Проведение научных экспериментов в наноинженерии

Московский государственный технический университет 
имени Н. Э. Баумана 

 

 
 
 

Проведение научных экспериментов  
в наноинженерии  

 
Допущено Учебно-методическим объединением вузов  
по университетскому политехническому образованию в качестве  
учебного пособия для студентов высших учебных заведений,  
обучающихся по направлениям «Конструирование и технология  
электронных средств» (211000), «Наноинженерия» (152200),  
«Радиотехника» (210400) 
 
 
Под редакцией В.А. Шахнова 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

УДК 621.3.049.77 
ББК 32.852 
П78  

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru  
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/244/book1040.html 

Факультет «Информатика и системы управления» 
Кафедра «Конструирование и производство  
электронной аппаратуры» 

Авторы: 
А. А. Адамова, В. М. Башков, А. И. Власов, А. А. Жуков,  
Д. В. Козлов, Е. В. Кульгашов, Ю. М. Миронов, Е. В. Резчикова,  
В. А. Соловьев, В. А. Шахнов, В. М. Школьников  
 
Рецензенты:  
д-р техн. наук Л. В. Соколов, 
д-р техн. наук Ю. В. Панфилов 
 

  
       Проведение научных экспериментов в наноинженерии : 
учебное пособие / А. А. Адамова и др. ; под ред. В. А. Шахнова. — 
Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. — 129, [3] с. : ил.  

ISBN 978-5-7038-4141-9 

Учебное пособие содержит материалы о методах формирования 
и исследования микро- и наноструктур. Основное внимание уделено 
лабораторному практикуму по наукоемким технологиям микро-  
и наноэлектроники. 
Для студентов, обучающихся по направлениям «Конструирование и технология электронных средств» (211000), «Наноинженерия» 
(152200), «Радиотехника» (210400). 

УДК 621.3.049.77 
ББК 32.852 

 
 

 

 
 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 
 
© Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4141-9 
 
 
          МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 

П78   
 

Предисловие 

В условиях современного технического прогресса в области микроэлектроники и бурного развития нано- и микросистемной техники 
оперирование традиционными характеристиками электронных изделий, проектными нормами и параметрами технологических процессов 
прошлого времени становится основным сдерживающим фактором. 
В эру NBIC-технологий (нано- (Nano-), био- (Bio-), информационных (Information), когнитивных (Cognitive) технологий) особую роль приобретают исследования в области бионаноинженерии, информатики, вычислительной техники и радиоэлектроники. 
Только переход на проектные нормы элементов наноэлектроники 
(10–9…10–10 м) может обеспечить динамичное развитие большинства отраслей промышленности. 
 
Для создания наноэлектронных устройств сегодня используется достаточно широкая экспериментально-технологическая база,  
в том числе: 
• молекулярно-лучевая эпитаксия; 
• осаждение тонких пленок из газовой фазы; 
• ионно-лучевые процессы; 
• ионно-плазменные процессы; 
• вакуумные процессы и др. 
Основным материалом микро- и наноэлектроники пока остается кремний (монокристаллический, поликристаллический, пористый и аморфный). 
Активно развиваются исследования в области микро- и нанотехнологий, связанные с биомедициной, разработкой и производством сенсоров и систем обработки сигналов. Исследованию физических 
принципов 
измерения 
различных 
характеристик 
материалов посвящено большое число работ. В 2011 г. в рамках 
Федеральной целевой программы «Развитие наноиндустрии» Калужским филиалом МГТУ им. Н.Э. Баумана была выпущена серия 

книг «Библиотека наноинженерии», в которой был обобщен ранее 
накопленный опыт проведения научных экспериментов в микро- и 
наноинженерии и представлен методический базис реализации 
образовательных программ по наукоемким технологиям микро- и 
наноинженерии. Однако до сих пор, несмотря на развитие технологических возможностей и совершенствование технического парка оборудования, сохраняется острая потребность в дальнейшем 
развитии практической составляющей образовательных программ, 
реализации прикладных лабораторных практикумов с использованием инфраструктуры нанотехнологических кластеров и ресурсных центров.  
В данном учебном пособии приведено краткое изложение базовых теоретических материалов и обобщение методик проведения научных экспериментов в наноинженерии. 
Также рассмотрены вопросы, связанные с практической инженерной подготовкой в области наукоемких технологий микро- и 
наноэлектроники. В нем успешно сочетаются многолетний опыт 
подготовки инженеров и новые методы передачи знаний, в которых особое внимание уделяется практическим методам обучения. 
Обобщение и систематизация базовых методов экспериментальных исследований в сочетании с практическими примерами позволяют наглядно иллюстрировать возможности микро- и нанотехнологий. 
Для самостоятельной теоретической подготовки к лабораторному 
практикуму рекомендуется использовать учебно-методические комплексы серии «Библиотека наноинженерии» (17 томов), изданные  
в 2011 г. Калужским филиалом МГТУ им. Н.Э. Баумана.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОНЕОДНОРОДНОСТИ  
И ТЕМПЕРАТУРНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ  
СОПРОТИВЛЕНИЯ КРЕМНИЯ И РЕЗИСТИВНЫХ  
МАТЕРИАЛОВ 

1.1. Электропроводность кремния 

Монокристаллический кремний — традиционный материал 
микроэлектроники, который характеризуется целым рядом уникальных свойств (высокая механическая прочность, добротность, 
теплопроводность, отсутствие усталостных эффектов). В последнее время кремний становится основным материалом, применяемым при изготовлении микроэлектронно-механических систем 
(МЭМС). Это обстоятельство требует более глубокого исследования кремния и особенно — выявления микронеоднородностей 
электропроводности по длине слитка, его торцам и пластинам. 
Кремний относится к классу веществ, значение электропроводности которых изменяется в широком диапазоне между значениями электропроводности металлов и диэлектриков. 
В кристаллической решетке кремния каждый атом связан с четырьмя ближайшими соседями парными ковалентными связями 
(рис. 1.1, а). При комнатной температуре часть этих связей разрывается, и освобождающиеся электроны и дырки перемещаются по 
кристаллу в противоположные стороны. Число электронов в собственном кремнии равно числу дырок. При комнатной температуре 
оно весьма мало (1010) по сравнению с числом атомов (1023) в 1 см3. 
Наличие примесей элементов 3-й и 5-й групп Периодической 
таблицы Д.И. Менделеева (рис. 1.1, б, в) приводит к появлению в 
решетке кремния избыточных дырок и электронов. Под воздействием электрического поля электроны и дырки перемещаются. Их скорость — скорость дрейфа носителей заряда в электрическом поле 

напряженностью 1 В/см — называют подвижностью и обозначают 
буквой μ. Подвижность различна для электронов (μn) и дырок (μp). 
Удельная электропроводность определяется выражением  

 
,
n
n
p
p
q
q
σ =
μ +
μ
 

где q  — заряд электрона, q = 1,60·10–19 Кл. 
 

 

Рис. 1.1. Структура кремния: 
а — кремний c собственной проводимостью; б — кремний p-типа; в — кремний n-типа  
 

 

Рис. 
1.2. 
Зависимость  
относительной удельной 
электропроводности собственного 
кремния 
от 
температуры (σi0 — электропроводность при температуре +20 °C)
 
В практической деятельности удобнее оперировать удельным 
сопротивлением 
1/
ρ =
σ  Ом·см. У кремния оно может изменяться 
в диапазоне 10–4…106 Ом·см. Для собственного кремния число 

электронов равно числу дырок (
),
i
n
p
n
=
=
 следовательно, 
iσ =  

(
).
i
n
p
qn
=
= µ + µ
 

Температурная зависимость собственной проводимости кремния определяется температурной зависимостью собственной концентрации ni. Эта зависимость очень сильная (экспоненциальная). 
На рис. 1.2 представлена зависимость σi/σi0 от температуры (в полулогарифмическом масштабе). 

1.2. Влияние разброса значений удельного сопротивления  
на качество и выход годных изделий 

Разброс значений параметров и выхода годных электронных 
изделий всегда был связан с разбросом значений удельного сопротивления кремния. Эта связь становилась все более тесной по мере 
уменьшения проектных норм элементов микросхем, и сегодня это 
особенно заметно.  
При достигнутом уровне проектных норм (≤ 0,1 мкм) усреднение значений удельного сопротивления стало приводить к снижению качества и выхода годных изделий. Это обусловлено в 
первую очередь тем, что даже незначительное нарушение условий 
кристаллизации кремния из жидкой фазы приводит к возникновению каналов (тонких микрообластей, соизмеримых с элементами 
транзисторов), удельное сопротивление в которых в 1,5–2,0 раза 
ниже среднего значения. Такой разброс значений сопротивления 
приводит к снижению напряжения пробоя, потере качества  
и уменьшению выхода годных изделий. 

1.3. Зондовые методы  
измерения удельного сопротивления 

В 1954 г. Л.Б. Вальдесом (L.B. Valdes) впервые была исследована возможность использования четырехзондового метода для 
измерения сопротивления германия. С тех пор этот метод является 
основным методом контроля монокристаллических полупроводниковых материалов. Схема измерения удельного сопротивления 
четырехзондовым методом представлена на рис. 1.3. 

Рис. 1.3. Схема измерения удельного сопротивления четырехзондовым методом: 
1–4 — зонды 

 
Через крайние зонды 1 и 4 пропускают ток I, между средними 
зондами 2 и 3 измеряют падение напряжения U. Удельное сопро
тивление определяется по формуле 
2
,
U
S
I
ρ =
π
 где S — расстояние 

между зондами. Существуют модификации этого метода с двух-  
и однозондовыми головками. 
Все зондовые головки имеют существенные недостатки: 
1) расстояние между зондами больше или равно 100 мкм (проектная норма в современных изделиях — меньше или равно 1,0 мкм, 
поэтому 
значения 
сопротивления 
приходится 
ограничивать  
на слишком большом интервале); 
2) при измерении сопротивления такого твердого материала, 
как кремний, острозаточенные зонды очень быстро изнашиваются; 
3) для устранения инжекции неосновных носителей заряда через токовые зонды требуется создавать специальные омические 
контакты. 

1.4. Омические контакты и способ их создания 

Омическими контактами называют такие контакты металла  
с кремнием, которые не создают добавочного сопротивления для 
тока, не вступают в химические взаимодействия с кремнием, не 
изменяют своих свойств при изменении условий освещения, температуры или напряженности приложенного электрического поля 
и не создают эффектов выпрямления. Основные требования к омическим контактам формулируются следующим образом: 

• контакт не должен быть выпрямляющим, т. е. его сопротивление не должно зависеть от направления протекающего тока; 
• сопротивление материала контакта должно быть намного 
меньше сопротивления кремния; 
• контакт должен быть механически прочным, надежным  
и обеспечивать стабильную работу. 
Современным способом получения омических контактов является магнетронное напыление алюминия с последующей фотолитографией для формирования контактных площадок и вжиганием 
алюминия в кремний. Именно таким образом сегодня формируются омические контакты — алюминиевые контактные площадки на 
тестовых структурах для контроля микронеоднородностей сопротивления в микро- и наноизделиях на основе монокристаллического кремния. 

1.5. Метод тестового контроля микронеоднородности  
сопротивления монокристаллического кремния 

Фрагмент тестового кристалла — две тестовые структуры для 
контроля микронеоднородности сопротивления кремния — представлен на рис. 1.4.  
 

 
 
Рис. 1.4. Фрагмент тестового кристалла с двумя тестовыми структурами: 
K — диффузионные области (зонды) с высокой концентрацией примесей (стоки  
и истоки n- и p-канальных транзисторов); L — расстояние между зондами, соответствующее размерам длин каналов транзисторов n- и p-типов; 1– 4 — контактные алюминиевые площадки двух тестовых структур, к которым микросваркой 
привариваются проводники (или на которые опускаются зондовые головки), соединяющие структуру с измерительными средствами 

Этот метод обеспечивает высокую точность измерения сопротивления и дает возможность сравнивать полученные значения. 

1.6. Производство поли- и монокристаллического кремния  
и кремниевых пластин 

Кремний — один из наиболее хорошо изученных элементов 
Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Его суммарная масса 
составляет 25 % массы земной коры, а по степени распространения 
в природе кремний уступает только кислороду. 
После введения термина «кремниевый кристалл» понятие 
«кремний» стало отождествляться с эрой твердотельной электроники. 
Развитие технологии полупроводникового кремния позволило 
почти полностью исключить германий (и ряд других полупроводниковых материалов) из ряда материалов для производства интегральных схем (ИС). Высокое собственное удельное сопротивление кремния (~ 230 000 Ом·см) дало возможность применять его 
при изготовлении высоковольтных приборов, датчиков, чувствительных к инфракрасной области спектра. Механические свойства 
кремния определили его применение в МЭМС. 

1.6.1. Поликристаллический кремний 

Поликристаллический кремний (Si*) — это кремний высокой 
чистоты, используемый для производства монокристаллического 
кремния. 
Производят поликристаллический кремний следующим образом: 
• в дуговую печь загружают кварцит (чистый диоксид кремния) и кокс (углерод). В расплавленной массе протекает много 
реакций, которые можно записать в виде общей результирующей реакции: 

 
~1800 C
2
SiC
SiO
Si
SiO
CO;
 °
+
⎯⎯⎯⎯→
+
+
 

• затратив примерно 13 кВт·ч электроэнергии, получают 1 кг 
металлургического кремния со степенью чистоты порядка 98 %;