Материаловедение и технологии электроники

Москва
ИНФРА-М
2020

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 
И ТЕХНОЛОГИИ 
ЭЛЕКТРОНИКИ

В.И. КАПУСТИН
А.С. СИГОВ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Допущено Учебно-методическим объединением вузов
по университетскому политехническому образованию
в качестве учебника для студентов высших учебныз заведений, 
обучающихся по направлениям подготовки 11.03.04 «Электроника 
и наноэлектроника», 28.03.01 «Нанотехнологии и микросистемная 
техника», 12.03.02 «Оптотехника», 
27.03.01 «Стандартизация и метрология»,
11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств«,
12.03.01 «Приборостроение», 
20.04.01 «Техносферная безопасность», 
12.05.01 «Электронные и оптико-электронные приборы 
и системы специального назначения»

Капустин В.И
Материаловедение и технологии электроники : учебное пособие / 
В.И. Капустин, А.С. Сигов. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 427 с. — 
(Высшее образование: Бакалавриат). — www.dx.doi.org/10.12737/3436.

ISBN 978-5-16-008966-9 (print)
ISBN 978-5-16-101220-8 (online)

Рассмотрены основные вопросы физического материаловедения, 
включая классификацию свойств материалов, зависимость свойств 
материалов от их структуры, химического и фазового состава. Рассмотрены свойства основных конструкционных и функциональных 
материалов электроники, базовые технологии электронной техники, 
а также методы исследования структуры, химического и фазового состава материалов, включая методы электронной, ионной и фотонной 
спектроскопии.
Учебник предназначен для студентов, обучающихся по специальностям «Электроника и наноэлектроника», «Нанотехнологии и микросистемная техника», «Оптотехника», «Электронные и оптико-электронные приборы и системы специального назначения», «Управление 
качеством», «Стандартизация и метрология», «Конструирование и 
технология электронных средств», «Приборостроение», «Техносферная безопасность». Учебник может быть полезен аспирантам и научным сотрудникам, работающим в области электронной техники.

УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3я73

К 20

УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3я73
К 20

Р е ц е н з е н т ы : 
А.С. Бугаев, академик РАН, д-р физ.-мат. наук, профессор;
В.Т. Заболотный, д-р физ.-мат. наук, профессор;
А.П. Коржавый, д-р техн. наук, профессор

ISBN 978-5-16-008966-9 (print)
ISBN 978-5-16-101220-8 (online) 
© Капустин В.И., Сигов А.С., 2014

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время принцип действия большинства серийно выпускаемых и разрабатываемых машин, механизмов, приборов 
и устройств в области электронной техники основан на физических 
закономерностях, известных много десятилетий. Даже основы создания наноразмерных приборов, которые, как предполагается, будут 
приоритетно развиваться в начале ХХI в., были заложены в 50-х гг. 
ХХ в. изобретением Мюллером ионного микроскопа. В то же время 
развитие электронной техники в значительной мере определяется 
прогрессом в создании новых конструкционных и функциональных 
материалов, технологий их производства, а также методов и приборов 
для исследования и анализа материалов.
На этапе зарождения электроники в начале ХХ в. круг конструкционных и функциональных материалов был весьма ограничен. Для 
производства первых электронных устройств — электронных ламп — 
были использованы стекло (колба ламп), вольфрам (катод ламп), медь 
или железо (анод ламп), а для изготовления сеток применяли вольфрам, молибден или никель. По мере развития электроники не только расширялся круг материалов и технологий, используемых при 
производстве электронных приборов (германий, кремний, полупроводниковые соединения, планарные технологии), но изменился сам 
подход к выбору конструкционных и функциональных материалов, 
а также технологий изделий радиоэлектроники. В настоящее время 
выбор материалов, используемых при производстве изделий радиоэлектроники, основан на физических моделях функционирования 
конкретного изделия и органично связан с методами контроля качества, системами обеспечения типового конструирования изделий и их 
серийного производства.
Разработка и освоение серийного выпуска новых конструкционных 
и функциональных материалов во многом стали возможны благодаря 
научным достижениям в физическом материаловедении, физике поверхности, металлургии, а также в областях химического синтеза, 
технологий композиционных материалов, специальных методов исследования и испытания материалов и т.д. На рисунке 1 приведена 
упрощенная схема, иллюстрирующая современную систему разработки и освоения серийного выпуска изделий электронной техники.
В настоящее время в электронике нашли применение сотни конструкционных и функциональных материалов различных типов и назначения. Однако, несмотря на большое разнообразие материалов 
электронной техники, определенная систематизация принципов разработки материалов с заданными свойствами и соответствующих 

технологических процессов возможна на базе физико-химического 
подхода, истоки которого восходят к трудам Д.И. Менделеева и были 
развиты Н.С. Курнаковым, Е.М. Савицким и другими выдающимися 
учеными. Основой физико-химического подхода к созданию материалов с заданными свойствами является научное положение, согласно 
которому свойства материала однозначно определяются его структурой, химическим и фазовым составом, а также технологической предысторией материала. Данное научное положение является обобщением огромного объема экспериментальных результатов, накопленных 
в материаловедении за десятилетия его развития.

Методы испытаний и контроля 
качества изделий

Конструкционные 
и функциональные материалы

Стандартизация 
и сертификация 
изделий

Физические модели функционирования изделий

Метрологическое обеспечение 
технологии материалов

Специальные 
методы исследований материалов

Методы измерения физических 
параметров материалов

Система подготовки и обеспечения производства 
изделий

Технологии серийного производства материалов

Основы типового 
конструирования 
изделий

Рис. 1. Упрощенная система разработки изделий радиоэлектроники

Сегодня большое число монографий и учебных изданий посвящено 
детальному рассмотрению отдельных вопросов, отраженных на рис. 1. 
Однако, на наш взгляд, имеется определенный дефицит в изданиях, 
охватывающих вопросы материаловедения и базовых технологий 
электроники с единых физико-химических позиций. Этот дефицит 
и призвана восполнить данная книга.
В первой части рассмотрены основы физического материаловедения в рамках физико-химического подхода к данной области зна

ний. Приведена классификация типов фазовых состояний материалов и диаграмм состояния материалов; свойства материалов рассмотрены с позиций их структурной чувствительности или 
нечувствительности в соответствии с основными положениями физико-химического анализа материалов. Рассмотрены вопросы фазовых превращений в материалах и методы управления структурой 
и свойствами материалов.
Во второй части рассмотрены вопросы классификации материалов 
и основные типы конструкционных и функциональных материалов 
электроники, включая металлы и сплавы, полупроводниковые, керамические, сегнетоэлектрические и диэлектрические материалы, 
а также материалы с особыми свойствами. Приведены классические 
методы исследования структуры, химического и фазового состава 
материалов; методы построения диаграмм состояния материалов, 
а также методы статических, динамических и специальных испытаний 
материалов.
В третьей части рассмотрены важнейшие технологии получения 
металлических материалов, порошков металлов и сплавов, плазменные технологии получения нанопорошков металлов, оксидов и нитридов металлов, технологии диэлектрических и сегнетоэлектрических 
материалов, технологии обработки материалов, базовые технологии 
микроэлектроники. Рассмотрены вопросы газовакуумного обеспечения технологий микроэлектроники и специальные методы контроля 
параметров полупроводниковых материалов и структур, которые, по 
существу, являются методами контроля дефектов и примесных элементов в полупроводниковых материалах.
Четвертая часть посвящена аналитическим методам исследования материалов электронной техники. Из большого числа методов 
анализа материалов подробно рассмотрены методы анализа структуры, химического и фазового состава поверхности и приповерхностной области материалов ввиду их высокой информативности 
при разработке материалов для микроэлектроники и микроэлектронных устройств. В частности, рассмотрены методы электронной, 
ионной, фотонной спектроскопии применительно к анализу структуры, химического и фазового состава материалов электронной 
техники.
В настоящее время для обозначения физических величин общепринята международная система СИ. Тем не менее спецификой 
отдельных инженерных дисциплин в России является использование некоторых внесистемных единиц измерения. К тому же имеется большой объем ранее изданной литературы, прежде всего справочной, в которой надежно и достоверно измеренные значения 
физических и физико-химических свойств материалов представлены во внесистемных единицах. Поэтому авторы сочли необходи

мым привести некоторые важные соотношения системных и несистемных единиц для отдельных физических свойств материалов 
(табл. 1).
Таблица 1

Соотношения системных и несистемных единиц измерения  
для некоторых физических величин

Физическая величина
Несистемные единицы
Единицы в системе СИ
Размер
1 Å
0,1 нм
Твердость HB, HV
1 кг/мм2
0,1 МПа
Предел прочности, σВ
1 кг/мм2
0,1 МПа
Давление, Р
1 тор
133 Па
Работа выхода, ϕ
1 эВ
1,6·10-19 Дж
Индукция магнитного поля, В
1 Гс
10-4 Тл
Удельное электросопротивление, ρ
1 мкОм·см
10-8 Ом·м
Теплоемкость, с
1 кал/моль·°С
4,19 Дж/моль·°К
Натекание
1 тор·л/с
0,133 Вт
Плотность, d
1 г/см3
103 кг/м3

Часть 1 
ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКОГО 
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Глава 1. 
ОСНОВЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА 
МАТЕРИАЛОВ

1.1. 
ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Объектами изучения дисциплины «Материаловедение» служат 
конденсированные твердые тела — металлы, сплавы, полупроводниковые и диэлектрические материалы, композиты на основе указанных типов материалов. В то же время аналогичные объекты являются предметом изучения и такого раздела науки как «Физика твердого тела». Однако научные подходы к данным объектам, методам 
их исследования и принципы разработки материалов с заданными 
свойствами в материаловедении и физике твердого тела существенно 
различаются.
В физике твердого тела изучение конденсированного состояния 
проводят исходя из «первых принципов». На основе уравнения Шредингера и с использованием методов статистической физики и квантовой электродинамики рассматривают электронные волновые функции ансамбля атомов, взаимодействие квантовых подсистем твердого тела (электронных, фононных и т.д.). Такой подход оказался 
весьма плодотворным для понимания многих фундаментальных физических свойств высокочистых монокристаллов и поликристаллов, 
а также материалов с малым уровнем примесей и дефектов. Однако 
он встречается с определенными сложностями при переходе к изучению физических свойств многокомпонентных и многофазных материалов.
В материаловедении подход к изучению физических свойств материалов базируется на методе физико-химического анализа, в основе которого лежит научное положение, согласно чему физические 
свойства материала однозначно определяются его структурой, химическим и фазовым составом, а также «технологической предысторией» материала. При этом особенности электронного строения твер

дого тела в материаловедении являются вторичными и привлекаются 
для более глубокого понимания сущности указанных закономерностей, а также для обоснования возможности их обобщения на системы с однотипными характеристиками межатомного взаимодействия, 
структурного и фазового состояния.
На начальных этапах развития — до разработки методов изучения 
кристаллографической структуры, фазового состояния и электронного 
строения твердых тел — в материаловедении превалировали эмпирические методы изучения материалов и технологий. Однако и при таком подходе к концу первой трети ХХ в. был накоплен большой объем экспериментальных результатов, позволяющий методом проб 
и ошибок создавать новые материалы в соответствии с потребностями 
развития техники.
Основные принципы физико-химического анализа были сформулированы в начале ХХ в. Д.И. Менделеевым, в дальнейшем развиты 
Н.С. Курнаковым и рядом других выдающихся ученых и легли в основу современного материаловедения. Начиная с 20-х гг. ХХ в., с созданием атомной физики и квантовой механики, с появлением новых 
методов экспериментального исследования материалов, развитие 
материаловедения приобрело принципиально новый характер. В соответствии с вышеизложенным, главной задачей материаловедения 
является выявление закономерностей изменения физических свойств 
материалов в зависимости от их структуры, фазового состояния, «технологической предыстории» и электронного строения материала, 
теоретическое обобщение указанных закономерностей и разработка 
на их основе теоретических подходов к созданию материалов с заданными физическими свойствами.
Таким образом, любой материал с точки зрения материаловедения 
может быть охарактеризован в терминах его структуры (структуры 
в ее классическом понимании, а также электронно-зонной структуры), 
фазового состояния и «технологической предыстории», которые 
и определяют однозначно физические свойства материалов.
К классическим структурным характеристикам материалов, значимым с точки зрения материаловедения, относят:
 
• наличие или отсутствие симметрии в расположении атомов материала (кристаллические и аморфные твердые тела);
 
• тип кристаллической структуры материала (кристаллы), наличие 
и тип упорядочения атомов (аморфные твердые тела);
 
• точечные и линейные дефекты кристаллической структуры материала (атомы внедрения или замещения, вакансии, дислокации 
и т.д.);
 
• макродефекты материала (поры, границы зерен, границы фаз, поверхность материала);

• макроструктура материала (поликристаллическая, монокристаллическая, текстурированная);
 
• микроструктура материала (распределение по форме и размерам 
зерен поликристалла или текстурированного материала).
Характеристика фазового состояния материала базируется на фундаментальном понятии «фаза», имеющем более широкий смысл, чем 
понятие «агрегатное состояние твердого тела» (твердое, жидкое, газообразное).
Фаза — часть системы, ограниченная замкнутой поверхностью 
и обладающая определенным набором физических и химических 
свойств, отличающаяся по крайней мере по одному из свойств от 
свойств системы вне указанной замкнутой поверхности.
В материаловедении обычно рассматривают фазы в трехмерном 
пространстве. Однако в ряде случаев (явление сегрегации, поверхностно-чувствительные свойства) часто ключевую роль играют так 
называемые двумерные фазы.
К характеристикам фазового состояния материалов, значимым 
с точки зрения материаловедения, относят:
фазовый состав материала (однофазный или многофазный);
 
• термодинамическую равновесность фаз, входящих в состав материала (термодинамически стабильные или метастабильные фазы);
 
• тип фаз, входящих в состав материала (фазы постоянного или переменного состава);
 
• превалирующий механизм стабилизации фазового состояния (валентный, электронный или размерный факторы);
 
• тип фазовых переходов, реализуемых в твердом теле при воздействии на него внешних факторов (фазовые переходы 1-го или 2-го 
рода).
К электронно-зонным характеристикам твердых тел, значимым 
с точки зрения материаловедения, относят:
 
• тип межатомной связи (металлический, ионный, ковалентный, 
Ван-дер-Ваальса, водородный, резонансный);
 
• тип электронно-зонной структуры (пустая или частично заполненная зона проводимости, наличие или отсутствие электронных 
состояний в запрещенной зоне);
 
• топологию поверхности Ферми (односвязная или многосвязная);
 
• наличие или отсутствие перекрытия электронных зон (sp- или spdгибридизация);
 
• характер перестройки электронно-зонной структуры под воздействием внешних факторов (спиновое упорядочение, переходы 
Андерсена);
 
• характер взаимодействия электронной подсистемы с другими квантовыми подсистемами (фононами, экситонами, поляронами, магнонами и т.д.).

1.2. 
КЛАССИФИКАцИЯ СВОйСТВ МАТЕРИАЛОВ

В связи с огромным разнообразием областей применения материалов материаловедение оперирует десятками их разнообразных 
физических свойств, причем для каждой из областей применения от 
материала требуется вполне определенный набор физических свойств. 
На первый взгляд, это должно было бы привести к становлению десятков практически самостоятельных разделов материаловедения, 
при этом сама задача создания материала с требуемым набором физических свойств становилась бы практически неразрешимой.
В материаловедении было экспериментально установлено, а затем 
обобщено и теоретически обосновано, что все физические свойства 
материалов можно разделить на четыре большие группы. При этом 
для каждой группы свойств закономерности их изменения в зависимости от структуры и фазового состояния материалов по характеру 
идентичны.
Структурно нечувствительные свойства. В данную группу входят 
свойства, зависящие от химического и фазового состава материала 
и слабо зависящие от его структурных особенностей. К таким свойствам, например, относятся:
 
• плотность материала, которая сколько-нибудь заметно не зависит 
от размера, формы и ориентации зерен материала, точечных и линейных дефектов, текстуры, но зависит от некоторых типов макродефектов (поры);
 
• термический коэффициент объемного расширения, который также не зависит от особенностей микроструктуры. В то же время 
термический коэффициент линейного расширения для анизотропных материалов зависит от текстуры материала;
 
• теплоемкость материала, которая также практически не зависит 
от размера, формы и ориентации зерен материала, но слабо зависит от типа и концентрации дефектов.

d, г/см3

c, кДж/г•°С

λ•106, °С–1

0                 0,2             0,4             0,6             СC, % вес.

3

2

1

35

30

7,9

7,8

0,50

0,45

Рис. 1.1. Зависимость некоторых структурно нечувствительных свойств стали от содержания углерода [55. С. 420]