PECVD技术制备光学减反射膜工艺探索
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1 实验方法及装置
采用日本 SAMCO 公司生产的 PD-220 型等离 子体增强化学气相沉积系统作为薄膜沉积设备。它 采用两圆型铝制平行平板作为上下电极，通过配网 耦合到上下极板上，射频电源频率为 13． 56 MHz。 样品采用电阻式加热，最高加热温度 400℃ ，均匀性 较好； 为了获得更均匀的气场，上极板采用淋浴头型 多孔结构（ 单个孔径 0． 5mm） ，原理图如图 1 所示。
图 1 PD-220 型 PECVD 设备原理简图
探讨利用 PECVD 方法制备光学薄膜的工艺路 线，首先需要探索这种方法中各个工艺参数对薄膜 光学特性以及沉积速率的影响。实验流程如图 2 所 示。通过单因素实验，分析 SiO2 薄膜和 SiNx 薄膜光 学特性变化规律，在消光系数满足光学薄膜要求的 情况下 （ k ＜ 10 － 4 ） ，改变反应气体的流量比，分 析 SiNxOy 薄膜折射率以及沉积速率的变化趋势。最 后利用所获取的 PECVD 技术薄膜沉积工艺，尝试 制作高低折射率，以及梯度折射率可见光减反射膜 薄膜，并对实验结果进行评价。
减反射膜系测量误差见表 2，在薄膜沉积过程 中，折射率变化范围小于 10 － 3 ，高折射率膜层沉积 厚度相对误差约为 2% ，低折射率膜层沉积厚度相 对误差约为 7% ，薄膜平均透过率大于 93% 。 2． 2 梯度折射率薄膜样片试制
图 5 不同指数渐变折射率膜
层折射率变化示意图
当q
=
0
时，渐变折射率膜层为
Abstract： Using PECVD technology，the process parameters influence on the optical performance and the deposition rate of SiO2 ，SiNx ，and SiOx Ny thin films is discussed． Based on the process parameters，double layers and gradient refractive index antireflection films in the range of 400-800nm is fabricated successfully． The results show that refractive index of gradient refractive films is precise and controllable． The thickness of the films can be precisely achieved with accuracy below 7% ．
图 2 PECVD 技术制作 光学薄膜实验流程图
在工艺参数的分析和初选实验基础上，研究探 索了 SiNxNy 薄膜折射率和沉积速率与实验参数的 关系。反应室的压力保持在 120Pa，基片温度恒定 在 350℃ ，射频功率控制在 200W ，固定 SiH4 流量 60 ml / min 不变，改变 NH3 和 N2 O 流量来寻求 SiOxNy 薄膜折 射 率 以 及 沉 积 速 率 的 变 化 规 律。采 用 M2000UI 椭圆偏振仪测进行 SiOxNy 单层膜的折射率 和厚度的测试，薄膜折射率随反应气体流量比的变 化趋势如图 3 所示。
第37 卷 第1 期 2 011 年1 月
光学技术
OPTICAL TECHNIQUE
Vol． 37 No． 1 Jan． 2011
文章编号： 1002-1582（ 2011） 01-0097-04
PECVD 技术制备光学减反射膜工艺探索*
张霄，杭凌侠
（ 西安工业大学 陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室，西安 710032）
n / （ 550nm） 1． 85 1． 76 1． 65 1． 57 1． 47
2 光学减反射膜样片的试制与误差分析
2． 1 G | 2HL | A 样片试制
基底： K9 玻璃； 试制中心波长 λ0 = 550nm； 高折
射率材料
n H
= 1．
85，低折射率材料
n L
=
1．
47；
400nm
～ 800nm 范围内 G | 2HL | A 型高低折射率减反射膜。
本文利用 PECVD 设备，以 SiH4 （ 由 Ar 稀释至 10% ） 、NH3 和 N2 O 作为反应气体，制备了在 K9 玻 璃基底上以 SiO2 、SiNx，以及梯度折射率 SiNxOy 薄 膜构成的光学减反膜，探讨了薄膜光学性能与制备 工艺的关系，为了验证所获取工艺参数的准确性，尝 试制作了多层、梯度折射率光学薄膜样片，并对实验 结果进行了分析与评 价，初 步 探 索 了 采 用 PECVD 技术制作光学薄膜的工艺路线。
样片。 本 文 选 取 的 梯 度 折 射 率 薄 膜 是 以 G |
2H2L2HL | A 型膜系作为初始设计，（ nH = 1． 85，nL = 1． 47，λ0 = 500nm） ，将高折射率膜层（ nHd = λ0 /4） 用 一段折射率由高到低变化的梯度射率膜层所替代，
再通过软件对设计薄膜的厚度进行优化。在整个讨
参数 dH / nm
nH dL / nm
nL Tv /%
设计值 149． 25 1． 85 96． 53 1． 47 94． 87
实际值 152． 27 1． 85 103． 32 1． 47 93． 60
差值 3． 019
0 6． 79
0 － 1． 27
相对误差 /% 2． 02 0 7． 03 0 － 1． 34
第1 期
张霄，等： PECVD 技术制备光学减反射膜工艺探索
表 1 实验中所能获得的薄膜工艺参数
薄膜 SiNx SiOx Ny － 1 SiOx Ny － 2 SiOx Ny － 3 SiO2
SiH4 / （ ml / min） 60 60 60 60 60
NH3 / （ ml / min） 40 40 40 60 0
99
光学技术
论光谱范围内，梯度折射率膜系可以有效地降低紫 外和红外波段高次反射带的产生，拓宽了透射光谱 范围［10］。实际实验沉 积 样 片 的 透 过 率 曲 线 及 拟 合 曲线如图 6（ b） 所示。由于沉积样片的薄膜层数较
98
图 3 实验中所能获得的 折射率值变化范围
通过改变 N2 O 与 NH3 的流量比例，薄膜在消 光系数 k ＜ 10 － 4 的情况下，薄膜材料折射率可以在 1． 85 到 1． 47 之间变化。部分实验工艺参数及结果 见表 1。其 中 SiOx Ny1、SiOx Ny2 以 及 SiOx Ny3 为 折 射率由高到底排列的 SiOxNy 薄膜。
以时间与沉积速率作为控制沉积薄膜厚度的依据，
使用分光光度计对样片的透过率进行测量，椭圆偏
振仪对沉积薄膜的厚度和折射率进行测量，并将测
量结果代入 TFC3． 5 膜系设计软件对沉积样片各膜
层的厚度及折射率进行拟合，并做以评价。G | 2HL |
A 型双层减反射膜测量透过率曲线以及透过率拟合
曲线如图 4 所示。
N2 O / （ ml / min） 0 10 20 60 60
RF / W 200 200 200 200 200
气压 / Pa 温度 / ℃ 沉积速率 / （ nm / min）
120
350
21． 75
120
350
26． 50
120
350
30． 54
120
350
28． 55
120
350
36． 52
PECVD 技术沉积薄膜是一个十分复杂的物理 化学过程，如何控制和掌握薄膜折射率和沉积速率， 成为这种沉积方法制备光学薄膜的关键和难点。一 直到 80 年代中期，有关研究一直受到限制。近年 来，伴随科学技术的发展和生产的需要，PECVD 制 备薄膜技术取得了飞速发展，使得利用这一方法沉 积光学薄膜成为可能。目前，国外已经结合 PECVD 技术制作的 SiNx 与 SiO2 薄膜以其良好的均匀性、阶 梯覆盖性 以 及 薄 膜 致 密 性 等 特 点，应 用 在 二 元 光 学［4］、太阳能减反［5］膜等方面。而且通过讨论 SiNx 与 SiO2 薄膜沉积过程，改变参加反应的气体流量， 获得折射率不断变化 （ n = 1． 8 ～ 3． 1 ） ［6］的光学薄
n H
层，同理，当
q
=
∞
时，渐变折射率膜层为
n L
层。当然，除以上几
种提到的折射率变化曲线以外，还有其他各种不同
的变化形 式，如 五 次 方 程 形 式［9］，以 及 双 曲 线 形 式
等，但都可认为是方程（ 1） 中 q 以参变量的形式表
达膜层折射率变化，是方程表达方式的延伸。
为了验证所获得 SiOxNy 薄膜工艺参数的准确 性，尝试制作折射率按照梯度规律变化的减反射膜
关 键 词： PECVD； 光学减反射膜； 工艺参数； 薄膜光学特性
中图分类号： O484． 4 + 2
文献标识码： A
Preparation of anti-reflection films by PECVD technology
ZHANG Xiao，HANG Lingxia
（ Xi’an Technological University，Shanxi Province Thin Film Technology and Optical Test Open Key Laboratory，Xi’an 710032，China）
率膜层变化。式中 d 为非均匀膜层的总厚度； nL 及 nH 分别为膜层中变化的最低及最高折射率； z 是渐变折
射率膜层的厚度； q 为折射率变化曲线的曲率，当 q 取
不同值的时候膜层折射率的变化形式如图 5 所示。
图 4 G | 2HL | A 型双层减反射膜透过 率曲线以及透过率拟合曲线
表 2 2HL 双层减反膜误差分析
* 收稿日期： 2010-4-12
E-mail： owen_chang_lln@ hotmail． com
作者简介： 张霄（ 1983-） ，男，西安工业大学硕士研究生，从事光学薄膜工艺与检测技术研究。
97
光学技术
第 37 卷
膜，可以用 来 制 作 满 足 复 杂 光 谱 需 求 的 光 学 元 件。 国内的相关研究才刚刚起步，上个世纪 90 年代末， 功能梯度材料（ Functionally Gradient Material，简称 FGM） 的研究引起了各种领域科学工作者的强烈兴 趣［7］，但是大多研究的方向和应用主要集中在集成 度较高的集成电路中，用以减少芯片的界面热应力， 缓解薄膜内部的热应力，对薄膜光学性能的研究和 沉积设备的开发还有待研究和发展。
摘 要： 讨论了采用 PECVD 方法在 K9 玻璃基底上制备 SiO2 Biblioteka BaiduSiNx 、以及 SiOx Ny 薄膜材料的工艺参数与薄膜光学特
性、沉积速率的关系，并且运用掌握的工艺参数成功地制备了 400 ～ 800nm 波长范围双层、梯度折射率减反射膜样片。实
验结果表明，采用 PECVD 方法能够制备折射率可控的光学薄膜材料，沉积薄膜厚度的精度可以控制在 7% 以内。
传统的光学薄膜是基于分层介质理论设计的，
以不同的高低折射率膜层交互沉积来达到一定的光
学效果。而在高低折射率膜层之间，可以用一段折
射率逐渐变化的膜层所替代。非均匀膜层的折射率
变化曲线可以用如下方程表示［8］
( ) n = nL － （ nL － nH）
d－z q d
（ 1）
方程表示的折射率曲线是由高折射率膜层向低折射
Key words： anti-reflection films； experiment parameter； optical properties；
0引言
等离子体增强化学气相沉积技术 （ PECVD） 技 术具有沉积温度低，设备简单、工件变形小、绕镀性 能好、涂层均匀、调制成分方便等优点，在半导体集 成电路研 究、生 产 中 已 得 到 十 分 广 泛 地 应 用［1，2］。 而在光学薄膜的制作工艺方面，多年来绝大多采用 的仍 是 物 理 气 象 沉 积 的 方 法 （ PVD ） 方 法。 而 PECVD 技术可以在沉积薄膜的过程中加入间隙元 素，以过渡元素置换部分键位形成三元、四元甚至更 多元复合薄膜，大大地提高了光学薄膜的可调控性 和光谱特性［3］。因此，PECVD 方法在光学薄膜，尤 其是梯度光学薄膜研制中的应用是一个崭新的课 题。
采用日本 SAMCO 公司生产的 PD-220 型等离 子体增强化学气相沉积系统作为薄膜沉积设备。它 采用两圆型铝制平行平板作为上下电极，通过配网 耦合到上下极板上，射频电源频率为 13． 56 MHz。 样品采用电阻式加热，最高加热温度 400℃ ，均匀性 较好； 为了获得更均匀的气场，上极板采用淋浴头型 多孔结构（ 单个孔径 0． 5mm） ，原理图如图 1 所示。
图 1 PD-220 型 PECVD 设备原理简图
探讨利用 PECVD 方法制备光学薄膜的工艺路 线，首先需要探索这种方法中各个工艺参数对薄膜 光学特性以及沉积速率的影响。实验流程如图 2 所 示。通过单因素实验，分析 SiO2 薄膜和 SiNx 薄膜光 学特性变化规律，在消光系数满足光学薄膜要求的 情况下 （ k ＜ 10 － 4 ） ，改变反应气体的流量比，分 析 SiNxOy 薄膜折射率以及沉积速率的变化趋势。最 后利用所获取的 PECVD 技术薄膜沉积工艺，尝试 制作高低折射率，以及梯度折射率可见光减反射膜 薄膜，并对实验结果进行评价。
减反射膜系测量误差见表 2，在薄膜沉积过程 中，折射率变化范围小于 10 － 3 ，高折射率膜层沉积 厚度相对误差约为 2% ，低折射率膜层沉积厚度相 对误差约为 7% ，薄膜平均透过率大于 93% 。 2． 2 梯度折射率薄膜样片试制
图 5 不同指数渐变折射率膜
层折射率变化示意图
当q
=
0
时，渐变折射率膜层为
Abstract： Using PECVD technology，the process parameters influence on the optical performance and the deposition rate of SiO2 ，SiNx ，and SiOx Ny thin films is discussed． Based on the process parameters，double layers and gradient refractive index antireflection films in the range of 400-800nm is fabricated successfully． The results show that refractive index of gradient refractive films is precise and controllable． The thickness of the films can be precisely achieved with accuracy below 7% ．
图 2 PECVD 技术制作 光学薄膜实验流程图
在工艺参数的分析和初选实验基础上，研究探 索了 SiNxNy 薄膜折射率和沉积速率与实验参数的 关系。反应室的压力保持在 120Pa，基片温度恒定 在 350℃ ，射频功率控制在 200W ，固定 SiH4 流量 60 ml / min 不变，改变 NH3 和 N2 O 流量来寻求 SiOxNy 薄膜折 射 率 以 及 沉 积 速 率 的 变 化 规 律。采 用 M2000UI 椭圆偏振仪测进行 SiOxNy 单层膜的折射率 和厚度的测试，薄膜折射率随反应气体流量比的变 化趋势如图 3 所示。
第37 卷 第1 期 2 011 年1 月
光学技术
OPTICAL TECHNIQUE
Vol． 37 No． 1 Jan． 2011
文章编号： 1002-1582（ 2011） 01-0097-04
PECVD 技术制备光学减反射膜工艺探索*
张霄，杭凌侠
（ 西安工业大学 陕西省薄膜技术与光学检测重点实验室，西安 710032）
n / （ 550nm） 1． 85 1． 76 1． 65 1． 57 1． 47
2 光学减反射膜样片的试制与误差分析
2． 1 G | 2HL | A 样片试制
基底： K9 玻璃； 试制中心波长 λ0 = 550nm； 高折
射率材料
n H
= 1．
85，低折射率材料
n L
=
1．
47；
400nm
～ 800nm 范围内 G | 2HL | A 型高低折射率减反射膜。
本文利用 PECVD 设备，以 SiH4 （ 由 Ar 稀释至 10% ） 、NH3 和 N2 O 作为反应气体，制备了在 K9 玻 璃基底上以 SiO2 、SiNx，以及梯度折射率 SiNxOy 薄 膜构成的光学减反膜，探讨了薄膜光学性能与制备 工艺的关系，为了验证所获取工艺参数的准确性，尝 试制作了多层、梯度折射率光学薄膜样片，并对实验 结果进行了分析与评 价，初 步 探 索 了 采 用 PECVD 技术制作光学薄膜的工艺路线。
样片。 本 文 选 取 的 梯 度 折 射 率 薄 膜 是 以 G |
2H2L2HL | A 型膜系作为初始设计，（ nH = 1． 85，nL = 1． 47，λ0 = 500nm） ，将高折射率膜层（ nHd = λ0 /4） 用 一段折射率由高到低变化的梯度射率膜层所替代，
再通过软件对设计薄膜的厚度进行优化。在整个讨
参数 dH / nm
nH dL / nm
nL Tv /%
设计值 149． 25 1． 85 96． 53 1． 47 94． 87
实际值 152． 27 1． 85 103． 32 1． 47 93． 60
差值 3． 019
0 6． 79
0 － 1． 27
相对误差 /% 2． 02 0 7． 03 0 － 1． 34
第1 期
张霄，等： PECVD 技术制备光学减反射膜工艺探索
表 1 实验中所能获得的薄膜工艺参数
薄膜 SiNx SiOx Ny － 1 SiOx Ny － 2 SiOx Ny － 3 SiO2
SiH4 / （ ml / min） 60 60 60 60 60
NH3 / （ ml / min） 40 40 40 60 0
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光学技术
论光谱范围内，梯度折射率膜系可以有效地降低紫 外和红外波段高次反射带的产生，拓宽了透射光谱 范围［10］。实际实验沉 积 样 片 的 透 过 率 曲 线 及 拟 合 曲线如图 6（ b） 所示。由于沉积样片的薄膜层数较
98
图 3 实验中所能获得的 折射率值变化范围
通过改变 N2 O 与 NH3 的流量比例，薄膜在消 光系数 k ＜ 10 － 4 的情况下，薄膜材料折射率可以在 1． 85 到 1． 47 之间变化。部分实验工艺参数及结果 见表 1。其 中 SiOx Ny1、SiOx Ny2 以 及 SiOx Ny3 为 折 射率由高到底排列的 SiOxNy 薄膜。
以时间与沉积速率作为控制沉积薄膜厚度的依据，
使用分光光度计对样片的透过率进行测量，椭圆偏
振仪对沉积薄膜的厚度和折射率进行测量，并将测
量结果代入 TFC3． 5 膜系设计软件对沉积样片各膜
层的厚度及折射率进行拟合，并做以评价。G | 2HL |
A 型双层减反射膜测量透过率曲线以及透过率拟合
曲线如图 4 所示。
N2 O / （ ml / min） 0 10 20 60 60
RF / W 200 200 200 200 200
气压 / Pa 温度 / ℃ 沉积速率 / （ nm / min）
120
350
21． 75
120
350
26． 50
120
350
30． 54
120
350
28． 55
120
350
36． 52
PECVD 技术沉积薄膜是一个十分复杂的物理 化学过程，如何控制和掌握薄膜折射率和沉积速率， 成为这种沉积方法制备光学薄膜的关键和难点。一 直到 80 年代中期，有关研究一直受到限制。近年 来，伴随科学技术的发展和生产的需要，PECVD 制 备薄膜技术取得了飞速发展，使得利用这一方法沉 积光学薄膜成为可能。目前，国外已经结合 PECVD 技术制作的 SiNx 与 SiO2 薄膜以其良好的均匀性、阶 梯覆盖性 以 及 薄 膜 致 密 性 等 特 点，应 用 在 二 元 光 学［4］、太阳能减反［5］膜等方面。而且通过讨论 SiNx 与 SiO2 薄膜沉积过程，改变参加反应的气体流量， 获得折射率不断变化 （ n = 1． 8 ～ 3． 1 ） ［6］的光学薄
n H
层，同理，当
q
=
∞
时，渐变折射率膜层为
n L
层。当然，除以上几
种提到的折射率变化曲线以外，还有其他各种不同
的变化形 式，如 五 次 方 程 形 式［9］，以 及 双 曲 线 形 式
等，但都可认为是方程（ 1） 中 q 以参变量的形式表
达膜层折射率变化，是方程表达方式的延伸。
为了验证所获得 SiOxNy 薄膜工艺参数的准确 性，尝试制作折射率按照梯度规律变化的减反射膜
关 键 词： PECVD； 光学减反射膜； 工艺参数； 薄膜光学特性
中图分类号： O484． 4 + 2
文献标识码： A
Preparation of anti-reflection films by PECVD technology
ZHANG Xiao，HANG Lingxia
（ Xi’an Technological University，Shanxi Province Thin Film Technology and Optical Test Open Key Laboratory，Xi’an 710032，China）
率膜层变化。式中 d 为非均匀膜层的总厚度； nL 及 nH 分别为膜层中变化的最低及最高折射率； z 是渐变折
射率膜层的厚度； q 为折射率变化曲线的曲率，当 q 取
不同值的时候膜层折射率的变化形式如图 5 所示。
图 4 G | 2HL | A 型双层减反射膜透过 率曲线以及透过率拟合曲线
表 2 2HL 双层减反膜误差分析
* 收稿日期： 2010-4-12
E-mail： owen_chang_lln@ hotmail． com
作者简介： 张霄（ 1983-） ，男，西安工业大学硕士研究生，从事光学薄膜工艺与检测技术研究。
97
光学技术
第 37 卷
膜，可以用 来 制 作 满 足 复 杂 光 谱 需 求 的 光 学 元 件。 国内的相关研究才刚刚起步，上个世纪 90 年代末， 功能梯度材料（ Functionally Gradient Material，简称 FGM） 的研究引起了各种领域科学工作者的强烈兴 趣［7］，但是大多研究的方向和应用主要集中在集成 度较高的集成电路中，用以减少芯片的界面热应力， 缓解薄膜内部的热应力，对薄膜光学性能的研究和 沉积设备的开发还有待研究和发展。
摘 要： 讨论了采用 PECVD 方法在 K9 玻璃基底上制备 SiO2 Biblioteka BaiduSiNx 、以及 SiOx Ny 薄膜材料的工艺参数与薄膜光学特
性、沉积速率的关系，并且运用掌握的工艺参数成功地制备了 400 ～ 800nm 波长范围双层、梯度折射率减反射膜样片。实
验结果表明，采用 PECVD 方法能够制备折射率可控的光学薄膜材料，沉积薄膜厚度的精度可以控制在 7% 以内。
传统的光学薄膜是基于分层介质理论设计的，
以不同的高低折射率膜层交互沉积来达到一定的光
学效果。而在高低折射率膜层之间，可以用一段折
射率逐渐变化的膜层所替代。非均匀膜层的折射率
变化曲线可以用如下方程表示［8］
( ) n = nL － （ nL － nH）
d－z q d
（ 1）
方程表示的折射率曲线是由高折射率膜层向低折射
Key words： anti-reflection films； experiment parameter； optical properties；
0引言
等离子体增强化学气相沉积技术 （ PECVD） 技 术具有沉积温度低，设备简单、工件变形小、绕镀性 能好、涂层均匀、调制成分方便等优点，在半导体集 成电路研 究、生 产 中 已 得 到 十 分 广 泛 地 应 用［1，2］。 而在光学薄膜的制作工艺方面，多年来绝大多采用 的仍 是 物 理 气 象 沉 积 的 方 法 （ PVD ） 方 法。 而 PECVD 技术可以在沉积薄膜的过程中加入间隙元 素，以过渡元素置换部分键位形成三元、四元甚至更 多元复合薄膜，大大地提高了光学薄膜的可调控性 和光谱特性［3］。因此，PECVD 方法在光学薄膜，尤 其是梯度光学薄膜研制中的应用是一个崭新的课 题。