
Термическое окисление: Основы и Применение в Микропроизводстве
В мире микропроизводства термическое окисление представляет собой важный процесс, который используется для создания тонких слоев оксида, чаще всего диоксида кремния, на поверхности кремниевых пластин. Этот метод включает в себя диффузию окислителя в пластину при высоких температурах, что приводит к химической реакции между кремнием и окислителем. Скорость роста оксида в этом процессе часто описывается моделью Дила–Гроува, которая помогает предсказать, как быстро будет образовываться оксид.
Химическая реакция термического окисления
Термическое окисление кремния обычно осуществляется при температурах от 800 до 1200 °C. В результате этого процесса образуется слой, известный как High Temperature Oxide (HTO). В качестве окислителя могут использоваться водяной пар (обычно ультрачистый пар) или молекулярный кислород, что приводит к различным типам окисления: мокрому и сухому.
Основные химические реакции, происходящие в процессе термического окисления, можно описать следующим образом:
1. При использовании водяного пара:
\[
\text{Si} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{SiO}_2 + 2\text{H}_2(g)
\]
2. При использовании кислорода:
\[
\text{Si} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SiO}_2
\]
Окислительная среда может также содержать небольшие количества соляной кислоты (HCl), которая помогает нейтрализовать ионы металлов, присутствующие в оксиде. В процессе термического окисления кремний, который используется в качестве подложки, реагирует с кислородом из окружающей среды, что приводит к образованию оксида как вглубь пластины, так и на её поверхности. На каждые 2,17 единицы толщины оксида, образующегося в результате потребления кремния, 46% будет находиться ниже исходной поверхности, а 54% — выше.
Модель Дила-Гроува
Согласно модели Дила-Гроува, время, необходимое для роста оксида определенной толщины на чистой поверхности кремния, можно выразить следующим уравнением:
\[
\tau = \frac{X_o^2}{B} + \frac{X_o}{\left(\frac{B}{A}\right)}
\]
где \(X_o\) — толщина оксида, а \(A\) и \(B\) — константы, связанные с характеристиками реакции и оксидного слоя. Эта модель была адаптирована для учета самоограничивающихся процессов окисления, которые используются для создания и проектирования Si-нанопроводов и других наноструктур.
Если пластина уже содержит оксид, уравнение необходимо скорректировать, добавив время, необходимое для роста существующего оксида в текущих условиях. Это время можно определить с помощью вышеуказанного уравнения.
Решение квадратного уравнения относительно толщины оксида дает следующее выражение:
\[
X_o(t) = \frac{A}{2} \left[\sqrt{1 + \frac{4B}{A^2}(t + \tau)} — 1\right]
\]
Технология термического окисления
Процесс термического окисления в основном осуществляется в печах при температурах от 800 до 1200 °C. В таких печах можно одновременно обрабатывать множество пластин, которые помещаются в специальные кварцевые стойки, называемые «лодочками». Ранее лодочки помещались в камеры окисления сбоку, что позволяло удерживать пластины вертикально. Однако современные конструкции часто используют горизонтальные печи, где пластины располагаются друг над другом и загружаются снизу.
Вертикальные печи имеют свои преимущества. Они занимают меньше места и помогают предотвратить загрязнение пылью. В отличие от горизонтальных печей, где пыль может оседать на пластины, вертикальные конструкции используют закрытые шкафы с системами фильтрации воздуха, что значительно снижает риск загрязнения.
Кроме того, вертикальные печи решают проблему неравномерности роста оксида, которая часто наблюдается в горизонтальных печах из-за конвекционных потоков. В вертикальных печах пластины располагаются вертикально, что обеспечивает более равномерное распределение окислителя и, следовательно, более стабильное окисление.