[发明专利]非晶硅光学薄膜折射率调节方法

说明书

技术领域

本发明是关于光电子半导体器件工艺领域非晶硅光学薄膜折射率调节方法。

背景技术

目前非晶硅材料制作的太阳能电池已经得到世界各国的广泛研究和应用，由于其光的吸收系数大，具有较高的光敏性，吸收峰与太阳光谱峰相近，利用非晶硅薄膜制备的薄膜晶体管(TFT)有源矩阵液晶显示器也是当今液晶显示的主流。在用硅材料制备各种集成器件的过程中，氧化硅作为一种常见的钝化层材料，并且作为多层薄膜结构中的调节各种光学参数的关键材料，也得到了极大的关注。在光学器件中薄膜硅材料的折射率极为重要，在精密的光学器件中，材料的折射率将会极大的影响到器件的各种光学性能，通常在保持其光学性能不变的情况下，改变薄膜硅材料物理厚度或者改变其输出光路结构，增加薄膜层数，会导致工艺难度成倍增加，并且精度难以控制，或是改变材料带来的材料之间的匹配问题等等。一般认为,非晶硅薄膜折射率的大小与薄膜中缺陷，杂质以及硅与其它元素的键合方式有着很大关系。现有技术常用的非晶硅薄膜制备方法：PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)--等离子体增强化学气相沉积法，是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。为了使化学反应能在较低的温度下进行，利用了等离子体的活性来促进反应，因而这种CVD称为等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。在PECVD工艺中由于等离子体中高速运动的电子撞击到中性的反应气体分子，就会使中性反应气体分子变成碎片或处于激活的状态容易发生反应。衬底温度通常保持在350℃左右就可以得到良好的SiOx或SiNx薄膜，可以作为集成电路最后的钝化保护层和提高集成电路的可靠性，也可作为光学器件中的关键部分，实现吸收、探测和滤波等功能。

发明内容

本发明的目的提供一种简单可行，折射率可调节范围较大，精度易于控制的非晶硅薄膜折射率的调节方法。

本发明的可以通过以下措施来达到，一种非晶硅薄膜折射率的调节方法，其特征在于包括如下步骤：在采用化学气相沉积PECVD硅烷辉光放电制备非晶硅薄膜中，平行板结构装置衬底放在具有温控装置的平板上，射频电压加在上下平行板之间；设置工艺参数，反应腔体内采用热丝控制气体温度，在辉光放电前，先将沉积室温抽真空到5x10^-5Pa；然后在辉光放电沉积过程的反应室中，通入低于硅烷流量百分之十的N₂O与硅烷作为非晶硅薄膜反应气体；在反应过程中，反应腔中保持50Pa的压强，对衬底进行加热到300℃，让上下平板间出现电容耦合式的气体放电，将氧原子掺杂入非晶硅薄膜中，使氧原子在非晶硅中与Si形成新键，形成含氧的氢化非晶硅。

本发明的原理利用了在PECVD硅烷辉光放电制备非晶硅薄膜材料的过程中掺杂微量的氧元素，氧元素本身的引入会导致非晶硅的键合方式发生改变，形成新的化学键，但如果掺杂过多，会导致非晶硅薄膜中的晶格失配。由于氧化硅与非晶硅的工艺条件基本兼容，通入少量N₂O与硅烷作为反应气体，产生的高能等离子体能打开硅硅键、硅氢键和硅氧键，所以能将氧原子掺杂入非晶硅薄膜中，形成含氧的氢化非晶硅，其化学式可用a-SiOx:Hy表示。

在测试本方法制备的薄膜时，由于实际情况中有少量氧的存在，单纯的引用非晶硅或者氧化硅的模型来处理a-SiOx:Hy薄膜会带来误差，所以选取基于Forouhi-Bloomer色散方程的非晶材料模型。根据随机混合模型（RMM），可将a-SiOx:Hy薄膜看作是尺度大小在纳米范围内的氧化硅和非晶硅材料互相随机混合而成，根据等效介质近似理论（Effective Medium Approximation）来解释混合材料的折射率或者介电常数等性质。

本发明折射率可调节范围较大，精度易于控制。根据等效介质理论：混合材料的折射率与其本身所包含的各种元素的比例相关。所以通过控制非晶硅薄膜中氧原子的含量来根据实际需求调节薄膜的折射率。而掺杂氧元素的含量由通入N₂O的量决定，所以折射率可以通过控制N₂O的比例来精确控制。测试结果如附图1所示，通过附图1可以看出，随着掺氧量的不同，薄膜的折射率有了明显的变化，实现了折射率调节的功能。

附图说明

图1为本发明4种不同组份掺氧非晶硅薄膜的折射率曲线示意图。

具体实施方式