為什么熱絲CVD（HoFCVD）可以實(shí)現(xiàn)低溫（室溫-200℃）SiNx、SiNxOy、SiOx薄膜的制備？

【概要描述】

分類：技術(shù)服務(wù)
作者：Haibin Huang
來源：
發(fā)布時(shí)間：2025-03-10
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詳情

在熱絲CVD（HoFCVD）制備薄膜的反應(yīng)過程中，其反應(yīng)大致可以分為3個(gè)階段：

1、氣體分子與熱絲表面的碰撞反應(yīng)：

HoFCVD鍍膜過程中，通過調(diào)節(jié)電流大小使熱絲維持在一個(gè)極高的溫度（2000K以上），當(dāng)反應(yīng)氣體分子碰撞到高溫?zé)峤z，高溫?zé)峤z能夠有效地裂解反應(yīng)源產(chǎn)生相應(yīng)的活性基團(tuán)——Si、NH₂、O、H，同時(shí)也會(huì)有Si_xN_yO_zHa、Si_xN_y、Si_xN_yO_z等之類的復(fù)合或混合活性基團(tuán)產(chǎn)生。它們的能量很高（從熱絲表面脫離時(shí)，僅比熱絲溫度低幾百K）。

圖1. (a) 熱絲溫度＜室溫; (b)室溫＜熱絲溫度＜1000℃; (c)熱絲溫度＞1000℃

圖1來源Matsumura etal. 2004

2、從熱絲表面到襯底之間氣相中的反應(yīng)：

HoFCVD不依賴分子間碰撞產(chǎn)生活性基團(tuán)，所以腔室內(nèi)工藝氣壓可以很低（~1Pa）。又平均自由程反比于氣壓，相較于其他工藝氣壓較高的CVD設(shè)備，HoFCVD中的活性基團(tuán)可以具有更大的平均自由程。因此通過調(diào)節(jié)熱絲與載板間距，可以使HoFCVD中活性基團(tuán)間幾乎不發(fā)生碰撞。活性基團(tuán)攜帶的能量在氣相傳輸過程中因氣體分子間碰撞造成損耗的概率和程度很低，得以攜帶更高的能量達(dá)到襯底表面。

3、在襯底表面的反應(yīng)：

活性基團(tuán)達(dá)到襯底表面后發(fā)生的一系列反應(yīng)，此過程的劇烈程度取決于反應(yīng)基團(tuán)本身攜帶的能量（溫度）和襯底溫度二者的疊加。因此如果反應(yīng)基團(tuán)本身攜帶的能量足夠高時(shí)，即使襯底表面溫度較低（25℃~200℃），也足以生成SiNx、SiNxOy、SiOx等物質(zhì)。

圖2. 不同氣源在HoFCVD設(shè)備中的反應(yīng)過程

圖3. SiH₃前驅(qū)體生長的Si薄膜生長模型。大圓表示Si原子，小圓表示H原子。

(a)Si原子在襯底表面上的運(yùn)動(dòng)，吸附和脫附達(dá)到平衡；(b)一些Si原子開始聚集，但一些Si原子仍然從表面脫附；

(c)聚集在襯底表面的Si原子數(shù)量超過臨界成核的數(shù)量，然后，由于形核的吸引力，脫附受到抑制；(d)si薄膜開始生長。

再進(jìn)一步，在襯底表面發(fā)生的反應(yīng)又可細(xì)分為三個(gè)特征過程（可類比為：氣-液-固三相反應(yīng)）：

1)、襯底的極表面發(fā)生的氣-固反應(yīng)。各種氣相基團(tuán)與襯底表面的原子直接反應(yīng)，發(fā)生沉積或者刻蝕。這個(gè)特征過程最為復(fù)雜，可發(fā)生的反應(yīng)和同時(shí)發(fā)生的反應(yīng)很多。這個(gè)過程中最經(jīng)典的為硅薄膜的沉積及其逆反應(yīng)硅薄膜被氫氣刻蝕。

2)、基團(tuán)在襯底表面的遷移和固相反應(yīng)。硅薄膜中微晶成分的生產(chǎn)、氮化硅、氧化硅相的生產(chǎn)，均與該過程有很大關(guān)系。

3)、基團(tuán)在形成固相薄膜后的應(yīng)力調(diào)整和少量的基團(tuán)的短程位置調(diào)整。生產(chǎn)薄膜中應(yīng)力的調(diào)整、折射率的微小變化等。

所以，襯底加熱對(duì)生成SiNx、SiNxOy、SiOx等薄膜的結(jié)晶性、細(xì)微結(jié)構(gòu)、應(yīng)力等性能指標(biāo)是可以產(chǎn)生明顯影響。但化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)和晶相結(jié)構(gòu)的生成，最主要還是由活性基團(tuán)本身的能量（HoFCVD中由熱絲提供）決定的。同時(shí)，由于較長的平均自由程，HoFCVD氣相中的副產(chǎn)物較少，有利于控制氣-固反應(yīng)。

綜上，我們可以看出，熱絲CVD中有兩個(gè)溫區(qū)，一個(gè)是高溫?zé)峤z，另一個(gè)是襯底。主要由高溫?zé)峤z給基團(tuán)提供能量使其具有活性，而襯底溫度僅起到輔助熱的作用。熱絲溫度決定了反應(yīng)基團(tuán)的溫度和生產(chǎn)的物質(zhì)的主要化學(xué)鍵，襯底溫度會(huì)促使薄膜結(jié)晶、應(yīng)力改變等。在化學(xué)工業(yè)出版的《熱絲化學(xué)氣相沉積技術(shù)》一書中，第4章和第5章中的研究結(jié)果充分證明了這一點(diǎn)。漢可公司在基于熱絲CVD技術(shù)的HoFCVD設(shè)備中也已成功在室溫~ 200℃范圍內(nèi)制備了折射率可以低到1.7的SiNx薄膜和折射率達(dá)到1.5的SiNxOy薄膜。

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