氮化硅薄膜材料的PECVD制备及其光学性质研究

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1引言-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------错

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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

2.2PECVD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

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

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)

或Ar等气体输运到加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N

2

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