（光学工程专业论文）非晶硅热光可调谐薄膜滤波器的研究.pdf

；， 毛01 5 - f ! ， 咐 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：彳锤啦 日期：为，。年r 月弓日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：维1 量吁导师签名：却巧之 日期：矽亿年f 月；f 日 j 龟。 ， 【 陟 一 摘要 摘要 可调谐光滤波器是新一代光网络中波长路由技术的关键器件之一，可应用 于波长路由控制及配置、解复用和光通道动态选择等。热光可调谐薄膜滤波器 具有设计灵活、结构简单、调谐范围广等优点，同时，通过优化器件结构可以 得到较快的响应速率，相关领域的研究近些年来受到广泛的关注。本论文针对 热光可调谐光学薄膜滤波器的结构设计和非晶硅薄膜的p e c v d 制备工艺展开 研究。 首先运用史密斯方法和相位分析结果设计了三种f p 滤光片结构，得到了 窄带单通道、多半波平项响应和窄带多通道三种光谱响应特性。通过引入膜厚 误差，对灵敏度和容差曲线进行了仿真，分别讨论了三种膜系结构的容差特性， 对模拟得到的监控曲线进行了分析，制定了相应的监控策略。在热光调谐性能 的研究中，提出了热调谐匹配条件，在膜层中同时引入材料的热光系数和热胀 系数，通过计算模拟分别讨论了三种膜系结构的热光调谐性能。最后对窄带单 通道滤波器双矩形电极和环形电极两种电极结构进行了热场分布仿真，得到了 两种结构的优缺点。 实验方面对p e c v d 法制备非晶硅薄膜的成膜机理和内部结构进行了研究， 对薄膜样品进行了表面形貌的观察和光学参数的测试，结合成膜机理对不同工 艺参数下的测试结果进行了分析。结果表明非晶硅结构在不同的工艺参数下具 有很大的灵活性，成膜速率和折射率之间相互制约；影响非晶硅折射率及成膜 质量的主要因素是原子键能以及微型缺陷；而薄膜成键过程和缺陷的形成主要 由氢气的释放过程、薄膜组分的扩散机制、h 原子的刻蚀作用和表面反应基元 数量、能量和成分决定；工艺参数中，射频功率和压强综合影响了基元数量、 能量以及成分，基片温度主要影响表面扩散、原子成键。 关键词：薄膜滤波器f a b r y - p e r o t 腔热光效应非晶硅p e c v d a b s t r a c t a b s t r a c t t u n a b l eo p t i c a lf i l t e ri so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t so ft h ew a v e l e n g t hm u t i n g t e c h n o l o g yi nt h en e x tg e n e r a t i o no p t i c a ln e t w o r k s i ta l s oc o u l db eu s e df o rw a v e l e n g t h r o u t i n gc o n t r o la n dc o n f i g u r a t i o n , d e m u l t i p l e x i n g , o p t i c a lc h a n n e ld y n a m i cs e l e c t i o n a n ds o m eo t h e ra s p e c t s t h e r m o - o p t i c a lt u n a b l et h i nf i l mf i l t e rh a ss o m ea d v a n t a g e s ， s u c ha sf l e x i b l ed e s i g n i n g ，s i m p l em e c h a n i s ma n dw i d et u n i n gr a n g e ，a n di tc o u l do f f e r m o d e r a t e l yh i g ht u n i n gs p e e d sp r o v i d e dt h a to n l ym i c r o s c o p i ct h e r m a lm a s s e sa r e h e a t e d 1 1 1 er e s e a r c hi nt h i sp a p e ri sm a i n l ya b o u tt h es t r u c t u r a ld e s i g n i n go ft h et u n a b l e t h i nf i l mf i l t e ra n dt h ep r o c e s s i n go fa m o r p h o u ss i l i c o nm e m b r a n ed e p o s i t i n gb y p e c v d a tf i r s t , t h r e ef a b r y - p e r o tf i l t e rs t r u c t u r e sa r ed e s i g n e da n dd e s c r i b e du s i n gs m i t h m e t h o da n dp h a s ea n a l y s i sr e s u l t s ，a n dt h r e ek i n d so fs p e c t r a lr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i ca r e a c h i e v e ds u c ha sn a r r o w b a n dc h a n n e lr e s p o n s e ，f l a tt o pr e s p o n s ea n dm u l t i - c h a n n e l n a r r o w b a n dr e s p o n s e t h et h i c k n e s ss e n s i t i v i t ya n dt o l e r a n c ea l ec a l c u l a t e db yi m p o r t t h ef i l mt h i c k n e s se r r o r t h et h r e ec o m m o nf pf i l t e rs t r u c t u r e s t o l e r a n c ec h a r a c t e r i s t i e s a r ed i s c u s s e d r e s p e c t i v e l y 1 1 1 et h i c k n e s sc o n t r o ls t r a t e g y i se s t a b l i s h e da f t e rt h e m o n i t o r i n gc u l w e sa r ea n a l y z e d i nt h er e s e a r c ho ft h et u n ea b i l i t y , t h em a t c h i n g c o n d i t i o n so ft h et h i c k n e s sa r ep r o p o s e d t h et h r e ec o m n l o nf - pf i l t e rs t r u c t u r e s t u n e a b i l i t yi sd e s c r i b e da f t e ri m p o r tt h et h e r m o - o p t i cc o e f f i c i e n ta n dt h e r m a le x p a n s i o n c o e f f i c i e n to fe a c hl a y e r a tl a s t ，t h et h e r m a lf i e l dd i s t r i d u t i o no ft w oe l e c t r o d e sa r e s i m u l a t e dr e s p e c t i v e l y , a n dt h et u n i n gc h a r a c t e r i s t i co fd o u b l er e c t a n g u l a re l e c t r o d e s a n da n a u l a re l e c t o d es t r u c t u r ea r ec o m p a r e da n da n a l y z e d t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dt h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo ft h ea m o r p h o u ss i l i c o nt h i n f i l md e p o s i t e db yp e c v da r er e s e a r c h e d t h es a m p l e ss u r f a c em o r p h o l o g yi so b s e r v e d a n dt h eo p t i c a lp a r a m e t r i ci st e s t e d t h et e s t i n gr e s u l t so fs a m p l e sa tt h ed i f f e r e n t p r o c e s s i n gp a r a m e t e ra r ea n a l y z e du s i n gt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mt h e o r y t h cr e s u l t s a b s t r a c t a r em a i n l yd e t e r m i n e db yt h er e l e a s i n go fh y d r o g e n ，t h ed i f f u s i o nm e c h a n i s m ，t h e e t c h i n ge f f e c t ，a n dt h en u m b e r , e n e r g ya n dc o m p o s i t i o no ft h es u r f a c er e a c t i o ne l e m e n t s i np r o c e s sp a r a m e t e r s ，t h er fp o w e ra n dp r e s s u r ea f f e c tt h en u m b e r , e n e r g ya n d c o m p o s i t i o n o ft h eb a s i ce l e m e n t s ，t h es u b s t r a t et e m p e r a t u r ee f f e c tt h es u r f a c ed i f f u s i o n a n da t o m i cb o n d i n g j k e y w o r d s ：t h i nf i l mf i l t e rf a b r y - p e r o tc a v i t yt h e r m o - o p t i c a le f f e c t a m o r p h o u s l s i l i c o np e c v d o i i i ， f 目录 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景与选题意义。l 1 1 1 可调谐光学薄膜滤波器的研究意义l 1 1 2 非晶硅薄膜工艺研究的意义2 1 1 3 热光可调谐f p 薄膜滤波器研究进展3 1 2 论文结构及内容安排6 第二章基于f p 薄膜滤波器的理论基础7 2 1 法布里珀罗干涉原理7 2 1 1f p 基本理论7 2 1 2 全介质型f p 滤光片9 2 2 光学薄膜基本理论一1 0 2 2 1 薄膜干涉理论1 0 2 2 2 多层介质膜理论。1 2 第三章f p 薄膜滤波器的结构设计与分析1 5 3 1f p 薄膜滤波器典型结构的设计1 5 3 1 1 窄带单通道薄膜滤光片一l5 3 1 2 平顶响应薄膜滤波器1 9 3 1 3 多通道薄膜滤波器2 2 3 2 厚度误差对光谱特性的影响2 4 3 2 1 膜系的灵敏度分析2 5 3 2 2 膜系光谱特性容差分析2 6 3 2 3 滤光片的膜厚监控策略2 9 3 3 热光调谐性能仿真3 2 3 3 1 热光调谐原理3 2 3 3 2 滤光片的调谐畸变模拟3 3 3 4 滤波器热控制分析3 5 3 4 1热传导基本理论3 6 目录 3 4 2 一维稳态热传导模拟3 7 3 4 3 三维热场的温度分布。3 9 3 5 本章小结4 4 第四章p e c v d 制备非晶硅薄膜的淀积理论及实验条件4 5 4 1p e c v d 制备非晶硅薄膜的淀积理论4 5 4 1 1p e c v d 制备非晶硅薄膜及其微观过程4 5 4 1 2 等离子体中的化学反应一4 7 4 1 3非晶硅薄膜表面的成膜机理。4 8 4 2 非晶硅薄膜的实验设计和工艺及测试条件5 0 4 2 1实验设备5 0 4 2 2 测试设备及测试原理5 2 4 2 3 样品制备一5 4 4 3 本章小结5 6 第五章实验样品的测试及分析5 7 5 1 非晶硅薄膜表面形态及内部结构的研究5 7 5 2 非晶硅薄膜椭偏仪测试及分析一6 0 5 3 本章小结6 3 第六章总结6 4 6 1 论文完成的工作“ 6 2 论文的后续工作“ 参考文献6 6 致谢6 9 攻读硕士学位期间的研究成果7 0 v i 第一章绪论 1 1研究背景 第一章绪论 1 1 1可调谐光学薄膜滤波器概述 光网络技术的发展十分迅速，为进一步提高信道容量和速率，人们将目光投 向了波分复用技术( w d m ) 。目前，w d m 技术已经逐步实现了信道间隔为2 5 g h z 的密集波分复用( d w d m ) ，使得光通信容量得到了成倍的增长，成为最重要也是 最有前景的通信技术。 d w d m 系统的核心器件是光波分复用解复用器，目前光分插复用器的制作 主要依靠三种技术：光纤光栅、阵列波导光栅以及光学薄膜滤波器。其中，光学 薄膜滤波器技术是最经济有效的实现方式，除此之外，随着光纤通信技术的进一 步发展，光学滤波器作为d w d m 系统的关键技术不仅仅是作为复用( m u x ) 和解复 用( d e m u x ) 器：x 2 其设计的范围也越来越广，包括光分插复用( o a d m ) 、光交叉 连接( o x c ) 、增益平坦滤波( g f f ) 、色散补偿( d c ) 、动态增益均衡器( o g e ) 、梳状 滤波器( i n t e r l e a v e r ) 等等b 1 。 光学薄膜滤波器的应用主要集中于光通信器件中，其中，可调谐薄膜滤波器 是r o a d m ( r e c o n f i g u r a b l eo p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r ) 设备中的关键器件，可以 用来实现基于光学滤光片( t f f ) 的r o a d m ，或用于其它类型的r o a d m 设备中， 实现波长的远程监控。具有可调谐功能的滤波器包括声光可调谐滤波器( a o t f ) 、 波导型马赫泽德干涉滤波器( m z i ) 、液晶可调谐滤波器以及利用热光效应的法布 里珀罗可调谐薄膜滤波技术等等h 3 。可调谐f a b r y - p e r o t ( f p ) 滤波器主要有以下几 类：微型电动机械系统( m e m s ) f - p 滤波器晦1 ；波导型f p 滤波器；光纤光栅f p 滤波器嘀1 ：液晶可调谐f p 薄膜滤波器；光纤f p 滤波器( f f p f ) 盯1 ；此外还有独 立多腔光纤f p 可调谐光滤波器，角度可调谐f p 光滤波器膪11 们，热光可调谐全介 质型f p 滤波器等n0 j ，上述滤波技术在信道间隔、自由光谱范围( f s r ) 、高边模抑 制比、平坦度( f l a t - t o p ) 、动态可调谐范围、色散和偏振模式色散性能的实现上各具 优缺点1 。 全介质型的热光f p 可调谐滤波器的性能参数包括：低插入损耗、窄线宽、 高旁瓣抑制比、动态范围、调谐速度，控制机制、器件尺寸和性价比等等。可调 电子科技大学硕士学位论文 谐的单腔f p 热光可调谐薄膜滤波器的调谐性能主要取决于所用材料的热光系数， 美国a e g i s 公司研究制成的热光可调谐薄膜滤波器，其腔体折射率的调制范围可 以达到4 。现阶段投入应用的可调谐f p 滤波器中心波长( 1 5 0 0 n m ) 处半波带宽 ( f w h m ) 可以达到0 0 8 5 r i m ( 1 0 g h z ) ，调谐范围达到4 0 r i m 以上，这种器件集 成度非常高，可以制备成芯片大小，和传统的通信器件封装在一起，并同时具有 静态w d m 滤波器的性能n 副。 除此之外，交替的高低折射率光学介质组成的周期性膜系结构在其它领域也 有重要的应用，包括汽车制造、科学仪器、数据存储、大气检测和食品检验n 引。 除了被当作高反射膜和增透膜之外，它也是许多具有复杂响应的滤波器的基本结 构，例如超短脉冲激光器中的散射可调滤波器n 劓，可以用于激光器中，提高单模输 出性能n 引；用于探测器前端实现色散补偿，制备出的吸收膜系可以作为薄膜晶体 管用于红外传感n 印和测热辐射计中；在成像系统中，将具有短波截止特性的膜系 用于c c d 前端起到保护作用等等n 钉。 1 1 2 非晶硅薄膜工艺研究的意义 本文研究的光学薄膜滤波器拟采用非晶硅作为f p 腔层材料。非晶硅材料， 由于其内部结构复杂，稳定性较差，相对于多晶硅研究与应用受到了限制。但近 年来，随着对非晶硅薄膜研究的深入，内部缺陷和不稳定性得到了改善，在太阳 能电池n 引、液晶显示n 射、红外探测啪1 等领域有良好的表现，逐渐发展成为一种新 型的半导体薄膜材料。 非晶硅薄膜具有无定形结构，原子间网格无序排列，这使得它的性质在不同 的制备方法和工艺条件下具有很高的灵活性，可以根据不同的应用领域采用特定 的制备方法和工艺参数对薄膜结构及特性进行改善，比如，用于太阳能电池的非 晶硅常通过增加界面以及内部的微结构缺陷来提高光子的捕获能力，从而提高光 伏转换效率；而对于集成光学无源器件，则要求非晶硅薄膜表面均匀，折射率高， 稳定性好，透光性能好，对于可调谐薄膜滤波器则更要求其具有较高的折射率和 热光系数。 非晶硅薄膜的制备方法主要有：p e c v d 法瞳1 1 、磁控溅射法瞳别、热丝化学气 相沉积( h w c v d ) 、粒子束辅助蒸发等等。其中，p e c v d 法制备的非晶硅折射率 高，热光性能好，并且便于集成，工艺相对简单是可调谐薄膜滤波器的首选材料 和制备方法。以非晶硅薄膜的等离子加强化学气相沉积( p e c v d ) 制备作为本文 工艺部分研究的主要内容，主要针对其光学特性和内部结构展开研究，通过对非 2 第一章绪论 晶硅薄膜沉积过程以及工艺影响机制的研究，提出相应的制备方案。 1 1 3热光可调谐f p 薄膜滤波器研究进展 热光可调谐滤波器是利用材料的热光效应，热光效应是指介质的光学性质( 折 射率) 随着温度的改变而发生变化的物理效应。即用温度的变化改变f p 腔体的 光学厚度，从而达到调谐滤波器中心波长的目的。目前，采用的热光材料主要是 硅薄膜和非晶硅薄膜，热源通常通过在f p 腔结构表面增加一层金属薄膜电极并 连接电源提供。热光可调谐滤波器波长位移与温度变化的关系可以用下式表示： d a 而2 口万a ( 1 1 ) 其中，有效热光系数为g e ) = a l + 兰，吼为热膨胀系数，口为热光系数，n 为腔 仃 体的有效折射率，名为f p 腔的中心波长。 uu d s i 产曼量 a s i 戳戮乏荔鬣辔黟戮缀物荔鬣筋 n - s i 基底 一翻嘲翰嘲缴戳豳“。_ 目翻 图1 - 1 热光可调滤波器的结构不意图 在国内，中国科学院半导体研究所集成光电子国家重点实验室的研究最为深 入与系统。 图1 1 是报道的一种热光可调谐滤波器的结构示意图瞳引。它是s i 基热光f p 腔可调谐滤波器。腔体由电子束蒸发的非晶硅构成。利用非晶硅的热光效应，通 过对s i 腔加热，改变f p 腔的折射率，从而引起透射峰位置的红移。该原型器件 调谐范围为1 2 r i m ，透射峰的f w h m ( 峰值半高宽) 为9 r i m 。 3 电子科技大学硕士学位论文 图1 - 2 平项响应的热光可调f - p 滤波器结构示意图 图1 2 是一种平顶响应的热光可调f p 滤波器的结构示意图口4 1 。通过利用湿法 腐蚀方法将半波长的共振腔分成具有不同光学厚度的两部分，并且使入射光照射 到两部分的面积基本上相等，实现平顶响应特性。该滤波器的相对透射率的极大 值与极小值间的起伏度小于0 0 1 。他们制作的几十岬量级的共振腔实现平项窄带 响应的热光可调谐滤波器其输出响应的起伏度小于0 0 2 ，3 d b 带宽小于ln l n 。 口o 极 o 蝻先 图1 - 3 热光s i 共振腔型可调谐窄带平顶滤波器结构示意图 图1 3 是一种热光s i 共振腔型可调谐滤波器的结构示意图乜5 1 ，利用了s i 基键 合技术和化学机械抛光工艺。调谐机理为p - n 结正向注入电流引起的热光效应。该 滤波器调谐范围可达2 3 n m ，响应时间约为3 0 0 1 x s 。 图1 4 是一种台阶型f p 结构的热光可调窄带平顶滤波器的结构示意图嘶1 。利 用s i 基键合技术和s i 的热光效应，设计了一种台阶型的f - p 结构腔。器件的平顶 宽度为2 n m ，3 d b 带宽为4 4 n m ，自由谱宽约为8 5 n m ，在外加电场的作用下，共 振峰偏移3 3 n m 。 4 第一章绪论 州h 电极垦； 州色配! 朋镌 几十截束 厚的f _ p 砬 奠合界面 树鹿 减反_ 奠 图l 一4 台阶型f - p 结构的热光可调窄带平顶滤波器结构示意图 在国外，美国a e g i s 公司和德国的弗莱堡大学进行了研究田1 。图1 5 和图1 - 6 为德国弗莱堡大学微系统技术研究所，d h o h l f e l d 提出的一种热光可调谐滤波器结 构汹1 。 介质 滤 图l - 5 热光可调谐滤波元件截面图图1 - 6 器件模型示意图 该器件选取了非晶硅氧化硅薄膜作为交替薄膜材料，非晶硅薄膜为腔体材料， 其得到的热光系数为3 2 5 x 1 0 4k 1 ，器件尺寸为3 0 0 1 , t i n x 3 0 0 9 i n 中心波长在1 5 3 0 r i m 处，f w h m 达到1 1 9 r i m ，在腔体厚度为2 九的情况下，调谐效率为1 1 3 p m k - 1 ， 温度变化范围达到7 0 5 ，动态调谐范围为3 6 5 n m ，其热调谐时间常数为5 1 4 m s 。 图1 - 7 和1 8 为a e g i s 公司l a w r e n c eh d o m a s h 提出的以单腔薄膜滤波器作为 可调谐探测器和信道控制器的结构简图和滤波器照片n 剖。 一5 电子科技大学硕士学位论文 图1 7 单腔滤波器结构简图图1 8 单腔热光可调谐滤波器器件 器件尺寸为2 0 0 p m 2 0 0 9 m ，中心波长为1 5 0 0 n m 处，半波带宽( f w h m ) 为 0 0 8 5 n m ，其热光系数为3 6 x 1 0 4 k - 1 ，其折射率变化4 ，温度变化范围4 0 0 。c ，成 功获得4 0 n m 以上的调谐范围。其插入损耗通过设计可控制在0 2 4 d b 之间，5 m s 内可以达到最大调谐波长位置。 1 2论文结构及内容安排 本文第一章阐述了可调谐光学薄膜滤波器和非晶硅薄膜制备工艺的研究意 义，并列举了国内外的研究进展。第二章给出研究f p 光学薄膜滤波器的理论基 础。第三章针对热光可调谐薄膜滤波器的典型结构进行设计，并对厚度误差、调 谐性能和器件热场进行计算机模拟。第四章中详细介绍p e c v d 法制备非晶硅薄膜 的淀积理论，包括微观过程、化学反应以及成膜机理，并给出实验测试条件和样 品制备方法。第五章主要针对样品的测试结果进行讨论，并根据成膜理论解释工 艺参数对薄膜性能的影响。最后在第六章是全文总结。 6 第二章基于f p 薄膜滤波器的理论基础 第二章基于f p 薄膜滤波器的理论基础 全介质型f p 薄膜滤光片是最简单也是最常用的窄带干涉滤光片，它通过多 层介质薄膜构成f p 谐振腔，是一种多光束干涉型薄膜滤波结构，在它的基础上 可以得到平顶响应、多通道等光谱特性。传输矩阵法是分析多光束干涉型薄膜滤 波器光谱特性最常用的方法，本章主要介绍f - p 多光束干涉基本理论以及多层膜 传输矩阵法。 2 1 法布里珀罗干涉原理 2 1 1f p 基本理论 f p 结构包括两个半反射镜和半波夹层组成，形成一个光学谐振腔，平行光 以任意角度入射到f p 腔后，在两镜面之间发生多次反射和透射形成驻波，如图 2 1 所示： 标准具平板 光源 准直透镜 器 图2 - 1f - p 干涉仪结构图 为了形象的描述f - p 多光束干涉原理，假设振幅为a 的入射光以一定角度曰入 射，如图2 2 所示： 透射光光束振幅分别为： t t 彳、t t ，“a e j a 、t t ，4 h e y ”、t t ，6 h e j 3 占t t ，2 ( n 一1 ) 彳p m 一1 垆、t t r 2 ”a e 肿 其中，t 和厂分别为入射光由外部介质到谐振腔介质内部的菲涅尔系数，t 和， - 7 电子科技大学硕士学位论文 为光由谐振腔内部到外部介质的菲涅尔系数，尺、丁分别表示平行板的反射率和透 射率。它们满足关系式： t t = 丁，= - r r 2 - r ”= r ( 2 1 ) 万为入射光相邻光束的相位差。假设h 为谐振腔的垂直厚度， 介质折射率，并考虑反射时的附加相位差，则 万：4 _ z ，z h c o s 0 + 万 五 n 为谐振腔内部 ( 2 2 ) 、 、s 。、j t ta i j ： 、 三 ； 掣“一1 彳e 7 ”一1 4 _ _ 厶且陋阪屺2 i 似叱= d 或肛做+ 纠2 l 似“吒 时( 为取余符号) 岛要：吒昙 ( 3 1 6 ) x = o 时， t = 3 0 0 ( 3 1 7 ) 上述边界条件中，厶为膜系厚度，厶为基底厚度，g 为空气对流换热系数， t 为物体该点的温度，锄、幻和忽分别为非晶硅、氧化硅和基底的热导率，g 为电 极加热端的热流密度，t o 为环境温度，假设基底部分厶处温度等于环境温度，相 当于热沉位置。 将上述方程通过有限差分法可转换为如下差分方程： t ( n + 1 ) + t _ ( n 广- 1 ) - 一2 t ( n ) ：0 ( 3 18 ) 出2 、 边界条件 以啦+ m 时k h ( t ( n ) - _ t ( 一n - 1 ) ) ：g g ( f ( ，1 ) 一f ( 0 ) ) ( 3 1 9 ) x 刀毗时屯t ( n ) - - t ( n - 1 ) ：毛t ( n + l - ) - t ( n ) ( 3 2 0 ) xx 刀 肛且弦口收+ 鹄胞i ( n k + 驯= o k h ( t ( n ) 一t ( n - 1 ) ) = k t ( t ( n + 1 ) 一f ( ，1 ) ) ( 以 ( n x + 舭) ( 3 2 2 ) 刀 m 且忙口收+ ) 2 1 n h + l t = n h 时( 为取余符号) k h ( t ( n ) - t ( n - 1 ) ) = k l ( t ( n + 1 ) 一f ( ，1 ) )伽 ( n x 斗屋)( 3 2 3 ) k t ( t ( n ) - t ( n 一1 ) ) = k h ( t ( n + 1 ) 一f ( ，1 ) )( 刀 口皈+ 妣)( 3 2 4 ) n=l时，t(1)=300( 3 2 5 ) 第三章f - p 薄膜滤波器的结构设计与分析 其中，n x 为滤光片膜系部分的节点数，n 。为基底部分的节点数，通过设置 n 。的值可以改变热沉位置。图3 2 6 为一维节点方程通过高斯一赛德尔 ( g a u s s s e i d e l ) 迭代法得到的收敛结果，顶端电极热流密度为3 x 1 0 5 w m 2 ，n s 为 5 0 0 ( 即热沉位置在衬底1 5 9 m 处) ，其顶端温升达到5 0 。通过提取滤光片膜系部 分的温度分布与温升为零时的透射瞳线对比，调谐宽度达到4 n m ，透射率极值保 持较好。 图3 - 2 6 一维热传导模型通过高斯赛德尔迭代法得到的收敛结果及 窄带滤波片透射率调谐曲线 由一维模型的计算结果，我们为了便于对器件三维热场分布的讨论，这里引 入多层膜系的等效热导率恕，即将一维交替膜系和部分基底，等效为相同厚度热 导率为舷的均匀物质，它们在厚度两端产生的温差相同。恕可以通过如下关系得 到： 恕( 觜) - g 一，( 3 2 6 ) 3 4 3三维热场的温度分布 考虑到器件为三维物体，四周存在有约束条件，我们对器件的三维热场分布 进行分析。双条形电极热光可调谐薄膜滤光片截面图如图3 2 7 所示，衬底为k 9 玻璃，器件尺寸为2 0 0 9 m x 2 0 0 9 m x 5 0 p m ，滤光片膜系部分由非晶硅和氧化硅薄膜 3 9 电子科技大学硕士学位论文 交替组成，总厚度约为3 2 4 0 n m ，膜系部分等效热导率为2 8 8w ( m k ) 。电极尺寸 为7 5 g n x 2 0 0 9 m ，分为左右两部分，中间留作通光窗口。 图3 2 7 热光可调谐薄膜滤波器结构截面图 图3 - 2 8 为热光可调谐薄膜滤波器的三维计算模型，k 、l y 、l z 分别对应器件 的长、高、宽。上表面电极区域加热功率为p l ，同时整个上表面与空气接触，对 流散热系数c w 为5w ( m 2 k ) ；器件采用真空封装四个侧表面绝热，下表面与外壳 接触，散热功率为p 2 。 图3 2 8 热场的三维计算模型 令t ( x ，y ，z ) 为器件中点( x ，弘z ) 处的温度，上述计算模型热场稳态方程及边界条 件可表示如下： 稳态方程： 4 0 第三章f - p 薄膜滤波器的结构设计与分析 8 - 誓- x t i ，= 0 , o z t ，。 y 勺 剖z = o , l z - o ，呱缉岫 厶 t 乱叫：小心肌她 ，a t l t 万l 2 ( 3 2 7 ) 一g l 。 工 ( 鲁一了d x ) 。，( 等+ 鲁) x ( 等一鲁) 。2 8 州等+ 争 x l x & t 蜀一c w l c 等一争x c 等+ 鲁， 叭等一秘嘲等+ 争 t 上式中，g j 为电极端输入的热流密度，毋为底部散热功率密度。破为矩形电 极宽度，以为矩形电极的长度，g 为空气对流换热系数，如为膜系部分的等效热 导率。 上式数学模型通过差分方程可以表示如下： ! g ! ! ! 垄! 三! ! 二! ：! 生2 二兰三垒： ( a x ) 2 三g ! ：生! 三g 二! ：生2 二兰! ! ! ： ( a z ) 2 边界条件： 4 1 = 塑彭 + r一户 萨一砂 + 塑掰 砖 件条界边 砧一 d 一 皇三型垫奎堂堡主堂垡笙塞 = o ，1 后 m ，1 虬 = 0 , i 七 札，1 j f m = o ，1 f m ，1 后 以 = o , i j s m ，1 后 m = 一9 2 ，1 i m ，1 k ： j = n ， 一c w t ( “一1 h 等一争 叭等+ 争 z c 孚一争 d ，( 孚+ 争 ， m & 1 七 也 g lc w 邓_ 蛾( 等一刍2 z ( 等+ 争 叭孚一争吲孚卜争 & 1 后 1 反应气体分解形成离子和g - 性基团 l l l l 2 初级反应物输运过程中发生次级反应 l 反应气相产物由 真空系统排出 图4 - 2p e c v d 制备非晶硅反应过程示意图 p e c v d 制备非晶硅薄膜的微观过程如图4 2 所示，采用p e c v d 技术制备薄 膜材料，薄膜的生长主要包含三个基本过程： 首先，在非平衡等离子体中，电子与反应气体产生初级反应，使反应气体发 生分解，形成了离子和活性基团的混合物；其次，各种活性基团向薄膜生长表面 扩散输运，同时发生各反应物之间的次级反应；最后，到达生长表面的各种初级 反应和次级反应产物被吸附并与表面发生反应，同时伴随有气相分子物的再放出。 基于辉光放电方法的p e c v d 技术，使反应气体在外界电磁场的激励下实现电 离形成等离子体，在等离子体中，电子经外电场加速后，其动能通常可达1 0 e v 左 右，甚至更高，足以破坏反应气体分子的化学键，因此，通过高能电子和反应气 4 6 第四章p e c v d 制备非晶硅薄膜的淀积理论及实验条件 体分子的非弹性碰撞，使气体分子电离或者使其分解，产生中性原子和分子生成 物。正离子受到离子层加速电场的加速与上电极碰撞，放置衬底的下极板附近也 存在有一较小的离子层电场，也会受到某种程度的离子轰击。分解产生的中性物 依靠扩散到达管壁和衬底，这些粒子和基团( 这里把化学上是活性的中性原子和 分子物都称之为基团) 在漂移和扩散的过程中，由于平均自由程很短，所以都会 发生离子分子反应和基团分子等反应。化学性质都很活泼的化学活性物( 主要是 基团) 到达衬底被吸附，相互作用并形成薄膜。 4 1 2 等离子体中的化学反应 由于辉光放电过程主要通过电子的碰撞对反应气体产生激励，因此等离子体 内的反应是多种多样的，等离子体与薄膜表面的相互作用也非常复杂。目前对于 硅薄膜的沉积，人们通常采用硅烷( s i l l 4 ) 作为反应气体，它可以在成膜反应过程中 产生一定量的氢，h 在非晶硅薄膜中起着十分重要的作用，能填补材料结构中的 悬键，大大降低了缺陷能级，提高薄膜的质量。下面对由硅烷等离子体内产生的 化学反应进行描述和讨论嘲，驯。 硅烷在等离子体内首先发生如下初级反应，由于硅烷等离子体中电子具有几 个e v 以上的能量，在电子作用下得到s i l l m ( i n o ，1 ，2 ，3 ) 与原子h 的离解反应： e + s i h 4 s i h 2 + h 2 + e( 4 1 ) e + s i h 4 _ s i h 3 + h + e( 4 2 ) e + s i i - 1 4 _ s i + 2 h 2 + e( 4 3 ) e + s i h 4 s i h + h 2 + h + e( 4 4 ) e + h 2 - - - 2 h + e( 4 5 ) 上述各离解过程( 4 1 卜( 4 5 ) 所需的电子能量分别为2 1 e v 、4 1 e v 、4 4 e v 、5 9 e v 和4 5 e v 。 另外，等离子体中的高能量电子还能激励硅烷发生如下的电离反应： e + s i i - 1 4 一s i h 2 十+ h 2 + 2 e( 4 6 ) e + s i h 4 - - - * s i h 3 十+ h + 2 e( 4 7 ) e + s i h 4 一s i + + 2 h 2 + 2 e( 4 8 ) e 十s i i - 1 4 - - - - s i h + + h 2 + h + 2 e( 4 9 ) 4 7 电子科技大学硕士学位论文 以上电离反应( 4 6 ) ( 4 9 ) 所需要的电子能量分别为1 1 9 e v 、1 2 3 e v 、1 3 6 e v 和 1 5 3 e v 。 随着反应过程的进行，( 4 1 卜( 4 5 ) 生成的s i l l m 将会发生下列次级反应而电离， 例如 s i h + 争一s i h + + 2 e s i l l 2 + e - - s i h 2 + + 2 e s i l l 3 + e s i h 3 + + 2 e ( 4 1 0 ) ( 4 1 1 ) ( 4 1 2 ) 上述反应如果借助单电子过程，将大约需要1 2 e v 以上的能量。由于通常非晶 硅薄膜的气压条件为( 1 0 - 1 0 0 p a ) ，电子密度约为1 0 1 0 c m 。3 ，为弱电离等离子体，1 0 e v 以上的高能电子数目较少，因此硅烷等离子体中，上述离化物的比例很小，s i l l m 的中性基团占支配地位，s i l l m 的浓度按照s i l l 3 ，s i l l 2 ，s i ，s i l l 的顺序递减，其中， s i l l 3 的浓度最多，是s i l l 的3 倍。而有人认为，在s i l l m 的中性产物中，采用纯硅 烷大功率放电时以s i 为主，进行小功率放电时则以s i l l 3 为主，浓度由高到低的顺 序为s i l l 3 ，s i l l ，s i ，s i l l 2 。可见，等离子体工艺参数强烈影响着s i l l m 中的组分。 除了上述的离解反应和电离反应，离子分子之间也存在着次级反应： s i l l 2 + + s i l l 4 一s i h 3 十+ s i h 3( 4 13 ) 在通常的s i h 4 等离子体中，s i l l 3 + 比s i l l 2 + 多。此外，还会发生由等离子体中 氢原子夺取s i h 4 中氢的分子一原子碰撞反应： h + s i h 4 一s i h 3 + h 2( 4 14 ) 4 1 3非晶硅薄膜表面的成膜机理 在p e c v d 法制备非晶硅薄膜的实验中，硅烷等离子体中的离化基团只有在低 气压( 5 x 1 0 0 t o r t ) 高电离的等离子体条件下才对薄膜沉积有显著的贡献，在一般硅 薄膜的沉积条件下，各种中性基团的含量远远大于离化基团，s i h 4 分解产生的中 性基团是薄膜成长过程中最重要的活性物质。因此，在硅薄膜的生长过程中，固 态生长表面和其吸附的气相产物之间的反应起支配作用，而且气相产物中，中性 基团的反应占主导地位。其中s i l l 2 和s i l l 3 是重要的成膜反应物。由于薄膜生长表 面的悬挂键通常都