（凝聚态物理专业论文）压力传感器用氧化硅薄膜的制备和绝缘耐压性能研究.pdf

摘要 本文采用射频磁控溅射技术，以s i 0 2 和单晶s i 为靶材，在p 型 s i 和不锈钢基底上制备出一系列的s i q 薄膜样品。基于金相显微照 片、原子力显微图像、a l p h a - s t e p 台阶测厚仪和绝缘耐压测试等实验 结果，较系统地分析研究了s i q 溅射态薄膜与退火态薄膜的结构、 特性及其与制备工艺之间的关系。结果表明s i q 薄膜与基底之间具 有强的附着力，薄膜表面平整光滑，其最大的均方根粗糙度不大于 2 4 7 3n n l ，热处理还可以进一步减小薄膜的表面粗糙度，使薄膜更趋 平整。薄膜的绝缘耐压特性较强地依赖于基底表面的平整度，当采用 i c 行业用的s i 片作基底时，由于基底表面粗糙度较小，所制备的s i o 。 薄膜的电击穿强度高而且数值分布范围小而集中，而在实验室自制的 不锈钢基片上沉积的s i q 薄膜样品的电击穿强度数值较小且分布范 围更宽。当s i q 薄膜厚度达到1 5 “m 时，采用s i 0 2 和单晶s i 两种 靶材制备的s i q 薄膜其绝缘电阻都可达到l0 0 0m q ，热循环老化后 会使薄膜的性能更趋稳定，但其绝缘电阻会有所降低，最小值不小于 5 0 0m q 。采用优化的工艺条件，制备出了能满足高性能薄膜压力传 感器芯片要求的优质s i q 绝缘薄膜。 关键词射频磁控溅射技术，s i q 绝缘薄膜，沉积速率，组织结构， 电绝缘特性 a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o nw o r k e do u tas e r i e so fs i o xf i l ms a m p l e s 。u s i n gt h e m a t e r i a l so fs i 0 2a n ds it a r g e t ，w i t ht h er fm a g n e t r o ns p u t t e r i n g t e c h n o l o g y a c c o r d i n g t ot h e e x p e r i m e n t r e s u l t so fm e t a l l u r g i c a l m i c r o s c o p y , a f m , a l p h a - s t e pi qp r o f i l e r s ，b r e a k d o w nf i e l ds t r e n g t h t e s t e ra n di n s u l a t i n gr e s i s t a n c et e s t e r , t h ea u t h o ra n a l y z e ss y s t e m a t i c a l l y t h e r e l a t i o n s h i p o ft h es t r u c t u r e s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ep r e p a r i n g t e c h n o l o g i e so ft h ea s - d e p o s i t e df i l m sa n dt h o s ea f t e ra n n e a l i n g t h e e x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o wt h a tt h es i q t h i nf i l mh a sas t r o n ga d h e s i o n w i t ht h es u b s t r a t e a n dt h ef i l ms u r f a c ei ss m o o t h , i nw h i c ht h er o o tm e a n s q u a r er o u g h n e s si sl e s st h a n2 4 7 3a m a f t e ra n n e a l i n gt h er o o tm e a n s q u a r er o u g h n e s sb e c o m es m a l l e ra n dt h ef i l ms u r f a c eb e c o m es m o o t h e r t h ei n s u l a t i n gp r o p e r t i e so f t h ef i l ms t r o n g l yd e p e n do nt h es u r f a c eo f t h e s u b s t r a t e 珊l e nt h es is u b s t r a t e su s e di ni ci n d u s t r ya r ea d o p t e d t h e f i l m sp r e p a r e do ni th a v eah i 【g ha n dc o n c e n t r a t e db r e a k d o w nf i e l d s t r e n g t hb e c a u s eo ft h es m a l lr o u g h n e s so ft h es u b s t r a t e m l e nt h e s t a i n l e s ss u b s t m t e sm a d eb yo u r s e l v e sa r ea d o p t e d ，t h eb r e a k d o w nf i e l d s t r e n g t hi sl o wa n ds c a t t e r e d 啪l e nt h ef i l mt h i c k n e s sr e a c h e d1 5i n n t h ei n s u l a t i n gr e s i s t a n c eo ft h ef i l m sd e p o s i t e db yb o t ht a r g e t sb e y o n d 10 0 0m q a n da f t e rt h e r m a lc y c l et h ep r o p e r t i e so ft h ef i l mw i l lb em o r e s t a b l e a l t h o u g ht h ei n s u l a t i n gr e s i s t a n c ed e c r e a s e d ，i ts t i l ln ol e s st h a n 5 0 0m n t o pq u a l i t ys i o xi n s u l a t i n gt h i nf i l m sw h i c hm e e tt h en e e d so f p r e s s u r e s e n s o rc a l lb ep r e p a r e dw h e nt h eo p t i m i z e dt e c h n o l o g yi s a d o p t e d k e yw o r d s ：r fm a g n e t r o ns p u t t e r i n gt e c h n o l o g y , s i q t h i n f i l m ， d e p o s i t i o nr a t e ，o r g a n i z a t i o ns t r u c t u r e ，i n s u l a t i n gr e s i s t a n c e 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名： 醐泄旺月手日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：邋导师签名匡隆鱼期：型年月4 日 硕士学位论文 第一章前言 1 1 研究背景 第一章前言 最广义地来说，传感器是将被测得非电学物理量或化学量( 如温度、压力、 位移、速度、应变、气体、湿度等) ，转换成与之对应的、易于精确处理的电量 ( 如电流、电压等) 输出的一种测量装置。国际电工委员会( i e c ：i n t e r n a t i o n a l e l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i t t e e ) 的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它 将输入变量转换成可供测量的信号”。传感器是传感器系统的一个组成部分，它 是被测量信号输入的第一道关口，传感器系统的性能主要取决于传感器。由于传 感器用来采集客观世界的各种信息，因此在信息技术系统中是不可缺少的。如果 说计算机是人脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸。传感技术是一项现代 科技正在迅猛发展的前沿技术，其水平高低是衡量一个国家科技发展的重要标志 之一1 1 。 随着科学技术的高速发展，压力传感器在各个领域正在扮演着重要的角色。 在m e m s ( m i c r o - e l e c t r o n i cm e c h a n i s ms y s t e m s ) 系统、半导体微电子工业、航空 航天等领域中，需要大量的可以在线实时监控的微压力传感器，其要求体积小， 高精度，重量轻，低功耗，响应快，性能稳定，可靠性高，长寿命且易集成，而 薄膜传感器具备上述所有特点，因此传感技术薄膜化已成为传感器技术的发展趋 势，世界各国竟相投入大量的人力和物力进行开发，目前已成为传感器技术研究 的前沿方向。我国对传感器的研究尚处于比较落后的状态，尤其是高精度压力传 感器。虽说压力传感器的生产厂家已达l3 0 0 多家，但产品种类仅有30 0 0 余种， 大约为传感器种类总数的七分之一。由于众多厂家规模小、设备落后、国家投入 的资金不足且比较分散，因而与世界上大的传感器厂商无法抗衡。我国传感器行 业科研水平普遍落后于国外5 l o 年，而生产技术水平落后于国外1 0 2 0 年，与世 界上传感器更新换代的速度相比，落后几个周期，从而导致品种不全、产量过低、 稳定性差，仅满足国内需求的2 0 3 0 【”。目前国内航天、石油、化工、核工 业、船舶等行业使用的高精度、高稳定性的压力传感器长期依赖于进口。我国国 防、航空、航天、现代许多工业生产和自动控制，如运载火箭燃料室的实施压力 测量、发动机燃烧室压力监测、供油压力、导弹飞行的平衡控制以及石油工业的 井下压力测量等，都需要高精度、高稳定性、耐恶劣环境的压力传感器，因而开 发和研制高精度、能适应各种恶劣环境的薄膜电阻应变压力传感器，具有广泛的 应用前景和社会效益，溅射型合金薄膜压力传感器因此而受到广泛的关注。它的 硕士学付论文第一章前言 基本原理与传统的粘贴式传感器一样，即根据受力元件的形变，改变应变薄膜的 电阻。传感器的弹性体采用经过处理的金属圆形弹性体或石英、蓝宝石等无机材 料( 对于石英或蓝宝石等绝缘型衬底，可以直接在其上沉积纳米量级的薄膜功能 材料，而对于金属衬底材料，需要在其上制备绝缘隔离层，然后再沉积薄膜功能 材料) 。通过微细加工技术制备惠斯登电桥，然后在应变薄膜电阻上沉积一层s i 0 2 或a 1 2 0 3 等保护膜来保护应变电阻，使其与大气隔离，以免电阻条被氧化。当被 测压力作用于膜片上时，弹性体立即产生弹性形变，引起膜片的应变电阻值发生 变化，使电桥失去平衡，从而产生与被测压力成正比的电压信号，以实现对被测 压力的准确测量。薄膜式雅礼传感器是利用薄膜技术在弹性体上直接制作薄膜应 变电路的一体化敏感元件及薄膜压力敏感元件，一方面沿用了传统的弹性体粘贴 箔式应变计的电测机理，并继承了其原有的一些优点，另一方面采用现代薄膜工 艺技术，利用原子结合的方法使用陶瓷介质代替了粘贴胶层，克服了由胶层引起 的蠕变等一系列弊端，使其在场强稳定性、耐高温、高输出阻抗等性能指标得到 了极大的提高。 典型合金薄膜应变压力传感器的功能模块主要由以下几部分组成【3 】： 如图1 1 所示为典型的合金薄膜应变压力传感器芯片和芯片结构示意图。 电氲t 霉妒 量蓐t 蟪簟重 幂鼍弹基摊 图1 - 1 合金薄膜型压力传感器芯片结构示意图 f i g 1 1c h i ps t r u c t u r eo ft h i nf i l me l l o yr c s i s t a n c et y p ep r o s s u f es e n s o r 溅射薄膜压力敏感元件一般有两种形式，一种是直接在绝缘衬底上先制作金 属薄膜，再用光化学等方法生成应变图形和电极，从而制作成薄膜压力敏感元件； 2 硕士学位论文 第一章前言 另一种是在金属弹性体上先制作一层绝缘层，再在其上制作金属薄膜，然后通过 光刻、刻蚀等一系列的工艺形成应变图形和电极，一般制作好的敏感元件表面还 覆盖一层保护层。由于现代许多工业生产和自动控制，都需要大量高精度、高稳 定性和能够耐恶劣环境的压力传感器，因此大多数传感器都使用不锈钢的金属衬 底，因为不锈钢的金属衬底具有优良的机械性能，并且能耐恶劣环境，典型的如 1 7 - 4 p h 型的不锈钢。由于传感器的外部电路都已经是比较成熟的技术，因此， 传感器的关键技术在于高性能芯片的生产。制作金属薄膜压力传感器的关键技术 是在金属弹性体上制备附着牢、温度系数小、内应力小、致密、无针孔等缺陷的 高质量的绝缘膜，才能保证从低温、到高温下的几十次的温度循环和频繁拉伸、 压缩动态工作条件下的绝缘性能。因此如何提高金属衬底与敏感电阻的绝缘度以 及绝缘性能的长期稳定性，是传感器制造中的一个关键技术，这就涉及到绝缘薄 膜的选择和制各。 1 2 压力传感器用绝缘薄膜的研究现状及分析 常用的绝缘介质薄膜主要有s i 0 2 ，a 1 2 0 3 t a 2 0 5 和s i 3 n 4 等即】，他们的制备 方法以及各种性能随制备方法的关系都得到了广泛的研究。在半导体集成电路的 应用中，根据他们不同的性质应用在不同的方面：用作进行选择性扩散及选择性 氧化的隔离掩膜，如常用的s i 0 2 ，s i 3 n 4 膜等；用作m o s f e t 器件的栅极氧化绝 缘层，如s i 0 2 ，a 1 2 0 3 薄膜等；用作表面钝化层，如p s g ，s i 3 n 4 ，s l n x o y ，a 1 2 0 3 ， a i n 薄膜等；用作多层布线层间隔离绝缘膜、导电薄膜交叉过渡绝缘膜，如s i o ， s i 0 2 ，s i 3 n 4 等。表l - l 列出了几种常用的介质绝缘薄膜的电击穿场强和电阻率。 表1 - 1 几种常用的绝缘介质薄膜 t a b l e1 - 1s e v e r a ld i e l e c t r i ct h i nf i l m s 从表中我们可以看出，依不同的制备方法制备出的介质薄膜的性能会有很大 的差异。因此，要制备出质量优良的绝缘介质薄膜，必须根据需要，采取合适的 工艺条件。一般来说，对于用作绝缘隔离的介质薄膜有如下要求【8 1 ：在电学性能 3 硕七学位论文第一章前言 上，要求具有优良的介电性能，具有尽量高的耐压强度和电阻率；在微观结构上， 要求为无定形结构；在成分上，要求含杂质少；介质薄膜表面要求光滑、均匀、 致密且与衬底的附着性好、无针孔和裂缝、不易吸湿；在工作温度范围内，物理、 化学性能稳定，不易发生老化，组成和结构也不易发生显著的变化；机械性能稳 定，要求无内应力或内应力极小，特别是没有容易导致短路的张应力；沉积工艺 简单、生产重复性好，这样有利于批量生产。 t b r a v o 等人【9 】在不锈钢衬底上采用p e c v d 的方法制备了厚度为3 岬1 的 s i q 绝缘薄膜和采用溶胶一凝胶的方法制备了厚度为3 ) a n 的聚酰亚胺薄膜。并 对这两种薄膜的绝缘耐压性能进行了研究，前者在5 0v 和1 0 0v 的直流电压下 的绝缘电阻分别为6g q 和1 2g f 2 ；后者分别为7g q 和3g f 2 ，但是电击穿场 强都不高，分别只有2m v c m 和1 1m v c m 2 2m v c m 。根据分析，可能是制 备过程中带入的微观缺陷造成的。虽然聚酰亚胺具有较高的绝缘电阻，但是在传 感器的实际应用中的抗蠕变和迟滞方面没有s i q 薄膜好，并且制备s i q 薄膜的 重复性好、造价低廉。 为了进一步研究传感器绝缘层的制备与性能，a c a r c i aa l o n s o0 0 - 1 1 对 1 7 4 p h 型不锈钢衬底的预备和清洗及介质薄膜的制备进行了初步的研究。研究 表明，氯离子是导致绝缘失效的重要原因。氯离子主要由抛光液带入，虽然氯离 子可以在清洗的过程中清除，但是它们残留下的侵蚀坑仍然有导致绝缘失效的可 能性。作者在不同的衬底温度下沉积了s i 0 2 薄膜，表明沉积过程中衬底的温度 的升高有利于增加薄膜的附着力和抗歼裂能力。采用射频溅射法制备的2 4 岫 厚的s i 0 2 薄膜，在5 0v 的直流电压下，绝缘层的绝缘电阻可以达到2g q 。 除了对二氧化硅薄膜的研究之外，三氧化二铝薄膜的制备与应用也吸引了人 们的注意。j i b - f e nl e i 研究了超合金基底上灿2 0 3 薄膜的绝缘特性，分别采用离 子束溅射和电子束蒸发的方法制备6 - 8 p m 厚的a 1 2 0 3 绝缘层，采用离子束溅射所 用的时间为5 0 小时而采用电子束蒸发的时白j 只要2 0 分钟，结果表明离子束溅射 沉积的薄膜能较好的满足传感器绝缘度的需要，但是制作过程的缓慢使制作成本 大大增加。崔红玲【1 2 】采用a 1 2 0 3 薄膜作为超高压力传感器的绝缘封装薄膜，通过 电子束多次蒸发获得了a 1 2 0 3 的绝缘层，避免了有机绝缘层由于c h 键被破坏而 产生的高压旁路效应，能够满足锰铜传感器的绝缘封装要求。但是电阻率相对较 低，只有3 1 0 ”q 锄，与溅射沉积s i 0 2 0 3 1 膜1 0 x1 0 1 6q c m 相比电阻率显然要 小得多，这说明电子束蒸发不适合沉积高质量的绝缘隔离层。 c r e g n i e 4 】采用r m p e c v d 的方法，研究了金属衬底上s i 0 2 绝缘层的制 备和物理化学性质。这种方法通过改变沉积功率和沉积温度，制备了高电阻率的 s i 0 2 绝缘层，但是其所制备的绝缘层的电阻率受工艺的影响非常明显，随沉积温 4 硕七学位论文第一章前言 度的变化，电阻率会出现数量级的差别。并且，由于化学沉积过程中的- h 的污 染，薄膜的电击穿强度相对较低。因此，作为要求高质量重复性好的绝缘层的 制备，i n 但e c v d 显然不是一种理想的沉积方法。 为了制备出一种在高温下依然能够保持优良绝缘度的绝缘层薄膜，一些研究 者尝试采用双层、甚至三层绝缘膜组成复合绝缘层。由于不同的薄膜存在不同的 生长模式，这样将使得单层薄膜的缺陷被相互掩盖，从而获得相对优良的绝缘层。 j f l e i l l 4 1 研究了应用于发动机的热电偶，通过在超合金基底上，先用电子束蒸 发一层m c r a l y , 该层薄膜在11 0 0 的高温下可以形成一层稳定的a 1 2 0 3 绝缘层； 再在其上用电子束蒸发制备2 3i n n 厚的a 1 2 0 3 膜，以覆盖可能出现的针孔或裂 缝等缺陷。在低温下，薄膜的电阻率可以达到l o ”q c m 数量级，具备良好的绝 缘性能，但是在l1 0 0 的高温下，绝缘层的电阻率比较低，只有1 0 7 q c m 数量 级，因此不适合在高温下使用。为了研制出能够耐高温的绝缘隔离层，j d w r b a n e k t ”】也采用多层膜的模式来制备应用于发动机的压力传感器绝缘层。他 通过在不锈钢衬底上制备一系列的多层绝薄膜，发现l 岫c r c 4i t ma 1 2 0 3 和l , l l l ( z r 0 2 ，y 2 0 3 ) 4v a na 1 2 0 3 体现了优良的耐高温性能，可以经受l0 0 0 的高温 而不开裂或出现脱落等。作者认为主要是这两者具有与衬底相近的热膨胀系数， 从而使得热应力比较小。其他的多层绝缘膜由于与衬底热膨胀系数相差较大，均 在高温时出现裂缝，这样将导致衬底或电阻薄膜中的金属原子进入绝缘膜中，而 使绝缘层失效。 黄惠芬【1 6 1 对t a 2 0 5 介质膜和t a 2 0 5 一s i o 双层绝缘膜的绝缘特性进行了实验 研究，发现双层膜在相同的厚度条件下与单层膜相比，具有更好的绝缘性。但是 由于不锈钢衬底比较粗糙，电击穿强度还是比较低，其后续的研究【1 7 1 ( 厚度为 1 3g m ) 表明在1 5v 时泄漏的电流密度为0 2 3 x 1 0 2g a c m 2 ，绝缘电阻比较低。这 是因为作者没有对衬底进行很好的抛光，如果衬底粗糙度再小一些，作者预测绝 缘度还会更高。 显然，多层复合绝缘层在绝缘性能方面具有一定的优势，尤其是在高温领域 的优势明显。但是，多层复合绝缘层的制备工艺复杂，生产成本相对过高，并且 由于需要准备多种靶材，对真空室会存在一定程度的污染，因此，在应用方面也 受到限制。并且多层膜会存在多个界面，在稳定性方面没有单层膜好。 在薄膜的制备方面，常用的方法有p e c v d 、电子束蒸发法和溅射法等。电 子束蒸发法有速度快的优点，但是所沉积的薄膜的致密度较低，不能适应高要求 绝缘层制备的需要。离子束溅射法作为一种制备方法，虽然制备的薄膜比较致密， 但是其沉积速率非常低，比磁控溅射要小得多，不适合大规模生产的需要。射频 磁控溅射法可以在低温下沉积，所沉积的薄膜与衬底具有很强的附着力，而且沉 硕士学位论文 第一章前言 积速率大，因此在传感器介质层的制备和其他薄膜的制备方面具有广泛的应用前 景【1s ，1 9 1 。 在绝缘层的选择方面，从工艺上来说，单层膜的制备工艺相对多层膜的制备 工艺简单得多，并且只涉及到一种物质，因此在绝缘介质的稳定性方面需要考虑 到的因素就要少一些。由于二氧化硅薄膜具有优越的绝缘性，很高的电击穿场强， 因此在微电子领域被广泛采用。它可以作为薄膜晶体管( w a 3 中的栅介质层、各 种半导体器件的钝化层、绝缘层等。如在多晶硅压力传感器的制造中，就是首先 在单晶硅( 1 1 0 ) 表面用热氧化法制备二氧化硅薄膜作为绝缘层；然后在二氧化硅 薄膜表面制备本征多晶硅，通过硼扩散掺杂制备敏感电阻。对于采用热氧化法制 备的二氧化硅薄膜已经有了深入的研究，s i 0 2 与s i 之间的界面近乎完美结合而 且薄膜具有优异的电学、机械和化学稳定性。但是，热氧化法制备二氧化硅的方 法，使其应用受到限制：只能在硅衬底上制备。对于在其他的衬底上面制备二氧 化硅薄膜，只能采用物理气相沉积、化学气相沉积或溶胶一凝胶法或其他的外延 方法来制备。 t s e r i k a w a l 2 0 2 1 1 等人研究了采用二氧化硅介质靶材，在纯氩气的环境中溅射 二氧化硅薄膜，发现其稳定性较差、具有多孔的结构、膜质比较疏松。而将衬底 温度升高至2 0 0 或更高时，虽然膜层的致密度有所增强，但介质的损耗明显增 加。为了进一步研究溅射过程中，氧分压对薄膜电学性能的影响，w k c h o i 2 2 1 采 用二氧化硅介质靶材制备二氧化硅薄膜，通过在溅射气体中输入一定比例的氧气 作为反应气体。他在n 型硅衬底上淀积了5 1 0n n l 厚的二氧化硅膜，溅射成膜后 在氩气环境中进行快速热处理( 对a ) 。他发现快速热处理有助于薄膜绝缘性质 的提高，并且膜层致密，折射率与用热氧化法制备的相接近。w k c h o i 2 卅还研 究了r t a 对射频溅射二氧化硅膜的电学性质的影响，分析表明当溅射气压较低 时，薄膜有比较好的绝缘性质。由于射频溅射的薄膜具有较高的界面态密度和低 的击穿电压，经9 0 0 的r t a 可以有效的减少界面态的密度。因此，合适的老 化工艺可以提高二氧化硅薄膜的绝缘性能。 二氧化硅薄膜的制备，除了采用二氧化硅介质靶材溅射沉积之外，还可以使 用单晶硅靶反应溅射沉积。j w , s e o n g 等 2 4 1 研究了采用双离子束溅射制备的二氧 化硅薄膜。他采用单晶硅靶材，通过往溅射气氛中加入一部分氧气作为反应气体， 研究了溅射气氛中氧分压对于薄膜折射率和薄膜表面粗糙的影响。研究结果表 明，当氧分压增加到一定程度的时候，可以制备出符合化学配比的二氧化硅薄膜， 并且溅射气氛中氧分压对于薄膜表面粗糙度有明显的影响，随着氧分压的增大， 薄膜表面的均方根粗糙度减小，薄膜的氧气透过率逐渐减小。h b a r t z s e h 等1 2 副 研究了反应脉冲磁控溅射法制备的二氧化硅薄膜和三氧化二铝薄膜的电学性能 6 硕士学位论文第一章前言 研究结果表明采用脉冲磁控溅射法制备的二氧化硅薄膜和三氧化二铝薄膜的电 击穿场强的大小与其他方法制备的薄膜相接近，可以分别达到5 7m v c m 和5 1 m v c m 。薄膜的电击穿场强受电极面积的影响比较大，这是由于电极面积较大 时，电极所包含的缺陷或针孔相对较多的缘故。 冯丽萍 2 6 - 2 a l 采用单晶硅靶制备二氧化硅薄膜，制备方法为射频反应磁控溅 射。她以蓝宝石基片为基底，探索了主要工艺参数对薄膜沉积的影响规律。研究 结果表明采用单晶硅靶材可以制备出成分符合化学配比的二氧化硅薄膜，薄膜的 结构为非晶态。薄膜对蓝宝石具有良好的增透效果，符合实际应用的需要。 存在的问题及需要进一步研究的方面： ( 1 ) 在绝缘薄膜种类的选择方面各不相同，一般趋向于选择a 1 2 0 3 或s i 0 2 作 为绝缘层【2 5 】。但是制备高纯的舢2 0 3 靶或蒸发源的造价很高，而s i 0 2 具有成本 低、质量高的优势，因此研究s i 0 2 薄膜作为传感器绝缘层的的力学、电学性能 具有很大的现实意义。虽然前人对二氧化硅的制备和性能方面有了很多的研究， 但是，研究的重点一般都是对硅衬底上热氧化法制备的二氧化硅薄膜和采用二氧 化硅介质靶沉积薄膜的的力学和电学性能，它作为传感器绝缘介质层的应用上， 其绝缘性能，薄膜的表面形貌和薄膜的内应力等方面还有待进一步的研究。 ( 2 ) 对于采用单晶硅靶沉积二氧化硅薄膜的研究比较少，对于它的研究多注 重于其透气性能和光学性能的研究，并且研究的结果也不成熟，在某些方面甚至 出现相互矛盾的结论。由于制作单晶硅靶要比制作二氧化硅介质靶造价低廉，因 此如果能够采用单晶硅靶制备出电学性能和光学性能与其他方法相当的二氧化 硅薄膜，则对工业生产的意义将非常大。由于是分别采用单质靶和化合物靶制备 同一种氧化物薄膜，通过对比研究制备工艺对它们性能的影响具有重要的意义 ( 3 ) 对传感器绝缘层厚度的要求说法不一。由于磁控溅射、电子束蒸发，离子束溅射等 不同的工艺，所制备的绝缘层厚度薄的只有1u m 【1 9 1 ，厚的却达到了1 4p r a ”对于实际应 用来说，在保证绝缘度的情况下，绝缘层应尽量的薄，因此研究绝缘层厚度与绝缘电阻的联 系显得很有必要 1 3 本文的研究思路 本人在阅读了大量的相关文献之后，对国内、外同行研究绝缘介质薄膜的方 法和制备二氧化硅薄膜的方法及工艺有了较全面的了解，总结了他们在制备薄膜 方面所取得的成果，从中得到了很大的收益和启发。因此，本文针对采用二氧化 硅介质靶材和单晶硅靶材制备的二氧化硅薄膜进行了研究。重点研究了制备工艺 对薄膜沉积速率、表面形貌以及绝缘耐压性能的影响，以及老化工艺对薄膜电学 性能和形貌的影响进行了探讨。 7 硕士学位论文第一章前言 结合实验室已有的制备仪器和检测手段，设计的实验路线如图1 2 所示： 图i - 2 本丈的实验路线 f i g 1 2t e c h n i c a lc o u r $ eo fe x p e r i m e n ti nt h i sp a p e r 8 硕士学位论文第二章薄膜的制各与检测分析 第二章薄膜制备与检测分析 2 1t x z 一5 0 01 磁控溅射镀膜机简介 t x z 一5 0 0 i 磁控溅射镀膜机可以分为真空装置、溅射室、溅射装置、气体控 制装置、电源及温度控制装置等几大部分，图2 1 为其结构示意图，图2 - 2 为射 频溅射起辉示意图及靶材磁场分布情况。 图2 - 1t x z - 5 0 0 i 型磁控溅射镀膜机工作原理示意图 fig 2 1d i a g r a mo ft x z 一5 0 0 im a g n e t r o ns p u t t e r i n g 3 5 8m h z 图2 2 射频溅射起辉示意图及靶材磁场分布情况 f i g 2 - 2t h e s k e t c hm a po fd i s c h a r g ea n dt h ed i s t r i b u t i n gf i g u r e o fm a g n e t r o nf i e l di nr fm a g n e t r o ns p u t t e r i n g 9 硕士学位论文 第二章薄膜的制各与检测分析 真空装置由机械泵、涡轮分子泵、真空计、真空阀和显示仪表构成，用于抽 取溅射室所需的真空条件。当对真空室抽取低真空时，采用机械泵直接与真空室 相连；而当抽取高真空时，机械泵先与分子泵相连，用于抽取前级低真空，而分 子泵则与真空室相连，进行高真空抽取，其极限真空度可达2 o x l 旷p a 。 溅射装置安装在高强度耐压耐高温且气密性很好的钢制溅射室内，室内有两 个直流磁控溅射源、一个射频源和一个基底烘烤装置。磁控溅射源包括磁极、匹 配电源、靶材、挡板以及相关设施，其靶材表面磁场分布图如图2 2 所示。 射频溅射源工作频率为1 3 5 6m h z ，由靶材、匹配电源、挡板等组成。基底 烘烤装置用于对基底进行加热，以此改善薄膜的成膜质量，可分为烘烤电源、热 电偶、加热丝、温度控制设备等。行星转盘对称位置放置沉积基片，在电机拖动 控制下，行星转盘公转和自转交替进行溅射和薄膜沉积。气体控制装置控制工作 气体的流量和压强，通过真空计测量并数码显示。匹配电源主要为功率匹配器， 用于对所有溅射源、真空装置和烘烤装置等各部件提供电源。 整个磁控镀膜机由可编程逻辑控制器( p l c ) 控制，溅射时间由定时计控制。 所有阀门均为气动装置，由外设空气压缩机提供高压空气驱动，溅射源及靶材采 用水冷方式，射频源和真空设备则采用强制风冷。 2 2 射频反应磁控溅射 2 2 1 气体放电现象与等离子体 辉光放电是气体放电的一种类型，它是一种稳定的自持放电。它的最简单的 装置是在真空放电室中装两个电极，通入压强为o 1 1 0p a 的氩气，在外加直流 电压超过起辉电压k 时，气体就由绝缘体变成良好的导体，电流突然上升，两 极间电压降突然下降，此时两极间会出现明暗相日j 的光层，称气体的这种放电现 象为辉光放电。气体放电的起辉电压可以用( 2 1 ) 式来表示： 印蒜 ( 2 1 ) ( 式中a 为电极面积，p 为压强，d 为电极间距) 辉光放电可以分为正常辉光放电和异常辉光放电两类。在溅射系统中一般利 用异常辉光放电进行溅射镀膜，这是因为异常辉光放电时撞击阴极的正离子数目 及动能要比正常辉光放电时多，在阴极表面发生的溅射作用也强烈得多。 气体的辉光放电意味着部分的气体分子分解为可以导电的离子与电子，即形 成了等离子体。等离子体与一般的气体相比具有很多不同点，首先，它是一种导 电流体，而又能在与气体体积相比拟的宏观尺度内保持电中性；其次，电离气体 1 0 硕士学位论文 第二章薄膜的制备与检测分析 中的带电粒子间存在库仑力，由此导致带电粒子群的某种集体运动；最后，作为 一种带电粒子系，其运动行为会受到磁场的影响和支配。因此，这种电离气体是 有别于普通气体的一种新的物质聚集态，我们把它列为物质第四态。由于无论是 部分电离还是全部电离，其中的正电荷和负电荷总数在数值上是相等的，因此称 为等离子体。 2 2 2 射频反应磁控溅射过程 磁控溅射是通过在真空状态下，往溅射室中充入一定的氩气，在强电场的作 用下使气体起辉放电，产生含有大量的氩离子和电子的等离子体。氩离子向阴极 负电位运动，电子向阳极运动。由于靶材被安放在阴极，氩离子在向阴极运动的 过程中得到强电场的加速而高速撞击靶材，靶材则以原子、分子或分子团的形式 被溅出沉积在工件的表面形成薄膜。靶材溅射时会产生一定的二次电子，二次电 子受负电位的排斥离开靶材。在电场的作用下，二次电子加速飞向阳极的过程中 不断与氩气碰撞，使电离得以继续。为了提高电离率，增加电子与氩气的碰撞机 会，利用正交电磁场将电子控制在靠近靶面的环形跑道内作圆摆线运动。从而增 加了电子的运动路程和与氩气的碰撞机会。电子经过多次碰撞，能量逐渐丧失， 最后成为低能电子脱离电场控制而跑到阳极上。 直流溅射方法，可以很方便地沉积各类合金薄膜，但这种方法要求靶材应具 有良好的导电性。对于不导电的靶材，由于靶材上的电压降过大将导致两极之间 的放电熄灭，这就是所谓的“靶中毒”。射频溅射就可以克服这种现象，在阴 极和阳极之间加上射频频率为1 3 5 6m h z 的射频电源，这样两极之间的电位在交 流的每半个周期交换一次，这种电位极性的不断变化导致阴极溅射交替式地在两 个电极上进行。放电过程相对于直流溅射的显著变化是：第一，在两极之间等离 子体不断振荡运动的电子将从高频电场中获得足够的能量，并更有效地与气体分 子发生碰撞，并使后者发生电离；在电极过程产生的二次电子对于维持放电过程 的相对重要性下降。因此，射频溅射可以在lp a 左右的低压下进行，沉积速率 也因气体分子散射小而较二极管溅射时为高。第二，高频电场可以经由其他阻抗 形式耦合进入沉积室，而不必再要求电极一定是导体。因此，采用射频电源将使 溅射过程摆脱对靶材导电性能的限制。 射频溅射可以在靶材上产生自偏压效应，即在射频电场起作用的同时，靶材 会自动地处于一个负电位下，这导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射。由于 放电等离子体中的电子远大于离子的迁移率，因此在产生等离子体放电的电极上 形成自偏压，其数值与电极面积的四次方成反1 七 4 3 1 实际上射频放电之所以具 有溅射作用，也正是由于等离子体鞘层中的正离子在靶面负的自偏压下，对靶面 硕士学位论文 第二章薄膜的制备与检测分析 的轰击所造成的。靶面自偏压的大小反应了等离子体放电的强弱，直接决定着射 频溅射的溅射效率。 使用射频反应法溅射化合物薄膜，普遍存在“滞后”现象【4 2 l ，同样的工艺 条件可以出现不同的实验结果，图2 3 即为一个典型的反应溅射迟滞回线示意图， 可以看出，反应溅射沉积化合物薄膜时沉积速率与氧流量的关系，显然在很大范 围内并非一一对应的单值函数，而对应着一个双值函数。因此，同一氧流量可能 对应不同的生成物状态所沉积薄膜的状态，不仅取决于沉积该薄膜时的氧流量 ( 假定其他参数不变) ，而且取决于在此之前的氧流量随时问变化的轨迹。在氧 流量从零上升至图中a 点对应的氧流量乃之前时，沉积薄膜表现为不透明的金 属态，沉积速率很高；随着氧流量的进一步增大，薄膜状态迅速由金属态转变 图2 - 3 反应溅射沉积化合物薄膜时沉积速率与氧流量关系示意图 f i g 2 - 3t h ed e p o $ i t i o nr a t ea saf u n c t i o no fo x y g e nf l u xo fc o m p o u n d d e p o siti o nb yr e a c ti v em a g n e t r o nm e t h o d 为化合物状态，同时沉积速率大幅度下降，对应图中的b e 段；此时如氧流量 开始下降，薄膜的状态将不会沿着e - - b - - a - - d 的轨迹恢复到金属态，而是沿着 b c 段的轨迹运行，薄膜状态仍然是化合物状态；直到氧流量减小至c 点对应 的氧流量f c 后，薄膜状态再次迅速的由化合物状态转变为金属态，即对应图中 的c d 段，沉积速率迅速增加。对于不同的化合物的反应溅射过程，彳一口和 c d 的转变过程是有区别的，对于a 1 2 0 3 薄膜和n 0 2 薄膜的反应溅射过程，其 变化速度远大于s i 0 2 薄膜的反应溅射过程。由于反应溅射的目的在于获得组分 良好的化合物薄膜，因此在图2 3 中曲线的d 一4 段是没有实际意义的。 通常用于溅射镀膜的气体为a f ，如果有意识地把一些活性气体，如0 2 n 2 等引入到溅射气体m 中，用以与靶材物质反应沉积各种薄膜，即称为“反应溅 射”。反应溅射的过程一般可以分为三个部分： 硕士学位论文第二章薄膜的制各与检测分析 ( 1 ) 靶面反应 靶面原子和反应气体之间的反应极大地影响沉积膜的质量和成分，这是反应 溅射的一个关键环节。当靶面发生反应生成一层化合物层时，靶面状态将发生变 化，靶面的沉积速率，放电的稳定性等就会受到一定的影响。对于直流磁控反应 溅射，若靶面生成了一层致密的绝缘化合物层，靶面放电就可能会熄灭，这也是 为什么不能采用直流溅射沉积化合物薄膜的原因。 ( 2 ) 气相反应 逸出靶面的原子到达基片之前，与反应气体分子及由等离子体放电形成的活 性基团之间碰撞，有可能在空间就生成化合物。在作者的课题研究中，溅射气体 的总压强固定为1 2p a ，此时气体分子的平均自由程为厘米数量级；靶和基片之 间的距离为6c 1 1 1 。这样逸出靶面的原予在到达基片前与空气中的气体分子仅有 数次的碰撞机会，且反应气体与在溅射气体总压强中的气体分子也仅有数次的碰 撞机会，而且反应气体在溅射气体总压强中所占的比例较小，因此溅射出来的中 性原子在到达基片之间，在空间与反应气体分子可能发生碰撞并发生反应的几率 很小，绝大部分逸出靶面的原子在空间未发生化学反应就到达了基片。相对于靶 面反应和基片反应，气相反应的作用可以忽略不计。 ( 3 ) 基片反应 保证在基片表面发生反应的化合物薄膜的条件很复杂，至少需要满足以下几 条： 到达基片时，靶材原子与反应气体原子或分子的比例应该维持在一个合 适的数值，以保证形成一定化学配比的化合物分子的需要。该数值与靶材原子和 反应气体原子的性质及其到达基片时的数量、能量、基片的温度等有关。 需要保持恰当的基片温度，这是因为： & 达到基片的靶材原子和反应气体分子必须在基片上有足够的粘着系数， 而粘着系数受基片温度的影响强烈。 b 靶材原子和反应气体分子( 或原子) 在基片上发生化学反应生成化合物 分子的过程，同样也受到基片温度高低的影响。 因此，靶面反应和基片反应的具体过程与溅射成膜过程中的许多工艺参数有 关，包括溅射气体的总压强通入的反应气体流量、溅射功率、靶和基片之间的距 离、靶和基片的尺寸、以及相对的几何关系、真空室的几何形状等诸多相关因素。 2 3 基底的预处理 基底的选取是非常重要的，在整个研究过程中，选用单面抛光的硅片和不锈 钢基片作为基底。硅是最常用的半导体材料，具有优良的力学、电学等物理性质， 硕士学付论文第二章薄膜的制备与检测分析 因此实验室中经常采用硅片作为基底材料。选择不锈钢作为基底是为了测试二氧 化硅薄膜在实际应用中的绝缘耐压强度。不锈钢的材料由于既能耐化学腐蚀又有 很好的机械强度，所以在传感器制造中受到青睐，对于采用不锈钢材料做的弹性 衬底而言，表面的清洗是很重要的，因为绝缘隔离层的电击穿场强和绝缘电阻在 很大程度上都依赖于衬底表面的粗糙度和清洁状况。文献e i o 所使用的方法对于 表面清洁工艺在实际生产中的应用取得很好的效果，不锈钢衬底清洁工艺的主要 参数如表2 1 所示。本实验采用的硅片是单面抛光的p 型单晶硅，基片在沉积前必 须加以清洗，微量的玷污都可能在沉积过程中引起很大的危害，甚至有可能使薄 膜的粘附性下降、内应力变大、电学性能变差等。基片清洗工艺的基本准则是消 除表面的有机物、微小颗粒、过渡金属和碱性离子，各种清洗方法已经有了详细 的介绍 2 9 3 0 l 。这里简要介绍一下硅片表面沾污杂质的类别，表2 2 所示和本实验 中所用到的清洗方法。 表2 - 1 不锈钢基片的清洗过程 t a b l e2 - 1t h ec l e a n i n gp r o c e s so fs t a i n l e s s s u b s t r a t e 在实验中对硅片采用了如下所示的清洗方法： ( 1 ) 用分析纯的四氯化碳超声清洗； ( 2 ) 用分析纯的丙酮超声清洗； ( 3 ) 用去离子水流洗； ( 4 ) 用无水乙醇超声清洗； ( 5 ) 用去离子水流洗； ( 6 ) 烘干装片。 1 4 硕士学位论文 第二章薄膜的制各与检测分析 该清洗方案的效果是；先去除油污，然后再去除杂质粒子。 表2 - 2 硅片表面沾污杂质的分类 t a b l e2 - 2t h es o r t so fc o n t a m i n a t i o n0 1 1s i i i c o ns u b s t l a t e 分类依据沾污的类别 沾污杂质的形态 吸附力的性质 被吸附物质的存在形态 物化性质 微粒型污染质、膜层污染质 物理吸附型杂质、化学吸附型杂志 分子型、原子型、离子犁杂质 有机沾污、无机盐、金属离子、机械微粒等 2 4 二氧化硅薄膜的制备 在使用二氧化硅介质靶制备二氧化硅薄膜时，因为靶材就是二氧化硅，需 要考虑的参数相对较少，而采用单晶硅靶制备，则涉及到反应溅射生成二氧化硅， 因此需要考虑的因素相对较多。最重要的因素是氧气通入量的多少，氧气通入量 过少，不能生成符合化学配比的二氧化硅薄膜，氧气通入量过多，则对薄膜的溅 射效率可能降低。其他的制备工艺参数如溅射功率、溅射气压、衬底温度和溅射 时间等都会对薄膜的性能产生影响，但是并不