收稿日期:2008-09-12. 基金项目:教育部留学回国人员科研启动基金资助项目(200611AA03).材料、结构及工艺氮化硅薄膜的沉积速率和表面形貌张广英1,吴爱民1,秦福文1,公发全2,姜 辛1,3(1.大连理工大学三束材料改性国家重点实验室,辽宁大连116024;2.大连化学物理研究所,辽宁大连116023;3.德国锡根大学材料工程学院,德国锡根57056)摘 要: 采用电子回旋共振2等离子体增强化学气相沉积(ECR 2PECVD )技术,以氮气为等离子体气源,5%硅烷(Ar 稀释)为前驱气体,在玻璃衬底上低温制备了氮化硅薄膜。
利用偏振光椭圆率测量仪、原子力显微镜(A FM )等测试技术分析探讨了硅烷流量(5～50cm 3)、沉积温度(150～350℃)以及微波功率(500～650W )等对SiN 薄膜沉积速率及表面形貌的影响。
结果表明:沉积速率随着硅烷流量和微波功率的增加而增加(最高达到11.07nm/min ),随着衬底温度的增加而降低,在温度为350℃时降低到2.44nm/min 。
薄膜的粗糙度随着衬底温度和微波功率的增加而降低,粗糙度最低为0.89nm ,说明薄膜的表面质量较高。
关键词: ECR 2PECVD ;氮化硅薄膜;沉积速率;表面形貌中图分类号:TN304.054 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2009)04-0558-04Deposition R ate and Surface Topography of SiN FilmsZHAN G Guang 2ying 1,WU Ai 2min 1,Q IN Fu 2wen 1,GON G Fa 2quan 2,J IAN G Xin 1,3(1.State K ey Lab.of Materials Modif ication by Laser ,Ion and E lectron B eams ,Dalian U niversity of T echnology ,Dalian 116024,CHN;2.Dalian I nstitute of Chemical Physics ,Chinese Academy of Sciences ,Dalian 116023,CHN;3.Institute of Materials E ngineering ,Siegen U niversity ,Siegen 57076,GER )Abstract : The silicon nit ride films were deposited at low deposition temperat ure by electron cyclotron reso nance 2plasma enhanced chemical vapor deposition (ECR 2PECVD )technique on glass subst rate by applying p ure nit rogen as t he plasma gas source and 5%silane (Ar dilute )as t he precursor gas.The deposition rate ,refractive index and surface topograp hy of SiN films were st udied by ellip somet ry and A FM.Result s show t hat t he depo sition rate increases wit h t he silicon gas flow and microwave power increasing ,and decreases wit h t he subst rate temperat ure increasing.The maximal depo sitio n rate is 11.07nm/min.The minimal depo sition rate of 2.44nm/min is achieved at t he subst rate temperate of 350℃.Wit h t he deposition temperat ure and microwave power increasing ,t he roughness of silicon nit ride films decreases wit h t he minimal value is 0.89nm.K ey w ords : ECR 2PECVD ;SiN films ;depo sition rate ;surface topograp hy0 引言近年来,用PECVD 技术制备氮化硅薄膜并应用于太阳电池的课题越来越引起人们的关注[122]。
作为一种重要的新型功能材料,氮化硅薄膜具有优良的光学性能、电学性能和化学稳定性能[3]。
在太阳电池中,氮化硅薄膜由于它的优良的光学性能,可以作为一种很好的减反射材料,以减少入射太阳光的损失,提高电池的效率。
同时,氮化硅薄膜也可以对太阳电池起到表面和体内的钝化作用,提高电池・855・的短路电流[425]。
传统制备氮化硅薄膜技术(CVD)存在沉积温度高的缺点,我们采用电子回旋共振2等离子体增强化学气相沉积(ECR2PECVD)技术以降低薄膜沉积温度。
ECR2PECVD技术具有高离子密度、低离子温度、对基板轰击能量低、沉积温度低等优点[628]。
在本文中,我们对不同工艺下ECR2PECVD低温制备的氮化硅薄膜的沉积速率和表面形貌进行了探讨。
1 实验采用ECR2PECVD技术,将高纯氮气直接通入微波ECR放电室激发等离子体,经氩气稀释的硅烷(V Ar∶V Si H4=19∶1)不直接参与等离子体放电,而是在等离子体下游区引入,被活性等离子体分解而在玻璃衬底上生成氮化硅薄膜。
实验前分别用丙酮和无水乙醇对玻璃衬底各超声清洗10min,以去除表面的油污及其他吸附杂质。
沉积薄膜前用氮等离子体对衬底进行氮化处理5min,以进一步清洁衬底表面并改善衬底生长表面质量。
生长薄膜后,利用偏振光椭圆率测量仪对不同工艺参数下SiN薄膜的折射率和膜厚进行了分析表征,进而研究不同工艺对薄膜光学性质及生长速率等的影响。
利用原子力显微镜(AFM)测试技术,研究了沉积条件对氮化硅薄膜的表面形貌等的影响。
2 结果和讨论2.1 硅烷流量对氮化硅薄膜性质的影响实验在功率为500W,温度为350℃,沉积时间为30min的条件下,固定氮气流量,硅烷流量从5 cm3增加到50cm3沉积了一系列氮化硅薄膜。
通常,在化学气相反应中,反应源气体的组成影响着薄膜的沉积速率,从而进一步影响薄膜的物理化学性质。
在本文中,随着硅烷流量的增加,薄膜的沉积速率几乎线性增加(如图1),而薄膜在波长为632.8 nm时的折射率却几乎未有明显变化(如图2)。
Kessels等人[9]报道了在Si H42N2反应系统中氮化硅薄膜的生长机理:Si H3原子基团先吸附在衬底表面上(此过程与形成Si膜的过程一致),然后处于激发态的N轰击薄膜表面的Si-Si键形成Si-N-Si键,从而形成SiN薄膜(成膜过程如图3所示)。
根据Kessels等人的报道,本实验中增加硅烷的流量,会有更多的Si H3原子基团吸附在衬底表面。
但是由图2可知,薄膜的折射率在1.8左右,说明氮化硅薄膜中氮的含量较高[10],所以在薄膜的表面反应中,过量的处于激发态的N一直轰击吸附在薄膜表面的Si H3原子基团而形成Si-N-Si键,使得薄膜的化学配比保持不变,因此薄膜的折射率保持在1.8左右(如图2)。
随着硅烷流量的增加,更多的原子基团吸附在衬底表面发生反应形成薄膜,则薄膜的沉积速率随着硅烷流量的增加而增加,生长速率最高达到11.07nm/min。
2.2 衬底温度和微波功率对氮化硅薄膜沉积速率的影响图4中(a)组样品是在微波功率为500W、固定氮气和硅烷的流量比、衬底温度从100℃逐渐增加・955・到350℃的条件下制备的,(b)组样品是在衬底温度为100℃、固定氮气和硅烷的流量比、微波功率从450W增加到700W的条件下制备的。
从图4中可以看出,沉积速率随着衬底温度的增加而降低,这是因为衬底温度的升高,提高了原子的活性,使得吸附原子被表面所吸附的能力下降,漂移率上升,较容易找到理想且稳定的位置进行聚结。
同时,在薄膜表面的Si原子基团的漂移速度增加,使得薄膜的致密度增加,因此薄膜的厚度变薄,沉积速率减少,在衬底温度为350℃时,沉积速率降低为2.44nm/min。
如图4所示,薄膜的沉积速率是随着微波功率的增加而增加的。
这主要是由于微波功率的增加,耦合给放电室的电子的能量增加,使得更多的N2和Si H4气体电离分解,单位时间内到达衬底表面的粒子流密度增加,使得沉积速率上升。
微波功率在650W时达到最大,为5.73nm/min。
当微波功率达到700W时,刻蚀速率变大,生长速率受阻,因此沉积速率开始下降。
图4 衬底温度和微波功率对氮化硅薄膜沉积速率的影响2.3 表面形貌分析薄膜的表面粗糙度关系着沉积薄膜的质量,高质量的薄膜不仅要求有最佳的化学组成和光学参数,还要求沉积薄膜的表面均匀、平整。
2.3.1 衬底温度对表面形貌的影响图5中的(a)和(b)样品分别是在沉积温度为150℃和350℃时制备的。
从图中可以看出,随着温度的升高,氮化硅薄膜的颗粒变细,平均粒径从44.61nm减小到34.80nm,薄膜的平均粗糙度也从1.88nm降到0.89nm。
这是由于随着衬底温度的增加,吸附在薄膜表面的原子基团的迁移速度增加,使得薄膜的间隙减少,致密度增加,因此薄膜的颗粒变细,粗糙度降低。
图5(b)中有个别颗粒异常增大的现象,我们初步推断是由于玻璃衬底的划痕造成的。
在玻璃衬底清洗过程中表面有局部划伤,在后续薄膜沉积过程中此处薄膜优先形核并长大,形成局部大颗粒区。
而在未有划伤表面沉积薄膜后未发现颗粒异常长大现象。
图5 不同沉积温度下氮化硅薄膜的A FM图2.3.2 微波功率对表面形貌的影响图6(a)和(b)是不同微波功率下所制备的氮化硅薄膜的A FM照片,可以看出,在微波功率为500 W时,所沉积的氮化硅薄膜平均粒径为43.86nm,平均粗糙度为1.45nm,颗粒比较大。
将微波功率从500W增大到650W后,薄膜的平均粒径减少到34.53nm,平均粗糙度减小到1.18nm,说明随着微波功率的增加薄膜的颗粒变细。
这主要是由于随着微波功率的增加,耦合给放电室的电子的能量增加,等离子体密度及相应的活性氮含量也增加[8],Si H4的分解也更充分,单位时间内到达衬底表面的粒子流密度增加,使得薄膜生长加快,颗粒变细。