利用等离子体增强化学气相沉积技术在硅基底上沉积了氢化非晶硅(α2Si∶H) 薄膜,通过纳米压入仪、电子薄膜应力分布仪、傅里叶变换红外光谱仪等表征技术,研究了沉积时的工艺参数(射频功率、沉积温度、工作压强) 对薄膜内应力的影响,对薄膜的本征应力、热应力进行分析,并探讨了射频功率对薄膜红外吸收光谱的影响。研究结果表明,提高射频功率能够使薄膜从张应力转变为压应力,且压应力随射频功率的增大而增大;提高工作压强能够使薄膜从压应力转变为张应力;应力随沉积温度的升高而增大;薄膜中氢含量、SiH 组态、SiH2 组态含量随射频功率的增大而增大。通过优化工艺,得到了沉积具有较小张应力薄膜的工艺参数(射频功率30 W,沉积温度250 ℃,气体流量80 cm3/ min(标准状态) ,工作压强67 Pa) ,并将其成功应用于非晶硅薄膜自支撑悬空结构。

　　氢化非晶硅( Hydrogenated Amorphous Silicon ,α-Si∶H) 薄膜由于具有良好的光电性能,被广泛应用于制造太阳能电池及制造液晶显示器中的薄膜晶体管(α-Si∶H TFT) 。同时,α-Si∶H薄膜在各种微机电系统(MEMS) 中得到应用,如作为红外敏感材料制造红外焦平面探测器 ,作为压敏电阻制造压力传感器,也可作为微加工工艺中的掩膜层或牺牲层。

　　α-Si∶H 薄膜作为MEMS 中的一种基本结构材料, 其自身应力直接影响着器件的性能、稳定性和可靠性。薄膜内应力是薄膜生长和制造过程中,在薄膜内部产生的应力。薄膜的内应力包括热应力和本征应力两部分。内应力在力的外部效应来看分为压应力和张应力,常用薄膜应力测试方法有悬臂梁法、“环-梁”测试结构法、光学测曲率法、X 射线衍射法与激光拉曼法。

　　薄膜内应力与其沉积方法密切相关,一般而言,蒸发得到的薄膜多显现张应力,而溅射得到的薄膜多显现压应力 。对于辉光放电法沉积α-Si∶H 薄膜,薄膜的内应力与反应气体种类、稀释气体的种类及浓度、电源的频率、基底类型以及工艺参数有关。

　　进一步地研究表明α-Si∶H 薄膜内应力与其微观结构,氢的含量及硅氢组态有关。得到的α2Si∶H 薄膜大多表现为压应力 。然而,在MEMS 应用中要求α-Si∶H 薄膜本身具有较小的张应力且膜内有小的应力梯度。应力消除的常用方法是将沉积的薄膜进行高温退火工艺,但在MEMS 技术中高温工艺经常会受到限制。因此,控制薄膜沉积工艺参数,使沉积的薄膜本身具有较小的张应力, 成为MEMS制造工艺中的一个关键的问题。

　　在众多的沉积方法中,商业化程度最高的是等离子体增强化学气相沉积( PECVD) 法, 用于沉积α-Si∶H薄膜的常用基底有晶体硅、玻璃、不锈钢、聚酰亚胺。

　　本文采用PECVD 法在晶体硅片上沉积α-Si∶H薄膜,研究薄膜沉积工艺参数(射频功率、沉积温度、工作压强) 与α2Si∶H 薄膜内应力的关系,对薄膜的本征应力、热应力进行分析,并探讨射频功率对薄膜红外吸收光谱的影响,最终通过优化工艺参数,得到了具有较小张应力的α-Si∶H 薄膜,并将其成功应用于非晶硅薄膜自支撑悬空结构。

1、实验方法

　　α-Si∶H 薄膜是在PD-220N 型(日本SAMCO 公司) PECVD 设备沉积而成,它是一个典型的平行板式等离子沉积台,源气体为硅烷( 由90 %氩气稀释) ,射频源的频率为13.56 MHz。基底有单面抛光的2 英寸硅片(100) ,厚度0.385 mm ,用于应力测量;双面抛光的硅片(100) ,厚度0.385 mm , 尺寸20mm×10mm ,用于傅里叶变换红外光谱(FTIR) 测量。沉积前基底经标准清洗工艺清洗后烘干。沉积的α-Si∶H薄膜厚度主要有两类:0.2～0.5μm 及2μm ,前者用于应力及FTIR 测量,后者用于弹性模量及硬度的测量。具体实验工艺参数如表1 所列。

表1 　实验工艺参数

3、结论

　　利用PECVD 技术在硅基底上沉积了α-Si∶H 薄膜,研究了射频功率、沉积温度、工作压强、对薄膜内应力的影响。利用FITR 仪分析了薄膜的SiH 组态,研究结果表明,提高射频功率能够使薄膜从张应力转变为压应力,压应力随射频功率的增大而增大,提高工作压强能够使薄膜从压应力转变为张应力。应力随沉积温度的升高而增大。薄膜中H ,SiH 组态与SiH2 组态含量随射频功率的增大而增大。通过调节射频功率大小是改变薄膜应力的较为方便的方法。通过优化工艺,得到了沉积具有较小张应力薄膜的工艺参数(射频功率30 W,沉积温度250 ℃,气体流量80 cm3/ min ,工作压强67 Pa ,沉积时间190 s ,得到的膜厚为197 nm) 并将其成功应用于非晶硅薄膜自支撑悬空结构。