4H?SiC 襯底上高厚度SiO2 薄膜的高溫性能研究

楊榮森，杜玉玲（通信作者）

（畢節(jié)市大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心 貴州 畢節(jié) 551700）

0 引言

SiO2薄膜作為絕緣層主要應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)（micro?electro?mechanical system，MEMS），SiO2薄膜的殘余應(yīng)力是影響MEMS 薄膜材料力學(xué)性能的一個(gè)重要方面，它不僅影響薄膜特性，而且對(duì)MEMS 器件的成品率、使用壽命、工作可靠性等也有極大的影響［1－3］。 SiO2薄膜材料在生長(zhǎng)、淀積工藝以及溫度過程中，由于基底材料與SiO2薄膜的差異，不可避免地會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。 采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)的氣相沉積法（plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD）淀積生成的SiO2的殘余應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，且殘余應(yīng)力主要表現(xiàn)為內(nèi)應(yīng)力，它是殘余應(yīng)力的主要部分［2］。 對(duì)于內(nèi)應(yīng)力的來源較為復(fù)雜，像晶格失配、雜質(zhì)原子的存在、晶界弛豫、原子空位的去除、化學(xué)反應(yīng)、再結(jié)晶、相變等［3］。 雖然殘余應(yīng)力不會(huì)立即成為MEMS 器件缺陷，但長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)力積累容易導(dǎo)致MEMS 器件失效。SiC 基底與SiO2薄膜作為鍵合材料常用于航天發(fā)動(dòng)機(jī)壓力傳感器，如果SiO2／SiC 結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力過大，會(huì)使SiO2薄膜發(fā)生翹曲、裂痕等，導(dǎo)致薄膜與基底之間的黏附力減小，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使薄膜與基底脫離［4］，使得壓力傳感器因密封性惡化而失效。 研究表明，SiO2膜的內(nèi)應(yīng)力基本與膜厚無關(guān)，當(dāng)膜厚超過500 nm 以后壓應(yīng)力略有上升趨勢(shì)［5］，但國內(nèi)對(duì)4 H?SiC 襯底上高厚度的SiO2薄膜的內(nèi)應(yīng)力及致密性和SiO2薄膜在高溫處理下的性能變化機(jī)制較少。

本文采用PECVD 在厚度370 μm 的4 H?SiC 襯底上生長(zhǎng)厚度2 μm 的SiO2薄膜，再將樣品置于大氣環(huán)境下分別經(jīng)600 ℃、700 ℃、800 ℃和900 ℃高溫下處理1 h。 針對(duì)高溫處理后SiO2薄膜內(nèi)應(yīng)力、致密性和晶體形貌等特性變化的問題，分別采用Inspect F50 SEM 觀測(cè)SiO2薄膜樣品斷面的晶體形貌，采用AMBiOS XP－200 型輪廓儀分析SiO2薄膜樣品的表面形變和中心應(yīng)力，采用SE850 橢偏儀測(cè)試SiO2薄膜的折射率和密度。

1 測(cè)試原理

1.1 薄膜結(jié)構(gòu)圖

圖1 為本次測(cè)試樣品的結(jié)構(gòu)示意圖，采用PECVD 工藝在4H?SiC 襯底上生長(zhǎng)SiO2薄膜，4H?SiC 襯底厚度為370 μm，SiO2薄膜厚度為2 μm。

圖1 4H?SiC 基底上SiO2 薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖

在實(shí)際薄膜生成過程中SiC／SiO2界面并非直接突變，在SiC 襯底和SiO2薄膜的界面，由一層過渡層SiCxOy組成［5］，其厚度約3 nm。 SiO2／SiC 結(jié)構(gòu)常用于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)壓力傳感器，長(zhǎng)期工作在高溫高壓下，SiO2薄膜的殘余應(yīng)力、致密性是影響壓力傳感器可靠性的重要因素，研究高厚度的SiO2薄膜高溫性能十分必要。

1.2 表面形貌分析

表面形貌分析指的是對(duì)物體表面的微觀幾何形狀成像后做定性分析評(píng)估，分析內(nèi)容包括斷面晶體形貌、缺陷、成分等。 SEM 中形貌像的信息主要源自二次電子像，具有分辨率高、放大倍數(shù)、景深大等特點(diǎn)，是表面形貌分析的主要儀器之一。 本次采用Inspect F50 SEM 觀測(cè)薄膜斷面樣品的SiO2晶體形貌，能清晰觀察到SiO2薄膜在不同溫度處理下SiO2晶體變化，以及SiC／SiO2界面基本情況。

1.3 殘余應(yīng)力測(cè)試

當(dāng)薄膜厚度均勻、滿足各向同性、薄膜厚度遠(yuǎn)小于基底厚度時(shí)，可采用輪廓法測(cè)量得到輪廓曲線［6］，進(jìn)而通過Stoney 公式計(jì)算得到SiO2薄膜殘余應(yīng)力。 主要步驟如下：（1）通過AMBiOS XP－200 型輪廓儀掃描SiO2／SiC 樣品表面，獲得表面輪廓曲線。 （2）再將掃描得到的輪廓曲線進(jìn)行圓弧逼近，從而獲得此掃描曲線的擬合曲率半徑。（3）采用的擬合方式為最小二乘法擬合曲線成圓弧方式，即可求出半徑r，即為計(jì)算應(yīng)力所需的曲率半徑，將曲率半徑代入Stoney 公式計(jì)算薄膜的殘余應(yīng)力。 對(duì)于單層薄膜，Stoney 公式為式（1）所示：

式（1）中，σf為薄膜的應(yīng)力，Es和υs分別為基底的楊氏模量和泊松比，ts和tf分別為基底厚度和膜層厚度，r即為淀積薄膜后基底的曲率半徑。

1.4 折射率及密度測(cè)試

根據(jù)洛倫茲理論，SiO2薄膜的折射率與SiO2密度存在相關(guān)關(guān)系，經(jīng)過橢偏儀測(cè)試得到折射率后，即可求出SiO2薄膜密度。 本次采用單一界面層結(jié)構(gòu)橢偏模型，通過SE850橢偏儀測(cè)試得到SiO2薄膜的折射率，再通過SiO2薄膜的折射率數(shù)值來確定SiO2薄膜的密度，從而表征SiO2薄膜的致密性。 根據(jù)SiO2晶體和非晶體的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，SiO2折射率與密度的關(guān)系可以表示為式（2）所示［7］：

式（2）中，n為SiO2薄膜的折射率，ρ為SiO2薄膜的密度。

2 結(jié)果與討論

2.1 斷面晶體形貌

圖2 為不同處理?xiàng)l件下SiO2薄膜樣品的SEM 斷面晶體形貌圖，因4H?SiC 襯底不易被腐蝕，SiO2薄膜容易被腐蝕液腐蝕，能夠清晰看出SiO2／SiC 結(jié)構(gòu)的界面層。 隨著處理溫度的升高，SiO2薄膜的晶體形貌由混合的準(zhǔn)晶體向單晶轉(zhuǎn)變，并且出現(xiàn)少量的非晶態(tài)。 高溫處理的溫度越高，非晶態(tài)增加，顆粒聚集增多。

圖2 不同處理?xiàng)l件下SiO2 薄膜的SEM 斷面晶體形貌

由圖2 可知，當(dāng)處理?xiàng)l件為環(huán)境溫度800 ℃、時(shí)間1 h時(shí)，SiO2薄膜斷面非晶態(tài)較少，界面過渡層SiCxOy明顯變厚。

2.2 薄膜殘余應(yīng)力

圖3 為不同處理?xiàng)l件SiO2／SiC 結(jié)構(gòu)樣品的中心應(yīng)力，經(jīng)過AMBiOS XP－200 型輪廓儀掃描SiO2／SiC 樣品表面，擬合曲線后求得SiO2／SiC 結(jié)構(gòu)薄膜表面曲率半徑和殘余應(yīng)力，SiO2薄膜中心應(yīng)力主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力起源于成膜過程“埋”入膜內(nèi)大量的無序物質(zhì)。 隨著處理溫度的增加，SiO2薄膜的中心應(yīng)力下降趨勢(shì)很明顯，這種趨勢(shì)主要是由于膜中無序物質(zhì)被激活并重新排列所引起的［8］。從中心應(yīng)力隨高溫處理的溫度變化情況可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)處理?xiàng)l件為環(huán)境溫度800 ℃、時(shí)間1 h 時(shí)，SiO2／SiC 結(jié)構(gòu)樣品的殘余應(yīng)力較小，而未做處理以及處理溫度過高的SiO2／SiC結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力較大。 因此，800 ℃左右高溫處理環(huán)境下，能夠降低SiO2／SiC 結(jié)構(gòu)界面殘余應(yīng)力。

圖3 不同處理?xiàng)l件下SiO2 薄膜的中心應(yīng)力

2.3 薄膜折射率及密度

圖4 為不同處理?xiàng)l件下SiO2薄膜的折射率和密度，隨著處理溫度的提高，SiO2薄膜的折射率和密度明顯增大［9］，其致密性得到提高。 SiO2薄膜樣品的處理?xiàng)l件為環(huán)境溫度800 ℃、時(shí)間1 h 時(shí)，折射率最大，致密性最好。當(dāng)處理?xiàng)l件為環(huán)境溫度900 ℃、時(shí)間1 h 時(shí)，折射率和致密性稍有降低，這是隨著溫度的升高，SiO2薄膜樣品的非晶態(tài)的增多和大量的顆粒聚集造成的結(jié)果。

圖4 不同處理?xiàng)l件下SiO2 薄的折射率和密度

3 結(jié)語

經(jīng)過斷面形貌觀測(cè)、中心應(yīng)力和折射率測(cè)試及薄膜密度計(jì)算可知，4 H?SiC 襯底上SiO2薄膜樣品在處理?xiàng)l件為環(huán)境溫度800 ℃、時(shí)間1 h 時(shí)，SiO2／SiC 結(jié)構(gòu)中心應(yīng)力最小，折射率最大，致密性最好，SiO2薄膜斷面非晶態(tài)較少。研究表明，環(huán)境溫度800 ℃高溫處理能夠降低SiO2／SiC 結(jié)構(gòu)界面的殘余應(yīng)力，提升SiO2薄膜的致密性