Película delgada de silicio policristalino丨razones que afectan al alabeo de las obleas de silicio
En muchos casos, la tensión puede introducir muchos resultados no deseados. El problema más destacado del uso de LPCVD para depositar películas finas de silicio policristalino para la absorción de residuos es que las tensiones dentro de la película pueden provocar un alto grado de alabeo en la oblea.
Razones que afectan al alabeo de las obleas
Efecto de la temperatura de deposición en el alabeo de las obleas
El alabeo de las obleas con película delgada depositada es mucho mayor que el de las obleas sin película delgada depositada después del pulido, y el alabeo de las obleas se reduce a medida que aumenta la temperatura de deposición de la película delgada.
En primer lugar, debido a que la película de polisilicio es de deposición de doble cara, después de pulir la película de una sola cara se retira, debido al papel de la tensión interna de la película, el grado de su curvatura ascendente está destinado a aumentar.
En segundo lugar, según el análisis de la teoría de la tensión, la tensión residual de la película de polisilicio tiene una gran relación con su microestructura, que depende en gran medida de las condiciones de deposición. A baja temperatura, la velocidad de deposición es lenta, debido a la acción de la muy pequeña energía cinética de los átomos de silicio, que hará que se nucleen en el límite de los granos finos más pequeños, la débil unión entre la película y el sustrato produce pequeñas tensiones de tracción, y las vacantes, defectos, etc., también serán una fuente de tensión. A medida que aumenta la temperatura de deposición, aumenta la energía cinética, lo que provoca la formación de islas y aglomeraciones para formar núcleos más grandes, lo que causa una reducción del volumen y un aumento de la tensión, dando lugar a tensiones de compresión. Al aumentar aún más la temperatura, la energía superficial y el crecimiento del grano, la difusión de átomos entre los límites intergranulares y el aumento de la tensión de compresión. Cuando se deposita entre 580 y 610°C, la película puede pasar de tensiones de tracción a tensiones de compresión dentro de la película. Cuando la temperatura sigue aumentando, los granos crecen en columnas, los átomos extienden la dirección vertical de crecimiento y la tensión de compresión disminuye gradualmente. Dado que la dirección de flexión de las muestras es la misma, se observa que, dentro de un determinado intervalo de temperaturas, las internas de la película se manifiestan como tensiones de compresión y, con el aumento de la temperatura, la tensión de compresión disminuye.
Además, como no hay tensiones adicionales impuestas por otras películas durante la deposición del polisilicio, la tensión total de la película puede simplificarse como la suma de las tensiones internas y térmicas, de las cuales la temperatura es el principal factor que afecta a las tensiones térmicas, y un aumento de la temperatura de deposición provocará un aumento de las tensiones internas de la película.
Se puede observar que las películas de silicio policristalino depositadas a altas temperaturas obtienen valores de alabeo de las obleas relativamente pequeños, lo que demuestra que la tensión total de las películas se ve afectada principalmente por las tensiones internas, que dependen en gran medida de los cambios de temperatura. Por lo tanto, a condición de que la calidad de la superficie cumpla los requisitos, el alabeo de las obleas de silicio puede mejorarse aumentando adecuadamente la temperatura de deposición.
Efecto del grosor de la película en el alabeo de la oblea
Gran parte del cambio resultante en el alabeo con el grosor de la película puede estar relacionado con la evolución de las tensiones internas en el crecimiento de la película. Inicialmente, la película está sometida a tensiones de compresión, que luego cambian gradualmente a tensiones de tracción y, finalmente, de nuevo a tensiones de compresión. Este comportamiento está estrechamente relacionado con el proceso de crecimiento durante la fase de deposición de la película. En la fase inicial, la película crece en forma de grupos discretos o islotes en la superficie del sustrato, y estos islotes suelen presentar tensiones de compresión debidas a tensiones superficiales o interfaciales que reducen la separación reticular entre los granos individuales relativamente muy pequeños. En la segunda etapa, los islotes crecen de forma que empiezan a entrar en contacto entre sí, lo que conduce a la formación de límites de grano y, por tanto, provoca que las tensiones de tracción en la película empiecen a aumentar. La agregación de islas como mecanismo de fractura elástica inversa, el límite intergranular se considera una grieta, y el sistema puede reducir su energía libre acercándose a esta grieta sustituyendo la alta energía superficial por una energía interfacial menor. Al acercarse a la grieta o al límite de grano, el material de la película se somete a un esfuerzo de tracción. En la tercera etapa, a medida que aumenta el espesor de la película, los átomos superficiales se transfieren a los límites intergranulares, formando una película continua, y la tensión de la película comienza a disminuir, pasando gradualmente de tensión de tracción a tensión de compresión, que aumenta con el espesor. Además, dado que las condiciones de reacción son idénticas excepto por los diferentes espesores de deposición, se sabe que las tensiones térmicas de las películas son las mismas. Por lo tanto, el cambio de tensión total viene determinado por la tensión interna de la película.
Existe una tendencia a que el alabeo de las obleas de sustrato sea menor a medida que aumenta el grosor de la película. Esto concuerda con la tercera etapa de la evolución de las tensiones internas de la película durante el proceso de crecimiento. Por lo tanto, el alabeo de las obleas de sustrato seguirá disminuyendo con el aumento del grosor de la película en determinadas condiciones.
Efecto del proceso de recocido en el alabeo de obleas policristalinas selladas por el dorso
Efecto de la temperatura de recocido en el alabeo de obleas policristalinas con sellado posterior
Tras la deposición a doble cara de películas de silicio multiproducto sobre la superficie de obleas grabadas al ácido mediante el método LPCVD, el alabeo de las obleas antes y después del recocido se mantuvo básicamente inalterado. Tras el pulido unilateral, el alabeo de la oblea de sustrato aumentó significativamente. Sin embargo, con el aumento de la temperatura de recocido, el alabeo tiende a disminuir, y alrededor de 1000℃ es el punto crítico del cambio drástico del alabeo, y el recocido a más de 1000℃ puede lograr el control efectivo del alabeo.
Durante el crecimiento de la película, las bajas temperaturas del proceso provocan una reducción de la difusión superficial, lo que hace imposible que los átomos de silicio absorbidos se incrusten en el equilibrio de energía más bajo. Por esta razón, las películas en estado de depósito presentan muchos defectos puntuales, vacantes, dislocaciones, límites intergranulares, tensiones acumuladas, etc. A medida que aumenta la temperatura de recocido, las vacantes se vuelven móviles y derivan hacia las dislocaciones, que también se activan y se desplazan hacia la superficie libre por fluencia y deslizamiento, liberando las tensiones. A medida que disminuye la densidad de defectos, toda la película se vuelve densa. El crecimiento del grano y la renucleación que lo acompaña, impulsados por la energía superficial, continúan durante el recocido. A medida que los granos crecen, los granos de menor tamaño son consumidos por los granos vecinos de mayor tamaño, aumentando gradualmente su relación de superficie corporal. Por consiguiente, a medida que aumenta la temperatura de recocido, aumenta el alivio de la tensión dentro de la película y disminuye el alabeo de la oblea.
Efecto del tiempo de recocido en el alabeo de obleas policristalinas selladas por detrás
A una temperatura de recocido de 900°C, el alabeo de las obleas disminuye con el tiempo de recocido, pero la cantidad de cambio también disminuye. A temperaturas de recocido de 1000°C y 1100°C, el alabeo de las obleas cambia muy poco con el tiempo de recocido. Sin embargo, en las mismas condiciones, el alabeo a 1000℃ es ligeramente mayor que a 1100℃, y la diferencia entre ambos es mayor a 900℃. Cuando la temperatura de recocido es baja, el movimiento atómico es relativamente lento, la liberación de la tensión es más retardada, el aumento apropiado del tiempo de recocido puede hacer que el átomo se mueva una distancia mayor para alcanzar el punto de liberación de la tensión, puede hacer que el alabeo mejore ligeramente. La temperatura de recocido es muy favorable para la mejora del alabeo. A medida que aumenta la temperatura de recocido, la difusión superficial se hace intensa y se eliminan las tensiones residuales. Para la película de silicio multiproducto, el recocido por encima de 1000℃ durante 60min puede básicamente liberar la tensión y obtener un mejor alabeo.
Debido a los diferentes procesos de preparación de la película, el proceso de tratamiento térmico y los requisitos de espesor de la película, que dan lugar a diferentes estados de tensión dentro de la película, los parámetros geométricos de la película depositada después del pulido del sustrato también tienen diferentes tamaños. Por lo tanto, las condiciones del proceso de preparación de la película y del proceso de tratamiento térmico pueden seleccionarse adecuadamente para lograr el control de la tensión residual de la película, y al mismo tiempo, de acuerdo con los diferentes requisitos de espesor de la película, el cambio de alabeo después del pulido del sustrato puede deducirse aproximadamente, y la capacidad de procesamiento del producto puede evaluarse adecuadamente. Las conclusiones específicas son las siguientes.
1. En las mismas condiciones, el alabeo de la oblea de silicio se reduce gradualmente a medida que aumenta la temperatura de deposición de la película. A temperaturas de deposición más elevadas, el valor del alabeo de la oblea de sustrato es relativamente pequeño.
2. El alabeo de la oblea de sustrato tiende a reducirse con el aumento del espesor de la película. Esto concuerda con la tercera etapa de la evolución de la tensión interna de la película durante el proceso de crecimiento. Por lo tanto, podemos deducir que el alabeo de la oblea de sustrato seguirá disminuyendo con el aumento del espesor de la película.
3, con los aumentos de temperatura de recocido, el alabeo de la oblea de sustrato tiende a disminuir. 1000 ℃ más o menos es el punto crítico de cambios drásticos de alabeo, superior a 1000 ℃ recocido durante 60min se puede lograr en el alabeo de control efectivo.
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