CN1850589A - 纳米晶立方氮化硼薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的纳米晶立方氮化硼薄膜的制备方法，步骤如下：1)把衬底表面清洗干净放到气相生长装置的反应室，反应室真空度至少抽到10－3 Pa；2)向反应室输入保护气体，加热衬底并控制其温度在300－1100℃，调节反应室压强到0.1－10Pa，在反应室中产生等离子体；3)控制衬底偏压在0－250V，然后依次向反应室输入氮源，氯元素源和硼源，进行薄膜生长。本发明工艺、设备简单，原料易得，所制备的纳米晶立方氮化硼薄膜纯度高、残留压应力低，晶粒尺度小于50纳米，表面粗糙度低、硬度高，适用于制备加工铁基合金的刀具和磨具等，也可以用在光学元件的保护膜，高温电子器件等领域。

Description

纳米晶立方氮化硼薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及纳米晶立方氮化硼薄膜的制备方法。
背景技术
立方氮化硼薄膜的维氏硬度达到5000-6000kg/mm2，在自然界中硬度仅次于金刚石，因为立方氮化硼薄膜甚至在1100℃高温时都不和铁基合金以及空气中的氧气发生反应，可望成为加工钢铁制品的理想刀具材料(金刚石在温度达到700℃时，开始与铁和氧气发生化学反应，不适合加工钢铁材料)。另外，立方氮化硼薄膜在红外和可见区透明、禁带宽度为6.4eV、易于进行p-型和n-型掺杂、有很高的热导率。还可以在光学元件的保护膜、恶劣环境下超大功率机器的自动化控制、以及汽车和电脑等领域得到广泛的应用。
目前文献报道的立方氮化硼薄膜的制备方法主要有以下三种：(1)等离子体化学气相生长法，(2)物理气相生长法，(3)氟辅助等离子体化学气相生长法。前两种方法的主要原理是：首先形成具有活性的氮源和硼源在衬底上反应，同时利用等离子体产生的离子轰击生长表面，当离子能量足够高时，就能生成含有立方氮化硼的薄膜。由于使用了较高能量的离子轰击，缺少对六方氮化硼的化学刻蚀，所制备的薄膜的立方相纯度较低，残留压应力高。第三种方法是在对生长表面一定能量离子轰击的同时用氟元素化学刻蚀六方相氮化硼，降低了继续生成立方氮化硼所需的轰击离子的能量。虽然第三种方法较好地提高了薄膜的立方相纯度，降低了薄膜的残留压应力，但是由于使用了氟元素，给环境带来了污染。
发明内容
本发明的目的是提供一种对环境温和，低残留压应力、高立方相纯度的纳米晶立方氮化硼薄膜的制备方法。
本发明所提供的纳米晶立方氮化硼薄膜制备方法是采用把离子轰击增强立方氮化硼成核生长和氯元素选择性刻蚀六方相氮化硼相结合的等离子体化学气相生长方法，具体步骤如下：
1)把衬底表面清洗干净后放入到等离子体化学气相生长装置的反应室，反应室的真空度至少抽到10-3Pa；
2)向反应室输入保护气体，加热衬底并控制其温度在300-1100℃范围内，调节反应室压强到0.1-10Pa，在反应室中产生等离子体；
3)控制衬底偏压在0--250V范围内，优选-5--100V，然后依次向反应室输入氮源，氯元素源和硼源，进行薄膜生长，控制氮源流量在0.2-10sccm，氯元素源流量在1-10sccm，硼源流量在0.2-12sccm。
本发明中，所说的保护气体可以是氢气和氦气、氖气、氩气以及氪气中的一种或几种；所说的氮源气体可以是氮气、氨气和BH3·NH3中的一种或几种；所说的氯元素源是能在等离子体中分解出氯原子的氯气、氯化氢和BCl3气体中的一种或几种；硼源可以是B2H6、BCl3和BH3·NH3中的一种或几种。
上述所有气体的纯度均高于99.99％，当输入的气体为二种或二种以上时，则将反应气体在等离子体化学气相生长装置的混和室充分缓冲混和后再输入到反应室。
本发明中，所说的衬底可以采用硅、碳化硅、玻璃或蓝宝石等。
在***中导入氯元素的理由：氯元素具有足够高的选择性优先刻蚀六方氮化硼的能力，可以在薄膜生长表面抑制六方氮化硼的形成，提高立方氮化硼薄膜的纯度，同时降低继续生长立方氮化硼所需要的轰击离子的能量，提高立方氮化硼薄膜的纯度，降低残留压应力。只要在等离子体中能分解出氯原子的气体都可以用来选择性刻蚀六方氮化硼。
本发明的有益效果在于：
(1)工艺新颖，所需设备简单，原料易得，对环境温和。
(2)因为把离子轰击增强立方氮化硼成核生长和氯元素对六方相氮化硼的选择性化学刻蚀有机地结合在一起，立方氮化硼生长所需的轰击离子的能量得以降低，所制备的立方氮化硼薄膜的纯度高、残留压应力低，薄膜不剥落。
(3)所制备的纳米晶立方氮化硼薄膜的晶粒尺度小于50纳米，是纳米结构薄膜，表面粗糙度低、硬度高，适用于制备加工铁基合金的刀具和磨具等，也可以用在光学元件的保护膜，高温电子器件等领域。
附图说明
附图是根据本发明方法采用的等离子体化学气相生长装置示意图
图中，1为主电源，2为衬底加热电源，3为电极，4为衬底固定夹，5为衬底台，6为衬底，7为导气管，8为气体混和室，9为质量流量计，10为各种气体的进气管(a，b，c，d和e分别为进气口)，11为真空泵，12为衬底加热器，13为衬底偏压控制电源，14为反应真空室。
具体实施方式
实施例1
制备纳米晶立方氮化硼薄膜，包括以下步骤：
1)将衬底(此例为硅单晶)表面清洁后置于衬底台并用固定夹固定，用真空泵将反应室抽真空至10-3Pa；
2)向反应室输入保护气体氢气和氩气，加热衬底并控制其温度在600℃，调节反应室压强到0.2Pa，在反应室中产生等离子体；
3)调节衬底偏压到-80V，然后依次向反应室输入氮气，氯气和BCl3，进行薄膜生长，控制氮气流量为2sccm，氯气流量在1sccm，BCl3流量在3sccm。经过30分钟时间沉积，在硅衬底上得到晶粒尺度在5-30纳米的立方氮化硼薄膜。
实施例2
制备纳米晶立方氮化硼薄膜，包括以下步骤：
1)将衬底(此例为玻璃)表面清洁后置于衬底台并用固定夹固定；用真空泵将反应室抽真空至10-3Pa后；
2)向反应室输入保护气体氢气和氖气，加热衬底并控制其温度在500℃，调节反应室压强到2Pa，在反应室中产生等离子体；
3)调节衬底偏压到-20V，然后依次向反应室输入氮气、氨气和BCl3，进行薄膜生长，控制氮气流量为2sccm，氨气流量在2sccm，BCl3流量在2sccm。经过20分钟时间沉积，在硅衬底上得到晶粒尺度在5-20纳米的立方氮化硼薄膜。
实施例3
制备纳米晶立方氮化硼薄膜，包括以下步骤：
1)先将衬底(此例为硅单晶)表面清洁后置于衬底台并用固定夹固定；用真空泵将反应室抽真空至10-3Pa；
2)向反应室输入保护气体氢气、氖气和氩气，加热衬底并控制其温度在900℃，调节反应室压强到5Pa，在反应室中产生等离子体；
3)调节衬底偏压到-200V，然后依次向反应室输入BH3·NH3和氯化氢，进行薄膜生长，控制BH3·NH3流量为5sccm，氯化氢流量在3sccm，经过60分钟时间沉积，在硅衬底上得到晶粒尺度在20-50纳米的立方氮化硼薄膜。

Claims (6)

1.纳米晶立方氮化硼薄膜的制备方法，其特征是包括以下步骤：
1)把衬底表面清洗干净后放入到气相生长装置的反应室，反应室的真空度至少抽到10-3Pa；
2)向反应室输入保护气体，加热衬底并控制其温度在300-1100℃范围内，调节反应室压强到0.1-10Pa，在反应室中产生等离子体；
3)控制衬底偏压在0--250V范围内，然后依次向反应室输入氮源，氯元素源和硼源，进行薄膜生长，控制氮源流量在0.2-10sccm，氯元素源流量在1-10sccm，硼源流量在0.2-12sccm。
2.根据权利要求1所述的纳米晶立方氮化硼薄膜的制备方法，其特征是所说的保护气体是氢气和氦气、氖气、氩气以及氪气中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的纳米晶立方氮化硼薄膜的制备方法，其特征是所说的氮源气体是氮气、氨气和BH3·NH3中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的纳米晶立方氮化硼薄膜的制备方法，其特征是所说的氯元素源是能在等离子体中分解出氯原子的氯气、氯化氢和BCl3气体中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的纳米晶立方氮化硼薄膜的制备方法，其特征是所说的硼源是B2H6、BCl3和BH3·NH3中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的纳米晶立方氮化硼薄膜的制备方法，其特征是控制衬底偏压在-5--100范围内。
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