Films minces de silicium polycristallin丨Effets de la contrainte sur les films minces

2024-04-22

Lorsqu'un film est fixé à un substrat, sa longueur change s'il est soumis à une certaine forme de contrainte. Les contraintes exercées sur les films peuvent généralement être divisées en contraintes de tension et en contraintes de compression. Lorsqu'une force est exercée pour allonger la longueur du film, celui-ci est soumis à une contrainte de traction ; dans les conditions d'équilibre des forces, le substrat est alors relativement soumis à une contrainte de compression, ce qui entraîne une courbure vers l'intérieur du substrat et du film, d'où la formation d'une surface concave ; inversement, lorsqu'une force est exercée pour raccourcir la longueur du film, celui-ci est soumis à une contrainte de compression, ce qui entraîne une courbure vers l'intérieur du substrat et du film, d'où la formation d'une surface convexe. En cas de contrainte excessive, il est facile de provoquer la rupture du film ou son détachement du substrat.

Qu'est-ce que la tension du film ?

La taille de la contrainte résiduelle du film et les matériaux du film, les matériaux du substrat, les méthodes de préparation sont liés au type de contrainte totale causée par le film est généralement divisée en deux catégories : la contrainte externe (contrainte externe) et la contrainte interne (contrainte intermal), la contrainte interne peut être divisée en contrainte thermique et en contrainte intrinsèque.

Le mécanisme de génération des contraintes du film est le suivant.

1. Contrainte thermique : au cours du processus de fabrication, le film et le substrat passent simultanément par un processus à haute température et, à la fin du processus, reviennent simultanément à la température ambiante ; il y a une différence de température entre ce processus et le film et le coefficient de dilatation thermique du substrat, ce qui entraîne une contrainte thermique. Lorsque le coefficient de dilatation thermique du substrat est supérieur à celui du film, une contrainte de traction est générée ; inversement, une contrainte de compression est générée.

2, contrainte intrinsèque : en raison des différences de propriétés des matériaux à l'interface entre le film et le substrat, ainsi que de la microstructure du processus de croissance du film lui-même, la contrainte interne est appelée contrainte intrinsèque. Cette contrainte est étroitement liée au processus de préparation du film et à la méthode de préparation, ainsi qu'au matériau du substrat, comme l'interface de contact entre le substrat et le film, la non-concordance du réseau ou le film dans la croissance de divers défauts internes dans le mouvement, etc. Il dépend fortement des conditions de dépôt, du recuit, de l'hétérogénéité, etc.

3, contrainte externe : la contrainte causée par des forces externes appliquées au film. Il est difficile d'éviter d'introduire des contraintes résiduelles lors de la préparation du film. Comme aucune charge externe n'est appliquée, la contrainte externe est nulle.

Modèles de croissance des couches minces

Il existe grosso modo trois modèles de croissance des films minces déposés sur un substrat : la structure laminaire, la longueur de la couche et la structure en îlots, et la structure en îlots. Ces trois modes de croissance se distinguent principalement par l'énergie libre de surface par unité de surface et la différence de réseau entre le substrat et le film.

1、Structure en couches : la différence de réseau entre le film et le matériau du substrat est faible, ou la constante de réseau entre eux est très proche, de sorte que les molécules réactives sont liées au substrat par la force de liaison est plus forte que l'autre force de liaison intermoléculaire est plus forte, de sorte que les cristaux seront un mode de structure laminaire planaire bidimensionnelle pour la croissance, et la somme de l'énergie libre entre le film et l'interface sera plus petite que l'énergie libre du substrat.

2) Structure en couches et en îlots : la différence de réseau entre le film et le matériau du substrat est légèrement supérieure à celle de la structure en couches. Au début de la croissance, le cristal se développe toujours dans un mode de structure planaire bidimensionnelle, appelé plan pour la surface de mouillage. Lorsque cette structure planaire dépasse l'épaisseur de l'interface, afin de libérer le stress accumulé par le substrat, elle se polymérise automatiquement pour former une structure en forme d'île, et la somme des énergies libres entre le film et l'interface n'est pas nécessairement plus grande ou plus petite que celle du substrat.

3, structure insulaire : la différence de réseau entre le film et le matériau du substrat est plus grande que les deux autres modes, de sorte que la croissance moléculaire est soumise à d'autres forces de liaison intermoléculaires que la force de liaison du substrat est beaucoup plus grande, le cristal passera directement au mode de structure insulaire tridimensionnelle pour croître afin de libérer la contrainte excessive, et le film et l'interface entre la somme de l'énergie libre sera plus grande que l'énergie libre du substrat.

À moins que des liaisons chimiques ne soient créées entre des molécules dissemblables, la plupart des molécules dissemblables seront moins attirées les unes par les autres que par leur propre type. La force de liaison entre les atomes déposés ou entre les molécules déposées étant plus grande que celle du substrat, la plupart des films produits sur la surface au début de la structure tridimensionnelle en îlots, entre les îlots se trouve toujours la surface du substrat, plus il y a de centres de nucléation sur la surface, plus la densité est élevée, et plus la surface est mince et plate, le dépôt continu de la hauteur et de la surface de l'îlot augmente, et l'îlot produit une fusion, et finalement l'ensemble du substrat est recouvert. Toutefois, ce mécanisme de croissance s'accompagne de contraintes internes résiduelles importantes, et la méthode LPCVD de préparation des couches minces de silicium polycristallin est de ce type.

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