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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。