наближається до деякого придельной значенню, яке залежить від виду окислювача, його тиску в газовій фазі і від температури процесу. Час, необхідний для дифузії окислювача через оксид, зростає, що призводить до значного зменшення швидкості росту плівки, а залежність стає логарифмічною. Процес окислення на цьому етапі не ефективний, його треба закінчувати в кінці ділянки 3.
Константи kД і kС можуть бути знайдені з рівняння Арреніуса:
,
де Ea - енергія активації; Т - абсолютна температура; k - постійна Больцмана; Ко - константа, лінійно залежна від тиску газоподібного окислювача, а також від кристалографічної орієнтації площині підкладки.
Оскільки kД і kС залежать від температури, інтервали товщин оксиду і часу на кожній ділянці також залежать від температури.
Якщо потрібно виростити плівку максимальної товщини, то вибирають економічно доцільне час процесу, відповідне граничної області між 3 і 4 ділянками. При вирощуванні плівок розрахункової товщини (наприклад, подзатворного окисел в МДП-структурах) процес закінчують на 2 або 3 ділянках. Час окислення жорстко контролюють.
Для визначення часу, необхідного для окислення, використовують експериментальні залежності, які будують зазвичай в логарифмічному масштабі (малюнок 2).
а) б)
Малюнок 2
Залежність товщини окисла кремнію від часу окислення в сухому кисні (а) і водяній парі (б) при нормальному тиску (~ 0,1 МПа).
Аналіз впливу технологічних параметрів на процес окислення кремнію
Залежно від окислювального середовища розрізняють термічне окислення в сухому кисні, в парах води і комбіноване.
Термічне окислення в сухому кисні характеризується найбільшою тривалістю внаслідок високої енергії активації процесу дифузії молекул кисню через зростаючий окисел (~ 1,3 - 1,4 еВ), що обумовлює мале значення константи дифузії k Д. З малюнка 2, а, видно, що для отримання плівки SiO 2 товщиною, наприклад, 1 мкм при температурі 1300 ° C потрібно 15 годин. Перевагою розглянутого процесу є висока якість плівки, про що свідчить її висока щільність (2,27 г/см 3).
Термічне окислення в атмосфері водяної пари (гидротермальное окислення) значно прискорює процес окислення кремнію. Як і при окисленні в сухому кисні, тонкий шар окисла утворюється за рахунок хемосорбції 2. Надалі молекули води дифундують через окисел до кордону розділу SiO 2 - Si, де відбувається реакція H 2 O + Si? SiO 2 + H 2. Таким чином, процес протікає в дві стадії. Водень, що виділяється на межі розділу, досить швидко дифундує до поверхні оксиду.
Як випливає з малюнка 2, б, окисел товщиною 1 мкм при температурі до 1300 о С виходить за 1:00, при зниженні температури до 1000 о С час збільшується до 4:00.
Більш висока швидкість росту плівки в порівнянні з окисленням в атмосфері сухого кисню, пояснюється меншим діаметром молекули окислювача, меншою енергією активації процесу дифузії (~ 0,8 еВ) і більшою константою дифузії k Д. Так як константи дифузії та поверхневої реакції пропорційні тиску водяної пари, то, підвищуючи тиск, можна скорочувати час вирощування плівок заданої товщини. Так, при температурі 1000 о С і тиску 2 МПа, плівка товщиною 1 мкм виходить приблизно за 10 хв. Окислення при підвищеному тиску водяної пари (прискорене гидротермальное окислення) дозволяє не тільки знижувати температурний вплив на пластину, а й отримувати більш товсті (2 - 3 мкм) плівки SiO 2.
Основним недоліком такого процесу є необхідність використовувати герметичні і високоміцні реактори замість технологічних проточних систем, так як при високих температурах і тиску відбувається прискорена хімічна ерозія стінок реактора. Загальним недоліком процесів окислення в атмосфері водяної пари є низька якість одержуваних плівок і пов'язане з цим погіршення їх захисних властивостей. Низька щільність плівок (близько 2 г/см 3) пов'язана з їх пористістю через наявність водню і гідроксильних груп ОН.
Комбінований процес - процес окислення у вологому кисні, коли, змінюючи співвідношення компонентів в суміші, можна отримувати енергію активації окислення в межах від 1,4 еВ (для сухого кисню) до 0,8 еВ (для водяного пара) і відповідно змінювати швидкість росту плівок в широких межах. При досить великих швидкостях росту щільність плівки зазвичай досягає 2,18 - 2,2 г/см 3.
При термічному окисленні в установку кисень подають в зону окислення або безпосередньо за допомогою крана 1 (малюнок 3), або за допомогою кранів 2 і 3 через зволожувач - ємність зі надчистої (деіонізірованой) водою, забезпечену нагрівачем і термометром. Залежно від витрати кисню і температури води в зволожувачі можна отримувати різне співвідношення компонентів у суміші. При окисленн...
