Электронное учебно-методическое пособие по учебной дисциплине Материаловедение для учащихся специальности 2-41 01 31 Микроэлектроника

4 Теоретическая часть

Свойства полупроводниковых приборов зависят как от чистоты используе-

мых материалов, так и от их кристаллической структуры и дефектности.

Совершенство структуры реальных кристаллов нарушается присутствием различных дефектов: нуль-мерных или точечных дефектов (вакансии, атомы в междоузлиях; сочетание этих дефектов - двойные вакансии, скопления); одномерных

или линейных дефектов (дислокации); двумерных или поверхностных дефектов

(границы зёрен, границы двойников, дефекты упаковки, поверхность кристалла);

трёхмерных или объёмных дефектов (пустоты, включения второй фазы).

Тип и количество дефектов, присутствующих в данном кристалле, зависят от условий кристаллизации. Дислокационные ямки травления могут располагаться на поверхности шлифа равномерно или, образуя макрофигуры, в виде концентрических колец, звёзд или иных форм. Наличие дефектов структуры в кристаллах может непо-

средственно отражаться на свойствах р-n-переходов вследствие неоднородности рас-

пределения и диффузии легирующих примесей в дефектных областях решётки.

Для изучения микроструктуры твёрдых тел в настоящее время широко ис-

пользуется электронная микроскопия, электронография, рентгеноструктурный ана-

лиз и металлография.

Рисунок 1 – Наиболее важные кристаллографические плоскости и направления для кубической решетки

Для проведения микроанализа необходимо приготовить и протравить шлиф.

211

Приготовление шлифа состоит из следующих операций: вырезание из слитка пласти-

ны с определённой кристаллографической ориентацией; механическая шлифовка; хи-

мическая полировка; химическое селективное травление. Пластины отрезают от слитка толщиной от 1 до 3 мм с кристаллографической ориентацией поверхности

(111). Механическую шлифовку для удаления поверхностных неровностей, царапин и других повреждений, оставшихся после резки, производят при помощи абразивных порошков корунда или карбида бора, начиная с крупнозернистых (от 40 до 50 мкм), и

последовательно переходят к тонким порошкам (от 10 до 20 мкм). После шлифовки пластину промывают водой и протирают спиртом.

Деформированный поверхностный слой кристалла толщиной от 10 до 15 мкм удаляют при помощи химической полировки полирующим травителем.

Рисунок 2 – Фигуры травления для плоскостей (111) , (100), (110)

Для выявления дислокации и других дефектов на химически полированной поверхности проводят операцию селективного травления. Снижение температуры травления, а так же введение в состав травителей разбавителей (вода, уксусная кис-

лота) и ингибиторов (соли, переходных металлов, органических реагентов) способ-

ствуют переходу от режима химического полирования к селективному выявлению дефектов на исследуемой поверхности кристалла.

Микроструктурой называют строение материалов, наблюдаемое при увели-

чении от 50 до 2000 раз.

212

ние до появления в окуляре структуры поверхности. Держа правой рукой макровинт, левой стопорят его. Точное фокусирование проводят вращением микровинта. Перемещая предметный столик в горизонтальной плоскости в двух взаимно перпен-дикулярных направ-

лениях, с помощью винтов просматривают всю поверхность шлифа, выбирая характерные ее участки.

Определение плотности дислокаций в кристалле. При травлении кристал-

лов селективным травителем в местах выхода дислокаций на поверхность образуются ямки травления, появление которых связано с большей скоростью удаления атомов с

локального участка вблизи выхода дислокации на поверхность.

В отличие от фигур травления, ямки травления не покрывают всю поверх-

ность шлифа, а располагаются только в местах выхода дислокаций. Плотность дисло-

каций рассчитывают по количеству ямок травления. Подсчитав число ямок травления под микроскопом, можно приблизительно определить число дислокаций, приходя-

щихся на один квадратный сантиметр травленой поверхности шлифа. Расчет средней

5 Порядок выполнения работы

5.1Изучить правила поведения и меры безопасного выполнения работы.

5.2Ознакомиться с устройством и работой микроскопа.

5.3Наблюдая фигуры травления на поверхности пластины полупроводника,

дать заключение о степени монокристалличности пластины.

5.4 По геометрии фигур травления определить вид кристаллографической плоскости, в которой ориентирован монокристалл полупроводника (рисунок 2).

215

5.5 По количеству ямок травления в каждом из 3 полей зрения найти сред-

нюю плотность дислокаций на 1 см2. Площадь поля зрения микроскопа определить по диаметру светового пятна на предметном столике микроскопа.

6 Содержание отчета

6.1Цель работы.

6.2Оборудование и материалы.

6.3Правила поведения и меры безопасности при выполнении работы.

6.4Изображение наблюдаемой поверхности исследуемых образцов (выбрать из рисунка 2).

6.5Вычисление плотности дислокаций в кристалле (расчетная формула 1 и

таблица 1).

6.6Вывод о степени монокристалличности образца, об ориентации поверхно-

сти полупроводниковых пластин, о соответствии уровня плотности дислокаций уста-

новленным нормам и дефектности исследуемого полупроводника.

7 Контрольные вопросы

7.1Перечислить методы исследования микроструктуры материалов.

7.2Охарактеризовать способ подготовки микрошлифа.

7.3Перечислить материалы, обладающие анизотропными свойствами.

7.4Перечислить виды дефектов и природу их возникновения.

7.5Дать определение дислокаций и указать влияние на свойства полупровод-

никовых материалов.

7.6Дать определение фигур травления.

7.7Перечислить особенности полупроводников, о которых можно судить по геометрии фигур травления.

7.8Указать отличие фигур травления от ямок травления.

7.9Дать определение плотности дислокаций.

216

Практическая работа №1

Расчет удельного объемного и удельного поверхностного сопротивления диэлектриков

1 Цель работы:

-проанализировать метод измерения удельного электрического объемного

иповерхностного сопротивлений диэлектриков;

-рассчитать сопротивления изоляции по известным удельным электриче-

ским объемным и поверхностным сопротивлениям диэлектрика.

2 Теоретическая часть

У диэлектриков различают два вида электропроводности: объемную, кото-

рая определяется током объемной утечки Iv , и поверхностную, обусловленную то-

ком поверхностной утечки Is .

Рисунок 1 – Путь прохождения тока поверхностной утечки

иобъемной утечки

Всвязи с этим в диэлектриках различают два вида удельных сопротивле-

ний: удельное объемное сопротивление V и удельное поверхностное сопротив-

ление S . Удельное объемное сопротивление V количественно определяет способ-

ность диэлектрика пропускать электрический ток Iv через его объем, а удельное по-

верхностное сопротивление S определяет способность пропускать электрический ток Is по поверхности диэлектрика.

217

Электропроводность в твердых диэлектриках может носить ионный, элек-

тронный и смешанный (ионно-электронный) характер. Чаще всего электропровод-

ность имеет ионный характер, так как ионы часто оказываются слабо закрепленными в узлах решетки. На электропроводность твердых диэлектриков большое влияние оказывают различные примеси, которые обычно легче диссоциируют с образованием свободных ионов, чем основной диэлектрик. Объемная электропроводность при низ-

ких температурах обусловлена передвижением слабо закрепленных ионов, в частно-

сти ионов примеси.

При повышенных температурах проводимость обусловлена переносом ионов основного вещества диэлектрика, освобожденных из узлов кристаллической

решетки.

Поверхностная электропроводность диэлектрика часто зависит от состояния его поверхности, а именно от степени его увлажнения и загрязнения. С повышением влажности электропроводность диэлектрика увеличивается. У диэлектриков, не об-

ладающих влагопроницаемостью (например, керамика), объемная проводимость

обычно не зависит от влажности окружающего воздуха.

Сопротивление диэлектрика определяют, зажав его между электродами "X1"

и "Х2" (см. рисунок 2).

RS , и наоборот, осуществляется по схеме, показанной на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема электрическая принципиальная для измерения удельного объёмного и удельного поверхностного сопротивления диэлектриков

219

Обозначения на рисунке 2: VTтранзистор полевой; R2резистор (47 МОм)

нагрузочный; Rбал – резистор балансировочный; R1 – потенциометр; Q – выключа-

тель; ИУ – испытательная установка; mA – миллиамперметр; V – вольтметр.

Рисунок 3 - Схема для определения объёмного удельного и объёмного поверхностного сопротивления

109 до 1018 Ом.

3 Порядок выполнения работы

3.1 Изучить метод измерения удельного электрического объемного и по-

220