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硼碳氮薄膜的磁控溅射法制备及其结构研究

龚恩乐  
【摘要】: 本论文的主要工作是采用射频磁控溅射制备硼碳氮(BCN)薄膜,研究了各实验参数对硼碳氮薄膜的生长行为和结构的影响,对硼碳氮薄膜制备工艺进行了系统的、深入的研究。采用磁控溅射方法,以六方氮化硼和石墨为靶材,以氩气和氮气为工作气体,成功地在单晶硅上沉积出质量较好的硼碳氮薄膜。实验中氮化硼溅射采用射频源,石墨溅射采用直流源。得到制备硼碳氮薄膜的合适条件为:射频功率为200W,直流功率是60W,基底偏压为-50V,工作气压为1.0Pa,基底温度为500℃,氮气与氩气的比例为10:40。采用傅立叶变换红外光谱、X-射线光电子能谱、拉曼光谱等对薄膜进行了表征与分析。测量结果表明薄膜中硼、碳和氮原子实现了原子级化合,成功实现了化合物硼碳氮膜的合成。 磁控溅射方法制备硼碳氮薄膜的过程中,沉积时间、射频功率、直流功率、基底偏压、工作气压、基底温度、气体流量比等参数对硼碳氮薄膜都有一定的影响: 1)溅射时间对BCN薄膜生长的影响就是在溅射初期薄膜形核较慢,随着溅射时间的延长,薄膜生长速度加快然后趋于稳定; 2)射频功率对BCN薄膜生长的影响主要表现为生长速率和结晶度的变化。随着射频功率的提高生长速率增加,而结晶度则呈现先变好后变差的趋势,在200W的时候薄膜的结晶最好; 3)薄膜成分和结构依赖于直流功率和射频功率的比值,随着直流功率的升高BCN薄膜中C-C键逐渐变多,C元素的含量先是迅速增长,然后增长缓慢; 4)基底偏压对BCN薄膜结晶度的影响是随着偏压的升高,薄膜的结晶度是先变好后变差,在偏压值是-50V时结晶度最好; 5)工作气压对BCN薄膜结晶度的影响是随着工作气压的增加,薄膜的结晶度是先变好后变差,在1.0Pa的时候结晶度最好; 6)基底温度对BCN薄膜结晶性能的影响是随着基底温度的升高,薄膜的结晶度越来越好,但是100℃~500℃之间结晶度变好明显,500℃~700℃之间结晶度的改善趋于缓慢; 7)气体成分对BCN薄膜结晶度的影响是随着N_2分压的增大,薄膜的结晶度先变好后变差,但是变差的幅度比较缓慢,在N_2分压占整个气体的25%时达到最佳。


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