为什么使用氮化硅薄膜？

氮化硅薄膜窗格是一个在微电子、微机电系统和先进材料科学中非常重要的概念。 简单来说，氮化硅薄膜窗格指的是在硅片等基底上，通过特定工艺沉积一层非常薄（通常是纳米到微米级别）的氮化硅薄膜，然后通过光刻和刻蚀技术，在这层薄膜上制作出微小的、规则或不规则的开口或窗口结构。

1. 为什么使用氮化硅薄膜？

氮化硅是一种性能极其优异的工程陶瓷材料，作为薄膜具有以下关键优势：

• 优异的机械强度与韧性： 氮化硅薄膜非常坚固，能够承受很大的机械应力，同时具有一定的弹性。这使得它非常适合作为微结构（如MEMS传感器中的振膜）的支撑层或保护层。

• 卓越的化学惰性： 它对大多数酸、碱和溶剂都具有极高的抵抗能力（除了热磷酸和氢氟酸）。这一特性使其成为理想的钝化层和刻蚀阻挡层。

• 良好的绝缘性： 氮化硅是优秀的电绝缘体，常用于集成电路中的绝缘层。

• 高密度和低针孔率： 高质量沉积的氮化硅薄膜非常致密，能有效阻挡水分、钠离子等污染物的扩散，保护敏感的电子元件。

• 对可见光和红外光透明： 在某些应用中，它可以作为光学窗口。

2. “窗格”是如何形成的？

“窗格”的形成是微纳加工技术的核心步骤，通常包括：

1. 薄膜沉积： 首先在硅片基底上沉积一层连续的氮化硅薄膜。常用的方法有：

• 低压化学气相沉积（LPCVD）： 可获得应力可控、高质量、均匀的薄膜，是MEMS领域的标准工艺。

• 等离子体增强化学气相沉积（PECVD）： 沉积温度较低，适合后端工艺，但薄膜质量（如密度、应力）通常不如LPCVD。

2. 光刻：

• 在氮化硅薄膜上涂覆一层光刻胶。

• 通过掩膜版（上面有设计好的窗格图案）用紫外线进行曝光。

• 显影后，光刻胶上就留下了与窗格图案相对应的开口。

3. 刻蚀：

• 使用化学或物理方法将没有光刻胶保护的氮化硅区域去除。

• 干法刻蚀（反应离子刻蚀，RIE）： 是目前的主流方法，可以产生侧壁垂直、精度高的窗格。

• 湿法刻蚀：       使用热磷酸等化学品，各向同性，可能会产生横向钻蚀，精度较低。

4. 去胶与清洗： 去除剩余的光刻胶，并对硅片进行清洗，最终得到带有精确窗格图案的氮化硅薄膜结构。

3. 主要应用领域

氮化硅薄膜窗格是许多高科技产品的关键组成部分：

• 集成电路（IC）制造：

• 局部氧化（LOCOS）的掩蔽层： 这是最经典的应用之一。氮化硅作为氧化阻挡层，在需要生长场氧的区域开出窗格，硅只有在窗格处才会被氧化，从而定义出晶体管的活性区。

• 钝化层：       作为芯片最外层的保护膜，防止划伤和环境污染。上面的窗格用于露出焊盘，以便进行引线键合。

• 微机电系统（MEMS）：

• 体硅微加工中的刻蚀掩膜：       氮化硅对某些硅刻蚀剂（如KOH、TMAH）具有极高的抵抗能力。因此，在需要进行深度硅刻蚀的区域开出窗格，氮化硅薄膜会保护其他区域不被刻蚀。

• 传感器膜片：       例如压力传感器或麦克风，氮化硅薄膜本身就是一个非常薄且坚固的振膜。窗格可能用于背腔的释放或作为参考压力通道。

• 纳米孔：       在超薄的氮化硅薄膜上制作出纳米级别的窗格（纳米孔），用于DNA测序等生物传感应用。

• 光电子和显示技术：

• 作为红外传感器或探测器（如热成像仪）的保护窗口。

• 在微显示器件中作为微镜或光学结构的支撑层。

• 先进封装：

• 在晶圆级封装中，用于定义互连点或密封空腔。

4. 关键考量因素

在设计和使用氮化硅薄膜窗格时，工程师需要重点关注：

• 薄膜应力： 沉积过程中产生的内应力（张应力或压应力）至关重要。过大的应力会导致薄膜卷曲、翘曲甚至破裂。需要通过工艺参数（如LPCVD的温度、反应气体比例）精确控制。

• 窗格尺寸和形状： 窗格的尺寸（从微米到纳米级）、纵横比（深度与宽度之比）和轮廓（垂直或倾斜的侧壁）直接影响器件的性能。

• 粘附性： 氮化硅薄膜与基底（通常是硅，有时是二氧化硅）的粘附必须非常牢固。

• 选择性刻蚀： 在刻蚀氮化硅窗格时，必须对下方的材料（如硅或二氧化硅）有很高的刻蚀选择比，反之亦然。

总结

氮化硅薄膜窗格是现代微加工技术的基石之一。它将氮化硅材料的优异性能与光刻技术的图形化能力相结合，使得在微小尺度上构建复杂的结构和功能成为可能。从我们口袋里的手机芯片到汽车中的安全气囊传感器，再到前沿的基因测序仪，其背后都可能有着这些微小而坚固的“窗格”在发挥着关键作用。