[工学]2011-3微电子工艺实验指导书

1、微电子工艺实验实验指导书上海大学材料科学与工程学院电子信息材料系目录微电子工艺实验教学大纲3第一部分 硅平面器件制作5一硅平面器件基础理论5（一）pn结的光伏效应5（二）太阳能电池7（三）光电器件11二. 硅平面器件制作实验工艺原理16实验一 氧化工艺实验17实验二 光刻工艺实验19实验三 扩散工艺实验23实验四 磨片与吸杂工艺实验25实验五 真空蒸发工艺实验27实验六 制绒面工艺实验29实验七 辅助工序工艺实验31附 硅平面工艺条件设计中常用的图表：33第二部分 材料与器件性能表征34实验要求34实验一 硅光敏器件管芯特性的测量与分析35实验二 硅材料电阻率及扩散薄层电阻的测量38硅材料电阻

2、率及扩散薄层电阻的测量实验39硅材料电阻率测试39一 前言39二 实验原理39三 实验步骤与要求41四探针法测扩散薄层的方块电阻45一 前言45二 测量原理45三 实验方法47附：半导体材料导电类型的判断49实验三 硅光电池光照特性的测量与分析50硅光电池光照特性的测量与分析实验51一 前言51二 实验原理51三 步骤与要求52实验四 硅光电器件光谱响应特性的测量54硅光电器件光谱响应特性的测量实验55一 前言55二 实验原理55三 实验步骤及要求56微电子工艺实验教学大纲一实验目的微电子技术的进步，给社会和经济的发展注入了巨大的活力。微电子学是一门实践性很强的学科，本实验目的是：经过电子材料

3、、半导体物理、半导体器件原理、半导体集成电路、微电子材料测试技术等课程的学习，学生在具备一定专业理论的基础上，通过相关的实验课程，对以硅平面工艺为代表的半导体器件的制作过程以及材料、器件的性能及表征方法有比较全面的了解，并在实验过程中训练基本的实验技能，培养分析和解决问题的能力。二实验要求 硅pn结是双极器件的基本单元，pn结的制作过程基本能反映硅平面器件的全部核心工艺，双极晶体管和集成电路都是由pn结衍生出来的。另外，考虑到课程学时数的限制，拟选取硅pn结光电二极管和太阳电池的制作为硅平面器件制作的实验对象，要求学生：w 了解并掌握硅pn结光电二极管和太阳电池的材料参数与器件特性的关系、器件

4、制作的工艺流程及工艺条件的设计，完成硅pn结光电二极管和太阳电池的制作；w 巩固并掌握已在微电子材料测试技术课程中了解的硅材料及器件的性能参数及表征方法；w 认真完成实验报告，并进行成品率考核，培养学生的责任感和成就感。三实验大纲 微电子工艺实验以为硅平面器件中的硅pn结光电二极管和太阳电池的制作为实验对象。考虑到器件制作过程中工艺监控所需要的基本实验技能，硅平面器件制作中应加做几个性能表征实验，学生可根据实验课程学时数的安排，选作部分或全部。w 硅平面器件制作，具体要完成：实验一 氧化工艺实验 实验二 光刻工艺实验 实验三 扩散工艺实验 实验四 磨片与吸杂工艺实验 实验五 真空蒸发工艺实验实

5、验六 制绒面工艺实验 实验七 辅助工序工艺实验w 材料与器件性能表征，具体要完成：实验一. 硅光电器件管芯特性的测量与分析 实验二. 硅材料电阻率及扩散薄层电阻的测量 实验三. 硅光电池光照特性的测量与分析 实验四. 硅光电器件光谱响应特性的测量 四.教材与参考书教 材：1半导体实验教程（第1版）天津大学出版社，郑云光，1989年。 2光敏感器件及其应用（第1版）科学出版社，齐丕智, 1987年。参考书：1 半导体专业实验，讲义，鄢和平 陈伟秀，1984年。2 半导体器件工艺原理（第1版），人民教育出版社，厦门大学，1977年。五.考核方式实验报告、动手能力的课堂考核。57第一部分 硅平面器件

6、制作一硅平面器件基础理论（一）pn结的光伏效应平衡的pn结存在一个势垒，在势垒区中，p型一边由失去空穴带负电的受主离子组成，在n型一边则由失去电子带正电的施主离子组成，是一个空间电荷区。在势垒区的边界之间存在一个接触电势差vd，平衡的pn结接触电势差vd为：若对硅pn结，np=51015cm-3，nn=1020cm-3，ni=1.51010cm-3，计算得出在室温下vd为0.9伏。这个电位差降落在势垒区内部，在pn结外引线上是测量不出来的。当光照在pn结上。如图1（a），若入射光的光子能量大于禁带宽度时，价带电子接受了光子的能量，将激发到导带，产生非平衡电子空穴对，在小信号情况下，在n型表面中

7、产生的电子空穴对，由于热运动，光生少子空穴发生扩散，一旦扩散到势垒区就会受到vd的作用而扫向p区一边。在势垒区中，光激发的电子空穴对，将在vd的作用下分别向两边运动，空穴向p区，电子向n区。同样，光入射到p区产生的电子空穴对，也将发生扩散运动，而光生少子电子一旦扩散到势垒区中，就被vd作用扫向n区一边。也就是说由于vd的存在，光生电子将向n区一边集中，光生空穴将向p区一边集中。若光不断地照射，光生电子空穴对不断地产生，在vd的作用下，光生电子空穴对不断地向pn结两边集中，其结果是p区一边因空穴积累而带正电，n区一边因电子积累而带负电。若pn结外部为开路时，一方面由于光生电子空穴对的运动使vd下

8、降，使上述集中趋势减少，另一方面，光生电子空穴对也要不断地复合而减少。当光照强度一定时，将达到一个新的平衡，如图1（b）。这时，在pn结上产生一个光生电动势，p区为正，n区为负。由于两边积累的电子与空穴是自由载流子，在pn结的外引线上，就可以测量出两端的电压。这个过程就是pn结的光生伏特效应，简称光伏效应。 图1(a) 光照下pn结中载流子的运动 图1(b) 光照pn结光生伏特势的建立若光不断地照射，并将图1（b）的p区与n区用导线短路，这时就有电流通过外接导线，电流的方向是由带正电位的p区流向带负电位的n区。在pn结势垒区的内部，电流的方向则是从n区流向p区，这个电流方向正好与图1（a）光生

9、载流子运动产生的电流方向一致。可见，这种光生电流的方向与pn结在外加正向电压下的电流方向是相反的。若正向电流以if表示，那么光生电流则以-il表示。一般情况下，pn结材料和引线总有一定的串联电阻rs，pn结工作时也必须接有负载电阻rl，一般而言rlrs，所以若在图1（b）的两边接一个负载电阻rl时，如图2，就有电流i通过rl，在rl上降落的电压为v，p区一端为正，n区一端为负，这个电压又构成pn结的正向电压，使pn结通过正向电流if，所以rl上的电流是if与（-il）之和。if为：式中is为反向饱和电流，因此，在光照下通过rl上的电流i为：（1）若外电路的电流为0，即外电路开路时，由上式得到开

10、路电压voc。一般情况下，ilis，括号中的1可略去。在一定的光照下，voc应尽可能地提高，为此需提高il，降低电流is。随入射光强的增大，il上升，开路电压voc也增大。图3为硅pn结的voc随入射光强的变化。可见，在弱光强范围内。voc变化较显著，在强光照范围内，voc趋向饱和。基于上述voc随光照强度的变化，voc又可作为光强度的测量手段，特别是在弱光强范围内。voc不仅与光照强度有关，还与温度t以及is有关，因而与材料的性质有关。对一个n+-p结，nnnp（2）式中，ln、lp为对应的少子扩散长度，只有在势垒区和附近一个扩散长度范围中产生的光生载流子才对光电流有贡献。图2光照pn结负载

11、电阻rl上的正向电压 图3 硅pn结voc随光照强度的变化 （3）这说明voc随低掺杂一边的浓度增加而增大，也说明voc与ni（包括eg、t等因素）有关。若对一个硅n+p结，np=1017cm-3，dn=13cm2/秒，ln=35m，il/a=35ma/cm2，室温下voc=620mv。voc与eg的关系（略去（3）式括号中的1）：（4）voc与材料的禁带宽度eg成正比。由（4）式看到voc随温度的变化，包括禁带宽度eg随温度的变化以及nc、nv等随温度的变化。对于硅dvoc/dt-2.88mv/，即温度每增加1，开路电压voc降低2.88mv。（二）太阳能电池pn结光伏效应的一个重要应用是作

12、太阳能电池。多年来，硅太阳能电池已成为人造空间飞行体通信设备的主要电能源，在地面设施中，在那些不易获得工业电能而耗电又较少的特殊场合下，太阳能电池也有着重要的应用。在图2中，若rl=0，则得到短路电流isc，这也是pn结光伏效应能给出的最大电流。rl0时，负载上所获得的电功率为其电流与电压的乘积。选择适当的rl，可以获得最大的电功率。如图4，最大的功率输出由伏安特性所能给出的最大矩形面积确定，最大功率pm=imvm。由（1）式得任意情况下的输出功率为： （5）由得到v=vm时，p有最大值。即：（6）利用这个结果可改写（1）式：（7）（8）将e代入上式，且ilis时得：（9） （10）若入射光功

13、率为pi，则最大转换效率为：（11）要提高转换效率，必须提高voc与isc。比值imvm/iscvoc称为曲线因子或填充因子，较好的太阳能电池曲线因子可达0.7左右。利用pn结的光伏效应作太阳能电池，还必须考虑到太阳能的光谱分布。太阳能光谱分为am0与am1条件。am0分布为高层空间不考虑大气吸收的分布，am1分布则是太阳能在地面的分布，其中有许多大气成份的吸收峰。am0条件下太阳能功率密度达135mw/cm2，am1条件下太阳能功率密度达100mw/cm2。由（4）式知，随eg的增大，voc上升，但随eg的增加，短路电流isc下降，使得光伏效应能获得的电功率（比例于iscvoc）随eg的变化

14、出现极大值。si、gaas、gaasxp1-x(大约x0.5)等材料，是作太阳能电池较好的材料，它们都可以通过合理的设计，来获得转换效率的最大值。 是什么原因影响实际太阳能电池转换效率的提高呢？主要是串联电阻、杂质分布、少子寿命及表面反射等因素。由于太阳能光谱分布能量的峰值在波长为500nm的附近，在这种波长下硅的光吸收系数较大，达104cm-1，表明这部分光能在硅中透射深度很小，为了有效地转换太阳能光谱中峰值波长附近的能量为电能，结型太阳能电池的表面扩散层必须很薄，由于薄层电阻的存在，流过光电流时就存在一个串联电阻rs，将消耗一部分电能，使实际转换效率下降。同时，由于表面沾污及离子吸附等因素

15、又形成一个与pn结并联的结电阻rsh。图5示出了考虑到这些因素的太阳能电池的等效电路。图4 太阳电池的最大的功率输出 图5 太阳电池的等效电路在负载电阻上的电压为v，结上的电压为（virs），（1）式变为：（12）于是得到：（13）利用此式对不同的rs、rsh作图于图6。从图中看到rsh即便小至100，对伏安特性的影响仍很小。说明太阳电池对于环境有良好的稳定性。但串联电阻rs的影响很大，随rs的增大，图中第四象限的光电特性由近似矩形向三角形过渡，即使rs很小也使图形变化甚大，这就使得最大功率矩形面积减少。将图中的结果列于表1，可以进一步看出串联电阻的影响。表1 rs对最大转换效率的影响rs（）

16、0123.551020相对效率10.770.570.370.270.140.07为了减少扩散层串联电阻的影响，高效硅太阳能电池扩散层的引线多采用如图7所示的密栅线的图形，细线条宽约（3050）m，每厘米（2030）条，可依硅片面积大小不同作两条或多条稍宽的主栅线。栅线条宽不宜太大，条数不宜太多，否则占去了光照面积，损失了入射功率。图6串联电阻rs对转换效率的影响 图7太阳电池的密栅结构提高硅太阳能电池转换效率的另一个途径是作浓度较低、具有漂移场的浅结扩散层，要求扩散层不存在所谓“死层”。实际的热扩散法引入的杂质层往往容易形成如图8中a线的分布，在接近表面处有一段杂质分布较平，这就是所谓“死层”

17、，在这里杂质浓度较高，光生少子寿命低，容易在这一层中复合而“死”掉，光生少子对光电流没有贡献。高效太阳能电池的杂质分布应如图8中的b线分布，没有“死层”，在杂质扩散区都有少子漂移场，可以有效地使产生在表面层中的光生少子得到收集，有利于转移效率的提高。图8 热扩散法形成的杂质分布死层 图9 半导体材料吸收系数随波长的变化太阳能电池表面对光的反射也是影响转移效率的重要原因，图9、图10分别给出了不同半导体材料的吸收系数随波长的变化以及硅材料表面的反射系数随波长的变化关系。硅在波长0.5m处，反射系数约为37%，当波长为1m，反射系数逐渐变化到32%。为了减少反射损耗，表面须加抗反射膜。抗反射膜的厚

18、度为光学波长的四分之一，其折射率为，n0为空气的折射率，ns为半导体材料的折射率。可以利用一氧化硅、二氧化钛、氧化钽等材料作抗反射膜。严格说来，抗反射作用只是对一种波长的光。但对其它的波长的光也有减反射的作用。好的抗反射层可使反射系数减小到5%以下。利用化学腐蚀的方法，对硅的表面进行腐蚀，由于晶体结构中不同晶向的原子之间键合力大小不同，腐蚀速度不一样，腐蚀后的表面是凸凹不平的，可在特殊的晶面，如（100）面，形成倒金字塔结构，如图11所示。当光垂直入射到这样的表面上时，会发生多次反射与吸收，达到对光充分吸收的目的。这样的器件在比较宽的光谱范围内，反射系数可降到5%左右，构成所谓无反射电池，即绒

19、面电池，也俗称“黑”电池。图10 硅材料的表面反射系数与波长关系 图11 化学腐蚀形成倒金字塔陷光结构由（3）式可知。voc随低掺杂一边的杂质浓度的增加而上升，因此应适当地选择电阻率较低的衬底材料。但由于随电阻率下降，少子寿命与扩散长度减小，使短路电流isc减小，因而电阻率要优选一个最佳值。图12（a）为硅太阳能电池峰值转换效率与材料电阻率的关系。图中10s、0.1s、1ns均为表面扩散层少子的寿命值。从图中计算结果看到，衬底材料电阻率选择在（0.31）.cm较适当。图12（a）峰值转换效率与电阻率的关系 （b）峰值转换效率与基区厚度的关系图12（a）中，相同寿命值中，效率较高的是n+pp+结

20、构的电池，效率较低的是n+p电池，两者的差别缘于pp+高低结形成的漂移场，称为背面反射场，简称背场，背场对在pp+结附近产生的光生少子有加速漂移运动的作用，加速少子向势垒区中运动，以提高转移效率。图12（b）是背面反射场的有无对硅太阳能电池峰值效率影响的计算结果。衬底材料的厚度对转换效率也有一定的影响。随厚度的增大，体电阻成为串联电阻，影响效率。若厚度太小，不仅影响太阳能中波长较长的光的吸收，而且机械强度下降。基区厚度要有一个适当的值，基区厚度对太阳电池转换效率的影响也表示在图12（b）中。图12的中计算中所用到的参数为；n+区的深度为0.25m，表面浓度1020cm-3，p区厚250m，p+

21、区深度5m浓度1019cm-3，n+区少子寿命10s、0.1s、1ns，表面复合速度103cm/sec，抗反射膜厚度800埃（sio），辐射条件为am0。由于串联电阻对转换效率有极大的影响，欧姆接触问题就成为太阳能电池的一个重要问题，也就是要制作接触电阻尽可能小的欧姆接触。当前的硅太阳能电池，表面层与背面多用多层结构，如ti-pd-ag，并进行良好的合金化而制得。太阳能电池要获得推广应用的重要问题在于降低成本，对于硅太阳电池来说就是要降低单晶硅的成本，简化工艺，另一个重要方面就是开发非晶硅太阳电池，多晶薄膜电池、聚光电池等。以gaas作材料的太阳电池有比硅太阳电池要高的转换效率，因此gaas太

22、阳电池也成为一个重要的方面。gaas的eg大，能够在更高的温度下工作，因此，可以通过聚光gaas电池在多太阳日下工作（如100个太阳光强度）。以上着重介绍了硅基太阳电池的工作原理和制作要点，近些年由于能源的紧缺，给包括太阳能在内的可再生能源的利用注入了强大的动力，太阳电池制作的技术水平不断提高，新材料和新工艺不断涌现，商品高效晶硅太阳电池的转换效率已超过20%，已见报道的转换效率高达24.7%。希望同学们注意不断学习新知识，了解学科前沿。（三）光电器件pn结光生伏特效应的另一个重要运用是光电器件，即光传感器，可用于光电探测。主要包括光电二极管、pin光电二极管、雪崩光电二极管（apd）、光电三

23、极管、达林顿结构光电三极管等等。其基本结构还是pn结，但对材料、制作工艺、参数指标的要求与太阳电池是非常不同的，光电探测器的主要参数有光电流、暗电流、击穿电压、响应度、光谱响应曲线、响应时间、线性度等等，前三个参数对每只管子都必须测量。1硅光电二极管(1)基本结构pn结型光电二极管与普通半导体二极管一样，都具有一个pn结，引出两根电极引线，而且都是非线性器件，具有单向导电性能。但是，由于光电二极管是光敏器件，因此，在外形和结构方面有它自己的特点。首先，在外形方面，光电二极管的管壳上有一个能透射光线的窗口，以便光通过窗口而照射在管芯上，窗口上往往还镶嵌着玻璃透镜，见图13。其次，在管芯方面，光电

24、二极管的pn结面积做得较大，电极面积则作得较小，这样可以增加受光面积。pn结的结深作得较浅（小于100nm），以提高光电转换效率。为提高器件性能的稳定性，si光电二极管都采用硅平面工艺来制作，管芯表面生长一层二氧化硅保护层。（2）工作原理光电二极管的工作原理仍基于pn结光伏效应，这在前面已讲过了。如果pn结的两个外部电极之间是开路的，则可在两电极之间测出开路电压voc，对si光电二极管，voc的值一般为0.450.6伏。如果pn结的两个外部电极之间是短路的，则n区和p区中光生的电子和空穴将通过结的外电路流动，从而形成短路电流isc，这是作为太阳能电池工作状态时的主要参数。如果受光照的光电二极管

25、上加有反向电压，则管芯中那些光激发产生的载流子在内、外两个电场的共同作用下参与导电，从而形成电流。此电流也是反向电流，但比无光照射时pn结的反向电流大得多。通常，把光照下流过光电二极管的反向电流称为管子的光电流；不受光照的pn结反向漏电流称为暗电流。既然光电二极管的光电流是光生载流子参与导电形成的，而光生载流子的数目又直接取决于光照强度，因此，光电流必定随入射光的强度变化而改变。这就表明，加有反向电压的光电二极管能够把光信号变成光电流信号。（3）特性（a）电流-电压特性图14表示了光电二极管在不同工作模式下的电流电压特性曲线，图中实线表示完全没有外部光线照射时的硅二极管的特性曲线。当光从外部照

26、射时，在pn结附近产生了电子和空穴，由各电极输出电流或电压，其特性如图中虚线所示，也就是说，出现了反向电流。而所获得的短路电流几乎与光能成正比。现设isc为短路电流，voc为开路电压，图14中太阳电池工作于第四象限，而加反向偏压的光电二极管则工作于第三象限，这个曲线我们在半导体管特性图示仪上可以观察到。图13 光电器件的外形图 图14 光电二极管的电流电压特性曲线(b)光谱响应特性光电二极管具有一定的光谱响应范围。光子能量的大小与光的波长有关。光的波长越长，它的光子所具有的能量就越小。对波长不同的入射光来说，只有能量大于半导体材料禁带宽度的光子才能激发出光生载流子。因此，光电二极管对光的响应存

27、在着最长的波长极限，此极限称为长波限，其值可根据下式估算： （14）式中，为发光的峰值波长（nm）；eg为禁带宽度（ev）。在常温下，si材料的禁带宽度eg为1.12ev，gaas材料的禁带宽度约等于1.8ev。因此，si光电二极管的长波限约为1100nm，而gaas二极管的长波限约为700nm。对于入射光而言，波长越短，能量越大。但是，对于光电二极管来说，由于入射光的波长越短，硅片表面的反射损失就越大，从而使实际被管芯吸收的能量越少。所以，光电二极管还存在着入射光的短波限，一般si光电二极管的短波限约为400nm。si光电二极管的光谱响应曲线是一条平滑的曲线，在4001100nm的范围内，s

28、i光电二极管对不同波长的入射光的光电响应的灵敏度是不同的。最高响应灵敏度所对应的入射光波长称为峰值波长，si光电二极管的峰值波长约900nm。不同波长的入射光在硅材料中被吸收的情况是不同的（见图9）。波长短的光容易被硅材料吸收，透入硅中的深度浅，波长长的光不容易被硅材料吸收，因而透入深度深。通常，波长为9001100nm的入射光可透入硅材料中几十微米；而波长为400500nm的入射光则只能透入零点几微米。但是，入射光所产生的光生载流子只有能扩散进势垒区的那部分才有能成为光电流；如果光生载流子离势垒区太远，则有可能在扩散途中被复合掉，因而不会使光电流增加，这样便降低了入射光的量子效率。因此，为了

29、提高入射光的量子效率，应使人射光尽量照射在pn结势垒区内。为此，在制造硅光电二极管时，应使pn结尽量靠近硅片表面，以便更充分地利用短波光来提高管子的短波响应灵敏度。另外，选用高电阻率（大于500cm）的硅单晶来制造硅光电二极管的管芯，便可使管芯的势垒区在加反向电压后扩展到几十微米，从而可以吸收长波光，提高管子响应长波光的灵敏度。（c）暗电流id在无光照的条件下，加有一定的反向工作电压的光电二极管的反向漏电流，称为光电二极管的暗电流，其值等于反向饱和电流、复合电流、表面漏电流和热电流之和。管子的暗电流越小越好。暗电流小的管子，性能稳定、噪音低、检测弱信号的能力强。通常，pn结型光电二极管在50伏

30、反向电压下的暗电流小于100na，pin结型和雪崩型光电二极管在15伏反向电压下的暗电流小于10na。光电二极管暗电流的大小与管芯的受光面积、所加电压和环境温度有关。管芯的受光面积大、所加电压高和环境温度高都会使暗电流增大。一般，环境温度每升高3040，暗电流增大10倍。（d）噪声特性对微弱入射光的检测能力取决于元件的噪声特性。噪声的种类有热噪声和由暗电流引起的散粒噪声等，但在零偏压工作时，仅有热噪声，即： （15）式中b表示噪声带宽。当外加反向偏压时，以散粒噪声为主，其数值由下式表示，即： （16）式中的i表示光电流加暗电流。（e）响应速度光电二极管的响应特性，与pn结上电荷的积累以及积累的

31、电荷通过电极传到外部电路的速度有关，即用上升时间和下降时间来表示。一般地说，输出信号从峰值的10%上升90%所需时间称为上升时间，其数值可以用下式计算：tr=2.2cj(rl+rs) （17）但是，通常由于rlrs，所以可写为：tr=2.2cj.rl （18）式中，cj为pn结电容、rs为串联电阻、rl为负载电阻。如果减少cj或rl，就可以提高响应速度。对于光电元件而言，为了减少cj，就必须将受光面积（即结面积）减少，或有必要将反偏压vr和硅基片的电阻率增大，其关系为： （19）（f）温度特性光电二极管使用时的环境温度对器件的灵敏度和暗电流有很大影响。位于价带上的电子，由于温度的影响而跃迁至导

32、带，因此暗电流均匀地增加。也就是说，温度上升10，暗电流就会增加24倍，这是硅材料固有的性质。2pin型硅光电二极管对于以高速响应为目标的光电二极管来说，为了减小pn结的电容，在p与n区之间设计一个i层的高阻抗层结构，即在n型硅片上制作一层低椮杂的高阻层，即i层（本征层）在该层上再形成p层。其工作原理：来自p层外侧的入射光，主要由i层吸收，从而产生空穴和电子。使用元件时要外加反向偏压，以使空穴朝p层移动，而电子朝n层移动，再由两电极流到外电路。pin硅光电二极管正常工作时，外加反向偏压使整个i层耗尽，i层有接近100%的量子效率，此外，比通常光电二极管宽得多的i层耗尽层，使得pin管有小得多的

33、单位面积结电容，因此，pin管兼有灵敏度和响应速度的优点。但由于i层的存在，pin型光电二极管的光谱灵敏度在短波方向减弱，使短波限红移，使用于近红外区域时最大灵敏度波长为lm。它可用于：电视摄像机等的遥控装置、伺服跟踪信号检测器等。它的外形多作成半圆形的塑料透镜，所以其受光方向多数为圆形。还可设计一种纽扣形高可靠的pin型光电二极管，通过将其与红色的led相组合，可用于光通信方面。其峰值灵敏度波长为700nm的短波。pin型硅光电二极管允许功耗大，而暗电流小于1a，其响应速度在0.1s以下，而两端子间的电容量也小。3雪崩光电二极管（apd）雪崩光电二极管的特点是高速响应性和放大功能。雪崩光电二

34、极管（apd）的基片材料可采用硅和锗等材料。其结构是在n型基片上制作p层，然后再配置上p+层。一般上部的电极作成环状，这是考虑到能获得稳定的“雪崩”效应。外来的光线通过薄的p+层，然后被p层吸收，从而产生了电子和空穴。由于在p层上存在着105v/cm的电场，因此位于价带上的电子被冲击离子化后，产生雪崩倍增效应，电子和空穴不断地产生。这样一来，由一个光子产生的电子和空穴变成了m倍。如果反向击穿电压为vb，反向偏压为v，则电子和空穴增加的倍数 （20）式中n = 36。通常，可以在m为20300的范围内工作。工作时，稳定的偏压是非常必要的。这种元件可用作0.8m范围的光纤通信的受光装置和光磁盘的受

35、光器件，能有效地处理微弱光线的问题。当量子效率为68%以上时，可得到大于300mhz的高速响应。工作电压小于180v时，则暗电流仅为0.3na。采用锗的apd所使用的波长范围接近于1m，由于它专用于光纤通信，所以其响应速度高达600mhz以上。偏压在30v以下时，可获得高于55%的量子效率。暗电流很大，为0.5a左右。4硅光电三极管该元件与光电二极管不同，它具备三极管的放大功能。它的构造是在n+型硅片上外延生长一层n型硅，它相当于三极管的集电区。然后在n型硅上形成p层，作为基区。在该基区的一部分上再形成一个小的n+区来作为发射区。基区比发射区大得多，这是为了让外面的光充分照射在基区上。硅光电三

36、极管工作时，要外加与一般三极管一样的电压，但是，由于光的输入，在基极与集电极的p-n结附近产生了基极电流，使电注入的直流基极电流发生偏移。通常，多数使用的光电三管没有基极，基极电流由光注入产生。也就是说，入射光在基极和集电极的pn结附近被吸收，形成电子和空穴，电子向集电极方向移动。空穴向基极方向移动，形成了基极电流ibl。再由三极管的放大作用。使得ibl变成放大了倍的集电极电流。将前级光电三极管输出的集电极电流，输入到后级光电三极管的基极，得到达林顿结构的光电管，若每级光电三极管的放大倍数为，则这种元件的放大倍数为倍，所获得终端集电极电流足以驱动继电器等。达林顿式连接的光电三极管的入射光可以非

37、常小，当输入光功率为0.1mw/cm2时，可获得约2ma的集电极电流。所以达林顿管在使用时，要注意用限流电阻保护。二. 硅平面器件制作实验工艺原理硅平面器件制作工艺实验由下列七项实验组成：实验一 氧化工艺实验实验二 光刻工艺实验实验三 扩散工艺实验实验四 磨片与吸杂工艺实验实验五 真空蒸发工艺实验实验六 制绒面工艺实验实验七 辅助工序工艺实验实验一 氧化工艺实验实 验 卡 片实验要求1将鼓泡瓶接入系统，观察干氧和湿氧的管路。2记录氧化炉的温度，通入干氧和湿氧的时间。3估计氧化层的厚度。习题1氧化层有哪些作用？ 2氧化层的生长速率和哪些因素有关？ 3氧化层的厚度设计需考虑哪些因素？氧化工艺原理1

38、. 氧化层的作用：（1）杂质掩蔽作用：二氧化硅薄膜能作为杂质扩散的掩蔽膜，必须具备两个条件：一是二氧化硅薄膜要有足够的厚度以阻挡杂质的扩散；二是只对那些在二氧化硅薄膜中的扩散速度比在硅中扩散速度小得多的杂质才有掩蔽作用。所以一定厚度的二氧化硅（sio2）层有对某些杂质扩散有掩蔽作用，使杂质扩散只发生在我们选择的地方，二氧化硅层的这个重要的性质，是我们制造各种类型的晶体管和集成电路的重要基础。（2）表面保护作用：二氧化硅层的化学性能稳定，结构致密，能与硅表面牢固地结合，利用它把已形成的pn结复盖起来，就能大大地减少器件表面受外界环境变化的影响，提高了晶体管工作的稳定性。（3）绝缘作用：二氧化硅有

39、良好的绝缘性能，利用它可以将硅片不同的部分隔离起来，这是制造大功率晶体管和集成电路的良好基础。2. 氧化方式：（1）干氧氧化：使硅片在高温下（1000以上）与干燥的氧气作用，在硅片表面生成一层二氧化硅。这种方法形成的氧化层，结构较致密，质量较好，但氧化速度很慢；（2）水汽氧化：使硅片在高温下（1000以上）与水汽直接作用，生成氧化层。这种方法生长的二氧化硅结构较疏松，掩蔽、保护和绝缘性能较差，但它的生长速度较快；（3）湿氧氧化：让氧化通过一定温度（85-95）的去离子水，带一些水汽、变成湿润的氧气在高温下与硅片作用，生成二氧化硅层。这样得到的氧化层，生长速度较快，质量也较好。在生产中，一般采用

40、干氧湿氧干氧，交替使用的氧化方法，由于湿氧氧化生长的二氧化硅薄膜表面存在硅烷醇（sioh），和光刻胶粘润不良，光刻时易产生浮胶现象，若再通一段时间的干氧，可使硅烷醇转变成硅氧烷（siosi），成为疏水表面，从而改善二氧化硅表面与光刻胶的接触，使光刻时不易产生浮胶。另外可以在较短的时间内，获得较好的氧化层。3. 氧化条件（供参考）：温度1130 水温95 氧气流量500.ml/分干氧氧化20分钟、再通湿氧氧化30分钟、再通干氧氧化20分钟，得到氧化层的厚度约为600800nm。氧化层厚度的设计，主要考虑扩散结深的要求，可以根据后面所附的图表自行设计氧化条件。实验二 光刻工艺实验实 验 卡 片实验

41、要求1掌握光刻机的使用方法。2观察光刻版图，了解图形对准方法。3掌握目测光刻质量的要求。4了解光刻正负胶的区别。习题1光刻工艺有哪些工艺流程组成？2影响显影质量的因素有哪些？ 3腐蚀中需注意哪些问题？光刻工艺原理通常采用的接触式曝光的光刻工艺是光学照相和化学腐蚀相结合、在sio2薄层上或者金属薄层上获得所需的精细图形的方法，是微电子技术的基础。薄层上需要获得的精细图形首先用制版的方法做成光刻掩膜版（简称光刻版、相当于照相底片），光刻掩膜版根据图形需要，有的地方透光，有的地方不透光。光学照相是在一种感光胶膜上进行的，这种胶膜相当于照相胶卷上的药膜，但同时有抗腐蚀性，因而称之为光致抗蚀剂（又称光刻

42、胶），主要分为正胶和负胶两种。我们实验中用负胶。负胶的特点是：胶膜凡是被光照射到的地方，发生了交链反应，变成为大分子，经过曝光的胶膜在显影液中会保留下来，以保护胶膜下的薄膜在后续的腐蚀工艺中不被腐蚀。而正胶则相反，光照使其发生分解反应，利用合适显影液就会溶除曝光部分的胶膜。经腐蚀后获得与光刻掩模版相对应的图形。随着微电子器件尺寸越来越小，光刻工艺的进步是最基本的技术支撑。实验中光刻由七个小的工艺组成，其工艺流程示意图如下：1. 涂胶将光刻胶滴在清洁干燥的硅片上，利用高速旋转的转盘的离心力，将多余的胶甩去，在硅片表面形成均匀胶膜。对涂胶的要求是：胶膜均匀，达到预定的厚度，与氧化膜粘附良好，无灰尘

43、，夹杂物等。涂胶的均匀度一般是凭操作者的眼睛来观察的，即从胶层在硅片边缘呈现的不同颜色的干涉条纹的情况，来判断胶膜的均匀性。如果彩色干涉条纹宽而且少，有规则，则胶层较均匀；反之，彩色干涉条纹密而多，则胶层不均匀。2. 前烘（低固）将涂好胶的硅片置于恒温干燥箱中，加温到7590、2030分钟，以便部分去除胶膜中的溶剂，增加胶膜的耐磨性。也可采用红外热板等前烘方法。影响前烘效果的主要因素是温度和时间。烘焙不足时（温度太低或时间太短），在胶膜与硅片交界面处，胶中的溶剂未充分挥发掉，在曝光时就会阻碍抗蚀剂中分子的交联，在显影时一部分胶被溶除，形成浮胶或图形变形。烘焙过头时，会导致胶膜翘曲硬化，形成不易

44、溶于显影液的薄膜，显影不干净或胶面发皱、发黑，失去抗蚀能力。3. 套准曝光其作用是利用光刻机将光刻掩膜版（光刻版）上的图形复印到硅片上。实验中，曝光采用的是接触式曝光，将前烘后的硅片放在可以精细调节的光刻机上，将光刻版覆盖在硅片上，在显微镜下，仔细调整两者之间的相对位置，将光刻版的图形移动到硅片的指定位置上，移动过程中光刻版和硅片要有一定的距离，不能互相摩擦、以免擦伤胶膜。光刻版和硅片套准后，再将光刻版和硅片顶紧，使之紧密接触，并用高压汞灯产生蓝紫光曝光，曝光时间视胶膜种类，厚薄、干稠、光强、气候等条件，通过实验选取，一般为20秒钟左右。曝光时间过短，胶膜感光不足，光刻胶的光化学反应不够充分，

45、光刻胶的抗蚀性能力就会降低，显影时部分胶会溶解。此时在显微镜下会观察到胶膜发黑。曝光时间过长，会使光刻胶不感光部分的边缘微弱感光，产生光晕现象，腐蚀后边界模糊或出现皱纹，使分辨率降低。曝光后的胶膜发生光化学反应，在胶膜上得出光刻版的“潜影”。4. 显影视光刻胶种类不同而异，我们的实验采用丁酮为显影液，未被曝光的胶膜溶解在丁酮中，因而将光刻胶中的“潜影”图形显现出来。然后依次在丙酮和去离子水中漂洗干净。显影时间不足，会使显影不干净，应该去除光刻胶的地方还会留下一薄层不易觉察到的底膜，影响以后的腐蚀正常进行，形成斑纹或小岛，并使胶膜边缘出现厚度递减过渡区，造成边缘毛刺，图形模糊。若显影时间过长，显

46、影液使光刻胶发生软化、膨胀，显影液从硅片表面向图形边缘渗入，发生钻溶，使图形边缘变坏；有时会出现浮胶现象，严重的甚至大片剥落形成脱胶。为了保证显影质量，显影后的硅片必须认真进行镜检，看图形是否套准，显影干净没有，图形边缘是否清晰，有无脱胶现象等。若出现上面情况应及时调整显影时间，严重的必须返工。5. 坚膜（高固）将显影干净的硅片置于更高温度的恒温干燥箱中，目的是去除显影液和水分，使光刻胶进一步聚合，提高胶膜抗蚀能力；并让光刻胶更牢固地附着在硅片上，以加强对硅片的保护。坚膜的温度和时间要适当选择，若坚膜不足，胶膜没有烘透，不够坚固，在腐蚀时会发生浮胶或严重钻蚀。坚膜过度，会使胶膜因热膨胀产生翘曲

47、和剥落，腐蚀时也会发生钻蚀或浮胶。我们的实验条件约为180、40分钟。6. 腐蚀用化学腐蚀的办法将没有光刻胶保护的地方的薄层去除。以便将光刻胶上显现的图形转移到薄层上。例如，若薄层为二氧化硅，则采用含hf的腐蚀液（hf：nh4f：h20=3ml：6g：10ml），适量的氟化铵起缓和作用，以防止光刻胶膜的脱落和钻蚀。若薄层为金属铝，则可采用磷酸为腐蚀液。腐蚀时温度一般选取为40左右。温度太低，腐蚀时间要相应延长，光刻胶长时间在腐蚀液中浸泡，容易产生浮胶现象；温度太高，腐蚀速度太快，也容易脱胶或钻蚀。腐蚀时间由腐蚀速度和氧化层厚度来确定。一般选取一片进行腐蚀试验，以确定腐蚀时间。腐蚀时间控制的是否

48、得当，直接影响光刻质量。若腐蚀时间过短，氧化层未腐蚀干净，就会影响扩散效果。腐蚀时间过长，腐蚀液会穿透胶膜产生浮胶或边缘的侧向腐蚀。二氧化硅的腐蚀速度与氧化层的质量有关，在40下大约为150200nm/min。腐蚀过程十分重要，不当的操作可能会造成硅片的报废。因而在操作过程中，要将硅片洗净，经常在显微镜下观察是否腐蚀干净，若出现钻蚀、脱胶等不良情形，要及时采取相应的措施，甚至返工。7. 去胶在腐蚀未完成之前，硅片表面的胶膜都有保护作用，不能划伤。在腐蚀完成后，胶膜要去除干净，以便进行下一个工序。二氧化硅上的胶膜，可以采用浓硫酸煮，高温碳化的方法。也可以用号液煮沸，放置冷后，冲净待用。铝层上的胶

49、膜，采用氧化去胶的方法。光刻是微电子技术的核心工艺之一，一个器件的制作，需要多次不同的光刻过程才能完成，光刻决定了芯片的表面质量。光刻质量简而言之是，光刻完成后必须将该去除的地方（窗口）要完全去除，其余的地方要完整保留，边缘完整清晰。实验三 扩散工艺实验实 验 卡 片实验要求1掌握扩散工艺方法。2掌握控制结深的方法，并通过实验观察结深。习题1结深与哪些因素有关？ 2何谓固态源和液态源？ 3何谓预扩散、主扩散？扩散工艺原理 在高温条件下，利用二氧化硅对杂质的掩蔽作用，让有用的杂质通过光刻开出的窗口进入硅片中，形成pn结。例如在n型材料上进行硼扩散，形成p型区，或在p型材料上进行磷扩散，形成n型区

50、。扩散的方法有很多，如固一固扩散、液态液扩散。在我们的实验中硼扩散和磷扩散均采用片状源扩散。扩散过程分两步进行，即预扩散和主扩散，两步扩散才能获得合适的表面浓度和结深。预扩在温度900左右的氮气氛下进行，时间约15分钟。预扩过程中，外部始终保持恒定的杂质源浓度，即恒定表面源扩散，杂质服从余误差分布，预扩在硅片的表面形成一个浓度很高的p型层（对硼扩散），这层的厚度很小，约100nm，杂质浓度由扩散温度下的杂质固溶度决定，可达1021个原子/cm3。但这样的p型扩散层不适于作器件，还必须把浓度降低，p型层的厚度（结深）还需增大，为此还需进行一次主扩散，使硼杂质来一次再分布。主扩散在1130下进行，

51、时间35分钟左右，这样，p型层厚度（即pn结的深度结深xj）约2.1。表面浓度约51018个原子/cm3。主扩散过程为去源扩散，没有新的杂质源补充，利用预扩散过程中得到的很薄的一层p型层作源，这种扩散方式称为限定表面源扩散，杂质服从高斯分布。磷扩散的基本原理和过程同硼扩散。扩散要求对表面浓度和结深有良好的控制，表面浓度的大小是通过薄层电阻ps和xj的测量而得到的。扩散过程决定了pn结形成的好坏，其浓度和结深根据器件的电学参数的要求而定，浓度和结深则取决于扩散条件（扩散时间与温度），扩散条件根据已知的工艺数据（见后）确定。实验四 磨片与吸杂工艺实验实 验 卡 片实验要求1掌握磨片工艺方法。习题1

52、磨片的目的是什么？2简述吸杂的原理磨片与磷吸杂（对n衬底材料）工艺原理磨片有两个目的，一是去除硅片背面不必要的p型扩散层；二是将硅片减薄到必要的厚度，以利于后道工序的划片分割。实验中采用金刚砂研磨的方法进行磨片。具体做法是：在加热的玻璃片上涂蜡，将硅片正面粘在玻璃片上，要保证硅片和玻璃片之间没有空气，固定良好。在一块更大的平板玻璃板放上一些金刚砂和清水，将硅片贴在平板玻璃板上磨“8”字，磨片时用力要适中、均匀。磨片后的硅片一定要进行测试，通常采用热探针法，观察电流方向，判断硅片表面是n型还是p型、不必要的p型扩散层是否磨去。磨片达到预期目的后，去除蜡，并用去离子水清洗。将硅片仔细清洗干净之后，

53、放入石英管内进行磷吸杂处理。磷吸杂对于降低器件暗电流，提高光电流有十分积极的作用。磷吸杂工艺还可增加衬底材料背面的杂质浓度，极大改善欧姆接触性质。注意：磷吸杂不同于磷扩散，它是一个改变器件性能的技术。对于太阳电池，磷处理的作用是在n衬底材料上制作一个高浓度n型层，形成一个高低结，称为背场，背场的漂移电场有助于太阳电池收集光生载流子，提高电池转换效率（可以自己分析一下）。实验五 真空蒸发工艺实验实 验 卡 片实验要求1掌握蒸发台的使用方法。2了解蒸发台的真空系统。3了解电子束蒸发台的使用方法。4了解镀层厚度的观察方法。习题1影响真空蒸发质量的因素有哪些？ 2热蒸发和电子束蒸发各有哪些优缺点？ 3为什么蒸铝用钨丝，而蒸金用蒸发舟？ 真空蒸发工艺原理通过前面工艺完成硼或磷扩散以后，已形成一个或两个pn结，组成二极管或者三极管管芯。为了引出电极，须在硅片的正面蒸镀一层铝，背面蒸镀一层金，并使之与硅成合金，成为良好的欧姆接触，然后就可进行