硅碳氮薄膜的結(jié)構(gòu)及光學(xué)特性研究.pdf

1、硅碳氮(SiCN)集成了碳化硅(SiC)和四氮化三硅(Si3N4)的優(yōu)良特性，具有高硬度、高抗氧化能力、化學(xué)惰性和寬帶隙等優(yōu)良的光、電和力學(xué)性能，在超硬涂層、光電子、銅互連的介質(zhì)阻擋層以及微機(jī)電系統(tǒng)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。其能發(fā)射藍(lán)光或藍(lán)紫外光的特點(diǎn)使其成為解決國(guó)際上“藍(lán)光問(wèn)題”的重點(diǎn)研究材料之一，同時(shí)與硅集成電路工藝兼容特點(diǎn)使其成為光電集成電路的優(yōu)選材料。但SiCN薄膜的成分、結(jié)構(gòu)與特性非常復(fù)雜。本文作者使用兩種工藝（Ar/C2H2/

2、N2+多晶Si靶，Ar/N2+燒結(jié)SiC靶）制備SiCN薄膜樣品，優(yōu)化了制備工藝;使用光電子譜儀、紅外傅立葉光譜儀、X射線衍射儀、紫外-可見分光光度計(jì)和熒光光譜儀等對(duì)薄膜樣品的成分、化學(xué)鍵、晶體結(jié)構(gòu)、光致發(fā)光等特性進(jìn)行了表征;分析了薄膜的制備工藝、成分、微結(jié)構(gòu)及光學(xué)特性之間的相互作用規(guī)律;探討了SiCN薄膜的370 nm、400 nm和440 nm發(fā)光機(jī)理。
　　利用第一性原理的密度泛函理論和材料計(jì)算軟件MaterialStudi

3、o5中CASTEP模塊，基于β-Si6N8晶體模型構(gòu)建β-Si12-nCnN16(n=0，4，6，8，12)超晶胞，并計(jì)算它們的結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著碳(C)原子不斷地替代Si原子，它們的晶格常數(shù)a、c及晶胞體積不斷減少，但它們的a/c比值基本保持不變，表明SiCN在a和c方向保持各向同性收縮，β-Si12-nCnN16(n=4，6，8)超晶胞的能帶結(jié)構(gòu)特性更接近β-Si12N16，而不是接近β-C12N16;β-Si12-nCn

4、N16(n=0，4，6，8，12)結(jié)構(gòu)的光透性隨n增大有變差的趨勢(shì)，其吸收峰位置向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)。
　　研究了濺射功率對(duì)薄膜沉積速率、成分、微結(jié)構(gòu)及光學(xué)帶隙的影響及其影響機(jī)理。濺射功率增大，沉積速率先增大后減少，光學(xué)帶隙單調(diào)減少，薄膜中C的含量單調(diào)減少，而Si的含量單調(diào)增大，N含量基本保持不變。發(fā)現(xiàn)SiCN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中Si和C原子占據(jù)相似的位置。研究發(fā)現(xiàn)沉積態(tài)SiCN薄膜中主要形成了C-N、N-Hn、C-Hn、C-C、C≡N、Si-

5、H和Si-C鍵，高濺射功率有利于C≡N、Si-H和C-Hn鍵的形成。
　　研究了C2H2流速對(duì)薄膜沉積速率、成分、微結(jié)構(gòu)及光學(xué)帶隙的影響及其影響機(jī)理。C2H2流速增大，沉積速率急劇增大，薄膜中C的含量增大而Si和N含量減少，Si-C和C-N鍵單調(diào)增大，而Si-H鍵明顯減少，以及薄膜光學(xué)帶隙單調(diào)減少。發(fā)現(xiàn)薄膜中C含量的增加有利于Si-C和C-N鍵的形成，SiCN薄膜表面與薄膜內(nèi)部的成鍵狀態(tài)不一致，在薄膜表面形成了Si-O、C-C、C

6、-O、C-N、N-Si和C=N鍵的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
　　研究了N2/Ar流速比對(duì)薄膜沉積速率、成分、微結(jié)構(gòu)及光學(xué)帶隙的影響及其影響機(jī)理。N2/Ar流速比增大，薄膜的沉積速率增大，薄膜中N元素含量增加，而C和Si含量的減少，薄膜表面粗糙度增大。發(fā)現(xiàn)薄膜中N含量的增加促進(jìn)了Si-N鍵的形成，而抑制了C-C、C-Si和N-C等鍵的形成;同時(shí)發(fā)現(xiàn)具有較高光學(xué)帶隙的Si-N鍵增加，而較低光學(xué)帶隙的SiC、C-C和C-N鍵減少，從而引起薄膜光學(xué)帶隙