الأكسدة الحرارية

📅 آخر تحديث: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 5 صور
الموسوعة الحرة
الأفران المستخدمة في عمليات الانتشار والأكسدة الحرارية في منشأة LAAS التكنولوجية في تولوز، فرنسا.

في مجال التصنيع الدقيق ، تُعدّ الأكسدة الحرارية إحدى طرق إنتاج طبقة رقيقة من الأكسيد (عادةً ثاني أكسيد السيليكون ) على سطح الرقاقة . وتعتمد هذه التقنية على إجبار عامل مؤكسد على الانتشار داخل الرقاقة عند درجة حرارة عالية والتفاعل معها. وغالبًا ما يُتنبأ بمعدل نمو الأكسيد باستخدام نموذج ديل-جروف . [ 1 ] يمكن تطبيق الأكسدة الحرارية على مواد مختلفة، ولكنها تشمل في أغلب الأحيان أكسدة ركائز السيليكون لإنتاج ثاني أكسيد السيليكون .

التفاعل الكيميائي

تُجرى عملية الأكسدة الحرارية للسيليكون عادةً عند درجة حرارة تتراوح بين 800 و1200 درجة مئوية ، مما ينتج عنه ما يُعرف بطبقة الأكسيد عالية الحرارة (HTO). ويمكن استخدام بخار الماء (عادةً بخار الماء فائق النقاء ) أو الأكسجين الجزيئي كمؤكسد؛ ولذلك تُسمى إما بالأكسدة الرطبة أو الجافة . ويكون التفاعل أحد التفاعلات التالية:

Sأنا+2ح2يا→Sأنايا2+2ح2 (ز){\displaystyle {\rm {Si+2H_{2}O\rightarrow SiO_{2}+2H_{2\ (g)}}}}
Sأنا+يا2→Sأنايا2{\displaystyle {\rm {Si+O_{2}\rightarrow SiO_{2}\,}}}

قد يحتوي الوسط المؤكسد أيضاً على نسبة مئوية من حمض الهيدروكلوريك (HCl). يعمل الكلور على معادلة أيونات المعادن التي قد توجد في الأكسيد.

يتكون الأكسيد الحراري من السيليكون المستهلك من الركيزة والأكسجين المُزوَّد من البيئة المحيطة. ولذلك، ينمو داخل الرقاقة وخارجها. لكل وحدة سُمك من السيليكون المستهلك، يظهر 2.17 وحدة سُمك من الأكسيد. [ 2 ] إذا تأكسد سطح سيليكون عارٍ، فإن 46% من سُمك الأكسيد سيكون أسفل السطح الأصلي، و54% فوقه.

نموذج ديل غروف

وفقًا لنموذج ديل-جروف الشائع الاستخدام، فإن الوقت τ اللازم لنمو طبقة أكسيد بسمك X o ، عند درجة حرارة ثابتة، على سطح سيليكون عارٍ، هو:

τ=Xo2ب+Xo(بأ){\displaystyle \tau ={\frac {X_{o}^{2}}{B}}+{\frac {X_{o}}{({\frac {B}{A}})}}}

حيث يرتبط الثابتان A وB بخصائص التفاعل وطبقة الأكسيد، على التوالي. وقد تم تعديل هذا النموذج ليشمل عمليات الأكسدة ذاتية التحديد ، كما هو مستخدم في تصنيع وتصميم مورفولوجيا أسلاك السيليكون النانوية وغيرها من الهياكل النانوية. [ 1 ]

إذا وُضعت رقاقة تحتوي بالفعل على طبقة أكسيد في بيئة مؤكسدة، فيجب تعديل هذه المعادلة بإضافة حد تصحيحي τ، وهو الزمن اللازم لنمو طبقة الأكسيد الموجودة مسبقًا في ظل الظروف الحالية. ويمكن إيجاد هذا الحد باستخدام معادلة t المذكورة أعلاه.

حل المعادلة التربيعية لإيجاد قيمة X o ينتج عنه:

Xo(ت)=أ/2⋅[1+4بأ2(ت+τ)-1]{\displaystyle X_{o}(t)=A/2\cdot \left[{\sqrt {1+{\frac {4B}{A^{2}}}(t+\tau )}}-1\right]}

تكنولوجيا الأكسدة

تُجرى معظم عمليات الأكسدة الحرارية في أفران ، عند درجات حرارة تتراوح بين 800 و1200  درجة مئوية. يستقبل الفرن الواحد العديد من الرقاقات في آنٍ واحد، في حامل كوارتز مصمم خصيصًا (يُسمى "القارب"). تاريخيًا، كان القارب يدخل حجرة الأكسدة من الجانب (يُسمى هذا التصميم "أفقيًا")، ويحمل الرقاقات عموديًا بجانب بعضها البعض. مع ذلك، تحمل العديد من التصاميم الحديثة الرقاقات أفقيًا، فوق بعضها البعض وتحتها، وتُدخلها إلى حجرة الأكسدة من الأسفل.

نظرًا لأن الأفران العمودية أعلى من الأفران الأفقية، فقد لا تتناسب مع بعض مرافق التصنيع الدقيق. كما أنها تساعد في منع تلوث الغبار . فعلى عكس الأفران الأفقية، التي قد يتسبب الغبار المتساقط فيها بتلوث أي رقاقة، تستخدم الأفران العمودية خزائن مغلقة مزودة بأنظمة ترشيح هواء لمنع وصول الغبار إلى الرقائق.

تُعالج الأفران العمودية مشكلةً كانت تُعاني منها الأفران الأفقية، وهي عدم تجانس طبقة الأكسيد المتكونة على سطح الرقاقة. [ 3 ] عادةً ما تحتوي الأفران الأفقية على تيارات حمل حراري داخل الأنبوب، مما يجعل الجزء السفلي من الأنبوب أبرد قليلاً من الجزء العلوي. وبما أن الرقاقات موضوعة عموديًا داخل الأنبوب، فإن الحمل الحراري، وما يتبعه من تدرج في درجة الحرارة، يتسبب في أن يكون الجزء العلوي من الرقاقة أكثر سمكًا من الجزء السفلي. تحلّ الأفران العمودية هذه المشكلة بوضع الرقاقة أفقيًا، ثم يتدفق الغاز داخل الفرن من الأعلى إلى الأسفل، مما يُخفف بشكل كبير من أي تيارات حمل حراري.

تسمح الأفران العمودية أيضًا باستخدام أقفال التحميل لتطهير الرقائق بالنيتروجين قبل الأكسدة للحد من نمو الأكسيد الأصلي على سطح السيليكون.

جودة الأكسيد

يُفضّل استخدام الأكسدة الرطبة على الأكسدة الجافة في إنتاج طبقات الأكاسيد السميكة، نظرًا لسرعة نموها العالية. مع ذلك، تُخلّف الأكسدة السريعة روابط غير مشبعة أكثر عند سطح التماس مع السيليكون، مما يُنتج حالات كمومية للإلكترونات ويسمح بتسرب التيار على طول هذا السطح. (يُطلق على هذا السطح اسم "سطح التماس غير النظيف"). كما تُنتج الأكسدة الرطبة طبقة أكسيد أقل كثافة ، ذات قوة عازلة أقل .

إن الوقت الطويل اللازم لتكوين طبقة أكسيد سميكة في عملية الأكسدة الجافة يجعل هذه العملية غير عملية. عادةً ما تُكوّن طبقات الأكسيد السميكة من خلال عملية أكسدة رطبة طويلة تتخللها فترات قصيرة من الأكسدة الجافة ( دورة جافة-رطبة-جافة ). تُنتج عمليتا الأكسدة الجافة في البداية والنهاية أغشية من أكسيد عالي الجودة على السطحين الخارجي والداخلي لطبقة الأكسيد، على التوالي.

يمكن لأيونات المعادن المتحركة أن تُضعف أداء ترانزستورات MOSFET ( ويُعدّ الصوديوم مصدر قلق خاص). مع ذلك، يُمكن للكلور تثبيت الصوديوم عن طريق تكوين كلوريد الصوديوم . يُضاف الكلور عادةً عن طريق إضافة كلوريد الهيدروجين أو ثلاثي كلورو الإيثيلين إلى الوسط المؤكسد. كما أن وجوده يزيد من معدل الأكسدة.

ملاحظات أخرى

يمكن إجراء الأكسدة الحرارية على مناطق محددة من الرقاقة مع حجب مناطق أخرى. تُعرف هذه العملية، التي طُوّرت لأول مرة في شركة فيليبس، [ 4 ] باسم عملية الأكسدة الموضعية للسيليكون ( LOCOS ). تُغطى المناطق غير المراد أكسدتها بطبقة من نتريد السيليكون ، الذي يمنع انتشار الأكسجين وبخار الماء نظرًا لأكسدته البطيئة جدًا. [ 5 ] يُزال النتريد بعد اكتمال الأكسدة. لا تُنتج هذه العملية ملامح حادة، لأن الانتشار الجانبي (الموازي للسطح) لجزيئات المؤكسد تحت قناع النتريد يتسبب في بروز الأكسيد داخل المنطقة المقنعة.

نظراً لاختلاف ذوبان الشوائب في السيليكون والأكسيد، فإن طبقة الأكسيد المتنامية ستمتص أو ترفض الشوائب بشكل انتقائي . وتخضع عملية إعادة التوزيع هذه لمعامل الفصل، الذي يحدد مدى قوة امتصاص الأكسيد للشوائب أو رفضها، بالإضافة إلى معامل الانتشار .

يؤثر اتجاه بلورة السيليكون على الأكسدة. تتأكسد رقاقة <100> (انظر مؤشرات ميلر ) بشكل أبطأ من رقاقة <111> ولكنها تنتج سطحًا أكسيديًا أنظف كهربائيًا.

تُنتج الأكسدة الحرارية، أيًا كان نوعها، طبقة أكسيد ذات جودة أعلى وسطح بيني أنظف بكثير من الترسيب الكيميائي للبخار الذي ينتج طبقة أكسيد عند درجة حرارة منخفضة (تفاعل رباعي إيثوكسي سيلان عند حوالي 600  درجة مئوية). مع ذلك، فإن درجات الحرارة العالية اللازمة لإنتاج أكسيد عالي الحرارة (HTO) تحدّ من استخدامه. على سبيل المثال، في عمليات تصنيع ترانزستورات MOSFET ، لا تُجرى الأكسدة الحرارية أبدًا بعد تطعيم أطراف المصدر والمصب، لأن ذلك قد يُؤثر على موضع المُطعِّمات.

مراجع

ملحوظات
  1. 1 2 ليو، م.؛ وآخرون  (2016). "نمذجة ثنائية الأبعاد للأكسدة ذاتية التحديد في أسلاك السيليكون والتنغستن النانوية" . رسائل الميكانيكا النظرية والتطبيقية . 6 (5): 195-199 . arXiv : 1911.08908 . Bibcode : 2016TAML....6..195L . doi : 10.1016/j.taml.2016.08.002 .
  2. ↑ "نسخة مؤرشفة" (PDF) . مؤرشفة من الأصل (PDF) بتاريخ 21-01-2015 . تم الاطلاع عليها بتاريخ 07-07-2013 .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title ( link )
  3. ↑ "الأفران" . مركز هندسة النانو بجامعة كنتاكي . تم الاطلاع عليه بتاريخ 7 مايو 2023 .
  4. ↑ J. Appels, E. Kooi, MM Paffen, JJH Schatorje, and WHCG Verkuylen، "الأكسدة المحلية للسيليكون وتطبيقه في تكنولوجيا أجهزة أشباه الموصلات"، تقارير أبحاث فيليبس، المجلد. 25، لا. 2، الصفحات من 118 إلى 132، أبريل 1970.
  5. ↑ أ. كويبر، م. ويليمسن، ج.م.ج. باكس، و ف.هـ.ب.هـ. هابراكن، "سلوك الأكسدة لأغشية أكسيد نتريد السيليكون LPCVD"، العلوم السطحية التطبيقية، المجلد 33، العدد 34، الصفحات 757-764، أكتوبر 1988.
مصادر
  • جايجر، ريتشارد سي. (2001). "الأكسدة الحرارية للسيليكون". مقدمة في تصنيع الإلكترونيات الدقيقة . أبر سادل ريفر: برنتيس هول . ISBN 978-0-201-44494-0.