硅碳氮薄膜的制备及性能研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1.序论
• 1.1 选题意义
• 1.2 SiCN薄膜的研究概况
• 1.2.1 SiCN研究的发展过程
• 3N₄的性能比较'>1.2.2 SiCN与SiC和Si₃N₄的性能比较
• 1.3 SiCN薄膜的制备方法
• 1.3.1 化学气相沉积（CVD）法
• 1.3.2 物理气相沉积（PVD）法
• 1.3.3 微波-ECR等离子体源离子注入的主要特点
• 1.4 本论文的主要内容
• 2.SiCN薄膜的制备及表征
• 2.1 沉积系统介绍
• 2.1.1 系统结构
• 2.1.2 系统主要特点
• 2.2 SiCN薄膜沉积实验过程
• 2.2.1 基底的前处理
• 2.2.2 SiCN薄膜的沉积过程
• 2.3 SiCN薄膜的分析测试方法
• 2.3.1 傅立叶变换红外吸收光谱（FT-IR）
• 2.3.2 X射线光电子能谱（XPS）
• 2.3.3 薄膜硬度
• 2.3.4 薄膜厚度
• 2.3.5 表面形貌
• 2.3.6 光学性能
• 2.3.7 摩擦学性能
• 2.4 本章小结
• 3.Si靶溅射功率对薄膜结构和性能的影响
• 3.1 FT-IR结果分析
• 3.2 XPS结果分析
• 3.3 腐蚀实验
• 3.4 薄膜生长速率
• 3.5 硬度
• 3.6 折射率
• 3.7 摩擦学性能
• 3.8 本章小结
• 2流量与Si靶溅射功率共同对薄膜结构、性能的影响'>4 N₂流量与Si靶溅射功率共同对薄膜结构、性能的影响
• 4.1 FT-IR结果分析
• 4.2 XPS结果分析
• 4.3 薄膜生长率
• 4.4 薄膜硬度
• 4.5 摩擦系数
• 4.6 光学性能
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢