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氮化硅薄膜的性能(Si3N4)
发布时间:2021-03-24     作者:zl   分享到:

氮化硅薄膜的性能(Si3N4)

光电性能

  氮化硅薄膜的折射率较高,化学计量比的氮化硅薄膜的折射率在2.0左右。随着成分的变化,它的折射率可在一定范围内波动,氨原子含量增加,折射率降低,硅原子含量增加,折射率增大。在低温工艺中,温度是影响折射率的重要因素。沉积温度提高,折射率增大,趋于稳定值,这是由于温度升高导致薄膜致密度提高的缘故。

  当薄膜厚度合适时,紫外光、可见光和红外光在氮化硅薄膜中的透过率很高,加上氨化硅薄膜超高硬度,它可以用来作为光学玻璃的坚硬涂层,由氦化硅和氧化硅薄膜交替组成的复层膜作为减反射层已经成功地用于光学装置上。

  氮化硅薄膜的光衰减系数非常小,在0.63~1.60um波长范围内的典型衰减值为0.1~0.3dB/cm。退火后,薄膜的光衰减系数会降低。这个性能使得氦化硅薄膜广泛应用于光波导装置。此外,氮化硅薄膜还有光致发光和电致发光效应。

  高电阻率和高击穿场强是氮化硅薄膜成为良好绝缘膜的两个重要性能。它的击穿场强值随着成分变化一般在3~8×106V/cm之间波动。接近化学计量比的氮化硅薄膜,它的击穿场强值可大于107V/cm。氮化硅薄膜的电阻率一般在1014~1016Ω - cm左右。

  氮化硅薄膜的介电常数较高,随着成分变化,其值在4~13之间变化,通常为4~8左右。高介电常数使得氮化硅薄膜可用于制作介质电容。

化学稳定性和钝化性能

  氮化硅薄膜的化学稳定性相当好。除氢氟酸外,其它酸和碱几乎对氮化硅不发生作用。因此,用氮化硅薄膜作为器件掩膜可防止日常酸和碱的腐蚀,提高器件的稳定性。

热稳定性和抗高温氧化性

  氮化硅薄膜的热稳定性与其化学键状态直接相关。当氮化硅薄膜中的氢含量低时,也就是N---HSi—H键数目较少时,薄膜的热稳定性很高。有报导低氢氮化硅薄膜在900℃高温热处理时表现出很好的热稳定性。如果薄膜中含有大量的N---HSi—H键,则在高温处理时N--HSi—H尤其是NH很容易断裂而释放出氢,导致薄膜开裂。

  氮化硅薄膜具有优良的抗高温氧化性能,它在氧化过程中往往只是表面受到氧化,氮化硅薄膜在1000℃H2O/O2中处理6小时后,氧化层的厚度仪为 20nm。由于飞行器飞行过程中,空气动力加热,窗口或头罩很容易就达到800℃以上的温度,这就意味着蓝宝石要在高速、高温的环境中应用,所以在蓝宝石衬底上镀膜,在改善其高温强度和光学性能的同时,必须具有热稳定性和抗高温氧化性。

力学性能

  在氮化硅薄膜的力学性能中,应力状态是重要的,因为薄膜的应力状态直接影响到它与衬底的机械稳定性,很大的张应力会导致薄膜开裂,而很大的压应力会造成薄膜剥落。因此,薄膜的应力状态对于它能否真正发挥自身优点起关键作用。

  对于高温工艺制备的薄膜来说,由于化学计量性好、氢含量低,因此应力-一般不随工艺条件而产生大的波动,应力表现为张应力,典型值在10 10dyn/cm2左右。在低温工艺下,薄膜的化学计量性可在大范围内调节,随着成分的变化,薄膜的应力可在压应力和张应力之间变化。因此,通过控制沉积条件就可制作所需应力状态的氮化硅薄膜。

  氮化硅薄膜具有很高的硬度。某学者用直流PECVD法制备得到了硬度值在40GPa以上的非晶态氮化硅薄膜,这个值高于晶态Si3N4的硬度( 30GPa)。超高的硬度使得氮化硅薄膜具有好的耐磨性和抗划伤能力,作为半导体器件的掩膜对器件有良好的保护作用,能减少后道工序带来的表面机械损伤,使成品率得以提高。

综上所述,化硅薄膜具有硬度高、抗腐蚀、耐高温、导热性与绝缘性能好、光电性能优良等优点,因而它非常适合用作改善蓝宝石高温强度的涂层材料。

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