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）

（畢節市大數據產業發展中心 貴州 畢節 551700）

0 引言

SiO2薄膜作為絕緣層主要應用于微機電系統（micro?electro?mechanical system，MEMS），SiO2薄膜的殘余應力是影響MEMS 薄膜材料力學性能的一個重要方面，它不僅影響薄膜特性，而且對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、淀積工藝以及溫度過程中，由于基底材料與SiO2薄膜的差異，不可避免地會產生殘余應力。 采用等離子體增強化學的氣相沉積法（plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD）淀積生成的SiO2的殘余應力表現為壓應力，且殘余應力主要表現為內應力，它是殘余應力的主要部分［2］。 對于內應力的來源較為復雜，像晶格失配、雜質原子的存在、晶界弛豫、原子空位的去除、化學反應、再結晶、相變等［3］。 雖然殘余應力不會立即成為MEMS 器件缺陷，但長時間的應力積累容易導致MEMS 器件失效。SiC 基底與SiO2薄膜作為鍵合材料常用于航天發動機壓力傳感器，如果SiO2／SiC 結構壓應力過大，會使SiO2薄膜發生翹曲、裂痕等，導致薄膜與基底之間的黏附力減小，嚴重時會使薄膜與基底脫離［4］，使得壓力傳感器因密封性惡化而失效。 研究表明，SiO2膜的內應力基本與膜厚無關，當膜厚超過500 nm 以后壓應力略有上升趨勢［5］，但國內對4 H?SiC 襯底上高厚度的SiO2薄膜的內應力及致密性和SiO2薄膜在高溫處理下的性能變化機制較少。

本文采用PECVD 在厚度370 μm 的4 H?SiC 襯底上生長厚度2 μm 的SiO2薄膜，再將樣品置于大氣環境下分別經600 ℃、700 ℃、800 ℃和900 ℃高溫下處理1 h。 針對高溫處理后SiO2薄膜內應力、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力，采用SE850 橢偏儀測試SiO2薄膜的折射率和密度。

1 測試原理

1.1 薄膜結構圖

圖1 為本次測試樣品的結構示意圖，采用PECVD 工藝在4H?SiC 襯底上生長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 薄膜的結構示意圖

在實際薄膜生成過程中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 結構常用于航空航天發動機壓力傳感器，長期工作在高溫高壓下，SiO2薄膜的殘余應力、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物體表面的微觀幾何形狀成像后做定性分析評估，分析內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、景深大等特點，是表面形貌分析的主要儀器之一。 本次采用Inspect F50 SEM 觀測薄膜斷面樣品的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 殘余應力測試

當薄膜厚度均勻、滿足各向同性、薄膜厚度遠小于基底厚度時，可采用輪廓法測量得到輪廓曲線［6］，進而通過Stoney 公式計算得到SiO2薄膜殘余應力。 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，即為計算應力所需的曲率半徑，將曲率半徑代入Stoney 公式計算薄膜的殘余應力。 對于單層薄膜，Stoney 公式為式（1）所示：

式（1）中，σf為薄膜的應力，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 折射率及密度測試

根據洛倫茲理論，SiO2薄膜的折射率與SiO2密度存在相關關系，經過橢偏儀測試得到折射率后，即可求出SiO2薄膜密度。 本次采用單一界面層結構橢偏模型，通過SE850橢偏儀測試得到SiO2薄膜的折射率，再通過SiO2薄膜的折射率數值來確定SiO2薄膜的密度，從而表征SiO2薄膜的致密性。 根據SiO2晶體和非晶體的數據統計分析結果，SiO2折射率與密度的關系可以表示為式（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 結果與討論

2.1 斷面晶體形貌

圖2 為不同處理條件下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 結構的界面層。 隨著處理溫度的升高，SiO2薄膜的晶體形貌由混合的準晶體向單晶轉變，并且出現少量的非晶態。 高溫處理的溫度越高，非晶態增加，顆粒聚集增多。

圖2 不同處理條件下SiO2 薄膜的SEM 斷面晶體形貌

由圖2 可知，當處理條件為環境溫度800 ℃、時間1 h時，SiO2薄膜斷面非晶態較少，界面過渡層SiCxOy明顯變厚。

2.2 薄膜殘余應力

圖3 為不同處理條件SiO2／SiC 結構樣品的中心應力，經過AMBiOS XP－200 型輪廓儀掃描SiO2／SiC 樣品表面，擬合曲線后求得SiO2／SiC 結構薄膜表面曲率半徑和殘余應力，SiO2薄膜中心應力主要表現為壓應力，壓應力起源于成膜過程“埋”入膜內大量的無序物質。 隨著處理溫度的增加，SiO2薄膜的中心應力下降趨勢很明顯，這種趨勢主要是由于膜中無序物質被激活并重新排列所引起的［8］。從中心應力隨高溫處理的溫度變化情況可以發現，當處理條件為環境溫度800 ℃、時間1 h 時，SiO2／SiC 結構樣品的殘余應力較小，而未做處理以及處理溫度過高的SiO2／SiC結構殘余應力較大。 因此，800 ℃左右高溫處理環境下，能夠降低SiO2／SiC 結構界面殘余應力。

圖3 不同處理條件下SiO2 薄膜的中心應力

2.3 薄膜折射率及密度

圖4 為不同處理條件下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薄膜樣品的處理條件為環境溫度800 ℃、時間1 h 時，折射率最大，致密性最好。當處理條件為環境溫度900 ℃、時間1 h 時，折射率和致密性稍有降低，這是隨著溫度的升高，SiO2薄膜樣品的非晶態的增多和大量的顆粒聚集造成的結果。

圖4 不同處理條件下SiO2 薄的折射率和密度

3 結語

經過斷面形貌觀測、中心應力和折射率測試及薄膜密度計算可知，4 H?SiC 襯底上SiO2薄膜樣品在處理條件為環境溫度800 ℃、時間1 h 時，SiO2／SiC 結構中心應力最小，折射率最大，致密性最好，SiO2薄膜斷面非晶態較少。研究表明，環境溫度800 ℃高溫處理能夠降低SiO2／SiC 結構界面的殘余應力，提升SiO2薄膜的致密性