磁控溅射法制备硅碳氮薄膜及其性能研究

摘要

硅碳氮(SiCN)是一种硅、碳、氮三元化合物半导体材料，兼具碳化硅和氮化硅两种材料优良的光学、电学、磁学、热力学和机械特性。在硅材料衬底上生长SiCN薄膜材料成本低，且与超大规模集成电路有很好的兼容性，这些特点使得SiCN可作为光电器件的首选材料之一，具有很好的经济和社会效益。
　　本论文采用射频磁控溅射法，以氮化硅和石墨靶材作为原材料，氩气作为工作气体，成功制备出了SiCN薄膜材料。通过改变靶材（氮化硅、石墨）溅射功率、衬底温度和反应腔室压强等制备条件，利用相应测试手段分析研究了制备工艺条件对SiCN薄膜在组分、结构、形貌、光学性能和场发射性能等方面的影响。另外，我们进一步探索性地研究了退火对SiCN薄膜的影响。
　　结果表明，在不同工艺条件下所制备的SiCN薄膜主要是由Si、N、C三种元素组成，元素以Si-N键、Si-C键、C-N键、C=N键、C三N键和C=C键存在，薄膜材料中含Si3N4、5H-SiC相。不同的制备工艺条件对各元素含量和结晶性都有很大的影响。
　　通过改变靶材溅射功率，我们发现所制备SiCN薄膜材料光学带隙随着靶材溅射功率的增大而增大，通过计算可得其光学带隙介于4.55和4.89 eV之间，且薄膜有很好的光透过性;随着衬底温度从400℃升高到700℃，所制备SiCN薄膜的光学带隙从4.20eV减小到3.73 eV;腔室压强从3 Pa增大至9 Pa时，所制备SiCN薄膜的光学带隙从3.06 eV增大到5.14 eV。光致荧光测试结果表明所制备SiCN薄膜有两个分别位于370和425nm处的发光峰，分别由SiOx/Si(0＜x≤2)界面态和SiC晶粒引起，发光峰的强度随制备条件的不同而有很大的差别。薄膜的场发射测试表明，薄膜的场发射开启电场随靶材溅射功率的不同有较大的变化，所制备薄膜的最小开启电场为2.4 V/μm。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 硅碳氮薄膜的研究背景

1．2 硅碳氮薄膜的研究现状

1．2．1 硅碳氮薄膜的结构

1．2．2 硅碳氮材料的制备方法

1．2．3 硅碳氮薄膜的光学特性

1．2．4 硅碳氮薄膜的场发射性能

1．3 本文的工作

第二章 硅碳氮薄膜的制备及表征

2．1 磁控溅射原理

2．1．1 溅射原理

2．1．2 直流溅射

2．1．3 射频溅射

2．1．4 反应溅射

2．1．5 离子束溅射

2．1．6 磁控溅射

2．3 硅碳氮薄膜的制备

2．3．1 实验设备

2．3．2 实验方案

2．3．3 工艺流程

2．4 薄膜结构及性能表征方法

2．4．1 扫描电子显微镜

2．4．2 能量色散谱

2．4．5 紫外-可见分光光度计

2．4．6 光致发光光谱

2．4．7 场致电子发射

第三章 氮化硅靶材溅射功率对硅碳氮薄膜的影响

3．1 硅碳氮薄膜的成分

3．2 硅碳氮薄膜的结构

3．2．1 晶体结构

3．2．2 成键结构

3．3 硅碳氮薄膜的表面形貌

3．4 光学性能

3．4．1 光透过性

3．4．2 光学带隙

3．4．3 光致荧光发光性能

3．5 场发射性能

3．6 本章小结

第四章 石墨靶材溅射功率对硅碳氮薄膜的影响

4．1 硅碳氮薄膜的成分

4．2 硅碳氮薄膜的结构

4．2．1 晶体结构

4．2．2 成键结构

4．3 硅碳氮薄膜的表面形貌

4．4 光学性能

4．4．1 光透过性

4．4．2 光学带隙

4．4．3 光致荧光发光性能

4．5 场发射性能

4．6 本章小结

第五章 其他因素对硅碳氮薄膜的影响

5．1 硅碳氮薄膜的成分

5．2 硅碳氮薄膜的结构

5．3 硅碳氮薄膜的表面形貌

5．4 光学性能

5．4．1 光透过性

5．4．2 光学带隙

5．4．3 光致荧光发光性能

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．1．1 靶材溅射功率对硅碳氮薄膜的影响

6．1．2 其他因素对硅碳氦薄膜的影响

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果

致谢