Film mince de silicium polycristallin丨influence sur les causes du gauchissement des plaquettes de silicium
Dans de nombreux cas, les contraintes peuvent entraîner des résultats indésirables. Le problème majeur de l'utilisation de la LPCVD pour déposer des films de silicium polycristallin destinés à l'absorption des débris est que les contraintes à l'intérieur du film peuvent provoquer un gauchissement important de la plaquette de silicium.
Raisons du gauchissement des plaquettes
Effet de la température de dépôt sur le gauchissement de la plaquette
Le gauchissement des plaquettes avec dépôt de film mince est beaucoup plus important que celui des plaquettes sans dépôt de film mince après polissage, et le gauchissement des plaquettes diminue à mesure que la température du dépôt de film mince augmente.
Tout d'abord, comme le film de polysilicium est déposé sur deux faces, après le polissage, le film à une seule face est enlevé, en raison du rôle de la contrainte interne du film, le degré de sa courbure en flèche ne peut qu'augmenter.
Deuxièmement, selon l'analyse de la théorie des contraintes, la contrainte résiduelle d'un film de polysilicium est étroitement liée à sa microstructure, qui dépend fortement des conditions de dépôt. À basse température, la vitesse de dépôt est lente, sous l'action de la très faible énergie cinétique des atomes de silicium, qui les amène à nucléer à la limite des grains fins plus petits, la faible liaison entre le film et le substrat produit de petites contraintes de traction, et les lacunes, les défauts, etc. sont également une source de contrainte. Lorsque la température de dépôt augmente, l'énergie cinétique s'accroît, ce qui entraîne la formation d'îlots et d'agglomérations pour former des noyaux plus gros, provoquant une réduction du volume et une augmentation de la contrainte, ce qui conduit à une contrainte de compression. En augmentant encore la température, l'énergie de surface et la croissance des grains, la diffusion des atomes entre les limites intergranulaires et l'augmentation de la contrainte de compression. Lorsqu'il est déposé entre 580 et 610°C, le film peut passer d'une contrainte de traction à une contrainte de compression à l'intérieur du film. Lorsque la température continue d'augmenter, les grains se développent en colonnes, les atomes s'étendent dans la direction verticale de la croissance et la contrainte de compression diminue progressivement. La direction de flexion des échantillons étant la même, on peut constater que, dans une certaine plage de température, les contraintes internes du film se manifestent sous forme de contraintes de compression et qu'avec l'augmentation de la température, les contraintes de compression diminuent.
En outre, comme il n'y a pas de contrainte supplémentaire imposée par d'autres films pendant le dépôt de polysilicium, la contrainte totale du film peut être simplifiée comme la somme des contraintes internes et thermiques, dont la température est le principal facteur affectant les contraintes thermiques, et une augmentation de la température de dépôt se traduira par une augmentation des contraintes internes du film.
On peut constater que les films de silicium polycristallin déposés à des températures élevées obtiennent des valeurs de gauchissement des plaquettes relativement faibles, ce qui prouve que la contrainte totale des films est principalement affectée par les contraintes internes, qui dépendent fortement des changements de température. Par conséquent, à condition que la qualité de la surface réponde aux exigences, le gauchissement des plaquettes de silicium peut être amélioré en augmentant de manière appropriée la température de dépôt.
Effet de l'épaisseur du film sur le gauchissement de la plaquette
L'évolution du gauchissement en fonction de l'épaisseur du film peut être en grande partie liée à l'évolution des contraintes internes lors de la croissance du film. Le film est initialement soumis à des contraintes de compression, qui se transforment ensuite progressivement en contraintes de traction et reviennent finalement à des contraintes de compression. Ce comportement est étroitement lié au processus de croissance pendant la phase de dépôt du film. Dans un premier temps, le film se développe sous forme d'amas discrets ou d'îlots à la surface du substrat, et ces îlots présentent généralement des contraintes de compression dues aux contraintes superficielles ou interfaciales qui réduisent l'écart de réseau entre les grains individuels relativement très petits. Dans un deuxième temps, les îlots se développent au point de commencer à entrer en contact les uns avec les autres, ce qui entraîne la formation de joints de grains et, par conséquent, l'augmentation des contraintes de traction dans le film. L'agrégation d'îlots est un mécanisme de fracture élastique inverse, la limite intergranulaire est considérée comme une fissure, et le système peut réduire son énergie libre en s'approchant de cette fissure en remplaçant l'énergie de surface élevée par une énergie interfaciale plus faible. En s'approchant de la fissure ou du joint de grain, le matériau du film est soumis à une contrainte de traction. Au cours de la troisième étape, lorsque l'épaisseur du film augmente, les atomes de surface sont transférés vers les limites intergranulaires, formant un film continu, et la contrainte du film commence à diminuer, passant progressivement d'une contrainte de traction à une contrainte de compression, qui augmente avec l'épaisseur. En outre, comme les conditions de réaction sont identiques à l'exception des différentes épaisseurs de dépôt, on sait que les contraintes thermiques des films sont les mêmes. Par conséquent, la variation totale de la contrainte est déterminée par la contrainte interne du film.
Le gauchissement des plaquettes de substrat a tendance à diminuer avec l'augmentation de l'épaisseur du film. Cela correspond bien à la troisième étape de l'évolution de la contrainte interne du film au cours du processus de croissance. Par conséquent, le gauchissement des plaquettes de substrat diminuera encore avec l'augmentation de l'épaisseur du film dans certaines conditions.
Effet du processus de recuit sur le gauchissement des plaquettes polycristallines scellées à l'arrière
Effet de la température de recuit sur le gauchissement des plaquettes polycristallines scellées par l'arrière
Après le dépôt double face de films de silicium multi-produits sur la surface de plaquettes mordancées à l'acide à l'aide de la méthode LPCVD, le gauchissement des plaquettes avant et après le recuit est resté pratiquement inchangé. Après le polissage unilatéral, le gauchissement de la plaquette de substrat a augmenté de manière significative. Cependant, avec l'augmentation de la température de recuit, le gauchissement tend à diminuer, et autour de 1000℃ est le point critique du changement drastique du gauchissement, et le recuit à plus de 1000℃ peut atteindre le contrôle efficace du gauchissement.
Pendant la croissance du film, les basses températures du processus entraînent une réduction de la diffusion de surface, ce qui empêche les atomes de silicium absorbés d'être intégrés dans l'équilibre d'énergie le plus bas. C'est pourquoi les films tels qu'ils sont déposés présentent de nombreux défauts ponctuels, des lacunes, des dislocations, des limites intergranulaires, des contraintes accumulées, etc. À mesure que la température de recuit augmente, les lacunes deviennent mobiles et se transforment en dislocations, qui sont également activées et se déplacent vers la surface libre par reptation et glissement, libérant ainsi les contraintes. Au fur et à mesure que la densité des défauts diminue, l'ensemble du film devient dense. La croissance des grains et la renucléation qui l'accompagne, sous l'effet de l'énergie de surface, se poursuivent pendant le recuit. Au fur et à mesure de la croissance des grains, les grains de plus petite taille sont consommés par les grains voisins de plus grande taille, ce qui augmente progressivement leur rapport de surface corporelle. Par conséquent, à mesure que la température de recuit augmente, le relâchement des contraintes à l'intérieur du film s'accroît et le gauchissement de la plaquette diminue.
Effet du temps de recuit sur le gauchissement des plaquettes polycristallines scellées par l'arrière
À une température de recuit de 900°C, le gauchissement des plaquettes diminue avec le temps de recuit, mais l'ampleur du changement diminue également. Aux températures de recuit de 1000°C et 1100°C, le gauchissement des plaquettes varie très peu avec le temps de recuit. Cependant, dans les mêmes conditions, le gauchissement à 1000℃ est légèrement plus important que celui à 1100℃, et la différence entre les deux est plus importante à 900℃. Lorsque la température de recuit est basse, le mouvement atomique est relativement lent, la libération de la contrainte est plus retardée, l'augmentation appropriée du temps de recuit peut faire bouger l'atome sur une plus longue distance pour atteindre le point de libération de la contrainte, peut améliorer légèrement le gauchissement. La température de recuit est très favorable à l'amélioration du gauchissement. Lorsque la température de recuit augmente, la diffusion de surface devient intense et les contraintes résiduelles sont éliminées. Pour les films de silicium multi-produits, un recuit supérieur à 1000℃ pendant 60 minutes permet de libérer les contraintes et d'obtenir un meilleur gauchissement.
En raison des différents processus de préparation du film, du processus de traitement thermique et des exigences en matière d'épaisseur du film, qui entraînent différents états de contrainte dans le film, les paramètres géométriques du film déposé après le polissage du substrat ont également des dimensions différentes. Par conséquent, les conditions du processus de préparation du film et du processus de traitement thermique peuvent être correctement sélectionnées pour contrôler la contrainte résiduelle du film, et en même temps, selon les différentes exigences d'épaisseur du film, le changement de gauchissement après le polissage du substrat peut être grossièrement déduit, et la capacité de traitement du produit peut être évaluée de manière appropriée. Les conclusions spécifiques sont les suivantes.
1) Dans les mêmes conditions, le gauchissement de la plaquette de silicium diminue progressivement à mesure que la température de dépôt du film augmente. À des températures de dépôt plus élevées, la valeur du gauchissement de la plaquette de substrat est relativement faible.
2. le gauchissement de la plaquette de substrat tend à se réduire avec l'augmentation de l'épaisseur du film. Cela correspond bien à la troisième étape de l'évolution de la contrainte interne du film au cours du processus de croissance. Par conséquent, nous pouvons en déduire que le gauchissement de la plaquette de substrat continuera à diminuer avec l'augmentation de l'épaisseur du film.
3, avec l'augmentation de la température de recuit, le gauchissement de la plaquette de substrat tend à diminuer. 1000 ℃ environ est le point critique des changements drastiques du gauchissement, un recuit supérieur à 1000 ℃ pendant 60 minutes peut être réalisé sur le gauchissement d'un contrôle efficace.
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