Российская Академия наук
Учреждение Российской академии наук
Санкт-Петербургский Академический университет –
научно-образовательный центр нанотехнологий РАН
Методические указания для преподавателей по организации выполнения различных видов практических заданий и самостоятельных работ, планируемых в процессе изучения курса ТБ-2
«Современные методы изготовления полупроводниковых приборов»
Методические рекомендации разработал , д. ф.-м. н., чл.-корр. РАН
©
Санкт-Петербург
2011 г.
Методические указания для выполнения различных видов практических заданий и самостоятельных работ, планируемых в процессе изучения курса «Современные методы изготовления полупроводниковых приборов»
По программе курса не предусмотрено выполнение слушателями самостоятельных лабораторных работ. Однако лекционный материал дополняется проводимыми преподавателем практическими занятиями, в ходе которых слушателям демонстрируются наиболее существенные аспекты данной темы курса. Практическое занятие следует в конце изучения каждой темы курса.
1. Тексты практических задач, конкретных ситуаций, других видов практических заданий по темам курса и методические рекомендации по их выполнению
К теме 1. Физические основы технологии постростового этапа полупроводниковых структур
Время, отведенное на тему: 2 часа - лекция; 1 час – практическое занятие, 3 часа - самостоятельная внеаудиторная работа.
Методические рекомендации к проведению практического занятия.
В рамках изучения темы предусмотрено проведение практического занятия «Исследование морфологии тонких пленок».
Основными целями данного практического занятия является:
- демонстрация различных типов морфологии тонких пленок;
- практическое ознакомление слушателей с методами анализа морфологии тонких пленок;
- практическое ознакомление слушателей с оборудованием, используемым для контроля морфологии тонких пленок металлов, полупроводников и/или диэлектриков.
Для проведения данного практического занятия понадобится следующее учебно-лабораторное оборудование:
- оптический микроскоп;
- профилометр;
- анализатор поверхностных дефектов.
Для проведения практического занятия также потребуется наличие нескольких образцов тонких пленок (например, полупроводниковых слоев AlGaAs либо диэлектрических слоев SiO2 или Si3N4) отличающихся структурой поверхности (наличием поверхностных дефектов, степенью развитости рельефа поверхности). Данные образцы тонких пленок должны быть заранее синтезированы тем или иным способом.
В ходе выполнения практического задания преподаватель демонстрирует слушателям морфологию поверхности тонких пленок с помощью оптического микроскопа. Осуществляется визуализация поверхностных дефектов, поводится оценка плотности поверхностных дефектов, делается заключение о типе морфологии поверхности тонкой пленки.
Затем используемые в процессе выполнения практического задания образцы исследуются с помощью профилометра. Преподаватель демонстрирует слушателям работу профилометра, делаются оценки глубины и протяженности рельефа для различных образцов.
В заключительной части практического занятия образцы исследуются с помощью анализатора поверхностных дефектов. Измеряется средний размер и поверхностная плотность поверхностных дефектов, проводится сравнение этих количественных параметров с оценками, полученными с помощью оптической микроскопии.
В завершение преподаватель кратко объясняет слушателям причины, которые привели к возникновению данного типа поверхностной морфологии у данных образцов.
Методические рекомендации по выполнению самостоятельной работы.
Освоение слушателями темы дополняет самостоятельная работа с применением лекционного материала, рекомендованной литературы и Интернет-ресурсов.
При самостоятельной внеаудиторной работе слушатели должны обратить внимание на следующие вопросы:
- различные методы осаждения тонких пленок (термическое испарение; электронно-лучевое испарение; магнетронное распыление; ионно-лучевое распыление; плазменно-дуговое испарение; химическое газовое осаждение; гальваническое осаждение), особенности, достоинства и недостатки указанных методов. Особое внимание следует при самостоятельной подготовке уделить описанию используемых материалов, а также примерам применения данных методов при изготовлении базовых приборов оптоэлектроники;
- влияние структурных напряжений и дефектов на свойства материалов и характеристики приборов.
С методической точки зрения выявлять ответственность различных определяющих факторов целесообразно в следующем порядке:
1. Влияние точечных дефектов на темп безызлучательной рекомбинации;
2. Влияние протяженных дефектов на темп безызлучательной рекомбинации и электронный транспорт;
3. Влияние протяженных и макродефектов на механическую прочность и стабильность приборов и структур.
Кроме того, слушатели самостоятельно изучают следующие вопросы, не изложенные или недостаточно полно изложенные во время аудиторных занятий:
- Общее представление о литографии как о методе, разновидности, возможности, место в технологическом процессировании. Прямое маскирование. Фотолитография: особенности процессов, Типы фоторезистов, нанесение фоторезистов, экспонирование;
- Особенности интерференционной литографии, Получаемое разрешение – влияние различных параметров. Выбор резиста. Проявление. Совмещение рисунка. Перспективы развития процессов фотолитографии;
Для уточнения понимания данной темы рекомендуется рассмотреть нижеприведенный пример взаимосвязи размеров объекта, получаемого с помощью постростового процесса, с характеристиками изготавливаемого прибора и его особенностями.
Пример: Влияние размеров ширины лазерного полоска на характеристики лазерного диода.
Минимальный технологически достижимый размер ширины лазерного полоска определяется двумя факторами
- точностью нанесения протяженного литографического рисунка при достаточно малых поперечных размерах;
- точностью процесса травления лазерного полоска.
При этом следует указать, что минимальные поперечные размеры полосковых лазерных диодов, используемые на практике, заметно превосходят предельный минимальный топологический размер, который может быть достигнут современными литографическими методами.
Основные факторы, которые необходимо учитывать при изменении ширины лазерного полоска, следующие:
1) при необходимости формирования лазерного диода, работающего в пространственно-одномодовом режиме, ширина полоска должна быть меньше, чем ширина отсечки возбужденных оптических мод.
2) При уменьшении ширины полоска все большую роль начинает играть латеральное растекание носителей заряда.
3) Если латеральное растекание подавлено при уменьшении ширины полоска первоначально происходит уменьшение абсолютного значения порогового тока лазера.
4) Однако при достаточно малых размерах ширины полоска дальнейшее уменьшение ширины приводит к увеличению пороговой плотности тока и внутренних потерь.
5) При необходимости формирования лазерного диода, излучающего большую оптическую мощность, используются лазерные диоды с широким полоском.
6) Увеличение ширины полоска уменьшает электрическое и тепловое сопротивление, снижает плотность мощности на зеркале, однако лазерный диод излучает в многомодовом режиме.
К теме 2. Материаловедческие аспекты постростовой технологии (механические, электрофизические и оптоэлектронные свойства материалов)
Время, отведенное на тему: 2 часа - лекция; 1 час – практическое занятие, 3 часа - самостоятельная внеаудиторная работа.
Методические рекомендации к проведению практического занятия.
В рамках изучения темы предусмотрено проведение практического занятия «Исследование контакта металл-полупроводник».
Основными целями данного практического занятия является:
- практическое ознакомление слушателей с методами исследования характеристик металл-полупроводник;
- практическое ознакомление слушателей с оборудованием, используемым для исследования характеристик металл-полупроводник;
- демонстрация характеристик контакта металл-полупроводник на конкретном примере, определение его основных параметров.
Для проведения данного практического занятия понадобится следующее учебно-лабораторное оборудование:
- зондовая станция для измерения вольт-амперных характеристик.
Для проведения практического занятия также потребуется наличие нескольких образцов структур металл-полупроводник, обладающих как омическим, так и выпрямляющим свойством контакте. В качестве примера структур с омическим контактом могут быть рекомендованы структуры в виде слоя арсенида галлия-индия, легированного примесью n-типа до уровня около 1018 см-3, на поверхность которых нанесен слой индия. В качестве примера структур с выпрямляющим контактом можно рекомендовать рассмотреть слой AlGaAs или GaAs, на поверхность которого напылен слой алюминия. Данные образцы тонких пленок должны быть заранее синтезированы тем или иным способом. Рекомендуется использовать структуры размерами около 5 х 5 мм.
В ходе выполнения практического задания преподаватель демонстрирует слушателям зондовую станция для измерения вольт-амперных характеристик, а также сами образцы структур металл-полупроводник. Производится установка исследуемой структуры в станцию и измерение ее вольт-амперной характеристики. Рекомендуется проводить измерение вольт-амперных характеристик в режиме небольшого напряжения смещения (не более 0.5 В). При этом необходимо проводить измерения при различной полярности поданного напряжения.
После измерения вольт-амперных характеристик для структур обоих типов преподаватель демонстрирует слушателям методику определения численных параметров вольт-амперных характеристик. Для структуры с омическим контактом определяется величина последовательного сопротивления, а также вычисляется удельное последовательное сопротивление. Для структуры с выпрямляющим контактом оценивается степень неидеальности вольт-амперной характеристики, а также обратный ток.
В завершение преподаватель должен кратко напомнить слушателям причины, которые привели к возникновению данного характера вольт-амперной характеристики у данных образцов.
Методические рекомендации по выполнению самостоятельной работы.
Освоение слушателями темы дополняет самостоятельная работа с применением лекционного материала, рекомендованной литературы и Интернет-ресурсов.
При самостоятельной внеаудиторной работе слушатели должны обратить внимание на следующие вопросы:
- влияние толщины на удельную электропроводность и температурный коэффициент сопротивления,
- особенности эффекта Холла в тонких пленках;
- типы контакта металл – полупроводник.
С методической точки зрения целесообразно отдельно рассмотреть следующие типы контакта:
- омический контакт;
- выпрямляющий (Шоттки) контакт.
Кроме того, слушатели самостоятельно изучают следующие вопросы, не изложенные или недостаточно полно изложенные во время аудиторных занятий:
- Электронная литография: Процесс, экспонирование, достигаемое разрешение, Типы резистов, эффекты близости, Индукционный, контрастность, влияние параметров электронного пучка, дискретность развертки.
- Ионная и рентгеновская литография: сравнение эффективности различных типов воздействия, особенности процессов экспонирования.
- Особенности рентгеновского экспонирования, резисты для рентгеновской литографии.
Для уточнения понимания данной темы рекомендуется рассмотреть нижеприведенный пример взаимосвязи параметров омического контакта, получаемого с помощью постростового процесса, с характеристиками изготавливаемого прибора и его особенностями.
Пример: Влияние удельного сопротивления омического контакта на коэффициент полезного действия лазерного диода.
Значительный вклад в последовательное сопротивление лазерного диода вносит сопротивление омических контактов к p - и к n-сторонам лазерного диода. При этом следует учитывать, что последовательное сопротивление лазерного диода оказывает непосредственное влияние на коэффициент полезного действия лазера.
Необходимо также отметить, что КПД лазерного диода не является величиной постоянной, но зависит от рабочего тока. Если бы последовательное сопротивление равнялось нулю, наибольший КПД достигался бы при бесконечно большом токе. На практике увеличение контактного сопротивления приводит к:
1) уменьшению рабочего тока, при котором достигается максимальный КПД лазерного диода;
2) уменьшению самой наибольшей величины КПД диода.
В ходе аудиторного занятия целесообразно провести примеры расчета максимального КПД лазерного диода при различных значениях контактного сопротивления.
К теме 3. Химические травление и синтез кристаллов в постростовой технологии
Время, отведенное на тему: 2 часа - лекция; 1 час – практическое занятие, 3 часа - самостоятельная внеаудиторная работа.
Методические рекомендации к проведению практического занятия.
В рамках изучения темы предусмотрено проведение практического занятия «Химическое травление полупроводникового материала».
Основными целями данного практического занятия является:
- практическое ознакомление слушателей с оборудованием, используемым при проведении химического травления полупроводниковых структур;
- ознакомление слушателей с техникой безопасности при химическом травлении;
- демонстрация различных типов травителей (полирующий, растравливающий);
- определение скорости травления.
Для проведения данного практического занятия понадобится следующее учебно-лабораторное оборудование:
- химический вытяжной шкаф,
- комплект травителей;
- профилометр;
- оптический микроскоп.
Для проведения практического занятия также потребуется наличие нескольких образцов полупроводниковых структур.
В ходе выполнения практического занятия преподаватель демонстрирует слушателям устройство химического шкафа с вытяжкой, демонстрирует приемы безопасной работы с травителями.
На первом этапе практического занятия демонстрируется действие полирующего травителя. В качестве полирующего травителя рекомендуется использовать раствор H2SO4:H2O2:H2O, приготовленный в пропорции 4:1:1, а в качестве подвергаемого травлению материала подложку арсенида галлия. Слушателям демонстрируется полированная и шероховатая стороны подложки до процесса травления. Затем осуществляется травление подложки в полирующем травителе. После этого слушателям демонстрируется сохранение зеркальной гладкости рабочей стороны подложки, а также достижение полной или частичной зеркальности для нерабочей стороны подложки.
После этого преподавателем с помощью профилометра определяется глубина травления, а затем вычисляется скорость травления полирующим травителем.
Затем преподавателем демонстрируется действие растравливающего травителя. В качестве такого травителя рекомендуется использовать водный раствор KOH, а в качестве подвергаемого травлению материала подложку арсенида галлия. Слушателям демонстрируется полированная сторона подложки до процесса травления. Затем, после проведения процесса травления, слушателям с помощью оптического микроскопа демонстрируются возникшие ямки травления, производится приблизительная оценка их поверхностной плотности.
В завершение преподаватель должен кратко напомнить слушателям причины, которые привели к возникновению данного характера действия травителя по отношению к полупроводниковому материалу.
Методические рекомендации по выполнению самостоятельной работы.
Освоение слушателями темы дополняет самостоятельная работа с применением лекционного материала, рекомендованной литературы и Интернет-ресурсов.
При самостоятельной внеаудиторной работе слушатели должны обратить внимание на следующие вопросы:
- Рост кристаллов из растворов (Гидрофильный метод, Химическое восстановление, Электрохимическое осаждение, Золь-гель метод);
- Преобразование материалов подложки (Анодирование, Термическое выращивание, оксидирование).
Кроме того, слушатели самостоятельно изучают следующие вопросы, не изложенные или недостаточно полно изложенные во время аудиторных занятий:
- Наноимпринт литография: Схемы термического и фото- nanoimprint технологических процессов, возможности, преимущества и недостатки метода
- Безрезистная литография: примеры процессов, возможности и недостатки.
Для уточнения понимания данной темы рекомендуется рассмотреть нижеприведенный пример взаимосвязи процесса травления с характеристиками изготавливаемого с его помощью прибора.
Пример: Влияние глубины травления полосковой мезы на характеристики лазерного диода.
Травление используется для формирования лазера мезаполосковой конструкции. При этом глубина травления оказывает непосредственное влияние на характеристики формируемого лазерного диода.
Основные параметры, на которые оказывает влияние глубина травления, следующие:
1) характер распределения излучения в латеральном направлении;
2) латеральное растекание носителей заряда.
Основные факторы, которые необходимо учитывать при изменении глубины травления, следующие:
1) при малой глубине травления (меньше толщины верхнего контактного слоя) растекание оказывает значительное влияние на пороговые характеристик лазера. Кроме того, такая мезаполосковая структура не позволяет реализовать сколь либо заметный контраст показателя преломления, необходимый для достижения пространственно-одномодового характера излучения.
2) при средней глубине травления (больше толщины верхнего контактного слоя, но меньше толщины верхнего эмиттера) влияние латерального растекания в значительной степени подавлено. Однако увеличение глубины травления приводит к дальнейшему подавлению растекания. При этом возможно формирование пространственно-одномодовых лазеров в геометрии гребешкового волновода.
3) При большой глубине травления (сквозь волноводный слой) достигается полное подавление латерального растекания. Глубокая меза также обеспечивает наилучшую стабильность пространственно-одномодового излучения лазерного диода. Однако данный тип мезаструктур подходит не для всех типов полупроводниковых материалов, т. к. может происходить образование центров безызлучательной рекомбинации на границах травления.
В ходе аудиторного занятия целесообразно провести примеры расчета порогового тока при различной эффективной величине латерального растекания носителей заряда.
К теме 4. Ионно-лучевые и ионно-плазменные методы в постростовой технологии
Время, отведенное на тему: 2 часа - лекция; 1 час – практическое занятие, 3 часа - самостоятельная внеаудиторная работа.
Методические рекомендации к проведению практического занятия.
В рамках изучения темы предусмотрено проведение практического занятия «Напыление тонких пленок».
Основными целями данного практического занятия является:
- практическое ознакомление слушателей с оборудованием, используемым при напылении тонких пленок;
- ознакомление слушателей с техникой безопасности при напылении тонких пленок;
- демонстрация процесса напыления тонкой пленки.
Для проведения данного практического занятия понадобится следующее учебно-лабораторное оборудование:
- вакуумный пост для напыления тонких пленок или установка молекулярно-пучковой эпитаксии.
Наиболее желательно использование установки молекулярно-пучковой эпитаксии.
Для проведения практического занятия также потребуется наличие полупроводниковых структур (подложки), на которую будет напыляться тонкая пленка. Желательно использовать в качестве подложки арсенид галлия либо кремний, подготовленные для эпитаксиального напыления.
В ходе выполнения практического занятия преподаватель демонстрирует слушателям устройство установки для напыления тонких пленок, демонстрирует приемы безопасной работы.
На первом этапе практического занятия осуществляется загрузка подложки в установку, ее откачка и передача подложки в рабочую зону.
На втором этапе осуществляется напыление тонкой пленки на подложку. В качестве материала тонкой пленки рекомендуется использовать слой алюминия, формирующий выпрямляющий контакт на поверхности полупроводникового материала. Слушателям демонстрируется изменение морфологии поверхности по ходу осаждения тонкой пленки.
На заключительном этапе практического занятия проводится извлечение подложки с напыленной тонкой пленкой из установки и ее демонстрация слушателям.
В завершение занятия преподаватель должен кратко описать основные ожидаемые характеристики изготовленной структуры.
Методические рекомендации по выполнению самостоятельной работы.
Освоение слушателями темы дополняет самостоятельная работа с применением лекционного материала, рекомендованной литературы и Интернет-ресурсов.
При самостоятельной внеаудиторной работе слушатели должны обратить внимание на следующие вопросы:
- особенности распыления различных материалов;
- особенности получения диэлектрических пленок;
- характер распределение вещества по глубине при ионной имплантации.
Кроме того, слушатели самостоятельно изучают следующие вопросы, не изложенные или недостаточно полно изложенные во время аудиторных занятий:
- Постростовая технология полупроводниковых лазерных структур: приборная геометрия (4-х сколотые, полосковые, вертикальные); влияние конструктивных элементов на характеристики полупроводниковых лазеров;
- Описание постростового процессирования на примере квантоворазмерных лазерных структур на основе GaAs.
Для уточнения понимания данной темы рекомендуется рассмотреть нижеприведенный пример взаимосвязи процесса напыления с характеристиками изготавливаемого с его помощью прибора.
Пример: Влияние толщины напыляемого распределенного брэгговского зеркала на характеристики вертикально-излучающего лазерного диода.
Распределенное брэгговское зеркало используется для формирования оптической положительной обратной связи в структуре вертикально-излучающего лазера. При этом толщина зеркала (количество периодов) оказывает непосредственное влияние на характеристики формируемого лазерного диода.
Основные параметры, на которые оказывает влияние толщина зеркала, следующие:
1) Увеличение толщины зеркала приводит к возрастанию его коэффициента отражения;
2) При малой толщине зеркала (коэффициенте отражения ниже некоторого критического значения) лазерная генерация невозможна, т. к. оптические потери на вывод излучения оказываются слишком высоки по сравнению с достижимым оптическим усилением
3) При увеличении толщины зеркала сверх критической толщины, при которой возможно начало лазерной генерации, пороговая плотность тока уменьшается сначала резко, а затем все более медленно. Одновременно, снижается внешняя дифференциальная эффективность.
4) При использовании конструкции вертикально-излучающего лазера с проводящим зеркалом необходимо также учитывать, что при увеличении его толщины происходит возрастание последовательного сопротивления, что снижает коэффициент полезного действия лазера.
5) Также следует учитывать, что при увеличении толщины проводящего зеркала могут увеличиваться внутренние потери за счет поглощения на свободных носителях.
В ходе аудиторного занятия целесообразно провести примеры расчета потерь на вывод излучения от толщины распределенного брэгговского зеркала, используя в качестве примера материал AlAs/GaAs.
2. Методические указания по проведению промежуточного и итогового контроля по курсу «Современные методы изготовления полупроводниковых приборов».
В процессе изучения курса слушатели должны выполнить задания текущего контроля в форме промежуточного теста, оценка за который составляет 40% итоговый оценки. Количество тестовых заданий должно составлять не менее 20. Рекомендуемые тестовые задания приведены в разделе «Материалы тестовой системы для промежуточной аттестации по курсу ТБ2 «Современные методы изготовления полупроводниковых приборов».
Целью проведения промежуточного теста является контроль знаний, полученных слушателями на лекционных занятиях, практических занятиях и при выполнении самостоятельной работе. Целесообразно проводить тестирование после изучения трех первых тем курса, т. к. для ответа на предложенные вопросы теста достаточно знаний, полученных в ходе освоения этих тем. При этом слушателям по окончании каждой из этих тем выдаются те вопросы теста, которые имеют отношение к изученной теме и на которые они должны ответить во время самостоятельной внеаудиторной работы.
Кроме того, оставшееся до окончания курса время, отведенное на самостоятельную работу, может быть потрачено слушателем на более углубленное изучение тех тем, по которым его знания оказались невысоки.
Критерии оценки знаний слушателей при выполнении промежуточного теста:
Оценка «отлично» выставляется, если слушатель правильно ответил на 86-100 % вопросов теста.
Оценка «хорошо» выставляется, если слушатель правильно ответил на 71-85% вопросов теста.
Оценка «удовлетворительно» выставляется, если слушатель правильно ответил на 50-70 % вопросов теста.
Оценка «неудовлетворительно» выставляется, если слушатель не ответил правильно, по крайней мере, на 50% вопросов теста.
Если слушатель не удовлетворен оценкой, которую он получил в ходе промежуточного тестирования, допускается повторная сдача им теста, но не более одного раза. При этом повторная сдача теста должна быть отделена от первой попытки достаточным промежутком времени, необходимым для повышения уровня знаний слушателя.
Для итоговой оценки знаний слушателей используется дифференцированный зачет. Для допуска к зачету требуется получить оценку за промежуточный тест не ниже «удовлетворительно».
В ходе зачета, который проходит в форме устных ответов, слушателю предлагается дать развернутые ответы на два вопроса билета. Ответы за каждый вопрос оцениваются отдельно. Общая оценка за зачет складывается по итогам оценки на оба вопроса. Для получения положительной (удовлетворительно и выше) оценки за зачет, ответ на каждый из вопросов должен быть оценен на положительную оценку.
Время подготовки к ответу на билет в пределах 45-60 минут. Рекомендуется в процессе подготовки к ответу написание плана ответа, основных формул, диаграмм и т. д. на бумаге или на доске. Использование Интернет-ресурсов или печатных материалов в процессе подготовки к ответу на билет не допускается. Возможно использование записей, сделанных в процессе посещения лекций и практических занятий.
При оценивании знаний слушателей при ответе на вопросы билета следует уделять внимание следующим аспектам:
- насколько правильно изложена суть данного метода пост-ростовой технологии;
- насколько правильно и полно указаны основные достоинства и недостатки метода, описаны предельные достижимые параметры и область применения данной технологии;
- насколько правильно изложена теоретическая основа данной пост-ростовой технологии;
- насколько полно дано описание наиболее часто используемой аппаратной реализации данной пост-ростовой технологии;
- насколько полно дано описание основных используемых материалов (реагентов);
- приведены ли конкретные примеры использования данной пост-ростовой технологии при создании конкретных приборов.
При этом получение положительной (удовлетворительно и выше) оценки за билет обязательно требует правильного изложения сути данного метода пост-ростовой технологии. Другие критерии выставления оценки за ответ на вопрос билета изложены в «Программе курса ТБ-2 «Современные методы изготовления полупроводниковых приборов».
