PECVD工艺对SiOxNy光学薄膜红外吸收 特性的影响*

李松晓，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 710021)

氮氧化硅(SiOxNy)材料是一种重要的光学薄膜材料，其折射率随成分比例的不同而不同，介于二氧化硅及氮化硅薄膜之间，兼具二者的光学特性[1-2].近年来SiOxNy光学薄膜在可见光区的渐变折射率薄膜设计与制造中得到了初步应用，文献[3-4]研究了SiNxOy薄膜在可见光区的应用，通过等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)，以SiH4(由Ar稀释至10%)、NH3和N2O作为反应气体，在K9玻璃基底上，将SiNxOy梯度折射率薄膜制备成光学减反膜.SiOxNy薄膜在红外区的研究与应用，目前主要是利用薄膜的吸收特性将其作为热探测器的选择性吸收层材料，文献[5-6〗等研究了SiOxNy薄膜在电学方面作为热探测器的选择性吸收层材料的应用，并提出了相对介电常数和禁带宽度分别受到氧含量和氮含量的影响，而相对介电常数和禁带宽度均随着Si-H键含量的上升(N-H键含量减少)而变弱.在长波红外窗口波长8～12 μm内，对于如何减小SiOxNy薄膜吸收特性研究的较少，研究SiOxNy光学薄膜在红外区的应用特性有助于拓展该薄膜在光学领域的应用范围.文献[7]等研究了SiOxNy薄膜组分含量不同，会影响Si-O、Si-N、Si-H和N-H键的形成，从而导致氮氧化硅薄膜在红外区吸收峰位发生变化.文献[8]等研究了PECVD技术可以控制制造不同折射率的SiOxNy薄膜，从而可以满足渐变折射率光学薄膜的制造需求.文献[9]，文献[10]等研究了通过控制射频功率、工作温度、工作压强可以将光学薄膜的折射率消光系数控制在小于10-5，射频功率范围在100～400 W，工作压强范围在20～45 Pa，工作温度在100～300 ℃，可以将光学薄膜的消光系数控制在小于10-2.因此，通过改变SiOxNy薄膜的工艺参数，可以影响SiOxNy薄膜的光学特性.

文中采用PECVD技术在Ge基底上沉积折射率为1.60的SiOxNy薄膜，在控制折射率和消光系数的前提下，改变SiOxNy薄膜的厚度及制备工艺(功率、温度、压强)，研究SiOxNy薄膜在长波红外窗口波长8～12 μm内因本征吸收而导致的红外吸收特性的变化规律.

1 实验方法与过程

1.1 实验方法

在控制折射率和消光系数的前提下，改变不同薄膜厚度及制备工艺，从而探索SiOxNy薄膜在红外波段吸收特性与沉积厚度和工艺参数的变化规律.通常吸收薄膜的吸收随厚度增加而增大，通过调整工艺参数可以将消光系数的控制小于10-2，从而实现对SiOxNy薄膜本征吸收的探索.

选用双抛的Ge片作为样品基片，对于锗基底上采用PECVD技术沉积n=1.60的氮氧化硅薄膜，选取最佳的工艺参数，在锗基底上沉积氮氧化硅薄膜，再通过改变其工艺参数：射频功率、工作温度、工作压强，采用傅里叶红外光谱(波数范围为1 000～10 000 cm-1)对SiOxNy薄膜进行分析，并用UI-2000型椭偏仪测量薄膜的厚度和折射率.通过控制SiOxNy薄膜的折射率和消光系数，探索SiOxNy薄膜红外吸收峰随工艺参数变化的规律.

1.2 实验过程

1.2.1 不同沉积厚度实验

在实验过程中，工艺参数为SiH4 60 sccm、N2O 20 sccm、NH3 40 sccm、射频功率200 W、温度300 ℃、工作压强30 Pa，选取不同的反应时间,沉积折射率n=1.60、厚度分别为100 nm，150 nm，200 nm，250 nm，300 nm的SiOxNy薄膜.

1.2.2 不同沉积功率、温度、压强实验

在实验过程中，工艺参数为SiH4 60 sccm、N2O 20 sccm、NH3 40 sccm，在消光系数的控制小于10-2时，即射频功率范围100～400 W，工作压强范围20～45 Pa，工作温度100～300 ℃，通过改变SiOxNy薄膜的沉积的工艺参数(功率、温度、压强)，研究不同工艺参数对SiOxNy薄膜红外吸特性的影响.根据前期课题组对设备制造工艺的研究，对工艺参数分别选取不同变化间距，其中功率间距为50 W，共5组实验；温度间距为100 ℃，共3组实验；压强℃为10 Pa，共3组实验.

2 结果与讨论

2.1 不同厚度对SiOxNy薄膜红外吸收特性的影响

在真空度情况不变的实验情况下，保持其他参数不变，改变反应的时间，即在射频200 W、 温度300 ℃、压强30 Pa，SiH4 60 sccm、N2O 20 sccm、NH3 40 sccm，反应不同的时间沉积SiOxNy薄膜.用椭偏仪测试该薄膜的折射率、消光系数，测试结果见表1，用红外傅里叶变换光谱仪测试该薄膜的透过率，测试结果如图1所示.

表1 不同厚度的SiOxNy薄膜折射率和消光系数表Tab.1 Refractive index and extinction coefficient of SiOxNy thin-filmsof different thickness

图1 不同厚度SiOxNy薄膜透过率曲线图

通过Tfcalc 软件对不同厚度SiOxNy薄膜的透过率进行仿真模拟，仿真过程中，不考虑SiOxNy薄膜的吸收，如图2所示.

SiOxNy薄膜中存在Si-Si键，所以该薄膜在可见光及近红外区存在吸收.SiOxNy薄膜组分含量不同，会影响Si-O、Si-N、Si-H和N-H键的形成，从而导致氮氧化硅薄膜在红外区吸收峰位发生变化，Si-O、Si-N键的形成使得吸收峰峰值波长向短波移动.

从图1可以得到在3 μm、4.2 μm、11 μm处，SiOxNy薄膜存在吸收峰，且在11 μm处SiOxNy薄膜的吸收峰值较大，吸收光谱波段较宽，随着薄膜厚度的增加，SiOxNy薄膜吸收值也增大，波长变化范围为9～11.5 μm，吸收峰的位置没有明显变化；通过Tfcalc 软件对不同厚度SiOxNy薄膜的透过率进行仿真模拟，从图2可以看出，在近红外区对于不同厚度的薄膜，其透过率的值不同，且随着薄膜厚度的增强，透过率的值增大，这是由于薄膜存在干涉现象，不同厚度的薄膜干涉值不同，从而不同厚度的薄膜在近红外区的透过率不同.

图2 不同厚度SiOxNy薄膜的Tfcalc 软件透过率图

通过图1和图2比较得出，在SiOxNy薄膜的工艺制造中，SiOxNy薄膜存在一定的吸收，在3 μm、4.2 μm处，吸收值小且波段较窄，在8～12 μm红外波段，薄膜吸收值大且波段较宽，不可忽略.

2.2 不同沉积功率对SiOxNy薄膜红外吸收特性的影响

在真空度情况不变的实验情况下，保持气体流量比不变，通过改变SiOxNy薄膜沉积功率，沉积厚度为200 nm折射率为1.60的SiOxNy薄膜，采用椭偏仪测试该薄膜的厚度、折射率、消光系数，得到结果见表2.

表2 不同沉积功率的SiOxNy薄膜光学特性表

用红外傅里叶变换光谱仪测试该薄膜的透过率得到的结果如图3所示.从图3可以得到在3 μm的近红外和11 μm的远红外波段处，SiOxNy薄膜存在吸收.对于不同沉积功率的SiOxNy薄膜在8～12 μm红外波段内的吸收峰大小不变，吸收峰的位置存在微小的变化，波长变化范围为10～11 μm，即在工艺实验中，当功率变化范围是100～300 W时，随着沉积功率的增加，SiOxNy薄膜在8～12 μm红外波段内的吸收峰的峰值保持不变，吸收峰位置向长波方向移动.

图3 不同沉积功率的SiOxNy薄膜透过率图

2.3 不同沉积温度对SiOxNy薄膜红外吸收特性的影响

在真空度情况不变的实验情况下，保持气体流量比不变，通过改变SiOxNy薄膜沉积温度，沉积厚度为200 nm，折射率为1.60的SiOxNy薄膜，对沉积SiOxNy薄膜用椭偏仪测试该薄膜的厚度、折射率、消光系数，测试结果见表3，用红外傅里叶变换光谱仪测试该薄膜的透过率得到的结果如图4所示.

表3 不同沉积温度的SiOxNy薄膜光学特性表

从图4可以得到在3 μm的近红外和11 μm的远红外波段处，SiOxNy薄膜存在吸收峰，对于不同沉积温度的SiOxNy薄膜在8～12 μm红外波段内吸收峰的峰值大小不同，即在工艺实验中，随着沉积温度的增大，SiOxNy薄膜在8～12 μm红外波段内吸收峰的峰值减小，波长变化范围为10～11.5 μm，吸收峰位置不变.

图4 不同沉积温度的SiOxNy薄膜透过率图

2.4 不同沉积压强对SiOxNy薄膜红外吸收特性的影响

在真空度情况不变的实验情况下，保持气体流量比不变，通过改变SiOxNy薄膜沉积压强，沉积厚度为200 nm，折射率为1.60的SiOxNy薄膜，对沉积SiOxNy薄膜用椭偏仪测试该薄膜的厚度、折射率、消光系数，得到结果见表4，用红外傅里叶变换光谱仪测试该薄膜的透过率得到的结果如图5所示.

表4 不同沉积压强的SiOxNy薄膜光学特性表Tab.4 The optical characteristics of SiOxNy thin-films under different pressure

图5不同沉积压强的SiOxNy薄膜透过率图

Fig.5 The transmittance of SiOxNythin-films under different deposition pressure

从图5可以得到在3 μm的近红外和11 μm的远红外波段处，SiOxNy薄膜存在吸收峰，对于不同沉积压强的SiOxNy薄膜在在8～12 μm红外波段内吸收峰的峰值大小不同，即在工艺实验中，随着沉积压强的增大，SiOxNy薄膜在8～12 μm红外波段内吸收峰的峰值减小，波长变化范围为10～11 μm，吸收峰位置不变.

3 结 论

1) 不同厚度的SiOxNy薄膜吸收峰的峰值大小不同，在9～11.5 μm红外波段内，随着厚度的增加，薄膜的吸收率也增大，吸收峰的位置无明显变化.

2) 不同沉积功率、温度、压强对SiOxNy薄膜的吸收率和吸收峰的位置影响不同，在10～11.5 μm红外波段内，随着沉积功率的增加，吸收峰的峰值大小没有明显变化，吸收峰位置向长波方向移动；随着沉积温度和压强的增大，吸收峰的峰值减小，吸收峰位置没有明显变化.

3) 下一步的研究工作，拟在控制折射率和消光系数的前提下，通过改变SiOxNy薄膜的厚度和制造工艺参数来控制薄膜的红外吸收特性.

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