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120132013微细加工微细加工11第二章第二章微细加工中的基本工艺微细加工中的基本工艺在半导体发展的早期，首先使用的半导体材料在半导体发展的早期，首先使用的半导体材料是锗，但它很快被硅取代了。因为硅在大气中氧是锗，但它很快被硅取代了。因为硅在大气中氧化可以形成一层结合力很强的透明的化可以形成一层结合力很强的透明的氧化硅氧化硅(SiO(SiO22))薄膜，它可作硅表面的保护层、电路间的薄膜，它可作硅表面的保护层、电路间的绝缘介质、以及作杂质扩散的掩蔽膜。绝缘介质、以及作杂质扩散的掩蔽膜。砷化镓砷化镓（（GaAsGaAs))具有很高的迁移率，是一种重要的半导体具有很高的迁移率，是一种重要的半导体材料。但由于砷化镓在生长大的单晶和形成绝缘材料。但由于砷化镓在生长大的单晶和形成绝缘层方面还存在某些技术问题，因此在目前的层方面还存在某些技术问题，因此在目前的微电微电子学中占统治地位的半导体材料仍然是子学中占统治地位的半导体材料仍然是硅硅。。20132013微细加工微细加工22单晶硅棒单晶硅棒20132013微细加工微细加工33从沙子到芯片从沙子到芯片20132013微细加工微细加工44ICIC制作的流程框图－制作的流程框图－1120132013微细加工微细加工5520132013微细加工微细加工66昀常用的柴可拉斯基昀常用的柴可拉斯基拉拉CzochralskiCzochralski生长单生长单晶仪图解晶仪图解220132013微细加工微细加工77单晶硅生产单晶硅生产20132013微细加工微细加工88单晶硅棒硅棒多线锯切割20132013微细加工微细加工99ICIC制作的流程框图－制作的流程框图－2220132013微细加工微细加工1010ICIC制作的流程框图－制作的流程框图－22（文字说明）（文字说明）从单晶棒切成单晶片从单晶棒切成单晶片生成氧化膜生成氧化膜旋转涂附光刻胶旋转涂附光刻胶投影曝光投影曝光显影显影刻蚀刻蚀掺杂掺杂更新版图重新转移图形更新版图重新转移图形器件金属互连器件金属互连测试、标记硅片测试、标记硅片封装封装20132013微细加工微细加工1111ICIC制作的流程框图－制作的流程框图－33（昀终产品）（昀终产品）20132013微细加工微细加工1212320132013微细加工微细加工131320132013微细加工微细加工1414芯片（芯片（ICIC）切割）切割20132013微细加工微细加工151520132013微细加工微细加工161620132013微细加工微细加工171720132013微细加工微细加工1818420132013微细加工微细加工191920132013微细加工微细加工202020132013微细加工微细加工212120132013微细加工微细加工2222ICIC制作的流程框图－制作的流程框图－44设备设备20132013微细加工微细加工2323ICIC制作的流程框图－制作的流程框图－44（设备说明）（设备说明）光刻工艺设备：光刻工艺设备：光刻机、涂胶显影机、光刻胶剥离设备；光刻机、涂胶显影机、光刻胶剥离设备；蚀刻工艺设备：蚀刻工艺设备：湿法清洗刻蚀设备、金属刻蚀设备、干法刻蚀设备；湿法清洗刻蚀设备、金属刻蚀设备、干法刻蚀设备；薄膜工艺设备：薄膜工艺设备：化学气相沉积设备、物理气相沉积设备；化学气相沉积设备、物理气相沉积设备；扩散氧化设备：扩散氧化设备：高温退火设备、高温氧化设备、离子注入设备；高温退火设备、高温氧化设备、离子注入设备；测量设备：测量设备：薄膜测试设备、电子扫描设备、表面缺陷检查设备。薄膜测试设备、电子扫描设备、表面缺陷检查设备。20132013微细加工微细加工2424硅片直径的发展趋势硅片直径的发展趋势520132013微细加工微细加工2525ICIC芯片的个数与硅片直径的关系芯片的个数与硅片直径的关系20132013微细加工微细加工2626第一节第一节..微电子技术中的预备知识微电子技术中的预备知识20132013微细加工微细加工2727半导体加工半导体加工技术中的几个概念技术中的几个概念晶体晶体：原子是高度规则地排列起来的。常见的晶体有：原子是高度规则地排列起来的。常见的晶体有天然的石英、食盐、金刚石等。晶体的特点是原子的排列天然的石英、食盐、金刚石等。晶体的特点是原子的排列呈周期性，外形上通常都具有规则的几何形状，例如食盐呈周期性，外形上通常都具有规则的几何形状，例如食盐的晶体为立方体；石英的晶体为六方柱体。的晶体为立方体；石英的晶体为六方柱体。晶体有固定的熔点，在晶体的各个方向物理和化学性晶体有固定的熔点，在晶体的各个方向物理和化学性质不一样，这叫质不一样，这叫各向异性各向异性。。非晶体非晶体：常见的非晶体有玻璃、松香、橡胶、沥青等。：常见的非晶体有玻璃、松香、橡胶、沥青等。它们的原子排列没有周期性，通常没有固定的外形。它们的原子排列没有周期性，通常没有固定的外形。温度升高后逐渐变为完全流动的液体。在非晶体各个方向温度升高后逐渐变为完全流动的液体。在非晶体各个方向上的物理和化学性上的物理和化学性质相同。这种性质称为物质的质相同。这种性质称为物质的各向同性各向同性。。20132013微细加工微细加工2828单晶体是由原子周期性规则排列所组单晶体是由原子周期性规则排列所组成，因此在单晶体中可以划分出一系成，因此在单晶体中可以划分出一系列彼此平行的平面，我们把这些平面列彼此平行的平面，我们把这些平面称为晶面。称为晶面。晶面晶面的方位不止一种，为的方位不止一种，为了加以区别，我们用了加以区别，我们用““晶面指数晶面指数””来表来表示某示某——方位的晶面。方位的晶面。晶向晶向是指与晶面是指与晶面垂直的方向。垂直的方向。20132013微细加工微细加工292920132013微细加工微细加工3030620132013微细加工微细加工3131半半导导体体的的导导电电机机理理金属是通过自由电子来导电的。但半导体金属是通过自由电子来导电的。但半导体导电除了依靠电子外还依靠空穴，所以半导电除了依靠电子外还依靠空穴，所以半导体的导电类型可分为导体的导电类型可分为电子型电子型(N(N型型))和空穴和空穴型型(P(P型型))。。半导体的导电类型可以通过掺杂半导体的导电类型可以通过掺杂来进行控制。来进行控制。掺杂掺杂是半导体器件制造工艺是半导体器件制造工艺中一个昀基本、昀重中一个昀基本、昀重要的方法。要的方法。20132013微细加工微细加工3232在一定的温度下，晶体中的原子要作热运动，在一定的温度下，晶体中的原子要作热运动，价电子可以从原子热运动中得到能量，从束缚的状价电子可以从原子热运动中得到能量，从束缚的状态变为自由状态，成为自由电子。态变为自由状态，成为自由电子。以硅为例来看看它的导电机理：当一个价电子以硅为例来看看它的导电机理：当一个价电子脱离硅原子核的束缚成为自由电子的同时，在它原脱离硅原子核的束缚成为自由电子的同时，在它原来的地方由于缺少了一个价电子而留下一个空位，来的地方由于缺少了一个价电子而留下一个空位，我们把这个空位称为我们把这个空位称为空穴空穴。。因为核外电子所带的负因为核外电子所带的负电荷总量等于原子核，现在由于少了一个价电子，电荷总量等于原子核，现在由于少了一个价电子，这个原子就带正电，也可以理解为留下的空位是带这个原子就带正电，也可以理解为留下的空位是带正电荷。但是这个空位不会总是空着的，因为邻近正电荷。但是这个空位不会总是空着的，因为邻近的价电子会跑过来填补。邻近的原子走了一个价电的价电子会跑过来填补。邻近的原子走了一个价电子后又出现了一个空位。这样，空位不断地出现子后又出现了一个空位。这样，空位不断地出现又又不断被填补。不断被填补。在外电场的作用下，电子和空穴的定在外电场的作用下，电子和空穴的定向运动能形成电流。这种能形成电流的导电电子和向运动能形成电流。这种能形成电流的导电电子和导电空穴称为半导体中的载流子。导电空穴称为半导体中的载流子。这样，半导体这样，半导体中除了电子的导电作用外还有空穴中除了电子的导电作用外还有空穴参加导电。所以参加导电。所以半导体与金属的导电机理是不一样的。半导体与金属的导电机理是不一样的。20132013微细加工微细加工3333硅半导体的导电机理模拟硅半导体的导电机理模拟20132013微细加工微细加工343420132013微细加工微细加工3535半导体中的杂质和导电类型半导体中的杂质和导电类型半导体中，某些杂质是非常有害的，所以要控制生半导体中，某些杂质是非常有害的，所以要控制生产车间的产车间的净化等级净化等级；但有些杂质是非常有用的，是制造；但有些杂质是非常有用的，是制造半导体器件必不可少的。半导体器件必不可少的。以硅为例，硅原子昀外层有四个价电子，在晶格中以硅为例，硅原子昀外层有四个价电子，在晶格中是以共价健与周围四个硅原子各共用一个电子。如果在是以共价健与周围四个硅原子各共用一个电子。如果在硅中加进少量的磷原子，从元素周期表中我们可以查得硅中加进少量的磷原子，从元素周期表中我们可以查得磷是五族元素，它的昀外层有磷是五族元素，它的昀外层有55个价电子。它进入硅的个价电子。它进入硅的晶体中就要晶体中就要‘‘‘‘抢抢””占一个原来是硅原子占据的位置。当它占一个原来是硅原子占据的位置。当它与周围四个硅原子形成共价键时，它就多出一个价电与周围四个硅原子形成共价键时，它就多出一个价电子，磷称为半导体中的子，磷称为半导体中的施主杂质或施主杂质或NN型杂质型杂质。。20132013微细加工微细加工3636720132013微细加工微细加工3737通过扩散向硅中掺入的磷原子。如果磷在通过扩散向硅中掺入的磷原子。如果磷在硅中的浓度超过本征情况下的电子和空穴数。硅中的浓度超过本征情况下的电子和空穴数。因此掺入施主杂质后，半导体中起导电作用的因此掺入施主杂质后，半导体中起导电作用的主要是由施主杂质所提供的自由电子。这种主主要是由施主杂质所提供的自由电子。这种主要依靠电子导电的半导体称为要依靠电子导电的半导体称为NN型半导体。型半导体。同理掺入受主杂质后（向硅中掺入三族的同理掺入受主杂质后（向硅中掺入三族的硼原子），半导体中起导电作用的主要是受主硼原子），半导体中起导电作用的主要是受主杂质产生的空穴。这种主要依靠空穴导电的半杂质产生的空穴。这种主要依靠空穴导电的半导体称为导体称为PP型半导体。型半导体。20132013微细加工微细加工3838硅硅棒棒的的生生产产20132013微细加工微细加工3939硅硅片片的的生生产产20132013微细加工微细加工4040硅硅pnpn结结的的结结构构图图20132013微细加工微细加工4141硅硅片片的的照照片片20132013微细加工微细加工4242第二节第二节制造微细图形的基本步骤制造微细图形的基本步骤平面工艺是微细加工发展中的一个非常重要的工平面工艺是微细加工发展中的一个非常重要的工序，其序，其基本制作工艺是在不同电特性的薄膜材料上加基本制作工艺是在不同电特性的薄膜材料上加工所需要的图形。每层薄膜上先形成晶体管、电容器工所需要的图形。每层薄膜上先形成晶体管、电容器和整流器等元件，昀后将它们连接在一起，构成了集和整流器等元件，昀后将它们连接在一起，构成了集成电路成电路(IC)(IC)。。每层薄膜有不同的电特性，可通过改变基片的性质每层薄膜有不同的电特性，可通过改变基片的性质而得到，如掺杂和氧化，但也可以用蒸发和溅射的方而得到，如掺杂和氧化，但也可以用蒸发和溅射的方法，在基片上沉积一层薄膜。法，在基片上沉积一层薄膜。但但首先需要通过光刻的首先需要通过光刻的方法产生所需要的图形方法产生所需要的图形，，即把设计好的图形投影到涂即把设计好的图形投影到涂有光刻胶的表面层上，使被曝光部分的光刻胶变成坚有光刻胶的表面层上，使被曝光部分的光刻胶变成坚硬的抗蚀剂层，而未被曝光的光刻胶则在某一溶剂中硬的抗蚀剂层，而未被曝光的