激光化学气相沉积SiCN薄膜及其结构控制开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

目前,许多具有特殊功能的先进材料正在不断出现,然而,因为工作环境的限制,他们之中的很多得不到广泛利用。新型的薄膜与涂层通过隔绝不利因素,能够解决这一限制。
SiC薄膜是一种优异的宽禁带半导体材料,具有良好的高温机械性能与化学稳定性,Si3N4薄膜是一种介电材料,通常用于微电子器件的电绝缘层或扩散阻碍层[1]。SiCN 是一种新型硅,碳,氮三元化合物半导体材料,融合了 SiC 与 Si3N4优良电学,光学,热学与机械性能。SiCN 具有复杂的相结构,其中含有 Si-C,Si-N,C-N 等化学键;随着其中各元素的成分与分布的变化,SiCN 的结构与性能会发生很大的改变,这有助于人为设计所需的性能。在硅衬底上沉积 SiCN 薄膜成本低,能有效地保护硅基电子器件,能应用于微机电系统(MEMS)中,此外,SiCN 薄膜的生物相容性远比 Si 优异,这对于植入性电子器件是至关重要的[2]。上述这些特点使得 SiCN 有很大的研究意义。
近年来,人们采用了多种物理,化学方法制备了 SiCN 薄膜。化学气相沉积法(CVD)中,最常见的是等离子体化学气相沉积法(PECVD),其反应气体包括六甲基二氮硅烷(HMDS)[3–5],苯基三甲基硅烷(TMphS)[6]等单前驱体气体与SiH4/CH4/N2等多前驱体气体[7]。其他方法还有以SiH4/CH4/H2/N2为反应气体的电子回旋共振化学气相沉积(ECR-CVD)[8,9];以六甲基二氮硅烷(HMDS)[10]或SiH4/CH4/H2/N2[10,11]为反应气体的热丝化学气相沉积(HWCVD)。物理方法,例如磁控溅射法(MS)[12–14],脉冲激光沉积法(PLD)[15]也被用来制备 SiCN 薄膜。研究表明,气体种类,流量,组分,反应温度,压强等因素均会影响 SiCN 薄膜的结构与性能;物理方法和化学方法制备出的 SiCN薄膜大部分为非晶态,少部分为晶体,但无论是晶态的还是非晶态的SiCN化合物都体现出折射率高,光学透 明度好,禁带宽度宽,硬度高,摩擦系数低,绝缘性好和化学稳定性高等优良性质。
激光化学气相沉积技术(LCVD)利用激光的高能量密度以及良好的相干性能,强化化学气相沉积技术制膜过程,极大提高了反应速率和薄膜质量。沉积出来的薄膜具有杂质低,致密,结晶度高的特点,机械性能与块体类似。[16]由于激光能量密度非常高且集中,LCVD的沉积速度远远快于传统CVD,还能精准地沉积在衬底的特定区域内,如高为几毫米宽仅几微米长的图案,又深又窄的沟槽和小孔的填充等,而这些用其它技术来加工非常困难。LCVD目前已经被用与制备多种不同结构的薄膜[17–20],然而用LCVD制备SiCN的研究不如其他材料丰富[21],而且SiCN薄膜的生长过程和机理还不清楚。因为SiCN的制备过程中涉及Si,C,N甚至还有O和H,涉及的基元是目前薄膜制备中最为复杂的。因此研究用LCVD制备SiCN薄膜十分必要。



2. 研究的基本内容与方案

研究(设计)的基本内容:
1.以sicl4,ch4,h2,n2为原料,利用激光cvd技术在si基板上沉积sicn薄膜。
2.在不同的气体配比,流量下沉积sicn薄膜。
3.在不同的温度,压强下沉积sicn薄膜。
4.对制备的sicn薄膜利用xrd, fesem, afm, raman, tem等手段进行材料表征并分析。
研究目标:
1.探究适合sicn薄膜生长的气体配比,流量。
2.探究不同温度和压强对sicn薄膜的生长的影响,阐述激光化学气相沉积sicn薄膜的生长机理。
3.探究硅基板上适合生长不同结构sicn薄膜的条件,并对sicn薄膜的缺陷和质量进行表征。
4.采用不同材料测试手段对sicn薄膜的择优取向,面内取向,厚度,表面形貌和粗糙度进行表征。
拟采用的技术方案及措施:

用激光化学气相沉积(lcvd)技术制备sicn薄膜。将(100)单晶si基板分别用丙酮,酒精和去离子水超声清洗,然后干燥,放入系统真空室。激光通过石英玻璃窗口,经过光学透镜投射覆盖在基板上,激光的功率定为100w,沉积温度由热电偶计与高温计测出,基板温度分布由热像照相机测出。参与实验气体的组成与流量为sicl4:40sccm,ch4:20sccm,h2:60sccm,n2;分别在1673±200k,200-4000pa的温度,压强条件下进行实验;沉积时间暂定为60s。

sicn薄膜由xrd, fesem, afm, raman, tem等手段进行材料表征并分析,沉积速率由薄膜厚度与沉积时间计算得出。

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3. 研究计划与安排

第1-2周:查阅相关文献资料,明确研究内容,确定方案,完成开题报告;

第3-9周:在硅基板上制备sicn薄膜薄膜,研究不同温度和压强对sicn薄膜的生长的影响,并结合测试手段及时对其结构进行表征表征和分析;

第10-13周:研究不同沉积时间对sicn薄膜结构的影响,完成该部分后,结合相关理论对生长机理进行阐述;

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4. 参考文献(12篇以上)

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