![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •Новосибирский государственный технический университет
- •Оглавление
- •2. Порядок выполнения работы
- •Оборудование, приборы, инструмент, оснастка, материалы
- •Состав применяемых травителей
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •2. Кинетика высокотемпературного окисления кремния
- •3. Технология термического окисления кремния
- •4. Порядок выполнения работы
- •Оборудование, приборы, инструменты
- •Материалы
- •Определение толщины пленок методом цветовых оттенков
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •Метод вакуумного напыления
- •1. Метод термического нанесения пленок в вакууме
- •2. Контроль параметров пленок и технологических режимов их нанесения
- •2.1. Измерение толщины пленок
- •2.2. Измерение адгезии пленок
- •2.3. Измерение скорости нанесения пленок
- •3. Порядок выполнения работы
- •Примерная последовательность операций при напылении
- •Оборудование, приборы, инструменты, материалы
- •Контрольные вопросы
- •Литература
- •2. Основные свойства фоторезистов
- •3. Фотошаблоны
- •4. Схема технологического процесса фотолитографии
- •5. Методы получения элементов с помощью процесса фотолитографии
- •6. Виды брака при фотолитографии
- •Порядок выполнения работы
- •Операцию выполнять в резиновых перчатках в вытяжном шкафу при включенной вытяжной вентиляции.
- •Операцию выполнять в вытяжном шкафу при включенной вытяжной вентиляции.
- •7. Содержание отчета
- •Оборудование, приборы, инструмент, оснастка, материалы
- •Литература
2. Кинетика высокотемпературного окисления кремния
Окисление поверхности кремния принято осуществлять с помощью следующих химических реакций:
,
при температуре в интервале 900...1200 C. Окисление может производиться в сухом кислороде по первой реакции, в парах воды – по второй реакции, либо во влажном кислороде – с использованием обеих реакций. Наиболее качественные пленки получаются при окислении в сухом кислороде, тогда как окисление в парах воды обеспечивает наибольшую скорость формирования пленки. Часто применяется комбинированное окисление: сначала в сухом кислороде формируется совершенная граница раздела с минимальной плотностью поверхностных состояний, затем в увлажненном кислороде толщина пленки доводится до требуемого значения. Возможно уплотнение полученной таким образом пленки при окислении на заключительной стадии в сухом кислороде.
Схематически
процесс окисления изображен на рис. 2.
Собственно окисление происходит на
внутренней границе
.
В процессе можно выделить три основные
стадии, протекающие последовательно.
Диффузионный перенос частиц окислителя из объема газовой фазы на внешнюю поверхность
и растворение окислителя в приповерхностном слое диоксида кремния.
Рис. 2. Распределение молекул окислителя
в газовой фазе и в растущем слое SiO2
в процессе окисления кремния
Диффузионный перенос частиц окислителя через пленку
к границе раздела диоксид–кремний.
Химическая реакция на границе раздела с кремнием, приводящая к образованию
.
Введем
обозначения:– поток окислителя, определяемый как
количество молекул окислителя,
пересекающих единичную площадь одной
из границ раздела фаз в единицу времени;
–
концентрация молекул окислителя на
одной из границ раздела системы
,
– толщина слоя диоксида. Трем стадиям
процесса окисления соответствуют потоки
,
которые в стационарных условиях должны
быть равными
В
промышленных условиях для процесса
термического окисления кремния
используется принудительный поток
окислителя, проходящий через рабочую
камеру с определенной скоростью. Внутри
газовой фазы концентрация молекул
окислителя соответствует парциальному
давлению
В процессе роста
происходит непрерывное растворение
молекул окислителя в окисле, сопровождающееся
обеднением приповерхностной области
газа этими молекулами. По этой причине
концентрация молекул окислителя на
границе раздела фаз при
всегда меньше, чем в объеме газовой
фазы. В приповерхностном диффузионном
слое толщиной
возникает градиент концентрации молекул
окислителя, который создает диффузионный
поток окислителя по направлению к
границе, определяемый выражением
,
где
– константа скорости газообразного
массопереноса окислителя;
–
коэффициент диффузии окислителя в
газовой фазе;
и
– равновесная концентрация окислителя
в объеме газовой фазы и концентрация
окислителя в газовой фазе у поверхности
оксида соответственно. В случае
ламинарного потока окислителя можно
принять, что
где
.
Окислитель, адсорбированный поверхностью
оксида, растворяется в
.
Соотношение между концентрациями
окислителя в газовой
и твердой
фазах устанавливается коэффициентом
распределения. Движущей силой процесса
растворения является градиент
концентраций, поэтому может быть введен
соответствующий ему поток растворителя
равный
,
однако, поскольку процесс растворения
не был выделен в отдельную стадию, а
включен в первую, необходимо поток
выразить через
.
Процесс растворения подчиняется закону
Генри. Поэтому
где
– коэффициент растворимости молекул
окислителя в диоксиде кремния;
–
парциальное давление окислителя при
.
Очевидно, что должно быть верным и
уравнение
Введенная
формально величина
определяет концентрацию растворенных
в
молекул окислителя, если в законе Генри
вместо давления
подставить
.
Тогда
где
–
коэффициент массопереноса молекул
окис-лителя в газовой фазе, приведенный
к твердой фазе.
В
стационарном режиме производная по
времени в диффузионном уравнении равна
нулю. Следовательно, и
.
Тогда концентрация окислителя линейно
зависит от
.
Диффузионный поток окислителя от
поверхности диоксида к границе раздела
диоксид–кремний
где
– концентрация молекул окислителя на
границе раздела диоксид–кремний;
– коэффициент диффузии окислителя в
.
Химический
поток
следует понимать как убыль молекул
окислителя вследствие их превращения
в молекулы
.
Скорость реакции окисления пропорциональна
концентрации окислителя, поэтому
где
– константа скорости реакции окисления.
В
стационарном режиме окисления концентрации
не зависят от времени и все потоки равны
:
Решение
этой системы относительно неизвестных
и
дает
,
Скорость
роста слоя
определяется величиной химического
потока
.За
время
на
единицу площади поверхности кремния
посту-пает
количество молекул окислителя, равное
В результате этого толщина слоя
увеличивается на величину, поэтому
где
– число молекул окислителя, необходимое
для формирования единицы объема
.
В единице объема диоксида кремния
содержится
молекул
,
где
г/см
– массовая плотность
,
г/моль
– молярная масса
,
моль
– число Авогадро. Приведенные значения
дают
см
,
тогда
см
для окисления в сухом кислороде и
см
для окисления в парах воды.
Дифференциальное
уравнение для нахождения
После
разделения переменных и интегрирования
с граничным условием
получаем
где
и
.
Это уравнение имеет единственный неотрицательный корень
Проведем анализ данного решения для двух частных случаев.
1.
Начальная стадия роста, когда
а
Воспользуемся соотношением
при
.
Тогда
Этой стадии соответствует линейный по времени закон роста.
.
Обычно
.
Это означает, что лимитирующей стадией,
ограничивающей скорость роста диоксида,
является химическая реакция, и процесс
окисления протекает в кинетической
области. В этом случае константа линейного
роста
пропорциональна парциальному давлению
окислителя в газовой фазе, коэффициенту
растворимости
молекул окислителя в диоксиде кремния
и не зависит от коэффициента диффузии
:
Таким образом,
Отметим,
что скорость роста линейно возрастает
с увеличением давления окислителя. С
увеличением температуры молекулярная
растворимость газов, как правило, падает
по экспоненциальному закону, однако
этот спад компенсируется увеличением
константы скорости реакции
и константа скорости линейного роста
с ростом температуры всегда увеличивается.
На
поверхности кремния всегда присутствует
естественный окисел толщиной
3...5
нм. Для учета этого окисла необходимо
изменить граничное условие
.
В этом случае решение дифференциального
уравнения для начальной стадии роста
имеет вид
,
где
Влияние этого параметра заметно только
в начальный момент окисления.
2.
Конечная
стадия роста, когда
а
В
этом случае
где
– коэффициент проницаемости диоксида
кремния молекулами окислителя;
– коэффициент растворимости молекул
окислителя в диоксиде кремния;
– коэффициент диффузии окислителя в
.
Поскольку
,
рост на данной стадии называется параболическим.
Температурная
зависимость
определяет влияние температуры на
процесс параболического роста
.
Как и
,
с ростом температуры
всегда
увеличивается. Константа параболического
роста не включает константу скорости
химической реакции, поэтому процесс
роста на конечной стадии протекает в
диффузионной области. Лимитирующей
стадией является процесс массопереноса
через слой
.
С увеличением парциального давления
константа
возрастает
как
.
Зависимость толщины пленки диоксида от времени представлена графически на рис. 3. Область I соответствует кинетическому режиму окисления, область II – диффузионному, область III – диффузионно-кинетическому. В последнем случае скорости диффузионного массопереноса и химической реакции сравнимы.