[發明專利]一種微波等離子體化學氣相沉積系統制備六方氮化硼薄膜的方法

在審

• 申請號: 202310296125.2
• 申請日: 2023-03-24
• 公開（公告）號: CN116356280A
• 公開（公告）日: 2023-06-30
• 發明（設計）人: 顧書林;段晶晶;滕妍;趙偉康;劉松民;黃穎蒙;楊凱;朱順明;湯琨;葉建東
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: C23C16/34
• 分類號: C23C16/34;C23C16/511
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳建和

一種微波等離子體化學氣相沉積系統制備六方氮化硼薄膜的方法，基于微波等離子體化學氣相沉積系統，1)襯底選擇及清洗；2)將襯底放置于反應室鉬托中，置于微波等離子體化學氣相沉積系統，抽真空至7.5×10supgt;?4/supgt;Pa以下；3)起輝及襯底預處理，對襯底進行5?15min的等離子體清洗；4)沉積六方氮化硼薄膜：通入硼、氮氣體反應源，其中硼元素反應源為被氫氣或氬氣稀釋的乙硼烷，稀釋比例為1％，流量為5?15sccm，氮元素反應源為高純氮氣，流量為5?15sccm，反應溫度為750?850℃，沉積時間為30?90min。本發明工藝簡單，成本低，可控性好，無需催化劑，可制備大尺寸六方氮化硼薄膜。

技術領域

本發明涉及六方氮化硼薄膜制備領域，具體為一種微波等離子體化學氣相沉積系統制備六方氮化硼的方法。

背景技術

氮化硼是一種Ⅲ-Ⅴ族化合物，主要存在六方氮化硼(h-BN)、立方氮化硼(c-BN)、鉛鋅礦結構氮化硼(w-BN)和三方氮化硼(r-BN)四種同分異構體。六方氮化硼在幾種晶體結構中最穩定，可穩定存在于常溫常壓下。六方氮化硼由B原子和N原子sp2雜化交替形成，結構與石墨烯相似，也被稱為“白石墨烯”。雖然六方氮化硼的晶體結構與石墨烯十分相似，但性質卻大有不同。六方氮化硼的禁帶寬度為5.9eV-6.5eV，在室溫下表現為絕緣體，電阻率表現出各向異性，具有高熱導率和高彈性模量，以及優異的化學惰性。除了優異的物理性質以外，六方氮化硼在可見光區域具有優良的透過性，對深紫區域具有強的吸收性，六方氮化硼作為優異的介電材料在光電材料、微電子器件等方面都有極高的潛在應用價值，可應用于防護層、MIS結構中的絕緣層、深紫外探測器，是高頻、高功率、高密度集成的理想電子器件材料。

六方氮化硼具有多種應用場景，但制備出高純度、高結晶質量以及大尺寸的單晶及薄膜依舊是現存的主要問題。目前六方氮化硼的制備方法主要有：機械剝離法、液相剝離法、物理氣相沉積(PVD)以及化學氣相沉積(CVD)，不同的制備方法對六方氮化硼的形貌、結構、性質以及應用中的性能也會產生不同的影響。自2004年Novoselov和Geim利用Scotch膠帶法成功將二維石墨烯從石墨中分離出來，這項技術也被應用在六方氮化硼上，通過機械剝離法從氮化硼塊體上便捷獲取單層或少層氮化硼，可較好保留被剝離材料的基本物理性質，但缺點是面積小，重復性差且成本高，只適用于基礎研究，這些弊端也大大限制了機械剝離法的實際應用。液相剝離法是將氮化硼塊體放入某些溶劑里，通過超聲輔助克服氮化硼層間的范德華力，從而得到層狀氮化硼，但受限于溶劑的選擇，可能對被剝離材料造成污染，可控性差且尺寸較小。物理氣相沉積法是在高真空的腔體環境下，將高純的六方氮化硼蒸發，同時以離子束轟擊襯底表面從而合成六方氮化硼薄膜，此法制備的六方氮化硼薄膜純度高，致密性好，但缺點是成本高，生長速率低。化學氣相沉積法主要通過分解硼、氮氣體反應源，通過一些輔助技術例如射頻等離子體、離子束等來促進反應，從而在襯底上生長六方氮化硼薄膜，此法成本較低，容易制備大面積薄膜，可調控性強，但通常反應氣體存在危險性。

微波等離子體氣相沉積也是制備高質量金剛石膜的首選方法,但目前N型金剛石仍是研究難點，氮化硼同樣作為寬禁帶半導體，可通過Si、C、Be等元素實現N、P型摻雜，N型氮化硼可與P型金剛石形成異質結，兩者晶格較為匹配，且乙硼烷為P型金剛石的摻雜源，這使得該結構可在一個系統中形成，系統反應物簡單，且操作方便。除此以外，未摻雜的氮化硼在室溫下表現為絕緣體，可作為金剛石MIS器件中的介質層，結合金剛石在高溫高頻高功率半導體器件領域中具有很大的潛力。

CN2020108541627一種六方氮化硼薄膜生長方法及六方氮化硼薄膜生長方法，在襯底上形成石墨烯層，對所述石墨烯層進行刻蝕處理，形成具有圖案化石墨烯襯底，在所述圖案化石墨烯襯底上外延生長六方氮化硼薄膜，由于石墨烯與六方氮化硼晶格結構相近的優點，利用石墨烯作為六方氮化硼薄膜生長的襯底可以有效地降低薄膜中的殘余應力。