氮化铝薄膜的椭偏法研究

第37卷　第6期 激光与红外V o.l37,N o.6　2007年6月 LA SER　＆　I NFRA RED J une,2007

文章编号:1001-5078(2007)06-0548-04

氮化铝薄膜的椭偏法研究

周　杨,梁海锋,严一心,蔡长龙

(西安工业大学光电工程学院,陕西西安710032)

摘　要:文章采用真空磁过滤电弧离子镀法在单晶Si(100)基片上成功制备了氮化铝(A l N)薄

膜,并利用椭偏法对A l N膜进行了研究。根据沉积方法的特点,建立合适的膜系进行拟合,得

到薄膜的折射率、消光系数和几何厚度;分析薄膜与基片之间的附着方式为简单附着,以及引

起薄膜材料比块体材料折射率偏小的原因为:薄膜中含有空隙,A l/N不符合化学剂量比,薄膜

表面形成了A l2O3钝化层。

关键词:椭偏仪;A l N薄膜;光学常数

中图分类号:O484.4+1 文献标识码:A

St udy on A l N Thi n F im l s w it h E lli p so m etry

Z HOU Yang,LI ANG H ai-feng,YAN Y i-x in,CA I Chang-l o ng

(Schoo l o f Op t oe lectron ica l Eng inee ri ng,X i′an T echno log ica lU niversity,X i′an710032,China)

Ab stract:A l u m i num nitride(A l N)t hin fil m s have been grow n on silicon(100)substrate using a filt e red DC arc dep-

ositi on process.E llips om etry are used t o st udy t he fil m s.A cco rding t o the deposition characteristics,a fitable model

we re proposed to fit t he re frac tive i ndex,ex tinction index and t hickness of the A l N thi n fil m s.The adhesi on o f fil m s

and substrate wa s ana l yzed and different re fractive index be t w een fil m s and block w as i nte rpre ted.The re s u lts sho w

t hat t he fil m s′re frac tive i ndex and exti nx tion i ndex wa s abou t2.015and ze ro.The w ay of t hin fil m s adhe red to sub-

strate w as si m ple adhesion and t he reason tha t t he refracti ve i ndex o f thin fil m sw as l e ss than b l ock ma teria lwa s a ttri b-

u ted t o vo ids m i xed,t he ra tio of A1/N unequaled1and surface oxygen(A l

2O

3

adhe red to t he surface).

K ey w ord s:ellipso m ete r;A l N t hin fil m s;optica l constan t

1　引　言

氮化铝是A l-N二元系中唯一稳定的相,它具有共价键,六方纤维矿结构,在常压下不能融化,而在2500K分解,它的能带间隙高达6.2e V,也可以通过掺杂成为宽带隙半导体材料。氮化铝具有电阻率高、热膨胀系数低、硬度高、化学稳定性好等特点,而与一般绝缘体不同的是,它的热导率也很高(3.2W/c m K),氮化铝在整个可见光和红外频段都有很高的光学透射比,这些特性使氮化铝膜在微电子和光电器件等许多方面都有着十分广阔的应用前景。此外,氮化铝还具有良好的耐磨损和耐腐蚀性能,可用作防护膜[1]。制备A l N薄膜的方法有化学气相沉积(CVD)、分子束外延(M BE)、反应蒸发、反应磁控溅射、脉冲激光沉积、离子注入、离子束增强沉积及真空磁过滤电弧离子镀等[2]。

本文采用真空磁过滤电弧离子镀法制备A l N 薄膜,使用椭偏法合理地建立膜系,测试A l N薄膜的光学常数,讨论了薄膜与基片之间的附着情况以及引起薄膜材料比块体材料折射率偏小的原因。

2　实验方法

试验用薄膜在УВНИЛА-1-001型等离子体镀膜设备上制备。靶材选用纯铝靶,用双面抛光S i

作者简介:周　杨(1982-),女,在读硕士,主要从事红外薄膜技术及工艺方面的研究。E-m ail:chayee_0@163.co m

收稿日期:2006-11-07

(100)薄片作基体,尺寸为15mm×15mm。基片装入真空室前经过醇醚混合液清洗和超声波清洗。镀膜前将沉积室抽至4.9×10-3Pa真空。通入A r,打开霍尔离子源对基体进行溅射清洗。离子镀膜时,关闭A r,通入N2(纯度为99.99%),并引燃电弧,沉积室呈等离子体态。由于电弧离子镀具有离化率高的特点,等离子体中含有大量的带电粒子(离子和电子)在磁场和基体负偏压的作用下,工件附近的等离子体中的正离子(如A l+,N+2,N+等)加速飞向工件基体,对其进行轰击。在此过程中,氮和铝发生反应,在基体表面上沉积出A l N薄膜。工艺参数为:工作气压P=1.3×10-1Pa,靶电流I=75A,基底偏压U=-50V,沉积时间t=5m i n。

3　测量仪器的基本原理

本文用于测量薄膜光学常数的仪器是美国J.A.WOOLLAM制造生产的M-2000U I型宽光谱变角度椭偏仪。测量系统由光源、起偏器、接收器和

计算机系统等构成。测量原理简图[7]如图1所示

。

图1　椭偏仪测量原理简图

Fi g.1　sche m atic diagra m of t he elli p s o m eterm eas u re m en t p rinci p l e 光源发出的光经过起偏器变为线偏振光,然后投射到待测薄膜衬底光学系统上。由于入射光波中平行于入射面的电场分量(P分量)和垂直于入射面的电场分量(S分量)的反射比和透射比不同,经样品反射后,P分量和S分量之间便产生了附加的偏振差和相位差,反射光变成椭圆偏振光。根据文献[6]的推导可知,只要测量位相差Δ和振幅比的反正切ψ,就可以得到薄膜折射率和厚度。

4　测试过程

4.1　建立膜系

实验中,所沉积的薄膜为单层的A l N薄膜,采用的方法是直流电弧离子镀。电弧离子镀的沉积特点是:离化率高达60%～80%、蒸发速度快、附着力强等。所以使用这种方法沉积薄膜可能出现两种附着情况:(1)当选取的靶电流和基底偏压较小时,沉积速率和离子能量都比较小,膜层材料只能均匀地覆盖在基片表面,而不能注入或溅射到基片内部,只能形成简单附着;(2)如果沉积速率和离子能量较大,那么离子在轰击基片表面时就有可能将其表面原子溅射下来,与膜料原子一起被电离,再返回基片,在膜基界面形成“伪扩散层”,即膜料元素和基片元素的物理混合层,这样就会形成扩散附着。根据沉积特点,可以采用以下两种模型来进行拟合。

模型 1.S i/S i O2/薄膜(柯西)层/粗糙层(Srough)(如图2所示)。

Si O2是在基底S i表面形成的一层氧化层;在Si O2的基础上生长致密的A l N膜,由于A l N膜在可见区和红外区的透过性能很好,为弱吸收膜,故在测量中,薄膜用柯西(C auchy)模型(弱吸收模型)进行拟合;粗糙层的有效介电常数采用有效介质理论来模拟

。

图2　模型

1

图3　模型2

模型2.S i/有效介质(硅+柯西)层/薄膜(柯西)层/粗糙层(Srough)(如图3所示)。

该模型与模型1所不同的就是,考虑到沉积过程中,离子能量通常为几十电子伏到上百电子伏,较高的离子能量可能会使得薄膜成分渗入到基底表层,形成薄膜和硅的混合层,即扩散附着。故这一层的介电常数按照B r ugge m an的有效介质理论得到;其他层均与模型1相同。

4.2　拟　合

以实测值为准。根据一定的标准按公式进行仿真拟合,改变膜层的厚度、色散系数,使理论计算的曲线和实际测试曲线无限接近,实验采用的标准为均方根误差(M SE)最小,表达均平方误差值(VMSE)的公式为:

VM SE=

1

2N-M

∑

N

i=1

ψm od i-ψexp i

σexpψ,i

2

+

Δmod i-Δexp i

σexpΔ,i

2

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