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氮化硅薄膜——集成電路制造至關(guān)重要的介質(zhì)材料


來源:中國粉體網(wǎng)   山川

[導(dǎo)讀]  作為非晶絕緣物質(zhì),氮化硅膜在集成電路制造領(lǐng)域被廣泛用作表面鈍化保護(hù)膜、絕緣層、雜質(zhì)擴(kuò)散掩膜、刻蝕掩膜以及半導(dǎo)體元件的表面封裝等。

中國粉體網(wǎng)訊  氮化硅(Si3N4)薄膜是一種應(yīng)用廣泛的介質(zhì)材料。作為非晶絕緣物質(zhì),氮化硅膜的介質(zhì)特性優(yōu)于二氧化硅膜,具有對(duì)可動(dòng)離子阻擋能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)致密、針孔密度小、化學(xué)穩(wěn)定性好、介電常數(shù)高等優(yōu)點(diǎn),在集成電路制造領(lǐng)域被廣泛用作表面鈍化保護(hù)膜、絕緣層、雜質(zhì)擴(kuò)散掩膜、刻蝕掩膜以及半導(dǎo)體元件的表面封裝等。

 


圖片來源:Pixabay

 

此外,氮化硅薄膜具備良好的光電性質(zhì)、鈍化性能和抗水汽滲透能力。在硅基太陽能電池中,氮化硅薄膜可用作減反射膜,同時(shí)起到表面鈍化和體內(nèi)鈍化的作用,從而提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。

 

因此,氮化硅薄膜的制備工藝及其組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究越來越受到人們的重視。目前有直接氮化法,物理氣相沉積,化學(xué)氣相沉積等幾種制備氮化硅薄膜的方法。


直接氮化法


直接氮化法是最簡單的制備氮化硅薄膜的方法,即把硅放在氮化氣氛中,并加熱到一定的溫度,使得硅和氮化氣氛反應(yīng),在硅表面生成一層氮化硅膜。常用的氮化氣體為NH3、NO、N2等。


利用直接氮化法制備氮化硅的最大特點(diǎn)為:表面一旦形成氮化硅膜以后,就把氮和硅隔離開來,使得反應(yīng)速度降低,因此用直接氮化制備氮化硅薄膜,一般膜厚在10nm以下。


用該方法制備的優(yōu)點(diǎn)是氮化硅膜較其他制備方法致密和穩(wěn)定,化學(xué)計(jì)量性好,氫含量少,但高溫會(huì)造成基板中雜質(zhì)重新分布,產(chǎn)生堆垛層錯(cuò),從而降低設(shè)備性能。


物理氣相沉積法(PVD)


1、真空蒸發(fā)鍍膜


把待鍍膜的基片或工件置于高真空室內(nèi),通過加熱使蒸發(fā)材料氣化(或升華)而沉積到某一溫度的基片或工件的表面上,從而形成一層薄膜,這一工藝過程稱為真空蒸發(fā)鍍膜。在高真空環(huán)境中成膜,可防止膜的污染和氧化,便于得到潔凈、致密、符合預(yù)定要求的薄膜。此方法的局限性是:難熔金屬蒸氣壓低,很難制成。


2、磁控反應(yīng)濺射法


濺射這一物理現(xiàn)象早在1852年就已被Grove所發(fā)現(xiàn),即指荷能粒子轟擊固體表面,使固體原子(或其分子)從其表面射出的現(xiàn)象。但是直到20世紀(jì)20年代,濺射才被Langmuir發(fā)展成為一種薄膜沉積技術(shù)。通常的濺射方法濺射效率不高,濺射所需的工作氣壓較高,氣體分子對(duì)薄膜產(chǎn)生污染的可能性較高。


為了改善這兩個(gè)缺點(diǎn),可以加一個(gè)平行于陰極表面的磁場,就可以將初始電子的運(yùn)動(dòng)限制在鄰近陰極的區(qū)域,從而增加氣體原子的離化效率,提高濺射速率,這種濺射方法就是磁控濺射。


磁控反應(yīng)濺射的特點(diǎn)是:應(yīng)用磁控濺射技術(shù),可以濺射一切具有一定耐熱能力的金屬和半導(dǎo)體材料;使用簡便、操作易控性,鍍膜過程中通過精確控制氣壓、功率和時(shí)間等濺射條件,就能獲得比較穩(wěn)定的沉積速率,即可沉積所需厚度的薄膜;易于組織大批量生產(chǎn)。


化學(xué)氣相沉積法(CVD)


化學(xué)氣相沉積方法把含有構(gòu)成薄膜元素的氣體供給襯底,利用加熱、等離子體及紫外光等能源,發(fā)生化學(xué)反應(yīng)沉積薄膜。常用的CVD法有以下幾種:


1、常壓化學(xué)氣相沉積法(APVCD)


常壓化學(xué)氣相沉積就是在常壓環(huán)境下,反應(yīng)氣體受熱后被N2或Ar等惰性氣體輸運(yùn)到加熱的高溫基片上,經(jīng)化合反應(yīng)或熱分解生成固態(tài)薄膜。


由于反應(yīng)是在常壓下進(jìn)行的,在生成薄膜材料的同時(shí)各種副產(chǎn)物也將同時(shí)生產(chǎn);常壓下分子的擴(kuò)散速率小,不能及時(shí)排出副產(chǎn)物,這既限制了沉積速率,又加大了膜層污染的可能性,導(dǎo)致薄膜的質(zhì)量下降,F(xiàn)已逐漸被后來的低壓化學(xué)氣相沉積和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積所取代。


2、低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)


人們?cè)贏PCVD的基礎(chǔ)上研制出了LPCVD。LPCVD克服了APCVD沉積速率小、膜層污染嚴(yán)重等缺點(diǎn),因而所制備氮化硅薄膜的均勻性好,缺陷少,質(zhì)量高。并可同時(shí)在大批量的基板上沉積薄膜,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,效率高,現(xiàn)已成為半導(dǎo)體工業(yè)中制備氮化硅薄膜的主要方法。


LPCVD以熱量來活化反應(yīng)氣體,為保證反應(yīng)進(jìn)行完全,反應(yīng)的溫度都較高,一般在700℃以上。在這樣的溫度下制得的薄膜的化學(xué)計(jì)量性好,膜層致密,因此薄膜的性能也較好。但另一方面,高溫對(duì)基板的要求很高,襯底容易變形,其中的缺陷會(huì)生長和蔓延,從而影響界面性能。



北方華創(chuàng)LPCVD沉積設(shè)備


3、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)


等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積是一種通過射頻使一定組成的氣態(tài)物質(zhì)部分發(fā)生電離形成等離子體,促進(jìn)化學(xué)反應(yīng),沉積成薄膜材料的一種技術(shù)。由于該技術(shù)是通過高頻電磁感應(yīng)與氣體分子的共價(jià)鍵產(chǎn)生耦合共振,使其電離,顯著降低反應(yīng)所需溫度,增加反應(yīng)速率,提高成膜質(zhì)量。


該方法具有設(shè)備簡單,襯底與薄膜結(jié)合性好,成膜的均勻性和重復(fù)性好等特點(diǎn)。同時(shí),較低的沉積溫度有利于實(shí)現(xiàn)更小的畸變、更佳的共形沉積和更快的沉積速率。PECVD制備的氮化硅薄膜具有強(qiáng)度高、硬度高、介電常數(shù)大、折射率可調(diào)、透射率高、光衰減系數(shù)小和化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。


參考來源:

[1]劉文龍.氮化硅薄膜的制備技術(shù)綜述

[2]李攀等.PECVD 氮化硅薄膜性質(zhì)及工藝研究


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作者:山川

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