半導(dǎo)體器件平面工藝實(shí)驗(yàn)講義

1、微電子器件制備與測(cè)試分析系列講義之半導(dǎo)體平面工藝哈爾濱理工大學(xué)應(yīng)用物理系目錄半導(dǎo)體平面工藝1化學(xué)清洗與安全知識(shí)6實(shí)驗(yàn)一 熱氧化法制備SiO211實(shí)驗(yàn)二 固態(tài)氮化硼擴(kuò)散20實(shí)驗(yàn)三 光刻工藝27實(shí)驗(yàn)四 蒸發(fā)工藝32實(shí)驗(yàn)五 制版工藝38實(shí)驗(yàn)六 擴(kuò)散深度的測(cè)量45半 導(dǎo) 體 平 面 工 藝關(guān)于平面工藝以及用這種工藝制造的半導(dǎo)體器件的介紹始于1960年，從此，平面工藝就成為制造半導(dǎo)體器件合集成電路的主要方法，它對(duì)半導(dǎo)體器件迅速取代一些較老的電子學(xué)元件，并深入到電子學(xué)應(yīng)用的嶄新領(lǐng)域做出了重要貢獻(xiàn)。像大多數(shù)重要的工藝進(jìn)展一樣，平面工藝也是從前幾代工藝中脫胎出來(lái)的。因此，敘述平面工藝的發(fā)展過(guò)程及其基本原理的最

2、好方法是將它和兩種最重要的早期半導(dǎo)體器件制造方法生長(zhǎng)結(jié)方法和合金方法作一個(gè)比較。1 生長(zhǎng)結(jié)方法 半導(dǎo)體單晶是由摻有某種雜質(zhì)的半導(dǎo)體熔液生長(zhǎng)出來(lái)的（例如P型）。在生長(zhǎng)過(guò)程中的某一時(shí)刻，突然改變?nèi)垡旱膶?dǎo)電類型。（例如，投入一顆含有施主雜質(zhì)的小球，結(jié)果，單晶的其余部分長(zhǎng)成N型的。）生長(zhǎng)完成以后，把晶體切成含有P-N結(jié)的小條。 結(jié)型晶體管發(fā)明之后的頭幾年，這個(gè)方法是極其重要的，但從大批量生產(chǎn)的角度來(lái)看，生長(zhǎng)結(jié)方法還不如早期半導(dǎo)體器件工藝中提出的另一種方法合金結(jié)方法。圖1 生長(zhǎng)結(jié)方法示意圖2 合金結(jié)方法 將一個(gè)含有受主型雜質(zhì)（以此為例）的小球放在一個(gè)n型半導(dǎo)體片子上。然后將它們一起加熱到足夠高的溫度，使

3、小球以融解或合金的形式摻入半導(dǎo)體片子，晶體冷卻之后，小球下面形成一個(gè)受主型雜質(zhì)飽和的再分布結(jié)晶區(qū)，這樣就得到了一個(gè)P-N結(jié)。這種方法過(guò)去是，而且現(xiàn)在仍然是二極管和晶體管（主要是鍺器件）的大批量生產(chǎn)中使用的一種成功的方法。然而，隨著半導(dǎo)體器件的應(yīng)用范圍愈來(lái)愈廣泛，對(duì)其性能的要求也大大提高了。在這些日益提高的要求面前，合金方法很快就暴露了其固有的局限性。例如，結(jié)的位置總是難以控制的圖2 合金結(jié)方法示意圖3 平面工藝 為了探索一種能夠精確控制P-N結(jié)位置的方法，導(dǎo)致了擴(kuò)散結(jié)的發(fā)展。擴(kuò)散結(jié)的形成方式與合金過(guò)程有其相似之處，即片子的表面是暴露于包括在例如氣體中的相反類型的高濃度雜質(zhì)源之中。不過(guò)，在這種情

4、況下不發(fā)生相變；雜質(zhì)靠固態(tài)擴(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo)體晶體內(nèi)部，而固態(tài)擴(kuò)散能夠非常精確地加以控制。此外，還因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)二氧化硅薄層能夠有效地掩蔽大多數(shù)最重要的受主和施主雜質(zhì)的擴(kuò)散，因而半導(dǎo)體幾何圖形的控制精度也提高了；另外，二氧化硅薄層能鈍化半導(dǎo)體器件表面，受周圍環(huán)境影響的弱點(diǎn)得到了極大的克服，從而提高了器件特性的重復(fù)性和穩(wěn)定性。平面工藝則兼有用固態(tài)擴(kuò)散方法形成結(jié)和利用二氧化硅掩膜精確控制器件幾何圖形這兩方面的優(yōu)點(diǎn)。概括起來(lái)，平面工藝就是利用掩蔽膜，通過(guò)光刻出窗口控制幾何圖形，進(jìn)行選擇擴(kuò)散形成P-N結(jié)等，制造半導(dǎo)體器件的工藝。例：硅外延平面晶體管3DK4工藝流程襯底制備外 延一次氧化基區(qū)光刻硼預(yù)沉積硼再分布刻發(fā)

5、射區(qū)磷預(yù)沉積磷再分布刻引線孔蒸 鋁鋁 反 刻合 金初 測(cè)劃 片燒 結(jié)鍵 合中 測(cè)封 帽工藝篩選總 測(cè)打印包裝入庫(kù)圖3 晶體管平面工藝示意圖4 本實(shí)驗(yàn)的工藝流程本實(shí)驗(yàn)的主要目的就是應(yīng)用平面工藝制作二極管。具體工藝流程如下：襯底制備一次氧化P區(qū)光刻硼預(yù)沉積硼再分布刻引線孔蒸 鋁鋁 反 刻初 測(cè)圖4 應(yīng)用平面工藝制作二極管示意圖具體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以用圖4所示的步驟來(lái)表示：1) 首先準(zhǔn)備一N型Si外延片，然后在Si外延片的表面氧化一層SiO2，這層SiO2既起到對(duì)雜質(zhì)的屏蔽作用，又能起到絕緣等保護(hù)作用，這是實(shí)驗(yàn)一的內(nèi)容。2) 通過(guò)一次光刻，在SiO2層表面刻蝕出擴(kuò)散窗口，或者稱為P區(qū)窗口。3) 以BN為

6、源，向擴(kuò)散窗口中進(jìn)行B擴(kuò)散。這里一般有兩個(gè)過(guò)程：一是B預(yù)沉積，即，在表面雜質(zhì)濃度恒定的條件下，將雜質(zhì)B沉積在Si表面的一無(wú)限薄層內(nèi)，通過(guò)擴(kuò)散時(shí)間的控制可以決定雜質(zhì)總量的多少。這一過(guò)程之后，往往要通過(guò)測(cè)量樣片的方塊電阻，以確定雜質(zhì)總量是否合適。4) 二是B再分布，即，在雜質(zhì)總量恒定的條件下，向Si深層進(jìn)行B擴(kuò)散，通過(guò)擴(kuò)散時(shí)間的控制可以決定雜質(zhì)擴(kuò)散的深度。這一過(guò)程之后，常常要進(jìn)行擴(kuò)散深度的測(cè)量，又叫結(jié)深測(cè)量。5) B擴(kuò)散之后，含有B雜質(zhì)的區(qū)域就成為P型Si，稱為P區(qū)。由于B再分布過(guò)程是在通氧氣的環(huán)境下進(jìn)行的，因此會(huì)在P區(qū)表面形成一薄層SiO2，必須通過(guò)二次光刻，刻蝕出電極引線孔。6) 二次光刻后，

7、利用真空蒸發(fā)工藝，在器件表面沉積一層金屬Al作為電極。7) 再進(jìn)行三次光刻，去掉多余部分的Al，最終形成Al電極。這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的二極管就制作完成了。8) 最后一步，進(jìn)行二極管正反向偏置條件下結(jié)特性的測(cè)量，以確定二極管的性能。化 學(xué) 清 洗 與 安 全 知 識(shí)一、 化學(xué)清洗在半導(dǎo)體器件工藝實(shí)驗(yàn)中化學(xué)清洗是指清除吸附在半導(dǎo)體、金屬材料以及用具表面上的各種有害雜質(zhì)或油污。清洗方法是利用各種化學(xué)試劑和有機(jī)熔劑與吸附在被清洗物體表面上的雜質(zhì)及油污發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和溶解作用，或伴以超聲加熱、抽真空等物理措施，使雜質(zhì)從被清洗物體的表面脫附（或稱解吸），然后用大量高純冷熱去離子水沖洗，從而獲得潔凈的物體表面。（一

8、）化學(xué)清洗的重要性工藝實(shí)驗(yàn)中每個(gè)實(shí)驗(yàn)都有化學(xué)清洗的問(wèn)題，化學(xué)清洗的好壞對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有嚴(yán)重的影響，處理不當(dāng)，則得不到實(shí)驗(yàn)結(jié)果或?qū)嶒?yàn)結(jié)果不好。因此弄清楚化學(xué)清洗的作用和原理，對(duì)做好工藝實(shí)驗(yàn)有著重要的意義。大家知道，半導(dǎo)體的重要特性之一是對(duì)雜質(zhì)十分敏感，只要有百萬(wàn)分之一，甚至微量的雜質(zhì)，就會(huì)對(duì)半導(dǎo)體的物理性質(zhì)有所影響，我們就是利用這一特性，通過(guò)摻雜的方法制作各種功能的半導(dǎo)體器件。但也由于這一特性，給半導(dǎo)體器件工藝實(shí)驗(yàn)帶來(lái)麻煩和困難所使用的化學(xué)試劑、生產(chǎn)工具，清洗用的水等都可能成為有害雜質(zhì)的沾污源即使是清潔的半導(dǎo)體晶片，較長(zhǎng)時(shí)間暴露于空氣之中也會(huì)引入明顯的雜質(zhì)沾污。化學(xué)清洗就是消除有害雜質(zhì)沾污，保持硅片

9、表面清潔。（二）化學(xué)清洗的范圍化學(xué)清洗主要包括三個(gè)方面的清洗，一是硅片表面的清洗；二是使用的金屬材料（如作蒸發(fā)電極用的鎢絲，作蒸發(fā)墊板用的鉬片、作蒸發(fā)源用的鋁合金，制鉻板用的鉻等）的清洗；三是所用工具、器皿（如金屬鑷子石英管、玻璃容器、石墨模具、塑料和橡膠制品等）的清洗。（三）硅片表面沾污雜質(zhì)的類型1.分子型雜質(zhì)吸附以分子形式吸附在硅片表面上的典型沾污雜質(zhì)，主要是天然或合成油脂、樹(shù)脂和油類等物質(zhì)。在襯底制備中的切、磨、拋引入的雜質(zhì)多屬于此種類型。此外，操作者手指上的油脂，光刻膠以及有機(jī)溶劑的殘?jiān)纫簿鶎儆谶@一類型。分子型雜質(zhì)吸收的特點(diǎn)是它們與硅片表面的接觸通常是依靠靜電引力來(lái)維持，是一種物理吸

10、附現(xiàn)象。由于天然或合成油脂、樹(shù)脂和油類的分子一般以非極性分子存在，它是靠雜質(zhì)的中性分子與硅片表面硅原子沒(méi)有被平衡的那部分剩余力相互吸引而結(jié)合的。結(jié)合的力與分子型晶體結(jié)構(gòu)中分子與分子間存在的范德瓦耳斯力是一樣的。這種吸引力比較弱，它隨著分子間距的增加很快被削弱，所以這種力所涉及的范圍只不過(guò)在23108厘米（即23埃）左右，也就是象分子直徑那么大小的距離，因此要徹底清除這些分子型雜質(zhì)是比較容易的。分子型雜質(zhì)的另一個(gè)重要特點(diǎn)是，大多是不溶于水的有機(jī)化合物，當(dāng)它們吸附在硅片表面時(shí)將使硅片表面呈現(xiàn)疏水性，從而妨礙了去離子水或酸、堿溶液與硅片表面的有效接觸，使得去離子水或酸堿溶液無(wú)法與硅片表面或其它雜質(zhì)粒

11、子相互作用，因此無(wú)法進(jìn)行有效的化學(xué)清洗。2.離子型雜質(zhì)吸附以離子形式吸附在硅片表面的雜質(zhì)一般有K+、Na+、Ga2+、Mg2+、Fe2+、H+、（OH）-、F-、Cl-、S2-、（CO3）2-等。這類雜質(zhì)的來(lái)源最廣,可以來(lái)自于空氣、用具和設(shè)備、化學(xué)藥品、純度不高的去離子水、自來(lái)水、操作者的鼻和嘴呼出的氣體、汗液等各個(gè)方面。離子型雜質(zhì)吸附多屬于化學(xué)吸附的范疇，其主要特點(diǎn)是雜質(zhì)離子和硅片表面之間依靠化學(xué)鍵力相結(jié)合，這些雜質(zhì)離子與硅片表面的原子所達(dá)到的平衡距離極小，以至于可以認(rèn)為這些雜質(zhì)離子已成為硅片整體的一部分。根據(jù)化學(xué)吸附雜質(zhì)的性質(zhì)，有的可以是晶格自由電子的束縛中心，充當(dāng)電子的陷阱，起著受主的作

12、用；有的可以作為自由空穴的束縛中心，起著施主的作用。由于化學(xué)吸附力較強(qiáng)，所以對(duì)這種雜質(zhì)離子的清除較之分子型雜質(zhì)困難得多。3.原子型雜質(zhì)吸附以原子形式吸附在硅片表面形成沾污的雜質(zhì)主要是指如金、銀、銅、鐵、鎳等金屬原子。這些金屬原子一般是來(lái)自于酸性的腐蝕液，通過(guò)置換反應(yīng)將金屬離子還原成為原子而吸附在硅片表面。原子型雜質(zhì)吸附力最強(qiáng),比較難以清除。兼之金、鉑等重金屬原子不容易和一般酸、堿溶液起化學(xué)反應(yīng)，因此必須采用諸如王水之類的化學(xué)試劑，使之形成絡(luò)合物并溶于試劑中，然后才能用高純?nèi)ルx子水沖除。（四）硅片清洗的一般程序通過(guò)上面分析，分子型雜質(zhì)比較容易清除。這種雜質(zhì)的存在，對(duì)于清除離子型和原子型雜質(zhì)具有掩

13、蔽作用。因此在對(duì)硅片進(jìn)行化學(xué)清洗時(shí)，首先應(yīng)該把它們清除干凈。離子型和原子型吸附的雜質(zhì)屬于化學(xué)吸附雜質(zhì)，其吸附力都較強(qiáng)，在一般情況下，原子型吸附雜質(zhì)的量較小，而且它們不和酸、堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，必須用王水或酸性雙氧水才能溶除。王水和酸性雙氧水還能溶除離子型雜質(zhì)，因此在化學(xué)清洗時(shí)，一般都采用酸、堿溶液或堿性雙氧水先清除掉離子型吸附雜質(zhì)，然后再用王水或酸性雙氧水清除殘存的離子型雜質(zhì)及原子型雜質(zhì)。最后用高純?nèi)ルx子水沖洗干凈。綜上所述，清洗硅片的一般程序?yàn)椋喝ビ?去離子 去原子 去離子水沖洗每個(gè)實(shí)驗(yàn)前，硅片都必須進(jìn)行化學(xué)清洗。但由于每次清洗前硅片表面情況不一樣，因此每次清洗所用的化學(xué)藥品，清洗的側(cè)重點(diǎn)就不一

14、樣，具體的清洗過(guò)程存在著靈活性。所以必須根據(jù)具體情況，考慮清洗的實(shí)際效果，確定每次清洗工作的具體方法和步驟。（五）常用金屬和器皿的清潔處理 實(shí)驗(yàn)中所用的金屬材料和用具也是硅片受沾污的主要原因之一為了保證硅片表面清潔。必須認(rèn)真做好金屬和器皿的清潔處理工作。金屬和器皿的清洗的一般原則是，首先應(yīng)該清洗油脂類物質(zhì)，然后用酸、堿或洗液和王水腐蝕清洗或清洗，最后用高純?nèi)ルx子水沖洗干凈。二、 安全知識(shí)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常使用各種化學(xué)藥品和氣體。其中有些是易燃品，易爆品，毒品，以及酸堿等腐蝕品。如果使用不當(dāng)，會(huì)發(fā)生事故。首先要避免事故發(fā)生，萬(wàn)一出了事故，不要驚慌失措，要及時(shí)采取正確措施，排除故障。（一） 有機(jī)溶劑的安全

15、使用常用的有機(jī)溶劑有甲苯、丙酮、乙醇、丁酮、三氯乙烯、四氯化碳等。這些有機(jī)溶劑大多易燃，遇高溫或明火時(shí)會(huì)燃燒，要貯存在陰涼處，不要靠近火源。使用時(shí)不要直接放在電爐上加熱，若需加熱，一般采用水浴加熱，如果萬(wàn)一著火，可用濕布或細(xì)沙撲滅，最好用二氧化碳、四氯化碳滅火機(jī)或泡沫滅火機(jī)滅火，不要用水澆或用含水的酸堿滅火機(jī)噴射。這些有機(jī)溶劑易揮發(fā)，并有不同程度的毒性，因此使用時(shí)應(yīng)在通風(fēng)櫥中操作，加強(qiáng)排氣。 （二）酸堿的安全使用實(shí)驗(yàn)中常用硫酸、硝酸、鹽酸、氫氟酸和王水等強(qiáng)酸溶液及氫氧化納、氫氧化鉀等強(qiáng)堿溶液。它們對(duì)人體及衣物有強(qiáng)烈的腐蝕作用，因此必須注意安全使用。 1有酸、堿蒸氣的地方要安裝良好的通風(fēng)排氣設(shè)備

16、。 2操作者要穿戴適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)服（如橡皮手套，戴口罩等）。 3嚴(yán)禁用嘴將酸、堿等液體吸入移液管內(nèi)，應(yīng)該使用帶橡皮球的移液管去吸取。 4搬運(yùn)時(shí)要謹(jǐn)慎，防止酸、堿瓶?jī)A倒或破裂，起封時(shí)瓶口應(yīng)向無(wú)人的地方。 5稀釋硫酸時(shí)必須將硫酸慢慢注入水中，切勿把水倒入硫酸。 6中和濃酸或濃堿時(shí)必須先將它們倒入水中稀釋，然后再用堿或酸溶液進(jìn)行中和。 7盛過(guò)強(qiáng)酸、強(qiáng)堿的容器，應(yīng)先傾倒干凈，用水沖洗多遍，然后再進(jìn)行一般清潔處理。如果受到酸堿灼傷，首先用大量水沖洗，萬(wàn)一有酸堿濺入眼內(nèi)時(shí)，應(yīng)速用大量自來(lái)水沖洗眼睛。不管嚴(yán)重灼傷還是濺入眼，沖洗后，立即到醫(yī)院治療。（三）氣體的安全使用使用的氣體一般用鋼瓶貯送或用輸氣管道輸送。有

17、些氣體混合時(shí)，容易引起燃燒或爆炸。為便于識(shí)別氣瓶中裝何種氣體，常用不同顏色和字樣來(lái)標(biāo)明各種氣體所用鋼瓶，此外還標(biāo)著氣體名稱的字樣。氣瓶?jī)?nèi)的氣體通常具有較高的氣壓，新裝的氣瓶?jī)?nèi)的氣壓約150公斤/厘米2左右，因此存放和使用時(shí)應(yīng)注意安全。1夏季不要把氣瓶放在日光曝曬的地方。存放氣瓶的附近禁放易燃物品和使用火源。2對(duì)于裝有相互接觸能引起燃燒或爆炸的氣瓶（如氫、氧氣瓶）必須分開(kāi)單間存放，避免由于漏氣等引起事故。3氣瓶?jī)?nèi)的氣體不能全部用完，一般應(yīng)留下一定的剩余氣體。4氣瓶嘴及搬子嚴(yán)禁沾染油脂。5 使用氫氣時(shí)必須用惰性氣體趕凈設(shè)備內(nèi)的空氣，檢查系統(tǒng)是否漏氣，要裝回火裝置。（四）有毒物質(zhì)的安全使用 在實(shí)驗(yàn)中

18、用到有毒化學(xué)試劑和化合物時(shí)應(yīng)注意防止中毒。其安全使用的原則是： 1操作應(yīng)在通風(fēng)櫥內(nèi)進(jìn)行，用完的殘?jiān)鼩堃簯?yīng)處理后倒在安全處。 2操作者應(yīng)帶口罩、手套，嚴(yán)禁與皮膚接觸和誤入口中。3實(shí)驗(yàn)完畢手套必須用水沖洗干凈后才能脫掉。實(shí)驗(yàn)一 熱氧化法制備SiO2一、目的：用熱氧化法制備SiO2. 二、原理：1干氧氧化：高溫下的氧分子與Si片表面的Si原子反應(yīng)，生成SiO2起始層，其反應(yīng)式為： 高 溫此后，由于起始氧化層阻止氧分子與Si表面的直接接觸，氧分子只有以擴(kuò)散方式通過(guò)SiO2層，到達(dá)SiO2 Si界面，才能和Si原子反應(yīng)，生成新的SiO2層，使SiO2層繼續(xù)增厚。 干氧氧化生長(zhǎng)的SiO2層厚度d在溫度高于

19、1000以上，由下式?jīng)Q定：，式中：d：SiO2層厚度；K1：比例常數(shù)；t：氧化時(shí)間。氧化層厚度與氧化時(shí)間的關(guān)系如圖（11）所示。2濕氧氧化：氧氣通過(guò)裝有高純?nèi)ルx子水的氧化瓶，通過(guò)起泡的形式進(jìn)入石英管，因此，進(jìn)入石英管的氧氣帶有水汽，其水汽的含量由氧化瓶的溫度和氧氣流的速率決定。由于參與氧化的物質(zhì)是水和氧的混合物，所以它的氧化速率比干氧氧化要快得多，反應(yīng)方程式如下： 高 溫 高 溫在濕氧氧化時(shí)，生長(zhǎng)的SiO2層厚度除與氧化時(shí)的溫度、時(shí)間有關(guān)外，還與氧氣中含水量有關(guān)，在一定的氧氣流量下，含水量決定氧化瓶水浴溫度。圖11 硅干氧氧化層厚度與時(shí)間的關(guān)系圖12 硅濕氧氧化層厚度與時(shí)間關(guān)系溫氧氧化生長(zhǎng)的S

20、iO2厚度d由下式?jīng)Q定：式中：d：SiO2層厚度；K2：比例系數(shù)；t：氧化時(shí)間。氧化層厚度與氧化時(shí)間的關(guān)系如圖（12）所示，從圖中看出：濕氧氧化速率比干氧氧化要快。以上兩種氧化方式比較起來(lái)看， 干氧氧化：速率慢，SiO!罷致密，質(zhì)量好+ 濕氧氧化：速率較快，質(zhì)量差實(shí)際工藝中常將二鐘方法結(jié)合起來(lái)。三、 裝置及所用化學(xué)藥品實(shí)驗(yàn)裝置如圖13圖13 氧化裝置儀器：高溫氧化爐，檢流計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)電池，甲電池，UJ 1電位差計(jì)，鉑銠熱電偶。工具：鑷子，石英杯，石英舟，石英鉤化學(xué)藥品：H2SO4、甲苯、乙醇。四、 實(shí)驗(yàn)條件與步驟氧化條件：爐溫T11000，水浴溫度T295；氧氣流量為500CC分；氧化時(shí)間t （5

21、干50濕5干）分鐘。氧化步驟： 1 當(dāng)氧化爐的溫度達(dá)到1000并穩(wěn)定后，氧化瓶溫度達(dá)到95并穩(wěn)定后，先通入500CC分干氧，排除石英管中的空氣及灰塵。2 將清洗好的硅片用鑷子挾到石英舟上，用石英鉤將舟推入恒溫區(qū)。3 從舟到恒溫區(qū)起計(jì)時(shí)，通干氧5分鐘，然后再通濕氧50分鐘。4 關(guān)閉濕氧，再通干氧5分鐘，然后將石英舟拉至爐口，用鑷子將硅片挾到燒杯中，觀察一下表面情況。5 關(guān)閉爐子，關(guān)掉氧氣。 附：SiO2層質(zhì)量的檢驗(yàn)。 SiO2是平面工藝的基石，SiO2質(zhì)量的好環(huán)對(duì)器件的性能影響很大，所以SiO2形成后，必須對(duì)它進(jìn)行必要的檢驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)對(duì)SiO2層進(jìn)行厚度測(cè)量以及熱氧化后層錯(cuò)的觀測(cè)。I、SiO2厚度

22、的測(cè)量：用干涉法測(cè)量SiO2層厚度。用單色光垂直照射氧化層表面時(shí)，由于SiO2是透明介質(zhì)，所以入射光將分別在SiO2表面和SiO2 Si界面處反射，如圖14所示。根據(jù)光的干涉原理，當(dāng)兩束相干光的光程差為半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍時(shí)，即當(dāng)時(shí)，兩束光的相位相同，互相加強(qiáng)，因而出現(xiàn)亮條紋，當(dāng)兩束光的光程差為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，兩束光的相位相反，因而互相減弱，出現(xiàn)暗條紋。從最暗到相鄰一個(gè)最暗（或最亮到相鄰一個(gè)最亮）稱為一個(gè)干涉條紋，一般條紋可以估計(jì)到半條。步驟： a將一小塊火漆放到SiO2層上加熱，使之熔化。b故入HF中，將未被火漆保護(hù)的SiO2腐蝕掉。（注意腐蝕時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，否則使臺(tái)階變窄）。圖14 氧化薄膜厚度

23、測(cè)量原理示意圖 c用水沖掉HF，用甲苯將火漆去掉，再用乙醇將甲苯去掉。d用金相顯微鏡在鈉燈照射下讀出SiO2斜面上的干涉條紋數(shù)，用下面的公式計(jì)算厚度：，其中d：氧化層厚度；：鈉光的波長(zhǎng)，5890；n：SiO2的折射系數(shù)，n 1.5； x：干涉條紋數(shù)。II、氧化后層錯(cuò)的觀察：1目的：觀察熱氧化產(chǎn)生的二次缺陷熱氧化層錯(cuò)。2原理：利用鉻酸腐蝕液對(duì)已去掉熱氧化膜硅片進(jìn)行腐蝕，可觀察有一定分布和規(guī)律的棒狀層錯(cuò)如圖（15）所示。圖15 氧化后層錯(cuò)的觀察3步驟： a將氧化后的硅片放入HF中，將氧化層去掉。b用水將HF沖掉。c放入鉻酸腐蝕液中，時(shí)間t30” 40”.d用水將Si片上鉻酸沖掉。e在金相顯微鏡下觀

24、察。 （觀測(cè)5個(gè)視場(chǎng)面積取層錯(cuò)平均值）4鉻酸腐蝕液的配制：Sirtl100ml H2O 50g CrO2 75ml HF.III、Si表面SiO2層中針孔觀察 方法一：1目的：觀察SiO2層中針孔。2原理：利用NaOH對(duì)SiO2腐蝕速度慢，而對(duì)Si腐蝕速度快，且呈各向異性的特點(diǎn)，可觀察到有一定形狀的腐蝕坑，腐蝕坑的個(gè)數(shù)即為針孔的個(gè)數(shù)。3步驟：把盛有一定濃度的NaOH腐蝕劑（濃度：35）的燒杯放入恒溫水槽中，將待觀察的氧化硅片用去離子水沖洗。當(dāng)溫度達(dá)到（T3070）后，用鑷子將Si片輕輕放入腐蝕液中，經(jīng)過(guò)一定的反應(yīng)時(shí)間后（t310），將片子取出并放入盛有去離子水的燒杯中，再用去離子水沖洗，烘干后

25、，在四百倍金相顯微鏡下對(duì)（100）硅氧化片可觀察到方狀腐蝕坑，見(jiàn)圖（16）。此腐蝕坑即為針孔。圖（17）為P型（111）硅片上的熱生SiO2在恒定溫度下的腐蝕速度與Na0H濃度的關(guān)系曲線。圖（18）即為nSi，PSi及熱生SiO2的腐蝕特性。（腐蝕劑為NaOH）。圖16 （100）硅氧化片上出現(xiàn)方狀腐蝕坑 方法二： 1目的：觀察SiO2層中針孔。2原理：利用在電極和液體界面上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生氣泡的原理也可以顯示針孔。在固液界面上將電極的電子導(dǎo)電變?yōu)槿芤褐械碾x子導(dǎo)電，因而有化學(xué)反應(yīng)在兩相界面上產(chǎn)生，反應(yīng)產(chǎn)物生成新相，例如生成氣泡或固相沉積。產(chǎn)生氣泡的過(guò)程大致如下：水中的H+離子要向Si負(fù)極運(yùn)

26、動(dòng)，H+離子被吸附到針孔內(nèi)露出的負(fù)電極Si上，首先產(chǎn)生H原子，然后兩個(gè)H原子結(jié)合成一個(gè)H2分子，反應(yīng)方程為：，或者，從而產(chǎn)生氫氣泡，H2不斷的產(chǎn)生，因而氣泡一個(gè)個(gè)的從針孔處溢出。3步驟：將金屬環(huán)放在待測(cè)的SiO2膜上，用滴管在小環(huán)內(nèi)滴一滴自來(lái)水慢慢地將電壓加到30V，在顯微鏡下可觀察到氫氣泡，氣泡溢出的地方即為針孔。 實(shí)驗(yàn)裝置（見(jiàn)圖19）圖17 熱生SiO2的腐蝕速度與Na0H濃度的關(guān)系圖18 nSi，PSi及熱生SiO2的腐蝕速度與溫度關(guān)系觀測(cè)五個(gè)視場(chǎng)面積取針孔平均值，一般平面工藝要求針孔密度10個(gè)/厘米2。硅片的清洗步驟1用甲苯棉球擦Si片表面，先擦反面后擦正面，擦?xí)r要始終沿一個(gè)方向。2用

27、乙醇棉球擦Si片表面，先擦反面后擦正面，擦?xí)r要始終沿一個(gè)方向。3用去離子水將Si片表面有機(jī)溶劑沖掉。4用濃H2SO4煮Si片至冒白煙。5用冷熱去離子水沖洗15分鐘。圖19 氣泡法觀察針孔的實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)二 固態(tài)氮化硼擴(kuò)散一、 目的通過(guò)固態(tài)氮化硼擴(kuò)散，掌握通過(guò)擴(kuò)散法獲得Pn結(jié)的方法。二、 原理 所謂擴(kuò)散技術(shù)，是指將雜質(zhì)引入到半導(dǎo)體中，使之在半導(dǎo)體的特定區(qū)域中具有某種導(dǎo)電類型和一定電阻率的方法，當(dāng)前制備Pn結(jié)的最主要方法是擴(kuò)散法。對(duì)于硅平面器件，整個(gè)器件的結(jié)構(gòu)和性能基本上由擴(kuò)散工藝確定， 。 擴(kuò)散是物質(zhì)分子或原子熱運(yùn)動(dòng)引起的一種自然現(xiàn)象。濃度差別的存在是產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的必要條件，環(huán)境溫度的高低是決定擴(kuò)

28、散運(yùn)動(dòng)快慢的重要因素。擴(kuò)散現(xiàn)象所遵循的客觀規(guī)律可用擴(kuò)散第一定律和擴(kuò)散第二定律描述，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：（21） （22） 在擴(kuò)散工藝中，硼、磷等雜質(zhì)的擴(kuò)散通常都分成預(yù)沉積和再分布兩步進(jìn)行。在預(yù)沉積過(guò)程中，擴(kuò)散是在恒定表面濃度的條件下進(jìn)行的。在此條件下，解擴(kuò)散方程（22），得到的擴(kuò)散分布是一種余誤差函數(shù)，表達(dá)式為： （23）按照（23）式畫出的關(guān)系曲線如圖21所示。圖2l 恒定表面濃度擴(kuò)散的雜質(zhì)分布恒定表面濃度擴(kuò)散分布曲線下面的面積表示擴(kuò)散進(jìn)入硅片單位表面的雜質(zhì)總量。（24）而在再分布過(guò)程中，擴(kuò)散是在限定源的條件下進(jìn)有的。整個(gè)擴(kuò)散過(guò)程的雜質(zhì)源，限定于擴(kuò)散前積累在硅片表面的無(wú)限薄層內(nèi)的雜質(zhì)總量Q，沒(méi)有

29、外來(lái)雜質(zhì)補(bǔ)充在硅片表面（xo）處的雜質(zhì)流密度，因此，雜質(zhì)總量Q是一個(gè)常數(shù)。在此條件下解擴(kuò)散方程（22），得到的擴(kuò)散分布是高斯函數(shù)分布，表達(dá)式為：（25）按照公式（25）式畫出的關(guān)系曲線如圖22所示。由圖可見(jiàn)，隨著擴(kuò)散時(shí)間的增加，一方面雜質(zhì)擴(kuò)散入硅片內(nèi)部的深度逐漸增大，另一方面硅片表面的雜質(zhì)濃度將不斷下降。因此，表面濃度Ns和結(jié)深xj都隨擴(kuò)散時(shí)間而變由于擴(kuò)散過(guò)程中雜質(zhì)總量不變所以各條曲線下的面積都是相等的。 圖22 限定源擴(kuò)散的雜質(zhì)分布三、實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)中預(yù)沉積所采用的裝置如圖23所示，硼再分布裝置與熱氧化法制備二氧化硅裝置相同。圖23 硼預(yù)沉積裝置1 純化系統(tǒng)和濾球?yàn)榱讼獨(dú)庵兴?、灰塵和其

30、它微小雜質(zhì)顆粒。2擴(kuò)散爐用來(lái)獲得擴(kuò)散所需要酌溫度，本實(shí)驗(yàn)所用為月壇自動(dòng)控溫?cái)U(kuò)散爐，自動(dòng)控制溫度并獲得一定長(zhǎng)度的恒溫區(qū)。（注意：升溫前通水，冷卻到一定溫度后再停水。）3石英管、石英箱 擴(kuò)散在石英箱內(nèi)進(jìn)行，石英箱內(nèi)放硅片，箱蓋下表面燒源。三、 實(shí)驗(yàn)步驟1燒源；把粉末狀氮化硼均勻地平鋪在清潔的石英箱蓋的下表面上，然后在爐溫為1050，氧氣流量為300毫升分鐘的條件下緩慢推入石英管中恒溫區(qū)內(nèi)，燒3040分鐘，燒至透明即可。2擴(kuò)散片的清洗同氧化工藝一樣，略。3氮化硼的活化及試片除新燒的源外，每天擴(kuò)散前必須進(jìn)行一次氮化硼的活化處理。做法是在擴(kuò)散溫度950通氧氣30分鐘，使表層氮化硼與氧反應(yīng)生成三氧化二硼。

31、其反應(yīng)式如下：4BN 3O2 2B2O3 2N2 擴(kuò)散時(shí)B2O3與Si片表面發(fā)生如下反應(yīng)；2B2O3 3Si 3SiO2 4B活化半小時(shí)后改通氮?dú)猓咽⑾淙〕?，裝入樣片進(jìn)行試擴(kuò)，當(dāng)方塊電阻符合要求時(shí)，即可正式投片。4硼預(yù)沉積把爐溫調(diào)到960，氮?dú)饬髁繛?00毫升分，把硅片正面向上平放在石英箱內(nèi)，然后將石英箱蓋含源的面向下蓋好。放爐口預(yù)熱5分鐘，然后推入恒溫區(qū)預(yù)沉積20分鐘，一般方塊電阻值為3040(歐姆方塊)。5硼再分布將已預(yù)沉積的Si片放在稀氫氟酸中漂去硼硅玻璃，即可進(jìn)行再分布。爐溫為1150，水浴溫度95，氧氣流量500毫升/分，再分布時(shí)間為10分（干氧）30分（濕氧）10分（干氧），再

32、分布后方塊電阻R100140/。思考題：1氮化硼擴(kuò)散的原理是什么? 擴(kuò)散要達(dá)到什么目的?2雙步擴(kuò)散有哪些優(yōu)點(diǎn)?3為什么再分布可調(diào)整R?4擴(kuò)散前為什么要活化源?附錄：方塊電阻的測(cè)量方塊電阻是反映擴(kuò)散層質(zhì)量的重要指標(biāo)。因此，每次預(yù)沉積和再分布后，都要進(jìn)行方塊電阻的測(cè)試。一、方塊電阻的定義方塊電阻常用R表示。所謂方塊電阻，就是表面為正方形的半導(dǎo)體薄層，在電流方向平行于正方形的邊時(shí)，所呈現(xiàn)的電阻，如圖24所示。方塊電阻的大小為：R（26）單位用歐姆/方塊或/表示。圖24 方塊電阻定義示意圖圖25 四探針?lè)y(cè)方塊電阻裝置二、方塊電阻的測(cè)試方塊電阻R的測(cè)量采用四探針?lè)?。測(cè)量裝置如圖25所示。四探針采用排成

33、直線彼此相距為s的四根鎢絲構(gòu)成。測(cè)量時(shí)將針尖壓在硅片的表面上，外面兩根探針通電流I，測(cè)量中間兩根探針的電壓V，可用下面公式計(jì)算：R（27）式中C稱為修正因子，其數(shù)值的大小除與被測(cè)樣品的形狀和大小有關(guān)外，還與樣品是單面擴(kuò)散還是雙面擴(kuò)散等因素有關(guān)。為了便于使用，我們把單面擴(kuò)散的修正因子C的數(shù)值列在表21中。表21 單面擴(kuò)散的修正因子C1.000.99880.99941.251.24671.22431.501.47881.448931.48931.751.71961.72381.72382.001.94541.94751.94752.502.35322.35412.35413.002.45752.7

34、0002.70052.70054.003.11373.22463.22483.22485.003.50983.57493.57503.57507.504.00954.03614.03624.036210.04.22094.23574.23574.235715.04.38824.39474.39474.394720.04.45164.45534.45534.455340.04.51204.51294.51294.51294.53244.53244.53244.5324l：為矩形樣品的長(zhǎng)度； a：為矩形樣品的寬度； s：是四探針的探針間距，s1mm.實(shí)驗(yàn)三 光 刻 工 藝一、目的：按照平面晶體管和

35、集成電路的設(shè)計(jì)要求，在SiO2或金屬蒸發(fā)層上面刻蝕出與掩模板完全相對(duì)應(yīng)的幾何圖形，以實(shí)現(xiàn)選擇性擴(kuò)散和金屬膜布線的目的。二、原理：光刻是一種復(fù)印圖象與化學(xué)腐蝕相結(jié)合的綜合性技術(shù)，它先采用照像復(fù)印的方法，將光刻掩模板上的圖形精確地復(fù)制在涂有光致抗蝕劑的SiO2層或金屬蒸發(fā)層上，在適當(dāng)波長(zhǎng)光的照射下，光致抗證劑發(fā)生變化，從而提高了強(qiáng)度，不溶于某些有機(jī)溶劑中，未受光照射的部分光致抗蝕劑不發(fā)生變化，很容易被某些有機(jī)溶劑溶解。然后利用光致抗蝕劑的保護(hù)作用，對(duì)SiO2層或金屬蒸發(fā)層進(jìn)行選擇性化學(xué)腐蝕，從而在SiO2層或金屬層上得到與光刻掩模板相對(duì)應(yīng)的圖形。在SiO2層上涂復(fù)光刻膠膜將掩模板覆蓋在光刻膠膜上在

36、紫外燈下曝光顯影后經(jīng)過(guò)腐蝕得到光刻窗口圖3-1光刻原理圖（一）光刻膠的特性：1性能，光致抗蝕劑是一種對(duì)光敏感的高分子化合物。當(dāng)它受適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射后就能吸收一定波長(zhǎng)的光能量，使其發(fā)生交聯(lián)、聚合或分解等光化學(xué)反應(yīng)。由原來(lái)的線狀結(jié)構(gòu)變成三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提高了抗蝕能力，不再溶于有機(jī)溶劑，也不再受一般腐蝕劑的腐蝕2組成：以KPR光刻膠為例：感光劑聚乙烯醇肉桂酸酯。溶 劑環(huán)己酮。增感劑5硝基苊，3配制過(guò)程：將一定重量的感光劑溶解于環(huán)己酮里攪拌均勻，然后加入一定量的硝基苊,再繼續(xù)揖拌均勻，靜置于暗室中待用。感光劑聚乙烯醇肉桂酸酯的感光波長(zhǎng)為3800以內(nèi)，加入5硝基苊后感光波長(zhǎng)范圍發(fā)生了變化從26004

37、700 。（二）光刻設(shè)備及工具：1曝光機(jī)光刻專用設(shè)備。2操作箱甩膠盤涂復(fù)光刻膠。3烘箱烤硅片。4超級(jí)恒溫水浴鍋腐蝕SiO2片恒溫用。5檢查顯為鏡檢查SiO2片質(zhì)量。6鑷子夾持SiO2片。7定時(shí)鐘定時(shí)。8培養(yǎng)皿及鋁盒裝Si片用。9溫度計(jì)測(cè)量溫度。圖3-2 受光照時(shí)感光樹(shù)脂分子結(jié)構(gòu)的變化三、光刻步驟及操作原理1涂膠：利用旋轉(zhuǎn)法在SiO2片和金屬蒸發(fā)層上，涂上一層粘附性好、厚度適當(dāng)、均勻的光刻膠。 將清潔的SiO2片或金屬蒸發(fā)片整齊的排列在甩膠盤的邊緣上，然后用滴管滴上數(shù)滴光刻膠于片子上，利用轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離心力，將片子上多余的膠液甩掉，在光刻膠表面粘附能力和離心力的共同作用下形成厚度均勻的膠膜。涂膠

38、時(shí)間約為1分鐘。要求：厚度適當(dāng)（觀看膠膜條紋估計(jì)厚?。?，膠膜層均勻，粘附良好，表面無(wú)顆粒無(wú)劃痕。圖3-3光刻工藝流程示意圖2. 前烘：將硅片放入鉛盒中，然后在紅外燈下烘焙，促使膠膜內(nèi)溶劑充分地?fù)]發(fā)掉，使膠膜干燥，增加膠膜與SiO2或金屬膜之間的粘附性和提高膠膜的耐磨性，不沾污掩模板，只有干燥的光刻膠才能充分進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)。（1）前烘時(shí)間：約15（2）前烘溫度：T803曝光：接觸式曝光法，在專用的光刻機(jī)上，它包括“定位”和“曝光”兩部分。預(yù)熱紫外光燈（高壓水銀燈）使光源穩(wěn)定將光刻掩模板安裝在支架上，使有圖形的玻璃面向下把涂有光刻膠的Si片放在可微調(diào)的工作臺(tái)上膠面朝上在顯微鏡下仔細(xì)調(diào)節(jié)微動(dòng)裝置，使

39、掩模板上的圖形與硅片相應(yīng)的位置準(zhǔn)確套合頂緊Si片和掩模板復(fù)查是否對(duì)準(zhǔn)曝光取下片子。 （1）曝光時(shí)間的選擇： a光源強(qiáng)弱；b光源與Si片距離遠(yuǎn)近；c光刻膠性能；d光刻圖形尺寸大小。一般情況下，先試曝光一片，顯影后檢查一下表面，看其圖形是否清晰。 a，曝光不足：光刻膠反應(yīng)不充分，顯影時(shí)部分膠膜被溶解，顯微鏡下觀察膠膜發(fā)黑。 b曝光時(shí)間過(guò)長(zhǎng)：使不感光部分的邊緣微弱感光，產(chǎn)生“暈光”現(xiàn)象，邊界模糊，出現(xiàn)皺紋。曝光時(shí)間：約8一254顯影：將未感光部分的光刻膠溶除，以獲得腐蝕時(shí)所需要的、有抗蝕劑保護(hù)的圖形。（1）將曝光后的片子依次放入兩杯丁酮液中取出放入丙酮液中漂洗。 t：12（大概） （2）顯影后的圖形

40、必須認(rèn)真檢查，保證光刻質(zhì)量。 a圖形是否套刻準(zhǔn)確；b圖形邊緣是否整齊；c是否有皺膠或膠膜發(fā)黑；d有無(wú)浮膠；eSi片表面膠膜有無(wú)劃傷。5，堅(jiān)膜：顯影時(shí)膠膜發(fā)生軟化、膨脹，顯影后必須進(jìn)行堅(jiān)固膠膜的工作，堅(jiān)固后可以使膠膜與SiO2層或金屬蒸發(fā)層之間粘貼的更牢，以增強(qiáng)膠膜本身的抗蝕能力。紅外燈烘箱內(nèi)烘栲30左右，T1806腐蝕：選用適當(dāng)?shù)母g液，將無(wú)光刻膠復(fù)蓋的氧化層或金屬蒸發(fā)層腐蝕掉，而有光刻膠復(fù)蓋的區(qū)域保存下來(lái)。（1）腐蝕液的配方與配制：a配方：選用氫氟酸緩沖劑：氫氟酸：氟化銨：去離子水3（ml）：6（g）：10（ml）氫氟艘腐蝕劑；氟化銨緩沖劑；去離子水溶劑。b配制：先稱出氟化銨的重量，溶于去離

41、子水中，攪拌使其混合均勻。（2）SiO2層的腐蝕時(shí)間和溫度選擇：a腐蝕溫度：T3040b腐蝕時(shí)間；約為3010討論：1腐蝕時(shí)間的確定：首先觀看SiO2層顏色，根據(jù)辨色法初步判斷SiO2層的厚度；然后放入腐蝕液中腐蝕，SiO2層在HF酸緩沖液中的腐蝕速度是1000分,利用初步估計(jì)的SiO2層厚度與腐蝕速度之比確定腐蝕時(shí)間。此方法誤差較大,因?yàn)镾iO2層的顏色隨其厚度的增加而呈周期性的變化，對(duì)應(yīng)同一顏色可能有幾種厚度。2腐蝕時(shí)間的長(zhǎng)短是根據(jù)：a腐蝕速度；腐蝕速度與氧化層生長(zhǎng)的方法有關(guān)，依干氧法、濕氧法、低溫沉積法、磷擴(kuò)散等不同而定；b腐蝕液濃度；c腐蝕液溫度。腐蝕后的SiO2層要求：（1）邊緣整齊

42、；（2）圖形完整干凈；（3）圖形無(wú)畸變；（4）無(wú)鉆蝕、浮膠、針孔等弊病。7去膠：去除復(fù)蓋在硅片表面的保護(hù)膠膜，一般使用化學(xué)試劑使其膠膜碳化脫落。 用濃硫酸煮兩遍使膠膜碳化脫落冷卻用去離子水沖洗凈。最后檢查光刻質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)四 蒸 發(fā) 工 藝一、目的：1掌握真空蒸發(fā)制備鋁薄膜的方法；2用干涉法測(cè)量鋁膜厚度。二、原理 對(duì)于硅平面晶體管，經(jīng)過(guò)基區(qū)和發(fā)射區(qū)擴(kuò)散后，就構(gòu)成了晶體管的管芯。但是，要成為整機(jī)上的晶體管，還必須在管芯的基區(qū)和發(fā)射區(qū)上制備歐姆接觸電極。器件生產(chǎn)中常用真空鍍膜方法來(lái)制備管芯的歐姆接觸電極。 真空鍍膜就是在真空容器中把蒸發(fā)源材料加熱到相當(dāng)高的溫度，使其原子或分子獲得足夠的能量，脫離材料表

43、面的束縛而蒸發(fā)到真空中成為蒸氣原子或分子，它以直線運(yùn)動(dòng)穿過(guò)空間，當(dāng)遇到待淀積的基片（如硅片）時(shí)，就沉積在基片表面，形成一層薄的金屬膜。為什么要在真空中進(jìn)行蒸發(fā)呢?由于在普通的大氣中，存在著許多氣體分子，高溫蒸發(fā)出來(lái)的金屬原子或分子將不斷地與這些氣體發(fā)生散射碰撞，這樣一是改變了金屬原子或分子的運(yùn)動(dòng)方向，使其不能順利到達(dá)基片表面；二是空氣中的氧極易使這些蒸汽原子氧化；三是系統(tǒng)中氣體也將跟基片表面不斷發(fā)生碰撞和金屬原子一起沉積下來(lái)，形成疏松的金屬膜，并使熾熱的金屬膜氧化，影響鍍膜質(zhì)量，因此在蒸發(fā)過(guò)程中要保持足夠低的殘余氣體的壓強(qiáng)，使這些蒸汽原子在該系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)的平均自由程大于源至基片的距離，并減少殘余

44、氣體與基片的碰撞機(jī)會(huì)。根據(jù)氣體分子運(yùn)動(dòng)論，氣體分子運(yùn)動(dòng)的平均自由程與系統(tǒng)中氣體壓強(qiáng)P有如下關(guān)系：（41） 式中：K玻爾茲曼常數(shù)；d氣體分子的直徑；T絕對(duì)溫度；P系統(tǒng)中的氣體壓強(qiáng)。通常蒸發(fā)條件為P10-5 mmHg（托），由（41）式計(jì)算出（0，空氣）：500厘米，它遠(yuǎn)大于實(shí)際給出的源到基片之間的距離。設(shè)初始時(shí)由蒸發(fā)源射出的分子有n0個(gè)，其中一部分n1n0在小于給定路程長(zhǎng)度內(nèi)發(fā)生碰撞，則遭到碰撞的分子數(shù)占總分子數(shù)的百分?jǐn)?shù)為：（42）由（42）式可計(jì)算出途中發(fā)生碰撞的分子數(shù)（）與實(shí)際路程對(duì)平均自由程之比曲線，如圖41所示。當(dāng)平均自由程等于蒸發(fā)源到基片距離時(shí)，有63的分子發(fā)生碰撞；當(dāng)平均自由程10倍

45、于蒸發(fā)源到基片距離時(shí)，只有9的分子發(fā)生碰撞。由此可見(jiàn)，平均自由程必須比蒸發(fā)源到基片的距離大得多，才能避免在遷移過(guò)程中發(fā)生碰撞現(xiàn)象。圖41 分子在遷移途中發(fā)生碰撞的百分比 與實(shí)際路程對(duì)平均自由程之比的關(guān)系曲線 蒸發(fā)還依賴于加熱溫度。一般說(shuō)來(lái)當(dāng)溫度達(dá)到一定值，使蒸發(fā)源物質(zhì)的蒸汽壓達(dá)到102托時(shí)即可進(jìn)行有效的蒸發(fā)淀積。不同物質(zhì)有不同的蒸發(fā)溫度。鋁的蒸發(fā)溫度為1148。在硅器件生產(chǎn)中，鋁是用得最多的蒸發(fā)源材料，它具有以下特點(diǎn)：（1）低電阻率；（2）容易與P型、n型硅形成低歐姆接觸；（3）與硅和二氧化硅粘附性好，且不發(fā)生有害反應(yīng)；（4）易于光刻；（5）便于熱壓、超聲鍵臺(tái)。三、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及所有器具（1）真空

46、蒸發(fā)鍍膜機(jī)。真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)主要由三部分組成：真空鍍膜室，抽氣系統(tǒng)，測(cè)量?jī)x器，圖42給出了真空蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)示意圖。（2）熱電偶及功率表。用來(lái)測(cè)量襯底加熱器的溫度。（3）干涉顯敞鏡。用來(lái)測(cè)量蒸發(fā)的鋁薄膜厚度。1. 機(jī)械泵；2. 機(jī)械泵閥門； 3. 擴(kuò)散泵加熱器電爐； 4. 擴(kuò)散泵；5. 擴(kuò)散泵冷卻水； 6.擴(kuò)散泵閥門；7. 襯底加熱器； 8. 熱電偶；9. 活動(dòng)擋板； 10. 蒸發(fā)源加熱器；11. 鐘罩； 12. 熱偶管和電離規(guī)管； 13. 系統(tǒng)放氣閥門； 14. 旁路閥門： 15. 機(jī)械泵放氣閥門； 16. 硅片圖42 真空蒸發(fā)鍍膜設(shè)備示意圖四、蒸發(fā)工藝步驟（一） 蒸鋁前的準(zhǔn)備工作主要是硅片、鋁

47、絲、蒸發(fā)源加熱器和襯底加熱器的清潔處理。（1）硅片的處理：同氧化工藝。（2）鋁的清潔處理：把鋁絲或鋁條剪短，折成“V”形，用濃磷酸加熱煮12分種后，用去離子水沖洗干凈，浸在無(wú)水乙醇中備用。（3）蒸發(fā)源加熱器的清潔處理：把繞制好的鎢絲加熱器，用1020的氫氧化鈉溶液煮，除去表面的氧化層，達(dá)到表面干凈光亮，再用冷、熱去離子水沖洗直至中性為止，經(jīng)烘干后放在干燥塔中備用。在使用加熱器進(jìn)行蒸鋁前，要進(jìn)行高溫高真空處理。（4）襯底加熱器的清潔處理：與其它石英器具的處理相同。（二）蒸鋁操作程序（1）將鋁掛在加熱器鎢絲上，一般要獲得12微米厚的鋁層，蒸發(fā)源到硅片間距為7厘米時(shí)，鋁用量為500700毫克，把硅片

48、放在襯底加熱器的石英板上，并用活動(dòng)擋板擋好。 （2）蓋上鐘罩進(jìn)行抽氣，先開(kāi)動(dòng)機(jī)械泵，當(dāng)真空度達(dá)102托以后，接通擴(kuò)散泵電源，使其工作（開(kāi)啟擴(kuò)散泵時(shí)必須先通冷卻水）。（3）測(cè)量真空度達(dá)5X105托以上時(shí)，使襯底加熱器升溫至300500范圍恒溫2分鐘，這步的目的是清潔處理硅片，且使硅片表面除氣，以使鋁原子與硅表面緊密結(jié)合。（4）接通蒸發(fā)源加熱器電源，逐漸增加加熱器電壓，鋁條由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，當(dāng)鋁全部熔成圓滴后，迅速加大電壓（100V左右），移開(kāi)擋板，汽態(tài)鋁便蒸發(fā)淀積到硅片表面上。蒸發(fā)時(shí)間約為4060秒。隨后移回?fù)醢逭谧」杵?，再次高真空高溫處理，以便下次再用。?）鋁固化。把襯底溫度提高到450，恒溫

49、2分鐘，目的是使鋁層致密牢固。（6）襯底溫度降至100以下，將擴(kuò)散泵電源斷電，當(dāng)擴(kuò)散泵冷卻后，可停止機(jī)械泵工作（注意一定要使機(jī)械泵進(jìn)氣口通大氣）。（7）將真空室內(nèi)通大氣，打開(kāi)鐘罩，取出硅片，檢查質(zhì)量。質(zhì)量較好的鋁膜，表面光亮如鏡，呈銀白色，若鋁膜表面不光亮，呈白霧狀，則說(shuō)明鋁膜被氧化。其原因主要有：系統(tǒng)真空度低；鎢絲加熱器處理不干凈；鋁條上的氧化物沒(méi)有揮發(fā)掉而蒸發(fā)過(guò)早；硅片清潔處理不好等。若鋁膜表面局部區(qū)域出現(xiàn)污點(diǎn)，很可能是由于過(guò)早打開(kāi)擋板所造成的。五、用干涉法測(cè)量鋁膜厚度用干涉顯微鏡測(cè)量蒸發(fā)金屬層的厚度。（43）式給出了鋁膜厚度的計(jì)算公式。圖43給出了干涉條紋圖象。（43）式中為光的波長(zhǎng)。圖

50、43干涉條紋六、思考題1蒸發(fā)為什么要在真空中進(jìn)行?2鋁膜的質(zhì)量主要由哪些因素決定？注意事項(xiàng)：1，使用機(jī)械泵時(shí)應(yīng)盡量減少直接抽大氣，直接抽大氣會(huì)帶入大量的灰塵和臟物，使機(jī)械泵油污染，影響真空度；在停止機(jī)械泵工作時(shí)必須將進(jìn)氣口通入大氣，使得進(jìn)氣口和出氣口的氣壓達(dá)到平衡，否則機(jī)械泵油會(huì)倒入系統(tǒng)，造成事故。 2使用擴(kuò)散泵時(shí)應(yīng)注意：a前級(jí)機(jī)械泵必須保持102托以上預(yù)備真空時(shí)才可使擴(kuò)散泵工作；b擴(kuò)散泵通電加熱時(shí)必須先通冷卻水，直至擴(kuò)散泵停止加熱且冷卻到室溫后方可停止。若突然停水，需馬上用事先準(zhǔn)備好的水人工冷卻擴(kuò)散泵。c機(jī)械泵需在擴(kuò)散泵停止工作且冷卻后方可停機(jī)。3當(dāng)真空度低于103托時(shí)，不能使用電離真空規(guī)測(cè)

51、量，否則燈絲氧化，使其壽命縮短，甚致馬上燒毀。實(shí)驗(yàn)五 制 版 工 藝一、目的通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解光刻掩膜版在硅平面生產(chǎn)器件中的作用，掌握制版工藝原理。及一些簡(jiǎn)單的工藝操作。二、工藝原理及操作照相制版技術(shù)由來(lái) 硅平面生產(chǎn)要求是定域擴(kuò)散，而各種晶體管參數(shù)又要求擴(kuò)散區(qū)域具有一定幾何形狀和尺寸大小。這就需要不被擴(kuò)散的區(qū)域被SiO2保護(hù)起來(lái)。當(dāng)硅片氧化的時(shí)候，片子表面全部被氧化，這就需要一種方法把擴(kuò)散區(qū)域的氧化層去掉，其辦法就是光刻辦法。光刻是利用光致抗蝕劑的性質(zhì)，它受光照之后可以抗腐蝕。利用光刻膠，涂在氧化層上，被光照的部分抗腐蝕，起了保護(hù)氧化層的作用；未被光照的部分不被保護(hù)，氧化層被腐蝕掉，露出了硅表面得以

52、擴(kuò)散。起掩蔽光作用的就是光刻掩膜版。由此看出：一塊光刻掩膜版應(yīng)具有幾何圖形，圖形又有掩蔽光的作用，并有一定的尺寸大小。 具有一定掩蔽光的能力，具有幾何圖形和尺寸大小這是對(duì)光刻掩膜版基本要求。還有特殊要求：a由于掩膜版圖形尺寸是m數(shù)量級(jí)，因此圖的尺寸要求一定的精確度。b要求圖形不能發(fā)生畸變。c為了保證大鋇摸生產(chǎn)，要求光刻版有多個(gè)重復(fù)的具有一定精度間隔相同的圖形。d要求圖形邊緣陡直，無(wú)毛刺，干凈。由于腌膜版的特殊要求、在生產(chǎn)實(shí)踐中產(chǎn)生了照相制版工藝。光刻掩膜版制備工藝流程及簡(jiǎn)單原理 照相制版技術(shù)為什么能制出合乎特殊要求的版呢?我們知道照相是以幾何光學(xué)為原理的一種技術(shù)，其中對(duì)制版最有用的是它的放大縮

53、小能力，另外照相可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)小區(qū)域上分布重復(fù)照上許多相同的圖形等等。下面分別介紹一下。a。 利用照相辦法可以使圖像縮小，這樣可以保證圖形的精確度。例如：我們需要一個(gè)邊長(zhǎng)1米的方塊圖形，要求圖形尺寸誤差為1mm，我們畫圖可能有2mm的誤差，為了消除誤差我們把圖形放大10倍，畫出圖形的邊長(zhǎng)為10米，誤差為2mm。當(dāng)用照相辦法把圖形縮小到邊長(zhǎng)1米時(shí)，誤差尺寸也縮小了10倍變?yōu)閙m。如果放大100倍誤差在縮小過(guò)程中變?yōu)閙m。由此看出，放大時(shí)誤差并不放大，而縮小時(shí)誤差隨之縮小。這樣我們可以通過(guò)放大縮小辦法來(lái)保證圖形尺寸的精確度。 b我們用精縮機(jī)可把一個(gè)圖形按一定間隔分布重復(fù)拍照幾千個(gè)圖形，這樣實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)小硅片上做好多管子的愿望。 c照相底版是在玻璃上涂上感光劑作成的。它具有高反差、高兮辨率、透明、干凈、邊緣整齊等特點(diǎn)。這就是照相制版技術(shù)為什么能滿足對(duì)光刻掩膜版的特殊要求的原因。