半导体实验分析.docx

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半导体实验分析

《半导体器件物理与工艺》

实验报告

姓名：

李星炜

专业年级：

12级电科<1>班

学号：

3126110018

指导老师：

阮凯斌

时间：

2015年7月10日

实验一：

半导体薄膜材料的制备

一、实验目的：

1、了解真空的获得方法和技术

2、掌握真空蒸发镀膜的方法和原理

3、了解半导体薄膜的制备方法

二、实验内容

采用真空蒸发法制备半导体薄膜

三、实验仪器设备和材料清单

设备：

真空镀膜设备

材料：

无水乙醇，丙酮，玻璃基片等

四、实验原理

真空蒸镀薄膜是在真空条件下，将原材料蒸镀在薄膜基材的表面而形成复合薄膜的一种新工艺。

任何物质在一定温度下，总有一些分子从凝聚态（固态，液态）变成为气态离开物质表面，但固体在常温常压下，这种蒸发量是极微小的。

如果将固体材料置于真空中加热至此材料蒸发温度时，在气化热作用下材料的分子或原子具有足够的热震动能量去克服固体表面原子间的吸引力，并以一定速度逸出变成气态分子或原子向四周迅速蒸发散射。

当真空高度，分子自由程

远大于蒸发器到被镀物的距离d时（一般要求

，材料的蒸汽分子在散射途中才能无阻当地直线达到被镀物和真空室表面。

在化学吸附（化学键力引起的吸附）和物理吸附（靠分子间范德瓦尔斯力产生的吸附）作用下，蒸气分子就吸附在基片表面上。

当基片表面温度低于某一临界温度，则蒸气发分子在其表面发生凝结，即核化过程，形成“晶核”。

当蒸气分子入射到基片上密度大时，晶核形成容易，相应成核数目也就增多。

在成膜过程继续进行中，晶核逐渐长大，而成核数目却并不显著增多。

由于

（1）后续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）两个晶核长大到互相接触合并成晶粒等三个因素，使晶粒不断长大结合。

构成一层网膜。

当它的平均厚度增加到一定厚度后，在基片表面紧密结合而沉积成一层连续性薄膜。

关键条件：

在一定的温度的情况下，处于液态或固态的元素都具有一定的平衡蒸气压。

因此，当环境中元素的分压降低到了其平衡蒸气压之下时，就会发生元素的净蒸发。

由于元素的平衡蒸气压随着温度的上升增加很快，因而对元素蒸发速率影响最大的因素是蒸发源所处的温度。

蒸发出原子或分子在蒸发源与基片之间输运，即这些粒子在环境气氛中的飞行过程。

飞行过程中与真空室内残余气体分子发生碰撞的次数，取决于蒸发原子的平均自由程，以及从蒸发源到基片之间的距离，常称为源—基距

当这种粒子到达基片表面时，在基片的表面凝聚、成核，生长，形成连续的薄膜。

沉积物分子在基片表面直接发生从气相到固相的转变过程。

五、实验步骤

1.使用准备

1.1.检查所有阀门是否处于关闭状态。

（包括手动闸板阀，旁抽角阀，放气阀，进气阀）

1.2.检查机柜面板上所有电源是否处于关闭位置。

1.3.检查机柜面板上所有功率调节旋钮是否归零（逆时针扭到头为0）

1.4.清洁衬底基片和加热舟。

（使用乙醇或丙酮擦拭，再超声10min。

如果表面有氧化层，则先用稀盐酸或稀硝酸浸泡后再超声清洗）。

并用红外烘干已经清洗干净的玻璃基片。

1.5.打开进水龙头，看出水口是否有水流出，并检查仪器上方各接口是否有水渗出。

如果正常，关闭水龙头。

2.装样

2.1.打开总电源

2.2.打开放气阀，放气后，摇动手轮，升起上盖，再关闭放气阀。

2.3.清洁反应室。

用酒精擦抹整个反应室内壁，除去表面的污渍。

2.4.取下衬底托盘，用酒精擦抹后装上经过清洁处理的衬底基片，并固定好，再将托盘放回原位。

2.5.在样品室壁铺上一层锡箔，并在上下两个观察窗和放气口那里挖出一个小洞。

2.6.按下控制面板上对应的档板阀按钮，打开蒸发源上的档板，安装样品舟，将待蒸镀样品放置在蒸发源上。

2.7.按下控制面板上对应的档板阀按钮，关闭档板。

2.8.用万用表检查锡箔、样品室表面与电极是否导通

2.9.摇动手轮，降下上盖。

2.10.摇动上盖上的手轮，调整衬底托盘的高度

3.抽真空

3.1.打开进入龙头给设备通水，检查各回水路是否顺畅，并检查膜厚仪水路。

3.2.打开总电源开关，检查三相指示灯是否全亮，如有一灯不亮，说明一相未通，应排除故障。

3.3.按下机械泵按钮，启动机械泵。

3.4.通过主控制面板，按下“电磁阀”按钮，打开电磁阀，对分子泵管路进行抽气。

3.5.打开反应侧右侧的旁抽角阀，对真空室抽气。

3.6.打开复合真空计，测量系统真空度。

3.7.当真空度为5Pa以下时，打开分子泵电源开关，开启分子泵。

3.8.当分子泵频率上升超过70Hz时，关闭CF35角阀。

3.9.打开闸板阀，用分子泵对真空室继续抽真空至9×10-4以下，记录此时的真空度。

4.蒸发样品

4.1.按下主控面板上的“基片电源”按钮，再按下“基片旋转”按钮，再调节“速度调节”旋钮，控制衬底托盘的旋转速度，可能过观察窗目测衬底托盘的转速。

一般将旋钮扭到一半，设定为15-20转/min。

4.2.按下样品加热电源面板上的“温控表”按钮，打开温控表，再按温控表表头上的“∧”“∨”按钮设定加热温度，设定后按下“ENT”键确定。

再按面板右侧的“加热开”按钮即可开启衬底加热电源。

4.3.启动蒸发源电源，设定加热温度和升温速率。

金属蒸发源：

先按下金属蒸发电源面板上对应的金属加热电极1（或加热电极2）的“开启”按钮（绿色），再旋转“功率调节”旋钮，调节加热速率。

注意加热时应缓慢增加加热电流，不能一下子将加热电流调至最大。

有机蒸发源：

先按下有机蒸发电源面板上对应的有机加热电极1（或加热电极2）的“温控表”按钮（红色），再通过上方温控表表头上的“∧”“∨”按钮设定加热温度，设定后按下“ENT”键确定，再按“开启”按钮（绿色），即可进行加热。

4.4.当温度或电流达到实验设定值时，通过观察窗观察蒸发源，看样品是否全部蒸发或是无变化，再调节电流或温度。

（记录加热电流和电压）

4.5.根据实验需要，通过主控面板上的档板阀按钮，对不同蒸发电极进行遮挡或者打开。

4.6.达到蒸发温度后，旋转上盖衬底托盘的档板旋钮，打开衬底档板，进行蒸发镀膜，开始计时。

4.7.通过观察窗观察镀膜效果。

达到设定时间或是观测结果达到要求后，镀膜完成。

5.关机取样

5.1.镀膜蒸发完成后，关闭衬底档板，关闭蒸发源电源，并将所有功率调节旋钮调零。

5.2.关闭闸板阀，关闭分子泵。

5.3.关闭电磁档板阀。

5.4.打开角阀，使用机械泵对真空室进行抽气

5.5.待反应室冷却后关水。

5.6.关闭机械泵，放气，打开上盖。

5.7.取出样品托盘，小心拿下衬底。

6.清洁样品室

6.1.取出锡箔

6.2.用板手扭开蒸发源电极上的螺母，取下样品舟

6.3.选择合适的方式对整个反应室，蒸发源电极，样品托盘等进行清洁处理。

6.4.清洁后装上样品托盘，装好电极

6.5.放下上盖，用机械泵对反应室抽真空。

6.6.当真空度达到10Pa以下时，关闭机械泵。

6.7.关闭控制面板上的控制电源。

拉下墙上电源插头的空气开关。

实验二：

四探针法测试半导体的电阻率

一、实验目的

1．掌握方块电阻的概念和意义；

2．掌握四探针法测量方块电阻的原理；

3．学会操作四探针测试仪。

二、实验原理

1．方块电阻

对任意一块均匀的薄层半导体，厚W，宽h，长L。

图1薄层半导体示意图

如果电流沿着垂直于宽和厚的方向，则电阻为

，当

时，表面成方块，它的电阻称为方块电阻，记为

，

（1）

式中的方块电阻

与电阻层厚度h和电阻率

有关，但与方块大小无关，这样得到

（2）

对于一扩散层，结深为

，宽h，长L，则

。

定义L＝h时，为扩散层的方块电阻，

（3）

这里的

、

均为平均电阻率和平均电导率。

若原衬底的杂质浓度为

，扩散层杂质浓度分布为

，则有效杂质浓度分布为

。

在

处，

。

又假定杂质全部电离，则载流子浓度也是

。

则扩散层的电导率分布为

，对结深的方向进行积分求平均，可得到

。

（4）

若

为常数，由（3）式，有

。

其中

表示扩散层的有效杂质总量。

当衬底的原有杂质浓度很低时，有

，则

（单位面积的扩散杂志总量）

因此有

。

2．四探针法测扩散层的方块电阻

将四根排成一条直线的探针以一定的压力垂直地压在被测样品表面上，在1、4探针间通过电流I（mA），2、3探针间就产生一定的电压V（mV）。

（如图）

图2直线四探针法测试原理图

材料电阻率

（Ω.cm）（5）

式中C为探针修正系数，由探针的间距决定。

当试样电阻率分布均匀，试样尺寸满足半无穷大条件时

C=

（cm）（6）

式中：

S1，S2，S3分别为探针对1与2，2与3，3与4之间的距离，探头系数由制造厂对探针间距进行测定后确定，并提供给用户。

每个探头都有自已的系数。

C≈6.28±0.05,单位为cm（7）

（a）块状或棒状样品体电阻率测量：

由於块状或棒状样品外形尺寸远大於探针间距，符合半无穷大的边界条件，电阻率值可直接由（5）式求出。

（b）薄片电阻率测量：

薄片样品因为其厚度与探针间距相近，不符合半远穷大边界条件，测量时要附加样品的厚度，形状和测量位置的修正系数。

其电阻率值可由下面公式得出

ρ=

=

（8）

式中ρ0为块状体电阻率测量值。

样品厚度修正系数，可由附录1A或附录1B查得。

W：

样品厚度（μm）;S探针间距（mm）

为样品形状与测量位置的修正函数可由附录查得。

d为样品的宽度或长度。

当圆形硅片的厚度满足

<0.5条件时，电阻率为

ρ=ρ0

（9）

式中Ｌn2为２的自然对数。

当忽略探针几何修正系数时，即认为Ｃ＝２πＳ时，

（10）

（c）扩散层的方块电阻测量

当半导体薄层尺寸满足于半无穷大平面条件时:

（11）

仪器主体部分由单片计算机,液晶显示器、键盘、高灵敏度，高输入阻抗的方大器、双积分式A/D变换器、恒流源、，开关电源，DC-DC变换隔离电源。

电动，手动或手持式四探针测试架（头）等组成。

三、SZT—2A型四探针测试仪的使用

面板介绍：

L：

主机数字及状态显示器

本仪器适配三种测试架（电动，手动，手持测试头），还可使用带有四个夹子的，四线法电阻测试输入插头，这四种输入插头虽然外形相同，使用同一个输入插座，但使用方法略有不同，以下将分别于以说明。

1．主机；

面板：

面板左侧为液晶显示器，显示器的第一行显示测量结果，阻单位（KΩ，Ω，mΩ）和测量方式的符号（“-cm”电阻率,“-口”方块电阻，“—”电阻）-在正常测量时第二行将以较小的字号显示和第一行相同的数值，只有在超程时第一行显示四个横杠（----），第二行则显示一个正在使用的测量方式可以显示的最大数值，例如电阻率测量可以显示的最大值为1256，方块电阻可以显示的最大值为9060，而电阻测量则可以显示的最大显示值为1999，（以上所示的值中小数点和单位均视测量当时所设量程而定，这里不作详述）。

面板右侧为指示灯和键盘，第一行5个指示灯分别指示当前恒流源的工作状态，这5个指示灯在任何情况下只有灯亮，如左起第一个灯亮则代表目前恒流源正在可以输出100mA恒定电流的工作状态。

从左到右的5个指示灯分别指示了恒流源的“100mA”，“10mA”，“1mA”,“100μA”,“10μA”5个工作状态。

第二行三个指示灯，自左至右指示了三个电压量程（2V，200mV,20mV）。

第三行三个指示灯，自左至右为测量方式指示（电阻率，方块电阻，电阻）。

指示灯下面为二行三列功能设置键，上面一行为左移键，第二行为右移键，左起第一列为恒流源设置键，第二列为测量方式设置键，第三列为电压量程设置键，最下面一个键为往复键，重复按键可以选择测量或保持二个状态，（必须注意！

当使用电动测试架时，只能设定在测量状态）。

后侧板：

后侧板的左侧装有带保险丝的电源插座和电源开关，右侧为七芯信号输入插座和RS232的九针插头座。

2．测试架；

A．电动测试架；

电动测试架是一个完整的组件，本身带有开关电源`，和步进电机驱动电路，交流电源插头，九芯插头座和七芯输入插头，开关电源的+5V电源电压和七芯插头均通过一个九针插头和测试架连接，所以在使用前首先将它插入测试架上的九针座上，七芯输入插头插入主机后侧板上的输入插座中。

接通主机和测试架的220V交流电源，测试架的探头就会复位，上升到规定位置。

主机在接通电源后，首先运行自检程序，液晶显示器显示公司名称，网址，联系电话，同时指示灯循环点亮一次，最后电流指灯停在1mA位置上，电指示灯停在2V位置，测量模式指示灯停在电阻率测量模式，测量/保持键则选在测量位置，液晶显示器显示单位为KΩ-cm，（电阻率测量）液晶显示器的最下面一行显示的0.628是探头的修正系数。

这是仪器在开机后的优先先选择。

此时液晶显示器的第一行还没有显示任何数值，因为现在测量还没有开始，接下来可以将被测半导体材料放在测试架的园形绝缘板的园心上，把探针保护套取下并保存好，按一下测试架上的启动按键（小红键），随即测试头下降探针和被测工件接触

稍后显示测量结果，测试头上升。

如果测量结果显示“----”则为超量程，可以减小恒流源的设置值或升高电压量程，如果电压量程置于最高，恒流电流置于最小，仍显示超量程则可能是被测工件电阻太大，已超出了本仪器的测量范围，当测量的结果为0则可以增大恒流电流或减小电压量程，调整电流或电压量程，直至测量结果可以显示三位以上的读数为最好的量程组合。

在选择量程时必须注意的是，如已知被测工件是半导体并且阻值大于10Ω时，不要使用10mA以上的恒流源，原因是10mA以上的恒流源使用较低的工作电压，而半导体材料表面的接触电阻又较大，会使恒流源工作不正常。

B．手动测试架

手持测试头，四端子电阻测试夹使用比较简单，只要将七芯输入插头插入输入端，仪器就会连续测量，将探针和工件良好接触，就可在显示器上读出测量结果。

四、实验内容及步骤

（1）开启四探针测量仪电源，预热15分钟。

（2）摘掉四探针的小帽，放置样品；在四探针测量仪上设置量程。

估计所测样品的电阻率或方块电阻或电阻的范围，按下表选择电流量程，如无法估计时，一般先选择0.1mA量程进行测试，再估计。

（注意：

厚度已知的样品可选择电阻率一档测试，厚度很薄或未知可选择测量方块电阻，手动测试架选电阻一档）

（3）按下样品台旁边的小红点，四探针自动下降至样品表面，接触样品接通电流后，四探针自动上升至初始位置。

从四探针测量仪的显示器上读出电流数值，则表明接触良好。

（注意：

如果样品电阻太高，则由于没有接通电流而使四探针一直往下压样品，这时请立即把通信串口线拔掉，以免压坏样品，然后再插上，四探针将自动回到初始位置。

）

（4）使用不同量程对样品进行测试，以可以测量的最小量程测得的结果为准。

同一位置，同一条件可进行多次测量，取其平均值。

组号

1

2

3

平均值

电阻率（Ω/cm）

5.2

5.5

5.3

5.33

附录：

测量时，预估的样品阻值范围应该选择相对应的电流范围，关系如下表：

电阻率范围（Ω－cm）

　　　　电流档

　　　　＜0.012

100mA

0.008—0.6

10mA

0.4—60

1mA

40—1200

100uA

＞800

10uA

实验三：

薄膜透光率的测量

一、实验目的

ITO薄膜透射率的测量

二、实验仪器

紫外-可见分光光度计

三、实验原理

透光率是衡量一种物体透射光通量的尺度。

1933年，国际照明委员会对透光率作了明确的定义：

透过率是透过物体的光通量和射到物体的光通量之比，即

式中：

T—总透过率；光通量之比；

Φ0—射到物体上的光能量，流（明）；

Φ—透过物体的光能量；

Iλ—A光源的分谱辐射强度，瓦每球面度；

Vλ—明视觉相对光谱灵敏度（或视见函数）；

τλ—单色光透过率；

dλ—波长间隔，纳米

ITO透明导电薄膜不仅具有优良的导电性而且具有优良的可见光透明性.其对可见光的透过率高达95%以上对紫外线的吸收率≥85%,对红外线的反射率≥70%,对微波的衰减率≥85%

四、实验步骤

a．仪器校准：

开启电源进行预热，两窗口显示二小数点，准备指示灯指示黄光，不久指示灯变绿光，左边读数窗出现“P”，右边出现“H”，并发出呼叫声。

此时在空白样品的情况下按测试开关，仪器将显示“P100.00”、“H0.00”，如不显示“P100.00”、“H0.00”即P＜100.00、H＞0.00，说明光源预热不够，可重关电源后再开机，重复至在“P100.00”、“H0.00”下仪器预热稳定数分钟，按“TEST”开关。

b．实验步骤：

在仪器校准后，装上样品，按测试钮，指示灯转为红光，不久就在显示屏上显示出透光率数值，记录该测试数据。

需要进行复测时，可不拿下样品，重按测试钮可得到多次测数，然后取其算术平均值作测量结果，以提高测量准确度；将测得的数据保存为txt文件，然后用origin软件绘出其图像。

五、实验数据记录与处理

通过origin软件生成如下图形：

上图中，横轴为波长数值（单位：

nm），纵轴为透射率值（单位：

%）

由上图的曲线变动可知，可分为以下几个阶段的波长与透射率的变化：

（1）在200-300nm期间，透射率一直保持在一个几乎不变的水平，大致在1%；

（2）在300nm-380nm期间透射率开始变化，大约从透射度1%变化到6%；

（3）在接近380nm的阶段开始大幅上升，大幅上升区间大概在380-400nm，大幅上升大约在20nm的范围区间从6%大幅上升到透射率大约为60%；

（4）400nm开始上升幅度变小，大约从透射度60%到80%变化；

（5）在波长500nm-950nm左右区间，透射率开始出现小幅的波动，波动的平均值大约在80%左右。

利用公式

可画出吸收系数的平方和光子能量的关系曲线，外推曲线的直线部分和横轴的交点即为禁带宽度，得其禁带宽度为3.65ev。