MEMS应用中的TiN薄膜工艺研究

　　T iN 是一种非常优越的半导体材料, 其电阻率低, 熔点高、硬度大、化学性能稳定、对杂质有着极强的屏蔽能力, 被广泛用来作为CMOS 超大规模集成电路( ULSI) 中的扩散阻挡层和局部互联[ 1-3] . 除了优越的电学性能, TiN 还具有高硬度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗热震、密度低等优异的机械性能, 具体材料特性如表1 所示, 可满足多样化MEMS 应用需求. 如利用T iN 高熔点耐高温特性可用来制作加热器, 利用T iN 优异的机械性能可将其作为结构材料制备MEMS 器件, 及利用T iN 耐腐蚀耐磨损等特性可用其制作MEMS 结构的钝化保护层等.

　　TiN 材料的制备技术已经成熟, 但作为MEMS结构材料还需要研究它的应力控制, 刻蚀和钝化保护等特性, 为此需要从制备、热处理等方面对其进行调整与控制. 本论文研究了T iN 薄膜制备的方法,对薄膜的应力控制进行了初步的实验探索, 并研究了T iN 的刻蚀方法和抗腐蚀特性. 实验说明TiN 可以作为一种很有应用前景的MEMS 结构材料.

　　1 TiN 薄膜的制备及应力控制

　　1. 1 制备方法综述

　　TiN 薄膜可以通过化学汽相淀积( CVD) 、等离子体溅射或者电子束淀积等方法生成[ 6] . 目前最广泛的是物理汽相淀积( PVD) , 本文采用了反应射频溅射方法. 溅射法是利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点, 将离子引向欲被溅射的靶电极. 在离子能量合适的情况下, 入射粒子在与靶表面原子的碰撞过程中使靶原子溅射出来. 这些被溅射出来的原子将带有一定的动能, 并沿一定方向射向衬底, 从而实现在衬底上的薄膜淀积. 溅射过程中不同的工艺参数会影响TiN 薄膜的性能. 工作气压是一个重要的参数, 它对溅射率以及薄膜的质量都有很大的影响. 一般增加气体压力会使电子自由程减少, 原子电离几率增加, 溅射电流增加, 从而使溅射率提高, 也会使薄膜应力由大的压应力转变为大的张应力. 射频溅射中射频偏压会影响入射到基片上的离子的能量和角度分布, 进而影响薄膜质量, 一般偏压值的增大会使得应力由高张应力值转变为压应力. 溅射过程中的外部加热则会使应力更偏向于张应力区域[ 7] .

　　1. 2 TiN 薄膜制备

　　本论文使用仪器Rearch S-Gnn Ⅱ Trubosy stemsput tered Films Inc. 完成了TiN 薄膜溅射, 基于北京大学微米纳米加工技术国家重点实验室工艺条件, 实验保持基本工艺艺参数本底真空为5. 0 x10- 7 T orr, 靶尺寸为1. 50, 溅射功率为500 W, 主要研究了氩气氮气比和气体压力对TiN 薄膜性能的影响. 实验采用Si 衬底, 表面生长了SiO2 层作为绝缘层. 共进行了三批实验, 所用的实验片数分别为2、5、4, 具体氩气氮气比和气体压力参数如表2 所示. 所得TiN 薄膜的平均厚度分别为: 777 ! , 1167 ! , 584 ! .