專(zhuān)利名稱(chēng)：非晶硅光學(xué)薄膜折射率調(diào)節(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于光電子半導(dǎo)體器件工藝領(lǐng)域非晶硅光學(xué)薄膜折射率調(diào)節(jié)方法。
背景技術(shù)：
目前非晶硅材料制作的太陽(yáng)能電池已經(jīng)得到世界各國(guó)的廣泛研究和應(yīng)用，由于其光的吸收系數(shù)大，具有較高的光敏性，吸收峰與太陽(yáng)光譜峰相近，利用非晶硅薄膜制備的薄膜晶體管(TFT)有源矩陣液晶顯示器也是當(dāng)今液晶顯示的主流。在用硅材料制備各種集成器件的過(guò)程中，氧化硅作為一種常見(jiàn)的鈍化層材料，并且作為多層薄膜結(jié)構(gòu)中的調(diào)節(jié)各種光學(xué)參數(shù)的關(guān)鍵材料，也得到了極大的關(guān)注。在光學(xué)器件中薄膜硅材料的折射率極為重要，在精密的光學(xué)器件中，材料的折射率將會(huì)極大的影響到器件的各種光學(xué)性能，通常在保持其光學(xué)性能不變的情況下，改變薄膜硅材料物理厚度或者改變其輸出光路結(jié)構(gòu)，增加薄膜層數(shù)，會(huì)導(dǎo)致工藝難度成倍增加，并且精度難以控制，或是改變材料帶來(lái)的材料之間的匹配問(wèn)題等等。一般認(rèn)為，非晶娃薄膜折射率的大小與薄膜中缺陷，雜質(zhì)以及硅與其它元素的鍵合方式有著很大關(guān)系?，F(xiàn)有技術(shù)常用的非晶娃薄膜制備方法:PECVD(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition)—等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法,是借助微波或射頻等使含有薄膜組成原子的氣體電離，在局部形成等離子體，而等離子體化學(xué)活性很強(qiáng)，很容易發(fā)生反應(yīng)，在基片上沉積出所期望的薄膜。為了使化學(xué)反應(yīng)能在較低的溫度下進(jìn)行，利用了等離子體的活性來(lái)促進(jìn)反應(yīng)，因而這種CVD稱(chēng)為等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)。在PECVD工藝中由于等離子體中高速運(yùn)動(dòng)的電子撞擊到中性的反應(yīng)氣體分子，就會(huì)使中性反應(yīng)氣體分子變成碎片或處于激活的狀態(tài)容易發(fā)生反應(yīng)。襯底溫度通常保持在350°C左右就可以得到良好的SiOx或SiNx薄膜，可以作為集成電路最后的鈍化保護(hù)層和提高集成電路的可靠性，也可作為光學(xué)器件中的關(guān)鍵部分，實(shí)現(xiàn)吸收、探測(cè)和濾波等功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的提供一種簡(jiǎn)單可行，折射率可調(diào)節(jié)范圍較大，精度易于控制的非晶硅薄膜折射率的調(diào)節(jié)方法。本發(fā)明的可以通過(guò)以下措施來(lái)達(dá)到，一種非晶硅薄膜折射率的調(diào)節(jié)方法，其特征在于包括如下步驟:在采用化學(xué)氣相沉積PECVD硅烷輝光放電制備非晶硅薄膜中，平行板結(jié)構(gòu)裝置襯底放在具有溫控裝置的平板上，射頻電壓加在上下平行板之間；設(shè)置工藝參數(shù)，反應(yīng)腔體內(nèi)采用熱絲控制氣體溫度，在輝光放電前，先將沉積室溫抽真空到5xlO_5Pa ;然后在輝光放電沉積過(guò)程的反應(yīng)室中，通入低于硅烷流量百分之十的N2O與硅烷作為非晶硅薄膜反應(yīng)氣體；在反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)腔中保持50Pa的壓強(qiáng)，對(duì)襯底進(jìn)行加熱到300°C，讓上下平板間出現(xiàn)電容耦合式的氣體放電，將氧原子摻雜入非晶硅薄膜中，使氧原子在非晶硅中與Si形成新鍵，形成含氧的氫化非晶硅。本發(fā)明的原理利用了在PECVD硅烷輝光放電制備非晶硅薄膜材料的過(guò)程中摻雜微量的氧元素，氧元素本身的引入會(huì)導(dǎo)致非晶硅的鍵合方式發(fā)生改變，形成新的化學(xué)鍵，但如果摻雜過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致非晶硅薄膜中的晶格失配。由于氧化硅與非晶硅的工藝條件基本兼容，通入少量N2O與硅烷作為反應(yīng)氣體，產(chǎn)生的高能等離子體能打開(kāi)硅硅鍵、硅氫鍵和硅氧鍵，所以能將氧原子摻雜入非晶硅薄膜中，形成含氧的氫化非晶硅，其化學(xué)式可用a-Si0x:Hy 表不。在測(cè)試本方法制備的薄膜時(shí)，由于實(shí)際情況中有少量氧的存在，單純的引用非晶娃或者氧化娃的模型來(lái)處理a_Si0x:Hy薄膜會(huì)帶來(lái)誤差,所以選取基于Forouh1-Bloomer色散方程的非晶材料模型。根據(jù)隨機(jī)混合模型(RMM)，可將a-SiOx:Hy薄膜看作是尺度大小在納米范圍內(nèi)的氧化硅和非晶硅材料互相隨機(jī)混合而成，根據(jù)等效介質(zhì)近似理論(Effective Medium Approximation)來(lái)解釋混合材料的折射率或者介電常數(shù)等性質(zhì)。本發(fā)明折射率可調(diào)節(jié)范圍較大，精度易于控制。根據(jù)等效介質(zhì)理論:混合材料的折射率與其本身所包含的各種元素的比例相關(guān)。所以通過(guò)控制非晶硅薄膜中氧原子的含量來(lái)根據(jù)實(shí)際需求調(diào)節(jié)薄膜的折射率。而摻雜氧元素的含量由通入N2O的量決定，所以折射率可以通過(guò)控制N2O的比例來(lái)精確控制。測(cè)試結(jié)果如附圖1所示，通過(guò)附圖1可以看出，隨著摻氧量的不同，薄膜的折射率有了明顯的變化，實(shí)現(xiàn)了折射率調(diào)節(jié)的功能。


圖1為本發(fā) 明4種不同組份摻氧非晶硅薄膜的折射率曲線(xiàn)示意圖。
具體實(shí)施例方式在以下描述的實(shí)施例中，非晶硅薄膜折射率的調(diào)節(jié)可以通過(guò)PECVD摻氧非晶硅實(shí)現(xiàn)。采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法PECVD制備非晶硅薄膜，氧元素的摻入方法可以參考常見(jiàn)的氧化硅的制作方法。PECVD裝置可以采用現(xiàn)有技術(shù)一種平行板結(jié)構(gòu)裝置。襯底放在具有溫控裝置的平板上，射頻電壓加在上下平行板之間，并且反應(yīng)腔體內(nèi)采用熱絲控制氣體溫度，壓強(qiáng)通常保持在50Pa左右，于是在上下平板間就會(huì)出現(xiàn)電容耦合式的氣體放電，并產(chǎn)生等離子體。其實(shí)現(xiàn)步驟主要包括:(I)抽真空。在輝光放電前先將沉積室溫抽真空，使得真空度達(dá)到4X 10_4Pa左右，以避免雜質(zhì)氣體對(duì)薄膜帶來(lái)的污染。保持50Pa壓強(qiáng)；(2)加熱襯底。當(dāng)達(dá)到想要的真空度后需要對(duì)襯底進(jìn)行加熱，有利于釋放出吸附在腔體壁和襯底上的雜質(zhì)氣體分子和水分子，避免對(duì)成膜質(zhì)量造成影響。(3)薄膜沉積。在輝光放電沉積過(guò)程的反應(yīng)室中，通入少量N2O與硅烷作為非晶硅薄膜反應(yīng)氣體，N2O的摻雜比例低于總反應(yīng)氣體流量的百分之十，同時(shí)摻雜比例低于百分之十的微量氧元素；對(duì)襯底進(jìn)行加熱，讓上下平板間出現(xiàn)電容耦合式的氣體放電，使氧原子在非晶硅中形成新的化學(xué)鍵，將氧原子摻雜入非晶硅薄膜中，形成含氧的氫化非晶硅，設(shè)置相關(guān)工藝參數(shù):壓強(qiáng)50Pa，硅烷流量lOOsccm，N2O流量低于百分之十，射頻功率30w，氣體溫度2000C，襯底溫度300°C，沉積時(shí)間15分鐘，通入硅烷與N2O作為反應(yīng)氣體并進(jìn)行輝光放電制備薄膜。形成含氧的氫化非晶硅，其化學(xué)式可用a-Si0x:Hy表示，其中硅烷制備非晶硅的典型的反應(yīng)方程如下:e+SiH4 — SiH2+H2+e_2.lev(I)e+SiH4 — SiH3+H2+e_4.lev(2)
e+SiH4 — Si+2H2+e-4.4ev(3)e+SiH4 — SiH+H2+H+e-5.9ev(4)氧元素的摻入方法采取在硅烷中通入少量N2O的方法，反應(yīng)示意方程式如下:mSiH4+nSi02 — SiOxHy+nH2+vN2(5)根據(jù)需求分別設(shè)置了 4組不同的反應(yīng)氣體流量比，制備了 4個(gè)不同組份的薄膜。四個(gè)樣本制作時(shí)僅僅改變硅烷與N2O流量比，工藝參數(shù)如下:壓強(qiáng)50Pa，硅烷流量lOOsccm，射頻功率30w，氣體溫度200°C，襯底溫度300°C，沉積時(shí)間15分鐘。其中樣品I到4中的硅烷、N2O 流量比分別為 100:1，100:2:，100:4，100:8。(4)氣路清洗。沉積完薄膜后，沉積室和各個(gè)氣路均會(huì)有殘余氣體和粉塵等副產(chǎn)物，因此必須迅速用氮?dú)膺M(jìn)行沖洗，以避免堵塞氣路，保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。(5)非晶硅薄膜制品冷卻。在真空狀態(tài)下將沉積的薄膜冷卻2小時(shí)，待其降至常溫后方可取出，以防止其氧化。附圖1為對(duì)非晶硅薄膜摻氧后，4種不同組份的摻氧非晶硅薄膜的折射率。其中曲線(xiàn)I到曲線(xiàn)4中的氧含量逐漸增加。(6)樣品測(cè)試。本實(shí)驗(yàn)采用德國(guó)SENTECH公司生產(chǎn)的SE850型光譜式橢偏儀對(duì)制備的非晶硅薄膜進(jìn)行了折射率的測(cè)試。選取基于FOTouh1-Bloomer色散方程的非晶材料模`型。
權(quán)利要求
1.一種非晶硅薄膜折射率的調(diào)節(jié)方法，其特征在于包括如下步驟:在采用化學(xué)氣相沉積PECVD硅烷輝光放電制備非晶硅薄膜中，平行板結(jié)構(gòu)裝置襯底放在具有溫控裝置的平板上，射頻電壓加在上下平行板之間；設(shè)置工藝參數(shù)，反應(yīng)腔體內(nèi)采用熱絲控制氣體溫度，在輝光放電前，先將沉積室溫抽真空到5X10_5Pa ;然后在輝光放電沉積過(guò)程的反應(yīng)室中，通入低于硅烷流量百分之十的N2O與硅烷作為非晶硅薄膜反應(yīng)氣體，N2O的摻雜比例低于總反應(yīng)氣體流量的百分之十；在反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)腔中保持50Pa的壓強(qiáng)，對(duì)襯底進(jìn)行加熱到300°C，讓上下平板間出現(xiàn)電容耦合式的氣體放電，將氧原子摻雜入非晶硅薄膜中，使氧原子在非晶硅中與Si形成新鍵，形成含氧的氫化非晶硅。
2.如權(quán)利要求1所述的非晶硅薄膜折射率的調(diào)節(jié)方法，其特征在于，所述的設(shè)置工藝參數(shù)是，壓強(qiáng)5 0Pa，硅烷流量lOOsccm，N2O流量低于百分之十，射頻功率30w，氣體溫度200°C,襯底溫度300°C，沉積時(shí)間15分鐘。
3.如權(quán)利要求1所述的非晶硅薄膜折射率的調(diào)節(jié)方法，其特征在于,N2O的摻雜比例低于總反應(yīng)氣體流量的百分之十，微量氧元素?fù)诫s比例低于百分之十。
4.如權(quán)利要求1所述的非晶硅薄膜折射率的調(diào)節(jié)方法，其特征在于，形成含氧的氫化非晶硅，其化學(xué)式為a-SiOx:Hy，其中硅烷制備非晶硅的典型的反應(yīng)方程是: e+SiH4 — SiH2+H2+e-2.lev(I) e+SiH4 — SiH3+H2+e-4.lev(2) e+SiH4 — Si+2H2+e-4.4ev(3) e+SiH4 — SiH+H2+H+e-5.9ev(4)
5.如權(quán)利要求1所述的非晶硅薄膜折射率的調(diào)節(jié)方法，其特征在于，氧元素的摻入方法采取在硅烷中通入少量N2O的方法，反應(yīng)示意方程式如下: mSiH4+nSi02 — SiOxHy+uH2+vN2(5)。
全文摘要
本發(fā)明提出的一個(gè)非晶硅薄膜折射率的調(diào)節(jié)方法，簡(jiǎn)單可行，折射率可調(diào)節(jié)范圍較大，精度易于控制。本發(fā)明可以通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)在采用化學(xué)氣相沉積PECVD硅烷輝光放電制備非晶硅薄膜中，平行板結(jié)構(gòu)裝置襯底放在具有溫控裝置的平板上，射頻電壓加在上下平行板之間；反應(yīng)腔體內(nèi)采用熱絲控制氣體溫度，在輝光放電前，先將沉積室溫抽真空，保持50Pa壓強(qiáng)；然后在輝光放電沉積過(guò)程的反應(yīng)室中，通入少量N2O與硅烷作為非晶硅薄膜反應(yīng)氣體，同時(shí)摻雜比例低于百分之十的微量氧元素；對(duì)襯底進(jìn)行加熱，讓上下平板間出現(xiàn)電容耦合式的氣體放電，使氧原子在非晶硅中形成載流子復(fù)合中心，將氧原子摻雜入非晶硅薄膜中，形成含氧的氫化非晶硅。
文檔編號(hào)C23C16/24GK103205727SQ20121056615
公開(kāi)日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2012年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月24日
發(fā)明者曾璞, 周小燕, 蘇潔梅, 劉從吉, 陳逢彬, 賴(lài)冬寅, 柯尊貴, 羅成思, 袁菲 申請(qǐng)人:西南技術(shù)物理研究所