半导体工艺实习实验指导书

1、半导体工艺实习实验指导书名目1前言2原理篇3氧化5扩散7光刻和刻蚀10薄膜淀积14三篇16半导体工艺操作注意事项16实验设备、仪器和使用工具清单18NP双极性晶体管制备工艺流程卡19具体工艺条件和操作方法20篇23氧化扩散炉23光刻机26真空镀膜机33微控四探针测试仪35结深测试仪40晶体管测试仪46成绩评定方法48前言硅平面制造工艺是当代晶体管与集成电路制造的要紧工艺方式。半导体工艺实习是电子科学与技术专业本科生必修的专业实验课程，通过实际操作硅平面工艺的多个差不多步骤，把握硅晶体管平面制造工艺过程的细节和所涉及到的原理和差不多理论。熟悉常规双极性晶体管和典型的集成电路平面制造工艺的全过程，

2、了解集成电路设计时应考虑的工艺条件限制。本实验指导书以电子科学与技术微电子工艺实验室的设备和实验条件为硬件基础，给出双极性NPN晶体管的制备工艺流程，包括差不多工艺原理，使用的设备介绍，具体的工艺流程和详细的工艺条件、操作方法及测试检测方法等。半导体工艺实习涉及专门多实实在在的操作，受各种环境条件，外部因素的阻碍较多，本实验指导书仅能给出工艺步骤的原理和普遍现象，在实际操作中遇到的实际咨询题还要具体分析找到解决方法。另外，由于作者对半导体工艺原理的明白得和工艺步骤地具体操作不尽深刻和熟稔，指导书中有不妥甚或有错误的地点，还请批判指正。在这感谢工艺实习基地的董利民老师，袁颖老师，胡晓玲老师和实验

3、室其他多位老师的关心和提供的文献资料。实习基地建设教师谢红云2007.8原理篇图L1是PNP晶体管和NPN晶体管的结构示意图。图L 1 PNP晶体三极管和NPN晶体三极管以晶体管为例，由晶体管的放大原理可知，若要晶体管正常工作需满足以下2点：1 .发射区（N区）的电子浓度应大于基区（P区）的空穴浓度；2 .基区要专门薄，仅具有几微米的宽度；如此在基区电子形成的扩散流能够远大于空穴复合流，实现晶体管的放大功能。NPN晶体管的纵向结构如图L2所示，给出了晶体管集电区、基区和发射区的杂质浓度。发射结N型浓度:E19E20N型浓度：E14E15P型浓度：E16E18N型晶体取向的单晶硅抛光片Klll&

4、gt;图L2NPN晶体管纵向结构图在硅平面工艺中，集电区、基区和发射区不同的杂质浓度由高温热扩散完成,图L3是晶体管的剖面图。SiO2基板（P）发射极（M+）P基区二（集工极）图1.3平面工艺制备晶体管与晶体管的平面工艺结构有关的几个要点：1 .高温下氧化单晶硅片的表面，生成一层二氧化硅膜。而该膜在一定的高温下、一定的时刻内，可阻止制造半导体器件所常用的几种化学元素，如：硼、磷、神、睇等（这被称之为氧化工序）。2 .采纳照相、复印、有选择地爱护某区域而腐蚀掉某区域的二氧化硅膜（那个过程被称之为光刻过程），使得某区域承诺杂质进入而某区域不承诺杂质进入。3 .第二点思路由设计的具有光掩蔽功能的、被

5、称之为掩膜版的工具（全称为光刻掩膜版）来辅助完成。4 .采纳高温热扩散法将某种特定杂质掺入某特定导电类型的半导体内部，并使局部区域反型，必须采纳高浓度补偿，如图L4所示：掩蔽层113。度下进行椰杂质扩散图1.4高浓度补偿扩散双极性晶体管的制备在集成电路匚艺流程中具有代表性，包含了硅平面半导体工艺中的差不多步骤：氧化、扩散、光刻和刻蚀、薄膜淀积等。这一部分将分不介绍各个工艺步骤的差不多原理，为实际操作做好理论预备。氧化氧化工艺是制备二氧化硅膜的工艺。二氧化硅膜是半导体器件制备中常用的一种介质膜。具有以下的特点：1 .化学稳固性极高，除氢叙酸外和不的酸不起作用；2 .不溶于水；3 .有掩蔽性质，具

6、有一定厚度的二氧化硅膜在一定温度、一定时刻内能阻止4 .硼、磷、碑等常作为半导体杂质源的元素；5 .具有绝缘性质。因此在半导体器件中常用作以下的用途：杂质扩散掩蔽膜；器件表面爱护或钝化膜；电路隔离介质或绝缘介质；电容介质材料；MOS管的绝缘栅材料等。二氧化硅膜的制备有热生长氧化工艺、低温淀积氧化工艺以及其它氧化工艺。不同的氧化1：艺方法所制备的二氧化硅膜的质量不同，会阻碍其掩蔽扩散的能力、器件的可靠性和稳固性、电性能等。硅平面工艺中作为扩散掩蔽膜的二氧化硅采纳高温热生长工艺制备，是我们实验的一个重要工艺步骤。高温热生长二氧化硅，高温氧化确实是把衬底片置于1000C以上的高温下,通入氧化性气体（

7、如氧气、水汽），使衬底表面的一层硅氧化成SiO”高温氧化分为：干氧氧化、湿氧氧化和水汽氧化三种：1干氧氧化-氧化气氛为干燥、纯洁的氧气。2水汽氧化-氧化气氛为纯洁水蒸汽。3湿氧氧化-氧化气氛为既有纯洁水蒸汽乂有纯洁氧气。高温氧化的机理，即化学反应如下所示：Si+O2TfSiO?Si+2H,OT->SiO,+H,T一氧化层形成后，氧原子必须穿过氧化层到达硅表面并在那儿进行反应，化学反应在Si-SiOe界面发生。完成那个过程必须通过以下三个连续的步骤：1 .氧化剂分子由汽相内部迁移到汽相与氧化介质膜界面处。2 .氧化剂分子扩散通过业已生成的初始氧化层。3 .氧化剂分子到达初始氧化层与硅的界面

8、处与硅连续反应。干氧氧化含有氧离子通过SiO：的扩散和在Si-SiO：界面上与硅发生反应这两个过程。在高温下界面化学反应速度较快，而氧离子扩散通过SiO二层的过程较慢，因此氧化速度将要紧取决于氧化氧离子扩散通过SiO二层的快慢。明显，随着氧化的进行层将不断增厚，氧化速度也就越来越慢。而水汽氧化过程中SiO：层不断遭受消弱，致使水分子在SiO,中扩散也较快，因此水汽氧化的速度要比干氧氧化的速度快。由化学反应引起的硅的消耗量，大约是最终氧化层厚度的44%，如图L5 所示。A在高温氧化中，依据热生长动力学和迪尔格罗夫模型，氧化层的再度能够表示为：+1-1VA2/4B其中，A和B是与氧分子扩散有关的常

9、数，丁是时刻常数。在氧化时刻较短,SiO二层较薄时，表面化学反应过程是要紧的，SiO2层厚度将随时刻线性增加；在氧化时刻较长SiO二层较厚时，扩散过程是要紧的，SiO2层厚度将随时刻作抛物式增加。三种氧化方法比较如下：速度均匀重复性结构掩蔽性水温干氧？慢好致密好湿氧：快较好中基本满足水汽，最快差疏松较差102c实际采用：干氧一一湿氧一一干氧一样的讲，水汽或湿氧氧化速率高、但生成的二氧化硅膜结构疏松且表面呈亲水性，干氧氧化生成的二氧化硅膜干燥致密，但其氧化速率最低。实际热氧化工艺的选择是依照前述讨论的各种热氧化方法的结构特点和工艺特点，对应矛盾的热氧化工艺要求，即要求有较高的氧化速率乂要求生成干

10、燥致密的呈疏水性的二氧化硅表面，选择干氧-湿氧-干氧的实际热氧化工艺。氧化完成后，依照芯片表面颜色大致能够判定出氧化硅的厚度。因为不同厚度的氧化硅对可见光的折射率不同，芯片表面氧化硅的颜色会随着厚度的变化出现周期性变化，下面是不同厚度对应的大致颜色，可作为氧化层厚度的大致判定依据。颜色氧化膜厚度(埃)灰100黄褐300蓝800紫1000650027504650深蓝15006800300049001850720033005600黄2100750037005600橙225040006000红250043506250扩散双极性npn晶体管需要掺杂工艺获得特定类型，如p型或n型半导体以形成pn结，通常

11、通过扩散或离子注入工艺实现。概念表述如下：1 .掺杂-将所需要的杂质按要求的浓度和分布掺入到半导体材料中的规定区域，达到改变材料导电类型或电学性质的过程。2 .扩散掺杂-依靠杂质的浓度梯度形成扩散掺杂的过程。3 .离子注入掺杂-杂质通过离化、加速形成高能离子流，靠能量打入半导体材料的规定区域、活化形成杂质分布的过程。在传统硅平面工艺中采纳高温扩散工艺实现特定类型特定浓度的掺杂。半导体杂质的扩散在800C-1400C温度范畴内进行。从本质上讲，扩散是微观离子作无规则热运动的统计结果，这种运动是由离子浓度较高的地点向着浓度较低的地点进行，而使得离子的分布趋于平均。半导体中杂质的扩散有两种机制：空位

12、交换机制和填隙扩散机制。杂质原子从一个晶格位置移动，假如相邻的品格位置是一个空位，杂质原子占据空位，这称为空位交换模式。若一个填隙原子从某位置移动到另一个间隙中而不占据一个晶格位置，这种机制称为填隙扩散机制。从理论上讲，热扩散遵从费克扩散定理,费克扩散方程如下所示：dN-7-=DdtdX2扩散系数D是表征扩散行为的重要参量。扩散系数是温度的函数：D=D0exp(-Ea/kT)能够看出扩散系数与温度是指数关系，因此扩散工艺应严格操纵温度以保证扩散的质量。另外，扩散系数与杂质种类和扩散机构有关，在特定条件下扩散系数D还会受到表面杂质浓度Ns、衬底杂质浓度Nb、衬底取向和衬底晶格等阻碍。费克扩散方程

13、的物理意义：在热扩散过程中，扩散由浓度梯度的存在而引发。在浓度梯度的作用下，将引起某位置点杂质的积存或丢失。它们之间的相互制约关系均反映在扩散方程中。对应于不同的初始条件、边界条件，将会对扩散的动态变化有不同的描述，则会得到不同的扩散方程的解。依照扩散时半导体表面杂质浓度变化的情形来区分，扩散有两类：恒定表面源扩散和恒定杂质总量扩散。关于恒定表面源扩散，其初始条件和边界条件如下：初始条件:N(x,0)=0；边界条件:N(0,t)=Ns,N(8,t)=0现在费克扩散方程的解.：N(x,t)=Nerfc(x/2>/DF)关于恒定表面源扩散，在一定的、尽可能低的扩散温度和规定的扩散时刻下,被扩

14、散的硅片始终处于掺杂杂质源的饱和气氛之中。能够想见，在该过程中(山于在尽可能低的温度下)，杂质缺乏足够的能量向硅体内的纵深处扩散，而更多地淀积在距表面(X=0处)十分有限的区域内。此刻，硅体表面的最大表面浓度将恒定在当前状态下的特定杂质在体内的最大溶解度一一固体溶解度Ns上(固体溶解度：在一定温度下，某杂质能溶入固体硅中的最大溶解度的值。)现在芯片内杂质满足余误差分布，如图L6所示。扩散入芯片的杂质总量表示为：Q（t）= J：N（x,t）dx =Ns5F1.13NsVdT图1.6恒定表面源扩散的杂质分布关于恒定杂质总量扩散，其初始条件和边界条件如下:初始条件：N(x,0)=0,x>h；N

15、(x,0)=Q/h=Ns(0)；边界条件：N(8,t)=0现在费克扩散方程的解.：N（x,t）=关于恒定杂质总量扩散，差不多淀积在硅片表面的一定总量的杂质将在浓度梯度的作用下，连续向体内纵深处扩散。因此，随着杂质向体内纵深处的扩散，杂质的表面浓度也将由原预淀积时的固溶度值开始下降。现在芯片内杂质分布满足高斯分布，如图L7所示：图1.7恒定杂质总量扩散的杂质分布重要的是：恒定杂质总量的扩散工艺，尽管不再向系统提供杂质气氛，但提供氧化气氛按氧化的模式推进该热驱动过程，则在杂质向体内纵深处扩散的同时，硅片的表面乂生成了一层符合工艺要求的二氧化硅薄膜（该过程的时刻应第一满足杂质推移深度的要求，而SiO

16、,介质膜的厚度可由干氧氧化与湿氧氧化的步序搭配来调剂）。实际的芯片扩散工艺通常采纳两步扩散法：第二步：主扩散或再分布，是将由预扩散引入的杂质作为扩散源，在高温下进行扩散，能够操纵表面浓度和扩散深度。杂质按高斯函数形式分布。图L8是预扩散和主扩散的杂质分布图。图L8预扩和主扩后的杂质分布图扩散深度和扩散后被扩散区的方块电阻是检验扩散工艺的两个重要参量。理论上，结深Xj是杂质浓度等于衬底浓度NB时所在的位置。我们能够通过前面得道德恒定表面源扩散和恒定杂质总量的杂质分布表达式，从理论上运算扩散能够得到的节深Xj。恒定表面源扩散：X=2erfcNs恒定杂质总量扩散：X,=2幅心言实际生产中通常采纳磨角

17、染色法或磨槽染色法测定扩散得到的结深。从前面对三极管的分析能够看出，基区的宽度严峻阻碍着三极管的性能，要专门好的操纵基区宽度，就要专门好的操纵扩散的结深。决定扩散结深的因素要紧有以下四个：衬底杂质浓度”，表面杂志浓度Ns,扩散时刻t和扩散温度T。因此要精确的选择操纵扩散的工艺，如考虑再分布扩散时相伴二氧化硅的生长，消耗掉了部分硅层，以此对扩散结深Xj进行修正；同理，预淀积扩散后含杂的部分硅层变成了二氧化硅层，这使预淀积扩散在硅体内造成的杂质总量起了变化，以此对扩散杂质总量Q进行修正。山修正后的参量，进行预淀积扩散工艺条件T1和tl的选择，进行再分布扩散工艺条件T2和t2的选择，选择时应注意t2

18、必须满足等于t干+t谓+t干2如此的氧化条件，以保证在主扩散的同时芯片表面生成能够作为进一步工艺掩蔽膜的二氧化硅层。方块电阻表征扩散结果的电学特性。方块电阻乂称为扩散薄层电阻Rs,指的是表面为正方形的扩散薄层，在电流平行于该正方形的某一边流过时所出现出的电阻值。通过理论推导能够得出：Rs七l/q/QQ是单位面积衬底扩散的杂质总量，因此Rs的大小反映了扩散到芯片体内的杂质总量的多少，杂质总量Q越大，R就越小。通常实际生产中采纳四探针法测定方块电阻。实际扩散工艺能够分为气-固扩散法和固-固扩散法。气-固扩散法乂可分为气态源扩散、固态源扩散和液态源扩散三种方式。1 .气态源扩散：杂质源为气态，稀释后

19、挥发进入扩散系统。2 .液态源扩散：杂质源为液态，由爱护性气体携带进入扩散系统。3 .固态源扩散：杂质源为固态，通入爱护性气体，在扩散系统中完成杂质由源到硅片表面的气相输运。4 .固-固扩散：在硅片表面制备一层固态杂质源，通过加热处理使杂质由固态杂质源直截了当向固体硅中扩散掺杂的过程。硅的n型杂质源通常为P或As,p型杂质源通常为B。采纳气-固扩散法，常用的杂质源包括：固态源-BN,As203,液态源一-BBr3,AsC13,P0C13,气体源-一B2H6,AsH3,PH30光刻和刻蚀正如前面所言，光刻工艺是半导体器件和集成电路制造的重要工艺步骤。光刻的精确度决定着器件和集成电路的最小尺寸。光

20、刻的定义如下：利用光刻胶的光敏性和抗蚀性，配合光掩模版对光透射的选择性，使用光学和化学的方法完成特定区域的刻蚀（光刻二图形复印+定域刻蚀）。具体的讲，光刻是一种复印图象与化学腐蚀相结合的综合性技术，它先采纳照像复印的方法，将光刻掩模板上的图形精确地复制在涂有光致抗蚀剂的SiO：层或金属蒸发层上，在适当波长光的照耀下，光致抗证剂发生变化，从而提高强度，不溶于某些有机溶剂中，未受光照耀的部分光致抗蚀剂不发生变化，专门容易被某些有机溶剂溶解（或者因为选川的胶性质不同而正好相反）。然后利川光致抗蚀剂的爱护作用，对SiO：层或金属蒸发层进行选择性化学腐蚀,从而在SiO：层或金属层上得到与光刻掩模板相对应

21、的图形。如图1.9所示。紫外光 掩模板在$。2层上涂，将掩模板覆盖显影后经过腐蚀复光刻胶膜在光刻胶膜上得到光刻窗口在紫外灯下曝光图L9光刻的原理图光刻三要素：光刻胶、掩膜版和光刻机。一、光刻胶光刻胶乂叫光致抗蚀剂，是由光敏化合物、基体树脂和有机溶剂等混合而成的胶状液体，在特定的有机溶剂中具有不同的溶解性，溶解性的改变性和耐酸碱性等特性。光刻胶一样由感光树脂、溶剂、增感剂和辅助稳固剂构成。配以不同的溶剂和增感齐IJ，能得到性质不同的光刻胶，具有不同的溶解性和溶解性的转变性，即在特定波长光线的照耀作用后，光刻胶能吸取一定波长的光能量，使其发生交联、聚合或分解等光化学反应，由原先的线状结构变成三维的

22、网状结构，从而提高了抗蚀能力，不再溶于有机溶剂，也不再受一样腐蚀剂的腐蚀。正胶和负胶是常用的两种胶。关于负胶，原胶易溶，感光后胶体发生聚合反应，变得难溶，称为光致抗蚀。负胶的辨论率差，适于加工线宽23即）的线条。正胶与负胶性质相反，原胶难溶，感光后胶体发生分解反应，变得易溶，成为光致不抗蚀。正胶辨论率高，在超大规模集成电路工艺中，一样只采纳正胶。光刻工艺对光刻胶的要求有如下几点：涂敷方便粘附性好具有较高的辨论率具有较高的感光度显影质量好抗蚀性能好胶的稳固性好因此，光刻胶的质量参数包括：光刻胶的感光度：光刻胶对光敏锐的指标，与胶膜发生溶变反应的最小曝光量。光刻胶的辨论率：每毫米宽度内最多可容纳的

23、光刻出的可辨论线条数。光刻胶的粘附性光刻胶的抗蚀性二、光刻掩模版光刻掩模版在光学玻璃上制备具有特定图形的表层遮光膜。在光刻过程中，使部分光刻胶暴露在紫外光下，另一部分则被遮挡。通常遮光膜有三种类型：乳胶膜，铭膜和氧化铁膜。光刻掩模版的图形尺寸要精确，版的套准误差小，版的黑白反差高，图形边缘光滑陡直无毛刺、过渡区小，版面光洁无针孔、小岛及划痕，版面耐磨、牢固、不变形。最简单的三极管制造至少需要四块光刻版，而常规集成电路制造至少需要六块光刻版；每一块光刻版的质量均对器件制造成品率有着专门大的阻碍，而整套光刻版对器件制造成品率的综合阻碍，是每一块光刻版对器件制造成品率阻碍的“与”关系。光刻掩模版需要

24、采纳特定的制备工艺制造，随着半导体器件尺寸的缩小，制版工艺技术也在不断的改进进展，因为与本次工艺实习的工艺步骤不相关，那个地点不详细介绍光刻掩模版的制备工艺。三、光刻工艺光刻工艺的实施要满足：光刻机+光刻掩模版+光刻胶+待刻蚀基片。一样待刻蚀基片表面要生长一层SiO,膜或金属Alo采纳不同的光刻设备(光刻机),有三种光刻方法，如图1.10所示。 接触式光刻：这种方法中掩模版与芯片的尺寸相当，掩模版做好图形的一面与芯片表面的光刻胶直截了当接触，辨论率较高，然而容易造成掩膜版和光刻胶膜的损害。 接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一个专门小的间隙(1025pm),能够大大减小掩膜版的损害，辨论率较低

25、投影式曝光：利用透镜或反射镜将掩膜版上的图形投影到衬底上的曝光方法，使用的掩模版图形能够是芯片图形的10倍，能够提高辨论率并减少缺陷，是目前川的最多的曝光方式。图1.10三种光刻方式一样光刻机的光源为紫外线光源。半导体器件尺寸的缩小促进了光刻工艺的进展，目前显现了多种超细线条的光刻技术，如：其远紫外线(EUV)电子束光刻,X射线，离子束光刻等。完整的光刻工艺还包括刻蚀。常用的刻蚀方法有湿法腐蚀和干法刻蚀。湿法腐蚀是利用液态化学试剂或溶液通过化学反应进行刻蚀的方法，腐蚀过程中要严格操纵腐蚀液的温度，浓度和腐蚀的时刻，以较好的操纵腐蚀速度和腐蚀厚度。湿法腐蚀会在各个方向上起作用，侧向钻蚀和对底层材

26、料的腐蚀是应该考虑的咨询题。须采取优化的腐蚀液配比、适当的腐蚀时刻和温度，合适的腐蚀方式尽量减小侧向钻蚀，另外顶层材料的腐蚀速率应至少是底层材料的10倍。总之，湿法腐蚀的选择性好、重复性好、生产效率高、设备简单、成本低，然而侧向钻蚀严峻、对图形的操纵性较差。湿法腐蚀除完成光刻工艺外，还常用于磨片、抛光和清洗等工艺中。干法刻蚀是利用低压放电产生的等离子体中的离子或游离基(处于激发态的分子、原子及各种原子基团等)与材料发生化学反应或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的。刻蚀后样品表面平坦，表面形貌好，台面侧壁垂直，陡直度好。干法刻蚀包括:溅射与离子束铳蚀:通过高能惰性气体离子的物理轰击作用亥IJ蚀,

27、各向异性性好，但选择性较差；等离子刻蚀(PlasmaEtching)：利用放电产生的游离基与材料发生化学反应，形成挥发物，实现刻蚀。选择性好、对衬底损害较小，但各向异性较差；反应离子刻蚀(ReactiveIonEtching,简称为RIE)：通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反应双重作用刻蚀。具有溅射刻蚀和等离子刻蚀两者的优点，同时兼有各向异性和选择性好的优点。目前.，R1E已成为VLSI工艺中应用最广泛的主流刻蚀技术。完整的光刻工艺如图L11所示：采用负性光刻股【光致抗馋与掩蝮版图膨相反图形的凹凸相反采用正性光刻胶光致不抗蚀马箱眼版图形相同图形的凹凸相同图1.11光刻工艺示意图本次制作晶体三

28、极管的实验中，我们采纳接触式曝光方法，湿法腐蚀完成光刻工艺，具体操作方法和步骤在后面详细讲述。薄膜淀积淀积是在硅片上淀积各种材料的薄膜，能够采纳真空蒸发镀膜、溅射或化学汽相淀积(CVD)等方法淀积薄膜。在真空蒸发淀积时固体蒸发源材料被放在W5Torr的真空中有电阻丝加热至蒸发台，蒸发分子撞击到较冷的硅片，在硅片表面冷凝形成约lum厚的固态薄膜"更为先进的电子束蒸发利用高压加速并聚焦的电子束加热蒸发源使之淀积在硅片表面。蒸发源一样为含硅量为L2'2wt%的铝硅合金。在溅射工艺中，被溅射材料称为耙材，作为阴极，硅片作为阳极接地。腔室抽真空后充以情性气体，电子在电场加速下与临性气体

29、碰撞产生情性气体离子和更多电子，惰性气体离子打到耙材上时，溅射出耙原子则淀积在阳极衬底上形成薄膜。通常有直流(DC)、射频(RF)或磁控管溅射系统。溅射一样在25-75*W3Torr的气压下进行。化学汽相淀积(CVD)是利用在硅片邻近发动气相的化学反应或高温分解而在硅片上淀积一层薄膜的过程。一样CVD工艺多用于介质膜如多晶硅、氧化硅膜或氮化硅膜等的制备，金属膜也可采纳CVD法制备。关于硅平面晶体管，通过基区和发射区扩散后，就构成了晶体管的管芯。然而，要成为完整可实际操作的晶体管，还必须在管芯的基区和发射区上制备欧姆接触电极。器件生产中常用真空镀膜方法来制备管芯的欧姆接触电极。真空镀膜确实是在真

30、空容器中把蒸发源材料加热到相当高的温度，使其原子或分子获得足够的能量，脱离材料表面的束缚而蒸发到真空中成为蒸气原子或分子，它以直线运动穿过空间，当遇到待淀积的如硅片时.，就沉积在基片表面，形成一层薄的金属膜。依照气体分子运动论，气体分子运动的平均自由程入与系统中气体压强P有如下关系：KTy/2/rd2p式中K为波尔兹曼常数，T是绝对温度，d是气体分子直径，P是系统中的气体压强。通常蒸发条件为10看。门，由上式运算出(0C,空气)：n=500厘米,它远大于实际给出的源到基片之间的距离。设初始时由蒸发源射出的分子有no个，其中一部分山/no在小于给定路程长度内发生碰撞，则遭到碰撞的分子数占总分子数

31、的白分数为：由上式可运算出途中发生碰撞的分子数()与实际路程对平均自由程之比曲线,如图L12所示。当平均自由程等于蒸发源到基片距离时，有63%的分子发生碰撞;当平均自由程10倍于蒸发源到基片距离时，只有9%的分子发生碰撞。由此可见,平均自由程必须比蒸发源到基片的距离大得多，才能幸免在迁移过程中发生碰撞现象。因此，真空镀膜工艺对真空度要求较高，因为一般的大气中，存在着许多气体分子，高温蒸发出来的金属原子或分子将不断地与这些气体发生散射碰撞，如此一是改变了金属原子或分子的运动方向，使其不能顺利到达基片表面；二是空气中的氧极易使这些蒸汽原子氧化；三是系统中气体也将跟基片表面不断发生碰撞和金属原子一起

32、沉积下来，形成疏松的金属膜，并使酷热的金属膜氧化，阻碍镀膜质量，因此在蒸发过程中要保持足够低的残余气体的压强，使这些蒸汽原子在该系统中运动的平均自由程大于源至基片的距离，并减少残余气体与基片的碰撞机会。10090(。01 X0U/IU) 田w而翔莓四a80?06050403020100 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1 4 1.6 1.8 2.0实际路程/平均自由程（r/月）0图L12分子碰撞百分比与实际路程/平均自由程的关系蒸发还依靠于加热温度。一样讲来当温度达到一定值，使蒸发源物质的蒸汽压达到IO-,托时即可进行有效的蒸发淀积。不同物质有不同的蒸发温度。铝的蒸发温度约为1

33、148C。操作篇半导体工艺操作注意事项进入实验室进行半导体工艺实习前必须认真详细地阅读北京工业大学实验室安全治理条例、工艺实习基地安全治理规定和工艺实习基地安全操作条例。必须严格做到以下几点：工艺实验室规范1 .进入实验室需按要求穿着工作服，将鞋，外套，背包等放在自己的个人存放柜内，并锁好。通过风淋室风淋15-20秒进入实验室。2 .进入实验室不携带与实验无关的物品，包括书籍、纸张和其他物品。3 .实验室内严禁吸烟，饮食，嬉笑跑步或团圆谈天。4 .离开实验室，严格检查仪器设备状态。严格检查水、电、气等开关状态。半导体实验操作须知1 .进行任一实验操作前，严格检查水、气、电的状况，各项条件正常方

34、可开始实验。2 .操作者必须详细填写实验记录。实验过程中显现任何故障（惊奇的味道、专门的反应颜色、专门声响等），应第一报告实验室相关老师，并记录故障发生的过程及现象。3 .仪器因操作错误而有任何损坏时，务必赶忙告知负责人员或老师。4 .化学药品溅到衣服、皮肤、脸部、眼睛时，应即用水冲洗溅伤部位15分钟以上，且必须皮肤颜色复原正常为止，并赶忙安排急救处理。5 .若遇紧急情形，依紧急处理步骤作适当处理，及时关闭水、电、气等。芯片处理规程1 .处理芯片时.，需戴上无纤维手套，使用清洗过的洁净镒子夹持芯片，请勿以手指或其他任何东西接触芯片。2 .受污染的芯片需经清洗后再连续使用。3 .镒子尖部即夹持芯

35、片处如被碰触污染过，或是银子掉落与地，需清洗。请勿用纸巾、布或其他物品擦拭银子。4 .在进行芯片操作时，幸免在芯片上方谈话，以防止唾液溅与芯片上。5 .芯片进炉操作前，请注意用氮气枪或吸耳球吹芯片表面，使芯片表面洁净。6 .从石英舟等器皿夹取芯片时，必须垂直向上挟起，幸免刮伤芯片。7 .使用显微镜时，注意显微镜镜头的位置，防止碰伤镜头，损害芯片。8 .操作时，不论是否戴手套，手决不能放进清洗水槽。9 .使用烤箱处理芯片时，务必不可使用塑料盒放置芯片。10 .芯片处理完毕，必须放置盒中，盖好存放于规定位置，尽可能不直截了当暴露于空气中。光刻间操作须知1 .尽量减少进出光刻间的人员，减少对房间湿度

36、、温度的阻碍。2 .涂好光刻胶的芯片在未曝光前不得携出光刻间以免感光。3 .曝光时幸免用眼睛直视曝光机汞灯。清洗间操作须知清洗间是使用化学药品清洗样品及设备配件等材料的场所。不同的材料有不同的清洗程序，不恰当的使用方法不仅会造成不应有的缺失还会带来人身的损害。未经培训的学生和实验技术人员，需经有关负责人培训之后方可进行独立操作。化学试剂按酸、碱和有机溶剂分类存放、分区使用。化学试剂按纯度分成不同等级，按照工作的要求，选用所需要的等级。1 .每次工作时，务必将工作台上的溶液擦洁净，工作完毕后，并将自己所工作的空间擦洁净。2 .进行工艺操作时，应养成良好工作姿势，上身应幸免前倾至化学槽及清洗槽之上

37、方，一方面可防止危险发生，另一方面亦减少污染机会。3 .操作时须依规定，戴上橡皮手套及口罩。4 .不可将塑料盒放入酸槽或清洗槽中。5 .添加任何溶液前，务必事先确认容器内溶剂方可添加。6 .废液倒入对应的瓶中，并标明为废；将装满的废酸瓶和空瓶，放到空瓶箱中。7 .不操作时，有盖者应随时将盖盖妥，清洗水槽之水开关关上。酸碱等化学药品使用须知1 .所有化学药品之作业均须在通风良好或排气之处为之。2 .稀释酸液时，千万记得加酸于水，绝不可加水于酸。3 .酸类可与碱类共同存于有抽风设备的储柜中，但绝不可与有机溶剂存放在一起。4 .在完成操作后，将未用完的酸瓶放入通风柜下，将废瓶标签朝外摆在操作台上，若

38、沾有酸迹或污渍，用湿抹布打扫洁净，关电炉。用完的湿抹布用清水冲洗洁净并放回原处。5 .HF酸属弱酸，但具有强的钙质腐蚀性和刺激性气味，为最危险的化学药品之一，使用时需要戴橡胶手套，在通风柜下操作。6,废液处理：废液分酸、碱、氢氨酸、有机等，分开处理并登记，回收桶标示清晰，废酸请放入废酸桶，不可任意倾倒，更不可与有机溶液混合。废弃有机溶液置放入有机废液桶内，不可任意倾倒或倒入废酸桶内。7 .使用后的废HF倒回收回瓶，切记用黑色笔做明显标记“废世”，以免伤及其他人，或造成误用阻碍工作。废液桶内含氢氟酸等酸碱，绝对不可用手触碰。8 .勿尝任何化学药品或以嗅觉来确定容器内之药品。9 .不明容器内为何种

39、药品时，切勿摇动或倒置该容器。10 .漏水或漏酸处理：为确保安全，绝对不可用手触碰，先将电源总开关与相关阀门关闭，再以无尘布或酸碱吸附器处理之，并报备治理人。实验设备、仪器和使用工具清单制备常规双极性晶体管使用的仪器设备和工具如下：1 .n型硅衬底片两片；2 .清洗使用烧杯、提篮一套；3 .电炉一台；4 .冷热去离子循环水系统；5 .硫酸、盐酸和硝酸各一瓶；6 .氧化扩散炉两台；7 .硼微晶玻璃扩散源、磷微晶玻璃扩散源各三片；8 .光刻机一台；9 .甩胶匀胶机一台；10 .烘片机一个；11 .光刻掩模版一套（四块）；12 .显微镜一台；13 .温控腐蚀槽一个；14 .微控四探针测试仪；15 .

40、结深测试仪器一套；16 .真空镀膜机；17 .晶体管测试仪一台；18 .镜子若干把：19 .铝盒一个；20 .滤纸两盒；21 .手套、口罩若干；NPN双极性晶体管制备工艺流程卡片号：投片人：日期：片子信息：操作内容操作人II期备注1.清洗硅片：煮硫酸2.清洗硅片：煮王水3.清洗硅片：去离子水冲洗4.烘片约2-3分钟5.氧化：6.光刻扩硼窗口7.腐蚀氧化硅8.去胶清洗9.硼预扩：10.硼主扩：11.光刻扩磷窗口12.腐蚀氧化硅13.去胶清洗14.扩磷15.中测16.清洗17.光刻接触通孔18.腐蚀氧化硅19.去胶清洗20.真空镀铝21.光刻电极图形22.腐蚀铝23.去胶24.合金25.终测具体工

41、艺条件和操作方法1 .清洗（1）煮硫酸：向烧杯中倒入硫酸并加少量过氧化氢（双氧水），煮至沸腾即可。（2）煮王水：向烧杯中倒入盐酸：硝酸二3：1,煮至颜色变白后冲去离子水。在这部操作中间时，打开去离子水加热开关加热去离子水（3）冲离子水：5遍冷离子水+10遍热离子水+5遍冷离子水。（4）烘干：放入烤箱烘10'或在扩散炉口烘2-3'。2 .氧化氧化使用右扩散炉的下炉管，采纳干氧和湿氧结合的工艺。操作步骤如下：1 .在清洗片子时同时打开氧化扩散炉，设定好氧化温度，进行升温，（一样1个小时左右可达到设定的温度）。2 .打开水浴温度操纵。3 .炉温达到设定温度并稳固后，将烘好的片子送入炉

42、管的恒温区。（推石英舟进炉时，玻璃杆距炉框10公分）4 .按氧化扩散炉使用方法开气，设定好时刻，进行氧化。氧化温度：T=1180氧化时刻:t=10'（干氧）+40'（湿氧）+10'（干氧）氧气流量：02=2-3L/min注意事项：1.进行干氧氧化和湿氧氧化转换时遵循先开后关的原则。2,氧化过程中及时观测氧气流量。3 .氧化完成后得到的氧化硅厚度在6500-7000A,颜色为紫罗兰色到绿色之间。4 .光刻I-光刻扩硼窗口（1）甩胶（2）前烘（t=10',T=80）（3）曝光（t=2.5s）（4）显影（环己烷，t=2'）（5）定影（乙酸丁酯，L1'）

43、（6）坚膜（t=30，T=120）（7）腐蚀（t=2',T=45C,以图形窗口无残留氧化层为准）（8）去胶5 .清洗（操作同1）6 .硼预扩硼预扩采纳后扩散炉上管，硅片背靠背放置于两个硼源片之间。温度：T=930时刻：t=35'气体流量：N2=2L/min02=0.5L/min按预扩条件设定好扩散炉的温度、气体流量后进行扩散。注意扩散过程中观测气体流量。7 .硼主扩硼主扩采纳右扩散炉下管温度：T=1150时刻：廿5'（干氧）+20'（湿氧）+20'（干氧）气体流量：N2=0.5L/min02=3L/min按预扩条件设定好扩散炉的温度、气体流量后进行扩散。

44、注意扩散过程中观测气体流量。8 .光刻n-光刻扩磷窗口操作同3,但在曝光前需要依片子和光刻版上的图形和对准标记对版9 .清洗（操作同1）10 磷预扩磷预扩采纳左扩散炉上管。温度：T=U30时刻：t=31*气体流量:N2=0.7"0.8L/min,02=0.5L/min按预扩条件设定好扩散炉的温度、气体流量后进行扩散。注意扩散过程中观测气体流量。11 .磷主扩磷主扩采纳左扩散炉下管。温度：T=1180氧化时刻：t=5'（干氧）+15'（湿氧）+15'（干氧）氧气流量：X2=0.5L/min02=2-3L/min按预扩条件设定好扩散炉的温度、气体流量后进行扩散。注

45、意扩散过程中观测气体流量。12 .光刻皿一一光刻引线孔操作同7,注意对版。13 .清洗（操作同1）14 .真空蒸发A1金属膜按真空镀膜机的操作规程进行。真空镀膜完成后，金属A1的厚度约为lumo真空度：3.8*10-3帕衬底温度:200c（显示250C）时刻：r15 .光刻W一光刻电极图形操作同7,注意对版。16 .腐蚀金属A1腐蚀液：氢氧化钾：铁氟化钾：水=1.2克：5克：100毫升时刻：以图形边沿清洗为准17 .去胶清洗用负胶去膜剂浸泡片子约3-5分钟，然后用去离子水冲洗若干次。18 .合金温度:T=420,时刻：10'气体流量：X2=2L/min02=0.5L/min设备篇在这一

46、部分，结合微电子实习工艺线的条件，我们对制备晶体管的工艺所要川到的设备做介绍，详细给出不同仪器设备的使用方法、操作步骤和使用注意事项等。氧化扩散炉图3.1是工艺线上使用的氧化扩散炉，3521程控扩散系统。图3.1氧化扩散炉本设备有上下两个加热炉管。有两路气路，一路是氮气和氧气的混和气路。进行氧化或扩散工艺时，需要氮气和氧气作为反应气体或载气或者爱护气体，会同时使用，因此我们采纳这一气路。另一气路为低流量的氮气，一样情形下不采纳，平常关闭。在氧化工艺中，如前所述一样由干氧氧化和湿氧氧化组合完成。干氧氧化气氛由气路提供氧气源；该设备带有一水气发生器，水浴温度一样在90c100C,进行湿氧氧化时，氧

47、气在通入氧化炉之前，通过水气发生器产生的加热高纯去离子水，携带一定量的水汽。1 .进行氧化或扩散工艺时，第一要开气。开气的操作如下：第二步：开扩散炉气路，扳起箱体最上面的氮气和氧气的开关，气表有指示,扳起最左面的氧气开关打到手动，后面的两个开关在自动状态。打开N2的开关。在气路操纵板上有三个流量计，慢慢的调整氮气和氧气的流量。看到流量浮子上升后，在调整一下减压阀压力。第三个流量计始终在关闭状态不动。2 .氧化扩散炉的操作方法如下：开炉程序（1） .打开总电源开关（2） .打开二级开关（左侧操纵左扩散炉，右侧操纵右扩散炉，依照需要打开相应开关）（3） .打开扩散炉中间操纵面板的“POWERON”

48、（4） .若使用下管加热，则打开扩散炉炉体右下方的“下管”漏电爱护开关，若使用上管加热，打开左下方的“上管”漏电爱护开关。（5） .对应打开上/下管操纵面板的“POWER”开关.若温度预设值已调好，则打开上/下管操纵面板的加热开关“HEATON"，此后开始加热。扩散炉操纵面板如图3.2所示，带箭头的虚线表示了开启的先后顺序，（该图以开启下管加热为例）。温度控制上省控制面板卜管控制面板中间控制面板|温度控制HEATON ，. OFFoQTISLEEP 画WER左炉右炉总电源开关漏电保护开关上管下管图3.2氧化扩散炉开启操作过程关炉程序.停止加热在前，先按下“HEATOFF”键，即关闭加

49、热开关。关闭上/下管操纵面板中的“POWER”开关（3）.关闭“下管”的漏电爱护开关，若采纳上管操作，该步骤可省。关闭中间操纵面板的“POWEROFF”。现在扩散炉的散热风扇仍在运转，经一定时刻会自动停转°（5） .风扇停止转动后，关闭二级开关。（6） .关闭总电源开关。扩散炉操纵面板如图3.3所示，带箭头的虚线表示了关炉的先后顺序，（该图以关闭下管加热为例）。t:管控制面板中间控制面板左炉右炉西电源开关下管控制面板HEAT漏电保沪开关温度控制SLEEP POWER图3.3氧化扩散炉关闭操作顺序注：总电源开关和二级开关都在墙上的开关盒中。3 .氧化扩散炉的温度调整方法如下：(1) .

50、按温控盒的第二个键FOC一次，显现：2EXECKEY：KEYFIX(2) .按温控盒的第三个键五次，显现：FIXSV：xxxcFID_：1,ALARM_：1(3) .桎而和五一右移动键，调整温度到所需数值。(4) .按一下最后面红字键确认。4 .干氧氧化与湿氧氧化的转化操作干氧开关为红色旋钮，湿氧开关为蓝色旋钮。逆时针旋转能够打开开关，顺时针旋转则关闭开关。在干氧氧化和湿氧氧化转化时，遵循先开后关的原则，即先开蓝色湿氧开关，后关红色干氧开关。进7亍湿氧氧化转化为干氧氧化时，操作原则一样，先开后关。5 .关气操作：先关气瓶，气表均回零。再关减压阀。关扩散炉气路，流量计一定关死。光刻机光刻是一种周

51、密的表面加工技术，它是平面工艺中至关重要的一步，其工艺质量是阻碍器件性能、可靠性及成品率的关键因素之一。图3.4、图3.5、图3.6和图3.7是工艺线上使用的光刻机及其配套的匀胶机、烘片台、显微镜等仪器。图3.4光刻机图3.5匀胶机图3.6烘片台图3.7显微镜光刻机为JKG-2A型光刻机。曝光系统的光源为DCQ200W超高压球形汞灯，采纳蜂窝透镜的平滑平行光源，使光的衍射减到最小限度，使中心与边缘的照度差小于5%。本机能光刻675mm的硅片，光刻图形线条，最细可达2微米。为了防止每道光刻工序中的图形收缩，承片台设有恒压机构和真空吸附装置。为减少使用者的疲劳，显微镜采纳双目观看和平视场物镜，成像

52、清晰，景深较长。JKG-2A型光刻机要紧山以下几个部分组成，如图3.8所示。图38 JKG-2A型光刻机结构图其中，01.掩模及载片台组03.掩模板真空吸片开关05 .吸铁归心装置及归心指示灯07.双目显微镜组09.曝光时刻操纵器11.基座组02.电气操纵组04.显微镜亮度调剂旋钮06.汞灯整流器箱08 .显微镜焦距调剂旋钮10.吸硅片及真空曝光开关12 .光刻机操作台、基座组光刻机上的所有部件均安装在基座（图3.8/n）上，基座的左侧端面上装有综合移动定位用的吸铁盘（图3.8/05）,右侧端面上装有吸片按钮和真空曝光按钮（图3.8/10）。基座右边面板上装有曝光时刻操纵器（图3.8/09）,

53、通过操纵器上下两端按键，可选择所需的曝光时刻，设定好曝光时刻后，需按一下复位按钮。在曝光时刻操纵器的下面装有一个分离曝光按钮，（分离曝光按钮的作用：是在无真空气源的情形下，不要按真空曝光按钮，只需按下此按钮，整个程序操纵可同样进行工作）。在基座的左边面板上装有“真空”、“掩模”气嘴，供掩模真空吸附和真空曝光之用。基座的中央设有立柱，它与显微镜的升降座相连接，在左、右.电气箱上设有电源插座和真空气嘴。基座的壳体是用轻合金铸成的箱形结构，它的下端与操作台相连接。2、双目显微镜组显微镜安装在镜壳的前端，它要紧包括成对目镜（图3.8/07）、转像棱镜、聚光镜、各档倍率物镜和曝光系统等组成。整个显微镜通

54、过导轨连接在箱形的升降调焦机构上，显微镜能作上下滑动。成对目镜插入左石目镜筒（图3.8/07）内。石目镜筒为固定式，左目镜筒上设有视度调剂环，使用时观看者以右目镜为基准,将显微镜作上或下升降调剂（图3.8/08）,调至最清晰位置，然后再调剂左视度环，使左目镜的成像清晰度与右目镜一致。整个显微镜的升降调焦机构位于镜壳的后侧，旋转位于右侧的滚花手（图3.8/08）,可使整个显微镜作上下移动，如拧到极限位置，手轮停止，切勿用暴力再拧，手轮应作反方向旋转，否则将损坏调焦机构的内部机件。镜壳的中端装有物镜移动滑块，在物镜滑块的下端设有物镜卡口座，各档放大倍率的物镜，可按观看者的需要去选择。物镜以顺时针的

55、方向拧入物镜卡口座中，逆时针方向拧出。物镜是安装在带有轴承的滑块上，它的动作连接在自动程序操纵中。在电动机的旋转作用下，滑块向后移动时，快门关闭。移至工作位置时，快门开启，工作进行曝光操纵，曝光终止后，快门自动关闭，物镜移至原始位置,电磁阀复位，即可进行下道工序的操作。3、掩模装夹装置与承片台后模装夹装置与承片台是光刻机中的要紧部件，相互间的配合精度较高。它包括掩模真空装夹装置、纵横向移动装置、掩模与硅片真空吸附装置、预定位装置、硅片与承片球座的真空吸片装置、承片轴的旋转与升降装置、以及综合移动装置等组成。掩模装夹架能够顺着滑块向左推出，掩模应按规定的外形尺寸装氏在真空吸附环中间，旋转掩模真空吸片开关（图3.8/03）,可使掩模与掩模装夹架产生真空吸附。视具体光刻工艺情形，有时为了加固掩模与掩模装夹架的紧贴，在掩模装夹架上端还采纳紧固环用两个滚花螺钉压紧。卸取硅片时.，承片轴必须降到最低位置，现在，指示灯“亮”，掩模装夹架才能向左移动，否则掩模装夹架受承片轴中的球座所阻不能移动。在掩模装置的下端设有纵、横向移动导轨，系用两组垂直的微分进给机构获得纵、横向的移动。图3.9是承片台结构图。在承片台的真空密封环中设有预定位装置，它由弦线定位块和外径定位柱组成。差不多的预定位置是675mm硅片，必要