真空蒸镀多晶硅薄膜工艺对其组织和性能的影响_曹健

表面技术

SURFACETECHNOLOGY

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真空蒸镀多晶硅薄膜工艺对其组织和性能的影响

曹健,王宙,室谷贵之(日),付传起(大连大学表面工程中心,大连116622)

　　[摘　要]　采用真空蒸镀并退火的方法制备多晶硅薄膜,采用透射电子显微镜对退火前后的样品进行了表征,通过原子力显微镜观察了薄膜的形貌,并测试了薄膜的耐压性能,分析了基板温度、基板距离和退火工艺对薄膜组织和性能的影响。实验结果表明:真空蒸镀所得薄膜为非晶硅薄膜,退火处理可使其多晶化,晶粒尺寸达0.5μm;基板温度120℃、基板距离60mm为最佳工艺条件,采用该工艺所得多晶硅薄膜的耐压值可达384.2V。

[关键词]　真空蒸镀;退火;多晶硅薄膜

[中图分类号]TG174.444;O484.4　　　[文献标识码]A　　　[文章编号]1001-3660(2011)02-0083-03

EffectofProcessofPolycrystallineSiliconThinFilmsPrepared

byVacuumEvaporationonOrganizationandPerformance

CAOJian,WANGZhou,TakayukiMurotani,FUChuan-qi

(SurfaceEngineeringCenter,DalianUniversity,Dalian116622,China)

[Abstract]　Polycrystallinesiliconthinfilmswerepreparedbyvacuumevaporationandannealing.Thesamplesaf-terannealingwerecharacterizedbyTEM.ThemorphologyofthefilmswasobservedbyAFM.Andthepressure-resis-tingperformancewastested.Theinfluenceofsubstratetemperature,substratedistanceandannealingprocessonpoly-Sithinfilmwasdiscussed.Resultsindicatethatthinfilmsobtainedbyvacuumevaporationareamorphousandcanbecrys-tallizedbyannealingintothoseof0.5μmgrainsize;Optimumconditionsaresubstratetemperatureof120℃andsub-stratedistanceof60mm.Thepressure-resistingvaluecanreach384.2V.

[Keywords]　vacuumevaporation;annealing;polycrystallinesiliconthinfilm

　　多晶硅薄膜于1964年开始作为隔离介质应用在集成电路中,随着研究的不断深入,它以良好的光电特性,不仅在MOS器件中,而且在双极集成电路、微波器件和各种特殊功能的半导体器件中都获得了广泛的应用[1-3]。此外,具有大晶粒的多晶硅薄膜的迁移率可以与晶体硅相媲美。因此,多晶硅薄膜可用于制作具有快速响应、大面积场效应的薄膜晶体管等光电器件,在液晶显示技术、半导体器件以及集成电路中具有广阔的应用前景

[4-6]

后,即获得多晶硅薄膜。该方法工艺相对简单,易于控制,使用范围广。文中采用真空蒸镀结合退火的方法

制备了多晶硅薄膜,并研究了工艺条件对薄膜组织和性能的影响。

1　实验

1.1　薄膜制备

实验原料为纯度99.99%的多晶硅粉末。电阻蒸发源为高纯度的石墨片,尺寸为80mm×5.8mm×1.7mm。基体纯铜块的尺寸为20mm×20mm×6.5mm,先分别用600,800,1000号砂纸粗磨,再用研磨抛光膏抛光,用水冲洗后在无水乙醇中超声清洗5min。

将真空系统抽至7.5×10Pa,按一定距离固定好基板。蒸镀时,先烘烤基板至某一温度,再缓慢调节

-3

。

目前,多晶硅薄膜常用的制备方法有低压化学气相沉积(LPCVD)、热丝化学气相沉积(HWCVD)、准分子激光晶化(ELC)、固相晶化(SPC)、金属诱导晶化(MIC)、快速热处理(RTP)等。而采用真空蒸镀法可以获得纯度较高的多晶硅薄膜,它是在一定的真空环境中加热多晶硅镀料,使其温度达到熔点后蒸发汽化,并在基板上沉积形成一层非晶薄膜,经晶化退火

[收稿日期]2010-11-22;[修回日期]2010-12-01

[作者简介]曹健(1986-),男,山东人,硕士生,主攻材料表面改性。

[7]

[通讯作者]王宙(1961-),男,黑龙江人,博士,教授,主要研究方向为材料表面改性。

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曹健等　真空蒸镀多晶硅薄膜工艺对其组织和性能的影响

核长大,从而转变为多晶结构;并且,高温能促使晶界的迁移,有利于原子扩散而占据晶格中的正确位置,具

有低表面能的晶粒将长得更大。

蒸发电流的大小,预热10min后将电流调至190A开始蒸发,同时利用粉末添加系统不断补给粉末。制备好的薄膜在真空中加热至800℃进行热处理,时间为6h。

2.2　基板温度对薄膜组织和性能的影响

对采用不同基板温度所制备的多晶硅薄膜样品进行AFM表面形貌分析,采用同一针尖成像,视场范围为10μm×10μm,薄膜表面形貌见图3。

1.2　检测方法

利用原子力显微镜(AJ-Ⅲ)、透射电子显微镜(H600A)分析样品的组织结构,利用耐压值测试仪

(VT-2020)测试样品的耐压值。

2　结果与讨论

2.1　退火对薄膜样品的影响

采用基板距离60mm、基板温度120℃制得的薄膜样品进行分析。图1给出了薄膜样品退火前后的TEM图像。从图1可以看出,薄膜样品退火前具有非晶态结构所特有的典型弥散环特征,而退火后则出现了多晶硅所特有的环形点衍射特征。

图3　多晶硅薄膜(不同基板温度)的AFM图Fig.3AFMimagesofpoly-Sithinfilms

图1　薄膜样品的TEM图Fig.1TEMofthethinfilmsamples

atdifferentsubstratetemperatures

比较几个图可以发现,基板温度为30℃时,薄膜结晶程度非常低,表现出非晶结构。基板温度在120,200,300℃时,薄膜结晶较好,并且随着基板温度的升

高,结晶度越高,晶粒尺寸也越大。这是由于当衬底温度较低时,反应粒子在薄膜表面的迁移能比较小,薄膜的生长速度也比较慢,从而使得非晶结构和空洞不断增多,薄膜的晶化率较低;随着衬底温度提高,粒子的表面扩散增强,易于形核并长大。

图4为采用不同基板温度所得多晶硅薄膜的耐压

图2为薄膜样品退火前后的AFM形貌。退火前的薄膜表面出现了分布不均匀的胞状颗粒;而退火后的薄膜表面存在直径约0.5μm的晶粒,且表面晶粒密度较大。真空蒸镀制备多晶硅薄膜时,由于镀膜比较薄,基体温度较低,结晶冷却速度过快,抑制了结晶

的形核和长大,因此得到非晶薄膜。非晶硅晶化的驱动力是相变过程中吉布斯自由能的减少,晶化所需要的激活能约为3eV,当进行退火处理时,外界加热为其提供了能量,从而使得非晶薄膜原子扩散迁移并形

图4　多晶硅薄膜(不同基板温度)的耐压值

图2　薄膜样品退火前后的AFM图

Fig.2AMFimagesof

thesamplebeforeandafterannealing

Fig.4Pressure-resistingvaluesofpoly-Sithinfilms

atdifferentsubstratetemperatures

　第40卷　　第2期　　2011年4月　　　Vol.40　No.2　Apr.2011

值曲线。从图4可以看出,随着基板温度的升高,耐压值先增大后减小,在120℃出现极大值。这是因为温度较低时,薄膜结晶度较低;而温度过高时,薄膜与基板的结合力受到了一定影响,且薄膜的厚度较小。

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值曲线。由图6可以看出,随着基板距离的增加,多晶硅薄膜的耐压值先增大后减小,当基板距离为60mm

时,耐压值达到最大值384.2V。这是因为基板距离较小或者较大时,薄膜的结晶程度都比较小,并且晶粒的分布不够均匀。

2.3　基板距离对薄膜组织和性能的影响

图5为采用不同基板距离所得多晶硅薄膜的AFM形貌。从图5可以看出,基板距离为40mm的

时候,薄膜层非常薄,且薄膜结晶度非常低;基板距离为50,60mm时所得多晶硅薄膜的结晶较好,薄膜层表面呈现出许多细小的晶粒;而基板距离为70mm时,结晶不明显。可见,当基底距离蒸发源较近或较远时,得到的薄膜结晶度都不高。这是由于基板距离太近时,蒸发的气体分子能量很高,气相分子从蒸发源入射到基体后,不进行能量交换,立即被反射回去;而基板距离如果较远,相对来说能量较小,不利于形核与长大。

3　结论

1)采用真空蒸镀法可在较低温度下获得非晶硅薄膜,退火晶化后转变为多晶结构,晶粒尺寸可达0.5μm。

2)在文中涉及的实验条件下,基板温度120℃、基板距离为60mm时所得多晶硅薄膜的结晶度较高,且晶粒大小均匀,其耐压值达384.2V。

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图6为采用不同基板距离所得多晶硅薄膜的耐压