Структура и структурный тип

Морозова Н.К.

Кристаллография и методы исследования структур

Конспект лекций

МЭИ 2004

Введение

Создание полупроводниковых приборов базируется на кристаллических материалах с конкретными структурными и физико-химическими свойствами. Развитие полупроводниковой электроники и новые принципы конструирования, в частности создание интегральных схем, где большое число активных и пассивных элементов схемы сосредоточено в малом объеме кристалла, предъявляет новые требования к материалу. Повышение надежности и процента выхода ИС часто не может быть достигнуто только за счет совершенствования конструкции, а требует повышения качества кристалла. Появилась необходимость учитывать изменения качества материалов, поставляемых предприятиям радиоэлектроники, в условиях повышенной радиации. В связи с этим возникает необходимость понимания структуры кристалла, как идеальной решетки, вмещающей дефекты.

В настоящее время имеются весьма эффективные методы контроля структуры материалов. Необходимо знать возможности их в применении к материалам микроэлектроники. Усложнение задач, которые ставятся современной полупроводниковой техникой, привело и к усложнению методов контроля структуры и свойств материалов зачастую в микрообъемах схем. Разработка расчетных методов диагностики электрофизических свойств материалов привело к созданию сложнейших и громоздких экспериментальных установок. Однако эти исследования окупаются, поскольку позволяют раскрыть новые горизонты развития науки, а изучение строения вещества, что приводит к созданию принципиально новых приборов, вычислительных машин и устройств теле- и радиосвязи.

Предлагаемый конспект лекций содержит основные понятия кристаллографии, рассматривает основы структурного анализа. Конспект представляет первую часть излагаемого курса “Кристаллография и структурный анализ полупроводниковых материалов” и является дополнением к читаемому курсу “Технология материалов и элементов электронной техники”, что необходимо при подготовке специалистов направления 550700 Электроника и микроэлектроника. Курс лекций обеспечивает проведение практических занятий со студентами при ознакомлении их с экспериментальными методами исследования структуры полупроводников.

ГЛАВА I

Основные понятия кристаллографии

Структура и структурный тип

Кристаллография изучает строение твердых тел в кристаллическом состоянии. Характерной особенностью этого состояния является правильное внутреннее строение кристаллов, которое часто проявляется в правильности форм и симметрии их внешней огранки. С помощью рентгеновских лучей впервые удалось изучить закономерности расположения частиц и измерить межатомные расстояния в различных кристаллах. Широко используется представление о кристалле как о бесконечной решетке, в узлах которой располагаются атомы или ионы. Такую решетку называют структурной решеткой или структурой. Структурная решетка может быть определена некоторым элементом ее объема - элементарной ячейкой, переносом которой можно получить всю систему.

Элементарная ячейка структуры дает представление о взаимном расположении в пространстве конкретных материальных частиц - атомов и ионов. Например, на рис.1.1 дана элементарная ячейка структуры типичного ионного кристалла NaCl. Она представляет из себя куб с параметром a=5,64A. В такой ячейке можно рассчитать расстояния между всеми интересующими нас частицами.

Изучение различных кристаллических структур показывает, что структурные ячейки некоторых веществ и соединений очень похожи, а именно они одинаковы по расположению в них материальных частиц с точностью до подобия (в других сингониях обязательно сохранение симметрии), хотя и отличаются величиной параметров.

Например, в кристаллах LiF (a=4,02Å), KСl (a=6,29Å), LiBr (a=5,05Å), NaBr (a=5,97Å), а также целого ряда других ионных соединений, расположение ионов точно такое же, как и у хлористого натрия (рис.1.1). В связи с этим все такие кристаллы объединяют в один структурный тип.

Рис.1.1. Структурная решетка хлористого натрия.

Каждый структурный тип получает название по одному из входящих в него веществ, например, “структурный тип NaCl”. Понятие структурного типа удобно в тех случаях, когда нас интересуют не абсолютные размеры ячейки, а взаимное расположение в ней материальных частиц.

Для характеристики закономерностей расположения атомов (ионов) в структуре кристалла в кристаллографии широко используется также понятие пространственной решетки. Она строится на основе реальной структуры. Для понимания этого рассмотрим элементы симметрии, присущие кристаллическим структурам.