硼碳氮薄膜的磁控溅射法制备及其结构研究

论文摘要

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N2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N2分压占整个气体的25%时达到最佳。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 硼碳氮材料的起源
• 1.1.1 金刚石与立方氮化硼
• 1.1.2 石墨与六方氮化硼
• 1.2 硼碳氮材料发展与研究现状
• 1.2.1 硼碳氮材料发展
• 1.2.2 硼碳氮材料结构研究
• 1.2.3 硼碳氮材料的实验合成方法
• 1.2.4 实验研究所存在的问题
• 1.3 硼碳氮材料的性质及其应用前景
• 1.4 硼碳氮薄膜的表征
• 1.4.1 傅立叶变换红外光谱（FTIR）
• 1.4.2 拉曼光谱
• 1.4.3 X-射线光电子能谱（XPS）
• 1.4.4 扫描电子显微镜（SEM）
• 第2章 薄膜沉积设备原理与实验过程
• 2.1 射频磁控溅射所用试验设备
• 2.2 薄膜沉积原理
• 2.2.1 溅射机理
• 2.2.2 溅射率及其影响因素
• 2.2.3 射频磁控溅射
• 2.3 实验过程
• 2.3.1 基底表面处理
• 2.3.2 薄膜制备的基本程序
• 2.4 本章小结
• 第3章 实验结果与分析
• 3.1 溅射时间对硼碳氮薄膜的影响
• 3.2 射频功率对硼碳氮薄膜的影响
• 3.3 直流功率对硼碳氮薄膜的影响
• 3.4 基底偏压对硼碳氮薄膜的影响
• 3.5 工作气压对硼碳氮薄膜的影响
• 3.6 基底温度对硼碳氮薄膜的影响
• 3.7 气体成分对硼碳氮薄膜的影响
• 3.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表学术论文
• 致谢