（微电子学与固体电子学专业论文）单晶硅吸收型光纤温度传感器的探索.pdf

摘要 利用半导体光吸收原理，提出了一种新颖的半导体吸收型光纡温度传感器。 该传感器采用单晶硅半导体材料为温度敏感材料。它具有测温范围广；单晶硅敏 感材料制备、加工工艺成熟等优点，因此有较广泛的发展前景目前在国内尚未 见报道。论文在理论分析单晶硅透射特性的基础上，提出了以微细加工各向异性 腐蚀深槽的工艺方法，获得1 0 u m 2 0 u m 的单晶硅感温薄膜，并采用透射式传感 r 结构。这种用微机械加工技术来制备感温元件的方法至今尚属首次。怏验结果表 明，在1 0 。c 1 0 0 。c 的温度范围内，传感器的线性度可达到1 5 ，往右，同时可 得到1m v o c 左右的灵敏度。上 a b s t r a c t an e wk i n do fs e m i c o n d u c t o r a b s o r p t i o nf i b e r - o p t i ct e m p e r a t u r e s e l l s o ri s d e s c r i b e di nt h ep a p e r t h et e m p e r a t u r es l 豇l s o rb a s e do nt h ea b s o r p t i o np r o p e r t i e so f a j li n d i r e c ts e m i c o n d u c t o r i np a r t i c u l a r ，w e a n a l y z et h et e m p e r a t u r e - d e p e n d e n t a b s o r p t i o na s s o c i a t e dw i t ht h e1 1 e v f u n d a m e n t a li n d i r e c tb a n dg a po f s i n g l e - c r y s t a l s i l i c o n t h e o r e t i c a l l y ，aw i d et e m p e r a t u r er a n g ei sp o s s i b l e f u r t h e rm o r e ，s i l i c o ni s a d v a n t a g e o u sa st h em a t e r i a lo f i n d u s t r i a lt e m p e r a t u r es e n s o r s ，s i n c ei t sf a b r i c a t i o n a n dp r o c e s s i n gt e c h n i q u e sa r ew e l lk n o w n _ an o v e lm e t h o dt h a tg e tal o u m 一2 0 u m l a y e r o f s i n g l e - c r y s t a l s i l i c o na st h e t e m p e r a t u r e s e n s i t i v em a t e r i a la n dd e s i g n t r a n s m i t t e dc o n f i g u r a t i o ni sp r e s e n t e d t h el i n e a r i t yo fa b o u t1 5 a n dt h es e n s i t i v i t y o f a b o u t1 m v o c w e r e o b t a i n e d i n t h e t e m p e r a t u r er a n g e f r o m1 0 。c t o1 0 0 。c 故尉 本论文是在林言方教授指导下完成的。从论文的选题到定稿，林言方教授给 予了悉心的指导，倾注了大量的心血。林老师治学严谨，学识渊博，有着丰富的 研究经验；为人诚恳，平易近人，他不仅使我学到了研究学问的方法，也使我学 到了做人的道理。多年来，承沐恩泽，在此表示衷心的感谢和深深的敬意。 感谢我的父母，他们不仅在生活上为我消除了后顾之忧，更在思想上让我有 清醒的认识，在我受到挫折的时候鼓励我，给我重新努力的信心和决心。 感谢陈忠景老师、孙颖老师、李贡社老师的大力支持和帮助。 感谢施红军老师、杨爱龄老师、丁扣宝老师、过静娴老师在学习和生活上的 谆谆教导和诸多关照。 感谢同寝室的詹桦同学和同专业同学，在生活和学习上的无私帮助。 感谢所有曾经关心帮助过我的师长、同学和朋友们! 第一章绪论 第一章 绪论 1 1 光纤传感器的发展简史及研究状况 光纤和光纤通信的问世和发展，引起了各界人士的关注，他们试图将这一新 技术成果用到各自的领域。光纤传感器的出现正是这样。 7 0 年代中期，人们开始意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以构 成一种新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能把待测的量与光纤内的导 光联系起来。 1 9 7 7 年，美国海军研究所开始执行光纤传感器系统计划，这被认为是光纤 传感器问世的日子。从这以后，光纤传感器在全世界的许多实验室里出现。 从7 0 年代中期到8 0 年代中期近十年的时间，光纤传感器己达近百种，它在 国防军事部门、科研部门以及制造工业、能源工业、医学、化学和日常消费部门 都得到实际应用。从目前的情况看，已有一些形成产品投入市场，但大量的是处 在实验室研究阶段。光纤传感器与传统的传感器相比具有一下优点：灵敏度高； 是无源器件，对被测对象不产生影响；光纤耐高压，耐腐蚀，在易燃、易爆环境 下安全可靠；频带宽，动态范围大；几何形状具有多方面的适应性；可以与光纤 遥测技术相秀已合，实现远距离测量和控制；体积小，重量轻等。 目前，世界各国都对光纤传感器展开了广泛，深入的研究，几个研究工作开 展早的国家情况如下【l i ： 美国对光纤传感器研究共有六个方面：这些项目分别是：光纤传感系统；现 代数字光纤控制系统；光纤陀螺；核辐射监控；飞机发动机监控；民用研究计划。 以上计划仅在1 9 8 3 年就投资1 2 1 4 亿美元。美国从事光纤传感器研究的有美国 海军研究所、美国宇航局、西屋电器公司、斯坦福大学等2 8 个主要单位。美国 光纤传感器开始研制最早，投资最大，已有许多成果申请了专利。 英国政府特别是贸易工业部十分重视光纤传感器技术，早在1 9 8 2 年有该部 为首成立了英国光纤传感器合作协会，到1 9 8 5 年为止，共有2 6 个成员，其中包 括中央电器研究所、d e l t a 控制公司、帝国化学工业公司、英国煤气公司、t a i l o r 仪器公司、标准电信研究所及几所主要大学。 一篁= 里堕笙 ! 德国的光纤陀螺的研究规模和水平仅次与美国居世界第二位，西门子公司在 1 9 8 0 年就制成了高压光纤电流互感器的实验样机。 日本制定了1 9 7 9 1 9 8 6 年“光应用计划控制系统”的七年规划，投资达7 0 亿美金。有松下、三菱、东京大学等2 4 家著名的公司和大学从事光纤传感器研 究。从1 9 8 0 年7 月到1 9 8 3 年6 月，申请光纤传感器的专利4 6 4 件，涉及1 1 个 领域。主要应用于大型工厂，以解决强电磁干扰和易燃、易爆等恶劣环境中信息 测量、传输和生产全过程的控制问题。 我国光纤传感器的研究工作于8 0 年代初开始，在“七五”规划中提出了1 5 项光纤传感器项目，其中有光纤放射线探测仪、光纤温度传感器及湿度溯量系统、 光纤陀螺、光纤磁场传感器、光纤电流、电压传感器、医用光纤传感器、分析用 传感器、集成光学传感器等。预计“七五”期间的研制成果可达到美、日等国 8 0 年代初、中期水平。 目前，从大量文献资料中可看到光纤传感器的研究有如下动向： 1 ，继续深入研究传感器的理论和技术，解决实用化问题，发展新原理的光纤传 感器。 光纤传感器基本原理的研究日益深入，强度、相位调制的传感器更加完善， 而对波长调制和时间分辨信息的传感器亦有深入的研究。传感器用于实际测量的 主要问题是长时间的漂移效应，漂移效应主要来自光纤传输线的衰减、耦合器和 分束器特性不完整、光源输出不稳定及探测器的响应等。人们对此进行了深入研 究，提出了许多解决办法，无论采用何种方法，在传感头上使用“比较”技术， 使光纤传感器获得长时间的稳定，这样就可以使光纤传感器实用化。 2 ，从单一传感器进入到传感器系统的研究，并与微处理机相结合形成光纤遥测 系统。 单一光纤传感器的研究一进入到实用化阶段，但它无法适用于多参数，多变 量的测量。光纤传感器系统的一种形式是采用多路传输的光无源传感器系统，其 核心问题是如何节省光路，寻求更有效利用的信息通道，使其能不畸变的更多的 传输由各个光纤传感器取得的信号。利用光纤之间、几个无源传感器之间、数据 遥测通道之间的多路传输达到此目的。 1 2半导体吸收型光纤温度传感器的基本概念和研究状况 笙二兰堑堡 ! 光纤温度传感器是近几十年发展起来的新技术，也是工业中应用最多的光纤 传感器之一。按照调制原理有相干型和非相干型两类。在非相干型中，它可分为 辐射温度计、半导体吸收型温度计、荧光温度计等；在相干型中，有偏振干涉、 相位干涉以及分布式温度传感器等。光纤温度传感器与传统的温度传感器相比， 具有无可比拟的优势。它不仅具有抗电磁干扰、抗腐蚀、绝缘性好、安全等特点。 而且特别适合超长距离和恶劣环境下的探测。因此，光纤温度传感器是目前研究 的最多的光纤传感器之一。 半导体吸收型温度传感器是利用半导体材料的光吸收与温度的关系，可以做 成吸收型光纤温度传感器。其关系曲线如图所示，半导体材料吸收边的波长 x a t ) 随温度增加而向较长波长位移。选择适当的半导体发光二极管l e d ，使其 光谱范围正好落在吸收边的区域，这样，透过半导体材料的光强随温度r 的增加 而减小。检测出光强的变化就可以探测出温度的变化。 光 强 波长 五 17 e v = “3x e j o ) x e 3e 矾i 1 e v e i 7 e v 由上式可以看到，当吸收光子能量为1 1 2p 矿时，即单晶硅禁带宽度能量e 譬 时，吸收系数将随温度有一o 4 3 1 0 3e v k 的偏移。 图3 2 描述了单晶硅作为感温材料的原理。根据上式，当温度升高，整个吸 第三章单晶硅吸收型光纤温度传感器 1 4 收谱向长波方向移动。但其形状保持不变。如果选用合适光谱谱宽的光源，并保 持光强不变，此时透过硅片的光子大量被吸收，光强减弱。如用光电检测器检测 出变化，便可了解温度的变化。这就是单晶硅可作为感温材料的原理。 e n e 图3 2 单晶硅温度传感器原理 下面可就分别基于直接能带和间接能带半导体材料的传感器作一简单的比 较。图3 3 是以g 鲥j 为材料的温度传感器的原理图由图可见，由于g a a s 是 直接能带半导体，它的吸收谱即窄又陡，随着温度的变化，其吸收谱将很快的离 开光源谱宽，这就使得测温的范围很大的依赖于光源的谱宽。丽对于单晶硅温度 传感器，由于有较宽的吸收谱宽，可测量较大温度范围 羹 波长 正 正 五 图3 3g a a , f 温度传感器原理 3 2 单晶硅的透射率理论分析 以上定性的描述了但单晶硅的吸收特性。接下来将定量的分析其透射率特 性。假定采用g a a s l e d ，得到单晶硅的透射率表达式： 第三章单晶硅吸收型光纤温度传感器 r ( v ，) = f 占( v ) e x p ( 一a ( v ，r ) d d y式( 1 ) 式中：g ( v ) 一归一化后的发射光光谱； ，一硅片厚度； a ( v ，t ) 一吸收系数； ，一发光光源频率。 l e d 的发光光谱可归一化为高斯分布。我们取g a a sl e d 典型参数进行分 析，光谱中心能量：e o = h v o = 1 3 l e v ，其谱宽：从= 5 0 n m ，转化为能量为 a e = h ( h v ) = o 0 3 e v 。则归一化后的发射光光谱可表达为： 咖) = 等唧【- ( 詈) 2 】式( 2 ) 式中：一峰值频率； a v 一光谱半频宽； 。一最大辐射强度。 为了数值分析，将1 1 e v 至2 4 e v 的吸收系数用三阶方程进行近似拟合，并 在1 2 e v , 1 5 e v , 1 8 e v 和2 1 e v 处作了修正，得到t = 2 5 。c 下吸收系数的近似 公式| 1 2 l ： l n a ( e ，t ) = 9 8 7 e 3 5 5 2 1 e 2 + 1 0 4 8 2 e 一5 9 8 0式( 3 ) 式中：a ( z ，t ) 一吸收系数； e 一入射光能量。 将式( 3 ) ，式( 2 ) 代入式( 1 ) 便可得到单晶硅的透射率特性。通过计算机 模拟，我们得到不同厚度下单晶硅的透射特性，如图3 4 所示。由图分析可知， 较薄的单晶硅薄片( 1 2 0 u m ) 在低温度区间保持了较好的线性，可以测量低温 区域。同时，可以看到线性区域有着较大的温度区域( 3 0 0 。c 左右) ，能有较大 的测温范围。 第三章单晶硅吸收型光纤温度传感器 图3 4 不同厚度下单晶硅的透射特性 而对于直接能带的半导体材料，在使用光谱中心位于8 8 0 r i m ，1 5 0 n m 谱宽的 a i g a a sl e d ，感温材料为2 0 0 u m 的g 耐j ，其洹度线性区域只用1 0 0 。c 左右【1 引， 相比较而言，单晶硅在采用5 0 n m 光源谱宽的情况下，其测温范围比g a d s 大 2 0 0 。c ! 可见，单晶硅温度传感器有更广泛的应用前景。 3 3 单晶硅吸收型光纤温度传感器系统结构 单晶硅半导体吸收型光纾温度传感器的系统结构图如图3 5 所示。包括发光 管稳流电路，半导体发光二极管，传输光纤，半导体温度探头，光电探测器以及 前置放大电路和低通滤波器。 工作过程为：发光管稳流电路驱动发光二极管发光，测量光经过光纤进入温 度探头，探头中的单晶硅材料对光有吸收作用，其透过的光强与温度有关，经光 纤传输后，由光电探测器检测，经信号放大、滤波后输出。 图3 5 单晶硅吸收型光纤温度传感器系统结构 温度探头是传感系统的核心部分，它的结构可分为j 纛射型和反射型，结构如 col岫re口cg 第三章单晶硅吸收型光纤温度传感器1 7 图36 示意。 图3 6 温度探头结构示意图 透射型温度探头的结构是入射光通过光纤引导投射到硅片上，在硅片背面再 由光纤采集透过硅片的出射光信号。两反射型温度探头的入射光纤和出射光纤在 硅片的同侧，硅片的背丽淀积上一层光线反射层( 一般为铝) ，出射光纤采集通 过硅片经反射层反射的光信号。 在实际制作中，我们实验了两种不同结构的探头，虽然反射型温度探头结构 简单，易于测量，但其自身还有不少缺陷，分析如下： 1 反射型温度探头对硅片的厚度要求较高。从示意图上可以看出，反射型结构 光线经过反射层反射，两次经过硅片。这意味着硅片的厚度增加了一倍，实际制 备的硅薄膜要求更薄。从工艺加工上来说，增加了工艺复杂程度 2 反射结构虽然简单，但在硅片表面不可避免的存在袭面反射。虽然我们可以 采用生长增透膜的办法减小表面反射( 在第四章中会详细阐述) ，但仍然会有少 量反射。由于经过硅片透射后的信号本身很弱，这些反射就会对准确测量温度带 来很大的影响。 3 反射结构的入射光线角度和出射光线角度要求较高，为了获得尽可能大的信 号，要微调入射光纤和出射光纤的位置，这要求性能很高，很精巧的设备，增加 了设备的复杂程度。 考虑了以上原因后，我们最终决定采用透射型温度探头完成温度传感器的制 作。 小结 本章的分析是对第四章工艺制备单晶硅薄膜和第五章传感器的制作提供基 第三章单晶硅吸收型光纤温度传感器 1 8 础。通过对单晶硅透射特性的量化分析，我们得知要在实验条件下测量温度特性， 硅片的厚度大约应该在1 0 u m 2 0 u m 左右，在下一章中我们将讨论如何使用半导 体微细加工工艺来获得硅薄膜。通过对不同结构温度探头的比较，得出透射型温 度探头的特性较有优势，在具体制作传感器时，我们将主要采用透射结构完成传 感系统。 第四章单晶硅薄膜的制备 第四章 单晶硅薄膜的制备 由第三章的理论分析可知，要使单晶硅在( 0 4 c i 0 0 4 c ) 条件下有较线性的 透射特性，则单晶硅的厚度较理想应该在i o u m 到2 0 u r n 之间。本章主要研究如 何在实验室条件下采用硅片微细加工各向异性腐蚀刻蚀深槽的方法制备单晶硅 薄膜。 4 1与已有的硅薄膜制作方法进行比较 由目前文献资料表明【4 h 5 l ，在硅材料吸收型光纤湿度传感器中，制备感温材 料硅薄膜的方法主要有两种：一种是采用c v d 的方法，在光纤端蔼的平面上淀 积一层多晶硅薄膜；其二是采用s o i 材料，利用硅片静电键合和各向同性腐蚀 技术，获得单晶硅薄膜。以下分别简要讨论两种方法的优缺点。 c v d 方法淀积多晶硅薄膜是半导体器件中的关键工艺。主要采用盛蚴在 i1 1 0 时，分解为口和朋l 在淀积表面得到平坦的多晶硅薄膜。薄膜的厚度 可以通过控制反应气体流量和反应时间获得。该方法可以得到极薄的多晶硅薄膜 ( 大约l u r e 左右) ，而且直接淀积在光纤端面省去了很多连接方面的麻烦。但多 晶硅薄膜对光的透射率远远低于单晶硅，需要极薄的薄膜才能获得良好的透射特 性。因此，对工艺提出了较高要求，在多晶硅生长工艺中，其厚度，晶粒大小等 较难控制【1 7 】；此外，工艺设备复杂、昂贵。 s o l 材料是指在绝缘衬底上生长单晶硅膜。硅片键和是获得s o i 材料的一种 技术。在实践中，是采用硅玻璃静电键合。其原理较简单：抛光的硅片表面与 抛光的玻璃表面相接触，这个结构被放在一块加热扳上，两端接有静电电压，负 极接玻璃，正极接硅片，将玻璃和硅片牢固地粘贴在一起。然后对硅片进行各向 同性腐蚀，最后获得l o u m 左右的单晶硅薄膜。采用s o l 材料可以对硅薄膜有良 好的支撑，由于绝缘体采用玻璃，对光信号的影响很小。但硅一玻璃静电键合对 硅片和玻璃表面要求很高，否则很容易在键合后的硅片、玻璃表面形成空洞；键 合时硅片、玻璃要长时间出于高温高压下，成品率不高f l l 【1 6 i 。 在分析了现有的技术基础上，结合半导体工艺技术，我们提出了采用硅片微 细加工各向异性腐蚀刻蚀深槽的方法来制备单晶硅薄膜。它具有以下几个优点： 第四章单晶硅薄膜的制备 ( 1 ) ，由于是各向异性腐蚀，薄膜与薄膜之间有较厚的“硅墙”，可起到良 好的支撑作用，避免因薄膜太薄丽产生的破碎问题。 ( 2 ) ，工艺可操作性好，工艺条件易于控制，可重复性高，易于大规模生产。 ( 3 ) ，工艺设备要求简单，制备价格低廉。 从制备结果来看，该方法简单、易行、可靠，具有更大的优势。 4 2 微机械加工技术简介 随着电子技术的发展及其应用的普及，工业技术日益自动化。因此，单纯的 机械系统己日渐被电子机械系统所代罄。为了实现自动控制，电子机械系统中包 含着电子控制电路、机械执行器。在半导体集成电路和半导体传感嚣得到发展的 基础上，人们也希望能作成尺寸与集成电路相当的徽型机械执行器，并进一步将 微机械与集成电路、微型传感器集成在一起构成徽型的电子机攘系统，即微电子 机械系统( m e m s ) 。它的特点是可以利用电子电路来控辅徽机援的动作，当然 也可以进一步通过传感嚣来实现机援运动的自动控制。为了达到这样的目标，8 0 年代以来人们作出了大量的努力，也取得了巨大的进展 m e m s 制作技术常被称为微米一纳米技术，主要包括硅微机械加工，l i g a 技术，超精密加工技术和集成组装技术等几方面。 微机械加工技术是微电子机械系统的核心，也是m f _ m s 技术的主流和发展 方向。微机械加工技术是加工微米量级机械的技术，邵为徽传感器，微执行器和 微电子机械系统带9 作微机械部件和结构的加工技术。它是在硅平面技术的基础上 发展起来的。它的历史不长，但由于涉及领域的广泛性和重要性，所以受到了各 界的广泛重视，发展非常迅速，是目前最重要的新兴技术之一。 目前，硅集成电路已发展器| 特大规模( u l s i ) 的水平，硅的微米级加工技 术已经很成熟，在一个几毫米见方的硅芯片上集成几百万个晶体管已毫无问题， 现在硅加工技术已向着深亚微米( o 1 3 m n - - - 0 0 9 蝴) 迈进，因此集成电路工艺在 其精度水平上完全可以满足硅微机械加工的要求。 微机械加工技术包括体微机械加工、表面徽机械加工以及复合微机械加工技 术等【1 8 1 。 体微机械加工技术是通过选择掺杂和结晶湿化学腐蚀将整块材料如单晶硅 基片加工成微机械结构的生产工艺。它的一个主要的优点就是可以相对容易地制 第四章单品硅薄膜的制备 2 1 作出较大的器件，缺点是很难制造精细灵敏的系统，而且，由于体微机械加工工 艺无法做到器件的平面化布局，因此，不能够和微电子线路直接兼容。体微机械 加工技术在压力传感器和加速度传感器中均得到成功的应用 表面微机械加工技术就是利用集成电路中的平面化制造技术来制造微机械 装置。利用这种加工技术生产的微机械装置一般包括一层用作电连结的多晶硅 层，一层或更多的机械加工多晶硅层。它们可以形成各种机械部件。表面微机械 加工技术的主要优点是充分利用现有i c 生产工艺，对机械部件尺度的控制很好。 因此，这种技术与i c 完全兼容，但受到沉积薄膜厚度的限制，使其加工的机械 结构基本上都是二维的。在表面微机械加工工艺中，机械加工层越多，可制造的 微型机械越复杂、功能越强大。但是徽型元件的布局问题、平藤化问题和减小残 余应力问题，也更难解决。总的来说，裹面微机械加工技术的单颟加工的特点和 与集成电路工艺良好的兼容性使其得到快速的发展。 表面微机械加工技术的典型工艺有：美国北卡罗莱纳州微电子公司开发的多 用户娅m s 工艺( m u w p s ) 。它共有三层多晶硅，其中一层用作电极地址和本地布 线，另两层是机械加工层；美鼠桑迪亚国家实验室( s n l ) 开发的桑迪亚超平面 化多层m e m s 工艺( s 删i t ) ，它共有四层多晶硅，其中三层用于机械加工；s n l 开发的s u 删i t v i 艺，它的机械加工层多达四层。 复合微机械加工技术是体微机械加工技术和表面微机槭加工技术的综合。它 具有体微机械加工技术和表面微机械加工技术的优点，同时也避免了它们的缺 点。 4 3硅材料的刻蚀技术 硅材料的蚀刻技术的分类有很多。从刻蚀的几何特性柬分，可以分为各向同 性腐蚀和各向异性腐蚀。各向同性腐蚀剂在硅片的各个方向上有几乎相同的腐蚀 速率，但在非常长和非常窄的几何尺寸中，腐蚀速率将由于腐蚀剂的浓度降低而 变慢。各向异性腐蚀是指由于硅材料各个晶面的原子密度，晶面间键密度等不同， 腐蚀剂对硅的不同晶面有不同的腐蚀速率，其腐蚀特性如图4 1 描述1 1 9 l 。 第四章单晶硅薄膜的制各 ( a ) 各向同性腐蚀 ( b ) 各向异性腐蚀 图4 1 各向同性腐蚀和各向异性腐蚀 从腐蚀剂的类型又可分为：湿法腐蚀，化学气象腐蚀和等离子体腐蚀。后两 种腐蚀统称为干法腐蚀。湿法腐蚀全部都是化学腐蚀，即通过化学反应来进行腐 蚀，主要应用不同的化学溶液对无薄膜掩蔽层的硅材料进行化学腐蚀，可以形成 多种结构，例如孔、槽、台面等，不同组分的化学溶液可以对硅进行各向同性腐 蚀和各向异性腐蚀。它具有成本低，可腐蚀形态广泛，安全性高，与其他制造工 艺兼容性好等优点。干法腐蚀主要用等离子体蚀刻方法它采用射频功率源式反 应离子发生器产生等离子体，使等离子体中的f 离子与硅原子发生反应，生成 气态一q 来进行蚀刻其蚀刻几何结构可以更加复杂，精度更高，但成本较高， 设备投资较大。 在本论文中，实际采用湿法各向异性腐蚀来制备单晶硅薄膜，以下主要介绍 该腐蚀技术。 4 4硅材料湿法各向异性腐蚀 硅属于闪锌矿结构，结晶学上属于立方晶系，具有一系列空间对称性。图4 2 示出了硅材料的一些不同的晶面以及它们在立方晶体中的具体位置。其中1 、3 、 7 号晶体最为常见。图4 3 示出了( 1 1 1 ) 、( 1 0 0 ) 、( 1 - 1 0 ) 三种晶面的位置【2 0 i 。 ( 1 1 0 ) 0 ( 2 2 1 ) 0 ( 1 1 1 ) ( 3 3 4 ) 0 ( 1 1 2 ) ( 1 1 4 ) ( 1 0 0 ) 图4 2 单晶硅的晶向结构 第四章单品硅薄膜的制备 图43 三种常见的硅晶向结构 各向异性腐蚀中不同晶面的原子密度和晶面问键密度是一个重要的参数。 ( 1 1 1 ) 晶面有非常高的原子密度。( 1 0 0 ) 晶面与( 1 1 1 ) 晶蘅之间的夹角为5 4 7 4 度，其原子密度较小。( 1 1 0 ) 晶面与( 1 1 1 ) 晶面组成9 0 度，箕晶面原子密度最 小。因此，在腐蚀剂的作用下，各个晶面的腐蚀速率不同，( 1 1 1 ) 晶面最慢，而 ( 1 1 0 ) 晶面最快。其结果可由最终腐蚀结构表现出来，由图4 4 可见不同晶向 的腐蚀结果【1 9 l 。 ( a ) ( 1 0 0 ) 晶向各向异性腐蚀( b ) ( 1 1 0 ) 晶向各向异性腐蚀 图4 4 各向异性腐蚀 常见的湿法各向异性腐蚀剂有邻苯二酚一乙二胺一水( e d p ) ，四甲基氢氧 化胺水溶液( t m a h ) 和氢氧化钾( k o h ) ，裹4 1 给出了三种腐蚀剂的不同特 性1 1 9 l 。 表4 1 常用各向异性腐蚀剂特性 第四章单晶硅薄膜的制备 2 4 由表4 1 分析可知，k o h 对硅材料具有较快的腐蚀速率，而对氧化硅的腐蚀 速率较小，可以利用氧化硅作为掩蔽层，另外k o h 腐蚀后的硅表面平整度较高， k o h 腐蚀剂较易获得，费用低，废液容易处理等优点。故在实际制备中，选用 k o h 溶液来制备单晶硅薄膜。 4 5 k o h 溶液各向异性腐蚀 k o h 溶液可以作为单晶硅各向异性腐蚀剂。它的化学原理是：表面硅原子 与氢氧根发生反应，硅被氧化，同时四个电子被释放出来。其反应方程式为： s i + 2 0 h 一寸砸( 。日) i + + 4 e 一 同时，水分子和释放出来的电子结合，产生氢氧根： 4 h 2 0 + 4 e 一专4 0 h 一+ 2 日2 硅和( o 盱) i + 的混合物进一步和氢氧根反应，形成可溶性硅混合物和水，反 应式如下： 所( o 日) i + + 4 0 h 一一所0 2 p 日) i 一+ 2 h 2 0 熬个反应可以归结为： s i + 2 0 h 一+ 2 h 2 0 j ( d 阿) ；+ + 2 h 2 在k o h 各向异性腐蚀中，反应温度，腐蚀剂的浓度，反应时间及其他条件 会对腐蚀的速度，腐蚀后硅表面的平整度有极大的影响。 久温度的影响 图4 5 给出了2 0 w 的浓度的k o i t 溶液在不同温度下，对( 1 0 0 ) 晶面单晶 硅的腐蚀速度2 1 1 。( 在下文中单晶硅均指( 1 0 0 ) 晶面) 第四章单晶硅薄膜的制备 o l o ) a - t 轴“ 心 e t 甜“ ：潞甓：嚣譬 、 心、 弋 、 套、 - 、i 、 ly 、 1 q 。心、 、d电 、 、 、 ：挑棚h 、 心 8 “离掣 、 f 弧”伯口t i l 铀蚺_ 舳蛐_ o 鞠瞳棚幡_ t i _ i , d a , _ 哪i - - 舢i _ 一j _ 一_ 吐 图4 52 蛳绷qk o h 溶液与腐蚀速度的关系 由图可知，对于同一浓度k o h 液，温度越高，单晶硅腐蚀速度越快。 硅表面腐蚀的平整度与温度也密切相关，图4 6 给出了不同浓度下，硅表面 平整度与温度的关系m i 。 t e m p e r 八豫ep h o ，蕈阳曲_ _ h h 叫她衙l m f h5 m m 1 1 肆l 射 x 0 h 柚蛔- - h 枣，- 一+ l l 丹1 _ 一曲张_ - h 舳 一1 0 0 _ t t 图4 6 硅表面平藏度与温度的关系 图中，占，代表腐蚀后硅表面的不平整度对于同一浓度k o h 溶液，温度越 高，腐蚀后硅表面的平整度越高，但温度大于6 0 。c 以后，平整度纂本上保持不 变。 b 浓度的影响 图4 7 给出了不同浓度的k o t t 溶液，在同一沮度下。硅腐蚀速度与浓度的关 系【2 ”。 第四章单晶硅薄膜的制备 图4 7 不同浓度的k o h 溶液与腐蚀速度的关系 在同一温度下，浓度越高，硅腐蚀速度越低。 图4 8 是不同浓度k o h 溶液，在同一温度下，腐蚀速度，表面平整度和浓 度的关系。 图4 8 腐蚀速度，表面平整度襁浓度的关系 由图可知，对同一温度，平整度和浓度的关系，类似与离斯分布。在2 嘶 3 0 w 夕之间，将会出现一个最差的平整度，随浓度升高后，将获得较好得表面。 c 反应时间的影响 图4 9 是不同浓度的k o h 溶液，在同一温度下，反应时间和表面平整度的关 系【2 2 l 。 一e、孳t-薹l 第四章单晶硅薄膜的制各 嚣；：墨锦焉2 筒譬滞翟盘嚣“ 图4 9 反应时间和表面平整度的关系 由图可见，腐蚀时间越短表面平整度越好，但箍反应时间的增加，平整度不 会一直恶化，将最终趋于稳定。 d 其他因素 平整度除了与温度和浓度有较大关系外，还与其它因素有关。 k o h 溶液对晶格的缺陷十分敏感，当硅表面存在缺陷时，就意味着该处有 较活跃的化学能，十分容易与氢氧根结合而失去电予。最终，得到的硅表面上通 常会有一个个小坑，严重影响了腐蚀后，硅表面平整度。 硅片在工艺加工中，高温过程对腐蚀后平整度也有熏要的影响。各向异性腐 蚀取决于晶面原子密度，晶面原子键密度。高温过程将可能使原子位置发生变化， 从而使原子密度和键密度发生改变，而影响腐蚀效果。 在腐蚀过程中，d 2 ( o h 2 - 会由于温度和k o h 溶液浓度的变化而产生d 2 颗粒，该反应式为4 3 】： q ( o 胃) - 9 s i o , 占+ 2 0 h s i o ：颗粒一旦粘附在硅表面，严重影响腐蚀速度和表面质量。 综上所述，在k o h 溶液各向异性腐蚀过程中，为了得到较快的腐蚀速度和 较好的平整度，一下几个方面必须引起注意【2 4 h 2 6 1 ， ( 1 ) ，采用缺陷较少，质量高的硅片，并在工艺加工中注意合适的退火过程，减 少缺陷的产生。 ( 2 ) ，开始腐蚀之前，应去处硅表面的二氧化硅和氮化硅，暴露出真正的硅表面。 一e3品协uz工廿)星 第四章单晶硅薄膜的制备 ( 3 ) ，在每一次腐蚀时，采用新配的k o h 溶液，减少k o h 溶液浓度变化的影 响。 ( 4 ) ，有条件的情况下，在腐蚀时，同时进行超声振动，减少二氧化硅在硅表面 的着附。 ( 5 ) ，在溶液浓度和反应温度的选择上，有资料表明，在浓度为3 5 w 0 4 0 w 温度为7 0 。c 8 5 。c 时，可以得到最佳硅片表面质量。考虑k o h 溶液的沸点较 低，以及腐蚀速度需要较快，在实际中选用浓度为4 0 w ) 4 1 蔓jk o h 溶液，在7 0 0 c 下进行腐蚀。 4 6其他工艺步骤简介 在制备单晶硅薄膜的过程中，如上两节所述，腐蚀是关键的步骤。另外，在 整个制备过程中，氧化和光刻也是十分重要的工艺过程，直接关系到薄膜的质量， 本节简要的叙述该两步骤。 4 6 1氧化 硅平面工艺中的氧化工艺是一种在硅片表面上生长二氧化硅薄膜的技术。这 层薄膜的用途主要是：保护和钝化半导体表面；作为杂质选择扩散的掩蔽层；用 于电极引线和硅器件之间的绝缘；用作m d s 嚣件栅极的介质层；在集成电路介 质隔离中起电绝缘作用以及作电容器的绝缘介质等等。由于它在半导体器件制造 中具有多种功能和作用，制备也比较简单，所以应用十分广泛鲫。 二氧化硅 s i p , ) 是自然界中广泛存在着的物质。纯净的二氧化硅是一种无 色透明的固体。龋了少数属石英晶体外，大多数均属无定形二氧化硅。这种无定 形二氧化硅无固定的熔点，其软化温度约为1 5 0 0 。c 左右。半导体器件生产中所 制备的各种二氧化硅都属于无定形二氧化硅。 在硅片表面上制各二氧化硅薄膜的方法很多，如热氧化生长发、掺氯氧化法、 热分解淀积法、溅射法、真空蒸发法、外延生长发和阳极氧化法等。在实际制备 中，我们采用热氧化法。热氧化法就是把清洗干净的硅村底至于1 0 0 0 。6 以上的 高温中，弗通入氧化性气氛( 如氧气、水汽) ，使衬底外表面的一层硅氧化成二 氧化硅。 根据不同的氧化气氛，热氧化又可以分为千氧氧化和湿氧氧化。 干氧氧化法是在高温下，用干燥纯净的氧气直接与硅片外表面原子反应生成 第四章单晶硅薄膜的制各2 9 二氧化硅。其化学反应方程式为： + d 2 皇s i 0 2 在热氧化过程中，氧原子或氧分子穿过氧化层向二氧化硅一硅界面运动并与 硅进行反应，而不是硅原子向外运动到氧化模的外表面进行反应。所以干氧氧化 的氧化模生长过程是：在高温下，氧原子或氧分子与硅片外表面的硅原子反应， 生长起始氧化层。此后，由于起始氧化层阻止了氧原子或氧分子与硅表面的直接 接触，氧气分子只有以原子的形式通过氧化层，到达二氧化硅一硅界面，才能再 与外表面内层的硅原予继续反应，生成新的氧化层。如此延续下去，二氧化硅薄 膜就继续增厚。 干氧氧化膜的厚度的d 和氧化时间t 都有如下关系： d 2 = c t 其中c 称为氧化速率常数，单位为微米2 ，分钟。 图4l o 给出了在对数作标上的一组干氧氯化的实验曲线，从曲线中我们可以 查到生长特定厚度的二氧化硅层所需的时间辟射 图4 1 0 ( 1 0 0 ) 硅干氧氧化层厚度与时间关系 湿氧氧化是将干燥纯净的氧气，先经过一个水浴瓶，使氧气通过加热的高纯 去离子水，携带一定量的水汽( 水汽的含量有水浴温度和氧气气流所决定) 再通 入氧化炉中。利用水汽在高温下与硅片表面发生化学反应生成二氧化硅薄膜，其 反应式如下： 第四章单晶硅薄膜的制备 s i + 2 h 2 0 垒s i 0 2 + 2 h 2 个 在高温下，水汽和硅片接触时，水分子与硅片表面的硅原子反应生成二氧化 硅起始层。随后，水分子透过氧化层，在二氧化硅一硅界面处使硅原子氧化。由 于水汽氧化膜的生长比干氧快，在一定的时间和温度下，氧气中携带水汽的含量 是决定氧化膜厚度的重要参数。在硅平面工艺中，水浴温度一般在8 5 。c 9 8 。c 范围内选择，氧气流量一般在2 0 0 5 0 0 毫升分钟以上。 图4 1 1 给出了在对数作标上的一组漫氧氧化的实验曲线，从曲线中我们可以 查到生长特定厚度的二氧化硅层所需的时间渊。 图4 11 ( 1 0 0 ) 硅湿氧氧化层厚度与时间关系 湿氧氧化和干氧氧化的主要区别是：千氧氯化中，氧化物质是一个大气压的 干燥氧气；湿氧氧化中，氧化物质是是水和氧气的混合物，丽它们的比例可以根 据生产需要和器件要求进行调节，随着水汽比例的增加，瓴气对生长速率的影响 就越来越小。 由于干氧和湿氧氧化设备简单，操作方便，易于掌握，生长的氧化膜质量较 好，性能较稳定，因而在生产中得到广泛的应用。 在实际制备中，我们通常采用干氧_ 漫氧哼干氧的工艺方法生长二氧化硅 薄膜。干氧氧化生成的二氧化硅薄膜干燥、致密，和光刻胶沽润良好，光刻时不 易产生浮胶现象，但其氧化速率慢。湿氧氧化速度快，但表面有硅烷醇存在，和 光刻胶沾润不良，光刻时易产生浮胶现象，并且能引起杂质的荐分布。若在湿氧 氧化前，先通一段时间的干氧，有利于保持硅片表瑶的完整性和生长高质量的二 氧化硅，提高器件的表面性能。在湿氧氧化之后，在通一段时间干氧，可使湿氧 生长的二氧化硅薄膜趋向于干氧氧化薄膜的性质。同时表面的硅烷醇或表面吸附 第四章单晶硅薄膜的制备 的水分子转变成硅氧烷，从而改善了二氧化硅表面与光刻胶的接触，在光刻时不 易产生浮胶。这种干氧寸湿氧专干氧交替的氧化方式，充分利用了两种氧化方 法的优点，解决了生长速率和质量之间的矛盾。 4 6 2光刻 4 6 2 1光刻胶 接收i 訇象的介质称为光刻胶。光刻胶由三种成分构成：光敏化合物、基体树 脂和合适的有机溶液。当在特定波长的光线下光刻胶被曝光时，其化学结构发生 变化。光刻胶在曝光前对某些溶剂是可溶解的，曝光后硬化成不可溶解的物质， 这一类称为负性光亥4 胶。目前，它主要有聚肉桂酸酯类、聚酯类和聚烃类等。曝 光前对某些溶剂是不可溶的，而曝光后却变成了可溶性的。这一类称为正性光刻 胶。正性光刻胶主要有邻叠氮醌类p l 。 表4 2 给出了正胶和负胶的比较，正胶使用得当时有突出的优点，但负胶的 使用较容易掌握，在实际制备中得到的光刻版为负胶光剡版，因此，在实际工艺 中采用负胶。 表4 2 负胶和正胶的特点1 2 研 4 6 2 2 光刻工艺 第四章单晶硅薄膜的制备 光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技术。在平面器件生 产过程中，光刻的目的就是按照器件设计的要求，在二氧化硅薄膜或金属薄膜上 面，刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形，以实现选择性扩散和金属薄膜布线的 目的。光刻是平面器件制造工艺中的关键工艺之一。光刻质量的好坏直接影响半 导体器件的性能和成品率。近年来，国内外对光刻技术的研究一直是十分重视， 研究的重点是如何提高光刻胶的分辨率和光刻精度，主要措旖就是进一步改进光 刻胶性能和光刻设备。 光刻工艺流程一般分为涂胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀和去胶等步骤。 图4 1 2 为光刻工艺流程示意图。 图4 1 2 光刻工艺流程示意图 涂胶就是在二氧化硅薄膜或金属薄膜表藤覆盖一层光刻胶对涂胶的要求 是：胶膜均匀，达到预定的厚度，与氧化硅薄膜或金属膜粘附良好，无灰尘、夹 杂物等。为了保证胶膜质量，涂胶应在超净工作台或防尘操作箱内进行。涂胶台 内的温度应保持在2 0 。c 2 5 。c 左右，相对湿度低于4 0 。涂胶要在黄光或红光 第四章单晶硅薄膜的制各 照明下进行，以防止光刻胶露光失效。 硅片表面状况的好坏对光刻胶与硅片表面的粘附质量影响极大。在氧化结束 时再继续通一段时间的干氧，然后从氧化炉取出硅片进行涂胶，如不能立即涂胶， 应放在1 8 0 。