光學(xué)薄膜技術(shù)論文(2)
光學(xué)薄膜技術(shù)論文
光學(xué)薄膜技術(shù)論文篇二
襯底對薄膜光學(xué)特性的研究
[摘 要] 本文采用PECVD法制備非晶硅薄膜，采用了氮化硅、氧化硅、單晶硅和鉑四種襯底，研究在不同襯底上制備的非晶硅薄膜的光學(xué)特性。
[關(guān)鍵詞] PECVD;非晶硅薄膜; 襯底;氮化硅
1.引言
PECVD制備的非晶硅薄膜以其良好的光電性能，低廉的價格成為了各種光電器件制造材料的首選。作為光學(xué)器件材料的非晶硅薄膜，一般要求其具有表面均勻平整，缺陷較少，有良好的穩(wěn)定性等特性。已經(jīng)有不少文獻研究了實驗室制備非晶硅薄膜中的氣體流量，射頻功率，襯底溫度，沉積壓強等對于制備的薄膜性能的影響。然而在同一工藝參數(shù)條件下，不同介質(zhì)作為襯底，用PECVD法制備的非晶硅薄膜本身在性能上是有所差異的。本文對選取的幾種襯底材料的特性進行分析，利用PECVD法在不同襯底材料上制備了非晶硅薄膜，并用橢偏儀對薄膜的折射率，消光系數(shù)和生長厚度進行了研究。
2.實驗
本實驗采用了沈陽天成真空儀器研究所研制的PECVD沉積設(shè)備(13.56MHz),采用高純硅烷作為反應(yīng)氣體，硅烷流量30sccm，射頻功率設(shè)置為20w，壓強60Pa，襯底溫度250℃，氣體溫度160℃，在此條件下分別在氮化硅、氧化硅、單晶硅和鉑四種襯底上制備了非晶硅薄膜，然后用橢偏儀對薄膜的折射率，消光系數(shù)和生長厚度進行了測試。
3.結(jié)果與討論
在對沉積的非晶硅薄膜進行分析之前，我們首先對襯底的光學(xué)特性進行了研究，用金相顯微鏡觀察了襯底的表面形貌，并用橢偏儀測試了襯底的折射率與消光系數(shù)。
經(jīng)過實驗觀察，氧化硅和鉑表面較為平整，但存在較多的雜質(zhì)，這對薄膜的光學(xué)特性會造成不良影響;單晶硅表面有明顯的凸起和凹陷，平整度很低;氮化硅表面較其余材料最為平整均勻，凹凸、微孔洞、雜質(zhì)等缺陷都不明顯。所以，在表面形貌方面，氮化硅作為襯底材料效果最好。
圖1是四種不同材料折射率和消光系數(shù)的實驗結(jié)果，可以看出，在折射率方面，氮化硅的折射率穩(wěn)定在2左右，氧化硅折射率穩(wěn)定在1.5左右，單晶硅在達到峰值4.2后穩(wěn)中有降，鉑的折射率呈單調(diào)遞增趨勢。在消光系數(shù)方面，鉑的消光系數(shù)仍呈單調(diào)遞增趨勢;單晶硅的消光系數(shù)在很快達到頂峰后逐漸下降，但是在800nm處的吸收仍大于0;氮化硅和氧化硅情況基本相同，消光系數(shù)幾乎為0，可以認(rèn)為，在次波長范圍內(nèi)，二者對光幾乎沒有吸收。因此，對于一些需要透過可見光的光學(xué)器件來說，氧化硅和氮化硅可以作為襯底材料。
(a)折射率 (b)消光系數(shù)
為了便于比較，我們在同一工藝條件下研究不同襯底上沉積的非晶硅薄膜的特性，圖2、圖3分別表示出折射率、消光系數(shù)與波長的關(guān)系。可以看到，在同一工藝條件下，不同襯底上的折射率和消光系數(shù)具有較為一致的變化趨勢，但具體的數(shù)值存在差異。在折射率方面，波長在500nm以上情況時(此階段各襯底參數(shù)隨波長增加而呈下降趨勢)，氮化硅襯底和玻璃襯底折射率相對較低，單晶硅和鉑折射率略高。在消光系數(shù)方面，氮化硅襯底的消光系數(shù)在400nm波長附近急劇下降趨近于0，其他襯底變化比較平順，在接近800nm的近紅外波段，除了鉑作為襯底的薄膜略有吸收以外，其余襯底趨近于0。
不同襯底使得薄膜折射率和消光系數(shù)各有區(qū)別，我們認(rèn)為：不同襯底材料對薄膜生長具有不同的影響，能起到誘導(dǎo)作用。襯底薄膜的等離子區(qū)會產(chǎn)生H、Si、SiH2、SiH3等活性基團，這些基團會與襯底發(fā)生作用，從而打破原先的成鍵關(guān)系，我們知道兩個成鍵的原子之間的固有距離R被打破之后，會產(chǎn)生恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)趨勢，活性基團在按照襯底原子的排列方式進行生長之后，原先的成鍵結(jié)構(gòu)陸續(xù)被打破，同時又朝著更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)進行重組。重組后的穩(wěn)定狀態(tài)由襯底和薄膜材料的結(jié)構(gòu)共同決定，另外，二者的結(jié)構(gòu)適配度也將對最終的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響。
圖4不同襯底上沉積薄膜的厚度與時間的關(guān)系
在同一工藝條件下，不同襯底的沉積薄膜生長厚度與時間有關(guān)，變化特點如圖4所示。氮化硅、氧化硅、單晶硅變化趨勢一致，在同一時間點厚度差距較小;玻璃的變化率最大，鉑在實驗時間內(nèi)厚度最小。不同襯底的生長速度并不相同，這是由于前文所述的活性基團吸附在襯底表面后進行生長，發(fā)生一個反應(yīng)沉積的過程[1]，活性基團在不同的襯底材料的表面擴散能力會不同，進而影響薄膜的結(jié)晶過程。
玻璃和鉑薄膜在襯底沉積生長的初始階段，各種活性基團在襯底表面上擴散能力很弱，凝聚于襯底表面，呈現(xiàn)隨機生長過程模式(Random deposition process)[2];氮化硅、氧化硅和單晶硅在生長時，呈現(xiàn)出擴散生長過程模式[3]。在初始階段，這種模式下的襯底表面將發(fā)生，使得周圍的原子層膨脹，沉積薄膜將快速生長。
在隨機生長過程模式下，襯底與薄膜界面會產(chǎn)生無序的緩沖過渡生長層，在擴散生長過程模式下，襯底與薄膜界面由于擴散劇烈而變得非常平整，不會形成緩沖過渡生長層。另外，成膜的初始階段，氮化硅、氧化硅和單晶硅等離子體轟擊效應(yīng)較強[4]，產(chǎn)生的動能可以加速結(jié)構(gòu)重組，一定程度上加快了沉積薄膜生長速度。
4.結(jié)論
綜上所述，我們可以得到以下結(jié)論：(1)氮化硅是作為對于可見光需要透過的光學(xué)器件的非晶硅薄膜的理想襯底。(2)襯底對PECVD法制備的非晶硅薄膜的折射率，消光系數(shù)和生長速度都有著重要影響，具體表現(xiàn)為襯底與沉積薄膜之間的結(jié)構(gòu)以及適配度差異將會影響到襯底上沉積薄膜的結(jié)構(gòu)，從而影響薄膜的折射率和消光系數(shù)，并且襯底與沉積薄膜之間的結(jié)構(gòu)適配度以及不同界面之間引起的應(yīng)力差異都將會影響到薄膜的結(jié)構(gòu)和生長速率。
參考文獻：
[1] Wang Qi,[J]. Thin Solid Films. 2009,517:3570-3574.
[2] Barabasi A, Stanley H. Fractal concepts in surface growth. Cambridge university press.1995:66-68.
[3] Bray K,Parsons G. Phys Rew B[J],2001,65:035311-035318.
[4]王權(quán),胡然,何宇亮.襯底對PECVD 法生長氫化納米硅薄膜的影響.真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報, 31(3) :267-271.
看了“光學(xué)薄膜技術(shù)論文”的人還看：