集成电路石英电子表

集成电路石英电子表

下面介绍一种由集成电路构成的石英电子表。

第一部分 数字电子表原理

下面的资料参见《电子手表原理使用维修》李建邦，周孟奇，朱和编著，电子工业出版社1984年出版。资料下载网址：

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集成电路石英电子表

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数字式电子表的工作原理如图1-1所示。由石英谐振器，振荡器，微调电容和CMOS集成电路中的振荡电路中的振荡电路组成稳定的CMOS石英振荡器，产生32768赫的振荡信号作为基准频率，然后把这一基准频率信号输入到分频电路。分频电路由15级相互连接的二分频电路组成。输入分频电路的32768赫的基准信号每经过1级二分频电路，就将其频率减半（即除以2），连续经过15级二分频电路，其频率信号就变为1赫的方波信号（即秒信号）。再将此信号送到秒、分、时、日、周、月等时间计数电路进行时间累计，然后把累计结果送入到译码电路，译码电路又将累计结果转换成七段数字显示所需的信号，此信号又去控制液晶驱动电路，最后在液晶显示器上正确显示出时间。

5. 驱动电路

为了确保液晶显示器的使用寿命，液晶显示器必须用交流信号驱动，而译码器输出的信号是直流信号，通常需要把译码电路输出的信号转换成能够驱动液晶显示的32赫的方波信号，才能用以驱动液晶显示器。这个直流到交流的转换任务是由驱动电路来完成的。驱动电路的类型较多，现以传输门构成的驱动电路为例来说明其工作原理。如图2-16所示，液晶显示器的公共电极接32赫的方波信号，字划a的电极与传输门T0a`和T0a``的输出端相接，T0a``的输入端与公共电极相连，T0a`输入端的驱动方波与公共电极的驱动方波的相位相反。当七段译码器的输出端A为“1”时，传输门TGa`导通、TGa``截止，给a字划电极施加的驱动方波信号与公共电极驱动方波信号反相，则字划a显示。当A端输出为“0”时，传输门T0a``导通，T0a`截止，a字划电极所施加的驱动方波信号与公共电极驱动方波同相，则a字划不显示，其余六段字划的驱动电路和工作原理都和a段字划相同。

这样对液晶显示器就实现了32赫的交流驱动，并且液晶字划的显示与否完全由译码器的输出信号来控制，这就满足了数字式电子表的要求。

6. 升压电路与电平转换电路

在电子表中，一般仅用一个扣式电池（1.5伏）作为能源，液晶显示器需要3伏以上的交流电压来驱动，对于电源电压只有1.5伏的电子手表来说，就必须采用升压电路来升高电压。在早期的电子手表中，一般采用变压器升压电路，因为早期电子手表采用的液晶显示器属于动态散射型，它的工作电压为15伏，一个变压器一次升压就可满足该种液晶显示器的工作要求。由于目前电子手表中所采用的液晶显示器属于场效应扭曲型，其工作电压为3-6伏，因此在目前的电子手表中大都采用电容二倍压整流电路或CMOS升压电路。

(1) 电容二倍压整流电路

它是由两个电容（升压电容C1、滤波电容C2）及二极管D1、D2组成的，如图2-17所示。输入端接触发器的Q和Q端。触发器输出-1.5伏、512赫的方波。该电路电源正极接地。滤波电容C2一端接地，另一端是输出端。电路的工作原理如下：

当Q端是-1.5伏，Q端是0伏时，二极管D1加正向电压而导通，此时升压电容C1充电，充电过程是：Q→C1→D1→Q。C1两端电压被充为1.5伏，电压极性如图所示，此时A点对地电压是-1.5伏，D2两端加的是反向电压因而不导通。当Q端是0伏，Q端是-1.5伏时，由于电容C1两端的电压不能突变，因此使A点的电压变为-3伏。D1两端加的是反向电压因而不导通，升压电容C1向滤波电容C2放电，即C2被充电，其回路是：地→C2→D2→C1→Q。触发器的状态不断变化，C2上的电压就被充为-3伏。电路中的二极管可制作在CMOS集成电路里，电容C1、C2是外接的。

（2）CMOS升压电路，如图2-18所示的二倍压电路是目前采用较多的一种升压电路，其外部也只能配用两个电容，而且转换效率较高。此电路中，F1,F2,F3为倒相器，N1,N2相当于控制开关，C1为升压电容，C2为滤波电容，现对该电路的工作原理介绍如下：

A点信号为连线的0~-1.5伏的512赫兹的方波。当A点为-1.5伏，经过倒相器F1后，B点为0伏，经过倒相器F1后C点为0伏，再经过F2倒相器后，D点为-1.5伏。由于C点为0伏，N1管导通，E点电压为-1.5伏。由于D点为-1.5伏，所以N2管截止，不能对电容C2充电。当A点为0伏，经过倒相器F1后，B点为-1.5伏，由于C1两端电位不能突变，所以使E点电位变为-3伏，同时经过F1.F3的倒相，使C点变为-1.5伏，D点变为0伏，因此使N1管由导通变为截止，N2由截止变为导通。由于N2管的导通而使F点变为-3伏（因E点电压为-3伏），于是电容C1就被充上-3伏电压，如此周而复始，升压电路就在A信号的控制下，不断向C2充电。因为电路的功耗极小，所以只要选择适当的C1,C2,从C2上就能获得-3伏的电压输出，从而满足了液晶显示器所需要的驱动电压。因为电路的功耗极小，所以只要选择适当的C1,C2,从C2上就能获得-3伏的电压输出，从而满足了液晶显示器所需要的驱动电压。为了既保证液晶驱动等电路的需要，又要减小电子手表的功能，因而在电子表中的CMOS石英振荡电路及第一至第六级二分频电路中，都采用1.5伏电压供电，而第七级以后的其它电路采用3伏电压供电，因此在第六级与第七级二分频电路之间设有一个电平转换电路，从而保证了级间的相互配合。而第七级以后的其它电路采用3伏电压供电，因此在第六级与第七级二分频电路之间设有一个电平转换电路，从而保证了级间的相互配合。

下面的资料参见《石英电子手表原理及维修》刘令祥，谷宜德编著，江苏科学技术出版社1982年出版

2. 秒钟信号的产生

CMOS石英振荡电路中产生的基准频率信号是32KHZ或4.2MHZ，要使这样高的频率信号变成秒钟信号就必须用一种分频电路的电路来降低这个频率，直到得到秒钟信号及某些二针的薄型表中低于1HZ的频率信号。直到得到秒钟信号及某些二针的薄型表中低于1HZ的频率信号。图2-11（a）为石英电子表用CMOS集成电路中经常采用的二分频电路。它是由CMOS倒相器、传输门组成的D型触发器。传输门（1），（2），倒相器F1,F2组成主触发器，传输门（3）、（4），倒相器F3,F4组成从触发器。从波形图[图2-11（b）]可见，每输入二个脉冲信号该电路输出一个脉冲信号，实现了二分频作用。二分频电路的种类甚多，但基本原理大同小异。指针式石英电子表用的CMOS电路一般采用16级相互级联的二分频电路，二针薄型表中的CMOS电路采用的级数更多。数字式石英表用的CMOS电路一般采用16级。如果是4.2MHZ的高频石英表其级数需22级或更多。一旦某一级二分频电路出故障，石英电子表就会出现成倍的快或成倍的慢这一故障。

3. 驱动步进马达的窄脉冲信号的形成

在一般的指针式石英表中，石英振荡电路产生的32.768HZ的标准频率信号经过16级二分频电路后得到的是0.5HZ的方波信号，这样的信号即不能直接驱动步进马达又不省电，目前广泛采用的是经过功率放大的正负交替、脉宽为7.8ms（毫秒）的脉冲信号。这样的脉冲信号，即能驱动步进马达不停的转动，又仅需用原来1/128的能量（因为一秒钟的时间里马达线圈里只有1128秒即7.8ms有电流通过）。这一脉冲信号是由集成电路中的窄脉冲形成电路和驱动电路来产生的。窄脉冲形成电路有多种形式。如图2-12是采用R-S触发器等电路组成的窄脉冲电路的逻辑图和波形图。图中Q9,Q15,Q16,Q16分别表示第9级、15级、16级二分频电路输出端。从图2-12可以清楚的分析出窄脉冲形成的过程。利用上述电路在h\g端就可以得到交替输出的其脉宽为7.8ms，时间间隔为1秒的正脉冲信号。从h,g输出的脉冲信号，由于输出阻抗很高，故仍不能驱动马达。为了获得足够的功率以驱动步进马达，常采用图2-13的电路来进行功率放大。驱动电路一旦顺坏，出来的脉冲信号有时为单脉冲，或脉冲正负不对称，或输出阻抗仍然大，这样的脉冲信号是不能保证步进马达的可靠工作的，表就会出现走慢、停走等现象。

4. 计数电路

指针式石英表与机械表一样，其时间的累计是靠轮系来实现的，而数字式石英表是靠集成电路中的计数电路来实现的。为了把从分频电路中出来的1HZ的标准秒信号累计出时、分、秒、上下午、月、日、周等时间，在数字式石英表的集成电路中设有各样的计数电路。有六十进位的秒、分计数器，有十二或二十四进位的时计数器，有七进位的星期计数器等等。这些计数器实际上都是由数级二分频电路加上适当的门电路组成，因此不同进位制的计数器实际上就是一种不同分频比的分频器。如图2-14是一个三级二分频电路连接在一起，加上一个三端与非门组成的六进计数电路。如果采用四级二分频电路，则在 不加与门控制的情况下是十六进制计数器，但加上一定的与门控制就可成为十进制或十二进制计数器。因此，用增加或减少级联的二分频电路和安排适当的门电路就组成我们所需的一切计数电路。数字式石英表就靠这些名目繁多的计数电路来实现其正确的时间累计，数字式石英表就靠这些名目繁多的计数电路来实现其正确的时间累计，一旦某个计数器损坏，其累计的结果就是不正确的。

5. 译码电路

根据表2-1及“反译码”的原则可以得到如下的逻辑表达式：

a  =DCB  A  +AB  C

b   =   C   B    A+   C    B   A

c    =C   B    A

d   =BCD  A  +AB   C   +  A   B   C

e   =   A   +   C   B

f   =   A   B   C   +CD  B  +CD  A

g   =CDB+  C   B   A

数字式石英表在调校过程中除调校项外，其余各项均不显示，所以，液晶数码管熄灭状态应用较多。为了能使液晶数码管通过一个简单的控制就能熄灭，在译码电路中采用加入一个控制参量x来实现。当x=1，则译码电路输出的七个控制字段的输出端均为“0”，各字段都熄灭。因此，实际逻辑表达式中还应加上x。如图2-16所示为实际译码电路的逻辑图。

7. 控制电路

数字式石英表，依靠外壳上装有的与电池正极相连的按钮就可顺利实现其功能的变换，时间的调校等工作，这些都靠集成电路中的控制电路来实现。现在我们以调校的逻辑控制电路为例来说明控制电路的工作原理。

（1）调校程序的概念

一只具有秒、分、时、日、星期、月六种指示功能的数字式石英表，为了使表能对这六种功能分别进行调校，必须使表按照日常的调校次序：月、日、周、时、分、秒处于六种不同的调校状态，还要加上一个正常走时的状态（非调校状态）共计七种状态，所以，所谓调校程序就是指上述依次的七种不同的状态。

（2）调校程序的产生

调校程序的产生是采用三级级联的二分频组成的七进计数电路来实现。

当表壳上的调校按钮每按一次，集成电路中与按钮相通的单脉冲发生器就产生一个脉冲，而且这一脉冲就进入调校程序计数器，使计数器从一种状态变为另一种状态。每按动一次按钮，计数器的状态就变化一次，其状态变化如表2-2中所示，表中QA,QB,QC分别表示组成调校程序计数器的三级二分频电路，CP为该计数器输入端。

当调校程序计数器处于某一状态，就可用另一置数按钮进行置数。每按动一次就向相应的计数器送入一个脉冲，有的表按住按钮不松开，单脉冲电路会自动向相应的计数器进数，直到所需调校的数字为止。在调校过程中还得封锁后级向前级进位，故实际电路中还需加入其他控制参数。总的来说控制电路是非常复杂的，这儿简单的叙述其工作原理，目的是帮组掌握数字石英表的调校。还可以利用半导体存储电路将数字石英表的计数信号存储起来，当需要校正日期时，只需要改变存储电路里面的计数器信号，即可。也可以用单片机控调整时间，用脉冲电路控制计数器。

下面内容可参见《集成电路入门》，[日]田渊诚一等著，《国外电子技术》编辑部译，科学出版社1970年出版P139

第二部分石英电子表

振荡器的频率受石英晶体控制，当标称频率32768HZ发生微小的频率偏移时，可以向相应的方向转动微调电容器，以进行控制调整。此时振荡器，便将准确而且稳定的频率信号传递给分频器。分频器的作用，是将振荡器的高频信号分频到机械传动系统适应的频率。分频器的两种互补输出是用来确定两个双稳触发器FF1和FF2的状态。双稳触发器，由一个脉冲触发后进入导通状态，当下一个脉冲到达时，便复位为截止状态，在FF1动作后一秒钟，FF2开始动作。假设15.6毫秒时，可由第九级分频器输出的脉冲将其复位。因此FF1的输出脉冲是矩形波，脉冲宽度15.6毫秒，脉冲重复周期为2秒钟（见图2）。

FF2的输出，相对于FF1的输出脉冲向后移位1秒钟，FF1和FF2两者的输出正负脉冲推动A1和A2两个放大器，向马达线圈馈送脉冲电流，在线圈上就得到正负脉冲电流推动。总而言之，石英指针式手表的电子部件中的集成电路，主要由三部分电路组成。第一部分电路，是连接石英振荡器而组成的振荡电路；第二部分电路，是把从振荡电路输入的振荡信号

16         

32768HZ进行2   次分频的分频电路；第三部分电路，是把分频电路输出的1秒钟1个脉冲信号进行放大，以推动步进马达。其它还有如复位功能等。整个电路由500-800个晶体管组成。

2. 集成电路

在显微镜下，我们可以观察到集成电路表面有一层银白色的斑纹，它是一层很有规则的图形，这就是连接电路元器件构成电路的金属铝引线。再仔细观察，还会发现在铝引线下面有很多不同颜色的亮晶晶的区域，这些就是集成电路中的元器件，如电阻、电容、晶体管等。但是它们已经失去了原来单个元件的形状，而是紧凑地排列在这硅片内了（见图3）。

石英电子手表所采用的集成电路是C-MOS-LSI电路，这种电路的突出优点是输入阻抗高、稳定性好、可靠性高、功耗低、开关速度快，而且设计简单。

3. 变换器。

石英指针式手表中的变换器，现在普遍采用步进马达进行变换。步进马达的结构，如图1-15所示。它的转子磁性很强，由高娇顽力的钐钴或铂钴磁钢制造，定子是充磁材料（如坡莫合金）制造的，要求剩磁要少。转子通过轴套安装在转子轴上，安装时，一般都是利用机械压合式实现固定（见图1-16）。

步进马达的基本工作过程是：马达驱动线圈一经流过电流，在定子上感应的磁极和转子磁极产生引力和斥力。如果流经驱动线圈的电流每次变换方向，则定子上感应的磁极方向也随之变换。那么就在一定方向上每次旋转180度，如图1-17所示。

转子与定子的距离比较小，如果转子吸了铁粉屑等金属，就会影响转子转动。

二、液晶显示器

1. LCD的种类

LCD是一种有机结晶体，它介于液体和晶体之间，外界温度的变化，可使它向晶体和液体转化。液晶有很多种类，根据其分子排列形态和构造，可大致分为：近晶相、向列相、胆甾相三种。这三大类液晶，由于它们的晶格构造不同，它的光学性质也不同。由于向列相液晶对外力（如电场、磁场、声波等）是敏感的，特别是它能产生多种光电效应。因此，无论在电子表和计算机中一般都采用向列相液晶显示器。在向列相液晶中，还可以分为动态散射型(简称DSM)、场效应扭曲向列型（简称FE），畸变排列型（简称DAP）以及电场定向排列型和参数型。但可用于电子表，目前只有动态散射型（DSM）和扭绞型（FE），其他几种仍处于探索和开发阶段。早期电子表使用DSM型，其显字为洁白色。FE型显字为黑色，实践证明，FE型液晶比DSM型效果要好得多。通过下表对比，我们可以判断，所以目前都采用粗曲向列型(FE）。

表2，DSM型特点

液晶结构简单，驱动电压高（10~30伏），消耗电流大（1~0.1毫瓦/平方厘米），显示对比不

4               

太好，工作寿命短10   小时

FE型特点

液晶结构较复杂，驱动电压较低（2~10伏），消耗电流小（1毫瓦/平方厘米），显示对比很

4       

好，工作寿命较长2*10   小时

2. LCD的组成

LCD(FE)显示器是由上偏光板、上玻璃板、透明字划电极、液晶体、透明公共电极、下玻璃板、下偏光板、反光板组成（见图1-21).LCD的玻璃板采用硼硅玻璃板，制作中要对LCD进行配向处理，即对公共电极和字划电极进行特殊处理，以使液晶分子的排列互成90度。

制字形可分为光刻法和印刷法两种，其中印刷法比较简单，制作中使字体略为倾斜，以使观看能舒适些。字划电极分为七段，有七条引出线。公共电极为负极的，有一条引出线（如图1-22）。

注入液晶后的封合，对LCD寿命的影响很大。有采用金属封口和环氧树脂封合及玻璃封合等不同方法。偏光板采用高分子材料的塑料膜，放在碘溶液中浸渍，慢慢的拉出。这样，在塑料膜上就形成了碘的披膜。然后干燥，最后按要求的外形落料即成为偏光板。塑料膜的透明度要求很高。

3.LCD的寿命

LCD的确切寿命无法说明，它因制造工艺的不同和使用不同等原因而异。理论上的寿命可达十年，但一般为保险起见，各个厂家一般只说可用五年。经实践发现，一般LCD的失效与偏光板有很大关系，因为偏光板的抗湿性很差，当液晶板受潮后，偏光板劣化，则LCD失效。同时LCD还受温度的制约，一般温度范围在-10℃~60℃之间，温度过高过低，对LCD均有影响。紫外线的长期照射对液晶也有影响。因此，要提高液晶显示器的寿命，就要在提高液晶纯度，改进偏光板材料等方面下功夫。当然，使用者也应加强保护，以延长手表寿命。

4.液晶的驱动

LCD用直流驱动，效果不好，而且寿命很好，故一般采用交流驱动。作为电子表，一般驱动LCD采用频率32赫兹的交流电压，选用32赫兹的频率是由液晶反映速度决定的。如果频率低（低于25赫兹），LCD显示的字就会发生闪动，频率过高，LCD的反应速度跟不上，看不到一个准确时间，所以一般采用32赫兹的交流电压驱动LCD。

5.液晶板的工作原理

由于在制作LCD时对它进行了定向处理，所以，当把液晶注入到液晶盒中时，液晶分子便按所处理的方向排列（见图1-21），从上玻璃板到下玻璃板的液晶分子刚好被扭转了90度。上偏光板与上玻璃板的处理方向相同，而下偏光板则与下玻璃板处理方向相同，这样上偏光板只允许与其处理方向一致的振动光通过，因此，当在字划电极和公共电极之间没有施加电压时，光线以水平方向进入上偏光板及玻璃后被液晶扭转了90度，又以垂直方向穿过下玻璃板及偏光板落在反射板上，反射板又将光线反射回去，这样我们看到的LCD为透明无显示的。而当在字划电极与公共电极之间施加下，液晶分子便改变了原来的排列顺序，而变成与电场方向一致的垂直排列，这时以水平方向射入的光线，穿过上偏光板与玻璃板，不能被液晶扭转90度变成与下玻璃板处理方向一致的光通过落到反射板上，只能停止在下偏光板上。这时，我们看到的LCD（在通电的部分）便为黑色，由于C=MOS按照特定的逻辑给字划电极供电，所以，我们便能够得到一组标准时间的程式数字显示。原理如图1-25.

6. LCD的质量特性。

（1）LCD易受外界水分等污染，所以封口必须良好，否则会因泄露而变黑。

（2）LCD会因紫外线的照射而劣化，故不宜长时间暴晒在阳光下，保存要用黑纸包好，放在避光之地。

（3）偏光板易因湿气而脱落而劣化，要干燥保存。

（4）LCD因电场而起作用，故冬天会使LCD暂时变黑，要采用防静电措施。

（5）直流电会使LCD劣化，要用交流电驱动。

（6）LCD因制造者不同而有不同的反应时间，反应时间在走马式的显示中非常重要。

（7）高温会使劣化LCD，存放地温度不超过60℃。

（8）工作中要带手指套。

（9）LCD的耗电量约0.5毫安。

三、石英晶体振子

1. 负载电容要与电路配合。

负载电容（振荡电容）是影响振荡频率的，故必须符合产品说明书的要求，石英晶体又要与C=MOS配合，否则会有间歇振动或停振现象。

2，机械振动过强会造成晶体的暂时或长期破坏，影响精度。

3.在石英晶体的焊接中，注意不要用温度过高的电烙铁；焊接时间也不要过长，焊接时过热会使晶体永久破坏，石英晶体在电路中用符号来表示。

四、电容器

LCD电子表中一般使用3~4个固定小型磁介电容器，其中两个砖红色分别为稳压用电容器和升压用电容器，其容量在0.02~0.1微法范围内。同石英表指针式手表一样，还有一个白色的为振荡器槽路电容器，容量在十几到二十几微微法范围内，和一个供调快慢用的微调电容器，它的容量在5~55微微法范围内调节，它们的作用分别如下：

1. 升压电容器。由于数字表采用LCD指示时间，但驱动LCD的电压要3伏，而手表使用电池的电压才1.55伏，因此单凭电池电压是不能驱动LCD的，需要用介质电容与C-MOS组成升压电路，以提高电压驱动LCD工作。如果没有升压电容器，则LCD显示暗淡，视野不好。

2. 稳压电容器。LCD有一个特点要交流驱动，在电子表中驱动LCD的是一个32赫兹的交变电压，如果没有稳压电容器，LCD显示的字划是闪动的。因此要用稳压电容器与C-MOS组成稳压电容器，使输给LCD的电压变得平稳些，这一点是靠电容的充放电作用完成的。

3. 振荡电容。振荡电容又名补偿电容，是对石英晶体的振动频率加以补偿。以致频率适应微调电容的调整范围，这一点与机械表的游丝定长是极为相似的。

4. 微调电容。在电子表中，它起调整频率的作用，通过其容量的变化，来改变石英振子的振荡频率。达到调整快慢的目的，从而保证表有较高的走时精度。升压电容、稳压电容和振荡电容在使用中不分正负极性。微调电容的动片必须接地，否则在调整时会出现机上调好，一松手就会改变的现象。电容器在电路图中用              的符号表示，微调电容用                              

符号表示。 

五、照明灯泡

为了在夜间或黑暗处读取时间，LCD数字表附加了照明装置。这个照明装置采用1.5伏直径1毫米左右的微型灯泡。它的电耗约为10毫安左右，其寿命一般为20~24小时。如果按每天点灯5秒钟，最低使用寿命为40年左右（灯泡寿命）。照明灯泡的效果与照明效果关系很大，灯过低（指灯在基板上的位置），不易看清时间，过高浪费光度，一般高度与LCD玻璃板相近即可。使用时照明灯不分正反。在电路中，灯泡一般用          表示。

六、导电橡胶连接器

导电橡胶连接器在电子表中起联接LCD与C-MOS引线的作用，为长条形，它由两种橡胶组成（如图1-24）。

透明部分是绝缘的，黑色部分含碳（C）为导体，电流可以通过，这种黑色部分把LCD和C-MOS引线联通，使C-MOS的输出电压激发LCD工作。导电橡胶做成一阶一阶的是为了使LCD和与之对应的C-MOS引线每一个组都处于完全独立，互不干扰，保证LCD按C-MOS指令显示正确的数字表示时间。LCD应用导电橡胶连接器的优点是，当高压缩时为组件起了衬垫作用。它比常规连接方法生产减少大量劳动力消耗。由于它是以导电层和硅橡胶绝缘层相互间隔构成，所以又称之为斑纹导电橡胶连接器。它每层的厚度约为0.005英寸，为了实现可靠的连接，一般采用0.2到0.3毫米的压缩量。导电橡胶一般不易老化，清洗可用酒精或橡皮泥擦。导电橡胶的清洁与否，同LCD的正常显示关系极大，要特别注意。

七、电路基板与簧片和其它元器件的连接

目前，电子表的电路基板都普遍采用玻璃纤维印刷电路基板，和陶瓷印刷电路基板。C-MOS焊接后用环氧树脂封闭，振荡电容、升压电容、稳压电容器则采用银浆粘接，石英振子、微调电容、各个按钮簧片、照明灯泡、蜂鸣振荡线圈、三极管和电阻器均用锡焊。如果C-MOS损坏，则整个电路基板也就报废，因为C-MOS是不可单独更换的，而其他零部件则可以单独换接，电路基板的引线是镀金的。表中的按钮簧片外面镀金，焊接方便，同时不容易因氧化而造成接触不良。正极压簧为刚性材料冲压成型，外表没有镀层，受潮易生锈，影响使用，值得注意。

下面的资料参见《电子手表原理使用维修》李建邦，周孟奇，朱和编著，电子工业出版社1984年出版

第一节石英振荡器和酒石酸钾钠振荡器

石英振荡器是构成电子手表CMOS石英振荡电路的主要元件。石英振荡器中的石英晶体片是由石英晶体切削而成的。石英晶体是一种透明晶体，俗称：水晶“，它的化学成分是二氧化硅（SIO2）。石英晶体有天然和人工制造的两种。也可以使用酒石酸钾钠作压电材料制造振荡器。可以在酒石酸钾钠水溶液中冷却结晶形成酒石酸钾钠晶体。具有压电效应的材料有很多，如电气石，水晶，酒石酸钾钠，磷酸二氢氨，酒石酸化乙二胺及钛酸钡等，他们可以用来做振荡器。

详细内容可见《物理学报》1955年第一期中的论文《天然水晶的压电振荡性能》，中国科学院应用物理研究所，刘民治著。

关于石英片制造工艺可参见苏联A.A.丘里巴诺夫著《石英片制造工艺》一书，国防工业出版社1959年出版

一、石英谐振器的种类

表用石英谐振器按构成它的石英晶体片的形状，可将其分为三大类：棒型、音叉型和薄圆片型。早期使用的棒型石英谐振器，由于它的体积大，固定工艺困难且易受外界条件影响，因此已逐渐为音叉石英谐振器所取代。音叉型石英谐振器和棒型相比，具有体积小、性能可靠、功耗小、机械强度及品质因数高等优点，因而更适宜于电子表向小型化、薄型化、高精度化方向发展。所以，目前音叉型石英谐振器在电子表中得到了广泛的应用。其性能标准见表2.1

表2.1石英谐振器的标准（单位：毫米）

项目                               标准

额定频率32768KHZ

允许的频率偏差±20ppm

最大振荡功率                         1微瓦

最大等效电阻40KΩ

品质因数Q3

≥4*10   

拐点温度25℃±5℃

工作温度范围-10℃~+60℃

储存温度范围-30℃~+70℃

振动所致的频率变化≤±3ppm

老化≤±3ppm/年

注：此标准是1975年6月在东京召开的国际电器标准会议上制订的。

圆薄片型石英晶体具有良好的频率温度特性及较高的压电活动性和频率稳定性。在电子表中，4.2MHZ的石英谐振器采用的就是这种圆薄片型石英晶体片。但随着频率的提高，CMOS电路的功耗及成本都要提高，故目前不多采用。

二、石英谐振器的结构

石英晶体片的频率、Q值等会受外界环境条件的影响而发生变化，因此，一般都密封在容器内使用。发展初期采用玻璃容器封装，但这种封装，耐冲击性不好，并且高温条件下玻璃熔接法不适用于小型化， 由于这些原因，现已广泛采用金属密封器。这种容器的外形有两种：一种是圆柱形的金属外壳，适用于音叉型晶体片；另一种是扁平型的金属外壳，适用于棒型和音叉型。

表用音叉型石英谐振器的一般外部形状为圆柱式和扁平式（现多采用圆柱式），如图2-1所示。圆柱式音叉型石英谐振器是由金属外壳、石英晶体片及带有引出线的底座等所组成的，如图2-2所示。

金属外壳起密封和保护作用，底座起密封和支承石英晶体片的作用。晶体片被固定封装在底座上，容器的封装对气密性要求很高，要长期保证高真空度，其目的是减少石英晶体片的磨擦损失，改善其性能。

三、石英谐振器的工作原理

1. 石英晶体的压电效应及压电谐振

石英晶体在没有受到外加电场或外界的机械力的作用时，电性能是中性的，见图2-3（a）。如图2-3（b）所示，当沿X方向施加机械力压缩石英晶体片时，晶体片的晶格在机械力的作用下就发生形变。正电荷1挤入负电荷2与6之间，而负电荷4挤入正电荷3和5之间，这就在晶体片的上下表面上产生了数量相等但极性相反的电荷（±q），其数值与机械压力所产生的机械形变（位移）x成正比，即：

q=k   x

1

式中k   为常数

1

如果对石英晶体片施以拉力，则在其上下两表面上所产生的电荷的符号与受压时相反，如图2-3（c）所示。这种对石英晶体片施以机械力时，就会产生电荷的效应称为正压电效应。如果将石英晶体置于电路中，施以交变电压，石英晶体即开始振动，时而伸长，时而收缩，收缩与伸长的变化量（位移）x与电场强度成正比：

x=k  E

2

式中k   为常数

2

这种对石英晶体片施以交变电压，就会产生振动的效应称为逆压电效应。石英晶体的正、逆压电效应是石英晶体振动的最基本原理。石英晶体有固有的振动频率，当石英晶体片的固有振动频率与外加的交变电压的频率相同时，石英晶体片的振动幅度最大，同时由压电效应所产生的电荷数量最多，这种现象叫做压电谐振。压电谐振决定着谐振器的选频特性，使石英谐振器的工作频率稳定。利用这个原理就可做成石英振荡器。

2. 音叉型石英晶体片的振动过程

图2-4为音叉型石英晶体片的电极分步及弯曲振动示意图，它的电极必须相反配制，同时要把两臂相同的电极连在一起。当加上电场E后，石英音叉左臂内的场强分布如图2-5（a)所示，它又可以分解为沿x轴方向的分量±E1以及z`方向的分量±E2，如图2-5（b）、（c）所示。由于石英晶体各个方向上的物理性质各不相同，沿z`方向的分量对石英晶体片的弯曲振动无影响，在沿x轴方向的分量±E1的作用下，音叉左臂的左、右两部分产生了互为异性的压电效应，从而使一部分伸长，另一部分收缩，结果使音叉左臂发生弯曲。由于石英音叉右臂的场强方向正好和左臂相反，因此右臂的弯曲方向和左臂的弯曲方向也正好相反。当对石英音叉加上交变电压时，石英音叉的两臂就将产生相对相向或背向运动，也就是说两臂将随交变电压频率的变化而发生不停的机械振动，同时向外侧弯曲，或同时向内侧弯曲。当施加的交变电压的频率和石英音叉的固有振动频率相同时，就发生压电谐振。

四、石英谐振器的特性

1. 石英谐振器的等效电路

在石英振荡电路中，石英谐振器一般是作为一个机电转换元件接入电子线路的，为了便于分析研究，一般采用如图2-6所示的等效电路来表示它的电特性。其中L1为等效电感，C1为串联等效电容，其值由石英晶体片和电极的尺寸形状以及晶体片的切型来确定。R1为串联等效电阻，是影响石英谐振器品质因数（Q值）的主要因素，它不仅与切型、尺寸等有关，而且加工条件，装架方法等，对它也有很大影响。C0为静态电容，当石英谐振器中的晶体片不振动时，晶体片就相当于一个平板电容器。

在等效电路中，L1、C1组成串联谐振电路，由于R1值很小，对谐振频率的影响可忽略不计，因此，其串联谐振频率为：

1      

f    =

s           

2π     L   C

1   1  

式中，f  为串联谐振频率,而L1、C1与C0组成并联谐振回路，其并联谐振频率为：

s  

1      

f    =

p                     C   C     

2π     L       0   1       

1   C   +C  

0     1     

式中，f   为并联谐振频率

P

如果忽略R1（值很小）的影响，则石英谐振器的阻抗频率特性曲线如图2-7所示。当工作频率f<f   或f>f   时，阻抗Z是负值，呈容性；当工作频率在f   和f  之间时。

s      p                                          s     p

在电子表的CMOS石英振荡电路中，石英谐振器时作为感性元件来使用的，即工作在串联谐振频率f   和并联谐振频率f   之间。如图2-7所示，在f   和f   之间，电抗曲线的斜率

s                 p                       s      p                   

很陡，这样，较大的电抗变化△x仅能引起较小的频率变化△f，提高了频率的稳定性。

2. 石英谐振器的品质因数（Q值）

石英谐振器的品质因数（Q值）是一个很重要的参数，它和石英振荡器的频率稳定性有着密切的关系，品质因数越高，则频率稳定性越好。石英谐振器的品质因数由它的动态参数所决定。谐振回路品质因数的定义是：

回路内储存的能量

Q=2π                                （2-1）

每周期内消耗的能量

在等效电路中,R1、L1、C1为动态参数。由式（2-1）推导出：

ωL

1

品质因数Q=                                （2-2）

R

1      

式中，ω为石英谐振器的角频率，以ω=2πf   代入式（2-2），可得，

1

2πf   L

1    1

Q=                                

R

1      

因为,

1      

f    =

1           

2π     L   C

1   1  

所以,

L    

1              1

Q=                                     （2-3）

R            R

1             1

上式中，R1代表了回路损耗，R1越小，损耗越小，Q值越高；R1越大，则Q值越低。通常L1很大，而C1和R1很小，因此石英谐振器的品质因数很高，可以达到几万甚至几百万的数量级，所以利用它组成的石英振荡器，可以获得很高的频率稳定度。在电子表中，一般都

5

采用中等精度的石英谐振器（其Q值约为10   数量级），可使手表日差保持在±0.5秒以内。

3. 石英谐振器的频率温度特性

石英谐振器随着环境温度的变化，它的谐振频率也要发生一定的变化，所以温度对手表走时精度的影响是一个很重要的问题。图2-8是石英谐振器的温度特性曲线。从图中可以看出，在不同的环境温度下，曲线的变化斜率是不同的。在某一温度下（如在25℃附近），曲线的变化比较平坦，而大于或小于这个温度的曲线的斜率都比较大，通常把这个温度称为：”拐点温度“，在这个温度附近，频率比较稳定。电子表的拐点温度选定是由环境温度和人体温度综合决定的，一般都设置在25℃（25℃±5℃）。

为了在较宽的温度范围内保证电子表的精度，就要对CMOS石英振荡电路进行温度补偿。补偿的办法一般是将振荡电路中的振荡电容作成温度补偿电容（可用某些磁性材料作介质的电容，它的温度特性和石英的相反），利用它的容量的变化来补偿由于温度变化而造成CMOS石英振荡电路频率的变化。图2-8中的虚线为经温度补偿后的石英谐振器的频率温度特性曲线。利用它的容量的变化来补偿由于温度变化而造成CMOS石英振荡电路频率的变化。图2-8中的虚线为经温度补偿后的石英谐振器的频率温度特性曲线。该曲线在较大的温度范围内比较平坦，这就改变了振荡电路的温度特性，提高了手表的走时精度。这种补偿方法可使表的走时日误差在±0.3秒内。注意事项：清洗去污时，不要长时间放在三氯乙烯溶液中，以免影响气密性。石英谐振器管壳的气密性不好而漏气，这将促使晶体片老化并增大晶体片的振动磨擦，从而引起振荡频率漂移，严重时会使CMOS石英振荡电路停振。因此管壳漏气会造成手表走时变慢甚至出现不显示故障。

三、导电橡胶的作用原理

数字式电子表中的导电橡胶，其主要作用是传递笔划电极的工作信号。各笔划电极的显示与否，都受CMOS集成电路输出信号的控制。以最常见的三位半液晶显示器“18：88“形式为例，它有24个笔划电极，加上电路基板上与它对应的CMOS控制信号的电极，总计48个细密的接点。如果采用锡焊方式来一一连接，即使工艺上能办到，也费工费时，成本昂贵。而采用导电橡胶连接，这种接触式弹性连接方法结构简单、成本较低、组装方便、防震，且有利于表芯的维修。

在表芯中，导电橡胶被装在电路基板和液晶显示器的对应电极之间。当这三个元件相互接触、对位和固定以后，各个笔划的控制信号就从电路基板接点平行传递到液晶显示器的电极接点上，从而使表出现日期和时间的正常数字显示。在装配时，只要顺次放好三元件，拧紧螺丝钉即可正常显示。理想的情况下，三元件完全对应连接，如图2-21所示。

二、液晶显示器的结构

目前在数字式电子表中应用最广泛的场效应扭曲型液晶显示器的结构如图2-22所示。它是由紫外线滤光片、液晶盒、上下偏光片及反光片等构件组成的。

液晶盒由上下两块玻璃板、液晶及封口材料组成。上玻璃板内侧制作有七段字划电极，电极材料是二氧化铟（或二氧化锡）薄膜。下玻璃板内侧制作有公共电极。这些电极的功用是使外界电场通过它们而加到液晶上去，从而使液晶分子的排列受到外界电场的控制。上、下两块玻璃板都进行了定向处理，两块玻璃板的定向方向互相垂直，因此充进液晶盒内的液晶分子的长轴在定向层的作用下就与玻璃平面平行，并使排列方向在上、下玻璃表面呈正交方向，这就使上、下两块玻璃板之间液晶分子的长轴形成了一种扭曲结构。封装时注意保证上、下电极图形重合，液晶盒周边的封口材料要求有良好的耐候性，并且不与液晶材料起反应，一般采用低融点玻璃、金属或环氧树脂进行封口。在液晶显示器表面加有一层紫外线滤光片，目的是不让紫外线照射液晶，从而延长液晶的寿命。上、下偏光片都是采用高分子材料的塑料膜在一定的工艺条件下加工而成的。自然界中的光线，按其光波振动方向可以分为自然光和偏振光，自然光是一种电磁波，具有横波特征，它的光波振动在各个方向上都有。而偏振光则不然，它仅有单一振动方向的光波。偏光片的作用就是只允许自然光中某一振动方向的光通过，从而使自然光通过它以后，成为沿一个方向振动的偏振光。液晶显示器有上、下两块偏光片，上偏光片被放置于液晶盒的上面，它将自然光变成水平方向的偏振光，下偏振光与上偏振光正交，放在液晶盒的下面，它只让垂直方向的偏振光通过而阻挡水平方向的偏振光。反光片的作用就是把到达反光片的光，按照原来的路线发射回去。

三、液晶显示器的工作原理

如前所述，液晶的分子长轴在液晶盒中形成了一种扭曲结构，当有一束水平偏振光通过这个扭曲液晶层时，其偏振方向将会沿着扭曲方向而旋转。液晶分子长轴90度的扭曲最终导致90度的旋光。当对两块玻璃板上的电极施加电压后，液晶分子就转变为垂直于上、下玻璃板表面排列，扭曲结构消失并导致旋光作用消失，这种电光效应称为扭曲效应。当液晶显示器未加电场时，到达上偏光片的自然光线经上偏光片变成水平偏振光，进入液晶盒后产生扭曲效应，被扭曲排列着的液晶分子扭转90度，变成了垂直方向的偏振光，由于该偏光片正好和下偏光片的偏振方向一致，因此可以顺利的透过下偏光片而射向反光片，被反光片发射后的偏振光，按照原来的光路顺利返回，反射回来的光进入人的眼睛时，液晶显示器就呈现透明状态而不显示字样如图2-23左半部分所示。当驱动电路把需要显示数字的信号电压加到液晶显示器的有关字划节段电极上时，液晶分子长轴带负电荷的一端靠向电场的正方向，带正电荷的一端靠向电场负方向。这样液晶分子就改变了原来的排列方向，而转变为玻璃板表面垂直（如图2=23右半部份所示），即扭曲结构被破坏，使液晶丧失了将上偏光板射进来的偏振光扭曲90度的能力，偏振光依然保持水平方向，因此无法穿过下偏光板，被下偏光板阻挡而到达不了反光片，字划就变得不透明（呈现黑色），所需要的时间数字便显示出来。

当电场撤除以后，该字划间的液晶分子又受到定向层表面力的作用而恢复到原来的排列，字划又变为透明。液晶显示器上的每一位数字由七段字划组成，如图2-24所示。如果在公共电极上加商32HZ，幅度3伏的方波信号，而在字划电极a,b,d,e,g段加上与公共电极反相的方波信号。此时，公共电极与这些电极之间就存在着绝对值为3伏的电压差，而在c,f上加与公共电极同相的方波信号，这就使a,b,d,e,g段字划变黑，而c,f段不变，于是显示器上便显示出2字

组成液晶的材料有近晶型液晶材料，例如：对氧化偶氮苯甲醚（CH3OC6H4(NO)=NC6H4OCH3)，

组成液晶的材料有胆甾相，例如：苯甲酸胆甾酶酯（C6H5COOC27H45)，

偏光片的结构组成

偏光片的基本结构包括：最中间的PVA(聚乙烯醇），两层TAC(三醋酸纤维素），PSA film(压敏胶），Release film(离型膜）Protective film(保护膜）。其中起到偏振作用的是PVA层，但是PVA极易水解，为了保护偏光膜的物理特性，因此在PVA的两侧各复合一层具有高光透过率、耐水性又有一定机械强度的TAC薄膜进行保护，这样就形成了偏光片原板。在普通TN型LCD偏光片生产中，根据不同的使用要求，需要在偏光片原板的一侧涂覆一定厚度的PSA,并复合上对PSA进行保护的隔离膜；而在另一侧要根据产品类型，分别复合保护膜、反射膜，半透半反胶层膜，由此形成偏光片成品。对STN型LCD偏光片产品，还要在PSA层一侧，根据客户的不同需要，按一定的补偿角度复合具有一定相位补偿值的位相差膜和保护膜，由此形成STN型LCD偏光片产品，这就是LCD偏光片的基本结构和作用原理。使用的压敏胶为耐高温防潮压敏胶，并对PVA进行特殊浸胶处理（燃料系列产品），所制成的偏光片即为宽温类型偏光片；在使用的压敏胶中加入阻止紫外线通过的成份，则可制成防紫外线偏光片；在透射原片上再复合上双折射光学补偿膜，则可制成STN用偏光片；在透射原片上在复合上光线转向膜，则可制成宽视角偏光片或窄视角偏光片；对使用的压敏胶、PVA膜或TAC膜着色，即为彩色偏光片。实际上随着新型的液晶显示器产品不断开发出来，偏光片的类型也越来越多。

下面的资料参见《石英电子手表原理及维修》刘令祥，谷宜德编著，江苏科学技术出版社1982年出版

银电池中又分为氧化银、过氧化银电池。在银电池中又因其所用的电解液不同又分为：氧化银钠电池、过氧化银钠电池；氧化银钾电池，过氧化银钾电池。其中氧化银和过氧化银钠电池内阻大（尤其在低温条件下），故只适用于小电流放电的指针式石英表和不带照明灯的液晶显示数字式石英表。氧化银和过氧化银钾电池内阻小，因此宜用于带微型照明灯的液晶显示和发光二极管显示的数字式石英表。要根据表的不同品种正确选用相应的电池品种，否则，氧化银钠电池用于带照明灯的液晶显示的数字式石英表上，一旦电池电压稍微低落或处于低温环境，一按照明灯就会使电池的电压明显下降，从而使表停止工作。当然，氧化银钾电池使用久后内阻也会增大，这时按照明灯也会使表停止工作。这属于正常现象，表明该换电池了。图2-28，2-29为直径11.5mm、厚5。3mm的氢氧化钠、氢氧化钾银电池内阻温度特性和闭路电压的温度特性，它直观的说明了这一点。

现在我们把这四种电池的化学成份和主要性能列于表2-3，

表2-3四种银电池性能对照表

名称      电压（V）   正极  负极  电解液  内阻  容量     适用范围

氧化银钠电池 1.55氧化银Ag2O锌Zn NaOH最大最小指针式，不带照明灯LCD石英电子表

氧化银电池 1.55氧化银Ag2O锌Zn KOH最大 最小 指针式，不带照明灯LCD石英电子表

过氧化银钠电池1.55过氧化银AgO锌Zn NaOH最大 最小指针式，不带照明灯LCD石英电子表

过氧化银钠电池1.55过氧化银AgO锌Zn KOH最大 最小指针式，不带照明灯LCD石英电子表

表用电池按其外形尺寸又可以分为多种品种，目前已系列化。我国表用电池的规格也按国际上公认的系列生产。在国内市场上流行的大都是氧化银电池，外形尺寸主要有Φ11.6*4.2m/m,Φ7.9*5.4m/m,,Φ7.9*3.6m/m三种。上海、天津、北京、广州、烟台、苏州、沈阳等地生产的男指针式石英表，一般采用Φ11.6*4.2氧化银钠电池；女表采用Φ7.9*3.6氧化银钠电池。

二、电池的结构

氧化银电池的结构如图2-30所示，它是一种小型扣式密封性结构的电池。

1. 负极性

负极盖即是电池壳的组成部分，又是电池负极输出端。一般采用弹性较好的Cu-ST-Ni三层复合金属带来制作负极盖。

2. 负极活性物质（负极材料）

负极活性物质通常是以60目左右的高纯度的锌粉为主。这种高纯度锌粉5%左右的汞进行汞剂化生产汞剂粉，然后加压制成饼状作为负极活性物质。电解液使用NaOH或KOH碱溶液。

3. 膈膜

膈膜是一种经过特殊加工的纤维素材料组成的复合膜。膈膜的作用，是保证把正极与负极物质严格分开，同时又要保证只让带电的离子，如OH-，顺利通过，而又不许银通过。它实际上是一种分子筛。.

4. 正极活性物质（正极材料）

正极活性物质是在氧化银中加入5%以下的碳组成。由于这种粉末难以成型，故在其中加入粘合剂，经充分混合后按规定的量加压成型。

5. 正极壳体

正极壳体由08F不锈钢带制成。即是电池的壳体的组成部分，又是电池的正极输出端。

6.密封圈

密封圈一般由尼龙一类材料注塑而成。密封圈的重要作用在于：一、把负极盖和正极壳体绝缘，不许发生相互短路；

二、把电池放电时产生的气体能通过密封圈排放出来，而电池内的碱液又不许外漏。因此，它必须具备透气不漏液的功能。

要做成性能优异的电池，不但对壳体材料、化学试剂等有严格的要求，而且对正负极活性物质的制备、配比、封口等工序要求也十分严格。稍有不当，电池的质量就受影响，电池的质量差，就直接影响石英电子表的质量。

第三部分集成电路入门

单片集成电路，顾名思义，是在整块单晶硅片上，利用掺杂法制成晶体三极管、二极管等有源元件的电阻、电容等无源元件并在其表面布线而构成的电路。主要材料是硅（包括外延层和氧化膜）和硼、磷等外加杂质（掺杂剂），此外还有铝，金等电极材料，封装集成电路用的陶瓷、玻璃、铁、镍、钴合金等密封材料，在制造过程中，还要使用氟酸、硝酸、氢气、氮气、光致抗蚀剂等。金属-氧化物-半导体集成电路所用材料与单片集成电路大致相同，但薄膜集成电路则使用玻璃、陶瓷等作基片；镍*铬合金、钽（Ta）、二氧化锡（SnO   ）、

2  

金属陶瓷等作电阻；二氧化硅（SiO   )，以氧化硅（SiO）、氧化镁（MgO）、

2                     

五氧化二钽（Ta   O   ）等氧化物作电容；金、银、铝、镍、铂等做电极。多片混合薄膜

2   5                       

集成电路是由单片与薄膜电路组合而成。

2.1单晶生长

硅是由硅砂（SiO   ）还原而成的，但由于需要得到极高的纯度，所以要分馏精制一次，还

2           

原成容易蒸发的氢化物或卤化物（SiH   ，SiHCl   ，SiCl   )，然后在进行热分解或氢还原。

4        3       4

提纯后的多晶硅电阻率在100欧姆/厘米以上。为了制备单晶，用高频感应加热法使多晶硅熔化后引入籽晶，边旋转边缓慢地拉晶（提拉法），或移动高频线圈使熔液慢慢移动（浮区法），以便在冷却凝固过程中使单晶沿着籽晶的晶向生长。凝固前，熔液中外加适当的杂质（掺杂），使之具有所需的导电类型和电阻率，制成的单晶为直径25~35毫米、长度20厘米左右的圆柱体晶体（图2.1）。

图2.1单晶生长法

硅是占地球上全部物质四分之一的一种元素，仅次于氧（二分之一），表2.1列出了硅的特性。

表2.1硅的特性（25℃）

原子序数                    14

原子量28.086

22         3                    

原子密度4.96*10   （个/厘米    ）

3     

密度                         2.238（克/厘米    ）           

介电常数                    11.7

禁带宽度                    1.115（电子伏特）

熔点                        1417（℃）

2              

电子迁移率                  1350（厘米   /伏*秒）

2       

空穴迁移率480（厘米   /伏*秒）

折射率                      3.420

导热率                       1.57（瓦/厘米*℃）

-6        

热膨胀系数2.62*10    /℃                

。

晶格常数                     5.4307(  A    )      

2.2切割与研磨

由于金刚石在硬度、抗压强度、导热率、摩擦系数等方面均较适合，因此以其粉末作摩擦剂，使用圆锯型切片机将单晶切成200~400微米厚的薄片，这叫做切片。最近大多使用内圆型切片机（图2.2），它的刀刃镶在圆圈形金属薄片（片厚50~100微米）的内圆上。外圆同样固定在旋转轴上，与过去的外圆刃式切片机相比，它可以使用更薄的刀刃（150~200微米），因此能以较小切割耗量、较小加工余量和较高精度切出更薄的晶片（图2.3）。通常，从切割面至晶片内部可能产生50~100微米的加工余量，因此要用机械的、化学的方法将其消除。首先进行粗磨（图2.4）将硅片置于上下磨盘之间，滴入研磨液（磨料即悬浮在研磨液油中），同时，使磨盘作游星运动，磨料主要采用氧化铝粉，从粗粒开始顺次换用细粒，粒度达5~10微米（1500号~3000号）时的粗磨称为研磨。在台面晶体管开始出现以前，是用化学腐蚀法腐蚀出平坦而洁净的表面。但如腐蚀太强，则表面凹凸不平，边缘凹陷并变薄，反而达不到要求的表面平坦度和硅片平行度，就集成电路来说，为了进行外延生长、介质隔离、光刻等，对上述特性的精度要求极高。因此，对机械研磨的要求很严格，并应采用弱腐蚀的方法。

精磨（抛光）又称镜面研磨（图2-5），是将粗磨过的硅片粘附在上磨盘上，将粒度0.05~1微米的金刚砂磨膏或γ氧化铝磨料涂在下磨盘的研磨绒上并使下磨盘旋转。机械研磨厚留下的加工余量大致为最终所用磨料粒度的1~2倍，即研磨时约为10微米，抛光时约为1微米，这可用化学弱腐蚀消除。腐蚀方法原理上是用硝酸之类的氧化剂使余量部分生成氧化物，然后用氟酸溶解掉。晶体的缺陷和位错会造成不均匀扩散，使少数载流子的寿命缩短，使载流子的迁移率减小。外延基片的生长层中也有这种现象。

2.3扩散

杂质扩散指的是从高温的硅表面渗入杂质以改变硅片内部杂质浓度分布的过程，是制造pn结和电阻的最重要工序。外延生长、硅氧化物薄膜等均与扩散现象密切关系。若将硅片加热到1000~1300℃，则杂质原子就很容易在晶体中移动，与硅原子置换，并通过晶格间隙进入内部填隙。这种现象一直持续到整个硅片的总浓度达到预定值为止（正如墨水滴在静止水中的扩散那样。实际上，当pn结在预定位置形成，晶体管基区宽度确定后，降低温度，就可使扩散进入杂质固定下来）正如把已扩散了墨水的水冻结起来那样）。但金扩散的情况是特殊的，如下所述，要求在整个硅片内均匀分布。

2.3.1杂质分布

扩散原子流密度J与浓度梯度成正比。采用一维表达式，则为

                         ӘN                  

.                  J=-D

                         Әx

式中J——杂质原子在单位时间内通过与表面平行的单位面积的流量，即扩散原子流密度；D——比例常数，称为扩散系数，其值随温度而急剧增大。式中负号表示扩散是沿高浓度到低浓度的方向进行。注：此处原书为“扩散速度f”，但其定义有误，故以扩散原子流密度J表示。——译者。图2.6表示由扩散引起的杂质流动情况。为简单起见，现将浓度梯度视为恒定不变，如每个箱内，杂质原子因热运动而以相等原子数向左右移动，则可看出扩散流I是自左指向右的。

2.3.3硅片的处理

如硅片表面有局部污染，而且晶体又有缺陷，则不能实现均匀的扩散。因为在集成电路中，所有几十个元件必须全部是合格的，故结深随pn结在硅片面上的位置不同而有差异就是一个严重的问题。必须尽可能避免硅片清洗不良，以及在扩散气氛中混入不需要的外来物质，最好是像外延生长那样，扩散前在炉内进行气相腐蚀。晶体的位错，晶格缺陷都会使杂质在其中沉积而使特性变坏。

2.3.5氧化

二氧化硅（SiO2）是利用硅的氧化作用，以简单的均匀的接触法制得的，厚度很容易控制。不仅可用光刻法开局部窗孔以起掩蔽作用，而且可利用氧化气氛中的扩散将pn结制作于氧化膜之下，因此表面通常是惰性的。因二氧化硅是电绝缘体，故布线还可直接粘附于氧化硅上，所以它对于集成电路的制造是不可缺少的。由于杂质硅和二氧化硅（SiO2）中的扩散系数大不相同，在二氧化硅中的扩散系数较小，因此在扩散工序中，二氧化硅可对掺杂起掩蔽膜作用。因为扩散是三维空间的，所以在二氧化硅膜下面也有扩散蔓延。其量根据一级近似可视为与扩散深度相同（图2.15）。掩蔽扩散常用的杂质是硼和磷，因二者扩散系数D相同，固相溶解度较大，可以获得较高的表面浓度。砷（As）的D非常小（但Ns较大），所以在热处理时不易进行扩散。像集成电路那样，优点在于当进行数次pn结扩散时，初始的杂质分布不容易影响以后的扩散。镓（Ga）例外，它在二氧化硅中扩散系数大，二氧化硅对其失去掩蔽作用。硅的氧化是在900~1200℃的扩散炉中引入氧气或水蒸气进行的。随着硅表面的氧化，氧化膜的生长要通过已生成的二氧化硅进行，所以生长速度随时间变慢（图2.16，2.17）。但此种热氧化具有使扩散面移动、混入外来杂质、表面产生缺陷、形成n型沟道、反向耐压强度下降（详见后述）等缺点，因此最近在考虑采用SiO2和SiN4气相生长法。

通常采用的SiO2膜的厚度为500A到10000A（1微米），即光波长的数量级，故可呈现美丽的干涉色彩，由于在集成电路中要开几次窗孔，每次膜厚各不相同，所以表面具有若干种色彩（图2.18）。

2.3.6扩散炉

温度的均匀性稳定性是扩散炉特性中要求最严格的。现在广泛采用的扩散炉是把康太丝绕成螺旋状，将加热部分分为三个区域，用硅可控整流器控制相位，使中心与两端的温度差保持为零。这种方法称为零位平衡方式主从控制法，或同步微分控制法等。采用这种方法，在50~60厘米长的温度区内，温度均匀度为±0.5℃以内，如温升为自室温至1250℃，降温时间为1.5~2小时，则按±0.5℃的误差计算，插入石英片250~300克时，温度恢复时间为5~10分钟左右，在50厘米长的加热区内约放置100片硅片，由于每一硅片含有几百个集成电路，所以一次扩散可以处理几万个集成电路。

2.3.7扩散方法

杂质源有采用元素单质的，也有采用化合物的。例如，以硼作杂质时即采用B2O2、固BCL3(气相）、BBr3（液相）等，以磷作杂质时即采用P2O5（固相）、POCL3（液相）等化合物，对P2O5这样的固相源可用开管法，把清洁的石英管放入炉中，自一端送入氧等气体（称为运载气体），将杂质置于气流中硅片的上游某一位置上，该处温度能使杂质蒸气压达到适当值（对P2O5为200~300℃），硅片排列在气体出口处的石英舟上，用石英棒将它送至具有预定扩散温度的位置上，并立刻控制时间（图2.20）。对于气相杂质，可直接或用别的运载气体将杂质稀薄的引导到硅片上，对于液相杂质，则使运载气体通过液面或潜入液内，将液相杂质的蒸气（图2.2）输送到硅片上。也要控制杂质温度，以保保持其蒸汽压为预定值。也有将杂质镀覆，蒸发或涂覆在硅片上以实现浓掺杂扩散的，但由于这会损伤硅片表面，故在集成电路中，除了金扩散之外不采用此法。闭管法是将硅片和掺杂剂一起封在石英管中加热，以掺有定量杂质硅粉末作为掺杂剂，真空密封后，可在无流动的准平衡状态下进行操作。这种方法由于在现性，均匀性较好，适用于精密扩散。另外还有在氧化膜上掺杂的固态对固态（Solid to Solid）扩散法。在像发射极那样要求高表面浓度的情况下，按上述一次扩散的余误差函数分布进行扩散。对基极用的低表面浓度则按二次扩散（前者称为预淀积、后者称为运行或驱入）的高斯分布进行扩散（参见图2.7，2.8），在二次扩散中，譬如采用POCL3时，

17      21            

表面浓度可以控制在5*10   ~1*10   /厘米  的宽广范围内。氧化膜的生长状态因运载气体、杂质的种类而异，这对扩散浓度、深度均有影响，并使光致抗蚀剂的附着性变坏，氧化膜腐蚀过程也会变得异常迅速或迟缓，因此必须加以注意。

2.4外延生长

英文外延生长一词为“epitaxy”，原为希腊语，cpi表示“在上”之意，taxy是tcinen的过去形，表示“排列”之意，就是气相原子的基片单晶上沿晶向淀积生长的意思。气相反应时，原子自由的旋转运动，并聚集到阵点上而生成单晶（图2.24）。外延生长的最大优点是无需补偿杂质面在硅片表面所需浓度布置的生长出p型和n型层。

2.41.外延反应

外延反应是利用四氯化硅的氢还原或者硅烷的热分解来进行的。

1200℃             

←

SiCl   +2H  →    Si+4HCl

4              

1000℃             

←

SiH    →    Si+2H

4              2           

与提拉法、区域提纯法等相同，高温反应法是使上述的蒸气流经石英管内高频加热的抛光硅片（图2.25）。因四氯化硅易于纯化，无毒性，价格低廉，故通常都采用此法。

高温反应分为下列两个阶段：

←

I)SiCl   +2H  →    Si+4HCl

4              

←

Ii)2SiCl   →  Si+SiCl

2           4    

第一阶段在气相中发生反应，第二阶段两个SiCl2分子在第三者（基片）存在时发生反应。气相中三者碰撞的几率很小，借助与基片的碰撞形成单原子，继而成为完美的晶体。如反应全部在气相中发生，则硅凝固而沉淀在基片上，晶格上有效截获的几率较小，因而形成多晶。第二阶段是就就原子脱离不规则位置的几率和层生长的几率来说的准平衡反应，所以生长缓慢。但如提高温度，则附于表面的原子能量增加，容易找到阵点因而加速生长过程。实际上可使生长速度以1100℃时为0.1微米/分，1200℃时为1微米/分、1270℃时为5微米/分的步调增加。在第二阶段反应中，

控制反应机理和温度，可使原子不附着在石英管壁或管内的硅片舟上，而只在硅表面生成。

2.4.2工序控制

气体的纯度和基片的性质对外延生长的影响很大。气体中即使仅仅含有百万分之二十五左右的氧、水蒸气和脂肪等链式化合物，也有碍完美单晶的生长。基片的清洁度和结晶质量也是外延生长的重要因素：如晶体表面有损伤、氧化物、污垢、尘埃等，则生长层上就会产生突起、小孔、晶格缺陷。擦伤之类较大的晶体缺陷，甚至将在生长后的表面导致同等大小的缺陷。此种外延生长缺陷将影响杂质扩散的均匀性，对集成电路的特性危害较大。为使表面清洁，生长反应之前必需用盐酸气体腐蚀表面。例如，保持硅片温度为1200℃，使盐酸气体由氢稀释100倍，然后流经硅片数分钟，即可将表面腐蚀掉数微米，

2             2                           

这样使缺陷限制在1000条/厘米   到10条/厘米   四个数量级的允许范围内。当然，生长速度同四氯化硅的流量、其与氢气的混合情况以及温度有关，但通常是靠时间来控制厚度。

掺杂时，事先需将杂质（如n型中的PH3，p型中的B2H6等氢化物）用氢稀释一万倍左右。参杂剂的反应和SiCl4的大致相同，先变成磷原子和硼原子，再在硅晶格内生长。掺杂时使稀释的掺杂剂和SiCl4与氢气一起流动，

16      3       

例如，为使0.5欧姆*厘米的n型外延层（相当于10   /厘米  ）达到25微米厚，

8     

需取H2:SiCl4=800：1，H2：PH3=5*10  ：1、流量为30升/分，反应时间需50分钟。如流量过大，则硅片中间部分凸起，边缘变薄：如流量过小，则情况相反。此外，气流中的SiCl4在下游有偏离气流的倾向，所以出口部分易变薄。这种现象对电阻值也有影响，基片掺杂为高浓度时，杂质自基片散发出来而随气流流动，并参与以后的生长层掺杂。这种现象称为“自掺杂”，由于集成电路的基片一般是低浓度的，所以这种影响不大。如将基片表面相对气流方向倾斜5~10度以使各硅片都接受新鲜气流，则可大大消除对厚度和电阻值的不良影响。

2.4.3外延生长中的扩散

外延生长的埋层设置和隔离扩散等工序，对于集成电路有很大作用，因此，目前在制作集成电路时，外延生长和选择扩散工序并用。外延生长的一个缺点是要进行高温反应，因而在基片与生长层之间往往会产生杂质扩散现象（图2.28）。

如果将温度降低，则这种扩散效应减少。但生长速度也减慢。在具有一定厚度的外延生长层中，这种扩散的影响范围变化不大，但在要求外延层很薄的情况下，却很难生长出导电类型和浓度等截然分明的生长层。改善的措施之一是利用硅烷反应，四氯化硅在1200℃时的生长速度利用硅烷反应可在1000℃时达到，而200℃的温度差就可使扩散深度减少两个数量级。因此能够得到很陡的杂质浓度。但是，硅烷有爆炸的危险，很难处理，所以除特殊情况外，此法不常使用。

2.4.4气相生长的其它应用

集成电路各组成元件之间的电绝缘，除采用pn结隔离外，最近还采用绝缘物隔离。这种绝缘物是热氧化的SiO2。该方法较简单，但由于化学活动性而产生杂质再分布现象和沟道。在工艺上有时不能实现热氧化，因而进行SiO2气体和生长。

←           

SiH   +CO   → SiO  +CO+H  

4     2        2      4   

但遗憾的是，SiO2的膨胀系数与硅不同。如其厚度增加一个数量级，就会导致变形和裂缝。从寄生电容、耐压等方面来考虑，绝缘应尽量加厚，所以，现在研究与硅膨胀系数一致，化学性质稳定的SiC和Si3N4等的生长。    

←           

7SiCl  +C   H  +10H   → 7SiC+28HCl

4   2   8     2   

←           

3SiH   +4NH   → Si   N   +12H

4      3      3    4      2

在绝缘和金属上进行多晶生长时，应用绝缘工艺较为简单。如果生长单晶，则可制得兼有单片集成电路和薄膜集成电路两者优点的集成电路。目前，已在采用蓝宝石作基片，利用SiCl4还原和Sih4分解进行单晶生长，以试制集成电路。

2.5光刻技术

光刻技术是为进行选择扩散而在氧化膜上开窗孔，腐蚀金属以在硅表面上进行布线的重要技术（参见第一章图1.2，1.3）。其基本工序如图2.29所示。

光刻过程与照相法自底片进行接触复印的过程（工序1~5）相同。工序1~2相当于将感光胶涂在纸上制备印象纸，工序3的掩膜借助预先摄影的底片于板（其制造方法于第三章详细介绍），将集成电路的绝缘、基极和发射极以及铝布线图形等在硅片上进行接触曝光，然后浸入腐蚀液中。这样一来，相当于印象纸变黑的部分没有受到腐蚀而残留下来（显影），在感光膜上开出如底片图形的微细窗孔。此后，将硅片（氧化膜或金属）浸入腐蚀液中腐蚀出掩蔽物窗孔。下面介绍光刻技术的各工序。

2.5.1预处理

为了获得精密图像，掩膜和硅片必须紧密接触。掩膜是玻璃干板，很平滑，所以，硅片表面必须抛光（如2.2节所述）。但如化学腐蚀太强，则边缘凹陷疏松，不能与掩膜紧密接触，因而使图像模糊，所以必须注意（图2.30）。

其次，为使氧化物表面或金属表面与掩膜感光剂接触良好，以防止混入异物而产生不良图像，须预先将氧化物表面或金属表面用超声波或其他溶剂清洗，以清除其上的污垢和尘埃。

2.5.2感光剂

目前多采用柯达公司的柯达光致抗蚀剂。柯达光致抗蚀剂的主要成分有桂皮酸与聚乙烯醇（PVA）反应形成的酯、调节粘度用的三氯代乙烯、醋酸钾酯甘醇以及作为敏化剂的环烷酮，如以高能光（如紫外线）照射，则酯即聚化硬化（图2.31），不受一般腐蚀液的侵蚀。

除了柯达光致抗蚀剂以外，还有柯达薄膜抗蚀剂、柯达金属抗蚀剂、柯达光漆（粘度大）、柯达欧尔少抗蚀剂（Kodak Orso Rcsist，感光波长可延续到长波）等用途不同的各种抗蚀剂。此外，AZ1350（正片操作光致抗蚀剂）是正的抗蚀剂，可以溶去光照射的部分，并且有不受掩膜上附着的尘埃等影响的优点。

2.5.3涂覆及干燥

感光胶的涂覆方法有涂覆面上的液流涂覆法、液内浸渍法和笔涂法等，但在半导体中采用所谓旋涂法或轮涂法。这种方法是用真空卡盘对准硅片中心并将它吸于转盘上，转盘以1000~10000转/分的高速旋转，此时将柯达光致抗蚀剂滴下，借助液体的表面张力和旋转的离心力，光致抗蚀剂自行均匀扩展。这样既可获得厚度从数千A到10000A（1微米）的涂覆膜。制作高频晶体管发射极时，涂覆膜要薄，故必须提高分辨率，但感光液太薄时，容易产生针孔，耐腐蚀性变弱，并会侵蚀下面的氧化膜或金属。在以高杂质浓度扩散时，柯达光致抗蚀剂对氧化膜的粘附性降低，容易剥离，从而使氧化膜被腐蚀，这必须与柯达光致抗蚀剂的针孔问题同时加以注意。为了去除由于溶液表面的活动性而附于容器内壁上的一部分聚合物颗粒和尘埃等，事先须以高压气体将感光液压经过滤器过滤。为避免光和热辐射作用，感光液应储存于阴凉处。因溶液的粘度和干燥条件随温度和湿度而变，致使厚度不定，故必须在恒温恒湿条件下涂覆。其次，为保证使感光液飞散的同时，与硅片的粘附良好，必要进行干燥。在50~150℃下干燥时间为5分钟至1小时，但为防止辐射作用过度，操作应迅速。

2.5.4掩膜位置对准及曝光

在集成电路中，通常需要六次光刻操作（图2.32和图2.33~2.37），考虑到硅片的整体性，前次开窗孔的位置与下次开窗孔的位置必须对准。操作是用专门的装置进行的。用真空卡盘将硅片安装于工作台（在x,y,z及θ方向均有微动调节），用夹具将玻璃掩膜平行的夹持于硅片上方，以显微镜确定x,y,θ的位置，然后将硅片沿z方向抬起进行接触。操作时，能在双筒二光轴显微镜的视场内察见离开掩膜图形的位置。通常采用分辨率高的玻璃干片作掩膜，但感光乳剂的厚度仅为数微米，使最近的微型图形制作日益困难。因此目前已采用在玻璃上喷涂金属膜代替乳剂，而金属膜的显像仍采用涂以柯达光致抗蚀剂的光刻方法（详见第三章）。

曝光是利用安装在上述掩膜对准装置上的光源进行的。柯达光致抗蚀剂的敏感波长是近紫外区（图2.38），因此需用高压水银灯进行数秒至数分钟的曝光。为了获得较高分辨率，最好采用平行光。当然，工作室不能有外界光直接射入，室内照明也必须注意。

2.5.5显影及坚膜

将曝光过的硅片浸于柯达光致抗蚀剂显影剂或三氯代乙烯中，再用乙醇或二甲苯洗涤，这样，未感光（位聚合）部分就被除掉（显影）。为使柯达光致抗蚀剂膜粘附硬化，需在177~200℃的温度下烘烤15~30分钟。操作中，如温度过低，膜易剥落，温度过高，则膜会产生裂纹。

2.5.6腐蚀

通过柯达光致抗蚀剂上开的窗孔来腐蚀氧化膜或金膜。对于SiO2采用氟化氢（NH4F)+氟酸（HF）+水（H2O）作为腐蚀液，进行10秒至数分钟的腐蚀。此时，氟化氨是柯达光致抗蚀剂的剥离防止剂。铝用KOH或NaOH、金用王水或NaCN+H2O2、银用Fe(NO3)或HNO3、硅用HF+HNO3+H2O2作为腐蚀液。

2.5.7感光膜的去除

经一次聚合的膜，其耐药性较强。一般不会被其它药物所侵蚀。因此需在沸腾的H2SO4中蒸沸，或在300~400℃的氧中加热，最后用机械方法将其察去。在显影、坚膜失败的情况下，可用此法除膜后再重复以上工序。在光刻中必须特别注意的是防尘问题，上述任何工序都直接关系到成品率，特别是集成度越大，其影响也越大。通常，扩散、蒸发、装配工序完全在防尘室内进行，工作台采用清洁的长桌。总之对防尘问题应充分注意，特别是在光刻室。

2.6薄膜的粘附

将厚度自1000A至1微米的半导体、金属（导体）和电介质（绝缘体）的薄膜粘附在基片上，像丝网漏印法一样，在基片上粘附相当厚的膜，这种方法为区别与薄膜技术，最近称为厚膜技术，这里不再介绍，今后，外延生长技术就称之为薄膜技术。至于晶体的外延生长前面已经介绍过。扩散元件的有源基片（氧化膜、硅系统）和无源基片（玻璃、陶瓷等）两种，有源基片可以制作单片集成电路、金属-氧化物-半导体集成电路或相容性集成电路，无源基片可制作薄膜集成电路或多片集成电路。这里，薄膜主要应用于金属接线（几乎全部），绝缘物隔离（单片的）、电阻、电容（相容薄膜）以及片接合（单片的、金属-氧化物-半导体、多片的）等方面，其厚度和成分的均匀性，以及其与基片和其它薄膜的粘附性都是关键问题。粘附方法有真空蒸发、溅射、镀膜、印刷法等。

2.61.真空蒸发

如图2.39，2.40所示，在真空玻璃或金属罩内将钨丝加热，以致各种物质蒸发。

-5    -9                                              

真空度为10   ~10   毫米汞柱，当蒸发分子其分子其平均自由程相对于真空罩直径来说已经足够大时，即自蒸发源向各方向溅射出去。在蒸发中，为增强粘附力及准确控制薄膜的结构，通常应将基片加热。

蒸发加热器采用各种形状的钨丝。蒸发物呈线状，或悬挂于加热器上（金、铝、银等）或放于容器内（SiO2）。如蒸发物要与钨发生反应，则将其放入碳或氧化铝坩埚内进行间接加热。当蒸发物为多成分而有可能分解时，则采用所谓急剧蒸发法，使全部蒸发物在极短时间内蒸发完毕（Ns*Cr等合金）。熔点及沸点均高难以在真空中蒸发、与钨发生反应或易于分解之类的物质，需采用电子冲击（No*Cr）或电子束（Cr+SiO等金属陶瓷）蒸发。由于蒸气压高的杂质会析出而造成污染现象，因此，开始蒸发时需用遮蔽器暂时遮蔽一下，再正式蒸发。控制厚度最简便因而常用的方法，是将选定重量的蒸发物全部蒸发。但为了更精密的控制，可将蒸发出来的物质收集在石英片上。根据事先校准的振荡频率的变化测定厚度，当蒸发物为电阻性物质时，则可边测定其电阻值，边使之蒸发。

2.6.2溅射

溅射装置与真空蒸发装置很相似（图2.41），在抽真空的同时，

-1     -2                              

向真空罩内充以10   ~10   毫米汞柱的惰性气体（如氩气等），并在阳极与阴极之间加上直流高压以产生辉光放电。基片置于阳极上或辉光之中，阴极是蒸发源。由于放电，氢离子A+向阴极加速运动，并以足够的能量碰撞蒸发源，蒸发物就以原子或分子状态逸出，并向各方向散射而粘附在基片上。一般说来，溅射的粘附速度是缓慢地，为了获得1微米厚的膜，采用真空蒸发法仅需几分钟，而采用溅射法则需要几分钟至几小时。

这种方法的另一种形式是反应溅射法。该法是使真空罩内气体与蒸发源发生反应获得与蒸发源不同的物质薄膜。例如制作SiO2绝缘膜时，以硅做阴极，将与其发生反应的氧与氩一起引入。在溅射中，氧与负电荷的电子结合，然后碰撞在基片上成为SiO2.但是，蒸发后的硅表面是活波的，因此有人怀疑它是否能与气氛氧结合。此外还可利用钽和氮气得到氮化钽。采用直流的上述阴极溅射法，在有绝缘物的情况下，不能加直流高压。因A+离子互相碰撞，使正离子积聚在阴极表面上，从而难以蒸发。因此，在阴极绝缘物的内侧电极上加负偏置高频电压。如加上磁场，则引起离子碰撞电子碰撞两种作用，积聚在绝缘物表面上的正离子在高频波的正半周内与电子中和，即可进行溅射（高频溅射法）。此外，还在研究提高膜纯度的各种方法。例如，利用低能量离子碰撞以除去杂质的非对称溅射法：利用溅射物质吸收作用的吸收溅射法：在基片上加适当负偏压，使等离子区中的阳离子碰撞薄膜表面，以将杂质有选择性的除去的偏压溅射法等。

2.6.3镀膜法

普通的镀膜法，是在金属盐的水溶液中通一电流，使金属阳离子在阴极上析出的电镀法。但最近常采用无电解镀膜。无电解镀膜可在塑料模型上镀铬，还可在半导体、玻璃、陶瓷粘附无气泡的均匀薄膜。此法是在溶液中加入还原剂以使金属离子还原，这样，金属原子就粘附在玻璃或陶瓷上。例如镀镍，是利用氯化镍（NiCl2)的酸性溶液与强还原剂（如次磷酸H3PO2）发生如下反应而实现的：

++                 

还原   Ni   +2e-→Ni↓

氧化

-3           -3    +                                                  

PO   +H  O→PO  +2H  +2e-

2    2       3                         

++   -3               -3    +                           

Ni  +PO  +H  O→Ni↓+PO  +2H

2    2           3

使溶液酸性化是为了防止Ni的自然还原。这里，只有所需被镀面才被镀覆是由于触媒作用，附在最初活化面上的Ni，CO，Fe，Co，Cr，铂族金属等本身具有触媒作用，这些金属在所需镀膜面上进行选择性的粘附而导致一定厚度的镀层。此外，还可用重金属盐作活化剂，使之在非常薄的金属原子膜上还原而起触媒作用。无论是电镀或是无电解镀膜，被镀面的处理很重要。此外，镀液的温度、浓度、ph值、搅拌等对镀膜也有很大影响。采用电镀相反的过程，可使置于阳极上的金属在适当的电解液中氧化。这个过程称为阳极氧化。这样，可在金属面上得到一层粘附的绝缘薄膜。例如，以Ta2O5用作电容器的电介质的Ta膜就是这样制得的（图2.42）。为使气体在基片上形成附着膜，采用与外延生长一节中所叙述的相同方法，使易于蒸发的卤化物和有机物进行还原或热分解。这种方法原理上不能称为镀覆。

在此情况下，基片最好采用玻璃、陶瓷等无定形物，因为是在常压、高温下向基片粘附，所以可得到比低温真空蒸发膜更稳定、粘附性更良好的薄膜（参看2.4节外延生长）。作为卤化物的物质有氧化铝，硅烷等，还原是利用氢气进行的，而热分解则除了Sih4之外，有机氧化物硅烷的四乙氧基硅烷的分解可在700℃左右的较低温下进行。在Al2O3*SiO2这样的陶瓷基片上，也可以用三乙基甲铝和四乙氧基硅烷的混合物进行热分解。

2.6.4印刷法

丝网漏印法因国外某公司采用它在陶瓷基片上印刷电阻、面接合平面晶体管和二极管，并随着以这些元件为基础的所谓采用固态逻辑技术的360型电子计算机的出现而闻名。此法适用于混合电路的内部接线和片接合（半导体片接合）。利用像油印那样的320目左右的细网来绘制图形，是将细网紧贴在基片上，使油墨从挤压着的网眼漏出印成图形，现在已不用丝绢而用不锈钢制网了。油墨是将金属和玻璃粉末以松节油炼制而成。陶瓷基片上的内部接线用95%钼和5%锰的混合粉末油墨进行丝网印制，因油墨是干的，所以必须在1400~1600℃的潮湿氢气中印制，然后再进行无电解镀镍和镀金，此法也可用于SiO+Cr和Ag+Pd+玻璃等陶瓷金属。

2.7装配

半导体集成电路的制造工序按上述顺序为：硅单晶生长，切割，研磨，基片本身的扩散，外延生长，光刻，电极蒸发和处理，将这个集成电路阵列切成单个集成电路片进行封装（参看第一章）。为了提高最后工序的成品率和降低成本，在划片分割之前要对集成电路进行电测试，即测试输入和输出功率的直流特性、开关速度等。测定项目达50项之多，使用小型电子计算机进行程序测试，可在极短时间内测试完毕。

2.7.1分割

按照切割玻璃的要领，用金刚石划片器沿着单个集成电路元件的边界划线，再用机械方法断开。用真空卡盘将硅片装于切割装置上，最初，使1个纵向槽对准划片器移动方向，刀刃就自动的以一定的节距前进。然后，将硅片旋转90°，切割横向槽。元件的大小为1~2毫米见方，

2.7.2片接合（参看图2.44）

用机械方法将分割后的小片接合时，为了散热或有时电气接地。应接合在封装基座上。接合材料应具有良好的温度稳定性和导热性，并不得产生热变形。接合材料通常采用Au*Si，Au*Ge，Al*Ge等二元合金。对于混合电路，再用2.6.4小节所述的丝网漏印法在高氧化铝或氧化铍上面印Mo*Mn。为了简便，最好使用Au*Si，但须预先镀覆或其它方法将Au粘附于基片上，然后加热并将硅片放在其上加压，使之粘附牢固以形成Au*Si的低共熔合金（低共熔点为370℃）。Au*Ge低共熔合金薄片要预先专门制备，再将其夹于基片与Au衬里的硅片之间，然后加温使之熔接（低共熔点为356℃）。这些合金的熔点比引线连接和集成电路组件焊在印刷电路板上后的处理温度更高，故较适用。

第三章集成电路光掩膜技术

半导体集成电路的制造工序，除开最初硅单晶片的制备和最后的装配以及测试外，是如图3.1所示的扩散处理与光掩膜之间的反复操作过程。特别是在单片集成电路中，如图3.2所示，在小的单晶片中将pn结巧妙的进行立体排列，从而制成许多晶体管、二极管和电阻等具有独立功能的元件，然后在其表面上进行电路布线。因此，决定pn结合布线的几何排列的光掩蔽工序是制造集成电路的一个非常重要的工序。

如前所述，光掩蔽工序是在硅片的氧化层或金属蒸发层上反复进行各种图形窗孔的腐蚀工序，包括柯达光致抗蚀剂（KPR）、柯达光致抗蚀剂II（KORII）、柯达薄膜抗蚀剂（KTFR）或AZ等感光树脂（光致抗蚀剂）的处理，硅片和光掩膜的对准以及腐蚀等过程。硅片和光掩膜的对准以及腐蚀等过程。这里所使用的光掩膜，是将集成电路按各制造工序分别使用的微型图形分为100~1000组，规则的排列在高分辨率的干片上，因此，不仅单个图形掩膜的性能很重要，而且按工序顺序相继使用的整套掩膜的性能也是很重要的。由于这些光掩膜直接影响所制成的集成电路的性能、成品率和制造成本，所以对掩膜的要求与对集成电路性能的要求有着严格的对应关系，例如：

1. 在40毫米见方的有效画面上规则排列的集成电路图形，位置精度在±1微米以内（步进误差）。

2. 构成集成电路图形的各微小图形，尺寸精度在±1微米以内（图形精度）；

3. 当构成整套掩膜（掩膜组）的7~10个掩膜重合时，各掩膜间的图形位置误差在微米以内（对准误差）；

4. 有效画面内，图形的黑度d在2.5以上。而d=log   (1/T)(T:掩膜图形的透射率）；

10

5. 在大量生产时相同的掩膜组性能一致；

6. 没有1微米以上的针孔、伤痕和污点；

等等。特别在集成电路的研制期间，对光掩膜不仅有上述的性能等等。对图形的复杂化及可变性，或者原图的对照检查以及交货日期的要求也很严格，所以现在各国主要的半导体工厂都把光掩膜作为集成电路制造工序的一部分而自行制造。现在最多采用的集成电路光掩膜制造工序，实质上与过去平面晶体管光掩膜制造工序相同，即按表3.1所列工序进行制造。关于上述光掩膜组的制造工序和性能，其他文献已有详细介绍，本章主要叙述集成电路光掩膜的制造技术特点。

表3.1光掩膜制造工序

1. 设计和电路图形的布局

2. 原图制造

3. 第1次缩小（掩膜网线的制造）

4. 第2次缩小（母掩膜的制造）

5. 复制（生产用掩膜的制作）

6. 检查

下面内容可参见《集成电路入门》，[日]田渊诚一等著，《国外电子技术》编辑部译，科学出版社1970年出版

6.2薄膜电路的制造技术

制造薄膜电路是应用真空蒸发法、溅射法、烧结法、镀覆法等生成薄膜后，再经电路图形的形成、电路元件参数的调整、封装等工序而成。薄膜电路制造技术的要点，可按材料、制造条件以及制造过程的技术大致列举如下：

（1）蒸发材料和基片材料的选择；（2）薄膜生长技术；（3）电路图形形成技术；（4）微调技术；（5）封装技术。

6.2.1薄膜材料和基片的选择

薄膜材料方面，一般是导体采用纯金属，电阻采用合金，介质采用氧化物。

a. 电阻材料，用作电阻的材料有：

表6.1电阻合金材料                               

-6   

组成          有代表性的商品名称   固有电阻值（微欧*厘米）  温度系数（10  /℃）

Ni*Cr*Al*Fe       Karma                     133                   ±10

Ni*Cr*Al*CuEvanohm                   133                 ±10

Ni*Cr*Si*Mn       Nikrothal L                 133                  ±10

Ni*Cr*FeNickrome                   112                 +30~+169

Ni*Cr(80:20)        Nickrome V                108                 +30~+130

Fe*Cr*Al136                ±10

Cu*Ni            Advance                    49                    ±20

Cu*Ni*Mn         Manganin                  48.2                   ±15

Au*Pb*Fe                                    183                  -280

Au*Ni*Cr                                     92                    +20

Pt*Rb                                        91                    +45

Pd*Ph*Au*Ag*Cu                               33                    +300

(1)以单体形式使用的金属，主要是钽（Ta）和铬（Cr）。                                                             

（2）以合金形式使用的合金材料，如表6.1所示。

（3）金属氧化物采用镉（Cd）、铟（In）和锡（Sn）的氧化物。

（4）一般采用的金属陶瓷是Cr/SiO金属陶瓷和Pb*Ag玻璃金属陶瓷。

真空蒸发法一般采用镍*铬合金，而溅射法一般采用钽。       

（b）介质材料

现在最广泛采用的介质材料是SiO和Ta2O5。表6.2所列系薄膜电容用的主要介质材料。

表6.2介质材料

介质材料介电常数（表观值） 损耗系数（在1千赫时）备注

Ta2O5        14~53          0.03~0.008  应用阴极溅射法Applied cathode sputtering           

Nb2O5        39             0.007      应用阴极溅射法Applied cathode sputtering          

ZrO2         25              0.045      应用阴极溅射法Applied cathode sputtering

TiO2        55~62          0.03~0.06     应用阴极溅射法Applied cathode sputtering

SiO2        3~4              0.001       应用阴极溅射法Applied cathode sputtering

Al2O3       10               <0.1       应用阴极溅射法Applied cathode sputtering

PbTiO3      33~50          变化大     应用阴极溅射法Applied cathode sputtering

ZnS          8.2             0.008     应用阴极溅射法Applied cathode sputtering

MaF2         65            0.01     应用阴极溅射法Applied cathode sputtering

CeF4        200            <0.1     应用阴极溅射法Applied cathode sputtering

SiO        4.8~6.8           0.01     应用阴极溅射法Applied cathode sputtering

BaTiO3     ~200              0.50      应用阴极溅射法Applied cathode sputtering

(c)电极材料，在基片上制出的薄膜电路元件的电极和导电膜，要求具有下列特性;

（1）电阻小；（2）与基片的附着性好；（3）对电路元件的特性无不良影响；(4)引线焊接方便且牢靠。

电极材料的面电阻阻值一般在0.1欧以下即可。表6.3示出各种金属其面电阻阻值为0.1欧时的厚度。电极材料多采用铝、金、铜、钽金、铜等与基片的附着性较差，因此要在基底上蒸发铬和镍*铬合金以提高附着强度。

表6.3电极厚度（0.1欧/方）

金属          Ag    Cu    Au    Al       Ni      Ta       Cr

厚度（埃）   1590  1724   2440  2840    7800    15550    17000

基片材料一般采用玻璃、陶瓷及玻璃釉陶瓷。适合薄膜电路的基片其条件是：

(1)表面凹凸程度小，平滑；

（2）能耐几百度（℃）以上的热处理；

（3）热膨胀系数小，导热率高；

（4）锂、钠等自由离子的迁移率小，化学性能稳定。

图6.1为相同条件下在玻璃和陶瓷基片上蒸发的薄膜阻值的分布情况。

图6.2为玻璃和陶瓷基片表面光洁度的测定结果。蒸发用的基片最常采用的是玻璃。

因玻璃容易获取光滑表面，易于切割，且价格便宜，容易制取。     但陶瓷在机械强度、导热性方面较好。为了获致光滑表面，最近兼有两者特点的玻璃釉陶瓷（陶瓷表面涂覆玻璃）已引起注意。

第四部分 集成电路工艺与设备

下面的内容可参见《集成电路工艺与设备》，北京半导体器件二厂资料室编，科学出版社1972年出版。

本书系根据美国1967年出版的《Integrated Circuit Technology》一书译出。

3. 化学淀积

氧化

二氧化硅薄膜在半导体器件工艺中可以用作扩散掩膜和扩散源，保护器件不受外界条件影响，以及实现器件的整个表面钝化。二氧化硅薄膜的制备方法有如下几种：

1. 热氧化；2.化学淀积；3.电解氧化；4.反应溅射。

在功能块的制造工艺中，普遍采用热氧化和化学淀积这两种方法来形成二氧化硅薄膜。

1. 热氧化，从热力学上来讲，在室温下用于氧、水气或两者结合一起可使硅氧化；不过反应速度太慢，实际上行不通。在大气压力下，温度低于900℃时，其反应速度还是相当慢的，所以热氧化技术要使用较高的温度。一般使用的温度范围为1000~1200℃，氧化时间在10~90分钟之间，才能得到适合于作扩散掩膜用的氧化物厚度。这些过程主要是受氧扩散到硅-氧化物的界面控制，其反应可用抛物线定律来表示：.

2   

x   =kt

式中x为氧化物重量或厚度，t为时间,k为”速率常数“。速率常数作为材料电阻率或杂质掺杂和晶体取向的函数。由于二氧化硅薄膜中水的扩散系数较高，所以硅的水汽氧化比硅的干氧氧化具有较高的速度。

3      

用硅的热氧化法所获得的二氧化硅薄膜密度较大（例如2.2-2.3克/厘米  ），而对基片的附着力又好，是目前最通用的一种方法。

图1-1和图1-2分别示出了在水汽和干氧氛下氧化物生长速度同温度和时间的函数关系。

图1-3所示是硅的热氧化法所使用的典型系统示意图。

用高温热氧化方法生长二氧化硅薄膜时，由于使用了很高的温度，致使硅样品特性发生变化，如硅-二氧化硅界面的杂质再分布、载流子寿命的改变等，这些都是与高湿过程有关系。这是高温热氧化方法的不足之处。下面讨论低温生长厚氧化物的问题。

2. 化学淀积

化学淀积技术可以在比较低的温度下生长二氧化硅。例如，有许多含有Si-O键的有机化合物将不可逆的分解成二氧化硅和碳氢化合物。普通使用的“低温”（即700℃以下）淀积法，是在氧气氛中分解四乙氧基硅烷（TEOS),四乙氧基硅烷的分解式如下：

Si(OC   H   )    →  SiO   +2(C  H   )   O(1-1)

2    5   4  △     2      2   5  2                                          

碳氢化合物裂解

2（C   H   )O+12O   →10H   O+8CO          (1-2)

2   5        2        2       2

产生副产品水和二氧化碳。合并方程式（1-1）和（1-2），得出整个反应式：

Si(OC  H   )    +12O   →SiO   +10H   O+8CO       (1-3)

2   5   4      2      2       2        2          

只要提供过量的氧气，温度大约高于350℃，就可以发生上述反应。上述分解所用的温度范围一般为500-700℃。四乙氧基硅烷薄膜的淀积速度如图1-4所示。图1-5是通过上述分解反应淀积二氧化硅用的典型系统示意图。淀积温度不能超出上限值，因为在750℃和高于750℃时，碳氢化合物的分解使碳进入薄膜。例如，使用600℃的温度，能够以250埃/分的速度淀积一层透明的无定形二氧化硅。此氧化物淀积薄层不影响基片的电阻率，不过淀积20000埃或多于20000埃（原文为2000埃。疑误——译者注）的氧化物时，基片产生形变，位错密度也相应增大。基片产生形变，位错密度也相应增大。扩散，扩散是目前在制造功能块中最广泛的用来形成p-n结的方法。例如，在高温下将p型半导体硅片置于含有n型杂质扩散剂的气氛中，就可以形成扩散结。同样，将n型半导体置于p型杂质扩散剂中，就可以形成p-n结或二极管，也可以通过与基片同一类型物质的扩散来改变电阻率。扩散结均匀的进入晶体表面，并保持表面外形。如果经过汽相腐蚀或化学腐蚀之后，表面很平的话，那么，p-n结也同样是很平整的。在表面下形成的p-n结深度是由扩散时间和温度来确定的。可以用来形成p区的第三族元素（即受主杂质）中，硼用的最广泛。磷是用来形成n区的最普通的施主杂质，不过，也有使用砷和锑的。

杂质在固态半导体晶体中的扩散可用下列扩散方程式来加以控制：

2

             ӘC        ӘC   

=D                  (1-4)

Әt          2

                      Әx         

3       

式中C为杂质浓度，原子数/厘米   ；D为扩散系数。对各种边界条件解此方程式。可以得出特殊扩散形式的表示式。假定在平面X=0时存在一个无限的杂质源，并假定对整个扩散时间t来说，在C=C  的半导体中X=0处保持一恒定浓度，那么该方程的一维解是余误差函数

0

C(X)=C   [1-erfc(X/2     Dt  )]       (1-5)

0        

注：式中erfc表示误差互补函数。

以此方程式求结深，并考虑如果晶体内含有一个与扩散杂质类型相反的具有均匀浓度C`的杂质，则在值X=X    时，扩散曲线相交于C=C`，即结深。

0

图1-6用图解说明了这个余误差函数的解以及所取得的扩散分布图形。

图1-6扩散方程式的余误差函数解：

0

C(X)=C   [1-erf(X/2     Dt  )]       (1-5)

0        

注：式中erf表示误差函数。  

根据初始条件，方程式（1-4）有好几种解。

如果假定一个很高的表面浓度（即C(X=0))比C   大得多（式中C   为本体浓度），则上述

B               B      

微分方程式的解可由下式近似求出：

1/2                 

X    ≌8(Dt)                   (1-6)

0

式中X   就是由C(X    )=C   求出的结深。表1-1中列出了杂质扩散到硅中的重要参数。

0            0      B

表1-1硅中杂质的扩散距离

3         温度℃     深度（埃）

扩散常数D(厘米  /秒）  硼B  磷P                    2       3         4                           

-12                           t=1秒    10     10      10       10      

10                1140   1115    800    2500    8000    25000    80000

-14

10                 875   845     80     250      800      2500    8000

-16

10                 695    660     8      25      80        250     800

如果扩散杂质的总量不变，而不是半导体表面的杂质浓度不变，则可应用下列高斯解

2  

Q        -x  /4Dt     

C(X)=              e                  (1-7)    

πDt                      

2

式中Q为初始表面浓度，原子数/厘米    。其典型结果如图1-7所示。各种杂质的特殊解取决于杂质的扩散系数及其在半导体中的固溶度。固溶度限定了表面掺杂的极限，或是某种杂质对硅片掺杂的最高浓度，而扩散系数是指杂质扩散的速度。扩散速度较快的杂质可减少扩散时间，不过，集成电路制造过程要求多个扩散工序，因此最初的扩散工序必须用较慢的扩散杂质，以免这些杂质在以后操作中产生再分布。扩散的类型很多。这里着重介绍最常用的一些扩散技术。不过这些扩散技术只是力图改变扩散方程的边界条件，以便得到不同的扩散分布图形。

2  

Q        -x  /4Dt     

C(X)=              e                  (1-7)    

πDt      

制造硅集成电路所使用的杂质是周期表中的第三和第五族元素。其他杂质，如金和锂可以用来改变某种集成电路的寿命。在现代硅器件的平面工艺中，最常用的p型杂质是硼，磷是常用的n型杂质。砷由于它的扩散系数比磷低，也被广泛的采用。硅器件初期广泛使用的镓，由于它不能用二氧化硅薄层进行掩蔽扩散，所以很少使用。基于这些情况，下面主要讨论硼、磷、砷的扩散。过去五年中，扩散工艺变化很大。初期使用的结形成方法，例如真空或闭管扩散，已为一种更易控制的开管扩散所代替。在开管扩散过程中，利用携带气体流将所需的小量杂质输送到硅片上。开管扩散方法基本上有三种，它们的特点是杂质源的性质各不一样：

硼B           磷P                 砷As

(1) 固体源B   O        P   O   ,P   N        As  O

2    3        2   5    3    5        2   3

(2) 液体源        BBr             POCl                  AsCl

3                 3                    3

(3) 气体源         B  H            PH                     AsH

2   6             3                       3

液体和气体杂质源几乎已完全取代了固体源，因为固态扩散的杂质浓度主要是取决于固体的温度，可控能力很差，杂质源温度的微小变化就会导致蒸汽压力的大幅度变化，从而使携带气体的杂质分量产生难以控制的变化。先进的扩散方法是使用全气体系统，这是控制携带气体中杂质浓度最有效的方法（特别是在低浓度值时）。在扩散操作中，有两个必须加以控制的变量：淀积电阻率和结深。

淀积电阻率ρ  是以欧姆/平方（平方无量纲，下同——译者注）为单位，结深x  是以微

s                                                          0  

米为单位。关于这些变量的分析和测量，将在1-7节中讨论。应该指出，扩散过程包括两个阶段：（1）预扩散（淀积），（2）主扩散（再分布）。在预扩散阶段，将杂质淀积在硅片表面上，进入表面的扩散很浅。图1-8表示了扩散过程中存在的一般关系。

淀积电阻率的曲线是对恒定温度和炉内进给气体中的固定杂质浓度而言。理想的淀积电阻率要求有一个单位时间间隔，这个从图1-8（a）中就可以看出。硅片经过预扩散阶段后，从预扩散炉里取出，放入主扩散炉内。就在后一个炉里，杂质产生再分布，使薄层电阻率、杂质梯度和结深发生了变化。如果将可控制的氧气量引入主扩散炉内，就可以改善杂质的再分布，从而也改进了薄层电阻率。在主扩散过程中，也生长一层保护p-n结所需要的氧化层。如上所述，预扩散阶段使用了三种类型的杂质。这就是固体、液体和气体。一般常用杂质的固体源，已经用于闭管扩散系统和开管扩散系统。常用的磷和硼杂质源为五氧化二磷和硼酸。固体源要求使用双温区扩散炉，因为杂质源温度和硅片温度一样决定着扩散参数。

图1-9所示是使用固体源的开管扩散装置的简图。

用固体源作硅的扩散杂质时，其化学反应式如下：

三氧化二硼：

2B   O   +3Si            3SiO   +4B            (1-8)

2   3                     2                        

五氧化二磷：

2P   O   +5Si           5SiO    +4P           (1-9)

2   5                     2     

三氧化二砷：

2As   O   +3Si          3SiO   +4As         (1-10)

2    3                    2     

固体源中存在着源纯度、温度控制和杂质源的过量等问题。这些问题的存在容易使扩散管污染，因而使固体源让位于液体和气体源。也有使用元素源的，不过使用的范围很小。常用的液体杂质是三氯氧磷（POCl3）和三溴化硼（BBr3）。用携带气体通过液体鼓泡的方法将这些杂质引入扩散炉，并只在动态或开管系统中使用。图1-10所示的是使用液体源的典型开管扩散装置。液体源的温度并不重要，除非加热温度超过30℃。为了消除这个变量，因此，大多数的预扩散工序是使液体源处于室温下进行的。

用三氯氧磷作磷扩散源时，其反应式如下：

4POCl   +3O           2P  O  +6Cl      (1-11)

3      2            2  5     2      

2P   O   +5Si            5SiO  +4P        (1-12)

2   5                    2     

三溴化硼的反应式如下：

4BBr  +3O           2B  O   +6Br     (1-13)

3      2            2  3      2      

2B   O   +3Si           3SiO   +4B       (1-14)

2   3                    2     

气体杂质在硅中进行扩散的反应式如下：

乙硼烷

B  H  +3O          B   O  +3H  O    (1-15)

2   6    2           2  3     2      

2B   O   +3Si           3SiO   +4B       (1-16)

2   3                    2     

磷化氢

2PH  +4O           P  O  +3H  O       (1-17)

3    2           2  5     2      

2P   O   +5Si           5SiO  +4P       (1-18)

2   5                    2     

砷化三氢

4AsH  +6O          2As   O  +6H  O      (1-19)

3    2             2   3     2      

2As   O   +3Si            3SiO  +4As     (1-20)

2   3                    2     

图1-11所示的是预扩散阶段控制炉内进给气体中杂质量所使用的气体稀释系统。这种系统能在较大的范围内改变具有已知杂质原子浓度的杂质携带气体的混合和稀释度。使用这一系

3             -4

统，可以很容易的控制从0.01ppm~10  的杂质浓度。如果携带气体中使用不同的杂质浓度，则杂质浓度的范围可以扩大到0.001ppm。在预扩散阶段使用气体杂质时，必须采用一种专门结构的扩散管。这种结构将在1-5节扩散设备中讨论。

气体和液体源要求使用开管扩散系统。特别是必须有一个与半导体硅片相当于的无限杂质量，这样，杂质的分布服从余误差函数。为了更好的控制杂质的分布图形，大多数的扩散采用上述的两步扩散法，首先，用低温（800~1100℃）淀积，仅在表面附近的一个很小的区域里掺杂，然后，在无源炉内，使杂质在半导体硅片中进行再分布。关于初扩散的计算，可先考虑它是余误差函数，并依据它是很浅的扩散从而计算出每平方厘米的杂质浓度。再用它作为扩散方程的有限源的边界条件，以得到最后的解。这样就提供了表面浓度和杂质分布的控制。扩散和器件结构的关系是多方面的。首先，通过扩散在集成电路中提供有器件意义的区域，这些区域就是能得到晶体管、二极管、电阻和比较复杂的半导体结构的p型区和n型区；杂质扩散的第二个作用是在较复杂的集成电路中对半导体区域之间提供隔离；第三个作用是通过专门的扩散以达到改变某一区域的电导率（即集电极区域埋层）和改变半导体结构的复合（保护环扩散），以及用来控制表面。在金属-氧化物-半导体结构中，杂质分布会改变表面附近反型层的类型和特性。最后扩散还可用作寿命控制，特别是在高速数字集成电路中，引入诸如金之类的杂质，就可降低材料载流子的复合时间。既然在复杂的集成电路中，各种类型的扩散可能出现在任一器件内，所以必须搞清楚一次扩散对另一次扩散的影响。这一点有特别重要的意义。这种相互作用与其他相互作用相互关系，例如在加工半导体的同时所进行的氧化，也必须予以考虑。为了说明制造功能块所使用的扩散和氧化过程，现在讨论一下简单晶体管的加工工序。所用的硅片是p型的，其电阻率为5欧姆-厘米，厚度约为250微米。在p型硅片表面上，外延生长一层电阻率为1欧姆-厘米和厚度为20微米的n型外延层。图1-12举例说明了一个晶体管的典型加工工序：

（a）氧化，在1050℃时水汽氧化90分钟，在表面上生长6000埃厚的二氧化硅。

（b）硼预扩散，用光刻工艺刻出隔离区的窗口之后，在1150℃时将硅片置于B2O3蒸汽内，历时60分钟，能得到2欧姆/平方和3.5微米的结深。

(c)硼主扩散，在1200℃时将硅片置于90%N2-10%O中，经过18小时，能产生n型岛的隔离区。

（d）硼基区扩散，用光刻工艺刻出基区和电阻区的窗口之后，在925℃时，将硅片置于B2O3蒸汽中，历时30分钟，能产生80欧姆/平方的淀积电阻率，0.2微米的结深。再将硅片放在主扩散炉中，在1200℃下经过1小时，生成6000埃厚的氧化物，同时获得大约200欧姆/平方的电阻率，3微米的结深。

（e）磷发射区扩散，用光刻工艺刻出发射区后，在1100℃时，将硅片置于P2O5蒸汽中，历时30分钟，产生3欧姆/平方的淀积电阻率，1.8微米的结深。然后将硅片放在主扩散炉内，在1000℃下历时30分钟，生成200埃厚的氧化物，获得2.0微米的结深，而薄层电阻率变化很小，其基区宽度约为1微米。

1-3外延生长

外延生长就是在基片上淀积一层外延层，此外延层得到化学成分或杂质含量不同于基片，不过仍保留着原基片的晶像结构。要获得符合器件要求的外延层，外延设备必须能够精确控制各种参数，这就是说，在将硅化合物引入反应器时，必须严格控制温度分布、携带气流、杂质气流和浓度。控制好这些参数，含硅化合物在加热的基片表面上产生热分解，淀积一层单晶硅外延层。淀积层掺杂量的精确控制是通过对引入气流中杂质类型和浓度的控制来实现的。这样生长的外延层，其杂质分布是均匀的，不同与扩散过程产生的杂质浓度分布。反应，一些比较普通的含硅化合物的外延生长，其总反应式为：

SiCl    +2H              Si↓+4HCl     

4      2                    

SiCl   +H   (x`s)         Si↓+3H

4    2                     2       

SiHCl    +H             Si↓+3HCl

3     2                    

像锗这样的材料，也可用这个方法，其反应式为：

GeCl   +2H              Ge↓+4HCl

4      2             

最常用的硅淀积源是四氯化硅，不过，目前倾向于采用气体硅烷，因为它在气流中的浓度，比较容易控制，而且废试剂中没有氯气，因而没有腐蚀性。

外延生长技术

图1-13表示了外延生长设备的示意图。诸如三溴化硼或三氯氧磷之类的液体杂质已被使用；可是，诸如磷化氢、砷化三氢、锑化氢和乙硼烷之类的气体杂质，由于设备和控制简便，因而得到广泛使用。简单的外延生长，采用预掺杂硅源（即在液体四氯化硅中加入杂质），也比较适用。不过由于外延生长期间掺杂剂产生部分蒸发，因此长时期的杂质浓度控制是不均匀的，从而导致淀积层的电阻率发生变化。

外延生长与扩散和氧化一样，它的作用是多方面。它可以提供半导体集成电路的工作区和无源区；它可以加强基片的机械强度。关于隔离的专门技术将在1-4节中讨论。外延生长的参数有：外延层电阻率、外延层厚度以及晶体的完整度。外延晶体内不能有缺陷，否则会严重影响以后的加工。外延层缺陷之一是小斑点。这些小斑点是由于无规则的核化引起的，高出外延层的整体，会给光刻工序造成困难。不过，对某些结构来说，多晶层淀积就可以了，一般用于非半导体基片，如淀积在二氧化硅上。这将在1-4节中讨论。多晶材料可以在外延生长期间用来提供掩蔽，因为它的腐蚀率与单晶外延材料不同。外延层最常见的用途是给集成电路的制造提供一个衬底。如果外延层具有合适的厚度和电阻率，以后它就成为晶体管的集电区。如果晶体管要求一个低饱和电阻，那么，就需要i哥电导较高的集电区。解决的办法有两个：一种方法是淀积二次外延层，第一次的杂质浓度高于第二次，一般具有一个类似于标准功能块器件所要求的掺杂量。另一种方法是在扩散之后再淀积一层外延层；扩散方法还有利于在要求高电导率的特定图形上作选择性扩散。在较复杂的结构中，诸如闸流晶体管和其它专用功能块，要求交替点击多层n型和p型材料。

3-5原图

诸如Arjsto、Coordinatograph和Coradograph等一类的座标制图机，能在x-y座标轴上对刻刀夹具进行定位，精度优于1密耳。在这种座标制图机上切割的印模只需200*，可保证最

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终尺寸的误差不大于5*10     英寸。由于这些制图机的相对精度，使用的缩小倍数可大到足以保证几乎没有由印模切割带来的尺寸误差。原图刻在涂有可剥漆的透明的“美拉”（聚乙烯对苯二酸酯树脂薄膜的商品名——译者注）薄膜上。此漆能透过红光，但透不过光谱的光化部分。透过美拉薄膜的有效透明比透过涂有可剥漆的“美拉”薄膜的有效照明要大100倍。利用从“美拉”薄膜上剥漆的方法制成的印模，同照相干板相比，反差很高。透明的“美拉”衬垫即坚韧而又有良好的尺寸稳定性。因此，在储存和再次使用时不必过多的注意。不过，要想从间距小于15密耳的两个平行刻道之间剥漆，却是一件极为困难的工作。所以在任何可能的情况下，对缩小比例应慎加选择，不使出现小于15密耳的宽度。

注：可将硝基漆、硝基稀释剂涂在聚乙烯对苯二酸酯树脂薄膜的表面，再将照相交片的乳胶感光卤盐涂在硝基漆表面，进行照相洗印后，就制成了一个光刻模板。

3-6第一次缩小照相机

用照相方法可将原图缩小到适合于分布重复的尺寸。这一工序采用的照相机一般是专用设备或光学机械性的，其缩小倍数采用5*到20*，虽然有时也采用50*。照相机是由一个对准光源用的光学系统，一个固定原图用的拷贝板，一个透镜快门和干板固定夹组成的。现在这方面的设备种类繁多，有长达2-30英寸的装在花岗石底座上或悬挂在钢梁上的大型固定焦点系统，也有长不足5英寸的装在光具座上的小型系统；有垂直安装的也有水平放置的。对这些照相机的主要要求是：光源应该适当的、均匀的将拷贝材料照明。最合适的光源是将荧光灯或冷阴灯排成一列，使之发出光谱中的绿光或蓝光。采用乳白色玻璃屏可使光均匀散射。冷光源可把产生的热量降至最小。拷贝板必须精确的将原图固定好中心，使其在离透镜的固定距离或再现的距离处垂直于主光轴。必须尽量避免由于重心偏移和温度变化所引起的振动和机械失调，因此需要使用重型刚性支承结构。干板固定夹必须使乳剂干板的平面精确定位，在离透镜的固定距离或再现的距离处垂直于主光轴。为保证固定的或再现的聚焦，在控制照相机环境温度变化方面也要有所考虑。透镜必须精确的定位，而且还要求有再现性，畸变必须最小。虽然不要求最大的分辨率（因为还有二次缩小），但要求有良好的精度和清晰度。由于畸变是随缩小倍数而增加，所以很少使用20*以上的大幅度缩小。光源、滤光器和干板的光谱响应，把光谱的可用部分局限于550毫微米左右的窄频带。因此，不用修正透镜的色象差，可使用低畸变的透镜。如果对复消色差透镜进行不必要的颜色修正，透镜的畸变反而会随之增加。在选择透镜时应作全面考虑。为了使透镜适用于某一缩小倍数，就要对透镜进行修正；如果使用时超出透镜的原设计倍数，则图象的质量就会变劣。因此在改变缩小倍数时，必须使用不同的透镜。分辨率（以及清晰度）随着缩小倍数的增加而增加，焦距也随之缩短；而焦距的缩短又会导致有效图象视场变小。一般是把缩小倍数限定在5*-20*的范围内，以解决分辨率与无畸变视场的关系问题。透镜选定之后，还得作进一步的统一考虑。分辨率随孔径的增加而增加，而畸变也随之严重起来。因此，孔径的调整应小于最大值，才能收到全面的结果。为了取得固定的和重复的缩小倍数，要求图象平面（拷贝板）、透镜和乳剂干板平面能够进行精确的重复定位。缩小倍数的重复性实在是太重要了。一套电路掩膜中的每一个掩膜都必须尺寸一致。再则，如果以后改变结构设计，要求更换其中的一个掩膜，则新掩膜的尺寸必须与留下来的旧掩膜尺寸一致。电路尺寸越大，这个问题越严重。举例来说，如果透镜的尺寸重复误差是±0.1%，掩膜元件应放在离电路中心线25密耳（25mil)距离处,它的定位误差为25*±0.1%=±0.025密耳，这对于掩膜对准就不存在什么问题。但是，如果电路掩膜较大，掩膜元件应放在离中心线100密耳处，其定位误差为100*±0.1%=±0.1密耳，这样显然是无法对准的（如在一个200密耳电路背面上的0.3密耳发射极扩散区内刻出0.1密耳的发射极窗口）。为此，若想在200平方密耳的电路上刻出精细的几何图形，要求尺寸的再现性优于1/4000，缩小倍数的再现性也必须优于14000。这个道理可用简单的透镜理论来说明。物镜到干板的距离必须同所要求的放大一样精确，透镜到干板平面的距离的精度必须为这个精度的两倍。因此，对大电路来说，拷贝板到干板的距离再现性必须优于1/4000，透镜到干板平面的距离的再现性必须优于1/8000，才能刻出精密的几何形状。如果照相机能使干板相对于透镜的定位精度为±0.5密耳，那么透镜到干板的距离至少为8寸；用20*的缩小倍数时，透镜到拷贝板的距离必须超过160英寸，再现性必须为±20密耳（20mil）。拷贝板和干板平面都不能有丝毫的倾斜或转动，以便使它们的平面有效部分保持在各自的定位公差之内。大型照相机对各种部件的定位精度高，而且固定牢靠。如采用由不能移动的拷贝板、透镜和干板固定夹构成的固定焦距照相机来取得一个固定的缩小倍数，那么，问题就简化了，从而可以很容易的获得再现性，不过失去了灵活性。照相机的一个重要附件，是一种测量空间图象的装置。分划板显微镜在扫描图象的同时可以测得它的运动，因而能够校正尺寸，是调整焦距的最有用的装置。用这种方法，测量精度可达±0.2密耳。第一次缩小图象，一般是最终尺寸的3-10倍，因此0.2密耳的误差最后减至0.02-0.07密耳。以上只是一种校正过程，并非控制过程。尺寸的再现性是在座标制图机上并通过照相机的调整来实现的。

另一种更方便的办法是使干版在其原来的平面上沿着精确的坐标轴线移动，并允许用第一次缩小照相机进行分步重复操作。分单元是以一种简单电路的形式复制在第一次缩小的照相机上，而不是刻制在印模的复制品上，因此通过分步重复各个单元可大大的节省原图的刻制时间。分步重复操作的定位精度完全可以保证对准。

3-7分步重复照相机

用分步重复照相机可把单个电路图案复制成一个阵列。分步重复照相机是由一个或多个投影仪所组成的。投影仪是垂直的安装在一个可移动的工作台上。工作台又可用来作为干板固定夹。第一次缩小的底版内含有透明的图案，将图象进行投影，使干版曝光，然后将干版在x方向移动一定的距离，干版再曝光一次，又往前移动一步。这样不断重复曝光-移动-曝光-移动的周期，直至完成一排曝光时为止。然后把干版移至y方向，并重复整个过程。这样就产生一个阵列的经过曝光的图象。实际上，目前的照相机并不“分步”重复，只是当干版移至投影仪下面时才打开快门进行一次曝光。用分步照相机可把图象缩小到最终尺寸。最终一次缩小系统用的分步照相机，可以缩小，也可以放大，有时采用简单的接触印制的分步方法。对照相机的要求起码要达到第一次缩小照相机的要求，因为它同样要求尺寸控制和再现性。最后缩小用的照相机还要求透镜具有很高分辨率。分步装置一般是精确校准的丝杆和刻度机构。分步装置的形式很多，有简单的将铣床的洗头换上投影仪改制而成，也有用磁带控制的自动分步装置。比较新的结构只有丝杆作传动装置，另外再用光学读出系统进行定位控制。

最新的是激光干涉仪作x-y定位控制。用丝杆定位，位置再现性（对准性）可达±20-10      

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英寸；用光学定位，其再现性可达±10-20*10    英寸；用激光干涉仪，精度最低也可以达

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到光束长度的一半，±5*10   英寸的要求是可以满足的。这些数据只是一般的统计，工艺

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水平不是固定不变的，丝杆定位一般达不到这个指标，可是有的丝杆可达到5-10   英寸精度，可作限制行程使用。

上面讨论中分别用再现性或精度这一术语，而没有用精确度这一术语，这是有含义的。如果所有掩膜都是在同一系统中制成，则只要求再现性或精度；如果用的是几个不同的系统，就要强调精确度，至少尺寸相关性是决不可少的。干涉仪能提供绝对的测量能力而不是校正。因而受到极大的重视。即使用这种量具，也要加以注意。

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玻璃板的线性热膨胀系数约为10   /℃；因此全部被对准的掩膜应该在同一温度下分步（和使用）。支撑件和座标系统有任何刚性的欠缺，都将导致测量精度和对准能力的下降。由于电路越来越大，而内含的几何图形只有0.3密耳或比0.1密耳还小，因此普遍感觉到定位精度方面的困难。这种电路的制造设备还刚开始研制。对于最终一次缩小系统，分步误差的要求可放宽一个等于最终缩小比例的因子。图3-5和图3-6所示是最终一次缩小系统用的分步装置。图3-7和图3-8所示是光重复照相机。图3-8所示就是分步最终缩小用的照相机。在x-y方向，各有一根丝杆驱动的装有干版固定夹的水平台。x方向是电动机或手工驱动的，

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而另一方向，只能用手工驱动。x-y定位的重复能力标定为50*10   英寸，可是有的可获得

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±20*10   英寸（0.5微米）的对准确度。随着时间的推移，老式的简单而又精确的传动机构并没有多大的变革。不过，在设备的生产能力方面已作了重大的改进。以前在电动机驱动的x方向的程序是步进，停止，曝光，然后再重复这个周期。用这种方法产生一个50*50的阵列要花费7小时，而且由于棘轮间隙不准而引起的任何停止时间的变化将改变图象的曝光部位。现在用的设备，电动机驱动方向的运动是连续的，丝杆每转一圈，连接在丝杆上的数据头，就产生100个脉冲。经过计数后，闪光灯预定的计数间隔发亮。同样的50*50的阵列不到2小时就可分步完毕。原来的设备，移动台上只有一个照相机或投影仪，现在增加到4个或6个，这样，在不到2小时内，可以同时分步重复4个或6个掩膜。上面提到了装有多个照相机的设备，这里就来讨论另一个问题。一套掩膜的对准，可以用下述方法来解决，即在水平台上方装上与一套掩膜等量的投影仪，把各个投影仪的干版装在水平台上。因为整套掩膜是同时分步重复的，所以，即使水平台的定位精度不高，也必定能够加以对准。不过把这种设备用于生产，却存在着严重的缺点。在工作中经常需要重新设计其中的某些掩膜，以便修正设计误差为了提高电路性能需要修改结构；需要替换损坏的掩膜，利用先进的工艺，或根据使用单位的要求，改变电路参数以提高成品率。如果改变一个掩膜，就要求全部掩膜重新进行分步才能保证对准精度的话，那么，生产一个器件就得报废许多备用掩膜。最新的分步重复照相机，改变了电动机驱动方向检测位置信号的方法。用光束激光线性编码器，而光束又被定位掩膜所截断。当定位掩膜与干版台一起移动时，磁带控制机构按预定的时间间隔使干版曝光。

缩小用的透镜就是显微镜物镜或电影放映透镜，不过要将光的投射方向倒过来使用。图象投影仪由一镜筒组成。镜筒的底部有一个显微镜物镜，还装有一个干版固定夹，它正好使乳剂干版处于显微镜物镜，还装有一个干版固定夹，它正好使乳剂干版处于显微镜物镜的聚焦平面上。在显微镜中，如果使用分划板的话，就将分划板安装在这个聚焦平面上。按照从下往上的顺序，安装在分划板上的部件有聚光镜，滤光镜和闪光灯。闪光持续时间取决于放电线路的时间常数，一般小于3微妙。闪光强度可通过调节灯泡释放的能量来加以控制，而闪光的能量可通过改变存储电容器的电压和电容器的数目来加以调节。这种光重复照相机可用于10*或3*的缩小倍数。干版固定夹安装标准的高分辨率干版（2英寸*2英寸*0.060英寸），可曝光面积为1(9/16)英寸*1(9/16)英寸。目前工业上倾向于采用较大的硅片。为了适应这种情况，可以采用2（3/4)英寸*2(3/4)英寸干版（其可曝光面积为2(1/2)英寸*2(1/2)英寸）用的干版固定夹和暗箱。移动干版时，在整个曝光面积上，透镜到干版安装平面间距的偏差小于0.1密耳。在所有的分步重复照相机中，除了在第一次缩小照相机中碰到的尺寸再现性问题外，又出现了一个新问题。这就是分划板的x-y轴线必须精确的与分步重复照相机的x-y轴线相平行。这样，一个掩膜组中的各个图案的中心位置都能达到理想的对准。但是，如果一组内掩膜之间发生转动偏差，则偏离图案中心位置的部分图案，就将无法对准。

电路尺寸越大，这个问题就越严重。因为一个微小的误差就会导致偏离旋转中心的偏差很大。因此，原图必须有标记，以便使分步重复照相机能够旋转对准。图3-9所示的对准夹具，是确定第一次缩小干版或分划板固定夹位置的必不可少的附件。在大多数情况下，分划板轴线的对准误差是恒定的，因此并不影响一个掩膜组的对准。如果采用接触复印分步重复的母掩膜来制造生产用母掩膜，那么，每次接触印制中会引入镜像，因而使一个分步重复的母掩膜上顺时针方向的误差，在单数接触印制中变成逆时针方向的误差；只有双数接触印刷中的母掩膜仍为顺时针方向的误差。如果一些生产用掩膜组是由各个掩膜制成，刚在这种情况下，其中有些生产用掩膜是接触印制的偶数，有些是单数。对于这种生产用掩膜，虽旋转误差是恒定的，但一个生产用掩膜组仍难以对准。由于在一组掩膜里同时使用正、负光致抗蚀剂，以至造成混合式掩膜组。对这种混合式掩膜组，分划板的精度（而不是恒定的对准）是必不可少的。

3-8生产用掩膜的材料

在最终一次缩小系统中，生产用掩膜一般是把比实际尺寸大十倍或二十倍的分步重复的母掩膜阵列加以缩小而制成的。对此可以采用第一次缩小照相机，对不同缩小比例可以采用第二次缩小照相机；在分步重复的最终缩小系统中，生产用掩膜是通过接触印制已分步重复完毕的最终缩小版或它的负版制成。无论采用哪一种方法，都要求分辨率极高的摄影技术。标准的干版材料是高分辨率感光干版。乳胶的分辨率为2000线/毫米；然而，随着工艺的进展，在实际工作中仍碰到一些问题。显微镜的物镜，其焦深远小于乳胶的厚度，而人们总是想方设法地使图象平面靠近乳胶的表面或在乳胶顶面上。显影后，乳胶收缩，曝光部分明显凸起。只要线宽不小于1密耳，显影后，凸起的高度是均匀的。如果线宽小于1密耳，则凸起的高度随线宽的变小而下降。因此，在使用线宽粗细不等的掩膜进行接触印制或与硅片接触使光致抗蚀剂曝光时，较粗的曝光面积使细线接触不到需要曝光的乳胶或光致抗蚀剂。不可避免的使边缘衍射图案从细线进入生产用掩膜或光致抗蚀剂，从而破坏了在接触印制或硅片光致抗蚀剂上精细几何图形的成像。用配备有干涉测量仪的显微镜来检验掩膜，或用灵敏仪器来测量显影乳胶的几何形状，就可以很容易的看出和测得这种凸起平面的变化。有些研究工作已经证明，凸起的高度与光密度成比例。

实际上已经证明，由于光致抗蚀剂可用于比高分辨率干版上的乳胶厚度还要薄的层内，因此其实际分辨率高于照相干版。玻璃版上的铬金属膜似乎能取代玻璃板上的乳胶，制出更精细的几何图形。这种铬印模可用光刻法或光致抗蚀剂去除法来制造。这两种方法都要用母掩膜的干版，所以铬印模不可能优于其制造中所用的照相方法。然而，由于金属膜很薄，与乳胶相比，在作掩膜用时效果较好；又由于铬膜比乳胶膜硬度高，所以铬掩膜的寿命相当长。所有系统中，最引人注意的系统是将放大的母掩膜直接缩小在涂有光致抗蚀剂的硅片上。这种方法消除了中间接触操作中所损失的分辨率。目前这种系统还在研究中。在其获得应有之前，还要许多问题尚待解决。

3-9一次和分步重复最终缩小系统的展望

有些研究人员[9]指出了当前和在不久的将来透镜性能方面的工艺水平；对于分步重复最终缩小使用的显微镜物镜，他们引证了电路尺寸达到80*80密耳，能够采用最小的约50*10

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英寸的图案的现代技术水平。他们预计在不久的将来，电路元件可缩小到30*10   英寸。他们推断，最终一次缩小系统中使用的照相机透镜，能够在0.8英寸*0.8英寸的整个阵列面

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积上做出稍大于100*10   英寸的最小有效元件尺寸；并且还预言，对于这种阵列的尺寸来

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说，未来的透镜能把最小的有效元件尺寸缩小到1微米或40*10   英寸的范围。

基于它们对透镜性能的预测，就可以推断，探索使用包含大电路（比如说200平方密耳，而其中又包含0.1密耳或更小的几何图形）的大尺寸（直径1（9/10）英寸-2英寸）的问题，经由分步重复最终缩小系统，在不久的将来一定可以得到解决。这种系统使用照相机透镜，而不是显微镜物镜。

参考资料

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[4] Selwyn,E.W.H.:The Pinhole Camera ,Phot.Journ.,90B,47,1950.

[5] Kingslake,Rudolph:"Lenses in Photography,"A.,S.Barnes and Co.,1963

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[3] Hanany,L.B.:"Semiconductors,"1st ed.,Reinhold Publishing Co.,New York,1959

[4] NASA Goddard Space Flight Center,Final Report-Project GADS,Contract No. NAS 5-2755,Westinghouse Electric Corp.,1965

[5] NASA Goddard Space Flight Center,Final Report-Groove Eteh Studies,Coutract  No.NAS 5-3758,Westinghouse Electric Corp.,1965

第五部分 集成电路制造工艺

下面内容可参见《集成电路制造工艺》，集成电路制造工艺编写组编，国防工业出版社1971年出版。

半导体集成电路是把有源元件和无源元件制作在同一块半导体衬底上的微型电路。集成电路中的有源元件晶体管和二极管，虽然具有与普通平面晶体管和二极管的共同之处，但也有它的特殊之处。集成电路中晶体管与普通晶体管的主要差别是：前者的集电极、基极以及发射极的引线都在同一平面引出，而后者的集电极则是从相对的另一个平面引出，如图3-1所示。

在设计普通平面晶体管时，为了满足产品的性能要求，除着重考虑结构工艺性外，还要求对管子内部的结构图形进行合理的选择。目前，常用的图形有如下几种（图3-2）。

在上述图形中，图形和星形尺寸可以做得较小，因而结构电容小，这种图形多用于高频小功率晶体管中；梳型及覆盖结构由于改善了发射极周长与面积比，所以多用在高频大功率晶体管中；条形和多条形结构不仅面积可做的小，而且基极电阻也小，一般用于高频低噪声晶体管中。集成电路中晶体管的结构原理虽然与平面晶体管类似，但由于集成电路中的晶体管电极引线是从同一平面引出的，而且不允许引线相互交叉，所以集成电路中的晶体管的图形不能设计得太复杂，一般多采用条形和多条形结构。目前集成电路中采用的晶体管的图形结构有图3-3所示的几种。

在图3-3所示的图形中,

(a)为单基极结构，它所占的面积最小，所以结电容较小，因此频率相应较高。这种结构适用于电流不大或电容性负载，或者没有其他特殊要求的情况。

(b)是双基极结构，它所占的面积比前者稍大些，但其基极电阻比单基极结构减小很多，这对高频性能十分有利。更重要的是发射极周界利用率大大提高，所以输出电流较大。对于饱和型电路中的输出晶体管，除了需要提供较大的输出电流外，还要保证有足够低的饱和压降。图3-39(d)所示的马蹄形结构或类似结构，能降低饱和压降。近年来，随着数字集成电路开关速度的不断提高，希望晶体管的几何尺寸也越小越好，但又要保证电路有足够的负载能力，这两者之间是相互矛盾的。我们伟大领袖毛主席教导说：“矛盾不断出现，又不断解决，就是事物发展的辩证规律。”（《关于正确处理人民内部矛盾的问题》）为了解决这个矛盾，而出现了如图3-3(c)所示条形结构。这种结构大大增加了发射极周长与面积的比例，所以发射极效率大大提高。在晶体管-晶体管逻辑电路中，输入管常采用多发射极管，如图3-4所示。但是多发射极晶体管的每二个发射极相对于基极又形成一个n-p-n的晶体管，通常称为寄生三极管。

这种寄生三极管的存在引起了复杂的相互作用，产生了交叉电流。为了减少这种交叉漏电流，除了在工艺上采取措施外，往往在设计多发射极晶体管时设法增加基极电阻，图3-4中(c)和(d)结构，有助于减小这种漏电流。

3.2 晶体管对集成电路性能的影响

毛主席经常教导我们要抓主要矛盾，把工作的重心放在全局来说：“最重要最有决定意义的问题或动作上：。（《中国革命战争的战略问题》）。前面我们已经讲过了晶体管是集成电路的最重要的组成部分，晶体管的好坏对于整个集成电路的性能有很大影响，所以再生产集成电路时，所以在生产集成电路时，要特别重视晶体管的制造。下面讲一下晶体管的性能对集成电路各参数的影响。

1. 对输出低电平V    的影响

OL

输出低电平V   是开关型集成电路中一个极重要的参数，在饱和型电路中，V   实际上

OL                                                     OL                                                                          

就是电路中输出晶体管的饱和压降。晶体管的饱和压降主要取决于集电极串联电阻的大小，例如图3-1中的两个晶体管，为了减少串联电阻，一种方法是采用低电阻率的外延层，这不仅使击穿电压降低了，而且电容也随着加大了；        

另一种方法使敷设低电阻率的埋层，如图3-5所示。

除以上两种方法外，在p-n结隔离中减少外延层或在介质隔离中减小单晶层厚度，也可减少集电极串联电阻，但这样会影响硼结二极管的成品率。因此在集成电路的设计中，对材料的电阻率、槽深以及外延层厚度的选择等必须进行全面的综合考虑。即不但要有利于降低输出低电平，又要保证有较高的成品率。目前主要是采用敷设埋层的方法来减小集电极串联电阻，这样可得到较低的输出低电平。

2. 对输出高电平V    的影响

Oh

图3-6是一种二极管-晶体管逻辑电路。

从图中可看出，晶体管T2的击穿电压和漏电流值直接影响输出高电平。在图3-6的电路中，若输出为高电平时，晶体管T2处于截止状态，此时输出高电平为：

U   =U   -I   R

Oh   cc  do   c

式中U   是电源电压，I    是晶体管T2的反向漏电流。由上式可知，反向漏电流越大，

cc              do                           

则输出高电平越低。另外，当输出管T2的击穿电压小于V    时，输出高电平就被此击穿

cc         

电压所限制。晶体管的击穿和反向漏电，主要是由于管子内部或表面击穿以及表面沟道漏电等所造成。这些问题除了在选择原材料和管子的结构方面考虑外，更主要的是从制造工艺中解决。

3. 对扇出系数的影响

所谓电路扇出系数，是指电路输出端允许接上同类型门电路的最大数目，也即能驱动同类型的门电路数目，它表明了电路的负载能力。在图3-7电路中，当K1输出为高电平时，被驱动的门K2的“与门截止，因此没有电流流通；

当K1输出为低电平时，被驱动的门K2的”与“门导通就有电流注入。被驱动的门越多，所需驱动电流就越大，当此电流超过K1的输出晶体管T2最大电流I   时，晶体管T2就会离

cm

开饱和状态而进入工作区，晶体管T2就会离开饱和状态而进入工作区，使V   增加，即集

ce   

电极电位升高，因而低电平也大大提高。由此看出，电路扇出系数的大小主要取决于输出晶体管的性能。为了得到高的扇出系数，一方面要使输出晶体管的共发射极电流放大系数β大，另一方面要尽量提高输出晶体管的输出电流值，因此就要尽量加长发射极的周长。

3.3  集成电路中的二极管

集成电路中的二极管是利用三极管的一部分或用三极管短接形成的。不同的接法得到的二极管参数也不同，根据不同的应用要求，采取不同连接方式。图3-10和表3-2分别示出五种不同方法连接形成的二极管及其电参数。

从表3-2中可看出：

（1）当I   =0或V   =0或V   =时，储存时间较短；

e        eb       cb                                     

(2) 当V  =0或V   =0时，正向压将较小

cb       eb

(3) 当I   =0或V   =0时，反向耐压较高；

e       eb                                                                                             

(4)当V   =0或I   =0时，结电容较小。

cb       c                                              

如图3-6那样的电路，要求其输入二极管的开关速度快、正向压降低，但击穿电压要求不高，

所以选用V    =0型式的二极管。而电平漂移二极管要求正向压降大，反向恢复时间短，

cb                                     

所以选用I     =0的型式。

e

3.4   晶体管的设计原则

设计晶体管时要涉及到很多复杂的数学计算，在这一节里我们只讲一些有关设计的一般原则。集成电路中的晶体管是多种多样的，在电路中所起的作用也各不相同。“对于具体情况作具体的分析，是'马克思主义的最本质的东西、马克思主义的活的灵魂'“（《学习和时局》）.在设计晶体管时应根据不同要求进行具体分析。如图3-6中的T1管，是普通的管子，没有什么特殊要求。因此设计时仅从工艺制造角度去考虑即可，例如容易排版，工艺简便，成品率高等等。而对于图3-6中的T2管，因为它直接决定着整个电路的主要参数-高低电平、开关速度等，所以就必须作特殊的设计考虑。此外，由于电路的形式不同，则设计晶体管的出发点也不同。如对饱和型电路，就要考虑晶体管的饱和问题，而对于非饱和电路就不考虑这个问题。下面以饱和型电路为例，介绍晶体管设计的一些一般原则。前面讲过数字电路中的晶体管是工作在开启和关闭两个状态，即工作在如图3-11所示的饱和区和截止区，所以通常称为开关电路。在开关电路中，晶体管工作时电压变化幅度很大，为了提高开关速度，就要求这两个状态转换过程很短，所以饱和型集成电路中所采用的晶体管应具有良好的开关性能。这除了用掺金的方法降低管子的储存时间外，还要求有高频及大功率的特点。频率高可以提高开关速度，功率大可以工作在大讯号状态和提高负载能力。      

为了满足频率高的要求，就要减小管子发射结和集电结的面积，以及缩小发射结与集电结的距离，使基区很薄，这样就可以减少发射结和集电结间的电容和基区电阻，本征频率即可提高。另外，杂质浓度高，则有利于达到频率高的要求。为了满足大功率的要求，则发射结和集电结的尺寸要大，杂质浓度要低。而这与高频率的要求是相互矛盾的，所以在设计晶体管时对以上因素要全面综合考虑。在设计饱和型集成电路中的晶体管时，除了考虑上述的开关性能外，还要考虑晶体管对电路性能的影响。

如图3-6中的输出晶体管T2，要求它具有较低的饱和压降（输出低电平），为此除了设计有隐埋层外，一般将集电极做成包围基区的马蹄形，并使几何尺寸尽量大，以保证集电极良好接触和减少集电极电阻（图3-12).   

有时还可以把集电极作成围绕基极的环状结构，如图3-13所示。设计发射极周界时，主要应考虑满足负载的要求。根据经验，每微米长的发射极周界可支付0.16毫安电流，假如要求输出15毫安电流时，发射极周界应不小于15/0.16=94微米.设计晶体管时，除了必须满足上述一些电参数要求外，还要照顾到实际所能达到的工艺水平，如扩散工艺、光刻工艺等。因此在参数允许的范围内，应尽量把管子的几何尺寸设计的大一些。下面举例说明半导体集成电路中晶体管的设计方法（这个晶体管是一般性的，没有特殊要求）。

原材料及工艺选择如下：

15      -3

p型衬底：电阻率10欧姆-厘米，杂质浓度1.3*10    厘米

隐埋层：扩散深度6.2微米，方块电阻R    =20欧姆/方

16     -3               

正外延n型层：电阻率ρ=0.5欧姆-厘米，杂质浓度1.2*10   厘米  ，厚度W=10微米

基区：结深x    =3微米，方块电阻R    =200欧姆/方

ic    

发射区：结深x  =2.1微米，方块电阻R   =2.5欧姆/方，基区宽度W=0.1微米

Ic                                

晶体管几何尺寸如图3-14所示，结深与杂质浓度曲线，如图3-15所示。

根据以上设计，晶体管参数可以达到以下水平：

BV   =50伏，BV   =7伏，BV   =16伏，

cbo         ebo         ceo                                         

G  =0.3微微法（5伏），G   =0.8微微法（5伏），   

TG                    TS            

β=80，R  =25欧姆，f   (5伏、5毫安）=730兆赫，    

sc           T            

四、集成电路中的无源元件

集成电路中无源元件电阻、电容、电感等在电路中虽然不如晶体管重要， 工艺要求也较低，但它们也是达到一定电路功能不可缺少的组成部分，所以在设计和制作时必须加以重视。

4.1 电阻的设计

集成电路中，电阻的制造方法目前有两种：

一种是采用扩散技术（扩散电阻），一种是采用薄膜技术（薄膜电阻）。

1. 扩散电阻的设计

1）计算公式：

扩散电阻是在进行晶体管基区扩散的同时制成的。实际上就是该扩散层的体电阻，扩散电阻阻值的计算与普通材料的电阻值的计算相似，以式（4.1）和式（4.2）分别表示如下：

普通材料电阻的计算：

R=ρL/A              (4.1)

式中：R-普通材料的电阻值（欧姆）；L-材料的长度（厘米）；

2           

A-材料的截面积（厘米   ）；ρ-材料的电阻率（欧姆-厘米）。        

扩散电阻的计算：

R=ρL/tW           (4.2)

式中，R-扩散电阻值；ρ-扩散层的平均电阻率；E-扩散电阻的长度；t-扩散电阻的平均深度。

这两种计算实际上是一样的。由于扩散电阻的平均深度t一般是很小的，而且十分恒定，所以扩散电阻R可以近似由下式表示：

R≈R    L/W

式中，R-扩散电阻的阻值（欧姆）；R   -薄层电阻（欧姆/方）；L-电阻条长度（厘米）；W-电阻条宽度（厘米）。

2）集成电路中电阻的位置：                                

因为电阻一般是在扩散P型基区的同时形成的，所以它就位于基区这一层。其横截面图和等效电路，如图4-2所示。电参数见表4-1。

表4-1  扩散电阻参数表

参数名称             数值              参数名称         数值

薄层电阻系数R     100-300欧姆/方   温度系数     -500~-200ppm/℃

电阻范围           25欧姆-50千欧姆   最大电压      4~50伏

-3      

阻值误差            ±20%功率耗散       4.6*10   豪瓦/微米

-4

同一电路上的电阻比误差  ±5%分布电容      3*10  微微法/微米

毛主席教导我们“用不同的方法去解决不同的矛盾”。（矛盾论）. 当要求的电阻值较小或用作连接线时，也可将电阻做在n型发射区层，它的薄层电阻数可小至几欧姆/方，其横截面如图4-3所示。在设计一些高阻值的电阻时，也可将电阻做在发射区下面部位，它的薄层电阻数可高达2000~5000欧姆/方，可制成500千欧姆的电阻。它的截面图如图4-4所示：

3）电阻的几何形状：

电阻的几何形状很多，应根据阻值大小选择不同的几何形状，如图4-5所示。不同的形状有不同的接触修正系数：低阻值常用如图4-5（a)的形状；中阻值常用图4-5(b)的形状；高阻值常用图4-5（c)的形状。上述三种形状阻值的计算式分别为（4.4）、（4.5）、（4.6）。

R=R     (L/W+2α)        (4.4)

当a=W/2=2b=c, 修正系数α=0.14, R=R     (L/W+2α)      (4.5)

当a=b=c=W时, 修正系数α=0.65, R=R    [(L   +L    +d)/W+2α]+2α   (4.6)

1    1

α=0.65,α    =0.5, 式中，α  为转弯修正系数。

1               1

4）设计举例：

已知：电阻的形状如图4-6所示

薄层电阻R    =200欧姆/方，接触修正系数α=1.4，根据式（4.4）计算扩散电阻,

R=R    (L/W+2α）=200[150/50+0.28]=656欧姆

5)电阻质量分析：

衡量电阻的主要参数之一是绝对误差和相对误差。绝对误差是实际得到的电阻值与设计的阻值之差。用扩散法得到的电阻值绝对误差一般为±20%左右，电阻的相对误差小于±5%，可用下式计算：

          △R                                     △R

△R                    △L     △W      △W

=            +        +       ≈        =              (4.7)

R          R           L       W        W         R

△R-实际电阻值与设计阻值的误差；△R    -实际薄层电阻值与设计阻值的误差；

△R-实际电阻长度与设计值的误差；△W实际电阻宽度与设计阻值的误差；设计一定值的电阻，主要是选择几何形状。对一定阻值的电阻，若线条愈宽，则要求其长度愈长，这样所占面积就大，同时会增加寄生电容；反之，选择线条窄，长度短，所占面积小，这是我们所希望的。但是我们必须全面的看问题，“不但要看到事物的正面，也要看到它的反面。”（《关于正确处理人民内部矛盾的问题》）. 线条愈窄，制造出的电阻的阻值愈不精确，这是因为制版和光刻工艺难以保证窄条的精度。因此在设计时应取电阻的最大允许误差值，以便为制造提供方便。目前的制造技术可达到使同一块电路中的各电阻值具有相同的误差，因而同一块电路中扩散电阻的比值误差可以很小（一般情况可控制在5%以内）。所以，电路中电阻设计的重点应放在要求精确的电阻比上，而不是要求严格的绝对值。扩散电阻的另外一个重要参数是温度系数。电阻值随温度的变化如图4-7所示。由于半导体材料对温度较敏感，故它的温度系数较大。约为500~4000PPm/℃。在设计时应考虑这个因素的影响。

扩散电阻由于制作简单、生产流程短以及成本较低，因此目前已大量生产，并得到广泛应用。但是扩散电阻也存在以下缺点：

(1)阻值受限制，范围较窄；

（2）电阻的温度系数较大，电阻的精度不高；

(3)电阻存在寄生参数，在高频应用受到限制。

2.薄膜电阻的设计

1）制造薄膜电阻的材料

由于扩散电阻存在一系列缺点，而用薄膜技术制造的电阻能够克服这些缺点，所以在集成电路中也常用薄膜电阻。薄膜电阻是用真空蒸发的办法，将金属或合金等淀积在集成电路表面的硅氧化层上制成的。它的结构如图4-3所示，适用于制造薄膜电阻的材料及其特性见表4-2. 根据不同的电阻数值可选用不同的材料制作。目前，钽和镍铬是常用的两种制造电阻的材料，其工艺也较成熟。

表4-2  制造薄膜电阻的材料与特性

3

材料  化学符号 方块电阻温度系数ppm/℃ 功率瓦/厘米  误差%稳定度10000小时内(%)

（欧姆/方）

铬Cr500~30      50              4              ±0.10.5

镍-铬Ni-Cr80/20  40~400±502             ±0.1           <0.1

钽    Ta        ≤100     ±2003              ±0.011

氮化钽TaN≤200      -75±253              ±0.01          <0.1

钛Ti      500~200±120~110       2~4±1           0.8~1.5

氧化锡SnO    ~500±300             2.3~4±21

2

铬-氧化硅混合物Cr-SiO80/20   30~1000±200

金属陶瓷        ≤20000   ±250最大3           ±12

碳树脂10000      500~1000        0.16±10          5~10

2）薄膜电阻的制造

薄膜电阻的制造是在有源元件制成后，用真空蒸发，溅射等薄膜技术，将制造电阻的材料淀积在衬底的氧化层上，再用光刻法制出所需的几何图形。有比较才有鉴别。薄膜电阻与扩散电阻有下列优点：

（1）电阻的范围很广，可以达到10欧模到1兆欧姆。

(2)电阻值误差小，通常在±5%以内，因此适于做高精度电阻。

（3）电阻温度系数小，通常为50ppm/℃，最大不超过300ppm/℃

（4）分布参数小，因此适用于高频电路中。

薄膜电阻也有其缺点，如加工较复杂，生产周期长，成品率低以及成本高等。同时由于许多材料目前还不能进行直接光刻，因此薄膜电阻还未得到广泛的应用。在电路要求不高的情况下，一般都用扩散电阻。但是随着人们对光刻工艺的认识“由浅入深，由片面到更多的方面。”（实践论）薄膜电阻会越来越广泛的被应用。薄膜电阻的计算方法与普通材料电阻的计算相同，这里不再多讲了。

4.2    电容的设计

应用在集成电路中的电容有两种形式，即p-n结电容与金属薄膜氧化物电容。

1.p-n结电容的设计

当p-n结处于反向偏置时（即不导电的状态），相当于一个电容，所以，在半导体集成电路中的电容器，可以和扩散电阻一样，在半导体集成电路中的电容器，可以和扩散电阻一样，在制造晶体管的同时形成，p-n结电容又分为突变结电容和缓变结电容两种。

1）突变结电容的计算：

1/2      

C   =A(qκε   N   /2V)

T        0   c                               

-19              

式中，A-结面积；q-电荷-160*10     库仑；κ-硅的介电常数(3.78);

12                 

ε  -8.85*10   法拉/米；V-外加电压（伏）；N    -集电结或隔离区中的杂质浓度。                                         

0

2）缓变结电容的计算：

2/3         1/3                  

         C   =A(κε    )     (qa/12V)     

T       0

式中，a-缓变结杂质分布斜率。图4-9表示p-n结电容的截面图及等效电路。

p-n结电容值取决于结面积大小，杂质浓度、杂质分布及外加的反向偏置电压等。从图4-9(a)中可看出，除扩散电容c     外，还存在着对衬底的寄生电容c     , 而且它随着外加偏

1                                 2

压而变化，图4-9(c)表示c    /c   随2-3间电压变化的情况。一般运用时，

1    2            

最好能取C    /C      比值大于10的范围。因为杂质分布，反向偏压要求有一定的范围，

1     2                    

不可随意变动。所以，一般都用调整结面积的大小来获得所需电容值。p-n结电容可以利用发射结的电容或集电结的电容。发射结电容值，一般（基区电阻200欧姆/方，在偏压为

-3              2                           -3            2

0伏时，C=1.4*10     微微法/微米   ；在偏压为-2伏时，C=1.0*10   微微法/微米    。集电结电容值一般（集电区电阻0.5欧姆-厘米），

-4             2    

在偏压为0时，C=3.1*10    微微法/微米    ；

-4             2   

在偏压为-5伏时，C=1.4*10   微微法/微米   ，

-4             2   

在偏压为-10伏时，C=0.93*10    微微法/微米     ，

p-n结电容的缺点是必须加反向电压，而且电容值随反向电压而变化。另外由于p-n结的结面积不完整，所以，电容值不能做得很大。

2.薄膜氧化物电容的设计

薄膜氧化物电容（图4-10）是以二氧化硅为介质，一端为铝薄膜，另一端为高掺杂的n+型半导体材料，也称MOS电容。它的容量取决于电容两端的面积和二氧化硅的厚度，可用下式计算：

       C=Aε/h

式中A-电容面积；c-二氧化硅的介电常数；h-二氧化硅的厚度。

当氧化层的厚度从800埃变到4000埃时，

-4             2             -4             2         

电容值从4*10    微微法/微米    变到1.2*10    微微法/微米   。

这种电容的优点是不需要加反向偏压，而且击穿电压高。

在二氧化硅厚度为3000埃时，击穿电压可达200伏。所以目前集成电路中大都采用薄膜氧化物电容。但由于大面积氧化物介质内存在针孔等疵病，所以电容值也受到限制，目前最大容量仅为1000微微法左右。至于质量更高、容量更大的电容，则要采用薄膜电容或附加的方法把电容外加上去。

4.3  电感器

电感器是半导体集成电路中最难制作的元件，特别是大电感问题，目前尚未很好解决，故一般电路的设计都尽量避免用电感元件，或者采用RC、相移发生器代替LC谐振发生器。但在振荡电路和选频放大器电路中必须应用电感元件，因此制造电感元件仍是一项重要的任务。目前的工艺水平可制作出电感量10毫米，品质因素Q=30,频率为1~2兆赫兹的电感元件。在半导体集成电路中，目前制造电感的方法有以下几种：

（1）利用微型磁芯绕制电感器；

（2）利用在二氧化硅（或厚玻璃）上淀积螺旋状的金属；

（3）利用负阻器件（如隧道二极管）模拟电感；

（4）在滤波电路中以RC代替LC；\

（5）利用有源元件的点感性，如利用注入载流子的移动时间滞后产生的电感性，制成所谓”电感二极管“；

五、集成电路图案的设计

我们要把给定的无线电线路图制成一块完整的集成电路，首先要认真研究和了解线路的工作原理、性能要求以及各元件的电参数等，然后才能更好的进行图案设计。

5.1图案设计的一般原则

集成电路图案布局的设计，是将各元件的位置按照外形、接线以及热平衡等条件，在有限的、微小的面积内作出最有效的排列，再按各元件的性质及相互关系决定其平面尺寸、隔离区以及连接线等。在设计集成电路图案时，总的要求是：

（1）元件布局密度高

为了节省硅片材料，增加产量和提高成品率，应尽量缩小单片的面积，因此在图案设计时必须尽量减小元件的尺寸和间距，以达到元件布局的高密度。

（2）容易制造

在设计时应尽量考虑到元件的制造、压焊、封装等工艺的简单化和统一化。

（3）特性要求

必须尽量减少寄生晶体管效应、寄生阻抗、寄生电容等不良现象发生。要求元件间的互连线尽量少和短，以及连接线的交叉次数力求最少。

5.2图案设计程序

1.确定隔离岛

根据线路中的元件数量和特点以及晶体管集电极的电位等情况，应将线路划分为几个隔离岛。电位不同的元件要进行隔离，同一电路中的电阻可放在同一隔离区内。为了减少单片面积，一般尽量减少隔离岛的面积和隔离岛的数目。

2.电路元件位置的安排

进行材料图案布置时，应尽量减少互连线的交叉（或完全不交叉）。进行这步工作时，一般不考虑元件的尺寸和实际位置，仅考虑相对位置的关系。

3.元件图形与尺寸的设计

根据电路性能的要求以及光刻等制造工艺的水平，应全面考虑确定元件的尺寸。目前能够适应批量生产的电路图形，最小条宽和间距多在0微米以上。在低速数字电路中，条宽和间距通常为25~30微米；在高速和超高速电路中，最小条宽和间距分别为3~5微米左右。

4.综合布置

各元件的位置和尺寸确定后，还必须综合考虑电路的对称性、绝缘、光刻掩膜的组合精度，制造图案的变化和寄生效应等。同时还要求在尽量小的容纳面积内，根据不同情况来改变元件的形状。在p-n结隔离时还需将衬底接到电路中最负的电源上，将电阻区接到电路中最高的电位上以及把所有的引线布置在后氧化层上，以便降低寄生电容和增加引线间的击穿电压。另外，应使输入端和输出端尽可能相离远些，以避免不希望的反馈。为便于压焊，电极引线应量布置在电路边缘并与外引线对应。综合布置是整个图案设计中最重要，最困难的部分。

5.确定隔离图案

隔离图案是根据隔离岛的划分及各元件的排列位置确定的。设计隔离图案时，要考虑到光刻掩膜套合的误差和横向扩散等因素。对于介质隔离，一般选用精度以2~40微米为宜，图形外边界离隔离区边界距离为40~80微米。如隔离槽较深且宽，则此距离应增大：对于p-n结隔离，隔离墙的宽度应选在20~30微米左右，图形外边界离隔离墙边界为30~40微米。

6.布线线道

根据确定的图案排列决定布线线道，并绘出对应于元件接触孔的具体线图。所有引线的设计，特别是在饱和型电路中，输出晶体管的发射极和集电极的输出连接处，应尽量短和宽。介质隔离的电路引线要尽量少跨隔离墙。

7。最后修整

当设计工作全部完成后，要进行仔细的检查，特别是对各层图案的细小部分以及电路的周围部分，应根据对准记号进行修整。

5.3图案设计实例

为了进一步理解图案设计方法，现以低速二极管-晶体管逻辑电路（EJL)为例，来说明集成电路的设计过程。

1.熟悉电路情况

1）电路的简单原理：

二极管-晶体管逻辑电路的形式很多，但目前最广泛使用的电路形式是图5-1所示的EJL电路。

此电路中RA与二极管D1...Dn组成“与”门逻辑。晶体管T2作为反相器，完成“非”门逻辑。整个电路完成“与非”门逻辑。从图中可看出，电路输出的高电平为：

                Voh=Vcc-IdoR3

Ido为晶体管T3的反向漏电流。输出低电平为晶体管T2的饱和压降Vces。当输入端不全是高电平，而有一个（或一个以上）是低电平输入时，则输入低电平的二极管就导通。此时，电路中A点电位VA=Vces+Vj(Vj是二极管正向压降，也称断点电压），B点电位VB=[VA-(Vj+Veb)]≈Vces-Vf。假定Veb≈Vf，这时B点的电位为零或负，则晶体管T2截止。C点是高电平输出，Vc≈Vec。只有当输入端都是高电平输入时，流过RA的电流经R1和R2分别流入晶体管T1和Dg，使B点电位升高，晶体管T2导通，此时C点则为低电平输出，Vc≈Vces

2)电路参数要求：

（1）直流参数及测试条件如表5-1所示。

（2）动态参数及测试条件如表5-2所示。

（3）其他参数要求：

输入二极管反向击穿电压≥6伏，电阻绝对误差≤±20%，电阻的比值误差<10%，

（4）三极管极限参数：

Ico在20伏时小于10微安，Ieo在6伏时小于10微安，Ido在10伏时小于10微安，

BVebo≥20伏，BVceo≥10伏，电流固定为10毫安，β为30~50，使用温度-55~125℃。

表5-1直流参数及测试条件

参数名称  空载通导功耗  输入电流  输出高电平输出低电平开门电平关门电平扇出系数

符号Pon           Isd        Voh       Vol      Von      VoffN

单位       毫安          毫安      伏        伏       伏       伏

测试条件  Vcc=+4伏    Vcc=+4伏  Vcc=+4伏  Vcc=+4伏Vcc=+4伏Vcc=+4伏Vcc=+4伏

Vcc=+4伏    Vcc=+4伏  Vcc=-4伏  Vcc=-4伏Vcc=-4伏Vcc=-4伏Vcc=-4伏

输入接地Vin≤0.8伏Vin=1.8伏Vol=0.3伏Voh=3.5伏Vol=0.3伏

RL=330欧姆RL=330欧姆

规范     ≤40        ≤1.1      ≥3.5      ≤0.3    ≤1.8     ≥0.8   ≥12（室温）

表5-2动态参数及测试条件

参数名称       单极平均传递时间

符号Tpd

单位              微毫秒

测试条件          Vcc=+4伏，Vbb=+4伏，f=300千赫，Vin=4伏，带6个负载

规范            ≤200（-55~+125℃）

2.确定隔离岛

输入二极管D1......Dn可放在同一隔离岛；R1、R2、R3放在同一隔离岛；Ri单独放在一个隔离岛；T1和T2各为一个隔离岛；飘移二极管D2为单独一个隔离岛（图5-2）。

隔离区的宽度为40微米，其实际尺寸（单位为微米），如图5-3所示。

3.元件的设计

1）三极管

三极管T1：此电路是饱和型的，对速度要求不高。影响速度的主要原因是存储时间。三极管T1的几何尺寸，主要应从工艺方面考虑。为提高三极管的合格率，最小尺寸定为30微米，间距也取30微米。T1管的结构如图5-4所示。

输出三极管T2，T2的工作电流要求较大，而且在大电流下饱和压降不能太高。由于电路的扇出系数为12，所以三极管T2的工作电流必须大于5微安。根据发射极在大电流工作时的有效发射长度（一般在发射极周长为10微米时可发射1.6毫安的电流），计算出的发射极周长应大于下面的计算结果：

L≥10微米*15毫安/1.6毫安=94微米

故取发射极长100微米。为了加大周长与面积比，一般采用条状结构。敷设埋层可减小饱和压降。通常是将三极管T2的收集极做成环形，但考虑到光刻等工艺，做成马蹄形较好。为了减小基极电阻Rbb和充分发挥发射极发射电流的能力，采用了双基极结构。三极管T2的几何图形及尺寸见图5-5所示。

2）二极管

由于输入二极管D1~Dn要求有高恢复速度，因此选用Vbc=0的发射极-基极二极管。这种结构因在收集结没有少数载流子存储。所以反向恢复时间最短。反向击穿电压要求达到6伏，而eb结完全可以达到这个要求。图5-6是输入二极管的结构和尺寸。电平飘移二极管Dc，反向恢复时间慢，故采用基极-集电极二极管，其几何图形及尺寸见图5-7所示。总之，对二极管的尺寸要求不十分严格，主要便于制造和排列整齐为准。

3）电阻

本电路电阻的最小阻值是1千欧，最大为12千欧。由于阻值较适中，所以可在扩散三极管基极的同时制作。根据电阻的误差要求以及光刻工艺水平，在不考虑方块电阻引起的误差的情况下，把电阻条的宽度定为：

W=△W*│R/△R│，取△W=6，

则W=6*100/20=30微米, 因为1千欧和3千欧的电阻阻值较小，故选用图5-8（a）所示结构。12千欧的电阻阻值较大，选用了图5-8（b）所示结构。

根据修正系数进行阻值计算：三极管基区扩散方块电阻，一般选为200欧/方。根据公式：

R=R    (L/W+2α),得L=(R/R    -2α)W

R     表示方块电阻的阻值,              

R1=3千欧，则L1=(3000/200-2*0.65)*30=410微米, R2=1千欧，则L2=(1000/200-2*0.65)*30=110微米, R3=R1=410微米, R4=12千欧，则L4=(12000/200-2*0.65-2*0.5)*30=1656微米, R1、R2、R3、R4电阻的几何结构和尺寸如图5-8所示。

4)元件的连接

单个元件的尺寸确定后，要求把各个元件组合起来，在用铝条作连接线时，一般在允许的情况下，把铝条尽量作得宽些。但考虑到铝条所产生的寄生参量的影响，铝条也不能做的太宽。本电路一般采用50微米宽的铝条。最窄处30微米。同时铝条与铝条的间隔也不能太窄，一

2

般选用7微米较宜。引线的焊接点选择为150*150微米    。一个EJL双驱动器的整体电路的版面布置示于图5-9中。

5)物理参量的考虑

本电路采用SiO2作介质隔离。

±0.23

衬底材料是N型硅单晶片，电阻率ρ=0.5      欧姆-厘米，位错小于10    。

±0.23                                                                                 

层埋用反外延，埋层厚度h=15     微米，电阻率ρ<10   欧姆-厘米，位错小于10    。

晶体管基区扩散，采用工艺比较成熟的硼扩散。

±0.3                                

集电结结深为：Xic=3     微米，方块电阻R    =200欧姆/方

磷扩散主要应控制好放大系数β。发射结结深为：Xjc=1.5~2.5微米。预扩散时使β控制在30左右，经再分布后使β提高到50左右。为减小管子的存储时间，在磷扩散前应进行掺金。上面介绍了一个介质隔离的集成电路的设计实例。下面再绘出一个p-n结隔离的集成电路实例图（图5-10），其设计方法与介质隔离的设计相同，读者可自己分析。

六、集成电路工艺概述

由于集成电路是在同一块衬底硅片上制造各种元件，而且这些元件的电位不同，所以必须在电性能方面进行隔离。同时根据设计要求将这些元件连接起来，以完成一定的电子线路的功能。因此，制造集成电路的整个过程，主要是解决隔离、制造元件、元件互连等。所用的一切工艺技术主要是为了解决这三个问题服务的。

1.集成电路制造工艺的主要特点

1）利用综合技术，如机械、冶金、电子、光学、化学、光化学技术等等；

2）使用的材料种类较多，如金属材料、半导体材料、化工材料、各种气体及水等。

3）加工工艺精细、繁杂。

集成电路的制造工艺大致可分为三个主要部分：

1）隔离技术：隔离的方法主要有介质隔离、p-n结隔离和空气隔离等。进行隔离时需采用氧化、光刻、外延、扩散等工艺技术。

2）平面工艺：这是集成电路的主要工艺，包括外延、氧化、光刻、扩散及蒸发等。

3）后部加工工艺：后部加工包括划片、切割、烧结、压焊、封装、工艺筛选、测试分类及打印等。

2.集成电路的典型工艺流程

1.p-n结隔离工艺流程：

p型硅片→研磨→抛光→埋层氧化→光刻埋层→埋层扩散→外延n型硅单晶层→隔离氧化 →光刻隔离区 →隔离区扩散 →蒸金 →基区氧化及金扩散 →光刻基区 →基区扩散及发射区氧化 →光刻发射区→发射区扩散→低温氧化→光刻接触孔→蒸铝→光刻铝→合金→中测→划片→烧结→压焊→封装→工艺筛选→成测。

2）介质隔离工艺流程：

n型硅片→研磨→抛光→隔离氧化→光刻隔离区→刻槽→外延生长埋层→外延SiO2→外延生长多晶硅→磨抛显图形→基区氧化→光刻基区→基区扩散及发射区氧化→光刻发射区→基区扩散及发射区氧化→光刻发射区→金扩散→发射区扩散→低温氧化→光刻一次接触孔→蒸发Ni-Cr→光刻Ni-Cr电阻→溅射SiO2→光刻二次接触孔→蒸铝→光刻铝引线→合金→中测→划片→烧结→压焊→封装→工艺筛选→成测。

上面对集成电路的制造工艺做了概括的介绍，以便有一个全面的了解。由于集成电路制造工艺涉及的内容较多，为了很好的研究和掌握主要工序的制造技术，

下面将按工艺分别进行叙述。

七、光刻掩膜的制造

7、1概述

集成电路制造过程中的隔离扩散、蒸发淀积和元件间的连线等，都需采用光刻技术。而要刻出一定的图案，必须先制出光刻掩模，亦称光刻底版。光刻底版的制造简称制版，它包括电路原图的绘制、照相缩小、分步重复、复印及铬版制作等。制版的程序和影响其质量的因素较多，因而它是集成电路的关键工艺之一。对同一块集成电路需要进行多次光刻（一般进行6~7次），每次需有一块光刻底版，这些底版还要进行套合，因此底版制造的累计误差就大，这是形成图形误差的主要原因之一。通常对光刻底版的精度要求很高，主要要求为：

（1）图形尺寸正确无误，线条公差范围小；

（2）版面无针孔等疵点，黑白反差大；

（3)每块版重复的图形尺寸、距离应完全一致；

（4）底版套合精度高；

（5）版面平整光洁，而且耐磨使用寿命长。

随着数字集成电路向高速和超高速方向的发展，电路的图形也越来越小，因而对光刻底版的要求也越来越高。

7.2制版的工艺过程

总图绘制→分图绘制→单图照相（第一次缩小）→分步重复（第二次缩小）→复印（拷负版）→制络版

超微粒明胶干版

1.原理图绘制

原图绘制是制版工作的第一步，绘制质量的好坏直接影响底版的质量。因此要求原图的绘刻尺寸正确，边缘光滑平整，反差大以及放大倍数适当等。在电路的图案设计定稿时，一般将总图的尺寸按制版的需要放大50倍或100倍、200倍、500倍等，并按规定绘在坐标纸上。为了便于进行划片和光刻找基准，在制版绘图时，要画上叉字线（即片子上的电路间距准线）。然后用描图纸分出光刻用的分体图，并按每张分体图制出照相用的图案。套版的总图及分图如图7-1所示。图形绘制一般有二种方法：

1）墨水绘制

（1）将画有总体图的座标纸放在中版白卡纸的上面，并一起固定在绘图版上；

（2）用细针在分图座标和图形上刺孔，并穿过中版白卡纸。

（3）取下座标纸，用铅笔将小孔连成图形，再上墨；

（4）在图形区内涂墨；

（5）用广告白色修图。

要求绘的图线条边沿整齐，反差高。但由于墨水绘图一般边缘质量差，所以目前在生产中已不用此法，而采用刀刻绘图。

2）刀刻绘图

在喷有黑漆的玻璃板或描图纸上，或者在红色或紫色薄膜的透明塑料板上，用刀刻出所需图形，再用手工剥去图形内的漆膜。刻图的方法有两种，一种是把分图固定在专用刻图桌上，并将红色薄膜的塑料板压在上面，然后用刀片进行手工刻制；另一种是在座标刻图机上进行刻制。刀刻绘图的特点是：

（1）图形边沿整齐光滑，误差小（比墨水绘制质量高）；

（2）黑白反差高，可用透射光照相；

（3）环境温度变化对图形影响很小。

也可用计算机CAD绘图，绘制图形区，然后再打印出来，再照相，制作光刻模板。

2.单图照相（第一次缩小）

单图照相是将绘制好的整套图，按一定的缩小倍数分张进行缩小照相（俗称照大相）。照大相的目的是将图形印在玻璃板上，供投影光分步重复照相。照相图形要求尺寸精确，边缘整齐和反差高。一般在制版过程中，应尽量减少照相缩小次数，因为照相次数越多，分辨率就越差。单图初缩照相一般在卧式照相机上进行。若是墨水绘图，需用反射光照射；若是刀刻绘图，则要用透射光照射。

用计算机CAD绘图，打印出图形，用数码相机照相后，用软件缩小图形。也可以直接用电脑软件绘制缩微图形，然后用微缩打印机打印出来进行光刻.

照相时一般采用制版镜头，其直径为F-5、F-7.5、F-10.5、F-13.5、F-15厘米。选用镜头时应使拍摄图像的对角线长度小于镜头直径的1/2为宜。

拍摄过程：

1）安放原图：把原图平整地固定在图板上，并使图形的中心落在镜头的主光轴上。这是为了获得精确的尺寸和最大的分辨率以及边界质量最好的图形。

2）光源调节：用反射光时，可使4个500瓦的强光灯泡。一般以45度角投射于图上，并应调节距离和角度使图形获得均匀的照射。用透射光时，打开框架毛玻璃内的日光灯就行了。

3）对光：按要求的缩小倍数进行精确对光为保证正确对光，一般都使用显微镜观察。

4）装版：在暗室内把装好的明胶干版装入暗盒，注意药膜面要朝着被摄图形。检查药膜反正的简单方法是，轻轻地向版面哈一口气，在红灯下观察有无气雾现象，无气雾是药膜面，有气雾则是玻璃面。然后把装好的干版的暗盒装入相机。

5）曝光：一般在光圈为F-8~11的情况下进行曝光。曝光时间约为3~5分钟（具体时间视不同的干版而定）。

6）冲洗：冲洗包括显影、停影、定影等三个过程。

（1）显影：在暗室中将曝光好的明胶干版浸到显影液中。（显影液温度一般以18~20℃为宜，显影时间为1.5~2分钟。

（2）水冲洗：将已显影的版放在自来水中充分冲洗，然后再放入停影液内，数秒钟后再浸入定影液中。

（3）定影：在定影液中定影2~3分钟，然后将版用自来水冲洗干净。

（4）质量检查：在50倍的显微镜下检查影像质量，要求图像清晰、完整，边缘整齐，反差高，无针孔和污染等。若发现影像有灰雾、线条呈锯齿状以及过渡区大等现象，则不符合要求，需重新制版。

（5）坚膜烘干：合格后的版用去离子水冲洗干净，放在版架上并在恒温（60℃）箱内烘干即可使用。

3.分步重复照相（第二次缩照）

可将光学显微镜的镜头反向装在照相机的镜头上面，这样就制作出了一个缩微相机。

在集成电路的制造中，为了适应大量生产和节省原材料，一般在一块硅片上同时制作几十个甚至几百个相同的电路。因此，在制版时需进行分步重复照相，即将单一的图形按一定规律重复地摄制到同一块版上。分步重复照相可用多头（如六、八头）照相机，也可用单头重复照相机。多头照相机的重复精度、全套版的一致性以及重复速度等均比单头的好。它的操作过程如下：将第一次缩照后的版，固定在一个90度化学方框玻璃上，并调整版与方玻璃平行，然后将其放到六头重复机上进行排列照相，要求照相机的x,y轴的每次零点必须调整准确。然后调整电压以适当一定的感光材料。一般是用明胶干版作为感光材料。

4.复印

分步重复照相制出的版称为主版或母版。由于这种版制作困难，因此它不直接用于生产。实际光刻使用的底版是用主版复印制成的明胶副版或金属副版。复印的原理同普通的复印照片一样，如图7-2所示。

复印时要注意图像的正负。如绘制的原图为正，则单图照相后的底版为负，分步重复后又为正，复印干版后为负，在复印制铬版或干版后为正，然后才能供光刻使用。图像的正负变化如图7-3所示。

复印时，曝光时间应短，而显形时间要长，这样可获得高反差底版。

5.铬版制备

用干版复印的正版耐磨性很差，特别是在接触光刻中容易损坏，一般只能用20次左右。为了适应大量生产，通常都采用铬版。

1）铬版的特点：

（1）铬在玻璃上吸附最牢固，耐磨性好，使用寿命长（可使用上千次）。

（2）铬膜是用真空蒸发的方法淀积在玻璃板上制成的，颗粒很细。它通过腐蚀可作出边缘整齐、光滑且精密度高的光刻底版。因铬版没有明胶干版那种影响透明度的乳胶层，所以反差高。

（3）铬在空气中十分稳定，能防止酸的浸蚀，而且表面可进行擦洗。

2）光刻铬底版的制作：

（1）将已蒸铬的玻璃板（铬的蒸发见十三章），用玻璃刀裁成所需要的尺寸，并在密封台内用丙酮棉将铬表面擦干净；

（2）将处理干净的铬版放在匀胶台的转盘上，使蒸铬面朝上，滴上感光胶（光致抗腐剂），用玻璃棒涂匀，即可匀胶。转盘转速以所需胶的厚度和胶的粘度而定，一般在500~800转/分。转动时间以达到胶干为宜，一般为1~3分钟。有时为了提高抗蚀能力，匀涂两次胶。如果发现涂好的胶有藏点和气孔，可用甲苯棉擦去胶层，处理干净后重新匀胶；

（3）为使胶内的有机溶剂蒸发干净，需将涂好胶的铬版放在80℃的恒温箱中烘烤15分钟左右。

（4）复印曝光：将烘好的铬版胶面与要复印的负版乳胶面相接触，并用板架夹紧，在紫外光下曝光。曝光时间依光的强弱、负版透明度、图形尺寸及感光胶情况而定，一般在45~120秒范围内；

（5）显影：将曝光后的版放在丁酮（或甲苯）液中浸显，时间约为一分钟；

（6）坚膜：为使显影后的胶膜与铬面接触更密实，在恒温箱以180±15℃烘烤40~50分钟；

（7）腐蚀：把腐蚀液放在恒温水浴锅内，并使腐蚀液温度保持在60℃。将坚膜好的铬版放入腐蚀液中进行腐蚀，一般约为20~50分钟。腐蚀后的显微镜下或投影仪上进行质量检查。常见的缺陷是针孔、钻蚀、划道、黑点、边界虚、腐蚀不完全、图形各部分尺寸不准确等；

（8）降腐蚀后的铬版，用棉花蘸水擦洗其图形部分，然后用去离子水冲洗干净、烘干，并包装好以供光刻使用。

3）制铬版的光致抗蚀剂的配方：

关于光致抗蚀剂的详细内容可参见《光致抗蚀剂光刻胶》中国科学院研究所《光致抗蚀剂组》编著，科学出版社1977年出版。

聚乙烯醇肉桂酸酯1克, 硝基卮 0.05克,，硝基稀释剂 0.05克，环已酮 12~12毫升，

或者

PCDA-053光致抗蚀剂 1克，硝基漆     0.05克，硝基稀释剂     0.05克，环已酮     12~12毫升。

或者

环化橡胶光致抗蚀剂     1克，硝基卮     0.05克，硝基稀释剂     0.05克，环已酮     12~12毫升。

或者

701正性光致抗蚀剂     1克，硝基卮     0.05克，硝基稀释剂     0.05克，环已酮     12~12毫升。

4）铬版腐蚀液的配方：氢氧化钠     4克，高锰酸钾     4克，水    50毫升。

7.3超微粒干版的制备

因为集成电路的图形很小，几何图形的尺寸要求非常精确，因此在制版（单图照相、分步重复、复印）时需要性能优良的感光材料——超微粒干版。超微粒干版的特点是感光银盐的颗粒细。分辨率高，最高光密度大，反差高，以及能满足一定的感光速度。

1.超颗粒干版的配方

A液，明胶4克，去离子水80毫升，

B液，硝酸银（浓度20%），10毫升，

C液，混合卤盐，10毫升

配制方法：在100毫升的混合卤盐溶液中含氯化钠  6.4克，溴化钾 1.7克，氯化镉 0.5克   ，碘化钾  0.2克

或者配制方法：在100毫升的混合卤盐溶液中含，溴化银 3克，氯化银 3克，碘化银 1克 ，氯化镉  0.5克，

D液   柠檬酸（浓度4%） 2毫升，或者D液 山梨酸（浓度4%）  2毫升，

E液      频那全醇（浓度0.5%）      3毫升，

配制方法：0.5克频那全醇、60毫升无水乙醇，加入去离子水至100毫升，

或者E液      频那醇（浓度0.5%）      3毫升，

配制方法：0.5克频那醇、60毫升无水乙醇，加入去离子水至100毫升，

或者E液      频那酮（浓度0.5%）      3毫升

配制方法：0.5克频那酮、60毫升苯乙酮，加入去离子水至100毫升

F液        三氮吲哚唎嗪（浓度1%）             3毫升，

或者F液        一苯并吡喃衍生物（富士J82019-763)（浓度1%）        3毫升，

或者F液        过氧化氢（浓度0.5%）        3毫升，

或者F液   N-甲基-3，4-富勒烯基吡咯烷， N-甲基-2-丙基-3，4-富勒烯基吡咯烷，（浓度1%） 3毫升，

P液     铬钒（浓度2%）       2毫升，

1A.超颗粒干版的第二种配方

详细内容见苏联《彩色电影》，戈尔陀夫斯基编，中国电影出版社1962年出版。

下面描述的感光乳剂就是需要配置的溶液，也就是超微粒干版的配方。

感光乳剂是由于混合两种溶液而形成的，一种是卤素化合物（通常是含有少量碘化钾的溴化钾）的水溶精胶溶液，另一种是硝酸银溶液。在混合溶液的时候，瞬间发生一种简单的互换反应，这种反应可以用下列反应式来表示：

2AgNO   +KBr+KI=AgBr+AgI+2KNO

3                       3

或者在合成所谓氨化乳剂的时候用下列反应式来表示：

2Ag(NH   )   NO  +KBr+KI=AgBr+AgI+4NH   +2KNO      

3   2    3                    3       3

因为有精胶，以至所形成的难于溶解的感光胶体银不会在混合溶液用的乳剂蒸煮器的底上沉淀，而是以迅速获得结晶结构的大量微粒的形式均匀地分布在全部精胶溶液里面。这样取得的混浊液通常都叫乳剂，其实这样叫是不正确的，因为它不适用于一般的实际目的，它的照相特性（感光度和反差系数，等等）还是处在很低的水平上。在混合好溶液以后，将乳剂放在卤化银——溴化钾或氨和溴化钾的溶剂中于一定温度下停置一定的时间。此时，在乳剂中发生卤化银粒成长的物理化学过程——物理成熟或第一次成熟。在第一次成熟过程中，溴化银的溶解度是重要因素之一。这一因素的变化，也即溶解度高或低，都可能使取得的乳剂具有粗细不同的感光颗粒分布。实际上，卤化银的溶解度，是通过向水溶精胶溶液中加入某种数量的超当量（盈余）的溴化钾，向硝酸银中加入氨，以及使用这种或那种原始溶液混合方法来改变的。这样的方法实际上有两种。其中的一种是迅速混合两种溶液（瞬时乳化）。在这种情况下，卤化银的全部颗粒是同时形成的；因而它们都处于大致相同的溶解度条件下。所取得的乳剂的感光颗粒的粗细是相同的。另一种方法是在卤盐溶液中逐渐注入银盐溶液。银盐溶液为氯化银，硝酸银，碘化银，溴化银溶液。显然，在第一次停置的全部过程中，并不是所有乳剂颗粒处在相同的溶解度条件下：先形成的颗粒在溶解度方面所处的条件与后形成的颗粒所处的条件不同。因此，所取得的乳剂的颗粒粗细不是相同的。影响乳剂颗粒粗细分配的另一个因素，是在混合原始溶液时高分散性的晶核内相的形成。作为这种内相的一般是使用碘化银，它的溶解度几乎是溴化银溶解度的1/70. 由于溶解度较低，所以碘化银在混合溶液时必然比溴化银形成得更快，并且有更高的分散性。因此，碘化银一方面能够起凝结核心（晶核内相）的作用，另一方面又能够在减小颗粒平均粗细度和增大颗粒一致程度方面影响乳剂颗粒的最终粗细分布。这种情况在实际工作中也可以看到。使晶核内相的颗粒浓度向这方面或哪方面改变，也可以取得具有各种乳剂颗粒粗细分布的乳剂（图5或图6）。

2.超微粒干版制作的工艺过程

明胶溶解→乳胶合成→切条水洗→复溶涂布→干燥坚膜  

上述流程除明胶溶解外，应全部在暗室中进行。

1）明胶溶解：

将A液置于40℃恒温水浴锅内不断搅拌，使明胶充分溶解，再经耐酸滤斗减压抽滤后，便可供乳胶合成使用。

2）乳胶合成：

乳胶合成采用双管注入法。选取两支流速基本相同的滴定管，分别装入B液和C液。另外将A液盛入容量为150毫升的小烧杯中，保温38~40℃。用电动（或电磁）搅拌器进行搅拌，并加入D液，然后将B液和C液同时注入A液中进行反应，以生成感光银盐。在继续搅拌的情况下，依次加入E液和F液。乳胶合成总的时间一般约为3~5分钟。乳胶合成后，立即倒入培养皿，放在-5℃左右的电泳箱内约20~30分钟，使乳剂冷凝。

3）切条水洗：

将冷凝好的乳剂切成长宽各为数毫米的小条。浸泡在温度10℃以下的去离子水中，水量约400毫升，并不断搅拌。每10分钟应换水一次，共洗3次。

4）复溶涂布：

水洗后把水擦干，放在40℃的恒温水浴锅内进行加温复熔，待乳液全部熔化后，在搅拌状态下加入P液，再用耐酸滤斗减压抽滤，便可供涂布用。小量生产时，可用手工涂布，即在玻璃板上放定量的乳剂[玻璃面积9*12（厘米），涂布乳剂量2毫升]，用玻璃棒将乳剂均匀地涂在玻璃板上。然后立即放入冰箱中的平台上降温冷凝，温度应低于10℃，时间约为15分钟。

5）干燥、坚膜：

将冷凝后的干版移置于架子上，架子要放在清洁的不透光的通风厨中。干燥时间可根据厨内空气的温度、湿度、通风效率而定，风要经过滤气球过滤。经干燥的干版用加温的方法坚膜后即可使用。暂不使用的干版用黑纸包好，放在低温干燥处避光保存。

3.制造超微粒干版的原理和要求

1）明胶的作用主要是作为感光银盐的载体，用于防止卤化银沉淀沉积，使银盐分布均匀。

2)乳胶合成是制备超微粒干版的关键工序。乳胶合成时的温度、乳化的方法、混合的速度、搅拌的程度等都影响乳剂的感光性能。

3）乳剂合成时，若采用双管注入，为了确保整个反应过程卤盐的一定过量，可在滴定前，提前先加卤盐溶液0.5毫升左右，如果硝酸银过量则产生黑斑。

4）辅助剂的效能：

柠檬酸、山梨酸是为了使该乳剂呈酸性乳胶，以提高反差。频那全醇,频那酮是增感剂。它是一种燃料，加入乳剂时，使卤化银颗粒染色，因而能吸收更多的使卤化银产生化学变化的光谱能量，达到增感的作用。三氮吲哚唎嗪、一苯并吡喃衍生物（富士J82019-763)、过氧化氢、 N-甲基-3，4-富勒烯基吡咯烷， N-甲基-2-丙基-3，4-富勒烯基吡咯烷是稳定剂，它有防止超微粒干版在保存期间产生灰雾的作用。铬钒是坚膜剂。

5）水洗是为了去除对乳剂性能有害的硝酸盐结晶及其他可溶解的酸碱杂质。水洗不足或过度都将影响乳剂的感光性能。

八、光刻技术

8.1概述

光刻是一种复印图像和化学腐蚀相结合的综合技术。它是用照相复印的办法，首先将光刻掩膜上的图形精确地印刷在涂有光致抗蚀剂的半导体衬底的氧化层或金属蒸发层上，然后用光致抗蚀剂的选择性保护性能，对氧化层或金属层进行化学腐蚀而刻出相应的图形。正如前面所讲，在集成电路的制造中，需要多次用SiO2进行掩蔽加工，因而就需要进行多次光刻。每块集成电路一般要进行6~7次光刻。要求各次光刻套合精确，并且刻出的图形无钻蚀、毛刺、针孔，以及图形清晰等。因此对片子的清洁度、光致抗蚀剂的配用，曝光、腐蚀等都有很严格的要求。光刻的工艺流程如图8-1所示。

8.3光刻工艺

1.涂胶前的准备

为了使胶能牢固地粘附在硅片上，在涂胶前必须对硅片表面进行严格的清洁处理。要求氧化层表面不仅干燥、清洁，且应呈现硅氧烷基结构（Si-O-Si），而不是硅烷醇基（Si-OH）结构。因为Si-OH是亲水性的，易吸水，而Si-O-Si是疏水性的。硅片的清洁处理及使SiO2表面呈现Si-O-Si结构的方法见第十六章。

2.涂胶

涂胶是把光致抗蚀剂（俗称感光胶）均匀地涂到欲光刻的硅片的表面。涂感光胶的要求是：均匀、厚薄适当。如果涂层过厚，则图形的分辨率低；过薄，则针孔的数量增多。涂胶的方法很多，如喷涂，涂敷，浸渍，涂覆机涂覆等。目前应用较多的是用旋转式涂覆机涂覆。这种方法的优点是使用方便，但涂得不匀。如直径160毫米的圆盘，以每分钟800转的转速旋转1分钟，则胶膜厚度偏差可达2000埃。这对光刻小图形的质量影响很大，而且还会产生胶丝。另外，由于感光胶的粘度随温度、湿度而变化，而且温度高、湿度大时，会使感光胶与硅片表面粘附不牢而造成起胶等不良现象，所以涂覆时必须严格控制温度与湿度。一般相对湿度6.0%以上，温度以25℃左右为宜。

3.前烘

涂胶后的胶膜要立即进行烘干。一般是在80℃温度下烘烤10~15分钟。烘烤的温度不能过高，时间不能太长，否则会造成显影困难。例如温度若在100℃以上，由于增感剂挥发而造成曝光时间增长，甚至完全显不出图形来。另一种烘烤方法是，用红外光从硅片背面照射，并透过硅片加热，使SiO2和胶的介面先开始干燥。这种使溶剂从内部向外蒸发的方法是一种较好的干燥方法。

4.曝光

曝光操作较简单，但要求准确度较高，即要求几次套刻的版与硅片上的图形精确对正。另外要求曝光机在任何方向上不应有丝毫位移。曝光源通常用紫外光。80瓦高压水银灯产生

8      

的紫外光即可满足感光胶需要的大约10   勒克斯/秒的光强. 曝光时间的确定，一般是先试曝一片，然后调整曝光时间。曝光的时间主要根据感光胶的厚度、衬底材料、灯光强弱、远近和电压波动等因素进行调整。

5.显影

显影时，硅片上没有感光的感光胶溶解在显影液中，而感光部分保留下来作为腐蚀时的保护膜。根据实践可知，丁酮和三氯化乙烯用作显影液溶剂效果较好，溶解力强。目前都趋向于用丁酮。用三杯丁酮逐杯轮换，1分钟内即可达到显影目的（注意：显影液要经常更新，负责显影不干净）。

注：显影液配方

详细内容参见《电影胶片的制造及洗印加工》苏联СМ安东诺夫，В.Л.则李克曼，K.И.马尔西列维奇合著，罗静予译，田大畏校，中国电影出版社，1958年出版，本书是《苏联电影技术丛书》之一。

H-1显影剂配方：

米吐尔8克，结晶亚硫酸钠250克，无水碳酸钠5.75克，溴化钾2.3克，水1升。

H-2显影剂配方：

米吐尔2克。对苯二酚5克，结晶亚硫酸钠200克，硼砂2克，溴化钾0.3克，水1升。

显影正片用П-1显影剂：

П-1显影剂配方：

米吐尔2克，对苯二酚6克，结晶硫酸钠40克，无水碳酸钠25克，溴化钾3克，水1升。

显影声带底片采用Φ-1显影剂

Φ-1显影剂配方：

米吐尔4.0克，对苯二酚14.4克，亚硫酸钠60.0克，无水碳酸钠21.6克，溴化钾0.8克，水1升。

附注：如果没有米吐尔，可以用对氨基苯酚——对苯二酚显影剂代替米吐尔——对苯二酚显影液。

详细内容见《电影胶片工艺基础知识》，燃料化学工业部第一胶片厂研究所编，燃料化学工业出版社1972年出版。

目前常用的彩正显影配方为：

EDTA(乙二胺四醋酸二钠盐）2克，TSS（二乙基对苯二胺硫酸盐）3克，无水亚硫酸钠2克，S-55(盐酸羟胺）1.2克，无水碳酸钾65克，溴化钾2克，水加至1000毫升，ph=10.6左右。

酸性定影液配方为：

硫代硫酸钠240克，无水亚硫酸钠15克，醋酸15毫升，硼酸7.5克，钾矾15克，水加至1000毫升，ph=4.0。

漂白液配方为：

赤血盐（铁氰化钾）50克，磷酸氢二钠1克，磷酸二氢钾19克，溴化钾15克，EDTA3克，水加至1000毫升，ph=4.7。

酸性定影液配方为：

硫代硫酸钠240克，无水亚硫酸钠20克，水加至1000毫升。

彩色正片感光测定标准加工条件如表8-5所示：

工序                药液温度                加工时间

彩色显影          20±0.5℃                  8分

水洗              16~18℃                   15秒

酸性定影          16~18℃                    4分

水洗              16~18℃                    5分

漂白              16~18℃                    4分

水洗              16~18℃                   4分

碱定               16~18℃                   4分

水洗              16~18℃                   15分

干燥             16~18℃   

保定甲型彩底加工工艺（暂定）

1.加工工艺

前浴45秒18℃，水洗1分，显影8分30秒18℃，钠浴4分，水洗15分，漂白7分30秒18℃，水洗7分30秒，碱定8分30秒18℃，水洗15分。

2.加工配方：

（1）前浴（为了去除片基背面的碳黑防光晕层）：

EDTA(乙二胺四醋酸二钠盐）2克，无水硫酸钠40克，碳酸钠10克，加水至10升。

（2）显影：

EDTA2克，TSS3克，无水亚硫酸钠2克，S-55(盐酸羟胺)1.2克，无水碳酸钾75克，溴化钾2克，加水至1升，ph=10.70，（如PH不够，用40%氢氧化钠溶液调整）

（3）漂白：

EDTA3克，赤血盐50克，磷酸氢二钠1克，磷酸二氢钾19克，溴化钾15克，加水至1升，ph=4.7。

（4）碱性定影液：

海波240克，无水亚硫酸钠20克，加水至1升。

保定倒型彩正加工工艺（暂定）

1.加工工艺：

前浴1分30秒20℃，水洗1分30秒，显影10分20℃，水洗1分30秒，碱定5分20℃，水洗3分30秒，漂白5分20℃，水洗3分30秒，碱定5分20℃，水洗15分，稳定15分，（声带加工30秒）。

2.加工配方：

显影：EDTA（乙二胺四醋酸二钠盐）2克，TSS（二乙基对苯二胺硫酸盐）3克，无水亚硫酸钠2克，S-55（盐酸羟胺）1.2克，无水碳酸钾65克，溴化钾2克，水加至1升，PH=10.60.

酸定：海波240克，无水亚硫酸钠15克，醋酸15毫升，硼酸7.5克，钾矾15克，水加至1升，PH=4.0.

前浴：EDTA2克，无水硫酸钠40克，无水碳酸钠10克，水加至1升，PH=4.0.

漂白：赤血盐50克，磷酸氢二钠1克，磷酸二氢钾19克，溴化钾15克，EDTA3克，水加至1升，PH=4.7。

碱定：海波240克，无水亚硫酸钠20克，水加至1升。

稳定塔：甲醛40%20毫升，拉开粉5%3毫升，水加至1升。

声带加工浆：

米吐尔：16克，亚硫酸钠40克，对苯二酚20克，阿拉伯胶（或桃胶）30克，低亚硫酸钠40克，氢氧化钠50克，乙二胺10毫升，水加至1升。

补充：每千米30升。

补充液配方：（供作参考）

TSS（二乙基对苯二胺硫酸盐）S60~65克，EDTA2克，无水碳酸钾80克，无水亚硫酸钠2.8~3.2克，溴化钾2.2克（因此类彩正二层系氯化银乳剂），S-55试剂1.2克，水加至1升。

详细内容见苏联《彩色电影》，戈尔陀夫斯基编，中国电影出版社1962年出版。

1号显影液，米吐尔40克，对苯二酚150克，无水碳酸钠220克，无水亚硫酸盐600克，水加到10公升。对于不会产生灰雾的赤外线胶片来说，必须补加30克溴化钾，对于会产生灰雾的胶片来说，溴化钾必须补加到100克。

供选择定影用的显影液具有如下成分：

2号显影液，米吐尔100克，无水亚硫酸盐500克，碳酸钾250克，溴化钾从100克到250克，水加到10公升。我们研究的这种马斯克加工过程是采用一般的彩色显影液来使反转画面变黑，在这种显影液的成分中包括三种扩散性彩色偶合剂：α-萘酚，丁酮酸酯-烃酰氨苯和苯基-甲基邻氮茂酮。把溴化银所形成的剪影进行亮室显影的时候，除了可以还原银粒面外，还可以形成能增大马斯克光学密度的染料。在配方中各种偶合剂的浓度必须选择得使它们同显影反应产物结合起来时，能够形成近似中灰的密度。

3号显影液

甲种药液，四醋酸乙烯二元胺二钠盐10克，硫酸羟氨12克，二乙基对苯二胺硫酸盐50克，水加到5公升。

乙种药液，四醋酸乙烯二元胺二钠盐10克，碳酸钾750克，亚硫酸盐100克，水加到5公升。

工作时将甲种药液同乙种药液混合起来，并向10公升显影液中加入下列物质：

1.青色α-萘酚偶合剂1.5克，2、黄色的Ж型偶氮酚或丁酮酸酯-烃酰氨苯偶合剂5克，3.品红色的苯基-甲基邻氮茂酮偶合剂5克，4.乙基酒精0.5公升，5.氢氧化钠30克，用酒精仔细的溶解各种偶合剂，向药液中补加氢氧化钠浓溶液，混合好以后，把它倒入彩色显影液中。马斯克画面一直显影到需要的密度。往往没有必要进行彻底显影，否则，取得的密度会非常之大。在重复使用加厚显影液的时候，必须在其中将马斯克进行一次实验性显影，如果它在透明部分上有红色调子，那么，应向显影液中补加酒精液溶化0.5克α-萘酚。在10公升药液中，可以轻易的显影120米胶片。显影更多的胶片是不适宜的，因为过多消耗显影液就不能够把画面的溴化银全部还原出来，因而也不能使马斯克具有最大的密度。在显影以后，画面经过水洗，放在3%的醋酸液中加工。加工时间不得超过3分钟，因为在酸液中青色染料会衰弱，因而，马斯克的密度也会减小：其所以需要这样加工，是为了破坏显影液，并为了破坏可能在干燥马斯克时引起彩色灰雾现象的偶合剂。加工后的马斯克经过水洗，在不超过25℃温度下加以干燥。在干燥结束时，应该停止加热，以免引起胶片弯曲。可见，马斯克加工工艺过程可以归结为下列一些程序：

1.根据赤外线胶片的感光程度，在1号显影液中显影3分钟。1.3-1.5的密度是理想的，对马斯克反转工程来说是最佳密度。

2.在2号显影液中进行选择定影的显影，直到画面上同赤外线银幕相应的地方的卤化银完全排除为止。

3.轻微的水洗。

4.在具有100立方厘米的40%的甲醛水和10公升的药槽中进行第一次坚膜。

5.水洗。

6.在含有硫酸的过二硫酸铵中进行反转加工，直到金属银的主要部分溶解。

7.水洗。

8.对画面进行清洁工作，排除乳剂层里在加工过程中形成的难溶于水的杂质。

9.水洗。

10.在第二个碱性坚膜槽中加工，一直坚膜到精致不致于在60℃-70℃温度的水中溶解的程度。

11.水洗。

12.在彩色加厚显影液中显影反转画面，直到形成必要的马斯克密度（一般为5-8分钟）。

13.水洗。

14.在醋酸中加工（为了抑止显影）2-3分钟（冰醋酸300立方厘米、水10公升）。

15.最后水洗，在不超过24℃-25℃的温度下干燥。

5.显影

显影时，硅片上没有感光的感光胶溶解在显影液中，而感光部分保留下来作为腐蚀时的保护膜。根据实践可知，丁酮和三氯化乙烯用作显影液溶剂效果较好，溶解力强。目前都趋向于用丁酮。用三杯丁酮逐杯轮换，1分钟内即可达到显影目的（注意：显影液要经常更新，负责显影不干净）。对于小图形，在曝光后可用正丁醇进行两次冲洗。由于正丁醇能使光刻胶轻微收缩，所以可大大改变图形边缘的平整状况。显影对光刻质量起很重要的作用，若显影时间短，胶膜去不干净；显影时间长，图形会变形。影响显影质量的因素很多，例如：

（1）涂胶时片子过烫，会造成显影困难；

（2）前烘时间过长，温度过高，影响显影（特别是刻铝）质量；

（3）曝光时间长，显影后线条边缘不清晰，线条变细。特别是对比较细的线条，这种现象很明显；

（4）光刻底版的黑度不够，容易造成底膜厚，不易显影。刻铝时造成腐蚀困难。

6.坚膜

显影后，为使留下的胶膜牢固的附着在硅片上，需在180~200℃的温度下进行烘烤。一般烘烤半小时（刻铝烘烤15分钟）即可。实验证明，若缓慢升温到200℃，并保持半小时，然后自然冷却到100℃以下再取出片子，可使膜更坚固，而且可防止胶的细小裂纹所造成的毛刺。

7.腐蚀

腐蚀用于去掉硅片上胶膜部位的氧化层。在操作时，要尽量避免侧向腐蚀和胶层破坏。一般腐蚀因子来衡量腐蚀质量：

腐蚀深度

腐蚀因子（F）=

侧向腐蚀宽度

一般认为，F=1可用于生产。图8-2是侧向腐蚀的示意图。

腐蚀液可按被腐蚀材料的不同进行选用，如：

（1）腐蚀二氧化硅

目前最常用的腐蚀液是HF+NH  F+H  O，其配比是HF:NH  F:H  O=3毫升：6克：10毫升

4     2                4    2

增加HF，能加快腐蚀速度，但HF过多，则胶层被破坏。腐蚀速度一般不超过40℃。温度在45~50℃时，则产生钻蚀。在40℃时，腐蚀速度约为2000埃/分。腐蚀温度通常以30~35℃为宜。

用另一种腐蚀液NH  HF   (20克）+H  O（30毫升）进行腐蚀也能得到良好的效果。

4   2           2

这种腐蚀的腐蚀速度相当快，但对胶层的腐蚀也很严重。

图8-3示出了这种腐蚀液的腐蚀速度曲线。

（2）腐蚀铝

用于铝的腐蚀液目前多用H   PO  ，它具有一定的粘滞性。腐蚀温度一般为80~90℃。

3    4

H   PO  适用于腐蚀铝条间距宽的情况，对距窄的铝条用NaOH腐蚀较为适宜。

3    4

NaOH腐蚀的配制如下：

甲、10%NaOH水溶液加高锰酸钾至饱和。温度为30~40℃。

乙、在无水亚硫酸钠饱和溶液中加几滴H   SO

2    4

腐蚀时，光将片子放入甲溶液中10多秒钟，然后取出片子用去离子水洗净，再放入乙溶液中至黄色氧化层去掉为止。取出后用去离子水洗净，并将片子放入H   PO    中腐蚀，直

3     4   

至腐蚀干净。用NaOH腐蚀速度快，但横向腐蚀速度大。而用H   PO   腐蚀，只要时间

3    4    

掌握准确，图形尺寸不会改变。感光胶在H   PO   中很稳定，而且H   PO  对胶和铝

3    4                  3    4     

的界面浸蚀小。但由于铝在H  PO   中起泡很严重，所以铝条间距小还要用NaOH进行腐

3    4               

蚀。目前已逐渐采用超声腐蚀，能较好地解决上述腐蚀法存在的问题。因为超声腐蚀的速度快，所以温度一般要低一些。

（3）腐蚀镍-铬

腐蚀液Ce   (SO   )    +HNO   +H   O=1克+1毫升+10毫升。

2    4   3       3     2

腐蚀温度为40℃，腐蚀时间依镍-铬层的厚度而定。在制造镍-铬电阻时，腐蚀时间不可过长，否则由于侧向腐蚀会使阻值增大。所以为防止这种弊病发生，往往采用边腐蚀边测量的方法。

8.去胶

对于二氧化硅的胶层，可直接放在浓H   SO   中煮开，然后用去离子水冲洗干净。对铝

2    4             

和镍-铬上的胶，一般放在发烟硝酸中浸泡约一分钟，然后将铝表面用丙酮棉轻轻擦拭，而镍-铬表面用丝绒布察拭干净。

8.3光致抗蚀剂

光致抗蚀剂对光刻质量的影响很大，因此要求它须具备以下特性：

（1）光敏性，即在一定的光谱范围内，应对光照很敏感。光照后使胶改变原来的特性，以达到解像的目的；

（2）抗腐蚀性，即在一定的腐蚀液中不被腐蚀；

（3）分辨率高、附着力强等。

1.光致抗蚀剂的成分

光致抗蚀剂是高分子化合物，分子量为15000~20000，它在紫外光作用下产生交链状结构，由单个高分子连起来成网状结构，因此不溶于显影液而具有抗腐蚀性。

光致抗蚀剂由三种成分组成：

1）抗蚀剂（聚乙烯醇肉桂酸酯）；2）增感剂（硝基卮）；3）溶剂（环乙酮）。

1）聚乙烯肉桂酸酯

聚乙烯肉桂酸酯是由聚乙烯加肉桂酸经酯化反应生成的：

其中起感光作用的，主要是分子团

分子团中的双键在光照下吸收能量，把双键打开产生交键，变成不溶于显影液的网状高分子化合物，它能抗腐蚀，反应式是：

2)5-硝基卮或为硝基稀释剂或为硝基漆

加入5-硝基卮主要是为了增加感光性能。其分子式为：

它本身不参加交链，且无抗腐蚀作用。增感剂在光刻胶中的含量一般为0.5~1%，含量大多会降低抗腐蚀作用，造成肉眼看不到的针孔。增感剂在显影时被溶解。

3）环乙酮

环乙酮的毒性小、溶解力强、挥发性适宜，且很便宜，因而常用作溶剂。另外如甲基溶质剂、乙基溶质剂也可作为溶剂，但它们的挥发性小，所以用胶和烘烤时间均可长些。

2.光致抗蚀剂的配制

光致抗蚀剂的配方，根据不同需要一般的选配比是：树脂5~10%，增感剂0.5~1%，环乙酮90~95%。增感剂不易过多，否则产生针孔多。若溶剂环乙酮的含量多，则胶稀，针孔多，但解像力强，分辨率高。根据不同需要，下面举出几种典型的配方：

管子与电路类型      树脂    5-硝基卮    环乙酮

高频大功率           1          0.06       10

高频小功率           1          0.04       12

低速固体电路         1          0.06        10.5

高速固体电路         1          0.05       14

也可视图形尺寸来选配光致抗蚀剂：

图形尺寸                                     树脂                  5-硝基卮

图形尺寸小于10微米，氧化层厚度小于4000埃     1                    0.06

图形尺寸大于10微米                             1                   0.04

3.光致抗蚀剂的基本特性

感光性：对紫外光感光能力强，对可见光感光慢。图8-4所示为相对感光度曲线。

外观：浅黄色，疏松粉末或纤维状。光致抗蚀剂在环乙酮中溶解10%时，呈透明状；在波长324毫微米时，其光密度不小于0.574。它不溶于水，能溶于有机溶剂；在一般的酸、碱中稳定，但与浓硝酸会发生作用。

4.影响光致抗蚀剂分辨率的因素

分辨率的定义如图8-5所示。

其中△L=L   -L

0    1

因为L   ≈L，所以△L=L   -L

1                0

影响分辨率的因素：

（1）曝光，要求光线平行，且垂直于胶面；

（2）光刻底版与硅片接触适当，硅片不平、弯曲及硅片、胶上有小颗粒，涂胶不匀都会影响版与硅片的接触；

（3）光刻底版，底版黑色部分的透射率越低越好；

（4）胶膜的厚薄，胶膜越薄分辨率越高，反之会因为衍射而引起侧向聚合反应而降低分辨率；

（5）曝光时间，分辨率与曝光时间成正比；

（6）显影液，要求显影液对未曝光部分的胶的溶解力越强越好；

（7）衬底表面的反射，衬底表面对光的反射如图8-6所示。

二氧化硅和铝对光的反射差别很大，因此分辨率也有很大差别，所以铝的曝光时间应比二氧化硅短。

8.4光刻中存在的问题及其影响

1.存在的问题及产生原因

1）针孔、小岛及断条（见图8-7）。

这些缺陷产生的原因很多，主要是由于二氧化硅表面层或感光胶中存在微粒（不溶物），以及掩膜本身存在缺陷所造成，例如氧化层不致密、有色斑；感光胶过稀过薄；掩膜本身有针孔；曝光不足；显影不完全等都会造成针孔、小岛、断条等缺陷。

2）钻蚀、毛刺、脱胶、发花

脱胶（图8-8）主要是二氧化硅表面与感光胶附着不牢所致。如涂胶前片子表面处理的不干净，水分大，前烘温度不高，抗蚀剂变质、前烘温度和坚膜温度过高等都会引起脱胶。

3）图形起皱、变形（亦称发虚）

产生这些现象的主要原因是：胶不干，前烘时间短，温度不够高，光刻胶过厚等易引起起皱。曝光时间过长，曝光不足，底版与硅片接触不紧等易引起图形发虚。往往在相同条件下，同一片子有虚有皱，这是涂胶不匀所致。

2.对电路的影响

1）断条，断条会破坏隔离作用，造成各管的集电极互通。

2）针孔，针孔会降低击穿电压，甚至穿通，造成电路短路，是影响产品成品率的重要原因之一。

3）小岛，小岛会造成基极和发射极穿通，还会产生接触不良等现象。

4）钻蚀，钻蚀会引起电阻条不均匀，电学性能降低等等。

九、隔离技术

9.1概述

由于集成电路中的晶体管、二极管、电阻等元件是制作在同一半导体衬底片上，而这些元件所处的电位又不相同，因此必须将它们在电性能方面隔离开来。

详细内容见苏联《彩色电影》，戈尔陀夫斯基编，中国电影出版社1962年出版

使用下面的冲洗胶卷的方法可以用来制作光刻掩膜。

表16

编号      工序名称             进行时间（以分钟计）     药液和水的温度（以度计）

1         彩色显影  直到取得0.86±0.04格码为止，或采用按照规定时间加工的方法，进行六分钟。18±0.5                                                                              

2         水洗                15-20                           10±5

3         漂白                5~6                            16±2

4         水洗                5~6                              10±5

5         定影                10                              16±2

6         最后水洗           15-20                           10±5

表17

编号      工序名称             进行时间（以分钟计）     药液和水的温度（以度计）

1         彩色显影           11~11.518±0.5                                                                              

2         水洗                0.4~0.5                          10±5

3         定影                12~15                            16±2

4         水洗               10~12                              10±5

5         漂白               5~6                              16±2

6          水洗             5~6                               10±5

7          定影              3~4                               16±2

8         最后水洗           15~20                             10±5

我们将多层彩色底片电影胶片的照相加工所使用的各种药液配方列示如下。

彩色显影液

二乙基对苯二胺硫酸盐2.8±0.2克，无水亚硫酸钠2.4±0.4克，碳酸钾80.0±10克，溴化钾2.5±0.4克，硫酸羟氨1.25±0.2克，六偏磷酸钠1.2±0.2克，水1公升。

漂白剂

赤血盐80克，一代硫酸钾4.4克，二代硫酸钠3.2克，水1公升。

定影液

结晶硫代硫酸钠200.0克，水1公升。

多层彩色正片电影胶片的照相加工方案见表17.

表19

编号      工序名称             进行时间（以分钟计）     药液和水的温度（以度计）

1         黑白显影           12~1518±0.5                                                                              

2         水洗                10~15不超过12

3         曝光               20~30秒                   使用三个日光灯泡：两个放在乳剂层方面，一个放在片基方面。

4        彩色显影               10~1218±0.5

5         水洗                 2                           不得超过12

6         定影                8                            不得超过18

7         水洗                6                            不得超过12

8         漂白                6                            18

9         水洗                 6                           不得超过12

10         定影                8                           18

11       水洗                  12                          不得超过12

12       干燥                  15~20                                                                                                                    

药液配方：黑白显影液，

米吐尔2克，对苯二酚4克，无水硫酸钠25克，无水碳酸钠25克，溴化钾2克，水1公升。

彩色显影液：二乙基对苯二胺硫酸盐3克，硫酸羟氨1.2克，无水亚硫酸钠2.4克，碳酸钾60克，溴化钾1克，水1公升。

定影液：硫代硫酸钠250克，无水亚硫酸钠40克，硫酸（比重1.84）1.5~2毫升，水1公升。

漂白液：赤血盐50克，溴化钾20克，水1公升。

尼克菲快速加工彩色正片的工序数、顺序和进行时间以及温度规范示于表20.

表20

编号      工序名称             进行时间（以分钟计）     药液和水的温度（以度计）

1         显影                10~11                          18                                                                             

2         水洗                0.5~1                          8~6

3         定影               9~10                           15~19

4        漂白（减薄）           3~4                      15~19

5         水洗                 12~15                       8~18

这种过程总的加工时间（干燥时间除外）为34.5~41分钟。

药液配方，彩色显影液：

二乙基对苯二胺硫酸盐3克，硫酸羟氨1克，碳酸钾10克，无水亚硫酸钠2.4克，四醋酸乙炼二元胺二钠盐1.2克，溴化钾2.0克，水1公升。

定影液：结晶硫代硫酸钠200克，结晶亚硫酸钠40克，液体重硫酸钠5~6毫升，硫酸（比重1.84）1.5毫升，水1公升。

漂白液：赤血盐10克，水1公升。

放在潮湿空气或润湿药剂中的影片可以重新获得本身的弹性和降低收缩量，经常加以润湿的影片能够很好的抗阻机械作用和变形作用，并能降低纵横方向的收缩量，从而使它们的使用期限增长25~30%以上。

清洁影片用的药液

溶剂的名称   在23摄氏度时与乙醚挥发度相比的挥发度  机器油的溶解度   可燃性  

对下列各项的影响         与水的可混性

片基    乳剂    画面

三氯甲烷   2.6  这些溶剂能够 燃烧 有螺纹 这些溶剂  没有

溶解3%以上的              对精胶层

机器油，这可              没有影响。

以保证影片消

除油渍。

甲基氯    2.7                不燃                  没有

四氯化碳  3.0               不燃 没有影响          没有              3.5

二氯乙烷  4.1               燃烧 有轻微螺纹（硝酸片基）没有         10

硫酸乙醚   1.0              燃烧  同上                没有                                                    

汽油       3.5              燃烧   没有影响             没有

甲苯       6.1              燃烧   有轻微螺纹         没有

二甲苯     13.5             燃烧