專利名稱：納米晶立方氮化硼薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米晶立方氮化硼薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
立方氮化硼薄膜的維氏硬度達(dá)到5000-6000kg/mm2，在自然界中硬度僅次于金剛石，因?yàn)榱⒎降鸨∧ど踔猎?100℃高溫時(shí)都不和鐵基合金以及空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，可望成為加工鋼鐵制品的理想刀具材料(金剛石在溫度達(dá)到700℃時(shí)，開始與鐵和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不適合加工鋼鐵材料)。另外，立方氮化硼薄膜在紅外和可見區(qū)透明、禁帶寬度為6.4eV、易于進(jìn)行p-型和n-型摻雜、有很高的熱導(dǎo)率。還可以在光學(xué)元件的保護(hù)膜、惡劣環(huán)境下超大功率機(jī)器的自動(dòng)化控制、以及汽車和電腦等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
目前文獻(xiàn)報(bào)道的立方氮化硼薄膜的制備方法主要有以下三種(1)等離子體化學(xué)氣相生長(zhǎng)法，(2)物理氣相生長(zhǎng)法，(3)氟輔助等離子體化學(xué)氣相生長(zhǎng)法。前兩種方法的主要原理是首先形成具有活性的氮源和硼源在襯底上反應(yīng)，同時(shí)利用等離子體產(chǎn)生的離子轟擊生長(zhǎng)表面，當(dāng)離子能量足夠高時(shí)，就能生成含有立方氮化硼的薄膜。由于使用了較高能量的離子轟擊，缺少對(duì)六方氮化硼的化學(xué)刻蝕，所制備的薄膜的立方相純度較低，殘留壓應(yīng)力高。第三種方法是在對(duì)生長(zhǎng)表面一定能量離子轟擊的同時(shí)用氟元素化學(xué)刻蝕六方相氮化硼，降低了繼續(xù)生成立方氮化硼所需的轟擊離子的能量。雖然第三種方法較好地提高了薄膜的立方相純度，降低了薄膜的殘留壓應(yīng)力，但是由于使用了氟元素，給環(huán)境帶來了污染。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種對(duì)環(huán)境溫和，低殘留壓應(yīng)力、高立方相純度的納米晶立方氮化硼薄膜的制備方法。
本發(fā)明所提供的納米晶立方氮化硼薄膜制備方法是采用把離子轟擊增強(qiáng)立方氮化硼成核生長(zhǎng)和氯元素選擇性刻蝕六方相氮化硼相結(jié)合的等離子體化學(xué)氣相生長(zhǎng)方法，具體步驟如下1)把襯底表面清洗干凈后放入到等離子體化學(xué)氣相生長(zhǎng)裝置的反應(yīng)室，反應(yīng)室的真空度至少抽到10-3Pa；2)向反應(yīng)室輸入保護(hù)氣體，加熱襯底并控制其溫度在300-1100℃范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)反應(yīng)室壓強(qiáng)到0.1-10Pa，在反應(yīng)室中產(chǎn)生等離子體；3)控制襯底偏壓在0--250V范圍內(nèi)，優(yōu)選-5--100V，然后依次向反應(yīng)室輸入氮源，氯元素源和硼源，進(jìn)行薄膜生長(zhǎng)，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。
本發(fā)明中，所說的保護(hù)氣體可以是氫氣和氦氣、氖氣、氬氣以及氪氣中的一種或幾種；所說的氮源氣體可以是氮?dú)?、氨氣和BH3·NH3中的一種或幾種；所說的氯元素源是能在等離子體中分解出氯原子的氯氣、氯化氫和BCl3氣體中的一種或幾種；硼源可以是B2H6、BCl3和BH3·NH3中的一種或幾種。
上述所有氣體的純度均高于99.99％，當(dāng)輸入的氣體為二種或二種以上時(shí)，則將反應(yīng)氣體在等離子體化學(xué)氣相生長(zhǎng)裝置的混和室充分緩沖混和后再輸入到反應(yīng)室。
本發(fā)明中，所說的襯底可以采用硅、碳化硅、玻璃或藍(lán)寶石等。
在系統(tǒng)中導(dǎo)入氯元素的理由氯元素具有足夠高的選擇性優(yōu)先刻蝕六方氮化硼的能力，可以在薄膜生長(zhǎng)表面抑制六方氮化硼的形成，提高立方氮化硼薄膜的純度，同時(shí)降低繼續(xù)生長(zhǎng)立方氮化硼所需要的轟擊離子的能量，提高立方氮化硼薄膜的純度，降低殘留壓應(yīng)力。只要在等離子體中能分解出氯原子的氣體都可以用來選擇性刻蝕六方氮化硼。
本發(fā)明的有益效果在于(1)工藝新穎，所需設(shè)備簡(jiǎn)單，原料易得，對(duì)環(huán)境溫和。
(2)因?yàn)榘央x子轟擊增強(qiáng)立方氮化硼成核生長(zhǎng)和氯元素對(duì)六方相氮化硼的選擇性化學(xué)刻蝕有機(jī)地結(jié)合在一起，立方氮化硼生長(zhǎng)所需的轟擊離子的能量得以降低，所制備的立方氮化硼薄膜的純度高、殘留壓應(yīng)力低，薄膜不剝落。
(3)所制備的納米晶立方氮化硼薄膜的晶粒尺度小于50納米，是納米結(jié)構(gòu)薄膜，表面粗糙度低、硬度高，適用于制備加工鐵基合金的刀具和磨具等，也可以用在光學(xué)元件的保護(hù)膜，高溫電子器件等領(lǐng)域。


附圖是根據(jù)本發(fā)明方法采用的等離子體化學(xué)氣相生長(zhǎng)裝置示意中，1為主電源，2為襯底加熱電源，3為電極，4為襯底固定夾，5為襯底臺(tái)，6為襯底，7為導(dǎo)氣管，8為氣體混和室，9為質(zhì)量流量計(jì)，10為各種氣體的進(jìn)氣管(a，b，c，d和e分別為進(jìn)氣口)，11為真空泵，12為襯底加熱器，13為襯底偏壓控制電源，14為反應(yīng)真空室。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1制備納米晶立方氮化硼薄膜，包括以下步驟1)將襯底(此例為硅單晶)表面清潔后置于襯底臺(tái)并用固定夾固定，用真空泵將反應(yīng)室抽真空至10-3Pa；2)向反應(yīng)室輸入保護(hù)氣體氫氣和氬氣，加熱襯底并控制其溫度在600℃，調(diào)節(jié)反應(yīng)室壓強(qiáng)到0.2Pa，在反應(yīng)室中產(chǎn)生等離子體；3)調(diào)節(jié)襯底偏壓到-80V，然后依次向反應(yīng)室輸入氮?dú)猓葰夂虰Cl3，進(jìn)行薄膜生長(zhǎng)，控制氮?dú)饬髁繛?sccm，氯氣流量在1sccm，BCl3流量在3sccm。經(jīng)過30分鐘時(shí)間沉積，在硅襯底上得到晶粒尺度在5-30納米的立方氮化硼薄膜。
實(shí)施例2制備納米晶立方氮化硼薄膜，包括以下步驟1)將襯底(此例為玻璃)表面清潔后置于襯底臺(tái)并用固定夾固定；用真空泵將反應(yīng)室抽真空至10-3Pa后；2)向反應(yīng)室輸入保護(hù)氣體氫氣和氖氣，加熱襯底并控制其溫度在500℃，調(diào)節(jié)反應(yīng)室壓強(qiáng)到2Pa，在反應(yīng)室中產(chǎn)生等離子體；3)調(diào)節(jié)襯底偏壓到-20V，然后依次向反應(yīng)室輸入氮?dú)?、氨氣和BCl3，進(jìn)行薄膜生長(zhǎng)，控制氮?dú)饬髁繛?sccm，氨氣流量在2sccm，BCl3流量在2sccm。經(jīng)過20分鐘時(shí)間沉積，在硅襯底上得到晶粒尺度在5-20納米的立方氮化硼薄膜。
實(shí)施例3制備納米晶立方氮化硼薄膜，包括以下步驟1)先將襯底(此例為硅單晶)表面清潔后置于襯底臺(tái)并用固定夾固定；用真空泵將反應(yīng)室抽真空至10-3Pa；2)向反應(yīng)室輸入保護(hù)氣體氫氣、氖氣和氬氣，加熱襯底并控制其溫度在900℃，調(diào)節(jié)反應(yīng)室壓強(qiáng)到5Pa，在反應(yīng)室中產(chǎn)生等離子體；3)調(diào)節(jié)襯底偏壓到-200V，然后依次向反應(yīng)室輸入BH3·NH3和氯化氫，進(jìn)行薄膜生長(zhǎng)，控制BH3·NH3流量為5sccm，氯化氫流量在3sccm，經(jīng)過60分鐘時(shí)間沉積，在硅襯底上得到晶粒尺度在20-50納米的立方氮化硼薄膜。
權(quán)利要求
1.納米晶立方氮化硼薄膜的制備方法，其特征是包括以下步驟1)把襯底表面清洗干凈后放入到氣相生長(zhǎng)裝置的反應(yīng)室，反應(yīng)室的真空度至少抽到10-3Pa；2)向反應(yīng)室輸入保護(hù)氣體，加熱襯底并控制其溫度在300-1100℃范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)反應(yīng)室壓強(qiáng)到0.1-10Pa，在反應(yīng)室中產(chǎn)生等離子體；3)控制襯底偏壓在0--250V范圍內(nèi)，然后依次向反應(yīng)室輸入氮源，氯元素源和硼源，進(jìn)行薄膜生長(zhǎng)，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.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米晶立方氮化硼薄膜的制備方法，其特征是所說的保護(hù)氣體是氫氣和氦氣、氖氣、氬氣以及氪氣中的一種或幾種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米晶立方氮化硼薄膜的制備方法，其特征是所說的氮源氣體是氮?dú)?、氨氣和BH3·NH3中的一種或幾種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米晶立方氮化硼薄膜的制備方法，其特征是所說的氯元素源是能在等離子體中分解出氯原子的氯氣、氯化氫和BCl3氣體中的一種或幾種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米晶立方氮化硼薄膜的制備方法，其特征是所說的硼源是B2H6、BCl3和BH3·NH3中的一種或幾種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米晶立方氮化硼薄膜的制備方法，其特征是控制襯底偏壓在-5--100范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開的納米晶立方氮化硼薄膜的制備方法，步驟如下1)把襯底表面清洗干凈放到氣相生長(zhǎng)裝置的反應(yīng)室，反應(yīng)室真空度至少抽到10
文檔編號(hào)C01B21/064GK1850589SQ20061005082
公開日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2006年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月19日
發(fā)明者楊杭生 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)