MEMS器件中一般需要復(fù)雜的膜層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一方面可以單一作為鈍化層，介電層，犧牲層，一方面可以利用他們的組合形成多層結(jié)構(gòu)，用于應(yīng)力的匹配等。常用的薄膜有氧化硅、氮化硅，它們的質(zhì)量對于器件的加工和性能具有關(guān)鍵作用。

薄膜的生長方法主要有常壓化學(xué)氣相沉積（APCVD），低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)、等離子體化學(xué)氣相沉積(PECVD)等，常壓和低壓由于工藝溫度比較高，制備的薄膜具有較高的質(zhì)量，但是不適用已經(jīng)含有金屬膜層的器件。而PECVD由于其強(qiáng)大的兼容性，可以在室溫到400℃左右調(diào)節(jié)，使其成為使用頻率最高的鍍膜設(shè)備。

圖1給出了常見的PECVD設(shè)備，主要有以下幾部分組成：

1）射頻電極（上電極）：提供分解原料氣體的電場能量，使原料氣體產(chǎn)生等離子體；

2）晶圓電極（下電極）：提供晶圓的載體以及晶圓的加熱；；

3）真空泵：用于提供氣體流動(dòng)的壓力以及降低氣體分解需要的能量；

4）原料氣體：一般氧化硅為SiH₄，N₂O，N₂，氮化硅為SiH₄，NH₃,N₂，硅烷提供硅源，N₂O提供氧源，N₂為運(yùn)輸載體。

圖1

圖2給出了二氯甲硅烷和氫氣的CVD過程，硅烷首先在射頻電極的作用下分解為等離子體，反應(yīng)物向襯底表面擴(kuò)散并產(chǎn)生吸附；然后，兩者反應(yīng)物在襯底表面發(fā)生反應(yīng)，形成硅和反應(yīng)產(chǎn)物；最后反應(yīng)產(chǎn)物脫附和擴(kuò)散，一般反應(yīng)產(chǎn)物為氣態(tài)。

圖2

根據(jù)CVD的化學(xué)反應(yīng)過程，那么如何控制參數(shù)來實(shí)現(xiàn)我們想要的薄膜呢？如圖3左所示，其中，薄膜延x方向的厚度與生長速率息息相關(guān)，進(jìn)一步影響薄膜的質(zhì)量，生長概率參數(shù)一般為固定值，反應(yīng)氣體濃度取決于氣體輸送效率，反應(yīng)的活化能取決于射頻的功率以及施加在晶圓的溫度。那么我們當(dāng)將整體薄膜拆分為無數(shù)個(gè)x時(shí)，定位一點(diǎn)的薄膜實(shí)際質(zhì)量主要受到兩部分反應(yīng)速度影響：1)反應(yīng)氣體從主氣流傳輸?shù)交灞砻娴乃俣?，通過氣壓和氣體流量控制；2）化學(xué)反應(yīng)的速率，通過溫度、射頻功率控制。圖3右給出了溫度與薄膜厚度的影響，紅線代表氣體輸送速率，綠線代表反應(yīng)速率，當(dāng)氣流和氣壓比大且溫度較高時(shí)，反應(yīng)主要受到質(zhì)量傳輸速率的限制，相反則受到質(zhì)量傳輸速率的限制。

圖3

那我們?nèi)绾瓮ㄟ^PECVD中的各相參數(shù)來優(yōu)化到所需的性質(zhì)呢？以PECVD制備氧化硅為例，常用的PECVD設(shè)備中包括以下幾項(xiàng)參數(shù)：硅烷、一氧化二氮、氮?dú)獾牧髁?、腔體壓力、射頻功率、下極板溫度。根據(jù)芯云了解，參數(shù)的調(diào)控方向大致如下：

1）通過硅烷和一氧化二氮的比例來調(diào)節(jié)薄膜的介電性能和應(yīng)力，往往硅烷/一氧化二氮的值越大，薄膜的介電性能越差，硅烷的濃度越大，薄膜的應(yīng)力越小。

2）通過射頻功率和氮?dú)獾牧髁靠刂瞥练e的速率，射頻影響等離子體的能量，氮?dú)鉃檫\(yùn)輸載體，起到稀釋反應(yīng)氣體作用。

3）通過下極板溫度調(diào)控薄膜生長的致密度和應(yīng)力，往往溫度越高，薄膜的致密度越好，溫度越高，薄膜趨向于拉應(yīng)力。

4）在相同的流量條件下，通過腔體壓力調(diào)控薄膜的應(yīng)力。

通過上述整體工藝的優(yōu)化，可以制備出應(yīng)力在-260MPa～+50MPa的氧化硅薄膜，-100MPa～+500MPa的氮化硅薄膜。