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复习提纲及详解

信息材料与器件复习答案

分章说一下。

第一章的外延那道题感觉大家对外延技术的分类不是很清楚。

虽然把MOCVD、MBE、sputtering和SOI、SOS放一起不能算错，但是希望大家能系统地了解外延的分类方法，以免有混乱的感觉。

而作图说明MOSFET的工艺流程，建议大家能画类似于梁老师课件上的剖面图，而不是流程框图，毕竟是考试重点。

另外，CMOS的特点是既有P管又有N管，只画一种管子不能算是CMOS；在N阱中一般是PMOS，P阱中是NMOS；硅栅工艺的自对准（先刻栅再源漏掺杂），这些基本特点希望大家不要犯错误。

这一道题以NMOS单管的流程为主，补完的ppt中有COMS工艺，可能与梁老师课件上有所不同，考虑到了B极接地点，所以有些复杂。

仅供参考，希望通过对照能加深理解。

以上课时课件为基本。

另外单管工艺也考虑到管间的直接连接所以有一步是刻接触孔，不考虑这一点，步骤可以进一步简化。

第一章其他的题目以及第二章所有题目，课件上有，或者需要查阅资料，大家完成的都很好，就不多赘述。

第三章的第一道题，关于光纤损耗，综合大家的作业和我找的一些资料，对应各种损耗写了一些减小的方法，主要希望大家能进一步了解损耗的组成，有兴趣的同学可以看一下。

第二道EDFA是考试重点之一，我word文档里的答案是直接从课件中贴出来的，大家看课件就可以了，最好会画那两幅图。

第三道题略。

第四章只整理了那道加速度传感器的题目。

一共找了四种基本类型，ppt比较粗糙，大家主要看一下结构和基本原理就可以，有兴趣的话可以看一下测量原理和精确度的计算，当然也不是每个类型都提到了测量原理和精确度。

。

。

整理时只是从传感器的原理出发，至于是否采用微机电系统以及一些新型传感器（如光纤振动传感器）没有涉及。

答案的主要参考是大家的和往届学长的作业，冯则坤老师、尹盛老师和陈实老师的课件，网上的一些资源和图书馆的电子文献。

欢迎大家给出意见和建议。

以上。

PS:

考试题型和所占分数已经确定：

名词解释：

5'×5

简答：

10'×6

论述：

15'×1

王莹

2008.11.14

1.微电子芯片材料与器件

衬底材料，栅结构材料，互联材料，在各个发展阶段典型材料及其性能特征

三种主要的外延生长技术：

化学气相沉积（MOCVD），分子束外延（MBE）和等离子溅射（sputtering）

三种封装：

球形矩阵封装（BGA），系统级封装（SIP），3D封装

光学曝光和非光学曝光技术的种类，各自的特点

等离子刻蚀，溅射刻蚀，反应离子刻蚀

扩散掺杂与离子注入掺杂

衬底材料，栅结构材料，互联材料，在各个发展阶段典型材料及其性能特征

衬底材料：

半导体材料semiconductor：

Si、Ge、Se、GaAs、InP、GaN、SiC等

Si、Ge（第一代）；GaAsInP（第二代）高频；GaN、AlN、InN、SiC（第三代）高温高功率;C（金刚石），InAs等新型半导体材料。

单晶制备：

SOI（绝缘衬底上的硅）：

实现介质隔离，寄生电容小、集成度高和工作速度快，适合低压低功耗电路。

GaN：

高热和化学稳定性，高热导率，用于制备高温高频器件。

Si/GeSi合金：

制备新材料新器件（如：

异质结晶体管）。

栅结构材料

栅绝缘介质层：

传统栅绝缘介质材料：

SiO2几个原子层厚度1.5nm。

在PMOS中，多晶硅栅中硼离子易穿透SiO2层扩散到沟道区，使器件性能退化。

目前发展：

SiNxOy相对介电常数为5～7.9，较好地防止硼离子扩散，低漏电流，高抗老化击穿。

随半导体工艺进入到0.1um尺寸范围时，SiO2或SiNxOy厚度小于3nm，电子隧穿效应越来越显著，栅对沟道控制减弱。

栅电极材料：

传统电极材料：

Al，与硅兼容性好，但不能满足高温处理要求。

传统工艺的缺陷：

对于传统CMOS工艺，MOSFET器件阈值电压通常需要通过沟道杂质注入的方法进行调整。

随着器件尺寸的减小，沟道尺寸越来越小，沟道掺杂浓度越来越高，沟道杂质浓度涨落对器件性能不利影响也越来越显著。

常用电极材料：

多晶硅满足高温处理要求，但电阻率较高；难熔金属硅化物Polycide/Salicide发展趋势：

传统MOS工艺沟道掺杂沟道零掺杂技术。

目前研究的栅电极材料：

GexSi1-x－通过改变X值，连续调节能带带隙；W/TiN－连续调节功函数；耐高温；作为Cu互连的扩散阻挡层材料。

互连材料：

金属导电材料和相配套的绝缘介质材料

传统互连材料：

金属导电材料—铝；绝缘介质材料—SiO2。

缺点：

随集成度的提高，互连线长度和所占面积迅速增加（≥80%），导致电路互连时间延迟大，信号衰减和串扰显著，电路可靠性下降。

目前研究重点：

铜/低介电常数绝缘介质（k≤3）

三种主要的外延生长技术：

化学气相沉积（MOCVD）：

氢气携带金属有机化合物与非金属氢化物一起进入反应室中，在一定的温度条件下，气相及气—固界面发生一系列物理、化学反应，最终在衬底上形成外延层。

分子束外延（MBE）：

在超真空条件下，一种或几种组分的热原子束或分子束喷射到加热的衬底表面，在衬底表面反应而沉积成薄膜单晶的外延工艺

等离子溅射（sputtering）：

利用气体辉光放电过程中产生的正离子与靶材料的表面原子间的能量交换，把物质从原材料移向衬底，实现薄膜的沉淀。

三种封装：

球形矩阵封装（BGA）：

其I/O引线以圆形或柱状焊点按阵列形式分布在封装下面，引线间距大，引线长度短。

系统级封装（SIP）：

在同一个小型基板上，采用微互联技术将若干裸芯片和微型无源元件相连接，组成高性能的具有系统功能的微型组件。

如：

中央处理器MCU

3D封装：

是在垂直于芯片表面的方向上堆叠、互连两块以上裸片的封装，是一种高级的SIP封装技术。

光学曝光和非光学曝光技术的种类，各自的特点

光学曝光系统分为两种：

遮蔽式（shadow）曝光和投影式（projection）曝光。

遮蔽式曝光系统又分为接触式和接近式两种形式。

接触式曝光的分辨率较高，但产品率低；接近式曝光时掩模版与衬底之间通常保持10～50m，掩模版与衬底之间的间隙会使图形边缘出现衍射。

投影式曝光系统。

它采用一套光学组件，使光通过掩模版将掩模图形投影到几厘米外涂有光刻胶的衬底上进行曝光。

投影式曝光系统分为扫描和分布重复两种基本类型。

扫描曝光系统把通过狭缝的光从掩模版聚焦到衬底上，同时掩模板和衬底一起作扫描运动，直至掩模图形布满整个衬底而完成曝光。

分布重复曝光系统一次曝光衬底上的一块矩形区域（称为图像场），然后不断重复直至将小面积图形布满整个衬底，其掩模图形尺寸与实际图形尺寸的比例可以是1:

1或者大于1:

1（称为缩小图形曝光）。

接触式曝光

掩模版与光刻胶紧密接触。

优点：

曝光对比度高，精度高。

缺点：

掩模与光刻胶的接触会造成二次缺陷。

接近式曝光

掩模版与光刻胶之间有10～50m的间距。

优点：

掩模和光刻胶之间不接触，缺陷减少。

缺点：

掩模和光刻胶之间有缝隙，光的衍射造成分辨率下降。

投影式曝光

掩模版与光刻胶之间有投影器（物镜）。

优点：

高分辨率，低缺陷，对准精度高，曝光图形可缩小。

缺点：

光学系统较复杂。

非光学曝光技术

电子束曝光又称为电子束直写式曝光，即不用掩模版而以聚焦电子束直接对光刻胶曝光。

电子束曝光是利用具有一定能量的电子与光刻胶碰撞发生化学反应而完成曝光的。

目前主要用来制作掩模版，可以完成0.1～0.25m的超微细加工，但很少用于对硅片直接曝光。

X射线曝光（XRL）有望取代光学曝光进行100nm超微细加工。

它采用类似于接近式光学曝光的遮蔽式曝光方法，X射线通过1:

1的掩模进行曝光，掩模位置距衬底10～40m。

超紫外光曝光（EUV）是很有希望的下一代曝光技术。

超紫外光波长10～14nm，在不降低产出率情况下，最小线宽可达30nm（以PMMA为光刻胶）。

但曝光系统制造难度很大，且光刻工艺需在真空中进行。

离子束曝光注入光刻胶中的离子通过弹性和非弹性碰撞，使光刻胶分子量或结构发生变化，从而导致溶解特性发生变化。

由于离子的质量较大，散射作用比电子弱，几乎不存在邻近效应，因此离子束曝光比光学、X射线或电子束曝光技术具有更高的分辨率。

离子束曝光的另一个特点是，许多光刻胶（如PMMA）对离子比对电子更为灵敏，因此可缩短曝光时间。

等离子刻蚀，溅射刻蚀，反应离子刻蚀

干法刻蚀

分类

等离子刻蚀

溅射刻蚀／离子铣

反应离子刻蚀

刻蚀原理

辉光放电产生的活性粒子与需要刻蚀的材料发生反应形成挥发性产物

高能离子轰击需要刻蚀的材料表面，使其产生损伤并去除损伤

两种方法结合

刻蚀过程

化学（物理效应很弱）

物理

化学＋物理

主要参数

刻蚀系统压力、功率、温度、气流以及相关可控参数

优点

各向异性好、工艺控制较易且污染少

缺点

刻蚀选择性相对较差、存在刻蚀损伤、产量小

等离子刻蚀

利用被刻蚀表面发生化学反应，使固态的被刻蚀材料转化成气态的挥发物，最后由排气系统排除。

特点：

采用化学性活泼的气体产生等离子体，作为活性受激原子的源，对被刻蚀表面进行化学腐蚀。

特点：

选择性好，各向异性差。

溅射刻蚀利用惰性气体（如Ar）产生的等离子体中离子对刻蚀表面进行轰击、溅射，将被刻蚀材料剥离表面。

优点：

刻蚀材料种类多，具有较好的各向异性。

缺点：

刻蚀选择性较差、刻蚀速率较小且会造成一定的刻蚀损伤

反应离子刻蚀是一种介于溅射刻蚀和等离子体刻蚀之间的干法刻蚀技术。

与溅射刻蚀的主要区别是，反应离子刻蚀使用的不是惰性气体，而是与等离子体刻蚀相同的活性气体。

由于在反应离子刻蚀中化学和物理作用都有助于实现刻蚀，因此可以灵活地选取工作条件以获得最佳刻蚀效果。

优点：

具有较高刻蚀速率、较好各向异性效果、较好刻蚀选择性和较低刻蚀损伤，是目前微电子工艺中应用最广泛的干法刻蚀技术

扩散掺杂与离子注入掺杂

离子注入就是将杂质元素离化为离子，使其在强电场下加速，获得较高的能量后轰击半导体基片，经过退火，使杂质激活，在半导体内形成一定的分布。

扩散方法：

液态源扩散和固态源扩散

液态源扩散步骤：

1、保护性气体通过液态杂质源，携带杂质蒸汽进入高温扩散炉中；

2、杂质蒸汽分散、在硅片四周形成饱和蒸汽压；

3、杂志原子向硅片内部扩散。

设备简单，操作方便、均匀性好，广泛使用（如杂质磷的掺杂）。

固态源扩散

1、硅片与杂质源交替放置于高温扩散炉中，两片硅片背面紧靠，正面向固态杂质源，两者大小相当；

2、在高温下氧化，硅片表面形成一层杂质氧化物薄膜；

3、以杂质氧化物为杂质源，在氮气保护气氛下向硅中扩散。

（如杂质硼的扩散）。

2半导体光电材料与器件（见复印）

作图说明半导体同质结，单异质结，双异质结以及量子阱激光器能带结构，工作原理，性能特征

几种光电探测器（PN,PIN,APD,MSM型）的工作原理，性能特征

OEIC与PIC的定义；非线性光学效应定义；

自发辐射，受激辐射，粒子数反转

光反射效应，光电导效应，光伏效应，光热效应

回顾半导体激光器的发展历史，人们在LD设计上都采用了那些不同结构措施来提高LD的性能？

这些措施为什么对LD性能的提高有利？

阐述通信波段用MSMPD与HEMT（放大器）组成的单片集成光接收机结构的工作原理。

阐述激光打印机的工作原理。

以金属Al和n型半导体接触为例，画出其平衡势垒图并推导正向电压下的电压－电流特性。

3光纤通信材料（见复印）

掺饵光纤放大器（EDFA）各主要组成部分的功能，EDFA饵离子能级示意图以及EDFA的应用等

光纤传输中常用三种单模光纤：

无色散偏移单模光纤（NDSF），色散偏移单模光纤（DSF），非零色散偏移单模光纤（NZ-DSF）的性能特征及其应用范围

渐变光纤与阶跃光纤

数值孔径，归一化频率定义及其物理意义，群时延定义

子午光线，斜射光线，自聚焦效应

光纤色散：

材料色散，模式色散，波导色散

弄清石英光纤的制备工艺过程，并阐述降低其损耗的一些有效措施。

光纤制备过程（ppt）

原料提纯、熔炼预制棒、拉丝涂覆

降低损耗措施

本征损耗、非本征损耗、附加损耗

研究非氧化物玻璃，减少红外吸收；

改进制造工艺，减少光纤组成结构的变化，采用较长工作波长，减少瑞利散射。

采用气相沉积，对原料进一步提纯；在制造石英玻璃光纤时，通入氯化亚硫酞气，或用氛来置换玻璃中的氢，都会使OH的吸收损耗大幅度下降。

在制作预制棒和拉丝过程中，控制温度、速度、流量，减少芯-层界面的不完整性和芯径的不均匀性，可减小非本征损耗。

在设计敷设光缆时，尽量减小弯曲，使大弯曲损耗减小到可忽略程度。

减小微弯损耗的一种方法是在光纤表面模压一个可压缩的护套，可减小侧压，保持光纤相对直的状态。

接续时必须做到：

切割后的光纤端面要与光纤轴线垂直，且光滑平整；接续的2根光纤必须在同一轴线上,不能错位,端面尽量贴近其纤径；选用优质接头。

请简述EDFA的基本结构和工作原理。

（ppt）

基本结构：

工作原理：

在掺铒离子的能级图中，E1是基态，E2是中间能级，E3代表激发态。

若泵浦光的光子能量等于E3与E1之差，铒离子吸收泵浦光后，从E1升至E3。

但是激活态是不稳定的，激发到E3的铒离子很快返回到E2。

若信号光的光子能量等于E2和E1之差，则当处于E2的铒离子返回E1时则产生信号光子，这就是受激发射，结果使信号光得到放大。

5.信息显示材料及其相关技术

TFT-LCD激晶单元中各主要部分功能，并简述TFT-LCD的工作原理

TN-LCD,HTN-LCD,SIN-LCD,FSTN-LCD定义及其特征

液晶向列型，近晶型和胆型的定义及结构特征

电光效应，介电常数各向异性，双折射率，主轴

发光效率，对比率，分辨率

TFT-LCD激晶单元中各主要部分功能并简述TFT-LCD的工作原理（PPT05P9）

TN-LCD,HTN-LCD,SIN-LCD,FSTN-LCD定义及其特征

TN-LCDTwistNematicLiquidCtystalDisply的简称﹐即扭曲向列型液晶显示。

特点是液晶分子基本平行于基板排列﹐但上下液晶分子取向呈扭曲排列﹐整体扭曲角为90°。

STN-LCD是SuperTwistNematicLiquidCtystalDisply的简称﹐即超扭曲向列相液晶显示。

它与TN-LCD的结构相似﹐不同的是其扭曲角不是90°﹐而是在180°～270°之间﹐其工作原理也与TN-LCD不同。

HTN-LCD是HighTwistNematicLiquidCtystalDisply的简称﹐即高扭曲向列相液晶显示。

与TN-LCD和STN-LCD的结构相似﹐只不过HTN-LCD的扭曲角在100°～120°之间﹐其性能也介于TN-LCD和STN-LCD之间。

FSTN-LCD是FilmSuperTwistNematicLiquidCtystalDisply的简称﹐这里Film是指补偿膜或延迟膜﹐所以FSTN-LCD称为补偿膜超扭曲向列相液晶显示。

通过一层特殊处理的补偿膜﹐能够克服STN-LCD有背景色的缺点﹐所以也称FSTN-LCD为黑白模式的STN-LCD。

电光效应，介电常数各向异性，双折射率，主轴

电光效应：

在液晶上施加电场时，液晶分子在外电场中被极化，分子取向沿外电场发生变化，液晶分子取向结构的变化导致其光学特性也随之变化的现象称为电光效应。

介电常数各向异性：

Δε＝ε∥－ε⊥其中，ε∥为平行于长轴方向的介电常数，ε⊥为垂直于长轴方向的介电常数。

折射率各向异性（双折射率），液晶分子长轴方向折射率大于垂直于长轴方向的折射率。

折射率各向异性：

Δn=n∥-n⊥。

主轴：

在这个方向上不发生双折射现象，则该方向为主轴。

对于列向型和近晶型液晶而言，长轴指向矢即为其主轴方向。

液晶向列型，近晶型和胆型的定义及结构特征（见ppt05P3）

向列型：

分子长轴平行重心无序，分子可自由流动，在空间排列成线状。

特点：

流动性最大。

近晶型：

二维有序，分子排列成层状，层厚约2-3nm，层内分子长轴彼此平行，重心位于同一平面，同层分子间距没有规则，分子层间相互堆砌。

特点：

分子只能在层内作上下、左右运动，不能作层间运动，粘度和表面张力较大。

胆甾型：

分子排列成层，每层分子长轴方向平行，平行于层面，每层长轴方向转动，多层扭转成螺旋形，螺距0.3um，与可见光波长相当。

发光效率，对比率，分辨率（XX百科）

发光效率:

发光体把受激发时吸收的能量转换为光能的能力

分辨率：

就是屏幕图像的精密度，是指显示器所能显示的像素的多少。

6，高密度信息存储材料

不同矫顽力型，偏置型以及颗粒合金巨磁电阻膜自旋阀结构巨磁阻磁头的结构及其工作原理

磁阻效应，自旋阀巨磁阻效应

超频磁效应，退磁场效应

水平磁记录，垂直磁记录以及热辅助磁记录技术的定义，特点；顺磁性，抗磁性以及铁磁性的定义性能特征，铁磁质的分类

不同矫顽力型，偏置型以及颗粒合金巨磁电阻膜自旋阀结构巨磁阻磁头的结构及其工作原理

磁阻效应，自旋阀巨磁阻效应

磁阻效应是指，当磁性材料处于一个外部磁场中时，如果磁场的方向和磁性材料中电流的方向不平行，那么该磁性材料的电阻会随着施加于它的磁场的强度而变化。

自旋阀巨磁阻效应：

自旋阀的电阻取决于两铁磁层磁矩（自旋）的相对取向，铁磁性材料的电阻在磁场（H）中增大的现象。

电阻率ρ变化的大小，与通过它的电流方向和所加磁场的方向（磁化方向）有角度依赖关系。

当电流方向与磁化方向平行时△ρ最小，垂直时△ρ最大。

水平磁记录，垂直磁记录以及热辅助磁记录技术的定义，特点

水平磁记录：

磁化方向平行记录介质的运动方向

特点：

会产生超顺磁效应

垂直磁记录：

磁化方向垂直记录介质的运动方向

特点：

可以采用比较厚的介质厚度，适中的介质矫顽力Hc，较高的介质饱和磁化强度Bs，获得较高的记录密度。

热辅助磁记录:

（HeatAssistedMagneticRecording,HAMR）

采用铁-铂等合金材料作为介质，利用其整合在硬盘内部的激光发射组件，通过激光照射到写入点对盘片微粒进行加热的方式，加以辅助磁头写入以改变记录单元的属性。

也就是说在对硬盘介质加热后，磁盘微粒按一定方向被磁化，数据位就形成了“1”和“0”的表示。

利用产生的热量更容易将数据记录在盘片上，随着快速冷却又可以使已经写入的数据变得稳定，从而达到永久存储数据的目的。

结果:

降低介质的噪声从而达到更高的存储密度。

HAMR的优越性：

可以利用1最小的磁性颗粒2更强的矫顽力

顺磁性，抗磁性以及铁磁性的定义性能特征，铁磁质的分类

顺磁性（paramagnetic）在无外磁场作用时，原子磁矩无序排列，外加磁场时，磁矩获得与外磁场方向相同的排列。

特点：

固体原子有本征磁矩；有外场时，原子磁矩表现出一定的取向，宏观上表现出磁性；相对磁导率>1，磁化率为正值，工程上可以忽略不计。

抗磁性（antimagnetic）在外磁场的作用下，原子系统获得与外磁场反向磁矩的现象。

特点：

很弱，非永久性；必须依靠外磁场；磁矩小，方向与外场相反；几乎所有材料都有抗磁性。

铁磁性（ferromagnetic）无外场作用时，邻近原子的磁矩由于相互作用近似地排列在相同方向上的一种现象。

特点：

可以产生很大的，与外磁场同向的附加磁场;相对磁导率和磁化率很大，并且非常数，而是随外部磁化场场强的变化而发生变化;外部磁化场撤去后，仍然保留磁化状态;磁化强度随外部磁场的变化而变化，但是它的变化总是落后于外部磁场的变化，即存在所谓的磁滞现象;铁磁质的磁化属性与温度有关，存在一个与材料有关的临界温度Tc，即所谓居里点，一旦材料的温度超过这个温度，铁磁质就变成了顺磁质

铁磁质的分类

1软磁材料2.硬磁材料3.矩磁材料