[發明專利]一種包絡高取向氮化硼納米晶的硼碳氮薄膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201810875535.1
• 申請日: 2018-08-03
• 公開（公告）號: CN109161844B
• 公開（公告）日: 2020-09-29
• 發明（設計）人: 殷紅;李宇婧;高偉;張譽元;何月;孫曉燕
• 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

本發明的一種包絡高取向氮化硼納米晶的硼碳氮薄膜及其制備方法，屬于薄膜材料及其制備的技術領域。硼碳氮薄膜為在硅基底上生長的包含氮化硼納米晶的不定形結構。制備方法是以含碳氮化硼靶材，在射頻磁控濺射裝置的沉積室內制備；其中基底溫度為室溫～600℃，工作氣體為氬氣和氮氣，流量分別為50sccm和0～50sccm，工作氣壓為1～3Pa。調節工藝參數可使薄膜中的氮化硼納米晶的取向實現有序可控生長，制得的硼碳氮薄膜膜光學帶隙約在2.7～4.5eV之間，具有良好可調的光學特性。本發明具有工藝簡單安全、技術成熟、濺射速率快、沉積薄膜均勻、尺寸可控等優點，適宜工業大批量生產推廣。

技術領域

本發明屬于薄膜材料及其制備的技術領域，具體涉及了一種包絡取向氮化硼納米晶的硼碳氮薄膜及其氮化硼納米晶取向可控的薄膜制備方法。

背景技術

硼碳氮材料因其兼具碳材料和氮化硼材料的高硬度、耐磨性、低摩擦系數、低介電常數、熱穩定性和化學穩定性等優異性質得到廣泛關注，除了可用作硬質保護涂層外，通過調節其成分和化學鍵含量可實現帶隙可調，這對于其在半導體器件、發光材料、傳感器、光能轉換材料、場效應晶體管、電磁存儲、真空微電子等方面的應用具有重要價值。

目前，硼碳氮薄膜的常見制備方法有熱燈絲輔助化學氣相沉積、冷壁化學氣相沉積、等離子體輔助化學氣相沉積、脈沖激光沉積、離子束輔助沉積、反應共濺射、磁控濺射等。不同制備方法得到的硼碳氮薄膜各異，大部分為非晶結構，部分薄膜中存在相分離，且薄膜的穩定性不佳。以往的研究多通過對靶源、前驅氣體及其他生長參數的控制來調節薄膜各元素含量及化學鍵，而在薄膜生長理論、實際應用的研究方面仍然不成熟。

本發明在調節薄膜成分的同時，對薄膜內含有的氮化硼納米晶的生長模式進行了系統的研究，不但能夠誘導氮化硼納米晶的高取向可控生長，并且能夠調控所得硼碳氮薄膜的光學性能，對于探索硼碳氮薄膜的生長機理、成膜各原子間的反應，及其在光電、半導體等領域內的應用提供了有益參考。

此外，本發明采用的射頻磁控濺射方法是工業上常見的制備手段，通過改變工藝參數來控制硼碳氮薄膜中氮化硼納米晶的結構和生長,相比其他方法，具有工藝簡單安全、技術成熟、濺射速率快、沉積薄膜均勻、尺寸可控等優點。

發明內容

本發明的要解決的技術問題是克服現有技術對薄膜可控生長研究中的不足，提供一種包絡取向可控的氮化硼納米晶的硼碳氮薄膜的制備方法，通過改變工藝參數，控制薄膜中氮化硼納米晶的高取向有序生長，從而得到光學帶隙較大范圍可調的硼碳氮薄膜。

為實現上述目的，本發明采取如下技術方案。

一種包絡高取向氮化硼納米晶的硼碳氮薄膜，其特征是，在硅基底上生長的不定形結構的非晶硼碳氮膜，硼碳氮薄膜內包含有氮化硼納米晶，納米晶晶粒尺寸為3～6納米；所述的氮化硼納米晶包含六角氮化硼納米晶和立方氮化硼納米晶，其中六角氮化硼納米晶的c軸方向趨于一致。

所述的包絡高取向氮化硼納米晶的硼碳氮薄膜，光學帶隙約在2.7～4.5eV。

上述的硼碳氮薄膜制備的技術方案如下。

一種包絡高取向氮化硼納米晶的硼碳氮薄膜的制備方法，以碳粉和氮化硼粉混合壓塊為靶材，在射頻磁控濺射裝置的沉積室內制備包絡氮化硼納米晶的硼碳氮薄膜；具體步驟如下：

(1)以按(100)晶面切好的硅單晶片為基底，將基底依次在丙酮、乙醇、去離子水中超聲清洗，用氮氣吹干后送入沉積室，抽真空至沉積室真空度為3×10^-5Pa，加熱基底至溫度為室溫～600℃；

(2)繼續抽真空，待沉積室的背底真空度再次達到3×10^-5Pa時，通入反應工作氣體氬氣和氮氣至工作氣壓為1～3Pa。其中，氬氣流量為50sccm，氮氣流量為0～50sccm；