Москва 
ИНФРА-М 
2014

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 (210100) «Электроника 
и наноэлектроника», 28.03.01 (222900) «Нанотехнологии и микросистемная 
техника», 12.03.02 (200400) «Оптотехника», 
27.03.01 (221700) «Стандартизация и метрология», 
11.03.03 (211000) «Конструирование и технология электронных средств«, 
12.03.01 (200100) «Приборостроение», 
20.04.01 (280700) «Техносферная безопасность», 
12.05.01 (200401) «Электронные и оптико-электронные приборы  
и системы специального назначения»

Капустин В.И., Сигов А.С.
Материаловедение и технологии электроники: Учеб. пособие. — М.: 
ИНФРА-М, 2014. — 427 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — 
DOI 10.12737/3436 (www.doi.org).

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. Рас-
смотрены свойства основных конструкционных и функциональных 
материалов электроники, базовые технологии электронной техники, 
а также методы исследования структуры, химического и фазового со-
става материалов, включая методы электронной, ионной и фотонной 
спектроскопии.
Учебник предназначен для студентов, обучающихся по специаль-
ностям «Электроника и наноэлектроника», «Нанотехнологии и мик-
росистемная техника», «Оптотехника», «Электронные и оптико-элек-
тронные приборы и системы специального назначения», «Управление 
качеством», «Стандартизация и метрология», «Конструирование и 
технология электронных средств», «Приборостроение», «Техносфер-
ная безопасность». Учебник может быть полезен аспирантам и науч-
ным сотрудникам, работающим в области электронной техники.

УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3я73

К 207

УДК 620.22(075.8)
ББК 30.3я73
К 207

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. 1 ст. 11

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время принцип действия большинства серийно вы-
пускаемых и разрабатываемых машин, механизмов, приборов 
и устройств в области электронной техники основан на физических 
закономерностях, известных много десятилетий. Даже основы созда-
ния 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 конструк-
ционных 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 воль-
фрам, молибден или никель. По мере развития электроники не толь-
ко расширялся круг материалов и технологий, используемых при 
производстве электронных приборов (германий, кремний, полупро-
водниковые 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 радио-
электроники, основан на физических моделях функционирования 
конкретного изделия и органично связан с методами контроля каче-
ства, 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 по-
верхности, металлургии, а также в областях химического синтеза, 
технологий композиционных материалов, специальных методов ис-
следования и испытания материалов и т.д. На рисунке 1 приведена 
упрощенная схема, иллюстрирующая современную систему разра-
ботки и освоения серийного выпуска изделий электронной техники.
В настоящее время в электронике нашли применение сотни конс-
трукционных и функциональных материалов различных типов и на-
значения. Однако, несмотря на большое разнообразие материалов 
электронной техники, определенная систематизация принципов раз-
работки 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 мате-
риалов с заданными свойствами является научное положение, согласно 
которому свойства материала однозначно определяются его структу-
рой, химическим и фазовым составом, а также технологической преды-
сторией материала. Данное научное положение является обобщени-
ем огромного объема экспериментальных результатов, накопленных 
в материаловедении за десятилетия его развития.

Методы испыта­
ний и контроля 
качества изделий

Конструкционные 
и функциональ­
ные материалы

Стандартизация 
и сертификация 
изделий

Физические мо­
дели функциони­
рования изделий

Метрологиче­
ское обеспечение 
технологии мате­
риалов

Специальные 
методы исследо­
ваний материалов

Методы измере­
ния физических 
параметров мате­
риалов

Система подго­
товки и обеспече­
ния производства 
изделий

Технологии се­
рийного произ­
водства материа­
лов

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 материалове-
дения в рамках физико-химического подхода к данной области зна-

ний. Приведена классификация типов фазовых состояний материа-
лов и диаграмм состояния материалов; свойства материалов рассмот-
рены с позиций их структурной чувствительности или 
нечувствительности в соответствии с основными положениями фи-
зико-химического анализа материалов. Рассмотрены вопросы фазо-
вых 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, ке-
рамические, 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, плазмен-
ные технологии получения нанопорошков металлов, оксидов и нит-
ридов металлов, технологии диэлектрических и сегнетоэлектрических 
материалов, технологии обработки материалов, базовые технологии 
микроэлектроники. Рассмотрены вопросы газовакуумного обеспе-
чения технологий микроэлектроники и специальные методы контроля 
параметров полупроводниковых материалов и структур, которые, по 
существу, являются методами контроля дефектов и примесных эле-
ментов в полупроводниковых материалах.
Четвертая часть посвящена аналитическим методам исследова-
ния материалов электронной техники. Из большого числа методов 
анализа материалов подробно рассмотрены методы анализа струк-
туры, химического и фазового состава поверхности и приповерх-
ностной области материалов ввиду их высокой информативности 
при разработке материалов для микроэлектроники и микроэлект-
ронных устройств. В частности, рассмотрены методы электронной, 
ионной, фотонной спектроскопии применительно к анализу струк-
туры, химического и фазового состава материалов электронной 
техники.
В настоящее время для обозначения физических величин обще-
принята международная система СИ. Тем не менее спецификой 
отдельных инженерных дисциплин в России является использова-
ние некоторых внесистемных единиц измерения. К тому же имеет-
ся большой объем ранее изданной литературы, прежде всего спра-
вочной, в которой надежно и достоверно измеренные значения 
физических и физико-химических свойств материалов представ-
лены во внесистемных единицах. Поэтому авторы сочли необходи-

мым привести некоторые важные соотношения системных и не-
системных 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, полупровод-
никовые и диэлектрические материалы, композиты на основе ука-
занных типов материалов. В то же время аналогичные объекты явля-
ются предметом изучения и такого раздела науки как «Физика твер-
дого 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 Шре-
дингера и с использованием методов статистической физики и кван-
товой электродинамики рассматривают электронные волновые функ-
ции ансамбля атомов, взаимодействие квантовых подсистем твердо-
го тела (электронных, фононных и т.д.). Такой подход оказался 
весьма плодотворным для понимания многих фундаментальных фи-
зических свойств высокочистых монокристаллов и поликристаллов, 
а также материалов с малым уровнем примесей и дефектов. Однако 
он встречается с определенными сложностями при переходе к изуче-
нию физических свойств многокомпонентных и многофазных мате-
риалов.
В материаловедении подход к изучению физических свойств ма-
териалов базируется на методе физико-химического анализа, в осно-
ве которого лежит научное положение, согласно чему физические 
свойства материала однозначно определяются его структурой, хими-
ческим и фазовым составом, а также «технологической предыстори-
ей» материала. При этом особенности электронного строения твер-

дого тела в материаловедении являются вторичными и привлекаются 
для более глубокого понимания сущности указанных закономерно-
стей, а также для обоснования возможности их обобщения на систе-
мы 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 эмпири-
ческие методы изучения материалов и технологий. Однако и при та-
ком подходе к концу первой трети ХХ в. был накоплен большой объ-
ем экспериментальных результатов, позволяющий методом проб 
и ошибок создавать новые материалы в соответствии с потребностями 
развития техники.
Основные принципы физико-химического анализа были сформу-
лированы в начале ХХ в. Д.И. Менделеевым, в дальнейшем развиты 
Н.С. Курнаковым и рядом других выдающихся ученых и легли в ос-
нову современного материаловедения. Начиная с 20-х гг. ХХ в., с со-
зданием атомной физики и квантовой механики, с появлением новых 
методов экспериментального исследования материалов, развитие 
материаловедения приобрело принципиально новый характер. В со-
ответствии с вышеизложенным, главной задачей материаловедения 
является выявление закономерностей изменения физических свойств 
материалов в зависимости от их структуры, фазового состояния, «тех-
нологической предыстории» и электронного строения материала, 
теоретическое обобщение указанных закономерностей и разработка 
на их основе теоретических подходов к созданию материалов с задан-
ными 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, зна-
чимым с точки зрения материаловедения, относят:
 
• наличие или отсутствие симметрии в расположении атомов мате-
риала (кристаллические и аморфные твердые тела);
 
• тип кристаллической структуры материала (кристаллы), наличие 
и тип упорядочения атомов (аморфные твердые тела);
 
• точечные и линейные дефекты кристаллической структуры мате-
риала (атомы внедрения или замещения, вакансии, дислокации 
и т.д.);
 
• макродефекты материала (поры, границы зерен, границы фаз, по-
верхность материала);

• макроструктура материала (поликристаллическая, монокристал-
лическая, текстурированная);
 
• микроструктура материала (распределение по форме и размерам 
зерен поликристалла или текстурированного материала).
Характеристика фазового состояния материала базируется на фун-
даментальном понятии «фаза», имеющем более широкий смысл, чем 
понятие «агрегатное состояние твердого тела» (твердое, жидкое, га-
зообразное).
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, поверх-
ностно-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 мате-
риала (термодинамически стабильные или метастабильные фазы);
 
• тип фаз, входящих в состав материала (фазы постоянного или пе-
ременного состава);
 
• превалирующий механизм стабилизации фазового состояния (ва-
лентный, электронный или размерный факторы);
 
• тип фазовых переходов, реализуемых в твердом теле при воздей-
ствии 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 запол-
ненная зона проводимости, наличие или отсутствие электронных 
состояний в запрещенной зоне);
 
• топологию поверхности Ферми (односвязная или многосвязная);
 
• наличие или отсутствие перекрытия электронных зон (sp- или spd-
гибридизация);
 
• характер перестройки электронно-зонной структуры под воздей-
ствием внешних факторов (спиновое упорядочение, переходы 
Андерсена);
 
• характер взаимодействия электронной подсистемы с другими кван-
товыми подсистемами (фононами, экситонами, поляронами, маг-
нонами и т.д.).

1.2. 
КЛАССИФИКАцИЯ СВОйСТВ МАТЕРИАЛОВ

В связи с огромным разнообразием областей применения мате-
риалов 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 де-
сятков практически самостоятельных разделов материаловедения, 
при этом сама задача создания материала с требуемым набором фи-
зических 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 зависи-
мости 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 свой-
ствам, например, относятся:
 
• плотность материала, которая сколько-нибудь заметно не зависит 
от размера, формы и ориентации зерен материала, точечных и ли-
нейных дефектов, текстуры, но зависит от некоторых типов мак-
родефектов (поры);
 
• термический коэффициент объемного расширения, который так-
же не зависит от особенностей микроструктуры. В то же время 
термический коэффициент линейного расширения для анизо-
тропных материалов зависит от текстуры материала;
 
• теплоемкость материала, которая также практически не зависит 
от размера, формы и ориентации зерен материала, но слабо зави-
сит 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 содержа-
ния углерода [55. С. 420]