二氧化硅薄膜在半导体器件生产上的应用

干法氧化通常用来形成要求薄、界面能级和固定电荷密度低的薄膜。湿法氧化通常用来形成作为器件隔离用的比较厚的二氧化硅膜。干法氧化成膜速度慢于湿法。当SiO2膜较薄时，膜厚与时间成正比。SiO2膜变厚时，膜厚与时间的平方根成正比。因而，要形成较 厚的SiO2膜，需要较长的氧化时间。SiO2膜形成的速度取决于经扩散穿过SiO2膜到达硅表面的O2及OH基等氧化剂的数量的多少。湿法氧化时，因OH基在SiO2膜中的扩散系数比O2的大。氧化反应时，Si 表面向深层移动，距离为SiO2膜厚的0.44倍。因此，不同厚度的SiO2膜，去除后的Si表面的深度也不同。SiO2膜为透明，通过光干涉来估计膜的厚度。这种干涉色的周期约为200nm，如果预告知道是几次干涉，就能正确估计。热氧化的生长也会影响底下硅的掺杂。如果杂质比硅更可以溶于氧化物，那么在氧化的过程中，它会从硅中迁移到氧化物中。这样硅表面就变成杂质的耗尽区。硼更好溶于氧化物而不是硅，所以它会转移到氧化物中。这个效应有时叫做boron suckup。相反的，如果杂质更容易溶于硅而不是氧化物，那么氧化硅界面会把杂质推到硅里，在表面形成一个本地的更高的掺杂水平。磷（就像砷和锑）迁移到硅中，所以随着氧化的进行，他们会聚集到表面来。这个效应有时叫做phosphorus pileup或者phosphorus plow。在这两种情况中，前氧化掺杂水平是个常数，由于隔离,靠近表面的杂质浓度都是互不相关的。隔离机制的存在使设计集成器件的杂质水平更复杂。硅的掺杂也影响氧化物的生长速度。N＋扩散区通过叫做dopant-enhanced oxidation的过程能加速它附近的氧化物的生长。因为donor干扰了氧化物界面的原子键，引起了断层和其他的结构缺陷。这些缺陷加速了氧化和上面氧化物的生长。在长时间的热驱动和氧化之前，重掺杂的N+沉积发生的比较早时，这个效应更明显。N＋扩散区上的氧化层比周围地区上的氧化层厚。4.4 二氧化硅的性质及其在单晶硅太阳池中的应用4.4.1二氧化硅的主要物理性质二氧化硅（SiO2）是自然界中广泛存在着的物质。水晶石、石英砂就是天然的二氧化硅。在半导体器件生产中使用的石英管和石英器皿都是用二氧化硅材料制成的。

1 制备二氧化硅部分1. 1 主要原料、设备和仪器主要原料:工业硅酸钠 , ρ=1.384 g/cm3工业硫酸乳化剂氨水合成蜡。主要设备和仪器:搪瓷( 带搅拌,夹套加热 )釜 高速搅拌机喷雾干燥机气流粉碎机压滤机。1. 2 蜡乳化液配制将合成蜡和适当乳化剂、水按一定比例高速分散 50～60 min,制备稳定的乳化液。1. 3 SiO2消光剂的制备在搪瓷釜内加入一定量的稀硅酸钠溶液和蜡乳化液 ,搅拌条件下 ,以一定速度加入稀硫酸 ,釜内出现凝胶后将其打碎 ,继续加酸至中性 ,搅拌 15 min至反应完全。随后将物料迅速升温 ,以稀硫酸或氨水调节溶液的 pH,在 85～95 ℃保温老化一定时间。将沉淀物过滤洗涤至中性 ,把水洗后的凝胶加适量去离子水至固含量 10%,高速搅拌30～40 min,用喷雾干燥机干燥。最后 ,控制气流粉碎机的工艺条件得到平均粒径 4～8 um的 SiO2消光剂。2 结果与讨论2. 1 成胶工艺条件对 SiO2凝胶孔特性的影响2. 1. 1 胶凝时间的影响在常温条件下 ,通过调节加酸速度,控制胶凝时间。加酸速度快 ,胶凝时间快 ,反之 ,胶凝时间慢。由图 1可见 , SiO 凝胶的孔体积随胶凝时间的增加而减小 ,瞬间凝胶 , SiO2 凝胶孔体积较大 ,胶凝时间越长 ,孔体积越小。因此 ,控制胶凝时间可以制备孔体积为 0. 8～1. 7 mL/g的不同型号的 SiO2 消光剂。2. 1. 2 反应温度的影响 见图 2 由图 2可见 ,反应温度 25～40 ℃时 , SiO2 凝胶孔体积最大 ,反应温度偏低或偏高孔体积都会降低 ,而且 ,当温度较高时 ,出现局部凝胶将影响产品性能。因此 ,选择反应温度 25～40 ℃。2. 1. 3 老化条件的影响 见图 3由图 3可见 ,随着老化时间增加 ,孔体积逐渐增加。酸性条件老化 ,孔体积较低中性条件老化,孔体积增大碱性条件与中性条件变化不大。因此选择中性或碱性条件老化 ,老化时间 2 h。 2.2 蜡表面处理对 SiO2 凝胶性能的影响用蜡对二氧化硅进行表面处理 ,常用的方法有机械混合法和乳化蜡法。不同改性方法对 SiO2 凝胶性能的影响如表 1所示。表 1 不同改性方法对 SiO2 凝胶性能的影响改性方法 灼烧失重/(%) 孔体积/(mL·g) 比表面/(m·g) 分散性加蜡前 加蜡后 加蜡前 加蜡后 加蜡前 加蜡后 机械混合法 4 13～15 1. 12 1. 03 318 300 较差乳化蜡法4 13～15 1. 15 1. 04 320 287 好 由表 1可见 ,两种方法都能将蜡涂敷到凝胶孔中 ,使凝胶的孔体积和比表面均有所下降 ,灼烧失重增加。由灼烧失重可以得出 ,蜡处理的二氧化硅中蜡含量大约 9%～11% (质量分数) 。但机械混合法的样品放入水中 ,经 2 h高速搅拌仍有部分浮在水面 ,分散性较差而乳化蜡法样品的亲水性明显提高 ,放入水中自动润湿 ,本实验选择乳化蜡法。2. 3 SiO2消光剂在家具漆中的应用试验实验选择胶凝时间 5 ～7 min、反应温度25～40 ℃、中性条件老化和老化时间 2 h,乳化蜡法制得孔体积为 1. 2mL/g的蜡处理 SiO2消光剂 ,将不同用量的消光剂用高速搅拌分别加入到 3种家具漆中涂片后 ,消光效果如图 4所示:随消光剂用量的增加光泽减小 ,在硝基漆中消光效果最好,消光剂用量约 6%(质量分数)时 ,可使涂膜光泽达到平光醇酸漆中消光剂用量约 9% (质量分数) 时 ,消光效果也较好在聚胺酯漆（单组分）中消光效果稍差。3 结论 1 采用凝胶法工艺合成超微细二氧化硅时,当反应温度 25～40 ℃、中性或碱性条件老化、老化时间 2 h,通过控制胶凝时间可以制备不同孔体积的SiO2消光剂。 2 将蜡用乳化剂配成乳化液 ,然后同原料硅酸钠一起反应 ,可以制备分散性能良好的蜡处理 SiO2消光剂 ,其中蜡含量大约 9%～11% （质量分数） 。 3 乳化蜡法制得孔体积为 1. 2 mL/g的蜡处理SiO2消光剂用于硝基漆、醇酸漆中消光效果较好 ,在聚胺酯漆（单组分）中消光效果稍差。

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