Химико-технологические основы микро- и наноэлектроники

 
 
 
 
 
 
 
ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 
МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 
 
 
Учебное пособие 
 
Под редакцией профессора А. Н. Игнатова 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
 
 

 
УДК 621.3.049.77 
ББК 32.844.1 
Х46 
 
Авторы: 
Величко А. А., Гришина И. В., Игнатов А. Н., Фадеева Н. Е., Филимонова Н. И. 
 
Рецензенты: 
доктор химических наук, профессор кафедры инженерной экологии  
Сибирского государственного университета водного транспорта В. П. Зайцев; 
кандидат технических наук, доцент кафедры радиотехнических систем  
Сибирского государственного университета телекоммуникаций и информатики 
И. И. Резван 
 
 
Х46  
Химико-технологические основы микро- и наноэлектроники : 
учебное пособие / [Величко А. А. и др.] ; под ред. проф. А. Н. Игнатова. - 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 352 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-1316-9 
 
Рассматриваются история и технологические основы электроники, 
свойства химических элементов и их соединений, основные технологические процессы микро- и наноэлектроники, основные виды нанотехнологий и их изделий, а также нанотехнологическое оборудование. 
Для студентов всех форм обучения по направлениям: 11.03.01 «Радиоэлектроника», 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 11.03.03 «Конструирование и технология электронных 
средств», 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника», а также учащихся 
колледжей электронного и радиотехнического профилей. 
 
УДК 621.3.049.77 
ББК 32.844.1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1316-9 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
2 
 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение ....................................................................................................................... 7 
 
1. История развития и технологические основы электроники 
........................ 8 
 1.1. Основные технологии производства изделий электроники ......................... 8 
 1.2. Этапы развития вакуумной электроники 
........................................................ 9 
 1.3. Этапы развития твердотельной электроники ............................................... 10 
 1.4. История развития радиотехники и радиоэлектроники 
................................ 12 
 1.5. Этапы развития микроэлектроники 
............................................................... 14 
 1.6. История развития оптоэлектроники 
.............................................................. 15 
 1.7. Этапы развития нанотехнологий ................................................................... 20 
 1.7.1. Общие сведения 
.......................................................................................... 20 
 1.7.2. Краткая история нанотехнологий 
............................................................. 21 
 1.7.3. Тенденции развития микро- и наноэлектроники .................................... 23 
 1.7.4. Основные тенденции развития наноэлектронных систем ..................... 25 
 
2. Типы и свойства химических элементов и соединений,  
используемых в электронике 
................................................................................ 27 
 2.1. Строение твердых тел ..................................................................................... 29 
 2.2. Химическая связь и типы кристаллов ........................................................... 36 
 2.3. Кремний 
............................................................................................................ 40 
 2.4. Германий .......................................................................................................... 41 
 2.5. Арсенид галлия 
................................................................................................ 42 
 2.6. Фосфид индия .................................................................................................. 42 
 2.7. Металлические пленки ................................................................................... 44 
 2.8. Диэлектрические пленки ................................................................................ 46 
 2.9. Органические материалы ............................................................................... 47 
 2.10. Углерод и наноуглерод ................................................................................. 48 
 2.10.1. Физические свойства ............................................................................... 48 
 2.10.2. Химические свойства 
............................................................................... 49 
 2.10.3. Карбин ....................................................................................................... 50 
 2.10.4. Нахождение углерода в природе ............................................................ 52 
 2.10.5. Фуллерены ................................................................................................ 52 
 2.10.6. Углеродные нанотрубки .......................................................................... 53 
 2.11. Графен ............................................................................................................ 62 
 2.12. Дендримеры ................................................................................................... 65 
 2.13. Сегнетоэлектрики  
......................................................................................... 68 
 2.14. Электроактивные полимеры ........................................................................ 69 
 2.15. Жидкие кристаллы ........................................................................................ 71 
 2.16. Прямозонные и непрямозонные полупроводники 
..................................... 73 
 
3. Технологические основы микроэлектроники ............................................... 78 
 3.1. Введение 
........................................................................................................... 78 
 3.2. Понятие о групповом методе изготовления электронных приборов ........ 78 
 3.3. Планарная технология .................................................................................... 79 
3 
 

 3.4. Пленочная и гибридная технология .............................................................. 79 
 3.5. Полупроводниковая технология 
.................................................................... 81 
 3.6. Метод Чохральского ....................................................................................... 82 
 3.7. Диффузия ......................................................................................................... 83 
 3.7.1. Теоретические основы диффузии 
............................................................. 86 
 3.7.2. Эпитаксия 
.................................................................................................... 88 
 3.8. Ионное легирование 
........................................................................................ 92 
 3.9. Ионно-плазменное напыление ....................................................................... 94 
 3.10. Термическое напыление ............................................................................... 97 
 3.11. Классическая литография 
............................................................................. 98 
 
4. Виды технологий, перспективные для производства  
наноэлектронных изделий 
................................................................................... 100 
 4.1. Введение 
......................................................................................................... 100 
 4.2. Кремниевая нанотехнология и ее изделия 
.................................................. 101 
 4.3. Углеродная нанотехнология и ее изделия .................................................. 106 
 4.3.1. Введение в углеродную нанотехнологию.............................................. 106 
 4.3.2. Получение углеродных нанотрубок ....................................................... 108 
 4.3.3. Области применения углеродной нанотехнологии .............................. 109 
 4.3.4. Электронные приборы на основе углеродной технологии 
.................. 111 
 4.4. Жидкокристаллическая технология и ее изделия 
...................................... 117 
 4.4.1. Свойства кристаллов 
................................................................................ 117 
 4.4.2. Смектические жидкие кристаллы 
........................................................... 119 
 4.4.3. Нематические жидкие кристаллы 
........................................................... 119 
 4.4.4. Холестерические жидкие кристаллы ..................................................... 120 
 4.4.5. Жидкие кристаллы в биологии ............................................................... 121 
 4.4.6. Применение жидких кристаллов ............................................................ 122 
 4.4.7. Ячейки на основе эффекта динамического рассеяния (ДР-ячейки) ... 129 
 4.4.8. Ячейки на основе «твист-эффекта» 
........................................................ 130 
 4.5. OLED технология и ее изделия 
.................................................................... 136 
 4.5.1. Введение 
.................................................................................................... 136 
 4.5.2. Пассивно-матричные OLED 
.................................................................... 143  
 4.5.3. Активно-матричные OLED ..................................................................... 144 
 4.5.4. Состояние разработок OLED .................................................................. 147 
 4.6. Квантовая нанотехнология и ее изделия .................................................... 148 
 4.6.1. Общие сведения 
........................................................................................ 148 
 4.6.2. Лазеры на квантовых ямах и точках ...................................................... 149 
 4.7. Молекулярная технология и направления ее развития ............................. 152 
 4.7.1. Введение в молекулярную технологию ................................................. 152 
 4.7.2. История концепции молекулярной нанотехнологии 
............................ 156 
 4.7.3. Стратегии реализации молекулярной нанотехнологии ....................... 157 
 4.7.4. Перспективы развития молекулярной нанотехнологии 
....................... 157 
 4.8. Нанобиотехнология и перспективы ее развития 
........................................ 158 
 4.8.1. Введение 
.................................................................................................... 158 
 4.8.2. Определение междисциплинарной области .......................................... 159 
4 
 

 4.8.3. Основные направления развития в нанобиотехнологии 
...................... 160 
 4.8.4. Применение синтезируемых наночастиц  ............................................. 161 
 4.8.5. Технологии, применимые для доставки  
лекарственных соединений ................................................................................ 161 
 4.8.6. Применение биополимеров в качестве «строительных блоков» ........ 162 
 4.8.7. Применение фуллеренов и нанотрубок в нанобиологии ..................... 166 
 4.8.8. Перспективы развития нанобиотехнологий  
в ближайшем будущем ....................................................................................... 167 
4.9. Нанопсихология - новое направление психологии 
.................................... 168 
 
5. Технологические основы наноэлектроники ................................................ 171 
 5.1. Введение в нанотехнологии ......................................................................... 171 
 5.2. Литография .................................................................................................... 172 
 5.2.1. Введение в литографию наноизделий 
.................................................... 172 
 5.2.2. Литография экстремальным ультрафиолетом ...................................... 175 
 5.2.3. Электронно-лучевая литография 
............................................................ 176 
 5.2.4. Ионная литография .................................................................................. 178 
 5.2.5. Рентгеновская литография ...................................................................... 179 
 5.2.6. Нанопечатная литография ....................................................................... 179 
 5.2.7. Литографически индуцированная самосборка наноструктур ............. 180 
 5.3. Молекулярно-лучевая эпитаксия 
................................................................. 181 
 
6. Нанотехнологическое оборудование ............................................................. 185 
 6.1. Введение 
......................................................................................................... 185 
 6.2. Нанотехнологические комплексы НАНОФАБ .......................................... 185 
 6.3. Установка эпитаксиального наращивания слоев 
....................................... 188 
для индивидуальной обработки подложек большого диаметра 
....................... 190 
 6.4. Установки молекулярно-пучковой эпитаксии ........................................... 192 
 6.5. Оборудование для наноструктурного анализа материалов  
и покрытий ............................................................................................................. 192 
 6.6. Нанотехнологический комплекс оборудования NanoEducator ................ 192 
 
7. Анализ структурного и элементного состава кристаллов методами  
ионной спектрометрии ........................................................................................... 
203 
 7.1. Физические основы метода резерфордовского обратного  
рассеяния ионов 
..................................................................................................... 204 
 7.2. Рассеяние ионов низких энергий ................................................................... 
209 
 7.3. Распределение элементов по глубине ........................................................... 
210 
 7.4. Вторичная ионная масс-спектроскопия (ВИМС) ........................................ 
212 
 7.5. Каналирование ................................................................................................. 
219 
 
8. Методы электронной спектроскопии 
.............................................................. 
225 
 8.1. Физические основы методов электронной спектроскопии ........................ 
225 
 8.1.1. Энергетический спектр электронов ......................................................... 
226 
 8.1.2. Глубина выхода электронов 
...................................................................... 
229 
 8.1.3. Неупругие электрон-электронные взаимодействия ............................. 233 
 8.2. Экспериментальное оборудование 
.............................................................. 236 
 8.2.1. Общие характеристики электронных спектрометров .......................... 236 
5 
 

 8.2.2. Анализаторы задерживающего поля 
...................................................... 238 
 8.2.3. Отклоняющие электростатические анализаторы 
.................................. 242 
 8.3. Электронная Оже-спектроскопия (ЭОС) 
.................................................... 249 
 8.3.1. Физические основы Оже-спектроскопии .............................................. 249 
 8.3.2. Экспериментальное оборудование для ЭОС 
......................................... 255 
 8.3.3. Применение ЭОС. .................................................................................... 260 
 8.4. Спектроскопия характеристических потерь энергии (СХПЭЭ)............... 267 
 8.4.1. Основные физические процессы энергетических потерь .................... 267 
 8.4.2. СХПЭЭ глубоких уровней ...................................................................... 268 
 8.4.3. Экспериментальное оборудование для СХПЭЭ глубоких уровней ... 270 
 8.4.4. Обычная спектроскопия характеристических потерь  
энергии электронами (СХПЭЭ) ......................................................................... 272 
 8.4.5. СХПЭЭ высокого разрешения ................................................................ 274 
 8.5. Методы фотоэлектронной спектроскопии ................................................. 277 
 8.5.1. Физические основы фотоэлектронной спектроскопии ........................ 277 
 8.5.2. Экспериментальное оборудование ФЭС ............................................... 279 
 8.6. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) 
......................... 283 
 8.6.1. Физические принципы РФЭС ................................................................. 283 
 8.6.2. Применение РФЭС. 
.................................................................................. 286 
 8.7. Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (УФЭС) ................. 291 
 8.7.1. Специфика методов УФЭС ....................................................................... 
291 
 8.7.2. Применение УФЭС для исследования зонной структуры 
................... 291 
 
9. Методы электронной микроскопии .............................................................. 296 
 9.1. Физические принципы работы электронной микроскопии. 
Взаимодействие электронного пучка с веществом............................................ 296 
 9.1.1. Упругое рассеяние ................................................................................... 297 
 9.1.2. Неупругое рассеяние 
................................................................................ 299 
 9.2. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) 
................................. 302 
 9.2.1. Физические принципы работы ПЭМ ..................................................... 302 
 9.2.2. Экспериментальное оборудование. Оптическая схема и принцип  
действия ПЭМ 
...................................................................................................... 302 
 9.2.3. Предельное разрешение электронного микроскопа и дефекты  
электронных линз ................................................................................................ 309 
 9.2.4. Формирование изображения в электронном микроскопе 
.................... 310 
 9.2.5. Подготовка образцов для ПЭМ .............................................................. 320 
 9.3. Сканирующая электронная микроскопия  
(SEM – Scanning electron microscopy или РЭМ) 
.................................................. 325 
 9.3.1. Физические принципы работы СЭМ 
...................................................... 326 
 9.3.2. Формирование изображения в сканирующей  
электронной микроскопии ................................................................................. 329 
 9.3.3. Подготовка образцов для СЭМ 
............................................................... 334 
 9.3.4. Экспериментальное оборудование. Оптическая схема  
и принцип действия СЭМ 
................................................................................... 336 
 
Список литературы 
........................................................................................... 343 
6 
 

 
ВВЕДЕНИЕ 
Развитие науки и техники базируется на достижениях электроники. Рассматривая историю развития электроники, можно выделить несколько этапов: 
- этап вакуумной электроники; 
- этап твердотельной электроники; 
- этап микро- и оптоэлектроники; 
- этап наноэлектроники. 
 
 На каждом этапе разрабатывались технологические процессы, использующие свойства различных химических элементов и их соединений, с целью создания электронных приборов, устройств и систем. Переход от одной технологии к следующей обусловлен необходимостью улучшения технико-экономических показателей выпускаемой продукции и расширением ее функциональных возможностей. В настоящее время электроника является лидером в области 
высоких технологий. Стремительное развитие инфокоммуникационных систем 
становится возможным благодаря внедрению в них изделий микроэлектроники 
и наноэлектроники. 
 Для системной подготовки студентов необходимо изучение основных видов технологий изготовления электронных изделий, включая самые перспективные: твердотельную, органическую, квантовую и молекулярную. 
 Настоящее пособие соответствует Государственным образовательным стандартам высшего профессионального образования по направлениям 11.03.01 -  
«Радиоэлектроника», 11.03.02 - «Инфокоммуникационные технологии и системы 
связи», 11.03.03 - «Конструирование и технология электронных средств», 
 11.03.04 - «Электроника и наноэлектроника». 
Авторы выражают благодарность сотрудникам кафедры технической электроники СибГУТИ Воловодовой В. М., Заварзину Я. Д., Морозову Е. В. за помощь в подготовке книги к изданию. 
Главы 1, 4, 5, 6 подготовил Игнатов А. Н., главы 2, 3 подготовила Гришина И. В., главы 7-9 подготовили Величко А. А., Филимонова Н. И., Фадеева Н. Е. 
 Пособие рассчитано на студентов технических специальностей вузов телекоммуникаций и информатики, а также учащихся колледжей электронного и 
радиотехнического профилей. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 
 

 
1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ  
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ 

1.1. Основные технологии производства изделий электроники 

Термин «Электрон» появился 2500 лет назад от греческого слова «Янтарь». При натирании янтарной палочки шерстяным материалом наблюдалось 
искрение. Исторически первой технологией создания изделий электроники является вакуумная технология. Понятие вакуум (vacuum), в переводе с латинского - пустота, обозначает состояние газа при давлении меньше атмосферного. 
Научный этап развития вакуумной техники начинается с 1643 года, когда в 
Италии Эвинджелиста Торричелли, ученик знаменитого Галилео Галилея, измерил атмосферное давление. Он открыл, что атмосфера создает давление, равное давлению столба ртути высотой около 760 мм. Вакуумная техника в конце 
XVIII века сформировалась с развитием производства электровакуумных приборов. 
Второй и очень перспективной технологией производства изделий электроники является твердотельная технология. 
В 1823 году Берцеллиус открыл кремний. Выпрямляющие свойства полупроводниковых диодов исследовали Бозе и Браун с 1904 года. Недостаточное 
понимание природы этих свойств из-за отсутствия технологии очистки полупроводников и получение монокристаллов обусловило последующее развитие 
ламповой, а нетвердотельной электроники вплоть до середины XX века. 
Наш соотечественник радиоинженер Олег Владимирович Лосев впервые в 
мире в 1922 году провел исследования кристаллического детектора и предложил полупроводниковый прибор, способный усиливать и генерировать электромагнитные колебания. 
В 1930 году Вагнером открыты два типа проводимости в полупроводниках. 
Идея замены электровакуумных ламп твердотельными аналогами запатентована профессором физики Юлиусом Лилиенфельдом в 1925 году. 
В 1926 году наш соотечественник Яков Ильич Френкель ввел понятие о 
дырках в кристаллах. Теорию дырок в дальнейшем развили английский физик 
Поль Адриен Морис Дирак и немецкий физик Вернер Карл Гейзенберг. 
Бурное развитие твердотельная технология получила после второй мировой войны и связана с разработкой и производством полупроводниковых приборов, в частности, биполярных и полевых транзисторах. 
Наряду с развитием твердотельной технологии производства полупроводниковых изделий, с 1959 года начинается этап микроэлектронной технологии, 
основными продуктами которой являются интегральные микросхемы. Идея создания интегральной микросхемы сформулирована Даммером в 1952 году. 
Первый патент на интегральную схему (триггер с RC - связями) получил Килби 
в 1959 году. 
8 
 

В настоящее время наблюдается этап бурного развития нанотехнологий. 
Перспективность нанотехнологий впервые сформирована Ричардом Фейнманом в 1959 году, отметившим физическую возможность манипуляции отдельными атомами. 
 
1.2. Этапы развития вакуумной электроники 

В 1873 году русский ученый электротехник Александр Николаевич Лодычин изобрел первый электровакуумный прибор - лампу накаливания с угольным стержнем. 
Время и эффективность работы электровакуумных ламп существенно зависит от наличия остаточных газов в баллонах, внутри которых расположены 
электроды. В 1884 году итальянец А. Малиньяни впервые применил в процессе 
производства вакуумных ламп накаливания связывание остаточных газов парами фосфора. Газопоглотители получили название геттеров. В 1901 году русский физик Петр Николаевич Лебедев предложил удалять остаточные газы с 
помощью ртутного пара. 
В 1904 году Джеймс Дьюор разработал способ получения путем поглощения газов активированным углем, охлаждаемым жидким азотом. 
В начале XX века были изобретены широко применяемые в настоящее 
время вакуумные насосы. 
Для получения сверхвысокого вакуума были изобретены типы насосов: 
турбомолекулярные (Беккер, 1958 г.), магниторазрядный (Джепсен и Холанд, 
1959 г.), а также криосорбционные насосы.  
Современная вакуумная техника способна обеспечить получение и измерение давления в 10-18 раз меньше атмосферного, при котором в 1 см3 остается 
лишь около 30 молекул газа. 
В 1904 году Джек Амброуз Флеминг изобрел вакуумный диод накаленным 
катодом, обладающий односторонней проводимостью. 
В 1907 году американский инженер Ли де Форест запатентовал трехэлектродную лампу. Он предложил использовать в качестве управляющего электрода сетку. Малые изменения напряжения на сетке приводят к заметным изменениям анодного тока. В связи с этим появилась возможность производить 
электрическое усиление сигнала. 
В России первые вакуумные диоды и триоды были созданы В. И. Коваленко, Н. Д. Папалекси, В. И. Волынкиным. 
Электронные лампы нашли практическое применение в области обработки 
радиосигналов, в радиопередатчиках и радиоприемниках. 
С появлением телевидения возникли спрос и производство электронных 
ламп для телевизоров. 
В 1907 году Браун изобрел «катодную» электронно-лучевую трубку. Он 
впервые применил ее в качестве катодного осциллографа с электростатическим 
отклонением луча. 
В этом же году русский ученый профессор Санкт-Петербургского университета, Борис Львович Розинг предложил систему телевидения на основе усо9 
 

вершенствованной электронно-лучевой трубки Брауна с электронной разверткой изображения. 
В 1929 году американским физиком русского происхождения В. К. Зворыкиным был изобретен кинескоп - приемная телевизионная трубка, а в 1931 году 
он изобрел передающую телевизионную трубку - иконоскоп. 
Для радиолокационных систем, СВЧ-систем радиорелейной связи и космической связи разработана широкая номенклатура приборов СВЧ и оптического диапазона. Она включает в себя: магнитроны (предложены в 1936 году  
Н. Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым), клистроны (1940 год, изобретатели: 
академик Н. Д. Девятнов и инженер В. И. Коваленко), а также лампы бегущей и 
обратной волны (1943 год, Компфнер). 
Приборы вакуумной электроники работают в широком интервале температур, в области высоких уровней мощностей до 106 - 1011 Вт и частот 108 -  
1012 Гц. 
 
1.3. Этапы развития твердотельной электроники 

Технология производства твердотельных изделий ориентирована на разработку электронных приборов, использующих свойства твердых тел: полупроводников и контактов металл-полупроводник, отличающихся от электровакуумных 
приборов 
меньшими 
массогабаритными 
и 
лучшими 
техникоэкономическими показателями. 
В 1833 году Майкл Фарадей исследовал свойства серного серебра и обнаружил явление уменьшения сопротивления с ростом температуры. Это не соответствовало известным свойствам металлов и фактически является началом исследования свойств полупроводников. 
В 1851 году Александр Эдман Беккерель обнаружил эффект: при освещении полупроводникового материала появлялась электродвижущая сила. 
В 1874 году немецкий физик Карл Фердинанд Браун обнаружил, что переменный ток, проходя через контакт свинца и пирита, выпрямляется. Сопротивление контакта не подчиняется закону Ома. Свойства контакта зависят от величины и полярности приложенного напряжения. 
Эффект выпрямления тока был обнаружен во многих веществах, в частности, в сульфидах и оксидах металлов, в кремнии и закиси меди. 
Американский физик Эдвин Герберг Холл в 1879 году открыл явление 
возникновения электрического поля в полупроводнике, помещенным в магнитное поле, вектор которого направлен перпендикулярно направлению тока и 
магнитному полю. 
В одних полупроводниках вектор напряженности возникающего электрического поля направлен в одну сторону, а в других - в противоположную. Это 
было возможно объяснить наличием двух видов подвижных носителей зарядов: 
отрицательных (электронов) и положительных (впоследствии получивших 
название - дырки). 
В 1976 году В. Адамсон и Р. Дей создали первый твердотельный прибор - 
фотоэлемент на основе селена. 
10