纳米晶立方氮化硼薄膜材料及其制备方法技术

本发明专利技术的纳米晶立方氮化硼薄膜及制备方法属一种薄膜材料和物理气相沉积的方法。立方氮化硼膜（３）直接沉积在硅片衬底（１）上，中间设有过渡层，平均晶粒尺度为４～１０ｎｍ。利用镀膜装置，采用射频磁控溅射工艺，严格控制氩气和氮气体积比及总压强，衬底（１）上的偏压在－（４００～２００）Ｖ范围逐段升高，温度控制在４００～５００℃范围。本发明专利技术设备及工艺简单，成本低，制备的薄膜晶粒尺度小、结晶好、整体纯度高，不爆裂，适于实际应用。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于物理气相沉积的方法制备出的一种薄膜材料，特别涉及使用射频磁控溅射的方法制备出一种纳米晶立方氮化硼薄膜材料。立方氮化硼(C-BN)具有许多优异性能，如高硬度、高电阻率、高热导性、优良的抗高温氧化性及优良的化学稳定性、相当大的能隙(6.2ev)和抗辐射性。做为薄膜材料，它能充分发挥这些性能，利用这些力学、电学和半导体性能可以用做机械加工工具的超硬涂层，可以做大功率P型或n型半导体器体，可以用于宇航抗辐射电子学器件。特别是它与某些金属及绝缘体合理组合构成存储元件，其存储能力比现有储存器的存储能力提高28倍。近二十年来，各国科学家采用各种化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)方法制备立方氮化硼薄膜。跟本专利技术最接近的一种物理气相沉积的方法是磁控孤光放电离子镀膜的工艺过程制备立方氮化硼薄膜。利用磁控孤光放电离子镀膜装置，以硅片为衬底，在氩气(Ar)和氮气(N2)的气氛中，以固态的硼(B)为固体蒸发源，在孤光放电和磁场作用下产生等离子体并在衬底上沉积生成C-BN薄膜。在制备过程中，硅片衬底上先加-100V偏压，在硅片衬底上形成一层无序的六角氮化硼膜，再降低偏压至-200V，使立方氮化硼沉积于六角氮化硼膜之上。这种工艺制备出的立方氮化硼薄膜的结构可参见图1。图1是现有技术的横断面图，其中1为硅片衬底，2为六角氮化硼层，在六角氮化硼层2之上的是立方氮化硼膜3。即在衬底1和立方氮化硼膜3之间有六角氮化硼层2做为过渡层。由于有这个过渡层的存在，能够缓解薄膜材料的内应力，保持立方氮化硼膜3不爆裂。同时由于这个过渡层的存在，而降低了立方氮化硼薄膜的整体纯度，使薄膜材料的使用受到限制，特别是给制作电子学元件带来困难。本专利技术采用较好的工艺条件组合和采用逐段升高偏压的方法，在衬底上直接生长立方氮化硼膜，达到制备出整体纯度高、不爆裂、结晶好、粒度小、成本低且可广泛应用的立方氮化硼薄膜材料的目的。本专利技术的纳米晶立方氮化硼薄膜，是以硅片或镍片为衬底，在衬底上直接沉积有立方氮化硼膜，即在衬底和立方氮化硼膜之间没有过渡层；立方氮化硼膜的晶粒尺度为4～10nm。图2给出本专利技术的立方氮化硼薄膜的横断面示意图。其中1为衬底，3为立方氮化硼膜。在硅片或镍片的衬底1的沉积立方氮化硼膜3的一面，通过制备工艺中控制衬底1上的负偏压，于沉积立方氮化硼膜3之前渗有氮离子。这样的结构可以保证立方氮化硼膜3纯度高且不爆裂。 附图说明图1是现有技术的立方氮化硼薄膜材料的横断面示意图。图2是本专利技术的立方氮化硼薄膜材料的横断面示意图。本专利技术的纳米晶立方氮化硼薄膜是使用磁控溅射镀膜装置，采用射频磁控溅射的工艺过程，在硅片或镍片的衬底1上直接沉积生长立方氮化硼膜3。关键是在沉积立方氮化硼薄膜之前进行渗氮处理，使薄膜从基底表层内开始生长，增加膜的附着力，克服内应力大的问题，使膜不爆裂。具体工艺条件是，以六角氮化硼为耙材，磁控溅射镀膜装置的真空室内抽真空后充入氩气(Ar)和氮化(N2)，二者的体积比为100∶(1～3)，气体总压强控制在1.0～1.3Pa；衬底1的温度控制在400～500℃；衬底1跟直流电源联接，使衬底1产生自偏压，偏压大小在-(400～200)V范围逐段升高，在低偏压下渗氮1～2小时，在高偏压下溅射生长薄膜0.5～2小时。由此工艺条件制备的立方氮化硼薄膜，经红外光谱高分辨电子显微镜衍射谱分析证明，此薄膜是纯的多晶立方氮化硼膜，平均晶粒尺度为4～10nm。实施例以六角氮化硼为耙材，以硅片为衬底1，置于真空室内，密封真空室以抽真空，再充入Ar和N2气体，二者体积比为100∶1.9，气体总压强为1.2Pa，加温使衬底1的温度保持在(400±2)℃，对硅片衬底1施加的偏压是逐段升高的，即先加-400V，经过1～2小时再将偏压升至-(200±2)V，经过0.5～1.0小时时间沉积结束。之所以要对衬底1的偏压逐段升高，是因为衬底1在-400V偏压下，不会沉积立方氮化硼，而是渗氮处理，使其后生长的立方氮化硼膜3不加过渡层直接沉积，膜不爆裂。经过-400V偏压一段时间后，再使偏压上升至-(200±2)V。在渗氮的基底表层内开始生长立方氮化硼，而形成本专利技术的纳米晶立方氮化硼薄膜材料的结构，该薄膜的晶粒尺度是5nm。本专利技术的纳米晶立方氮化硼薄膜，具有粒度小、结晶好、整体纯度高、附着力强不爆裂等特点。本专利技术的制备纳米晶立方氮化硼的工艺，原料来源广泛，成本低；设备比较简单，条件比较容易控制，对开展规模化生产十分有利。本专利技术的立方氮化硼薄膜可做为机械加工工具超硬涂层，可掺杂成为p型或n型半导体材料，可与某些金属及绝缘体合理组合成新型多模储存器，也可做为单电子器件材料在大规模集成电路等领域广泛应用。权利要求1.一种纳米晶立方氮化硼薄膜，是以硅片或镍片为衬底(1)，本专利技术的特征在于，衬底(1)上直接生长有立方氮化硼膜(3)，即在衬底(1)和立方氮化硼膜(3)之间没有过渡层；立方氮化硼膜(3)的晶粒尺度为4～10nm。2.一种纳米晶立方氮化硼薄膜的制备方法，使用磁控溅射镀膜装置，采用射频磁控溅射的工艺过程，真空室内充入氩气和氮气，本专利技术的特征在于，以六角氮化硼为耙材，衬底(1)的温度控制在400～500℃；氩气跟氮气的体积比为100∶(1～3)，总压强为1.0～1.3Pa；在硅片或镍片的衬底(1)上加的偏压在-(400～200)V范围内逐段升高，在低偏压下渗氮1～2小时，在高偏压下溅射生长薄膜0.5～2小时。3.按照权利要求2所述的纳米晶立方氮化硼薄膜的制备方法，其特征在于所说的衬底(1)上加的偏压逐段升高是先加-400V，经过1.0～2.0小时，再将偏压升至-(200±2)V，经过0.5～1.0小时沉积结束。全文摘要本专利技术的纳米晶立方氮化硼薄膜及制备方法属一种薄膜材料和物理气相沉积的方法。立方氮化硼膜(3)直接沉积在硅片衬底(1)上,中间没有过渡层,平均晶粒尺度为4～10nm。利用镀膜装置,采用射频磁控溅射工艺,严格控制氩气和氮气体积比及总压强,衬底(1)上的偏压在－(400～200)V范围逐段升高,温度控制在400～500℃范围。本专利技术设备及工艺简单,成本低,制备的薄膜晶粒尺度小、结晶好、整体纯度高,不爆裂,适于实际应用。文档编号C23C14/06GK1197847SQ98104978公开日1998年11月4日 申请日期1998年1月21日 优先权日1998年1月21日专利技术者赵永年, 邹广田, 何志, 王波 申请人:吉林大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米晶立方氮化硼薄膜，是以硅片或镍片为衬底（１），本专利技术的特征在于，衬底（１）上直接生长有立方氮化硼膜（３），即在衬底（１）和立方氮化硼膜（３）之间没有过渡层；立方氮化硼膜（３）的晶粒尺度为４～１０ｎｍ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵永年，邹广田，何志，王波，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：22[中国|吉林]