Правительство Российской Федерации
Государственное образовательное бюджетное учреждение
высшего профессионального образования
Национальный исследовательский университет
«Высшая школа экономики»
Департамент электронной инженерии
Базовая кафедра квантовой оптики и телекоммуникаций ЗАО «Сконтел»
Программа дисциплины
"Технологии полупроводниковых и сверхпроводниковых материалов"
для студентов 1 курса
направления 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника»
подготовки магистра
Магистерская программа «Прикладная физика»
Авторы: д.ф.м.н. Чулкова Г.М. и д.ф.м.н. Смирнов К.В.
Одобрена на заседании
базовой кафедры квантовой оптики
и телекоммуникаций ЗАО «Сконтел»
Зав. кафедрой
_______________Г.Н. Гольцман
«»2014 г.
Москва - 2014
Тематический план учебной дисциплины
№
п/п
|
Наименование тем
|
Всего
часов
|
Аудиторные часы
|
Самостоятель-
ная работа
|
|
Лекции
|
Семинары
и практич.
занятия
|
|
1
|
Введение
|
12
|
2
|
4
|
12
|
2
|
Выращивание монокристаллов. Технологии получения тонких пленок
|
27
|
3
|
8
|
24
|
3
|
Процессы эпитаксии
|
25
|
3
|
6
|
24
|
4
|
Физические основы литографических методов создания и переноса изображения
|
50
|
8
|
12
|
40
|
5
|
Модификация поверхностных и объемных структур
|
34
|
6
|
6
|
24
|
6
|
Методы контроля
Нанотехнологии
|
32
|
4
|
6
|
24
|
Итого часов
|
216
|
26
|
42
|
148
|
Формы рубежного контроля и структура итоговой оценки
Итоговая оценка по учебной дисциплине складывается из следующих элементов:
тесты по материалам лекций (теория)
работа на практических занятиях (решение задач, работа на лабораторных установках, доклады, обсуждения);
реферат;
экзамен.
Структура экзаменационной оценки по учебной дисциплине:
Форма работы
|
Вклад в итоговую оценку (%)
|
Тесты по материалам лекций (теория)
|
10
|
Работа на практических занятиях (решение задач, работа на лабораторных установках, доклады, обсуждения);
|
30
|
Реферат
|
10
|
Экзамен
|
50
|
Аннотация курса
Курс «Технология полупроводниковых и сверхпроводниковых материалов» входит в базовую часть цикла дисциплин магистерской программы «Прикладная физика» по направлению подготовки 210100.68 «Электроника и наноэлектроника», и рассчитан на студентов первого года обучения в магистратуре. В курсе рассматриваются новейшие достижения в области создания сверхпроводниковых и полупроводниковых наноструктур и технологии их изготовления.
Основу курса составляют установочные лекции, главным содержанием которых является освоение научно-теоретических основ физики и технологии сверхпроводниковых и полупроводниковых наноструктур, а также интерактивные практические занятия.
Содержание программы
Тема 1. Введение.
История и тенденции развития микроэлектроники на основе полупроводниковых и сверхпроводниковых материалов
Контрольные вопросы по теме
Чем полупроводники отличаются от металлов?
Какие носители тока имеются в полупроводниках; указать их заряд.
Какая примесь в полупроводнике называется донорной?
Какая примесь в полупроводнике называется акцепторной?
Что является основой полупроводникового диода?
Перечислить полупроводниковые материалы, которые вы знаете.
Какой полупроводник наиболее широко используется в современной электронике?
Что такое рекомбинация носителей тока?
Тема 2. Выращивание монокристаллов.
Кристаллизация из расплава и раствора. Фазовые диаграммы типичных полупроводниковых веществ. Зависимость температуры плавления и температуры кристаллизации от концентрации примеси, линия ликвидуса и солидуса. Коэффициент сегрегации примесей. Выращивание монокристаллов из расплава. Роль диффузии и перемешивания при росте кристалла.
Метод Чохральского. Основная схема метода и способ отвода тепла. Особенности метода при выращивании монокристаллов кремния. Жидкая капсула. Выращивание бездислокационного кремния.
Зонная плавка. Идея метода. Основные схемы реализации метода. Распределение концентрации примесей при однопроходной многопроходной кристаллизации. Эффективный коэффициент сегрегации.
Контрольные вопросы по теме
К какому типу фазовых переходов относится кристаллизация?
Почему температура плавления зависит от концентрации примесей?
Что такое агрегатное состояние вещества?
Чем фаза вещества отличается от агрегатного состояния?
В каком агрегатном состоянии находится вещество между линиями ликвидуса и солидуса?
Дать определение равновесного коэффициента сегрегации?
Как изменится эффективный коэффициент сегрегации при увеличении скорости кристаллизации?
Тема3. Технологии получения тонких пленок
Термическое вакуумное напыление.
Ионное (катодное распыление.
Ионно-плазменное распыление.
Эпитаксия их газовой фазы.
Жидкостная эпитаксия.
Молекулярно-лучевая эпитаксия.
Контрольные вопросы по теме
Какой процесс называется эпитаксией?
Что называется молекулярно-лучевой эпитаксией?
Что называется газовой эпитаксией?
Что называется жидкостной эпитаксией?
Каковы основные этапы процесса термического вакуумного напыления?
Может ли температура испарения материала отличаться от температуры его плавления?
Какие источники теплоты можно использовать для испарения вещества?
Как зависит толщина напыляемой пленки от расстояния до центра подложки для точечного испарителя?
Что такое адгезия?
Что чаще всего используется в качестве источника ионов при катодном (ионном) распылении?
Тема 4. Физические основы литографических методов создания и переноса изображения
Литография
Резисты
Фотолитография
Рентгеновская литография
Электронная литография
Сканирующая электронная литография
Совмещение
Процессы травления
Контрольные вопросы по теме
Что такое резист? Чем позитивныерезисты отличаются от негативных?
Что такое контраст для литографическихрезистов?
Что называется чувствительностью литографическихрезистов?
Какое излучение используется в фотолитографии?
Назвать основные этапы процесса фотолитографии.
Что называется разрешающей способностью резистов?
Какие методы фотолитографии вы знаете?
Что называется электронной литографией?
Тема 5. Модификация поверхностных и объемных структур
Диффузия
Ионное легирование (имплантация)
Лазерные и ионно-лучевые методы
Отжиг
Контрольные вопросы по теме
Зависит ли процесс диффузии от температуры?
Для процесса термической диффузии характерно изотропное или анизотропное проникновение примеси в подложку?
Где в подложке находится максимальная концентрация вводимой примеси в процессах термической диффузии?
Что принято понимать под лазерным легированием?
Каковы основные преимущества технологии ионной имплантации?
Какие основные физические эффекты сопутствуют внедрению иона в твердое тело при ионной имплантации?
Какова примерная величина пороговой энергии смещения атомов в твердом теле?
Какой путь, проходимый ионом, называется полным, или траекторным, пробегом?
Какой путь, проходимый ионом, называется проективным, или нормальным, пробегом?
Как рассчитать величину траекторного пробега?
Чем определяется коэффициент передачи энергии при ионной имплантации?
Что понимается под дифференциальным поперечным сечением какого-либо процесса?
Чем вызвана необходимость применения термического отжига?
Каковы основные недостатки обычного термического отжига?
В чем особенность двухволновой системы отжига?
Каковы преимущества электронно-лучевого отжига?
В чем заключается физическая сущность процесса ионно-лучевого перемешивания?
Тема 6. Методы контроля
Электронная микроскопия. Просвечивающая электронная микроскопия. Растровая электронная микроскопия. Физические и технические основы работы растровых электронных микроскопов.
Оже-спектроскопия.
Рентгеноспектральный микроанализ.
Рентгеноструктурный анализ.
Спектроскопия обратного рассеяния Резерфорда.
Ионный микроанализ и ионная масс-спектрометрия.
Туннельная и атомно-силовая микроскопия. Автоионный микроскоп. Сканирующий туннельный микроскоп. Атомно-силовой микроскоп.
Микроскопия ближнего поля.
Физические основы эллипсометрии.
Конфокальная микроскопия.
Контрольные вопросы по теме
Какова энергия электронов в пучке просвечивающего электронного микроскопа?
Каково соотношение между толщиной образца и величиной разрешающей способности в просвечивающем электронном микроскопе?
Что такое реплика в просвечивающем электронном микроскопе?
Какие физические явления, возникающие при взаимодействии электронного зонда с твердым телом, могут быть использованы для получения информации о состоянии объекта?
Как формируется изображение в растровом электронном микроскопе (РЭМ)?
Чем определяется химический контраст в РЭМ?
Чем определяется топографический контраст в РЭМ?
Чем определяется вольтовый контраст в РЭМ?
Чем определяется контраст в режиме наведенного тока в РЭМ?
В чем заключается явление катодо люминесценции?
Чем определяется контраст в РЭМ в режиме каналирования?
Чем определяется магнитный контраст в РЭМ?
В чем заключается метод оже-спектроскопии?
В чем заключается метод рентгеноспектрального микроанализа?
Сформулировать закон Мозли.
В чем отличие рентгеновских спектрометров с дисперсией по энергиям от спектрометров с дисперсией по длинам волн?
В чем заключается метод рентгеноструктурного анализа?
В чем заключается метод спектроскопии обратного рассеяния Резерфорда?
Какова физическая сущность понятия кинематического фактора?
зачем используется эталон в методе обратного рассеяния?
В чем физическая сущность методов ионного микроанализа и ионной масс-спектрометрии?
Какие факторы оказывают влияние на точность анализа и чувствительность метода вторично-ионной масс-спектрометрии?
Каков принцип действия автоионного микроскопа?
Каков принцип действия сканирующего туннельного микроскопа?
Какое физическое явление используется в сканирующем туннельном микроскопе (СТМ)?
Какой физический эффект используется при перемещении иглы сканирующего туннельного микроскопа?
Как зависит туннельный ток в СТМ от расстояния между зондом и образцом?
Каков принцип действия атомно-силового микроскопа?
В чем физическая сущность метода ближнепольной микроскопии?
В чем заключается метод эллипсометрии?
Каков принцип действия конфокального микроскопа?
Тема 7. Нанотехнология
Предпосылки перехода от микро- к наноэлектронике. Преемственность этапов развития электроники.
Два подхода к изготовлению структур в нанотехнологиях.
Эпитаксиальные методы получения наноструктур.
Нанолитография.
Зондовые нанотехнологии.
Углеродные нанотрубки.
Формирование квантовых точек и проволок.
Контрольные вопросы по теме
Охарактеризуйте два основных принципиально различных подхода к изготовлению наноструктур.
Опишите процесс формирования квантовых точек посредством самоорганизации при эпитаксии.
Опишите методику получения квантовых точек и проволок, основанную на использовании эпитаксии и нанолитографии.
Охарактеризуйте сферу практического применения массивов квантовых точек в приборных структурах.
В каких приборных структурах находят применение одиночные квантовые точки?
Какими факторами ограничивается разрешающая способность оптической литографии?
В чем особенности, достоинства и недостатки электронно-лучевой литографии и нанолитографии?
В чем особенности, достоинства и недостатки рентгенолитографии?
В чем особенности, достоинства и недостатки импринтлитографии?
В чем особенности, достоинства и недостатки перьевой нанолитографии?
В чем особенности, достоинства и недостатки методов нанолитографии, основанных на использовании СТМ и АСМ?
Что такое углеродные фуллерены и нанотрубки?
Какие виды нанотрубок вы знаете?
Опишите методы получения нанотрубок.
Какими механическими и электрическими свойствами обладают углеродные нанотрубки?
Опишите перспективы применения нанотрубок в электронике.
Темы практических занятий.
Методы осаждения тонких пленок металлов и диэлектриков – термическое испарение, магнетронное распыление, напыление с использованием сфокусированное электронного луча.
Методы фотолитографии при создании структур с планарными размерами 1 мкм.
Электронная литография для создания тонкопленочных структур нанометровых планарных размеров.
Методы травления тонких металлических пленок: химическое, плазмо-химическое, ионное.
Первичные методы контроля сверхпроводниковых пленок и структур – измерения критической температуры и ширины сверхпроводящего перехода; определение плотности критического тока.
Примерные темы рефератов
Способы достижения предельного планарного разрешения структур создаваемых методами фотолитографии.
Технологические особенности электронной литографии.
Современные методы планарной тонкопленочной технологии для создания элементной базы электроники
Жидкофазная эпитаксия
Технология изготовления квантовых ям в системе GaAs/AlGaA
Применение кремниевых технологий в наноэлектронике
Углеродные технологии в наноэлектронике
Технологии изготовления квантовых точек
Применение синхротронного излучения в современной литографии
История интегральной микросхемы
Изоляция и межсоединения - где предел классических приборов микроэлектроники
Новые материалы для микроэлектроники и наноэлектроники
Рекомендуемая литература
Основная
1. Е.Л.Парфенова, Л.А.Терентьева, М.Г.Хусаинов. Физические основы микро- и наноэлектроники. Феникс, 2012.
2. Г.И. Зебрев. Физические основы кремниевой наноэлектроники. Бином, 2011.
3. А.А.Барыбин, В.и. Томилин, В.И.Шаповалов. Физико-технологические основы макро-, микро- и наноэлектроники.Физматлит, 2011.
4. А.А.Раскин, В.К Прокофьева. Технология материалов микро-, опто- и наноэлектроники. Бином, 2010
Дополнинительная
1. Н.Герасименко, Ю.Пархоменко. Кремний – материал наноэлектроники. Техносфера, 2007.
2. Г. Мюллер. Выращивание кристаллов из расплава, пер с англ. Москва, Мир, 1991
С.С.Горелик, М.Я. Дашевский. Материаловедение полупроводников и диэлектриков. Москва, МИСИС, 2003.
3. В.Н.Лозовский, Г.С.Константинова, С.В.Лозовский. Нанотехнология в электронике. Лань, 2008.
4. В.И.Марголин, В.А.Жабрев, В.А.Тупик. Физические основы микроэлектроники. Академия,2008.
А.А.Щука. Электроника. БХВ-Петербург, 2005.
Авторы программы:д.ф.м.н, проф. Г.М. Чулкова, д.ф.м.н, проф. К.В. Смирнов |
