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PECVD氮化硅薄膜制备与微结构研究

作　者: 周东
导　师: 许向东
学　校: 电子科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 微测热辐射计氮化硅薄膜等离子体增强型化学气相沉积化学结构物理性能
分类号: O484.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

氮化硅（Si3N₄）具有优良的力学、光学性能,所以氮化硅薄膜广泛用于制作红外探测器微测辐射热计的支撑层、绝缘层和表面钝化层。但是,PECVD制备的氮化硅薄膜的化学结构复杂,所以其化学结构对薄膜的物理性能的影响到目前依然未知。为此,本文利用FTIR与XPS相结合的方法,深入研究了PECVD氮化硅薄膜的化学结构,获得很有价值、且前人未报道的氮化硅薄膜的化学结构信息。本文系统研究了氮化硅薄膜的表面均匀性、沉积速率、光学带隙、薄膜应力、杨氏模量和硬度等。运用Tauc-Lorentz模型研究结果表明,随着硅烷流量的增大,折射率和沉积速率均逐渐增大,而光学带隙逐渐减小;运用纳米压痕仪测量结果发现低频氮化硅薄膜的杨氏模量增大,高频氮化硅薄膜的杨氏模量逐渐减小。最后,本文还通过改变高、低频条件,研究不同条件下薄膜的化学结构,发现薄膜物理性能的影响与其微观结构有密切地联系。本文重点运用XPS和FTIR等表征手段方法分析高频（13.56 MHz）、低频（380 kHz）条件下PECVD薄膜的微观结构,发现a-SiN_xH_y薄膜内部含有Si₃-Si-N, N₂-Si-H₂, Si₃N₄, H-Si-N₃四种基本结构单元;a-SiN_xH_y薄膜的内应力是通过曲率半径的方法测量,高频氮化硅薄膜主要表现为张应力,低频氮化硅薄膜表现为相对较大的压应力,同时研究发现改变薄膜的工艺条件,可以优化氮化硅薄膜的残余应力,结合红外光谱分析结果和残余应力的研究结果,发现Si₃-Si-N, H-Si-N₃结构和Si-Si键对氮化硅薄膜内应力具有明显地调制作用,而且多余悬挂的H原子将会使得氮化硅薄膜形成大量的空洞,Si原子镶嵌在空洞中,使得薄膜的残余应力发生改变。另外,本文发现在低频条件下制备的a-SiN_xH_y薄膜比高频条件下的a-SiN_xH_y薄膜具有膜厚均匀性好、沉积速率大、折射率大和光学带隙大等特点,但是相对而言,低频氮化硅薄膜的残余应力较大。由于低频条件下制备的a-SiN_xH_y薄膜的光学性能和力学性能可以随工艺参数调控,因此在光电子和微电子以及相关领域中将会有巨大的发展前景。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章引言  10-16
  1.1 红外探测器简介  10-12
  1.2 微测辐射热计中氮化硅薄膜的应用  12-13
  1.3 微测辐射热计中氮化硅薄膜的研究现状及其重要性  13-14
  1.4 本论文主要研究内容和重点  14-16
第二章氮化硅薄膜的制备方法  16-19
  2.1 辉光放电法  16
  2.2 反应溅射镀膜法  16-17
  2.3 直接氮化法  17
  2.4 低压化学气相沉积(LPCVD)  17-18
  2.5 等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)  18
  2.6 本章总结  18-19
第三章氮化硅薄膜的物性测试及结构表征  19-35
  3.1 氮化硅光学性能研究  19-23
    3.1.1 薄膜光学参数测试方法  19-20
    3.1.2 椭圆偏振法工作原理  20-22
    3.1.3 椭偏模型的选择  22-23
  3.2 氮化硅残余应力研究  23-26
    3.2.1 PECVD 制备氮化硅薄膜应力产生机理  23-25
    3.2.2 氮化硅薄膜应力测量方法  25-26
  3.3 氮化硅薄膜杨氏模量和硬度  26-29
  3.4 氮化硅薄膜微结构表征  29-34
    3.4.1 X 射线衍射仪（XRD）  29-30
    3.4.2 X 射线光电子能谱（XPS）  30-31
    3.4.3 扫描电子显微镜（SEM）  31
    3.4.4 傅里叶透射红外光谱（FTIR）  31-34
  3.5 本章总结  34-35
第四章高频PECVD 氮化硅薄膜的性能研究  35-58
  4.1 PECVD 制备氮化硅薄膜装置简介  35-36
  4.2 高频PECVD 制备氮化硅薄膜  36-37
  4.3 高频氮化硅光学性能研究  37-41
    4.3.1 椭圆偏振仪对高频氮化硅薄膜的光学性能测量步骤  37
    4.3.2 椭圆偏振仪对高频氮化硅薄膜的光学性能测量  37-41
  4.4 硅烷流量对高频氮化硅薄膜应力的影响  41-42
  4.5 高频氮化硅薄膜杨氏模量和硬度  42-45
  4.6 高频氮化硅薄膜的微结构表征  45-57
    4.6.1 扫描电子显微镜（SEM）  45-46
    4.6.2 X 射线光电子能谱（XPS）  46-48
    4.6.3 X 射线衍射仪（XRD）  48-50
    4.6.4 傅里叶透射红外光谱（FTIR）  50-57
  4.7 本章总结  57-58
第五章低频PECVD 制备氮化硅薄膜的性能研究  58-70
  5.1 低频氮化硅薄膜的制备  58
  5.2 低频氮化硅光学性能研究  58-60
  5.3 低频氮化硅力学性能研究  60-63
    5.3.1 低频PECVD 制备氮化硅薄膜应力测量  60
    5.3.2 低频PECVD 制备氮化硅薄膜杨氏模量和硬度测量  60-63
  5.4 低频氮化硅微结构分析  63-69
    5.4.1 扫描电子显微镜（SEM）  63
    5.4.2 X 射线衍射仪（XRD）  63-65
    5.4.3 傅里叶透射红外光谱（FTIR）  65-69
  5.5 本章总结  69-70
第六章高频和低频PECVD 制备氮化硅薄膜的性能比较  70-80
  6.1 高频、低频氮化硅光学性能比较  70-72
    6.1.1 高频、低频氮化硅折射率n 比较  70-71
    6.1.2 高频、低频氮化硅光学带隙Eg 比较  71-72
  6.2 高频、低频氮化硅力学性能比较  72-73
    6.2.1 高频、低频氮化硅残余应力比较  72-73
    6.2.2 高频、低频氮化硅杨氏模量比较  73
  6.3 高频、低频氮化硅微结构分析与比较  73-78
  6.4 本章总结  78-80
第七章结论与展望  80-83
  7.1 结论总结  80-81
  7.2 发展与展望  81-83
致谢  83-84
参考文献  84-89
攻读硕士期间取得的研究成果  89-90

PECVD氮化硅薄膜制备与微结构研究

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