PECVD工藝對(duì)SiOxNy光學(xué)薄膜紅外吸收 特性的影響*

李松曉，杭凌俠

(西安工業(yè)大學(xué) 陜西省薄膜技術(shù)與光學(xué)檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710021)

氮氧化硅(SiOxNy)材料是一種重要的光學(xué)薄膜材料，其折射率隨成分比例的不同而不同，介于二氧化硅及氮化硅薄膜之間，兼具二者的光學(xué)特性[1-2].近年來(lái)SiOxNy光學(xué)薄膜在可見(jiàn)光區(qū)的漸變折射率薄膜設(shè)計(jì)與制造中得到了初步應(yīng)用，文獻(xiàn)[3-4]研究了SiNxOy薄膜在可見(jiàn)光區(qū)的應(yīng)用，通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)，以SiH4(由Ar稀釋至10%)、NH3和N2O作為反應(yīng)氣體，在K9玻璃基底上，將SiNxOy梯度折射率薄膜制備成光學(xué)減反膜.SiOxNy薄膜在紅外區(qū)的研究與應(yīng)用，目前主要是利用薄膜的吸收特性將其作為熱探測(cè)器的選擇性吸收層材料，文獻(xiàn)[5-6〗等研究了SiOxNy薄膜在電學(xué)方面作為熱探測(cè)器的選擇性吸收層材料的應(yīng)用，并提出了相對(duì)介電常數(shù)和禁帶寬度分別受到氧含量和氮含量的影響，而相對(duì)介電常數(shù)和禁帶寬度均隨著Si-H鍵含量的上升(N-H鍵含量減少)而變?nèi)?在長(zhǎng)波紅外窗口波長(zhǎng)8～12 μm內(nèi)，對(duì)于如何減小SiOxNy薄膜吸收特性研究的較少，研究SiOxNy光學(xué)薄膜在紅外區(qū)的應(yīng)用特性有助于拓展該薄膜在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍.文獻(xiàn)[7]等研究了SiOxNy薄膜組分含量不同，會(huì)影響Si-O、Si-N、Si-H和N-H鍵的形成，從而導(dǎo)致氮氧化硅薄膜在紅外區(qū)吸收峰位發(fā)生變化.文獻(xiàn)[8]等研究了PECVD技術(shù)可以控制制造不同折射率的SiOxNy薄膜，從而可以滿(mǎn)足漸變折射率光學(xué)薄膜的制造需求.文獻(xiàn)[9]，文獻(xiàn)[10]等研究了通過(guò)控制射頻功率、工作溫度、工作壓強(qiáng)可以將光學(xué)薄膜的折射率消光系數(shù)控制在小于10-5，射頻功率范圍在100～400 W，工作壓強(qiáng)范圍在20～45 Pa，工作溫度在100～300 ℃，可以將光學(xué)薄膜的消光系數(shù)控制在小于10-2.因此，通過(guò)改變SiOxNy薄膜的工藝參數(shù)，可以影響SiOxNy薄膜的光學(xué)特性.

文中采用PECVD技術(shù)在Ge基底上沉積折射率為1.60的SiOxNy薄膜，在控制折射率和消光系數(shù)的前提下，改變SiOxNy薄膜的厚度及制備工藝(功率、溫度、壓強(qiáng))，研究SiOxNy薄膜在長(zhǎng)波紅外窗口波長(zhǎng)8～12 μm內(nèi)因本征吸收而導(dǎo)致的紅外吸收特性的變化規(guī)律.

1 實(shí)驗(yàn)方法與過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

在控制折射率和消光系數(shù)的前提下，改變不同薄膜厚度及制備工藝，從而探索SiOxNy薄膜在紅外波段吸收特性與沉積厚度和工藝參數(shù)的變化規(guī)律.通常吸收薄膜的吸收隨厚度增加而增大，通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)可以將消光系數(shù)的控制小于10-2，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)SiOxNy薄膜本征吸收的探索.

選用雙拋的Ge片作為樣品基片，對(duì)于鍺基底上采用PECVD技術(shù)沉積n=1.60的氮氧化硅薄膜，選取最佳的工藝參數(shù)，在鍺基底上沉積氮氧化硅薄膜，再通過(guò)改變其工藝參數(shù)：射頻功率、工作溫度、工作壓強(qiáng)，采用傅里葉紅外光譜(波數(shù)范圍為1 000～10 000 cm-1)對(duì)SiOxNy薄膜進(jìn)行分析，并用UI-2000型橢偏儀測(cè)量薄膜的厚度和折射率.通過(guò)控制SiOxNy薄膜的折射率和消光系數(shù)，探索SiOxNy薄膜紅外吸收峰隨工藝參數(shù)變化的規(guī)律.

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 不同沉積厚度實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，工藝參數(shù)為SiH4 60 sccm、N2O 20 sccm、NH3 40 sccm、射頻功率200 W、溫度300 ℃、工作壓強(qiáng)30 Pa，選取不同的反應(yīng)時(shí)間,沉積折射率n=1.60、厚度分別為100 nm，150 nm，200 nm，250 nm，300 nm的SiOxNy薄膜.

1.2.2 不同沉積功率、溫度、壓強(qiáng)實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，工藝參數(shù)為SiH4 60 sccm、N2O 20 sccm、NH3 40 sccm，在消光系數(shù)的控制小于10-2時(shí)，即射頻功率范圍100～400 W，工作壓強(qiáng)范圍20～45 Pa，工作溫度100～300 ℃，通過(guò)改變SiOxNy薄膜的沉積的工藝參數(shù)(功率、溫度、壓強(qiáng))，研究不同工藝參數(shù)對(duì)SiOxNy薄膜紅外吸特性的影響.根據(jù)前期課題組對(duì)設(shè)備制造工藝的研究，對(duì)工藝參數(shù)分別選取不同變化間距，其中功率間距為50 W，共5組實(shí)驗(yàn)；溫度間距為100 ℃，共3組實(shí)驗(yàn)；壓強(qiáng)℃為10 Pa，共3組實(shí)驗(yàn).

2 結(jié)果與討論

2.1 不同厚度對(duì)SiOxNy薄膜紅外吸收特性的影響

在真空度情況不變的實(shí)驗(yàn)情況下，保持其他參數(shù)不變，改變反應(yīng)的時(shí)間，即在射頻200 W、 溫度300 ℃、壓強(qiáng)30 Pa，SiH4 60 sccm、N2O 20 sccm、NH3 40 sccm，反應(yīng)不同的時(shí)間沉積SiOxNy薄膜.用橢偏儀測(cè)試該薄膜的折射率、消光系數(shù)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，用紅外傅里葉變換光譜儀測(cè)試該薄膜的透過(guò)率，測(cè)試結(jié)果如圖1所示.

表1 不同厚度的SiOxNy薄膜折射率和消光系數(shù)表Tab.1 Refractive index and extinction coefficient of SiOxNy thin-filmsof different thickness

圖1 不同厚度SiOxNy薄膜透過(guò)率曲線圖

通過(guò)Tfcalc 軟件對(duì)不同厚度SiOxNy薄膜的透過(guò)率進(jìn)行仿真模擬，仿真過(guò)程中，不考慮SiOxNy薄膜的吸收，如圖2所示.

SiOxNy薄膜中存在Si-Si鍵，所以該薄膜在可見(jiàn)光及近紅外區(qū)存在吸收.SiOxNy薄膜組分含量不同，會(huì)影響Si-O、Si-N、Si-H和N-H鍵的形成，從而導(dǎo)致氮氧化硅薄膜在紅外區(qū)吸收峰位發(fā)生變化，Si-O、Si-N鍵的形成使得吸收峰峰值波長(zhǎng)向短波移動(dòng).

從圖1可以得到在3 μm、4.2 μm、11 μm處，SiOxNy薄膜存在吸收峰，且在11 μm處SiOxNy薄膜的吸收峰值較大，吸收光譜波段較寬，隨著薄膜厚度的增加，SiOxNy薄膜吸收值也增大，波長(zhǎng)變化范圍為9～11.5 μm，吸收峰的位置沒(méi)有明顯變化；通過(guò)Tfcalc 軟件對(duì)不同厚度SiOxNy薄膜的透過(guò)率進(jìn)行仿真模擬，從圖2可以看出，在近紅外區(qū)對(duì)于不同厚度的薄膜，其透過(guò)率的值不同，且隨著薄膜厚度的增強(qiáng)，透過(guò)率的值增大，這是由于薄膜存在干涉現(xiàn)象，不同厚度的薄膜干涉值不同，從而不同厚度的薄膜在近紅外區(qū)的透過(guò)率不同.

圖2 不同厚度SiOxNy薄膜的Tfcalc 軟件透過(guò)率圖

通過(guò)圖1和圖2比較得出，在SiOxNy薄膜的工藝制造中，SiOxNy薄膜存在一定的吸收，在3 μm、4.2 μm處，吸收值小且波段較窄，在8～12 μm紅外波段，薄膜吸收值大且波段較寬，不可忽略.

2.2 不同沉積功率對(duì)SiOxNy薄膜紅外吸收特性的影響

在真空度情況不變的實(shí)驗(yàn)情況下，保持氣體流量比不變，通過(guò)改變SiOxNy薄膜沉積功率，沉積厚度為200 nm折射率為1.60的SiOxNy薄膜，采用橢偏儀測(cè)試該薄膜的厚度、折射率、消光系數(shù)，得到結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 不同沉積功率的SiOxNy薄膜光學(xué)特性表

用紅外傅里葉變換光譜儀測(cè)試該薄膜的透過(guò)率得到的結(jié)果如圖3所示.從圖3可以得到在3 μm的近紅外和11 μm的遠(yuǎn)紅外波段處，SiOxNy薄膜存在吸收.對(duì)于不同沉積功率的SiOxNy薄膜在8～12 μm紅外波段內(nèi)的吸收峰大小不變，吸收峰的位置存在微小的變化，波長(zhǎng)變化范圍為10～11 μm，即在工藝實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)功率變化范圍是100～300 W時(shí)，隨著沉積功率的增加，SiOxNy薄膜在8～12 μm紅外波段內(nèi)的吸收峰的峰值保持不變，吸收峰位置向長(zhǎng)波方向移動(dòng).

圖3 不同沉積功率的SiOxNy薄膜透過(guò)率圖

2.3 不同沉積溫度對(duì)SiOxNy薄膜紅外吸收特性的影響

在真空度情況不變的實(shí)驗(yàn)情況下，保持氣體流量比不變，通過(guò)改變SiOxNy薄膜沉積溫度，沉積厚度為200 nm，折射率為1.60的SiOxNy薄膜，對(duì)沉積SiOxNy薄膜用橢偏儀測(cè)試該薄膜的厚度、折射率、消光系數(shù)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，用紅外傅里葉變換光譜儀測(cè)試該薄膜的透過(guò)率得到的結(jié)果如圖4所示.

表3 不同沉積溫度的SiOxNy薄膜光學(xué)特性表

從圖4可以得到在3 μm的近紅外和11 μm的遠(yuǎn)紅外波段處，SiOxNy薄膜存在吸收峰，對(duì)于不同沉積溫度的SiOxNy薄膜在8～12 μm紅外波段內(nèi)吸收峰的峰值大小不同，即在工藝實(shí)驗(yàn)中，隨著沉積溫度的增大，SiOxNy薄膜在8～12 μm紅外波段內(nèi)吸收峰的峰值減小，波長(zhǎng)變化范圍為10～11.5 μm，吸收峰位置不變.

圖4 不同沉積溫度的SiOxNy薄膜透過(guò)率圖

2.4 不同沉積壓強(qiáng)對(duì)SiOxNy薄膜紅外吸收特性的影響

在真空度情況不變的實(shí)驗(yàn)情況下，保持氣體流量比不變，通過(guò)改變SiOxNy薄膜沉積壓強(qiáng)，沉積厚度為200 nm，折射率為1.60的SiOxNy薄膜，對(duì)沉積SiOxNy薄膜用橢偏儀測(cè)試該薄膜的厚度、折射率、消光系數(shù)，得到結(jié)果見(jiàn)表4，用紅外傅里葉變換光譜儀測(cè)試該薄膜的透過(guò)率得到的結(jié)果如圖5所示.

表4 不同沉積壓強(qiáng)的SiOxNy薄膜光學(xué)特性表Tab.4 The optical characteristics of SiOxNy thin-films under different pressure

圖5不同沉積壓強(qiáng)的SiOxNy薄膜透過(guò)率圖

Fig.5 The transmittance of SiOxNythin-films under different deposition pressure

從圖5可以得到在3 μm的近紅外和11 μm的遠(yuǎn)紅外波段處，SiOxNy薄膜存在吸收峰，對(duì)于不同沉積壓強(qiáng)的SiOxNy薄膜在在8～12 μm紅外波段內(nèi)吸收峰的峰值大小不同，即在工藝實(shí)驗(yàn)中，隨著沉積壓強(qiáng)的增大，SiOxNy薄膜在8～12 μm紅外波段內(nèi)吸收峰的峰值減小，波長(zhǎng)變化范圍為10～11 μm，吸收峰位置不變.

3 結(jié) 論

1) 不同厚度的SiOxNy薄膜吸收峰的峰值大小不同，在9～11.5 μm紅外波段內(nèi)，隨著厚度的增加，薄膜的吸收率也增大，吸收峰的位置無(wú)明顯變化.

2) 不同沉積功率、溫度、壓強(qiáng)對(duì)SiOxNy薄膜的吸收率和吸收峰的位置影響不同，在10～11.5 μm紅外波段內(nèi)，隨著沉積功率的增加，吸收峰的峰值大小沒(méi)有明顯變化，吸收峰位置向長(zhǎng)波方向移動(dòng)；隨著沉積溫度和壓強(qiáng)的增大，吸收峰的峰值減小，吸收峰位置沒(méi)有明顯變化.

3) 下一步的研究工作，擬在控制折射率和消光系數(shù)的前提下，通過(guò)改變SiOxNy薄膜的厚度和制造工藝參數(shù)來(lái)控制薄膜的紅外吸收特性.

參考文獻(xiàn)：

[1] 范正修.光學(xué)薄膜及其進(jìn)展[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2011,31(9):131.

FAN Zhengxiu.Optical Thin-film and Its Progress[J].Acta Optica Sinica,2011,31(9):131.(in Chinese)

[2] 王曉泉,汪雷.PECVD淀積氮化硅薄膜性質(zhì)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2004,25(3):341.

WANG Xiaoquan,WANG Lei.Study of the Properties of Deposition SiOxNyThin-films by PECVD[J].Acta Energiae Solaris Sinica,2004,25(3):341.(in Chinese)

[3] 杭凌俠,張霄,周順.PECVD工藝參數(shù)對(duì)SiO2薄膜光學(xué)性能的影響[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(2): 227.

HANG Lingxia,ZHANG Xiao,ZHOU Shun.Study of the Effect of PECVD Processing Parameters on Optical Characteristics of SiO2Thin-films [J].Xi’an Technological University Sinica，2010,30(2):227.

(in Chinese)

[4] ALAYO M I.On the Nitrogen and Oxygen Incorporation in Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition SiOxNyFilms[J].Thin Solid Films,2002,402(1):154.

[5] MARTIROSYAN K S,HOVHANNISYAN A S.Calculation of Reflectance of Porous Silicon Double-layer Antireflection Coating for Silicon Solar Cells[J].Physica Status Solidi,2007,4(6):2103.

[6] 王鵬飛,丁士進(jìn),張衛(wèi),等.用PECVD制備摻氟氧化硅低介電常數(shù)薄膜[J].微電子學(xué),2000,30(5):347.

WANG Pengfei,DING Shijin,ZHANG Wei,Act.Doping F To Low Dielectric Constant SiOxNyThin-films by PECVD[J].Microelectronics,2000,30(5):347.(in Chinese)

[7] 周順,劉衛(wèi)國(guó),蔡長(zhǎng)龍,等.氮氧化硅薄膜紅外吸收特性的研究[J].兵工學(xué)報(bào),2011,32(10):1225.

ZHOU Shun,LIU W G,CAI C L,et al.Infrared Absorption Properties of Silicon Oxynitride Films[J].Acta Armamentarii,2011,32(10):1255.(in Chinese)

[8] 聞?wù)鹄?曹曉寧.沉積溫度對(duì)等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法制備的SiNx:H薄膜特性的影響[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào),2011,27(6),1531.

WEN Zhenli,CAO Xiaoning.Study on Deposition Temperature of Preparing SiNx:H Thin-films by PECVD[J].Acta Physico-Chimica Sinica,2011,27(6),1531.

(in Chinese)

[9] SIVOTHTHAMAN S,GHARGHI M.Graded Silicon Based PECVD Thin Film for Photovoltaic Applications[J].Proceedings of SPIE,2007,6674:66740A-1.

[10] 張霄,杭凌俠.PECVD技術(shù)制備光學(xué)減反射膜工藝探索[J].光學(xué)技術(shù),2011，37(1):97.

ZHANG Xiao,HANG Lingxia.Study on the Preparation Process of Optical Anti-reflective Films by PECVD[J].Optical Technique,2011,37(1):97.

(in Chinese)