磁控溅射法制备SiCN薄膜及退火处理对其性能影响研究

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1、７分类号：ＴＮ３０４．２学校代码：１０６９密级：公开学号：２０１５２０９２４馨硕士学位论文ＭＡ’ＳＴＥＲＳＤＩＳＳＥＲＴＡＴＩＯＮ磁控溅射法制备ＳｉＣＮ薄膜及退火处理对其性能影响研究学科名称：微电子学与固体电子学一作者：李鸣指导老师：赵武教授西北大学学位评定委员会二○一八年六月StudyontheEffectofSiCNThinFilmPreparedbyMagnetronSputteringandAnnealingTreatmentAthesissubmittedtoNorthwestUniversityinpart

2、ialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterinMicroelectronicsandSolid-StateElectronicsByLiYimingSupervisor:ZhaoWuProfessorJune2018摘要SiCN（硅碳氮）作为C、Si与N三种元素构成的新型宽禁带半导体，集合SiC（氮化硅）、C3N4（氮化碳）和Si3N4（碳化硅）的良好光学、电学、力学特性于一体。硅基底生长的SiCN材料成本低廉，且与目前的集成电路工艺技术兼容。不同组分和结构的SiCN材料带隙在2.86到5.0eV之间连续

3、可调，有利于其在光电器件领域（如发光器件、半导体激光器等）方面的应用。采用磁控溅射法，以氮化硅（Si3N4）靶材与石墨（C）靶材作为源材料，制备SiCN薄膜，对其进行退火处理。通过改变退火温度、保温时间与退火气氛等条件，系统研究退火工艺对SiCN薄膜成分、表面形貌、化学成键、晶体结构、以及光致发光等特性的影响，优化退火工艺，提高SiCN薄膜的质量，从而提高SiCN薄膜光学性能。XPS分析表明，SiCN薄膜并不是Si3N4与SiC或Si、C与N的简单组合，而是由C-C键、C-O键、C-N键、N-Si键、C=N键、Si-C键、Si-O键与Si-N键等形成的复杂网络结构

4、。同时XRD分析表明，薄膜中主要含有Si3N4、5H-SiC相，实验结果显示：真空气氛条件下退火的SiCN薄膜结晶性好于空气和氩气气氛退火的样品。对磁控溅射制备SiCN薄膜工艺进行优化，在石墨（C）靶材功率为100W，氮化硅靶材功率为150W时薄膜具有较好的结晶性，进而在此制备工艺条件下对SiCN薄膜进行退火处理。研究发现，在真空和氩气气氛下，随着退火温度的提高，薄膜中的Si元素含量明显上升，C、N元素的含量下降。而在空气气氛下，随着退火温度的上升，薄膜中的O元素百分含量上升，C、N元素的含量下降。同时对样品的光致发光进行了探索，不同退火气氛引起SiCN薄膜不同位

5、置的发光峰。空气气氛下退火，薄膜的发光峰主要在370nm与395nm处；氩气气氛下退火，薄膜发光的峰位主要在370nm处；在真空气氛下退火，薄膜的发光峰主要在370nm与410nm处。370nm处发光来源于SiOx发光中心，395nm处和410nm处的发光由碳团簇引起。关键词：SiCN薄膜，退火，磁控溅射，光学性能iABSTRACTAsthecompoundoftheelementsSi,CandN,asanewwidebandgapsemiconductormaterial,SiCNcombinethefeatureofSiC(siliconcarbide)，C

6、3N4(carbonnitride)andSi3N4(siliconnitride)inoptical,electrical,mechanicalandotheraspect.TheSiCNgrownonthesiliconsubstrateischeapandcompatiblewiththeexistingintegratedcircuittechnology.DifferentcompositionandstructureoftheSiCNmaterialshavethecontinuoustunablebandgaprangesfrom2.86to5.0e

7、V,whichisbenefittothefieldofoptoelectronicdevices(suchaslight-emittingdiode,semiconductorlaser)applications.Withthemagnetronsputtering,weusethesiliconnitride(Si3N4)targetandthegraphite(C)targetasrawmaterials,theSiCNfilmswerepreparedandthenannealed.Byalteringtheannealingatmosphere,hold

8、ingti