Reporte Tecnologia Planar[1]

BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA INSTITUTO DE CIENCIAS

MAESTRÍA EN DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES

TECNOLOGIA DE SEMICONDUCTORES I

PROFESOR:

Dr: SALVADOR ALCANTARA INIESTA

TEMA:

TECNOLOGIA PLANAR

PRESENTA:

ING. IGNACIO ESTEVEZ ESPINOZA

ABRIL DE 2011



INTRODUCCIÒN

En este tema estudiaremos como se hace un Circuito Integrado (C.I). La tecnología usada en la fabricación de un Chip se llama tecnología planar esta permite una gran productividad. Veremos los principales procesos de la tecnología planar y como esta se aplica para la construcción de un circuito CMOS, circuito fundamental de la electrónica digital.

Fabricación de semiconductores de silicio (tecnología planar) La fabricación de un microcircuito comienza con una oblea de silicio ultrapura de 10 a 30 centímetros de diámetro. El silicio puro es casi un aislante, pero determinadas impurezas, llamadas impurificadores, añadidas en cantidades de 10 a 100 partes por millón, convierten al silicio en conductor de electricidad. Un circuito integrado puede constar de millones de transistores, diodos, resistencias y condensadores etc. Hechos de silicio con impurezas, todos ellos conectados mediante el patrón de conductores adecuado para crear lógica del ordenador, su memoria u otro tipo de circuito. Sobre una oblea de silicio pueden hacerse centenares de microcircuitos. Los pasos para la realización del proceso de fabricación son seis que se aplican de manera universal a todos los dispositivos semiconductores de silicio estos son: oxidación, litografía, grabado, impurificación, deposición química de vapor y metalización. Estos pasos van seguidos de las operaciones de montaje, prueba, marcado, embalado y expedición. 1. Oxidación Proceso que consiste en la oxidación de la superficie exterior de la oblea de Si para hacer crecer una capa delgada (de alrededor de una micra) de dióxido de silicio (SiO2). Esta capa protege en primer lugar la superficie de impurezas y sirve además de máscara en el proceso de difusión que se hace más adelante. La finalidad de hacer crecer una capa protectora y químicamente estable de SiO2 sobre Si, Convierte a las obleas de silicio en el sustrato de semiconductores de uso más común. La oxidación también llamada oxidación térmica tiene lugar en un horno de difusión a altas temperaturas. La capa protectora de SiO2 se forma en atmósferas que contienen oxígeno (O2) conocida como oxidación seca u oxígeno combinado con vapor de agua (H2O) conocida como oxidación húmeda. La temperatura del horno puede varía desde 800 a 1.300 °C. Oxidación seca Antes de ser sometidas a oxidación, las obleas de silicio se limpian con un detergente diluido en agua y se enjuagan con xileno, alcohol isopropílico u otros disolventes. Posteriormente las obleas limpias se introducen en horno de difusión con temperaturas controladas y un flujo del oxígeno “seco” controlado dentro del horno para garantizar que exista un exceso de oxígeno que facilite el crecimiento del SiO2 sobre la superficie de la oblea de silicio.



La reacción química que se lleva a cabo en el proceso es: Si + O2 → SiO2

Se introduce gas de oxígeno puro Si(s) + O2(g) → SiO2(s) + 2H2 (g) Oxidación húmeda Cuando el agente oxidante es agua, se utilizan cuatro métodos para introducir vapor de agua—pirofórico, alta presión, borboteador e instantáneo. Se introduce vapor de agua en el horno Si(s) +2H2O(g) → SiO2(s) + 2H2(g) Es mucho más rápida y se utiliza para crear óxidos gruesos La oxidación pirofórica consiste en la introducción y combustión de una mezcla gaseosa hidrógeno / oxígeno. La oxidación a alta presión (HiPox) recibe el nombre técnico de sistema de pirosíntesis del agua y genera vapor de agua mediante la reacción de hidrógeno y oxígeno ultrapuros. En la oxidación el borboteador, se deposita agua desionizada en un recipiente llamado borboteador, donde se mantiene a una temperatura constante por debajo de su punto de ebullición de 100 °C con ayuda de una envuelta calefactora. En la oxidación instantánea, se procede al goteo continuo de agua desionizada en la superficie caliente del fondo de un recipiente de cuarzo, donde el agua se evapora en seguida al chocar con la superficie caliente.

Capa de óxido de silicio sobre la oblea de silicio

Espesores de oxidación (100) silicio



Espesores de oxidación (111) silicio

Medición de los espesores de oxidación mediante el tiempo

2. Litografía La litografía, conocida también como fotolitografía o enmascaramiento, es un método de formar patrones exactos sobre la oblea oxidada. El microcircuito electrónico se construye capa por capa, y cada una de éstas recibe un patrón de una máscara especificada en el diseño del circuito. Los proyectistas de circuitos digitalizan el sistema de circuitos básico de cada capa. Esta técnica se conoce como diseño asistido por ordenador (CAD). El dibujo final, o máscara, de cada capa de circuitos es creada por un ploter, o generador de patrones, controlado por ordenador. Estos dibujos obtenidos con el ploter se reducen después al tamaño real del circuito, una máscara maestra practicada sobre vidrio con relieve en



cromo, y luego se reproducen en una placa de trabajo que sirve para la impresión por contacto o proyección sobre la oblea. Limpieza La necesidad de que la superficie exterior de la oblea se encuentre libre de partículas y contaminación exige una limpieza frecuente. Los métodos de limpieza principales son: • Lavado con agua desionizada y detergente.

• Disolvente: alcohol isopropílico (IPA), acetona, etanol, terpenos.

• Ácido: fluorhídrico (HF), sulfúrico (H2SO4) y peróxido de hidrógeno (H2O2), clorhídrico

(HCl), nítrico (HNO3) y mezclas.

• Cáustico: hidróxido de amonio (NH4O H).

Aplicación de protector Las obleas se recubren con un material protector de polímero basado en disolvente y luego se hacen girar a gran velocidad en una centrifugadora, que distribuye el protector en una capa delgada y uniforme. Los materiales protectores se clasifican en negativos o positivos, según su solubilidad en el revelador disminuya (negativos) o aumente (positivos) con la exposición a la radiación. Secado y precocido Las obleas se transportan desde la centrifugadora a un horno con temperatura controlada y atmósfera de nitrógeno. Una temperatura moderada (de 70 a 90 °C) provoca el endurecimiento. Para garantizar la adherencia de la capa de protector a la oblea, se aplica a ésta una imprimación de hexametildisilizano (HMDS). Las longitudes de onda predominantes de luz UV que ahora se utilizan en foto enmascaramiento son de 365 nm o más, pero los espectros de lámparas UV también contienen una energía significativa en la región de longitudes de onda que puede afectar a la salud, que es la región actínica por debajo de 315 nm. Revelado Durante el paso de revelado, las superficies del protector no polimerizadas son disueltas y eliminadas. Cocido Las obleas se llevan a otro horno de temperatura controlada con atmósfera de nitrógeno. La mayor temperatura del horno (de 120 a 135 ºC) origina el curado de la fotoprotección y su polimerización completa sobre la superficie de la oblea



Arranque de la fotoprotección La oblea revelada se somete después a un grabado selectivo mediante sustancias químicas húmedas o secas. Los restos de fotoprotector tienen que eliminarse de la oblea antes de continuar el proceso.

Proceso de litografía

3. Grabado El grabado elimina las capas de dióxido de silicio (SiO2). Las dos categorías principales de grabado son el grabado químico húmedo y el seco. El grabado húmedo consiste en el empleo de soluciones que contienen los mordientes (por lo común una mezcla de ácidos). El grabado seco consiste en el empleo de gases reactivos en condiciones de vacío en una cámara de alta energía, que también elimina las capas deseadas no cubiertas por el protector.

Proceso de fotograbado eliminando resina expuesta a luz uv

4. Impurificación La formación de una unión eléctrica entre regiones p y n de una oblea individual de silicio cristalino es el elemento esencial para el funcionamiento de todos los



dispositivos semiconductores. Constituyen la base de los efectos de diodo y transistor en todos los semiconductores. En un circuito integrado, es preciso introducir un número controlado de impurezas elementales o adulterantes en determinadas regiones grabadas del sustrato de silicio, u oblea. La mayoría de los monitores de aire de higiene industrial en el sector de semiconductores se utilizan para la detección de fugas de gases inflamables y tóxicos. Pero algunas instalaciones emplean también sistemas de vigilancia continua para: • analizar las emisiones por conductos de salida (chimenea); • cuantificar concentraciones de sustancias químicas volátiles en el aire ambiente; • identificar y cuantificar olores en la áreas de fabricación. Las tecnologías más utilizadas en el sector de semiconductores para este tipo de vigilancia son la detección colorimétrica de gases (p. ej., el detector continuo de gases MDA), los sensores electroquímicos (p. ej., monitores “sensydyne”) y la transformada de Fourier en el infrarrojo (p. ej., ACM de Telos) Difusión Difusión es un término empleado para describir el movimiento de las impurezas. La difusión es el método más extendido para la formación de uniones. Esta técnica consiste en someter una oblea a una atmósfera caldeada en el horno de difusión. El horno contiene las impurezas deseadas en forma de vapor y da lugar a la creación de regiones con actividad eléctrica dopada, p o n. Las impurezas utilizadas con más frecuencia son el boro para el tipo p; y el fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb) para el tipo n.

Proceso de difusión

Implantación iónica La implantación iónica es el método más moderno de introducir elementos de impurezas a la temperatura ambiente en obleas de silicio para la formación de uniones. Átomos de impureza ionizados (es decir, átomos a los que se han arrancado uno o más de sus electrones) son acelerados mediante el paso por una diferencia de potencial de decenas de miles de voltios hasta adquirir una energía elevada. Al final de sus recorridos, chocan contra la oblea y se embuten a distintas profundidades, que dependen de su masa y su energía.



Proceso de implantación iónica

5. Depósito de vapores de sustancias químicas. El depósito de vapores de sustancias químicas (C V D) consiste en la formación de capas adicionales de material sobre la superficie de la oblea de silicio. Las unidades de C V D trabajan en general como un sistema cerrado En los procesos actuales se suelen emplear dos categorías amplias de deposición— la C V D epitaxial y el tipo más general de C V D no epitaxial. Depósito epitaxial de vapores de sustancias químicas El crecimiento epitaxial es la deposición perfectamente controlada de una sola película delgada de material que posee la misma estructura cristalina que el sustrato existente en la capa de la oblea. Se utilizan tres técnicas principales para hacer crecer capas epitaxiales: de fase de vapor, de fase líquida y de haz molecular. La epitaxia de fase líquida y la de haz molecular se usan sobre todo en el procesamiento de dispositivos III-V (p. ej., GaAs). La secuencia de depósito que se sigue en un proceso epitaxial normal comprende: • Limpieza del sustrato • Carga de las obleas; • Calentamiento • grabado con cloruro de hidrógeno (HCl) • Depósito • Enfriamiento • Descarga En casi todos los equipos de C V D se encuentran los componentes siguientes: • Cámara de reacción; • Sección de control de gases; • Control de tiempo y secuencia; • Fuente de calor para sustratos; • Manipulación del efluente.



En esencia, el proceso de C V D (deposito químico en fase vapor) comprende el suministro de cantidades controladas de los gases fuente de silicio o nitruro, junto con gases portadores, como nitrógeno y /o hidrógeno, e impurezas gaseosas si se desea, para su reacción química en la cámara del reactor. Se aplica calor para suministrar la energía necesaria para la reacción química, y además se controlan las temperaturas superficiales del reactor y de las obleas. Una vez terminada la reacción, el gas fuente que no reaccionó más el gas portador se extraen por el sistema de manipulación de efluentes y se liberan en la atmósfera.

Proceso de depósito por técnica CVD de vapores químicos

6. Metalización Una vez fabricados los dispositivos en el sustrato de silicio, tienen que conectarse para ejecutar funciones de circuito. Este proceso se denomina metalización, y es un medio de alambrar o interconectar las capas superiores de los circuitos integrados mediante el depósito de patrones complejos de materiales conductores, que encaminan la energía eléctrica en el interior de los circuitos. El amplio proceso de metalización se diferencia en función del tamaño y el espesor de las capas de metales y otros materiales que se depositan. Estos son: • Película delgada—película de espesor aproximado de una micra o menos; • Película gruesa—película de espesor aproximado de 10 micras o más; • Plaqueado—películas de espesor variable desde delgada hasta gruesa, pero en

general películas gruesas.

Los metales más corrientes empleados para la metalización de semiconductores de silicio son: aluminio, níquel, cromo o una aleación llamada cromo-níquel, oro, germanio, cobre, plata, titanio, wolframio, platino y tántalo. También pueden evaporarse o depositarse películas delgadas o gruesas sobre diversos sustratos de cerámica o vidrio. Algunos ejemplos de estos sustratos son: alúmina (96 % Al203), berilia (99 % BeO), vidrio de borosilicato, pirocerámica y cuarzo (SiO2).



Película delgada La metalización de película delgada se aplica a menudo mediante la técnica de depósito o evaporación en alto vacío o con vacío parcial. Los tipos principales de evaporación en alto vacío son:

con haz de electrones

instantánea

resistiva,

pulverización. Para realizar cualquier tipo de metalización, el sistema suele constar de los componentes básicos siguientes: • una cámara que puede evacuarse para conseguir un vacío suficiente para el

depósito. • una bomba (o bombas) de vacío para reducir los gases ambientales en la cámara. • Instrumentación para la vigilancia del nivel de vacío y de otros parámetros. • un método de depositar o evaporar las capas del material metalizador. Película gruesa La estructura y la dimensión de la mayoría de las películas gruesas no son compatibles con la metalización de circuitos integrados de silicio, sobre todo por limitaciones de tamaño. Las películas gruesas se usan en su mayoría para la metalización de estructuras electrónicas híbridas, como en la fabricación de LCD. Los materiales que se suelen utilizar en película gruesa son paladio, plata, dióxido de titanio y vidrio, oro-platino y vidrio, oro-vidrio y plata-vidrio.

Proceso de evaporación

Plaqueado Para formar películas metálicas sobre sustratos semiconductores se utilizan dos tipos básicos de técnicas de plaqueado: galvanotecnia y plaqueado químico. En la galvanotecnia



Este método de plaqueado se usa para formar películas conductoras de oro o cobre. En el plaqueado químico, se aplican la reducción y la oxidación simultáneas del metal, puede emplearse con sustratos de tipo aislante. Níquel, cobre y oro son los metales más corrientes que se depositan de esta manera. Clasificación y prueba de obleas Una vez terminada la fabricación de obleas, cada una de ellas es sometida a un proceso de clasificación en el que se comprueba el funcionamiento eléctrico de la circuitería integrada de cada pastilla mediante sondas controladas por ordenador. Una oblea individual puede contener desde cien hasta muchos centenares de dados o pastillas independientes que han de ser comprobadas. Para identificar y clasificar las pastillas que no cumplen las especificaciones eléctricas deseadas se emplean los colores rojo y azul. Separación de pastillas El trazado con láser es una técnica de separación de pastillas relativamente reciente. Un método de separación de pastillas muy extendido es el aserrado en húmedo—cortar sustratos a lo largo de la calle con una sierra circular de diamante de gran velocidad. El aserrado del sustrato de silicio puede ser de corte parcial (trazado) o completo (dados). El aserrado genera una lechada húmeda con el material arrancado de la calle. Encapsulado El objetivo esencial del encapsulado es acomodar un circuito integrado en una montura que cumpla los requisitos eléctricos, térmicos, químicos y físicos asociados a la aplicación del circuito integrado. Las monturas más extendidas son la de conductores radiales, la montura plana y la doble en línea (DIP). Las monturas de conductores radiales se fabrican casi todas de Kovar, que es una aleación de hierro, níquel y cobalto, con sellos de vidrio duro y conductores de Kovar. Las monturas planas tienen un marco de conductores metálicos, por lo general de una aleación de aluminio combinada con componentes cerámicos, de vidrio y metálicos. Las monturas dobles en línea son las más corrientes y a menudo utilizan cerámica o plásticos moldeados. Las monturas de plástico moldeado para semiconductores se producen sobre todo por dos procesos diferentes—moldeo por transferencia y moldeo por inyección. El moldeo por transferencia es el método de encapsulado en plástico predominante.



El moldeo por inyección emplea un compuesto termoplástico o termoendurecible. La resina se solidifica en seguida, se abre el molde y la montura encapsulada sale expulsada. En el moldeo por inyección se utiliza una extensa variedad de compuestos de plástico. Las resinas epoxídicas y a base de sulfuro de polifenileno (PPS) son las últimas sustancias que se han incorporado al encapsulado de semiconductores. Prueba de fugas y envejecimiento La prueba de fugas es un procedimiento desarrollado para comprobar la capacidad real de sellado o hermeticidad del dispositivo encapsulado. Hay dos formas corrientes de realizarla: la detección de fugas con helio y la detección de fugas con trazador radiactivo. Los controles de estos sistemas suelen ser: • Aislamiento en habitaciones con el acceso restringido al personal necesario

únicamente;

• Carteles de aviso de radiación en las puertas de entrada a las habitaciones donde

haya Kr 85;

• Monitores para la vigilancia permanente de la radiación con alarmas y

parada/aislamiento automáticos;

• Sistema de ventilación de salida propio y habitación con presión negativa;

• Vigilancia de exposiciones con dosimetría personal (p. ej., película dosimétrica de

radiación);

• Mantenimiento periódico de alarmas y cierres;

• Inspecciones periódicas en busca de fugas de material radiactivo;

• Formación en seguridad de los operadores y técnicos;

• garantizar que las exposiciones a la radiación se mantengan tan bajas como sea

razonablemente posible (ALARA).

El envejecimiento es una operación de esfuerzos térmicos y eléctricos para determinar la fiabilidad del dispositivo final encapsulado. Prueba final Se realiza una prueba eléctrica final. Un ordenador se encarga de ejecutar y evaluar la prueba de numerosos parámetros importantes para el funcionamiento del dispositivo. Expedición La expedición es la última operación en la que intervienen los fabricantes de casi todos dispositivos semiconductores de silicio.



Los fabricantes que a su vez son proveedores venden sus productos a otros fabricantes de productos finales, mientras que los fabricantes que producen para sí mismos utilizan los dispositivos en sus propios productos finales.



OBJETIVOS

1. realizar los procedimientos de la tecnología planar para fabricar un dispositivo fotosensible a la luz

2. medir los espesores de óxido de silicio sobre la oblea de silicio

3. hacer difusión con ZnO para aumentar la respuesta de voltaje cuando se le haga incidir luz

4. medir los voltajes a circuito abierto de nuestro dispositivo y ver la respuesta en voltaje cuando se le hace incidir luz y cuando esta sin luz

OBJETIVOS PARTICULARES

1. aprender los procedimientos de la tecnología planar para la fabricación de dispositivos semiconductores así como conocer los diferentes métodos de metalización



PARTE EXPERIMENTAL Para nuestro experimento Utilizando los pasos de la tecnología planar se llevó acabo como primer paso el corte de la oblea y posteriormente la limpieza de la oblea de silicio. Y posteriormente el proceso de oxidación.

Para el corte de la oblea de silicio se realiza en cuatro partes, y se lleva a cabo el proceso de tecnología planar solo en una de las cuatro partes de la oblea en nuestro caso se tomó una oblea de Si tipo n.

Marcas para señalar la orientación del cristal

Corte de oblea de silicio tipo “n” en cuatro partes

limpieza de oblea de silicio.



Procedimiento de Limpieza

1. La limpieza de la oblea de silicio se realiza mediante tratamiento químico conocido como piraña: esta solución con una composición 1:3 de peróxido de hidrogeno (H2O2) y ácido sulfúrico (H2SO4). 30 ml de H2SO4 y 10 ml de H2O2. Y Sumergir la oblea por un tiempo de 10 minutos.

Como siguiente paso se realizó.

a) Enjuagar 2 veces en agua des-ionizada (H2O2) por un tiempo de 1 minuto cada uno y en ultra sonido.

b) Introducir en ácido fluorhídrico (HF) al 10% por espacio de 40 segundos. c) Enjuagar 3 veces en agua des-ionizada (H2O) por un tiempo de 2 minutos cada

uno y en ultra sonido.

2. RCA-I: Eliminación de residuos o contaminantes orgánicos. Se realizó con la siguiente solución química:

Agua des-ionizada (H2O) -------------------------60 ml. Peróxido de hidrogeno (H2O2) ----------------- 12 ml. Hidróxido de amonio (NH4OH) ---------------- 12 ml.

Se introduce la oblea en la solución a 180oC por 10 minutos. Como siguiente paso se realizó.

d) Enjuagar 2 veces en agua des-ionizada (H2O) por un tiempo de 1 minuto cada uno en ultra sonido.

e) Introducir en ácido fluorhídrico (HF) al 10 por ciento por 40 segundos. f) Enjuagar 3 veces en agua des ionizada (H2O) por 2 minutos cada uno en ultra

sonido.

3. RCA-II: Eliminación de óxido nativo en la superficie.

Se realiza con la siguiente solución química:

Agua des-ionizada (H2O) 60 ml. Peróxido de hidrogeno (H2O2) 12 ml. Hidróxido de amonio (NH4OH) 12 ml.

Se introduce la oblea en la solución a 180oC por 10 minutos. Finalmente enjuagar 3 veces en alcohol por un tiempo de 2 minutos cada uno y en

ultra sonido.



Enjuague en ultrasonido de oblea en las soluciones mencionadas en cada uno de los pasos anteriores

Una vez concluido este procedimiento la oblea esta lista para realizar la oxidación.

OXIDACION Como se mencionó anterior mente existen dos tipos de oxidación: oxidación húmeda y oxidación seca. La oxidación húmeda se realiza a través de vapor de agua a una temperatura de 900 C a 1000 C. El crecimiento es más rápido pero presenta como desventajas mayores defectos y menor control sobre la oxidación. Se suele utilizar para la creación de Óxido de Campo.

Las capas de óxido pueden ser usadas como aislante (por ejemplo óxido de puerta de un MOS), para separar dos dispositivos entre sí (óxido de campo), como máscara en otros procesos (implantación, difusión.etc), para separar dos capas de materiales conductores, etc.

El proceso de oxidación realizado en el laboratorio fue el de oxidación húmeda.

• Este proceso consiste en colocar las obleas de Si en un tubo de cuarzo.

• Este tubo de cuarzo es situado dentro de un horno de apertura cilíndrica calentado por resistencia,

• La temperatura de trabajo es entre los 900 y 1100 ºC, y es controlada por un controlador de temperatura en configuración PID.

• Las capas dieléctricas son importantes para desempeñar un determinado papel en la fabricación de dispositivos semiconductores debido a su carácter aislante:

• Aislamiento entre capas metálicas (transistor MOS),

• Proteger la superficie de un dispositivo.



Proceso de oxidación húmeda con horno a 900 C

Horno para el proceso de oxidación.

De las gráficas de oxidación se tomó un tiempo de tres horas con una temperatura de 900oC para obtener un oxido de una micra de espesor. Pero como el horno no estaba calibrado (o caracterizado) se realizó la medición de la temperatura interna del horno para obtener la temperatura deseada. El inconveniente obtenido fue que al parecer el oxígeno no era oxigeno sino aire y lo esperado tuvo una gran diferencia ya que el espesor de él oxido que obtuvimos fue de aproximadamente 0.085 micras que se midieron por medio de elipsometría. La elipsometría espectroscópica es una técnica de análisis óptica que se basa en el cambio del estado de polarización de la luz que se incide sobre un material. Dicho análisis es no destructivo y es útil para la determinación de espesores de películas delgadas, y constantes ópticas de materiales (índices de refracción).

El análisis en elipsometria se llevó acabo en cuatro diferentes puntos de la oblea para verificar que el grosor del óxido era uniforme en todo el cuarto de oblea este espesor fue en todos los puntos aproximadamente igual de 0.085 micras.



De acuerdo con la tabla de colores que nos indica el espesor de óxido para nuestra oblea con elipsometria de 0.085 puede acercarse a la tabla de colores color café de 0.07 micras

Tabla de espesor de óxido con respecto al tiempo y temperatura

Litografía y Grabado.

Como ya se mencionó anterior mente este proceso conocido también como

fotolitografía o enmascaramiento, es un método que tiene como finalidad la formación

de patrones sobre la oblea de silicio oxidada, recordando que la construcción de un

microcircuito es por medio de capas, es decir se coloca una mascarilla para la primera

capa y otra con un patrón diferente para la segunda capa, este tipo de patrones se

desarrollan mediante software especializados en nuestro caso se utilizó AutoCAD esta

técnica es conocida como diseño asistido por computadora la mascarilla es impresa en

acetato estos patrones son reducidos al tamaño real del circuito, luego son grabadas

en la oblea de silicio



Proceso de litografía.

Procedimiento

a) la aplicación de foto-resina positiva que puede ser removida con disolventes

cuando esta entra en contacto con luz uv. para lograr la uniformidad de foto-

resina sobre la oblea de silicio esta capa es puesta con una bomba centrifuga

que hace vacío a la oblea para sostenerla y no se caiga al girar y que la foto-

resina quede uniformemente sobre la oblea esta se hace girar por espacio

aproximado de 15 segundos.

Centrifuga con vacío para aplicar foto-resina a las obleas de silicio

La alineación de mascarilla y la exposición a la luz uv: con ayuda de un microscopio

para una mejor alineación de la mascarilla en la oblea son situadas de manera más

precisa, esto es con ayuda de puntos de alineación que son colocados al realizar el

diseño, estos puntos ayudan de manera fácil la alineación. La radiación ultravioleta es

sensible a la foto-resina por lo cual la luz que uv que incide sobre ella puede quitarse

Foto-resina

Substrato tipo n de Si

SiO2



fácilmente con la ayuda de un disolvente. La luz incide sobre esta oblea por un tiempo

de 4 minutos luz ultravioleta cambia la estructura de la fotorresistencia: las

moléculas de una fotorresistencia negativa se unen entre si (polimerizan) en las

regiones expuestas a la luz. Por el contrario, en el caso de fotorresistencias positivas,

los enlaces entre las moléculas se rompen al iluminarse, permaneciendo polimerizadas

el resto. Las partes no iluminadas de las fotorresistencias no se ven afectadas.

Una vez convenientemente alineada la máscara se ilumina con luz ultravioleta

Radiación ultravioleta.

b) Secado y pre cocido: una vez teniendo las obleas con nuestro grabado es

necesario que la película de material protector se seque y se adhiera a la oblea

de manera uniforme por ello es llevada de la centrifuga hacia un horno con una

temperatura controlada, una temperatura entre 70 a 90 ºC provoca el

endurecimiento de la foto-rresina y la evaporación de los restos de disolventes,

el horno es colocado a 120 grados durante 10 minutos.

Horno de recocido de obleas

Con el objetivo de eliminar las superficies del protector no polimerizadas se lleva a

cabo el proceso de revelado mediante una solución química de hidróxido de sodio

Control de temperatura.



(NaOH) durante un tiempo de 3 segundos. Una vez aplicado el revelador suele

aplicarse un lavado con disolvente (acetato de n-butilo, alcohol isopropílico, acetona,

etc) con el objetivo de eliminar cualquier material residual, el protector que

permanece tras el revelado tiene la función de proteger las capas individuales durante

el proceso posterior.

Nuevamente hay que colocar la oblea en el horno con el objetivo de recocer la película

revelada en el substrato. Esta vez el horno es colocado a una temperatura de 80 º C

durante 20 minutos.

Preparación de la solución buffer que eliminara el SiO2 no protegido por la foto resina.

La solución consiste en:

15 gramos de HN4F (fluoruro de amonio).

25 ml de agua.

7 ml de HF (ácido fluorhídrico).

Posterior mente se realiza una limpieza a las obleas ya impresas para obtener el

revelado

Impurificación

Entre las regiones p y n de una oblea de silicio cristalino, se forma una unión eléctrica,

esta es el elemento esencial para el funcionamiento de los dispositivos

semiconductores, este tipo de uniones funcionan como un interruptor, permitiendo el

paso de la corriente solo de un lado. Con el objetivo de colocar impurezas en

cantidades controladas se utilizan técnicas como difusión o implantación iónica. Como

ya se mencionó anteriormente.

Para nuestro caso se utilizó el sistema de roció químico, el control del proceso

depende del tiempo de exposición, la concentración molar, la temperatura y el flujo,

con la formula siguiente se calcula la cantidad de soluto necesaria.

Masa molar = 0.1 M de acetato de Zn

Volumen = 100 ml

PM = 219.5 grs/mol



Esto se realiza con la finalidad de crear una capa de óxido de zinc, la cual puede usarse como capa tipo N, esta sirve para tener un efecto fotovoltaico, como se mostrara en los resultados de la caracterización.

Sistema de roció químico

En este sistema es colocada la solución spray pirolisis dentro de un vaso para ser calentada mediante el sistema de calefacción, la temperatura provoca que se genere un vapor el cual es transportado por la manguera hasta la salida el flujo donde llegara hacia la oblea para lograr la difusión este se llevó por un tiempo de 30 segundos. Este sistema se encuentra bajo una campana extractora de gases, como medio de seguridad para el personal de trabajo.

Creación de capas delgadas (Deposición y crecimiento epitaxial).

Aunque en esta práctica no se llevó a cabo este paso por falta de tiempo es importante mencionarlo ya que es parte del proceso de tecnología planar.

Es posible depositar diferentes tipos de material como óxidos, poli-silicio, metal y semiconductor con estructura cristalina (en este caso el proceso se llama epitaxia).

Existen dos tipos de deposición según se produzca en el proceso una reacción química o física

1) Chemical vapour deposition (CVD)

Atmospheric pressure CVD

Low-pressure CVD

Plasma-enhanced CVD

2) Physical vapour deposition (PVD)

Evaporation technology

Sputtering

Sistema de calefacción

Salida de flujo

ZnO

Oblea



Molecular Beam Epitaxy (MBE).

Las técnicas de CVD se suelen usar para depositar aislante y poli-silicio, la técnica de CVD y MBE para depositar semiconductores cristalinos (Epitaxia), las técnicas Físicas de evaporación y Sputtering para metalizaciones

Colocación de los contactos metálicos (Metalización).

Una vez que son fabricados los dispositivos en el sustrato de silicio, tienen que conectarse para ejecutar funciones de circuito. Este proceso se denomina metalización, y es un medio de alambrar o interconectar las capas superiores de los circuitos integrados mediante el depósito de patrones complejos de materiales conductores, que encaminan la energía eléctrica en el interior de los circuitos.

En la metalización Los metales más empleados para la metalización de semiconductores de silicio son: aluminio, níquel, cromo o una aleación llamada cromo-níquel, oro, germanio, cobre, plata, titanio, wolframio, platino y tántalo.

Se explicara el método de evaporación física en fase vapor.

Lo que ocurre en este proceso es que se hace pasar una corriente a través de la resistencia de tungsteno, lo cual provoca que se evapore el metal y se deposite en todas direcciones de manera lineal, en este método se desperdicia mucho material ya que también se deposita en la cámara de alto vacío, el metal es condensado en la superficie de la oblea al enfriarse.

Sistema de evaporación física en fase vapor

Contactos de Al en las obleas

Como se mencionó anteriormente la práctica solo llego hasta el punto de difusión, a continuación se presentaran los resultados de la caracterización del efecto fotovoltaico de la oblea cubierta con óxido de zinc.



Desarrollo experimental medición de voltaje a circuito abienrto

Caracterización.

El óxido de zinc tiene la propiedad de responder a la luz, por ello se llevó a cabo el estudio de este fenómeno.

Material a utilizar: 1 osciloscopio. 1 lámpara. 1 sistema de vacío. 1 puntas de osciloscopio.

Procedimiento:

Antes de hacer las mediciones de voltaje

Quitar el óxido nativo

Enjuagar con agua

Colocar en la superficie con vacío para que haya un buen contacto

Medición de efecto fotovoltaico a circuito abierto

Colocar las puntas de osciloscopio, de manera que el caimán negro sea colocado en la masa del sistema de vacío y la parte roja se colocara en la oblea donde exista difusión

Encender la fuente de luz y realizar la medición en las diferentes ventanas de la oblea donde se encuentra el ZnO

En la figura se muestra el sistema conectado, con la fuente de luz apagada.

Sistema de caracterización sin luz

Al colocar el otro extremo de la punta sobre la oblea se aprecia que la señal de voltaje obtenida no es cero, ya que existe una fuente de luz que proviene del exterior a través de la ventana del laboratorio.

La figura 15 muestra la forma como quedo grabada la oblea con la difusión de óxido de zinc



Oblea de silicio con los cuatro puntos de medición de voltaje

Resultados.

Se realizaron las mediciones con el osciloscopio calibrado a 50 milivolt por cuadro. En los cuatro puntos donde se encuentran las ventanas con ZnO sin luz y con luz con un alampara de 40w a una distancia de 12.5 cm de la oblea al foco de la lámpara las mediciones se muestran en la siguiente tabla

Sin luz Con luz

1 54 mV 158 mV

2 46 mV 164 mV

3 34 mV 108 mV

4 34 mV 110 mV

Tabla de resultados en medición de voltaje

Imágenes mostradas del osciloscopio y su modificación de voltaje con respecto a la luz incidente en las obleas

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Conclusiones

Se llevaron a cabo los procedimientos de la tecnología planar para la fabricación de un dispositivo fotosensible a la luz. El presente trabajo demuestra que la capa de óxido de zinc tiene un efecto fotovoltaico, esto es de gran ventaja ya que controlando el crecimiento de la capa y caracterizando la respuesta por tamaños podemos realizar la construcción de sensores fotovoltaicos, con las características deseadas.

Se puede apreciar que la respuesta de la zona con el menor espesor de ZnO tiene mejor respuesta que en las zonas donde el óxido es más grueso. Cabe mencionar que esta es la respuesta con fuente de tungsteno, esto provoca que la radiación se encuentre en una longitud de onda cercana al infrarrojo.

El óxido de silicio tiene respuesta en la longitud de onda del infrarrojo y el óxido de zinc una mejor respuesta a la luz blanca, en esta práctica no se llevó a cabo con una fuente de luz blanca.

Las zonas centrales de la oblea es donde existe una mejor uniformidad en el espesor de la capa de óxido de zinc, es por ello que tenemos una mejor respuesta.

La respuesta obtenida no es correcta ya que existe una fuente de luz externa que provoca que la respuesta vista en el osciloscopio sea errónea, la correcta medición deberá hacerse en un lugar aislado y con total oscuridad.

Los resultados obtenidos demuestran que la capa de óxido de zinc es muy delgada, y que la difusión no fue uniforme en la oblea, ya que como se aprecia los valores de voltaje obtenidos son distintos, aunque debemos tomar en cuenta que la distancia de la fuente de luz hacia la oblea fue de 12.5 cm, y que la emisión es isotrópica, por lo tanto la cantidad de luz en una zona no es la misma, provocando la respuesta que se obtuvo para cada área de óxido.

Las obleas muestran una mejor conducción cuando se expone a la luz que cuando esta sin luz. La razón de esto puede ser que la luz aumenta la energía de los electrones y provoca que estos se muevan en los enlaces pi (π) de unas moléculas a otras cuando se les aplica una fuente de excitación (luz)

Documents

Reporte Tecnologia Planar[1]