MIKROSYSTEMY. Ćwiczenie nr 2a Utlenianie

Transkrypt

1 MIKROSYSTEMY Ćwiczenie nr 2a Utlenianie 1. Cel ćwiczeń: Celem zajęć jest wykonanie kompletnego procesu mokrego utleniania termicznego krzemu. W skład ćwiczenia wchodzą: obliczenie czasu trwania procesu utleniania dla zadanych parametrów w celu u zyskania tlenku krzemu o odpowiedniej grubości, przygotowanie (procedura mycia) podłoży krzemowych do utleniania, włożenie podłoży krzemowych do pieca, po procesie utleniania pomiar grubości tlenku. 2. Wprowadzenie: Utlenianie krzemu jest procesem wysokotemperaturowym ( C) mający na celu wytworzenie na krzemie warstwy tlenku krzemu (SiO 2 ), która jest głównym materiałem dielektrycznym używanym w technologii krzemowej. Najważniejsze funkcje warstw SiO 2 to: - pasywacja powierzchni półprzewodnika, - maskowanie w procesach trawienia, dyfuzji, - izolowanie elektryczne w obrębie układu, - zabezpieczenie półprzewodnika przez czynnikami zewnętrznymi. W zależności od warunków w jakich prowadzimy proces można utleniać krzem w atmosferze czystego tlenu lub parze wodnej: - suchy tlen - Si + O 2 SiO 2 - para wodna - Si + 2H 2 O SiO 2 + 2H 2 Cechy utleniania suchego: - warstwa tlenku rośnie bardzo powoli, - warstwa cechuje się jednorodnością, - małe zdefektowanie. Wytwarzane są tą metodą warstwy cienkie (~100 Å) potrzebne w układach MOS. Cechy utleniania mokrego: - warstwa ma duży ładunek powierzchniowy, - warstwa tlenku rośnie szybko, - duże zdefektowanie. Wytwarzane są tą metodą warstwy grube (~ 1μm). Najważniejsze parametry procesu utleniania to: - temperatura utleniania, - czas trwania procesu, - skład chemiczny gazu utleniającego, - ciśnienie tlenu w reaktorze, - orientacja krystalograficzna podłoża krzemowego

2 Podczas otrzymywania warstw SiO 2 w procesie utleniania termicznego wiązany jest krzem. Powstały tlenek zużywa warstwę krzemu o grubości równej 44% grubości otrzymanego tlenku. 2a Obliczenia: Rys. 1 Zużywanie podłoża w wyniku utleniania termicznego krzemu rysunek: A. Javey, Berkeley Univ., EECS143 Szybkość narastania warstwy jest zależna od temperatury, czasu wygrzewania i rodzaju procesu (mokre lub suche utlenianie). Wyprowadzenie podanych wzorów można znaleźć w [1]. W przypadku mokrgo utlaniania szybkość narastania warstwy jest zależna: - dla długiego czasu utleniania grubość tlenku x 0 zależy od czasu wg funkcji parabolicznej: t - czas wygrzewania [h]; Parametr B podano w tabeli 1. x dla krótkiego czasu utleniania grubość tlenku zależy od czasu wg funkcji liniowej Bt Parametr B podano w tabeli 1. x 0 B A t x 2 i Axi, x i - początkowa grubość tlenku krzemu przed procesem utleniania B

3 Tabela 1 Parametry dla procesu utleniania w parze wodnej w warunkach: O 2 = 30 l/h, H 2 = 50 l/h, N 2 =<5l/h A [μm] B [μ 2 m/h] 850 C C C C C C C W przypadku nasteawienia innej temperatury pieca należy korzystać z wykresu poniżej.

4 2b Pomiar grubości tlenku krzemu: Najdokładniejsze I najbardziej rozpowczechniowe są optyczne metody pomiaru grubości tlenku krzemu. Są nimi: - metoda barw interferencyjnych - metoda prążków interferencyjnych jednakowej grubości - metoda elipsometrii Na zajęciach wykorzystamy metodę barw intrferencyjnych, gdzie warstwa dielektryczna daje wrażenie barwne, jeśli wskutek interferncji zachodzi wzmocnienie światła o wybranej długośći fali. Dla pionowego padania światła wzmocnienie to wystąpi dla długości światła określonej zależnośćią: 2dn N λ długość fali światła d grubość warstwy dielektrycznej n współczynnik załamania warstwy dielektrycznej N rząd interferencji KOLORY INTERFERENCYJNE TLENKÓW SIO 2. d[μm] kolor 0.05 żółto-brązowy, orzechowy 0.07 brązowy 0.10 ciemny fiolet do czerwony fiolet 0.12 jaskrawo-niebieski 0.15 jasno-niebieski do metaliczno-niebieski 0.17 metaliczny do bardzo jasno-żółtozielony 0.20 jasno-żółty lub żółty, nieznacznie metaliczny 0.25 złoty z nieznacznym żółtym oranżem 0.27 czerwono-fioletowy 0.30 niebieski do fioletowo-niebieski 0.31 niebieski niebieski do niebiesko-zielony 0.34 jasno-zielony 0.35 zielony do żółto-zielony 0.36 żółto-zielony 0.37 zielono-żółty 0.39 żółty 0.41 jasno-pomarańczowy 0.42 różowy goździk 0.44 fioletowo-czerwony 0.46 czerwono-fioletowy

5 0.47 fioletowy 0.48 niebiesko-fioletowy 0.49 niebieski 0.50 niebiesko-zielony 0.52 zielony 0.54 żółto-zielony 0.56 zielono-żółty 0.57 żółty do prawie żółty, czasami jasno-krzemowo-szary lub metaliczny 0.58 jasno-pomarańczowy lub żółty do różowego 0.60 różowy goździk 0.63 fioletowo-czerwony 0.68 pomiędzy fioletem a niebiesko-zielonym, niebieskawy 0.72 niebiesko-zielony do zielonego 0.77 żółtawy 0.80 pomarańczowy 0.82 łososiowy 0.85 mętny, jasny czerwono-fioletowy 0.86 fioletowy 0.87 niebiesko-fioletowy 0.89 niebieski 0.92 niebiesko-zielony 0.95 mętny żółto-zielony 0.97 żółty do żółtawy 0.99 pomarańczowy 1.00 różowy goździk 1.02 fioletowo-czerwony 1.05 czerwono-fioletowy 1.06 fioletowy 1.07 niebiesko-fioletowy 1.10 zielony 1.11 żółto-zielony 1.12 zielony 1.18 fioletowy 1.19 czerwono-fioletowy 1.21 fioletowo-czerwony 1.24 różowy goździk do łososiowego 1.25 pomarańczowy 1.28 żółtawy 1.32 błękit nieba do zielono-niebieski 1.40 pomarańczowy 1.43 fiolet 1.46 niebiesko-fioletowy 1.50 niebieski 1.54 mętny żółto-zielony

6 5. Przebieg ćwiczenia: 1. Zapoznanie się za stanowiskiem do procesów utleniania termicznego i jego specyfikacją techniczną. 2. Obliczenie grubości tlenku krzemu niezbędnej do procesu trawienia w celu otrzymania membrany o zadanej grubości. Przykład: Oblicz grubość tlenku krzemu oraz czas jego otrzymania (uzyskanego w procesie mokrego utleniania w temperaturze 1150 C) niezbędnego to wytworzenia membrany o grubości 60 µm (w procesie mokrego anizotropowego trawienia w wodnych roztworach KOH) w podłożu krzemowym (100) o grubości 380 µm. Dane: Szybkość trawienia krzemu przez10 M KOH, 80 C - V (100) = 1 m/min, Szybkość trawienia tlenku krzemu przez10 M KOH, 80 C - V SiO2 = 256 nm/godz. Obliczenia: = 320 µm grubość krzemu jaką trzeba wytrawić 320*1= 320 min czas trawienia V SiO2 = 256 nm/godz = 4,2(6) nm/min 320*4,2(6)=1365,(3) nm Trzeba uzyskać grubość tlenku krzemu 1,4 µm. 1,4 2 =0.580*t t=3 h 23 min 3. Przygotowanie podłoży krzemowych do procesu utleniania Płytki są kolejno: myte w TRI, w acetonie, płukane w H 2 O(DI), trawione w H 2 SO 4 :H 2 O 2 =1:1, płukane w H 2 O, HF:H 2 O = 1:15, płukane w H 2 O (DI). 4. Przeprowadzenie procesu mokrego utleniania termicznego 5. Pomiar grubości otrzymanego tlenku krzemu Literatura: 1. Praca zbiorowa: Procesy technologiczne w elektronice półprzewodnikowej, WNT, Warszawa 1980