一种氮氧化硅膜材料及其制备方法和用图
【技术领域】
[0001]本发明属于光学、半导体和微电子器件技术领域，具体涉及一种氮氧化硅膜材料及其制备方法和用途。
【背景技术】
[0002]薄膜是一种特殊的物质形态，由于其在厚度这一特定方向上尺寸很小，只是微观可测的量，而且在厚度方向上由于表面、界面的存在，使物质连续性发生中断，由此使得薄膜材料产生了与块状材料不同的独特性能。光学薄膜是由薄的分层介质构成的，通过界面传播光束的一类光学介质材料，广泛用于光学和光电子技术领域，制造各种光学仪器。光学薄膜技术在理论、设计、计算和工艺方面已形成了完整的体系，一些新型微观结构的功能薄膜被不断开发出来，这些功能薄膜的相继出现，使得光学薄膜技术广泛地渗透到各个新兴的科学研宄领域中。
[0003]氮氧化硅薄膜是一种良好的耐高温陶瓷材料，具有优异的力学性能、热力学性能、化学稳定性及耐原子氧特性；由于氮氧化硅是二氧化硅和氮化硅的中间相，其光学和电学性能介于两者之间，因而可通过改变化学组成，在一定范围内调控其折光指数(1.46 (S12)?2.S(SiN1J)及介电常数(3.9(Si02)和7.8 (SiNl.3));另外氮氧化硅还可有效地抑制硼、氧、钠等杂质元素扩散。这一系列优良特性吸引研宄者们围绕氮氧化硅材料的制备及其在微电子器件、光波导、梯度光学材料等方面的应用开展了大量工作，其中又以氮氧化硅薄膜材料的制备及应用研宄最引人关注。
[0004]当前在微电子器件、光波导材料等方面主要采用二氧化硅作为介质薄膜。二氧化硅薄膜虽具有低的介电常数、缺陷密度和残余应力，但在阻止氧、钠、硼等杂质元素的扩散方面不如氮化硅；然而氮化硅中Si悬空键的存在及其随氮含量增加而增加的特点会导致薄膜在一定条件下表现出很高的介电常数和拉应力，并且富氮31乂膜含有很高的正电荷和负电荷缺陷，成为电荷俘获的中心。而氮氧化硅薄膜材料由于兼有氮化硅和二氧化硅的优良特性，很有潜力替代二氧化硅薄膜材料在微电子和光学等方面得到应用。
[0005]随着薄膜的应用越来越广泛，薄膜的制备技术也逐渐成为高科技产品加工技术中的重要手段。薄膜的制备方法很多，如气相生长法、液相生长法(或气、液相外延法)、氧化法、扩散与涂布法、电镀法等等，而每一种制膜方法中又可分为若干种方法。等离子体化学气相沉积(PECVD)法由于其灵活性、沉积温度低，重复性好的特点，提供了在不同基体上制备各种薄膜的可能性，成为制备氮氧化硅薄膜最常用的方法之一。
[0006]薄膜的均匀性是薄膜制备过程中首先需要解决的关键问题和挑战。薄膜厚度的不均匀性，反映了待镀基片上所沉积的薄膜厚度依基片在真空室里所处位置的变化而变化的情况。膜厚不均匀性包括两个方面:①在同一组镀制过程中处于不同基片位置沉积的薄膜有近似的膜厚分布；②获得的每片薄膜只存在一定范围内的膜厚误差分布。膜厚不均匀性的方面①保证了产业化的镀膜效率，方面②保证了每个成品的性能。因此，膜厚不均匀性是衡量镀膜装置性能和薄膜质量的一项重要指标，直接影响到镀膜器件的可靠性、稳定性，以及产品的一致性。对光学、光电等器件生产的成品率影响很大。
[0007]而目前关于研宄薄膜均匀性的较少，尤其是运用在器件中的光学/介质薄膜，对于采用高密度等离子体增强化学气相沉积设备制备氮氧化硅膜材料的方法，操作条件较多，包括温度、压力、功率、时间、通入气体比例等，且相互之间有着密切的相互关系，不是独立的单一变量，因此在本领域探宄一种均匀性良好的氮氧化硅制备方法是非常重要的。
【发明内容】
[0008]为了克服现有技术中氮氧化硅薄膜不均匀性较大的缺陷，本发明的目的之一在于提供了一种氮氧化硅膜材料，所述膜材料具有良好的均匀性，厚度约为lOOnm，其具有良好的绝缘性、稳定性和机械特性，可以作为绝缘层、保护膜或光学膜，广泛应用于半导体、微波、光电子以及光学器件等领域。
[0009]为达上述目的，本发明采用如下技术手段:
[0010]一种氮氧化娃膜材料，所述氮氧化娃膜材料的厚度为95.5-97.5nm ;且在四英寸基底范围内，薄膜不均匀性低于0.7% ；
[0011]其中，所述不均匀性的计算方法为:薄膜不均匀性=(最大值-最小值)/(平均值X2) X 100%，四英寸基底范围内，所测不同点数不少于10个，优选为不少于17个。
[0012]其中，所述最大值为氮化硅膜材料测试点厚度的最大值；最小值为氮化硅膜材料测试点厚度的最小值；平均值为氮化硅膜材料测试点厚度的平均值，计算公式为:平均值=测试点厚度之和/测试点个数。
[0013]作为优选，所述氮氧化硅膜材料的组分为S1xNY，其中0〈x〈2，0〈Y〈2。
[0014]本发明提供的氮氧化硅膜材料的薄膜不均匀性低于0.7%。
[0015]本发明的目的之二在于提供了一种本发明所述的氮氧化硅膜材料的制备方法，包括如下步骤:
[0016]将衬底置于化学气相沉积设备腔体中，通入ΝΗ3、02气体和含有SiH4的气体作为反应气体，通入载体和保护气体，进行气相沉积，获得氮氧化硅膜材料；
[0017]其中，化学气相沉积设备腔体的工作温度为100-260°C，工作压力为l-4Pa，功率为 200-480W ；
[0018]其中，所述气相沉积的时间为4-6min ;所述含有SiHj^气体与02气体的体积比为9-110，所述含有SiHd^气体与NH 3气体的体积比为3-11，所述含有SiH4的气体与氩气的体积比为0.5-2。其中载气和保护气体为同一种气体。
[0019]对于采用化学气相沉积设备制备氮氧化硅膜材料的方法，操作条件较多，包括温度、压力、功率、时间、通入气体比例等，且相互之间有着密切的相互关系，不是独立的单一变量，因此如何寻找一个合适的操作条件，对于本领域技术人员来讲是具有一定难度的。
[0020]采用化学气相沉积设备制备氮氧化硅膜材料的操作条件中，通过将化学气相沉积设备腔体的工作温度设置在100-260 °C，工作压力设置在l-4Pa，功率设置为200-480W ;且控制气相沉积的时间为4-6min ;控制通入的含有SiH^气体与O 2气体的体积比为9-110，控制通入的含有SiHd^气体与NH 3气体的体积比为3-11，控制通入的含有SiH4的气体与氩气的体积比为0.5-2，实现了控制厚度为10nm左右的氮氧化硅膜材料薄膜不均匀性低于
0.7%的目的。
[0021]本发明所述的采用化学气相沉积设备制备氮氧化硅膜材料的操作条件中，所限定的数值包括任何在所述范围内的数值，例如，高密度等离子体增强化学气相沉积设备腔体的工作温度可以为110°〇、157°〇、218°〇、260°〇等，工作压力可以为1.2Pa、1.8Pa、2.2Pa、
2.8Pa、3.2Pa、3.9Pa 等，功率可以为 220W、295W、363W、375W、387W、423W、478W 等，气相沉积的时间可以为4min、4.2min、4.8min、5min、5.5min、6min等，通入的SiH4气体与02气体的体积比可以为10、30、80、102等，通入的SiH4气体与NH3气体的体积比可以为3.5,4.8,9.3、10.5 等。
[0022]作为优选，所述化学气相沉积设备为高密度等离子体增强化学气相沉积设备；优选抽真空至 I X 1(Γ4-1 X l(T6Pa。
[0023]作为优选，所述载气和保护气为惰性气体，优选为氖气、氪气、氮气、氩气中的I种或两种的混合。
[0024]作为优选，所述气体的纯度大于99%，优选为大于99.99%。
[0025]优选地，所述含有SiHjA气体中SiH4A 1_10%，氩气占90-99%，优选为SiH4A5%,氣气占95%。