衬底对薄膜光学特性探究

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1、衬底对薄膜光学特性探究［摘要］本文采用PECVD法制备非晶硅薄膜，采用了氮化硅、氧化硅、单晶硅和苗四种衬底，研究在不同衬底上制备的非晶硅薄膜的光学特性。［关键词］PECVD；非晶硅薄膜；衬底；氮化硅1.引言PECVD制备的非晶硅薄膜以其良好的光电性能，低廉的价格成为了各种光电器件制造材料的首选。作为光学器件材料的非晶硅薄膜，一般要求其具有表面均匀平整，缺陷较少,有良好的稳定性等特性。已经有不少文献研究了实验室制备非晶硅薄膜中的气体流量，射频功率，衬底温度，沉积压强等对于制备的薄膜性能的影响。然而在同一工艺参数条件下，不同介质作为衬底，用PECVD法制备的非晶硅薄膜本身在性能上是有

2、所差异的。本文对选取的几种衬底材料的特性进行分析，利用PECVD法在不同衬底材料上制备了非晶硅薄膜，并用椭偏仪对薄膜的折射率，消光系数和生长厚度进行了研究。2.实验本实验采用了沈阳天成真空仪器研究所研制的PECVD沉积设备（13.56MHz），采用高纯硅烷作为反应气体，硅烷流量30sccm,射频功率设置为20w,压强60Pa,衬底温度250°C,气体温度i6(rc,在此条件下分别在氮化硅、氧化硅、单晶硅和钳四种衬底上制备了非晶硅薄膜，然后用椭偏仪对薄膜的折射率，消光系数和生长厚度进行了测试。3•结果与讨论在对沉积的非晶硅薄膜进行分析之前，我们首先对衬底的光学特性进行了研究，用金相

3、显微镜观察了衬底的表面形貌，并用椭偏仪测试了衬底的折射率与消光系数。经过实验观察，氧化硅和铀表面较为平整，但存在较多的杂质，这对薄膜的光学特性会造成不良影响；单晶硅表面有明显的凸起和凹陷，平整度很低；氮化硅表面较其余材料最为平整均匀，凹凸、微孔洞、杂质等缺陷都不明显。所以,在表面形貌方面，氮化硅作为衬底材料效果最好。图1是四种不同材料折射率和消光系数的实验结果，可以看出，在折射率方面，氮化硅的折射率稳定在2左右，氧化硅折射率稳定在1.5左右，单晶硅在达到峰值4.2后稳中有降，钳的折射率呈单调递增趋势。在消光系数方面，钳的消光系数仍呈单调递增趋势；单晶硅的消光系数在很快达到顶峰后逐

4、渐下降，但是在800nm处的吸收仍大于0；氮化硅和氧化硅情况基本相同，消光系数几乎为0,可以认为，在次波长范围内，二者对光几乎没有吸收。因此，对于一些需要透过可见光的光学器件来说，氧化硅和氮化硅可以作为衬底材料。（a）折射率（b）消光系数图1不同衬底的折射率与消光系数图2不同衬底上沉积薄膜的折射率与波长的关系图3不同衬底上沉积薄膜的消光系数与波长的关系为了便于比较，我们在同一工艺条件下研究不同衬底上沉积的非晶硅薄膜的特性，图2、图3分别表示出折射率、消光系数与波长的关系。可以看到，在同一工艺条件下，不同衬底上的折射率和消光系数具有较为一致的变化趋势，但具体的数值存在差异。在折射率

5、方面，波长在500nm以上情况时（此阶段各衬底参数随波长增加而呈下降趋势），氮化硅衬底和玻璃衬底折射率相对较低，单晶硅和钳折射率略高。在消光系数方面，氮化硅衬底的消光系数在400nm波长附近急剧下降趋近于0,其他衬底变化比较平顺，在接近800nm的近红外波段，除了钳作为衬底的薄膜略有吸收以外,其余衬底趋近于0。不同衬底使得薄膜折射率和消光系数各有区别，我们认为：不同衬底材料对薄膜生长具有不同的影响，能起到诱导作用。衬底薄膜的等离子区会产生H、Si、SiH2、SiH3等活性基团，这些基团会与衬底发生作用，从而打破原先的成键关系，我们知道两个成键的原子之间的固有距离R被打破之后，会产

6、生恢复到稳定状态趋势，活性基团在按照衬底原子的排列方式进行生长之后，原先的成键结构陆续被打破，同时又朝着更加稳定的结构进行重组。重组后的稳定状态由衬底和薄膜材料的结构共同决定，另外，二者的结构适配度也将对最终的结构产生重大影响。图4不同衬底上沉积薄膜的厚度与时间的关系在同一工艺条件下，不同衬底的沉积薄膜生长厚度与时间有关，变化特点如图4所示。氮化硅、氧化硅、单晶硅变化趋势一致，在同一时间点厚度差距较小；玻璃的变化率最大，苗在实验时间内厚度最小。不同衬底的生长速度并不相同，这是由于前文所述的活性基团吸附在衬底表面后进行生长，发生一个反应沉积的过程［1］,活性基团在不同的衬底材料的表

7、面扩散能力会不同，进而影响薄膜的结晶过程。玻璃和铠薄膜在衬底沉积生长的初始阶段，各种活性基团在衬底表面上扩散能力很弱，凝聚于衬底表面，呈现随机生长过程模式(Randomdepositionprocess)［2］；氮化硅、氧化硅和单晶硅在生长时，呈现出扩散生长过程模式［3］。在初始阶段，这种模式下的衬底表面将发生，使得周围的原子层膨胀，沉积薄膜将快速生长。在随机生长过程模式下，衬底与薄膜界面会产生无序的缓冲过渡生长层，在扩散生长过程模式下，衬底与薄膜界面由于扩散剧烈而变得非常平整，