1. INTRODUCTIONThe aim of this rese

1. INTRODUCTION
The aim of this research is to study the mechanical properties of semiconducting
boron carbide (BC) thin films grown on silicon (Si) and silicon nitride (SiNx) substrates
by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) using ortho-carborane
(C2B10H12, 1,2-closo-dicarbadodecaborane) as a source molecule for boron and carbon in
suitable, constant ratio. This is relevant to optimizing the PECVD growth of
semiconducting boron carbide for neutron detection applications particularly since
mechanical stress in thick films potentially result in altered electronic properties or in
delamination. The goals of the study are to determine the Young’s modulus, the residual
stress, and the hardness of PECVD BC films. Both the bulge test and the nanoindentation
technique were used to investigate mechanical properties of BC films.
Chapter 1 provides basic information on boron carbide, importance of the
mechanical testing of thin films, different experimental techniques, and the literature
values of the mechanical properties of BC and SiNx thin films. Chapter 2 gives
information on deposition and thickness measurements of BC films. Chapter 3 provides
the principle, design layout, experimental setup and the experimental procedure of the
bulge test. The principle, methodology, experimental considerations and procedure of the
nanoindentation test are detailed in chapter 4. Chapter 5 provides results and discussion
followed by conclusions and future work in chapter 6. Appendix includes additional
information related to principles, procedures and design considerations.
2
1.1 Boron carbide
Conventional forms of boron carbide are crystalline and known for their high
hardness, high wear resistance, low specific weight [1], high stiffness, high melting point,
high chemical and thermal stability [2], but are not useful semiconductors. Conventional
boron carbide is the third hardest known material after boron nitride and diamond. The
high thermal stability of conventional boron carbide makes it hardest material above 1100
˚C [3].
The PECVD forms of boron carbide are quite different from traditional forms of
boron carbide, which are not semiconductors. Semiconducting BC films are of interest
for nuclear and electronic applications. As the 10B nucleus readily captures a neutron due
to its large neutron capture cross-section area (~3840 barns), an important application of
PECVD BC films is in neutron detectors which might be used in monitoring high security
areas such as airports and nuclear power plants. PECVD BC films have been used to
fabricate devices such as transistors [4], heterojunction and homojunction diodes [5],
solid state neutron detectors [6], magnetic tunnel junctions [7] and, in different PECVD
form, have been deposited to protect the inner surface of nuclear fusion devices [8, 9].
Due to the excellent tribological properties (i.e., high hardness), a form of BC film has
the potential to replace traditional diamond-like carbon (DLC) film coatings for
protecting magnetic films in computer hard disks from wear against magnetic head [9].
1.2 Importance of the mechanical testing of thin films
Thin films are extensively used for their electronic, magnetic and optical
properties [10]. In addition, suitable mechanical properties are important to obtain in
3
order to avoid mechanical failure in service and in order to improve the reliability of thin
film device. Thin films are widely used in applications such as microelectromechanical
systems (MEMS), microelectronics, semiconductor devices, micro sensor devices, and
data storage systems [11-13]. The strength and the stiffness are important properties of
load bearing structural films, for instance, in MEMS micro-sensors. The Young’s
modulus of film material can help to predict the strain in the film for a certain amount
mechanical loading. As the micro-structural characteristics of thin films may be
significantly different from their bulk counterparts, any assumption that the mechanical
properties of materials in bulk and thin film form are the same is inappropriate. Further,
mechanical testing of bulk materials yields average properties over a large volume of
material, whereas thin film testing gives properties over a very small volume of material
[13, 14].
Techniques such as Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD),
Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD) and RF magnetron sputtering are
often used to deposit thin films. Thin films deposited using these vacuum deposition
techniques are often subject to internal stresses which fall into two categories - thermal
and growth stresses. Due to the high deposition temperature compared to the temperature
in service, thermal stresses may develop as a result of the difference between the thermal
expansion coefficients of the film and the substrate material. Growth stresses are due to
non-equilibrium structures created during the deposition or growth and can be either
compressive or tensile. Film stress causes most of the catastrophic failures in films

Kết quả (Việt) 1:

1. GIỚI THIỆUMục đích của nghiên cứu này là để nghiên cứu các tính chất cơ học của semiconductinghợp kim cứng (BC) bộ phim mỏng trồng trên silic (Si) và chất nền silicon nitrua (SiNx)bởi plasma nâng cao lắng đọng hơi hóa học (PECVD) bằng cách sử dụng ortho-carborane(C2B10H12, 1,2-closo-dicarbadodecaborane) là một phân tử nguồn cho Bo và carbon trongtỷ lệ thích hợp, liên tục. Điều này là có liên quan đến tối ưu hóa sự phát triển PECVD củasemiconducting hợp kim cứng cho các neutron phát hiện ứng dụng đặc biệt là kể từ khicơ khí căng thẳng trong phim dày có khả năng dẫn đến thay đổi tính chất điện tử hoặc trongphương. Mục tiêu của nghiên cứu là để xác định mô đun của trẻ, còn lạicăng thẳng, và độ cứng của bộ phim PECVD TCN. Nanoindentation và thử nghiệm phìnhkỹ thuật được sử dụng để điều tra các tính chất cơ học của BC phim.Chương 1 cung cấp thông tin cơ bản về cacbua bo, tầm quan trọng của cácthử nghiệm cơ khí của phim mỏng, kỹ thuật thực nghiệm khác nhau, và các tài liệugiá trị của các tính chất cơ học của BC và SiNx mỏng phim. Chương 2 cung cấp chothông tin về đo lường lắng đọng và độ dày của bộ phim BC. Chương 3 cung cấpCác nguyên tắc, thiết kế bố trí, thiết lập thử nghiệm và thủ tục thử nghiệm cáckiểm tra chỗ phình. Nguyên tắc, phương pháp, xem xét thử nghiệm và thủ tục của cácnanoindentation thử nghiệm được chi tiết trong chương 4. Chương 5 cung cấp kết quả và thảo luậntheo sau kết luận và các công việc trong tương lai trong chương 6. Phụ lục bao gồm bổ sungthông tin liên quan đến các nguyên tắc, thủ tục và cân nhắc thiết kế.21.1 hợp kim cứngCác hình thức thông thường của cacbua bo là tinh thể và nổi tiếng nhất của caođộ cứng, sức đề kháng cao mặc, thấp trọng lượng cụ thể [1], độ cứng cao, điểm nóng chảy cao,ổn định hóa học và nhiệt cao [2], nhưng không phải là chất bán dẫn hữu ích. Thông thườngcacbua bo là các tài liệu được biết đến ba khó khăn nhất sau khi nitrua bo và kim cương. Cáccao nhiệt độ ổn định của hợp kim cứng thông thường làm cho nó khó khăn nhất vật chất trên 1100˚C [3].Các hình thức PECVD của hợp kim cứng khá khác nhau từ các loại hình truyền thống củacacbua bo, mà không phải là chất bán dẫn. Semiconducting BC phim quan tâmcho hạt nhân và điện tử ứng dụng. Khi hạt nhân 10B dễ dàng bắt nơtron dođể neutron lớn chiếm diện tích mặt cắt ngang (~ 3840 barns), một ứng dụng quan trọng củaPECVD BC phim là ở neutron dò mà có thể được sử dụng trong giám sát bảo mật caokhu vực chẳng hạn như các sân bay và nhà máy điện hạt nhân. Bộ phim PECVD trước công nguyên đã được sử dụng đểchế tạo thiết bị như transistor [4], heterojunction và homojunction điốt [5],trạng thái rắn neutron dò [6], từ đường hầm liên kết [7] và, trong PECVD khác nhauhình thức, đã được gửi để bảo vệ bề mặt bên trong của thiết bị tổng hợp hạt nhân [8, 9].Do tính chất tuyệt vời tribological (tức là, độ cứng cao), một hình thức của BC phim cótiềm năng để thay thế các vật liệu phim truyền thống như kim cương cacbon (DLC) chobảo vệ các bộ phim từ trong máy tính đĩa cứng từ mặc chống lại từ đầu [9].1.2 tầm quan trọng của thử nghiệm cơ khí của phim mỏngPhim mỏng được sử dụng rộng rãi nhất của điện tử, từ tính và quang họcbất động sản [10]. Ngoài ra, tính chất cơ học thích hợp là quan trọng để có được trong 3Thứ tự để tránh cơ khí thất bại trong dịch vụ và để cải thiện độ tin cậy của mỏngthiết bị bộ phim. Phim mỏng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như microelectromechanicalHệ thống (MEMS), vi điện tử, thiết bị bán dẫn, các thiết bị cảm biến vi, vàHệ thống lưu trữ dữ liệu [11-13]. Sức mạnh và cứng là các tính chất quan trọng củatải mang bộ phim cấu trúc, ví dụ, trong MEMS vi-cảm biến. Của trẻCác mô đun của phim tài liệu có thể giúp đỡ để dự đoán sự căng thẳng trong phim cho một số tiền nhất địnhlực nâng cơ khí. Vì các đặc tính cấu trúc vi phim mỏng có thểđáng kể khác nhau từ đối tác của họ với số lượng lớn, bất kỳ giả định rằng cơ khíthuộc tính của vật liệu trong số lượng lớn và màng mỏng hình thức là như vậy là không thích hợp. Hơn nữa,thử nghiệm cơ học của vật liệu rời sản lượng trung bình thuộc tính trên một khối lượng lớnvật liệu, trong khi màng mỏng thử nghiệm cung cấp cho thuộc tính trên một khối lượng rất nhỏ của vật liệu[13, 14].Kỹ thuật chẳng hạn như Plasma tăng cường hóa học hơi lắng đọng (PECVD),Thấp áp lực hóa học hơi lắng đọng (LPCVD) và từ trường RF thổithường được sử dụng để gửi tiền phim mỏng. Phim mỏng gửi bằng cách sử dụng làm bay hơi chân khôngkỹ thuật là thường xuyên bị căng thẳng nội bộ mà rơi vào hai loại - nhiệtvà tăng trưởng nhấn mạnh. Do nhiệt độ cao lắng đọng so với nhiệt độtrong dịch vụ, căng thẳng nhiệt có thể phát triển là kết quả của sự khác biệt giữa nhiệtmở rộng các hệ số của bộ phim và các vật liệu bề mặt. Căng thẳng tăng trưởng là dokhông cân bằng cơ cấu tạo ra trong quá trình lắng đọng hoặc tăng trưởng và có thể lànén hoặc độ bền kéo. Phim căng thẳng gây ra hầu hết những thất bại thảm họa trong phim

Kết quả (Việt) 2:

1. GIỚI THIỆU
Mục đích của nghiên cứu này là nghiên cứu các tính chất cơ học của bán dẫn
boron carbide (BC) màng mỏng trồng trên silicon (Si) và silicon nitride (sinx) chất nền
bằng plasma tăng cường lắng đọng hơi hóa học (PECVD) sử dụng ortho-carborane
( C2B10H12, 1,2-closo-dicarbadodecaborane) là một phân tử mã nguồn cho bo và carbon ở
phù hợp, tỉ lệ không đổi. Điều này có liên quan đến việc tối ưu hóa sự phát triển PECVD của
bán dẫn boron carbide cho ứng dụng phát hiện neutron đặc biệt là kể từ khi
căng thẳng cơ khí trong các bộ phim dày có khả năng dẫn đến tính chất điện tử thay đổi hoặc trong
phân lớp. Các mục tiêu của nghiên cứu là để xác định mô đun Young, còn sót lại
stress, và độ cứng của bộ phim PECVD BC. Cả hai bài kiểm tra phình và nanoindentation
kỹ thuật được sử dụng để điều tra đặc tính cơ học của màng BC.
Chương 1 cung cấp thông tin cơ bản về boron carbide, tầm quan trọng của các
thử nghiệm cơ học của màng mỏng, kỹ thuật thí nghiệm khác nhau, và các tài liệu
về các tính chất cơ học của BC và màng mỏng sinx. Chương 2 đưa ra
thông tin về lắng đọng và độ dày đo của bộ phim BC. Chương 3 cung cấp
các nguyên tắc, thiết kế bố trí, thiết lập thí nghiệm và quy trình thí nghiệm của các
bài kiểm tra phình. Các nguyên tắc, phương pháp luận, cân nhắc thử nghiệm và thủ tục của các
thử nghiệm nanoindentation được nêu chi tiết trong chương 4. Chương 5 cung cấp kết quả và thảo luận
tiếp theo kết luận và công việc tương lai trong chương 6. Phụ lục bao gồm thêm
thông tin liên quan đến các nguyên tắc, thủ tục và việc thiết kế.
2
1.1 cacbua bo
hình thức thông thường của boron carbide là tinh thể và được biết đến với cao
độ cứng, chịu mài mòn cao, trọng lượng thấp cụ thể [1], độ cứng cao, nhiệt độ nóng chảy cao,
chất lượng cao và ổn định nhiệt [2], nhưng không phải là chất bán dẫn hữu ích. Thông thường
boron carbide là vật liệu được biết đến khó khăn nhất thứ ba sau khi boron nitride và kim cương. Các
sự ổn định nhiệt cao của boron carbide thường làm cho nó khó khăn nhất trên các tài liệu năm 1100
c [3].
Các hình thức PECVD boron carbide là khá khác nhau từ các hình thức truyền thống của
boron carbide, mà không phải là chất bán dẫn. Phim BC bán dẫn là mối quan tâm
cho các ứng dụng hạt nhân và điện tử. Như hạt nhân 10B dễ dàng chụp một neutron do
để diện tích của nó lớn bắt neutron cross-section (~ 3840 vựa), một ứng dụng quan trọng của
bộ phim PECVD BC là trong các máy dò neutron mà có thể được sử dụng trong giám sát an ninh cao
khu vực như sân bay và điện hạt nhân cây. Phim PECVD BC đã được sử dụng để
chế tạo các thiết bị như bóng bán dẫn [4], dị và điốt homojunction [5],
rắn dò neutron nhà nước [6], nút giao đường hầm từ [7], và trong PECVD khác nhau
hình thức, đã được gửi để bảo vệ các bề mặt bên trong của thiết bị phản ứng tổng hợp hạt nhân [8, 9].
Do tính chất tribological xuất sắc (ví dụ, độ cứng cao), một hình thức của BC phim có
tiềm năng thay thế lớp phủ carbon (DLC) phim kim cương giống như truyền thống cho
việc bảo vệ các bộ phim từ tính trong máy tính của ổ đĩa cứng từ hao chống lại đầu từ tính [9].
1.2 Tầm quan trọng của các thử nghiệm cơ học của màng mỏng
màng mỏng được sử dụng rộng rãi cho các điện tử, từ tính và quang học của họ
thuộc tính [10]. Ngoài ra, tính chất cơ học phù hợp là rất quan trọng để có được trong
3
để tránh thất bại cơ khí phục vụ và để cải thiện độ tin cậy của mỏng
thiết bị phim. Màng mỏng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như vi điện tử
hệ thống (MEMS), vi điện tử, các thiết bị bán dẫn, các thiết bị cảm biến vi, và
các hệ thống lưu trữ dữ liệu [11-13]. Sức mạnh và độ cứng là tài sản quan trọng của
mang phim cấu trúc, ví dụ tải, trong MEMS vi cảm biến. The Young
modulus của bộ phim tài liệu có thể giúp dự đoán các sự căng thẳng trong phim cho một số tiền nhất định
tải cơ khí. Như các đặc tính vi cấu trúc của màng mỏng có thể
khác nhau đáng kể từ các đối tác lớn của họ, bất kỳ giả định rằng các cơ
tính của vật liệu với số lượng lớn và dạng màng mỏng đều giống nhau là không phù hợp. Hơn nữa,
thử nghiệm cơ học của vật liệu rời mang tính trung bình trên một khối lượng lớn các
tài liệu, trong khi kiểm tra màng mỏng cung cấp tính trên một khối lượng rất nhỏ chất
[13, 14].
Các kỹ thuật như Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD),
áp suất thấp Chemical Vapor Deposition (LPCVD) và RF magnetron sputtering được
thường được sử dụng để gửi các màng mỏng. Màng gửi bằng cách sử dụng những lắng chân không
kỹ thuật thường bị căng thẳng nội bộ mà rơi vào hai loại - nhiệt
căng thẳng và tăng trưởng. Do nhiệt độ lắng đọng cao so với nhiệt độ
trong dịch vụ, ứng suất nhiệt có thể phát triển như là kết quả của sự khác biệt giữa nhiệt
hệ số mở rộng của bộ phim và các vật liệu chất nền. Ứng suất tăng trưởng là do
cấu trúc không cân bằng được tạo ra trong quá trình lắng đọng hoặc tăng trưởng và có thể là
nén hoặc kéo. Căng thẳng phim gây ra hầu hết các thất bại thê thảm trong phim