Фазовые диаграммы как средство описания взаимодействия различных материалов. Основные фазовые диаграммы с участием кремния (стр. 1 из 3)

Фазовые диаграммы как средство описания взаимодействия различных материалов. Основные фазовые диаграммы с участием кремния

Содержание

Введение

1. Типы фазовых диаграмм

2. Системы, имеющие важное значение в микроэлектронике

3. Твердая растворимость

4. Фазовые переходы

Выводы

Литература

Введение

Фазовые диаграммы состояний являются неотъемлемой частью любого обсуждения свойств материалов в тех случаях, когда речь идет о взаимодействии различных материалов. Особенно фазовые диаграммы состояния важны в микроэлектронике, т.к. для изготовления выводов и пассивирующих слоев там приходится использовать большой набор различных материалов. В производстве интегральных микросхем в тесном контакте с различными металлами находится кремний, особое внимание уделим тем фазовым диаграммам, в которых в качестве одной из компонент фигурирует именно кремний.

В данном реферате рассмотрено какие бывают типы фазовых диаграмм, понятие фазового перехода, твердой растворимости, самые важные системы веществ для микроэлектроники.

1. Типы фазовых диаграмм

Однофазовые диаграммы состояний – это графики, на которых в зависимости от давления, объем и температуры изображают фазовое состояние только одного материала. Обычно не принято рисовать трехмерный график на двумерной плоскости – изображают его проекцию на плоскость температура – давление. Пример однофазной диаграммы состояний дан на рис. 1.

Рис. 1. Однофазная диаграмма состояний

На диаграмме четко разграничены области, в которых материал может существовать только в одном фазовом состоянии – как твердое тело, жидкость или газ. Вдоль разграниченных линий вещество может иметь два фазовых состояния (две фазы), находящихся в контексте друг с другом. Имеет место любая из комбинаций: твердое тело – жидкость, твердое тело – пар, жидкость – пар. В точке пересечения линий диаграммы, так называемой тройной точке, могут одновременно существовать все три фазы. Причем это возможно при одной-единственной температуре, поэтому тройная точка служит хорошей точкой отсчета температур. Обычно в качестве точки отсчета выступает тройная точка воды (например, в прецизионных измерениях с использованием термопар, где опорный спай контактирует с системой лед – вода – пар).

Двойная фазовая диаграмма (диаграмма состояния двойной системы) представляет состояние системы с двумя компонентами. На таких диаграммах по оси ординат откладывается температура, по оси абсцисс – процентное соотношение компонент смеси (обычно это или процент от общей массы (вес. %), или процент от общего числа атомов (ат. %)). Давление обычно полагается равным 1 атм. Если рассматривается жидкая и твердая фазы, измерением объема пренебрегают. На рис. 2. представлена типичная двухфазная диаграмма состояний для компонент A и B с использованием весового или атомного процента.

Рис. 2. Двухфазная диаграмма состояний

Буквой  обозначена фаза вещества A с растворенным веществом B,  означает фазу вещества B с растворенным в нем веществом A, а  +  означает смесь этих фаз. Буква (от liquid - жидкий) означает жидкую фазу, а L+ и L+ означают жидкую фазу плюс фаза или соответственно. Линии, разделяющие фазы, т. е. линии, на которых могут существовать различные фазы вещества, имеют следующие названия: солидус – линия, на которой одновременно существуют фазы  или  с фазами L+ и L+ соответственно; сольвус – линия, на которой одновременно сосуществуют фазы  и  +  или  и  + , и ликвидус – линия, на которой одновременно существует фаза L с фазой L+ или L+.

Точка пересечения двух линий ликвидуса часто является точкой наименьшей температуры плавления для всех возможных комбинаций веществ A и B и называется эвтектической точкой. Смесь с соотношением компонент в эвтектической точке называется эвтектической смесью (или просто эвтектикой).

Рассмотрим как происходит переход смеси из жидкого состояния (расплава) в твердое и как фазовая диаграмма помогает предсказать равновесную композицию всех фаз, существующих при данной температуре. Обратимся к рис. 3.

Рис. 3. Двухфазная диаграмма состояний, на которой показаны процессы отвердевания

Предположим, что вначале смесь имела состав C_Mпри температуре T₁, при температуре от T₁ до T₂ существует жидкая фаза, а при температуре T₂ одновременно существуют фазы L и . Состав присутствующей фазы L есть C_М, состав фазы  есть C_1. При дальнейшем снижении температуры до T₃ состав жидкой меняется вдоль кривой ликвидуса, а состав фазы  – вдоль кривой солидуса до пересечения с изотермой (горизонтальной линией) T₃. Теперь состав фазы L есть C_L, а состав фазы есть C_2. Следует отметить, что состав C_2 должен иметь не только вещество, перешедшее в фазу при при температуре T₃, но и все вещество, перешедшее в фазу  при более высокой температуре, должно иметь состав C_2. Это выравнивание составов должно произойти путем твердотельной диффузии компонента A в существующую фазу , так что к моменту достижения температуры T₃ все вещество, находящееся в фазе , будет иметь состав C_2. Дальнейшее снижение температуры приводит нас в эвтектическую точку. В ней фазы  и  существуют одновременно с жидкой фазой. При более низких температурах существуют только фазы  и . Образуется смесь фаз  и  состава C_E с агрегатами  с начальным составом C_3. Затем, выдерживая эту смесь длительное время при температуре ниже эвтектической, можно получить твердое тело. Образовавшееся твердое тело будет состоять из двух фаз. Состав каждой из фаз можно определить в точке пересечения изотермы с соответствующей линией сольвуса.

Только что было показано, как определить состав каждой из присутствующих фаз. Теперь рассмотрим задачу определения количества вещества в каждой фазе. Во избежания путаницы на рис. 4. еще раз приводится простая двухфазная диаграмма. Предположим, что при температуре T₁ состав расплава есть C_M (имеется в виду компонента B), тогда при T₂ фаза L имеет состав C_L, а фаза  будет иметь состав C_s. Пусть M_L – масса вещества, находящегося в твердом состоянии, а M_S – масса вещества, находящегося в твердом состоянии. Условие сохранения суммарной массы приводит к следующему уравнению

(M_L + M_S)C_M = M_LC_L + M_SC_S.

Рис. 4. Правило уровня

В нем нашел отражение тот факт, что общая масса вещества при температуре T₁, умноженная на процент B, – есть общая масса вещества B. Она равна сумме масс вещества B, существующего в жидкой и в твердой фазах при температуре T₂. Решая это уравнение, получаем

. (1)

Это выражение известно как «правило уровня». С помощью этого правила, зная начальный состав расплава и общую его массу, можно определить массы обеих фаз и количество вещества B в любой фазе для любого участка двухфазной диаграммы. Точно так же можно вычислить и

На рис. 5. приведен еще одни пример отвердения расплава. Снижение температуры от T₁ до T₂ приводит к смешиванию фаз L и  с составом соответственно C_M иC_. По мере дальнейшего охлаждения состав L меняется вдоль ликвидуса, а состав  - вдоль солидуса, как было описано ранее. При достижении температуры T₃ состав  станет равным C_М, и, как следует из правила уровня, при температуре, меньшей T₃, жидкая фаза существовать не может. При температуре, меньшей T₄, фазы  и  существуют как агрегаты фаз  и . Например, при температуре T₅ агрегаты фазы  будут иметь состав, определяемый пересечением изотермы T₅ и сольвуса . Состав  определяется аналогично – пересечением изотермы и сольвуса .

Рис. 5. Двухфазная диаграмма и процесс отвердевания количество вещества A, присутствующего в любой из фаз

Участки двухфазной диаграммы, называемые до сих пор  и , – это участки твердой растворимости: в области  растворено A и B. Максимальное количество A, которое может быть растворено в B при данной температуре, находятся в зависимости от температуры. При эвтектической или более высокой температуре может иметь место быстрое сплавливание A и B. Если полученный при этом сплав резко охладить, то атомы A могут быть «пойманы» в решетке B. Но если твердая растворимость при комнатной температуре намного ниже (это говорит о том, что при этой температуре рассматриваемый подход не слишком пригоден), то в сплаве могут возникать сильнейшие напряжения, существенно влияющие на его свойства (при наличии значительных напряжений возникают пересыщенные твердые растворы, и система находится не в равновесном состоянии, а диаграмма дает информацию только о равновесных состояниях). Иногда, такой эффект является желательным, например при упрочнении стали закалкой с получением мартенсита. Но в микроэлектронике его результат будет разрушительным. Поэтому легирование, т. е. внесение добавок в кремний до диффузии, проводится при повышенных температурах с таким расчетом, чтобы предупредить повреждение поверхности из-за избыточного сплавления. Если же количество легирующей примеси в подложке окажется выше предела твердой растворимости при любой температуре, то появляется вторая фаза и связанная с ней деформация.