半导体工艺实习实验指导书(2021整理).docx

本文为网上收集整理，如需要该文档得朋友，欢迎下载使用
目录
目录 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
操作篇 16
半导体工艺操作本卷须知 16
实验设备、仪器和使用工具清单 18
NPN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
设备篇 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主要工艺方式。
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根本步骤，掌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根本理论。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，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根底，给出双极性NPN晶体管的制备工艺流程，包括根本工艺原理，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很多实实在在的操作，受各种环境条件，外部因素的影响较多，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问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理解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方，还请批评指正。
在这感谢工艺实习基地的董利民老师，袁颖老师，胡晓玲老师和实验室其他多位老师的帮助和提供的文献资料。

实习基地建设教师 谢红云
2007.8
原理篇
图1.1是PNP晶体管和NPN晶体管的结构示意图。

图1.1 PNP晶体三极管和NPN晶体三极管

以NPN晶体管为例，由晶体管的放大原理可知，假设要晶体管正常工作需满足以下2点：
(N区)的电子浓度应大于基区(P区)的空穴浓度；
2.基区要非常薄，仅具有几微米的宽度；
这样在基区电子形成的扩散流可以远大于空穴复合流，实现晶体管的放大功能。NPN晶体管的纵向结构如图1.2所示，给出了晶体管集电区、基区和发射区的杂质浓度。

图1.2 NPN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1.3是晶体管的剖面图。

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外表，生成一层二氧化硅膜。而该膜在一定的高温下、一定的时间内，可阻止制造半导体器件所常用的几种化学元素，如：硼、磷、砷、锑等〔这被称之为氧化工序〕。
2. 采用照相、复印、有选择地保护某区域而腐蚀掉某区域的二氧化硅膜〔这个过程被称之为光刻过程〕，使得某区域允许杂质进入而某区域不允许杂质进入。
3. 第二点思路由设计的具有光掩蔽功能的、被称之为掩膜版的工具〔全称为光刻掩膜版〕来辅助完成。
4. 采用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，必须采用高浓度补偿，如图1.4所示：

图1.4 高浓度补偿扩散

双极性晶体管的制备在集成电路工艺流程中具有代表性，包含了硅平面半导体工艺中的根本步骤：氧化、扩散、光刻和刻蚀、薄膜淀积等。这一局部将分别介绍各个工艺步骤的根本原理，为实际操作做好理论准备。
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.化学稳定性极高，除氢氟酸外和别的酸不起作用；
2.不溶于水；
3.有掩蔽性质，具有一定厚度的二氧化硅膜在一定温度、一定时间内能阻止4.硼、磷、砷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；器件外表保护或钝化膜；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。不同的氧化工艺方法所制备的二氧化硅膜的质量不同，会影响其掩蔽扩散的能力、器件的可靠性和稳定性、电性能等。硅平面工艺中作为扩散掩蔽膜的二氧化硅采用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，高温氧化就是把衬底片置于1000℃以上的高温下，通入氧化性气体〔如氧气、水汽〕，使衬底外表的一层硅氧化成SiO2。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-氧化气氛为枯燥、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又有纯洁氧气。
高温氧化的机理，即化学反响如下所示：

氧化层形成后，氧原子必须穿过氧化层到达硅外表并在那里进行反响，化学反响在 Si-SiO2 界面发生。完成这个过程必须经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处与硅继续反响。

干氧氧化含有氧离子通过SiO2的扩散和在Si-SiO2界面上与硅发生反响这两个过程。在高温下界面化学反响速度较快，而氧离子扩散通过SiO2层的过程较慢，因此氧化速度将主要取决于氧化氧离子扩散通过SiO2层的快慢。显然，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SiO2层不断遭受消弱，致使水分子在SiO2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。
由化学反响引起的硅的消耗量，大约是最终氧化层厚度的44% ，如图1.5所示。

图1.5 高温氧化生长SiO2膜

在高温氧化中，依据热生长动力学和迪尔格罗夫模型，氧化层的厚度可以表示为：

其中，A和B是与氧分子扩散有关的常数，是时间常数。在氧化时间较短，SiO2层较薄时，外表化学反响过程是主要的，SiO2层厚度将随时间线性增加；在氧化时间较长SiO2层较厚时，扩散过程是主要的，SiO2层厚度将随时间作抛物式增加。三种氧化方法比较如下：

一般的讲，水汽或湿氧氧化速率高、但生成的二氧化硅膜结构疏松且外表呈亲水性，干氧氧化生成的二氧化硅膜枯燥致密，但其氧化速率最低。实际热氧化工艺的选择是根据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又要求生成枯燥致密的呈疏水性的二氧化硅外表，选择干氧-湿氧-干氧的实际热氧化工艺。氧化完成后，根据芯片外表颜色大致可以判断出氧化硅的厚度。因为不同厚度的氧化硅对可见光的折射率不同，芯片外表氧化硅的颜色会随着厚度的变化呈现周期性变化，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断依据。

颜色
氧化膜厚度〔埃〕
灰
100
黄褐
300
蓝
800
紫
1000      2750     4650      6500
深蓝
1500      3000     4900      6800
绿
1850      3300     5600      7200
黄
2100      3700     5600      7500
橙
2250      4000     6000
红
2500      4350     6250

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，到达改变材料导电类型或电学性质的过程。
2. 扩散掺杂-依赖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用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800℃-1400℃温度范围内进行。从本质上讲，扩散是微观离子作无规那么热运动的统计结果，这种运动是由离子浓度较高的地方向着浓度较低的地方进行，而使得离子的分布趋于均匀。
半导体中杂质的扩散有两种机制：空位交换机制和填隙扩散机制。杂质原子从一个晶格位置移动，如果相邻的晶格位置是一个空位，杂质原子占据空位，这称为空位交换模式。假设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：

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：

可以看出扩散系数与温度是指数关系，因此扩散工艺应严格控制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还会受到外表杂质浓度Ns、衬底杂质浓度NB、衬底取向和衬底晶格等影响。
费克扩散方程的物理意义：
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累或丧失。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，那么会得到不同的扩散方程的解。
根据扩散时半导体外表杂质浓度变化的情况来区分，扩散有两类：恒定外表源扩散和恒定杂质总量扩散。
对于恒定外表源扩散，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(∞，t)=0
此时费克扩散方程的解：

对于恒定外表源扩散，在一定的、尽可能低的扩散温度和规定的扩散时间下，被扩散的硅片始终处于掺杂杂质源的饱和气氛之中。可以想见，在该过程中〔由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，而更多地淀积在距外表〔X=O处〕十分有限的区域内。此刻，硅体外表的最大外表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——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。)此时芯片内杂质满足余误差分布，如图1.6所示。扩散入芯片的杂质总量表示为：

图1.6 恒定外表源扩散的杂质分布

对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(x,0)=Q/h=Ns(0)；
边界条件：N(∞，t)=0
此时费克扩散方程的解：

对于恒定杂质总量扩散，已经淀积在硅片外表的一定总量的杂质将在浓度梯度的作用下，继续向体内纵深处扩散。当然，随着杂质向体内纵深处的扩散，杂质的外表浓度也将由原预淀积时的固溶度值开始下降。此时芯片内杂质分布满足高斯分布，如图1.7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，虽然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，那么在杂质向体内纵深处扩散的同时，硅片的外表又生成了一层符合工艺要求的二氧化硅薄膜〔该过程的时间应首先满足杂质推移深度的要求，而Si02介质膜的厚度可由干氧氧化与湿氧氧化的步序搭配来调节〕。
实际的芯片扩散工艺通常采用两步扩散法：
第一步：预扩散或预淀积，采用恒定外表源扩散方式，温度低时间短，因而扩散的很浅，可以认为杂质淀积在一薄层内，可以很好控制杂质总量Q。杂质按余误差函数形式分布。
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，可以控制外表浓度和扩散深度。杂质按高斯函数形式分布。图1.8是预扩散和主扩散的杂质分布图。

图1.8 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。我们可以通过前面得道德恒定外表源扩散和恒定杂质总量的杂质分布表达式，从理论上计算扩散可以得到的节深Xj。
恒定外表源扩散：
恒定杂质总量扩散：
实际生产中通常采用磨角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可以看出，基区的宽度严重影响着三极管的性能，要很好的控制基区宽度，就要很好的控制扩散的结深。决定扩散结深的因素主要有以下四个：衬底杂质浓度NB，外表杂志浓度Ns，扩散时间t和扩散温度T。因此要精确的选择控制扩散的工艺，如考虑再分布扩散时伴随二氧化硅的生长，消耗掉了局部硅层，以此对扩散结深Xj进行修正；同理，预淀积扩散后含杂的局部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。由修正后的参量，进行预淀积扩散工艺条件T1和t1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必须满足等于t干1 + t湿 + t干2这样的氧化条件，以保证在主扩散的同时芯片外表生成可以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。方块电阻又称为扩散薄层电阻RS，指的是外表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呈现出的电阻值。通过理论推导可以得出：

Q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。通常实际生产中采用四探针法测定方块电阻。
实际扩散工艺可以分为气-固扩散法和固-固扩散法。气-固扩散法又可分为气态源扩散、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，稀释后挥发进入扩散系统。
2. 液态源扩散：杂质源为液态，由保护性气体携带进入扩散系统。
3. 固态源扩散：杂质源为固态，通入保护性气体，在扩散系统中完成杂质由源到硅片外表的气相输运。
4. 固-固扩散：在硅片外表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接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。采用气-固扩散法，常用的杂质源包括：固态源---BN,As2O3，液态源---BBr3,AsCl3, POCl3，气体源---B2H6,AsH3 ,PH3。
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=图形复印+定域刻蚀)。具体的说，光刻是一种复印图象与化学腐蚀相结合的综合性技术，它先采用照像复印的方法，将光刻掩模板上的图形精确地复制在涂有光致抗蚀剂的SiO2 层或金属蒸发层上，在适当波长光的照射下，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，未受光照射的局部光致抗蚀剂不发生变化，很容易被某些有机溶剂溶解(或者因为选用的胶性质不同而正好相反)。然后利用光致抗蚀剂的保护作用，对SiO2 层或金属蒸发层进行选择性化学腐蚀，从而在SiO2 层或金属层上得到与光刻掩模板相对应的图形。如图1.9所示。

图1.9 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
光刻胶又叫光致抗蚀剂，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。光刻胶一般由感光树脂、溶剂、增感剂和辅助稳定剂构成。配以不同的溶剂和增感剂，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射作用后，光刻胶能吸收一定波长的光能量，使其发生交联、聚合或分解等光化学反响，由原来的线状结构变成三维的网状结构，从而提高了抗蚀能力，不再溶于有机溶剂，也不再受一般腐蚀剂的腐蚀。
正胶和负胶是常用的两种胶。对于负胶，原胶易溶，感光后胶体发生聚合反响，变得难溶，称为光致抗蚀。负胶的分辨率差，适于加工线宽≥3mm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响，变得易溶，成为光致不抗蚀。正胶分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只采用正胶。
光刻工艺对光刻胶的要求有如下几点：
涂敷方便
粘附性好
具有较高的分辨率
具有较高的感光度
显影质量好
抗蚀性能好
胶的稳定性好
因此，光刻胶的质量参数包括：
光刻胶的感光度：
光刻胶对光敏感的指标，与胶膜发生溶变反响的最小曝光量。
光刻胶的分辨率：
每毫米宽度内最多可容纳的光刻出的可分辨线条数。
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，使局部光刻胶暴露在紫外光下，另一局部那么被遮挡。通常遮光膜有三种类型：乳胶膜，铬膜和氧化铁膜。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、稳固、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很大的影响，而整套光刻版对器件制造成品率的综合影响，是每一块光刻版对器件制造成品率影响的“与〞关系。
光刻掩模版需要采用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开展，因为与本次工艺实习的工艺步骤不相关，这里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。
一般待刻蚀基片外表要生长一层SiO2膜或金属Al。采用不同的光刻设备(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外表的光刻胶直接接触，分辨率较高，但是容易造成掩膜版和光刻胶膜的损伤。
¨ 接近式曝光：在硅片和掩膜版之间有一个很小的间隙(10～25mm)，可以大大减小掩膜版的损伤，分辨率较低
¨ 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，使用的掩模幅员形可以是芯片图形的1~10倍，可以提高分辨率并减少缺陷，是目前用的最多的曝光方式。

图1.10 三种光刻方式
一般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开展，目前出现了多种超细线条的光刻技术，如：甚远紫外线(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响进行刻蚀的方法，腐蚀过程中要严格控制腐蚀液的温度，浓度和腐蚀的时间，以较好的控制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料的腐蚀是应该考虑的问题。须采取优化的腐蚀液配比、适当的腐蚀时间和温度，适宜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、本钱低，但是侧向钻蚀严重、对图形的控制性较差。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)与材料发生化学反响或通过轰击等物理作用而到达刻蚀的目的。刻蚀后样品外表平整，外表形貌好，台面侧壁垂直，陡直度好。干法刻蚀包括：溅射与离子束铣蚀：通过高能惰性气体离子的物理轰击作用刻蚀，各向异性性好，但选择性较差；等离子刻蚀(Plasma Etching)：利用放电产生的游离基与材料发生化学反响，形成挥发物，实现刻蚀。选择性好、对衬底损伤较小，但各向异性较差；反响离子刻蚀(Reactive Ion Etching，简称为RIE)：通过活性离子对衬底的物理轰击和化学反响双重作用刻蚀。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，RIE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1.11所示：

图1.11 光刻工艺示意图

本次制作晶体三极管的实验中，我们采用接触式曝光方法，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，可以采用真空蒸发镀膜、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10-5Torr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，在硅片外表冷凝形成约1um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外表。蒸发源一般为含硅量为1.2 ~ 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。腔室抽真空后充以惰性气体，电子在电场加速下与惰性气体碰撞产生惰性气体离子和更多电子，惰性气体离子打到耙材上时，溅射出耙原子那么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。溅射一般在25-75*10-3Torr的气压下进行。
化学汽相淀积(CVD)是利用在硅片附近发生气相的化学反响或高温分解而在硅片上淀积一层薄膜的过程。一般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，金属膜也可采用CVD法制备。
对于硅平面晶体管，经过基区和发射区扩散后，就构成了晶体管的管芯。但是，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。
真空镀膜就是在真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，脱离材料外表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，就沉积在基片外表，形成一层薄的金属膜。
根据气体分子运动论，气体分子运动的平均自由程λ与系统中气体压强P有如下关系：

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P=10-5Torr，由上式计算出〔0℃，空气〕：λ＝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n0 个，其中一局部n1／n0 在小于给定路程长度内发生碰撞，那么遭到碰撞的分子数占总分子数的百分数为：

由上式可计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1.12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，才能防止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，因为普通的大气中，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，这样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外表；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外表不断发生碰撞和金属原子一起沉积下来，形成疏松的金属膜，并使炽热的金属膜氧化，影响镀膜质量，因此在蒸发过程中要保持足够低的剩余气体的压强，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，并减少剩余气体与基片的碰撞时机。

图1.12 分子碰撞百分比与实际路程/平均自由程的关系

蒸发还依赖于加热温度。一般说来当温度到达一定值，使蒸发源物质的蒸汽压到达10-2 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1148℃。
操作篇
半导体工艺操作本卷须知
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平安管理条例?、?工艺实习基地平安管理规定?和?工艺实习基地平安操作条例?。必须严格做到以下几点：

工艺实验室标准
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。经过风淋室风淋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，嬉笑跑步或团聚聊天。
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，各项条件正常方可开始实验。
2. 操作者必须详细填写实验记录。实验过程中出现任何故障〔奇怪的味道、异常的反响颜色、异常声响等〕，应首先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，务必立刻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，且必须皮肤颜色恢复正常为止，并立刻安排急救处理。
5. 假设遇紧急情况，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，使用清洗过的干净镊子夹持芯片，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继续使用。
3. 镊子尖部即夹持芯片处如被碰触污染过，或是镊子掉落与地，需清洗。请勿用纸巾、布或其他物品擦拭镊子。
4. 在进行芯片操作时，防止在芯片上方谈话，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外表，使芯片外表干净。
6. 从石英舟等器皿夹取芯片时，必须垂直向上挟起，防止刮伤芯片。
7. 使用显微镜时，注意显微镜镜头的位置，防止碰伤镜头，损伤芯片。
8. 操作时，不管是否戴手套，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，尽可能不直接暴露于空气中。

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、温度的影响。
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. 曝光时防止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损失还会带来人身的伤害。未经培训的学生和实验技术人员，需经有关负责人培训之前方可进行独立操作。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干净，工作完毕后，并将自己所工作的空间擦干净。
2. 进行工艺操作时，应养成良好工作姿势，上身应防止前倾至化学槽及清洗槽之上方，一方面可防止危险发生，另一方面亦减少污染时机。
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，假设沾有酸迹或污渍，用湿抹布清扫干净，关电炉。用完的湿抹布用清水冲洗干净并放回原处。
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、氢氟酸、有机等，分开处理并登记，回收桶标示清楚，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HF〞，以免伤及其他人，或造成误用影响工作。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. 不明容器内为何种药品时，切勿摇动或倒置该容器。
10. 漏水或漏酸处理：为确保平安，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，并报备管理人。
实验设备、仪器和使用工具清单
制备常规NPN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. 结深测试仪器一套；
16. 真空镀膜机；
17. 晶体管测试仪一台；
18. 镊子假设干把；
19. 铝盒一个；
20. 滤纸两盒；
21. 手套、口罩假设干；
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
日期
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=3：1，煮至颜色变白后冲去离子水。
在这部操作中间时，翻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，采用干氧和湿氧结合的工艺。
操作步骤如下：
翻开氧化扩散炉，设定好氧化温度，进行升温，〔一般1个小时左右可到达设定的温度〕。
2.翻开水浴温度控制。
到达设定温度并稳定后，将烘好的片子送入炉管的恒温区。〔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，设定好时间，进行氧化。
氧化温度：T=1180℃
氧化时间：t=10’(干氧)+40’(湿氧)+10’(干氧)
氧气流量：O2=2-3L/min
本卷须知：
转换时遵循先开后关的原那么。
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6500-7000Å，颜色为紫罗兰色到绿色之间。

3．光刻Ⅰ-光刻扩硼窗口
（1） 甩胶
（2） 前烘(t=10’, T=80℃)
（3） 曝光(t=s)
（4） 显影(环已烷, t=2’)
（5） 定影(乙酸丁酯, t=1’)
（6） 坚膜(t=30’, T=120℃)
（7） 腐蚀(t=2’, T=45℃,以图形窗口无残留氧化层为准)
（8） 去胶

4．清洗(操作同1)

5．硼预扩
硼预扩采用右扩散炉上管，硅片背靠背放置于两个硼源片之间。
温度：T=930℃
时间：t=35’
气体流量：N2 =2L/min O2=/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。

6．硼主扩
硼主扩采用右扩散炉下管
温度：T=1150℃
时间：t=5’(干氧)+20’(湿氧)+20’(干氧)
气体流量：N2=/min O2=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。
注意扩散过程中观测气体流量。

7．光刻Ⅱ-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

8．清洗(操作同1)

9．磷预扩
磷预扩采用左扩散炉上管。
温度：T=1130℃
时间：t=31’
气体流量：N2 =0.7~/min，O2=/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。

10. 磷主扩
磷主扩采用左扩散炉下管。
温度：T=1180℃
氧化时间：t=5’(干氧)+15’(湿氧)+15’(干氧)
氧气流量：N2=/min O2=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。
注意扩散过程中观测气体流量。

11．光刻Ⅲ----光刻引线孔
操作同7，注意对版。

12．清洗(操作同1)

13．真空蒸发Al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Al的厚度约为1um。
真空度：3.8*10-3帕
衬底温度：200℃〔显示250℃〕
时间：1’

14．光刻Ⅳ----光刻电极图形
操作同7，注意对版。

15．腐蚀金属Al
腐蚀液：氢氧化钾：铁氰化钾：水=：5克：100毫升
时间：以图形边沿清洗为准

16．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假设干次。

17．合金
温度：T=420℃，
时间：10’
气体流量：N2 =2L/min O2=/min

设备篇
在这一局部，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用到的设备做介绍，详细给出不同仪器设备的使用方法、操作步骤和使用本卷须知等。
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响气体或载气或者保护气体，会同时使用，因此我们采用这一气路。另一气路为低流量的氮气，一般情况下不采用，平时关闭。在氧化工艺中，如前所述一般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，水浴温度一般在90℃～100℃，进行湿氧氧化时，氧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，首先要开气。开气的操作如下：
第一步：先用扳手翻开气瓶上的阀门，打到头。再翻开减压阀，顺时针向里旋挡，看到表头有三小格到五小格即可。
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。翻开N2的开关。在气路控制板上有三个流量计，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
⑴.翻开总电源开关
⑵.翻开二级开关〔左侧控制左扩散炉，右侧控制右扩散炉，根据需要翻开相应