Ústav fyziky kondenzovaných látek (ÚFKL)
Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita, Brno
http://www.physics.muni.cz/ufkl
MU: EXPERIMENTÁLNÍ METODY A SPECIÁLNÍ PRAKTIKUM – F8542 a F8572
OSTATNÍ VŠ: ÚLOHA PŘIŘAZENÁ K JINÉMU PRAKTIKU
jarní a podzimní semestr 2009
Praktikum v Laboratoři polovodičů – čistých prostorách pro křemíkovou technologii na
ÚFKL PřF MU.
Úloha: Technologie přípravy polovodičových součástek – rezistor, kondenzátor a induktor na
křemíkové desce.
Autor návodů: doc. RNDr. Petr Mikulík, Ph.D. Verze návodů: 7. prosince 2009
Vyučující: doc. RNDr. Petr Mikulík, Ph.D.
Technická asistence: ing. Milan Kučera (přístrojové vybavení) a ing. Stanislav Valenda (chemické procesy)




	





Praktikum v čistých prostorách – rezistor, kondenzátor, induktor (návody, 7. prosince 2009) 2
Obsah
1. Úvod 4
1.1. Křemíkové desky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2. Čisté prostory 6
2.1. Čistota a bezprašnost laboratoře . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2. Čistota a bezprašnost médií . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3. Postup výroby součástek 8
3.1. Postup při přípravě součástek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.2. Kondenzátor přes objem desky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4. Oxidace 11
4.1. Princip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.2. Teorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.3. Postup práce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.4. Sleptání oxidu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
5. Fotolitografie 13
5.1. Principy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5.2. Postup práce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5.3. Smytí fotorezistu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
6. Difúze příměsí 14
6.1. Difúze příměsí typu n (fosfor) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
6.2. Difúze příměsí typu p (bór) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
6.3. Rozdifundování příměsí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
6.4. Celý proces difúze a rozdifundování . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
7. Vytvoření vodivých struktur 15
7.1. Technologický proces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
7.2. Měření tloušťky vrstvy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
8. Měření tloušťky propustných vrstev 16
8.1. Teorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
8.2. Měření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
8.3. Úkoly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
9. Měření elektrických charakteristik součástek 17
9.1. Stanice pro hrotové měření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
9.2. Měřící přístroje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
9.3. Úkoly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
10.Organizace praktika 18
10.1. Organizační poznámky k praktiku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
10.2. Vstup do čistých prostor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
10.3. Další poznámky pro udržení čistoty a zabránění kontaminace . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
10.4. Bezpečnost práce v čistých prostorách . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
10.5. Poznámky k vypracování protokolu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Praktikum v čistých prostorách – rezistor, kondenzátor, induktor (návody, 7. prosince 2009) 3
Anotace
Tento návod obsahuje text pro praktikum v Laboratoři polovodičů – čistých prostorách pro křemíkovou
technologii na Ústavu fyziky kondenzovaných látek na přírodovědecké fakultě Masarykovy univerzity.1 Podle
typu studia a předmětu, k němuž je praktikum zařazeno, se liší i délka praktika a typ úlohy zde vykonávané,
a to od nejjednoduššího (principy fungování čistých prostor, mikroskopie v čistých prostorách) po složitější
(principy fotolitografie) až po kompletní (příprava různých typů polovodičových součástek na křemíkové
desce a výroba „čipů“). Kompletní návod tak existuje v ucelené podobě pro praktikum využívající kompletní
technologický proces instalovaný v laboratoři, přičemž pro jednodušší praktika studenti využijí z návodu
jenom patřičné kapitoly.
Hlavním cílem jednodušších praktik je vyzkoušení si specifické práce v čistých bezprašných prostorách a
získání základní zkušenosti s některými technologickými procesy instalovanými v laboratoři.
Hlavním cílem složitějších praktik v této laboratoři je vyzkoušení si skutečné výroby čipů v reálném
prostředí. Každý student dostane křemíkovou desku a po absolvování všech technologických operací mu
zůstane deska s čipy či diskrétními polovodičovými součástkami. Ty si bude moci proměřit a charakterizovat
(měřením V-A charakteristik a mikroskopickým pozorováním povrchu), ověřit zdali a jak fungují, jestli jsou
jejich vlastnosti stejné na celé ploše desky, proč některé z nich nefungují, apod.
1
Webová stránka laboratoře je http://www.physics.muni.cz/ufkl/equipment/CleanRoom.shtml.
Praktikum v čistých prostorách – rezistor, kondenzátor, induktor (návody, 7. prosince 2009) 4
1. Úvod
Čisté prostory a bezprašné prostředí jsou podmínkou pro vývoj a výrobu polovodičových součástek na
křemíkových deskách, které jsou vysoce citlivé na kontaminaci. Čisté prostory i zařízení a technologie, které se
v nich používají, jsou dnes již standardem ve specializovaných výzkumných laboratořích a ve vysoce vyspělých
průmyslových odvětvích zabývajících se polovodičovou výrobou, mikroelektronikou, optikou, metrologií nebo
farmacií.
Úvod praktika bude zaměřen na:
1. Principy fungování bezprašných čistých prostor, nezbytné zázemí (vzduchotechnika a klimatizace, příprava
demineralizované vody).
2. Zásady chování v čistých prostorách. Bezpečnost práce.
3. Manipulace s křemíkovými deskami.
Po úvodním školení a diskusi o čistých prostorách bude následovat praktická část v nově vybudované Laboratoři
polovodičů na Ústavu fyziky kondenzovaných látek. V této laboratoři jsou instalovaná zařízení
pro fotolitografii, difúzi, naprašování a další chemické procesy, které umožňují přípravu jednoduchých čipů,
například polovodičové diody či solárního článku, na křemíkových deskách o průměru 100 mm (4 palce).
Během praktik, jejichž cílem bude příprava funkčních polovodičových součástek na křemíkové desce,
budou prováděny operace běžné pro jejich výrobu:
1. Oxidace: mokrá a suchá oxidace pro růst tlustých a tenkých vrstev SiO2 na křemíku.
2. Fotolitografie: nanesení fotolaku, exponování desky přes masku, vytvrzení laku, vyvolání.
3. Mokré procesy – chemické leptání.
4. Dotace dopantů (bór nebo fosfor) z pevných disků a jejich rozdifundování.
5. Naprašování metalizace.
6. Metrologie a analýza při fotolitografii – měření tloušťky vrstev (fotorezist, oxid), mikroskopie (kontrola
tvaru čar, hran a rohů součástek), elektrická měření (elektrické charakteristiky).
1.1. Křemíkové desky
Leštěné křemíkové desky o průměru 100 mm (4 palce), se kterými budeme pracovat, mají typickou
tloušťku 525 µm. Pro účely orientace desek v zařízeních a pro rozlišení typu vodivosti jsou desky opatřeny
fazetami, viz obrázek 1.1. U velkých desek o průměru od 200 mm se kvůli šetření materiálu již používají
zářezy místo fazet.
Obrázek 1.1. Orientace křemíkových desek podle hlavní fazety, identifikace typu vodivosti a orientace povrchu
podle pomocné fazety.
Pro přípravu polovodičových součástek je nutné řídit měrný odpor křemíku. V celém objemu desky je
toho dosaženo již při tažení krystalu, lokálně se to provádí během výroby součástek posloupností fotolitografie,
sycení a rozdifundování, viz dále v těchto návodech. Graf na obrázku 1.2 ukazuje závislost měrného
elektrického odporu dotovaného křemíku na koncentraci dopantů a tabulka 1 číselné hodnoty koncentrace
pro několik hodnot měrného odporu.
Praktikum v čistých prostorách – rezistor, kondenzátor, induktor (návody, 7. prosince 2009) 5
Tabulka 1. Číselné hodnoty koncentrace pro několik hodnot měrného odporu podle dat jako na obr. 1.2.
rezistivita 0.006 0.01 0.02 0.1 0.2 1 3.5 6 12 20
(Ω·cm)
koncentrace n 9.1e18 4.4e18 1.3e18 8.7e16 3.6e16 5.2e15 1.4e15 8e14 4e14 2.4e14
(cm−3)
koncentrace p 1.7e19 8.6e18 3.7e18 3.2e17 1.2e17 1.8e16 4.5e15 2.6e15 1.2e15 7.3e14
(cm−3)
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
12
10
13
10
14
10
15
10
16
10
17
10
18
10
19
10
20
10
21
rezistivita(Ωcm)
koncentrace (cm
-3
)
n
p
Obrázek 1.2. Závislost měrného odporu křemíku na koncentraci dopantů typu p a n při teplotě 300 K.
Praktikum v čistých prostorách – rezistor, kondenzátor, induktor (návody, 7. prosince 2009) 6
2. Čisté prostory
2.1. Čistota a bezprašnost laboratoře
Bezprašnost, čistota a používání speciálních přípravků a vysoce čistých médií jsou nezbytné při přípravě
obvodů či systémů o mikrometrových rozměrech, kde případná přítomnost prachových částic či jiné kontaminace
má fatální důsledky pro funkčnost vyrobených systémů. Stačí si například uvědomit, že průměr
lidského vlasu je 100 mikrometrů, pylové nebo prachové částice jsou ještě menší, a přitom součástky v současné
mikroelektronice (analogové řídící obvody, čipy, paměti, procesory) se vyrábí s mikrometrovým až
sub-mikrometrovým rozlišením. Tabulka 2 shrnuje označení tříd čistoty.
Tabulka 2. Označení tříd čistoty podle ISO normy a metrické a palcové konvence, a maximální limity koncentrace
částic ve vzduchu pro velikost částic ≥ limit. Čistá laboratoř na ÚFKL o rozloze 120 m2 spadá podle
posledního měření do třídy čistoty 100 (ISO 5).
Třídy čistoty
ISO Metrická Palcová 0,1 µm 0,2 µm 0,3 µm 0,5 µm 0,5 µm 1 µm 5 µm
14644-1 FS 209E (1/m3
) (1/m3
) (1/m3
) (1/m3
) (1/ft3
) (1/m3
) (1/m3
)
Třída 1 M1 10 2
Třída 2 M1.5 1 100 24 10 4 1
Třída 3 M2 1 000 237 102 35 8
Třída 4 M2.5 10 10 000 2 370 1 020 352 10 83
Třída 5 M3.5 100 100 000 23 700 10 200 3 520 100 832 29
Třída 6 M4.5 1 000 1 000 000 237 000 102 000 35 200 1 000 8 320 293
Třída 7 M5.5 10 000 352 000 10 000 83 200 2 930
Třída 8 M6.5 100 000 3 520 000 100 000 832 000 29 300
Třída 9 M7.5 1 000 000 35 200 000 1 000 00 0 8 320 000 2 930 000
Bezprašnost v laboratoři je zaručena použitím jemných filtrů a zajištěním laminárního proudění vzduchu
od stropu k podlaze, viz obrázek 2.3. Kromě bezprašnosti umožňuje klimatizace laboratoře dodržet přesně
definované parametry teploty a vlhkosti. Toto je důležité zejména pro teplotní stabilizaci fotolitografu pro
přípravu součástek s mikrometrovým rozlišením. Poznamenejme ještě, že ve sterilních čistých prostorách
např. ve farmacii jsou požadavky na bezprašnost podstatně nižší, avšak je prováděna sterilizace vystupujícího
vzduchu UV lampami.
Obrázek 2.3. Schéma oběhu vzduchu v čistých bezprašných prostorách.
Praktikum v čistých prostorách – rezistor, kondenzátor, induktor (návody, 7. prosince 2009) 7
Největším zdrojem znečištění v laboratoři je člověk. Proto je nutné používat speciální bezprašné kombinézy,
návleky na boty a rukavice. Pravidelný úklid (každodenní vytírání podlahy a pravidelná očista všech
zařízení) je nezbytným předpokladem udržení čistoty a dosažení kvality připravených součástek.
Ad praktikum: Před použitím každého pracoviště je nutné provést otření přístrojů a stolu bezprašnou
utěrkou navlhčenou ve zředěném roztoku isopropylalkoholu.
2.2. Čistota a bezprašnost médií
Použité materiály i média (voda, plyny) musí být velmi čisté. Chemikálie se používají v čistotě označené
p.p. (pro polovodiče), která je vyšší než čistota p.a. (pro analýzu). V našem praktiku budou použity chemikálie
(fotolak, vývojka) od renomovaného výrobce, a dále bude prováděn oplach desek v demineralizované vodě.
Demineralizovaná voda je vysoce čistá voda, která neobsahuje minerály, ionty ani baktérie. Čistota vody
se posuzuje jejím měrným odporem. Vzhledem k jeho závislosti na teplotě se hodnoty přepočítávají na teplotu
25 ◦C. Pro CMOS technologii je nutné dosáhnout hodnot 18 MΩ·cm, která je velmi blízká maximálnímu
možnému odporu 18,2 MΩ·cm při 25 ◦C.
Otázka: Jak závisí měrný odpor vody na teplotě?
Všechna tato opatření se dělají kvůli zamezení kontaminace křemíkových desek. Proto taktéž:
• Křemíkovými deskami manipulujeme pouze pomocí pinzet. Nedotýkat se rukama!
• Nad deskami a jejich zásobníky nemáváme rukama ani žádnými pracovními nástroji.
• Desky nepokládáme na stůl, ale pouze do zásobníků a na pracovní plochu přístrojů.
Praktikum v čistých prostorách – rezistor, kondenzátor, induktor (návody, 7. prosince 2009) 8
3. Postup výroby součástek
Nejjednodušší způsob přípravy pololovodičových součástek obsahuje pouze jeden fotolitografický krok.
Takto je možné vyrobit tyto pasívní diskrétní součástky: rezistor, kondenzátor a induktor, viz obr. 3.4.
Součástky vzniknou ve vrstvě metalizace (naprášená vrstva hliníku), izolovaného vrstvou SiO2 na substrátu.




	





    
Obrázek 3.4. Návrh planárních součástek vyrobitelných jedným fotolitografickým krokem: (a) čtvercový a
(b) kruhový kondenzátor, (c) rezistor a (d) induktor. Schéma vertikálního profilu (e).
Laterální velikost součástek závisí na použité masce, expozičním zařízení a typu fotorezistu. Na expozičním
zařízení Perkin-Elmer 340 v naší laboratoři lze připravit součástky s detailem 3 µm při použití pozitivního
fotorezistu a 5 µm při použití negativního fotorezistu. Příprava topologického návrhu součástek na masce
i cena výroby profesionální chromové masky na křemenném skle je náročná a nákladná. Levnější způsob
přípravy masky je například vykreslováním laserovým svazkem na fólii, čímž získáme funkční součástky
s minimální velikostí 30–50 µm. Na obr. 3.5 jsou ukázány dvě masky, které nyní v praktiku používáme.
Obrázek 3.5. Návrhy dvou masek pro fotoligrafii na deskách o průměru 100 mm připravených různými
technologiemi. (vlevo) Maska s motivem o průměru 100 mm pro přípravu kondenzátorů, rezistorů a induktorů
připravená společně s KME FEL ČVUT. Maska byla vyrobena laserovým fotoplotrem s pixelem cca 12,5 µm
(2000 dpi) na světlocitlivou filmovou fólii používanou pro výrobu profesionálních desek plošných spojů.
Dosažené rozlišení je 30 µm. (vpravo) Chromová maska na křemeném skle s motivem ve tvaru čtverce
70 × 70 mm byla vyrobená optickým zmenšováním návrhu, dosažené rozlišení je 8 µm.
Praktikum v čistých prostorách – rezistor, kondenzátor, induktor (návody, 7. prosince 2009) 9
3.1. Postup při přípravě součástek
Stručný principielní postup přípravy je následující:
• Oxidace desek.
• Popis ze zadní strany.
• Naprašování vrstvy hliníkové metalizace.
• Fotolitografie a vyvolávání.
• Leptání hliníku.
• Smytí fotorezistu.
Více informací o jednotlivých technologických procesech získáte v následujících kapitolách tohoto návodu.
Detailní verze postupu pak bude:
1. oxidace vložit čisté desky do lodičky
vložit do pece při 800 ◦C
nájezd na 1050 ◦C a stabilizace teploty
mokrá oxidace, čas zvolit podle požadované tloušťky oxidu
sestup na 800 ◦C
vytažení lodičky z pece, zchládnutí desek
2. popis desek vyrytí čísla desky diamantovým hrotem na zadní stranu desky
očištění desky isopropylalkoholem
evidence desky v deníčku evidence desek
3. měření tloušťky oxidu změření reflexního spektra spektrofotometrem
nafitování tloušťky a indexu lomu oxidové vrstvy
4. naprášení vrstvy metalizace naprášení vrstvy hliníku v naprašovačce
5. fotolitografie nanesení fotorezistu na rotační lakovce
vyhřátí fotorezistu na horké plotně při teplotě 85–90 ◦C
expozice v zařízení Perkin-Elmer 340 přes masku
vyvolání
kontrola pod mikroskopem
vyhřátí fotorezistu na horké plotně při teplotě 110 ◦C
6. leptání hliníku leptání v leptadle na hliník při teplotě 50 ◦C
oplach desek demineralizovanou vodou
osušení desek v centrifuze
7. smytí fotorezistu smytí fotorezistu acetonem
8. žíhání hliníku zažíhání hliníku při teplotě 420 ◦C (volitelný krok)
9. mikroskopická kontrola vizuální kontrola kvality vyrobených součástek pod mikroskopem
10. měření tloušťky hliníku změření profilu povrchu mechanickým profilometrem
11. měření elektrická měření (V-A a C-V charakteristiky)
libovolná další měření (a pokračování v domovské laboratoři)
Obrázek 3.6. Schematické znázornění postupu přípravy součástek.
Praktikum v čistých prostorách – rezistor, kondenzátor, induktor (návody, 7. prosince 2009) 10
3.2. Kondenzátor přes objem desky
Výše uvedeným postupem byly vyrobeny planární součástky. Na zadní straně desky zůstala vrstva oxidu
o stejné tloušťce jako oxid na přední straně. Pokud bychom chtěli měřit kapacitu kondenzátoru skrze celý
objem desky, museli bychom tento oxid odstranit. K tomu by byly potřeba tyto kroky:
6A. maskování přední strany nanesení fotorezistu na přední stranu na rotační lakovce
vyhřátí fotorezistu na horké plotně při teplotě 110 ◦C
6B. sleptání oxidu sleptání oxidu ze zadní strany v POLu
oplach desek demineralizovanou vodou
7. smytí fotorezistu smytí fotorezistu acetonem z obou stran desky
A pokud bychom chtěli ještě více zlepšit kontakt na zadní straně, pak by bylo nutné nasytit zadní stranu
dopantem (bórem nebo fosforem). Toto řešení by přineslo další kroky při zpracování desky.
Praktikum v čistých prostorách – rezistor, kondenzátor, induktor (návody, 7. prosince 2009) 11
4. Oxidace
Oxidace je proces přípravy oxidové vrstvy požadované tloušťky na křemíkové desce. Soubor technologických
procesů vyžaduje mytí desek před oxidací, vložení desek do pece a jejich suchou nebo mokrou oxidaci
pro přípravu tenkých nebo tlustých vrstev. Sleptávání oxidu pro odkrytí okének na křemíkovou desku probíhá
po lakování a vyvolání zaoxidované desky, kompletní smytí oxidu se provádí po dopování desky.
4.1. Princip
Při vysokoteplotní termické oxidaci při teplotách typicky od 800 ◦C do 1200 ◦C za přítomnosti kyslíku
dochází k oxidaci křemíkové desky. Používají se následující dva procesy:
• Suchá oxidace: oxidační pecí protéká kyslík a dochází k reakci
Si + O2 → SiO2
• Mokrá oxidace: oxidační pecí protéká čistá vodní pára, která vzniká hořením vodíku a kyslíku (zápalná
teplota 600 ◦C), a dochází k reakci
Si + 2 H2O → SiO2 + 2 H2
Při růstu vrstvy oxidu SiO2 na křemíku zaroste vzniklá vrstva ze 44 % do křemíku a 56 % jí vyroste nad
křemíkem.
Suchou oxidací se nechávají vyrůst tenké přesné oxidy od desítek po sto nanometrů, rychlejší mokrou oxidací
tlusté oxidy řádově stovky nanometrů, viz graf na obr. 4.7. Tloušťku narostlé vrstvy, která je průhledná
ve viditelném světle, můžeme měřit například interferometricky spektrofotometrem, viz kapitola 8. Při pozorování
pod denním světlem se jeví vrstva barevná, pořadí barev pro zvyšující se tlouštku je stručně sepsáno
v tabulce 3, podrobněji si budete moci vyzkoušet „hádání“ tlouštky podle barvy na spektrofotometrickém
pracovišti měření a vyhodnocení tloušťky vrstev.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 20 40 60 80 100 120
tloušťkaoxidu(nm)
doba oxidace (min)
mokrá oxidace
suchá oxidace
1050 °C
1000 °C
1050 °C
1000 °C
Obrázek 4.7. Nárůst tloušťky vrstvy oxidu křemíku SiO2 v závislosti na typu, teplotě a době oxidace. Křivky
shora dolů: mokrá oxidace při teplotách 1050 ◦C a 1000 ◦C, suchá oxidace při stejných teplotách.
4.2. Teorie
Nejjednodušším modelem procesu oxidace je model podle Deala a Grova, který udává pro vztah mezi
dobou oxidace t a tloušťkou oxidu d parabolickou závislost
d2
+ A d = Bt → t =
d2
B
+
d
B/A
, (4.1)
Praktikum v čistých prostorách – rezistor, kondenzátor, induktor (návody, 7. prosince 2009) 12
Tabulka 3. Barevná tabulka pro odhad tloušťky vrstvy termického SiO2 pozorované kolmo v denním světle
(podle Ghandhi, Wolf, Tauber).
barva tloušťka (nm)
žlutohnědá 50
hnědá 70
fialová 100 280 470 860
modrá 150 310 490 680 890
zelená 180 340 520 720 970
žlutá 210 390 570 770
červená 250 450 620 800
kde B charakterizuje difúzi O2 v SiO2 a B/A chemickou reakci na rozhraní. Obě tyto „konstanty“ závisejí
arrheniovsky na teplotě (aktivační energie a konstanta), a tyto konstanty jsou různé pro suchou a mokrou
oxidaci a závisí též na orientaci povrchu (001) nebo (111).
Jiné přesnější modely berou do úvahy další fyzikální procesy při oxidaci, například i tlak proudícího
plynu.
4.3. Postup práce
Desky musí být vždy před vysokoteplotními operacemi omyty (chemický box pro mytí). Pouze nové desky
vytažené ze zásobníku přímo od výrobce není třeba umývat.
1. Založíme desky do lodičky z křemenného skla. Na oba kraje dáme dodatečnou desku tak, aby všechny
procesní desky měly stejné okolí.
2. Lodička se zavleče háčkem do tunelu z křemenného skla, ten se položí na mostek u otevřeného otvoru
do pece a lodička se zastrčí do pece. Pozor, teplota pece je udržována na 800–850 ◦C.
3. Počítačem řízené ovládání pece provede náběh teploty na oxidační teplotu (např. 1050 ◦C) a provedena
stabilizace teploty, vše za profuku dusíkem cca 5 l/min. V případě suché oxidace (oxidace v čistém
kyslíku) bude nyní místo dusíku připuštěn kyslík. V případě mokré oxidace (oxidace ve vodní páře
vznikající hořením kyslíku a vodíku) bude nejdříve připuštěn kyslík a po několika minutách vodík. Po
uplynutí požadované doby oxidace bude provedene seběh teploty za profuku pece dusíkem na teplotu
800–850 ◦C.
4. Lodička bude vytažena z pece opět za použití tunelu. Po položení tunelu s lodičkou na stůl počkáme,
dokud desky nevychladnou na pokojovou teplotu. Teprve pak je můžeme přemístit do zásobníku nebo
přenést na následující operaci, kterou bude zřejmě lakování.
S naoxidovanou deskou je možné provést tato pozorování a měření:
1. Ověření homogenity pozorováním pod šikmým světlem. Podle barvy lze odhadnout i tloušťku vrstvy.
2. Měření tloušťky oxidové vrstvy optickým spektrometrem.
4.4. Sleptání oxidu
Sleptání oxidové vrstvy se provede v chemickém boxu. Použije se leptací směs POL (pomalé oxidové leptadlo;
BOE – buffered oxide etch), která je směsí kyseliny fluorovodíkové a fluoridu amonného. V chemickém
boxu jsou z důvodu zamezení křížové kontaminace zvlášť leptací vany pro oxid na čistém křemíku, na deskách
dopovaných bórem (BSG – borosilikátové sklo) a na deskách dopovaných fosforem (PSG – fosforsilikátové
sklo). Oleptané desky opláchneme demineralizovanou vodou a osušíme na centrifuze.
Praktikum v čistých prostorách – rezistor, kondenzátor, induktor (návody, 7. prosince 2009) 13
5. Fotolitografie
Fotolitografie je soubor technologických procesů pro přípravu topologicky přesně definovaných struktur
vytvrzením exponovaného fotorezistu na připraveném vzorku, a slouží k ohraničení oblastí, které budou
v následujícím technologickém kroku předmětem lokálních operací, jako jsou např. leptání, difúze dopantů,
implantace apod.
5.1. Principy
Fotolak (fotorezist) je chemikálie, která mění konformaci při ozáření, v našem případě spektrální čarou
365 nm rtuťové výbojky. Oblasti fotorezistu, které byly zakryté (zamaskované chromovou vrstvou na křemenném
skle) po expozici a vyvolání ve vývojce zůstanou na desce, zatímto exponované části se odplaví, a
to v případě užití pozitivního laku. V případě negativního laku se naopak odplaví neozářené části laku.
Fotolak je citlivý na blízkou UV oblast, proto je místnost fotoligrafie typická svým žlutým světlem (fólie
na zářivkách) pro odfiltrování tvrdé části viditelného spektra.
5.2. Postup práce
Provedeme nanesení laku na desku:
1. Desku dáme na několik minut do desikátoru s HMDS (hexametyldisilazan). Páry této látky provedou
hydrofobizace povrchu desky.
2. Lakování desky fotorezistem na rotační lakovce. Kapka laku se kápne do středu desky a poté se roztočí.
Tloušťka vrstvy závisí na rychlosti rotace. Lakování desky fotorezistem na rotační lakovce. Provedeme
pro různé rychlosti rotace od 1000 do 6000 otáček za minutu. Doba rotace cca 30 sekund.
3. Vytvrzení laku na horké plotně při teplotě 85 až 90 ◦C po dobu 3 minuty (tzv. soft-bake).
4. Expozice desky na expozičním zařízení Perkin-Elmer (PE 340 HT) s Hg výbojkou. Maska bude obsahovat
struktury pro další úroveň součástek. Doba osvitu (expozice) bude vhodně nastavena podle typu
fotorezistu.
Poznámka: V případě testování nanášení laku na atrapu s již vyrobenými strukturami je možné vyzkoušet
sesazování úrovní.
5. Vyvolání desky ponorem ve vývojce a osušení na centrifuze.
6. Vytvrzení laku na teplotě kolem 110 ◦C (tzv. hard-bake).
S nalakovanou deskou je možné provést tato pozorování a měření:
1. Ověření homogenity naneseného laku pozorováním pod šikmým světlem.
2. Pozorování exponovaných motivů pod mikroskopem.
3. Měření tloušťky fotorezistu optickým spektrometrem.
5.3. Smytí fotorezistu
Smytí (stripování) pozitivního fotorezistu je možné provést buď mokrým chemickým rozpouštěním acetonem
nebo suchým plazmatickým leptáním v kyslíkovém plazmatu.
Acetonem smyjeme fotorezist z oxidové vrstvy; toto můžeme provést buď ponorem desky do vaničky
v chemickém boxu anebo pomalým litím acetonu z pipety na desku rotující na rotační lakovce. Desku poté
opláchneme demineralizovanou vodou a osušíme na centrifuze. Na desce se mohou nacházet různé organické
nečistoty či zbytky ulpělého laku, které by mohly kontaminovat pec při následujícím vysokoteplotním kroku.
Proto je absolutně nezbytné následně provést chemické čištění desky. Desku umyjeme v leptací směsi kyselin
H2SO4 a H2O2 a opět opláchneme demineralizovanou vodou a osušíme na centrifuze.
Sejmutí fotorezistu z metalizace se provede tzv. suchým procesem – plazmatickým leptáním v kyslíku
v zařízení VT214. Po plazmatickém leptání již deska nesmí přijít na žádnou vysokoteplotní operaci, hrozila
by kontaminace sodíkem.
Praktikum v čistých prostorách – rezistor, kondenzátor, induktor (návody, 7. prosince 2009) 14
6. Difúze příměsí
Pro vytváření dopovaných rezistorů či PN přechodů je třeba desku nasytit nositeli (dopanty), například
bórem nebo fosforem. Tomuto procesu se říká sycení nebo legování. Proces se skládá ze dvou fází. Sycení:
nejdříve nadopujeme podpovrchovou oblast příměsemi. Rozdifundování: zahřátím na vysokou teplotu po
určitou dobu dojde ke změně koncentračního profilu příměsí směrem do hloubky desky a též do stran.
6.1. Difúze příměsí typu n (fosfor)
Difúze typu n (fosfor) je nutná pro vytvoření pn přechodů na sycených oblastech. Sycení se provádí na
zaoxidované desce s okýnky otevřenými do křemíku, poté se oxid sleptá. Sycení probíhá v peci odpařováním
atomů fosforu z pevných fosforonových disků do sousedících křemíkových desek, vše je naloženo na speciální
lodičce, teplota sycení je 950 ◦C.
6.2. Difúze příměsí typu p (bór)
Difúze typu p (bór) je nutná pro vytvoření pn přechodů na sycených oblastech. Proces je stejný jako
u fosforu, zdrojem jsou disky boron+.
6.3. Rozdifundování příměsí
Po legování z disků je dopantem nasycena pouze mělká povrchová vrstva. Pro zajištění požadovaného
koncentračního profilu je nutné provést rozdifundování příměsí více do objemu desky.
Vložíme tedy desky do pece (tentokráte bez disků). Připuštěním kyslíku dojde ke krátké reoxidaci, poté
v dusíku provedeme rozdifundování např. při 1050 ◦C.
Zamezení kontaminace: rozdifundování v patřičné peci.
6.4. Celý proces difúze a rozdifundování
Celý proces difúze a rozdifundování vypadá tedy takto:
1. Vložení desek a disků do pece, náběh teploty, sycení, seběh teploty.
2. Vyjmutí desek a disků z pece, vychladnutí.
3. Vložení desek do pece, náběh teploty, krátká reoxidace, rozdifundování, seběh teploty.
4. Vyjmutí desek z pece, vychladnutí.
Celkové nasycení je dáno dobou sycení (teplota je většinou předepsána výrobcem disků), koncentrační
profil (typická hloubka) je dán dobou rozdifundování. Tyto parametry jsou pro jednotlivé součástky předepsané
návrhářem čipu a procesu. Určení celkového nasycení je možné měřením rezistivity čtyřsondou,
koncentračního profilu měřením SRP (spreading resistance probing), tj. měřením rezistivity na šikmém vý-
brusu.
Praktikum v čistých prostorách – rezistor, kondenzátor, induktor (návody, 7. prosince 2009) 15
7. Vytvoření vodivých struktur
Vytvoření vodivých struktur, tedy vrstvy metalizace, je nutné pro vytvoření kontaktů či kontaktovacích
ploch k jednotlivým součástkám a pro jejich vodivé spojení v rámci čipu. Kontaktovací plochy pak slouží jako
místa pro hrotová měření pro testování součástek přímo na holém čipu na celé nerozlámané desce, ostatní
kontakty pro připojení nožiček v zapouzdřeném čipu.
7.1. Technologický proces
Technologický proces se skládá z naprášení vodivé hliníkové vrstvy naprašovačkou, maskování požadovaných
vodivých struktur a kontaktů fotolitografií, mokrého sleptání hliníku, odstranění fotorezistu a vyžíhání.
Naprašovaným materiálem není čistý hliník, ale jedná se o slitinu AlCuSi navrženou pro dobrý ohmický
kontakt ke křemíku a odolnou vůči elektromigraci. Postup je tedy následující:
• Naprášení se provede pomocí naprašovačky MRC 603. Desky po založení se nejdříve vyhřejí ohřevem infračervenými
lampami, poté se provede naprášení vrstvy magnetronovým naprašováním (ionty argonu)
za velmi nízkého tlaku.
Tloušťka vrstvy závisí na počtu a rychlosti průjezdu vozíku s deskami kolem targetu se slitinou, požadovaná
tloušťka je stovky nanometrů. Naprašujeme slitinu AlCuSi, v níž je nejvíce zastoupen hliník.
Na rozdíl od čistého hliníku zajišťuje tato slitina lepší kontakt kov–polovodič a má větší odolnost vůči
elektromigraci.
• Fotoligrafie (nanesení laku, expozice a vyvolání) je stejná jako v případě otevírání struktur do oxidové
vrstvy.
• Mokré (chemické) sleptání odkrytých oblastí hliníku se provede v chemickém boxu ve vyhřívané lázni
při teplotě 50 ◦C.
• Zbylý fotolak se smyje buď chemicky acetonem (pozitivní lak) nebo v kyslíkovém plazmatu v plazmatické
stripovačce VT214.
• Pro vytvoření kvalitnějších kontaktů je pak ještě možné provést krok označovaný jako zažíhání metalizace,
kdy se finální deska žíhá při teplotě 420 ◦C v dusíku.
7.2. Měření tloušťky vrstvy
Vrstva metalizace je neprůhledná a tudíž není možné změřit její tloušťku optickou interferometrií ve
viditelném světle. Proto použijeme mechanický profilometr, který diamantovým hrotem projede po povrchu
vzorku a přitom nasnímá jeho profil. Pokud je hliníková vrstva vyleptaná až na oxid, potom v naměřeném
profilu uvidíme schodovitý profil (spodní část – oxid, horní část – hliník), odkud odečteme výšku schodů,
tedy tloušťku hliníkové vrstvy. K měření použijeme profilometr Dektak 150 firmy Veeco s hrotem ve tvaru
diamantové polokoule o průměru 12,5 µm a přítlačnou silou 10 mg, viz obr. 7.8.
Obrázek 7.8. Profilometr Dektak 150 při měření profilu hliník–oxid–hliník mezi dvěma páry kondenzátorů.
Praktikum v čistých prostorách – rezistor, kondenzátor, induktor (návody, 7. prosince 2009) 16
8. Měření tloušťky propustných vrstev
V polovodičových technologiích se na křemíkové desce připravují různé vrstvy, jako například vrstva
fotorezistu, vrstva oxidu křemíku, nebo vrstva hliníku. Ke zvládnutí procesu přípravy součástek je třeba
znát tloušťky těchto vrstev. Například vrstva SiO2 funguje jako bariéra, která při sycení desky dopantem
zabraňuje nasycení zakrytých částí křemíkové desky.
Vrstvy fotorezistu a oxidu jsou průhledné, jejich tloušťky proto můžeme určit měřením spektrální odrazivosti
ve viditelném světle. Tloušťky neprůhledných vrstev, např. naprášené vrstvy metalizace, je nutné měřit
profilometrem nebo rentgenovou reflektivitou.
8.1. Teorie
Jedním ze základních úkolů optiky tenkých vrstev je určení tloušťky d a indexu lomu n1(λ) tenké vrstvy,
která se nachází na substrátu s indexem lomu n. Spektrální závislost reálné části indexu lomu popíšeme
Cauchyho vztahem
n(λ) = A + B/λ2
+ C/λ4
. (8.2)
Pro křemík ve viditelné oblasti spektra nad 400 nm je možné zanedbat absorbční koeficient a Cauchyho
závislost je
nSi(λ) = 3, 397 + 1, 4 · 105
/λ2
+ 1, 992 · 1010
/λ4
(8.3)
pro λ v nanometrech.
Při dopadu světla na tenkou vrstvu o tloušťce d dochází k interferenci, při kolmém dopadu je spektrální
závislost intenzity
R(λ) =
(r1rs)2 − 4r1rs sin2
φ
(1 + r1rs)2 − 4r1rs sin2
φ
, (8.4)
kde fázový posuv ve vrstvě je φ = 2πdn1/λ. Fresnelovy koeficienty odrazivosti na povrchu a na rozhraní
vrstvy se substrátem jsou
r1 =
1 − n1
1 + n1
a rs =
n1 − ns
n1 + ns
, (8.5)
kde n1 je index lomu vrstvy a ns index lomu substrátu.
Při experimentu nemůže spektrofotometr měřit přímo absolutní hodnotu odrazivosti R(λ), protože je
nutné brát v úvahu např. zářivost světelného zdroje a spektrální závislost účinnosti detektoru, pokud tyto
kalibrační křivky nejsou součástí jeho řídícího programu. Proto je výhodné získat odrazivost vzorku R(λ)
srovnávacím měřením, kdy srovnávacím vzorkem je vyleštěná deska křemíku s odrazivostí RSi(λ) = |rs|2,
protože spektrální závislost indexu lomu křemíku ns = nSi je přesně tabelována, viz (8.3). Pak
R(λ) = Rměřená
(λ)
RSi(λ)
Rměřená
Si (λ)
. (8.6)
8.2. Měření
Měření provedeme na vláknovém spektrofotometru. Vnější část dvojitého optického vlákna přivádí světlo
z halogenové nebo deuteriové výbojky do reflexní sondy umístěné nad vzorkem a vzorek osvětluje. Vnitřní část
sondy sbírá odražené světlo a vede ho do spektrofotometru, který provádí rozklad světla difrakční mřížkou.
Reflexní sonda se umístí kolmo nad měřenou oblast vzorku. Nejdříve změříme spektrální závislost odrazivosti
křemíku (vyleštěná křemíková deska), a poté již měříme jednotlivé vzorky s vrstvou. Programem na
simulaci a analýzu těchto spekter pak nafitujeme parametry vrstvy, tedy její tloušťku a koeficienty A, B, C.
8.3. Úkoly
Změřte závislost tloušťky vrstvy fotorezistu na rychlosti otáček rotační lakovky.
Změřte homogenitu tloušťky vrstvy fotorezistu na jedné desce.
Změřte tloušťku oxidu, porovnejte naměřenou hodnotu s hodnotou vypočtenou podle doby, teploty a
typu (suchá vs. mokrá) oxidace.
Praktikum v čistých prostorách – rezistor, kondenzátor, induktor (návody, 7. prosince 2009) 17
9. Měření elektrických charakteristik součástek
Po ukončení celého technologického procesu vedoucího k vytvoření součástek na desce můžeme přistoupit
k měření jejich elektrických charakteristik. Zejména nás budou zajímat hodnoty odporu, kapacity a indukčnosti,
a dále volt-ampérové charakteristiky.
Vyrobené součástky se nacházejí na holé desce, nejsou tedy zapouzdřené a opatřené vývody jako je
tomu v případě čipu v pouzdře s nožičkami. Měřící přístroje je proto nutné k součástkám připojit pomocí
hrotů. Nejjednodušším způsobem je použití ostrých hrotů zapojených kabelem přímo k měřícímu přístroji,
viz obr. 9.9. Velkým přítlakem však většinou součástku poničíme, navíc není možné dobře trefit součástky
menší než cca 1 mm. Proto se používají specializované stanice hrotových měření.
9.1. Stanice pro hrotové měření
Stanice pro hrotové měření se skládá z posuvného stolku pro vakuové uchycení měřené desky, kruhové
růžice, na které jsou umístěné hlavičky s hroty, stereomikroskopu, panelu s konektory propojující připojené
hroty k měřícímu zařízení a ovládací elektroniky, viz obr. 9.9. Každý hrot o velikosti cca 7 µm je možné velmi
přesně a citlivě přiložit na vybraný kontakt měřené součástky díky jemným stavěcím šroubům na hlavičce,
což sledujeme ve stereomikroskopu. Poté, co nastavíme dvojici nebo trojici hrotů na měřenou součástku a
tuto změříme, můžeme snadno a rychle posunout desku na proměření další součástky se shodnou geometrii
manuálním nebo automatickým posunem.
9.2. Měřící přístroje
Vlastní měření elektrických charakteristik zapojené součástky se provede připojením vhodného elektrického
měřiče ke hrotům. Odpor, kapacitu a indukčnost (případně jejich frekvenční závislosti) můžeme změřit
na RCLmetru. Volt-ampérové charakteristiky rezistoru a diody můžeme změřit na AVmetru s jedním zdrojem,
tranzistoru na AVmetru se dvěma zdroji. Můžeme též použít specializovaný charakteroskop se dvěma
zdroji, který automaticky změří sérii charakteristik a zobrazí je na zabudovaném displeji.
9.3. Úkoly
Vyfotografujte vyrobenou desku se součástkami. Součástky na fotografii popište, očíslujte, proměřte jejich
elektrické parametry a ty zapište do tabulky společně s geometrickými rozměry součástek. Spočtěte nebo
nasimulujte teoretické hodnoty měřených parametrů.
Obrázek 9.9. Hrotové měření ručním přiložením hrotů (vlevo) a pomocí specializované stanice hrotového
měření (vpravo).
Praktikum v čistých prostorách – rezistor, kondenzátor, induktor (návody, 7. prosince 2009) 18
10. Organizace praktika
10.1. Organizační poznámky k praktiku
• Na místo srazu přijďte přesně na určenou hodinu.
• Do laboratoří není možné vstupovat v silně či viditelně znečištěném (zaprášeném, zakouřeném) oblečení.
• Při práci je obličej nezakrytý, proto není dobré použít nevhodný make-up, vysušující kosmetiku, pudr
či jiné zdroje prachových částic a těžkých kovů.
• Dlouhé vlasy sepněte gumičkou, aby nevylézaly z kapuce kombinézy.
• Nemocným (chřipka, kašel, nachlazení) není vstup do čistých prostor povolen (uvnitř nelze kašlat a
smrkat).
• Práce studentů v praktiku je povolena pouze pod dohledem vyučujícího. Student se při práci řídí
pokyny vedoucího. V případě nejasnosti je třeba problém konzultovat s vedoucím praktika.
10.2. Vstup do čistých prostor
• Vstup do čistých prostor je přes dvě šatny, tedy troje dveře. Vzhledem k udržovanému mírnému přetlaku
v laboratoři (cca 30 Pa) smí být v jednom okamžiku otevřeny pouze jedny z nich. Neotevíráme tedy
dveře, pokud na nich zní a svítí signalizace.
• V černé šatně uložíme venkovní oblečení (též boty) do skříňky. Obujte si přezůvky (doporučujeme
vlastní).
• V čisté šatně oblékneme kombinézu, roušku a návleky postupem podle vyobrazení. Nakonec si navlékneme
rukavice.
• Poté již vejdeme do čistých prostor.
• Do čistých prostor nevnášíme žádné neautorizované předměty. Na psaní poznámek bude v laboratoři
k dispozici bezprašný papír a speciální propisky.
10.3. Další poznámky pro udržení čistoty a zabránění kontaminace
• Deskami manipulujeme pouze pomocí pinzet. Nemácháme nad nimi rukama.
• Křemenného skla se nedotýkejte, hrozí kontaminace při vysokých teplotách v peci. Při manipulaci se
ruka dotýká pouze koncových částí táhla a tunelu.
• Před každou prací na pracovišti otřeme pracovní misto a používaný přistroj isopropylalkoholem a
bezprašnou utěrkou.
• Každodenní stírání podlahy supermoderním mopem s certifikátem pro čisté prostory je nezbytností.
Proto radostně vytřeme část podlahy, pokud nás o to vedoucí praktika požádá.
10.4. Bezpečnost práce v čistých prostorách
• V laboratoři se chováme rozvážně, neběháme.
• S chemikáliemi se pracuje opatrně a to pod dohledem a pouze v chemických boxech. Při práci použijte
vhodné osobní ochranné prostředky. Při poleptání je nutné okamžitě použít bezpečnostní sprchu, oční
nebo tělovou.
• V čistých prostorách si pracovníci nepodávají ruce (máte nasazeny rukavice!).
• V šatnách ani v čistých prostorách se nesmí jíst a pít, nesmí se žvýkat žvýkačky.
• Demineralizovaná voda, stejně jako destilovaná voda, se nesmí pít.
• Pozor na horké desky a lodičky po jejich vytažení z pece.
10.5. Poznámky k vypracování protokolu
O vaší činnosti v laboratoři vypracujte protokol. V případě měření na sérii desek vysdílejte svá měření
s ostatními účastníky vašeho praktika.
Do protokolu použijte fotografie z digitálního fotoaparátu pořízené během vašeho praktika. (Poznámka:
v místnosti fotolitografie nefoťte s bleskem!) Kromě vedoucího vašeho předmětu pošlete prosím váš protokol
či fotky též na adresu autora tohoto návodu. Evidence využití a získané výsledky z této jedinečné výukové
laboratoře s čistými prostorami snad podpoří financování jejího náročného provozu i v budoucnosti.
Praktikum v čistých prostorách – rezistor, kondenzátor, induktor (návody, 7. prosince 2009) 19