Bài giảng Ô xy hóa nhiệt

Ô xy hóa nhiệt (đối với Si) Đại học Bách khoa Hà Nội TS. Lê Tuấn 21/1/2007 Đại học Bách khoa Hà Nội Ô xy hóa nhiệt (đối với Silic) 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 Tính chất chung của ôxit Silic (SiO2) 31/1/2007 Đại học Bách khoa Hà Nội Ô xy hóa nhiệt (tiếp) Tính toán chiều dày lớp ô xit: )/.( oxSiSiox NNXX = Tiêu hao chiều dày Si khi tạo SiO2 bằng ô xy hóa nhiệt Bề mặt ban đầu ox Si Siox N NXX ×= Mật độ SiO2 Mật độ Si Cứ 1 µm Si bị ô xy hóa tạo nên 2,17 µm SiO2 Luồng chất ô xy hóa Khô: O2Ẩm:H2O hoặc O2 + H2O Lớp chuyển tiếp luồng khí Lớp SiO2 được tạo ra Đế Si Khuếch tán khí Khuếch tán rắn Hình thành SiO2 Động học quá trình ô xy hóa nhiệt Si 41/1/2007 Đại học Bách khoa Hà Nội Ô xy hóa nhiệt (tiếp) Giả thiết: „ Thông lượng khí vận chuyển hG – hệ số vận chuyển khối, đơn vị cm/s „ Thông lượng khuếch tán Định luật Fix khuếch tán trong thể rắn D – hệ số khuếch tán , đơn vị cm2/s „ Thông lượng tham gia phản ứng tạo SiO2 tại mặt phân cách ks – hệ số tốc độ phản ứng bề mặt, đơn vị cm/s Mô hình ô xy hóa nhiệt Deal - Grove Liên hệ Co và Cs theo định luật Henry: H – hệ số Henry; Ps – áp suất riêng phần của chất ô xy hóa (ở dạng khí) tại bề mặt phản ứng Ta lấy , ,suy ra: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −−≈∂ ∂−= ox io X CCD x CDF2 is CkF ×=3 ( )sso CkTHPHC ⋅⋅=⋅= 51/1/2007 Đại học Bách khoa Hà Nội Gọi , ta xác định 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 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) Ô xy hóa nhiệt (tiếp) ( )GA CHkTC ⋅≡ ( ) ( )oAoAG CChCCHkT hF −≡−=1 61/1/2007 Đại học Bách khoa Hà Nội Ô xy hóa nhiệt (tiếp) Với điều kiện ban đầu t = 0, X0 = Xi, với: và: sau khi tích phân, ta có nghiệm: ( ) ⎥⎥ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −+ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ + ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= 1412 2 τt B A B A B BX ox Với t nhỏ (t > A/2), Xox tăng tỷ lệ với t1/2. 71/1/2007 Đại học Bách khoa Hà Nội Ô xy hóa nhiệt (tiếp) 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 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. 81/1/2007 Đại học Bách khoa Hà Nội Giá trị các hệ số (B/A) và B cho các trường hợp ô xy hóa nhiệt khô và ẩm đối với Si 91/1/2007 Đại học Bách khoa Hà Nội Ô xy hóa nhiệt (tiếp) Sự phụ thuộc vào các thông số công nghệ „ Khi chiều dày lớp SiO2 còn nhỏ, tốc độ ô xy hóa xác định 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, 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 „ Khi áp suất riêng phần PG của chất ô xy hóa tăng lên, giá trị của CA cũng tăng, dẫn 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