[發明專利]從硼膜制備立方氮化硼薄膜的方法

無效

• 申請號: 200910088909.6
• 申請日: 2009-07-13
• 公開（公告）號: CN101597759A
• 公開（公告）日: 2009-12-09
• 發明（設計）人: 鄧金祥;郭清秀;楊冰;趙衛平
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: C23C28/04
• 分類號: C23C28/04;C30B29/38;C01B21/064
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司
• 代理人: 劉 萍

技術領域

本發明涉及從硼膜制備立方氮化硼薄膜的方法。屬于寬帶隙半導體或者超硬材料薄膜制備領域。

背景技術

氮化硼(BN)是一種新型寬帶隙半導體材料。在氮化硼系統中，六方氮化硼(h-BN)和立方氮化硼(c-BN)是兩個穩定的主相。其中尤以立方氮化硼具有出眾的物理、化學，機械性能。因此，有關它的材料制備與特性研究，以及工業化、器件化的探索近年來一直是各國科研工作者，以及諸如美國G.E、IBM，英國DeBeers等知名半導體公司普遍關注的研究課題。

立方氮化硼的硬度、熱導率僅次于金剛石；并且其抗化學腐蝕性和抗高溫氧化性明顯優于金剛石，尤其是它不像金剛石那樣與鐵族元素有親合性，更適合鐵族金屬材料加工；當今，立方氮化硼的實用化主要集中利用它的機械與力學性能，廣泛應用于磨具、刀具、工具的超硬涂層，精密窗口保護涂層，機床，航天，軍工等領域。另外，立方氮化硼具有現知最寬的禁帶(顆粒E_g≈6.4eV；薄膜E_g≈6.0eV)，因此可以在很寬的光譜范圍內有很高的光透過率。它還可實現n型與p型摻雜，因此立方氮化硼可以制備在特種環境下透明、高溫、高頻、大功率、抗輻射短波光電子器件。

立方氮化硼自然界中并不存在，需要人工合成。1957年，美國G.E公司的Wentorf用高溫高壓法(HTHP)首次合成了立方氮化硼粉末。然而，高溫高壓法設備要求苛刻，且只能制備立方氮化硼顆粒，顆粒尺度小(最大到mm量級)，使工業化應用受到極大的限制。一種半導體、超硬材料要實現更廣泛的用途以及器件化、微型化就必須實現它的薄膜化。在1979年，Sokolowski首次報道使用低壓氣相沉積合成了更具應用前景的立方氮化硼薄膜。三十年來，各國研究者通過多種物理、化學氣相直接沉積實現了立方氮化硼薄膜的實驗室制備，但一直在探索一種高立方含量氮化硼薄膜便利的、低成本、可工業化的制備方法。

普遍認為立方氮化硼薄膜的氣相沉積需要經歷成核與生長兩個階段，且成核階段起決定作用。然而，成核階段的參數窗口極其狹窄，同時需要設置襯底負片壓裝置，產生能量離子對薄膜表面的轟擊，并且對于不同的制備方法與實驗設備差異性很大。這會產生許多不利于立方氮化硼薄膜實用化的因素，諸如氣相沉積直接制備高立方相含量氮化硼薄膜工藝控制困難；制備重復性差等問題。這些因素使得立方氮化硼薄膜成為氮化硼中最難直接制備的材料，始終制約著立方氮化硼薄膜從實驗室走向工業化的進程。

發明內容

為了解決這些問題，我們首次發明并實現了通過硼膜在特定溫度下和氮氣反應的方法，制得高質量的立方氮化硼薄膜。本方法在國內外尚未見報道。

本發明涉及一種制備立方氮化硼薄膜的方法。第一步先在所選襯底上制備一層硼薄膜；第二步再對硼薄膜在特定溫度下和氮氣反應，使硼薄膜變為高質量的立方相氮化硼薄膜。

本發明的目的可通過如下技術流程實現：

第一步：將襯底進行清洗之后，在襯底材料上沉積一層硼薄膜；

第二步：硼薄膜在氮氣氣氛中進行加熱，使薄硼膜和氮氣反應，生成立方相氮化硼薄膜，加熱溫度為850～1100℃；反應時間為30～150分鐘。

硼薄膜的制備屬于現有技術，請參見：(①K.Kamimura，T.Yoshimura，T.Nagaoka，M.Nakao，Y.Onuma，and?M.Makimura，“Preparation?andThermoelectric?Property?of?Boron?Thin?Film”，Journal?of?Solid?State?Chemistry，154(2000)153-156和②S.Ozawa，M.Hamagaki，“Preparation?ofself-supporting?boron?films?by?sputtering?with?electron?beam?excited?plasma”，Vacuum，74(2004)417-421)。

本發明制備的立方氮化硼薄膜中立方相含量(立方相的體積分數)大于90％。采用普遍使用的傅立葉紅外透射光譜(FTIR)(光譜儀型號為：WQF-310)來測定BN薄膜中的立方相含量。

具體實施方式

用以下實例來進一步介紹本發明。

實例一