在 MEMS(微机电系统)工艺中,热氧化(在高温下使硅片表面生长一层二氧化硅)是一项基础且关键的工艺。干氧氧化、湿氧氧化和干湿氧氧化是三种主要的热氧化方法,它们的核心区别在于氧化剂环境。
干氧氧化是在高温(通常900°C-1200°C)下,将干燥纯净的氧气通入氧化炉管,与硅表面反应生成二氧化硅。薄层优势,可以沉积10nm–150nm的高精度薄层(±1nm级控制),但生长速率极慢(900°C时约0.01μm/h),厚度>0.5μm实际不可行(需数十小时,热预算过高)。
湿氧氧化是将高纯水蒸气(通常由氧气鼓泡通过高纯水并加热产生,或直接通入氢气与氧气在炉口燃烧生成)通入氧化炉管。水分子与硅反应生成二氧化硅。厚层优势,速率是干氧的5–10倍(1000°C时约0.1–0.2μm/h),可高效生长0.5–2μm的厚氧化层。但是速率过快导致薄层(<100nm)控制困难(±10nm级波动),且界面粗糙。
干湿氧氧化结合了干氧和湿氧。最常见的是“干氧-湿氧-干氧”三步法:
初始干氧阶段: 通入纯氧。在硅表面形成一层薄而致密、高质量、界面特性好的 SiO₂底层。湿氧阶段: 通入水蒸气。利用湿氧的高速率在已形成的致密底层上快速生长较厚的SiO₂主体层。最终干氧阶段: 再次通入纯氧。主要目的是“修复”湿氧阶段形成的氧化层表面,使其更致密,改善表面质量,减少悬挂键,降低界面态密度。最适用于 100nm–1μm的中等厚度层。速率介于干氧和湿氧之间(例如1μm层需4–8小时,纯湿氧约2–4小时,纯干氧需>100小时)。
在MEMS中的关键考量:
牺牲层:湿氧因其高速率是生长厚牺牲层(用于释放悬臂梁、梳齿等可动结构)的首选。
结构层/绝缘层:如果氧化硅本身作为结构的一部分(如梁、膜)或关键绝缘层,其机械应力、均匀性、电学性能和长期稳定性就变得非常重要。干氧或干湿氧通常更受青睐,尤其是对薄层或关键区域。
硬掩蔽层:对于不关键的大面积厚氧化层(如某些掩蔽层),湿氧因其速度快、成本低而具有优势。
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