文章來源：學習那些事

原文作者：小陳婆婆

多晶碳化硅和非晶碳化硅在薄膜沉積方面各具特色。多晶碳化硅以其廣泛的襯底適應性、制造優勢和多樣的沉積技術而著稱;而非晶碳化硅則以其極低的沉積溫度、良好的化學與機械性能以及廣泛的應用前景而受到關注。

常壓及低壓化學氣相沉積

1.1 常壓化學氣相沉積(APCVD)

在碳化硅MEMS技術的早期發展階段，常壓化學氣相沉積(APCVD)是主要的多晶碳化硅沉積技術。由于APCVD已廣泛用于電子器件中碳化硅薄膜的外延生長，因此將其擴展到多晶碳化硅的沉積相對容易。APCVD多晶碳化硅的生長通常使用最初為硅上3C-SiC異質外延生長設計的反應腔，包括立式和臥式兩種。

APCVD的生長方式：多晶碳化硅可以通過硅烷和丙烷等雙重前體實現生長，這些前體氣體分別提供硅和碳元素。也可以使用如六甲基乙硅烷(HMDS)的單一前體進行生長。

APCVD的特點：在這兩種生長方式中，都使用氫氣作為載體氣體，并在1050℃以上的溫度下實現化學計量比的多晶碳化硅薄膜的生長。然而，APCVD存在一些固有的缺點，如感應加熱的石墨基座限制了襯底的尺寸和反應腔的容量，從而限制了產量。沉積溫度高也是一個問題，因為無法在許多其他材料上沉積多晶碳化硅，并且對于與集成電路有關的單片集成來說也是一個挑戰。

1.2 低壓化學氣相沉積(LPCVD)

為了解決APCVD的缺點，低壓化學氣相沉積(LPCVD)應運而生。LPCVD是一種成熟的硅半導體和MEMS工藝技術，與APCVD相比具有許多優勢。

LPCVD的特點：LPCVD實現了對氣體輸運特性的精確控制，能夠沉積具有優異均勻性和極好臺階覆蓋的薄膜，這些特性對制造MEMS至關重要。LPCVD反應腔具有高純度、大尺寸晶片生產能力和多晶片容量的特性，對高質量薄膜的高產量生產極具吸引力。

LPCVD在碳化硅生長中的應用：LPCVD已被證明可用于生長具有廣泛電氣、機械和化學特性的多晶碳化硅薄膜。研究和實踐集中在開發用于大面積多晶片反應腔中的多晶碳化硅沉積工藝。目前，LPCVD工藝可用于直徑高達150mm的襯底上的薄膜沉積。

前體氣體的應用

在LPCVD中，多種單、雙前體氣體已被用于多晶碳化硅的生長。

單一前體：包括二硅丁烷(DSB)、三甲基硅烷和六甲基二硅氮烷等。其中，1,3-二硅丁烷是研究最多的前體，能夠在大約800℃的溫度下生產高質量的多晶碳化硅，并且可以在低至650℃的溫度下沉積非晶碳化硅。

雙前體：通常將硅烷或二氯硅烷用作硅的前體，而將甲烷、丁烷或乙炔用作碳的前體。二氯硅烷和乙炔的組合是雙前體LPCVD多晶碳化硅的主要選擇，因其在MEMS級薄膜上的早期生長和過程特性良好。

前體氣體的選擇對沉積工藝的影響：不同的前體氣體組合會影響沉積溫度、生長速率、薄膜的電學和機械性能等。基于二硅丁烷的LPCVD具有高共形性，是使MEMS結構具備耐磨和耐化學腐蝕涂層的理想特性。

隨著對LPCVD和多晶碳化硅生長工藝的不斷研究和實踐，技術成熟度不斷提高。目前，大多數MEMS器件都使用LPCVD技術沉積的薄膜制造，如耐高溫抗沖擊應變儀、惡劣環境加速計和用于氣缸內壓力測量的壓力傳感器等。

低壓化學氣相沉積摻雜

在MEMS應用中，多晶碳化硅的電導率可調性是一個關鍵特性，這通常通過在其生長過程中進行摻雜來實現。由于多晶碳化硅不適合采用擴散摻雜，因此需要在生長過程中向反應腔中添加摻雜劑前體來實現雜質原子的受控摻雜。

摻雜類型的選擇：在MEMS應用中，材料的導電性通常比雜質類型(N型或P型摻雜)更為重要。因此，氮摻雜的N型多晶碳化硅因其處理簡單而更受歡迎。與其他摻雜原子(如磷、鋁和硼)相比，氮在碳化硅中具有更低的電離能，這使得氮成為首選的摻雜劑。

摻雜的挑戰：盡管氮摻雜在碳化硅外延摻雜和晶錠生長中已得到廣泛應用，但在MEMS級多晶碳化硅中的摻雜卻相對困難。這主要是由于多晶碳化硅的材料特性和低溫沉積條件所致。摻雜前體必須在低溫下分解，而多晶碳化硅中晶界的存在也使得低溫下摻雜劑的摻入和載流子的輸運變得困難。摻雜原子在晶界的俘獲和原子遷移率的降低將直接影響生長過程，從而導致薄膜性質發生變化。

氨摻雜的研究：對于低溫沉積的多晶碳化硅，氨摻雜已進行了大量研究。Wijesundara等人成功地嘗試了在850℃下使用二硅丁烷生長多晶碳化硅的同時對其進行摻雜，將電阻率降低到了0.02Ω·cm。后來，在低至800℃的生長溫度下對多晶碳化硅的摻雜也證實了氨氣作為多晶碳化硅低溫沉積的摻雜前體的可行性。下圖展示了進料氣中氨的增加對碳化硅薄膜電阻率的影響曲線。

目前，氨氣已被廣泛用作單一前體和雙重前體沉積體系中沉積多晶碳化硅的摻雜前體。

摻雜對性能的影響：對多晶碳化硅進行摻雜的關鍵問題是如何在優化電性能的同時保持MEMS應用所需的機械性能。摻雜會導致生長速率、結晶度、晶粒尺寸、殘余應力等生長特性的變化，并影響多晶碳化硅的楊氏模量等機械性能。有研究者觀察到由摻雜變化引起的晶體質量的變化，指出晶格常數隨著摻雜濃度的增加而降低。此外，最近的研究還表明，由摻雜引起的晶粒尺寸的變化會影響彎曲模多晶碳化硅橫向諧振器的品質因數。這些結果表明，多晶碳化硅的機械性能和摻雜水平是相互影響的。

摻雜作為調整器件特性的工具：摻雜不僅可以用于調整多晶碳化硅的電導率，還可以作為調整器件特性的重要工具和手段來滿足工藝的需要。通過精確控制摻雜劑的種類、濃度和沉積條件，可以實現對多晶碳化硅薄膜性能的精細調控，從而滿足MEMS器件對材料性能的多樣化需求。

等離子體增強化學氣相沉積

等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)技術為制備能在惡劣環境下工作的MEMS結構材料提供了一種有效的方法。其中，非晶碳化硅因其理想的化學和機械性能而受到廣泛關注。PECVD非晶碳化硅的沉積溫度極低(<600℃)，這一特性使得它能夠集成到各種襯底中，成為碳化硅微系統制造的關鍵技術。

主要應用領域：PECVD非晶碳化硅的主要應用領域包括器件封裝、保護涂層和電介質層的形成。在器件封裝方面，它能夠提供優異的機械強度和化學穩定性;作為保護涂層，它能夠抵御惡劣環境的侵蝕;而在形成電介質層時，它則能展現出良好的電學性能。

沉積條件與薄膜性能：與其他沉積技術類似，PECVD非晶碳化硅薄膜的性能在很大程度上取決于沉積條件。通過調節沉積參數，如沉積溫度、壓力、等離子體功率和氣相組成，可以根據特定的應用需求和允許的最大熱預算來調整薄膜的性能。在傳統的PECVD反應腔中，通常使用加熱的襯底支架進行沉積。甲烷和硅烷是常用的前體材料，但也可以使用單一前體，如二硅丁烷或甲基硅烷。這些前體在等離子體的作用下發生化學反應，生成非晶碳化硅薄膜。

應力控制與退火處理：一般情況下，PECVD薄膜會表現出壓縮應力。然而，通過優化工藝條件，如降低等離子體功率和提高沉積溫度，可以將應力水平調整到所需值。有時，為了進一步降低應力水平，可能需要在450℃~600℃的溫度下進行沉積后的退火處理。

應用實例與潛力：PECVD生長的非晶碳化硅在MEMS制造中具有廣泛的應用潛力。它可以作為支架層，為MEMS器件提供穩定的支撐;同時，也可以作為最終的密封層，確保器件的密封性和可靠性。早期的研究還表明，PECVD非晶碳化硅可用于封裝領域，如下圖所示。

該圖展示了使用PECVD非晶碳化硅封裝的圓形裂膜的SEM俯視圖。

然而，需要注意的是，由于PECVD非晶碳化硅的導電性不足，它難以成為獨立的MEMS材料。因此，在實際應用中，可能需要結合其他導電材料或進行額外的處理以滿足特定的電學性能要求。

離子束輔助沉積技術

離子束輔助沉積(IBAD)是一種結合物理沉積與離子轟擊的薄膜制備技術。該技術利用濺射沉積或蒸發沉積作為物理沉積手段，并通過輔助離子源對沉積表面進行離子轟擊，以實現薄膜的致密化、改性界面生成或復合材料制備。

系統構成與操作模式：IBAD系統通常配備有濺射離子源(靶材)和輔助離子源(離子轟擊源)。輔助離子源的配置可根據應用需求進行調整。例如，使用稀有氣體(如氬氣)電離的離子進行轟擊，可以致密化沉積的薄膜或在襯底與薄膜之間生成改性界面。當輔助離子源提供反應性離子(如氧離子或氮離子)時，可以在生長表面生成復合材料，如金屬氧化物或氮化物。

應用領域：IBAD薄膜被廣泛用作磁性薄膜、保護涂層和硬涂層。在磁性薄膜領域，IBAD技術可以制備具有優異磁性能的薄膜材料。作為保護涂層和硬涂層，IBAD薄膜能夠顯著提高基材的耐磨性、耐腐蝕性和硬度。

復合薄膜的制備：為了使用IBAD技術形成諸如碳化硅的復合薄膜，通常需要采用雙離子束系統，并為每種類型的元素配置單獨的靶材。這是因為使用離子束濺射時，兩種元素的濺射速率可能不一致，導致難以形成化學計量的復合薄膜。然而，通過優化濺射條件和選擇合適的靶材，可以制備出具有理想化學計量比的碳化硅薄膜。

沉積參數與薄膜性能：IBAD薄膜的沉積速率、應力和化學計量比等性能受多種沉積參數的影響。沉積速率主要取決于濺射源的離子通量，通常在5~15nm/min之間。沉積薄膜的應力屬于壓縮應力，受沉積溫度、沉積壓力、沉積角度和輔助離子等因素的影響。隨著沉積溫度的升高，應力水平會降低;較高的沉積壓力會導致壓縮應力的減小;沉積角度的變化會影響堆積密度和壓縮應力;而輔助離子則會增加壓縮應力并微調化學計量比。

可視化沉積與蝕刻孔密封：IBAD技術的一個獨特特點是濺射粒子從靶材中出來時具有高定向性，因此可以使用準直離子束進行濺射。這一特性使得IBAD技術能夠實現沉積過程的可視化，對封裝時蝕刻孔的密封非常有利。通過IBAD技術沉積的密封層可以清晰地覆蓋蝕刻孔，而不會造成不必要的質量負載。

晶圓級封裝與真空封裝：IBAD技術在晶圓級封裝和真空封裝方面具有巨大的潛力。由于沉積通常是在較低的腔體壓力下進行的，可以大大降低制備的振動MEMS器件的空氣阻尼。此外，可視化沉積可用于創建獨特的MEMS器件，如使用掩模板技術制備的3D微結構。IBAD技術沉積的非晶碳化硅薄膜具有較高的熱穩定性，因此在高溫應用中具有很大的潛力。

磁控濺射沉積

磁控濺射沉積作為一種低溫沉積技術，與等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)具有諸多相似之處，且該技術有望實現化學計量碳化硅的生長，為MEMS器件的制造提供了新可能。

磁控濺射沉積的特點與優勢：磁控濺射沉積技術通過磁場控制電子的運動軌跡，有效提高了濺射效率和沉積速率，同時降低了基片的溫度。這一特點使得磁控濺射沉積成為低溫沉積非晶碳化硅薄膜的理想選擇。與PECVD相比，磁控濺射沉積無需使用含氫的前體材料，因此可以避免氫元素對薄膜性能的影響，從而制備出無氫的非晶碳化硅薄膜。

磁控濺射沉積在碳化硅MEMS制造中的應用：在碳化硅MEMS制造中，磁控濺射沉積技術具有諸多優勢。首先，該技術可以在較低溫度下生長出高質量的碳化硅薄膜，避免了高溫處理對電子器件性能的影響。其次，磁控濺射沉積技術具有高度的可控性，可以通過調節濺射參數來精確控制薄膜的成分、結構和性能。此外，該技術還可以與離子注入等工藝相結合，實現碳化硅微結構的直接合成，無需通過蝕刻步驟即可制造MEMS器件。

磁控濺射沉積面臨的挑戰與研究方向：盡管磁控濺射沉積技術在碳化硅MEMS制造中展現出巨大的潛力，但仍面臨一些挑戰。首先，對碳化硅薄膜機械和電氣性能的控制仍需進一步研究。由于磁控濺射沉積過程中涉及復雜的物理和化學過程，因此需要對沉積參數進行精確調控，以實現薄膜性能的優化。其次，薄膜應力和應力梯度的控制也是一個需要解決的問題。離子注入等工藝可能導致薄膜應力的增加，從而影響MEMS器件的性能和可靠性。

碳化硅MEMS制造技術的未來展望：隨著碳化硅MEMS技術的不斷發展，對沉積技術的革新提出了更高的要求。低溫沉積工藝是實現全碳化硅微系統應用的關鍵。磁控濺射沉積技術作為一種具有低溫沉積能力的技術，有望在碳化硅MEMS制造中發揮越來越重要的作用。未來，需要進一步加強磁控濺射沉積技術的研究與開發，推動其在碳化硅MEMS制造中的廣泛應用。同時，還需要探索與其他先進工藝的集成方法，以實現更復雜、更高性能的碳化硅微系統的制造。