如何测量Al上的氮化硅厚度

氮化硅薄膜作为电介质，钝化层，或掩膜材料被广泛应用于半导体产业。这个案例中，我们用F20-UVX成功地测量了硅基底上氮化硅薄膜的厚度，折射率，和消光系数。有趣的事，氮化硅薄膜的光学性质与薄膜的分子当量紧密相关。使用Filmetrics专有的氮化硅扩散模型，F20-UVX可以很容易地测量氮化硅薄膜的厚度和光学性质，不管他们是富硅，贫硅，还是分子当量。

东京大学的研究小组1日发表消息称，在氮化硅薄膜上观测到了热传导率越高的现象。其特征在于，使用了将负责热传导的晶格振动(声子)与光联系起来的“表面声子波里顿”。氮化硅被用于半导体元件的绝缘膜和保护膜，此次的成果在集成化和精细化中有助于促进容易发热的元件的散热。

表面声子波拉里顿散热的概念图(东京大学提供)

以往，已知在薄膜的表面上声子以高频率散射，热传导率大幅度变小。东京大学生产技术研究所特聘研究员和野村政宏教授等研究团队制作了与速度比声子快10万倍的光相结合的表面声子波里顿，调查了厚度不同的4种薄膜的热传导率。“-”

在厚度为200纳米的薄膜中，热导率随着温度的升高而降低。在100纳米的薄膜中，减少的趋势减缓了。研究表明，在50纳米和30纳米的薄膜中，随着温度的提高，热传导率变大，在塞氏约500度的高温下，大约是常温的两倍。

氮化硅薄膜的导热率。在厚度为100纳米和200纳米的薄膜(绿色和蓝色的点)中，导热率逐渐降低，而在30纳米和50纳米的薄膜(黑色和红色的点)中，导热率反而增加(东京大学提供)

此外，理论计算表明，表面声子波里顿薄膜越薄，又温度越高，则越大。据了解，表面声子波拉里顿在不散射的情况下推进的平均距离比单独声子要长得多。

这是首次在产业应用的氮化硅薄膜中定量地确定了热传导率的增加。野村副教授说：“我们得到了确凿的证据，表面声子波拉里顿已经在薄膜上成为重要的热传导载体。”？

从物质表面散热传导、辐射、对流这三种机制早已为人所知。如果表面声子波拉里顿产生的散热确立为第四种散热机制，将为进一步开发高集成元件铺平道路。研究成果于9月30日(美国东部时间)刊登在科学杂志“科学高级”上。

氮化硅，固体的Si3N4是原子晶体，是空间立体网状结构，每个Si和周围4个N共用电子对，每个N和周围3个Si共用电子对，空间几何能力比较强的话你可以自己想象一下......大体上是和金刚石中的碳原子结构类似，不过是六面体又称六方晶体。

是一种高温陶瓷材料，硬度大、熔点高、化学性质稳定 工业上常常采用纯Si和纯N2在1300度制取得到。

氮化硅是由硅元素和氮元素构成的化合物。在氮气气氛下，将单质硅的粉末加热到1300-1400°C之间，硅粉末样品的重量随着硅单质与氮气的反应递增。在没有铁催化剂的情况下，约7个小时后硅粉样品的重量不再增加，此时反应完成生成Si3N4。除了Si3N4外，还有其他几种硅的氮化物（根据氮化程度和硅的氧化态所确定的相对应化学式）也已被文献所报道。比如气态的一氮化二硅（Si2N）、一氮化硅（SiN）和三氮化二硅（Si2N3)。这些化合物的高温合成方法取决于不同的反应条件（比如反应时间、温度、起始原料包括反应物和反应容器的材料）以及纯化的方法。

Si3N4是硅的氮化物中化学性质最为稳定的（仅能被稀的HF和热的H2SO4分解），也是所有硅的氮化物中热力学最稳定的。所以一般提及“氮化硅”时，其所指的就是Si3N4。它也是硅的氮化物中最重要的化合物商品。

在很宽的温度范围内氮化硅都是一种具有一定的热导率、低热膨胀系数、弹性模量较高的高强度硬陶瓷。不同于一般的陶瓷，它的断裂韧性高。这些性质结合起来使它具有优秀的耐热冲击性能，能够在高温下承受高结构载荷并具备优异的耐磨损性能。常用于需要高耐用性和高温环境下的用途，诸如气轮机、汽车引擎零件、轴承和金属切割加工零件。美国国家航空航天局的航天飞机就是用氮化硅制造的主引擎轴承。氮化硅薄膜是硅基半导体常用的绝缘层，由氮化硅制作的悬臂是原子力显微镜的传感部件。 可在1300-1400°C的条件下用单质硅和氮气直接进行化合反应得到氮化硅： 3 Si(s) + 2 N2(g) → Si3N4(s) 也可用二亚胺合成 SiCl4(l) + 6 NH3(g) → Si(NH)2(s) + 4 NH4Cl(s) 在0 °C的条件下 3 Si(NH)2(s) → Si3N4(s) + N2(g) + 3 H2(g) 在1000 °C的条件下 或用碳热还原反应在1400-1450°C的氮气气氛下合成： 3 SiO2(s) + 6 C(s) + 2 N2(g) → Si3N4(s) + 6 CO(g) 对单质硅的粉末进行渗氮处理的合成方法是在二十世纪50年代随着对氮化硅的重新“发现”而开发出来的。也是第一种用于大量生产氮化硅粉末的方法。但如果使用的硅原料纯度低会使得生产出的氮化硅含有杂质硅酸盐和铁。用二胺分解法合成的氮化硅是无定形态的，需要进一步在1400-1500°C的氮气下做退火处理才能将之转化为晶态粉末，二胺分解法在重要性方面是仅次于渗氮法的商品化生产氮化硅的方法。碳热还原反应是制造氮化硅的最简单途径也是工业上制造氮化硅粉末最符合成本效益的手段。

电子级的氮化硅薄膜是通过化学气相沉积或者等离子体增强化学气相沉积技术制造的: 3 SiH4(g) + 4 NH3(g) → Si3N4(s) + 12 H2(g) 3 SiCl4(g) + 4 NH3(g) → Si3N4(s) + 12 HCl(g) 3 SiCl2H2(g) + 4 NH3(g) → Si3N4(s) + 6 HCl(g) + 6 H2(g) 如果要在半导体基材上沉积氮化硅，有两种方法可供使用： 利用低压化学气相沉积技术在相对较高的温度下利用垂直或水平管式炉进行。 等离子体增强化学气相沉积技术在温度相对较低的真空条件下进行。 氮化硅的晶胞参数与单质硅不同。因此根据沉积方法的不同，生成的氮化硅薄膜会有产生张力或应力。特别是当使用等离子体增强化学气相沉积技术时，能通过调节沉积参数来减少张力。

先利用溶胶凝胶法制备出二氧化硅，然后同时利用碳热还原法和氮化对其中包含特细碳粒子的硅胶进行处理后得到氮化硅纳米线。硅胶中的特细碳粒子是由葡萄糖在1200-1350°C分解产生的。合成过程中涉及的反应可能是： SiO2(s) + C(s) → SiO(g) + CO(g) 3 SiO(g) + 2 N2(g) + 3 CO(g) → Si3N4(s) + 3 CO2(g) 或 3 SiO(g) + 2 N2(g) + 3 C(s) → Si3N4(s) + 3 CO(g) 作为粒状材料的氮化硅是很难加工的——不能把它加热到它的熔点1850°C以上，因为超过这个温度氮化硅发生分解成硅和氮气。因此用传统的热压烧结技术是有问题的。把氮化硅粉末粘合起来可通过添加一些其他物质比如烧结助剂或粘合剂诱导氮化硅在较低的温度下发生一定程度的液相烧结后粘合成块状材料。但由于需要添加粘合剂或烧结助剂，所以这种方法会在制出的块状材料中引入杂质。使用放电等离子烧结是另一种可以制备更纯净大块材料的方法，对压实的粉末在非常短的时间内进行电流脉冲，用这种方法能在1500-1700°C的温度下得到紧实致密的氮化硅块状物。

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