Н. И. Лобачевского Физический факультет Кафедра физики полупроводников и оптоэлектроники «утверждаю» Декан физического факультета ннгу д ф. м н., профессор Е. В. Чупрунов учебная программа
| Вид материала | Программа |
- Н. И. Лобачевского «утверждаю» Декан радиофизического факультета профессор С. Н. Гурбатов, 122.7kb.
- Н. И. Лобачевского «утверждаю» Декан вш опф профессор А. Г. Литвак учебная программа, 143.42kb.
- Н. Г. Чернышевского Физический факультет утверждаю проректор по учебно-методической, 191.56kb.
- Инженерно- физический факультет высоких технологий Инженерно-физический факультет высоких, 561.11kb.
- Председатель Ученого Совета, декан факультета международных отношений д и. н., профессор, 106.17kb.
- Председатель Ученого Совета, декан факультета международных отношений д и. н., профессор, 95.57kb.
- Председатель Ученого Совета, декан факультета международных отношений д и. н., профессор, 250.3kb.
- Председатель Ученого Совета, декан факультета международных отношений д и. н., профессор, 91.58kb.
- Кемеровский Государственный Университет Химический факультет утверждаю декан химического, 314.61kb.
- Программу составил профессор, д ф. м н. В. Д. Кулаковский Аннотация, 94.53kb.
Министерство образования Российской Федерации
Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
Физический факультет
Кафедра физики полупроводников и оптоэлектроники
«УТВЕРЖДАЮ»
Декан физического факультета ННГУ
д.ф.-м.н., профессор
________________________ Е.В. Чупрунов
УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
по специальному курсу
«ДИАГНОСТИКА СОСТАВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ И
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР»
Направления: 510.400 "Физика"
550.700 "Электроника и микроэлектроника"
Специальности:
200.100 "Материалы и компоненты твердотельной электроники"
200.200 "Микроэлектроника и полупроводниковые приборы"
| Курс: | 5 | Программа составлена доцентом кафедры физики полупроводников и оптоэлектроники физического факультета ННГУ __________________ д.х.н., профессором Г.А. Максимовым |
| Семестр: | 9 | |
| Лекции: | 36 час. | |
| Лаб. практикум: | 18 час. | |
| Зачет: | | |
| Экзамен: | 1 | |
| | | Программа утверждена на заседании кафедры физики полупроводников и оптоэлектроники __________________________2000 года |
| | | Заведующий кафедрой физики полупроводников и оптоэлектроники, профессор, д.ф.-м.н. ________________________ А.Ф. Хохлов |
Нижний Новгород, 1999 г.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСА
«ДИАГНОСТИКА СОСТАВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ И
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР»
1. УЧЕБНЫЕ ЦЕЛИ КУРСА
Разработка новых полупроводниковых материалов и полупроводниковых структур, создание на их основе приборов микро- и наноэлектроники с заданными характеристиками не возможно без надежного контроля состава этих объектов на каждом этапе процесса их изготовления.
Цель курса состоит в изучении основ спектроскопических методов диагностики состава вещества и формировании у студентов комплекса знании, необходимых для решения задач диагностики состава полу проводников, полупроводниковых структур и технологических сред, используемых при создании материалов и приборов электронной техники.
1. УЧЕБНЫЕ ЗАДАЧИ КУРСА
Изучение курса включает освоение студентами:
- основных задач диагностики состава;
- физических основ методов спектроскопии электромагнитных излучений и спектрометрии заряженных частиц, используемых для диагностики состава;
- основных аналитических характеристик методов, применения математической статистики для обработки результатов определения и описания метрологических характеристик методов и методик диагностики состава;
- способов определения общего содержания примесей в твердых веществах, послойного и локального анализа полупроводниковых структур, методов диагностики электрически активных примесей в полупроводниках, молекулярных и элементных форм примесей в технологических средах (высокочистые летучие вещества).
В курсе демонстрируется единство методических подходов для различных способов диагностики состава и общность методов математической обработки результатов определения.
3. ДИСЦИПЛИНЫ, ИЗУЧЕНИЕ КОТОРЫХ НЕОБХОДИМО ДДЯ УСВОЕНИЯ КУРСА.
Изучение дисциплины базируемся на курсах "Общая физика", "Теория вероятностей и математическая статистика", "Физика твердого тела", "Физика полупроводников".
СОДЕРДЖАНИЕ КУРСА
«ДИАГНОСТИКА СОСТАВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ И
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР»
(Наименование тем и их содержание)
1. ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ДИАГНОСТИКИ СОСТАВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ
- Простые и сложные полупроводники, полупроводниковые структуры- проблемы получения и диагностики состава (анализа).
- Влияние макросостава на свойства сложных полупроводников.
- Примеси, политропия примесей в полупроводниках; примесно-чувствителыные свойства.
- Основные единицы измерения содержание компонентов.
- Качественный и количественный анализ:
- Элементным и молекулярный анализ. Определение примесей и основных компонентов.
- Элементным и молекулярный анализ. Определение примесей и основных компонентов.
1.5.2. Определение среднего содержания примесей, послойный и локальный анализ.
1.5.3. Определение общего содержания примесей в полупроводнике и диагностика электроактивных примесей.
1.5.4. Задачи анализа технологических сред, используемых в производстве полупроводников.
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ СОСТАВА.
2.1. Спектроскопия электромагнитных излучений:
2.1.1. Характеристические спектры эмиссии, абсорбции и флюоресценции.
2.1.2. Основы методов лазерной спектроскопии.
2.1.3. ИК-спектроскопия; спектральная зависимость поглощения излечения полупроводником.
2.1.4. Общие принципы устройства оптических спектрометров; диспергирующие и недиспергирующие спектрометры; основные характеристики спектрометров.
2.2. Спектроскопия заряженных частиц; характеристические спектры ионов и электронов.
2.2.1. Эффекты взаимодействия излучения с твердым телом, приводящие к эмиссии ионов (вторично-ионная эмиссия, лазерное распыление, искровой разряд, тлеющий разряд) и электронов (электронные оже-спекгры, спектры характеристических потерь энергии электронов, рентгеновские фотоэлектронные спектры).
2.2.2. Принципы устройства спектрометров заряженных частиц; масс-спектрометры, электронные спектрометры; их основные характеристики.
2.3. Основы спектроскопии ядерных частиц. Нейтронная активация, активация ускоренными ионами; -спектрометры. Спектры Резерфордовского рассеяния ускоренных ионов.
3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ СОСТАВА.
3.1. Аналитический сигнал, шум, отношение сигнал/шум. Фон, контрольный опыт, градуировочная характеристика, чувствительность.
3.2. Применение математической статистики в анализе вещества. Выборочная и генеральная совокупность. Законы распределения случайной величины. Генеральные и выборочные среднее, дисперсия. Доверительная вероятность. Статистическая проверка гипотез, оценка качества результатов анализа.
3.3. Метрологические характеристики. Предел определения и обнаружения примесей; абсолютный и относительный пределы. Случайные погрешности. Воспроизводимость результатов измерений. Систематические погрешности, правильность результатов. Точность определения содержания.
3.4. Количественный анализ. Метод градуировочного графика. Эталоны. Специфика определения метрологических характеристик при диагностике состава полупроводников.
4. ДИАГНОСТИКА СОСТАВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ МЕТОДАМИ ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
4.1. Методы диагностики общего содержания примесей.
4.1.1. Методы атомно-эмиссионного и -абсорбционного спектрального анализа. Определение среднего содержания примесей. Возбуждение спектров эмиссии и абсорбции: дуга постоянного тока, полый катод, индуктивно связанная плазма. Атомизаторы. Спектрограф и спектрофотометр; регистрация спектров. Характеристики методов. Концентрирование примесей. Методики анализа полупроводников (Si, Ge, GaAs) и технологических сред (гидриды и металлоорганические соединения элементов III-V групп Периодической системы). Методика анализа полупроводниковых слоев.
4.1.2. Лазерная спектроскопия атомов. Перестраиваемые лазеры. Лазерная ступенчатая фотоионизация атомов. Способы атомизации пробы. Лазерный атомно-ионизационный спектрометр. Возможности метода для анализа полупроводников. Флуоресценция атомов под действием лазерного излучения. Лазерный флуоресцентный спектрометр. Возможности метода для анализа материалов электронной техники. Возможности локального анализа полупроводников методами лазерной спектроскопии с использованием магнетронного и вторично-ионного распыления пробы.
4.1.3. Рентгеновский микроанализ с электронно-зондовым возбуждением. Принцип метода. Электронно-зондовые рентгеновские микроанализаторы. Характеристики метода для локального анализа полупроводников. Рентгеноспектральный микроанализ полупроводниковых гетероструктур.
4.1.4. Определение содержания газообразующих примесей (кислород, азот, углерод) в полупроводниках (кремнии, германии, арсенид галлия) методом абсорбционной ИК-спектроскопии.
4.2. Диагностика электроактивных компонентов методами оптической спектроскопии.
4.2.1. Абсорбционная спектроскопия полупроводников в дальней ИК-области. Основы метода. ИК-спектрометры. Возможности метода для анализа высокочистых монокристаллов кремния, германия и арсенида галлия.
4.2.2. Фототермоионизационная спектроскопия полупроводников в дальней ИК-области. Основы метода. Фотоэлектрические ИК-спектрометры. Аналитические возможности метода, определение предельно низких концентраций мелких примесей в Si, Ge, GaAs. Возможности метода для определения глубоких примесей и примесных комплексов.
4.2.3. Флуоресценция при рекомбинации экситон-примесных комплексов. Основы метода. Количественный анализ кремния.
4.3. Диагностика молекулярного состава технологических сред (летучие гидриды, хлориды, металлоорганические соединения, постоянные газы).
4.3.1. Абсорбционные спектры молекул в инфракрасном и субмиллиметровом диапазоне, колебательные и вращательные спектры. Законы поглощения света Бугера-Ламберта-Бера. Принципы построения спектрометров: источники, оптические системы, приемники излучения.
4.3.2. Методики молекулярного анализа летучих высокочистых веществ, используемых в производстве полупроводников. Характеристики методов молекулярного анализа.
5. ДИАГНОСТИКА СОСТАВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР МЕТОДАМИ СПЕКТРОСКОПИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ.
5.1. Масс-спектроскопия.
5.1.1. Лазерные и искровые источники ионов. Источники ионов на основе вторично-ионной эмиссии и тлеющего разряда. Ионный и лазерный микрозонды.
5.1.2. Статические и динамические масс-анализаторы. Регистрация ионов. Структура масс-спектров.
5.1.3. Способы локального и послойного масс-спектрометрического анализа полупроводников и полупроводниковых структур. Исследование процессов на поверхности полупроводников.
5.1.4. Характеристики и аналитические возможности лазерной и вторично-ионной масс-спектрометрии.
5.2. Электронная спектроскопия. Применение электронной спектроскопии для изучения поверхности твердых тел.
5.2.1. Конструкция электронных спектрометров.
5.2.2. Методы электронной спектроскопии: оже-спектроскопия, фотоэмиссионная спектроскопия (ЭСХА), электронная спектроскопия характеристических потерь энергии.
5.2.3. Проблемы количественною анализа. Характеристики и возможности электронной спектроскопии для диагностики состава поверхности, приповерхностных слоев, пословного и локального анализа полупроводников и полупроводниковых структур.
6. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОВРЕМЕННЫХ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ СОСТАВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР.
ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ
- К 1-му разделу курса:
1. Примеси в полупроводниках. Примесно-чувствительные свойства.
2. Основные единицы измерения содержания компонентов.
3. Качественный и количественный анализ. Понятие о методе и методике анализа.
- К 2-му разделу курса:
1. Физические основы аналитической спектроскопии электромагнитных излучений; характеристические спектре эмиссии, абсорбции и флуоресценции.
2. Лазерная ступенчатая фотоионизация атомов; основы метода.
3. Основы метода лазерной флуоресцентной спектроскопии.
4. Спектральная зависимость поглощения ИК-излучения полупроводником.
5. Общие принципы устройства оптических спектрометров. Характеристики спектрометров.
6. Аналитическая спектроскопия заряженных частиц; характеристические спектры ионов и электронов.
7. Принципы устройства спектрометров заряженных частиц; масс-спекртрометры, электронные спектрометры.
8. Применение нейтронной активации для диагностики состава. γ-спектрометры.
- К 3-му разделу курса:
1. Аналитический сигнал, шум, фон; контрольный опыт.
2. Генеральная и выборочная совокупность. Использование распределения Стьюдента для обработки результатов анализа.
3. Доверительный интервал и доверительная вероятность. Погрешность измерений точность анализа.
4. Воспроизводимосгь и правильность результатов анализа.
5. Проверка гипотезы равноточности результатов определения Критерии Фишера, Бартлета, Кокрена.
6. Способы статистической оценки предела обнаружения и предела определения примесей. Абсолютный м относительный пределы обнаружения метода анализа.
7. Количественный анализ, метод градуировочного графика, метод эталонов.
- К 4-му разделу курса:
1. Атомно-абсорбционный анализ. Методики анализа германия.
2. Атомно-эмиссионный анализ. Методики анализа кремния.
3. Лазерный атомно-ионизационный анализ полупроводников.
4. Рентгеновский микроанализ с электронно-зондовым возбуждением. Локальный анализ полупроводниковых структур.
5. Определение газообразующих примесей методом абсорбционной ИК-спектроскопии. Методика определения углерода в кремнии.
6. Аналитические возможности фототермоионизационной и абсорбционной ИК-спектроскопии полупроводников.
7. Определение электроактивных примесей в кремнии по флуоресценции экситон-примесных компонентов.
8. Лазерная абсорбционная ИК-спектроскопия для молекулярного анализа технологических газов. Характеристики методик молекулярного анализа высокочистых газов.
- К 5-му разделу курса:
1. Аналогические возможности лазерной и вторично-ионной масс-спектрометрии. Локальный и послойный анализ полупроводниковых структур.
2. Характеристики методов оже-электронной и рентгено-электронной (ЭСХА) спектроскопии дли диагностики поверхности и послойного анализа полупроводниковых структур.
3. Способы количественного анализа методом вторично-ионной масс-спектрометрии. Стандартные образцы состава.
4. Количественный анализ полупроводников методом оже-спектроскопии. Метод коэффициентов относительной чувствительности.
- К 6-му разделу курса:
Сопоставление предела обнаружения, относительного стандартного отклонения, круга определяемых примесей, ограничений методов диагностики состава полупроводников.
ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
Определение примеси кислорода в высокочистом кремнии методом абсорбционной ИК-спектроскопии. /Описание лабораторной работы/ Составители Г.А. Максимов, В.Б. Иконников. Н.Новгород, ННГУ, 1993 г. – 11 с.
ЛИТЕРАТУРА ПО КУРСУ
«ДИАГНОСТИКА СОСТАВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ И
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР»
ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА
- Спектроскопические методы определения следов элементов. Под ред. Дж. Вайнфорднера, М., Мир, 1979.
- Нефедов В.Н., Черепин В.Т.Физические методы исследования поверхности твердых тел. М., Наука, 1983.
- Гимельфарб Ф.А. Рентгеноспектральный микроанализ слоистых материалов. М., Металлургия, 1986.
4. Лазерная аналитическая спектроскопия. Под ред. Лехотова В.С., М., Наука, 1986.
5. Налимов В.В. Применение математической статистики при анализе вещества. М., Физматгиз, 1960.
6. Лифшиц Т.М. Фототермоионизационная спектроскопия примесей в полупроводниках// Приборы и техника эксперимента, 1993, № 1, с. 10-64.
7. Применение электронной спектроскопии для анализа поверхности. Под ред. Ибаха, Рига, Зинатне, 1980.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
- Методы анализа высокочистых веществ. Под ред. Карпова Ю.А. М., Наука, 1987.
- Алексеев Р.Н., Коровин Ю.Н. Руководство по вычислению и обработке результатов количественного анализа. М., Атомиздат, 1972.
- Шелпакова И.Р., Юдилевич И.Г., Аюпов Б.М. Послойный анализ материалов электронной техники. Новосибирск, Наука, 1984.
Автор _____________ Максимов Г.А.
Зав. кафедрой _______________ Хохлов А.Ф.
Председатель
методкомиссии __________________________