Konrad Jaworski
Michał Jakub Kowalewski
Zbigniew Stefan Malinowski
Piotr Jan Nasiłowski
Dawid Maciej Rymszo
Laboratorium Podstaw Technologii Układów i Systemów
PROCESY WYSOKOTEMPERATUROWE: UTLENIANIE I DYFUZJA
1. Część symulacyjna
Ćwiczenie rozpoczęło się od przeprowadzenia symulacji procesów utleniania w programie ATHENA firmy Silvaco. Przeprowadzono symulację obu procesów dla temperatur : 850, 1000 i 1150 ºC, dla przedziału czasów od 5 do 75 minut ze skokiem 5 minut. Przyjęto te same parametry procesów jak w części technologicznej. Wyniki zamieszczono w postaci tabelarycznej i graficznej:
Utlenianie mokre:
Rysunek 1: Wykres grubości wytworzonego tlenku w zależności od czasu trwania i temperatury procesu utleniania mokrego
Tabela 1: Wyniki symulacji grubości wytworzonego tlenku w zależności od czasu trwania i temperatury procesu utleniania mokrego
Utlenianie suche:
Rysunek 2: Wykres grubości wytworzonego tlenku w zależności od czasu trwania i temperatury procesu utleniania suchego
Tabela 2: Wyniki symulacji grubości wytworzonego tlenku w zależności od czasu trwania i temperatury procesu utleniania suchego
Wnioski z części symulacyjnej
Wyniki przeprowadzonych symulacji przedstawione na wykresach pokazują dużą różnicę w szybkości narastania warstw tlenku w utlenianiu suchym i mokrym. Utlenianie mokre wykazuje się prawie 10 razy większą szybkością niż utlenianie suche. Symulacja nie pokazała innej bardzo ważnej różnicy w tych dwóch procesach decydujących o ich zastosowaniu- jakości warstw. To właśnie z powodu o wiele lepszej jakości warstw oraz z powolnego a więc dobrze kontrolowanego wzrostu cienkich warstw to utlenianie suche jest używane do produkcji warstw w których ważne są właściwości elektryczne( tlenki bramkowe, tlenki w technologii LOCOS). Utlenianie mokre znajduje zastosowanie w warstwach wymagających dużej grubości - czyli w warstwach izolujących i maskujących, użycie utleniania mokrego pozwala na skrócenie czasu wytwarzania takich warstw co oprócz oczywistego wpływu na czas wytwarzania układu zmniejsza negatywny wpływ dużych temperatur używanych w procesach utleniania.
2. Część technologiczna
Na początku pomierzono za pomocą elipsometru grubość naturalnego tlenku na powierzchni obu płytek 7-11 A.
Pierwszym etapem było wsuwanie przez 5 minut płytki do rury pieca specjalnym szklanym pogrzebaczem (oddzielnym dla każdego procesu). Tak długi proces wsuwania ma na celu
zapobiec zbyt gwałtownym zmianom temperatury (temp. w piecu dla tego procesu wynosi ok 950 º C ) w wyniku których mogłoby dojść do pękania płytki. Następnie włączono sterowany komputerowo przepływ gazów technicznych, niestety wystąpiły problemy z ustaleniem odpowiedniego strumienia gazów:
Tlen: zaprogramowano 600 ml/min -uzyskano 70 ml/min
Azot: zaprogramowano 300 ml/min - uzyskano 150 ml/min
Z tego powodu przedłużono czas utleniania do 25 minut. Wyjmowanie płytki również trwało pięć minut i przebiega analogicznie do procesu wkładania. Na końcu płytka została ostudzona strumieniem 2% Azotu i zbadana ponownie elipsometrem (5 pkt pomiarowych) w celu określenia grubości wytworzonej warstwy tlenku krzemu.
Tabela 3: Pomiar grubości tlenku krzemu po procesie utleniania suchego
Wytworzona w tym procesie warstwa tlenku krzemu cechuje się niewielką grubością oraz jej dość dużym (w porównaniu z trawieniem mokrym) rozrzutem przestrzennym. Wyniku tego procesu nie możemy porównać z wynikami symulacji z powodu problemów z przepływem gazów technicznych a co za tym idzie różnymi parametrami procesu.
Proces utleniania mokrego różnił się od poprzedniego procesu składem atmosfery technicznej. Atmosferę tą tworzyła para wodna utworzona poprzez przepuszczenie czystego tlenu (1000 ml/min) przez parę wodną, która była utrzymywana w temperaturze 130 °C. Tak samo jak w poprzednim procesie warstwa wytworzona na płytce została zmierzona elipsometrem:
Tabela 4: Pomiar grubości tlenku krzemu po procesie utleniania mokrego
Wyniki pomiarów pokazują podstawowe zalety utleniania mokrego - szybki i równomierny wzrost warstwy tlenku. Wyniki symulacji były przeprowadzane dla 850°C i 1000 °C, z porównania ich z wynikami praktycznymi łatwo wyciągnąć wniosek o ogromnym wpływie temperatury na szybkość narastania tlenku.
kowik