[發明專利]一種磁控濺射制備立方氮化硼厚膜的方法

有效

• 申請號: 201610027359.7
• 申請日: 2016-01-15
• 公開（公告）號: CN105568220B
• 公開（公告）日: 2018-01-02
• 發明（設計）人: 殷紅;趙艷;高偉;李英愛;李紅東
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/35
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司22201
• 代理人: 王恩遠

技術領域

本發明屬于超硬材料及其制備的技術領域。特別涉及磁控濺射手段制備立方氮化硼(c-BN)厚膜的技術領域。在傳統的氮氣、氬氣混合工作氣體中引入適量氫氣，通過控制不同氫氣氣體流量比、襯底溫度和襯底負偏壓，在沒有金屬、合金化合物、碳化硼和金剛石等過渡層的情況下，直接在硅襯底上獲得立方相含量超過75％的c-BN厚膜的方法。

技術背景

c-BN是一種具有閃鋅礦結構的超硬材料，與金剛石類似，具有良好的物理和化學性質，尤其是在高溫下超強的抗氧化能力與化學穩定性，不與鐵族金屬發生反應，可廣泛勝任包括鐵族金屬材料在內的幾乎任何材料的機械加工、切削工具和磨具。除了優異的機械性能，c-BN是寬禁帶半導體，易于實現n型和p型摻雜，具有負電子親和勢。因此，c-BN在高溫、高頻、大功率電子器件以及高速、高效、高精密切削加工等方面均有著很大的應用潛力。

目前工業上的應用普遍以聚晶立方氮化硼(polycrystalline cubic boron nitride,PCBN)為主。PCBN的制作中使用的粘接劑會大大降低c-BN的性能。因此直接在刀具、磨具等襯底工具上沉積高立方相含量的BN厚膜對于現代制造業意義非凡。眾所周知，立方相成核的關鍵是成膜過程中載荷能量粒子持續的轟擊薄膜的表面，造成濺射沉積的薄膜殘余應力都很大，容易爆裂，導致薄膜的厚度一般不會超過200nm。目前的制備手段雖然已能通過包括化學氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)在內的多種手段獲得高立方相的c-BN膜，然而要想獲得質量較好的、穩定的厚膜仍然有一定的技術難度。磁控濺射法可以避免CVD法中使用的有毒工作氣體，降低樣品中引入的非故意雜質，并且造價低廉、操控簡單、濺射率高、性能穩定等優點，是工業鍍膜的首選方案。有少數利用磁控濺射方法合成出厚度1μm左右的c-BN膜，則是通過在反應氣體中加入適量氧氣，且采用了金屬、合金化合物或碳化硼等涂層先行作為過渡層再沉積c-BN膜。

與本發明最接近的現有技術是文獻Surface&Coatings Technology 380-383 534(2013)。文獻報道了采用非平衡磁控濺射法，在氬氣和氮氣混合氣中通入大量氫氣(含量超過25％以上)，以納米金剛石為過渡層在硅襯底上制備了立方相含量僅為60％的c-BN膜，其最大厚度為2μm，使得c-BN膜的許多優異性能得不到很好的發揮。并且，鑒于目前半導體工藝均是以硅基為主，直接沉積在硅襯底上可以令c-BN更好地集成到現在的工藝領域里。使用金剛石襯底來生長c-BN膜在實際應用上會有一定的局限性，同時也會大幅度地提高成本造價。因此，硅襯底上直接沉積c-BN膜將會是更好的選擇。

發明內容

本發明要解決的技術問題是，采用兩步沉積法，利用工業上常用的射頻磁控濺射手段，在氮氣和氬氣混合氣中引入適量氫氣，直接在硅襯底上，無其他過渡層的條件下生長c-BN厚膜，使其在工業涂層上得到應用。

本發明通過射頻磁控濺射法，保持射頻功率(亦即濺射功率)、工作氣壓和氮氣/氬氣比不變的情況下，改變氫氣氣體流量、襯底負偏壓和襯底溫度，確定BN的生長相圖，得到高立方相含量的最佳生長窗口。同時研究氫氣氣體流量、襯底負偏壓和襯底溫度對高立方相c-BN膜的沉積速率的影響。結合兩者，在硅襯底上直接得到超過4μm的立方相含量在95％以上的c-BN厚膜。

本發明的具體技術方案是：

一種磁控濺射制備c-BN厚膜的方法，以硅片為襯底，以六角氮化硼(h-BN)或單質硼靶為濺射靶材，先將襯底清洗干凈；將清洗好的硅片放在磁控濺射真空室的樣品臺上，靶基間距為4～5cm，射頻功率50～100W；其特征在于，采用兩步沉積法制備c-BN厚膜；

第一步沉積是將真空室的背底真空抽至1.0×10^-3Pa以上，引入Ar/N₂混合氣體達到工作氣壓2.0Pa，N₂/Ar質量流量比為1∶2～6；在襯底溫度300～500℃、襯底負偏壓150V下開始濺射第一層氮化硼膜，生長時間1～2h；

第二步沉積是在第一步沉積基礎上通入適量H₂，以質量流量計控制H₂用量為氣體總流量的4％～15％，保持襯底溫度至300～500℃、調節襯底負偏壓為0～150V，開始濺射第二層氮化硼膜，生長時間為2～15h。