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直接氮化法制備氮化硅薄膜的方法有哪些
文章來源:中國粉體網     更新時間:2022-04-07 14:46:33
氮化硅(Si3N4)薄膜是一種應用廣泛的介質材料。作為非晶絕緣物質,氮化硅膜的介質特性優于二氧化硅膜,具有對可動離子阻擋能力強、結構致密、針孔密度小、化學穩定性好、介電常數高等優點,在集成電路制造領域被廣泛用作表面鈍化保護膜、絕緣層、雜質擴散掩膜、刻蝕掩膜以及半導體元件的表面封裝等。

 

此外,氮化硅薄膜具備良好的光電性質、鈍化性能和抗水汽滲透能力。在硅基太陽能電池中,氮化硅薄膜可用作減反射膜,同時起到表面鈍化和體內鈍化的作用,從而提高太陽能電池的轉換效率。

 

因此,氮化硅薄膜的制備工藝及其組成、結構和性質的研究越來越受到人們的重視。目前有直接氮化法,物理氣相沉積,化學氣相沉積等幾種制備氮化硅薄膜的方法。

 

直接氮化法

 

直接氮化法是最簡單的制備氮化硅薄膜的方法,即把硅放在氮化氣氛中,并加熱到一定的溫度,使得硅和氮化氣氛反應,在硅表面生成一層氮化硅膜。常用的氮化氣體為NH3、NO、N2等。

 

利用直接氮化法制備氮化硅的最大特點為:表面一旦形成氮化硅膜以后,就把氮和硅隔離開來,使得反應速度降低,因此用直接氮化制備氮化硅薄膜,一般膜厚在10nm以下。

 

用該方法制備的優點是氮化硅膜較其他制備方法致密和穩定,化學計量性好,氫含量少,但高溫會造成基板中雜質重新分布,產生堆垛層錯,從而降低設備性能。

 

物理氣相沉積法(PVD)

 

1、真空蒸發鍍膜

 

把待鍍膜的基片或工件置于高真空室內,通過加熱使蒸發材料氣化(或升華)而沉積到某一溫度的基片或工件的表面上,從而形成一層薄膜,這一工藝過程稱為真空蒸發鍍膜。在高真空環境中成膜,可防止膜的污染和氧化,便于得到潔凈、致密、符合預定要求的薄膜。此方法的局限性是:難熔金屬蒸氣壓低,很難制成。

 

2、磁控反應濺射法

 

濺射這一物理現象早在1852年就已被Grove所發現,即指荷能粒子轟擊固體表面,使固體原子(或其分子)從其表面射出的現象。但是直到20世紀20年代,濺射才被Langmuir發展成為一種薄膜沉積技術。通常的濺射方法濺射效率不高,濺射所需的工作氣壓較高,氣體分子對薄膜產生污染的可能性較高。

 

為了改善這兩個缺點,可以加一個平行于陰極表面的磁場,就可以將初始電子的運動限制在鄰近陰極的區域,從而增加氣體原子的離化效率,提高濺射速率,這種濺射方法就是磁控濺射。

 

磁控反應濺射的特點是:應用磁控濺射技術,可以濺射一切具有一定耐熱能力的金屬和半導體材料;使用簡便、操作易控性,鍍膜過程中通過精確控制氣壓、功率和時間等濺射條件,就能獲得比較穩定的沉積速率,即可沉積所需厚度的薄膜;易于組織大批量生產。

 

化學氣相沉積法(CVD)

 

化學氣相沉積方法把含有構成薄膜元素的氣體供給襯底,利用加熱、等離子體及紫外光等能源,發生化學反應沉積薄膜。常用的CVD法有以下幾種:

 

1、常壓化學氣相沉積法(APVCD)

 

常壓化學氣相沉積就是在常壓環境下,反應氣體受熱后被N2或Ar等惰性氣體輸運到加熱的高溫基片上,經化合反應或熱分解生成固態薄膜。

 

由于反應是在常壓下進行的,在生成薄膜材料的同時各種副產物也將同時生產;常壓下分子的擴散速率小,不能及時排出副產物,這既限制了沉積速率,又加大了膜層污染的可能性,導致薄膜的質量下降?,F已逐漸被后來的低壓化學氣相沉積和等離子體增強化學氣相沉積所取代。

 

2、低壓化學氣相沉積(LPCVD)

 

人們在APCVD的基礎上研制出了LPCVD。LPCVD克服了APCVD沉積速率小、膜層污染嚴重等缺點,因而所制備氮化硅薄膜的均勻性好,缺陷少,質量高。并可同時在大批量的基板上沉積薄膜,易于實現自動化,效率高,現已成為半導體工業中制備氮化硅薄膜的主要方法。

 

LPCVD以熱量來活化反應氣體,為保證反應進行完全,反應的溫度都較高,一般在700℃以上。在這樣的溫度下制得的薄膜的化學計量性好,膜層致密,因此薄膜的性能也較好。但另一方面,高溫對基板的要求很高,襯底容易變形,其中的缺陷會生長和蔓延,從而影響界面性能。
 

3、等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)

 

等離子體增強化學氣相沉積是一種通過射頻使一定組成的氣態物質部分發生電離形成等離子體,促進化學反應,沉積成薄膜材料的一種技術。由于該技術是通過高頻電磁感應與氣體分子的共價鍵產生耦合共振,使其電離,顯著降低反應所需溫度,增加反應速率,提高成膜質量。

 

該方法具有設備簡單,襯底與薄膜結合性好,成膜的均勻性和重復性好等特點。同時,較低的沉積溫度有利于實現更小的畸變、更佳的共形沉積和更快的沉積速率。PECVD制備的氮化硅薄膜具有強度高、硬度高、介電常數大、折射率可調、透射率高、光衰減系數小和化學穩定性好等特點。

 

參考來源:

[1]劉文龍.氮化硅薄膜的制備技術綜述

[2]李攀等.PECVD 氮化硅薄膜性質及工藝研究

 
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