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等离子体技术制备硅碳氮薄膜研究

作　者: 朴勇
导　师: 马腾才；徐军
学　校: 大连理工大学
专　业: 等离子体物理
关键词: SiCN 微波ECR等离子体化学结构力学性能光学带隙
分类号: O484.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

碳氮化硅(SiCN)薄膜是一种新型三元薄膜材料,具有高硬度、宽光学带隙、高温抗氧化性能以及抗腐蚀性能等诸多优点,在微电子半导体、超大规模集成电路、计算机产业等领域具有非常广阔的应用前景。本文利用双放电腔微波-ECR等离子体增强非平衡磁控溅射系统制备了SiCN薄膜,并系统地研究了薄膜的结构和性能。实验以高纯石墨(99.99%)、高纯硅(99.99%)作为溅射靶材,高纯氮气(99.99%)为反应气体,高纯氩气(99.99%)为工作气体,改变碳靶溅射偏压、硅靶溅射功率、氮气流量(N/Ar流量比)等条件,在Si(100)和石英衬底上制备SiGN薄膜。通过傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、拉曼(Raman)光谱、X射线光电子能谱(XPS),分析SiCN薄膜的化学结构和组分,并通过纳米压痕仪和紫外-可见分光光度计对薄膜力学、光学性能进行了测试。研究表明工艺参数对SiCN薄膜的化学结构和力学、光学性能有很大影响。提高碳靶溅射偏压可以有效提高SiCN薄膜中的碳含量,当碳靶溅射偏压从-450V提高到-650V时,碳含量由19.0%增加到27.1%,但是碳含量过高会导致碳以石墨相形式存在;虽然C,N原子结合成键的几率很小,但增加N/Ar流量比,有助于提高C、N粒子的碰撞几率,有助于形成sp~2C=N键和sp~1C≡N键;显微硬度测试表明,sp~3C-N键含量是影响SiCN薄膜硬度的关键因素,薄膜中sp~3C-N键含量越高薄膜硬度越大,在所制备的薄膜中硬度最高达到25.4GPa;SiCN薄膜的光学性能与Si-N键含量和薄膜的无序程度密切相关,Si-N键含量越高光学带隙越宽,无序程度越高光学带隙越窄,在所制备的薄膜中光学带隙最大值为3.2eV;高能Ar离子对薄膜表面的轰击对获得高质量的SiCN薄膜是十分重要的,高能Ar离子轰击,可以有效提高薄膜致密性,提高SiCN薄膜的力学性能。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-15
  1.1 选题意义  8-9
  1.2 碳氮化硅(SiCN)薄膜的研究概况  9-13
    1.2.1 SiCN理论模型  9-11
    1.2.2 SiCN薄膜的制备方法  11-13
  1.3 双放电腔微波-ECR等离子体增强非平衡磁控溅射沉积及其特点  13-14
  1.4 本论文研究内容  14-15
2 SiCN薄膜的制备和表征  15-21
  2.1 双放电腔微波-ECR等离子体增强非平衡磁控溅射系统  15-16
  2.2 SiCN薄膜沉积的实验过程  16-18
    2.2.1 基片预处理方法  16
    2.2.2 SiCN薄膜沉积过程  16-18
  2.3 薄膜结构表征方法  18-19
    2.3.1 傅立叶变换红外光谱(FT-IR)  18
    2.3.2 拉曼光谱(Raman)  18-19
    2.3.3 X射线光电子能谱(XPS)  19
  2.4 薄膜性能表征方法  19-20
    2.4.1 薄膜厚度检测  19-20
    2.4.2 薄膜硬度检测  20
    2.4.3 光学性能分析  20
  2.5 本章小结  20-21
3 碳含量对SiCN薄膜结构和性能的影响  21-32
  3.1 傅立叶变换红外光谱  21-23
  3.2 X射线光电子能谱  23-26
  3.3 薄膜生长速率  26-27
  3.4 薄膜硬度测试  27-28
  3.5 光学性能测试  28-31
  3.6 本章小结  31-32
4 硅靶溅射功率对SiCN薄膜的结构和性能的影响  32-38
  4.1 傅立叶变换红外光谱  32-34
  4.2 X射线光电子能谱分析  34-36
  4.3 薄膜生长速率  36
  4.4 光学性能测试  36-37
  4.5 本章小结  37-38
5 N_2／Ar流量比对SiCN薄膜的结构和性能的影响  38-47
  5.1 傅立叶变换红外光谱  38-39
  5.2 拉曼分析(Raman)  39-41
  5.3 X射线光电子能谱分析  41-44
  5.4 薄膜生长速率  44
  5.5 光学性能测试  44-45
  5.6 薄膜硬度测试  45-46
  5.7 本章小结  46-47
结论  47-49
参考文献  49-53
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  53-54
致谢  54-55
大连理工大学学位论文版权使用授权书  55

等离子体技术制备硅碳氮薄膜研究

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