PECVD法制备a-C：F：N薄膜的结构和稳定性研究

论文摘要

氟化非晶碳薄膜是用于超大规模集成电路的一种重要的低介电常数材料,作为电介质薄膜其热稳定温度必须达到平面工艺的温度要求（400℃）,氟化非晶碳薄膜的低介电常数和高热稳定性之间存在一种相互制约关系,如何保证a-C∶F薄膜介电常数相对较低的同时尽量提高其热稳定性成了目前倍受关注的课题。 本文选用了两种气体组合:CF4/CH4/Ar和CF4/CH4/N2,采用PECVD方法,在抛光的硅片和石英片上制备了氟化非晶碳（a-C∶F）和掺氮氟化非晶碳（a-C∶F∶N）薄膜,并对制备的薄膜进行了退火处理。利用椭偏仪测量了退火前后薄膜的厚度,用其变化率表征了薄膜的热稳定性,研究表明改变沉积温度、射频功率和退火温度可以提高a-C∶F薄膜的热稳定性,但单纯依靠改变工艺参数提高热稳定性非常有限。 本文重点研究了掺氮对氟化非晶碳薄膜热稳定性的影响。由于退火后a-C∶F∶N薄膜的膜厚变化率比a-C∶F薄膜大大减小,说明掺杂氮可以提高a-C∶F薄膜的热稳定性。FTIR分析结果显示,氮元素有效掺入到了a-C∶F薄膜中形成了a-C∶F∶N薄膜。通过对薄膜的FTIR、Raman分析得出:掺氮以后薄膜中sp2键态含量明显升高,这进一步证明掺杂氮可以提高a-C∶F薄膜的热稳定性。 根据UV-VIS透射光谱分析了a-C∶F∶N薄膜的吸收系数α与光子能量hυ的对应关系,求出了薄膜的光学带隙。根据Robertson提出的簇模型解释了光学带隙的变化的本质原因是由于薄膜中芳香环数目或sp2簇直径的改变,或者说是因为sp2键态含量的变化,给出了薄膜的光学带隙与热稳定性之间的关系,表明提高沉积温度和增加流量比都能够提高薄膜的热稳定性,且沉积温度和流量比升高到一定程度后薄膜的热稳定性将基本保持不变。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 a-C:F薄膜研究现状及存在问题
• 1.3 本论文的选题意义和主要工作
• 第二章 薄膜的制备及结构、性能检测
• 2.1 引言
• 2.2 PECVD实验装置及实验过程
• 2.2.1 实验装置
• 2.2.2 实验过程
• 2.3 薄膜表面形貌分析
• 2.3.1 薄膜的原子力显微镜（AFM）分析
• 2.4 薄膜组分及化学键结构分析
• 2.4.1 傅立叶变换红外吸收光谱（FTIR）分析
• 2.4.2 拉曼（Raman）分析
• 2.4.3 紫外-可见光谱（UV-VIS）分析
• 2.4.4 椭偏仪测试
• 2.5 本章小结
• 第三章 a-C:F:N薄膜结构和稳定性分析
• 3.1 a-C:F薄膜的表面形貌和红外分析
• 3.2 a-C:F:N薄膜表面形貌
• 3.2.1 沉积温度对薄膜表面形貌的影响
• 3.2.2 退火温度对薄膜表面形貌的影响
• 3.2.3 源气体流量比对薄膜表面形貌的影响
• 3.3 a-C:F:N薄膜沉积速率
• 3.3.1 沉积温度对薄膜沉积速率的影响
• 3.3.2 源气体流量比对薄膜沉积速率的影响
• 3.4 退火后薄膜厚度的变化
• 3.5 a-C:F:N薄膜的FTIR分析
• 3.5.1 掺氮前后a-C:F:N薄膜红外结构的变化
• 3.5.2 流量比对a-C:F:N薄膜红外结构的影响
• 3.5.3 退火对a-C:F:N薄膜红外结构的影响
• 3.6 薄膜的Raman分析
• 3.7 本章小节
• 第四章 a-C:F:N薄膜的光学带隙分析
• 4.1 引言
• 4.2 a-C:F:N薄膜的光学带隙
• 4.2.1 沉积温度对光学带隙的影响
• 4.2.2 流量比对光学带隙的影响
• 4.3 掺氮前后a-C:F:N薄膜透射谱的变化
• 4.4 光学带隙与热稳定性的关系
• 4.5 本章小结
• 第五章 主要结论及有待进一步完成的工作
• 5.1 本论文的主要结论
• 5.2 有待进一步完成的工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文