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硅碳氮薄膜的制备及性能研究

作　者: 赵艳艳
导　师: 徐军
学　校: 大连理工大学
专　业: 等离子体物理
关键词: SiCN薄膜微波-ECR等离子体 XPS 硬度折射率
分类号: O484
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

硅碳氮（SiCN）薄膜是一种新型的三元功能薄膜材料,因其高硬度、宽光学带隙、良好的高温抗氧化性能及抗腐蚀性能等诸多优点,在微电子半导体和计算机产业等领域具有广阔的应用前景。本文研究了SiCN薄膜的结构和化学组分及其对薄膜性能的影响。本文采用大连工大学三束实验室自主研发的双放电腔微波-ECR等离子体增强非平衡磁控溅射系统制备了SiCN薄膜。以高纯氩气（99.99%）为工作气体,高纯氮气（99.99%）为反应气体,高纯硅（99.99%）和高纯石墨（99.99%）作为溅射靶材,固定碳靶溅射偏压,改变硅靶溅射功率和氮气流量的条件下,在Si（100）衬底上制备了SiCN薄膜。并通过傅立叶变换红外光谱（FT-IR）、X射线光电子能谱（XPS）,分析SiCN薄膜的化学结构和组分随参数的变化,通过纳米压痕仪、椭偏光谱仪等对薄膜的力学、光学等性能进行了测试。研究表明,实验参数对SiCN薄膜的化学结构和力学、光学性能都有很大影响。提高Si靶溅射功率可以有效提高SiCN薄膜中的Si含量,减少杂质O。Si靶溅射功率最低时（100W）,薄膜中的Si以Si-N键结构为主,O杂质含量高达10.63%,以Si-O键结构为主,此时薄膜的疏松结构导致大气环境下O的化学吸附是薄膜中O杂质的主要来源;在高Si靶溅射功率情况下（＞250W）,薄膜中Si过量,以Si-C和Si-Si键结构为主,O杂质含量则低于4%,且以C-O键结构为主,薄膜致密,硬度最高达29.1Gpa,折射率最高为2.43;但提高Si靶溅射功率的同时增加N₂流量,则导致Si靶出现“靶中毒”现象,SiCN薄膜中的Si含量显著降低,O杂质增多。Si靶溅射功率100W,N₂流量9sccm时,薄膜含O量高达14.6%,Si不足量导致的薄膜质地疏松是O杂质含量高的主要原因,在此情况下,薄膜中C-N键含量较单纯增加Si靶溅射功率制得的薄膜多,占薄膜的24%,但C、N的结合状态以sp²C＝N和sp¹C＝N键为主,导致高N₂流量条件下制得的薄膜硬度显著降低,最高仅为17.5Gpa;但高N₂流量下制得的薄膜折射率显著降低,普遍低于2.0,从而降低了SiCN薄膜介电常数的电子极化部分。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1.序论  9-16
  1.1 选题意义  9-10
  1.2 SiCN薄膜的研究概况  10-13
    1.2.1 SiCN研究的发展过程  10-11
    1.2.2 SiCN与SiC和Si_3N_4的性能比较  11-13
  1.3 SiCN薄膜的制备方法  13-15
    1.3.1 化学气相沉积(CVD)法  13-14
    1.3.2 物理气相沉积(PVD)法  14-15
    1.3.3 微波-ECR等离子体源离子注入的主要特点  15
  1.4 本论文的主要内容  15-16
2.SiCN薄膜的制备及表征  16-24
  2.1 沉积系统介绍  16-17
    2.1.1 系统结构  16-17
    2.1.2 系统主要特点  17
  2.2 SiCN薄膜沉积实验过程  17-18
    2.2.1 基底的前处理  17-18
    2.2.2 SiCN薄膜的沉积过程  18
  2.3 SiCN薄膜的分析测试方法  18-23
    2.3.1 傅立叶变换红外吸收光谱(FT-IR)  18-19
    2.3.2 X射线光电子能谱(XPS)  19-20
    2.3.3 薄膜硬度  20-21
    2.3.4 薄膜厚度  21
    2.3.5 表面形貌  21
    2.3.6 光学性能  21-22
    2.3.7 摩擦学性能  22-23
  2.4 本章小结  23-24
3.Si靶溅射功率对薄膜结构和性能的影响  24-36
  3.1 FT-IR结果分析  24-26
  3.2 XPS结果分析  26-29
  3.3 腐蚀实验  29-30
  3.4 薄膜生长速率  30-31
  3.5 硬度  31-32
  3.6 折射率  32-33
  3.7 摩擦学性能  33-34
  3.8 本章小结  34-36
4 N_2流量与Si靶溅射功率共同对薄膜结构、性能的影响  36-44
  4.1 FT-IR结果分析  36-37
  4.2 XPS结果分析  37-39
  4.3 薄膜生长率  39-40
  4.4 薄膜硬度  40-41
  4.5 摩擦系数  41-42
  4.6 光学性能  42-43
  4.7 本章小结  43-44
结论  44-45
参考文献  45-49
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  49-51
致谢  51-52

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