PECVD制备富硅氮化硅薄膜的工艺条件及其性质的研究

采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)以SiH4和N2为反应气体,分别在射频功率、硅烷稀释度[SiH4/N2]、衬底温度为变量的情况下制备了富硅氮化硅薄膜材料,利用X射线衍射谱(XRD)、傅里叶变换红外谱(FTIR)、紫外-可见光吸收谱(UV-Vis)对薄膜材料进行了表征,并研究了薄膜材料的微结构和晶化状况、光学特性等。实验结果表明,所沉积薄膜都为富硅的非晶氮化硅材料,改变射频功率、硅烷稀释度和衬底温度可以控制氮化硅薄膜中N元素的含量、光学带隙的大小和薄膜的折射率,并制备出最适宜富硅氮化硅薄膜,为进一步退火析出硅量子点奠定了基础。

富硅氮化硅薄膜的制备及其光学带隙研究

采用双极脉冲磁控反应溅射法在不同参数条件下制备了一系列氮化硅薄膜。利用数字式显微镜和紫外-可见光光谱仪研究了沉积薄膜的表面形貌及其光学带隙,利用共焦显微拉曼光谱仪比较了硅衬底、氮化硅薄膜退火前后的拉曼光谱。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。原沉积薄膜的拉曼光谱存在明显的非晶硅和单晶硅峰,退火处理后非晶硅峰减弱或消失,表明薄膜出现明显的结晶化;单晶硅峰出现频移现象,表明薄膜中出现硅纳米颗粒,平均尺寸约为6.6 nm。

硅烷流量对热丝法制备富硅氮化硅薄膜的影响

以热丝化学气相沉积为方法,硅烷流量为变量,制备一系列氮化硅薄膜,并对样品进行傅里叶红外光谱、紫外-可见光谱、PL光谱的测试,结果发现:随着硅烷流量的增加Si-N键键合几率相对减小,Si-Si键键合几率相对增加,薄膜折射率局域增大且带隙值在富硅范围内呈减小趋势.在光致发光谱中也观察到有硅量子点发光波长范围内峰位明显移动的波峰,由测试可知,所得样品为向富硅相转变或已呈富硅相的氮化硅薄膜.

氨气流量对富硅氮化硅薄膜键态的分析

采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在低压力的条件下,以Si H4、NH3和H2为反应气体,通过改变氨气流量来研究富硅氮化硅薄膜材料。通过Fourier变换红外吸收(FTIR)光谱检测样品中各键的键合结构演变,发现Si-N键和N-H键随着氨气流量改变向高波数方向移动,说明逐渐形成氮化硅薄膜。通过紫外-可见光透射光谱测量薄膜材料的透射光谱,计算得出薄膜相应的带隙宽度以及带尾能量,发现氨气流量的增加,光学带隙明显展宽,确定形成的薄膜为富硅氮化硅薄膜。

氢流量对富硅-氮化硅薄膜键结构及光学性质的影响

采用等离子体增强化学气相沉积法,以SiH_4、NH_3和H_2为反应气体,通过改变氢流量来制备富硅-氮化硅薄膜。利用傅里叶变换红外吸收光谱、紫外-可见光透射光谱、X射线衍射谱和光致发光谱对薄膜的结构与性质进行表征。实验发现,适当地增加H2流量,可以提高反应过程中H离子与Si、N悬挂键的键合几率,从而起到钝化薄膜悬键的作用。当H_2流量从10 sccm变化到20 sccm时,H主要起到钝化薄膜悬挂键作用,因而缺陷态减少,缺陷态发光减弱,薄膜的光学带隙缓慢展宽。继续增加H_2流量,薄膜中的氮原子持续增加,伴随着缺陷态再次增多,辐射加强,并导致光学带隙迅速展宽。当H_2流量达到30 sccm时,薄膜中的氮化硅晶粒增大,数目增多,缺陷态发光消失,出现了氮化硅中由非晶硅量子点团簇引起的发光现象,说明薄膜中出现了非晶硅量子点团簇。因此,适量的增加氢流量能够对薄膜起到钝化的作用,并实现从富硅-氮化硅向Si_3N_4相转变的过程中形成氮化硅基质包埋的非晶硅量子点团簇结构。

射频功率对富硅-氮化硅薄膜结构及性质影响

采用等离子体增强化学气相沉积法,以SiH_4、NH_3和N_2为反应气源,通过改变射频功率制备富硅-氮化硅薄膜材料。利用傅里叶变换红外吸收光谱,紫外-可见光透射光谱,扫描电镜等对薄膜材料结构与性质进行表征。实验表明,随着射频功率的逐渐增加,薄膜光学带隙缓慢减小、有序度增加,薄膜材料中的Si-H键、N-H键缓慢减小,Si-N键增多。分析结果发现,适量的增加射频功率有利于提高样品反应速率,使薄膜有序度增加,致密性增强,提高薄膜质量,但过高的射频功率会使薄膜质量变差。

氨流量对制备富硅-氮化硅薄膜微结构演化的影响

利用热丝化学气相沉积法制备富硅-氮化硅薄膜,研究氨气流量对薄膜微结构的影响。实验中将热丝温度、衬底温度、沉积压强、硅烷流量及衬底与热丝间距等实验参数优化后,改变氨气流量,制备了一系列SiN x薄膜样品。结果发现,氨气流量增加时,薄膜中Si-N键的形成却受到抑制,薄膜带隙展宽,缺陷态也随之增加。在光致发光谱480~620 nm范围内,观察到发光峰有明显的红蓝移现象,认为薄膜中有硅量子点的存在,缺陷态发光强度相对硅量子点的发光强度逐渐增强,为进一步制备在SiN_(x)薄膜中包埋硅量子点材料提供了依据。

氮气流量对非晶SiN_x到含有Si_3N_4晶粒的富硅-SiN_x薄膜转变的影响

基于等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术,应用高纯硅烷和氮气为反应气体,通过设置氮气流量分别为100 sccm、200 sccm、300 sccm和400 sccm四个梯度,研究非晶SiN_x到含有Si_3N_4晶粒的富硅SiN_x薄膜材料转变的影响,并利用傅里叶红外变换谱、紫外-可见光谱和X射线衍射谱对薄膜样品结构进行表征.结果表明,随着N_2流量的增加,SiN_x薄膜中氮原子浓度减小,Si-N键密度减小,Si-H键密度增加,薄膜中出现Si-Si键并且密度逐渐增加,非晶SiN_x逐渐向富硅SiN_x薄膜转变.同时薄膜光学带隙逐渐变大,缺陷态密度增加,微观结构的有序度减小,也说明N_2的增加对富硅SiN_x薄膜产生有促进作用.此外,薄膜内出现了Si_3N_4结晶颗粒,且晶粒尺度随着N_2流量增加而减小,进一步说明薄膜从非晶SiN_x逐渐向含Si_3N_4结晶颗粒的富硅SiN_x转变.该实验证明了采用PECVD技术制备SiN_x薄膜时,通过控制N_2流量,有助于薄膜从非晶SiN_x逐渐向含有结晶的Si_3N_4的富硅SiN_x薄膜转变.