Giáo trình Oxy hóa nhiệt 1 ppt

Ô Ô xy xy h h ó ó a a nhi nhi ệ ệ t t ( ( đ đ ố ố i i v v ớ ớ i i Si) Si) Đạihọc Bách khoa Hà Nội TS. Lê Tuấn 2 2 1/1/2007 1/1/2007 Đ Đ ạ ạ i h i h ọ ọ c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N ộ ộ i i Ô Ô xy xy h h ó ó a a nhi nhi ệ ệ t t ( ( đ đ ố ố i i v v ớ ớ i i Silic Silic ) ) Ôxit SiO 2 là chất vô định hình Khốilượng riêng = 2,2 gm/cm 3 , trong khi củaSiO 2 (thạch anh) = 2.65 gm/cm3 Mật độ phân tử = 2,3E22 phân tử / cm 3 Là chất cách điện lý tưởng Điệntrở suất> 1E20 Ohm-cm Độ rộng vùng cấm ~ 9 eV Có giá trị điệntrường đánh thủng cao E br > 10 MV/cm Có bề mặt phân cách Si/SiO 2 ổn định và dễ lặplại Có lớp ôxit mọc bao quanh bề mặttiếpxúcvới bên ngoài của Si Là mặtnạ rấttốt đốivớikhuếch tán các tạpchất thông dụng Có tính ăn mòn phân biệt rấttốt với Si Tính chất chung của ôxit Silic (SiO 2 ) 3 3 1/1/2007 1/1/2007 Đ Đ ạ ạ i h i h ọ ọ c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N ộ ộ i i Ô Ô xy xy h h ó ó a a nhi nhi ệ ệ t t ( ( ti ti ế ế p p ) ) T T í í nh nh to to á á n n chi chi ề ề u u d d à à y y l l ớ ớ p p ô ô xit xit : : )/.( oxSiSiox NNXX = Tiêu hao chiềudàySi khitạoSiO 2 bằng ô xy hóa nhiệt Bề mặt ban đầu ox Si Siox N N XX ×= Mật độ SiO 2 Mật độ Si Cứ 1 µm Si bị ô xy hóa tạo nên 2,17 µm SiO 2 Luồng chấtô xyhóa Khô: O 2 Ẩm: H 2 O hoặcO 2 + H 2 O Lớp chuyểntiếpluồng khí LớpSiO 2 đượctạora Đế Si Khuếch tán khí Khuếch tán rắn Hình thành SiO 2 Động học quá trình ô xy hóa nhiệtSi 4 4 1/1/2007 1/1/2007 Đ Đ ạ ạ i h i h ọ ọ c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N ộ ộ i i Ô Ô xy xy h h ó ó a a nhi nhi ệ ệ t t ( ( ti ti ế ế p p ) ) Gi Gi ả ả thi thi ế ế t t : :   Thông Thông lư lư ợ ợ ng ng kh kh í í v v ậ ậ n n chuy chuy ể ể n n h h G G – – h h ệ ệ s s ố ố v v ậ ậ n n chuy chuy ể ể n n kh kh ố ố i i , , đơn đơn v v ị ị cm/s cm/s   Thông Thông lư lư ợ ợ ng ng khu khu ế ế ch ch t t á á n n Đ Đ ị ị nh nh lu lu ậ ậ t t Fix Fix khu khu ế ế ch ch t t á á n n trong trong th th ể ể r r ắ ắ n n D D – – h h ệ ệ s s ố ố khu khu ế ế ch ch t t á á n n , , đơn đơn v v ị ị cm cm 2 2 /s /s   Thông Thông lư lư ợ ợ ng ng tham tham gia gia ph ph ả ả n n ứ ứ ng ng t t ạ ạ o o SiO SiO 2 2 t t ạ ạ i i m m ặ ặ t t phân phân c c á á ch ch k k s s – – h h ệ ệ s s ố ố t t ố ố c c đ đ ộ ộ ph ph ả ả n n ứ ứ ng ng b b ề ề m m ặ ặ t t , , đơn đơn v v ị ị cm/s cm/s Mô hình ô xy hóa nhiệt Deal - Grove Liên Liên h h ệ ệ C C o o v v à à C C s s theo theo đ đ ị ị nh nh lu lu ậ ậ t t Henry: Henry: H H – – h h ệ ệ s s ố ố Henry; Henry; P P s s – – á á p p su su ấ ấ t t riêng riêng ph ph ầ ầ n n c c ủ ủ a a ch ch ấ ấ t t ô ô xy xy h h ó ó a a ( ( ở ở d d ạ ạ ng ng kh kh í í ) ) t t ạ ạ i i b b ề ề m m ặ ặ t t ph ph ả ả n n ứ ứ ng ng Ta Ta l l ấ ấ y y , , , , suy suy ra ra : : ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − −≈ ∂ ∂ −= ox io X CC D x C DF 2 is CkF ×= 3 ( ) sso CkTHPHC ⋅ ⋅ = ⋅ = 5 5 1/1/2007 1/1/2007 Đ Đ ạ ạ i h i h ọ ọ c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N ộ ộ i i G G ọ ọ i i , , ta ta x x á á c c đ đ ị ị nh nh Ở Ở đi đi ề ề u u ki ki ệ ệ n n tr tr ạ ạ ng ng th th á á i i d d ừ ừ ng ng , , c c á á c c gi gi á á tr tr ị ị thông thông lư lư ợ ợ ng ng ph ph ả ả i i như như nhau nhau , , ta ta c c ó ó hai hai phương phương tr tr ì ì nh nh F F 1 1 = F = F 2 2 v v à à F F 2 2 = F = F 3 3 , , v v ớ ớ i i hai hai ẩ ẩ n n s s ố ố C C o o v v à à C C i i . . Gi Gi ả ả i i h h ệ ệ phương phương tr tr ì ì nh nh , , ta ta c c ó ó k k ế ế t t qu qu ả ả : : N N ế ế u u g g ọ ọ i i N N 1 1 l l à à m m ậ ậ t t đ đ ộ ộ ch ch ấ ấ t t ô ô xy xy h h ó ó a a c c ầ ầ n n thi thi ế ế t t đ đ ể ể t t ạ ạ o o ra ra 1 1 đơn đơn v v ị ị th th ể ể t t í í ch ch SiO SiO 2 2 , , ta ta c c ó ó theo theo đ đ ị ị nh nh ngh ngh ĩ ĩ a a (N (N 1 1 = 2,3E22 cm = 2,3E22 cm - - 3 3 cho cho ô ô xy xy h h ó ó a a khô khô v v ớ ớ i i O O 2 2 , , v v à à = 4,6E22 cm = 4,6E22 cm - - 3 3 cho cho ô ô xy xy h h ó ó a a ẩ ẩ m m v v ớ ớ i i H H 2 2 O) O) Ô Ô xy xy h h ó ó a a nhi nhi ệ ệ t t ( ( ti ti ế ế p p ) ) () GA CHkTC ⋅≡ ()() oAoA G CChCC HkT h F −≡−= 1 6 6 1/1/2007 1/1/2007 Đ Đ ạ ạ i h i h ọ ọ c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N ộ ộ i i Ô Ô xy xy h h ó ó a a nhi nhi ệ ệ t t ( ( ti ti ế ế p p ) ) V V ớ ớ i i đi đi ề ề u u ki ki ệ ệ n n ban ban đ đ ầ ầ u u t = 0, X t = 0, X 0 0 = X = X i i , , v v ớ ớ i i : : v v à à : : sau sau khi khi t t í í ch ch phân phân , , ta ta c c ó ó nghi nghi ệ ệ m m : : () ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −+ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = 141 2 2 τ t B A B A B B X ox V V ớ ớ i i t t nh nh ỏ ỏ (t << A/2), (t << A/2), X X ox ox tăng tăng tuy tuy ế ế n n t t í í nh nh v v ớ ớ i i t. t. V V ớ ớ i i t t l l ớ ớ n n (t >> A/2) (t >> A/2) , , X X ox ox tăng tăng t t ỷ ỷ l l ệ ệ v v ớ ớ i i t t 1/2 1/2 . . 7 7 1/1/2007 1/1/2007 Đ Đ ạ ạ i h i h ọ ọ c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N ộ ộ i i Ô Ô xy xy h h ó ó a a nhi nhi ệ ệ t t ( ( ti ti ế ế p p ) ) V V ớ ớ i i gi gi ả ả thi thi ế ế t t không không c c ó ó l l ớ ớ p p ô ô xit xit SiO SiO 2 2 ban ban đ đ ầ ầ u u (X (X i i = 0), = 0), ta ta c c ó ó đ đ ồ ồ th th ị ị x x á á c c đ đ ị ị nh nh chi chi ề ề u u d d à à y y l l ớ ớ p p SiO SiO 2 2 nhi nhi ệ ệ t t theo theo th th ờ ờ i i gian gian ô ô xy xy h h ó ó a a nhi nhi ệ ệ t t . . Đ Đ ể ể x x á á c c đ đ ị ị nh nh ch ch ế ế đ đ ộ ộ ô ô xy xy h h ó ó a a , , ngư ngư ờ ờ i i ta ta d d ù ù ng ng c c á á c c phương phương ph ph á á p p : :   T T í í nh nh to to á á n n chi chi ề ề u u d d à à y y v v à à th th ờ ờ i i gian gian o o xy xy h h ó ó a a , , d d ự ự a a trên trên c c á á c c gi gi á á tr tr ị ị B/A B/A v v à à B. B.   D D ù ù ng ng đ đ ồ ồ th th ị ị chu chu ẩ ẩ n n h h ó ó a a theo theo c c á á c c ch ch ế ế đ đ ộ ộ đã đã x x á á c c đ đ ị ị nh nh t t ừ ừ trư trư ớ ớ c c   Sau Sau khi khi ô ô xy xy h h ó ó a a , , c c ó ó th th ể ể d d ù ù ng ng b b ả ả ng ng m m à à u u đ đ ể ể so so v v à à x x á á c c đ đ ị ị nh nh chi chi ề ề u u d d à à y y . . V V í í d d ụ ụ : Ô : Ô xy xy h h ó ó a a (100) Si (100) Si trong trong hai hai ch ch ế ế đ đ ộ ộ ẩ ẩ m m v v à à khô khô v v ớ ớ i i x x i i =0. =0. 8 8 1/1/2007 1/1/2007 Đ Đ ạ ạ i h i h ọ ọ c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N ộ ộ i i Gi Gi á á tr tr ị ị c c á á c c h h ệ ệ s s ố ố (B/A) (B/A) v v à à B B cho cho c c á á c c trư trư ờ ờ ng ng h h ợ ợ p p ô ô xy xy h h ó ó a a nhi nhi ệ ệ t t khô khô v v à à ẩ ẩ m m đ đ ố ố i i v v ớ ớ i i Si Si 9 9 1/1/2007 1/1/2007 Đ Đ ạ ạ i h i h ọ ọ c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N ộ ộ i i Ô Ô xy xy h h ó ó a a nhi nhi ệ ệ t t ( ( ti ti ế ế p p ) ) S S ự ự ph ph ụ ụ thu thu ộ ộ c c v v à à o o c c á á c c thông thông s s ố ố công công ngh ngh ệ ệ   Khi Khi chi chi ề ề u u d d à à y y l l ớ ớ p p SiO SiO 2 2 còn còn nh nh ỏ ỏ , , t t ố ố c c đ đ ộ ộ ô ô xy xy h h ó ó a a x x á á c c đ đ ị ị nh nh b b ở ở i i gi gi á á tr tr ị ị nh nh ỏ ỏ hơn hơn gi gi ữ ữ a a c c á á c c h h ệ ệ s s ố ố chuy chuy ể ể n n kh kh ố ố i i h h G G v v à à t t ố ố c c đ đ ộ ộ ph ph ả ả n n ứ ứ ng ng b b ề ề m m ặ ặ t t k k s s . . v v ớ ớ i i Q Q ’ ’ – – năng năng lư lư ợ ợ ng ng ho ho ạ ạ t t h h ó ó a a c c ủ ủ a a ph ph ả ả n n ứ ứ ng ng t t ạ ạ i i m m ặ ặ t t phân phân c c á á ch ch Si Si – – SiO SiO 2 2   Khi Khi chi chi ề ề u u d d à à y y l l ớ ớ p p SiO SiO 2 2 đ đ ủ ủ l l ớ ớ n n , , t t ố ố c c đ đ ộ ộ ô ô xy xy h h ó ó a a t t ỷ ỷ l l ệ ệ v v ớ ớ i i t t 1/2 1/2 , , v v à à đư đư ợ ợ c c quy quy ế ế t t đ đ ị ị nh nh ho ho à à n n to to à à n n b b ở ở i i cơ cơ ch ch ế ế khu khu ế ế ch ch t t á á n n ch ch ấ ấ t t ô ô xy xy h h ó ó a a qua qua l l ớ ớ p p SiO SiO 2 2 thông thông qua qua h h ệ ệ s s ố ố khu khu ế ế ch ch t t á á n n D. D. v v ớ ớ i i Q Q – – năng năng lư lư ợ ợ ng ng ho ho ạ ạ t t h h ó ó a a khu khu ế ế ch ch t t á á n n . B . B gi gi ả ả m m d d ầ ầ n n khi khi N N 1 1 tăng tăng lên lên . . Ô Ô xy xy h h ó ó a a ở ở á á p p su su ấ ấ t t cao cao   Khi Khi á á p p su su ấ ấ t t riêng riêng ph ph ầ ầ n n P P G G c c ủ ủ a a ch ch ấ ấ t t ô ô xy xy h h ó ó a a tăng tăng lên lên , , gi gi á á tr tr ị ị c c ủ ủ a a C C A A c c ũ ũ ng ng tăng tăng , , d d ẫ ẫ n n đ đ ế ế n n t t ố ố c c đ đ ộ ộ ô ô xy xy h h ó ó a a tăng tăng lên lên . Ta . Ta c c ó ó th th ể ể ti ti ế ế n n h h à à nh nh ô ô xy xy h h ó ó a a ở ở á á p p su su ấ ấ t t cao cao v v ớ ớ i i nhi nhi ệ ệ t t đ đ ộ ộ T T th th ấ ấ p p hơn hơn đ đ ể ể c c ù ù ng ng đ đ ạ ạ t t chi chi ề ề u u d d à à y y l l ớ ớ p p SiO SiO 2 2 – – ý ý ngh ngh ĩ ĩ a a công công ngh ngh ệ ệ đ đ á á ng ng k k ể ể . .   Suy Suy lu lu ậ ậ n n tương tương t t ự ự cho cho h h ệ ệ s s ố ố B B . khí LớpSiO 2 đượctạora Đế Si Khuếch tán khí Khuếch tán rắn Hình thành SiO 2 Động học quá trình ô xy hóa nhiệtSi 4 4 1/ 1/2007 1/ 1/2007 Đ Đ ạ ạ i h i h ọ ọ c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N ộ ộ i i Ô. chiềudàySi khitạoSiO 2 bằng ô xy hóa nhiệt Bề mặt ban đầu ox Si Siox N N XX ×= Mật độ SiO 2 Mật độ Si Cứ 1 µm Si bị ô xy hóa tạo nên 2 ,17 µm SiO 2 Luồng chấtô xyhóa Khô: O 2 Ẩm: H 2 O hoặcO 2 +. >> A/2) (t >> A/2) , , X X ox ox tăng tăng t t ỷ ỷ l l ệ ệ v v ớ ớ i i t t 1/ 2 1/ 2 . . 7 7 1/ 1/2007 1/ 1/2007 Đ Đ ạ ạ i h i h ọ ọ c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N ộ ộ i i Ô Ô xy xy h h ó ó a a nhi nhi ệ ệ t t ( ( ti ti ế ế p p ) ) V V ớ ớ i i gi gi ả ả thi thi ế ế t t không không c c ó ó l l ớ ớ p p ô