Диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание) — процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму[1]. В некоторых ситуациях одно из веществ уже имеет выравненную концентрацию и говорят о диффузии одного вещества в другом. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (против градиента концентрации).

Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения. Важную роль диффузия частиц играет в физике плазмы.

Обычно под диффузией понимают процессы, сопровождающиеся переносом материи, однако иногда диффузионными называют также другие процессы переноса: теплопроводность, вязкое трение и т. п.

Скорость протекания диффузии зависит от многих факторов. Так, в случае металлического стержня тепловая диффузия проходит очень быстро. Если же стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно. Диффузия молекул в общем случае протекает ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микронов только через несколько тысяч лет.

1. Общее описание

Все виды диффузии подчиняются одинаковым законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций, температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров). Так, тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень диаметром в два сантиметра, чем через стержень диаметром в один сантиметр. Это тепло будет распространяться быстрее, если перепад температур на одном сантиметре будет 10 °C вместо 5 °C. Скорость диффузии пропорциональна также параметру, характеризующему конкретный материал. В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность, в случае потока электрических зарядов — электропроводность. Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени, и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню времени диффузии.

Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии в связи с этим пропорциональна средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах часто находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий, продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 °C.

Если в смеси газов масса одной молекулы в четыре раза больше другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять субстанции с различными молекулярными весами. В качестве примера можно привести разделение изотопов. Если газ, содержащий два изотопа, пропускать через пористую мембрану, более лёгкие изотопы проникают через мембрану быстрее, чем тяжёлые. Для лучшего разделения процесс производится в несколько этапов. Этот процесс широко применялся для разделения изотопов урана (отделение 235U от основной массы 238U). Поскольку такой способ разделения требует больших энергетических затрат, были развиты другие, более экономичные способы разделения. Например, широко развито применение термодиффузии в газовой среде. Газ, содержащий смесь изотопов, помещается в камеру, в которой поддерживается пространственный перепад (градиент) температур. При этом тяжёлые изотопы со временем концентрируются в холодной области.

2. Уравнения Фика

С точки зрения термодинамики движущим потенциалом любого выравнивающего процесса является рост энтропии. При постоянных давлении и температуре в роли такого потенциала выступает химический потенциал µ, обуславливающий поддержание потоков вещества. Поток частиц вещества пропорционален при этом градиенту потенциала

J ~

В большинстве практических случаев вместо химического потенциала применяется концентрация C. Прямая замена µ на C становится некорректной в случае больших концентраций, так как химический потенциал связан с концентрацией по логарифмическому закону. Если не рассматривать такие случаи, то вышеприведённую формулу можно заменить на следующую:

которая показывает, что плотность потока вещества J [cm - 2s - 1] пропорциональна коэффициенту диффузии D [(cm2s - 1)] и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика (Адольф Фик — немецкий физиолог, установивший законы диффузии в 1855 г.). Второй закон Фика связывает пространственное и временное изменения концентрации (уравнение диффузии):

Коэффициент диффузии D зависит от температуры. В ряде случаев в широком интервале температур эта зависимость представляет собой уравнение Аррениуса.

Дополнительное поле, наложенное параллельно градиенту химического потенциала, нарушает стационарное состояние. В этом случае диффузионные процессы описываются нелинейным уравнением Фоккера—Планка. Процессы диффузии имеют большое значение в природе:

Питание, дыхание животных и растений;
Проникновение кислорода из крови в ткани человека.

2.1. Геометрическое описание уравнения Фика

Во втором уравнении Фика в левой части стоит скорость изменения температуры во времени, а в правой части уравнения — вторая частная производная, которая выражает пространственное распределение температур, в частности, выпуклость функции распределения температур, проецируемую на ось х.

Примечания

Б. С. Бокшейн. Атомы блуждают по кристаллу. С. 9—11

Литература

Бокштейн Б. С. Атомы блуждают по кристаллу. — М.: Наука, 1984. — 208 с. — (Библиотечка «Квант». Вып. 28). — 150 000 экз.

wreferat.baza-referat.ru

реферат на тему диффузия в быту

Да, начнем именно с этого, что же такое диффузия? Все вещества состоят из маленьких настырных частичек, которые не знают покоя и снуют как спиногрызы, норовя залезть куда не просят.Имена у этих частичек не нашенские, Атомы и Молекулы. Они находятся в вечном движении. Если одно вещество находится на близком расстоянии от другого (сравнимом с межатомными расстояниями) то из-за этого вечного движения их молекулы (атомы) начинают смешиваться. Вот это смешение, взаимное проникновение молекул (атомов) одного в другое и называется диффузией. Диффундируют любые вещества, просто одни (газы и жидкости) быстрее, другие (твердые тела) медленнее. При повышении температуры скорость диффузии возрастает. Ну, это ведь понятно, если тебе начинают жечь пятки, то ты сразу становишься рекордсменом мира. Встречается ли диффузия в быту?

Непременно! Более того, нет ничего, что не было бы подвержено взаимодиффузии. В комнату зашла надушенная мама и ты по запаху сразу догадываешься, что она собралась в школу и тебе вечером придется плохо. Конечно, запах в основном переносится потоками воздуха (конвекционными потоками называются) но и диффузия играет немалую роль. Кухонный нож, оставленный мокрым начинает ржаветь. Молекулы воздуха и воды начиная с поверхности проникают вглубь стали и окисляют ее. Когда оконное стекло очень долго прижато к уплотнительной резинке, то оно как бы приклеивается к резине, ее очень сложно оторвать - тоже следствие взаимной диффузии, а не клей. Говорят, что мы дышим кислородом. На самом деле это неправда. Мы дышим воздухом, хотя нашему организму нужен только кислород. Почему? Потому что в результате диффузии все газы воздуха смешались. Вы завариваете чай? Значит Вы наблюдаете диффузию. На платье попадало что-либо вроде сока, кофе, чая? Вы снова очевидцы диффузии. Только учтите, что пятно быстро расширяется все же не из-за диффузии, а имеют место другие эффекты (например, капиллярные, смачиваемость и так далее). Вот если бы ими ограничивалось, пятно очень легко смылось бы. Не смывается потому, что "доставленная на место" жидкость начинает диффузно проникать в волокна ткани. Когда цветные ткани моются в одном процессе, часто белье окрашивается. Тоже процесс диффузии. Краски вымываются жидкостью, потом начинают диффузно проникать в волокна тканей. Единственное хорошее в этом то, что Вы можете с умным видом сказать маме, что она организовала диффузию. Правда, до этого советую убрать подальше ближайший веник (ужасная правда! - мамам не нравится, когда видят их ошибки). Даже в наш век сплошной неграмотности каждый из вас писал. Или просто водил ручкой по бумаге. Плиз - диффузия. чернила не просто растекаются по бумаге корявыми буковками, но увековечивают ваше кривописание (мое тоже) впитываясь в бумагу. То есть диффундируя. Можете польстить маме - все соленья, варенья и прочая вкуснятина - это тоже результат диффузии, так что назовите ее самым крутым диффузионистом. Впрочем, может не стоит, слово какое-то...? Даже распространение тепла имеет частично диффузионную природу! Знаете, что произойдет, если гладко отшлифовать поверхности двух металлов, прижать и оставить на несколько лет? Они сварятся, соединятся. Подскажите идею отцу. Когда через пару лет ему надоест ждать, скажите, что ждать и не надо, просто надо нагреть, тогда диффузия протекает очень быстро. Такой способ сварки называется, ну, вы поняли, диффузионной. Если у отца тяжелая рука, то говорите ему это от входных дверей. . Почему рыбы могут жить под водой? Потому что кислород диффундирует в воду, а рыба может дышать этим кислородом. Дети! Никогда не ешьте фрукты и овощи, которые растут вдоль автотрассы, потому что вредные вещества выхлопных газов оседают на них, диффундируют, а потом в организме, употребившем их в еду творят свое грязное дело, опять же диффундируя и химически реагируя.Можно продолжать список, но пора знать меру. Главное. Диффундирует все. Есть в быту процессы диффузии полезные, и, даже жизненно необходимые, есть вредные. В газах и жидкостях диффузия происходит быстрее, чем твердых телах. Увеличение температуры вызывает увеличение скорости диффузии. И диффузия, почти всегда, соседствует с похожими, но не с теми же самыми процессами конвекцией, броуновским движением, и их нельзя путать.

znanija.com

Диффузия вокруг нас

Диффузия - одно из самых значимых явлений в физике. Оно играет чрезвычайно важную роль в живой природе, его широко применяют в технике, в повседневной жизни. Но, оказывается, что процесс диффузии играет большую роль в загрязнении воздуха, рек, морей и океанов. Как разного рода загрязнители проникают в те вещества, которые обеспечивают жизнедеятельность растений, животных, человека? Давайте с вами проведем исследование и узнаем как диффузия воздействует на окружающую среду , какую пользу и вред она приносит.

Диффузия - явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого.Примером диффузии в газах является распространение запахов в воздухе, но запах распространяется не мгновенно, а спустя некоторое время. Почему так происходит? Просто движению молекул пахучего вещества в определенном направлении мешает движение молекул воздуха. Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, т.к. при столкновениях она меняет направление и скорость движения. Поэтому диффузионное проникновение молекул значительно медленнее их свободного движения. Явление диффузии показывает, что молекулы все время хаотично движутся и притом в различных направлениях. Такое движение называется молекулярным тепловым движением. Диффузия, также доказывает, что между молекулами имеются промежутки.Известно, что частицы движутся и в газах, и в жидкостях, и в твердых телах, то в этих веществах возможна диффузия.Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях и медленнее всего в твёрдых телах. Дело в том, что в газах и жидкостях основной вид теплового движения частиц приводит к их перемешиванию, а в твердых телах, в кристаллах, где атомы совершают малые колебания около положения узла решётки, нет. Скорость протекания диффузии зависит от: агрегатного состояния вещества; массы молекул; температуры.

Явление диффузии играет большую роль в природе. Так, например, благодаря диффузии поддерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли. Деревья выделяют кислород и поглощают углекислый газ с помощью диффузии. Корни растений захватывают необходимые для растения вещества из почвенных вод благодаря диффузионному потоку внутрь корней.На явлении диффузии основаны многие физиологические процессы, происходящие в организме человека: такие как дыхание, всасывание питательных веществ в кишечнике и др. Диффузия находит широкое применение в различных сферах деятельности человека. На этом явлении основана, например, диффузионная сварка металлов, никелирование. Результатом диффузии может быть выравнивание температуры в помещении при проветривании. На явлении диффузии основаны соление овощей, варка варения, получение компотов и многое другое.В общем, диффузия имеет большое значение в природе и жизнедеятельности человека, но это явление также вредно в отношении загрязнения окружающей среды. На протекание диффузных процессов в природе отрицательное влияние оказывает деятельность человека. Большую роль играют диффузионные процессы в снабжении кислородом природных водоемов. Кислород попадает в более глубокие слои воды в водоемах за счет диффузии через их свободную поверхность. Поэтому любое загрязнение поверхности воды, губительно для всего живого в водоеме. Загрязняющие вещества, выбрасываемые в атмосферу из дымовых труб промышленных и энергетических предприятий, выхлопные газы автомобилей, благодаря диффузии, распространяются на большие расстояния. Воздух и земля ещё загрязняется бытовыми отходами. Загрязняющие вещества попадают в пищу, воздух, воду и наносят огромный вред здоровью человека. Ярким проявлением диффузии, напрямую связанным с экологическими проблемами – это грязный, фактически отравленный выхлопными газами автомобилей, воздух в черте крупных городов, загрязнение отравляющими отходами многочисленных водоёмов, почвы и т.д.

Давайте вместе проведем исследование и выясним, на примере распространения пахучего вещества в воздухе как явление диффузии способствует загрязнению воздуха (проведем аналогию между молекулами загрязняющего вещества и молекулами пахучего вещества). Приведем примеры типичных загрязнителей атмосферы, рек и водоемов, полей и лесов. Узнаем, какие существуют способы защиты окружающей среды от загрязнения.

globallab.org

Диффузия вокруг нас

globallab.org

Реферат - Технологические иследования процесса массопереноса - диффузии

Министерство образования и науки Украины

Реферат

по теме

«Технологические исследования процесса массопереноса- д иффузии »

Содержание

1. Введение

2.Сущность понятия диффузия

3.Классификация методов экспериментального исследования

4.Феноменологическая теория дифузии

5. Безградиентные методы

6. Безактивационная теория

7.Термодинамическая сторона диффузии

8.Список изпользуемой литературы

Введение

С процессом массопереноса — диффузией приходится сталкиваться постоянно в явной или неявной форме в своей повседневной жизни, практической деятельности, научных и технологических исследованиях. Диффузионные процессы — явления достаточно широко распространенные. При анализе массопереноса, следует помнить, что он имеет четыре стороны, в совокупности своей отражающие суть явления. Одновременно каждая из сторон этого «четырехугольника» имеет некоторую самостоятельность и развивается по определенным направлениям независимо от других.

Прежде всего, это внешнее, макроскопическое проявление процесса диффузии. Внешнее, экспериментально наблюдаемое проявление диффузионного процесса связано с изменением в единице пространства количества диффундирующих частиц, т. е. их концентрации. Очевидно, что эта сторона явления связана с экспериментальными исследованиями, технологическим контролем процесса. Разработанные для этого различные методы наблюдения позволяют получать информацию о кинетике перераспределения вещества либо по измерению потока, проникающего сквозь мембрану, либо по количеству днффузанта, поглощенного или выделившегсся из образца (материала), либо по изменению концентрации в той или иной точке диффузионной зоны или образца, либо, наконец, по распределению компонентов в диффузионной зоне, т. е. той области системы, в пределах которой происходит перераспределение диффузионных компонентов пары.

Также есть и немного другие явления дифузии, а именно само- и взаимодиффузии .

Взаимодиффузия характеризует процесс взаимообмена массы между телами, когда имеет место неоднородность в распределении концентрации. Характерной особенностью взаимодиффузии является направленность в перемещении диффундирующих частиц в пространстве, чего нет в случае самодиффузии. Там движение носит хаотический, броуновский характер.

Самодиффузия отражает тепловое движение молекул либо среди себе подобных, либо в растворах постоянной концентрации. В этом случае молекулы каждого из компонентов раствора движутся со своей тепловой скоростью, а это движение с количественной точки зрения характеризуется парциальным коэффициентом самодиффузии. Естественно, что и методы исследования этих типов диффузионных явлений различны.

Сущность понятия диффузия

По определению: под диффузией следует понимать самопроизвольный процесс перераспределения веществ в пространстве, обусловленный тепловым движением частиц (атомов, молекул, сегментов, макромолекул).

Стоит упомянуть, что в центре внимания подавляющего числа работ, связанных с изучением диффузии, всегда находится характеристическая величина процесса — коэффициент диффузии. Во всех количественных исследованиях делается попытка экспериментально определить величину коэффициента диффузии и установить его зависимость от различных параметров. Решить эту задачу на основании результатов экспериментального наблюдения за внешним проявлением процесса и позволяет феноменологическая сторона «четырехугольника». В ее основе лежат законы диффузии, связывающие между собой в аналитической форме плотность потока вещества, проходящего в единицу времени через единицу сечения образца, с перепадом концентрации (градиентом концентрации) и коэффициентом диффузии; скорость изменения концентрации в заданной точке диффузионной зоны с градиентом плотности потока вещества.

Классификация методов экспериментального исследования

Приведенная классификация методов экспериментального исследования является наиболее общей, поскольку базируется на параметрах диффузионного процесса. Но в каждой группе материалов в зависимости от их физико-химических свойств эти методы имеют, естественно, разное физическое и конструктивное оформление. Например, для металлов, стекол, керамики и минералов традиционным методом получения информации о концентрационном профиле в диффузионной зоне является метод электронно-зондового рентгеноспектрального микроанализа в сочетании с методикой поперечных срезов. Тот же метод используется и при изучении систем полимер — полимер, но поскольку термическая и радиационная стабильности полимеров невысоки, возможно использование лишь микроанализаторов с энергетической дисперсией. Для систем полимер — олигомер, полимер — растворитель и жидкость — жидкость этот метод вообще неприменим, и ту же информацию можно получить, используя методы оптической интерферометрии или сканирующей ИК-спектроскопии.

Эта экспериментально-методическая сторона явления неразрывно связана с другой стороной «четырехугольника», которую можно обозначить как «феноменологическая теория диффузии». Если при экспериментальных измерениях инструментом в руках исследователя — являются чаще всего физические методы, то в феноменологической теории таким инструментом является аппарат математической физики. С его помощью получены аналитические уравнения, связывающие изменение тех или иных внешних параметров, регистрируемых в опыте, с координатой диффузии, временем, коэффициентом диффузии, размерами образца. Поскольку, как правило, неизвестной величиной в этих уравнениях является коэффициент диффузии, то обработка экспериментальных данных с их помощью позволяет получать количественную информацию о его величине, устанавливать соответствие принятой математической модели реальному процессу.

Эти стороны так тесно связаны между собой, что естествен вопрос, в чем же проявляется их самостоятельность и независимость. Экспериментальный аспект связан с разработкой, выбором и совершенствованием методов измерения, позволяющих фиксировать интересующий параметр процесса с большой точностью, обладающих высокой селективностью и разрешением. Недостаточная точность измерения в настоящее время является преградой, например, при изучении диффузии в многокомпонентных системах, когда экспериментатору желательно получать информацию о парциальных потоках каждого из компонентов системы, а также при изучении диффузии через границу раздела двух контактирующих сред, когда наибольший интерес представляет информация о распределении концентрации по диффузионной зоне уже на начальных этапах образования адгезионного соединения.

Самостоятельность феноменологической стороны «четырехугольника» иная. Она связана главным образом с решением математических проблем, возникающих как при решении той или иной системы дифференциальных уравнений, отражающих большое многообразие реальных задач, так и при статистической обработке результатов измерений. Из сказанного ясно, что эта сторона «четырехугольника» имеет самый общий характер и с равным успехом может быть использована для любых систем. Специфика каждой системы заключается в абсолютной величине коэффициента диффузии, в характере его изменения с температурой, давлением, концентрацией.Тесная взаимосвязь этих двух сторон проявляется и в возможности априорного расчета математических моделей реальных технологических процессов, поскольку для этого необходимо создать систему аналитических уравнений и выбрать значения коэффициента диффузии.

Феноменологическая теория дифузии

Необходимо отметить, что используемые в опытах методологические подходы и аналитические уравнения для их описания во многих случаях полностью отражают реальные технологические процессы. Рассмотрим несколько наиболее типичных задач и покажем, как они могут быть реализованы при решении проблем медицины, защиты окружающей среды, коррозии металлов. Мне кажется, что очень показательна в этом случае нерешенная задача, связанная с определением комфортных условий для человека в системе: среда — одежда (обувь) — человек. С точки зрения диффузионных процессов мы можем абстрагироваться от человека как индивидуума, а рассматривать его как некоторый «источник» паров воды периодического действия, работа которого иногда сопровождается вспышками, связанными с эмоциональным состоянием. В этом случае роль одежды (а это, как правило, пористый полимерный материал) сводится к созданию таких условий в пространстве под одеждой, чтобы влажность и температура либо сохранялись постоянными, либо изменялись достаточно медленно, чтобы организм успевал адаптироваться к условиям окружающей среды. Очевидно, что решение этой проблемы требует, с одной стороны, постановки эксперимента, с помощью которого можно было бы получить необходимую информацию о коэффициентах диффузии пористых материалов, с другой—" количественные сведения о периодичности источника и его производительности, с третьей — привлечь исследователей, специалистов в области феноменологической теории диффузии, которые помогли бы создать математический образ системы, записать и решить дифференциальные уравнения и найти такое соотношение между параметрами сорбции, пористой структуры, коэффициентов переноса, которые бы обеспечили комфортные условия во внутри-одеждном пространстве. Эта информация должна была бы послужить технологам путеводным маяком для создания новых более совершенных типов полимерных пористых материалов.

Хочется обратить внимание на еще одну интересную возможность, которую открывает совместный анализ экспериментальной и феноменологической сторон явления. Практика показывает, что при описании процессов следует обращать внимание не только на расчет констант диффузии, но и на совпадение экспериментальных кинетических зависимостей с аналитическими выражениями, получаемыми в рамках феноменологической теории. Отклонение этих зависимостей следует рассматривать не как несовершенства математической модели, а как информацию о структурно-химических особенностях строения исследуемого объекта.

Например, в сорбционных измерениях, выполняемых в изобарно-изотермических условиях, предполагается, что после установления заданных условий мгновенно на поверхности образца устанавливается равновесная растворимость диффузанта и в дальнейшем диффузия идет из этого слоя в его объем. По истечении некоторого времени достигается сорбционное равновесие и процесс диффузии завершается. Если на одной из стадий диффузионного насыщения материала наблюдается снижение веса образца, то это означает, что процесс сопровождается его кристаллизацией. Однако, если в течение длительного времени не устанавливается сорбцпонное равновесие, то это, в свою очередь, связано с химическими реакциями, происходящими в материале под влиянием окружающей среды или проникшего диффузанта. В последнем случае диффузионные измерения могут быть использованы для расчетов констант химических реакций.

Третья сторона «четырехугольника» касается молеку-лярно-кинетических аспектов диффузионных процессов. Перед ней стоит задача: проанализировать элементарный акт диффузии, затем, зная структурно-морфологические особенности строения исследуемого образца, рассчитать значения коэффициента диффузии, установить его количественную взаимосвязь с внешними параметрами, молеку-лярно-кинетическими характеристиками диффундирующих частиц и диффузионной среды. Потому, что в этом случае диффузионный процесс рассматривается, как правило, в однофазной гомогенной системе. Если речь идет о гетерогенной среде, состоящей из нескольких фаз, с разными диффузионными константами по отношению к проникающим в них частицам, то эта проблема массопереноса решается в рамках феноменологической стороны «четырехугольника».

Безградиентные методы

Описанные выше методы позволяют получать информацию о коэффициентах взаимодиффузии либо о парциальных коэффициентах диффузии, но при наличии перепада концентрации, когда в диффузионной зоне возникают растворы переменного состава. Для определения коэффициентов самодиффузии разработана группа специальных «безградиентных» методов, наибольшее распространение среди которых нашли методы радиоактивных меток и спин-эхо. Речь о взаимосвязи между этими коэффициентами пойдет ниже. Здесь лишь укажем, что молекулярно-кинетическая сторона «четырехугольника» касается расчетов коэффициентов самодиффузии или парциальных коэффициентов самодиффузии компонентов.

Основа молекулярно-кинетической теории

В основе большинства молекулярно-кинетических теорий лежат представления, согласно которым для перемещения диффундирующей частицы из одной точки пространства в другую необходимо, чтобы вблизи нее появилась микрополость (вакансия) и одновременно были бы разорваны связи, удерживающие эту частицу в ее прежнем окружении. Если представить себе, что для осуществления того или другого акта требуется преодолеть некоторый энергетический барьер, то получаемые в результате статистических обработок аналитические соотношения, связывающие коэффициент диффузии с внешними параметрами, относятся к теории активированной диффузии, основой которой является энергия активации процесса.

Существует и другая теория — «безактивационная», или теория свободного объема. В ней предполагается, что для осуществления первой части диффузионного акта нет необходимости затрачивать энергию. Микрополости постоянно существуют в объеме тела, и диффундирующая частица лишь ожидает, когда они появляются вблизи нее. В этом случае зависимости коэффициента самодиффузии от температуры, давления и состава имеют несколько иное аналитическое выражение. Наконец, может быть использована и промежуточная модель диффузного процесса, в которой учитывается безактивационный вариант образования вакансии, но разрыв связей с окружением рассматривается с. точки зрения активированной модели.

Многочисленные эксперименты показывают, что в жидкостях и полимерах чаще всего главным в элементарном акте диффузии является появление микрополости вблизи диффундирующей частицы. И только в том случае, когда диффундирующая частица образует достаточно прочные межмолекулярные связи с функциональными группами молекул диффузионной среды, необходимо учитывать второе условие процесса.

Таким образом, на основании анализа экспериментально найденных коэффициентов диффузии в зависимости от изменяемых внешних параметров можно сделать заключение о характере тепловой подвижности молекул, иными словами, о механизме элементарного акта диффузии. Естественно, что это требует знания молекулярно-кинетических моделей, которые закладываются при интерпретации экспериментальных зависимостей. Очевидно, что если доказана справедливость той или иной молекулярно-кинетической модели, то возможен и обратный ход — расчет на основании этой модели для подобных систем численных значений констант, характеризующих диффузионную подвижность частиц. В этом предсказательная сила данных исследований.

Сегодня в научной литературе можно найти аналитические уравнения для жидкостей, полимеров, металлов, газов, с помощью которых с достаточной точностью априори можно проводить расчеты коэффициентов диффузии.

Исследования в этом направлении могут быть использованы в качестве молекулярного «щупа», с помощью которого можно получать информацию о структурно-морфологических особенностях строения диффузионных сред и диффундирующих частиц. Так, изучая коэффициенты диффузии инертных газов в жидкостях и полимерах, удается рассчитать кривые распределения вакансий по размерам, используя данные о влиянии на коэффициенты диффузии степени кристалличности, а также аналитические соотношения, следующие из теории свободного объема, можно определить объемную долю кристаллической фазы, плотность аморфного вещества, его дефектность.Пока еще не совсем громко говорят о возможностях использования теории свободного объема для расчетов концентрационной зависимости коэффициентов самодиффузии, тем не менее она открывает необычайно широкие возможности в предсказании тех или иных типов зависимостей на основании простейших аддитивных моделей. Так, если предположить, что доля свободного объема диффузионной среды является аддитивной функцией локальных свободных объемов всех частиц и их количества, то можно получить аналитические соотношения, связывающие коэффициенты диффузии нпзкомолекулярных веществ с числом концевых групп, узлов пространственной сетки, сополимерных звеньев, степени кристалличности, концентрации пластификаторов и других модифицирующих добавок. Уже это перечисление показывает, сколь широки возможности этой теории.

Термодинамическая сторона диффузии

Четвертая, последняя сторона «четырехугольника». Ее можно назвать термодинамической, поскольку касается термодинамических аспектов диффузионных явлений. Значение этой стороны трудно переоценить. Во-первых, движущей силой диффузии в общем случае является не разность концентраций, а разность термодинамических потенциалов. Путем перераспределения вещества система стремится к выравниванию локальной разности потенциалов и, следовательно, к термодинамическому равновесию. Это выравнивание и осуществляется посредством диффузии. Введение в уравнение диффузии градиентов химических потенциалов позволяет объяснить ряд странных» явлений, известных как «отрицательная» диффузия, «восходящая» диффузия, когда перенос осуществляется против градиента концентрации.

Во-вторых, термодинамическая сторона диффузии устанавливает взаимосвязь между коэффициентами взаимо- и самодиффузии. На многочисленных примерах показано, что коэффициент взаимодиффузии равен произведению коэффициента самодиффузнн и термодинамической поправки, связанной с производной химического потенциала по составу. Это соотношение имеет принципиальное значение, поскольку с его помощью можно переходить от теоретически рассчитываемых коэффициентов самодиффузии к коэффнциентам диффузии, ответственным за реально протекающие процессы. И наоборот, располагая информацией о концентрационных зависимостях того и другого коэффициента, можно рассчитывать термодинамические параметры системы. Если для низкомолекулярных веществ в этом нет большой необходимости, то для систем полимер — олигомер, полимер — полимер этот метод является одним из наиболее эффективных. К этому следует добавить, что распределение концентраций в диффузионной зоне несет информацию о диаграммах фазового состояния исследуемых си-тем.

Втретьих, эта сторона «четырехугольника» определяет вообще возможность диффузии. Часто забывают, что диффузия связана непосредственно с растворимостью диффундирующих частиц в диффузионной среде. Если существует термодинамический запрет на этот процесс, т. е. если компоненты диффузионной пары взаимно нерастворимы, то естественно, диффузия невозможна. Может возникнуть вопрос, в чем самостоятельность этой стороны явления. Она связана прежде всего с развитием статистической теории растворов, а затем — с уточнением и совершенствованием представлений термодинамики необратимых процессов.

Список используемой литературы

1. «Основы макрокинетики. Диффузия и теплопередача в химической кинетике» Франк-Каменецкий Д.А., 2008г.

2. «Химия. Практические задания с ответами и разъяснениями. Учебное пособие для выпускников и абитуриентов» Журавлева Т.А., 2007г.

3. «Диффузия в твердых телах» Х.Мехрер, 2010г.

www.ronl.ru

Реферат Диффузия при производстве ИМС

МЕХАНИЗМ ДИФФУЗИИ

Для легирования поверхности полупроводниковых пластин при изготовлении ИМС используют диффузию и ионное легирование. Диффузия является наиболее широко распространенным методом легирования.Диффузия - это процесс переноса примесей из области с высокой в область с низкой концентрацией, стимулированный высокой температурой.Атомы электрически активных примесей, проходя через поверхность полупроводникового материала, диффундируют в решетку кристалла и образуют области р- или n-типа электропроводности. Методом диффузии формируют активные, пассивные элементы ИМС и изоляцию. Обычно используют локальную диффузию с применением защитных масок из диэлектрических пленок. При тотальной диффузии загоняют примеси во всю поверхность полупроводниковой пластины, не имеющей маскирующих пленок.

Возможны четыре механизма диффузии: вакансионный, межузельный, эстафетный и краудионный.

Вакансионный механизм обусловлен наличием в монокристалле точечных дефектов (вакансий — пустых, незанятых узлов кристаллической решетки) и межузельных атомов. При повышенной температуре атомы в узлах кристаллической решетки колеблются вблизи равновесного положения. Время от времени они приобретают энергию, достаточную для того, чтобы удалиться из узла, и становятся межузельными. В решетке появляется вакансия. Соседний атом, будь то атом примеси или собственный атом полупроводникового материала, может мигрировать на место этой вакансии. Если мигрирующий атом является собственным, то происходит самодиффузия, а если примесным - примесная диффузия.

При межузельном механизме атом переходит из одного положения в другое, не попадая при этом в узлы кристаллической решетки, т. е. происходит прямое перемещение атомов по междоузлиям. Такой механизм наиболее вероятен для примесей, атомы которых имеют малые размеры. Свободные атомы легче перемещаются по междоузлиям, так как они слабее связаны с решеткой, чем атомы, находящиеся в узлах.

Если движение межузельных атомов, когда в процессе перемещения они вытесняют атом из узла решетки и замещают его, а вытесненный атом, в свою очередь, становится межузельным - то такой механизм перемещения собственных или примесных атомов называют механизмом непрямого перемещения атомов по междоузлиям или эстафетным механизмом.

Если межузельный атом вытесняет атом, находящийся находящийся в узле, смещая его на период решетки, то механизм диффузии называется краудионным.

Диффузия в кремний элементов III и V групп периодической системы происходит в основном по вакансионному механизму. Элементы I и VIII групп, имеющие малый ионный радиус, относятся к быстродиффундирующим примесям (в кремнии), их диффузия происходит по механизму прямого перемещения атомов по междоузлиям.ВИДЫ И ИСТОЧНИКИ ЛЕГИРУЮЩИХ ПРИМЕСЕЙВ качестве легирующих примесей используют элементы Ш и V групп периодической системы. Для кремния — это бор (В) — акцепторная примесь, создающая области р-типа электропроводности, фосфор (Р), мышьяк (As) и сурьма (Sb) — донорные примеси, создающие области n-типа.

Акцепторные примеси диффундируют быстрее, чем донорные из-за меньшего ионного радиуса. Количество примеси, которое можно ввести в пластину, не превышает ее предельной растворимости при данной температуре в кремнии (см. табл.).

Примесь	Максимальная растворимость, ат/см-3	Температура, 0С
Алюминий	1019-1020	1150
Бор	5.1020	1200
Фосфор	1,3.1021	1150
Сурьма	6.1019	1300
Мышьяк	2.1021	1150
Золото	1012	1300

Важное значение имеет диффузия неконтролируемых примесей (меди, железа, золота, алюминия и др.), которые могут попадать в приповерхностный слой полупроводниковых пластин из оснастки, отмывочных сред и т.д. Скорость диффузии этих примесей, относящихся к I и VIII группам периодической системы, на несколько порядков выше, чем легирующих, и может привести к нежелательным изменениям свойств активных областей приборов. Это определяет жесткие требования к чистоте проведения диффузионных процессов, исключающие возможность попадания в рабочий объем диффузионного реактора неконтролируемых примесей.Источники легирующих примесеймогут быть твердые, жидкие и газообразные. Так, источниками бора служат: твердые — В203 и Н3В03, жидкий ВВг3, газообразные — галогениды бора ВС13, BF3, ВI3 и диборан В2Нб.Источниками фосфора являются: твердые – P2O5, фосфаты аммония Nh5h3PO4 и (Nh5)2HP04, изредка элементарный красный фосфор, жидкие - РОС13, РВr3 и РС13, газообразный — фосфин РН3.

В качестве источников мышьяка применяют: твердые - порошок кремния, легированный мышьяком до предела растворимости, оксид мышьяка As2O3 и газообразный Ash4.

Для диффузии сурьмы используют твердые источники -триоксид сурьмы Sb203, газообразный Sbh4 (стибин).

Измельченные частицы твердых источников помещают в кассету в низкотемпературной зоне диффузионного реактора. Для подачи жидких источников в зону диффузии используют специальные питатели. Газообразные диффузанты подают в реактор по магистралям из баллонов, смешивая их с газом-носителем в заданных пропорциях. Основным недостатком при использовании газообразных диффузантов является их токсичность, в связи с чем необходимы специальные конструкции герметичных реакторов. Однако при использовании газообразных диффузантов легче дозировать количество вводимой примеси и получать более высокую равномерность легирования.

Находят применение также поверхностные источники примеси — слои примесно-силикатных стекол, наносимых на поверхность полупроводниковых пластин из жидких растворов -эмульситонов.

В последнее время в качестве источников примеси используют пластины из материалов, содержащих легирующую примесь (например, из нитрида бора BN), имеющих те же размеры, что и рабочие полупроводниковые. Их устанавливают в кассету, чередуя с полупроводниковыми, и нагревают в потоке азота с кислородом. С течением времени поверхность источников покрывается слоем оксида, препятствующего испарению примеси. Поэтому их периодически подвергают регенерации. Использование пластин-источников позволяет получать высокую равномерность легирования поверхности рабочих пластин.

При взаимодействии с поверхностью пластин источник примеси не должен образовывать трудноудаляемых соединений, осложняющих процесс диффузии. Кроме того, он должен иметь высокую степень чистоты, исключающую загрязнения поверхности пластин. Важно, чтобы источник не был дефицитным, токсичным, взрывоопасным.РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИМЕСИ ПРИ ДИФФУЗИИ

ИЗ БЕСКОНЕЧНОГО И ОГРАНИЧЕННОГО ИСТОЧНИКОВПри формировании ИМС встречаются два случая диффузии: из бесконечного и ограниченного источников. Под диффузией из бесконечного (постоянного) источника понимают такое состояние системы, когда количество примеси, уходящее из приповерхностного слоя полупроводникового материала, восполняется равным количеством, поступающим извне. При этом поверхностная концентрация примеси остается постоянной, но резко убывает по глубине р-n-перехода (см. рис.).При использовании ограниченного источника в приповерхностном слое имеется конечное количество атомов примеси, уходящие атомы не восполняются и поверхностная концентрация примеси со временем уменьшается.Показанное на рисунке распределение N(x) соответствует теоретически рассчитанному. Реальное распределение несколько сложнее за счет влияния диффузии, протекающей в других направлениях, отличных от нормали к поверхности пластины, и наличия ранее введенных в материал примесей.При локальной диффузии следует учитывать искривление ее фронта у края окна в маскирующем оксиде (см.рис.), которое увеличивает размеры диффузионной области на Dl и влияет на форму p-n-перехода. В структурах с малыми размерами окон ширина p-n-переходов может быть завышена и неоднородна по пластине. Значения Dl могут достигать 0,8 xj.

маскирующий оксид;
диффузионная область;
пластина;

l1 – размер окна в оксиде;

l2 – размер полученной диффузионной области;

Dl – уширение диффузионной области за счет искривления фронта диффузии;

xj – глубина p-n-переходаСПОСОБЫ ПРОВЕДЕНИЯ ДВУХСТАДИЙНОЙ ДИФФУЗИИПри создании активных и изолирующих областей ИМС часто используют двухстадийную диффузию (рис. ниже).

Для этого вначале в поверхность полупроводникового материала 2 с нанесенным на нее маскирующим слоем оксида 1 вводят определенное количество легирующей примеси из бесконечного источника, создавая ее высокую поверхностную концентрацию при небольшой глубине диффузионной области ("загонка" примеси) (рис а, б).

Первую стадиюпроводят при сравнительно невысоких температурах (950 — 1050° С) в окислительной атмосфере. На поверхность наносят слой примесно-силикатного стекла 4 (поверхностный источник), под которым формируется высоколегированный объемный источник 3 (рис. б).Вторую стадию- диффузионный отжиг, называемую "разгонкой" (рис.в), проводят предварительно удалив примесно - силикатное стекло. Температура второй стадии выше 1050-1230 0С. Примеси, введенные на первой стадии, перераспределяются, их поверхностная концентрация уменьшается, а глубина проникновения в полупроводниковый материал увеличивается до заданной xj. Создается требуемая диффузионная область 5. Температура и длительность второй стадии диффузииопределяются заданными параметрами p-n-перехода. Процесс ведут в окислительной среде, одновременно формируя маскирующую пленку 6 для последующей фотолитографии.Необходимость проведения двухстадийной диффузии при легировании бором связана с тем, что требуется получать распределение со сравнительно невысокой поверхностной концентрацией, а с помощью одностадийной диффузии это не всегда удается. Для остальных примесей двухстадийная диффузия обеспечивает заданные параметры р-n-переходов и возможность получения маскирующего оксида и предотвращение эрозии поверхности пластин при диффузии. Двухстадийную диффузию проводят различными способами .

Наиболее широко в технологии производства ИМС используют способ диффузии в открытой

трубе:Он является основным для первой стадии. Кремниевые пластины 4 (от 50 до 200 шт.) загружают в кассете в кварцевую трубу 3 через ее выходной конец, сообщающийся с атмосферой. Входной конец трубы соединен с газовой системой 1 подачи газа-носителя.

Газообразные диффузанты подаются из баллона и перед входом в реактор смешиваются с азотом и кислородом. В зоне реакции образуется оксид легирующего элемента, а на поверхности кремниевых пластин выделяется элементарная примесь. Например, процесс диффузии фосфора сопровождается реакциями:

в трубе: 2Ph4 = 3h3 + 2P

4P + 5O2 = 2P2O5на поверхности Si: 2P2O5 + 5Si = 5SiO2 + 4P.Пары жидких даффузантов из дозатора разбавляются газом-носителем и также образуют оксиды соответствующих элементов, например:

4РОС13+302 -> 2Р205+4С12Диффузия из газообразных и жидких источников проводится в однозонной диффузионной печи с резистивными нагревателями 5 (см.рис.).

При проведении диффузии из твердого источника в ряде случаев используют двухзонные печи с нагревателем 5 (рис. б). При этом в низкотемпературной зоне помещают источник примеси 2, а в высокотемпературной — кассету с пластинами 4.

Газ-носитель, поступая из системы подачи 1, вытесняет из кварцевой трубы воздух, который удаляется через отверстие 6. Проходя через зону источника примеси, газ-носитель захватывает атомы примеси и переносит их в зону расположения пластин. Атомы адсорбируются на поверхности и диффундируют в глубь кремниевых пластин.В качестве поверхностного источника используют легированные оксиды, примесно-силикатные стекла, пленки металлов (например, золота), слои легированного поликристаллического кремния. Диффузию проводят в слабо окислительной среде.Способ диффузии в открытой трубе позволяет легко управлять составом парогазовой смеси, скоростью потока газа и обеспечивает требуемый профиль распределения примесей. Воспроизводимость параметров диффузии от пластины к пластине и по площади каждой пластины зависит от распределения температуры в рабочей зоне печи, числа пластин, их расположения относительно газового потока, типа диффузанта, чистоты проведения процесса.

Диффузию в замкнутом объеме (ампульный способ) проводят в кварцевой ампуле 2, в которую помещают пластины 4 и источник примеси 5, откачивают ее до остаточного давления 10-2 — 10-1 Па или заполняют инертным газом и запаивают (см. рис). Перед использованием ампулу тщательно очищают и прокаливают в вакууме при температуре 1200°С в течение двух часов. Ампулу вводят в кварцевую трубу 1 диффузионной печи с нагревателем 3.При нагревании источника пары примеси осаждаются на поверхности полупроводниковых пластин и диффундируют в глубь нее. Ампульным способом можно проводить диффузию мышьяка, бора, сурьмы, фосфора с однородностью легирования до ± 2,5 %. Его достоинством является минимальная токсичность, так как процесс происходит в замкнутом объеме.После проведения процесса ампулу разрушают (вскрывают). То, что она имеет одноразовое использование, сильно удорожает процесс. В настоящее время ампульный способ применяют преимущественно при диффузии мышьяка.Диффузия в полугерметичном объеме (бокс-метод) является промежуточным способом между диффузией в открытой трубе и в ампуле. Так же, как в последнем случае, пластины 4 и источник примеси 5 помещают в кварцевую ампулу (бокс) 2, но не запаивают ее, а закрывают пришлифованной кварцевой крышкой 7, обеспечивающей небольшой зазор (см. рис). Ампулу помещают у выходного отверстия 6 кварцевой трубы 1 диффузионной печи с нагревателем 3, через которую продувают инертный газ. Газ уносит следы кислорода и влаги из ампулы, после чего ее закрывают крышкой и проводят диффузионный процесс.

По сравнению с диффузией в открытой трубе бокс-метод менее чувствителен к скорости потока газа-носителя и позволяет в более широких пределах регулировать поверхностную концентрацию примеси. Преимуществом перед ампульным способом является возможность многократного применения кварцевой ампулы.

ДЕФЕКТЫ И КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ДИФФУЗИОННЫХ СЛОЕВПри диффузии на поверхности пластин образуются макро- и микродефекты. К макродефектам относятся эрозионные ямки, сильно легированные "трубки", участки с выделением второй фазы, термические ямки травления, неравномерность диффузионного фронта по глубине, линии скольжения.Эрозионные ямкиобразуются при проведении диффузии в атмосфере сухого азота за счет возникновения нарушений поверхности, связанных с испаренеием некоторых химических соединений, которые синтезируются на ней при некоторых условиях. Для предотвращения эрозии в парогазовую смесь добавляют кислород.

Скопление диффузанта в отдельных участках поверхности может привести к появлению сильно легированных "трубок", имеющих аномально высокую проводимость. «Трубки» образуются также из-за ускоренной диффузии в областях структурных дефектов кремния, например, по дислокациям.При длительном нагреве с высокими температурами возникают термические ямки травленияиз-за роста одних кристаллографических поверхностей за счет других.

Образование второй фазыпроисходит из-за выпадения скоплений атомов металлов, таких, как медь, золото, железо или их твердых растворов в полупроводниковом материале и на дефектах типа дислокаций.Скопление дислокаций в приповерхностном слое может вызвать и неравномерность диффузионного фронта по глубине: в местах нарушений кристаллической решетки уменьшается энергия активации и возрастает коэффициент диффузии примесей, вследствие чего глубина диффузии оказывается больше, чем в ненарушенных областях:D = D0 exp (-Ea/ kT).Линии скольженияпри диффузии образуются по тем же причинам, что и при окислении, и для уменьшения их генерации необходимо использовать "мягкие" режимы нагрева и охлаждения пластин.К микродефектам относят дислокациии дефекты упаковки.Основной причиной возникновения дислокацийявляется внедрение в решетку полупроводникового материала примесей, размеры атомов которых отличаются от размеров атомов решетки (см. табл.).

Это приводит к появлению механических напряжений растяжения или сжатия (см. рис.).

Если уровень напряжений превышает предел текучести материала, то при высоких температурах произойдет релаксация (сброс) напряжений, сопровождающаяся пластической деформацией (искажением кристаллической решетки) и образованием краевых и винтовых дислокаций (см. рис.).

Дефекты упаковки образуются из-за нарушения чередования плоскостей кристаллической решетки при высокотемпературном нагреве и взаимодействии полупроводникового материала с кислородом. Дислокации и дефекты упаковки могут привести к ухудшению параметров ИМС.Микродефекты и линии скольжения выявляют селективным травлением в соответствующих травителях в зависимости от кристаллографической ориентации поверхности пластин (см..табл.).

После травления и химической обработки пластины просматривают под микроскопом при увеличении 200х и подсчитывают число микродефектов в нескольких полях зрения. В поле зрения микроскопа дислокации и дефекты упаковки имеют вид, показанный на рисунке ниже.

Затем рассчитывают среднюю плотность дислокаций и дефектов упаковки:

NД = (SNi) / nS ; i= от 1 до nгде Nд — плотность дислокаций или дефектов упаковки соответственно на 1 см2; Ni— число дефектов в поле зрения микроскопа; n — число просмотренных полей зрения; S — площадь поля зрения, см2.Заполнение линиями скольжения поверхности кремниевых пластин оценивают по значению коэффициента заполнения, равного отношению площади заполненной линиями скольжения, ко всей площади пластин.

Площадь, заполненную линиями скольжения, определяют под пучком осветителя с помощью шаблона-сетки по суммарному числу ячеек этой сетки, в которые попадают линии скольжения. Площадь одной ячейки 25 мм2. Макродефекты анализируют под микроскопом без травления.

Поверхность после диффузии считается качественной, если плотность дислокаций и дефектов упаковки находится в пределах 101 -102 см-2, коэффициент заполнения линиями скольжения не более 0,05; эрозии и термических ямок травления нет, неравномерность диффузионного фронта (по глубине) находится в пределах 5 - 10 % от средней толщины слоя.Контроль диффузионных слоев проводят по следующим параметрам:

глубина залегания p-n-перехода,
удельное поверхностное сопротивление,
поверхностная концентрация примеси и
профиль распределения примеси.

Наиболее распространенным методом контроля глубины залегания р-п-перехода является метод окрашивания (химического декорирования) сферического шлифа. Сферический шлиф изготовляют с помощью вращающегося стального шара диаметром 35 — 100 мм, смазанного алмазной пастой зернистостью 3 (см. рис. ниже).

Глубина сферической лунки 1 должна превышать глубину p-n-перехода xj. Границу р-n-перехода выявляют химическим окрашиванием p-области 5 в концентрированной фтористоводородной кислоте HF при интенсивном освещении. Для окрашивания n-области используют водный раствор медного купороса CuS04 • 5Н20 с добавкой 0,1 % концентрированной HF. Легированные диффузией области кремния р-типа после окрашивания будут выглядеть темнее окружающего материала, а области n-типа - покрыты осажденной медью.

На окрашенных шлифах под микроскопом измеряют длину l хорды 4, по которой определяют глубину залегания р-п-перехода (толщину диффузионного слоя 2): Xj = l2 / (4D) , где D - диаметр шара.

Погрешность метода ~ 10 % в диапазоне глубин от 2 до 10 мкм.Метод окрашивания сферического шлифа непригоден для контроля глубины мелких (n-переходов из-за большой погрешности. В этом случае используют фотоэлектрический метод сканировании поверхности

цилиндрического шлифа сфокусированным лазерным пучком (зондом) с регистрацией кривых фототока (фотоответа) и интерференции. Используют установку ЛПМ-11 с длиной волны излучения X = 0,44 мкм, оптико-механическим узлом, предметным столом и регистрирующим прибором (самописцем).

Этим методом можно также контролировать ионно-легированные и эпитаксиальные p-n-переходы глубиной 0,2-10 мкм с погрешностью ~ 3 %.Поверхностное сопротивление диффузионного слоя Rs измеряют четырехзондовым методом (см. рис. ниже).

Ток I пропускают между внешними 1 зондами и измеряют падение напряжения U между внутренними 2 зондами. Затем рассчитывают Rs = (U/I) . K , где

К - коэффициент коррекции, зависящий от размеров а образца и расстояния S между зондами. При большом отношении (a/S) этот коэффициент равен 4,53, т. е.

Rs = 4,53 U/I.Воспроизводимость метода составляет ± 2 % при стабильных значениях давления на зонды и уровня тока.

Для определения поверхностной концентрации Ns легирующей примеси необходимо знать характер распределения примеси в диффузионной области. Существуют графики (кривые Ирвина), связывающие поверхностную концентрацию и среднее удельное сопротивление r, рассчитанные для диффузионных профилей.

Среднее значение удельного сопротивления находят по формуле:

r = Rs хj

а затем по кривым Ирвина или таблицам определяют Ns.Профиль распределения примесиопределяют методами:

дифференциальной проводимости с послойным стравливанием,
С-U-методом (метод вольт - фарадных характеристик),
методом сопротивления растекания.

Дифференциальный

метод - старейший, достаточно информативный, но очень трудоемкий. Он состоит в повторяющихся измерениях поверхностного сопротивления четырехзондовым методом после удаления тонких поверхностных слоев кремния анодным окислением и травлением полученного оксида в растворе HF.При использовании C-U-метода определяют значение емкости обратно смещенного р-n-перехода в зависимости от приложенного напряжения.Наиболее широко в настоящее время применяют метод сопротивления

растекания, при котором двумя зондами измеряют сопротивление на косом шлифе и после обработки результатов получают профиль распределения Ns.Для контроля уже поставленного технологического процесса достаточно измерять xj и Rs, а также толщину слоя примесно - силикатного стекла, полученного после первой стадии диффузии, и оксида - после второй стадии.

Толщина этих слоев и ее равномерность свидетельствуют о соответствии режимов проведения диффузионного процесса заданным. Кроме того, значения толщины должны быть известны для правильного выбора времени травления при снятии стекла после первой стадии диффузии и оксида после второй для последующей фотолитографии, а также при проведении процесса ионного легирования через оксид, образованный на второй стадии диффузии.

bukvasha.ru