氮化硼薄膜的微结构及光学性能研究

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1、摘要摘要氮化硼属于人工合成的III-V族半导体材料，而六方氮化硼作为良好的热导体和绝缘体的同时，与石墨烯的晶格也十分匹配，使其可以作为石墨烯器件的衬底或绝缘栅材料，在深紫外光电器件与大功率微电子器件领域有很广阔的应用前景。因此，近年来，高质量六方氮化硼薄膜的生长与制备成为了研究热点，但是由于生长条件苛刻，较难获得表面平整，且高纯度、高结晶质量的厚六方氮化硼薄膜。此外，目前对物理气相沉积法制备的六方氮化硼薄膜稳定性和微结构的研究较少。本文通过射频磁控溅射的方法，在Si(100)基片上制备六方氮化硼薄膜，分

2、别改变溅射时间、衬底温度、溅射功率、衬底负偏压和溅射气体中的氮氩比，利用傅里叶红外光谱仪、原子力显微镜、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪和X射线衍射仪等设备仪器对六方氮化硼薄膜样品的光学性质、结晶质量、形貌特点、元素组分等进行测试表征，得到不同工艺参数对六方氮化硼薄膜相关性能可能产生的影响。制备得到了高质量六方氮化硼薄膜，主要工作包括以下几个部分：1．对比不同制备工艺对六方氮化硼薄膜稳定性的影响：(1)在制备薄膜之前通过提前高温烘烤真空腔体可以有效提高薄膜样品的稳定性，样品在空气中暴露72h后依然为较

3、纯的六方氮化硼；(2)通过此方法制备出的样品都具有高度c轴择优取向性，特征峰峰值位于26.8°。2.改变靶材进行溅射的时间（30min～120min），随着溅射时间的增加：(1)薄膜样品红外特征峰的强度越来越大，晶化质量越来越好，且在溅射初期，主要形成了c轴垂直于衬底的六方氮化硼薄膜；(2)薄膜样品的表面粗糙度越来越大，120min时柱状颗粒的高度起伏最大，为8.3nm；(3)薄膜样品的厚度呈线性增长，沉积速率在6nm/min左右。3.改变衬底的沉积温度（100℃～400℃），随着衬底温度的上升：(1)

4、薄膜样品红外特征峰的半高宽越来越小，晶化质量增强；(2)表面粗糙度越来越大，400℃时RMS值为3.265nm，柱状颗粒的高度起伏达到最大值10.46nm。4.改变靶材的溅射功率（100W～300W），随着溅射功率的增大：(1)薄膜样品红外特征峰的强度不断增大，晶化质量不断提高；(2)薄膜表面的柱状颗粒越来越大，高度起伏也随之增大，300W时高度起伏达12.66nm，粗糙度增大至2.1nm；(3)薄膜厚度从315.7nm增大到937.4nm，300W时沉积速率最大，为7.81nm。5.改变衬底的负偏压（

5、0V～-150V），随着负偏压的不断增大：(1)样品红外特征峰的强度先增大后减小，说明晶化质量先增强，后减弱，-45V时晶化质量最I摘要好，同时，特征峰的位置不断向高波数偏移，说明内应力越来越大；(2)薄膜的表面粗糙度不断增大，-150V时RMS值达最大值22.8nm，生长模式由层状生长转变为岛状生长，当负偏压过大时样品内应力过大，薄膜出现开裂和脱层的现象。6.改变气体组分中的氮氩比（60:0～1:1），随着氮气含量的不断上升：(1)薄膜样品红外特征峰的强度不断增大，并且少量的氮气组分就可以明显改善薄膜

6、的晶化质量；(2)薄膜的表面粗糙度越来越大，最大值达2.56nm；(3)薄膜样品的厚度先增大后减小，氮氩比为1:3时沉积速率最大，达6.76nm；(4)溅射气体中的氮气比例的增大有助于抑制氧元素含量，同时也会平衡薄膜样品内的硼氮比，使其化学计量比更接近于1:1。关键词：射频磁控溅射，六方氮化硼薄膜，表面形貌，晶化质量IIABSTRACTABSTRACTBoronnitrideisanartificialIII-Vsemiconductormaterial,andwhilehexagonalboronni

7、tridefunctionsasagoodthermalconductorandinsulator,italsomatchesthelatticeofgraphenesothatitcanserveasasubstrateforgraphenedevicesorInsulatedgatematerialshavebroadapplicationprospectsinthefieldofdeepultravioletoptoelectronicdevicesandhighpowermicroelectro

8、nicdevices.Therefore,inrecentyears,thegrowthandpreparationofhigh-qualityhexagonalboronnitridefilmshavebecomearesearchhotspot.However,duetotheharshgrowthconditions,itisdifficulttoobtainauniformhexagonalboronnitridefilmwithh