экзаменационный билет №4 - Информационная система

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра полупроводниковых приборов и микроэлектроники
«УТВЕРЖДАЮ»
Декан факультета РЭФ
Проф. В.А.Хрусталев
«20»ноября 2009г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ МАТЕРИАЛОВ И НАНОСТРУКТУР
по направлению 210100 «Электроника и микроэлектроника»
Факультет
Кафедра
Курс 5
Радиотехники электроники.
Полупроводниковых приборов и микроэлектроники
Семестр
9
Лекции
Практические занятия
Лабораторные работы
Самостоятельная работа
Зачет
Экзамен
Курсовая работа
Контрольная работа
Всего часов
51 час.
18 час.
18 час
65 час.
9 сем
150 час.
Новосибирск
2009
2
Рабочая
программа
составлена
на
основании
образовательного стандарта высшего профессионального
направлению 210100 «Электроника и микроэлектроника»
Государственного
образования по
Дата утверждения ГОС 10.03.2000 г
Номер государственной регистрации 22 тех./бак
ОП.Р.В.01
Шифр дисциплины в ГОС-СД.01 – специальные дисциплины
Федеральный компонент.
Шифр дисциплины по учебному плану СД.01
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры ППиМЭ, протокол № 14 от 10.09 2009 г.
Программу разработал:
профессор каф..ППиМЭ, д.т.н.
Величко А.А.
Заведующий кафедрой
профессор, д.ф.-м.н.
В.А. Гайслер
3
1. Внешние требования к дисциплине.
Общие требования к образованности:
Требования государственного образовательного стандарта (ГОС) по
направлению 210100 "Электроника и микроэлектроника" (для бакалавра техники и
технологии, утвержденные 10.03.2000 г.).
Квалификационные требования: для компетентного и ответственного решения
профессиональных задач студенты должны иметь представление: приоритетном
месте и роли методов исследования материалов и наноструктур в развитии микро и
наноэлектроники: необходимо знать: физическую сущность процессов,
протекающих в полупроводниках и диэлектриках на микро- и нано- уровне;
основные электрофизические и структурные параметры
полупроводников,
диэлектриков, микро- и наноструктур; методы исследования параметров микро- и
наноструктур; основные типы используемого исследовательского оборудования и
их принципы работы.
2. Особенности (принципы) построения дисциплины
Особенности (принципы) построения дисциплины описываются в табл. 2.
Таблица 2 Особенности (принципы) построения дисциплины
Особенность (принцип)
Содержание
Государственный образовательный стандарт высшего
профессионального образования для подготовки бакалавров
Основание для введения курса
техники и технологии по направлению 210100 “Электроника и микроэлектроника”
Бакалавр техники и технологии по направлению 210100 Адресат курса
“Электроника и микроэлектроника”.
Формирование знаний в области структурных,
электрических, оптических и тепловых и свойств
твердотельных материалов и наноструктур,
Главная цель
морфологических и структурных свойств поверхности
используемых при создании компонентов твердотельной
электроники и интегральных микросхем и нанофотоники.
Описание методов измерения электрофизических,
Ядро курса
оптических и структурных и поверхностных свойств в
кристаллических и некристаллических твердых телах.
Требования к начальной подготовке, Студенту необходимо знать высшую математику,
необходимые для успешного
физическую химию, теоретическую физику, физику
усвоения Вашего курса
твердого тела и полупроводников.
Уровень требований по сравнению с
Соответствует ГОС
ГОС
Объем курса - 150 часов. Теоретическая часть (лекции) - 51
Объём курса в часах
час, лабораторные работы - 18 час, практические занятия 18
часов,
4
Основные понятия курса
Направленность курса на развитие
общепредметных,
общеинтеллектуальных умений,
обладающих свойством переноса
Практическая часть курса
Описание основных "точек"
курсовая работа 18 часов, самостоятельная работа - 65 ч.
Структура кристаллической решетки, сверхструктурные
перестройки поверхности, энергетические зоны, плотность
состояний, кинетические явления, диффузия, дрейф,
генерация, рекомбинация, а также методы исследования
электрофизических, оптических, структурных и
поверхностных свойств твердых тел
В курсе прививается умение анализировать результаты
эксперимента; создавать адекватные физические и
математические модели; проводить вычисления и
анализировать результаты расчетов.
Курс имеет практическую часть. Студенты применяют
теоретические знания для моделирования физических
процессов, приобретают навыки работы на измерительном
оборудовании, используемом в микро- и наноэлектронике.
Оценка знаний и умений студентов проводится во время
выполнения и защиты лабораторных работ с помощью
экзамена, который включает в себя 40 вопросов по
основным проблемам курса.
3. Цели учебной дисциплины
Цели учебной дисциплины описываются в табл. 3.
Таблица 3
После изучения дисциплины студент будет
Номер
Содержание цели
цели
Иметь представление:
1
о связи электрофизических и структурных свойств твердых тел и наноструктур
2
о новейших методах экспериментального исследования материалов и структур
3
о перспективных направлениях развития микро- и нанотехноэлектроники,
Знать:
4
понятийный аппарат дисциплины
предмет курса: современные физические модели электронных и ионных процессов в
5
твердых телах, воздействие ионных и электронных пучков на поверхностные и объемные
свойства твердых тел и наноструктур.
принципы работы измерительных приборов для исследования структурных
6
электрофизических и оптических свойств твердых тел и наноструктур.
7
основные принципы и направления развития метрологии наноструктур.
8
Взаимосвязь структурных, оптических электрофизических параметров твердых тел.
Уметь:
9
10
выбирать методики измерения параметров материалов и наноструктур
определять характеристики микро- и наноструктур на основе полученных
экспериментальных данных.
5
оценивать достоверность результатов исследований
сопоставлять данные различных экспериментальных методов по определению параметров
12
структур
проводить анализ основных характеристик и параметров полупроводниковых материалов
13
и структур
Иметь опыт:
Измерения параметров полупроводников методом атомно-силовой и туннельной
микроскопии, уметь проводить процессы зондовой литографии, анализировать
14
результаты исследования спектральных зависимостей коэффициентов поглощения и
отражения на Фурье спектрометре.
11
4. Содержание и структура учебной дисциплины
Описание лекционных занятий размещается в табл. 4 с указанием семестра,
в котором организуется обучение по данной дисциплине.
Таблица 4
Темы лекционных занятий
Часы
Семестр №9
Методы измерения электрофизических параметров: контакты к
полупроводниковым структурам. Двухзондовый и четырехзондовый метод
измерения. Метод Ван-дер-Пау. Методы определения кинетических параметров
4
полупроводников: концентрации и подвижность (эффект Холла). Погрешности
методов.
Зонная структура некоторых полупроводников. Оптические свойства
полкупроводников и диэлектриков.
Основные механизмы поглощения в
2
полупроводниках Спектральные зависимости коэффициентов отражения и
поглощения.
Методы исследования. Измерение оптических параметров полупроводников.
Принципы монохроматизации (фильтры, призменные и решеточные
6
монохроматоры) Источники и приемники излучения, применяемые в
монохроматорах Фурье спектрометр. Физические принципы работы. Блок схема.
Обратная решетка и сфера Эвальда. Структура чистых поверхностей
полупроводниковых кристаллов (сверхструктура) Поверхности (100) и (111)
кремния. Дефекты поверхностной структуры. Дифракция медленных электронов 6
(ДМЭ-LEED). Дифракция быстрых электронов на отражение (ДБЭ-RHEED)
Осцилляции центрального рефлекса.
Физические основы атомно-силовой микроскопии. Контактный и
полуконтактный методы. Методы исследования распределения магнитных и
электрических полей. Сканеры, кантилеверы, аппаратура. Физические основы
6
сканирующей туннельной микроскопии; методы получения атомного разрешения.
Измерение распределения потенциала и емкости. Основы зондовой литографии.
Трибология. Зондовые методы измерения температуры, химического состава.
Ионная спектроскопия. Обратное резерфордовское рассеяние. Рассеяние ионов
8
Ссылки
на цели
1, 2, 3
4, 5, 6, 8,
9, 11
4, 5, 6, 12
4, 5, 6,
10, 12, 14
4, 5, 6,
10, 12, 14
4, 5, 6,
6
низких энергий (РМИ-LEIS).Кинематика упругих столкновений. Сечение
рассеяния и прицельный параметр. Особенности рассеяния медленных ионов.
Анализ пространственного распределения примесей. Вторичная ионная массспектроскопия. Влияние первичных ионов. Оборудование ВИМС. Профили
концентраций элементов по глубине. Разрешение по глубине при послойном
анализе. Применение метода ВИМС. Каналирование. Применение в технологии
получения слоев п/п.
Методы исследования состава поверхности. Методы электронной спектроскопии.
Энергетический спектр вторичных электронов. Глубина, с которой получается
информация. Электронные спектрометры. Общие характеристики. Анализатор с
задерживающим полем (АЗП).
Электронная Оже-спектроскопия (ЭОС). Механизм эмиссии оже-электронов..
Глубина выхода Оже-электронов. Экспериментальная техника для ЭОС.
Количественный анализ. Применение Оже-спектроскопии.
Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС-XPS). Физические основы
метода. Источники фотонов. Требования к энергетическому разрешению.
Энергоанализаторы электронов. . Ультрафиолетовая спектроскопия (УФЭС UPS).
Растровая электронная микроскопия. Оборудование. Разрешающая способность.
Применение. Оборудование. Просвечивающая электронная микроскопия.
Подготовка образцов. Получение изображений в светлом поле и темном поле.
Анализ упорядоченных структур. Фурье анализ, вейвлет и фрактальная
размерность. Методы выявления квантово-размернных эффектов.
10, 12, 14
2
4, 5, 6, 7,
12, 14
4
4, 5, 12
3
2, 3, 4, 6,
7, 8
4
3, 4, 8
4
5. Учебная деятельность
В процессе освоения курса студенту предстоит: - прослушать лекции; - изучить с помощью
учебно-методической литературы некоторые разделы и темы курса; - выполнить 4 лабораторные
работы. Лекции читаются по основополагающим, наиболее сложным разделам и темам. Часть
разделов выносится на самостоятельное изучение. На лабораторных работах изучаются принципы
измерения электрорфизических и структурных параметров полупроводников. Отчет по работе
выполняется один на бригаду, а защищается каждым студентом персонально. Экзамен по
дисциплине «Методы исследования материалов и структу проводится по всему курсу на
основании контрольных вопросов.
Описание лабораторных работ размещается в табл. 6 с указанием семестра, в котором
организуется обучение по дисциплине.
Таблица 6
Темы лабораторных работ
Семестр №9
1.Изучение морфологии поверхности тестовых структур
методом АСМ.
2. Изучение морфологии структур методом СТМ.
3. Проведение процессов нано- литографии на СТМ
4.Работы по выбору:
А)Ознакомление работы дифрактометра быстрых
электронов.
Учебная
деятельность
Часы
Ссылки на
цели
4
8, 14, 15
4
4
6, 8, 14, 15
6, 8, 14, 15
4
6, 8, 14, 15
7
Б). Анализ спектральной зависимости коэффициента
поглощения эпитаксиальных структур полученных методом
Фурье спектрометра..
Защита лабораторных работ
2
,8, 14, 15
Практические занятия
Часы
2
2
2
2
2
2
2
2
Темы
Решая задачи, студент:
Измерение проводимости Определение свойств контактов по заданной работе
зондовыми иметодами.
выхода п/п и металла. Расчет погрешностей при
использовании 2-х и 4-х зондового метода.
Определение параметров Вычисление подвижности, проводимости, концентрации и
полупроводников
времени релаксации. Измерение магнитных полей.
методом эффекта Холла. Погрешности Эффекта Холла.
Метод Ван-дер-Пау.
Определение температуры Вычисление коэффициента поглощения
кремния с
кремниевой
пластины различной концентрацией свободных носителей и
нагреваемой от АЧТ
эпитаксиальных структур. Расчет поглощенной энергии и
температуры пластины.
Методы
измерения 1.Измерение температуры контактными методами.
равновесной температуры. 2. Измерение температуры пирометрами. Расчет
чувствительности и погрешности измерений.
Расчет глубины выхода Влияние морфологии поверхности эпитаксиальных пленок
электронов
на уменьшение выхода электронов в электронной
спектроскопии.
Ионное рассеяние.
Расчет эффективного сечения рассеяния при падении He+
с заданной энергией на кремниевую мишень
Ионное рассеяние.
Расчет выхода при обратном резерфордовском рассеянии
(РБС) при различных мишенях и энегиях
СЗМ
Расчет погрешностей латерального и вертикального
сканирования на СТМ.
6. Правила аттестации студентов по учебной дисциплине
Итоговая оценка знаний по всем разделам курса проводится в форме экзамена. Экзамен
проводится в устной форме.
В таблице приведена рейтинговая система оценки работы студента по отдельным
видам деятельности.
Максимальный рейтинг
Лабораторная работа
1.Выполнение л/р
2. Защита л/р
Практические занятия
2.Выполнение
работ
аудитории
5*4=20 баллов
2*4=8 баллов
3*4=12 баллов
40 баллов
в 3*8=24 балла
Достаточный рейтинг для
положительной аттестации
15 баллов
6 баллов
9 баллов
20 баллов
12 баллов
8
3.Выполнение
самостоятельной работы
Экзамен
Итого:
Курсовая работа
16 баллов
8 баллов
40
100
Максимальный рейтинг
25 баллов
60
Достаточный рейтинг для
положительной аттестации
Выполнение работы
80 баллов
50 баллов
Защита работы
20 баллов
10 баллов
Всего
100 баллов
60 баллов
. 7. Список литературы
а)Основной список
В.Л. Миронов «Основы сканирующей зондовой микроскопии», Н.Новгород, 2004г.
Л.Фелдман, Д.Майер «Основы анализа поверхности тонких пленок» М., «Мир», 1989г
В.К. Неволин «Зондовые нанотехнологии в электронике, «Техносфера», Москва, 2005г.
В.П. Грибковский «Теория поглощения и испускания света в полупроводниках»
А.Рогальский «Инфракрасные детекторы» Новсибирск, «Наука», 2004 г.
И.П. Суздалев «Физико-химия нанокластеров, навоструктур и наноматериалов».
КамКнига, Москва, 2005
7. Ю.И.Уханов. «Оптические свойсва полупроводников» «Наука», Москва 1977г.
8. К.Оура, В.Г. Лифшиц, А.А. Саранин, А.В.Зотов, М.Катаяма. «Введение в физику
поверхности»М., «Наука», 2006
1.
2.
3.
4.
5.
6.
б) дополнительная литература:
1. Д.Вулдраф, Т Делчар «Современные методы исследования поверхности»Москва,
«Мир» 1989
2. Под. Ред. ЛВ.В.Лучинина, Ю.М.Таирова. «Нанотехнология Физика, процессы,
Диагностика, приборы» «Физматлит» М., 2006
3. В.С. Иванова и др. «Синергетика и фракталы в материаловедении» М.: Наука, 1994 г.
8. Контролирующие материалы для аттестации студентов по дисциплине
Вопросы к экзамену.
9. Приложение
10. ВОПРОСЫ К КУРСУ
«МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ И СТРУКТУР»
9
1 Методы определения типа электропроводности полупроводников (термоЭДС)
2.Двухзондовый метод измерения.
3.Четырехзондовый метод измерения.
4 Метод Ван-дер-Пау.
5.Методы определения кинетических параметров полупроводников: концентрации и подвижность
(эффект Холла)
6.Оптические свойства полупроводников и диэлектриков. Коэффициенты поглощения и
отражения.
7 Основные механизмы поглощения в полупроводниках
8 Источники и приемники излучения, применяемые в монохроматорах (параметры).
9 Измерение оптических параметров полупроводников. Принципы монохроматизации (фильтры,
призменные и решеточные монохроматоры)
10.Фурье спектрометр. Физические принципы работы. Блок схема
11. Обратная решетка и сфера Эвальда.
12. Структура чистых поверхностей
полупроводниковых
кристаллов (сверхструктура)
Поверхности (100) и (111) кремния.
13 Дефекты поверхностной структуры.
14. Дифракция медленных электронов (ДМЭ-LEED).
15. Дифракция быстрых электронов на отражение (ДБЭ-RHEED) Осцилляции центрального
рефлекса.
16. Физические основы атомно-силовой микроскопии. Контактный и полуконтактный методы.
17. Методы исследования распределения магнитных и электрических полей.
18.Сканеры, кантилеверы, аппаратура.
19.Физические основы сканирующей туннельной микроскопии; методы получения атомного
разрешения.
20. Измерение распределения потенциала и емкости
21. Обратное резерфордовское рассеяние.
22. Рассеяние ионов низких энергий (РМИ-LEIS).
23.Кинематика упругих столкновений. Сечение и прицельный параметр.
24.Особенности рассеяния медленных ионов.
25. Каналирование. Физические принципы и методы измерения.
26. Вторично-ионная масс-спектрометрия (ВИМС-SIMS). Физические основы метода ВИМС.
27.Влияние первичных ионов. Оборудование ВИМС. Профили концентраций элементов по
глубине. Разрешение по глубине при послойном анализе. Применение метода ВИМС
28. Методы исследования состава поверхности. Методы электронной спектроскопии.
29.Энергетический спектр вторичных электронов. Глубина, с которой получается информация.
30. Электронные спектрометры. Общие характеристики. Анализатор с задерживающим полем
(АЗП).
31.Электронная оже-спектроскопия (ЭОС). Механизм эмиссии оже-электронов.. Глубина выхода
оже-электронов.
32.Экспериментальная техника для ЭОС. Количественный анализ. Применение ожеспектроскопии.
33.Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС-XPS). Физические основы метода.
34. Источники фотонов. Требования к энергетическому разрешению. Энергоанализаторы электронов.
35. Ультрафиолетовая спектроскопия (УФЭС UPS).
36. Растровая электронная микроскопия.
37.Просвечивающая электронная микроскопия.
38.Условия дифракции Вульфа-Брэгга и Лауэ.
39 Сравнительный компьютерный анализ упорядоченных наноструктур:
40.Фурье-анализ, вейвлет и фрактальная размерность;
10
40.Методы выявления квантово-размерных эффектов
41Рамановское рассеяние света,
42.Лнесценция, длинноволновая фотопроводимость.
Пример экзаменационного билета:
Министерство образования РФ
НОВОСИБИРСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ №4
ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«Методы анализа материалов и наноструктур»
ФАКУЛЬТЕТ РЭФ
КУРС V
1. Принцип работы туннельного микроскопа. Применение. Достоинства и недостатки.
2. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС-XPS). Физические основы метода.
3. Задача.
Составил____проф. каф ППиМЭ
А.А. Величко
Утверждаю: зав..кафедрой ППиМЭ
Проф.
В.А. Гайслер