ДТА - Входной контроль структурно-чувствительных параметров некристаллических полупроводников при производстве приборов (Описания лабораторных и мануал к типовому расчету)

http://ftemk.mpei.ac.ru/ncsПодготовлено В.А. Воронцовым © 2002e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ru1УДК537С232УДК 537.311.322:539.213(076.5)Из сборника лабораторных работ по курсу"Физика и технология аморфных полупроводников"Подготовлено на кафедре Физики и технологии электротехнических материалов икомпонентовА.И. Попов, Н.И. Михалев, В.А. Лигачев, В.Н. ГордеевВХОДНОЙ КОНТРОЛЬ СТРУКТУРНО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХПАРАМЕТРОВ НЕКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПРИБОРОВЦель работы состоит в ознакомлении с методом дифференциальнотермического анализа и его использованием для входного контроля параметров некристаллических полупроводников при производстве приборов.Методические указания Халькогенидные стеклообразные полупроводники(ХСП) Se, GeTe, AsxSe1-x и др. и их конденсаты в последние годы находят широкоеприменение в качестве активных элементов электронной техники, в электрографии,голографии, инфракрасной оптике и в других областях.

Стеклообразные полупроводники, как и другие некристаллические твердые тела, характеризуются наличиемближнего порядка в расположении атомов и в отличие от кристаллов не обладаютдальним порядком. Отсутствие дальнего порядка приводит к тому, что при постоянном химическом составе, молекулярная структура материала может варьироватьсяот образца к образцу. Изменения в молекулярной структуре, создаваемые на стадиисинтеза ХСП или в процессе получения пленок, приводят к существенным различиям в физических свойствах образцов одного и того же химического состава.

Это, всвою очередь, обусловливает большой разброс характеристик и снижение процентавыхода годных приборов.Поэтому при производстве приборов на основе ХСП необходимо проводитьвходной контроль используемого полупроводника не только по химическому составу и чистоте, но также контролировать молекулярную структуру материала.Прямые методы контроля молекулярной структуры ХСП основаны на явлениидифракции электронов, рентгеновских лучей или нейтронов при прохождении ихчерез исследуемый образец. Эти методы позволяют непосредственно получать информацию о параметрах ближнего порядка материала без использования каких-либопредварительных предположений.

Вместе с тем для их реализации необходимо достаточно сложное оборудование и большой объем расчетов для получения конечногорезультата. В связи с этим прямые методы малопригодны для оперативного контроля структуры материала, необходимого при промышленном производстве приборов.Косвенные методы контроля молекулярной структуры заключаются в измерениях структурно-чувствительных характеристик материала, .на основании которыхделается заключение о его структуре. Поскольку практически все свойства материа-http://ftemk.mpei.ac.ru/ncsПодготовлено В.А. Воронцовым © 2002e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ru2ла в той или иной степени зависят от его структуры, то выбор измеряемых параметров чрезвычайно широк. Однако проводимый контроль будет эффективен только вслучае выбора свойств материала, наиболее чувствительных к структурным изменениям, и методов контроля, несущих наибольшую информативность, а также позволяющих осуществлять оперативный контроль в процессе промышленного производства.

Одним из методов, удовлетворяющих перечисленным требованиям, .являетсядифференциально-термический анализ.Дифференциально-термический анализ (ДТА) –метод исследования физическихи химических превращений, сопровождающихся выделением или поглощением тепла. Сущность метода заключается в измерении разностей температур между исследуемым и эталонным образцами при их одновременном и идентичном нагреве илиохлаждении (дифференциальной температуры). В качестве эталонного образца используется инертное вещество с близкими к исследуемому веществу значениями теплоемкости и теплопроводности, которое в исследуемом диапазоне температур неиспытывает никаких структурных и фазовых изменений. Таким образом возникающая при одновременном нагреве или охлаждении исследуемого и эталонного образцов разность температур между ними обусловливается эндо- или экзотермическимипревращениями или реакциями в исследуемом образце.При исследованиях халькогенидных стеклообразных полупроводников ДТАслужит для сравнительного анализа характеристик их молекулярной структуры сцелью оценки степени пригодности материала для производства того или иного вида приборов.

С помощью ДТА возможно определять и абсолютные характеристикиматериала: температуру и энергию активации фазовых превращений, теплоты фазовых превращений.Установка для ДТА (см. рис.1) состоит из печи 4, в которую помещаются дватигля с исследуемым 1 и эталонным 2 образцами, снабженные термопарами 3; устройства для регулировки скорости нагрева печи 5 и приборов, фиксирующих температуру исследуемого образца 6 и разность температур между эталонным и исследуемым образцами 7. Для измерения разности температур термопары эталонного иисследуемого образцов соединяются встречно.

Результирующая термоЭДС будетравна в этом случае разности термоЭДС соединенных термопар. При одинаковойтемпературе двух образцов выходной сигнал будет равен нулю, а при протеканииэндо- и экзотермических реакций в исследуемом образце на термограмме при соответствующих температурах появляются пики, направленные в противоположныестороны.Рис.1. Схема установки дифференциально-термического анализа.http://ftemk.mpei.ac.ru/ncsПодготовлено В.А. Воронцовым © 2002e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ru3Типичная термограмма ДТА халькогенидного стеклообразного полупроводникапри нагревании приведена на рис.2 (кривая 1—запись дифференциальной температуры, кривая 2—запись температуры исследуемого образца).

Как видно из термограммы, в процессе нагрева исследуемый образец претерпевает три фазовых превращения:• размягчение материала при температуре Tg;• экзотермический процесс кристаллизации материала в области температур междуТн и Тк;• эндотермический процесс плавления образовавшейся кристаллической фазы притемпературе Тпл.Рис.2. Термограмма дифференциально-термического анализа.Характеристические точки термограммы—температуры Tg, Тн (температура начала пика кристаллизации), Тм (температура максимума пика кристаллизации), Тк(температура конца пика кристаллизации) и Тпл. Эти температуры определяются какточки пересечения нулевой линии термограммы (∆Т=0) с продолжением прямолинейных участков эндо- и экзотермических пиков.Из термограммы ДТА может быть найдена энергия активации "процесса кристаллизации исследуемого образца, которая связана со значением дифференциальной температуры в области температур образца от Тн до Тм следующим уравнением:ln ∆T = C −EкрRT,(1)где ∆Т—дифференциальная температура; Т—абсолютная температура образца, К;С—постоянная; R=8.326 Дж/гр⋅моль — универсальная газовая постоянная; Екр—энергия активации процесса кристаллизации, Дж/моль.Из уравнения (1) следует:Екр =R(ln ∆T1 − ln ∆T2 ),1 1−T2 T1(2)где Тн<(Т1 и Т2)<Тм.Следует отметить, что характеристические точки термограммы могут несколькосмещаться при изменении скорости нагрева образцов.

Поэтому скорость нагревадолжна строго контролироваться.http://ftemk.mpei.ac.ru/ncsПодготовлено В.А. Воронцовым © 2002e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ru4ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИВ качестве установки для ДТА в настоящей лабораторной работе используетсядериватограф, представляющий собой многофункциональную систему для термического анализа, позволяющую на одной ленте получить термогравиметрическую(ТГ—изменение массы образца при его нагревании), дифференциальнотермическую (ДТА) и температурную (Т) кривые.

С помощью дополнительных приспособлений можно также построить ТР- кривые (термического расширения), кривые производной ТР и ТГ, а также кривые выделенного газа.Прибор, показанный на рис.3, включает аналитические весы, печь, устройстводля регулирования температуры печи по заданной программе, тигли для образца иэталона, регулятор напряжения и гальванометрический самописец, работающий попринципу «световой луч — фотобумага». Аналитические весы с воздушным демпфированием балансира имеют точность 20±0.2 мг при предельном отклонении, рабочий интервал измерения массы — от 10 мг до 10 г. ТГП—кривая (производнаяТГ) получается с помощью простого приспособления, состоящего из магнита и индукционной катушки. Магнит подвешивается на одном плече балансира.

У обоихполюсов магнита размещены индукционные катушки. При измерении массы движение магнита индуцирует в катушках ток с напряжением, пропорциональным скорости изменения массы. Напряжение измеряется одним из гальванометров со световым лучом и записывается на ленту вместе с другими кривыми. Максимальная температура в печи 10000С. Печь может работать в атмосфере N2, CО2, Ar, O2 и другихгазов, но только при атмосферном давлении.Рис.3. Дериватограф: 1 – тигель для образца; 2 – тигель для инертного вещества; 3 –фарфоровая трубка; 4 – термопары; 5 – электрическая печь; 6 – нескручивающийся провод; 7 – весы; 8 – катушка; 9 – магнит; 10 – гальванометр для ТГП;11 – гальванометр для измерения температуры; 12 – гальванометр для ДТА; 13– лампы; 14 – оптическая щель; 15 – цилиндр для фоторегистрации; 16 – фотобумага.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ1.

Ознакомиться с инструкцией по эксплуатации дериватографа.2. Получить у лаборанта материалы эталонного образца (А12О3), халькогенидногоhttp://ftemk.mpei.ac.ru/ncsПодготовлено В.А. Воронцовым © 2002e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ru5стеклообразного полупроводника, два тигля, фотобумагу и химикаты для проявления термограммы.3. Подготовить эталонный и исследуемый образцы весом по 500 мг.4. Надеть тигли с эталонным и исследуемым веществом на соответствующие термопары.5. Закрепить фотобумагу на цилиндре для фоторегистрации и нанести на нее масштабную сетку (см.

инструкцию по эксплуатации дериватографа).6. Установить печь в рабочее положение.7. Выставить необходимые рабочие параметры, дериватографа (скорость нагревапечи, рабочий диапазон температур, чувствительность весов, чувствительностьДТА, скорость вращения барабана).8. Включить вращение барабана и программатор.ЗАДАНИЕ1. Снять ДТА-, ТГ- и Т- кривые исследуемого образца.2.