微电子参考实验报告19.docx
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微电子参考实验报告19
实验1硅片氧化层性能测试
预习报告
实验调研1：
新型氧化工艺调研
实验报告
●氧化层性能测试
1质量要求:
二氧化硅薄膜质量好坏，对器件的成品率和性能影响很大。
因此要求薄膜表面无斑点、裂纹、白雾、发花和针孔等缺陷。
厚度达到规定指标并保持均匀，结构致密。
对薄膜中可动带电离子，特别是钠离子的含量要有明确的要求。
2检验方法
●厚度的检查
测量二氧化硅薄膜厚度的方法很多。
如精度不高的比色法，腐蚀法，京都要求稍高的双光干涉法，电容电压法，还有精度高达10埃的椭圆偏振光法等。
1）比色法利用不同厚度氧化膜，在白色垂直照射下会呈现出不同颜色的干涉色彩这一现象，用金相显微镜观察并对照标准的比色样品，直接从颜色的比较来得出氧化层的厚度。
其相应的关系如下表所示：
颜色
氧化层厚度（埃）
灰
100
黄褐
300
蓝
800
紫
1000
2750
4650
6500
深蓝
1500
3000
4900
6800
绿
1850
3300
5200
7200
黄
2100
3700
5600
7500
橙
2250
4000
6000
红
2500
4350
6250
2）双光干涉法
[测试仪器与装置]
[实验原理]
干涉显微镜可用来检测经过精加工后工件的表面粗糙度，也可用来检测薄膜厚度。
精加工后，工件表面的微观不平度很小，实际上工件表面存在许多极细的“沟槽”。
检测时，首先通过显微系统将“沟槽”放大，然后利用干涉原理再将微观不平度显示出来。
常用的干涉显微镜是以迈克耳逊干涉仪为原型的双物镜干涉显微镜系统。
它的典型光路如上图所示。
光源1（白织灯）由聚光镜2成象在孔径光阑16上，插入滤光片3可以获得单色光。
视场光阑17位于准直物镜4的前焦面上。
由物镜4射出的平行光束在分光板5处分为两部分：
一束向上反射，经显微镜7会聚在被测工件表面M2上，M2与显微镜7的焦面重合。
由M2返回的光束依次通过显微物镜7、分光板5后被辅助物镜9会聚在测微目镜12的分划板11处，分划板11与物镜9的焦平面重合。
利用测微目镜12可以看到被测表面M2清晰的象。
另一束光通过分光板5，补偿板6，由显微镜8会聚在参考反射镜M1上，M1与显微物镜8的焦平面重合。
从反射镜M1返回的光束也会聚在测微目镜的分划11处。
由M1、M2返回的两束光是相干的，通过目镜12可以观察到干涉条纹。
移开反射镜10，通过摄影物镜13可将干涉条纹成象在照相底板15处，便于记录分析。
挡住参考光，通过目镜可以单独观察被测表面。
此时，仪器相当于金相显微镜。
在迈克耳逊干涉仪中，只要某一光程差发生变化，就要引起干涉场中条纹移动，光程差每改变半个波长（
），则干涉条纹移动一个条纹间距。
因此，在干涉显微镜中。
以此条纹为“分划板”（其格值
）来测量比较由于被测表面的微观不平度所引起的干涉条纹中的不平直的部分。
设M1、M2是两个不严格垂直的理想平面，则得到等厚干涉直线条纹。
若表面M2上有沟槽，干涉条纹将发生弯曲或断折，如下图所示。
沟槽的深度h由下式决定。
式中，Ｈ为干涉条纹曲折量，e为条纹的间距。
若用白光照明，e是指两根接近黑色的干涉条纹中心间的距离。
这时λ取550nm。
若被测件的部分表面镀有厚度为h的薄膜，则只要测量出干涉条纹间距e和因镀了膜而引起的干涉条纹位移量Ｈ，就可算出该薄膜的厚度。
如上图所示。
双光干涉法设备简单，只需一台单色光源和一台普通干涉显微镜。
操作简便，但不宜用于测试太薄的氧化膜，因此误差较大。
一般要求被测氧化膜大于2000埃。
●通过双光干涉法验证氧化层时间和氧化层厚度关系：
h2=C•t（温度大于1000摄氏度）
其中C为氧化速率常数，单位为微米2/分钟
[内容和步骤]
1.硅毛片粗糙度测试
（1）用酒精、乙醚混合液擦净硅毛片面待用。
（2）将被测件放到载物台上，应使被测表面向下对着物镜。
（3）经变压器接通照明系统电源，若视场太亮或太暗，可调节变压器上旋钮，直到亮度适当为止。
（4）顺时针方向转动遮光板手轮3（箭头向上），挡住参考光束。
（5）缓慢地转动调焦手轮6，从目镜9中看到被测表面清晰的象（如加工痕迹等）。
（6）逆时针方向转手轮7（箭头水平），从目镜中应看到干涉条纹。
若换用白光照明，应能看到彩色干涉条纹。
否则微转手轮6进行细调，直至调出干涉条纹为止。
（7）旋转手轮4，调节干涉条纹至适当的亮度，使能清晰地观察到干涉条纹的细微轮廓，以便于测量。
（8）用目视估测方法，测量工件表面粗糙度。
通过目镜观察干涉条纹，估测条纹弯曲的矢高是条纹间距的几倍或几分之一，再利用下表就可查到被测件的表面粗糙度级别。
条纹弯曲量与表面粗糙度对照表
条纹弯曲量
≯
粗糙度等级
Ra0.010
Ra0.012
Ra0.025
Ra0.050
Ra0.100
2．测量薄膜厚度
（1）利用测定氧化膜台阶上的干涉条纹数来求氧化层薄膜厚度的一种方法。
在已经氧化过的硅片表面，用黑封蜡或真空油脂保护一定的区域（约占硅片表面的1/2~1/3）。
然后将硅片放入氢氟酸溶液中，除去未保护住的氧化膜。
然后利用有机溶剂（如甲苯、四氯化碳等）将蜡或真空油脂去除。
用酒精、乙醚混合液擦净镀膜面待用。
（2）轻轻转动载物台微动手轮2，将薄膜的待测部位移至视场之中。
这时应看到两组直线状干涉条纹。
（3）利用测微目镜测得e和H，求出镀膜层的厚度。
（4）若H>e，应先用白光干涉条纹确定同级干涉条纹移动的大概位置，再用单色光的干涉条纹精确测定h。
[实验结果]
1.分三小组。
每小组测量三种工艺条件下生长的硅片表面氧化层的厚度，并记录数据，汇总四小组h数据求平均值作为校准值=（h1+h2+h3）/3，计算各自小组偏差值。
氧化工艺条件
比色法
双光干涉法
h
厚度范围
e
H
h
校准值
偏差（%）
1100摄氏度，20min
1100摄氏度，45min
1100摄氏度，65min
2.1100摄氏度下，通过h2-t关系计算C值，汇总三小组C值后求平均值作为校准值=（C1+C2+C3）/3，求各自小组偏差值。
t
h2
氧化速率常数C
测试值
校准值
偏差（%）
[思考题]
1．干涉显微镜的工作原理及特点是什么？
2．干涉显微镜中的“分划板”是怎样形成的？
它的作用是什么？
实验2报告：
光刻工艺
预习报告
实验调研2：
新型的光刻工艺调研
实验报告
1.详细光刻的工艺流程（记录工艺内容和技术参数）
1）匀胶
2）前烘
3）曝光
4）显影，漂洗定影
5）坚膜
6）腐蚀
7）去胶
2.工艺条件及工艺条件的设计（依据）
1）如何对准图形？
2）如何控制光刻胶的厚度？
3）如何提高显影质量？
4）曝光时间的选择？
5）腐蚀液中需注意的问题？
3.实验结果
1）一次光刻的过程的图形
2）光刻后图形（注明颜色）
4.习题
1）一次光刻的作用？
2）为何光刻间选用黄色灯？
3）正胶和负胶的区别？
实验3、4报告：
磷扩散和磷氧化工艺
预习报告
实验调研3：
有关新型液相扩散工艺调研
实验报告
1.工艺原理
1）扩散工艺原理（请总结，限300-400字）
2）氧化工艺原理（请总结，限300-400字）
2.详细的工艺流程
1）清洗工艺条件：
2）磷扩散工艺条件：
3）磷氧化工艺条件：
3.工艺条件及工艺条件的设计（依据）
1）为何分别设置两号清洗溶液？
2）如何控制结深？
3）采用湿氧+干氧+湿氧的目的？
4）氧化层的厚度设计需考虑哪些因素？
4.实验测试结果
1）绘制干氧和湿氧的管路
2）记录磷扩散方块电阻，估算磷扩结深
3）根据附图，理论上计算本实验工艺条件的磷氧化层厚度
4）画出硅光敏二极管磷氧化和磷扩散两步工艺的剖面图
5.习题
5）何谓恒定源扩散和限定源扩散？
它们和预扩、主扩的关系？
6）磷扩散源放入冰块的作用？
7）说明陪片的作用。
8）试述方块电阻的物理意义及其影响因素。
再扩散后方块电阻往往增大，请分析其原因。
9）氧化层有哪些作用？
磷氧化的目的？
10）氧化层的生长速率和哪些因素有关？
实验5、6报告：
硼扩散和硼氧化工艺
预习报告
实验调研3：
有关新型液相扩散工艺调研
实验报告
1.工艺原理
3）扩散工艺原理（请总结，限300字内）
4）氧化工艺原理（请总结，限300字内）
2.详细的工艺流程
4）清洗工艺条件：
5）硼扩散工艺条件：
6）电解法去硼硅玻璃：
7）硼氧化工艺条件：
3．工艺条件及工艺条件的设计（依据）
1）为何分别设置两号清洗溶液？
2）如何控制结深？
3）采用湿氧+干氧+湿氧的目的？
4）氧化层的厚度设计需考虑哪些因素？
3.实验测试结果
5）绘制干氧和湿氧的管路
6）记录硼扩散方块电阻，估算硼扩结深
7）根据附图，理论上计算本实验工艺条件的硼氧化层厚度
8）画出硅光敏二极管硼氧化和硼扩散两步工艺的剖面图
5.习题
11）何谓恒定源扩散和限定源扩散？
它们和预扩、主扩的关系？
12）说明陪片的作用。
13）硼硅玻璃是如何形成的？
14）试述方块电阻的物理意义及其影响因素。
再扩散后方块电阻往往增大，请分析其原因。
15）氧化层有哪些作用？
硼氧化的目的？
16）氧化层的生长速率和哪些因素有关？
实验报告7蒸发工艺
预习报告
实验调研4：
金属膜的沉积工艺调研
实验报告
1.真空蒸发工艺原理（真空系统工作原理图及其说明）
2.详细的工艺流程
3.工艺条件及工艺条件的设计（依据）
影响真空抽取时间的因素：
4.实验结果与测试
电子束蒸发工作条件（前级真空度、分子泵真空度、电子枪工作参数）
5.习题
1．电子束蒸发使用了哪些真空泵？
分子泵与扩散泵的工作原理和优缺点比较？
2.维持泵的作用？
3.电子束蒸发的优缺点？
4.结合图示说明电子束e型电子枪的工作原理和优点。
实验8磨角染色法测试P-N结结深
一、实验目的：
了解磨角染色法的测量方法，并计算P-N结结深
二、实验原理
N型染色剂：
把含有氢氟酸的金属盐溶液滴在P-N结表面上，即将使P-N结的一边择优镀上一层金属膜，从而可辨认出P区和N区，镀Cu化学反应式是：
CuSO4+Si+H2O=2Cu+SiO2+2H2SO4
SiO2+6HF=H2SiF6+2H2O
该方法利用了PN结两边的电极电位不同，由于Si的电化学势比Cu高，所以Si能置换Cu，当P-N结光照后，Cu首先镀在P-N结电位更负的一边，即N型区。
当光照时，将产生电子空穴对。
在PN结两端的少子将扩散到达势垒边界，并在内建电场作用下通过PN结，导致N和P都增加，接触势垒增大。
在PN结表面的溶液中，Cu离子被吸引到电位更负的N区，置换淀积下来，在硅表面形成红色的铜镀层，只要能恰当地掌握反应时机，就能使N区镀上铜，P区没有。
P型染色剂：
滴浓硝酸HF（48%）于P-N结上并加强光照，P区上有反应，生成大量气体，N区无明显气体产生。
三、实验方法和步骤
测试样品：
可控硅（P1N1P2N2）
1.磨角：
用石蜡把硅薄片固定在磨角器的斜面上，安装好磨角器放在细的金刚粉上研磨（约20-30分钟），将硅片磨出如图1所示的斜面。
根据不同情况和要求，斜角在1-5度之间。
图1磨角示意图
2.显结（如图2）
N型染色剂:
CuSO4•5H2O：
H2O：
HF（48%）=5g：
50ml：
2ml滴在磨好的斜面上，迅速爆露在光照下。
加入HF目的使为了把硅的氧化物去除，使之反应能进行，但HF过量容易引起反应加速，反应速度不易控制，使硫酸过多会引起界面不整齐，测量不易测准。
用的电化学原理，铜离子在阴极（N区提供电子）得到电子还原成铜，呈现红色，在P区反应弱，颜色浅或无反应。
P型染色剂：
滴浓硝酸HF（48%）于P-N结上并加强光照，P区上产生大量气泡，PN结出现明暗色差，分界线平整清晰。
图2染色后显结图
3.测量：
在显微镜下测出扩散层斜面的长度L（显微镜的镜筒与斜面垂直时），即可得到结深xj：
实际实验中，取下硅片测量读数时，在显微镜中所观察到的仅仅是扩散层斜面L的投影L’（因为显微镜的镜筒与斜面不垂直，与硅平面垂直），因此测量公式应为：
四、测试结果
1.数据记录
染色剂类型
L’
xj
斜面总长度
耗尽层宽度
N型染色剂
P型染色剂
2.照片或画图记录不同型染色剂PN结反应结果
N型染色剂：
P型染色剂：
五、思考题
1.为什么有时候只能显示可控硅的一个PN结（即P1N1），无P2N2？
2.为什么耗尽层不会被染色？
实验9硅光敏二极管性能初测
预习报告
实验调研5：
硅平面器件性能表征调研
实验报告
一、光敏二极管性简介
PN结型光敏二极管同普通二极管一样，也是PN结构造，只是结面积较大，结深较浅，管壳上有光窗，从而使人射光容易注入PN结的耗尽区中进行光电转换，大的结面积增加了有效光面积，提高了光电转换效率。
在无光照射时，光敏二极管的伏安特性和普通二极管一样，此时的反向饱和电流叫暗电流，一般在几微安到几百微安之间，其值随反向偏压的增大和环境温度的升高而增大。
在检测弱光电信号时，必须考虑用暗电流小的管子。
光敏二极管有一定光谱响应范围，并对某波长的光有最高的响应灵敏度（峰值波长）。
因此，为获取最大的光电流，应选择光谱响应特性符合待测光谱的光敏二极管，同时加大照度和调整入射的角度。
光敏二极管的响应时间，一般小于几百微秒，主要取决于结电容和外部电路电阻的乘积。
响应灵敏度测试原理：
用各种波长不同的单色光分别照射太阳能电池板，由于光子能量，发射吸收特性，光生载流子的收集效率等的不同，产生不同的短路电流，以所测得的短路电流密度和辐照度之比，即单位辐照度产生的短路电流密度，与波长的函数关系来测定绝对光谱响应，以最大值归一化可测得相对光谱响应。
绝对光谱响应光源部分采用严格定标的激光器和绝对辐射计。
二、主要参数特性
1最高反向工作电压VRM:
是指光敏二极管在无光照的条件下，反向漏电流不大于0.1μA时所能承受的最高反向电压值。
②暗电流ID:
是指光敏二极管在无光照及最高反向工作电压条件下的漏电流。
暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测弱光的能力越强。
③光电流IL:
是指光敏二极管在受到一定光照时，在最高反向工作电压下产生的电流。
其测量的一般条件是:
2856K钨丝光源，照度为10001x。
④光电灵敏度Sn:
它是反映光敏二极管对光敏感程度的一个参数，用在每微瓦的入射光能量下所产生的光电流来表示，单位为μA/μW。
⑤响应时间Tζ:
光敏二极管将光信号转化为电信号所需要的时间。
响应时间越短，说明光敏二极管的工作频率越高。
⑥正向压降VF:
是指光敏二极管中通过一定的正向电流时，它两端产生的压降。
⑦结电容Cj:
指光敏二极管PN结的电容。
Cj是影响光电响应速度的主要因索。
结面积越小，结电容Cj也就越小，则工作频率越高。
三、测试过程
1.显微镜观察PN结型光敏二极管平面图，掌握图形中每块区域的功能。
2.将12点位置探针黄色连线接在C级上，9点位置探针粗黑色连线接地（即E级），将12点位置探针搭在PN区金属薄膜的P区突点上，调节示波器Y轴到10μA/div，X轴到1~2V/div，得到硅光敏二极管的反偏特征曲线，通过调节峰值电压将曲线拉伸，读出耐压示数，测量光照下和无光照下电流数值。
3.测试光敏二极管光电灵敏度。
四、测试结果记录
1.画出PN结型光敏二极管平面图（含区域功能说明）。
2.性能数据记录
样品
VRM（耐压）
ID
IL
光电灵敏度Sn最大值
最高灵敏度对应波长
结1
结2
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