[工学]半导体物理实验讲义.doc

实验一：晶向的测定一、X射线衍射法（XRD） 1、 有关x射线的知识：λ：0.01Å~10Å1经典电动力学：带电粒子在加速（或减速）时必伴随着辐射；电子与原子碰撞时，发生电子聚然减速时，由此产生的辐射称为轫致辐射（连续谱）库伦场中，减速是连续的，所以轫致辐射是连续的 Å用量子理论，很容易解释右图特征辐射：电子内壳层的跃迁 平面方程： 2、空间点阵Miller index (h,k,l) 晶格常数对立方晶体 3、XRD原理衍射是绕射与干射的共同作用结果彗更斯原理）每一个反射点组成反射光栅，共同组成衍射光栅光栅方程：（主要考虑干涉）2dsinθ=kλ——衍射级数 （光程差 2dSinθ=kλ） 2称为衍射角AC+CB 光程差为Kλ，相位：双缝干涉 光程差Ip=2Io (1+cosδ) 暗点： 说明光程差为4、劳厄法测单晶晶向 取k=1一级衍射极大 取λ为连续波长对不同的d，掠射角不同，一般是分立的，满足上式的λ必须是连续波长，所以劳厄图是分立的点像。

5、德拜法（粉末法，多晶） 单色射线如=1.54056 Å对于入射射线成θ角的射线来说，在λ一定时，总存在一个晶面间距为的晶面，满足上式在大量的多晶中存在相同的满足反射条件的晶向，从而形成衍射环一般θ小，d大（对应低指数晶面）以前用拍摄法，目前用计数器来实现 （元素周期表中很少，只有一种原子是SC结构，Po）6、衍射强度讨论衍射强度是X射线与单个电子→一个原子中的所有电子（电子云）→晶格中的 ↑ （原子散射因子fi） 散射所有原子（晶体结构因子F）①简单讨论fi P点与o点散射光的位相差（kx）所以总的散射：exp [] ②几何结构因子 类似上述讨论： []最终得一级衍射强度： (x,y,z)为晶格格点的坐标对于同种原子，fi都相同③消光规律简单立方：格点坐标为（0，0，0）∵一个品胞中含1个原子 ∴说明无消光现象体心立方：包含2个原子坐标为（0，0，0）和（），代入表达式得：面心立方包含4个原子 部分为奇数，部分为偶数，出现消光。

即：h,k,l都为偶数或都为奇数才出现衍射增强）金刚石结构8个原子坐标为scbccfccdiamond10011011120021021122022130030131122232032140041032241133033142012345689910111213141617171818192024681012141618203481112161920381116体心立方衍射图样：7、XRD晶向测定方法晶向与表面法线的偏移角度为测试时事先将计数管放在满足衍射条件的2角度上，然后调整使计数器计数最强11122031140033142251114°14′23°40′28°05′34°36′38°13′44°04′47°32′13°39′22°40′26°52′33°02′36°26′41°52′45°7′13°14′22°41′26°53′33°03′36°28′41°55′45°9′二、激光定向（腐蚀法）（111）面是原子密排面，特点①（111）面间原子法合力弱而面内原子结合力强， 所以（111）面是自然解理面②（111）面表面能低，所以生长、外延、腐蚀时，速率最低，成为裸露面体现为 结合紧密) 由（111）面组成的正八面体①红色的为（110）面（OEFO‘）：腐蚀坑为形状（二重轴）②ABCD (100)面，腐蚀坑□形状（四重轴）③ABC为（111）面，腐蚀坑为△形状（三重轴）反射花样 实验二、电子显微镜在半导体测试中的应用主要应用：①集电电路的工艺缺陷 ②腐蚀坑的形态 ③晶体管漏电检查晶体取向衬度效应，又称电子通道效应，（ECP）效应，可使电子显微镜也可用于晶向测定，即不同的晶向形成的成像衬度不同。

一、圆孔衍射及瑞利判据恰好能分辨的最小角距离 圆孔半径 对望远镜来说是物镜半径；对显微镜来说对光学系统来说，光有放大倍数 ，从D变成是无像差要求是不够的，分辨率是一个重要的条件， nsinu称为数值孔径因为两个不能分辨的衍射斑 为物对目镜所张的孔径角放大1万倍仍然是模糊的像 n为物与目镜间的介质折射率光学显微镜的放大极限1500-2000倍 所以要提高分辨率的方法有： ①提高物镜半径或数值孔径（油浸物镜） ②缩小波长（如电子显微镜）二、电子显微镜系统简介 静电电子透镜一般用得较少，因为控制比较困难①电子磁透镜（TEM中） T一个周期内前进的距离尽管半径不同，但h都近似，是一个恒定值，体现为聚焦——λ很短 ②SEM中磁透镜用来聚焦形成电子斑，对样品表面进行扫描显像管上的点对应扫描的点真空系统，供电系统，聚焦系统，扫描系统探测系统 （非弹性散射） 10—100 Å —50ev击出导带电子 2000Ao—20000 Å 背散射电子 2000 Å—30000 Å 电子减速，发生韧致辐射，激发内层电子，产生特征X射线一般都用二次电子探头来成像若E=54ev时，λ=1.67 Å可见光 5500 Å ∴分辨率大大提高TEM通常用来观察缺陷，放大微小物体。

TEM的系统组成聚焦系统，供电系统，真空系统，拍摄系统缺点：薄样品，制样比较繁,超薄切片，离子减薄，小颗粒特别适用优点：放大倍数高， 分辩率高 100-106 2 Å附件：电子衍射探头SEM的优点：景深特大！！！立体或非常强缺点：M小一点，分辨率较大物点：在A′-A″之间变化，成像点在 B′-B″之间变化成像点仍清楚，A′-A″称为景深影响景深的因素电子束很细 (D)入瞳与光阑(光圈)有关(D↑，↓) 说明入射光束细，同样的光圈下，长焦比短焦景深大SEM一般都配有能谱探头（XPS） Xphoton Spectrum 常用来分析表面成份，如STM中的粘污是什么成份！！实验三，晶体缺陷观察——腐蚀法一、电化学腐蚀（一般都是） ∵能够形成回路非择优腐蚀一般用来抛光研磨料：碳化硅（金刚砂）sic，氧化铝（铝氧粉）；BC，金刚石抛光料：氧化铈，氧化铬，氧化铁（红粉），氧化锡，氧化镁，氧化铝微粉，金刚石微粉酸性溶液中在HNO3和HF中的电化学反应如下：阳极：Si+2H2O+2pSiO2+4H++2e SiO2+6HF→H2SiF6+2H2O生成SiO2会包住反应区而阻止反应，HF溶解掉SiO2而使反应持续下去阴极：HNO3+3H+→NO↑+2H2O+3p 可用其它氧化剂取代如CrO3，铬酸总反应：3Si+4HNO3+18HF→3H2SiF6+4NO↑+8H2O2H++2e→H2↑ 该反应十分缓慢碱性溶液中的反应：阳极反应：Si+60H-== 可逆反应 加入强氧化剂（如H2O2等）可促进正反应 2H++2e ==H2↑ H+被还原，作氧化剂 Si+60H-+4H+==SiO32-+3H2O+2H2↑ 缓冲剂如CH3COOH用来调节酸碱度。

二、择优腐蚀配方 对（111）和（110）面希尔液：标准液（50gCrO3+100gH2O）:HF(40-42%)=1:1(快速液) Si+ CrO3+8HF=H2SiF6+CrF2+3H2ODash液：HF:HNO3：CH3COOH=1：25：10计量应尽量精确 40-42%：65%：99% 对（100）面希尔液（111）面 层错：室温10-30秒 微缺陷：沸腾2-3分钟 位错：室温5-10分钟 室温20-30分钟Dash液： 去离子水洗干净（100）位错：35℃3-4小时 表面氧化层可用希尔液去除（15-20分钟）塑料吸管，温度计+Si片+过滤纸+HF（40-42%） 塑料杯所用器材：CrO3+去离子水+金相显微镜+天平称+（烧杯）+量桶 ↓ 药匙 +搅拌棒+摄子 塑料量桶,塑料烧杯,乳胶手段三、缺陷分类1、点缺陷： 肖特基缺陷 弗兰克尔缺陷高温时点缺陷↑，降温时，以上两种缺陷消失的途径有：①空位与间隙原子复合②扩散到表面。