Основы технологии электронной компонентной базы : методы контроля характеристик материалов в технологических процессах получения тонкопленочных материалов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2293 

Кафедра технологии материалов электроники

О.И. Рабинович 
Д.Г. Крутогин 
 

Основы технологии электронной 
компонентной базы 

Методы контроля характеристик материалов  
в технологических процессах получения  
тонкопленочных материалов 

Лабораторный практикум 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва  2013 

УДК 621.38 
 
Р12 

Р е ц е н з е н т  
канд. физ.-мат. наук, доц. С.Ю. Юрчук 

Рабинович, О.И. 
Р12  
Основы технологии электронной компонентной базы : методы контроля характеристик материалов в технологических 
процессах получения тонкопленочных материалов : лаб. практикум / О.И. Рабинович, Д.Г. Крутогин. – М. : Изд. Дом МИСиС, 
2013. – 42 с. 
ISBN 978-5-87623-710-1 

В лабораторном практикуме излагаются теоретические основы технологических процессов роста полупроводниковых материалов и методы контроля их электрофизических и структурных параметров. Материал практикума 
соответствует учебному плану курса «Основы технологии электронной компонентной базы».  
Предназначен для студентов, обучающихся по направлению 210100 в качестве бакалавров, инженеров и магистров, при выполнении лабораторных 
работ, подготовке дипломных работ и магистерских диссертаций. 

УДК 621.38 

ISBN 978-5-87623-710-1 
© О.И. Рабинович,  
Д.Г. Крутогин, 2013 

СОДЕРЖАНИЕ 

Предисловие..............................................................................................4 

Лабораторная работа 1. Измерение предельного  вакуума  
и быстроты действия турбомолекулярного насоса ...............................5 

Лабораторная работа 2. Измерение удельного сопротивления 
металлических  и полупроводниковых слоев четырехзондовым 
методом....................................................................................................13 

Лабораторная работа 3. Определение глубины  залегания  
p-n перехода  методом сферического шлифа.......................................24 

Лабораторная работа 4. Исследование оптических  свойств 
тонкопленочных структур методами спектрофотометрии.................28 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Современное технологическое оборудование электронной промышленности характеризуется комплексом сочетающихся функциональных и контрольных процессов и требует высокопрофессионального обслуживания и длительной предпусковой подготовки.  
Лабораторные работы соответствуют программе курса «Основы 
технологии электронной компонентной базы» для направления подготовки 210100 «Электроника и микроэлектроника». В работах предусмотрен достаточно широкий выбор параметров технологических 
процессов (исходных веществ, легирующих примесей, рабочих концентраций, конструктивных параметров оборудования), допускающий индивидуализацию заданий по выполнению экспериментальных 
исследований важнейших свойств и характеристик полупроводниковых материалов.  
Коллектив авторов выражает благодарность доцентам кафедры 
«Технологии материалов электроники» Сергею Петровичу Курочке и 
Виктору Александровичу Никоненко за огромную помощь и советы 
при подготовке лабораторного практикума. 

Лабораторная работа 1 

ИЗМЕРЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНОГО  
ВАКУУМА И БЫСТРОТЫ ДЕЙСТВИЯ 
ТУРБОМОЛЕКУЛЯРНОГО НАСОСА 

Цель работы: получение практических навыков работы с турбомолекулярным насосом, а также ознакомление с методикой измерения его основных характеристик. 

1.1. Теоретическое введение  

Турбомолекулярные вакуумные насосы широко применяются для 
откачки газов в электротехнической, электронной, атомной, авиационной, химической и других отраслях промышленности. 
Турбомолекулярные насосы обладают следующими преимуществами перед другими высоковакуумными средствами откачки: 
– удаляют газ из сосуда, а не сорбируют его на рабочих органах, 
как крионасосы, электрофизические насосы различного типа и адсорбционные; 
– не загрязняют среду откачиваемого сосуда парами углеводородов или другими рабочими телами, как диффузионные насосы, насосы с распылением титана и др.; 
– имеют большую быстроту действия при откачке газов с малой 
молекулярной массой, обычно трудноудаляемых из высоковакуумных систем; 
– отличаются технологичностью конструкции при обеспечении 
большой быстроты действия. 
Отмеченные преимущества турбомолекулярных насосов определяют области их применения: 
– создание и поддержание остаточного давления в пределах 
10–7…10–10 Па при откачке сосудов, загрязнение сред которых парами углеводородов и другими рабочими веществами недопустимо; 
– откачка неконденсирующихся газов (Н2, Не, Ne) в высоковакуумных системах; 
– в установках нанесения пленок металлов, масс-спектрометрии, 
ускорителях элементарных частиц, а также в установках для имитации космических условий и т.д. 

Турбомолекулярные насосы работают в области молекулярного 
потока, где геометрические размеры лопаток меньше длины свободного пути молекулы. Попадая на вход насоса, молекулы получают от 
быстродвижущейся рабочей лопатки импульс движения в требуемом 
направлении откачки. Следовательно, необходимо, чтобы круговая 
скорость лопаток ротора была одного порядка со средней молекулярной скоростью. Создавая соответствующую конфигурацию роторных и статорных лопаток, достигают такого состояния, когда вероятность прохождения молекул с высоковакуумной стороны к форвакуумной была значительно больше, чем в обратном направлении. 
Конструкция турбомолекулярного насоса представлена на рис. 1.1, 1.2. 
В корпусе насоса установлены неподвижные статорные диски. Вращающийся ротор представляет собой вал с расположенными на нем рабочими 
колесами, выполненными в виде дисков с косыми радиальными пазами, 
либо в виде лопаточных колес (лопатки устанавливаются под определенным углом к торцевой поверхности втулки). Если рабочие колеса выполнены в виде дисков с прорезями, в статорных колесах такой же формы 
прорези выполняют зеркально по отношению к прорезям роторных колес. 
Если рабочие колеса имеют лопатки, то и статорные колеса изготавливают 
с лопатками, устанавливая их обычно под тем же углом, но в зеркальном 
отражении по отношению к углу установки лопаток рабочего колеса. Роторные колеса выполняются в виде дисков с прорезями. В статорных колесах имеются зеркально расположенные прорези такой же формы. 

 

Рис. 1.1. Схема турбомолекулярного насоса «Турбовак-360»: 
1 – подшипник; 2 – канал охлаждения; 3 – электродвигатель; 
4 – форвакуумный фланец; 5 – защитная сетка; 
6 – высоковакуумный фланец; 7 – статор; 8 – ротор; 
9 – пробка канала смазки; 10 – несущий вал 

Рис. 1.2. Общая схема турбомолекулярного насоса:  
а – вид спереди; б – вид сбоку; 1 – ротор; 2 – корпус; 3 – шестерни;  
4 – неподвижные статорные колеса 

Откачная характеристика (зависимость быстроты действия от отношения входного и выходного давлений) турбомолекулярных насосов определяется прежде всего откачными характеристиками рабочих колес, главным образом двумя основными параметрами: максимальной быстротой откачки при отношении давлений, равном единице, и максимальным отношением давлений при быстроте откачки, 
равной нулю. 
Теоретические зависимости максимальной быстроты откачки рабочего колеса и создаваемого им максимального отношения давлений от геометрических характеристик межлопаточных каналов или 
пазов выводят на основании теоретических моделей перехода молекул газа через колесо с учетом законов взаимодействия их со стенками межлопаточных каналов. Вероятность перехода молекул газа на 
противоположную сторону рабочего колеса выражает часть общего 
числа молекул газа, попавших в торцевое сечение межлопаточных 
каналов и перешедших на его противоположную сторону, и зависит 
от геометрии канала, окружной скорости колеса, скорости теплового 
движения молекул, а также закона взаимодействия молекул со стенками межлопаточных каналов. 
Быстроту действия насоса при давлении ниже 0,1 Па измеряют 
методом двух манометров. Схема установки для испытаний турбомолекулярных насосов и агрегатов представлена на рис. 1.3. 

Рис. 1.3. Схема установки для испытаний турбомолекулярных 
насосов и агрегатов по методу двух манометров:  
1 – испытуемый насос; 2 – измерительная камера;  
3, 7, 11 – манометрические преобразователи; 4 – натекатель камеры;  
5 – напускная трубка; 6 – напускная камера; 8 – диафрагма;  
9 – нагреватель камеры; 10 – нагреватель насоса;  
12 – форвакуумный насос; 13 – натекатель 

Метод двух манометров основан на измерении перепада давлений 
на элементе с известной проводимостью U и применяется для измерения стационарных или медленно изменяющихся во времени газовых потоков. Работу по методу двух манометров (см. рис. 1.3) проводят в следующем порядке. Откачивают измерительную камеру 2 до 
предельного остаточного давления. Закрывают натекатель камеры 4 
и снимают заглушку с его входного отверстия. С помощью натекателя в нижней части камеры (под диафрагмой 8) устанавливают по 
нижним манометрам давление рт. Одновременно измеряют по верхним манометрам давление рвх в верхней части камеры 6. Проводят не 
менее трех измерений для различных значений рвх. 
Быстроту действия насоса S вычисляют по уравнению 

 
и

вх

1 ,
d
p
S
U
p
⎛
⎞
=
−
⎜
⎟
⎝
⎠
  
(1.1) 

где Ud – проводимость диафрагмы; 
pи – исходное давление. 

Проводимость диафрагмы 8 выбирают в зависимости от ожидаемой быстроты действия испытуемого насоса. Рекомендуется принимать Ud = 1/10 быстроты действия насоса. 
Диаметр диафрагмы определяют по формуле 

 

2

4
2
К

0,187
,
d
U M
d

K T

=
⋅
 
(1.2) 

где М – молекулярная масса газа, кг/моль; 
KК – коэффициент Клаузинга; 
Т –  абсолютная температура, К. 
Рекомендуемая толщина диафрагмы 30,5 мм. Предел допускаемых погрешностей при измерении потоков газа приведен в табл. 1.1. 

Таблица 6.1  

Поток газа, Па·м3/с 
Погрешность, % 

Более 1 
1…10–4 
Менее 10–4 

±3 
±5 
±20 

Работа, в дополнение к данной теоретической базе, по определению 
быстроты действия турбомолекулярного насоса проводится по методу 
постоянного давления. Схема установки приведена на рис. 1.4. 

 

Рис. 1.4. Схема измерительной установки:  
1 – форвакуумный насос; 2 – турбомолекулярный насос;  
3 – измерительная камера; 4, 5 – манометрические преобразователи;  
6 – натекатель; 7 – вентиль; 8 – бюретка 

В предварительно откачанной до предельного давления камере 3 с 
помощью натекателя 6 устанавливают давление pi. Вентиль 7, соединяющий бюретку 8 с атмосферой, закрыт. 
Стационарный поток воздуха Q, (одинаковый в камере и в бюретке) измеряется с помощью бюретки по поднятию в ней вакуумного 
масла. Поток Qi и давление в камере pi зависят от степени открытия 
натекателя и быстроты откачки Sh. Газ, поступающий из бюретки в 
камеру, находится под давлением 

 
изм
ат
м
м,
p
p
g h
=
− ρ
Δ
  
(1.3) 

где ризм – давление воздуха в бюретке, Па; 
рат – атмосферное давление, Па; 
ρ – плотность масла, ρ = 0,8 г/см; 
g – ускорение силы тяжести, м/с; 
Δhм – высота столба масла, м. 

Если выполняется условие рат >> ρмgΔh, то можно считать, что 
pизм ≈ const и требование постоянства давления выполняется. Тогда 
газовый поток определяется по уравнению 

 
изм
б
изм
К
,
V
h
Q
p
p
t
t

Δ
Δ
=
=
Δ
Δ
  
(1.4) 

где Δh и ΔV – изменения уровня жидкости и величины объема измерительного цилиндра бюретки за время Δt;  
Кб – постоянная бюретки, Кб = πR2
изм;  
Rизм – радиус измерительного объема. 

Быстрота действия насоса (м3/с) определяется по уравнению 

 
,
i

i

i

Q
S
p
=
  
(1.5) 

где pi – давление в камере, измеренное манометрическими преобразователями 4 или 5 (см. рис. 1.4), равное входному давлению насоса. 

1.2. Порядок выполнения работы 

1. Включить измерительную установку (см. рис. 1.3) согласно инструкции по эксплуатации и откачать измерительную камеру 2 при 
закрытом натекателе 13 до установления в ней равновесного давления. Равновесным давлением считается давление, которое в течение 
3 ч изменяется не более чем на 10 %. 

2. Подключить баллон с пробным газом (Аг, Не или С02) к вентилю 7 через редуктор и открыть вентиль 7. 
3. Отрегулировать редукционным винтом поток газа так, чтобы на 
выходе из бюретки наблюдался поток пузырьков пробного газа. 
4. Продуть бюретку пробным газом в течение 5 мин. Закрыть вентиль 7 и приступить к измерениям. 
5. В случае воздуха (баллон от вентиля 7 отключен) медленно откачать бюретку через натекатель 4 при закрытом вентиле 7 до максимального подъема масла в бюретке и затем открыть вентиль 7 до 
полного опускания масла. Натекатель 4 и затем вентиль 7 закрыть и 
откачать камеру 2. 
6. Откачать установку до предельного остаточного давления. 

 1.3. Проведение измерений 

Пробный газ – воздух. 
Измерения проводятся методом постоянного давления в диапазоне работы манометрических датчиков. 
Для проведения измерений необходимо: 
1. Включить измерительную установку согласно инструкции по 
эксплуатации и откачать измерительную камеру 2 до предельного 
остаточного давления. 
2. При открытом вентиле 7 установить в измерительной камере с помощью натекателя 4 требуемое давление, начиная с минимального. 
3. Перекрыть вентиль 7 и начать отсчет по секундомеру времени и 
по шкале бюретки уровня масла t1 – начало (отметка х1 на шкале бюретки) и t2 – конец подъема масляного столба (отметка х2); x1 – х2 = ∆h – высота столба масла. В конце измерения открыть вентиль 7, чтобы масло 
не ушло в соединительный шланг и в вакуумную камеру 2. 
4. Провести измерение потока газа по пп. 2–3 три раза, каждый 
раз увеличивая давление в камере натекателем 4. 
5. Провести аналогичные измерения в обратном порядке, уменьшая каждый раз давление в камере натекателем 4. 
6. Результаты измерений внести в табл. 1.2. 

Таблица 1.2 

№ п/п 
t1 
t2 
x1 
x2 
p 
∆h 
Q 
S 

1 
 
 
 
 
 
 
 
 

… 
 
 
 
 
 
 
 
 

12