微电子化学期末试卷.pdf

微电子化学微电子化学 一 填空题 填空题 1 单质硅有 和 硅两种 晶体硅的结构类似于金刚石 化学性质 是重要的 材料 2 通常条件下 硅单晶只与 和 的混酸反应 在加热情况下可与 酸发生反应 在有氧化剂存在时硅单晶也与 HF 反应 3 单质硅有 和 两种同位素 很不活泼 在正常条件下 就能和氟作用 4 硅氢化物组成和结构式和烷烃类似 其物理性质和烷烃 对一般的化学性质两 者 硅烷是较 物质 5 洁净室内最大的污染源是 6 影响过滤效率的主要因素有 7 和洁净室有关的大气菌主要是 和 8 评价任何过滤器 最重要的特性指标是 9 新型兆声清洗技术过程中表面活性剂的作用是 10 超纯水有待提高的水质项目有 11 反渗透膜的污染类型有 12 要使硅片能够充分键合 硅片键合前通常都要经过 使硅片表面产生一个易 于吸附 的结构 13 低温直接键合技术与常规直接键合技术不同在于在贴合前增加了 使得 退火温度较低 退火时间延长 14 各向异性腐蚀中 有机腐蚀剂和无机腐蚀剂具有非常类似的腐蚀现象 因此可以得出 在 此反应中起着重要作用的结论 15 在阳极硅被氧化给出电子 在阴极 Na 得到电子将被还原 界面处发生 键向牢 固的 键的转化 二 判断题 判断题 1 强碱能和硅反应 弱碱不能和硅反应 2 硅烷在纯水中不水解 如有微量的碱存在 尤其是强碱 由于碱的催化作用 水解反应速度迅 速增加 3 硅片清洗的一般顺序为去离子 去原子 去分子 去离子水冲洗 4 洁净室技术中大气尘就是指大气中的固态粒子 即真正的灰尘 5 细菌不能单独存在 它一般附着在尘粒表面 形成有生命的微粒 6 洁净室内最大的污染源是人 7 分子筛能根据分子大小和构型进行选择性的吸附气体和液体杂质 8 利用离子交换树脂净化水时阴离子交换柱必须在阳离子交换柱之后 9 在高纯水制备中要降低水中总有机碳利用 254nm 和 185nm 紫外线照射效果相同 10 电渗析制备纯水过程中阳膜带负电只允许通过阳离子 阴膜带正电只允许通过阴离子 11 MEMS 尺寸在毫米到微米范围之内 许多物理现象和宏观世界相应有很大差别 但宏观世 界基本的物理规律仍起作用 12 用 KOH 腐蚀液腐蚀单晶硅晶体其在三个常用晶面方向上的腐蚀速率情况是 111 110 100 13 利用腐蚀液 EPW 腐蚀过程中乙二胺和水使硅氧化 邻苯二酚起络合剂作用 水在反应前后 质量增加 14 一般要求气体中颗粒容许粒径大小为电路设计最小线宽的 1 10 以下 15 对于 P 型硅 P 或 P 由于硅片内存在较高深度的空穴 所以空穴的输运过程比较简单 很容易发生腐蚀反应 16 在高纯水制备中要降低水中总有机碳使用 254nm 紫外照射即可 17 残留在晶片表面的有机物 具有阻碍清洗的作用 而且它还会影响集成电路制备中的刻蚀效 应等 在特定工艺条件下 微量有机物沾污能降低栅氧化层材料的致密性 18 MEMS 尺寸在毫米到微米范围之内 许多物理现象和宏观世界相应有很大差别 宏观世界 基本的物理规律不再起作用 19 在各向同性腐蚀系统中 控制硅表面的空穴可以控制其腐蚀特性 20 硅片表面具有原子均质的程度越高 洁净度越高 反之 洁净度越低 三 简答题 简答题 1 水 酸对玻璃表面的影响 2 纤维过滤器内 微粒被捕集过程中存在的过滤效应 3 低温直接键合技术 SDB 的基本原理 4 KOH 腐蚀系统的组成及相应的腐蚀机理 5 阳极腐蚀原理 6 阳极键合技术的基本原理 7 各向同性腐蚀的特点是什么 各向异性腐蚀的机理是什么 8 电化学腐蚀法原理 四四 简述题 简述题 1 结合电渗析过程基本原理图叙述电渗析原理 并说明影响电渗析运行的主要问题 2 对硅单晶片表面的颗粒吸附状态进行分析并说明如何对硅片表面的吸附状态进行控制 给出 优先吸附模型 参考参考答案 答案 一 填空题一 填空题 1 晶体硅 无定形硅 不活波 半导体 2 HNO3 HF HF 3 晶体硅 无定形硅 无定形硅 4 类似 有鲜明的差别 活泼 5 人 6 微粒直径 纤维粗细 过滤速度 填充率 7 细菌 菌类 8 面速和滤速 效率 阻力 容尘量 9 使脱附后的颗粒迅速被清洗液中的活性剂胶束所包围 防止已脱附的颗粒再聚集 有效抑制潜 在的颗粒沉积 提高清洗效果 并节省试剂 10 TOC 总有机碳 DO 溶解氧 Si SiO2 颗粒 11 化学污染 颗粒污染 生物污染 胶体污染 12 亲水处理 或称表面活化 OH 基团 13 氧等离子体活化处理 14 OH 离子 15 硅氧醇键 Si2O2OH SiO 二 判断题 判断题 1 弱碱反应 Si NH4OH H2O NH4 2SiO3 H2 2 3 去分子 去离子 去原子 去离子水冲洗 4 对浮游粉尘和浮游微粒的统称 粒径小于 10 m 5 6 7 8 9 用 185nm 紫外线照射 使水中 TOC 含量小于 3mg L 不用 185nm 时含量 20 50mg L 10 11 尺寸在毫米到微米范围之内 区别于一般宏观 即传统的 大于 1cm 尺度的 机械 但并非进入物理上的微观层次 12 100 110 111 13 水参加了反应 但反应前后质量不变 催化剂 14 15 16 17 18 19 20 三 简答题 简答题 1 水 酸对玻璃表面的影响 水 酸对玻璃表面的影响 答 1 水的影响 玻璃骨架为 Si O 键 金属离子位于骨架中间 长期与水接触形成含有 SiOH 基的较小分子 进而断裂生成 Si OH 4 Na2SiO3等小分子 且水溶性加大 金属离子被置换后 在玻璃表面形成一个低折射率侵蚀膜 折射率与玻璃本体不同 光在侵蚀膜 产生干涉 呈现蓝色 蓝色侵蚀 而在侵蚀膜中的水分干燥后 又会有白色固状 Na2CO3 SiO2 析出 白色侵蚀 白斑 2 酸的影响 玻璃骨架成分为酸性氧化物二氧化硅易与碱类发生反应 特别是 NaOH 等强碱 不易被酸腐蚀 但含有定量 Al2O3 Na2O CaO MgO 碱性氧化物成分 长时间浸泡也会造成反 应 使得表面 Na Ca2 等流失 造成表面粗糙而呈现蓝绿色斑纹 SiO2 HF SiF4 2H2O 2 纤维过滤器内 微粒被捕集过程中存在的过滤效应 纤维过滤器内 微粒被捕集过程中存在的过滤效应 答 1 拦截效应 接触阻留 筛子效应 沿气流流线运动的微粒因其与滤料纤维表面发生接触而被阻留并附着于纤维表面的现象 2 惯性效应 微粒因自身惯性脱离气体流体撞击滤料而沉积下来 随尘粒质量 过滤风速的增加而增大 3 扩散效应 由于气体分子热运动 微粒越小 布朗运动越显著 对常温下 0 1 m 的微粒每秒钟扩散距离达 17 m 比纤维间距离大几倍至几十倍 这就使微 粒有更大的机会与纤维接触 并附着在纤维上 微粒越小 过滤速度越低 扩散效应就越显著 0 3 m 非常微弱 4 重力效应 微粒通过纤维层时 在重力作用下 发生脱离气流流线的位移而沉降在纤维表面上 对于 5 m 时存在 粒径小于 0 5 m 的微粒的过滤 重力沉降完全可以忽略 5 静电效应 当含尘气流通过纤维滤料时 由于气流摩擦等原因 纤维和微粒都可能带上电荷 增加吸附能力 产生吸引微粒的静电效应 由于电场强度很弱 吸附力小 3 低温直接键合技术 低温直接键合技术 SDB 的基本原理 的基本原理 答 硅片表面总存在氧化层 即使是抛光硅片也会有几十纳米的本征氧化层 有些处于表面的二 氧化硅分子中的硅氧共价键会断裂 使硅原子形成悬挂键 如左图 悬挂的硅原子显正电性 可看作硅表面一层电荷层 经过亲水处理时 硅表面吸附 OH 团形成硅醇键 如右图 两片形成硅醇键的硅片靠近时 硅醇键 水分子与硅醇键之间会形成氢键相互吸引 这就是键合 的贴合时期 硅片界面存在的是 Si OH 和水分子 在温度升高时 有如下反应 2SiOH Si O Si H2O 即硅醇键向硅氧键转化 低温退火就是要求在较低的温度下 反应能较充分地向右边进行 有以 下两个要求 1 硅片表面要尽量多形成硅醇键 使硅片在贴合时结合紧密并有足够的反应物 2 低温退火时间要长 以利于水分子逃逸和扩散 使反应不断向正方向进行 对于第一点 要求硅片在亲水处理前有尽量多的悬挂键 以便吸附大量的 OH 团 我们用氧等 离子体激活方法 对于第二点 延长退火时间即可 4 KOH 腐蚀系统的组成及相应的腐蚀机理 腐蚀系统的组成及相应的腐蚀机理 答 KOH 腐蚀系统常用 KOH H2O 和异丙醇 IPA 的混合液 类似还有 NaOH LiOH CsOH NH4OH 腐蚀剂 这种腐蚀液的配比 重量比 为 KOH CH3 2CHOH H2O 23 4 13 3 63 3 在高温下 硅在 KOH 腐蚀系统的腐蚀机理如下 在硅的 100 面发生的腐蚀反应式为 KOH H2O K 2OH H 1 Si 2OH 4H2O Si OH 62 2H2 2 Si OH 62 6 CH3 2CHOH Si OC3H7 6 2 6H2O 3 首先 KOH 将硅氧化成含水的硅化合物 然后再与异丙醇反应 形成可溶解的硅络合物 络合物 不断离开硅的表面 水在其中的作用是提供OH 离子 5 阳极腐蚀原理 见电化学腐蚀 阳极腐蚀原理 见电化学腐蚀 6 阳极键合技术的基本原理阳极键合技术的基本原理 答 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 块加热板上 两端接有静电电压 负极接玻璃 正极接硅片 玻璃是绝缘体 在常温下不导电 然而在给玻璃加热 键合时温 度在 370 420 加高直流电压 键合时直流电压控制在 1000 1500 V 时 玻璃中的正离子 如钠 钾 钙离子 就会在强电场的作 用下向负极运动 同时玻璃中的偶极子在强电场作用下 产生极化取 向 如图 在界面形成电子的积聚过程中 玻璃也显现导电性 同样 半导体硅 我们的芯片衬底为 N 型 在外加电压作用下 体内的电子向电源正极运动 在硅 玻璃界面也产生电子的耗尽 这 样 就在界面处产生了硅面为正 玻璃面为负的耗尽区 外加直流 电压绝大部分是降落在这一耗尽区上 在接触面附近 形成一个很强的电场 产生很大的静电吸 引力 将平整的玻璃与硅片焊接在一起 7 各向同性腐蚀的特点是什么 各向异性腐蚀的机理是什么 各向同性腐蚀的特点是什么 各向异性腐蚀的机理是什么 答 各向同性腐蚀特点 腐蚀速率在不同方向上没有差别 衬底和表面取向的不同对腐蚀速率的 影响不大 其优点 无尖角 较低应力 刻蚀速度快 可用光刻胶掩膜 各向异性腐蚀机理 在有些溶液中单晶硅的腐蚀速率取决于晶体取向 即在某种晶体取向上硅的 腐蚀速率非常快 而在其他方向上腐蚀速率又非常慢 8 电化学腐蚀法原理 电化学腐蚀法原理 答 硅在 HNO3 HF 系统中 HNO3在化学反应中会使硅表面产生空穴而使腐蚀得以进行 因此 控制硅表面的空穴就可以控制其腐蚀特性 电化学腐蚀法中空穴由外加电场提供 这种腐蚀方法也称为阳极腐蚀 阳极腐蚀是将硅放在 腐蚀槽内 接上电源正极 使硅作为阳极 贵金属如铂接电源负极 为阴极 总的反应式可写为 Si 2e 2H2O SiO2 2H H2 腐蚀液中的水解离反应 H2O OH H 空穴从硅片体内被输送到硅 腐蚀液界面 硅表面原子氧化态升高 Si 2e Si2 Si2 与 OH 结合 成为 Si2 2OH Si OH 2 接着 Si OH 2放出 H2并形成 SiO2 即 Si OH 2 SiO2 H2 总的反应式 Si 2e 2H2O SiO2 2H 2H 2e H2 接电池为阳极提供了必要的空穴 维持氧化物的生长 由于腐蚀液中存在 HF 所以 SiO2立即可与 HF 反应 SiO2 6HF H2SiF6 2H2O H 迁移到阴极 在阴极上结合电子放出 H2 2H 2e H2 从上述反应过程来看 阳极腐蚀要求空穴从硅体内输送到表面 显然 这种输送过程与导电 类型 N 或 P 有关 对于 P 型硅 P 或 P 由于硅片内存在较高深度的空穴 所以空穴 的输运过程比较简单 很容易发生腐蚀反应 而对于 N 型硅 硅片中的空穴深度则很低 硅 片表面的空穴主要是由于表面击穿产生的 腐蚀时 由于腐蚀液中 OH 很多 故可认为腐蚀液 硅界面相当于一个处于反向偏置状态的 金属 N 型硅肖特基结 在一定的电压及掺杂浓度下 硅表面会发生击穿或隧道效应 从而产生 大量的电子 空穴对 在电场的作用下空穴移向硅表面 从而使腐蚀反应得以进行 由于硅的击穿电压是掺杂浓度的函数 掺杂浓度越高 击穿电压越低 故重掺杂的硅 即 N 型硅 容易进行阳极腐蚀 而低掺杂的 N 型硅则不容易进行腐蚀 从腐蚀原理上看 影响电化学阳极腐蚀的主要因素有 外加电压 电流 腐蚀液 HF 的浓 度 硅的导电类型以及掺杂浓度 四 简述题四 简述题 1 结结合电渗析过程基本原理图叙述电渗析原理 并说明影响电渗析运行的主要问题 合电渗析过程基本原理图叙述电渗析原理 并说明影响电渗析运行的主要问题 答 原理 电渗析是在外电场的作用下 利用阴阳离子交换膜对溶液中阴阳离子的选择透过性 即 阳膜只允许通过阳离子 阴膜只允许通过阴离子 而使溶液中溶质和溶剂分离的一种物理化学 过程 影响电渗析运行的主要问题 极化和沉淀 在电渗析操作运行中 如采用的电流密度过大和水流状态不佳 就会使部分电 能消耗在水的电离过程中 即发生 极化 现象 H2O H OH 在极化发生时 OH 在电场作用下透过阴离子交换膜迁移到浓水室一侧 若水中有钙 镁等 阳离子和碳酸根离子 电渗析器中的阴离子交换膜上就会产生沉淀而结垢 有沉淀产生则影响设备的长期运行 甚至破坏电渗析过程的进行 Ca2 CO32 CaCO3 Mg2 OH Mg OH 2 极区的交换膜 电极板腐蚀 首先 在阳极区 当溶液中含有氯离子时 在阳极上 2Cl 2e Cl2 氯原子活性很强 能腐蚀交换膜和电极板 其