Charakterisierung von Siliciumcarbonitriden
Zusammenfassung
Im Rahmen der Entwicklung nichtoxidischer Keramiken werden mittels HF-Magnetron-Co-Sputtern neue Siliciumcarbonitride auf unterschiedlichen Substraten in Form nahezu verun-reinigungsfreier dünner Schichten direkt aus den Elementen synthetisiert und durch Kombi-nation sich ergänzender analytischer Methoden umfassend charakterisiert.
Es kann anhand von n-RBS Untersuchungen gezeigt werden, dass bei reaktiver Prozessfüh-rung Plasmaionenenergie, Edelgas-Art sowie N2-Anteil im Sputtergasgemisch und Si/C-Targetflächenverhältnis die stöchiometriebestimmenden Parameter sind. So stellt sich bei einem N2-Volumenanteil von 36% im Sputtergasgemisch mit Argon prozessbedingt die theo-retisch geforderte Stickstoffkonzentration für die stöchiometrischen Siliciumcarbonitride Si2CN4 und SiC2N4 ein. Durch Variation des Si/C-Targetflächenverhältnisses lässt sich dann der Gehalt von Silicium und Kohlenstoff in den abgeschiedenen Schichten gezielt verändern.
Mit Hilfe von AES-Sputtertiefenprofilen wird für alle hergestellten Schichten ein vertikal ho-mogener Schichtaufbau nachgewiesen. Bei Verwendung von 15N2 als Sputtergas können zusätzliche 15N-NRA-Untersuchungen dieses Ergebnis bestätigen und liefern darüber hinaus absolute Stickstoffkonzentrationen. Die bei dem gewählten Syntheseverfahren einzig mögli-che Verunreinigung der Schichten durch Wasserstoff- und Sauerstoff-Einbau aus dem Rest-gas im Sputterrezipienten werden mittels 1H-NRA-Untersuchungen bzw. AES-Sputter-tiefenprofilen und n-RBS-Messungen analysiert und sind mit 0,5 At.% bzw. 1,5 At.% gegen-über Schichten, die z.B. mittels CVD-Verfahren hergestellt wurden, ausgesprochen gering.
Gestützt auf die Ergebnisse umfangreicher Untersuchungen von Referenzmaterialien (u.a. SiC, SiO2 sowie Si3N4) kann mit den eingesetzten elektronenspektroskopischen und schwin-gungsspektroskopischen Verfahren XPS bzw. FTIR- und Raman-Spektroskopie die Bildung der gewünschten ternären Verbindungen nachgewiesen werden. Dabei wird für die Quantifi-zierung auf die absoluten Daten der kernphysikalischen Methoden n-RBS und NRA referen-ziert. Sowohl die XPS-Speziation als auch die bei FTIR-Untersuchungen gefundene und durch Isotopenaustausch bestätigte intensive Carbodiimid-Schwingungsbande belegen die Bildung von Si2CN4. Alle abgeschiedenen Schichten sind nach XRD- sowie TEM-Untersuchungen bis 1200°C stabil und röntgenamorph.
Studies
on preparation and characterization of silicon carbonitrides
Summary
In
the context of development of non-oxide ceramics, rf-magnetron-co-sputtering
is used to deposit novel nearly impurity-free thin silicon carbonitride
films that have been directly syn-thesized from the elements on several
substrates. Within the combination of complementary analytical methods
the sputtered thin films are extensively characterized.
N-RBS
measurements showed that within a reactive sputtering process, plasma ion
energy, sort of noble gas, part of nitrogen in the sputtergas mixture,
and Si/C target area ratio are the stoichiometry specifying parameters.
With 36 vol.% nitrogen in the sputtergas mixture with argon, the theoretically
claimed nitrogen concentration for the stoichiometric silicon carbo-nitrides
Si2CN4 and
SiC2N4 is
achieved. Through variation of the Si/C target area ratio, the content
of silicon and carbon in the films can be altered according to requirements.
For
all sputtered films a vertically homogen element distribution is verified
by means of AES sputtering depth profiling. When using15N2 as
a part of the sputtergas mixture, additional 15N-NRA
experiments verify the AES results and further furnish absolute nitrogen
concentrations. The only film impurities possible are hydrogen and oxygen
from the residiual gas of the sput-ter recipient. These impurities are
examined by means of 1H-NRA
measurements, AES sput-ter depth profiling and n-RBS measurements. With
the values of 0,5 at.% and 1,5 at.% they are very low in comparison to
the values using CVD preparation methods.
The
formation of the desired ternary substances is verified after extensive
studies of refer-ence materials like SiC, SiO2 or
Si3N4 by
means of XPS, FTIR- and Raman spectroscopy. Thereby the quantification
of the components is based on values determined with the meth-ods of nuclear
physics n-RBS and NRA. Both the XPS speciation and the intensive car-bodiimide
vibrational band at FTIR spectra, verified by isotopic exchange, proved
the forma-tion of Si2CN4.
XRD- and TEM experiments indicated that all sputtered thin films are amor-phous
and stable up to 1200°C.