采用DOE方法優化非晶硅濺射工藝

張 明，周都成，陳海峰，王 栩

（無錫中微晶園電子有限公司，江蘇 無錫 214035）

1 引言

現場可編程門陣列FPGA在武器和空間電子系統中應用越來越廣泛，而核輻射（中子、r）射線、空間輻射環境對電子系統的影響不可忽視。輻射會使器件的性能參數發生退化，以致失效，影響電子系統的可靠運行。反熔絲型FPGA 因為其結構特點適合輻射強烈的惡劣環境，具有優異抗輻射性能，因而在武器和航天領域里得到了充分的應用。其中MTM（Metal To Metal）反熔絲由于其編通電阻及互聯電容小的優勢更是當前研究的重點。

非晶硅a-Si薄膜是MTM（Metal To Metal）反熔絲結構中最常見的熔絲材料，等離子體增強化學氣相沉積法（PECVD）是目前最常規、運用最廣泛的非晶硅薄膜制備方法。 此方法制備的非晶硅（a-Si）薄膜具有帶隙態密度低的優點，適于制作太陽能電池和其他電子器件。但該方法的缺點也十分明顯，它使用的設備和氣體成本十分高昂，而且使用的是有毒易爆的氣體（SiH4、BH3、PH5）。因此，從生產成本和生產安全方面考慮，都需要一種新的方法來替代它。磁控濺射具有工藝簡單、沉積溫度低、方向性強、薄膜附著性好和致密性高等優點，運用該方法制備a-Si薄膜，安全高效、成本低廉。本文通過在實驗硅基片上濺射a-Si薄膜，通過使用DOE（Design of Experiment）方法對磁控濺射Si靶的生長速率、片內均勻性特性進行了研究，得到了a-Si介質生長速率與均勻性隨功率、壓力、溫度的變化關系，并對得到的結果進行了分析，為反熔絲器件生產、開發、應用提供了參考意見。

2 工藝和實驗過程

2.1 樣片制備

實驗前首先將硅基片進行RCA清洗，清洗液依次使用HF酸、H2SO4/H2O2和NH4OH/H2O2液，清洗、甩干后氧化100nm待用。

2.2 樣品生長

采用Varian 3180型磁控濺射鍍膜機，濺射靶材是純度99.999 %、電導率0.02Ω.cm的非晶硅靶材。靶材表面與基片表面的垂直距離為8cm，濺射使用直流電源，濺射氣體使用純度為99.99 %的氬氣。

濺射前本底真空為666×10-7Pa。濺射條件如下：基片溫度為22℃變化至300℃、工藝壓力為0.399Pa變化至1.333Pa，濺射功率為額定功率的33%變化至60%，在上述工藝條件范圍內設計DOE實驗對a-Si 膜層的濺射生長條件進行了3因子3水平優化研究（具體條件見表1）。

表1 DOE實驗設計表

2.3 樣品膜厚表征測試

樣品的膜厚表征測試采用的是美國 Therma-wave公司的OP2600型膜厚測試儀。該膜厚測試儀使用反射光譜法，采用波長375nm～800nm的譜線作為光源對a-Si厚度進行測試，可以多點自動測試并形成分布圖形。為反映硅片厚度分布趨勢，本次試驗每片測試49點。另為減少不同厚度情況下均勻性的差異，本次試驗對比結果均將各實驗條件的a-Si厚度調整至同一厚度進行比較。

3 結果和討論

3.1 a-Si薄膜的沉積速率

濺射法沉積非晶硅膜，受到反應室氣壓、基體溫度、射頻功率等因素的影響。以下采用DOE設計法，研究了機臺可變參數內各因素與沉積速率之間的變化關系，如圖1 所示。

圖1 a-Si膜沉積速率的主效應圖

圖1中包括3組圖片，其分別說明的是在功率、壓力、溫度3個因素中2個因素不變的情況下，單一因素變化時沉積速率的變化。可以看出：

（1）在反應室氣壓、射頻功率不變的情況下，隨著基片溫度的增加從室溫22℃到300℃，a-Si的沉積速率變化緩慢，在300℃以內，基片溫度的升高基本不會影響薄膜的沉積速率。

（2）在反應室氣壓、基片溫度固定的情況下，改變射頻功率。可以看出，隨著射頻功率的增加，從33%到60%的功率條件變化，沉積速率也相應地增加。推斷原因是因為陰極電流與電極電壓的乘積給出了濺射工藝的輸入功率，輸入功率的調整是通過保持電極電壓不變，調整陰極電流，陰極電流的增加產生了更多的粒子打在陰極上，這樣會產生更多的濺射，提高濺射速率。

（3）在射頻功率、基片溫度不變的情況下，增大反應氣壓， 在壓力設定0.399Pa～2.666Pa的范圍內生長速率隨壓力增加而減慢。推斷原因是因為在射頻功率一定時，極板間的電場強度變化不大，當反應氣體壓力增加時，電子的平均自由程減小，加速電子的能量相應地減小，離子間的碰撞加劇，因此會表現出反應壓力增加而沉積速率降低的現象。

3.2 a-Si薄膜的沉積均勻性

為保證工藝生產的一致性，a-Si薄膜的片內均勻性也是工藝控制的重要方向，該參數同樣也受到反應室氣壓、基體溫度、射頻功率等因素的影響。利用前面DOE設計的實驗，通過測試不同條件下片內49點膜厚分布，計算均勻性std%（標準偏差與均值的比值）,可以研究機臺可變參數內各因素與沉積均勻性之間的變化關系（如圖2、圖3所示）。

圖2表征的是a-Si濺射工藝均勻性的典型分布圖。從圖2中可以看到該工藝片內呈現出中心厚、邊緣薄的環狀分布，其原因與靶的形狀大小設計導致的濺射角度、等離子濃度中心分布高有關。

圖3 a-Si膜沉積均勻性的交互作用

圖3是a-Si膜片內均勻性的交互作用圖，說明在功率、壓力、溫度3個因素中2個因素不變的情況下，單一因素變化時片內均勻性的變化。可以看出：工藝參數的變動對片內均勻性存在一定影響，但不是顯著因素。最差條件4.2%，最佳條件3.4%，其中：

（1）溫度低對均勻性有輕微改善；

（2）功率越小均勻性會輕微改善；

（3）壓力小均勻性改善最明顯。

推斷其原因為濺射的均勻性主要受工藝設備設計的限制，壓力降低可以增加粒子的平均自由程，在表面上達到更均勻的分布，從而改善均勻性。而溫度低和功率小降低了淀積速率，對均勻性的改善可起到輔助作用。

4 結論

利用DOE實驗設計方法，對磁控濺射Si靶的工藝參數壓力、功率、溫度進行了試驗設計。考慮對生長速率、片內均勻性的優化，通過試驗得出了該工藝可調節參數壓力、功率、溫度三者對工藝結果的交互影響。其中功率和壓力是主要決定速率和均勻性的關鍵因素。而通過降低工藝壓力、工藝溫度和功率可以起到改善均勻性的作用，但改善不明顯，且同時會導致速率的變化。本次試驗為今后的科研生產提供了參考方向，但從其他文獻中可以看到溫度、壓力、功率的變化同時會導致a-Si介質本身的電學、光學性質的變化，因此具體條件的確定除綜合均勻性及速率外，還須根據最終的膜質特性來確定。

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