикум
№
п/п
1
2
3
4
№ раздела дисциплины
Кристаллографическая
характеристика фаз
Физико-химические основы
управления типом и концентрацией дефектов в кристаллических фазах переменного
состава
Физико-химические основы
управления типом и концентрацией дефектов в кристаллических фазах переменного
состава
Физико-химические основы
управления типом и концентрацией дефектов в кристаллических фазах переменного
состава
Наименование лабораторных работ
Строение кристаллов
Симметрия кристаллов. Кристаллографические символы
Трудоемкость
(час.)
2
2
Дислокационные границы и методика
определения их параметров в монокристаллах кремния
4
Структурные дефекты в монокристаллах германия
4
5
6
Элементы
энергетической
кристаллохимии и химической термодинамики
Диффузионная кинетика и
физико-химические основы
процессов получения полупроводниковых материалов
Определение глубины механически
нарушенного слоя в пластинах кремния
Изучение кинетической кривой травления механически нарушенного слоя
4
2
7. Практические занятия (семинары)
№
п/п
1
2
3
4
5
6
№ раздела дисциплины
Тематика практических занятий (семинаров)
Кристаллографическая ха- Элементы симметрии кристалллов. Расрактеристика фаз
чет энергетической прочности ионных и
атомных кристаллов
Физико-химические осно- Кристаллографические плоскости и
вы управления типом и направления. Индексы Миллера. Деконцентрацией дефектов в фекты кристаллической структуры
кристаллических фазах переменного состава
Элементы энергетической Определение возможности самопроизкристаллохимии и химиче- вольного протекания термодинамической термодинамики
ских процессов. Термодинамический
анализ процессов испарения и конденсации. Расчёт констант равновесия
Химическое равновесие в Построение изотерм свободной энергии
технологии получения ма- Гиббса. Расчет линий ликвидуса и солитериалов электронной тех- дуса в жидкой и твердой фазах
ники
Диффузионная кинетика и Расчет процессов диффузии примесей в
физико-химические осно- полупроводниках
вы процессов получения
полупроводниковых материалов
Физико-химические осно- Анализ процессов образования наноклавы нанотехнологий и мо- стеров в кристаллических фазах перелекулярной наноэлектро- менного сос-тава
ники
Трудоёмкость
(час.)
2
2
4
4
2
4
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
а) основная литература
1 Жуховицкий А.А., Шварцман Л.А. Физическая химия: Учебник для вузов. - 5-е
изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 2001. 688 с.
2
Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. – М.: Высшая школа, 1999.
3
Глазов В.М. Основы физической химии. – М.: Высшая школа, 1981.
4
Физическая химия. В 2 кн. Кн. 1. Строение вещества. Термодинамика. Кн. 2.
Электрохимия. Химическая кинетика и катализ: Учеб. для вузов/К.С. Краснов,
Н.К. Воробьев, Н.Н. Годнев и др., под ред. К.С. Краснова – 3-е изд. испр. М.:
Высшая школа, 2001.
5
Ормонт Б.Ф. Введение в физическую химию и кристаллохимию полупроводников. – М.: Высшая школа, 1982.
6
Карапетьянц М.Х. Химическая термодинамика. 3-е изд. – М.: Госхимиздат, 1975.
7
Шаскольская М.П. Кристаллография. – М.: Высшая школа, 1984.
8
Крапухин В.В., Соколов И.А., Кузнецов Г.Д. Технология материалов электронной техники. Теория процессов полупроводниковой технологии. –М.: МИСИС,
1995.
9
Горелик С.С., Дашевский М.Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков. –М.: Металлургия, 1998.
б) дополнительная литература
1 Бокий Г.Б. Кристаллохимия. – М.: Изд-во МГУ, 1960.
2
Новиков И.И. Розин К.М. Кристаллография и дефекты кристаллической решетки.
– М.: Металлургия, 1990.
3
Люпис К. Химическая термодинамика материалов. – М.: Металлургия, 1989.
4
Рейви К. Дефекты и примеси в полупроводниковом кремнии. – М.: Мир, 1984.
5
Ланно М., Бургуэн Ж. Точечные дефекты в полупроводниках. Теория. – М.: Мир,
1984.
6
Ковтуненко П.В. Физическая химия твердого тела. Кристаллы с дефектами. –М.:
Высшая школа, 1993.
7
Булярский С.В., Фистуль В.И. Термодинамика и кинетика взаимодействующих
дефектов в полупроводниках. – М.: Наука, 1997.
в) программное и коммуникационное обеспечение
1. Электронные учебники по курсу: «Физическая химия материалов и процессов электронной техники».
2. Описание лабораторных работ в соответствии с п.6 лабораторного практикума.
3. Компьютерные программы для выполнения расчетов по контрольным работам и
компьютерного моделирования.
4. Программа решения дифференциальных уравнений в частных производных flexpde
6.0.X (бесплатная студенческая версия) – www.pdesolutions.com.
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Материально-техническое обеспечение дисциплины «Физическая химия материалов и процессов электронной техники» состоит из лаборатории для фронтального выполнения лабораторных работ, включающего оборудования для проведения физикохимических экспериментов и оборудования для проведения исследований.
10. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины
Лекционные занятия
Лекции следует проводить как в традиционной форме, так и с применением демонстрационного материала, включая и материалы собственных исследований лектора в объеме дисциплины. Материал изложенный на лекции рекомендуется изучать в тот же день
сначала по конспекту лекции, а затем по учебнику. Рекомендуется студентам внимательно
прочитать материал по теме предстоящей лекции. Это активирует мышление, повышает
интерес и улучшает усвоение.
Лабораторный практикум
Целью лабораторных работ является приобретение навыков проведения физикохимических экспериментов и исследований, изучение свойств материалов электронной
техники. Закрепление теоретического материала.
Предлагается так же провести по предложению студента одну инициативную работу в соответствии с программой.
Практические занятия
Практические занятия проводятся по материалам лекционной программы. На практических занятиях студенты должны научиться выполнять расчёты, связанные с физикохимическими процессами, решать задачи близкие по содержанию к контрольным работам.
Решать задачи близкие по содержанию к контрольным работам. При этом особое
внимание обращается на развитие самостоятельного умения применять теоретические положения курса к решению практических задач.
Разработчики:
ГОУВПО «МГУ им. Н.П.Огарева», к.т.н., доц.
А.И. Сурайкин
Эксперты:
ОАО «Орбита»
Начальник опытно-конструкторского бюро
В.В. Кузьмин
ЗАО НПК «Электровыпрямитель»
Зав. лабораторией моделирования, к.ф.-м.н., доц.
Б.П. Сурин