PECVD制備光學(xué)氮化硅薄膜均勻性分析研究

劉昊軒+杭凌俠+薛俊

摘要： 采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）技術(shù)制備的光學(xué)薄膜，其均勻性受到多種工藝參數(shù)的影響，在這些參數(shù)中，一類(lèi)是沉積過(guò)程的工藝參數(shù)；另一類(lèi)則是設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)決定著反應(yīng)腔室內(nèi)氣流分布、以及電場(chǎng)分布等。通過(guò)改變沉積過(guò)程的工藝參數(shù)和一組正交試驗(yàn)，分析各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)均勻性的影響，從而改善氮化硅薄膜均勻性。

關(guān)鍵詞： PECVD； 光學(xué)薄膜； 均勻性

中圖分類(lèi)號(hào)： TN 304文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.019

引言隨著真空鍍膜技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用，對(duì)光學(xué)薄膜均勻性的要求也越來(lái)越高。任何一種有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的薄膜都對(duì)膜厚分布有特定的要求，除了少數(shù)特殊場(chǎng)合外，絕大多數(shù)情況下都要求薄膜厚度盡可能均勻一致。薄膜均勻性的優(yōu)劣直接影響到各個(gè)光學(xué)設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)也對(duì)產(chǎn)品的一致性以及器件的性能有著非常重要的影響。薄膜均勻性是衡量薄膜質(zhì)量和鍍膜裝置性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其在光學(xué)、光電等器件的加工工藝中起著重要作用[13]。薄膜厚度的均勻性是指同基片單位面積上只能存在允許范圍內(nèi)的膜厚誤差分布，以此保證膜系光學(xué)特性不會(huì)隨表面位置而變化[4]。研究膜厚均勻性對(duì)生產(chǎn)型的企業(yè)來(lái)說(shuō)具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，優(yōu)良的膜厚均勻性意味著可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品單批次產(chǎn)量最大化提高一次合格率，可以降低生產(chǎn)成本實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化，有利于公司的發(fā)展和提高公司在光學(xué)制造行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力[5]。鍍膜工序是光學(xué)產(chǎn)品生產(chǎn)加工的重要環(huán)節(jié)之一，因此致力于膜厚均勻性的研究和掌握膜厚分布理論并運(yùn)用理論分析修正膜厚均勻性十分必要[68]。PECVD（plasma enhanced chemical vapor deposition）即等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)是借助于輝光放電等離子體使含有薄膜組成的氣態(tài)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)薄膜材料生長(zhǎng)的一種制備技術(shù)[910]。由于PECVD技術(shù)是通過(guò)氣體放電來(lái)制備薄膜的，有效地利用了非平衡等離子體的反應(yīng)特征，從根本上改變了反應(yīng)體系的能量供給方式[1112]。本文采用PECVD技術(shù)制備光學(xué)薄膜，重點(diǎn)討論薄膜鍍制過(guò)程中的各個(gè)工藝參數(shù)變化對(duì)光學(xué)薄膜厚度均勻性的影響。選取不同反應(yīng)腔體內(nèi)溫度、工作氣壓、射頻電源功率以及反應(yīng)時(shí)間鍍制高折射率光學(xué)薄膜（SixNy），通過(guò)一組不同工藝參數(shù)的均勻性正交試驗(yàn)，改善高折射率薄膜的制備工藝。

1試驗(yàn)及樣片制備

1.1樣片制備實(shí)驗(yàn)采用PECVD1201 型等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)作為薄膜沉積設(shè)備。選取直徑為150 mm的B270玻璃基底，使用正交試驗(yàn)所獲取的最佳工藝參數(shù)制備氮化硅（SixNy），具體參數(shù)為：硅烷取標(biāo)況下50 ml/min、氮?dú)馊?biāo)況下50 ml/min、溫度300 ℃、反應(yīng)氣壓20 Pa、射頻功率150 W、沉積時(shí)間30 min，重復(fù)三次。采用M2000UI橢圓偏振儀對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行折射率和厚度的測(cè)試，選用Cauchy模型進(jìn)行擬合，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

使用實(shí)驗(yàn)選取的最佳工藝參數(shù)鍍制氮化硅（SixNy）薄膜。所獲得的氮化硅薄膜能夠有效地將折射率非均勻性以及幾何厚度非均勻性控制在5%以下，從而制備了均勻性良好的光學(xué)薄膜。

1.2氮化硅薄膜均勻性正交試驗(yàn)

使用北京創(chuàng)世維納PECVD1201型等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積儀器，采用兩圓型平行平板作為上下

電極，射頻電源頻率為13.56 MHz。上極板采用淋浴頭型多孔結(jié)構(gòu)（ 單個(gè)孔徑0.5 mm）。在直徑為150 mm，厚度為1 mm的B270基底上沉積 SixNy薄膜。反應(yīng)氣體為硅烷（SiH4）以及氮?dú)猓∟2），采用實(shí)驗(yàn)獲取的最佳工藝參數(shù)：硅烷，標(biāo)況下50 ml/min，氮?dú)?，?biāo)況下50 ml/min。設(shè)計(jì)四因素（反應(yīng)溫度、反應(yīng)氣壓、等離子體功率、反應(yīng)時(shí)間）三水平正交試驗(yàn)L9（34）工藝參數(shù)如表2所示。

實(shí)驗(yàn)樣品采用M2000UI橢圓偏振儀進(jìn)行折射率和厚度的測(cè)試，選用Cauchy模型進(jìn)行擬合。每組樣片上按如圖1選取六個(gè)點(diǎn)進(jìn)行折射率以及幾何厚度擬合。薄膜幾何厚度非均勻性計(jì)算公式為d=dmax-dmind—（1）折射率非均勻性計(jì)算公式為n=nmax-nminn—（2）在Φ150 mm的B270基底上選取的六個(gè)測(cè)試點(diǎn)位置以及序號(hào)如圖1所示，九組試驗(yàn)中六個(gè)位置的折射率以及幾何厚度如表3所示。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論采用PECVD法制備光學(xué)薄膜影響均勻性的主要因素有：腔體的真空度、真空室溫度、反應(yīng)氣壓、射頻電源功率以及薄膜厚度等。因此本節(jié)主要分析和討論樣品均勻性與各個(gè)工藝參數(shù)之間的關(guān)系。

2.1腔體真空度對(duì)光學(xué)薄膜均勻性的影響腔體真空度是鍍膜工藝中最基本的參數(shù)。膜厚均勻性與等離子體在腔內(nèi)受殘余氣體的碰撞相關(guān)。當(dāng)真空室等離子體的平均自由程大于勻流板與基底間的距離時(shí)，就會(huì)獲得充分的真空。為此增加殘余氣體的平均自由程，借以減少等離子體化的反應(yīng)氣體與殘余氣體分子間的碰撞幾率，使真空室處于高真空狀態(tài)是必備條件。值得注意的是：真空鍍膜過(guò)程中對(duì)真空度的要求并非越高越好，因?yàn)樵谡婵帐覂?nèi)真空度超越1×10-5 Pa時(shí)，必須對(duì)真空系統(tǒng)加熱烘烤去氣才能達(dá)到。由于長(zhǎng)時(shí)間烘烤去氣會(huì)對(duì)基底造成損傷，因此在不經(jīng)過(guò)烘烤去氣即可得到1×10-4 Pa的高真空環(huán)境下鍍膜，其膜厚均勻性不一定比超高真空下所制備的薄膜質(zhì)量差。

2.2腔體溫度對(duì)光學(xué)薄膜均勻性的影響真空室中基底溫度的分布往往是不均勻的，這與真空室內(nèi)加熱源的位置、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、能量大小等因素有關(guān)，通常托盤(pán)中間部分與邊緣部分的溫度差可達(dá)幾攝氏度。這樣由于凝聚系數(shù)的差異，溫度高的地方膜厚勢(shì)必比溫度低的地方薄，所以要通過(guò)一系列溫控手段來(lái)合理地改變真空室中溫度場(chǎng)的分布。一方面，升高基底溫度，則會(huì)增加沉積在基底表面上顆粒的能量，使基地表面上的顆粒運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)，從而使反應(yīng)生成物聚集成團(tuán)；另一方面，提高基底溫度，有利于用顆粒填補(bǔ)薄膜表面缺陷，從而使薄膜表面均勻性得到提高。然而，增加基底溫度，會(huì)減慢沉積速率，使得表面顆粒沒(méi)有足夠的運(yùn)動(dòng)時(shí)間聚集成團(tuán)或者島，破壞膜層的均勻性。如圖2（a）所示，對(duì)于薄膜均勻性選取腔體溫度為250 ℃時(shí)為最佳。

2.3射頻功率對(duì)光學(xué)薄膜均勻性的影響在沉積室內(nèi)建立高壓電場(chǎng)，反應(yīng)氣體在一定氣壓和高壓電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生輝光放電，反應(yīng)氣體被激發(fā)成非常活躍的分子、原子、離子和原子團(tuán)構(gòu)成的等離子體，大大降低了反應(yīng)所需的溫度，加速了化學(xué)成膜反應(yīng)過(guò)程，提高了沉積速率。增加射頻功率，則會(huì)提高氣體的激活率，進(jìn)而使得膜層的結(jié)構(gòu)致密，也就提高了薄膜的均勻性。如果一味增加射頻功率，則會(huì)導(dǎo)致沉積速率過(guò)快，薄膜的結(jié)構(gòu)疏松，針孔密度增加，反而會(huì)破壞膜層的均勻性。當(dāng)功率過(guò)高時(shí)，還會(huì)對(duì)基底材料產(chǎn)生輻射損傷。如圖2（c）所示，當(dāng)射頻功率選取150 W時(shí)，可以得到更好的薄膜均勻性。

2.4反應(yīng)氣壓對(duì)薄膜均勻性的影響反應(yīng)壓強(qiáng)體現(xiàn)了反應(yīng)室中反應(yīng)氣體的濃度，氣體濃度越高，氣體被分解得到的活性等離子體密度也越大，到達(dá)基底表面聚集成薄膜的速率也越快，所以反應(yīng)壓強(qiáng)直接影響PECVD技術(shù)鍍制光學(xué)薄膜的質(zhì)量。沉積壓強(qiáng)較高（如30 Pa）時(shí)，沉積室中的反應(yīng)氣體濃度較高，分解得到較多活性等離子體，產(chǎn)生的濃度梯度很大，導(dǎo)致薄膜迅速生長(zhǎng)。而過(guò)快的反應(yīng)速率，則會(huì)導(dǎo)致過(guò)多的反應(yīng)生成物無(wú)法均勻地在基地表面生長(zhǎng)，從而影響整個(gè)膜層的均勻性。如圖2（b）所示，說(shuō)明30 Pa的反應(yīng)壓強(qiáng)無(wú)法較好地控制PECVD制備光學(xué)氮化硅薄膜的均勻性。沉積壓強(qiáng)合適（如20 Pa）時(shí)，沉積室中的反應(yīng)氣體濃度適中，分解得到活性等離子體向基底運(yùn)動(dòng)，利于氮化硅薄膜的均勻生長(zhǎng)。所以沉積的光學(xué)氮化硅薄膜整齊，分布均勻，密度大，雜質(zhì)少。如圖2（b）所示，說(shuō)明20 Pa的反應(yīng)壓強(qiáng)適中，能夠較好地控制PECVD制備光學(xué)氮化硅薄膜的均勻性。

2.5反應(yīng)時(shí)間對(duì)薄膜均勻性的影響反應(yīng)時(shí)間直接決定薄膜的幾何厚度。若反應(yīng)設(shè)備在沉積薄膜過(guò)程中，由于設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者工藝參數(shù)原因?qū)е铝送粯悠痪鶆虻哪ず穹植?，那么隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，沉積速率快慢不同的位置上膜厚差距將會(huì)逐漸增大，從而破壞薄膜的均勻性。因而當(dāng)選取了適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)時(shí)，反應(yīng)時(shí)間對(duì)于光學(xué)薄膜均勻性的影響就被大幅度削弱了，如圖2（d）所示。由表5可知，正交試驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間因素的極差小于其他因素的極差值。3結(jié)論通過(guò)實(shí)驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果分析，本文明確了PECVD制備光學(xué)薄膜時(shí)各工藝參數(shù)對(duì)薄膜均勻性的影響；通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，并在直徑為150 mm厚度為1 mm的B270玻璃基底上通過(guò)最佳工藝參數(shù)（硅烷：標(biāo)況下50 ml/min、氮?dú)猓簶?biāo)況下50 ml/min、溫度300 ℃、反應(yīng)氣壓20 Pa、射頻功率150 W、沉積時(shí)間30 min）成功制備了均勻性≤3%，消光系數(shù)為10-4數(shù)量級(jí)的氮化硅光學(xué)薄膜。為以后通過(guò)PECVD法制備單層或多層光學(xué)薄膜提供了參考。

2.3射頻功率對(duì)光學(xué)薄膜均勻性的影響在沉積室內(nèi)建立高壓電場(chǎng)，反應(yīng)氣體在一定氣壓和高壓電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生輝光放電，反應(yīng)氣體被激發(fā)成非?；钴S的分子、原子、離子和原子團(tuán)構(gòu)成的等離子體，大大降低了反應(yīng)所需的溫度，加速了化學(xué)成膜反應(yīng)過(guò)程，提高了沉積速率。增加射頻功率，則會(huì)提高氣體的激活率，進(jìn)而使得膜層的結(jié)構(gòu)致密，也就提高了薄膜的均勻性。如果一味增加射頻功率，則會(huì)導(dǎo)致沉積速率過(guò)快，薄膜的結(jié)構(gòu)疏松，針孔密度增加，反而會(huì)破壞膜層的均勻性。當(dāng)功率過(guò)高時(shí)，還會(huì)對(duì)基底材料產(chǎn)生輻射損傷。如圖2（c）所示，當(dāng)射頻功率選取150 W時(shí)，可以得到更好的薄膜均勻性。

2.4反應(yīng)氣壓對(duì)薄膜均勻性的影響反應(yīng)壓強(qiáng)體現(xiàn)了反應(yīng)室中反應(yīng)氣體的濃度，氣體濃度越高，氣體被分解得到的活性等離子體密度也越大，到達(dá)基底表面聚集成薄膜的速率也越快，所以反應(yīng)壓強(qiáng)直接影響PECVD技術(shù)鍍制光學(xué)薄膜的質(zhì)量。沉積壓強(qiáng)較高（如30 Pa）時(shí)，沉積室中的反應(yīng)氣體濃度較高，分解得到較多活性等離子體，產(chǎn)生的濃度梯度很大，導(dǎo)致薄膜迅速生長(zhǎng)。而過(guò)快的反應(yīng)速率，則會(huì)導(dǎo)致過(guò)多的反應(yīng)生成物無(wú)法均勻地在基地表面生長(zhǎng)，從而影響整個(gè)膜層的均勻性。如圖2（b）所示，說(shuō)明30 Pa的反應(yīng)壓強(qiáng)無(wú)法較好地控制PECVD制備光學(xué)氮化硅薄膜的均勻性。沉積壓強(qiáng)合適（如20 Pa）時(shí)，沉積室中的反應(yīng)氣體濃度適中，分解得到活性等離子體向基底運(yùn)動(dòng)，利于氮化硅薄膜的均勻生長(zhǎng)。所以沉積的光學(xué)氮化硅薄膜整齊，分布均勻，密度大，雜質(zhì)少。如圖2（b）所示，說(shuō)明20 Pa的反應(yīng)壓強(qiáng)適中，能夠較好地控制PECVD制備光學(xué)氮化硅薄膜的均勻性。

2.5反應(yīng)時(shí)間對(duì)薄膜均勻性的影響反應(yīng)時(shí)間直接決定薄膜的幾何厚度。若反應(yīng)設(shè)備在沉積薄膜過(guò)程中，由于設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者工藝參數(shù)原因?qū)е铝送粯悠痪鶆虻哪ず穹植?，那么隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，沉積速率快慢不同的位置上膜厚差距將會(huì)逐漸增大，從而破壞薄膜的均勻性。因而當(dāng)選取了適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)時(shí)，反應(yīng)時(shí)間對(duì)于光學(xué)薄膜均勻性的影響就被大幅度削弱了，如圖2（d）所示。由表5可知，正交試驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間因素的極差小于其他因素的極差值。3結(jié)論通過(guò)實(shí)驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果分析，本文明確了PECVD制備光學(xué)薄膜時(shí)各工藝參數(shù)對(duì)薄膜均勻性的影響；通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，并在直徑為150 mm厚度為1 mm的B270玻璃基底上通過(guò)最佳工藝參數(shù)（硅烷：標(biāo)況下50 ml/min、氮?dú)猓簶?biāo)況下50 ml/min、溫度300 ℃、反應(yīng)氣壓20 Pa、射頻功率150 W、沉積時(shí)間30 min）成功制備了均勻性≤3%，消光系數(shù)為10-4數(shù)量級(jí)的氮化硅光學(xué)薄膜。為以后通過(guò)PECVD法制備單層或多層光學(xué)薄膜提供了參考。

2.3射頻功率對(duì)光學(xué)薄膜均勻性的影響在沉積室內(nèi)建立高壓電場(chǎng)，反應(yīng)氣體在一定氣壓和高壓電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生輝光放電，反應(yīng)氣體被激發(fā)成非?；钴S的分子、原子、離子和原子團(tuán)構(gòu)成的等離子體，大大降低了反應(yīng)所需的溫度，加速了化學(xué)成膜反應(yīng)過(guò)程，提高了沉積速率。增加射頻功率，則會(huì)提高氣體的激活率，進(jìn)而使得膜層的結(jié)構(gòu)致密，也就提高了薄膜的均勻性。如果一味增加射頻功率，則會(huì)導(dǎo)致沉積速率過(guò)快，薄膜的結(jié)構(gòu)疏松，針孔密度增加，反而會(huì)破壞膜層的均勻性。當(dāng)功率過(guò)高時(shí)，還會(huì)對(duì)基底材料產(chǎn)生輻射損傷。如圖2（c）所示，當(dāng)射頻功率選取150 W時(shí)，可以得到更好的薄膜均勻性。

2.4反應(yīng)氣壓對(duì)薄膜均勻性的影響反應(yīng)壓強(qiáng)體現(xiàn)了反應(yīng)室中反應(yīng)氣體的濃度，氣體濃度越高，氣體被分解得到的活性等離子體密度也越大，到達(dá)基底表面聚集成薄膜的速率也越快，所以反應(yīng)壓強(qiáng)直接影響PECVD技術(shù)鍍制光學(xué)薄膜的質(zhì)量。沉積壓強(qiáng)較高（如30 Pa）時(shí)，沉積室中的反應(yīng)氣體濃度較高，分解得到較多活性等離子體，產(chǎn)生的濃度梯度很大，導(dǎo)致薄膜迅速生長(zhǎng)。而過(guò)快的反應(yīng)速率，則會(huì)導(dǎo)致過(guò)多的反應(yīng)生成物無(wú)法均勻地在基地表面生長(zhǎng)，從而影響整個(gè)膜層的均勻性。如圖2（b）所示，說(shuō)明30 Pa的反應(yīng)壓強(qiáng)無(wú)法較好地控制PECVD制備光學(xué)氮化硅薄膜的均勻性。沉積壓強(qiáng)合適（如20 Pa）時(shí)，沉積室中的反應(yīng)氣體濃度適中，分解得到活性等離子體向基底運(yùn)動(dòng)，利于氮化硅薄膜的均勻生長(zhǎng)。所以沉積的光學(xué)氮化硅薄膜整齊，分布均勻，密度大，雜質(zhì)少。如圖2（b）所示，說(shuō)明20 Pa的反應(yīng)壓強(qiáng)適中，能夠較好地控制PECVD制備光學(xué)氮化硅薄膜的均勻性。

2.5反應(yīng)時(shí)間對(duì)薄膜均勻性的影響反應(yīng)時(shí)間直接決定薄膜的幾何厚度。若反應(yīng)設(shè)備在沉積薄膜過(guò)程中，由于設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者工藝參數(shù)原因?qū)е铝送粯悠痪鶆虻哪ず穹植迹敲措S著反應(yīng)時(shí)間的增加，沉積速率快慢不同的位置上膜厚差距將會(huì)逐漸增大，從而破壞薄膜的均勻性。因而當(dāng)選取了適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)時(shí)，反應(yīng)時(shí)間對(duì)于光學(xué)薄膜均勻性的影響就被大幅度削弱了，如圖2（d）所示。由表5可知，正交試驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間因素的極差小于其他因素的極差值。3結(jié)論通過(guò)實(shí)驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果分析，本文明確了PECVD制備光學(xué)薄膜時(shí)各工藝參數(shù)對(duì)薄膜均勻性的影響；通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，并在直徑為150 mm厚度為1 mm的B270玻璃基底上通過(guò)最佳工藝參數(shù)（硅烷：標(biāo)況下50 ml/min、氮?dú)猓簶?biāo)況下50 ml/min、溫度300 ℃、反應(yīng)氣壓20 Pa、射頻功率150 W、沉積時(shí)間30 min）成功制備了均勻性≤3%，消光系數(shù)為10-4數(shù)量級(jí)的氮化硅光學(xué)薄膜。為以后通過(guò)PECVD法制備單層或多層光學(xué)薄膜提供了參考。