Физ.-хим. основы эл. техники лабы

•полярные (олеиновая, стеариновая кислоты, канифоль и др.) имеют большой дополнительный момент, плотную упаковку и малую удельную величину поверхности;

•неполярные (масло, вазелин, парафин и др.) не имеют определенной ориентации относительно поверхности из-за малого дипольного момента, слой загрязнения с большой удельной поверхностью; неполярные примеси могут вбирать полярное.

К химическим загрязнениям относят оксидные, сульфидные пленки, остатки металлических слоев, которые могут связываться с поверхностью силами хемосорбции.

Вклад каждого вида загрязнений оценить трудно и в этой связи стремятся удалить с поверхности все примеси.

Многочисленные схемы очистки сводятся к последовательному удалению физических, химических загрязнений и продуктов химической обработки.

Порядок выполнения работы

1Осмотреть поверхности предложенных подложек (ситалл, полупроводник) визуально и под микроскопом в темном поле, оценить характер загрязнений.

2Проконтролировать чистоту поверхности опрыскиванием водой; нанести на горизонтальную поверхность подложки слой деионизированной воды; наклоном подложки удалить излишек воды; при формировании на поверхности подложек множества капель считать подложку грязной; в случае полного смачивания поверхности подложка чистая.

3Провести очистку полупроводниковых пластин под вытяжкой с закрытой передней панелью налить в чашку Петри 25 мл растворителя (четыреххлористый углерод, фреон или др.); пинцетом поместить подложку в емкость с растворителем, обработать в течение 1…5 минут; извлечь подложку, закрыть чашку стеклянной пластиной; обработать подложку в серной кислоте в течение 5…10 минут; извлечь подложку, промыть деионизированной водой; обработать подложку в азотной кислоте 3…5 минут; промыть подложку в деионизированной воде; обработать подложку в плавиковой кислоте в течение 1…3 минут, использовать только полиэтиленовую емкость; промыть подложку деионизированной водой.

4Проконтролировать чистоту опрыскиванием водой по п. 2.

5Провести сушку подложки.

6Установить подложку на стол центрифуги; просушить при 1000…1500 об/мин в течение 1…2 минут; выключить центрифугу, снять подложку.

7Проконтролировать чистоту поверхности подложки. Настроить микроскоп ММУ-3 на темнопольное изображение; поставить подложку на столик микроскопа; осмотреть поверхность, наличие механических загрязнений обнаруживается в виде светящихся точек на темном поле; подложку считать чистой, если в поле микроскопа обнаруживается менее 2 – 3 частиц; снять подложку, выключить микроскоп.

8Провести подготовку металлической подложки из бронзы БрБ2.

9Обработать, подложку в растворителе, провести химическое полирование в 5 % растворе аммиака в течение 1…2 минут, осадок удалить кистью, промыть дистиллированной водой, просушить; провести терморихтовку при 400 °С в вакууме 3…4 часа (в работе используются терморихтованные подложки) декапировать поверхность в 5 % серной кислоте погружением в ванну для растворения тонкой окисной пленки (1…2 минуты); обработать подложку в слабом растворе щелочи (0,5 % KOH); промыть дистиллированной водой и просушить.

10Выбрать схему очистки подложки с напыленным загрязненным слоем с целью последующего ее использования в технологическом процессе (ситалл–медная пленка, ситалл–резистивный слой, ситалл– хромовая пленка и др.).

11Провести очистку предложенной подложки по выбранному режиму с контролем качества очи-

стки.

Содержание отчета

Отчет по работе должен включать название, цель работы, краткое содержание, описание выбранного процесса очистки, результаты, выводы.

Контрольные вопросы

1Типы загрязнений поверхностей подложек и их влияние на качество ИМС.

2Принципы разработки технологии очистки поверхностей.

Лабораторная работа 6

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ТЕРМИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ КРЕМНИЯ

Цель работы: знакомство с технологическими процессами окисления получение практических навыков получения окисных пленок простейшими методами; исследование зависимости толщины оксидных пленок кремния от технологических режимов окисления.

Оборудование, оснастка, приборы, материалы: установка окисления по методу «открытой трубы», комплект емкостей и растворов для очистки, центрифуга, МИИ-4, образцы кремния.

Методическое указание

Наиболее широко нашел применение в технологии ПП и ИМС метод термического окисления кремния; к его разновидностям следует отнести:

•высокотемпературное окисление поверхности кремния в атмосфере сухого кислорода;

•высокотемпературное окисление поверхности кремния в атмосфере увлажненного кислорода;

•окисление поверхности кремния в парах воды при различных давлениях.

Чаще слои диоксида кремния получают высокотемпературным окислением исходного полупроводника в среде сухого или влажного кислорода методом открытой трубы. Тщательно очищенный азот (кислород) пропускается через деионизованную воду и увлажненный водяным паром поступает в кварцевый реактор, где в высокотемпературной зоне печи (1100…1300 °С) находятся пластины кремния. Технологический процесс термического окисления легко регулируется изменением температуры окисления, температуры воды в увлажнителе и времени процесса окисления. Для получения совершенной пленки диоксида кремния исходные пластины перед окислением должны быть тщательно очищены (механически и химически).

Кинетику роста оксидной пленки при термическом окислении кремния можно представить в виде трех основных процессов:

•адсорбция молекул окислителя поверхности исходных пластин;

•прохождение атомов окислителя через слой образовывающегося на поверхности пластин оксида;

•реакция взаимодействия окислителя с атомами кремния на границе раздела кремний–оксид с образованием нового слоя оксида.

При описании, кинетики процесса окисления удобно использовать понятие «поток окислителя», который можно определить как количество молекул окислителя, пересекающих единицу поверхности в единицу времени. Если принять равновесную концентрацию окислителя на поверхности пластины С1, а

вслое оксида на границе со средой – С2, на границе кремний–оксид – С3, то поток окислителя в установленном режиме будет описываться следующим образом.

Поток окислителя из газа в поверхность пластины определяется выражением

где h – коэффициент переноса.

Внутри слоя оксида кислород будет диффундировать к границе раздела кремний–окcид и поток его будет пропорционален разности концентраций на границах и обратно пропорционален толщине слоя оксида

где D – эффективный коэффициент диффузии; d – толщина слоя оксида. К границе кремний-оксид будет подходить поток окислителя

где K – константа скорости реакции окисления.

В условиях равновесия, т.е. в установившемся режиме, все рассмотренные потоки равны

Если предположить, что на образование единицы объема оксида идет N частиц окислителя, то скорость роста слоя оксида будет выражаться следующим соотношением

В предположении толщины слоя оксида d от первоначального d0 и дополнительного, выращенного во время рассматриваемого процесса, начальными условиями являются

d = d0 при t = 0.

Решение дифференциального уравнения (6.5) имеет вид

Выражение (6.9) представляет смещение по оси времени, равное предполагаемой длительности роста начального слоя d0 оксида в условиях рассматриваемого процесса. Выражение (6.6) можно решить относительно толщины оксида d

Следовательно, при большем времени процесса окисления рост оксидной пленки описывается параболическим законом. Скорость роста в данном случае, как видно из выражения (6.8), ограничивается процессом диффузии атомов кислорода через оксидную пленку. Коэффициент B в этой связи получил название константы диффузии реагента через слой оксида (или константы, параболического роста).

В случае, когда длительность окисления мала, т.е. t << B / 4A2, ограничиваясь первым членом разложения в ряд уравнения (6.10), получим

Наиболее распространенными методами измерения толщины тонких у пленок являются: микровзвешивание, многолучевая интерферометрия, световой метод (табл. 6.1), метод кварцевого резонатора, метод ионизации молекулярного потока и др.

В основе метода микровзвешивания лежит определение толщины пленок по приращению в весе ∆Р подложки после осаждения пленки:

где j – удельный вес вещества пленки; S – площадь, занимаемая пленкой.

Из методов многолучевой интерферометрии чаще всего применяют способ полос равной толщины. В основе его лежит получение разности фаз двух когерентных лучей, отраженных от подложки и поверхности пленки. Перед измерением на образце получают так называемую ступеньку – резкую боковую границу пленки на подложке. Это достигается либо с помощью маскирования части подложки при осаждении пленки, либо путем химического удаления части осажденной пленки. Чередующиеся светлые и темные интерференционные полосы с шагом Н как на поверхности пленки, так и на подложке смещены относительно друг друга у границы пленки на величину ∆Н (рис. 6.1).

Толщину пленки d рассчитывают по формуле

где λ – длина волны монохроматического света.

Если пленка прозрачная, то на пленку и подложку районе «ступеньки» осаждают дополнительно непрозрачную, хорошо отражающую металлическую пленку, например, алюминий. Для уменьшения вносимойпогрешности ее толщина должна быть много меньше толщины измеряемой пленки.

Относительная ошибка метода составляет не более 5 % при толщинах пленки более одного мкм и порядка 10 % при толщинах менее 1 мкм.

2

1

d

H

∆

3

Рис. 6.1 Картина сдвига интерференционных полос микроскопа:

1 – измеряемая пленка; 2 – подложка; 3 – интерференционные полосы

Таблица 6.1

Лабораторное задание

Лабораторная работа в полном объеме рассчитана на шесть часов и предусматривает экспериментальную, расчетную части и оформление:

1Расчет теоретической зависимости толщины оксидной пленки от времени окисления для одной из заданных температур.

2Экспериментальное получение оксидной пленки термическим окислением в воздушной атмосфере и измерение ее толщины для заданной температуры.

3Исследование зависимости толщины оксидной пленки от времени окисления для заданной температуры по расчетным и экспериментальным данным.

4Экспериментальное определение толщины оксидной пленки на образцах лабораторной коллек-

ции.

5Составление технологической карты технологического процесса

6термического окисления кремния.

7Оформление результатов эксперимента и расчетов в виде таблиц и графиков.

Порядок выполнения работы

1 Получить задание, ознакомиться с содержанием работы, ознакомиться с конструкцией лабораторной установки окисления полупроводников, техникой безопасности.

2 Включить печь и поднять температуру в рабочей зоне до заданной.

3Произвести химическую обработку кремниевых пластин. Для этого: налить в стакан 50 мл серной кислоты, пинцетом поместить кремниевую пластину в стакан и обработать в течение 5…10 мин, извлечь пластину и тщательно промыть в деионизованной воде, обработать пластину в азотной кислоте

втечение 3…5 мин, промыть пластину в деионизированной воде, обработать кремниевую пластину в плавиковой кислоте в течение 1…3 мин (плавиковую кислоту наливать только в полиэтиленовый стакан), просушить пластины с использованием центрифуги.

4Поместить с помощью пинцета обработанные пластины в кассеты.

5Медленно поместить кассеты в рабочую зону печи. Отметить время загрузки для каждой кассе-

ты.

6Произвести термическое окисление пластин в течение заданного времени.

7По истечении заданного времени извлечь соответствующую пластину из печи.

8Налить в полиэтиленовый стакан 10 мл плавиковой кислоты.

9С помощью винипластового стержня нанести каплю плавиковой кислоты на поверхность оксидной пленки. При появлении на дне лунки чистого кремния прекратить травление промывкой в деионизованной воде.

10Просушить пластину кремния между фильтрами.

11Определить толщину оксидной пленки с помощью микроскопа и результаты занести в таблицу.

12Получить у лаборанта (или преподавателя) образцы пластин с предварительно сформированным слоем термического оксида, измерить толщину на каждом из образцов, оформить результаты.

Контрольные вопросы

1Какова роль окисленных пленок в технологии ИМС?

2Физическая сущность процесса термического окисления.

3Каков порядок термического окисления кремния?

4Методика расчета технологического режима окисление.

5Методы и методика измерения толщины оксидного слоя на поверхности кремния.

6Дефекты при формировании оксидных пленок и причины их появления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1Термодинамические и кинетические исследования химических реакций: Метод. указания / А.П. Воропаева, А.Б. Килимник, Н.А. Абакумова. Тамбов, 1989. 24 с.

2Чистяков Ю.Д. Физико-химические основы технологии микроэлектроники: Учеб. пособие для вузов / Ю.Д. Чистяков, Ю.П. Райнова. М.: Металлургия, 1979. 408 с.