CN103205727A - 非晶硅光学薄膜折射率调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一个非晶硅薄膜折射率的调节方法，简单可行，折射率可调节范围较大，精度易于控制。本发明可以通过下述技术方案予以实现：在采用化学气相沉积PECVD硅烷辉光放电制备非晶硅薄膜中，平行板结构装置衬底放在具有温控装置的平板上，射频电压加在上下平行板之间；反应腔体内采用热丝控制气体温度，在辉光放电前，先将沉积室温抽真空，保持50Pa压强；然后在辉光放电沉积过程的反应室中，通入少量N2O与硅烷作为非晶硅薄膜反应气体，同时掺杂比例低于百分之十的微量氧元素；对衬底进行加热，让上下平板间出现电容耦合式的气体放电，使氧原子在非晶硅中形成载流子复合中心，将氧原子掺杂入非晶硅薄膜中，形成含氧的氢化非晶硅。
Description
技术领域
本发明是关于光电子半导体器件工艺领域非晶硅光学薄膜折射率调节方法。
背景技术
目前非晶硅材料制作的太阳能电池已经得到世界各国的广泛研究和应用，由于其光的吸收系数大，具有较高的光敏性，吸收峰与太阳光谱峰相近，利用非晶硅薄膜制备的薄膜晶体管(TFT)有源矩阵液晶显示器也是当今液晶显示的主流。在用硅材料制备各种集成器件的过程中，氧化硅作为一种常见的钝化层材料，并且作为多层薄膜结构中的调节各种光学参数的关键材料，也得到了极大的关注。在光学器件中薄膜硅材料的折射率极为重要，在精密的光学器件中，材料的折射率将会极大的影响到器件的各种光学性能，通常在保持其光学性能不变的情况下，改变薄膜硅材料物理厚度或者改变其输出光路结构，增加薄膜层数，会导致工艺难度成倍增加，并且精度难以控制，或是改变材料带来的材料之间的匹配问题等等。一般认为,非晶硅薄膜折射率的大小与薄膜中缺陷，杂质以及硅与其它元素的键合方式有着很大关系。现有技术常用的非晶硅薄膜制备方法：PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)--等离子体增强化学气相沉积法，是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。为了使化学反应能在较低的温度下进行，利用了等离子体的活性来促进反应，因而这种CVD称为等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。在PECVD工艺中由于等离子体中高速运动的电子撞击到中性的反应气体分子，就会使中性反应气体分子变成碎片或处于激活的状态容易发生反应。衬底温度通常保持在350℃左右就可以得到良好的SiOx或SiNx薄膜，可以作为集成电路最后的钝化保护层和提高集成电路的可靠性，也可作为光学器件中的关键部分，实现吸收、探测和滤波等功能。
发明内容
本发明的目的提供一种简单可行，折射率可调节范围较大，精度易于控制的非晶硅薄膜折射率的调节方法。
本发明的可以通过以下措施来达到，一种非晶硅薄膜折射率的调节方法，其特征在于包括如下步骤：在采用化学气相沉积PECVD硅烷辉光放电制备非晶硅薄膜中，平行板结构装置衬底放在具有温控装置的平板上，射频电压加在上下平行板之间；设置工艺参数，反应腔体内采用热丝控制气体温度，在辉光放电前，先将沉积室温抽真空到5x10-5Pa；然后在辉光放电沉积过程的反应室中，通入低于硅烷流量百分之十的N2O与硅烷作为非晶硅薄膜反应气体；在反应过程中，反应腔中保持50Pa的压强，对衬底进行加热到300℃，让上下平板间出现电容耦合式的气体放电，将氧原子掺杂入非晶硅薄膜中，使氧原子在非晶硅中与Si形成新键，形成含氧的氢化非晶硅。
本发明的原理利用了在PECVD硅烷辉光放电制备非晶硅薄膜材料的过程中掺杂微量的氧元素，氧元素本身的引入会导致非晶硅的键合方式发生改变，形成新的化学键，但如果掺杂过多，会导致非晶硅薄膜中的晶格失配。由于氧化硅与非晶硅的工艺条件基本兼容，通入少量N2O与硅烷作为反应气体，产生的高能等离子体能打开硅硅键、硅氢键和硅氧键，所以能将氧原子掺杂入非晶硅薄膜中，形成含氧的氢化非晶硅，其化学式可用a-SiOx:Hy表示。
在测试本方法制备的薄膜时，由于实际情况中有少量氧的存在，单纯的引用非晶硅或者氧化硅的模型来处理a-SiOx:Hy薄膜会带来误差，所以选取基于Forouhi-Bloomer色散方程的非晶材料模型。根据随机混合模型（RMM），可将a-SiOx:Hy薄膜看作是尺度大小在纳米范围内的氧化硅和非晶硅材料互相随机混合而成，根据等效介质近似理论（Effective Medium Approximation）来解释混合材料的折射率或者介电常数等性质。
本发明折射率可调节范围较大，精度易于控制。根据等效介质理论：混合材料的折射率与其本身所包含的各种元素的比例相关。所以通过控制非晶硅薄膜中氧原子的含量来根据实际需求调节薄膜的折射率。而掺杂氧元素的含量由通入N2O的量决定，所以折射率可以通过控制N2O的比例来精确控制。测试结果如附图1所示，通过附图1可以看出，随着掺氧量的不同，薄膜的折射率有了明显的变化，实现了折射率调节的功能。
附图说明
图1为本发明4种不同组份掺氧非晶硅薄膜的折射率曲线示意图。
具体实施方式
在以下描述的实施例中，非晶硅薄膜折射率的调节可以通过PECVD掺氧非晶硅实现。采用等离子体增强化学气相沉积法PECVD制备非晶硅薄膜，氧元素的掺入方法可以参考常见的氧化硅的制作方法。PECVD装置可以采用现有技术一种平行板结构装置。衬底放在具有温控装置的平板上，射频电压加在上下平行板之间，并且反应腔体内采用热丝控制气体温度，压强通常保持在50Pa左右，于是在上下平板间就会出现电容耦合式的气体放电，并产生等离子体。其实现步骤主要包括：
（1）抽真空。在辉光放电前先将沉积室温抽真空，使得真空度达到4×10-4Pa左右，以避免杂质气体对薄膜带来的污染。保持50Pa压强；
（2）加热衬底。当达到想要的真空度后需要对衬底进行加热，有利于释放出吸附在腔体壁和衬底上的杂质气体分子和水分子，避免对成膜质量造成影响。
（3）薄膜沉积。在辉光放电沉积过程的反应室中，通入少量N2O与硅烷作为非晶硅薄膜反应气体，N2O的掺杂比例低于总反应气体流量的百分之十，同时掺杂比例低于百分之十的微量氧元素；对衬底进行加热，让上下平板间出现电容耦合式的气体放电，使氧原子在非晶硅中形成新的化学键，将氧原子掺杂入非晶硅薄膜中，形成含氧的氢化非晶硅，设置相关工艺参数：压强50Pa，硅烷流量100sccm，N2O流量低于百分之十，射频功率30w，气体温度200℃，衬底温度300℃，沉积时间15分钟，通入硅烷与N2O作为反应气体并进行辉光放电制备薄膜。形成含氧的氢化非晶硅，其化学式可用a-SiOx:Hy表示，其中硅烷制备非晶硅的典型的反应方程如下：
e+SiH4→SiH2+H2+e-2.1ev （1）
e+SiH4→SiH3+H2+e-4.1ev （2）
e+SiH4→Si+2H2+e-4.4ev （3）
e+SiH4→SiH+H2+H+e-5.9ev （4）
氧元素的掺入方法采取在硅烷中通入少量N2O的方法，反应示意方程式如下：
mSiH4+nSiO2→SiOxHy+nH2+vN2 （5）
根据需求分别设置了4组不同的反应气体流量比，制备了4个不同组份的薄膜。四个样本制作时仅仅改变硅烷与N2O流量比，工艺参数如下：压强50Pa，硅烷流量100sccm，射频功率30w，气体温度200℃，衬底温度300℃，沉积时间15分钟。其中样品1到4中的硅烷、N2O流量比分别为100:1,100:2:，100:4,100:8。
（4）气路清洗。沉积完薄膜后，沉积室和各个气路均会有残余气体和粉尘等副产物，因此必须迅速用氮气进行冲洗，以避免堵塞气路，保证设备正常运转。
（5）非晶硅薄膜制品冷却。在真空状态下将沉积的薄膜冷却2小时，待其降至常温后方可取出，以防止其氧化。
附图1为对非晶硅薄膜掺氧后，4种不同组份的掺氧非晶硅薄膜的折射率。其中曲线1到曲线4中的氧含量逐渐增加。
（6）样品测试。本实验采用德国SENTECH公司生产的SE850型光谱式椭偏仪对制备的非晶硅薄膜进行了折射率的测试。选取基于Forouhi-Bloomer色散方程的非晶材料模型。
Claims (5)
1.一种非晶硅薄膜折射率的调节方法，其特征在于包括如下步骤：在采用化学气相沉积PECVD硅烷辉光放电制备非晶硅薄膜中，平行板结构装置衬底放在具有温控装置的平板上，射频电压加在上下平行板之间；设置工艺参数，反应腔体内采用热丝控制气体温度，在辉光放电前，先将沉积室温抽真空到5x10-5Pa；然后在辉光放电沉积过程的反应室中，通入低于硅烷流量百分之十的N2O与硅烷作为非晶硅薄膜反应气体，N2O的掺杂比例低于总反应气体流量的百分之十；在反应过程中，反应腔中保持50Pa的压强，对衬底进行加热到300℃，让上下平板间出现电容耦合式的气体放电，将氧原子掺杂入非晶硅薄膜中，使氧原子在非晶硅中与Si形成新键，形成含氧的氢化非晶硅。
2.如权利要求1所述的非晶硅薄膜折射率的调节方法，其特征在于，所述的设置工艺参数是，压强50Pa，硅烷流量100sccm，N2O流量低于百分之十，射频功率30w，气体温度200℃，衬底温度300℃，沉积时间15分钟。
3.如权利要求1所述的非晶硅薄膜折射率的调节方法，其特征在于，N2O的掺杂比例低于总反应气体流量的百分之十，微量氧元素掺杂比例低于百分之十。
4.如权利要求1所述的非晶硅薄膜折射率的调节方法，其特征在于，形成含氧的氢化非晶硅，其化学式为a-SiOx:Hy，其中硅烷制备非晶硅的典型的反应方程是：
e+SiH4→SiH2+H2+e-2.1ev （1）
e+SiH4→SiH3+H2+e-4.1ev （2）
e+SiH4→Si+2H2+e-4.4ev （3）
e+SiH4→SiH+H2+H+e-5.9ev （4）
5.如权利要求1所述的非晶硅薄膜折射率的调节方法，其特征在于，氧元素的掺入方法采取在硅烷中通入少量N2O的方法，反应示意方程式如下：
mSiH4+nSiO2→SiOxHy+uH2+vN2 （5）。
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| CN112820795A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-05-18 | 西南技术物理研究所 | 一种非晶硅材料电阻率调节方法 |
| CN115466939A (zh) * | 2022-10-10 | 2022-12-13 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种光调制化学气相沉积装置以及利用其调制薄膜生长温度的方法 |
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