【电子通识】半导体工艺——保护晶圆表面的氧化工艺
电子通识
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那么实际上，当晶圆接触大气或化学物质中的氧气时就会生成氧化膜。同样地，在铁(Fe)暴露于大气环境中会发生生锈现象。
氧化膜的作用
在半导体晶圆加工的过程中, 会采用一系列具有高度反应性的多种化学材料. 当这些化学材料接触到不应该接触到的区域时, 就会导致半导体制造过程中的阻碍. 此外, 半导体器件内部还存在一些特殊的物质, 它们的相互接触会产生短路现象. 氧化工艺则是通过在硅晶圆上形成一层隔离保护膜来防止短路发生的工艺技术.
硅（Si）与氧气反应即生成氧化硅（SiO₂）。在半导体制备过程中，通过氧化工艺形成的氧化膜表现出良好的稳定性，并能够有效阻止其他物质的侵入；因此，在离子注入工艺中被广泛应用。此外，在电路封装过程中也可以利用其特性来实现对内部元件的有效保护。
氧化工艺的种类
可以在晶圆上形成薄膜的氧化工艺主要有三种：基于加热原理的热氧化技术（Thermal Oxidation），以及等离子体辅助化学气相沉积技术（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD）。其中一类应用最为广泛的工艺是热氧化法。
热氧化法基于所采用气体的不同划分为干法氧化（Dry Oxidation）、湿法氧化（Wet Oxidation）和自由基氧化（Radical Oxidation）三大体系
热氧化法
热化法主要是在800至1200摄氏度之间的高温环境下实现对二氧化硅层的沉积，并通过控制沉积速率来确保层状结构的一致性与致密性。主要根据所采用的气体类型以及操作条件的不同, 热化法可划分为两类工艺:一类是基于干燥条件下的干化处理工艺(Dry Oxidization),另一类则是基于湿润环境下的湿化处理工艺(Wet Oxidization))
干氧化法
纯氧作为唯一氧气源使用的干氧化工艺具有显著特点：首先其氧化膜的生长速率相对较低主要以薄膜形成为目标并能有效生成良好导电性的氧化物。此外该方法的优势在于完全避免了副产物（氢气H₂）的产生同时确保了氧化膜具有较高的均匀性和致密性。
湿氧化法
该保护层材料通过两种介质——氧气（O₂）以及具有较高溶解度的水蒸气（H₂O）——实现了同步沉积作用。
因此生成的氧化膜呈现出较高的生长速度特征。
相比之下，在干燥法中所形成的保护层其致密程度则相对较低。
值得注意的是, 湿法工艺生成的保护膜具有较低密度。
与干燥法相比, 湿氧化学处理能够在相同的时间参数下得到的结果是干燥法可以获得保护膜厚度提升约5至10倍。
值得注意的是, 湿法工艺在半导体材料制备的关键领域中存在显著的技术限制。
自由基氧化
与其他两种不同的是湿法和干法氧化工艺，则是通过将自然气加热至较高温度以增强其能量并促进气分子与晶圆表面发生反应的过程中较为显著的作用机制；相较于其他两种工艺而言，则多出一个关键步骤：将氧气原子和氢分子混合并生成具有极高活化的自由基气态物质，并使其与晶圆表面接触；由于这一工艺中物质间的接触频率及活化程度均显著高于其他方法，在实际应用中能够有效避免完全不反应的可能性；因此，在该方法下可以形成更为均匀致密的氧化膜
氧化工艺设备
此为氧化设备简化的结构示意图；实际上该设备在结构上远超出了该简化的模型。反应气体自气孔注入系统内，在加热后与晶圆表面发生化学作用。为了调节气流分布、确保各接触面间的氧化程度均衡一致，在晶圆中间位置放置了辅助材料（Dummy Wafer）。采用批量处理技术，在短时间内即可完成多晶圆层析处理。
