氮化硅薄膜生长随时间演化过程及其特性研究

2021-08-10孙佳欣周炳卿

硅酸盐通报 2021年7期

孙佳欣，周炳卿

(内蒙古师范大学物理与电子信息学院，内蒙古材料物理与化学自治区重点实验室,呼和浩特 010022)

0 引言

氮化硅薄膜是一种十分重要的薄膜光学材料，具有光学带隙宽，透射率和折射率变化范围大等性质[1,2]，且物理与化学性质稳定[3]，因而具有非常广泛的应用。例如在太阳电池中，氮化硅薄膜可作为表面减反射薄膜，同时氮化硅薄膜最近还被报道可作为透明锂电池的阳极材料[4]。但是氮化硅是一种电绝缘体，导致其充放电能力极低，因此必须对硅氮比(原子含量比，本文中用a(Si)/a(N)表示)进行优化。氮化硅层的厚度和键密度对太阳电池的减反射性能有重要影响。目前，常规的射频等离子增强化学气相沉积(PECVD)技术是制备氮化硅薄膜材料最常见的方法之一，其沉积工艺参数如射频功率、气体流量和衬底温度等对薄膜的性质均有影响，对此许多学者进行了研究。例如李婷婷等[5]的研究表明，随着射频功率的增加，薄膜逐渐从富硅态转化为富氮态；谷鑫等[6]发现氨气流量的增加会使薄膜的缺陷态密度降低；张龙龙等[7]指出随着衬底温度的增加，薄膜折射率会显著升高,但针对氮化硅薄膜的生长随时间演化的过程研究却并不多。

基于此，本文研究氮化硅薄膜生长随时间变化的演化过程及其特性。对所沉积的样品采用X射线衍射谱(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、紫外-可见光吸收谱(UV-VIS)以及扫描电镜(SEM)等方法进行表征，对薄膜的结晶程度、厚度变化、组分含量、折射率以及光学带隙等进行相应的研究，以便制备出致密性好、生长均匀、带隙较宽、透光率好且其厚度可控的氮化硅薄膜。

1 实验

使用常规的射频(13.56 MHz)等离子增强化学气相沉积设备制备了一系列氮化硅薄膜样品。以晶向为(100)的N型单晶硅片与Corning7059玻璃片作为衬底，且在试验前进行了清洗处理。试验时背景真空度为4×10-4Pa，采用优化后的工艺进行沉积，沉积参数如下：保持硅烷流量为0.6 mL/min，氨气流量为35 mL/min，氮气流量为50 mL/min，衬底温度为200 ℃，电极间距为2.0 cm，射频功率为20 W，沉积压强为80 Pa，改变镀膜时间，分别为30 min、40 min、50 min、60 min、70 min、80 min，共制备6个样品进行研究。

2 结果与讨论

2.1 X射线衍射分析

通过XRD谱可以对氮化硅薄膜样品的结晶情况进行分析。图1为在玻璃衬底上沉积的不同沉积时间薄膜样品的XRD谱，X射线采用Cu靶，波长为0.154 nm，扫描角度2θ为20°～80°，扫描速度为0.02 (°)/s。图1显示在25°附近有很宽的“馒头峰”，这是典型的氮化硅非晶态衍射峰，除此之外没有其他衍射峰出现，说明试验所沉积的薄膜为非晶相结构，且与沉积时间无关。这种非晶结构的氮化硅薄膜可以作为太阳能电池的表面减反射薄膜以及透明锂薄膜电池的阳极材料[8]。

2.2 光学性质分析

半导体材料可以吸收的波长范围大多在紫外波段和可见光波段，材料吸收光之后其内部的电子可发生跃迁。采用紫外-可见光分光光度计对所制备的薄膜样品进行紫外-可见光透射光谱测试，结果如图2所示。从图2中看出，当入射光大于400 nm后，薄膜透过率出现了明显的波动现象，这可归因于一定薄膜厚度的干涉效应[9]；并且发现在可见光范围内薄膜的透射率大于75%，即满足透明电池对透过率的要求。通过此透射光谱的干涉现象，还可以计算得到薄膜的厚度、吸收系数和折射率等。

薄膜的光透过率T是薄膜厚度d、折射率n以及入射光波长λ的函数，满足如下关系式[9]：

(1)

(2)

(3)

式中：TM和Tm分别代表所测试出的透射谱中极大值和极小值，计算过程中使用与长波区相对应的值；ns表示玻璃衬底的折射率，取值为1.5;λi、λj代表透射谱中不同极大值处的波长值；ni、nj代表透射谱中不同极大值处的折射率；Y用作公式的等量代换，无实义。

通过上述公式计算得出薄膜的厚度与折射率随沉积时间的变化关系，如图3所示。从图3可以看出，随沉积时间的增加，薄膜的厚度均匀增加，利用线性拟合得到一条近似于直线的关系图，说明利用PECVD技术沉积的氮化硅薄膜厚度(d)随着沉积时间是均匀增加的。利用公式v=d/t，计算出薄膜的沉积速率(v)为11.15 nm/min，说明薄膜的沉积速率与沉积时间(t)无关。在SiNx做透明锂电池阳极材料的研究中发现，SiNx层的厚度对电池的循环性能有重要影响[10]，此试验结果表明可以通过精确地控制沉积时间得到理想的薄膜厚度。

折射率能反映薄膜的质量，是反映薄膜的组成成分与其致密性的指标。研究表明，材料密度是影响折射率的因素，材料越致密，其折射率越高[11]。从图3的插图中可以看到薄膜的折射率随沉积时间增加而增加，说明随沉积时间的增加,薄膜的致密度逐渐增加。图3显示当沉积时间为70 min时，薄膜的折射率为2.0，说明此时薄膜已具有良好的光学性能[12]。

利用式(4)和式(5)可计算薄膜的光学带隙Eg。

(4)

(αhν)1/2=B(hν-Eg)

(5)

式中：α是波长相对应的吸收系数；hν表示光子能量；B为Tauc斜率，是一个常数，由物质的结构决定，能够体现薄膜整体的有序程度；Eg表示光学带隙。根据(αhν)1/2与hν的关系，将其直线部分进行外推处理，与横轴的交点即为薄膜的光学带隙，如图4所示。从图4可以看出薄膜的光学带隙基本保持不变，其最小值为3.22 eV，最大值为3.28 eV，说明光学带隙与薄膜的厚度无关。而结晶氮化硅(Si3N4)的光学带隙为4.6 eV，大于所制备样品的光学带隙，说明试验所制备的样品是非晶SiNx薄膜。

2.3 傅里叶变换红外光谱分析

SiNx作为透明锂电池的阳极材料时，电极的性能不仅受到其厚度的制约，还受硅氮比的影响[13]。利用傅里叶变换红外光谱可以判断样品的化学成分及化学键结构的变化。图5为不同沉积时间薄膜样品的傅里叶变换红外光谱，谱线在465 cm-1、847 cm-1、1 161 cm-1、2 170 cm-1和3 345 cm-1附近出现明显的吸收峰，分别对应Si—N键对称伸缩振动、Si—N键非对称伸缩振动、N—H键平面摇摆振动、Si—H键伸缩振动和N—H键伸缩振动。从图5可见，随着沉积时间的增加，位于847 cm-1波数处的Si—N键的吸收峰增强，但没有发生位置的偏移，说明薄膜中Si—N键含量逐渐增加，但硅氮比维持恒定不变[14]。在990 cm-1处的肩峰为Si—O键伸缩振动[15]，这是因为样品制备后于空气中暴露一段时间后，吸附了空气中O2和H2O发生后氧化现象。随沉积时间的增加，Si—O键吸收峰的峰值强度减小，在沉积时间为70 min时基本消失，说明致密性好的薄膜可以有效阻挡O原子进入薄膜，不易发生后氧化现象。

利用式(6)[5]计算薄膜中Si—N键的键密度Cx：

(6)

式中：A为校正因子，取值为6.3×1018cm-2;αω为吸收系数；ω为振动角频率。图6为Si—N键的键密度与沉积时间的关系，通过观察发现Si—N键的键密度随时间的增加逐渐增加，说明薄膜的致密度随沉积时间增加而增大。根据Kessels等[16]的研究发现氮化硅薄膜的生长机理如下：真空室中的SiH4首先分解成SiH2和SiH3基团并吸附在衬底表面，之后处于激发态的N原子持续地轰击薄膜表面的Si—Si键进而形成Si—N—Si键，即形成SiNx薄膜。所以在薄膜形成的过程中，随沉积时间的增加，Si—N键的键密度逐渐增加。

为进一步分析薄膜的组成成分，可以通过式(7)计算薄膜的硅氮比[17],式中C(Si—H)和C(N—H)分别表示Si—H键和N—H键的键密度。

(7)

Si—N键的键密度与薄膜的硅氮比随沉积时间的关系如图6所示。随沉积时间的增加，薄膜的硅氮比保持在0.78左右，大于Si3N4的硅氮比0.75，说明试验所制备的SiNx薄膜略显富硅特性，并且薄膜的组分与沉积时间无关，这与前述紫外-可见光谱所得结果一致。由于Si3N4为绝缘体，作为锂电池的阳极材料需要改变硅氮比，而薄膜中氮含量决定电池的稳定性，因此试验所制备的SiNx薄膜可以用于透明锂电池的阳极材料。

2.4 表面形貌

图7为沉积时间为40 min、60 min和80 min时样品的SEM照片。从图7可以看出，当沉积时间较短时，薄膜中存在一些孔洞，粒子分布不均匀；随沉积时间的增加，孔洞变少，粒子均匀地平铺在衬底表面，进一步说明薄膜的致密性与均匀性增加。其主要原因是薄膜在生长过程中，沉积前期生长在衬底上的前驱体之间的间距较大，衬底上有足够的空隙容纳后续成膜的前驱物。随着沉积时间的增加和等离子的持续轰击，衬底以及薄膜中原本的空隙被逐渐填充，导致样品的致密度和均匀性都显著增加。这与红外光谱和紫外-可见光吸收谱得到的结果完全一致。