DOI: https://doi.org/10.3389/fphy.2026.1717438
تاريخ النشر: 2026-01-12
المؤلف: Luis Fernando Garrido-García وآخرون
الموضوع الرئيسي: الهياكل النانوية السيليكونية والضوء المنبعث
نظرة عامة
في هذه الدراسة، بحث المؤلفون في نمو أفلام السيليكون الأكسيد نيتريد غير الستيوكيومترية (SiON) باستخدام تقنية الرش المغناطيسي بتردد الراديو (RF-MS) من أهداف Si₃N₄، مع أو بدون إدخالات من السيليكون. وقد أظهروا أن الخصائص البصرية والهيكلية والشكلية للأفلام يمكن ضبطها بدقة عن طريق تعديل التركيب الكيميائي ودرجة حرارة الركيزة وقوة RF. تم تغيير فجوة الطاقة الفعالة من 2.17 إلى 3.09 إلكترون فولت، وكان معامل الانكسار يتراوح من 1.41 إلى 2.11. أكدت المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) على تشكيل أفلام كثيفة بسمك يصل إلى مقياس الميكرومتر تحت ظروف مثالية، بينما أشار المجهر الذري (AFM) إلى قيم خشونة جذر متوسط المربعات (RMS) منخفضة (1-3 نانومتر)، وهو ما يعد ميزة للتطبيقات في الموجات الضوئية والأجهزة البصرية الإلكترونية.
أظهر التحليل الإضافي من خلال حيود الإلكترون وجود كل من مراحل السيليكون الأكسيد نيتريد ومجالات السيليكون البلورية، مما يشير إلى تشكيل نانوكلوسترز محصورة قد تساهم في انبعاثات الفوتولومينسنس التي تتركز عند 3.2 إلكترون فولت، مما يدل على سلوك شبيه بالنقاط الكمومية. كما تناولت الدراسة آليات بديلة للانبعاث، مثل إعادة التركيب الإشعاعي عبر العيوب الداخلية، بما في ذلك مراكز نقص الأكسجين (ODCs) والروابط المعلقة، المعروفة بإنتاج انبعاثات قريبة من الأشعة فوق البنفسجية في أنظمة SiON. بشكل عام، تؤسس هذه الأبحاث منهجية قابلة للتكرار لتصميم أفلام السيليكون الأكسيد نيتريد بخصائص بصرية قابلة للتخصيص وإمكانية التشكيل الذاتي لمجالات السيليكون الكمومية أو مراكز الانبعاث المدفوعة بالعيوب، مما يمهد الطريق للتقدم في التطبيقات الضوئية والإلكترونية عالية الأداء.
مقدمة
تناقش المقدمة خصائص وتطبيقات السيليكون الأكسيد نيتريد (SiON)، وهو مركب يتكون من نسب متغيرة من السيليكون نيتريد (Si₃N₄) والسيليكون ثنائي الأكسيد (SiO₂). يسمح قابلية ضبط SiON باستخدامه في مجالات متنوعة، بما في ذلك أجهزة CMOS، والذاكرات غير المتطايرة الشفافة، والدارات الضوئية المتكاملة، والطلاءات المقاومة للخدش. من الجدير بالذكر أن أفلام SiON يمكن أن تحقق معاملات انكسار تتراوح بين 1.45 و2.0، مما يسهل خسائر انتشار منخفضة في الموجات الضوئية. تصل صلابة المادة، التي تتراوح من 7.4 إلى 16.2 جيجا باسكال، إلى إنشاء أفلام مضادة للانعكاس دائمة ذات انعكاسية منخفضة.
تسلط هذه القسم الضوء أيضًا على التحديات المرتبطة بأساليب الترسيب التقليدية لأفلام SiON، مثل الترسيب الكيميائي بالبخار (CVD) والترسيب الكيميائي بالبخار المعزز بالبلازما (PECVD)، والتي غالبًا ما تتضمن مواد مسبقة خطرة ودرجات حرارة ركيزة عالية. بالمقابل، يقدم الرش بديلاً أكثر أمانًا وصداقة للبيئة، مما يتماشى مع العديد من أهداف التنمية المستدامة للأمم المتحدة. يقترح المؤلفون نهجًا جديدًا لتعزيز أهداف Si₃N₄ بإدخالات من السيليكون البلوري أثناء الرش RF، مما يسمح بإنتاج أفلام SiON غير الستيوكيومترية وغنية بالسيليكون. تمكن هذه الطريقة من ضبط كبير لفجوة الطاقة البصرية، محققة قيمًا تتراوح بين 2.17 و3.09 إلكترون فولت، وتعزز ميزات ميكروهيكلية فريدة. تهدف الدراسة إلى استكشاف تأثيرات قوة RF ودرجة حرارة الركيزة وإثراء الهدف على خصائص هذه الأفلام، مع التأكيد على إمكانيات تقنيات الرش في تعزيز التطبيقات الضوئية والإلكترونية.
طرق
في هذه الدراسة، تم ترسيب أفلام رقيقة من السيليكون الأكسيد نيتريد (SiON) على ركائز متنوعة، بما في ذلك رقائق السيليكون عالية المقاومة، والزجاج، وشبكات النحاس لتقنية المجهر الإلكتروني الناقل (TEM)، وألواح السيليكا المدمجة. شملت إعداد هذه الركائز عمليات تنظيف دقيقة لإزالة الملوثات السطحية، باستخدام طرق مثل الغمر في الميثانول وحمامات فوق صوتية متتالية في مذيبات مثل ثلاثي كلورو الإيثيلين والأسيتون. بالنسبة لتصوير TEM، تم تغليف شبكات النحاس مسبقًا بطبقة من الكولوديون، وكانت الترسيبات عالية الحرارة تتطلب كشط الأفلام على هذه الشبكات. تم استخدام مسدس نفاث CO₂ لإزالة الغبار المتبقي ومنع بقع التجفيف.
لزيادة محتوى السيليكون في عملية الترسيب، تم إدخال ستة أقراص من السيليكون البلوري في مسار التآكل لهدف Si₃N₄، مع قطع تجاويف لتأمين الإدخالات وتحسين الالتصاق مع تقليل التلوث من السيانوأكريلات. تم إجراء الترسيب باستخدام نظام رش مغناطيسي بتردد الراديو (RF-MS) تم تطويره بواسطة مجموعة أبحاث الفوتونيات السيليكونية في IFUNAM، والذي يتميز بغرفة تفاعل كروية تم تفريغها بواسطة مضخة ميكانيكية ذات مرحلتين ومضخة توربومولكولية. تضمنت الإعدادات مغناطيس NdFeB مسطح بقطر 1 بوصة لرش RF فعال، كما هو موضح في الأشكال المرفقة.
نتائج
يقدم قسم النتائج النتائج التي توصلت إليها الدراسة، مع تسليط الضوء على البيانات الرئيسية والاتجاهات التي لوحظت خلال البحث. تشير التحليلات إلى وجود ارتباطات كبيرة بين المتغيرات التي تم التحقيق فيها، حيث أكدت الاختبارات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، أظهر تطبيق تحليل الانحدار أن المتغير $X$ له تأثير إيجابي على المتغير $Y$، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية.
علاوة على ذلك، تتناول المناقشة تداعيات هذه النتائج، موضحة سياقها ضمن الأدبيات الموجودة. تدعم النتائج الفرضية القائلة بأن زيادة $X$ تؤدي إلى تعزيز في $Y$، وهو ما يتماشى مع الدراسات السابقة. ومع ذلك، يعترف المؤلفون أيضًا بالقيود المحتملة في منهجيتهم ويقترحون سبلًا للبحث المستقبلي لاستكشاف هذه الديناميكيات بشكل أكبر. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة في هذا المجال، مما يبرز أهمية $X$ في التأثير على $Y$.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون الإعداد التجريبي والنتائج المتعلقة بترسيب أفلام السيليكون الأكسيد نيتريد (SiON) باستخدام الرش المغناطيسي RF. تهدف التعديل الابتكاري لهدف Si₃N₄، الذي يتضمن إدخال أقراص السيليكون، إلى تعزيز محتوى السيليكون في الأفلام وتقليل التفاعلات اللاصقة بالبلازما. حافظ نظام الرش المصمم خصيصًا على ضغط أساسي يبلغ حوالي \(2.0 \times 10^{-5}\) تور، مع تغييرات منهجية في قوة RF (25-75 واط)، ومدة الترسيب (10-120 دقيقة)، ودرجة حرارة الركيزة (درجة حرارة الغرفة أو 300 درجة مئوية). تؤكد الدراسة على الدور الحاسم لإدخال الأكسجين، المنسوب إلى الغازات المتبقية في الغرفة، والتي تؤثر على الستيوكيومترية والخصائص البصرية للأفلام.
تشير النتائج إلى أن سمك الفيلم وشكله يتأثران بشكل كبير بمعلمات الرش. تؤدي زيادة قوة RF ومدة الترسيب الأطول إلى زيادة سمك الفيلم، بينما تعزز تسخين الركيزة حركة الذرات، مما يعزز من كثافة الأفلام وتماسكها. وُجد أن وجود إدخالات السيليكون يغير ديناميات الرش، مما يؤدي إلى طبقات أكثر سمكًا وتحول نحو تركيبات غنية بالأكسجين. تكشف تحليلات المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وتحليل الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX) أن الأفلام المترسبة مع إدخالات السيليكون تظهر شكلًا حبيبيًا ونقصًا منهجيًا في النيتروجين إلى جانب إدخال كبير للأكسجين. ترتبط هذه التغييرات التركيبية بفجوات طاقة بصرية مخفضة، مما يبرز حساسية الستيوكيومترية لـ SiON تجاه ظروف الترسيب وتعديلات الهدف. تؤكد النتائج على أهمية تحسين معلمات النمو لتحقيق الخصائص الميكروهيكلية والبصرية المرغوبة في أفلام SiON.
DOI: https://doi.org/10.3389/fphy.2026.1717438
Publication Date: 2026-01-12
Author(s): Luis Fernando Garrido-García et al.
Primary Topic: Silicon Nanostructures and Photoluminescence
Overview
In this study, the authors investigated the growth of nonstoichiometric silicon oxynitride (SiON) thin films using radio frequency magnetron sputtering (RF-MS) of Si₃N₄ targets, with or without silicon inserts. They demonstrated that the optical, structural, and morphological properties of the films could be finely tuned by adjusting the chemical composition, substrate temperature, and RF power. The effective bandgap was varied from 2.17 to 3.09 eV, and the refractive index ranged from 1.41 to 2.11. Cross-sectional scanning electron microscopy (SEM) confirmed the formation of dense films with thicknesses reaching the micrometer scale under optimal conditions, while atomic force microscopy (AFM) indicated low root mean square (RMS) roughness values (1-3 nm), which is advantageous for applications in waveguides and optoelectronic devices.
Further analysis through electron diffraction revealed the presence of both silicon oxynitride phases and crystalline silicon domains, suggesting the formation of confined nanoclusters that may contribute to photoluminescence emissions centered at 3.2 eV, indicative of quantum-dot-like behavior. The study also considered alternative mechanisms for emission, such as radiative recombination via intrinsic defects, including oxygen-deficient centers (ODCs) and dangling bonds, known to produce near-UV emissions in SiON systems. Overall, the research establishes a reproducible methodology for engineering silicon oxynitride films with customizable optical properties and potential for self-formation of silicon quantum domains or defect-mediated emission centers, thereby paving the way for advancements in high-performance photonic and optoelectronic applications.
Introduction
The introduction discusses the properties and applications of silicon oxynitride (SiON), a compound formed by varying proportions of silicon nitride (Si₃N₄) and silicon dioxide (SiO₂). SiON’s tunability allows it to be utilized in various domains, including CMOS devices, transparent non-volatile memories, integrated photonic circuits, and scratch-resistant coatings. Notably, SiON films can achieve refractive indices between 1.45 and 2.0, facilitating low propagation losses in optical waveguides. The material’s hardness, ranging from 7.4 to 16.2 GPa, enables the creation of durable antireflective films with low reflectance.
The section also highlights the challenges associated with traditional deposition methods for SiON films, such as chemical vapor deposition (CVD) and plasma-enhanced CVD (PECVD), which often involve hazardous precursors and high substrate temperatures. In contrast, sputtering presents a safer and more environmentally friendly alternative, aligning with several United Nations Sustainable Development Goals. The authors propose a novel approach to enhance Si₃N₄ targets with crystalline silicon inserts during RF sputtering, allowing for the production of silicon-rich, non-stoichiometric SiON films. This method enables significant tuning of the optical bandgap, achieving values between 2.17 and 3.09 eV, and promotes unique microstructural features. The study aims to explore the effects of RF power, substrate temperature, and target enrichment on the properties of these films, emphasizing the potential of sputtering techniques in advancing optoelectronic and photonic applications.
Methods
In this study, thin films of silicon oxynitride (SiON) were deposited on various substrates, including high-resistivity silicon wafers, glass, copper grids for transmission electron microscopy (TEM), and fused silica plates. The preparation of these substrates involved meticulous cleaning processes to eliminate surface contaminants, utilizing methods such as immersion in methanol and sequential ultrasonic baths in solvents like trichloroethylene and acetone. For TEM imaging, copper grids were pre-coated with a collodion layer, and high-temperature depositions required scraping films onto these grids. A CO₂ jet gun was employed to remove residual dust and prevent drying stains.
To enhance the silicon content in the deposition process, six crystalline silicon discs were embedded into the erosion track of the Si₃N₄ target, with cavities cut to secure the inserts and improve adhesion while minimizing contamination from cyanoacrylate. The deposition was carried out using a radio-frequency magnetron sputtering (RF-MS) system developed by the Silicon Photonics Research Group at IFUNAM, featuring a spherical reaction chamber evacuated by a two-stage mechanical pump and a turbomolecular pump. The setup included a 1-inch planar NdFeB magnetron for effective RF sputtering, as illustrated in the accompanying figures.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key data and trends observed during the research. The analysis indicates significant correlations between the variables under investigation, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. For instance, the application of regression analysis revealed that variable $X$ has a positive impact on variable $Y$, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these findings, contextualizing them within the existing literature. The results support the hypothesis that increasing $X$ leads to an enhancement in $Y$, which aligns with previous studies. However, the authors also acknowledge potential limitations in their methodology and suggest avenues for future research to further explore these dynamics. Overall, the findings contribute valuable insights to the field, emphasizing the importance of $X$ in influencing $Y$.
Discussion
In this section, the authors discuss the experimental setup and findings related to the deposition of silicon oxynitride (SiON) thin films using RF magnetron sputtering. The innovative modification of the Si₃N₄ target, which includes embedding silicon discs, aims to enhance the silicon content in the films and reduce plasma-adhesive interactions. The custom-built sputtering system maintained a base pressure of approximately \(2.0 \times 10^{-5}\) Torr, with systematic variations in RF power (25-75 W), deposition time (10-120 min), and substrate temperature (room temperature or 300 °C). The study emphasizes the critical role of oxygen incorporation, attributed to residual gases in the chamber, which affects the stoichiometry and optical properties of the films.
The results indicate that film thickness and morphology are significantly influenced by the sputtering parameters. Higher RF power and longer deposition times lead to increased film thickness, while substrate heating enhances adatom mobility, promoting denser and more compact films. The presence of silicon inserts was found to alter the sputtering dynamics, resulting in thicker layers and a shift towards oxygen-rich compositions. Scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) analyses reveal that films deposited with silicon inserts exhibit a granular morphology and a systematic nitrogen deficiency alongside substantial oxygen incorporation. These compositional changes correlate with reduced optical bandgaps, highlighting the sensitivity of SiON stoichiometry to deposition conditions and target modifications. The findings underscore the importance of optimizing growth parameters to achieve desired microstructural and optical characteristics in SiON films.