PECVD工藝對SiOxNy光學薄膜紅外吸收 特性的影響*

李松曉，杭凌俠

(西安工業大學 陜西省薄膜技術與光學檢測重點實驗室，西安 710021)

氮氧化硅(SiOxNy)材料是一種重要的光學薄膜材料，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，兼具二者的光學特性[1-2].近年來SiOxNy光學薄膜在可見光區的漸變折射率薄膜設計與制造中得到了初步應用，文獻[3-4]研究了SiNxOy薄膜在可見光區的應用，通過等離子體增強化學氣相沉積法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)，以SiH4(由Ar稀釋至10%)、NH3和N2O作為反應氣體，在K9玻璃基底上，將SiNxOy梯度折射率薄膜制備成光學減反膜.SiOxNy薄膜在紅外區的研究與應用，目前主要是利用薄膜的吸收特性將其作為熱探測器的選擇性吸收層材料，文獻[5-6〗等研究了SiOxNy薄膜在電學方面作為熱探測器的選擇性吸收層材料的應用，并提出了相對介電常數和禁帶寬度分別受到氧含量和氮含量的影響，而相對介電常數和禁帶寬度均隨著Si-H鍵含量的上升(N-H鍵含量減少)而變弱.在長波紅外窗口波長8～12 μm內，對于如何減小SiOxNy薄膜吸收特性研究的較少，研究SiOxNy光學薄膜在紅外區的應用特性有助于拓展該薄膜在光學領域的應用范圍.文獻[7]等研究了SiOxNy薄膜組分含量不同，會影響Si-O、Si-N、Si-H和N-H鍵的形成，從而導致氮氧化硅薄膜在紅外區吸收峰位發生變化.文獻[8]等研究了PECVD技術可以控制制造不同折射率的SiOxNy薄膜，從而可以滿足漸變折射率光學薄膜的制造需求.文獻[9]，文獻[10]等研究了通過控制射頻功率、工作溫度、工作壓強可以將光學薄膜的折射率消光系數控制在小于10-5，射頻功率范圍在100～400 W，工作壓強范圍在20～45 Pa，工作溫度在100～300 ℃，可以將光學薄膜的消光系數控制在小于10-2.因此，通過改變SiOxNy薄膜的工藝參數，可以影響SiOxNy薄膜的光學特性.

文中采用PECVD技術在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的前提下，改變SiOxNy薄膜的厚度及制備工藝(功率、溫度、壓強)，研究SiOxNy薄膜在長波紅外窗口波長8～12 μm內因本征吸收而導致的紅外吸收特性的變化規律.

1 實驗方法與過程

1.1 實驗方法

在控制折射率和消光系數的前提下，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的變化規律.通常吸收薄膜的吸收隨厚度增加而增大，通過調整工藝參數可以將消光系數的控制小于10-2，從而實現對SiOxNy薄膜本征吸收的探索.

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

1.2 實驗過程

1.2.1 不同沉積厚度實驗

在實驗過程中，工藝參數為SiH4 60 sccm、N2O 20 sccm、NH3 40 sccm、射頻功率200 W、溫度300 ℃、工作壓強30 Pa，選取不同的反應時間,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、壓強實驗

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

2 結果與討論

2.1 不同厚度對SiOxNy薄膜紅外吸收特性的影響

在真空度情況不變的實驗情況下，保持其他參數不變，改變反應的時間，即在射頻200 W、 溫度300 ℃、壓強30 Pa，SiH4 60 sccm、N2O 20 sccm、NH3 40 sccm，反應不同的時間沉積SiOxNy薄膜.用橢偏儀測試該薄膜的折射率、消光系數，測試結果見表1，用紅外傅里葉變換光譜儀測試該薄膜的透過率，測試結果如圖1所示.

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

圖1 不同厚度SiOxNy薄膜透過率曲線圖

通過Tfcalc 軟件對不同厚度SiOxNy薄膜的透過率進行仿真模擬，仿真過程中，不考慮SiOxNy薄膜的吸收，如圖2所示.

SiOxNy薄膜中存在Si-Si鍵，所以該薄膜在可見光及近紅外區存在吸收.SiOxNy薄膜組分含量不同，會影響Si-O、Si-N、Si-H和N-H鍵的形成，從而導致氮氧化硅薄膜在紅外區吸收峰位發生變化，Si-O、Si-N鍵的形成使得吸收峰峰值波長向短波移動.

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，波長變化范圍為9～11.5 μm，吸收峰的位置沒有明顯變化；通過Tfcalc 軟件對不同厚度SiOxNy薄膜的透過率進行仿真模擬，從圖2可以看出，在近紅外區對于不同厚度的薄膜，其透過率的值不同，且隨著薄膜厚度的增強，透過率的值增大，這是由于薄膜存在干涉現象，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的透過率不同.

圖2 不同厚度SiOxNy薄膜的Tfcalc 軟件透過率圖

通過圖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SiOxNy薄膜紅外吸收特性的影響

在真空度情況不變的實驗情況下，保持氣體流量比不變，通過改變SiOxNy薄膜沉積功率，沉積厚度為200 nm折射率為1.60的SiOxNy薄膜，采用橢偏儀測試該薄膜的厚度、折射率、消光系數，得到結果見表2.

表2 不同沉積功率的SiOxNy薄膜光學特性表

用紅外傅里葉變換光譜儀測試該薄膜的透過率得到的結果如圖3所示.從圖3可以得到在3 μm的近紅外和11 μm的遠紅外波段處，SiOxNy薄膜存在吸收.對于不同沉積功率的SiOxNy薄膜在8～12 μm紅外波段內的吸收峰大小不變，吸收峰的位置存在微小的變化，波長變化范圍為10～11 μm，即在工藝實驗中，當功率變化范圍是100～300 W時，隨著沉積功率的增加，SiOxNy薄膜在8～12 μm紅外波段內的吸收峰的峰值保持不變，吸收峰位置向長波方向移動.

圖3 不同沉積功率的SiOxNy薄膜透過率圖

2.3 不同沉積溫度對SiOxNy薄膜紅外吸收特性的影響

在真空度情況不變的實驗情況下，保持氣體流量比不變，通過改變SiOxNy薄膜沉積溫度，沉積厚度為200 nm，折射率為1.60的SiOxNy薄膜，對沉積SiOxNy薄膜用橢偏儀測試該薄膜的厚度、折射率、消光系數，測試結果見表3，用紅外傅里葉變換光譜儀測試該薄膜的透過率得到的結果如圖4所示.

表3 不同沉積溫度的SiOxNy薄膜光學特性表

從圖4可以得到在3 μm的近紅外和11 μm的遠紅外波段處，SiOxNy薄膜存在吸收峰，對于不同沉積溫度的SiOxNy薄膜在8～12 μm紅外波段內吸收峰的峰值大小不同，即在工藝實驗中，隨著沉積溫度的增大，SiOxNy薄膜在8～12 μm紅外波段內吸收峰的峰值減小，波長變化范圍為10～11.5 μm，吸收峰位置不變.

圖4 不同沉積溫度的SiOxNy薄膜透過率圖

2.4 不同沉積壓強對SiOxNy薄膜紅外吸收特性的影響

在真空度情況不變的實驗情況下，保持氣體流量比不變，通過改變SiOxNy薄膜沉積壓強，沉積厚度為200 nm，折射率為1.60的SiOxNy薄膜，對沉積SiOxNy薄膜用橢偏儀測試該薄膜的厚度、折射率、消光系數，得到結果見表4，用紅外傅里葉變換光譜儀測試該薄膜的透過率得到的結果如圖5所示.

表4 不同沉積壓強的SiOxNy薄膜光學特性表Tab.4 The optical characteristics of SiOxNy thin-films under different pressure

圖5不同沉積壓強的SiOxNy薄膜透過率圖

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的遠紅外波段處，SiOxNy薄膜存在吸收峰，對于不同沉積壓強的SiOxNy薄膜在在8～12 μm紅外波段內吸收峰的峰值大小不同，即在工藝實驗中，隨著沉積壓強的增大，SiOxNy薄膜在8～12 μm紅外波段內吸收峰的峰值減小，波長變化范圍為10～11 μm，吸收峰位置不變.

3 結 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，隨著厚度的增加，薄膜的吸收率也增大，吸收峰的位置無明顯變化.

2) 不同沉積功率、溫度、壓強對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，隨著沉積功率的增加，吸收峰的峰值大小沒有明顯變化，吸收峰位置向長波方向移動；隨著沉積溫度和壓強的增大，吸收峰的峰值減小，吸收峰位置沒有明顯變化.

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

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