第二章 微机电系统化模仁的制作程序.PDF

第二章 微機電系統化模仁的製作程序 2.1 摻雜 材料中所謂的半導體即是一種導電能力介於導體與絕緣體之間 的一種材料，例如矽、砷化鎵 (GaAs) 、Ⅲ-Ⅴ族等。半導體之導電能 力除了由自身所帶自由電子數量決定外，也會受到外來雜質的影響， 這些雜質將使半導體的電性發生變化，例如 4價的矽裡面含有少量 5 價的磷，將使原本的矽導電能力增加。這種特地在半導體材料上加入 少量特定雜質的動作稱為「摻雜(doping) 」，而所加入的雜質為「摻 質 (dopant) 」。本研究所製作之微機電系統化模仁最主要概念就是以 摻雜的概念，使模仁的特定區域具有適當的導電性，成為電阻式電熱 線，對模仁之區域具有選擇性加熱功能。 主要的摻雜技術中，有傳統式的擴散法(Diffusion) ，及較先進的 離子植入法(Ion Implantation) 。擴散法是以含有摻質的材料，如：固 態的砷、液態的 POCl3 、及氣態的BB2H6 ，作為摻雜源(impurity) ，利用 高溫烘烤 (約 800℃以上) 予以氣化(vaporized) ，在主材質(host)裡面進 行摻質從高濃度區往低濃度區移動的動作，然後傳送到晶片的表面上 完成預置(pre-deposition) ，來進行矽的摻雜；而所謂的離子植入法則 是將摻質離子化 (ionized) ，藉著加速器的加速提升能量，來把這些經 + + 離子化的摻質，如PP 及 BF2 ，直接打入矽晶片裡，來進行掺雜的預置。 兩種方式的目的都是一致的，就是對半導體進行摻質的摻入。但 就離子植入法而言，因為以離子植入法來進行摻質的預置時，所預置 的摻質濃度，可以經由離子束的電流大小來控制，且摻質在晶片裡的 分布，也可以藉著離子經加速所獲得的能量來調整，因此能精確掌握 摻質在晶片內的濃度和分布情形(尤其是對深度及橫向濃度的掌握) 。 隨元件尺寸的縮小，能越來越精準的控制植入於晶片中的摻雜位置與 數量這兩個因素，使傳統以擴散法來進行摻質預置的做法，逐漸被離 子植入技術所取代。 而被摻雜的晶片分成P型跟 N型的矽晶片。所謂的 P型與 N型 10 的晶片，是指本質半導體依不同的摻質來區分為 P型和 N型來降低 本質半導體的阻值。P型晶片是在本質半導體中摻入另一族的原子 - 第三族，像硼、鎵、鋁等，因 為三族原子只有三個價電子，當他們取 代矽原子時，這三個價電子會與周圍的矽電子形成共價鍵，但是因為 摻質只有三個電子，所以第四個共價鍵會少一個電子，產生一個電 洞，這個電洞可以由其他電子來佔據，本質半導體加入這些摻質後， 電洞數目會增加，這時候半導體主要是靠這些多餘的電洞在導電。 N 型晶片是在本質半導體中摻入第五族的原子像磷、砷、或銻等，因為 這些原子具有五個價電子，所以當它取代四價原子矽時，其中四個價 電子會和周圍的矽原子形成共價鍵，剩下的一個電子就解離成為可以 導電的自由電子，整個 N型半導體的導電主要來自於導電電子。在 實驗中 (參考黃重凱論文[29]) ，摻雜磷的製程是利用高溫爐管來進行 後以四點探針量測其阻值， P型晶片阻值較高，其原因是摻雜的磷原 子會與 P型晶片本身的三族原子結合成無效的摻雜質，降低它的導電 性質，由於我們實驗利用熱電阻的概念，需要較高的阻值以產生較多 的熱量，所以我們選用 P型矽晶片，同時 P型矽晶片價格亦較便宜， 更為經濟。 以下就對擴散法及離子植入法兩種摻雜磷的原理做進一步的解 說。 2.1.1 擴散法原理 所謂的擴散，就是指分子或原子，從高濃度區往低濃度區移動的 一種自然現象。現象的發生原因，基本上可以從熱力學的角度來加以 解釋，在熱力學第二定律中，有一個熵 (Entropy)的概念，指系統傾向 於往高亂度存在的一個趨勢指標，以(2-1)式子來量化並表示熵，即 S 。 ΔQ =Δ S ≥0 (2-1) T 其中 T 為環境溫度，Q 為系統獲自環境的熱量。所謂的亂度，就是指 不同的物體或粒子相混合後，其不以特定的