a-SiOxNy薄膜化学键结构与缺陷形成机理的研究

已有的阻透薄膜均含有一定量的纳米缺陷，因此制备高阻透性薄膜材料并探索薄膜内化学键结构分布及缺陷形成机理成为该领域研究热点。申请者发现利用低能离子束与薄膜生长表面相互作用可调控薄膜生长表面化学键结构并抑制纳米缺陷的形成，因而可用以制备高阻透性薄膜。本项目采用低能离子束辐照辅助磁控溅射方法制备高阻透性a-SiOxNy薄膜，利用XPS及阻透仪对a-SiOxNy薄膜的化学键结构及缺陷含量进行测试，同时，以Mott配位规则作为RBM理论模型的边界条件，提出RBM+Mott模型以定量计算薄膜中各化学键相对含量及分布，深入研究a-SiOxNy薄膜中化学键结构与缺陷种类及形成机理之间的关系，进而优化a-SiOxNy薄膜生长参数，全面提高其阻透性能。该研究可揭示阻透薄膜中缺陷形成机理，并加深对氮氧化物薄膜生长过程中化学键形成机制的理解，为研究并开发新型氮氧化物功能薄膜提供新思路。

1. 对a-SiOxNy薄膜进行XPS测试，其Si 2p的高分辨XPS谱结果表明，N离子束处理后的PET(N-PET)表面可形成C=N或C≡N键。a-SiOxNy薄膜在N-PET表面生长初期，C=N或C≡N键易被破坏并形成C-N-Si-O交联耦合键，该交联耦合键可以在PET与a-SiOxNy薄膜之间形成致密的层状a-SiOxNy过渡层，确保后续生长的a-SiOxNy薄膜具有致密的层状结构。.2. 根据上述XPS结果进行分析，给出a-SiOxNy薄膜致密化机理。根据Si-O-Si桥键角度在110-160°间自由变化，Si-O-Si桥键连接的两个[SiO4]四面体可绕桥键自由旋转，可得出由[SiO4]四面体构成的薄膜已形成孔洞结构，严重影响薄膜致密性。而Si-N-Si桥键角度固定不变，Si-N-Si桥键连接的三个[SiN4]四面体相对位置固定不变，因此由[SiN4]四面体构成的薄膜致密性高，已形成层状结构。但完全由[SiN4]四面体构成的薄膜由于Si-N-Si桥键的刚性大导致薄膜应力大，在柔性基材表面易破损，因此在[SiN4]四面体结构中适量加入Si-O-Si桥键，可在不影响薄膜致密性的前提下，降低薄膜应力，提高薄膜与PET间结合性能。.3. 基于霍尔效应电流传感器的工作原理，开发N离子束束流诊断系统，并在项目实施过程中对N离子束束流进行诊断，同时辅助以等离子体发射光谱方法，对N离子束性质进行综合诊断。结果表明，随着N离子源工作参数的变化，离子源阳极电流和霍尔效应电流传感器的诊断测试电流均同步变化，变化趋势、速率等均相同。同时，根据发射光谱诊断结果可知，通过对离子源工作参数的调控，可实现对离子源内N离子种类的调控，选取适当参数，可实现N离子束中以N+离子为主，并为后期的计算模拟提供边界条件及实验验证。.4. 以Mott配位规则作为出RBM理论模型的边界条件，以SRIM软件为工具，模拟计算N离子束与SiO2表面相互作用过程。模拟计算结果表明，当N离子与SiO2表面相互作用过程中，Si和O原子受到反冲分布与N离子在SiO2薄膜中的分布基本一致，N离子入射能量在2-5 keV范围内时，N离子在SiO2薄膜中的注入深度约为10-40 nm，入射能量和SiO2薄膜密度决定N离子在薄膜中的注入深度。