Конспект по електронике. Навчальний посібник за загальною редакцією С.І. Проценка Рекомендовано вченою радою Сумського державного університету Суми

• Название: Навчальний посібник за загальною редакцією С.І. Проценка Рекомендовано вченою радою Сумського державного університету Суми
• Анкор: Конспект по електронике
• Дата: 14.06.2022
• Размер: 2.49 Mb.
• Имя файла: rio_2013_Elektronika.docx
• Тип: Навчальний посібник; #589995
• страница: 2 из 9

Порядок виконання роботи
1. Одержати дозвіл для виконання лабораторної роботи.

2. Підготувати вакуумну установку до роботи для цього:

- ввімкнути загальний рубильник 380 В;

- відкрити воду через дифузійний насос ВУП-5М, перевірити її наявність;

- натиснути кнопку «СЕТЬ» на блоці керування;

- натиснути кнопку «НФ» (насос форвакуумний);

- після досягнення вакууму 1,5·10¹ Па на форвакуумному насосі (на індикаторі вакууму натиснута кнопка «Д2»), натиснути кнопку «БФ» для попередньої відкачки буферного балона;

- після досягнення вакууму 1,5·10¹ Па в буферному балоні (на індикаторі вакууму натиснута кнопка «Д4»), ввімкнути дифузійний насос, натиснувши кнопку «НД» на пульті керування і зачекати 40 хв для виходу насоса на робочий вакуум;

- для осадження плівок у вакуумній камері ВУП-5М необхідно відкачати робочий об’єм до високого вакууму (тиск 10^-3 Па). Порядок роботи такий: відкачати об’єм до попереднього вакууму, натиснувши кнопку «ПВ»; після досягнення вакууму 1,5·10¹Па за датчиком «Д4» відкачати об’єм до високого вакууму (кнопка «ВВ»).

3. Установити електронно-променеву гармату та підкладку для осадження тонкої плівки. Керування гарматою здійснюється таким чином: кнопки «ВКЛ» та «ПЭ1» вмикають живлення гармати; ручка «МОЩНОСТЬ 1» регулює високу напругу; ручка «МОЩНОСТЬ 2» регулює накал катода. Створивши високий вакуум в робочому об’ємі, одержати плівковий зразок. При цьому виміряти час конденсації. Інтерферометричним методом визначити товщину плівки та розрахувати швидкість конденсації.

4. Установити на ВУП-5М приставку для магнетронного розпилення. Натиснути кнопку «травление вкл» секції «режим» і з допомогою потенціометра «токИТр» та екрана над дифузійним насосом виставити тиск аргона у камері на рівні 10^-1 Па (на індикаторі 650-320 мВ). Тиск фіксується датчиком «Д1». Подати високу напругу на магнетрон, натиснувши такі кнопки секції «режим»: потужність «вкл», випаровувач «ИТр». За допомогою ручки потенціометра «МОЩНОСТЬ 1» виставити необхідну напругу, що фіксується на стрілочному індикаторі «напряжение». Виставити струм розряду за допомогою стрілочного індикатора «ток».

За допомогою регулювання тиску і потужності відкоректувати режим напилювання і зафіксувати його стабільне положення, що зберігається протягом не менше 1 хв. При осадженні плівки виміряти час конденсації й товщину плівки та визначити швидкість конденсації.
Зміст звіту
1. Назва, номер, мета роботи.

2. Конспект елементів теорії та методичних вказівок.

3. Результати експериментальних досліджень.
Контрольні запитання
1. Назвіть способи переходу речовини в газоподібний стан.

2. Поясніть принцип електронно-променевого випаровування речовини.

3. Недоліки та переваги ЕПВ.

4. Принцип методу магнетронного розпилення.

5. Переваги і недоліки методу магнетронного розпилення речовини.

6. Порядок проведення експерименту.
Список літератури
1. Готра З. Ю. Технологія електронної техніки / З. Ю. Готра.  Львів : Видавництво Національного університету «Львівська політехніка», 2010.  Т. 2.  884 с.

2. Проценко І. Ю. Прилади і методи дослідження плівкових матеріалів: навч. посіб. / І. Ю. Проценко, А. М. Чорноус, С. І. Проценко. – Суми : Вид-во СумДУ, 2007. – 264 с.

3. Данилин Б. С. Магнетронные распылительные системы / Б. С. Данилин, В. К. Сырчин. – Москва : Радио и связь, 1982.– 72 с.

Лабораторна робота 2

Дослідження епітаксіального росту тонких металевих плівок
Мета роботи – методом вакуумної конденсації отримати тонкі плівки олова (Sn), вісмуту (Ві) та ін.; вивчити методику одержання епітаксіальних (монокристалічних) плівок та дифракційного контролю ступеня їх монокристалічності; порівняти електричні властивості полі- та монокристалічних зразків.

Елементи теорії. Процеси орієнтованої кристалізації знаходяться у полі зору не лише дослідників, а й інженерів-практиків, оскільки вони вже є основою багатьох технологічних процесів (у металургії, електронній техніці тощо) Орієнтованою кристалізацією називається процес росту кристалів, що якимось закономірним чином орієнтовані відносно кристалів первинної фази. Якщо спостерігається орієнтоване нарощування шарів на монокристалічній поверхні, то таке явище називається епітаксією. У тому разі, якщо орієнтоване нарощування спостерігається на власному монокристалі, то це явище називається автоепітаксією. Термін «епітаксія» був запропонований у 1928 році Л. Руайє для опису явища орієнтованого нарощування одного кристала на іншому. Він же одержав й узагальнив великий експериментальний матеріал та сформулював принцип геометричної подібності і близькості параметрів ґраток підкладки (а_s) та епітаксіальної плівки (а_f).

Згідно з цим принципом епітаксія можлива лише у тому разі, якщо фактор відповідності ґраток
(1)
не перевищує 15 – 16%.

Подальшого розвитку ці дослідження набули у працях
Бассета, Пешлі, Палатника, Косевича та ін.

У лабораторних умовах орієнтоване нарощування кристалів уперше спостерігалося при кристалізації із розчину. Методика експерименту дуже проста і полягає у такому: на поверхню кристала-підкладки наносять краплю розчину і після випаровування розчинника одержують орієнтований осад. Цей метод був основним упродовж ста років, але в наш час використовується дуже рідко.

Іншим методом одержання орієнтованих шарів є електролітичне осадження. Структура електролітичних шарів дуже чутлива до умов проходження процесу. Найбільш істотний вплив на орієнтований ріст на катоді чинять густина струму в електроліті та товщина шару. Певний вплив здійснюють також такі параметри, як температура та склад електроліту, форма електродів, наявність поверхнево активних речовин тощо.

Орієнтована кристалізація продуктів хімічної реакції на даній речовині є досить вивченим процесом. Найбільш детально досліджена епітаксія при окисненні металів і утворенні та розпаді солей.

Однак із відомих способів одержання епітаксіальних шарів найкращим є метод конденсації парової фази на монокристалічну підкладку.

Для вивчення орієнтованого росту плівки можна використовувати оптичну й електронну мікроскопію, рентгенівський аналіз (метод Лауе), проте електронографічний структурний аналіз є основним методом вивчення епітаксії. Він стає ще більш ефективним під час використання укомплексі конденсації, коли температура підкладки (Т_п), швидкість конденсації (ω) та товщина (d), повністю визначають структуру епітаксіальної плівки: тип орієнтації, якщо паралельна підкладці, або текстури, ступінь монокристалічності та суцільності плівки, габітус кристалів та ін.

Більшість дифракційних і мікроскопічних даних вказує на те, що ступінь епітаксіальності при збільшенні товщини поступово погіршується, і при d > 100 нм плівки стають майже полікристалічними, хоча при відповідному підтриманні умов конденсації можна одержувати орієнтовані шари значно більшої товщини (до d100 мкм). Однак ступінь досконалості їх буде нижчим порівняно з тонкими плівками.

На основі досліджень електронно-оптичними методами було встановлено, що процес епітаксії залежно від товщини складається із трьох послідовних стадій. На першій тип орієнтації повністю визначається підкладкою (стадія утворення острівців). Друга стадія характеризується утворенням двійників та інших структурних дефектів, що погіршує ступінь монокристалічності. На третій стадії (в порівняно товстих плівках) спостерігається або полікристалічна структура, або виникає текстура росту з іншою орієнтацією. Рисунок 1 ілюструє наведене вище на прикладі епітаксіальних плівок Ві на підкладці (001) NaCl.

При d< 15 – 20 нм у плівках утворюється переважна орієнтація (100)Bi||(001)NaCl в усьому температурному інтервалі 300 – 430 К.

На цій стадії конденсації у плівках переважають кристали голкоподібної форми, орієнтовані у двох взаємно перпендикулярних напрямках, хоча спостерігаються кристаліти й трикутної та шестикутної форм з орієнтацією (111)Bi||(001)NaCl, що становить собою текстуру росту.

При d> 20 нм в інтервалі температур 300 <Т_п< 360 К орієнтація(111)Ві||(001)NaCl стає переважною, а ступінь досконалості орієнтації (111)Ві||(001)NaCl погіршується як зі зростанням товщини, так і температури (вже при Т_п = 350 К спостерігається лише друга орієнтація (111)Ві||(001)NaCl). При Т_п > 360 К текстура росту зникає і плівки мають лише орієнтацію (110)Ві||(001)NaCl (рис. 1).

Рисунок 1 – Залежність характеру орієнтації плівок Ві/(001)NaCl від температури підкладки і товщини:

П – полікристал; Т – текстура; ■ –(110)Bi||(001)NaCl;

●– (111)Bi||(001)NaCl
Аналіз показує, що орієнтація (110)Ві||(001)NaCl найкращим чином відповідає симетрії підкладки та плівки та забезпечує мінімум міжфазної поверхневої енергії. Виникнення текстури росту (111)Ві||(001)NaCl обумовлюється зміною умов термодинамічної рівноваги. У цьому разі відіграє основну роль не міжфазна, а поверхнева енергія.

Методичні вказівки. Для одержання епітаксіальних плівок можна взяти як підкладку монокристали NаСl та KСl (у них площина відколу – (001)), а метал, із якого будуть готуватися плівкові зразки, зазначе викладач. Таблиця 1 дає можливість підібрати пару метал-підкладка та умови осадження.

Таблиця 1 – Літературні дані про параметри епітаксії

Метал	Підкладка	Епітаксійні температури, К		Орієнтація	Примітки
		Tо	Те
Ni	(001)NaCl	390	640	(001)Ме	Tо – температура виникнення переважної орієнтації. Те – температура епітаксії. ІК – іонний кристал
	(001)KCl	-	-	(001)ІК
Ag	-	290 - 370	370 - 420	-
	-	350	420	-
Au	-	390 - 430	390 - 670	-
	-	370	650	-
Al	-	435	670 - 710	-
	-	320	550	-
Pd	-	360 - 420	520	-
	-	420	520	-
Cu	-	360 - 400	420 - 570	-
	-	350	420	-

Після одержання двох зразків – полікристалічного (Т_п<Т_о) та епітаксіального (Т_п<Т_е) – необхідно провести дослідження структури та електрофізичних властивостей.

У першому випадку необхідно відколоти частину зразків підкладки і після розчинення її в дистильованій воді плівки виловити на мікроскопічну сіточку (рис. 2). Провести спостереження дифракційної картини. Якщо плівка має полікристалічну будови то спостерігатимуться суцільні кільця; якщо плівка епітаксіальна – дифракційна картина буде складатися з точкових рефлексів. Для прикладу на рис. 3 наведено дифракційні картини від полі- та монокристалічних плівок.



Рисунок 2 – Послідовні стадії препарування зразка для дифракційних досліджень: 1  пінцет; 2  підкладка; 3  плівка; 4  кювета з дистильованою водою; 5  мікроскопічна сіточка; 6  крапля води, яку поглинає фільтрувальний папір  7


а б

Рисунок 3 – Дифракційна картина для полікристалічної плівки нікелю (а) та монокристалічної плівки золота (б)

Для дослідження електропровідності полікристалічної та епітаксіальної плівок необхідно виміряти електричний опір (R), а потім розрахувати питомий опір (ρ) відповідно до співвідношення
, (2)
де l, а, d– довжина, ширина та товщина плівки відповідно.
Порядок виконання роботи
1. Одержати дозвіл на виконання лабораторної роботи.

2. Підготувати вакуумну установку, змонтувати підкладки і піч для одержання полікристалічної та епітаксіальної плівок, закріпити термопару для вимірювання температури підкладки, підготувати наважку металу з розрахунку одержання плівки товщиною 40  60 нм.

3. Провести конденсацію плівки на підігріту і непідігріту підкладки з іонного кристала. При цьому записати час конденсації t. Визначити товщину отриманих плівкових зразків (d_п, d_е) за допомогою інтерферометра МІІ-4. Розрахувати швидкість конденсації .

4. Виміряти електричний опір та обчислити питомий опір для полікристалічної (_п) та епітаксіальної (_е) плівок і провести порівняння цих величин.

5. Провести препарування зразків для дифракційних досліджень. Для цього потрібно послідовно виконати стадії (абвгде), що наведені на рис. 2.

6. Підготувати електронний мікроскоп ПЕМ-125К для роботи в режимі дифракції.

7. Провести візуальне спостереження дифракційних картин (електронограм) і зробити висновок стосовно ступеня епітаксіальності плівок.

9. Результати експерименту занести до табл. 2.
Таблиця 2 – Результати дослідження епітаксіального росту

Метал	Підкладка	Тп,К	Те,К	dп,нм	dе, нм	, нм/с	п/е	Примітка
								п – полікристалічна плівка; е – епітаксіальна плівка

Зміст звіту
1. Назва, номер, мета роботи.

2. Конспект елементів теорії та методичних вказівок.

3. Результати експериментальних досліджень подати у вигляді табл. 2.

4. Електронограми від полікристалічної та епітаксіальної плівок.