硅的热氧化

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硅的热氧化是半导体制造中的核心工艺，通过在高温下使硅与氧气或水蒸气反应生成二氧化硅（SiO₂）薄膜，广泛应用于集成电路、功率器件等领域。以下是该工艺的关键要点：

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‌1. 工艺原理与分类‌

• ‌反应机制‌：硅在高温（800~1200℃）下与氧气或水蒸气反应生成SiO₂，体积膨胀约2.27倍‌。
• ‌氧化方式‌：
  
  • ‌干氧氧化‌：使用纯氧气，薄膜质量高、致密性好，但速率慢‌。
  • ‌湿氧氧化‌：氧气携带水蒸气，速率快但膜质稍差‌。
  • ‌掺氯氧化‌：提升膜质量，减少界面缺陷‌。
    

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‌2. 工艺参数与模型‌

• ‌温度范围‌：通常900~1200℃，特殊工艺可降至600℃以下‌。
• ‌动力学模型‌：Deal-Grove模型描述氧化速率，分线性（界面反应主导）和抛物线（扩散控制）阶段‌。
• ‌厚度控制‌：每生成1nm SiO₂消耗0.44nm硅基底‌。
  

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‌3. 应用场景‌

• ‌集成电路‌：作为绝缘层、掩模层和钝化层‌。
• ‌功率器件‌：如碳化硅（SiC）MOSFET的栅氧化层，需高温氧化以提升耐压性能‌。
• ‌光子器件‌：用于生成氮化硅波导的包覆层‌。
  

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‌4. 技术优化方向‌

• ‌快速热氧化（RTO）‌：降低热预算，适应高温敏感工艺‌。
• ‌等离子氧化‌：反应温度降至约500℃，减少热损伤‌。
• ‌复合氧化膜‌：结合热氧化与化学气相沉积（CVD），提升均匀性‌。
  

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‌5. 行业进展‌

• ‌碳化硅（SiC）‌：2025年天科合达实现8英寸衬底量产，成本降低37%，推动高压器件应用‌。
• ‌国产替代‌：中国在SiC纤维、衬底等领域突破技术封锁，如Zelramic-iBN耐高温材料达1600℃‌。
  

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硅热氧化技术的持续创新支撑着半导体器件向更高性能、更低功耗方向发展，尤其在AI芯片、新能源汽车等新兴领域需求旺盛‌。