学术研究报告：采用ICPCVD技术生长的薄膜法布里-珀罗腔的模场偏移研究

一、 主要作者、机构及发表信息

本研究报告由上海大学微电子学院的张宇恒、高卓、段建，上海微技术工业研究院的黎文兵，以及上海大学微电子学院的刘波和上海微技术工业研究院、中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感技术联合国家重点实验室、上海实验医学研究院的陈昶共同完成。研究成果以题为“Mode Shift of a Thin-Film F-P Cavity Grown with ICPCVD”的学术论文形式，发表于期刊《Photonics》（卷11，期4，文章编号329），于2024年4月1日正式出版。

二、 研究背景与目标

本研究属于集成光子学与先进光学薄膜制造交叉领域。随着半导体工业的发展，工业级光学半导体薄膜因其晶圆级大规模沉积以及与其它光电器件晶圆直接集成的潜力而备受关注。开发与互补金属氧化物半导体（CMOS, Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）工艺兼容的光学薄膜工艺，对于提升芯片集成度至关重要。

法布里-珀罗（F-P, Fabry–Perot）光学腔作为一种经典的干涉结构，在激光器、滤波器、传感器等领域有广泛应用。传统的F-P腔制造方法（如精密机械加工、复杂刻蚀工艺）往往成本高昂、结构复杂，限制了其大规模应用。相比之下，基于多层介质薄膜的F-P腔结构简单，无需复杂刻蚀和高精度加工设备，结合晶圆级薄膜沉积技术，为实现低成本、大规模生产提供了有效途径。

本研究旨在探索一种低温、与CMOS工艺兼容的光学薄膜F-P腔制备方法，并系统研究其光学特性。具体目标包括：1）利用电感耦合等离子体化学气相沉积（ICPCVD, Inductively Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition）技术在低温（80°C）下，在硅衬底上制备基于氮化硅（SiN）和二氧化硅（SiO₂）介质堆叠的、具有单F-P腔结构的多层光学薄膜。2）深入分析该薄膜F-P腔的腔模偏移特性，研究薄膜厚度误差、入射角度（针对P/S偏振光）、环境温度变化对其反射光谱（特别是中心波长）的影响。3）评估薄膜在CIE 1931色度图上的色彩表现。最终，展示这种低温ICPCVD制备的薄膜F-P腔在CMOS图像传感器、显示器和温度传感器等领域的应用潜力。

三、 详细研究流程与方法

本研究包含薄膜设计、制备、表征以及多物理场（角度、温度）性能分析等一系列系统性的实验与模拟工作。

1. 薄膜设计与制备流程： 首先，研究团队设计了具有单F-P腔的多层周期性结构光学薄膜。该结构由9对SiN/SiO₂介质层组成，具体构型为(HL)^4 2H L(HL)^4，其中H代表高折射率材料SiN（设计厚度70 nm），L代表低折射率材料SiO₂（设计厚度118 nm），中心腔层为2倍厚的SiN（140 nm），设计中心波长为700 nm。高折射率SiN层旨在通过调节SiH₄与N₂的气体流量比（55 sccm:30 sccm），获得高于化学计量比Si₃N₄的折射率。

薄膜制备采用ICPCVD技术，其核心优势在于利用两个独立运行的射频功率系统，能够产生高密度等离子体，从而在极低的衬底温度（80°C）下实现高速率、高均匀性的沉积。这一低温特性确保了与对热预算敏感的CMOS后端工艺的兼容性。SiO₂层的沉积采用SiH₄和N₂O作为反应气体。具体沉积参数（如气体流量、压力、射频功率）已在论文表1中详细列出。最终，该多层薄膜结构在8英寸硅晶圆上成功实现沉积。

2. 薄膜表征与基础性能分析： 制备完成后，首先对8英寸晶圆上的薄膜进行了宏观性能评估。随机选取四个测试点（P1-P4）进行垂直入射下的反射光谱测量。结果显示，中心波长在666 nm至692 nm之间，峰值透射率在60%至76%之间，证明了薄膜在晶圆尺度上具有良好的均匀性，但也观察到与设计值（中心波长700 nm，峰值透射率94%）相比存在蓝移和透射率降低，这归因于沉积不均匀性和表面散射损耗。

为了探究性能偏差的根源，研究团队从晶圆边缘切割样品，进行扫描电子显微镜（SEM, Scanning Electron Microscopy）截面分析。SEM图像清晰显示了薄膜的周期性堆叠结构和中间的腔层。通过测量SEM图像中各层的实际厚度（论文表2），发现各层厚度与设计值存在偏差，误差范围在±15%以内。基于这些实际厚度值，研究团队利用传输矩阵法（TMM, Transfer Matrix Method）重新模拟了反射光谱。模拟结果显示，修正后的光谱中心波长移至694 nm，峰值透射率约为90%，更接近实测值，但仍存在差异，这进一步证实了表面粗糙度引起的散射损耗是性能损失的重要因素之一。

3. 系统性性能研究流程： 本研究通过实验测量与理论模拟相结合的方式，系统探究了三种因素对薄膜F-P腔模场的影响：

• 厚度误差影响分析： 为了评估沉积过程中不可避免的厚度随机误差对系统性能的影响，研究团队开发了一个随机算法模型。该模型假设每层薄膜的厚度误差服从高斯分布（均值μ=0，标准差σ=0.15，即最大15%的厚度偏移），并生成了100组带有随机误差的薄膜结构，利用TMM计算其反射光谱。结果显示，由于厚度误差，反射谱中心波长在一个约7.3 nm的范围内波动。这一分析量化了薄膜性能对工艺波动的敏感度，为工艺控制提供了重要参考。

• 入射角度与偏振态影响研究： 研究团队搭建了宏角度分辨光谱测量系统，对切割下来的薄膜样品进行了变角度反射光谱测试，入射光波长范围为400-1000 nm。分别测量了P偏振光和S偏振光在0°至60°入射角下的反射光谱。同时，基于设计厚度和SEM实测厚度，分别进行了相应的TMM模拟以作对比。实验与模拟结果均表明，随着入射角增大，F-P腔的谐振模式发生蓝移，且峰值透射率略有下降。例如，对于P偏振光，实测中心波长从0°时的685 nm蓝移至40°时的650 nm。模拟结果（基于实测厚度）与实验数据吻合良好，证实了角度和偏振态对薄膜光学响应的显著影响，这种特性可用于角度敏感的光学器件或色彩调控。

• 温度依赖性研究： 为了研究温度对薄膜光学性能的影响，研究团队在薄膜测厚仪中集成了温控装置，使样品温度可从室温逐步升高至500°C并保持稳定。在50°C间隔下测量薄膜的反射光谱，观察中心波长的偏移。实验发现，从室温升至500°C，中心波长发生了约13 nm的红移。为了解释这一现象并确定所用SiN材料的热光系数（dn/dT），研究团队引用了文献中报道的不同SiN材料的热光系数值（范围从2.45×10⁻⁵ K⁻¹到1.5×10⁻⁴ K⁻¹），并基于实测薄膜厚度，模拟了采用不同热光系数时中心波长随温度的变化趋势。通过对比实验数据与模拟曲线，推断出本实验中所用SiN材料的实际热光系数约为1.5×10⁻⁴ K⁻¹。此外，研究还监测了不同温度下谐振峰的半高全宽（FWHM, Full Width at Half Maximum）和品质因子（Q值，Q = λ/FWHM）。结果表明，在25-500°C的温度区间内，FWHM和Q值变化相对较小，说明该薄膜光学腔在宽温范围内保持了相对稳定的光学性能。

• 色彩表征： 基于不同入射角和温度下的反射光谱数据，研究团队计算了相应的CIE 1931色度坐标，并将其绘制在色度图上。结果显示，随着入射角增大，色度坐标向黄色区域移动，且随着中心波长蓝移，薄膜呈现的黄色饱和度与亮度逐渐增加。相比之下，温度变化对色度坐标的影响微乎其微。这为薄膜在显示和色彩滤波领域的应用提供了直观的量化依据。

四、 主要研究结果

1. 成功实现低温ICPCVD制备薄膜F-P腔： 在80°C的低温下，于8英寸硅衬底上成功沉积了基于SiN/SiO₂的9对多层F-P腔薄膜。SEM证实了薄膜具有良好的周期性结构。实测最大峰值透射率达76%（@~690 nm），证明了该低温工艺能够制备出具有实用光学性能的薄膜器件。
2. 量化了工艺误差影响： 通过随机算法模型分析，明确了各层薄膜厚度±15%的随机误差会导致腔模中心波长产生约7.3 nm的波动。这为后续工艺优化、提高成品率提供了明确的控制目标。
3. 揭示了角度与偏振依赖的蓝移现象： 实验与模拟一致表明，该薄膜F-P腔的谐振模式随入射角增大而发生蓝移。例如，P偏振光入射角从0°增至40°，中心波长蓝移约35 nm。这种特性是薄膜干涉的基本物理规律所致，同时也意味着器件的光学响应（如颜色或滤波波长）可以通过视角进行调控。
4. 证实了高温下的红移效应与稳定性： 实验测得在25-500°C范围内，腔模中心波长红移约13 nm，表现出对温度的高灵敏度。同时，谐振峰的FWHM和Q值在宽温范围内保持相对稳定（FWHM轻微增大，Q值轻微减小），这表明该薄膜腔在作为温度传感器时，既能提供高灵敏度的波长信号，又能保持较好的光学性能一致性。
5. 确定了材料热光系数并验证了模型准确性： 通过对比实验数据与基于不同热光系数的模拟结果，推断出本研究采用的富硅SiN材料的热光系数约为1.5×10⁻⁴ K⁻¹。基于SEM实测厚度和该热光系数进行的温度依赖性模拟与实验结果高度吻合，验证了理论模型的可靠性。
6. 完成了色彩空间的定量表征： 将光学光谱数据转化为CIE 1931色度坐标，直观展示了入射角变化对薄膜视觉颜色的显著影响，而温度变化的影响则不明显。这为光学设计提供了从物理参数到视觉感知的桥梁。

五、 研究结论与价值

本研究成功展示了一种采用低温（80°C）ICPCVD技术在8英寸晶圆上制备高性能SiN/SiO₂多层薄膜F-P腔的可行方案。该工艺与CMOS工艺兼容，有利于实现晶圆级大规模制造和片上集成。

研究系统地表征和分析了该薄膜腔的关键性能：其谐振波长会随入射角增大而发生蓝移，随温度升高而发生红移。特别是，在25-500°C的宽温度范围内，腔模表现出约13 nm的红移量（高温度敏感性），同时其滤波性能（FWHM和Q值）保持相对稳定。这些特性使得该器件在多个领域具有应用潜力：1）角度敏感器件：可用于视角依赖的显示技术或光学安全特征。2）高精度温度传感器：利用其高灵敏度且稳定的波长漂移特性，可实现非接触、高分辨率的温度传感。3）CMOS集成光学器件：低温工艺使其能够作为滤波元件或微腔光源，直接集成在CMOS图像传感器或其它光电芯片上。

六、 研究亮点

1. 工艺创新性： 核心亮点在于采用80°C的极低温ICPCVD工艺在8英寸晶圆上制备光学质量良好的多层介质F-P腔薄膜，突出了其与标准CMOS后端工艺集成的巨大优势。
2. 系统全面的性能分析： 不仅完成了常规的光谱表征，还系统性地、定量地研究了厚度误差、入射角度（区分P/S偏振）、环境温度这三种关键因素对腔模性能的影响，并建立了相应的理论模型进行解释和预测，研究维度完整。
3. 多学科交叉表征方法： 结合了光学测量（光谱、角度分辨）、材料表征（SEM）、理论模拟（TMM、随机误差算法）以及色彩科学（CIE 1931色度图），对器件性能进行了从微观结构到宏观光学乃至视觉感知的全方位评估。
4. 明确的潜在应用指向： 研究结论直接指向了CMOS图像传感器、新型显示和温度传感器等具体应用场景，体现了从基础工艺探索到应用导向研究的清晰思路。

七、 其他有价值内容

本研究在附录中提供了所用薄膜材料（不同Si/N比的SiN、SiO₂以及Si衬底）在可见光波段的折射率和消光系数详细数据，这些宝贵的光学常数数据对于从事类似薄膜设计和模拟的研究人员具有重要参考价值。此外，文中对热光系数影响的分析方法，以及通过对比实验数据反推材料参数（如SiN的热光系数）的思路，也为相关领域的研究提供了有益的方法借鉴。