多晶硅薄膜丨影响硅片翘曲度的原因

2024-04-19

在很多情况下，应力可以引入很多不期望的结果。利用LPCVD沉积多晶硅薄膜进行吸杂的突出问题就是薄膜内部的应力会引起硅片很大程度上的翘曲。

影响硅片翘曲度的原因

沉积温度对硅片翘曲度的影响

沉积薄膜的硅片比未沉积薄膜的硅片抛光后的翘曲度大很多，且随薄膜沉积温度的升高，硅片的翘曲度变小。

首先，因多晶硅薄膜为双面沉积，抛光后单面薄膜被去除，由于薄膜内部应力的作用，其翔曲度必然增大。

其次，根据应力理论分析，多晶硅薄膜的残余应力与其微观结构有很大关系，而微观结构对沉积条件有很强的依赖性。低温时，沉积速率较慢，由于硅原子很小的动能作用，将使其在较小的细晶粒边界形核，薄膜和衬底之间弱的结合力产生小的张应力，空位、缺陷等也将成为应力源。随着沉积温度的增加，动能增加，促使岛的形成和团聚，形成更大的晶核，引起容积的缩小和应力的增加，导致压应力。温度进一步增加，表面能和晶粒长大，原子在晶粒间界之间扩散，压应力增加。在580~610℃之间沉积时，薄膜内部可由张应力转变为压应力。当温度继续升高，晶粒长成柱状，原子延竖直方向生长，压应力逐渐减小。因样片弯曲的方向一致，可知，在一定的温度范围内，薄膜内部均表现为压应力且随温度升高，压应力不断减小。

另外，因多晶硅沉积时没有其他薄膜施加的额外应力，薄膜总的应力可简化为内应力和热应力的总和，其中温度是影响热应力的主要因素，沉积温度增加，薄膜的内应力将随之增加。

可知，高温时沉积的多晶硅薄膜，获得的硅片翘曲值相对较小，证明薄膜的总应力主要受内应力的影响，其内应力的变化强烈依赖温度的变化。因此，在表面质量满足要求的情况下，适当的提高沉积温度可以改善硅片的翘曲度。

薄膜厚度对硅片翘曲度的影响

翘曲度随膜厚变化的结果，很大程度上可能与薄膜生长中内应力的演变有关。薄膜初始会有压应力产生,然后逐渐转变为张应力，最后又转变回压应力。这种行为与薄膜沉积阶段的生长过程息息相关。在初始阶段,薄膜在衬底表面生长成为分立的团簇或小岛，由于表面或界面应力的作用，使相对非常小的独立晶粒之间的晶格间隙变小，这些小岛通常表现为压应力。在第二阶段，岛的长大使得岛与岛之间开始接触，导致晶粒边界的形成，因此使薄膜的张应力开始增加。岛的聚集为一种反向弹性断裂机制，晶粒间界被认为是一个裂痕，系统可以通过接近这个裂痕，由较低的界面能取代高的表面能，来降低它的自由能。通过接近裂痕或晶粒边界，薄膜材料受到张应力。在第三阶段，随着薄膜厚度的增加,表面原子转移至晶粒间界处,形成连续薄膜,薄膜应力开始减小,逐渐由张应力转变成压应力，随厚度增大，压应力也增大。另外，由于除沉积厚度不同外，其他反应条件完全相同，可知薄膜的热应力相同。因此，总的应力变化由薄膜的内应力决定。

随膜厚增加，衬底硅片的翘曲度有变小的趋势。这与生长过程中薄膜内应力演变的第三阶段符合的很好。因此，在一定条件下随薄膜厚度的进一步增加，衬底硅片的翘曲度仍将减小。

退火工艺对多晶背封硅片翘曲度的影响

退火温度对多晶背封硅片翘曲度的影响

利用LPCVD法在酸腐蚀片表面双面沉积多品硅薄膜后，硅片退火前后翘曲度基本不发生变化。而进行单面抛光后，衬底硅片翘曲度明显增大。但随退火温度的增加,其翘曲度呈减小的趋势。1000℃左右是翘曲度剧烈变化的临界点，高于1000℃退火可以实现对翘曲度的有效控制。

在薄膜生长过程中，低的工艺温度导致表面扩散减少，使得被吸收的硅原子不可能嵌入能量最低的平衡点。由于这个原因，沉积态的薄膜有许多的点缺陷、空位、位错、晶粒间界、积聚的应力等。随着退火温度的升高,空位变得可动，漂移进位错内，位错也被激活并移动，通过蠕变和滑移到达自由表面，将应力释放。随着缺陷密度的减少，整个薄膜变得致密。退火时，由表面能驱动的晶粒生长和伴随着的重新形核仍在继续。随着晶粒的长大，小尺寸的晶粒被邻近的更大尺寸的晶粒所消耗，逐渐使他们的体表面积比变大。因此，随退火的温度升高，薄膜内的应力释放随之加大，硅片的翘曲度则随之减小。

退火时间对多晶背封硅片翘曲度的影响

退火温度为900℃时，硅片的翘曲度随退火时间的延长而减小但是变化量也随之减少。退火温度为1000℃和1100℃时，硅片的翘曲度随退火时间的延长变化量很小。但是相同条件下，1000℃较1100℃时的翘曲度稍大，900℃时则和两者相差更大。当退火温度较低时，原子运动相对缓慢，应力释放较迟缓，适当增加退火时间可以使原子移动较远的距离，到达应力释放点，可以使翘曲度略微得到改善。退火的温度对改善翘曲度非常有利。随退火的温度升高,表面扩散变得剧烈，残余应力得到消除。对于多品硅薄膜，1000℃以上退火60min基本就可以使应力得到释放，获得较好的翘曲度。

由于薄膜制备工艺、热处理过程和膜厚要求的不同，造成薄膜内部不同的应力状态，沉积薄膜的衬底抛光后几何参数也具有不同的大小。因此，可以恰当选择制备薄膜的工艺条件、热处理过程实现对薄膜残余应力的控制，同时根据膜厚要求的不同，大致推算出衬底抛光后翘曲度的变化情况，对产品的加工能力进行适当的评估。具体结论如下:

1、在相同的条件下，随薄膜沉积的温度升高，硅片的翘曲度逐渐变小。沉积温度较高时，衬底硅片翘曲值相对较小。

2、随膜厚增加，衬底硅片的翘曲度有变小的趋势。这与生长过程中薄膜内应力演变的第三阶段符合的很好。因此，我们可以推断，随薄膜厚度的进一步增加，衬底硅片的翘曲度仍将减小。

3、随退火的温度升高，衬底硅片的翘曲度呈减小的趋势。1000℃左右是翘曲度剧烈变化的临界点，高于1000℃退火60min可实现对翘曲度的有效控制。

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