半導(dǎo)體實驗分析

1、半導(dǎo)體器件物理與工藝實驗報告 姓 名： 李星煒 專業(yè)年級： 12級電科< 1 >班 學(xué) 號： 3126110018 指導(dǎo)老師： 阮凱斌 時 間： 2015年7月10日 實驗一：半導(dǎo)體薄膜材料的制備一、實驗?zāi)康模?、了解真空的獲得方法和技術(shù)2、掌握真空蒸發(fā)鍍膜的方法和原理3、了解半導(dǎo)體薄膜的制備方法二、 實驗內(nèi)容采用真空蒸發(fā)法制備半導(dǎo)體薄膜三、實驗儀器設(shè)備和材料清單設(shè)備：真空鍍膜設(shè)備材料：無水乙醇，丙酮，玻璃基片等四、實驗原理真空蒸鍍薄膜是在真空條件下，將原材料蒸鍍在薄膜基材的表面而形成復(fù)合薄膜的一種新工藝。任何物質(zhì)在一定溫度下，總有一些分子從凝聚態(tài)（固態(tài)，液態(tài)）變成為氣態(tài)離開物質(zhì)表

2、面，但固體在常溫常壓下，這種蒸發(fā)量是極微小的。如果將固體材料置于真空中加熱至此材料蒸發(fā)溫度時，在氣化熱作用下材料的分子或原子具有足夠的熱震動能量去克服固體表面原子間的吸引力，并以一定速度逸出變成氣態(tài)分子或原子向四周迅速蒸發(fā)散射。當(dāng)真空高度，分子自由程遠(yuǎn)大于蒸發(fā)器到被鍍物的距離d時（一般要求，材料的蒸汽分子在散射途中才能無阻當(dāng)?shù)刂本€達(dá)到被鍍物和真空室表面。在化學(xué)吸附（化學(xué)鍵力引起的吸附）和物理吸附（靠分子間范德瓦爾斯力產(chǎn)生的吸附）作用下，蒸氣分子就吸附在基片表面上。當(dāng)基片表面溫度低于某一臨界溫度，則蒸氣發(fā)分子在其表面發(fā)生凝結(jié)，即核化過程，形成“晶核”。當(dāng)蒸氣分子入射到基片上密度大時，晶核形成容易

3、，相應(yīng)成核數(shù)目也就增多。在成膜過程繼續(xù)進行中，晶核逐漸長大，而成核數(shù)目卻并不顯著增多。由于（1）后續(xù)分子直接入射到晶核上；（2）已吸收分子和小晶核移徒到一起形成晶粒；（3）兩個晶核長大到互相接觸合并成晶粒等三個因素，使晶粒不斷長大結(jié)合。構(gòu)成一層網(wǎng)膜。當(dāng)它的平均厚度增加到一定厚度后，在基片表面緊密結(jié)合而沉積成一層連續(xù)性薄膜。關(guān)鍵條件：在一定的溫度的情況下，處于液態(tài)或固態(tài)的元素都具有一定的平衡蒸氣壓。因此，當(dāng)環(huán)境中元素的分壓降低到了其平衡蒸氣壓之下時，就會發(fā)生元素的凈蒸發(fā)。由于元素的平衡蒸氣壓隨著溫度的上升增加很快，因而對元素蒸發(fā)速率影響最大的因素是蒸發(fā)源所處的溫度。蒸發(fā)出原子或分子在蒸發(fā)源與基片

4、之間輸運，即這些粒子在環(huán)境氣氛中的飛行過程。飛行過程中與真空室內(nèi)殘余氣體分子發(fā)生碰撞的次數(shù)，取決于蒸發(fā)原子的平均自由程，以及從蒸發(fā)源到基片之間的距離，常稱為源基距當(dāng)這種粒子到達(dá)基片表面時，在基片的表面凝聚、成核，生長，形成連續(xù)的薄膜。沉積物分子在基片表面直接發(fā)生從氣相到固相的轉(zhuǎn)變過程。五、實驗步驟1. 使用準(zhǔn)備1.1. 檢查所有閥門是否處于關(guān)閉狀態(tài)。（包括手動閘板閥，旁抽角閥，放氣閥，進氣閥）1.2. 檢查機柜面板上所有電源是否處于關(guān)閉位置。1.3. 檢查機柜面板上所有功率調(diào)節(jié)旋鈕是否歸零（逆時針扭到頭為0）1.4. 清潔襯底基片和加熱舟。（使用乙醇或丙酮擦拭，再超聲10min。如果表面有氧化

5、層，則先用稀鹽酸或稀硝酸浸泡后再超聲清洗）。并用紅外烘干已經(jīng)清洗干凈的玻璃基片。1.5. 打開進水龍頭，看出水口是否有水流出，并檢查儀器上方各接口是否有水滲出。如果正常，關(guān)閉水龍頭。2. 裝樣2.1. 打開總電源2.2. 打開放氣閥，放氣后，搖動手輪，升起上蓋，再關(guān)閉放氣閥。2.3. 清潔反應(yīng)室。用酒精擦抹整個反應(yīng)室內(nèi)壁，除去表面的污漬。2.4. 取下襯底托盤，用酒精擦抹后裝上經(jīng)過清潔處理的襯底基片，并固定好，再將托盤放回原位。2.5. 在樣品室壁鋪上一層錫箔，并在上下兩個觀察窗和放氣口那里挖出一個小洞。2.6. 按下控制面板上對應(yīng)的檔板閥按鈕，打開蒸發(fā)源上的檔板，安裝樣品舟，將待蒸鍍樣品放置

6、在蒸發(fā)源上。2.7. 按下控制面板上對應(yīng)的檔板閥按鈕，關(guān)閉檔板。2.8. 用萬用表檢查錫箔、樣品室表面與電極是否導(dǎo)通2.9. 搖動手輪，降下上蓋。2.10. 搖動上蓋上的手輪，調(diào)整襯底托盤的高度3. 抽真空3.1. 打開進入龍頭給設(shè)備通水，檢查各回水路是否順暢，并檢查膜厚儀水路。3.2. 打開總電源開關(guān)，檢查三相指示燈是否全亮，如有一燈不亮，說明一相未通，應(yīng)排除故障。3.3. 按下機械泵按鈕，啟動機械泵。3.4. 通過主控制面板，按下“電磁閥”按鈕，打開電磁閥，對分子泵管路進行抽氣。3.5. 打開反應(yīng)側(cè)右側(cè)的旁抽角閥，對真空室抽氣。3.6. 打開復(fù)合真空計，測量系統(tǒng)真空度。3.7. 當(dāng)真空度為

7、5Pa以下時，打開分子泵電源開關(guān)，開啟分子泵。3.8. 當(dāng)分子泵頻率上升超過70Hz時，關(guān)閉CF35角閥。3.9. 打開閘板閥，用分子泵對真空室繼續(xù)抽真空至9×10-4以下，記錄此時的真空度。4. 蒸發(fā)樣品4.1. 按下主控面板上的“基片電源”按鈕，再按下“基片旋轉(zhuǎn)”按鈕，再調(diào)節(jié)“速度調(diào)節(jié)”旋鈕，控制襯底托盤的旋轉(zhuǎn)速度，可能過觀察窗目測襯底托盤的轉(zhuǎn)速。一般將旋鈕扭到一半，設(shè)定為15-20轉(zhuǎn)/min。4.2. 按下樣品加熱電源面板上的“溫控表”按鈕，打開溫控表，再按溫控表表頭上的“”“”按鈕設(shè)定加熱溫度，設(shè)定后按下“ENT”鍵確定。再按面板右側(cè)的“加熱開”按鈕即可開啟襯底加熱電源。4.

8、3. 啟動蒸發(fā)源電源，設(shè)定加熱溫度和升溫速率。金屬蒸發(fā)源：先按下金屬蒸發(fā)電源面板上 對應(yīng)的金屬加熱電極1（或加熱電極2）的 “開啟”按鈕（綠色），再旋轉(zhuǎn)“功率調(diào)節(jié)”旋鈕，調(diào)節(jié)加熱速率。注意加熱時應(yīng)緩慢增加加熱電流，不能一下子將加熱電流調(diào)至最大。有機蒸發(fā)源：先按下有機蒸發(fā)電源面板上 對應(yīng)的有機加熱電極1（或加熱電極2）的 “溫控表”按鈕（紅色），再通過上方溫控表表頭上的“”“”按鈕設(shè)定加熱溫度，設(shè)定后按下“ENT”鍵確定，再按“開啟”按鈕（綠色），即可進行加熱。4.4. 當(dāng)溫度或電流達(dá)到實驗設(shè)定值時，通過觀察窗觀察蒸發(fā)源，看樣品是否全部蒸發(fā)或是無變化，再調(diào)節(jié)電流或溫度。（記錄加熱電流和電壓）4.

9、5. 根據(jù)實驗需要，通過主控面板上的檔板閥按鈕，對不同蒸發(fā)電極進行遮擋或者打開。4.6. 達(dá)到蒸發(fā)溫度后，旋轉(zhuǎn)上蓋襯底托盤的檔板旋鈕，打開襯底檔板，進行蒸發(fā)鍍膜，開始計時。4.7. 通過觀察窗觀察鍍膜效果。達(dá)到設(shè)定時間或是觀測結(jié)果達(dá)到要求后，鍍膜完成。5. 關(guān)機取樣5.1. 鍍膜蒸發(fā)完成后，關(guān)閉襯底檔板，關(guān)閉蒸發(fā)源電源，并將所有功率調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)零。5.2. 關(guān)閉閘板閥，關(guān)閉分子泵。5.3. 關(guān)閉電磁檔板閥。5.4. 打開角閥，使用機械泵對真空室進行抽氣5.5. 待反應(yīng)室冷卻后關(guān)水。5.6. 關(guān)閉機械泵，放氣，打開上蓋。5.7. 取出樣品托盤，小心拿下襯底。6. 清潔樣品室6.1. 取出錫箔6.2

10、. 用板手扭開蒸發(fā)源電極上的螺母，取下樣品舟6.3. 選擇合適的方式對整個反應(yīng)室，蒸發(fā)源電極，樣品托盤等進行清潔處理。6.4. 清潔后裝上樣品托盤，裝好電極6.5. 放下上蓋，用機械泵對反應(yīng)室抽真空。6.6. 當(dāng)真空度達(dá)到10Pa以下時，關(guān)閉機械泵。6.7. 關(guān)閉控制面板上的控制電源。拉下墻上電源插頭的空氣開關(guān)。實驗二：四探針法測試半導(dǎo)體的電阻率一、 實驗?zāi)康?掌握方塊電阻的概念和意義；2掌握四探針法測量方塊電阻的原理；3學(xué)會操作四探針測試儀。二、 實驗原理1方塊電阻對任意一塊均勻的薄層半導(dǎo)體，厚W，寬h，長L。圖1 薄層半導(dǎo)體示意圖如果電流沿著垂直于寬和厚的方向，則電阻為，當(dāng)時，表面成方塊，

11、它的電阻稱為方塊電阻，記為， （1）式中的方塊電阻與電阻層厚度h和電阻率有關(guān)，但與方塊大小無關(guān)，這樣得到 （2）對于一擴散層，結(jié)深為，寬h，長L，則。定義Lh時，為擴散層的方塊電阻， (3) 這里的、均為平均電阻率和平均電導(dǎo)率。若原襯底的雜質(zhì)濃度為，擴散層雜質(zhì)濃度分布為，則有效雜質(zhì)濃度分布為。在處，。又假定雜質(zhì)全部電離，則載流子濃度也是。則擴散層的電導(dǎo)率分布為，對結(jié)深的方向進行積分求平均，可得到。 （4） 若為常數(shù)，由（3）式，有。其中表示擴散層的有效雜質(zhì)總量。當(dāng)襯底的原有雜質(zhì)濃度很低時，有，則（單位面積的擴散雜志總量）因此有。2四探針法測擴散層的方塊電阻將四根排成一條直線的探針以一定的壓力垂

12、直地壓在被測樣品表面上，在1、4探針間通過電流I（mA），2、3探針間就產(chǎn)生一定的電壓V(mV)。（如圖） 圖2 直線四探針法測試原理圖 材料電阻率 (.cm) (5)式中C為探針修正系數(shù)，由探針的間距決定。當(dāng)試樣電阻率分布均勻，試樣尺寸滿足半無窮大條件時 C=(cm)(6)式中：S1，S2，S3 分別為探針對1與2，2與3，3與4之間的距離，探頭系數(shù)由制造廠對探針間距進行測定后確定，并提供給用戶。每個探頭都有自已的系數(shù)。 C6.28±0.05, 單位為cm （7）（a）塊狀或棒狀樣品體電阻率測量：由於塊狀或棒狀樣品外形尺寸遠(yuǎn)大於探針間距，符合半無窮大的邊界條件，電阻率值可直接由（5

13、）式求出。（b）薄片電阻率測量：薄片樣品因為其厚度與探針間距相近，不符合半遠(yuǎn)窮大邊界條件，測量時要附加樣品的厚度，形狀和測量位置的修正系數(shù)。 其電阻率值可由下面公式得出= = （8）式中0為塊狀體電阻率測量值。樣品厚度修正系數(shù)，可由附錄1A或附錄1B查得。W：樣品厚度（m）;S探針間距（mm）為樣品形狀與測量位置的修正函數(shù)可由附錄查得。d為樣品的寬度或長度。當(dāng)圓形硅片的厚度滿足 <0.5條件時，電阻率為=0 (9)式中n2為的自然對數(shù)。當(dāng)忽略探針幾何修正系數(shù)時，即認(rèn)為時， (10)(c)擴散層的方塊電阻測量當(dāng)半導(dǎo)體薄層尺寸滿足于半無窮大平面條件時: (11) 儀器主體部分由單片計算機,

14、液晶顯示器、鍵盤、高靈敏度，高輸入阻抗的方大器、雙積分式A/D變換器、恒流源、，開關(guān)電源，DC-DC變換隔離電源。電動，手動或手持式四探針測試架（頭）等組成。三、 SZT2A型四探針測試儀的使用面板介紹： L： 主機數(shù)字及狀態(tài)顯示器本儀器適配三種測試架（電動，手動，手持測試頭），還可使用帶有四個夾子的，四線法電阻測試輸入插頭，這四種輸入插頭雖然外形相同，使用同一個輸入插座，但使用方法略有不同，以下將分別于以說明。1主機；面板：面板左側(cè)為液晶顯示器，顯示器的第一行顯示測量結(jié)果，阻單位（K，m）和測量方式的符號（“-cm” 電阻率,“ -口” 方塊電阻，“”電阻）- 在正常測量時第二行將以較小的字

15、號顯示和第一行相同的數(shù)值，只有在超程時第一行顯示四個橫杠（- - - -），第二行則顯示一個正在使用的測量方式可以顯示的最大數(shù)值，例如電阻率測量可以顯示的最大值為1256，方塊電阻可以顯示的最大值為9060，而電阻測量則可以顯示的最大顯示值為1999，（以上所示的值中小數(shù)點和單位均視測量當(dāng)時所設(shè)量程而定，這里不作詳述）。面板右側(cè)為指示燈和鍵盤，第一行5個指示燈分別指示當(dāng)前恒流源的工作狀態(tài)，這5個指示燈在任何情況下只有燈亮，如左起第一個燈亮則代表目前恒流源正在可以輸出100mA恒定電流的工作狀態(tài)。從左到右的5個指示燈分別指示了恒流源的“100mA”，“10mA”，“1mA”,“100A”,“10

16、A” 5個工作狀態(tài)。第二行三個指示燈，自左至右指示了三個電壓量程（2V，200mV,20mV）。第三行三個指示燈，自左至右為測量方式指示（電阻率，方塊電阻，電阻）。指示燈下面為二行三列功能設(shè)置鍵，上面一行為左移鍵，第二行為右移鍵，左起第一列為恒流源設(shè)置鍵，第二列為測量方式設(shè)置鍵，第三列為電壓量程設(shè)置鍵，最下面一個鍵為往復(fù)鍵，重復(fù)按鍵可以選擇測量或保持二個狀態(tài)，（必須注意！當(dāng)使用電動測試架時，只能設(shè)定在測量狀態(tài)）。后側(cè)板：后側(cè)板的左側(cè)裝有帶保險絲的電源插座和電源開關(guān)，右側(cè)為七芯信號輸入插座和RS232的九針插頭座。2測試架；A 電動測試架；電動測試架是一個完整的組件，本身帶有開關(guān)電源，和步進電機

17、驅(qū)動電路，交流電源插頭，九芯插頭座和七芯輸入插頭，開關(guān)電源的+5V電源電壓和七芯插頭均通過一個九針插頭和測試 架連接，所以在使用前首先將它插入測試架上的九針座上，七芯輸入插頭插入主機后側(cè)板上的輸入插座中。接通主機和測試架的220V交流電源，測試架的探頭就會復(fù)位，上升到規(guī)定位置。主機在接通電源后，首先運行自檢程序，液晶顯示器顯示公司名稱，網(wǎng)址，聯(lián)系電話，同時指示燈循環(huán)點亮一次，最后電流指燈停在1mA位置上，電指示燈停在2V位置，測量模式指示燈停在電阻率測量模式，測量/保持鍵則選在測量位置，液晶顯示器顯示單位為K-cm，（電阻率測量）液晶顯示器的最下面一行顯示的0.628是探頭的修正系數(shù)。這是儀器

18、在開機后的優(yōu)先先選擇。此時液晶顯示器的第一行還沒有顯示任何數(shù)值，因為現(xiàn)在測量還沒有開始，接下來可以將被測半導(dǎo)體材料放在測試架的園形絕緣板的園心上，把探針保護套取下并保存好，按一下測試架上的啟動按鍵（小紅鍵），隨即測試頭下降探針和被測工件接觸稍后顯示測量結(jié)果，測試頭上升。如果測量結(jié)果顯示“- - - -”則為超量程，可以減小恒流源的設(shè)置值或升高電壓量程，如果電壓量程置于最高，恒流電流置于最小，仍顯示超量程則可能是被測工件電阻太大，已超出了本儀器的測量范圍，當(dāng)測量的結(jié)果為0則可以增大恒流電流或減小電壓量程，調(diào)整電流或電壓量程，直至測量結(jié)果可以顯示三位以上的讀數(shù)為最好的量程組合。在選擇量程時必須注意

19、的是，如已知被測工件是半導(dǎo)體并且阻值大于10時，不要使用10mA以上的恒流源，原因是10mA以上的恒流源使用較低的工作電壓，而半導(dǎo)體材料表面的接觸電阻又較大，會使恒流源工作不正常。B 手動測試架手持測試頭，四端子電阻測試夾使用比較簡單，只要將七芯輸入插頭插入輸入端，儀器就會連續(xù)測量，將探針和工件良好接觸，就可在顯示器上讀出測量結(jié)果。四、 實驗內(nèi)容及步驟(1) 開啟四探針測量儀電源，預(yù)熱15分鐘。(2) 摘掉四探針的小帽，放置樣品；在四探針測量儀上設(shè)置量程。估計所測樣品的電阻率或方塊電阻或電阻的范圍，按下表選擇電流量程，如無法估計時 ，一般先選擇0.1mA量程進行測試，再估計。（注意：厚度已知的

20、樣品可選擇電阻率一檔測試，厚度很薄或未知可選擇測量方塊電阻，手動測試架選電阻一檔）(3) 按下樣品臺旁邊的小紅點，四探針自動下降至樣品表面，接觸樣品接通電流后，四探針自動上升至初始位置。從四探針測量儀的顯示器上讀出電流數(shù)值，則表明接觸良好。（注意：如果樣品電阻太高，則由于沒有接通電流而使四探針一直往下壓樣品，這時請立即把通信串口線拔掉，以免壓壞樣品，然后再插上，四探針將自動回到初始位置。）(4) 使用不同量程對樣品進行測試，以可以測量的最小量程測得的結(jié)果為準(zhǔn)。同一位置，同一條件可進行多次測量，取其平均值。組號 123平均值電阻率（/cm）5.25.55.3 5.33附錄：測量時，預(yù)估的樣品阻值

21、范圍應(yīng)該選擇相對應(yīng)的電流范圍，關(guān)系如下表：電阻率范圍（cm）電流檔0.012 100 mA 0.0080.6 10 mA 0.460 1 mA 401200 100 uA 800 10 uA實驗三：薄膜透光率的測量一、實驗?zāi)康腎TO薄膜透射率的測量二、實驗儀器 紫外-可見分光光度計三、實驗原理透光率是衡量一種物體透射光通量的尺度。1933年，國際照明委員會對透光率作了明確的定義：透過率是透過物體的光通量和射到物體的光通量之比，即式中：T總透過率；光通量之比；0射到物體上的光能量，流 (明)；透過物體的光能量；IA光源的分譜輻射強度，瓦每球面度；V明視覺相對光譜靈敏度(或視見函數(shù))； 單色光透過率；d波長間隔，納米ITO透明導(dǎo)電薄膜不僅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性而且具有優(yōu)良的可見光透明性. 其對可見光的透過率高達(dá)95%以上對紫外線的吸收率85%, 對紅外線的反射率70 %, 對微波的衰減率85%四、實驗步驟a儀器校準(zhǔn)：開啟電源進行預(yù)熱，兩窗口顯示二小