非晶硅由于热光系数高,成本低廉、易于集成等特点,被广泛应用于光学系统中。近年来,设计基于非晶硅薄膜热光效应的低损耗、高性能的光学器件成为半导体光学领域的研究重点,如热光可调谐薄膜滤波器、热光开关、红外探测器等。在基于非晶硅热光效应设计的器件中,要求薄膜具有较高的热光系数来实现器件设计功能。然而在其他情况下,非晶硅折射率随温度的变化可能会引起系统工作不稳定及器件性能下降,因而要求其具有相对较小的热光系数来避免这种热诱导效应。非晶硅材料具有连续不规则网格结构,这使得它的性质在不同的工艺条件下具有很高的灵活性,因此研究薄膜热光特性的工艺相关性具有相当的实用价值。首先,通过理论分析得出极化率为影响热光系数的主导因素并对其进行仿真。建立基于非晶硅内部组分的氢团簇模型,通过改变晶胞内不同硅氢基团的数量,研究了非晶硅带边770 nm及通信波段1330 nm和1550 nm处的极化率。结果表明,非晶硅热光特性对H含量十分敏感。增加H含量,即提升SiH2和SiH3基团比例,能够增强薄膜热光效应,其中Si H3基团效果更优,而过量的H会降低对薄膜热光系数的增幅,甚至会造成薄膜热光系数下降。其次,为研究薄膜热光特性工艺相关性,先重点解决非晶硅薄膜均匀制备工艺以及非晶硅薄膜热光系数精确测量两个亟需解决的关键性技术问题。本文从改善气流场、温度场、电磁场均匀性三个角度出发优化反应腔体设计,台阶仪测试结果显示薄膜均匀性得到明显改观。总结了国内外热光系数测量方法,结合热光系数测量要求,设计出了基于FILMeasure-20的薄膜热光系数测量平台。最后,使用搭建的热光系数精确测量平台研究了不同工艺条件:射频功率、沉积压强、退火温度处对薄膜性能及在1330 nm处热光特性的影响。测试结果与现有理论值接近,证明了测试平台的可靠性,并得出以下结论:(1)沉积时使用相对较高的射频功率、适中的沉积压强、对薄膜进行500℃短时间退火都是提高薄膜热光系数的有效手段,其中500℃短时间退火可使热光系数提升63.5%;(2)使用较低射频功率、较高的沉积压强、800℃以上高温退火都是降低薄膜热光系数的有效手段,其中900℃以上退火使薄膜热光系数降低到10-5 K-1量级。在应用中,可结合实际需要选择合适的薄膜沉积参数。