通过磁控溅射和退火控制优化氮化硅薄膜的折射率，以实现低粗糙度

《Optical Materials》：Optimization of the refractive index of silicon nitride films in magnetron sputtering and annealing control for low-roughness

　　硅基氮化物薄膜在室温射频反应溅射中通过优化氮气流量（2.5-10 sccm）、功率及气压（50-200 Pa）调控折射率（1.8-2.3），XPS证实氮气流量增加导致Si-N-O键氧化比例上升。表面粗糙度经400°C退火后显著降低（Ra<5 nm），结合AFM和椭偏光谱验证，为CMOS兼容光电子集成提供了低散射损耗波导材料。

　　

Jinxuan Hu | Rongjian Wu | Jiangshun Huang | Zongqi Yang | Wenxiu Li | Haifeng Feng | He Yang | Hao Zhang | Anping Huang | Zhisong Xiao

北京航空航天大学物理学院，中国北京 100191

摘要

在低温下沉积的低损耗氮化硅（SiN_x）薄膜在光子集成电路领域具有巨大潜力，尤其是在与热敏感基底（如与互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的绝缘体上硅（SOI）和绝缘体上铌酸锂（LNOI）的混合集成中。在本研究中，通过射频（RF）反应溅射技术在室温下合成了氮化硅薄膜。通过系统优化沉积参数（包括RF功率、氮气流量和工作压力）来提高薄膜的光学性能。X射线光电子能谱分析证实，氮气流量的变化会导致薄膜化学成分的变化，进而影响其折射率。我们进一步研究了在CMOS后端工艺（BEOL）兼容温度（400°C）下退火时间对氮化硅薄膜表面粗糙度的影响。结果表明，优化退火时间可以显著降低薄膜粗糙度，有效减少波导中的表面散射损耗，从而有助于开发超低损耗氮化硅波导。

引言

氮化硅（SiN_x）具有独特的材料特性和广泛的应用前景，使其成为高性能光子器件的理想候选材料[1]。其关键在于它具有宽的透明窗口，覆盖可见光到中红外光谱范围，导致极低的光学吸收。这使得由SiN_x制成的集成光子器件能够在宽光谱范围内实现低损耗传输[[2], [3], [4], [5]]。此外，由于其折射率介于二氧化硅（SiO₂）和硅（Si）之间，SiN_x能够在紧凑的几何结构中实现强的光场限制，同时保持低传输损耗。这些特性使SiN_x适用于集成波导和高Q值微谐振器[6]。值得注意的是，其与CMOS制造工艺的兼容性、成本效益以及大规模生产的可扩展性进一步巩固了其在混合光子平台中的作用[[7], [8], [9], [10], [11], [12]]。传统上，SiN_x薄膜是通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）[13,14]或低压化学气相沉积（LPCVD）[15,16]合成的。然而，PECVD存在固有的局限性，例如在加工过程中会形成N–H键，从而显著增加波导中的光学损耗[17,18]。LPCVD虽然能够生成化学计量的SiN_x，但需要超过800°C的加工温度，这种高温会产生较大的拉伸应力，导致薄膜开裂和缺陷形成[19]。更重要的是，LPCVD与CMOS后端工艺（BEOL）的热限制不兼容，后者通常要求温度低于400°C[20]。 近年来，人们对用于混合集成的SiN_x薄膜的低温沉积产生了越来越大的兴趣。反应磁控溅射是一种可在室温下操作的物理气相沉积技术，它在真空室内使用惰性氩气（Ar）和反应性气体。Ar在磁控管配置下产生等离子体，通过离子化轰击靶材并溅射出靶材原子[21]。这些原子随后与反应性气体发生反应，在基底上形成化合物层。这种方法具有显著的优势，包括表面粗糙度低且没有N–H键，从而实现超低损耗的光学性能。先前的研究表明，通过调节N₂/Ar流量比、RF功率、基底偏压和温度等工艺参数可以调整SiN_x的光学性能[[22], [23], [24], [25]]。然而，现有文献中关于化学成分变化对折射率影响的机制尚未得到充分阐明。 在本研究中，通过反应磁控溅射技术在室温下沉积了接近化学计量的SiN_x薄膜。系统研究了RF功率、腔室压力和氮气（N₂流量对折射率的影响，并通过光谱椭圆偏振仪对其在500–1600 nm范围内的色散特性进行了表征。此外，还利用X射线光电子能谱（XPS）分析了氮气流量与折射率之间的化学成分变化机制。为了验证溅射SiN_x波导中的散射损耗降低情况，还使用原子力显微镜（AFM）测量了表面粗糙度。同时，在CMOS BEOL兼容温度（400°C）下研究了退火时间对表面粗糙度的影响，以确保与混合集成要求的热预算一致。

沉积过程

在本研究中，SiN_x薄膜沉积在尺寸为2 cm × 2 cm的p型（100）硅基底上。沉积前，基底依次在无水乙醇和去离子水中进行10分钟的超声清洗以去除有机残留物和天然氧化物，然后进行氮气干燥。清洗后的基底被安装在真空室内的支架上。如图1所示，基底距离99.9%纯度的p型硅靶材80 mm，并进行均匀旋转。

X射线光电子能谱

为了研究氮气流量对折射率变化的影响，使用XPS分析了样品表面层SiN_x（约10 nm深度）的元素组成和化学键合情况。图2显示了接近化学计量比的样品的XPS谱图，其中出现了Si、N、O、C和Ar的明显峰。由于环境污染，总是观察到氧和碳，它们在表面形成带有悬挂键的氧化物，而Ar

结论

本研究采用反应磁控溅射技术沉积SiN_x薄膜，并系统研究了N₂流量、腔室压力和RF功率对薄膜性能的影响。关键在于，N₂流量是调节光学性能的主要因素：将流量从2.5 sccm增加到10 sccm时，折射率从2.3降低到1.8。XPS分析显示，随着N₂流量的增加，Si–N和Si–N–O键逐渐发生氧化。

CRediT作者贡献声明

Jinxuan Hu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，可视化，验证，方法论，概念化。 Rongjian Wu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，可视化，验证，研究。 Jiangshun Huang：撰写 – 审稿与编辑，验证，资源提供。 Zongqi Yang：研究，概念化。 Wenxiu Li：撰写 – 审稿与编辑，指导。 Haifeng Feng：指导，资源提供。 He Yang：撰写 – 审稿与编辑，指导。 Hao Zhang：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国航空科学基金会（项目编号：20240008051001）；中国航空科学基金会（项目编号：20240058051004）；以及北京自然科学基金（项目编号：4242059）的资助。