氮化硅薄膜材料的PECVD制备及其光学性质研究
PECVD 在多晶硅上沉积氮化硅膜的研究
PECVD 在多晶硅上沉积氮化硅膜的研究2011-05-24 16:34:49 来源：光伏太阳能网氮化硅薄膜作为一种新型的太阳电池减反射膜已被工业界认识和应用。
应用PECVD(等离子体增强化学气相沉积) 系统, 以硅烷、氨气和氮气为气源在多晶硅片上制备了具有减反射作用的氮化硅薄膜。
并研究了在沉积过程中, 衬底温度、硅烷与氨气的流比以及射频功率对薄膜质量的影响。
由于氮化硅膜具有良好的绝缘性、致密性、稳定性和对杂质离子的掩蔽能力, 氮化硅薄膜作为多晶硅太阳电池的减反射膜, 可显著地提高电池的转换效率, 还可使生产成本降低。
PECVD 法沉积氮化硅薄膜, 沉积温度低、沉积速度快、薄膜质量好、工艺简单、易于工人掌握操作技术。
由化学法和PECVD 法制成的氮化硅薄膜的折射率一般可达2.0 左右, 接近太阳电池所要求的最佳折射率(2.35) , 最为符合太阳电池反射层的要求。
一、实验PECVD 氮化硅使用SY2型射频电源等离子台来制备。
高频信号发生的频率是13. 56 MHz 。
所用气体为高纯氨(99. 999 %) 和高纯氮气、高纯硅烷,实验时气体直接通入炉内, 主要反应气体是高纯氨和高纯硅烷, 氮气主要用来调节系统的真空度和稀释尾气中的硅烷。
本实验所用沉积炉为不锈钢体结构, 其炉膛有效容积为0115m3 , 氮化硅薄膜的折射率是用TP-77 型椭偏仪测量。
太阳电池的减反射膜,其折射率和厚度要满足ndn =λ/4 关系式, 即折射率为2. 35 附近为好。
因此从生产的角度有必要对膜的特性与工艺参数之间的关系进行研究。
二、结果与讨论1、流比的影响从氮化硅(Si3N4) 分子式可知, SiH4/NH3= (3×32)/(4 ×17) = 1.4 为理想的质量比, 理想的流比为(1. 4 ×01599) / 0. 719 = 1. 16。
而在实际当中,硅烷的价格是较昂贵的, 因此在生产过程中, 廉价的氨气适当过量以达到硅烷的较大利用率, 而以总体的成本最低, 经济效益最高为目的。
薄膜材料之氮化硅薄膜的PECVD生长介绍
总结
氮化硅薄膜应用很广泛，且应用 PECVD方式生长较好。
谢 谢！
射频功率
射频功率是PECVD 工艺中最重要的参数之一。
当射频功率较小时, 气体尚不能充分电离, 激活效率低, 反 应物浓度小, 薄膜针孔多且均匀性较差, 抗腐蚀性能差;
当射频功率增大时, 气体激活效率提高, 反应物浓度增大, 并且等离子体气体对衬底有一定的轰击作用使生长的氮化 硅薄膜结构致密, 提高了膜的抗腐蚀性能;但射频功率不能 过大, 否则沉积速率过快, 会出现类似“溅射” 现象影响薄 膜性质
300~600K
高温对氮化硅薄膜制备工艺的影响：
高温不仅会使基板变形，而且基板中的缺陷会生 长和蔓延，从而影响界面性能
PECVD制膜的优点：
均匀性和重复性好，可大面积成膜；
可在较低温度下成膜；
台阶覆盖优良； 薄膜成分和厚度易于控制；
适用范围广，设备简单，易于产业化
生成氮化硅薄膜的反应如下：
薄膜分子热运动
设备
直接法生长设备
间接法生长设备
注意事项：
1.要求有较高的本底真空； 2.防止交叉污染； 3.原料气体具有腐蚀性、可燃性、爆炸性、易
燃性和毒性，应采取必要的防护措施。
检验
对薄膜来说, 折射率是薄膜成分以及致密程度的综合指标, 是检验薄膜制备质量的重要参数
不同腔体气压 射频功率 温度 NH3 流量
PECVD 法生长氮化硅薄膜
主要内容：
PECVD介绍 氮化硅薄膜介绍 生成
物理气相沉积(PVD) 离子束溅射镀膜
薄膜制备方式
脉冲激光沉积镀膜
化学气相沉积(CVD)
常压CVD 低压CVD
PECVD 激光增强CVD
CVD介绍
PECVD法氮化硅薄膜生长工艺的研究
洗 5 min 以去除氧化层 , 去离子水洗净烘干后放入
反应 室 。反 应 气 体 体 积 分 数 为 5 % 的 Si H4 / N2 ,
N H3 和 N2 , 射频功率为 131 56 M Hz[9 ] 。通过对衬 底温度 、射频功率 、反应腔体气压等条件的调节得
到不同工艺条件下的氮化硅薄膜 。通过 A FM 检测
( J i an gs u Provi nci al Key L aboratory of Photonic an d Elect ronic M ateri als S cience an d Technolog y , De p a rt ment of Physics , N an j i n g U ni versit y , N an j i n g 210093 , Chi na)
实验与原理11pecvd法生长氮化硅薄膜的原理pecvd法生长氮化硅薄膜是利用非平衡等离子体的一个重要特性即等离子体中的分子原子离子或激活基团与周围环境相同而其非平衡电子则由于电子质量很小其平均温度可以比其他粒子高12个数量级因此在通常条件下引入的等离子体使得沉积反应腔体中的反应气体被活化并吸附在衬底表面进行化学反应从而能在低268micronanoelectronictechnologyvo147no5温下生长出新的介质薄膜
氮化硅薄膜具有高介电常数 、高绝缘强度 、漏 电低 、抗氧化等优良的物理性能 。作为钝化 、隔 离 、电容介质等 , 广泛应用于微电子工艺中 , 例如 MOSF E T , H EM T 等[3 ] 。另外氮化硅薄膜还具有 优良的机械性能和良好的稳定性 , 在新兴的微机械 加工工艺中的应用也越来越广泛[4 ] 。于映等人[5 ] 对 采用 P ECVD 法在基体 (100) 和石英片上制备的 氮化硅薄膜的弹性系数和硬度等进行测试与分析 。 王大 刚 等 人[6 ] 对 在 n 型 ( 111 ) 单 晶 硅 片 上 用 P ECVD 法制备的氮化硅薄膜的耐磨性进行了研究 并得出相关结论 。目前的氮化硅薄膜沉积方式有反 应溅射法 、热化学 CVD 法 、等离子 CVD 法以及 P ECVD 法等 。用 P ECVD 技术制备的氮化硅薄膜 , 具有沉积温度低 、均匀性好 、台阶覆盖性强的优 点[7] 。
PECVD法硅基氮化硅薄膜的制备及其耐磨性研究
2009年3月第34卷第3期润滑与密封L UBR I CAT I ON ENG I NEER I NGM ar 2009V ol 34N o 3*基金项目:国家自然科学基金项目(50405042,50875252);973国家重点基础研究发展计划项目(2007CB 607604);教育部新世纪优秀人才支持计划(NC ET-06-0479).收稿日期:2008-12-01作者简介:张德坤(1971 ),男,博士,教授,博士生导师,目前主要从事微动损伤及疲劳、微机电系统摩擦学和生物摩擦学方面的研究通讯作者:王大刚(1984 ),男,硕士研究生,从事硅表面改性技术方面的研究 E -ma i :l yjs wdg @163 co mPECVD 法硅基氮化硅薄膜的制备及其耐磨性研究*王大刚1,3 张德坤2,3(1 中国矿业大学机电工程学院 江苏徐州221116;2.中国矿业大学材料科学与工程学院 江苏徐州221116;3.摩擦学国家重点实验室生物摩擦学中心 北京100086)摘要:以N (111)型的单晶硅片为基体,运用PEC VD-2D 等离子体化学气相淀积台在单晶硅片表面沉积氮化硅薄膜,通过薄膜颜色与厚度间的关系探讨了制备工艺参数对薄膜厚度的影响,用原位纳米力学测试系统对氮化硅薄膜的纳米硬度进行测定,在UM T-2型摩擦试验机上对不同制备工艺的硅基氮化硅薄膜进行耐磨寿命试验。
结果表明:随着沉积温度的升高,薄膜厚度逐渐递减,SH i 4和N 2流量比越大,薄膜厚度越大;温度越高,薄膜硬度越大,耐磨寿命越长;随着SH i 4和N 2流量比的增加,薄膜硬度和耐磨寿命均先增加后减小。
关键词:单晶硅;氮化硅;薄膜厚度;纳米硬度;耐磨寿命中图分类号:TH 117 1 文献标识码:A 文章编号:0254-0150(2009)3-012-4Preparati on of S ilicon -based S ilicon N itri de F il m s byPECVD and Research on theW eari ng PropertiesW ang D agang 1,3 Zhang D ekun 2,3(1 College ofM echan ical and E l ectrical Engi neeri ng ,Chi naUn i vers i ty ofM i ning and Technol ogy ,Xuzhou Jiangsu 221116,Ch i na ;2 C oll ege ofM aterial s Sci ence and Engi neeri ng ,Chi naUn i vers i ty ofM i ning and Technol ogy ,Xuzhou Jiangsu 221116,Ch i na ;3.B iotri bology Center of NationalKey Laboratory of Tri bology ,Beijing 100086,Ch i na)Abstract :Si ng le cr ystal silicon wafers w ith crysta l d irecti on of (111)w ere chosen as the substrates .Sili con nitri de fil m s were deposited on si ngle crystal silic on surfaces using the PECVD-2D plas m a c he m ical vapor depositi on syste m.The i nfl uence of preparation techno l ogy para m eters on fil m th i cknesses was discussed fro m the relat i onshi p bet w een fil m colors and fil m t h i cknesses .N a no -hardness of silicon nitri de fil m s w ere measured w ith t he T ri boI ndenter i n the nano -scale m e -chanical pr operty test syste m.W ear life tests of silicon -base d silic on n itride fil ms of different preparati on techno l ogy para m-eters were carri ed out w it h the UMT-2type friction tester .T he results sho w that the fil m t h ic kness decreases w ith the in -crease o f the deposition te m perature .T he lar ger the SH i 4andN 2fl o w rate rat i o ,the thicker the fil m .The higher the te mper -ature ,the l arger the na no -hardness of the silicon nitri de fil m,and the longer t he wear life of the f il m .The nano -hardness and wear life i ncrease f irstl y and the n decreasesw ith the i ncrease of the SH i 4and N 2fl o w rate rat i o .K eywords :sing le crystal sili con ;silicon n itride ;fil m thickness ;nano -hardness ;w ear life氮化硅薄膜是一种精细陶瓷薄膜,由于它具有致密结构,高强度,良好的耐磨、耐高温性能,优良的绝缘性以及光电性能等优点,被广泛应用于微电子领域、微机械制造、太阳能电池、材料表面改性及航天航空等领域。
二氧化硅和氮化硅介质薄膜的 PECVD 法低温制备
签 名： 导师签名：
日期： 日期：
北京理工大学硕士学位论文
摘要
作为光电子用的二氧化硅和氮化硅薄膜通常采用等离子体增强化学气相沉 积法高温制备。为了实现柔性光电子器件用的二氧化硅和氮化硅薄膜，其需要 低温制备。本课题研究了在较低的温度条件下利用等离子体增强化学气相沉积 法制备以上两种介质薄膜的工艺条件；研究了不同的制备参数对薄膜性能参数 的影响，并将其应用到低温制备的参数优化中。
以块状固体形式存在时晶体中硅原子的4个价电子与4个氧原子形成4个共价键硅原子位于正四面体的中心4个氧原子位于正四面体的4个顶角上整个晶体是一个巨型分子sio2是表示组成的最简式不表示单个二氧化硅分子仅是表示二氧化硅晶体中硅和氧的原子个数之比见图11
研究成果声明
本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行 的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外 ， 学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工 作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的 说明并表示了谢意。
1.3
氮化硅薄膜的性质及应用 .................................... 5
第二章 二氧化硅和氮化硅薄膜的制备方法 .............................................................. 9 2.1 薄膜的生长模式和缺陷 .......................................... 9 2.1.1 薄膜的生长模式简介 .............................................................................9 2.1.2 薄膜中的缺陷 ....................................................................................... 10 2.2 二氧化硅的制备方法 ............................................ 11 2.2.1 热氧化法 ................................................................................................ 12 2.2.2 物理气相沉积（ PVD）...................................................................... 13 2.2.3 化学气相沉积（ CVD）......................................................................14 2.2.4 溶胶 -凝胶法（sol-gel）..................................................................... 15 2.3 氮化硅薄膜的制备 ..............................................16
氮化硅薄膜的光吸收及光致发光性质研究的开题报告
氮化硅薄膜的光吸收及光致发光性质研究的开题报告标题：氮化硅薄膜的光吸收及光致发光性质研究一、研究背景随着电子技术的发展，以及光电器件在各个领域中的广泛应用，对于光学材料的研究已经越来越受到学术界的关注。
其中，氮化硅薄膜因其独特的物理和化学性质，已成为十分重要的光学材料。
氮化硅薄膜具有优良的光学性能，其光学常数（折射率和消光系数）可变化范围很大，表现出优异的光学特性，因此被广泛应用于光电器件中，如太阳电池、LED、激光器等。
此外，氮化硅薄膜还具有可控的光致发光性质，这为其在生物医学、信息存储以及传感等领域应用提供了广阔的前景。
二、研究内容本文以分子束外延技术（MBE）制备的氮化硅薄膜为对象，研究其光吸收及光致发光性质。
主要包括以下内容：1. 利用紫外-可见-近红外分光光度计，测量氮化硅薄膜的透射光谱和反射光谱，分析其光学常数的变化规律。
2. 利用荧光光谱仪对氮化硅薄膜的光致发光性质进行研究，探究其发光机制和光致发光特性。
3. 联合上述两方面研究结果，探究氮化硅薄膜的光学性能与光致发光性质之间的关系，为其在光电器件中的应用提供理论基础。
三、研究意义研究氮化硅薄膜的光学性能和光致发光性质，不仅具有学术意义，还有重要的工程应用价值。
本研究可以为氮化硅薄膜在光电器件中的应用提供理论支持，为其设计和制备提供依据。
此外，氮化硅薄膜的光学性能和光致发光性质还可以为其他光学材料的研究提供参考。
四、研究方法1. 利用分子束外延技术（MBE）制备氮化硅薄膜。
2. 利用紫外-可见-近红外分光光度计测量氮化硅薄膜的透射光谱和反射光谱。
3. 利用荧光光谱仪测量氮化硅薄膜的光致发光光谱。
4. 分析测量结果，探究氮化硅薄膜的光学和光致发光特性。
五、预期成果1. 研究氮化硅薄膜在不同波长下的光学常数变化规律。
2. 探究氮化硅薄膜的发光机理和光致发光特性。
3. 研究氮化硅薄膜的光学性能与光致发光性质之间的关系。
4. 为氮化硅薄膜在光电器件中的应用提供理论依据。
PECVD淀积氮化硅薄膜性质研究
第２５卷第３期２００４年６月太阳能学报Ａ（汀ＡＥＮＥＲＧＩＡＥＳ（）ＩＡＲＩＳＳＩＮＩＣＡＶｄ．２５．Ｎｏ．３Ｊｕｌｙ，２００４文章编号：０２５４．Ｏ眇６ｆ２００４）０３一０３４１．鹏ＰＥＣＶＤ淀积氮化硅薄膜性质研究王晓泉，汪雷，席珍强，徐进，崔（浙江大学硅材料国家重点实验室，杭州３１００２７）灿，杨德仁摘要：使用等离子体增强化学气相沉积（ＰｌａｓｒＩｌａＥｎｈａｎｃｅｄＣｈ鲫ｉｃａｌｖａｐｏｒ决ｐ商ｔｉｏｎ，Ｐ壬ｘ：ｖＤ）在Ｐ型硅片上沉积了氮化硅（ｓｉＮｘ）薄膜，使用薄膜测试仪观察了薄膜的厚度、折射率和反射光谱，利用扫描电子显微镜（ｓＥＭ），原子力显微镜（越、Ｍ）观察了截面和表面形貌，使用傅立叶变换红外光谱仪（ＦＴＩＲ）和能谱仪（ＥＩ）ｘ）分析了薄膜的化学结构和成分。
最后，考察了薄膜在经过快速热处理过程后的热稳定性，并利用霍尔参数测试仪（｝ｈ１１）比较了薄膜沉积前后载流子迁移率的变化。
关键词：太阳电池；Ｈｍ；氮化硅中图分类号：ｎ（５１１＋．４文献标识码：Ａ０引言由于有着良好的绝缘性，致密性，稳定性和对杂质离子的掩蔽能力，氮化硅薄膜作为一种高效器件表面的钝化层已被广泛应用在半导体工艺中。
人们同时发现，在多晶硅太阳电池表面生长高质量氮化硅薄膜不仅可以十分显著地提高多晶硅太阳电池的转换效率，而且还可以降低生产成本。
这是因为作为一种减反射膜，氮化硅不仅有着极好的光学性能（Ａ＝６３２．８ｍ时折射率在１．８～２．５之间，而最理想的封装太阳电池减反射膜折射率在２．１～２．２５之间）和化学性能，还能对质量较差的硅片起到表面和体内钝化作用，提高电池的短路电流。
因此，采用氮化硅薄膜作为晶体硅太阳电池的减反射膜已经成为光伏界的研究热点【卜３ｌ。
１９９６年，Ｋｙｏｃｅｒａ公司通过生长氮化硅薄膜作为太阳电池的减反射膜和钝化膜在１５ｃｍ×１５ｃｍ的多晶硅太阳电池上达到了１７．１％的转换效率Ｌ４１；Ａ．ＨｕＫｂｎｅｒ等人利用氮化硅钝化双面太阳电池的背表面使电池效率超过了２０％【５Ｊ。
氮化硅薄膜性质-PPT课件
(2)当射频功率增大时,生成的氮化硅薄膜结构致密,钝化性能提高,折射率上升,腐蚀速率下降;但射频功率不能
过大,否则沉积速率过快,膜的均匀性下降,结构疏松,针孔密度增大,钝化性能退化。当射频频率增大时,沉积速 率随之增大,生成薄膜的均匀性好,但膜的密度降低;沉积速率主要取决于射频功率。 (3)当SiH4 /NH3流量比增加时,氮化硅薄膜折射率上升, Si/N 比上升,腐蚀速率和介电强度下降;当SiH4/NH3=
色
差
表面颜色不均匀一致，没有明显分界线一边呈红色一边为蓝 色或一边深海蓝一边浅蓝色
水
印
刻蚀清洗后片子表面没有完全干燥，镀膜后硅片表面有水珠的
地方的颜色与其它表面颜色不一致，呈金黄色或其它颜色，形状为 半圆形或半椭圆形位于电池片边沿或在电池片表面呈圆形或椭圆形。
花斑
翘片
卡框或是沉积时间 过长或是高频故障
1：10时,沉积的氮化硅薄膜特性最好; SiH4 /NH3流量比对沉积速率基本无影响,但在很大程度上决定了氮化
硅薄膜的折射率。 (4)当反应压强增大时,沉积速率增大,片间均匀性变差,氮化硅薄膜的折射率上升,钝化性能增强。 (5)当Si/N比增大,氮化硅薄膜折射率上升,电阻率和动态介电常数下降,电绝缘性能变差;当薄膜中的Si/N比接 。 近化学计量比0. 75时,氮化硅薄膜的电学特性和钝化性能大大改善。
氮化硅薄膜特性以及影响膜品质 因素进行分析
电池片工艺部
培训人：闫素敏
培训内容：
薄膜性质 沉积条件对氮化硅膜影响 常见异常
氮化硅薄膜性质
氮化硅薄膜 是一种物理、化学性能十分优良的介质膜,具有高的致密性、高的介电常数、良好的绝缘性 能和优异的抗Na+能力等,因此广泛应用于集成电路的最后保护膜、耐磨抗蚀涂层、表面钝化、 层间绝缘、介质电容。等离子增强化学气相沉积(简称PECVD Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition )具有沉积温度低( < 400 ℃) 、沉积膜针孔密度小、均匀性好、台阶覆盖性 好等优点。
PECVD氮化硅薄膜性质及工艺研究
文章编号：1005-5630(2019)03-0081-06DOI : 10.3969/j.issn.1005-5630.2019.03.013PECVD 氮化硅薄膜性质及工艺研究李 攀1，张 倩2，夏金松1，卢 宏1（1．华中科技大学 武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074；2．武汉晴川学院，湖北 武汉 430204）摘要：为了制备高质量氮化硅薄膜，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)进行氮化硅的气相沉积，讨论了工艺参数对薄膜性能的影响，验证设备工艺均匀性和批次间一致性。
通过高低频交替生长低应力氮化硅薄膜，并检测薄膜应力，对工艺进行了优化，探索最佳的高低频切换时间。
研究了PECVD 氮化硅薄膜折射率、致密性、表面形貌等性质，制备出了致密的氮化硅薄膜。
研究结果表明，PECVD 氮化硅具有厚度偏差小、折射率稳定等特点，为其在光学等领域的应用打下了基础。
关键词：半导体材料；氮化硅薄膜；等离子增强化学气相沉积(PECVD)中图分类号：TN304.6 文献标志码：AProperties and preparation of low stress SiN x film by PECVDLI Pan 1，ZHANG Qian 2，XIA Jinsong 1，LU Hong1（1. Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;2. Wuhan Qingchuan University, Wuhan 430204, China ）Abstract: In this paper, silicon nitride deposition process was carried out by using plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). The influence of processing parameters on PECVD film properties were discussed. In conclusion, it was convenient to obtain low stress SiN x film by controlling the switching time of high and low frequencies respectively; dense high quality SiN x films with low tensile stress can be grown. The results showed that PECVD silicon nitride had the characteristics of small thickness deviation and stable refractive index, which establishes a foundation for its application in optics.Keywords: semiconductor material ；silicon nitride film ；plasma enhanced chemical vapor deposition收稿日期 ：2018-07-16基金项目 ：国家自然科学基金(61335002)作者简介 ：李 攀(1986—)，男，工程师，研究方向为成膜与刻蚀。
硅薄膜的制备及光学性能研究
硅薄膜的制备及光学性能研究摘要：本文采用磁控溅射技术，通过改变溅射功率制备了系列非晶硅薄膜，并研究了薄膜的光学性能。
结果发现，随着溅射功率的提高，硅薄膜生长速率线性增加。
红外光谱测试表明，硅薄膜中含有少量H，并以SiH2 的形式存在，随着溅射功率的提高，薄膜中的H 含量逐渐增加，而其光学能隙逐渐从1.58eV 增加到1.74eV。
光致发光实验显示，硅薄膜在380nm 和730nm 处出现了两处发光峰，其峰位几乎没有变化，而其发光强度和硅薄膜中氧化硅的含量有关。
关键词：磁控溅射；硅薄膜；光学能隙；光致发光0 引言作为太阳能电池材料，硅薄膜具有用料少、成本低、可在玻璃，塑料等廉价衬底上大面积生产等优点，正逐渐受到科研工作者的重视。
按照结构的不同，硅薄膜通常被分为多晶硅、非晶硅、微晶硅以及纳米晶硅薄膜。
目前，制备硅薄膜最普遍的方法是等离子增强化学气相沉积（PECVD）法，而磁控溅射技术也逐渐受到重视，已有研究者利用脉冲磁控溅射的方法在较高温度条件下制得了光电性能优异的晶态硅薄膜[1]。
利用磁控溅射技术制备硅薄膜，主要通过改变负偏压、沉积温度、反应气压、通入氢气流量比、溅射功率等工艺参数来达到对薄膜微结构和光电性能的调控。
日本的J.Kondo[2] 等人研究了沉积温度对硅薄膜微观结构的影响；K.Fukaya[3]等人研究了腔体气压与硅薄膜生长速度之间的关系；H .Makihara [4]等人研究了氢气流量比对硅薄膜结晶程度的影响；A Tabata[5]等人则研究了负偏压对硅薄膜性能的影响。
进一步探索制备工艺与硅薄膜微观结构以及光电性能之间的关系可为提高太阳能电池的光电转化效率提供重要依据，具有重要的现实意义。
本文通过磁控溅射的方法制备了系列硅薄膜。
研究溅射功率与薄膜生长速率之间的关系；探讨制备工艺对薄膜微观结构的影响，分析薄膜光学能隙、光致发光同薄膜结构之间的关系。
1 实验方法硅薄膜采用北京实力源公司生产的SP-0811A型磁控溅射镀膜机制备，设备配有30kW 的单极脉冲偏压电源；2 副Φ80 硅靶；反应室尺寸为Φ600mm×300mm，极限真空可达1×10-4Pa。
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目 录 1 引言-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------错
误！未定义书签。 1.1氮化硅的特性-----------------------------------------------------------1 1.2氮化硅的制备方法----------------------------------------------------------------------------------------2
1.2.1常压化学气相沉积(APCVD)--------------------------------------------------------------------2
1.2.2低压化学气相沉积(LPCVD)--------------------------------------------------------------------2
1.2.3等离子体增强化学气相沉积(PECVD)------------------------------------------------------3
1.3氮化硅薄膜PECVD制备的特点-----------------------------------------------------------------------4
2 实验-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------4
2.1实验仪器的介绍-------------------------------------------------------------------------------------------4
2.2 PECVD法制备氮化硅薄膜的原理----------------------------------------5
2.3实验方法------------------------------------------------------------5
3 实验结果与讨论-------------------------------------------------------------------------------------------------5 参考文献--------------------------------------------------------------------------------------------------------------10 物理与电子信息学院毕业论文
1 氮化硅薄膜材料的PECVD制备及其光学性质研究
摘要：等离子增强型化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition , PECVD)是目前较为理想和重要的氮化硅薄膜制备方法，本文详细探讨了对氮化硅薄膜PECVD制备的方法、原理以及制备过程,成功生长了质量较好的氮化硅薄膜,并用紫外-可见光光谱仪研究了沉积薄膜的表面形貌及其光学带隙,得出氮化硅薄膜相关的光学特性,结果表明,氮气流量对薄膜的光学带隙影响较大,制备的薄膜主要为富硅氮化硅薄膜。 关键词：PECVD；氮化硅薄膜；光学性质
1引言 1.1氮化硅的特性 氮化硅是一种性能优良的功能性材料，它具有非常良好的介特性(介电常数低、损耗低)、高绝缘性、漏电低、抗氧化等优良的物理性能。高致密性的氮化硅，对杂质离子有很好的阻挡能力，因此，氮化硅被作为一种高效的器件表面钝化层，而被广泛地应用于半导体器件工艺中， 如MOSFET、HBT、HEMT。在集成电路中，氮化硅还被应用于层间绝缘、介质电容以及耐磨抗蚀涂层等。同时氮化硅薄膜的优良的机械性能和良好的稳定性，在新兴的微机械加工工艺中也被越来越广泛的应用。 氮化硅在太阳能光伏领域也是一种重要的材料。人们发现 , 在太阳能电池表面生长高质量氮化硅薄膜不仅可以十分显著地提高太阳能电池的转换效率 , 而且还可以降低生产成本。这是因为作为一种减反射膜 , 氮化硅不仅有着极好的光学性能(λ= 632.8nm 时折射率在1.8～2.5 之间 , 而最理想的封装太阳能电池减反射膜折射率在 2.1～2.25之间)和化学性能 , 还能对质量较差的硅片起到表面和体内钝化作用 , 提高电池的短路电流。因此 ,采用氮化硅薄膜作为太阳能电池的减反射膜已经成为光伏界的研究热点[1～3]。 近年来随着第三代薄膜太阳能电池的发展，澳大利亚西南威尔士大学的Marting 物理与电子信息学院毕业论文 2 Green教授于2001年提出了新一代电池具有全新的概念，采用清洁绿色环保的制造技术，达到电池的高效率与新技术、新概念、新材料并举。一种理论转换效率达60%以上的量子点型太阳能电池备受人们瞩目。硅量子点太阳能电池主要通过基体材料中析出纳米晶粒尺寸的硅量子点，当晶粒尺度与激子波尔半径相近时，系统形成一系列的离散量子能级，电子在其中的运动就会受到限制，从而表现出了量子尺寸效应。其中相关的尺寸效应与限制效应给电池带来了极大的优势，比如说带隙随着粒子的尺寸可调，截面大，吸收系数大，以及较长的激子寿命等。硅量子点太阳能电池的材料，主要有氧化硅、碳化硅、以及氮化硅。然而实验表明：氮化硅的带隙最适合作为基体材料。富硅氮化硅的研究也越来越引起人们瞩目。因而氮化硅的研究在光伏领域具有重要的意义。 1.2 氮化硅的制备方法 目前，用来制备氮化硅薄膜的方法主要有：常压化学气相沉积(APCVD)、低压化学气相沉积法(LPCVD)、等离子增强型化学气相沉积法(PECVD)、射频等离子增强型化学气相沉积法(RF-PECVD)、光化学气相淀积(光 CVD)、 射频(RF)磁控反应溅射法等。前三种，人们应用的最多，因而也是研究氮化硅的主流方法。 1.2.1 常压化学气相沉积(APCVD) 常压化学气相沉积就是在常压的环境下,反应气体受热后被N2或Ar等气体输运到加热的高温基片上,然后经过化合反应或热分解，生成固态薄膜的沉积方法。由于这种沉积是在常压下进行的,仅仅依靠热量来激活反应的气体从而实现薄膜的沉积,所以与其它化学气相沉积方法相比,设备非常简单,操作方便,是早期制备氮化硅薄膜的主要方法。但是,由于反应是在常压条件下进行的,所以在生成薄膜材料的同时也产生了各种的副产物，而且常压下分子的扩散速率小,不能及时的排出副产物,即限制了沉积的速率,同时又增加了膜层的污染可能性,导致薄膜质量下降。由于该方法沉积温度较高(一般大于l000K),逐渐被后来的低压化学气相沉积和等离子体增强化学气相沉积所取代。 1.2.2 低压化学气相沉积(LPCVD) 由于常压化学气相沉积制备的氮化硅薄膜不能满足器件性能日益提高的要求,所以必须寻找新的沉积方法，常压化学气相沉积制备的氮化硅薄膜的不足之处在于沉积的速率低,薄膜污染严重,其原因是反应室中的高压强降低了分子的扩散速率和排出污染物的能力，由热力学知识可知，低压下,气体分子的平均自由程增大,分子的扩散速率增大,从而可以提高薄膜在基片表面的沉积速率;同时,低压下，气体分子在输运过程中的碰撞物理与电子信息学院毕业论文 3 几率小,也就是说在空间生成污染物的可能性小,这就从污染源上减小了薄膜受污染的可能性，正是利用了这一原理,人们在APCVD方法的基础上研制出了LPCVD的方法，LPCVD方法克服了APCVD方法沉积速率小、膜层污染严重等缺点,因而所制备氮化硅薄膜的均匀性良好、质量高。并且LPCVD方法还能够处理数目较多的薄膜基片、成本低、沉积的氮化硅薄膜强度高、抗化学腐蚀能力强、现已成为制备氮化硅薄膜的主要方法之一。 然而,LPCVD方法也有不足的地方,其中最主要的一点，就是它的沉积温度一般要高于1000K,仍然属于高温的沉积工艺。高温沉积会带来以下的主要问题:（1）容易引起基板结构上变形和组织上变化,从而会降低基板材料的机械性能（2）基底材料与膜层材料之间在高温下也会相互的扩散,在界面上形成某些脆相性,从而会削弱两者之间的结合力（3）高温下,基板中的缺陷会继续的生长和漫延,杂质也会发生再分布,在不同的程度上影响了薄膜的界面特性。这些决定了LPCVD方法不能用于非耐热性基片上的薄膜沉积,如Ⅲ-Ⅴ族元素材料、有机材料以及塑料、普通玻璃等 1.2.3 等离子体增强化学气相沉积(PECVD) 等离子体增强化学气相沉积是利用辉光放电的物理作用[7]来激活粒子的一种化学气相沉积反应,是集等离子体辉光放电和化学气相沉积于一体的薄膜沉积技术，在辉光放电所形成的等离子体场中,由于电子和离子的质量相差悬殊,二者通过碰撞交换能量的过程相对比较缓慢,所以在等离子体的内部没有统一的温度，只有电子气温度和离子温度，此时,电子气的温度约比普通气体分子的平均温度高出10～100倍,电子的能量为1～10ev,相当于温度10～10OK,而气体的温度都在10K以下,一般情况下原子、分子、离子等粒子温度只有300～600K左右，所以，从宏观上看,这种等离子体的温度不高,但在其内部却处于受激发的状态,其电子的能量足以使分子键断裂,并导致具有化学活性的物质(活化分子、原子、离子、原子团等)产生,使本来需要在高温下才能进行的化学反应,当处于等离子体场中时,在较低的温度下甚至在常温下，就能在基片上形成固态的薄膜,因此应用PECVD方法沉积氮化硅，就不会出现因温度过高而引起的器件失效问题,另外，PECVD反应沉积的氮化硅，内含的氢对于器件表面钝化是LPCVD沉积的氮化硅薄膜所不具备的,PECVD借助等离子体的电激活作用实现了低温(450～600K)下，沉积优质的薄膜,其操作方法灵活,工艺重复性好,尤其是可以在不同复杂形状的基板上，沉积各种薄膜。此外,PECVD同溅射法一样,可以通过改变沉积参数的方法，制备不同应力状态下的薄膜以满足不同的需要。这种方法适应了当前大规模集成电路生产，由高温工艺向低