为什么热丝CVD（HoFCVD）可以实现低温（室温-200℃）SiNx、SiNxOy、SiOx薄膜的制备？

【概要描述】

分类：技术服务
作者：Haibin Huang
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发布时间：2025-03-10
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在热丝CVD（HoFCVD）制备薄膜的反应过程中，其反应大致可以分为3个阶段：

1、气体分子与热丝表面的碰撞反应：

HoFCVD镀膜过程中，通过调节电流大小使热丝维持在一个极高的温度（2000K以上），当反应气体分子碰撞到高温热丝，高温热丝能够有效地裂解反应源产生相应的活性基团——Si、NH₂、O、H，同时也会有Si_xN_yO_zHa、Si_xN_y、Si_xN_yO_z等之类的复合或混合活性基团产生。它们的能量很高（从热丝表面脱离时，仅比热丝温度低几百K）。

图1. (a) 热丝温度＜室温; (b)室温＜热丝温度＜1000℃; (c)热丝温度＞1000℃

图1来源Matsumura etal. 2004

2、从热丝表面到衬底之间气相中的反应：

HoFCVD不依赖分子间碰撞产生活性基团，所以腔室内工艺气压可以很低（~1Pa）。又平均自由程反比于气压，相较于其他工艺气压较高的CVD设备，HoFCVD中的活性基团可以具有更大的平均自由程。因此通过调节热丝与载板间距，可以使HoFCVD中活性基团间几乎不发生碰撞。活性基团携带的能量在气相传输过程中因气体分子间碰撞造成损耗的概率和程度很低，得以携带更高的能量达到衬底表面。

3、在衬底表面的反应：

活性基团达到衬底表面后发生的一系列反应，此过程的剧烈程度取决于反应基团本身携带的能量（温度）和衬底温度二者的叠加。因此如果反应基团本身携带的能量足够高时，即使衬底表面温度较低（25℃~200℃），也足以生成SiNx、SiNxOy、SiOx等物质。

图2. 不同气源在HoFCVD设备中的反应过程

图3. SiH₃前驱体生长的Si薄膜生长模型。大圆表示Si原子，小圆表示H原子。

(a)Si原子在衬底表面上的运动，吸附和脱附达到平衡；(b)一些Si原子开始聚集，但一些Si原子仍然从表面脱附；

(c)聚集在衬底表面的Si原子数量超过临界成核的数量，然后，由于形核的吸引力，脱附受到抑制；(d)si薄膜开始生长。

再进一步，在衬底表面发生的反应又可细分为三个特征过程（可类比为：气-液-固三相反应）：

1)、衬底的极表面发生的气-固反应。各种气相基团与衬底表面的原子直接反应，发生沉积或者刻蚀。这个特征过程最为复杂，可发生的反应和同时发生的反应很多。这个过程中最经典的为硅薄膜的沉积及其逆反应硅薄膜被氢气刻蚀。

2)、基团在衬底表面的迁移和固相反应。硅薄膜中微晶成分的生产、氮化硅、氧化硅相的生产，均与该过程有很大关系。

3)、基团在形成固相薄膜后的应力调整和少量的基团的短程位置调整。生产薄膜中应力的调整、折射率的微小变化等。

所以，衬底加热对生成SiNx、SiNxOy、SiOx等薄膜的结晶性、细微结构、应力等性能指标是可以产生明显影响。但化学键结构和晶相结构的生成，最主要还是由活性基团本身的能量（HoFCVD中由热丝提供）决定的。同时，由于较长的平均自由程，HoFCVD气相中的副产物较少，有利于控制气-固反应。

综上，我们可以看出，热丝CVD中有两个温区，一个是高温热丝，另一个是衬底。主要由高温热丝给基团提供能量使其具有活性，而衬底温度仅起到辅助热的作用。热丝温度决定了反应基团的温度和生产的物质的主要化学键，衬底温度会促使薄膜结晶、应力改变等。在化学工业出版的《热丝化学气相沉积技术》一书中，第4章和第5章中的研究结果充分证明了这一点。汉可公司在基于热丝CVD技术的HoFCVD设备中也已成功在室温~ 200℃范围内制备了折射率可以低到1.7的SiNx薄膜和折射率达到1.5的SiNxOy薄膜。

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