Synthesis and characterization of porous polysilicon deposited in a vertical LPCVD reactor
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2021-05-18
Department
Major/Subject
Chemistry
Mcode
CHEM3023
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
66+5
Series
Abstract
The purpose of this thesis was to find out right process parameters for deposition of porous polycrystalline silicon in a vertical LPCVD reactor. The process window for porous polysilicon is narrow and the parameters vary depending on the used reactor. Chemical vapor deposition (CVD) is used for thin film deposition. Different CVD methods produce films with varying properties and quality. Polycrystalline silicon is deposited with CVD and process conditions affect the structure and properties of deposited film. Polysilicon is a versatile material used in for example surface micromachining. The literature review focuses on CVD, reaction kinetics of CVD and different CVD methods. In addition to that, the properties and structure of polysilicon and fabrication of porous polysilicon are discussed. In the experimental part, the effect of process parameters on deposited polysilicon films were studied by changing process temperature, pressure, and gas flows. The films were characterized by measuring thickness, refractive index, and residual stress. The permeability was tested by wet etching of underlying silicon dioxide film in 50% HF solution for 3 minutes. Etch rate of films in HF vapor was also studied. IR microscope was used to study the etching results. Results showed that increasing process temperature made polysilicon films more permeable and decreased residual stress and refractive index. Deposition rate increased with increased temperature and decreased with decreased pressure. All the films deposited at 590 °C were completely permeable with compressive residual stress. The films deposited at 584 °C with pressure of 450 mTorr were almost permeable and had low tensile stress. Increasing gas flow made the uniformities worse, hence best film was deposited in run 7 at 584 °C, at pressure 450 mTorr with lower gas flows, silane flows 190 and 170 sccm, with average residual stress of 12 ± 15 MPa. How film thickness affects permeability was studied with reference run and experimental run 7 parameters and it was noticed that films with thickness over 200 nm became impermeable. To improve the thickness uniformities, the parameters were optimized. This was done by adjusting gas flow from 190/170 sccm to 185/164 sccm and by decreasing temperature in the lowest temperature zone from 607 °C to 603.7 °C. This improved the Wafer-to-Wafer Uniformity from 3.7 % to 2.1 % and average Within Wafer Uniformity from 5.5 % to 4.7 %.Tämän työn tarkoituksena oli selvittää oikeat prosessiparametrit huokoisen monikiteisen piin kasvatukseen vertikaalisessa LPCVD reaktorissa. Huokoisen monikiteisen piin prosessi-ikkuna on kapea ja parametrit vaihtelevat käytettävän reaktorin mukaan. Kemiallista kaasufaasipinnoitusta (Chemical vapor deposition, CVD) käytetään ohutkalvojen kasvatuksessa. Erilaisilla CVD-menetelmillä tehdään ohutkalvoja, joiden ominaisuudet ja laatu vaihtelevat. Monikiteistä piitä kasvatetaan CVD:n avulla ja prosessin olosuhteet vaikuttavat ohutkalvon rakenteeseen ja ominaisuuksiin. Monikiteinen pii on monipuolinen materiaali, jota käytetään esimerkiksi piikiekon pinnan mikrotyöstössä (surface micromachining). Kirjallisuusosio keskittyy CVD:in, CVD:n reaktiokinetiikkaan ja erilaisiin CVD-menetelmiin. Tämän lisäksi käsitellään monikiteisen piin ominaisuuksia ja rakennetta, sekä huokoisen piin valmistusta. Kokeellisessa osiossa tutkittiin prosessiparametrien vaikutusta monikiteisen huokoisen piin kasvatukseen ja ominaisuuksiin vaihtelemalla prosessin lämpötilaa, painetta ja kaasuvirtauksia. Ohutkalvoja karakterisoitiin mittaamalla paksuus, taitekerroin ja jäännösjännitys. Kalvon läpäisevyys testattiin etsaamalla alla olevaa piidioksidia 50% HF liuoksessa kolmen minuutin ajan. Etsausnopeutta tutkittiin myös HF-höyryssä. IR-mikroskooppia käytettiin etsaustulosten tutkimiseen. Tulokset osoittivat, että prosessilämpötilan nostaminen teki monikiteisistä piikalvoista läpäisevämpiä ja alensi jäännösjännitystä sekä taitekerrointa. Kasvunopeus kasvoi lämpötilan kasvaessa ja pieneni paineen laskiessa. Kaikki kalvot, jotka tehtiin 590 °C lämpötilassa, olivat kokonaan läpäiseviä ja niillä oli negatiivinen jäännösjännitys. Lämpötilassa 584 °C ja 450 mTorr paineessa kasvatetut ohutkalvot olivat lähes läpäiseviä ja niiden jäännösjännityksen arvo oli todella alhainen ja positiivinen. Kaasuvirran suurentaminen huononsi kalvojen tasaisuutta, joten paras kalvo tehtiin ajossa 7 584 °C:ssa, 450 mTorr paineessa, pienemmällä kaasuvirtauksella, silaanivirtaukset 190 ja 170 sccm, jolloin keskimääräinen jäännösjännitys oli 12 ± 15 MPa. Vertailuajon ja ajon 7 avulla tutkittiin kuinka kalvonpaksuus vaikuttaa sen läpäisevyyteen ja huomattiin, että yli 200 nm paksut kalvot olivat läpäisemättömiä. Kalvonpaksuuden tasaisuuden parantamiseksi ajoa 7 optimoitiin. Tämä tehtiin säätämällä kaasuvirrat 190/170 sccm:stä 185/164 sccm:iin ja alentamalla lämpötilaa alimmalla lämpötila-alueella 607 °C:sta 603.7 °C:seen. Tämä paransi kiekkojen välistä tasaisuutta 3.7 %:sta 2.1 %:iin ja kiekon sisäisen tasaisuuden keskiarvo parani 5.5 %:sta 4.7 %:iin.Description
Supervisor
Karppinen, MaaritThesis advisor
Saloniemi, HeiniKeywords
LPCVD, porous polysilicon, HF etching, sacrificial oxide