江錫順

SiO2薄膜是一種良好的介電材料,具有硬度高、耐磨性好、絕熱性好、光透過(guò)率高、抗侵蝕能力強(qiáng)和保護(hù)能力強(qiáng)等特點(diǎn),在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)上有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。實(shí)際生產(chǎn)中,SiO2薄膜可作為雜質(zhì)選擇擴(kuò)散的掩蔽膜;器件表面的保護(hù)和鈍化膜;某些器件的組成部分,包括集成電路的隔音介質(zhì),多層電極布線間的絕緣介質(zhì),電容器的介質(zhì)材料,MOS場(chǎng)效應(yīng)管的絕緣柵材料等[4-6]。

根據(jù)不同的要求和用途,可以采用很多方法制備SiO2薄膜[7-10],并且工藝也日趨成熟,主要有溶膠凝膠法、液相沉積法、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積和硅烷氧化法等。與其它方法相比,磁控濺射技術(shù)由于轟擊粒子能量高,基底可加熱,SiO2分子到達(dá)基底表面后能充分遷移,雜質(zhì)吸附少,成膜堅(jiān)固,退火充分,應(yīng)力小,成膜條件和厚度易于控制,具有均勻性和重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn),適合大面積工業(yè)化制備。但到目前為止,射頻磁控濺射技術(shù)制備SiO2薄膜離實(shí)際應(yīng)用還有一定距離,因此深入研究濺射技術(shù)制備SiO2薄膜具有廣闊的應(yīng)用前景。

本實(shí)驗(yàn)采用射頻磁控濺射法制備了厚度為388nm的SiO2薄膜,并對(duì)其進(jìn)行等時(shí)變溫退火處理,研究退火溫度對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品制備

采用JGP5601型超高真空多功能磁控濺射儀,以單晶Si(111)和載玻片為基片,在室溫下沉積SiO2薄膜。濺射前,基片先用丙酮浸泡并超聲清洗,然后用去離子水超聲清洗,取出放入干燥箱中烘干備用。靶材采用高純SiO2。濺射工藝參數(shù)為:本底真空度8.0×10-4Pa,Ar壓強(qiáng)0.7Pa,濺射功率80W,濺射電壓400V,自偏壓360V,沉積速率6.7nm/min。將沉積的SiO2薄膜放在退火爐中進(jìn)行等時(shí)變溫退火處理,退火溫度分別為200℃、300℃、400℃和500℃,保溫1小時(shí)后,將薄膜樣品自然冷卻至室溫。

1.2 樣品測(cè)試

用MACM18XHF型X射線衍射儀,對(duì)不同退火溫度SiO2薄膜樣品微結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試。衍射儀X光管為Cu靶,Cukα射線波長(zhǎng)為1.54056?。測(cè)量管壓為40kV,管流為100mA。采用2θ連續(xù)掃描方式,掃描速度為8.00°/min,掠射角為2°,掃描范圍為10-80°。用UV2550型紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì),在300-900nm波長(zhǎng)范圍內(nèi),測(cè)試不同退火溫度SiO2薄膜的反射率和透射率。實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件:步進(jìn)1nm,狹縫寬度2.0nm,入射角5°,換燈位置290nm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

利用XP-1型臺(tái)階儀測(cè)量SiO2薄膜厚度,為388nm。

2.1 SiO2薄膜XRD 表征

圖1是不同退火溫度下的SiO2薄膜XRD譜圖。

圖1 SiO2薄膜XRD譜圖

由圖1可知,常溫下薄膜結(jié)晶不是很好,隨著退火溫度的升高,出現(xiàn)了兩個(gè)較明顯的衍射峰,且隨退火溫度的升高,衍射峰越明顯。比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)PDF卡可知:制備的SiO2薄膜經(jīng)不同溫度退火后均呈多晶結(jié)構(gòu),晶體結(jié)構(gòu)仍為四方晶系。在10-800范圍內(nèi),出現(xiàn)的兩個(gè)特征峰,峰位分別位于14.5500和22.7600,其密勒指數(shù)分別為301和150。測(cè)量衍射峰的半高寬β,利用Scherrer公式[11]:

(1)

其中，k取0.9,λ取0.154056nm,θ為Bragg角,計(jì)算出晶粒大小D。

再利用布拉格公式:

2dsinθ=λ

(2)

和四方晶系計(jì)算公式:

(3)

分別計(jì)算出晶面間距和晶格常數(shù)。

利用公式(1)-(3)分別計(jì)算出SiO2薄膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

表1 SiO2薄膜結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 SiO2薄膜晶面間距和晶格常數(shù)

由表1和表2可以看出,隨著退火溫度的升高,薄膜衍射峰的半高寬在減小,晶粒尺寸逐漸長(zhǎng)大,薄膜的結(jié)晶度明顯變好。

2.2 SiO2薄膜反射和透射譜分析

圖2是在300℃退火下的SiO2膜反射譜。

圖2 SiO2薄膜反射譜

由反射譜,分別計(jì)算不同退火溫度下的平均反射率,所得結(jié)果列入表3。

表3 SiO2薄膜平均反射率

由表3可以看出,SiO2薄膜經(jīng)不同溫度退火處理后,薄膜的平均反射率在10.2-12.4%之間,變化不明顯。這也表明:退火溫度對(duì)薄膜的平均反射率影響不大。

圖3是SiO2薄膜400℃退火下的透射譜。

圖3 SiO2薄膜透射譜

從圖3的透射譜,可以看出,SiO2薄膜在可見(jiàn)光波段的透射率較高,達(dá)80%以上,而在紫外光波段透射率急劇變小,并于330nm處出現(xiàn)嚴(yán)重的吸收邊。由透射譜可以計(jì)算SiO2膜平均透射率,所得結(jié)果列入表4。

表4 SiO2薄膜平均透射率

由表4可以看出:隨著退火溫度的升高,SiO2膜的平均透射率有所增大,當(dāng)退火溫度達(dá)到400℃時(shí),平均透射率最大,為88.3%。但退火溫度繼續(xù)增大到500℃時(shí),平均透射率減小,降到76.1%,這可能與500℃退火時(shí)SiO2膜相當(dāng)致密,致使光的透過(guò)率降低有關(guān)[12]。

2.3 紅外光譜分析

圖4是SiO2薄膜不同退火溫度下的紅外圖譜。

圖4 SiO2薄膜紅外吸收?qǐng)D譜

由圖4吸收光譜可以看出:薄膜在1055cm-1左右處出現(xiàn)了明顯的吸收峰,該峰反應(yīng)Si-O-Si反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)。隨著退火溫度的升高,吸收峰的峰位發(fā)生了紅移,由未退火的1051cm-1處,移到退火溫度500℃的1070cm-1處。吸收峰發(fā)生紅移是因?yàn)榱孔映叽缧?yīng)的減弱使禁帶寬度變窄。圖中也出現(xiàn)了反應(yīng)Si-O-Si對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)與搖擺振動(dòng)的吸收峰,分別在約650cm-1與465cm-1處[13]。由此表明,退火溫度對(duì)SiO2薄膜的吸收峰的峰位有一定的影響。因此,在實(shí)際生產(chǎn)中,可通過(guò)在不同的退火溫度下退火處理來(lái)調(diào)節(jié)共振吸收峰的位置,以滿(mǎn)足光電器件對(duì)不同工作波長(zhǎng)的需要。

3 結(jié)論

采用射頻磁控濺射技術(shù)制備的SiO2薄膜,并對(duì)薄膜進(jìn)行變溫退火處理。微結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果表明:隨著退火溫度的升高,兩個(gè)衍射峰的半高寬在減小,晶粒在長(zhǎng)大,薄膜的結(jié)晶度較退火前明顯變好。退火溫度對(duì)薄膜的平均反射率影響不明顯,退火前后平均反射率均在10.2-12.4%之間;薄膜的平均透射率隨著退火溫度的上升先增大后減小,在200℃～400℃時(shí),SiO2薄膜的平均透射率逐漸增大,退火達(dá)到500℃時(shí),平均透射率減小。薄膜在1055cm-1處出現(xiàn)了明顯的紅外吸收峰,隨著退火溫度的升高,吸收峰的峰位發(fā)生紅移。

[參 考 文 獻(xiàn)]

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