氮化硅薄膜的沉积速率和表面形貌

收稿日期:2008-09-12.　

基金项目:教育部留学回国人员科研启动基金资助项目(200611AA03).材料、结构及工艺

氮化硅薄膜的沉积速率和表面形貌

张广英1,吴爱民1,秦福文1,公发全2,姜　辛1,3

(1.大连理工大学三束材料改性国家重点实验室,辽宁大连116024;

2.大连化学物理研究所,辽宁大连116023;

3.德国锡根大学材料工程学院,德国锡根57056)

摘　要:　采用电子回旋共振2等离子体增强化学气相沉积(ECR 2PECVD )技术,以氮气为等离子体气源,5%硅烷(Ar 稀释)为前驱气体,在玻璃衬底上低温制备了氮化硅薄膜。利用偏振光椭圆率测量仪、原子力显微镜(A FM )等测试技术分析探讨了硅烷流量(5～50cm 3)、沉积温度(150～

350℃

)以及微波功率(500～650W )等对SiN 薄膜沉积速率及表面形貌的影响。结果表明:沉积速率随着硅烷流量和微波功率的增加而增加(最高达到11.07nm/min ),随着衬底温度的增加而降低,在温度为350℃时降低到2.44nm/min 。薄膜的粗糙度随着衬底温度和微波功率的增加而降低,粗糙度最低为0.89nm ,说明薄膜的表面质量较高。

关键词:　ECR 2PECVD ;氮化硅薄膜;沉积速率;表面形貌中图分类号:TN304.054　文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2009)04-0558-04

Deposition R ate and Surface Topography of SiN Films

ZHAN G Guang 2ying 1,WU Ai 2min 1,Q IN Fu 2wen 1,GON G Fa 2quan 2,J IAN G Xin 1,3

(1.State K ey Lab.of Materials Modif ication by Laser ,Ion and E lectron B eams ,Dalian U niversity of T echnology ,Dalian 116024,CHN;2.Dalian I nstitute of Chemical Physics ,Chinese Academy of Sciences ,Dalian 116023,CHN;

3.Institute of Materials E ngineering ,Siegen U niversity ,Siegen 57076,GER )

Abstract :　The silicon nit ride films were deposited at low deposition temperat ure by electron cyclotron reso nance 2plasma enhanced chemical vapor deposition (ECR 2PECVD )technique on glass subst rate by applying p ure nit rogen as t he plasma gas source and 5%silane (Ar dilute )as t he precursor gas.The deposition rate ,refractive index and surface topograp hy of SiN films were st udied by ellip somet ry and A FM.Result s show t hat t he depo sition rate increases wit h t he silicon gas flow and microwave power increasing ,and decreases wit h t he subst rate temperat ure increasing.The maximal depo sitio n rate is 11.07nm/min.The minimal depo sition rate of 2.44nm/min is achieved at t he subst rate temperate of 350℃.Wit h t he deposition temperat ure and microwave power increasing ,t he roughness of silicon nit ride films decreases wit h t he minimal value is 0.89nm.

K ey w ords :　ECR 2PECVD ;SiN films ;depo sition rate ;surface topograp hy

0　引言

近年来,用PECVD 技术制备氮化硅薄膜并应用于太阳电池的课题越来越引起人们的关注[122]。

作为一种重要的新型功能材料,氮化硅薄膜具有优良的光学性能、电学性能和化学稳定性能[3]。在太阳电池中,氮化硅薄膜由于它的优良的光学性能,可以作为一种很好的减反射材料,以减少入射太阳光的损失,提高电池的效率。同时,氮化硅薄膜也可以对太阳电池起到表面和体内的钝化作用,提高电池

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的短路电流[425]。

传统制备氮化硅薄膜技术(CVD)存在沉积温度高的缺点,我们采用电子回旋共振2等离子体增强化学气相沉积(ECR2PECVD)技术以降低薄膜沉积温度。ECR2PECVD技术具有高离子密度、低离子温度、对基板轰击能量低、沉积温度低等优点[628]。在本文中,我们对不同工艺下ECR2PECVD低温制备的氮化硅薄膜的沉积速率和表面形貌进行了探讨。

1　实验

采用ECR2PECVD技术,将高纯氮气直接通入微波ECR放电室激发等离子体,经氩气稀释的硅烷(V Ar∶V Si H

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=19∶1)不直接参与等离子体放电,而是在等离子体下游区引入,被活性等离子体分解而在玻璃衬底上生成氮化硅薄膜。实验前分别用丙酮和无水乙醇对玻璃衬底各超声清洗10min,以去除表面的油污及其他吸附杂质。沉积薄膜前用氮等离子体对衬底进行氮化处理5min,以进一步清洁衬底表面并改善衬底生长表面质量。

生长薄膜后,利用偏振光椭圆率测量仪对不同工艺参数下SiN薄膜的折射率和膜厚进行了分析表征,进而研究不同工艺对薄膜光学性质及生长速率等的影响。利用原子力显微镜(AFM)测试技术,研究了沉积条件对氮化硅薄膜的表面形貌等的影响。

2　结果和讨论

2.1　硅烷流量对氮化硅薄膜性质的影响

实验在功率为500W,温度为350℃,沉积时间为30min的条件下,固定氮气流量,硅烷流量从5 cm3增加到50cm3沉积了一系列氮化硅薄膜。通常,在化学气相反应中,反应源气体的组成影响着薄膜的沉积速率,从而进一步影响薄膜的物理化学性质。在本文中,随着硅烷流量的增加,薄膜的沉积速率几乎线性增加(如图1),而薄膜在波长为632.8 nm时的折射率却几乎未有明显变化(如图2)。

Kessels等人[9]报道了在Si H42N2反应系统中氮化硅薄膜的生长机理:Si H3原子基团先吸附在衬底表面上(此过程与形成Si膜的过程一致),然后处于激发态的N轰击薄膜表面的Si-Si键形成Si-

N-Si键,从而形成SiN薄膜(成膜过程如图3所示)。根据Kessels等人的报道,本实验中增加硅烷的流量,会有更多的Si H3原子基团吸附在衬底表面。但是由图2可知,薄膜的折射率在1.8左右,说明氮化硅薄膜中氮的含量较高[10],所以在薄膜的表面反应中,过量的处于激发态的N一直轰击吸附在薄膜表面的Si H3原子基团而形成Si-N-Si键,使得薄膜的化学配比保持不变,因此薄膜的折射率保持在1.8左右(如图2)。随着硅烷流量的增加,更多的原子基团吸附在衬底表面发生反应形成薄膜,则薄膜的沉积速率随着硅烷流量的增加而增加,生长速率最高达到

11.07nm/min。

2.2　衬底温度和微波功率对氮化硅薄膜沉积速率的影响

图4中(a)组样品是在微波功率为500W、固定氮气和硅烷的流量比、衬底温度从100℃逐渐增加

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