Xem mẫu
- Ô xy hóa nhiệt
xy
(đối với Si)
TS. Lê Tuấn
Đại học Bách khoa Hà Nội
- Ô xy hóa nhiệt (đối với Silic)
xy
Tính chất chung của ôxit Silic (SiO2)
Ôxit SiO2 là chất vô định hình
Khối lượng riêng = 2,2 gm/cm3 , trong khi của SiO2 (thạch anh) = 2.65 gm/cm3
Mật độ phân tử = 2,3E22 phân tử / cm3
Là chất cách điện lý tưởng
Điện trở suất > 1E20 Ohm-cm
Độ rộng vùng cấm ~ 9 eV
Có giá trị điện trường đánh thủng cao
Ebr > 10 MV/cm
Có bề mặt phân cách Si/SiO2 ổn định và dễ lặp lại
Có lớp ôxit mọc bao quanh bề mặt tiếp xúc với bên ngoài của Si
Là mặt nạ rất tốt đối với khuếch tán các tạp chất thông dụng
Có tính ăn mòn phân biệt rất tốt với Si
Đại học Bách khoa Hà Nội
Bá Hà
1/1/2007 2
- Ô xy hóa nhiệt (tiếp)
xy
Tiêu hao chiều dày Si khi tạo SiO2 bằng ô xy hóa nhiệt
Tính toán chiều dày lớp ô xit:
Bề mặt ban đầu
Mật độ Si
N Si
X ox = X Si ×
Mật độ SiO2
N ox
Xox = XSi.( NSi / Nox )
Cứ 1 µm Si bị ô xy hóa tạo nên 2,17 µm SiO2
Động học quá trình ô xy hóa nhiệt Si
Luồng chất ô xy hóa
Khô: O2
Ẩm: H2O hoặc O2 + H2O
Lớp chuyển tiếp luồng khí
Khuếch tán khí
Khuếch tán rắn Lớp SiO2 được tạo ra
Hình thành SiO2 Đế Si
Đại học Bách khoa Hà Nội
Bá Hà
1/1/2007 3
- Ô xy hóa nhiệt (tiếp)
xy
Mô hình ô xy hóa nhiệt Deal - Grove
Giả thiết:
Thông lượng khí vận chuyển
Thông
hG – hệ số vận chuyển khối, đơn vị cm/s
đơ
Thông lượng khuếch tán
Thông
Định luật Fix khuếch tán trong thể rắn
⎛ C − Ci ⎞
∂C
≈ − D⎜ o ⎟
F2 = − D ⎜X ⎟
∂x ⎝ ⎠
ox
D – hệ số khuếch tán , đơn vị cm2/s
đơ
Liên hệ Co và Cs theo định luật Henry:
Thông lượng tham gia phản ứng
Thông
C o = H ⋅ Ps = H ⋅ (kT ⋅ C s )
tạo SiO2 tại mặt phân cách
F3 = k s × Ci H – hệ số Henry; Ps – áp suất riêng phần của chất ô xy
ks – hệ số tốc độ phản ứng bề mặt, đơn vị cm/s
đơ hóa (ở dạng khí) tại bề mặt phản ứng
khí
Ta lấy , ,suy ra:
Đại học Bách khoa Hà Nội
Bá Hà
1/1/2007 4
- Ô xy hóa nhiệt (tiếp)
xy
hG
Gọi C A ≡ (HkT ⋅ CG ) , ta xác định F1 = (C A − Co ) ≡ h(C A − Co )
HkT
Ở điều kiện trạng thái dừng, các giá trị thông lượng phải như nhau, ta có hai
phương trình F1 = F2 và F2 = F3, với hai ẩn số Co và Ci. Giải hệ phương
trình, ta có kết quả:
Nếu gọi N1 là mật độ chất ô xy hóa cần thiết để tạo ra 1 đơn vị thể tích
đơ
SiO2, ta có theo định nghĩa (N1= 2,3E22 cm-3 cho ô xy hóa khô với O2, và
= 4,6E22 cm-3 cho ô xy hóa ẩm với H2O)
cho
Đại học Bách khoa Hà Nội
Bá Hà
1/1/2007 5
- Ô xy hóa nhiệt (tiếp)
Với điều kiện ban đầu t = 0, X0 = Xi,
với: và:
⎡ ⎤
2
⎛B⎞
⎢ ⎥
⎜ ⎟
⎢
(t + τ ) − 1 ⎥
⎝A⎠
B
sau khi tích phân, ta có nghiệm: = 1+ 4
X
⎛B⎞⎢ ⎥
ox
B
⎟⎢ ⎥
2⎜
⎝A⎠⎢ ⎥
⎣ ⎦
Với t nhỏ (t > A/2), Xox tăng tỷ lệ với t1/2.
Đại học Bách khoa Hà Nội
Bá Hà
1/1/2007 6
- Ô xy hóa nhiệt (tiếp)
xy
Với giả thiết không có lớp ô xit
SiO2 ban đầu (Xi = 0), ta có đồ thị
xác định chiều dày lớp SiO2 nhiệt
theo thời gian ô xy hóa nhiệt.
Để xác định chế độ ô xy hóa,
người ta dùng các phương pháp:
Tính toán chiều dày và thời gian o xy
hóa, dựa trên các giá trị B/A và B.
Dùng đồ thị chuẩn hóa theo các chế
độ đã xác định từ trước
Sau khi ô xy hóa, có thể dùng bảng
Sau
màu để so và xác định chiều dày.
Ví dụ: Ô xy hóa (100) Si trong hai
chế độ ẩm và khô với xi =0.
Đại học Bách khoa Hà Nội
Bá Hà
1/1/2007 7
- Giá trị các hệ số (B/A) và B cho các trường hợp ô
xy hóa nhiệt khô và ẩm đối với Si
Đại học Bách khoa Hà Nội
Bá Hà
1/1/2007 8
- Ô xy hóa nhiệt (tiếp)
xy
Sự phụ thuộc vào các thông số công nghệ
Khi chiều dày lớp SiO2 còn nhỏ, tốc độ ô xy hóa xác định
Khi
bởi giá trị nhỏ hơn giữa các hệ số chuyển khối hG và tốc
độ phản ứng bề mặt ks.
với Q’ – năng lượng hoạt hóa của phản ứng tại mặt phân cách Si – SiO2
Khi chiều dày lớp SiO2 đủ lớn, tốc độ ô xy hóa tỷ lệ với t1/2,
Khi
và được quyết định hoàn toàn bởi cơ chế khuếch tán chất
ô xy hóa qua lớp SiO2 thông qua hệ số khuếch tán D.
với Q – năng lượng hoạt hóa khuếch tán. B giảm dần khi N1 tăng lên.
Ô xy hóa ở áp suất cao
xy
Khi áp suất riêng phần PG của chất ô xy hóa tăng lên, giá trị của CA cũng tăng, dẫn
Khi
đến tốc độ ô xy hóa tăng lên. Ta có thể tiến hành ô xy hóa ở áp suất cao với nhiệt
độ T thấp hơn để cùng đạt chiều dày lớp SiO2 – ý nghĩa công nghệ đáng kể.
Suy luận tương tự cho hệ số B
Suy
Đại học Bách khoa Hà Nội
Bá Hà
1/1/2007 9
nguon tai.lieu . vn
