多晶硅薄膜丨影响生长速率的各种因素
多晶硅薄膜是一种晶体硅薄膜，可以生长在不同材料的衬底上，它由不同晶向和不同大小的众多微小晶粒组成，其直径一般在几百微米至几十微米，并具有品体硅的基本性质。它的制备方式相对简单，成本也较低并可以进行大面积制备。在制备多晶硅薄膜的过程中，薄膜的内部结构、性质、表面质量对沉积温度、反应压力、硅烷流量等沉积参数非常敏感。这些参数的设定将对薄膜生长速率的快慢和内部结构的形成产生直接的影响。另外,薄膜制备过程中除这些参数外、工艺腔体的状态和工艺稳定前后的参数设定也会对薄膜的质量产生重要作用。
影响多晶硅薄膜生长速率的原因
薄膜的生长速度由气相传输速度及反应物在表面的反应速度快慢来决定。选择的沉积参数与薄膜的生长速率相关,沉积条件不同薄膜的生长速率亦不同。
沉积温度对多晶硅薄膜生长速率的影响
随沉积温度从610℃升至680℃，多晶硅薄膜的生长速率从74A/min 增加到 175 /min。在这个温度区间内，生长速率基本呈线性变化且对温度的变化非常的敏感。根据Grove动力学模型，LPCVD制备多晶硅薄膜的生长速率由硅烷分子在表面的反应速度快慢来决定，生长速率与温度的变化情况与该模型低温段的生长速率变化情况很吻合。因此，在沉积薄膜的过程中对温度的控制精度要求较高，要制备均匀性好的多品硅薄膜，硅片表面各处的温度必须保持恒定。
硅烷流量对多晶硅薄膜生长速率的影响
随SiH4流量从100sccm升至420sccm,薄膜的生长速率从 39 A/min增加到 106 /min，在SiH4流量较小的情况下，多品硅薄膜的生长速率随硅烷流量增加变化较快，基本呈线性增长的关系，当SiH4流量继续变大，薄膜的生长速率增量减小。
流体力学认为，因固体表面和流体之间有一定的摩擦力，当流体以一定的速度从固体表面流过时，离固体表面非常近的流体的流速为0，靠近固体表面的距离越小，流体所受到的摩擦力也越大，速度减小的也越多，离固体表面的距离增大其影响也相应减弱。这个靠近固体表面受流体速度影响的薄层叫做滞留层。气体的流动速度增大，其厚度会相应减少，反之则会增加。因此，硅的流量增大，固体表面的滞留层减薄，反应物分子到达表面的数量增多，从而加快了薄膜的生长，即在低流速的情况下，多晶硅薄膜的生长速率随硅烷流量增加基本呈线性增长的关系。当硅烷流量进一步增加，将继续减少滞留层对流体的影响，近似的可以认为反应物可以比较自由地到达衬底表面，生长速率不再随硅烷流量增大而发生变化。
为了制备出高质量的多晶硅薄膜，减少气相分解和副产物的产生，在实际的加工过程中，硅烷的流量不宜过大，当硅流量增加至接近400sccm时，沉积速率增长缓慢，若硅流量继续增加将促进反应气体的气相分解影响多晶硅薄膜的质量。
反应压力对多晶硅薄膜生长速率的影响
反应的压强和单位时间的气体流量为反比例关系，当反应的压强增大时，单位时间的气体流量会慢慢变小。这种变化会得到两种结果:一种是单位时间的气体流量减小会使反应的气体有更多的时间滞留在衬底表面上，促使衬底表面的气体分子能够反应完全，薄膜的生长速率变大。这种情况下，由表面反应速率机制控制薄膜的生长速率;另一种是单位时间的气体流量减小，一定量的反应物分子到达衬底表面的时间增长，使得薄膜的生长速率变小。这种情况下，由质量输运机制来控制薄膜的生长速率。因此，实际的生长速率大小是由以上两种控制机制之间相互竞争的结果决定的。因此，随反应压力增加，薄膜的生长速率增量不断变小的规律，可能为这两种控制机制相互之间趋于平衡的结果。
反应压力过高会使薄膜的均匀性变差，压力过低生长速率很慢，影响实际的加工产量。因此，在多品硅薄膜制备过程中选择合适的反应压力很重要。
我们提供 化学气相沉积（CVD）代加工定制化服务, 欢迎留言咨询。
相关产品
相关阅读
