Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Processi successivi/Ossidazione: differenze tra le versioni

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L''''ossidazione termica''' è un processo che avviene ad elevate temperature (tra i 600 ed i 1200 °C) ed a pressioni prossime a quella atmosferica. L'ossido si forma a partire dal silicio del substrato cioè, è il silicio del substrato che reagisce e si ''consuma'' per formare l'ossido di silicio. A causa della diversa densità atomica tra silicio e ossido di silicio, lo spessore finale dell'ossido accresciuto risulterà maggiore dello spessore del silicio consumato nel processo.
Il processo di ossidazione termica può avvenire in due differenti modi:
* ossidazione per via secca (dry oxidation)
* ossidazione per via umida (wet o steam oxidation)
 
Nell'ossidazione per via secca l'agente ossidante è l'ossigeno, la reazione che avviene è la seguente:
 
:<math>\mathrm{Si} (solido) + \mathrm{O_2} (gas) \longrightarrow \mathrm{SiO_2} (solido)\;</math>
 
Una molecola di silicio reagisce con una molecola di ossigeno per formare una molecola di ossido.
dove il silicio e l'ossido di silicio sono allo stato solido, mentre l'ossigeno è allo stato gassoso. Nell'ossidazione per via umida è l'acqua (in forma gassosa) a svolgere il ruolo di ossidante:
 
dove il silicio e l'ossido di silicio sono allo stato solido, mentre l'ossigeno è allo stato gassoso. Nell'ossidazione per via umida è l'acqua (in forma gassosa) a svolgere il ruolo di ossidante:
:<math>\mathrm{Si} + \mathrm{2H_2O} \longrightarrow \mathrm{SiO_2}+ \mathrm{2H_2} \;</math>
 
:<math>\mathrm{Si} (solido) + \mathrm{2H_2O} (gas) \longrightarrow \mathrm{SiO_2} (solido)+ \mathrm{2H_2} (gas) \;</math>
L'ossido che si ottiene, in tutti e due i tipi di ossidazione, presenta una struttura amorfa e porosa. Questo è molto utile, infatti l'ossidante deve attraversare lo strato di ossido che man mano si forma per andare a reagire con la superficie del wafer di silicio e continuare ad accrescere altro ossido.
 
Notare come ci sia bisogno nella steam oxidation di due molecole di ossidante per ogni molecola di silicio.
Tra le principali differenze tra i due tipi di ossidazione termica, si può subito notare come nell'ossidazione per via umida si abbia produzione di idrogeno gassoso, inoltre, mentre nell'ossidazione secca una molecola di ossidante reagisce con una di silicio per andare a formare una molecola di ossido, nell'ossidazione per via umida sono necessarie due molecole di ossidante per ogni molecola di silicio.
 
L'idrogeno liberato nella reazione deve attraversare lo strato di ossido prima di liberarsi nell'ambiente.
Durante l'attraversamento dell'ossido può incontrare degli ioni <math>\mathrm{O_2^-}</math> e formare dei gruppi idrossilici <math>\mathrm{OH}</math>.
Ci si aspetta, quindi, che l'ossido steam abbia caratteristiche elettriche inferiori al dry oxide dovute al minor peso specifico ed al minor grado di cristallinità.
L'ossido che si ottiene, in tutti e due i tipi di ossidazione, presenta una struttura amorfa e porosa. Questo è molto utile, infatti l'ossidante deve attraversare lo strato di ossido che man mano si forma per andare a reagire con la superficie del wafer di silicio e continuare ad accrescere altro ossido.
Un'importante differenza nell'ossidazione termica rispetto ad altre tecniche di ossidazione è che il substrato di silicio iniziale viene consumato (in parte) per permettere la formazione dell'ossido.
 
La velocità del processo di crescita dell'ossido è variabile nel tempo. All'inizio la reazione è più veloce perché gli ossidanti incontrano immediatamente la superficie del silicio e il processo è limitato solo dalla velocità di reazione superficiale, mano a mano che l'ossido si forma la reazione rallenta, infatti le molecole di ossidante dovranno prima diffondere attraverso l'ossido già formato e poi reagire con il substrato per formare altro ossido, in questo caso la reazione è limitata dal fenomeno di diffusione. L'ossidazione per via umida risulta essere più veloce di quella per via secca, tuttavia gli ossidi ottenuti in questo secondo modo sono di qualità migliore. Per risparmiare tempo ed ottenere comunque elevate caratteristiche dell'ossido, molto spesso, nella realizzazione dei dispositivi, si sceglie di realizzare un primo strato sottile di ossido per ossidazione secca, accrescere poi velocemente uno strato di ossido più spesso mediante ossidazione per via umida, ed ultimare l'ossidazione con un ulteriore strato sottile di ossido ottenuto per via secca (e quindi di migliore qualità).