非晶硅薄膜熱光特性理論與工藝研究.pdf

1、非晶硅由于熱光系數(shù)高，成本低廉、易于集成等特點，被廣泛應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)中。近年來，設(shè)計基于非晶硅薄膜熱光效應(yīng)的低損耗、高性能的光學(xué)器件成為半導(dǎo)體光學(xué)領(lǐng)域的研究重點，如熱光可調(diào)諧薄膜濾波器、熱光開關(guān)、紅外探測器等。在基于非晶硅熱光效應(yīng)設(shè)計的器件中，要求薄膜具有較高的熱光系數(shù)來實現(xiàn)器件設(shè)計功能。然而在其他情況下，非晶硅折射率隨溫度的變化可能會引起系統(tǒng)工作不穩(wěn)定及器件性能下降，因而要求其具有相對較小的熱光系數(shù)來避免這種熱誘導(dǎo)效應(yīng)。非晶硅材料具有

2、連續(xù)不規(guī)則網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，這使得它的性質(zhì)在不同的工藝條件下具有很高的靈活性，因此研究薄膜熱光特性的工藝相關(guān)性具有相當?shù)膶嵱脙r值。
　　首先，通過理論分析得出極化率為影響熱光系數(shù)的主導(dǎo)因素并對其進行仿真。建立基于非晶硅內(nèi)部組分的氫團簇模型，通過改變晶胞內(nèi)不同硅氫基團的數(shù)量，研究了非晶硅帶邊770 nm及通信波段1330 nm和1550 nm處的極化率。結(jié)果表明，非晶硅熱光特性對H含量十分敏感。增加H含量，即提升SiH2和SiH3基團比例，

3、能夠增強薄膜熱光效應(yīng)，其中SiH3基團效果更優(yōu)，而過量的H會降低對薄膜熱光系數(shù)的增幅，甚至會造成薄膜熱光系數(shù)下降。
　　其次，為研究薄膜熱光特性工藝相關(guān)性，先重點解決非晶硅薄膜均勻制備工藝以及非晶硅薄膜熱光系數(shù)精確測量兩個亟需解決的關(guān)鍵性技術(shù)問題。本文從改善氣流場、溫度場、電磁場均勻性三個角度出發(fā)優(yōu)化反應(yīng)腔體設(shè)計，臺階儀測試結(jié)果顯示薄膜均勻性得到明顯改觀?？偨Y(jié)了國內(nèi)外熱光系數(shù)測量方法，結(jié)合熱光系數(shù)測量要求，設(shè)計出了基于FILMea

4、sure-20的薄膜熱光系數(shù)測量平臺。
　　最后，使用搭建的熱光系數(shù)精確測量平臺研究了不同工藝條件：射頻功率、沉積壓強、退火溫度處對薄膜性能及在1330 nm處熱光特性的影響。測試結(jié)果與現(xiàn)有理論值接近，證明了測試平臺的可靠性，并得出以下結(jié)論：（1）沉積時使用相對較高的射頻功率、適中的沉積壓強、對薄膜進行500℃短時間退火都是提高薄膜熱光系數(shù)的有效手段，其中500℃短時間退火可使熱光系數(shù)提升63.5％；（2）使用較低射頻功率、較高的