Półprzewodniki stały się istotną częścią naszego życia. Dzisiaj wracamy do serii „Osiem podstawowych procesów półprzewodnikowych”, aby kontynuować badanie procesów produkcyjnych półprzewodników. W poprzednim artykule poznaliśmy proces produkcji wafli. W tym artykule przedstawimy proces utleniania.

Warstwa tlenku wafla (dwutlenek krzemu, SiO2): Zapewnia ochronę i izolację.

Zanim krzem ekstrahowany z piasku zostanie wykorzystany jako surowiec do układów scalonych, przechodzi szereg procesów oczyszczania, w wyniku których powstaje wlewek krzemowy. Wlewek krzemowy jest następnie cięty na jednakową grubość, polerowany i ostatecznie formowany w podstawę płytek półprzewodnikowych.

Płytki powstałe w wyniku tych etapów nie są przewodzące. Dlatego wymagana jest dalsza obróbka, aby uczynić je „półprzewodnikami” o właściwościach zarówno przewodzących, jak i nieprzewodzących. Aby to osiągnąć, na płytkę należy przenieść różne substancje, a na jej powierzchni wytrawić wzory obwodów. Procesy te mogą wymagać wielokrotnego powtarzania.

Utlenianie jest podstawą wszystkich wyżej wymienionych procesów. W procesie utleniania powstaje warstwa SiO2, która służy jako warstwa izolacyjna zapobiegająca prądowi upływowemu pomiędzy obwodami. Warstwa tlenku może również chronić płytkę krzemową podczas kolejnych procesów implantacji jonów i trawienia.

Innymi słowy, warstwa dwutlenku krzemu działa jak niezawodna warstwa ekranująca w całym procesie produkcji półprzewodników. Układy scalone wymagają dużej precyzji, a nawet najmniejsze zanieczyszczenia mogą mieć niekorzystny wpływ na parametry elektryczne układu scalonego, przez co kluczowa jest rola warstwy tlenku.

Jak powstaje ta ochronna warstwa tlenku?

Kiedy płytka jest wystawiona na działanie tlenu z powietrza lub innych substancji chemicznych, tworzy warstwę tlenku, podobną do rdzy żelaza (Fe) pod wpływem powietrza.

Istnieje kilka metod utleniania, takich jak utlenianie termiczne, chemiczne osadzanie z fazy gazowej wspomagane plazmą (PECVD) i anodowanie elektrochemiczne. Wśród nich najszerzej stosowany jest proces utleniania termicznego prowadzony w wysokich temperaturach 800-1200°C w celu uzyskania cienkiej i jednolitej warstwy dwutlenku krzemu.

Utlenianie termiczne można podzielić na suche i mokre, w zależności od gazów użytych w reakcji utleniania. Suche utlenianie wykorzystuje czysty tlen (O₂), co powoduje wolniejszy wzrost warstwy tlenku, co czyni je idealnym wyborem do tworzenia cienkich warstw. Tlenki wytwarzane metodą suchą wykazują doskonałe właściwości elektryczne. Utlenianie na mokro wykorzystuje zarówno tlen (O₂), jak i parę wodną (H₂O). W rezultacie warstwa tlenku rośnie szybciej i staje się grubsza. Jednak tlenki wytwarzane metodą mokrą nie są tak gęste, jak te wytwarzane metodą suchą. W tych samych warunkach czasowych i temperaturowych tlenek powstający metodą mokrą jest około pięć do dziesięciu razy grubszy niż ten wytwarzany metodą suchą.

W artykule przedstawiono przede wszystkim funkcję warstw tlenkowych i sposób ich powstawania. Zapraszamy do zapoznania się z kolejną częścią tej serii, w której wyjaśnimy, w jaki sposób wzory obwodów są drukowane na płytkach pokrytych warstwami tlenku.