氮氧化硅薄膜红外吸收特性的研究

第３２卷第１０期　２　０　１　１年１０月　兵　工　学　报　

ＡＣＴＡ　ＡＲＭＡＭＥＮＴＡＲＩＩ　Ｖｏｌ＿３２　

０ｃｔ．　ＮＯ．１０　

２０１１　

氮氧化硅薄膜红外吸收特性的研究　周Ｊ一顷　，刘卫国　一，蔡长龙　，刘欢　（１．西安电子科技大学微电子学院，陕西西安７１００７１；　２．西安工业大学陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室，陕西西安７１００３２）　

摘要：利用等离子体增强化学气相沉积法沉积氮氧化硅（ＳｉＯ　Ｎ　）薄膜，通过ｘ射线光电子能　谱仪、傅里叶变换红外光谱仪、椭偏仪等表征技术，研究不同Ｎ：Ｏ与ＮＨ，流量比Ｒ条件下薄膜的组　分、光学常数及红外吸收特性。研究结果表明：随着流量比　的增加，ＳｉＯ　Ｎ　薄膜中０的相对百分　含量提高，Ｎ含量降低，而ｓｉ含量基本不变；薄膜由于ｓｉ一０、ｓｉ—Ｎ键形成的吸收峰峰值波长向短　波（高波数）移动，变化范围为１１．６　Ｉ．ｔｍ（波数８６０　ｅｍ　Ｉ１）～９．４　ｍ（波数１　０６３　ｅｍ　），且吸收峰的宽　度先增大后减小。此外，薄膜的折射率与薄膜中Ｈ含量也随流量比Ｒ的增加而降低。相比于　ＳｉＯ　，ＳｉＮ　薄膜，组分特定的ＳｉＯ　Ｎ　薄膜的吸收峰最宽且在长波红外窗口８～１２　Ｉｘｍ内吸收强度最　大，说明ＳｉＯ　Ｎ　薄膜是一种良好的热探测器选择吸收层材料。　关键词：光学；薄膜；氮氧化硅；红外吸收；等离子体增强化学气相沉积　中图分类号：０４３３．４　文献标志码：Ａ　文章编号：１０００—１０９３（２０１１）１０－１２５５－０５　

Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ　Ｆｉｌｍｓ　ＺＨＯＵ　Ｓｈｕｎ　一，ＬＩＵ　Ｗｅｉ—ｇｕｏ　一，ＣＡＩ　Ｃｈａｎｇ—ｌｏｎｇ　，ＬＩＵ　Ｈｕａｎ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｘｉｄｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００７１，Ｓｈａａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｈａａｎｘｉ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｔｅｓｔ　Ｏｐｅｎ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ｘｉ’ａｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｘｉ’ａｎ　７１００３２，Ｓｈａａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ　ｆｉｌｍｓ　ｗｅｒｅ　ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ　ｉｎ　ａ　ＰＥＣＶＤ　ｒｅａｃｔｏｒ．Ｔｈｅ　Ｎ２　Ｏ／ＮＨ３　ｆｌｏｗ　ｒａｔｉｏ　ｗａｓ　ｖａｒ－　ｉｅｄ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｏｂｔａｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ　ｆｉｌｍｓ　ｗｅｒｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ　ｂｙ　Ｘ—ｒａｙ　ｐｈｏｔｏｅｌｅｃ—　ｔｒｏｎ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ　ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ　ａｎｄ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ．Ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ，ｏｐｔｉｃａｌ　ｃｏｎｓｔａｎｔｓ　ａｎｄ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ　ｆｉｌｍｓ　ｗｅｒｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　０　ａｔｏｍｉｃ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅ　Ｎ　ａｔｏｍｉｃ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｓｉ　ａｔｏｍｉｃ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｋｅｅｐｓ　ｎｅａｒｌｙ　ｕｎｃｈａｎｇｅｄ　ａｓ　ｔｈｅ　Ｎ２　Ｏ／ＮＨ３　ｆｌｏｗ　ｒａｔｉｏ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ．Ｔｈｅ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ　ｆｉｌｍｓ　ｓｈｏＷ　ａ　ｄｏｍｉｎａｎｔ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｐｅａｋ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　Ｓｉ—Ｏ／Ｓｉ—Ｎ　ｂｏｎｄ．ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ａｂｓｏｒｐ—　ｔｉｏｎ　ｐｅａｋ　ｌｏｃａｔｅｄ　ｂｅｔｗｅｅｎ　１１．６　ｍ（８６０　ｃｍ　）ａｎｄ　９．４　ｍ（１　０６３　ｃｍ　）．Ｔｈｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｐｅａｋ　ａｌｓｏ　ｓｈｉｆｔｓ　ｔｏ　ａ　ｓｈｏｒｔｅｒ　ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　Ｎ２　Ｏ／ＮＨ３　ｆｌｏｗ　ｒａｔｉｏ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ　ｗｉｄｔｈ　ｏｆ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｐｅａｋ　ｉｎｃｒｅａｓｅｓ　ｆｉｒｓｔｌｙ　ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｄｅｃｒｅａｓｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｉｎ　Ｎ２　Ｏ／ＮＨ３　ｆｌｏｗ　ｒａｔｉｏ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，　ｔｈｅ　Ｈ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ　ｉｎｄｅｘ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｉｎ　ｆｌｏｗ　ｒａｔｉｏ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ＯＸ—　ｉｄｅ　ａｎｄ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｎｉｔｒｉｄｅ　ｆｉｌｍｓ，ｔｈｅ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ　ｆｉｌｍｓ　ｗｉｔｈ　ａ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｈａｖｅ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅｓｔ　ｗｉｄｔｈ　ｏｆ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｐｅａｋ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔｒｏｎｇｅｓｔ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｂｅｔｗｅｅｎ　８　ｍ　ａｎｄ　１　２　Ｉｘｍ，ｗｈｉｃｈ　ｍａｋｅ　ｔｈｅｍ　ｂｅ　ｗｅｌｌ　ｓｕｉｔｅｄ　ｆｌｎｒ　ｔｈｅ　ａｂｓｏｒｂｅｒ　０ｆ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ．　

收稿日期：２０１０—１２—１３　基金项目：陕西省教育厅专项科研计划项目（２０１０ＪＫ５９０）；陕西省重点实验室开放基金项目（ＺＳＫＪ２００９０４）　作者简介：周顺（１９７９一），男，讲师，博士研究生。Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｓｅｍａｉｌ＠１２６．ｔｏｍ；　刘卫国（１９６４一），男，教授，博士研究生导师。Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｇｌｉｕ＠１６３．ｃｏｍ　兵　工　学　报　第３２卷　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃｓ；ｔｈｉｎ　ｆｉｌｍ；ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｘｙｎｉｔｒｉｄｅ；ｉｎｆｒａｒｅｄ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ；ｐｌａｓｍａ　ｅｎｈａｎｃｅｄ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｖａｐｏｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　

０　引言　氮氧化硅（ＳｉＯ　Ｎ　）薄膜因兼具氧化硅及氮化硅　薄膜的优良特性，受到了广泛关注。近年来，ＳｉＯ　Ｎ　薄膜已在微电子学领域中得到重要应用，被认为将　替代热氧化ＳｉＯ：作为栅极材料，从而可以提高介电　常数、改善阻止杂质扩散的能力和抗辐射能力¨　。　同时，ＳｉＯ　Ｎ　薄膜在集成光学领域也得到深入研究。　通过改变薄膜中各元素比例来调节薄膜的折射率与　消光系数，可以用作光波导材料　。　、梯度折射率薄　膜　以及减反射膜。ＳｉＯ　Ｎ　薄膜折射率调节范围大　的特点为集成光学设计提供了极大的自由度。另　外，ＳｉＯ　Ｎ　薄膜还可以作为硅基发光材料　。　在红外吸收特性研究方面，大量文献研究作为　光波导材料的ＳｉＯ　Ｎ　薄膜在波长１．５５　Ｉｘｍ左右处　的吸收，因为该吸收处于第３代光纤通讯窗口内，研　究目的是降低此处的吸收，从而可以减少通讯能量　的损耗。研究主要围绕如何降低薄膜中Ｎ—Ｈ、０一　Ｈ键的含量而开展工作，而对ＳｉＯ　Ｎ　薄膜在长波红　外窗口波长８～１２　ｍ内的吸收特性研究较少。测　试表明，ＳｉＯ　Ｎ　薄膜在波长８～１２　ｍ内具有较强的　吸收。利用此特性可以将其作为热探测器‘。　（热释　电、非晶硅等非制冷红外探测器）的选择性吸收层　材料。相对于以薄金属层为代表的宽带吸收，选择　吸收可以降低环境背景辐射的影响。此外，可以通　过调节ＳｉＯ　Ｎ　薄膜的组分来改变它的吸收峰峰值　波长，使其吸收特性与人体的长波红外辐射特性较　好匹配。具有该选择吸收层的热探测器可用于智能　驾驶，入侵报警等系统　。文献［７—８］报道了采用　ＳｉＯ　Ｎ　薄膜作为热探测器的吸收材料，但未研究工　艺参数对ＳｉＯ　Ｎ　薄膜吸收峰的影响。　本文利用等离子体增强的化学气相沉积法　（ＰＥＣＶＤ）沉积ＳｉＯ　Ｎ　薄膜，研究不同Ｎ　０与ＮＨ　流　量比Ｒ下薄膜的组分及光学常数，对其红外吸收光　谱进行研究，尤其是研究其在长波红外窗口波长８～　１２　Ｉｘｍ内的吸收，探讨工艺参数与吸收峰之问的关　系　１　实验方法　ＳｉＯ　Ｎ　薄膜是利用日本ＳＡＭＣＯ公司ＰＤ一２２０Ｎ　型ＰＥＣＶＤ设备沉积而成，该设备是一典型的平行　板式等离子沉积台，等离子体放电射频电源的频率　为１３．５６　ＭＨｚ．基底为单、双面抛光的硅片（１００），　电阻率５～９　ｎ・ｃｍ，沉积前基底用标准清洗工艺清　洗后烘干，反应气体为ＳｉＨ　（９０％Ａｒ稀释）、ＮＨ，和　Ｎ２Ｏ．固定ＳｉＨ　与ＮＨ　的流量分别为６０　ｃｍ。／ｍｉｎ与　４０　ｃｍ　／ｍｉｎ，Ｎ２０流量在１Ｏ～５０　ｃｍ　／ｍｉｎ范围内变　化以获得不同组分的ＳｉＯ　Ｎ　薄膜。沉积温度为３５０　ｃＩ＝，　反应压强为１２０　Ｐａ，功率密度为０．５　Ｗ／ｃｍ　．沉积的　薄膜厚度约２５０　ｎｍ．此外，为了进行比较，还沉积了　ＳｉＯ　、ＳｉＮ　薄膜。ＳｉＯ　薄膜是采用ＳｉＨ４与Ｎ２Ｏ反应　生成；ＳｉＮ　薄膜采用ＳｉＨ　与ＮＨ　反应生成，其它工艺　参数与沉积ＳｉＯ　Ｎ　薄膜相同，沉积条件如表１所　示　

表１　ＳｉＯ　Ｎ　、ＳｉＮ　、ＳｉＯ　薄膜沉积工艺参数　Ｔａｂ．１　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ＳｉＯ　Ｎ　，ＳｉＮ　ａｎｄ　ＳｉＯ　ｆｉｌｍｓ　

实验中，２种气体流量比（Ｒ为Ｎ　０与ＮＨ　流量　比，Ｒ。为ＮＨ　＋Ｎ　０与ＳｉＨ　流量比）对薄膜的组分　及微结构影响尤为重要。Ｒ值大小决定沉积薄膜中　Ｏ与Ｎ元素的含量比，而Ｒ　值的大小则决定薄膜是　否富硅。为了获得高质量的光学薄膜，以利于今后　将其作为增透膜、梯度折射率薄膜等在光学上的应　用，采用较大的　，确保薄膜中不存在Ｓｉ—Ｓｉ键或　其含量较低，因为它的存在会增加薄膜在可见光及　近红外区的吸收。沉积温度选择３５０℃，目的是使　生长的薄膜更致密，较好满足光学应用。　采用英国Ｋｒａｔｏｓ公司ＡＸＩＳ　ＵＬＴＲＡ型ｘ射线光　电子能谱仪来测试薄膜元素的结合能及相对含量，　谱线采用Ｃ　１　Ｓ峰（结合能２８４．８　ｅＶ）进行校正。采　用美国Ｐｅｒｋｉｎ—Ｅｌｍｅｒ公司Ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ＧＸ型傅里叶变　换红外光谱仪分别测试硅基底与薄膜样品的透射　率，并将其转化为吸收度。文中吸收度测试曲线已　消除ｓｉ基底的吸收。薄膜的光学常数（厚度、折射　率和消光系数）采用美国Ｊ．Ａ．Ｗｏｏｌｌａｍ公司Ｍ一２０００　型变角度光谱椭偏仪测量，文中所给出的折射率数