열산화(Thermal oxidation)는 실리콘 웨이퍼를 산화제 혼합에 노출시키고 열을 가해 이산화규소(SiO2) 층을 만든 결과입니다. 이 층는 수소나 산소 가스로 가장 흔하게 만들지만, 모든 종류의 할로겐 가스로도 만들어 질 수 있습니다. 이산화규소 성장은 대기 중의 웨이퍼에서 약 20Å 두께로 발생하지만, 대부분의 사양에서는 열 산화물 성장은 이러한 반응을 촉매하고, 최대 25,000Å 두께의 산화층을 생성하기 위해 열원을 사용합니다.

열산화물 웨이퍼에는 수많은 응용 분야가 있지만, 주로 유전 물질과 MEMS(마이크로 전자기계 시스템) 장치에서 사용됩니다.

실리콘 웨이퍼의 열 산화 방법은 크게 두 가지가 있으며, 두 방법 모두 그림 1과 같이 웨이퍼 표면에 산소가 증가해야 합니다. 이는 웨이퍼 위에 산화층이 증착된 CVD 애플리케이션과는 다릅니다.

첫 번째 방법은 보통 얇은 건식 열산화물이나 임플란트 어닐링 응용에 사용되는 급속 열처리(RTP) 방법입니다. RTP에서 웨이퍼는 매우 짧은 시간 동안 1,000°C 이상으로 빠르게 가열됩니다. 몇 초간의 노출 이후, 웨이퍼는 균열을 방지하기 위해 실온에서 서서히 냉각됩니다. 이 결과 이산화규소 층이 얇아져 다양한 용도로 사용할 수 있습니다.

두 번째는 가장 일반적인 확산 방법입니다. 열산화물 확산은 약 800°C에서 1,100°C 사이에서 일어나며, ‘습식’과 ‘건식’의 두 가지 방법으로 해당 필름이 성장할 수 있습니다.

습식 열산화물

습식 열산화물 필름은 일반적으로 더 두꺼운 이산화규소 층이 필요한 곳에 사용됩니다. 불순물을 방지하기 위해, 이러한 필름은 보통 열과 순수한 증기의 조합을 사용하여 석영관에서 자랍니다. 대부분의 주요 제조업체들은 그림 2와 같이 용해로와 분리된 석영 튜브에 내장된 외부 히터를 사용합니다. 흔치는 않지만 일부 시스템은 내부 불꽃을 사용하여 웨이퍼를 가열하기도 합니다. 산화 과정에서 외부 히터의 온도는 800°C 이상으로 상승합니다. 이는 기체가 자발적으로 점화되어 점화원 없이 파란색 불꽃을 생성하게 됩니다. 이 불꽃은 순수한 증기를 만들어내기 때문에, 습식 열산화물이라는 이름으로 불립니다. 순수 증기는 불꽃이 있는 관을 통해 웨이퍼가 있는 용광로로 이동하게 됩니다. 증기가 석영 실로 들어가면 증기가 팽창하여 용해로 전체에 고르게 분포됩니다.

수평으로 서 있거나(그림 2 참조), 수직으로 쌓이는 웨이퍼는 원하는 필름 두께에 따라서 시간이 달라질 수 있습니다. 따라서 몇 시간 동안 용해로 안에 놓습니다. SiO2의 성장은 선형적이지 않으므로 웨이퍼가 1,000°C의 용해로에서 5시간 동안 있으면 약 10,000Å의 산화층이 형성되고, 동일한 웨이퍼가 24시간 동안 용해로 안에 있으면 약 25,000Å의 산화층이 형성됩니다. 두 번째 웨이퍼는 용광로 안에 거의 5배 더 오래 있었지만 산화층은 두 배 정도밖에 되지 않습니다. 산화층이 커지면서 산소가 소자층을 관통해, 실리콘 기판과 상호작용해 SiO2를 만들기 어려워졌기 때문입니다.

건식 열산화물

건식 열산화물은 습식 산화물보다 이산화규소 층이 훨씬 얇고 공정 시간이 훨씬 오래 걸립니다. 이러한 한계로 인해, 건식 이산화규소 층은 1,000Å보다 얇은 편입니다.

건식 열산화물 성장은 습한 열산화물과 매우 유사한 과정을 지닙니다. 유일한 차이점은 장치 레이어(소자층)를 만들 때, 순수한 증기 대신, 분자 산소를 사용하는데 있습니다. 이것은 높은 균일성과 유전 강도, 고밀도의 이산화규소 웨이퍼를 생산합니다.

두꺼운 열산화물

두꺼운 산화물은 2μm(20,000Å) 이상의 이산화규소 층을 뜻합니다.

두꺼운 산화층이 필요할 때는 일반적으로 습식 열산화물을 사용하여 성장합니다. 이 기술은 건식 열산화물보다 훨씬 빠른 성장 속도를 가지고 있으며, 훨씬 더 두꺼운 이산화규소 필름을 만들 수 있습니다.

두꺼운 산화물 응용 프로그램:

습식 열산화물은 일반적으로 핸들과 캐리어 웨이퍼 사이의 절연체 웨이퍼에 두꺼운 필름 실리콘의 장벽으로 사용됩니다. 이는 공구와 패드 파손을 대비한 화학 기계식 평면화(CMP)의 소모품입니다.

입자에 민감한 산화물

‘입자에 민감한 산화물’은 성장 과정에서 최소의 입자를 첨가하면서 열산화물을 기판 위에서 성장시키는 과정입니다. 웨이퍼를 입자로부터 보호하기 위해, 모든 가공은 클린룸에서 이루어집니다. 또한 입자 오염을 최소화하기 위해, 시작 웨이퍼의 입자 수가 적고 원래 공장 포장에 담겨 있어야 합니다.

이 코팅을 성장시키기 위하여 웨이퍼는 석영 용해로 내부에서 습식/건식 열산화물을 겪습니다. 깨끗한 석영 용해로를 사용하여, 작업장소에 있는 입자로부터 웨이퍼를 보호하는 것이 중요합니다.

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