半导体材料实验课后思考题答案

一、单色X射线衍射法晶体定向实验

原理：如果用一固定波长的X射线（或称单色 X 射线）入射到一块晶体上，

要使其能在某晶面上产生衍射，则必须

使晶体的位置能连续改变，使欲衍射晶面的放置位置（即θ角）满足布拉格方程。对不同结构的晶体和不同的晶面，其衍射线所出现的位置不同，我们根据衍射线所发现的位置就能确定出晶体的取向。

根据布拉格方程，当波长为λ的X射线以θ角入射到晶体上，若满足2dsinθ=nλ，X射线就会在晶面间距为 d的一族平行晶面上产生衍射。

2、用DQ-3型定向仪应注意哪些？

b.松开探测器支架紧固手钮，将探测器

支架旋转到与被测样品所对应的角度上，然后将紧固手钮拧紧；d.调节“计数率”旋钮在中间位置，调节“调零”旋钮使μA 率表指针在零附近；f.调节mA 旋钮在适当位置（通常使用在2mA 以下）；

1）不进行测量时，请随时关上X光光闸；

2）当要暂停操作时，请关高压，但不

要经常关低压，断电将会使已确定显示角度丢失；

3）当工作结束时，应关闭X光光闸，

关断高压，将显示器的角度输入到数字开关，关断电源。

4）mA调节旋钮，用来改变X光管的管

电流，可以根据被测样品选择适当的mA值，在满足使用的条件下，应尽量选择低mA,一般在 2mA以下；

5）计数率旋钮，在探测器接受 X 射线的情况下，用来调节微安数率率表计数率的大小，应根据需要选择在合适的位置，在满足要求的条件下，应尽量选择小一点，通常指到80格。计数率调节过大会使稳定性变差，在这种情况下，应通过提高mA来增加 X射线的强度；6）调零旋钮，在只开低压的情况下，用此旋钮调节微安数率率表指针在

0-20格附近；

7）时间常数旋钮，分为 1，2，3 档，

通常被设置在 2 档，在微安数率率表

指针摆动较大时，应放在3档的位置上（在这种情况下，因µA率表的跟随特性减慢，一定要缓慢的转动测角仪轮）。角度显示器的作用：每次开机时都要用标准样片校对一次。

3、X 方向偏角α，其原因如下：假定

基准平面与“0”位偏差为δ，待测晶片沿X 方向与表面的偏差为α，则调整θ角使衍射强度出现极大时的θ角读数θ1=θ-δ+α，θ2=θ-δ-α，

（θ1-θ2）/2=[(θ-δ+α)-(θ-δ-

α)]/2=2α/2=α即取二次测量θ角读

数之差的二分之一为偏离角的测量值时。已消除了仪器“0”位不正造成的系统误差δ，且可以根据[2θ-(θ1-

θ2)]/2={[2θ-(θ-δ+α)-(θ-δ-α)]}/2来求出仪器的系统误差。

二、层错2-3秒，位错30min。腐蚀坑。

金相观察主要可以分为缺陷显示和显

微观察两步。

位错显示：（思考题2：概述位错腐蚀

机理）

位错与其它晶体缺陷一样。它的存在意

味着晶体内（晶格）完整性受到破坏，

晶体中的原子排列在位错处已失去原

有的周期性。在位错线附近不仅是高应

力区，同时也是杂质的富集区（晶体中

的杂质往往集中的沉淀在位错上）。因此，位错区就较晶格完整区对化学腐蚀剂的作用有较高的灵敏度。这就造成了，同是在某腐蚀剂中，位错区的腐蚀速度远大于无位错区的腐蚀速度，因此我们可以通过化学腐蚀来显示晶体的

位错。

化学腐蚀一般包括氧化及络合溶解两

步，在硅的腐蚀中，常用腐蚀液之一铬

酸腐蚀液，它包括氧化剂CrO3及络合剂HF成分。C配方：标准液：HF（40%）=1:1

整个腐蚀过程是一个化学反应。因此，影响化学反应速度的因素在腐蚀过程中，都将起到一定的作用。特别是腐蚀

液的浓度、腐蚀温度都直接影响腐蚀的

速度，同时腐蚀时间的长短也必然影响

到腐蚀的进程。如果样品腐蚀面是正

（111）面，则位错坑应该为正三角形。

2、金相观察：金相显微镜是目前观察

缺陷及金相结构的常用仪器。

金相显微镜的特点：1）观察不透明物

体表面状态；2）稳定性好；3）成像清

晰；4）分辨率高；5）视场大平坦等特

点。

金相显微镜和生物显微镜的最大区别

是什么？

光源不同，金相显微镜常采用反射光来

研究不透明的材料表面结构，生物显微

镜则使用透射光研究透明或半透明物

质。

三、暗室技术是将已经曝光的感光材

料（如光谱，X 光及照相等干版或胶片

相纸等），如何经过显影，停显，定影

及水冲等步骤，得到一张可供使用的正

片或负片的过程。

当光线照到感光材料上时感光材料上

的卤化银因为受到光照，立即起了化学

变化。但是这个变化在显影之前什么也

看不出来，我们叫它潜影。在暗室中使

用显影液将潜影显现出可见的影像这

一步叫显影。使用药品使感光材料立即

停止显影的过程称为停显。好处：一是

可是使感光材料上附着的显影液不再

继续发挥作用，防止显影过度；二是把

显影液的碱性中和掉，保持定影液的酸

性。延长定影液的使用时间，停显液是

一定浓度的醋酸。把未感光的卤化银从

感光材料中除去的过程，称为定影。

定影时间：定影液将卤化银变成可溶性

络合物自胶膜中扩散出来的所需的时

间差不多。底片上的卤化银为乳白色。

溶解后体片就变成透明，因此计算底片

充分定影时应该是先把底片在定影液

中浸到完全透明（指未感光部分），然

后在延长一倍就是它全部定影时间了。

2、影响显影过程的因素是什么？

主要是显影液成分，温度，时间，搅拌

情况，如果改变这些条件都要影响显影

过程的进行。

3.什么是显微摄影？

通过金相显微镜及摄影装置将显微镜

组织摄下来，以获得金相照片。

4、显影时间：4min；

定影时间：15min以上。

停显时间：30s。

5、AgBr + 显影剂（还原态）→Ag + 显

影剂（还原态） + Br+ 如显影剂为苯

二酚时，其反应过程可写成下列化学反

应式：

卤化银均为难溶盐，很难用水溶掉，必

须通过化学反应，使其生成易溶物质，

被水冲去定影时的主要反应如下：

AgBr + Na2S2O2 →Na（AgS2O3） + NaBr

Na（AgS2O2） + Na2S2O2 →Na3（Ag

（S2O3）2）反应第一步产物硫代硫酸

银钠微溶于水，它吸附于卤化银晶体表

面，它进一步与S2O32-离子反应，生成

易溶于水的硫代硫酸三钠，因此定影的

总反应如下：AgBr + 2Na2S2O2 ＝ Na3

（Ag（S2O3）2） + NaBr反应的两种产

物都可以被水溶去。

四、试述红外吸收光谱产生的原理。

红外吸收光谱是由分子振动能级的跃

迁(同时伴随着转动能级的跃迁)而产

生的。当一定频率的红外光照射分子

时，如果分子某个基团的振动频率和它

一样，二者就会产生共振，此时光的能

量通过分子偶极矩的变化而传递给分

子，这个基团就吸收一定频率的红外

光，产生振动能级跃迁。如果红外光的

振动频率和分子中各基团的振动频率

不符合，该部分的红外光就不被吸收。

因此，若用连续改变频率的红外光照射

某试样，由该试样对不同频率的红外光

吸收与否，使通过试样后的红外光在一

些波长范围内变弱(被吸收)，在另一些

范围内则较强(不被吸收)。将分子吸收

红外光的情况用仪器记录，就得到了该

试样的红外吸收谱图。

2、根据光谱中的吸收峰位置和形状来

推断未知物的结构，依照特征峰的强度

来测定物质的含量。

红外光按波数，习惯上分成三个区域，

即远红外区、中红外区和近红外区。分

析化学中经常使用的是中红外区，其波

数范围是5000～400cm-1 ，主要涉及分

子基频振动的吸收。其单位用cm-1 表

示。它与波长的关系是：

3、光谱差减法的原理：以吸收光谱，

在样品文件中减去参比文件的方法叫

光谱差减法。

AS-(AR*FCR)

AS: 样品文件的光密度

AR: 参比文件的光密度

FCR:差减因子 FCR=dR/dS ; dS: 样品

厚度， dR: 参比厚度

差减以①确定差减因子FCR 为某一个

值，为差减结果②确定基线减平为差减

结果③确定某峰的消失为差减结果。

光谱差减法可用于混合物的分析，纯物

质的定量分析，也用于测定硅中氧、碳

含量的测定。

4、硅中氧、碳含量的计算公式：

室温差减法氧含N(O)= 4.81*10的17次

方原子数／cm 3 。室温差减法碳含量

N(C)= 1.10 *10 17 原子数／cm 3。其

中, 为吸收峰处的吸收系数。当忽略

了内部多重反射之后，对于垂直入射光

其中：d 样品厚度，单位为cm.Io 是入

射光强度（由吸收峰基线到透射线的测

量值）。I 是透射光强度（由吸收峰到

零透射线的测量值）。因为

其中

A为吸收峰高(即吸光度或光密度)

由(1)式N(O)＝4.81×

原子数／cm 3以PPm 表示，(5)式得

PPm (O)=

其中:A（O）是氧特征吸收蜂的峰高、d

是硅样品的厚度，以cm 为单位

5*1022 cm3 是单位体积硅中硅原子的

个数。同理N(c)=

PPm (c) =

A（C）是碳特征吸收蜂的峰高、 d 是

硅样品的厚度，以cm 为单位。

5、测硅中氧、碳含量，为什么要用参

比样块？

因为除化学键吸收，Si本身晶格振动存

在吸收，形成吸收峰与Si-O,Si-C叠加，

需要将其减去，所以。

五、溶胶-凝胶工艺优点：

1）它的工艺过程温度低，在玻璃和陶

瓷方面，可以制得一些传统方法难以得

到或根本得不到的材料；而且工艺温度

的大大降低也使得材料制备过程易于

控制。2）由于溶胶-凝胶工艺是由溶液

反应开始的，从而所制备的材料非常均

匀，这对于控制材料的物理性能及化学

性能至关重要。3）通过计算反应物的

成分配比可以严格控制产物材料的成

分，这对于一些电子材料来说非常重

要。4）溶胶-凝胶工艺制备的产物纯度

较高。

2、试说明溶胶-凝胶过程的基本原理。

一些易水解的金属化合物在某种溶剂

中与水发生反应，经过水解与缩聚过程

而逐渐凝胶化，再经过干燥、烧结等后

处理工序，制得所需的材料。

溶胶是在液体介质中的固体颗粒分散

体。这些颗粒足够小到能通过布朗运动

而保持长期悬浮。

凝胶是含有液相成分和内部网络结构

的固体，此液相和固相都处于高度分散

的状态。

3、试分析采用TEOS水解过程制备

SiO2薄膜时，影响薄膜质量的主要因

素。

1）水与正硅酸乙酯摩尔比，其越大，

溶液的粘度越大，说明水的加入量多

时，促进了有机醇盐的水解，加快了反

应速度。2）在相同水量下，溶液的浓

度对其粘度的影响很大。溶液的浓度越

大，则其粘度越大。这样，制备得到的