低应力PECVD氮化硅薄膜的制备
PECVD氮化硅薄膜性质及工艺研究
PECVD氮化硅薄膜性质及工艺研究氮化硅薄膜（PECVD）是一种在室温下生长的非晶硅薄膜，具有多种优良性质，如硬度高、抗腐蚀性好、导电性能低等。
这些性质使得氮化硅薄膜在微电子、光学器件、生物传感器等领域中有广泛应用。
本文将对PECVD氮化硅薄膜的性质及工艺进行研究。
首先，PECVD氮化硅薄膜具有良好的机械性能。
该薄膜的硬度可达到10GPa，相对于其他常见的薄膜材料，如二氧化硅、氮化硅具有更高的硬度。
这使其在微机械系统中有较好的应用前景，如传感器和微机械器件中的表面保护层。
其次，PECVD氮化硅薄膜具有出色的耐腐蚀性。
与其他材料相比，这种薄膜展现出更好的抗化学腐蚀性能。
这种耐腐蚀性使得氮化硅薄膜在微电子行业中的设备制造过程中有广泛的应用，如平板显示器、太阳能电池等。
此外，PECVD氮化硅薄膜是一种特殊的绝缘材料，具有较低的导电性能。
这种特点使其成为一种理想的衬底材料，可用于制备电容器、晶体管等微电子器件。
它还可用于光学薄膜的辅助材料，如光学反射镜片等。
针对PECVD氮化硅薄膜的制备工艺，一般采用射频等离子体化学气相沉积（RFPECVD）技术。
该方法通过在气相中加入硅源、氨气和稀释剂，利用射频电场激活气体原子和离子，在衬底表面沉积出氮化硅薄膜。
制备过程中，关键的参数包括沉积温度、沉积气压、沉积物与气体流量比等。
沉积温度一般在250℃-400℃之间，气压一般在1-20Torr之间。
较高的沉积温度可提高薄膜质量，但也容易产生杂质。
而较高的气压可以提高沉积速率，但也有可能导致薄膜内部应力增大。
此外，对PECVD氮化硅薄膜进行表征，一般采用横截面和表面形貌的扫描电子显微镜（SEM）、厚度的椭圆仪、成分的能量散射光谱（EDS）等技术。
这些表征方法可以从多个角度对氮化硅薄膜的性质进行评估。
总结起来，PECVD氮化硅薄膜具有优异的硬度、耐腐蚀性和绝缘性能等优良性质，广泛应用于微电子、光学器件等领域。
沉积工艺中的温度、气压和气体流量比等参数对薄膜质量具有重要影响，需要合理选择和控制。
PECVD制备氮化硅薄膜的研究_赵崇友
成分影响不显著 ， 所以对折射率的影响相对较小 。
表 １ 腔体气压与折射率 （ 的关系 ｎ） ／℃ θ ３ ０ ０ ３ ０ ０ ３ ０ ０ ３ ０ ０ ３ ０ ０ ／Ｗ ＰＲＦ ３ ０ ３ ０ ３ ０ ３ ０ ３ ０ ／ ｖ ． ＮＨ ｑ ３ ３ －１ （ · ） ｃ ｍ ｍ ｉ ｎ ４ ４ ４ ４ ４ ／ ｖ ． Ｎ ｑ ２ ／ ／ ｔ ｍ ｉ ｎ Ｐ ａ ｐ ３ －１ （ · ） ｃ ｍ ｍ ｉ ｎ ７ ０ ０ ７ ０ ０ ７ ０ ０ ７ ０ ０ ７ ０ ０ １ ５ １ ５ １ ５ １ ５ １ ５ １ ０ ０
３ 在本试验中 ＮＨ３ 流量约为 ４ｃ 率随之发生变化 ， ｍ －１ ·ｍ 时效果较好 。 而 其 他 工 艺 参 数 对 于 薄 膜 的 ｉ ｎ
备的 氮 化 硅 薄 膜 ，用 Ｐ Ｅ Ｃ Ｖ Ｄ 法只需２ ５ ０～３ ０ ０℃ 就能制备 ，而沉积反应中的副产物则被解吸出来并 随主气流由真空泵抽出反应腔体 。 这是目前唯一能 在低温条件下 制 备 氮 化 硅 的 Ｃ Ｖ Ｄ 工 艺。 由 以 下 ３ 种反应能制备出氮化硅薄膜 ： ３ Ｓ ｉ Ｈ４ ＋４ ＮＨ３ → Ｓ ｉ ２ Ｈ２ ３Ｎ ４ ＋１ ３ Ｓ ｉ ＨＣ ｌ ＮＨ３ → Ｓ ｉ ２ ＨＣ ｌ ４ ＋４ ３Ｎ ４ ＋１ （ ） １ （ ） ２
（ ） 中国电子科技集团公司第四十八研究所 ，长沙 ４ １ ０ ０ ８ ３
摘 要： 探讨了沉积参数对氮化硅薄膜折射率的影响和 Ｅ Ｃ Ｖ Ｄ 法制备了氮化硅薄膜 ， 采用 Ｐ 衬底温度对氮化硅薄膜形貌和成分的影响规律 。 结果表明 ， 不同的 ＮＨ３ 流量可改变反应腔体内的 氮硅比 ， 对氮化硅的折射率 ， 即减反射性能影响较大 ； 衬底温度 是 影 响 氮 化 硅 薄 膜 形 貌 和 成 分 的 主 在衬底温度达到 ４ 形成了白色团状或岛状的氮化硅膜 。 要因素 ； ０ ０℃ 时 ， 关键词 ： Ｅ Ｃ Ｖ Ｄ；氮化硅薄膜 ；减反射性能 Ｐ （ ） 中图分类号 ： ＴＮ ３ ０ ５． ９ ２ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ １－５ ８ ６ ８ ２ ０ １ １ ０ ２－０ ２ ３ ３－０ ３
PECVD氮化硅薄膜性质及工艺研究
PECVD氮化硅薄膜性质及工艺研究
PECVD氮化硅薄膜是一种广泛应用于微电子学和光电子学中的材料。
本文介绍了PECVD 氮化硅薄膜的性质及其制备工艺。
PECVD氮化硅薄膜具有较高的介电常数、较低的电子漂移率和较好的热稳定性。
它的介电常数通常在3.0左右，适用于微电子学和光电子学中的绝缘层材料。
同时，PECVD氮化硅薄膜具有较好的化学稳定性和生化舒适性，可以用于生物医学器械的涂层。
PECVD氮化硅薄膜的制备工艺通常要求氨气（NH3）和二甲基硅烷（SiH2）作为反应气体。
制备过程中，反应室内的气体被加热至400 ~ 500°C，氨气和二甲基硅烷分别以高纯度的气体形式经过送入反应室，经过一系列的化学反应而形成氮化硅薄膜。
其制备工艺主要有以下几个步骤：
1.清洗基片：将待涂层的基片用乙醇清洗干净，去除其表面的油污和杂质。
2.沉积：将基片放入PECVD反应室中，将室温加热至400 ~ 500°C，并送入氨气和二甲基硅烷等反应气体。
氨气和二甲基硅烷在反应室中发生化学反应，生成氮化硅薄膜。
3.退火：在氮化硅薄膜沉积后，需要进行一定的退火处理，以提高薄膜的结晶度和热稳定性。
退火温度通常在700 ~ 800°C，时间在1 ~ 2小时。
4.检验：对已经制备好的氮化硅膜进行检验，例如测量其膜厚、介电常数和表面形貌等参数，以保证其质量和稳定性。
综上所述，PECVD氮化硅薄膜是一种重要的微电子学和光电子学材料，具有重要的应用价值。
其制备工艺较为简单，但需要精密的操作和严格的工艺条件，以保证其薄膜质量和稳定性。
PECVD薄膜制备流程
PECVD薄膜制备流程PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）是一种常用的薄膜制备技术，通过在气相状态下将化学气体物质在等离子体激发下分解并沉积在衬底表面上，从而形成一层薄膜。
PECVD薄膜制备流程包括前处理、沉积和后处理三个主要步骤。
下面将详细介绍PECVD薄膜制备的流程。
1. 前处理（Pre-treatment）：在进行PECVD薄膜制备之前，需要对衬底进行预处理，以去除表面上的杂质和氧化物层，并提高薄膜与衬底的附着力。
常见的前处理方法包括超声波清洗、化学溶液浸泡、等离子体清洗等。
超声波清洗可以利用超声波的机械振荡作用将杂质从衬底表面溶解和脱落，化学溶液浸泡则可以通过酸碱等化学溶液与杂质反应，达到去除杂质的目的。
等离子体清洗则是通过等离子体中电荷的加速作用在衬底表面生成高能粒子，以去除表面杂质。
2. 沉积（Deposition）：PECVD的主要工作是将化学气体在等离子体激发下分解为反应物，并将其沉积在衬底表面。
在PECVD薄膜制备中，常用的化学气体有二硅甲烷（SiH4）、三氯甲烷（CHCl3）、四氯化硅（SiCl4）等。
PECVD制备过程中需要稳定的等离子体，通常采用射频等离子体或微波等离子体等激发方式。
在等离子体激发下，化学气体分子会发生碎裂并产生自由基，然后自由基与衬底表面发生反应，形成薄膜。
不同的化学气体和反应条件可以得到不同性质的薄膜。
3. 后处理（Post-treatment）：PECVD薄膜制备完毕后，通常需要进行后处理来改善薄膜的性能和结构。
后处理一般包括退火、氧化、薄膜表面改性等。
退火是将沉积完成的薄膜在一定温度下进行热处理，以去除杂质和缺陷，并提高薄膜的晶体质量和附着力。
氧化是将薄膜暴露在氧气或氧化剂环境中，以改善薄膜的绝缘性能。
薄膜表面改性可以利用化学反应或物理方法对薄膜表面进行修饰，以改变薄膜的性质和功能。
总结起来，PECVD薄膜制备流程包括前处理、沉积和后处理三个主要步骤。
(完整word)PECVD制备氮化硅薄膜的研究进展
毕业设计（论文)（ 2013 届）题目 PECVD制备氮化硅薄膜的研究进展学号 1003020147姓名钟建斌所属系新能源科学与工程学院专业材料加工及技术应用班级 10材料（1）班指导教师胡耐根新余学院教务处制目录摘要 0Abstract .............................. 错误!未定义书签。
第一章氮化硅薄膜的性质与制备方法 (2)1.1 氮化硅薄膜的性质 (2)1。
2 与常用减反射膜的比较 (4)1。
3 氮化硅薄膜的制备方法 (5)第二章工艺参数对PECVD法制备氮化硅减反膜性能的影响研究82.1 温度对双层氮化硅减反膜性能的影响 (9)2.2 射频频率对双层氮化硅减反膜性能的影响 (9)2.3 射频功率对双层氮化硅性能的影响 (10)2。
4 腔室压力对氮化硅减反膜性能的影响 (11)2。
5 优化前后对太阳电池电性能对比分析 (12)第三章结论与展望 (13)参考文献 (15)致谢 (16)PECVD 制备氮化硅薄膜的研究进展摘要功率半导体器件芯片制造过程中实际上就是在衬底上多次反复进行的薄膜形成、光刻与掺杂等加工过程，其首要的任务是解决薄膜制备问题.随着功率半导体器件的不断发展,要求制备的薄膜品种不断增加,对薄膜的性能要求日益提高，新的制备方法随之不断涌现，并日趋成熟。
以功率半导体器件为例,早期的器件只需在硅衬底上生长热氧化硅与单层金属膜即可；随着半导体工艺技术的进步和发展，为了改进器件的稳定性与可靠性还需淀积 PSG 、Si 3N 4、半绝缘多晶硅等等钝化膜.氮化硅是一种性能优良的功能材料，它具有良好的介电特性（介电常数低、损耗低)、高绝缘性，而且高致密性的氮化硅对杂质离子，即使是很小体积的 Na +都有很好的阻挡能力。
因此, 氮化硅被作为一种高效的器件表面钝化层而广泛应用于半导体器件工艺中。
等离子增强型化学气相淀积（PECVD)是目前较为理想和重要的氮化硅薄膜制备方法。
PECVD氮化硅薄膜性质及工艺研究
PECVD氮化硅薄膜性质及工艺研究1. 引言1.1 背景介绍PECVD氮化硅薄膜是一种重要的薄膜材料，广泛应用于半导体领域、光电子器件和微电子器件中。
氮化硅薄膜具有优异的光学、电学和机械性能，具有很高的化学稳定性和耐热性，因此在微电子工业中具有广泛的应用前景。
随着半导体器件尺寸的不断缩小和功能的不断提高，对PECVD氮化硅薄膜的性能和工艺要求也越来越高。
传统的PECVD氮化硅薄膜制备工艺通常采用硅烷和氨气作为前驱物质，在高温和低压条件下沉积在衬底表面上。
由于氨气具有毒性和爆炸性，并且在制备过程中易产生氢气等副产物，对环境和人员健康造成威胁。
研究人员开始探索其他替代性氮源气体，如氮气等，以提高PECVD氮化硅薄膜的制备效率和质量，并减少对环境的影响。
本文旨在探究PECVD氮化硅薄膜的制备工艺、性质分析、影响因素、优化工艺以及未来应用展望，以期为相关领域的研究和应用提供参考和指导。
1.2 研究目的研究目的：本研究旨在深入探究PECVD氮化硅薄膜的性质及制备工艺，分析影响其性质的因素，为优化PECVD氮化硅薄膜的制备工艺提供理论依据。
通过对氮化硅薄膜在不同条件下的特性和性能进行研究，探讨其在光电子、微电子领域的潜在应用，为相关领域的科学研究和工程应用提供参考和指导。
通过本研究的开展，希望能够深化对PECVD氮化硅薄膜的认识，并为该材料的制备工艺和性能优化提供新思路和方法。
通过对未来应用展望的探讨，为相关领域的发展方向提供启示，促进氮化硅薄膜在光电子、微电子等领域的进一步研究和应用。
2. 正文2.1 PECVD氮化硅薄膜的制备工艺PECVD氮化硅薄膜的制备工艺是一项关键的研究内容，其制备过程必须严格控制以确保薄膜质量和性能。
通常，制备工艺包括以下几个步骤：首先是前处理步骤，包括基板清洗和表面处理。
基板清洗可以采用溶剂清洗、超声清洗等方法，以去除表面的杂质和污染物。
表面处理可以采用氧等离子体处理、氢气退火等方法，以改善基板表面的粗糙度和亲水性。
PECVD氮化硅薄膜性质及工艺研究
PECVD氮化硅薄膜性质及工艺研究一、引言氮化硅是一种重要的无机材料，具有优异的物理化学性质和广泛的应用前景。
在半导体、光电子器件、光学涂层、防反射膜等领域均有重要的应用价值。
PECVD（等离子体增强化学气相沉积）技术是制备氮化硅薄膜的重要方法之一，具有制备工艺简单、成本低廉、薄膜均匀性好等优点。
本文旨在通过对PECVD氮化硅薄膜的物理性质、化学成分、结构特征以及制备工艺等方面进行综合研究，探讨其在实际应用中的潜在价值和可能存在的问题，以期为相关领域的研究和应用提供理论依据和实际参考。
PECVD技术是一种常用的薄膜制备技术，其基本原理是通过等离子体激发和化学气相反应来实现对薄膜材料的沉积。
在PECVD氮化硅薄膜的制备过程中，通常采用硅源气体（如二甲基硅烷、三甲基硅烷等）和氨气作为氮源进行反应，通过等离子体激发和化学反应实现氮化硅薄膜的沉积。
在具体的制备工艺中，首先将衬底放置于PECVD反应室中，然后通入所需的硅源气体和氨气，同时加入适量的惰性气体进行稀释和控制，通过高频激发产生等离子体，并将气相中的活性物种引入反应室中，最终在衬底表面形成氮化硅薄膜。
三、PECVD氮化硅薄膜的物理性质1. 光学性质：氮化硅薄膜具有较宽的光学带隙和良好的光学透明性，因此在光学器件和光学涂层中有着广泛的应用前景。
通过光学光谱分析，可以得出氮化硅薄膜的折射率、透过率等光学参数，为其在光学领域的应用提供重要的参考数据。
2. 机械性能：氮化硅薄膜的硬度和抗磨损性能良好，具有优异的机械稳定性和耐腐蚀性能，能够在恶劣的环境条件下保持较好的稳定性和使用寿命。
3. 热稳定性：氮化硅薄膜具有较高的热稳定性和热传导性能，能够在较高温度下保持较好的物理化学性能，具有一定的热阻隔效果。
通过对PECVD氮化硅薄膜的化学成分分析，可以得知其主要由硅、氮两种元素组成，并且含有少量的氧、碳等杂质元素。
氮化硅薄膜中氮元素的含量对其性能和应用具有重要影响，因此需要对其含氮量进行精确的控制和分析。
PECVD氮化硅薄膜性质及工艺研究
PECVD氮化硅薄膜性质及工艺研究PECVD（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）氮化硅薄膜是一种常用的薄膜沉积技术，广泛应用于微电子行业中。
本文将对PECVD氮化硅薄膜的性质及工艺进行研究，并介绍其应用领域。
1. 化学性质：PECVD氮化硅薄膜的主要成分是硅和氮，其中硅的含量较高，常常超过50%。
氮化硅薄膜具有良好的化学稳定性，能够抵抗化学物质的侵蚀，具有较高的抗蚀性能。
2. 电学性质：PECVD氮化硅薄膜具有较高的绝缘性能，具有良好的电气绝缘性。
该薄膜的介电常数较低，一般在3-7之间，这使得氮化硅薄膜广泛应用于电子元件的绝缘层。
3. 机械性质：PECVD氮化硅薄膜具有较好的机械强度和硬度，可以在一定程度上提高基片的机械强度。
氮化硅薄膜还具有较高的抗剥离性，表面较为光滑。
4. 光学性质：PECVD氮化硅薄膜具有较高的光透过率，在可见光和近紫外光波段都具有较好的透过性。
氮化硅薄膜对紫外线的吸收较低，透明性较好，因此在光学元件中有广泛的应用。
PECVD氮化硅薄膜的制备工艺通常包括以下几个步骤：1. 基片处理：需要对基片进行清洗处理，以去除表面的杂质和有机物，使得基片表面干净、平整。
2. 薄膜沉积：在PECVD沉积装置中，以硅源气体（如SiH4）和氮源气体（如N2）为原料，通过高频电源激活气体产生等离子体。
然后将基片放置在等离子体上方，使得气体中的反应物与基片表面发生化学反应并沉积成薄膜。
3. 后处理：完成薄膜沉积后，对薄膜进行后处理，如退火、氧化等，以提高薄膜的化学性能和结构性能。
三、PECVD氮化硅薄膜的应用领域PECVD氮化硅薄膜由于其良好的绝缘和机械性能，以及较高的光透过性，因此在微电子行业中有广泛的应用，主要包括以下几个方面：1. 电子器件绝缘层：PECVD氮化硅薄膜可作为电子器件的绝缘层和封装层，用于提高器件的绝缘性能和机械强度。
在CMOS中，氮化硅薄膜可用作电阻层和高频电容器的绝缘层。
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摘要：研究了等离子增强化学气相淀积(PECVD)工艺中射频条件(功率和频率)对氮化硅薄膜应力的影响。
对于不同射频条件下薄膜的测试结果表明:低频(LF)时氮化硅薄膜处于压应力,高频(HF)时处于张应力,且相同功率时低频的沉积速率和应力分别为高频时的两倍左右;在此基础上采用不同高低频时间比的混频工艺实现了对氮化硅薄膜应力的调控,且在高低频时间比为5∶1时获得了应力仅为10MPa的极低应力氮化硅薄膜。
关键词:PECVD;射频;混频;氮化硅;应力氮化硅是一种常用的MEMS薄膜材料,它具有很优异的物理和化学性能。
凭借高的介电常数、可靠的耐热抗腐蚀性能和优异的机械性能,氮化硅常被用做微机电系统中的绝缘层、表面钝化层、最后保护层和结构功能层。
本征应力,是很多薄膜材料都存在的,即在室温和零外加负载的情况下仍存在的内部应力作用。
本征应力对MEMS器件很重要,因为它可能会引起变形,改变薄膜的光学和力学性能,例如在微桥面结构中,过大的张应力会使薄膜发生断裂,而过大的压应力则会使薄膜发生翘曲。
因此研究氮化硅薄膜的应力特性和低应力氮化硅技术是十分必要的。
在PECVD淀积氮化硅工艺中,薄膜应力主要来源于两个方面。
一是由于薄膜和衬底之间不同的热膨胀系数所导致的热应力,这种应力是由于在高温条件下淀积的薄膜当降低到室温时相对于衬底会产生一定的收缩或膨胀,表现出张应力或压应力;另外,淀积的薄膜的微结构也是产生应力的重要原因,这种应力的产生主要是由于薄膜和衬底接触层的错位,或者是因为薄膜内部的一些晶格失配等缺陷和薄膜固有的分子排列结构造成的。
对于很多微机械加工的常用材料,如氮化硅、多晶硅等,本征应力是不可避免的,不过在一些很精密的MEMS工艺中需要较低的薄膜应力,以保证较小的器件形变。
通常的方法是采用多层薄膜结构,并通过选择材料、控制厚度和应力方向(一层由于压应力而产生了形变的薄膜,理论上增加一层张应力的材料,可以使总的变形降低为零。
)来进行补偿以消除应力带来的结构变形。
在PECVD系统中,由于淀积温度较低(通常不超过300℃),并引用射频放电产生等离子体来维持CVD反应,因此射频条件(频率和功率)成为影响氮化硅薄膜应力的关键因素之一。
本文在不同的射频条件下淀积氮化硅薄膜样品,并测量了样品的应力;同时根据实验结果,研究了低应力氮化硅薄膜的淀积工艺,并成功实现了氮化硅薄膜应力在较大范围内可控制,这对于满足MEMS工艺中不同氮化硅薄膜应力要求有十分重要的意义。
1实验实验采用英国STS公司MescMutiplexPECVD设备。
设备包含高频13.56MHz 和低频380kHz两套独立的射频系统,并可以通过计算机对其功率进行精确控制;同时还可以实现不同时间比及周期的混频控制。
采用6寸P型<100>单晶硅片作为衬底。
PECVD淀积氮化硅薄膜采用硅烷(SiH4)和氨气(NH3)为反应气体,其化学反应式为SiH4+NH3→SiNx(固态)+H2(1)PECVD淀积的氮化硅薄膜化学比分波动较大,其硅-氮之比随反应气体比例的变化而变化,同时淀积的氮化硅薄膜中通常还含有一定量的氢元素,氢的存在会使薄膜的结构性能产生退化,但也会降低薄膜的应力。
本实验兼顾其淀积速率,折射率和均匀性,从射频频率和功率两个方面对氮化硅薄膜应力进行了分析;薄膜厚度和折射率的测量采用德国SENTECH公司SE850型椭偏仪。
测量了硅片直径方向上5点的厚度及折射率的数据,计算得出相应的均匀性参数(均匀性=(最大值-最小值)/2倍平均值)。
对薄膜应力的测试采用KLA-Tencor公司的FLX-2320应力仪。
该应力测试仪采用激光相移原理对硅片的曲率进行测量;根据淀积氮化硅薄膜前后硅片的曲率半径值结合Stoney公式(式2)计算出相应的应力值。
其中:E为衬底的杨氏模量;ν为衬底的泊松比;d f和d s分别为薄膜和衬底厚度,R0和R是淀积薄膜前后衬底的曲率半径。
需要注意的是在测量应力时得到的曲率半径是平均值,同样在计算应力时采用平均薄膜和衬底厚度,因此得到的应力也是整片样品的平均应力。
2结果及分析2.1不同条件氮化硅薄膜应力研究在气体流量,反应腔内压强,淀积温度等其他条件不变的情况下,改变频率模式(低频(380kHz),高频(13.56MHz)和高低频反应时间比为1∶1的混频条件)以及功率制备了氮化硅薄膜样品。
具体条件如下:SiH4 6sccm,N NH3 20sccm,N2 300sccm,气压600mTorr,温度300/250℃,时间17min;功率低频20W(1#)、40W(2#)和60W(3#);高频20W(4#)、40W(5#)、60W(6#);混频20W(7#)和60W(8#)。
椭偏仪和应力仪测试结果如下表。
2.1.1射频频率对薄膜应力的影响从表1中可以看出,低频氮化硅薄膜应力方向为压应力,在实验选取的功率范围内为1000MPa左右;高频氮化硅薄膜应力方向为张应力方向,在实验选取的功率范围内为500~600MPa;等时间比的混频氮化硅应力方向为压应力,应力值小于低频氮化硅的应力值。
同时可以看出,低频条件下氮化硅薄膜的淀积速率大(2倍多)于高频条件的淀积速率,而混频条件下的淀积速率则是介于二者之间。
这种现象可以用PECVD工艺中射频频率对反应气体的离化程度来解释。
在低频条件下,反应气体的离化程度较高,等离子体密度较大,在淀积反应过程中比较容易减少氢元素的掺入,使薄膜变得致密,因此会产生较大的压应力,而较高等离子体密度也会产生较快的淀积速率;而在高频条件下,反应气体的离化程度远低于低频条件时,因此等离子体密度较低,在淀积反应中引入较多的氢元素,这种含氢较高的比较疏松的结构所带来的就是薄膜的张应力。
混频氮化硅薄膜的性质介于二者之间,可以视为低频氮化硅和高频氮化硅二者的叠加,而从表1中看出高频氮化硅淀积速率远低于低频氮化硅淀积速率,在相同时间比的情况下,薄膜中将更多的含有低频淀积成分,而在同一功率条件下,低频氮化硅压应力的绝对值又大于高频氮化硅张应力的绝对值,所以在相同时间比条件下的混频氮化硅薄膜中,低频成分引入的压应力应占主要作用,使薄膜呈现出压应力性质。
2.1.2射频功率对薄膜应力的影响表1中的测量数据整理后如图1所示。
低频条件下氮化硅薄膜应力为压应力,高频条件下为张应力,其大小均随功率的增大而减小。
其中在气体流量,压强和温度等其他条件均相同时,低频压应力的绝对值明显大于高频张应力的绝对值,其比值约为2。
对于低频氮化硅,在功率较小时,等离子体密度有限,发生化学反应的原子有足够的时间有序的排列形成氮化硅薄膜,这种薄膜是十分致密的;随着功率的增大,等离子体密度随之增大,发生表面淀积反应的分子快速增加,原子将没有足够的时间进行排列,而是无序地淀积形成薄膜,因此薄膜致密性降低,压应力随之减小。
同样对于富氢的高频氮化硅薄膜,随功率增大的等离子体密度将导致分子无序化排列,而这种结构同样有利于释放薄膜内应力,从而使整体应力变小。
2.2低应力氮化硅薄膜的制备通过前面的实验可以看出,PECVD工艺淀积氮化硅薄膜的应力方向在高频和低频条件时分别呈现张应力和压应力,同时已经通过实验证实了混频条件(6#、7#样品)淀积氮化硅薄膜可以使相反方向的应力相互抵消,使应力的绝对值减小。
因此可以使用混频工艺减小氮化硅薄膜的应力,并对混频工艺的参数进行控制来实现对薄膜应力大小甚至方向的控制。
这种控制是通过对混频工艺中的低频和高频的时间比进行控制来实现的。
在之前的实验数据中可以看出,相同功率时,低频氮化硅的压应力绝对值基本是高频氮化硅张应力绝对值的2倍,而低频氮化硅的淀积速率又是高频氮化硅的2倍以上,若使压应力产生的形变和张应力产生的形变相抵消,需要有大小相同方向相反的作用力存在于薄膜内部。
通过式(2)和应力大小的定义可知,作用力的大小和本征应力和薄膜厚度有关,如下式给出:其中:σMF、σLF、σHF为相同功率下的混频、低频和高频氮化硅的应力,t LF和t HF为低频和高频氮化硅在工艺中的总淀积时间,v LF和v HF为同一功率时低频和高频氮化硅的淀积速率,d f为薄膜厚度。
采用300/250℃的温度条件下淀积氮化硅薄膜样品,低频和高频时间比分别选取4/5、3/5、2/5、1/5,且通过对淀积时间的调节,使所有的薄膜厚度都为500nm。
其他淀积条件如下:SiH4 6sccm,NH3 20sccm,N2 300sccm,气压600mTorr,温度300/250℃应力仪测试结果如图2。
从图2中我们可以看出,实验数据对前面的理论分析做出了很好的证明。
由于相同功率时,低频氮化硅的压应力绝对值是高频氮化硅张应力绝对值的2倍左右,低频氮化硅的淀积速率是高频氮化硅的2倍以上,当薄膜中的低频淀积成分逐渐减少时,薄膜的压应力也随之减小,当低频高频时间比达到1/5时,低频压应力和高频张应力基本抵消,薄膜应力减小到-10.5739Mpa,仅为最大应力(低频20W时)的1%。
因此,在这里我们可以预测,当混频淀积工艺中的低频时间进一步减少,将使淀积的氮化硅薄膜呈现出张应力,并随着高频时间的相对增加而增大,趋近于高频氮化硅的应力水平;而反之当低频时间增加时,将使氮化硅薄膜产生更大的压应力。
从而实现了对氮化硅薄膜应力大小和方向的控制。
不过对于混频工艺中低频和高频反应时间周期需要适当选取。
当周期过短,反应腔中将频繁的进行高低频的交换,由于高频和低频条件下的等离子体性质有较明显的差异,因此这种频繁的变换会使等离子体变得不稳定,从而影响薄膜的均匀性;当周期过长,由于高频氮化硅和低频氮化硅本身又在致密度,折射率等参数上有所不同,过长时间的单一频率淀积会影响氮化硅薄膜厚度方向上的均匀性。
在进行工艺调整时对于以上两方面因素要折中考虑。
3结论PECVD工艺淀积的氮化硅薄膜,其应力的方向和大小比较明显地受射频条件的影响。
本文研究了淀积工艺中的射频频率和功率对氮化硅薄膜应力方向和大小的影响并定性讨论了其影响机理;同时通过对实验数据的分析,找到了控制氮化硅薄膜应力的方法,即混频工艺,同时给出了估算不同高频低频时间比的混频氮化硅薄膜应力的公式。
不同高低频时间比的混频工艺实验结果与公式的预测符合得很好。
其中当高低频时间比为5/1时所制备氮化硅的应力仅为-10.5739Mpa。
本文的研究结果对于MEMS领域中的薄膜材料应力控制有实际意义。