lämpöoksidaatio

Lämpöoksidaatio on lämpötilan avulla nopeutettu kemiallinen reaktio, jossa materiaali reagoi hapen kanssa ja muodostaa oksidikerroksen pinnalleen. Prosessi esiintyy sekä metalleilla että puolijohteilla ja sitä hyödynnetään sekä korroosionkeston parantamisessa että erilaisten pintakerrosten luomisessa.

Tärkeimmät mekanismit ovat oksidikerroksen kasvaminen materiaalin pinnalle ja sen sisälle. Kasvu on usein diffuusiopohjaista ja sen nopeus voidaan kuvailla parabolisella tavalla: kerroksen paksuus kasvaa ajan myötä nopeammin alussa ja hidastuu myöhemmin. Lämpötilan, ilmanpaineen ja hapen osapaineen lisäksi myös pinnan alusta sekä kerroksen koostumus vaikuttavat lopulliseen paksuuteen ja rakenteeseen. Eri materiaaleilla muodostuvat oksidit voivat olla esimerkiksi tiheitä ja suojaavia tai hauraita ja hilseileviä.

Materiaaleina lämpöoksidaatio on yleistä sekä metallien kuin piin kaltaisten puolijohteiden pinnalla. Esimerkkejä ovat rautaa koskevat rautaoksidit (Fe2O3, Fe3O4) ja alumiinia muodostava alumiinioksidi (Al2O3). Piin kohdalla lämpöoksidaatio tuottaa piidioksidia (SiO2), jota käytetään eristeenä ja gate-oksidina mikroelektroniikassa.

Sovelluksia ovat muun muassa korroosionkeston parantaminen, passivointi sekä puolijohde- ja optoelektroniikkayritysten vaatimat pitkäaikaiset oksidikerrokset. Prosessissa voidaan käyttää kuivaa oksidaatiota (tämänhetkinen ilmakehä tai O2) tai märkää oksidaatiota (H2O-vesi) erilaisissa kuumennussteriloissa, mikä vaikuttaa oksidin tiheyteen ja kasvunopeuteen. Lämpöoksidaatio vaatii huolellista kontrollia, sillä kerroksen paksuus, koostumus ja lämpötilavaihtelut vaikuttavat sekä ominaisuuksiin että kerroksen kiinnittymiseen pinnoitteeseen.