utlenianie krzemu - MEMS lab

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 (850-1150°C) mający na
celu wytworzenie na krzemie warstwy tlenku krzemu (SiO2), która jest głównym materiałem
dielektrycznym używanym w technologii krzemowej.
Najważniejsze funkcje warstw SiO2 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 + O2 → SiO2
- para wodna - Si + 2H2O → SiO2 + 2H2
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
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
Podczas otrzymywania warstw SiO2 w procesie utleniania termicznego wiązany jest
krzem. Powstały tlenek zużywa warstwę krzemu o grubości równej 44% grubości
otrzymanego tlenku.
Rys. 1 Zużywanie podłoża w wyniku utleniania termicznego krzemu
rysunek: A. Javey, Berkeley Univ., EECS143
2a Obliczenia:
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 x0 zależy od czasu wg funkcji parabolicznej:
x 02  Bt
t - czas wygrzewania [h];
Parametr B podano w tabeli 1.
- dla krótkiego czasu utleniania grubość tlenku zależy od czasu wg funkcji liniowej
x0 
B
t   
A
Parametr B podano w tabeli 1.

x i2  Axi
, xi - początkowa grubość tlenku krzemu przed procesem utleniania
B
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
Tabela 1 Parametry dla procesu utleniania w parze wodnej w warunkach: O2 = 30 l/h, H2 = 50 l/h, N2 =<5l/h
A
[μm]
B
[μ2m/h]
850 ˚C
1.811
0.154
900 ˚C
1.058
0.191
950 ˚C
0.501
0.257
1000 ˚C
0.285
0.323
1050 ˚C
0.169
0.398
1100 ˚C
0.104
0.484
1150 ˚C
0.067
0.580
W przypadku nasteawienia innej temperatury pieca należy korzystać z wykresu poniżej.
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
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 SIO2.
d[μm]
kolor
0.05
0.07
0.10
0.12
—
—
—
—
żółto-brązowy, orzechowy
brązowy
ciemny fiolet do czerwony fiolet
jaskrawo-niebieski
0.15
0.17
0.20
0.25
0.27
0.30
0.31
—
—
—
—
—
—
—
jasno-niebieski do metaliczno-niebieski
metaliczny do bardzo jasno-żółtozielony
jasno-żółty lub żółty, nieznacznie metaliczny
złoty z nieznacznym żółtym oranżem
czerwono-fioletowy
niebieski do fioletowo-niebieski
niebieski
0.325
0.34
0.35
0.36
0.37
0.39
0.41
0.42
0.44
0.46
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
niebieski do niebiesko-zielony
jasno-zielony
zielony do żółto-zielony
żółto-zielony
zielono-żółty
żółty
jasno-pomarańczowy
różowy goździk
fioletowo-czerwony
czerwono-fioletowy
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
0.47
0.48
0.49
—
—
—
fioletowy
niebiesko-fioletowy
niebieski
0.50
0.52
0.54
0.56
0.57
0.58
0.60
0.63
0.68
0.72
0.77
0.80
0.82
0.85
0.86
0.87
0.89
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
niebiesko-zielony
zielony
żółto-zielony
zielono-żółty
żółty do prawie żółty, czasami jasno-krzemowo-szary lub metaliczny
jasno-pomarańczowy lub żółty do różowego
różowy goździk
fioletowo-czerwony
pomiędzy fioletem a niebiesko-zielonym, niebieskawy
niebiesko-zielony do zielonego
żółtawy
pomarańczowy
łososiowy
mętny, jasny czerwono-fioletowy
fioletowy
niebiesko-fioletowy
niebieski
0.92
0.95
0.97
0.99
1.00
1.02
1.05
1.06
1.07
—
—
—
—
—
—
—
—
—
niebiesko-zielony
mętny żółto-zielony
żółty do żółtawy
pomarańczowy
różowy goździk
fioletowo-czerwony
czerwono-fioletowy
fioletowy
niebiesko-fioletowy
1.10
1.11
1.12
1.18
1.19
1.21
1.24
1.25
1.28
1.32
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
zielony
żółto-zielony
zielony
fioletowy
czerwono-fioletowy
fioletowo-czerwony
różowy goździk do łososiowego
pomarańczowy
żółtawy
błękit nieba do zielono-niebieski
1.40
1.43
1.46
1.50
1.54
—
—
—
—
—
pomarańczowy
fiolet
niebiesko-fioletowy
niebieski
mętny żółto-zielony
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl
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:
380-60= 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.
1,42=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 H2O(DI), trawione w H2SO4:H2O2=1:1,
płukane w H2O, HF:H2O = 1:15, płukane w H2O (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
___________________________________________________________________________
www.memslab.pl