《硅材料生產(chǎn)技術(shù)》實驗教學(xué)大綱

《硅材料生產(chǎn)技術(shù)》實驗教學(xué)大綱一、課程基本情況課程代碼：101145223201課程名稱（中/英文）：硅材料生產(chǎn)技術(shù)/TechnologyofSiliconMaterialProduction課程類別：專業(yè)方向特色課程課程性質(zhì)：專業(yè)選修課程課程類型：課程實驗總學(xué)分：3.5總學(xué)時：56實驗/實踐學(xué)時：16適用專業(yè)：材料物理適用對象：本科先修課程：半導(dǎo)體物理與器件，材料研究與測試方法開課學(xué)院：材料科學(xué)與工程學(xué)院二、課程簡介《硅材料生產(chǎn)技術(shù)》實驗課程是材料物理專業(yè)的一門課程實驗。使學(xué)生理解和掌握半導(dǎo)體硅材料常規(guī)電學(xué)參數(shù)（電阻率和少數(shù)載流子壽命）的物理測試方法和檢測晶體缺陷的化學(xué)腐蝕法的原理及分析方法，理解純水的制備流程及高純水分析檢測方法。通過本實驗課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生在硅材料性能檢測、生產(chǎn)工藝等方面綜合能力，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。三、實驗教學(xué)目標通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握有關(guān)硅材料的常規(guī)儀器設(shè)備的工作原理和操作規(guī)范，培養(yǎng)學(xué)生使用儀器、觀察現(xiàn)象、正確記錄數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和分析實驗結(jié)果的能力。同時培養(yǎng)學(xué)生團隊精神、創(chuàng)新能力和一定的科研能力。四、實驗項目及學(xué)時安排序號實驗項目名稱實驗學(xué)時實驗類型實驗要求每組人數(shù)備注1硅單晶電阻率的測試4綜合性必做4-62化學(xué)腐蝕法檢測晶體缺陷4驗證性必做4-63硅單晶少數(shù)載流子壽命的測試4綜合性必做4-64離子交換法制備純水以及高純水的檢測4演示性必做4-6五、實驗內(nèi)容實驗一硅單晶電阻率的測試實驗實驗?zāi)康模簩W(xué)習(xí)單晶硅電阻率性能測試儀器--四探針電阻率測試儀的原理與構(gòu)造以及通過四探針法測試硅單晶的實驗步驟、實驗原理和性質(zhì)分析。實驗設(shè)備：KDY-1型四探針電阻率/方阻測試儀實驗內(nèi)容及步驟：實驗內(nèi)容半導(dǎo)體硅單晶電阻率的測量；熟悉四探針電阻率測試儀的原理構(gòu)造，能夠熟練操作四探針電阻率測試儀設(shè)備并能夠通過分析測試結(jié)果判定單晶硅的物理性能。實驗步驟（1）主機面板、背板介紹儀器除電源開關(guān)在背板外其它控制部分均安裝在面板上，面板的左邊集中了所有與測量電流有關(guān)的顯示和控制部份，電流表（DMV1）顯示各檔電流值，電流選擇按鈕供電流選檔用，～220V電源接通后儀器自動選擇在常用的1.0mA檔，此時1.0上方的紅色指示燈亮，隨著選擇開關(guān)的按動，指示燈在不同的檔位亮起，直選到檔位合適為止。打開恒流源，上方指示燈亮，電流表顯示電流值，調(diào)節(jié)粗調(diào)旋鈕使前三位數(shù)達到目標值，再調(diào)細調(diào)旋鈕使后兩位數(shù)達到目標值。這樣就完成了電流調(diào)節(jié)工作，此時我們可以把注意力集中到右邊，面板的右邊集中了所有電壓測量有關(guān)的控制部件，電壓表（DMV2）顯示各檔（ρ/R手動/自動）的正向、反向電壓測量值。ρ/R鍵必須選對，否則測量值會相差10倍；同樣手/自動檔也必須選對，否則儀器拒絕工作。（2）使用儀器前將電源線、測試架聯(lián)接線、主機與微控制器的連接線（如使KDY測量系統(tǒng)）聯(lián)接好，并注意一下測試架上是否已接好探針頭。電源線插頭插入～220V座插后，開啟背板上的電源開關(guān)，此時前面板上的數(shù)字表、發(fā)光二極管都會亮起來。探針頭壓在被測單晶上，打開恒流源開關(guān)，左邊的表顯示從1、4探針流入單晶的測量電流，右邊的表顯示電阻率（測單晶錠時）或2、3探針間的電位差。電流大小通過旋轉(zhuǎn)前面板左下方的兩個電位器旋鈕加以調(diào)節(jié)，其它正、反向測量、ρ/R選擇、自動/手動測量都通過前面板上可自鎖的按鈕開關(guān)控制。（3）儀器測量電流分五檔：0.01mA（10μA）、0.1mA（100μA）、1mA、10mA、100mA，讀數(shù)方法如下：電流表顯示1.0000時為本檔滿檔電流，在0.01mA檔顯示：1.0000表示電流為：0.01mA×1.0000=0.01mA在0.01mA檔顯示：0.6282表示電流為：0.01mA×0.6282=0.006282mA（4）如果根據(jù)計算公式手動進行精確計算時，儀器電壓表讀數(shù)方法為：如電壓表顯示01000（忽略小數(shù)點），則電壓讀數(shù)為10.00mV，即當選擇不同檔位進行測量時，不論小數(shù)點移動到哪里，讀取電壓值時小數(shù)點相當于固定在000.00處。電流檔的選擇采用循環(huán)步進式的選擇方式，在儀器面板上有一個電流選擇按鈕，每按一次進一檔，儀器通電后自動設(shè)定在常用的1.0mA檔，如果你不斷地按下“電流選擇”按鈕，電流檔位按下列順序不斷地循環(huán)。1.0mA→10mA→100mA→0.01mA→0.1mA→1.0mA→10mA→……可以快速找到你所需要的檔位。（4）恒流源開關(guān)是在發(fā)現(xiàn)探針帶電壓觸被測材料影響測量數(shù)據(jù)（或材料性能）時，再使用，即先讓探針頭壓觸在被測材料上，后開恒流源開關(guān)，避免接觸瞬間打火。為了提高工作效率，如探針帶電壓觸單晶對材料及測量并無影響時，恒流源開關(guān)可一直處于開的狀態(tài)。（5）正、反向測量開關(guān)只有在手動狀態(tài)下才能人工操作，在自動狀態(tài)下連接KDY測量系統(tǒng)時使用，因此在手動狀態(tài)下正反向開關(guān)不起作用時，先檢查手動/自動開關(guān)是否處于手動狀態(tài)。相反在使用數(shù)據(jù)處理器測量材料電阻率時，儀器必須處于自動狀態(tài)，否則KDY測量系統(tǒng)無法正常工作。（6）在使用KDY測量系統(tǒng)時，必須嚴格按照使用說明操作，特別注意輸入數(shù)據(jù)的單位。有關(guān)測量系統(tǒng)的操作詳見其說明書。實驗二化學(xué)腐蝕法檢測晶體缺陷實驗實驗?zāi)康模簩W(xué)習(xí)化學(xué)腐蝕法的作用機理和化學(xué)腐蝕劑的選擇原則；能夠通過對化學(xué)腐蝕劑成分及組成配比的調(diào)節(jié)來控制并得到適宜的腐蝕速度；學(xué)習(xí)金相顯微鏡的操作方法并能觀察分析缺陷的類型、數(shù)量和分布情況等。實驗設(shè)備：金相顯微鏡實驗內(nèi)容及步驟：實驗內(nèi)容半導(dǎo)體晶體的化學(xué)腐蝕機理及常用腐蝕劑，半導(dǎo)體單晶中的缺陷，硅單晶中位錯的檢測，硅單晶中漩渦缺陷的檢測，金相顯微鏡簡介；掌握化學(xué)腐蝕法檢測單晶硅缺陷的方法，掌握化學(xué)腐蝕劑的選用原則并能夠獨立操作金相顯微鏡；能夠獨立分析缺陷的類型、數(shù)量及分布情況。實驗步驟（1）單晶硅片的電化學(xué)腐蝕利用半導(dǎo)體晶體在各種酸或堿性電解質(zhì)溶液中，表面構(gòu)成了微電池，由于微電池的電化學(xué)作用使晶體表面受到腐蝕，其實質(zhì)是一種氧化還原反應(yīng)。在HNO3和HF溶液電解質(zhì)溶液中的腐蝕負極：正極：總反應(yīng)：在NaOH和KOH溶液電解質(zhì)溶液中的腐蝕負極：正極：總反應(yīng)：（2）金相顯微鏡操作<1>將光源插頭接上電源變壓器，然后將變壓器接上戶內(nèi)220V電源即可使用。照明系統(tǒng)在出廠前已經(jīng)經(jīng)過校正。<2>每次更換燈泡時，必須將燈座反復(fù)調(diào)校。燈泡插上燈座后，在孔徑光欄上面放上濾色玻璃，然后將燈座轉(zhuǎn)動及前后調(diào)節(jié)，以使光源均勻明亮地照射于濾色玻璃上，這樣，燈泡已調(diào)節(jié)正確，這時則將燈座的偏心環(huán)轉(zhuǎn)動一個角度，以便將燈座緊固于底盤內(nèi)。燈座及偏心環(huán)上有紅點樗，如卸出時，只要將紅點相對即可。<3>觀察前原則上要裝上各個物鏡。在裝上或除下物鏡時，須把載物臺升起，以免碰觸透鏡。如選用某種放大倍率，可參照總倍率表來選擇目鏡和物鏡。<4>試樣放上載物臺時，使被觀察表面復(fù)置在載物臺當中，如果是小試樣，可用彈簧壓片把它壓緊。<5>使用低倍物鏡觀察調(diào)焦時，注意避免鏡頭與試樣撞擊，可從側(cè)面注視接物鏡，將載物臺盡量下移，直至鏡頭幾乎與試樣接觸(但切不可接觸)，再從目鏡中觀察。此時應(yīng)先用粗調(diào)節(jié)手輪調(diào)節(jié)至初見物像，再改用細調(diào)節(jié)手輪調(diào)節(jié)至物像十分清楚為止。切不可用力過猛，以免損壞鏡頭，影響物像觀察。相襯顯微鏡當使用高倍物鏡觀察，或使用油浸系物鏡時，必須先注意極限標線，務(wù)必使支架上的標線保持在齒輪箱外面二標線的中間，使微動留有適當?shù)纳涤嗔?。當轉(zhuǎn)動粗動手輪時，要小心地將載物臺緩緩下降，當目鏡視野里剛出現(xiàn)了物像輪廓后，立即改用微動手輪作正確調(diào)焦至物像最清晰為止。<6>使用油浸系物鏡前，將載物臺升起，用一支光滑潔凈小棒蘸上一滴杉木油，滴在物鏡的前透鏡上，這時要避免小棒碰壓透鏡及不宜滴上過多的油，否則會弄傷或弄臟透鏡。<7>為配合各種不同數(shù)值孔徑的物鏡，設(shè)置了大小可調(diào)的孔徑光欄和視場光欄，其目的是為了獲得良好的物像和顯微攝影襯度。當使用某一數(shù)值孔徑的物鏡時，先對試樣正確調(diào)焦，之后，可調(diào)節(jié)視場光欄，這時從目鏡視場里看到了視野逐漸遮蔽，然后再緩緩調(diào)節(jié)使光欄孔張開，至遮蔽部分恰到視場出現(xiàn)時為止，它的作用是把試樣的視野范圍之外的光源遮去，以消除表面反射的漫射散光。為配合使用不同的物鏡和適應(yīng)不同類型試樣的亮度要求設(shè)置了大小可調(diào)的孔徑光欄。轉(zhuǎn)動孔徑光欄套圈，使物像達到清晰明亮，輪廓分明。在光欄上刻有分度，表示孔徑尺寸。實驗三硅單晶少數(shù)載流子壽命的測試實驗實驗?zāi)康模簩W(xué)習(xí)少數(shù)載流子壽命測試儀的原理與構(gòu)造，學(xué)習(xí)少數(shù)載流子壽命的測試方法并能通過測試結(jié)果分析單晶硅的性能。實驗設(shè)備：LT-1高頻光電導(dǎo)少數(shù)載流子壽命測試儀實驗內(nèi)容及步驟：實驗內(nèi)容掌握非平衡少數(shù)載流子壽命的測量方法；熟悉少數(shù)載流子壽命測試儀的原理構(gòu)造，能夠熟練操作少數(shù)載流子壽命測試儀，并能夠通過分析測試結(jié)果判定、評價單晶硅的物理性能。實驗步驟（1）開機前檢查電源開關(guān)、電源開關(guān)是否處于關(guān)斷狀態(tài)：“0”處于低位，“1”在高位——關(guān)態(tài)在使用儀信號輸出端也示波器通道1（CH1）之間，用隨機配置的信號線聯(lián)接。擰緊壽命儀背板的保險管帽，插好電源線。（2）打開壽命儀電源開關(guān)即將電源開關(guān)“1”按下，此時“1”處于低位，“0”在高位。開關(guān)指示燈亮。先在鈹青銅電極尖端點上兩滴自來水，后將單晶放在電極上準備測量。（3）開啟脈沖光源開關(guān)光脈沖發(fā)生器為雙電源供電，先按下光源開關(guān)“1”，此時“1”在低位，“0”在高位，壽命儀內(nèi)脈沖發(fā)生器開始工作。再順時針方向擰響帶開關(guān)電位器（光強調(diào)節(jié)），此時光強指示數(shù)字表在延時十秒左右（儲能電容完成充電）數(shù)值上升。光強調(diào)節(jié)電位器順時針方向旋轉(zhuǎn)，脈沖光源工作電壓升高，光強增強，最高可調(diào)到12V，此時流經(jīng)發(fā)光管的電流高達12A。警告：特別要注意的是光強調(diào)節(jié)開關(guān)開啟后，紅外發(fā)光管已通入很大的脈沖電流，此時切勿再關(guān)或開光源開關(guān)，以免損壞昂貴的發(fā)光管。只有光強調(diào)節(jié)電位器逆時針旋轉(zhuǎn)到關(guān)斷狀態(tài)（會聽到響聲）再關(guān)或開光源開關(guān)。（4）使用前請開機預(yù)熱2～3分鐘。更換單晶測量時無需再開關(guān)儀器。（5）批量測試時，如發(fā)現(xiàn)信號不佳時，請先考慮補充兩個金屬電極尖端的水滴，但注意水滴不要流入出光孔。（6）長期使用后，銦電極會氧化變黑，此時如加水也不能改善信號波形，請用塑料片輕刮發(fā)黑部分，并用酒精棉簽或紙巾將電極擦凈（7）將壽命儀主機信號線接入YCH2高頻插座，按示波器頂蓋電源開關(guān)。檢查CURSORS（光標）、MEASURE（自動測量）、CH2、RUN/STOP4個綠燈是否亮，如有缺亮的燈，請按相應(yīng)按鍵。RUR/SOTP燈紅色時為停止，綠色方能運轉(zhuǎn)。（8）數(shù)字示波器前面板操作：基本設(shè)置完成后關(guān)閉電源示波器將自動保存設(shè)置，下次開機即可直接使用，藍色AUTO為自動設(shè)置鍵，按一下變成了出廠設(shè)置，不是我們要用的，如無意按下，需按要求重新設(shè)置（9）首先打開示波器頂端的電源開關(guān)，選擇所使用的通道CH1或CH2，（10）選好通道以后進行基本參數(shù)設(shè)置，其中設(shè)置菜單均在屏幕右邊，并使用旁邊對應(yīng)的五個藍色按鈕來選擇要設(shè)置的項，進入二級菜單時使用萬能旋鈕，通過旋轉(zhuǎn)使光標鎖定在所需項，這時按下萬能旋鈕來確定，（11）調(diào)節(jié)波形：通過旋轉(zhuǎn)水平Volt/div及垂直S/div旋鈕來調(diào)節(jié)波形的大?。?2）數(shù)字示波器可以取信號的疊加平均值，顯著降低噪聲，提升波形的質(zhì)量，平均次數(shù)愈多波形和讀數(shù)愈穩(wěn)定，但只要波形穩(wěn)定，為了提高測量速度一般選在32次即可。按功能鍵“采樣ACQUIRE”即可選獲取方式為平均，同時選擇平均次數(shù)、按測量鍵（MEASURE）采集燈自動熄滅。（13）使用數(shù)字式壽命儀我們會發(fā)現(xiàn)，影響壽命測量值的諸多因素：樣品表面狀態(tài)、波長、光強、采集次數(shù)、波形在屏幕上的左右位置、衰退曲線的讀數(shù)部位都會對壽命值有影響，因此在驗收產(chǎn)品時供需雙方要互相溝通，摸索出較好的測量條件，以便達成共識。實驗四離子交換法制備純水以及高純水的檢測實驗實驗?zāi)康模毫私饧兯诎雽?dǎo)體生產(chǎn)中的應(yīng)用，學(xué)習(xí)離子交換法制備純水的原理、性質(zhì)檢測以及純水制備系統(tǒng)的運行與維護。實驗設(shè)備：超純水制備系統(tǒng)實驗內(nèi)容及步驟：實驗內(nèi)容離子交換法制備純水的原理，純水制備系統(tǒng)的主要設(shè)備及工作原理，高純水的檢測；了解離子交換法制備純水的原理，了解離子交換法制備純水儀器的基本操作，掌握離子交換法制備純水的步驟與方法，掌握純水的測試方法，制備出合格的純水，對其進行檢測。實驗步驟（1）開啟進水球閥，接通水源，觀察系統(tǒng)各處有否滲漏。若有滲漏水應(yīng)關(guān)閉進水球閥后進行重裝。（2）通水10-20秒后打開機箱后部電源開關(guān)接通電源，當有源水時，面板上的“進水壓力”燈點亮。本機RO系統(tǒng)即啟動運行。當源水水壓無或水壓不穩(wěn)時，“進水壓力”開始燈閃爍。（3）開機運行一段時間后，儲水箱達到高水位，增壓泵自動停機。面板上的“水箱水滿”燈點亮，表明壓力水箱已儲滿水。當儲水箱水位下降時，“水箱水滿”燈熄滅，表明壓力水箱沒有滿水，增壓泵自動開機直到高水位時停機。（4）純水取用：輕按“RO”按鈕取水閥打開，從主機前左側(cè)取水嘴即可取用純水，出水量為1-1.2L/min。（5）超純水取用：輕按“UP”按鈕取水閥打開，從主機前右側(cè)取水嘴即可取用純水，出水量為1-1.2L/min。同時本機控制面板上部的水質(zhì)在線監(jiān)測儀顯示此時管路內(nèi)的超純水電阻率，再按即可停止取用超純水。六、實驗報告格式實驗名稱（一）實驗?zāi)康模ǘ嶒炘O(shè)備（三）實驗內(nèi)容及步驟（四）結(jié)果與分析（五）問題討論七、考核方式（一）實驗成績的構(gòu)成實驗成績占本門課程總成績20%，參考實驗操作和實驗報告成績綜合給定。（二）評分標準1.實驗成績五級制（優(yōu)、良、中、及格、不及格）填報，按比例記入該課程成績中。2.多個實驗項目的要最后填報平均成績。3.按照實驗指導(dǎo)書的具體要求，根據(jù)每個學(xué)生實驗過程的具體實驗操作情況和實驗報告的質(zhì)量，綜合給出實驗成績。4.實驗評分應(yīng)包括三個方面：（1）實驗操作占60%：（2）實驗報告40%；評分等級：評定成績分優(yōu)、良、中、及格和不及格五個等級。優(yōu)：90分以上；良：80-89分；中：70-79分；及格：60-69分；不及