光學薄膜技術論文(2)
光學薄膜技術論文
光學薄膜技術論文篇二
襯底對薄膜光學特性的研究
[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特性。
[關鍵詞] 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沉積設備(13.56MHz),采用高純硅烷作為反應氣體，硅烷流量30sccm，射頻功率設置為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)與波長的關系?？梢钥吹?，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，我們認為：不同襯底材料對薄膜生長具有不同的影響，能起到誘導作用。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，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.真空科學與技術學報, 31(3) :267-271.
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