熱酸化膜とは、酸化剤と熱の組み合わせにシリコン・ウェハーをさらすことで、二酸化ケイ素（SiO2）の層を作ることです。この層は水素ガスや酸素ガスで作られるのが一般的ですが、ハロゲンガスも使用できます。二酸化シリコンの成長は、大気中のウェハー上で約20Å（オングストローム）の厚さまで行われます。しかし、ほとんどの仕様では、熱酸化成長はこの反応を触媒し、最大25,000Åの厚さの酸化物層を形成するために熱源を使用します。

熱酸化ウェハーには数多くの用途がありますが、主な用途は誘電体材料とMEMS（微小電気機械システム）デバイスです。

シリコン・ウェーハの熱酸化には主に2つの方法があり、図1に示すように、どちらもウェーハ表面に酸素を成長させる必要があります。これは、酸化膜をウェーハ上に堆積させるCVDアプリケーションとは異なります。

最初の方法は、通常、薄い乾式熱酸化物またはインプラントアニーリングアプリケーションで使用される急速熱処理 (RTP) です。RTP では、ウェハーは短時間で 1,000°C を超える急速加熱を受けます。数秒間さらされた後、ウェハーはひび割れを防ぐために室温までゆっくりと冷却されます。その結果、さまざまなアプリケーションで使用できる薄い二酸化ケイ素層が生まれます。

第二の、より一般的な方法は拡散です。熱酸化物の拡散は約800°から1,100°Cの間で起こり、この膜を成長させる方法には「湿式」と「乾式」の2つがあります。

湿式熱酸化物

湿式熱酸化膜は一般に、より厚い二酸化ケイ素層が必要な用途向けです。不純物の混入を防ぐため、これらの膜は通常、熱と純粋な蒸気の組み合わせを使用して石英管内で成長します。ほとんどの大手メーカーは、図2に示すように、炉とは別の石英管に収納された外部ヒーターを使用しています。一般的ではありませんが、代わりに内部炎を使ってウェハーを加熱するシステムもあります。酸化プロセス中、外部ヒーターの温度は800℃以上に上昇します。これにより、ガスが自然発火し、点火源がなくても青い炎が発生します。この炎によって純粋な蒸気が発生するため、湿式酸化熱と呼ばれるようになりました。純粋な蒸気は、炎を収容する管を通ってウェハーのある炉に移動し、水蒸気が石英チャンバーに入ると、膨張して炉全体に均一に分布します。

ウェーハは水平に立てるか（図2に示す）、垂直に積み重ねられるが、その時間は目標の膜厚によって異なるため、炉の中に数時間入っています。SiO2の成長は直線的ではないため、ウェーハを1,000℃の炉に5時間入れると約10,000Åの酸化膜が形成され、同じウェーハを24時間炉に入れると約25,000Åの酸化膜が形成されます。2枚目のウェーハは、炉の中に5倍近く長く入っていたが、酸化膜の厚さは約2倍しかありませんでした。これは、酸化物層が成長するにつれて、酸素がデバイス層に浸透しにくくなり、シリコン基板と相互作用してSiO2を生成しにくくなるためです。

乾式熱酸化

乾式酸化珪素は湿式熱酸化珪素に比べて二酸化珪素層が非常に薄く、工程に非常に時間がかかります。このような制約から、乾式二酸化ケイ素層の厚さは1,000Å以下です。

乾式熱酸化物成長は、湿式熱酸化と非常によく似たプロセスです。唯一の違いは、このプロセスでは純粋な蒸気の代わりに分子状酸素を使用してデバイス層を形成することです。これにより、高い均一性、高い絶縁耐力、高密度の二酸化ケイ素ウェハーが得られます。

厚い熱酸化物

厚い酸化物とは、2μm（20,000Å）以上の二酸化ケイ素層のこと。

より厚い酸化物が必要な場合、一般的には湿式酸化膜を使用して成長させます。この技術は乾式熱酸化よりも成長速度が速く、より厚い二酸化ケイ素膜を得ることができます。

厚い酸化物の用途：

湿式熱酸化物は、通常、ハンドルとキャリアウェーハ間の絶縁体ウェーハ上の厚膜シリコンのバリアとして使用されます。これは、ツールとパッドを慣らすための化学機械平坦化 (CMP) の消耗品です。

粒子感応性酸化物

パーティクルに敏感な酸化物は、成長プロセス中に追加するパーティクルの数を最小限に抑えながら基板上に熱酸化物を成長させるプロセスです。ウェーハをパーティクルから保護するために、すべての処理はクリーンルームで行われます。また、粒子汚染を最小限に抑えるために、開始ウェーハはパーティクル数が少なく、工場出荷時のパッケージに入っている必要があります。

このコーティングを成長させるために、ウェーハは石英炉内で湿式または乾式の熱酸化処理をします。ウェーハを周囲の環境の粒子から保護するために、清浄な石英炉を使用することが重要です。