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半导体物理实验讲义北方工业大学信息工程学院微电子实验中心2004目 录实验一 激光测定硅单晶的晶向1实验二 霍尔系数及电阻率的测量6实验三 外延片和氧化层厚度的测量17实验四 硅单晶中晶体缺陷的腐蚀显示21实验五 椭偏仪测量薄膜的厚度和折射率28实验六 PN结温度特性的测量40实验七 PN结C-V特性测试47试验八 半导体材料的方阻和电阻率的测量研究51 实验一 激光测定硅单晶的晶向晶面定向就是要确定单晶体的表面与某指定的基准晶面之间的夹角。当晶面定向仪与切片机联合使用时，可以确定单晶体某一基准晶面的法线与切片设备定向夹具轴线的夹角。硅、锗单晶体是金刚石结构，具有各向异性。生长速度、腐蚀速度、氧化速度、扩散系数和解理特性等都和晶体取向有关。在半导体器件的科学研究和生产中需要一定晶向的锗、硅等单晶体，因而晶向是一个基本材料参数。在切片工艺中沿特定晶向或偏离一定角度进行切割，可以有效地提高器件的质量和成品率。测定晶体取向有解理法，X射线劳埃法，X射线衍射法和光学反射图象法等多种方法。共中光学反射图象法是目前生产中广泛使用的方法，这个方法较为简便，能直接进行观测，而且在测定低指数晶面时精确度相当好。一、实验目的本实验的目的，就是要了解光学反射图象法测定单晶晶面的原理，通过使用激光定向仪掌握测定硅单晶的(111)、(100)等晶面的定向技术。二、实验原理光学反射图象法定向是根据单晶体解理面的光反射性和晶体结构的对称性来实现晶体的晶面(轴)定向的。它的工作原理是用激光光点反射仪测定晶体表面的光反射图形的形状和位置，从而确定晶面(轴)的方向。单晶表面经某些腐蚀液腐蚀后，在金相显微镜下会观察到许多腐蚀坑，即所谓金相腐蚀坑(或称晶向的光象小坑)。这些腐蚀坑是由与晶格主要平面平行的小平面所组成。它们是一些有特定晶向的晶面族，构成各具特殊对称性的腐蚀坑，这是晶体各向异性的结果。锗、硅单晶体的111晶面是原子密排面，也是解理面(或称劈裂面)。当用金刚砂研磨晶体时，其研磨表面将被破坏，出现许多由低指数晶面围成的小坑。这些小坑对于不同晶面具有不同的形状，可以利用这些小坑进行光学定向。但由于光的散射和吸收较严重，使得反射光象较弱，图象不清晰，分辨率低。为获得满意的结果，可在晶体研磨后再进行适当腐蚀，使小坑加大。经过腐蚀处理的晶面，不但形状完整，且具有光泽。当一束细而强的平行光垂直入射到具有这种小坑的晶体表面时，在光屏上就能得到相应的反射光象。因为激光束的直径约一毫米左右，而小坑的大小一般为微米量级，因而激光束可投射到众多小坑上。这个光象就是由众多小坑上相同取向的晶面反射的光线朝相同的方向汇聚在光屏上而成的光瓣。 例如，当被测晶体表面接近或等于111)晶面时，经过研磨和腐蚀处理后，在金相显微镜下会看到许多如图11(a)所示的三角形坑，它实际上是由三个111)晶面作为侧面的三角截顶锥形坑，其截顶面也是111面。当一束平行光束垂直入射至被测的111晶面上时，这三个侧面和截顶面将反射成如图11(a)下面所示的光象。除这三条主反射线外，有时也可以看到另外三条次要的反射线，它们与主反射线的图象在光屏上呈60。相位差。对于100晶面，其腐蚀坑形状如图11(6)所示，它由四个111晶面所围成的四角截顶锥形坑，其截顶面是100晶面。其反射光图为对称的四叶光瓣。 图11低指数晶面腐蚀坑及其对应光象图对于110晶面，其腐蚀坑形状如图11(c)所示，它有两个111面与<110>方向的夹角为54°44´，它们是光象的主要反射面，另有两个111晶面族与<110>方向平行或与(110)面垂直。当一束平行光垂直入射到被测的110晶面上时，一般情况形成由主反射面反射的光象，近似为一条直线。如果样品做得好，入射光又足够强，则可能得到如图1·1(c)下面所示的光象。实际上，在锗、硅单晶生长(直拉法或悬浮区熔法)过程中，就显出它的方向特征。如果是<111>方向生长的单晶体，沿生长轴向的表面有三条或六条对称分布的棱线，如果是<100>方向生长的单晶体，其表面将有四条或八条对称分布的棱线，可以根据这些棱线的数量及排列来判别某些晶轴的大致方向。当垂直单晶生长轴向将单晶切断，根据晶棱的位置，同样可以判别其它一些晶向。例如，在<111>晶向硅单晶的横断面上，任意两相邻晶棱的连线的指向为<110>，与此垂直的方向为<112>，在<100>晶向硅单晶的横断面上，通过相对两个棱的连线方向为<110>，两个相邻棱的连线方向为<100>。在初步识别了上述这些晶轴方向的基础上就可以将单晶体安装在激光定向仪上进行光反射图象法定向。 在定向操作中，光图对称性的判别可以在光屏上同时使用同心圆和极坐标来衡量，如图12所示。当光图调整到高度对称，也就是每一个光瓣都落在相应的极坐标刻度线上，而且处于同心圆上时，这时光轴就给出了相应的晶向。如果反射光图中几个光瓣不对称(光瓣大小不同，光瓣之间的夹角不符合理论值)时，说明被测晶面与基准面(或晶轴)有偏离。这时，可以适当调整定向仪各个方位调整机构(如俯仰角，水平角等)，直至获得对称分布的反射光图，使得基准品面垂直于入射光轴。这时垂直于入射光轴切割晶体，就可以得到与基准面符合的晶面。图12极坐标光屏上正<111>晶向对称光象图 上面介绍的定向方法称为直接定向法，它有一定的局限性。对于偏离度较大的待测表面和一些指数较高的晶面，如(331)等晶面较难直接定向，这时可以进行间接图12极坐标光屏上正<111>晶向对称光象图定向。间接定向是在直接定向的基础上运用晶带理论来实现的。在晶体中，如果若干个晶面族同时平行于某一根晶轴时，则前者总称为一个晶带，后者称一个晶带轴。例如图13中的(001)、(113)、(112)、(111)、(221)、(331)、(110)等晶面都和10晶轴平行。因此上述晶面构成一个以10为晶带轴的晶带，它们相互间存在简单的几何关系。如果将一个晶面绕晶带轴转动某一角度就可以将一个已直接定好方向的低指数晶面的空间位置由同一晶带的另一个晶面所取代。确定后一个晶面的方法就是用间接定向法。例如，图14中的(111)、(001)、(110)三个晶面同属于以10为晶带轴的一个晶带，(111)与(110)的夹角为35.26°，(111)与(00l)的夹角为54.74°。所以可以先用直接定向法使(111)晶面垂直于入射光轴，在光屏上得到对称的三叶光图。然后使晶体绕光轴旋转，使三叶光图中的一个光瓣与极坐标的0°刻度线重合，此时10晶带轴处于水平位置，即与晶体夹具上的俯仰轴相平行。转动俯仰轴，前倾35.26°，使(110)晶面垂直于光轴，若使晶体后仰54.74°，即使(001)晶面垂直于光轴。这时垂直于光轴分别切割出的晶面即为(110)或(001)晶面。不过对于俯仰角和水平角偏转度较小的设备，不适宜采用这种大角度偏转方法。图13以10 为晶带轴的 图14 (111)晶面特征光图与(110)不同晶面的相对方位 (100)晶面方位关系三、实验内容1熟悉激光晶轴定向仪的使用方法，并首先对激光晶轴定向仪进行调整。2根据单晶表面棱线判别晶体的大致取向。3对单晶样品进行研磨、腐蚀处理，在金相显微镜下观察不同单晶<111>、<100>晶向的腐蚀坑形状。4测定接近<111>及<100>晶向的硅单晶端面的晶向偏离度。注意考察光图与腐蚀坑形状之间的关系。四、实验步骤1接上220V，50Hz电源。开启激光管，调整光屏，使激光束对准光屏上的透光孔射出。 2在晶体夹具端面贴一画有“+”标记的纸卡，使“+”中心对准激光光点。调节晶体夹具底座的轴向水平移动旋钮，使晶体夹具朝向激光光轴来回移动。如果晶体夹具底座导轨与光轴平行，则光点位置始终不变；如果不平行，则光点偏离“+”中心，这时可调节夹具的角度(水平角、仰俯角)或垂直升降，使光点移至“+”中心点。记下此时的各方位角1、1。3将待测单晶样品端面用303#(或280#)金刚砂在平板玻璃上湿磨平整，再用清水冲洗干净。然后置于腐蚀液中腐蚀。方法如表1.1所示。最后用去离子水冲洗干净，晾干待测。表1.1 一些半导体材料的腐蚀方法单晶材料腐 蚀 液 配 方腐蚀温度()腐蚀时间(min)GeHCl(49%):H2O2 (30%):H20=1:1:4(体积比)257HF(49%):H2O2(30%):H2O=1:1:4(体积比)室 温2H2O2(30%)煮 沸12Si5NaOH(KOH)水溶液，或NaOH:H2O=10:100煮 沸716510GaAs(Ga面)HNO3(60%):H2O=1:室 温7GaAs(As面)HF(46):HNO3(60):H2O=3:1:2室 温7 4将处理好的样品置于定向仪的样品夹具上，使二者端面平行，调节各方位角旋钮，使反射光图中心点与光屏上的透光孔重合，此时的方位角定为2，2。则2-1，2-1即为某基准晶面轴向与晶体表面轴向(法向)的水平偏离度和垂直偏离度(关于偏离度的定量关系，请参看附录)。根据光图的分布可同时得知测定的晶面。 5将生长方向为<100>的单晶体用同样方法定向。 6根据间接定向法在可能范围内大致确定其它一些晶面。五、数据处理和分析1标出反射光图与对应的腐蚀坑形状的关系，光图调整前后的变化。2分析反射光图中的光瓣所对应的腐蚀坑部位。3记录并标记偏离度。六、思考题1腐蚀时间过长或腐蚀时间过短时反射光图会出现什么情况?2当调整确定出(111)面后，是否可定出111或112晶面?3当调整确定出(100)面后，是否也可以定出110晶面?七、注意问题1激光管的正、负极不能接反，激光管电流应在小于5mA下工作，否则容易损坏激光管或缩短使用寿命。2腐蚀好的样品应具有许多光洁明亮的小坑。如果表面发暗，小坑不明显，可能氧化，须重新处理。附录 如何定量描述偏离度所谓偏离度是指晶体表面轴向(法向)与某一基准晶面轴向偏离的度数。如果基准面是低指数面，且晶体表面与其偏离不大，则可用定向仪测出偏离度。因为定向仪夹具有两个可调整角度的刻度盘，一个是可水平旋转的刻度盘，一个是可垂直旋转的刻度盘。这两个刻度盘的度数变化就构成了晶向偏角妒的两个分量(假定为和)，如图1.5所示。设一束平行光沿oz方向入射到与其垂直的被测样品kk面上，如果表面是被抛光的镜面，反射线将沿表面法线反射到xy平面上的O点。如果表面是经金相腐蚀过的，则表面将产生金相的光象小坑，小坑底的晶面就是与基准晶面接近的晶面。假如基准晶面与晶体表面有一定偏离，这时光象小坑底的反射线不是投射到O点，而是沿BA方向投射到xy平面(光屏)的A点，而ABO =，即为晶向偏离度，在水平和垂直方向上的偏角分别为和，则根据图1.5可导出如下公式:这里的、即为上面所说的2-1，2-1。由上式可知，可以调节水平角和垂直角使和为零，则也等于零。这时光象中心恰与O点(光孔)重合，也就是说，基准晶面法线与入射光束平行了。这时光象应具有高度的对称性。图1.5晶向偏离度实验二 霍尔系数及电阻率的测量置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直， 则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这个现象是霍普斯金大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。测量半导体霍尔系数具有十分重要的意义。根据霍尔系数的符号可以判断材料的导电类型，根据霍尔系数及其与温度的关系，可以计算载流子的浓度，以载流子浓度同温度的关系，由此可确定材料的禁带宽度和杂质电离能；通过霍尔系数和电阻率的联合测量，能够确定载流子的迁移率，用微分霍尔效应法可测纵向载流子浓度分布；测量低温霍尔效应可以确定杂质补偿度。霍尔效应是半导体磁敏器件的物理基础。1980年发现的量子霍尔效应对科技进步具有重大意义。如今，霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且利用该效应制成的霍尔器件己广泛用于非电量电测、自动控制和信息处理等方面。在工业生产要求自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔器件，将有更广阔的应用前景。了解这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。一、实验目的1. 了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。2. 学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量试样的 VH-IS 和 VH -IM曲线。3. 确定试样的导电类型、载流子浓度以及迁移率。二、实验原理霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。当带电粒子(电子或空穴)被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场。对于图 l(a) 所示的N型半导体试样，若在X方向通以电流Is，在Z方向加磁场B，试样中载流子(电子)将受洛仑兹力 （1）则在Y方向即试样A、A'电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场霍尔电场。在电流方向一定时，电子和空穴的运动方向相反。由于电子和空穴所带的电荷符号相反，所以电子和空穴所受到的洛伦兹力的方向相同，电子和空穴将向同一方向偏转。当电流沿正X方向、磁场沿正Z方向时，电子和空穴都向负Y方向偏转。因此，对于P型样品，霍尔电场沿正Y方向，即EH>0，霍尔电压VH沿Y方向减少，霍尔系数为正（RH>0）；对于N型样品，霍尔电场沿负Y方向，即EH<0，霍尔电压VH沿Y方向增加，霍尔系数为负（RH<0）。可见，从霍尔系数的正负可以判别试样的导电类型。显然，该电场是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力e EH与洛仑兹力相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有 e EH= （2）其中EH 为霍尔电场，是载流子在电流方向上的平均漂移速度。设试样的宽为b，厚度为d，载流子浓度为n，则Is = n e b d (3)由(2)、(3)两式可得 (4)即霍尔电压VH(A、A'电极之间的电压)与IsB乘积成正比与试样厚度成反比。比例系数RH二称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，只要测出VH(伏)以及知道Is(安)、B(高斯)和d(厘米)可按下式计算RH(厘米3/库仑)。 (5)上式中的108是由于磁感应强度B用电磁单位(高斯)而其它各量均采用C、G、S实用单位而引入。根据RH可进一步确定以下参数1由RH的符号(或霍尔电压的正、负)判断样品的导电类型判断的方法是按图1所示的Is和B的方向，若测得的VH=VAA<0，(即点A的电位低于点A的电位)则RH为负，样品属N型，反之则为P型。2由RH求载流子浓度P型样品： (6) N型样品： (7)应该指出，这个关系式是假定所有的载流子都具有相同的漂移速度得到的，严格一点，考虑载流子的速度统计分布，需引入3兀8的修正因子(可参阅黄昆、谢希德著半导体物理学)。3结合电导率的测量，求载流子的迁移率在图1中，电流IS沿正X方向通过样品，就会在A与C（或A与C）两点之间产生电势差V0。由两探针测量电阻率的方法可以求得羊皮你的电阻率为 (8)式中为A、C两点之间的距离，S=bd是样品的截面积。若IS的单位为A，V0的单位为V，的单位为cm，S的单位为cm2，则的单位为的单位为cm。在杂质电离区和杂质饱和电离区，样品中主要是一种载流子参与导电。对于N型样品，主要是导带中的电子导电，故有 (9)对于P型样品，主要是价带中的空穴导电，故 (10)由(6)、(7)、(9)、(10)式可得= |RH|，通过实验测出值即可求出。根据上述可知，要得到大的霍尔电压，关键是要选择霍尔系数大(即迁移率高、电阻率亦较高)的材料。因|RH| =，就金属导体而言，和均很低，而不良导体虽高，但极小，因而上述两种材料的霍尔系数都很小，不能用来制造霍尔器件。半导体高，适中，是制造霍尔器件较理想的材料，由于电子的迁移率比空穴的迁移率大，所以霍尔器件都采用N型材料，其次霍尔电压的大小与材料的厚度成反比，因此薄膜型的霍尔器件的输出电压较片状要高得多。就霍尔器件而言，其厚度是一定的，所以实用上采用 (11)来表示器件的灵敏度，KH称为霍尔灵敏度，单位为mV(mA T)或mV(mA KGS)。三、实验方法1霍尔电压VH的测量应该说明，在产生霍尔效应的伺时，因伴随着多种副效应，以致实验测得的A、A两电极之间的电压并不等于真实的VH值，而是包含着各种副效应引起的附加电压，因此必须设法消除。根据副效应产生的机理(参阅附录)可知，采用电流和磁场换向的对称测量法，基本上能够把副效应的影响从测量的结果中消除，具体的做法是IS和B(即IM)的大小不变，并在设定电流和磁场的正、反方向后，依次测量由下列四组不同方向的IS和B组合的A、A两点之间的电压V1、V2、V3、和V4，即 +IS +B V1 +IS -B V2 -IS -B V3 -IS +B V4然后求上述四组数据V1、V2、V3和V4的代数平均值，可得通过对称测量法求得的VH，虽然还存在个别无法消除的副效应，但其引入的误差甚小，可以略而不计。2、电阻率的测量可以通过图1所示的A、C(或A、C)电极进行测量，设A、C间的距离为，样品的横截面积为S=bd，流经样品的电流为IS，在零磁场下，若测得A、C(A'、C')间的电位差为V0(VAC)，可由下式求得 (8)四、实验内容图(2) 霍尔效应实验仪示意图仔细阅读本仪器使用说明书后，按图2连接测试仪和实验仪之间相应的IS、VH和IM各组连线，IS及IM换向开关投向上方，表明IS及IM均为正值(即Is沿X方向，B沿Z方向)，反之为负值。VH、V0切换开关投向上方测VH，投向下方测V0。(样品各电极及线包引线与对应的双刀开关之间连线已由制造厂家连接好)。注意：严禁将测试仪的励磁电源“IM输出”误接到实验仪的“IS输入”或“VH、V0输出”处，否则一旦通电，霍尔器件即遭损坏!为了准确测量，应先对测试仪进行调零，即将测试仪的“IS调节”和“IM调节”旋钮均置零位，待开机数分钟后若VH显示不为零，可通过面板左下方小孔的“调零”电位器实现调零，即“0.00”。1测绘VH -Is曲线将实验仪的“VH、V0”切换开关投向VH侧，测试仪的“功能切换”置VH。保持IM值不变(取IM=0.6A)，测绘VHIs曲线，记入表1中。表1 IM=0.6A Is取值：1.00 - 4.00 mA。IS(mA)V1(mV)V2(mV)V3(mV)V4(mV)(mV)+ IS、+B+ IS、-B- IS、-B- IS、+B1.001.502.002.503.004.002测绘VH -IM曲线实验仪及测试仪各开关位置同上。保持IS值不变，(取Is=3.00mA)，测绘VH -IM曲线，记入表2中。IM取值：0.300 - 0.800A。表2 IS =3.00 mAIM(A)V1(mV)V2(mV)V3(mV)V4(mV)(mV)+ IS、+B+ IS、-B- IS、-B- IS、+B0.3000.4000.5000.6000.7000.8003测量V0值将“VH、V0”切换开关投向V0侧“功能切换”置V0。在零磁场下，取IS =2.00mA，测量V0。注意：IS取值不要过大，以免V0太大，毫伏表超量程(此时首位数码显示为1，后三位数码熄灭)。4.确定样品的导电类型将实验仪三组双刀开关均投向上方，即IS沿X方向，B沿Z方向，毫伏表测量电压为VAA'。取IS =2mA，IM =0.6A，测量VH大小及极性，判断样品导电类型。5、求样品的RH、n、和值。五、预习思考题1列出计算霍尔系数RH、载流子浓度n、电导率及迁移率的计算公式，并注明单位。2如已知霍尔样品的工作电流IS及磁感应强度B的方向，如何判断样品的导电类型。 附录1 霍尔器件中的副效应及其消除方法 (1)不等势电压V0 图 (3)如图3这是由于器件的A、A'两电极的位置不在一个理想的等势面上，因此，即使不加磁场，只要有电流IS通过，就有电压V0=IS r产生，r为A、A'所在的两个等势面之间的电阻，结果在测量VH时，就叠加了V0，使得VH值偏大，(当V0与VH同号)或偏小(当V0与VH异号)，显然，VH的符号取决于IS和B两者的方向，而V0只与IS的方向有关，因此可以通过改变IS的方向予以消除。(2)温差电效应引起的附加电压VE如图4所示，由于构成电流的载流子速度不同，若速度为V的载流子所受的洛仑兹力与霍尔电场的作用力刚好抵消，则速度大于或小于V的载流子在电场和磁场作用下，将各自朝对立面偏转，从而在Y方向引起温差TATA'，由此产生的温差电效应，在A、A'电极上引入附加电压VE，且VEISB，其符号与IS和B的方向的关系跟VH是相同的，因此不能用改变IS和B方向的方法予以消除，但其引入的误差很小，可以忽略。 图 (4)(3)热磁效应直接引起的附加电压VN如图5因器件两端电流引线的接触电阻不等，通电后在接点两处将产生不同的焦尔热，导致在X方向有温度梯度，引起载流子沿梯度方向扩散而产生热扩散电流，热流Q在z方向磁场作用下，类似于霍尔效应在Y方向上产生一附加电场EN，相应的电压VNQB，而VN的符号只与B的方向有关，与IS的方向无关，因此可通过改变B的方向予以消除。 图 (5)(4)热磁效应产生的温差引起的附加电压VRL如(3)所述的X方向热扩散电流，因载流子的速度统计分布，在Z的方向的磁场B作用下，和(2)中所述的同一道理将在Y方向产生温度梯度TA-TA'，由此引入的附加电压VRL QB，VRL的符号只与B的方向有关，亦能消除。 图 (6) 综上所述，实验中测得的A、A'之间的电压除VH外还包含V0、VN、VRL和VE各电压的代数和，其中V0、VN和VRL均通过IS和B换向对称测量法予以消除。设IS和B的方向均为正向时，侧得A、A'之间电压记V1，即当+IS、+B时 Vl = VH+V0+VN+VRL+VE将B换向，而IS的方向不变，测得的电压记为V2，此时VH、VN、VRL、VE均改号而V0符号不变，即当+IS、-B时 V2 = -VH+V0-VN-VRL-VE同理，按照上述分析当-IS、-B时 V3 = VH-V0-VN-VRL+VE当-IS、+B时 V4 = -VH-V0+VN+VRL-VE求以上四组数据V1、V2、V3和V4的代数平均值，可得由于VE符号与IS和B两者方向关系和VH是相同的，故无法消除，但在非大电流，非强磁场下，VH >> VE，因此VE可略而不计，所以霍尔电压为附录2 THH型霍尔效应实验组合仪使用说明书霍尔效应发现于1879年，随着电子技术的进展，利用霍尔效应制成的电子器件(霍尔器件)，由于结构简单，频率响应宽(高达10GHz)、寿命长、可靠性高等优点、已广泛用于非电量电测、自动化控制和信息处理等方面。THH型霍尔效应实验组合仪可测定霍尔系数和载流子浓度，此外，结合电导率测量可确定试样的载流子迁移率。一、实验装置简介THH型霍尔效应实验组合仪由实验仪和测试仪两大部份组成。A、实验仪(图1所示)图(1) 霍尔效应实验仪示意图1电磁铁规格为>3.00 KGS/A，磁铁线包的引线有星标者为头(见实验仪上图示)，线包绕向为顺时针(操作者面对实验仪)根据线包绕向及励磁电流IM流向，可确定磁感应强度B的方向，而B的大小与IM的关系由厂家给定并标明在线包上。2样品和样品架样品材料为N型半导体硅单晶片，根据空脚的位置不同，样品分两种形式，即图2(a)和(b)，样品的几何尺寸为：厚度d=0.5mm，宽度b=4.0mm，A、C电极间距l=3.0mm。图(2) 样品示意图样品共有三对电极，其中A、A'或C、C'用于测量霍尔电压VH，A、C或A'、C'用于测量电导；D、E为样品工作电流电极。各电极与双刀换接开关的接线见实验仪上图示说明。样品架具有X、Y调节功能及读数装置，样品放置的方位(操作者面对实验仪)如图2所示。3IS和IM换向开关及VH、V0切换开关。IS及IM换向开关投向上方，则IS及IM均为正值，反之为负值；“VH、V0”切换开关投向上方测VH，投向下方测V0。B、测试仪(图3所示)图3 测试仪面板图1“IS输出”为010mA样品工作电流源，“IM输出"为01A励磁电流源，两组电流源彼此独立，两路输出电流大小通过IS调节旋钮及IM调节旋钮进行调节，二者均连续可调。其值可通过“测量选择”按键由同一只数字电流表进行测量，按键测IM，放键测IS。2直流数字电压表VH和V0通过功能切换开关由同一只数字电压表进行测量。电压表零位可通过调零电位器进行调整。当显示器的数字前出现“-”号时，表示被测电压极性为负值。二、技术指标1励磁恒流源IM输出电流：O1A，连续可调，调节精度可达1mA。最大输出负载电压：25V。电流稳定度：优于10-3 (交流输入电压变化±10)。电流温度系数：<10-3 。负载稳定度：优于10-3 (负载由额定值变为零)。电流指示：位发光管数字显示，精度不低于0.5。2样品工作恒流源IS输出电流：010mA，连续可调，调节精度可达10 A。最大输出负载电压：12V。电流稳定度：优于10-3 (交流输入电压变化±10)。电流温度系数：<10-3。负载稳定度：优于10-3 (负载由额定值变为零)。电流指示: 位发光管数字显示，精度不低于0.5。3直流数字毫伏表测量范围±20mV；±200mV。位发光管数字显示，精度不低于0.5。注：IS和IM两组恒流源也可用于需要直流恒流供电的其他场合，用户只要将“VH、V0输出”短接，可按需要选取一组或两组恒流源使用均可。三、使用说明1.测试仪的供电电源为220V，50Hz，电源进线为单相三线。2.电源插座和电源开关均安装在机箱背面，保险丝为0.5A，置于电源插座内。3.样品各电极及线包引线与对应的双刀换接开关之间连线(已由厂家连接好)见实验仪上图示说明。4.测试仪面板上的“IS输出”、“IM输出”和“VH、V0输入”三对接线柱应分别与实验仪上的三对相应的接线柱正确连接：5仪器开机前应将IS、IM调节旋钮逆时针方向旋到底，使其输出电流趋于最小状态，燃后再开机。6“VH、V0切换开关”应始终保持闭合状态。7仪器接通电源后，预热数分钟即可进行实验。8“IS调节”和“IM调节”分别用来控制样品工作电流和励磁电流的大小，其电流随旋钮顺时针方向转动而增加，细心操作，调节的精度分别可达10 A和lmA。IS和IM读数可通过“测量选择”按键来实现。按键测IM，放键测IS。9关机前，应将“IS调节”和“IM调节”旋钮逆时针方向旋到底，使其输出电流趋于零，然后才可切断电源。五、仪器检验步骤1仪器出厂前，霍尔片已调至电磁铁中心位置。霍尔片性脆易碎、电极甚细易断，严防撞击，或用手去触摸，否则，即遭损坏!在需要调节霍尔片位置时，必须谨慎，切勿随意改变y轴方向的高度，以免霍尔片与磁极面磨擦而受损。 2测试仪的“IS调节”和“IM调节”旋钮均置零位(即逆时针旋到底)。3测试仪的“IS输出”接实验仪的“IS输入”，“IM输出”接“IH输入”，并将IS及IM换向开关掷向任一侧。注意：决不允许将“IM输出”接到“IS输入”或“VH、V0输出”处，否则，一旦通电，霍尔样品即遭损坏。4实验仪的“VH、V0输出”接测试仪的“VH、V0输入”， “VH、V0输出”切换开关倒向VH一侧。5接通电源，预热数分钟后，电流表显示“.000”(当按下“测量选择”键时)或“0.00”(放开“测量选择”键时)注，电压表显示为“0.00”(若不为零，可通过面板左下方小孔内的电位器来调整)。6置“测量选择”于IS档(放键)，电流表所示的IS值即随“IS调节”旋钮顺时针转动而增大，其变化范围为010mA，此时电压表所示VH读数为“不等势”电压值，它随IS增大而增大，IS换向，VH极性改号(此乃副效应所致，可通过“对称测量法”予以消除)，说明“IS输出”和“IS输入”正常。取IS 2mA。7置“测量选择”于IH档(按键)，顺时针转动“IM调节”旋钮，查看变化范围应为0lA。此时VH值亦随IM增大而增大，当IM换向时，VH亦改号(其绝对值随IM流向不同而异，此乃副效应所致，可通过“对称测量法”予以消除)，说明“IM输出”和“IM输入”正常。至此，应将“IM调节”旋钮复零。8.放开测量选择键，再测IS，调节IS=2mA，然后将“VH、V0输出”切换开关倒向V0一侧，测量V0 (A、C电极间电压)，IS换向，V0亦改号，至此，说明霍尔样品的各个电极均为正常。将“VH、V0输出”切换开关恢复V0一侧。注意：查看V0时，IS不宜过大，以免数字电压表超量程，通常取IS为2mA左右。9.本仪器数码显示稳定可靠，但若电源线不接地则可能会出现数字跳动现象。“VH、V0输入”开路或输入电压超量程，则电压表出现溢出现象。注：有时，IS调节电位器或IM调节电位器起点不为零，将出现电流表指示末位不为零，亦属正常。实验三 外延片和氧化层厚度的测量随着微电子技术的进步，集成电路的集成度不断提高，其线条也越来越微细化，因此在生产工艺中对各种参数提出了严格的要求。膜层厚度是其中的重要参数之一。由于制做过程中需要制作各种膜层，如SiO2、Si3 N4、光刻胶、聚亚胺等，而每种膜层厚度的任何微小变化，对集成电路的性能都会产生直接的影响，因此在生产过程中对各种膜层的厚度进行在线精确的检测，控制生产工艺，是提高产品质量和生产效率的重要手段。目前，在半导体集成电路芯片制作工艺中担负这类膜厚参数测量的常见仪器有激光椭圆仪，光谱式膜厚测量仪和台阶仪(触针式台阶仪)。激光椭圆仪属非接触式测量，利用光的偏振特性测量SiO2、Si3 N4等簿膜的厚度。其分辨率能达到0.001 nm 。光谱式膜厚测量仪也是非接触式测量，利用光波扫描和光度采样，根据被测物质的反射光谱由计算机数据处理得出所测膜的厚度。这种仪器操作简单，测量快速，示值稳定，准确可靠，适合大规模生产要求。台阶仪是触针式测量仪器，接触式测量，要求被测物质形成台阶状，测量时触针划过台阶，通过系统放大和计算，给出被测量值。从理论上讲，凡是能形成台阶的物质，仪器都能测量。现代触针式台阶仪已高度自动化，测量的调整和数据处理全由系统自动进行。后两种仪器的分辨率都达到了0.1 nm。关于椭圆偏振法测量膜厚在实验五“椭偏仪测量薄膜的厚度和折射率”中介绍，本实验主要介绍光谱式膜厚测量仪的应用。一、实验目的掌握各种集成电路生产过程中硅片上生长或淀积的多种膜的厚度的测量方法，熟悉集成电路生产中广泛采用的NANOSPEC/AFT型膜厚测试仪的操作使用及注意事项。二、实验原理1.工作台；2.被测件；3.显微物镜；4.分光镜；5.辅助物镜；6.狭缝；7.凹面全息衍射光栅；8.CCD；. 反射照明系统；.显微系统；. 观察目镜;分光组件图1 膜厚测量的主原理图薄膜厚度测量系统的原理如图1所示，它由反射照明系统、光学显微镜、观察系统、分光组件及微处理机等五个部分组成。放置在精密工作台1上的被测件2，由反射照明系统照明后，从被测件表面反射光束经显微物镜3，分光镜4，辅助物镜5，成像在狭缝6上并垂直入射到凹球面全息衍射光栅7上，经衍射后形成平面象被CCD 8接收器接收，把光信号转换成电信号，由微处理机用专用软件进行处理，获得测量曲线和测量结果，可在屏幕上显示，也可打印输出。 见图2，当光束入射到两个界面分界线时，产生反射光和折射光，经过两个界面后，入射光的振幅分解成两个部分1、2。这两束光相遇后，产生干涉。当通过膜层的光程差相等于半波长的整数倍时，产生相长干涉，而等于半波长的奇数倍是则产生相减干涉。根据物理光学可推导出:式中:d为膜层厚度，S为折射率，m为干涉级次多扩为折射角多入。为波长。上式为一般膜厚测里公式，由此可推出仪器测量公式(推导过程略)。膜厚测量公式见表1。三、实验内容1膜厚仪基本操作；2测试Si上SiO2的厚度；3膜厚测试在半导体生产中得其他应用（如：结合阳极氧化法估算外延片外延层厚度）。四、实验步骤1膜厚测试仪操作1.1开稳压电源开关，使电压稳定在220V。1.2开荧屏开关(红塑料肘节开关)5min后，开其上金属肘节开关，待机半小时。1.3操作步骤(使用右边小键盘)1.3.1荧屏显示：“IS WAVELENGTH 480”?如屏幕显示“480"，按兰色YESO键；若不是，将显示数字输入后按ENTER键，如此反复直到数字显示480后，按YesO。1.3.2荧屏显示：REFRECTLVE INDEX OPTION?按NO(若需输入折射率按YESO)。1.3.3荧屏显示：ENEBLE PRINTER按NO(如需要打印按YESO)。1.3.4测试程序序列显示：屏幕显示12条测试程序(见附件2)，根据测试对象，输入应用程序序号。例测“硅上厚氧化层膜”按“l”选l号测硅上厚氧化层膜程序，波长指示“480”，再按ENTER。1.3.5物