衬底对薄膜光学特性的研究

[摘 要] 本文采用PECVD法制备非晶硅薄膜，采用了氮化硅、氧化硅、单晶硅和铂四种衬底，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℃，气体温度160℃，在此条件下分别在氮化硅、氧化硅、单晶硅和铂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，氧化硅和铂表面较为平整，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，铂的折射率呈单调递增趋势。在消光系数方面，铂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，单晶硅和铂折射率略高。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，除了铂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，铂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面扩散能力会不同，进而影响薄膜的结晶过程。

玻璃和铂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（Random deposition process）[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，不会形成缓冲过渡生长层。另外，成膜的初始阶段，氮化硅、氧化硅和单晶硅等离子体轰击效应较强[4]，产生的动能可以加速结构重组，一定程度上加快了沉积薄膜生长速度。

4.结论

综上所述，我们可以得到以下结论：（1）氮化硅是作为对于可见光需要透过的光学器件的非晶硅薄膜的理想衬底。（2）衬底对PECVD法制备的非晶硅薄膜的折射率，消光系数和生长速度都有着重要影响，具体表现为衬底与沉积薄膜之间的结构以及适配度差异将会影响到衬底上沉积薄膜的结构，从而影响薄膜的折射率和消光系数，并且衬底与沉积薄膜之间的结构适配度以及不同界面之间引起的应力差异都将会影响到薄膜的结构和生长速率。

参考文献：

[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]王权,胡然,何宇亮.衬底对PECVD 法生长氢化纳米硅薄膜的影响.真空科学与技术学报, 31(3) :267-271.