氮化硅透明光學(xué)薄膜的制備與特性分析.pdf

1、氮化硅材料具備許多優(yōu)異的性能，如高熔點、高硬度、強(qiáng)穩(wěn)定性、低膨脹系數(shù)、良導(dǎo)熱性、強(qiáng)抗熱震性及優(yōu)良的光學(xué)性能等，氮化硅塊體材料及其薄膜能廣泛應(yīng)用于光電子、微電子、機(jī)械加工、化學(xué)工業(yè)、太陽能電池、航空航天及集成電路等行業(yè)。基于各種微球、微盤和微環(huán)式的回音壁諧振(WGM)傳感器由于具有高靈敏度、無標(biāo)記等顯著特點，在生物、化學(xué)傳感和檢測領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的回音壁諧振微腔是采用半導(dǎo)體工藝在硅基二氧化硅材料上形成微結(jié)構(gòu)，然后通過CO2激光進(jìn)

2、行回流熱處理得到微腔。這種基于二氧化硅材料的微腔的品質(zhì)因子（Q值）高達(dá)108，如果能夠采用高折射率和低吸收的薄膜材料制備微腔，則有望進(jìn)一步提高其品質(zhì)因子，從而提高傳感靈敏度。在滿足半導(dǎo)體工藝兼容的條件下，折射率高達(dá)2.0左右的氮化硅透明薄膜是一種制備諧振微腔的理想材料。
　　 本文主要研究不同濺射工藝與氮化硅薄膜成分、微觀結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能之間的關(guān)系，并基于此獲得最佳性能的氮化硅薄膜制備工藝，即近紅外波段透過率盡可能高的、折射率在2

3、.0左右、膜厚在2μm以上的近紅外透明的氮化硅薄膜。本課題中氮化硅薄膜的制備方法為射頻磁控濺射，基于此方法制備不同工藝條件的薄膜試樣，對以上試樣進(jìn)行橢偏儀、分光光度計等光學(xué)性能的測試以確定最佳工藝參數(shù)，然后通過XRD、SEM、FTIR、EPMA等測試手段來研究其微觀結(jié)構(gòu)、成分及表面形貌，建立氮化硅薄膜制備工藝與微觀結(jié)構(gòu)、光學(xué)性能之間的關(guān)聯(lián)。
　　 研究結(jié)果表明，在本實驗室鍍膜機(jī)上制備符合要求的氮化硅薄膜的最佳鍍膜工藝為Ar/N2

4、流量比為1:1，氣壓為0.01～0.02mbar。在濺射功率與濺射時間均相同的情況下，同一Ar/N2流量比時氮化硅薄膜試樣的折射率隨氣壓的升高均呈現(xiàn)依次增大的趨勢。透過率隨氣壓的升高而依次增大。薄膜為非晶態(tài)。熱處理后未出現(xiàn)結(jié)晶態(tài)。隨著氣壓的增加，Si-N鍵的特征峰譜強(qiáng)度依次明顯減弱。600℃的高溫?zé)崽幚砗蟊∧そY(jié)構(gòu)中的微觀團(tuán)聚物表面變得光滑致密，但與此同時團(tuán)聚物之間的縫隙變大出現(xiàn)一些大的溝道及孔洞;FTIR測試結(jié)果表明，氮化硅薄膜試樣經(jīng)4