为什么热丝CVD（HoFCVD）可以实现低温（室温-200℃）薄膜的制备？

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分类：技术服务
作者：Haibin Huang
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发布时间：2025-04-03
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以SiNx:H为例，在热丝CVD（HoFCVD）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、H，同时也会有Si_xN_yH_a、SiH_y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. NH3和SiH4在热丝表面的分解示意图（热丝温度2000K）；NH3在热丝表面分解出H和NH2，而分解出的NH2和H碰撞还会反应生成NH和H2; SiH4在热丝表面分解出H和Si。

2.从热丝表面到衬底之间气相中的反应：

因为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），这些活性基团和气体分子间发生碰撞的概率低，这导致活性基团携带的能量在气相传输过程中与气体分子发生碰撞造成损耗的概率和程度很低，从而导致这些活性基团得以携带很高的能量达到衬底表面。同时，碰撞概率低，意味着气相中发生的副反应更少，副产物也更少。

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的剧烈程度取决于反应基团本身携带的能量（温度）以及衬底温度二者的叠加。因此，由于HoFCVD中活性基团能量足够高，在衬底表面即使不进行加热，反应基团携带的能量也足以高到可以反应生成SiNx。

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，可发生的反应以及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，以及逆反应的硅薄膜被氢气刻蚀。

图2. 非晶硅薄膜生长表面模型。去除覆盖在表面上的H原子是薄膜正常生长的关键。

图来源：Matsumura H, Umemoto H, Gleason K K, et al. Catalytic chemical vapor deposition: technology and applications of Cat-CVD[M]. John Wiley & Sons, 2019.

图3. 非晶硅表面的Si-Si弱键被氢刻蚀

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薄膜的结晶性、细微结构、应力等性能指标是明显影响的。

HoFCVD设备由于活性基团平均自由程较大，所以气相中副反应更少，有以下两个优点：一是有更多利于成膜的活性基团（如Si、NH基团）直接落到衬底表面，镀膜速度更快；二是有更多的H原子到达膜层表面，可以对质量较差的区域形成刻蚀以及钝化作用，同时可以带走膜层表面的H，降低膜层氢含量。

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。所以，在HoFCVD中，在低的衬底温度下也可以实现很多种薄膜的制备。

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