Silisyum karbonitrür ince filmlerin reaktif doğru akım manyetik alanda sıçratma yöntemiyle üretimi ve karakterizasyonu
Characterization of silicon carbonitride thin films deposited by reactive DC magnetron sputtering
Yazar: OKAN AĞIRSEVEN
Danışman: DOÇ. DR. ESRA ÖZKAN ZAYİM ; PROF. DR. ONURALP YÜCEL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Aktivasyon enerjisi = Activation energy ; Optik özellikler = Optical properties ; Sertlik ölçme = Hardness measurement ; Sıçratma işlemi = Sputtering ; İnce filmler = Thin films

Özet:
Bu çalışmada %99.999 saflıkta silisyum hedef malzeme kullanılarak, CH4 ve N2 reaktif gaz ortamında, mikroskop camı ve yüksek hız çeliği üzerinde, 1350±70 nm kalınlıklarında silisyum karbonitrür ince filmler biriktirilmiştir. Kaplama işlemleri 0.2 Pa çalışma basıncı altında, 500 W hedef gücü, 50 V bias gerilimi, 5-18 cm3/dak argon gaz akışı, 2-10 cm3/dak CH4 ve N2 gaz akışı kullanılarak 60'ar dakika süreyle yapılmıştır. Filmler benzer kalınlıklarda biriktirilmiştir. Bu sayede kalınlığın etkisi göz ardı edilerek kaplama içeriğine bağlı optik sabitler incelemeye alınmıştır.Silisyum karbonitrür ince filmlerin optik geçirme ve yansıtma oranları 280-1000 nm dalga boylarında spektrofotometre ile ölçülmüştür. Spektrofotometre yazılımı kullanılarak, bu değerlerden kırılma indisi ve sönüm katsayıları elde edilmiştir. Buradan hesaplanan soğurma katsayıları ile uygulanan Tauc yöntemi ile üretilen ince filmlerin yasak bant aralığı değerleri gaz akış oranlarına bağlı olarak hesaplanmıştır. Analiz ve hesaplama sonuçları, gaz akış oranları ile elde edilen filmlerin optik sabitleri ve yasak bant aralıkları arasındaki ilişkiyi ortaya koymuştur.X-ışını difraktometresi ile yapılan faz analizleri sonucunda bazı kaplamalarda kristal yapı oluştuğu gözlemlenmiştir. Literatürdeki çalışmalar ile karşılaştırıldığında 50ºC gibi düşük sayılabilecek bir sıcaklıkta üretilen filmlerde kristal yapı oluşumu çalışmanın ilgi çeken özelliklerinden olmuştur.Elde edilen filmlerin 20-100ºC sıcaklıklardaki iletkenlikleri ölçülüp aktivasyon enerjileri hesaplanmıştır. Aktivasyon enerjileri, karbon ve azot miktarlarının artmasıyla azalma göstermişlerdir. Bunun yanında azot miktarının artmasıyla gözlenen aktivasyon enerjisi değişimi, karbon miktarı artışıyla oluşan değişime benzer özellikler göstermiştir.Ayrıca filmlerin sertlikleri ölçülmüştür ve filmler içinde mevcut silisyum miktarındaki artış ile film sertliğinin arttığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
In this study, SiCN thin films with thicknesses of 1350±70 nm were deposited on microscope glass and high speed steel by sputtering a silicon target of 99.999% purity with CH4 and N2 reactive gases. Deposition were done with 0.2 Pa working pressure, 500 W target power, 50 V bias voltage, 5-18 cm3/min argon gas flow, 2-10 cm3/min CH4 and N2 gas flow for 60 minutes each. Films were deposited with similar thicknesses which allowed the effect of thickness factor on optical constants to be negligible during calculations.The optical transmittance and reflectance values of silicon carbonitride thin films were measured by spectrophotometer on a spectral range of 280-1000 nm. Refractive indices and extinction coefficients were calculated by the spectrophotometer software. By using these values absorption coefficients are evaluated and used in Tauc method to determine the optical band with respect to the gas flow rate. The results of analyses and calculations provided the information about the relationship between the reactive gas flow rates, the optical constants and the band gap values of silicon carbide films.Phase analysis done by x-ray diffractometer showed that there are crystalline structures present on certain specimens. Formation of these crystalline structures on a coating temperature around 50ºC, which is relatively low compared to the previous studies in the literature, is one of the interesting aspects of this study.Conductivities of the deposited thin films were measured on temperatures 20-100ºC. With the collected data activation energies are calculated. Activation energies of SiCN films decreased with the increase of carbon and nitrogen. The change behavior of activation energy values by the increase in the carbon concentration is similiar to the behavior by the increase in the nitrogen concentration.Also the hardness of the films were measured and results showed that the hardness values increase by the increase of silicon concentration.