热氧化物

热氧化是将硅晶圆置于氧化剂和热量的作用下，形成一层二氧化硅（SiO2）。这种氧化层最常用的是氢气和/或氧气，但也可以使用任何卤素气体。二氧化硅可在环境空气中的硅片上生长至约 20Å厚度；但对于大多数规格的热氧化生长，则需要使用热源来催化这一反应，并生成厚达 25,000Å的氧化层。

热氧化晶圆有许多应用，但其主要用途是作为介电材料和用于MEMS（微机电系统）设备。

在硅晶圆上进行热氧化有两种主要方法，如图 1 所示，这两种方法都需要在晶片圆表面生长氧化层。这与 CVD 应用不同，后者是在硅片表面沉积氧化层。

第一种方法是快速热处理 (RTP)，通常用于干热氧化薄层或植入退火应用。在 RTP 中，晶片会在很短的时间内迅速加热到 1,000°C 以上。暴露几秒钟后，晶圆缓慢冷却至室温，以防止开裂。最终形成的二氧化硅薄层可用于各种应用。

第二种也是更常见的方法是扩散法。热氧化扩散发生在 ~800° 至 1,100°C 之间，这种薄膜的生长有两种方法："湿法 "或 "干法"。

湿法热氧化

湿法热氧化膜一般用于需要较厚二氧化硅层的应用。为了防止杂质，这些薄膜通常在石英管中通过加热和纯蒸汽的组合来生长。如图 2 所示，大多数主要制造商使用外部加热器，加热器安装在与炉子分开的石英管中。有些系统使用内部火焰加热晶片，但这种情况并不常见。在氧化过程中，外部加热器的温度会升至 800°C 以上。这会导致气体自燃，并在没有火源的情况下产生蓝色火焰。火焰产生纯蒸汽，因此被称为湿热氧化。纯蒸汽通过容纳火焰的管道进入熔炉，熔炉中放置晶圆。蒸汽一旦进入石英室，就会膨胀并均匀地分布在整个炉子中。

晶圆或水平放置（如图 2 所示），或垂直堆叠，在炉中放置数小时，时间长短取决于目标薄膜厚度。二氧化硅的生长不是线性的，因此当一个晶圆在 1,000°C 的熔炉中放置 5 小时后，就会形成约 10,000Å 的氧化层；如果同一晶圆在熔炉中放置 24 小时，就会形成约 25,000Å 的氧化层。第二个晶圆在熔炉中的时间延长了近五倍，但氧化层的厚度仅为原来的两倍。这是因为随着氧化层的增长，氧气越来越难以渗透到器件层并与硅衬底相互作用生成二氧化硅。

干法热氧化

与湿法氧化工艺相比，干法热氧化工艺产生的二氧化硅层要薄得多，而且所需的时间也更长。由于这些限制，干法二氧化硅层的厚度不超过 1,000Å。

干热氧化生长工艺与湿法热氧化生长工艺非常相似。唯一不同的是，这种工艺使用分子氧而不是纯蒸汽来形成器件层。这就产生了高均匀性、高介电强度和高密度的二氧化硅晶圆。

厚热氧化层

厚热氧化层是指大于 2μm （20,000Å）的二氧化硅层。

当需要更厚的氧化层时，通常采用湿热氧化法。这种技术的生长速度比干法热氧化技术快得多，可以获得更厚的二氧化硅薄膜。

厚氧化应用：

湿法热氧化通常用作绝缘体厚膜硅晶圆上衬底与载体晶圆之间的阻挡层。它是化学机械平坦化（CMP）中的一种消耗品，用于工具和焊盘的磨合。

对粒子敏感的氧化

微粒敏感氧化物是在基底上生长热氧化的过程，同时在生长过程中加入最少的微粒。为了保护晶圆不受颗粒影响，所有加工过程都在无尘室中进行。起始晶圆也必须具有较低的颗粒数，并采用原厂包装，以最大限度地减少颗粒污染。

为了生长这种涂层，晶圆需要在石英炉内进行湿法或干法热氧化。必须使用清洁的石英炉，以保护晶圆不受周围环境中微粒的影响。