[发明专利]石墨衬底上生长氮化硼膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于使用物理气相沉积方法(PVD)制备功能膜材料的技术领域。特别涉及利用石墨为衬底材料，通过改变磁控溅射方法的射频功率在其表面生长立方氮化硼(cBN)，Explosion氮化硼(eBN)及他们的混合相的方法。

背景技术

氮化硼(BN)是III-V族半导体材料，氮化硼具有六角相(hBN)、立方相(cBN)、六方相(wBN)等不同结构。cBN是一种人工合成材料，至今在自然界中没有找到原生矿，具有高硬度、高热导率、高电阻率，抗高温氧化性，良好的化学稳定性，全光谱范围的透过性，在超硬切削工具(特别是加工铁基材料)，宽禁带半导体光电器件等方面有着明显的优势，另外它还是极好的冷阴极电子场发射材料。

cBN除了可以用高温高压方法合成外，还可以用物理及化学气相沉积的方法获得。在以往所报道的立方氮化硼薄膜制备方法中，通常所用衬底材料为硅。由于衬底材料与cBN薄膜材料晶格常数间的失配大，妨碍了高质量的cBN膜的生长和应用。用金刚石等与cBN薄膜材料晶格常数非常接近的材料做衬底，虽然能生长出高质量的cBN薄膜，但需要高的衬底温度和适当的衬底偏压。如何选择衬底材料，在低温制备出高质量cBN厚膜材料，是使cBN成为适合微电子应用的相关材料，拓宽应用领域的关键。

e氮化硼(通常表示为eBN，其中e即是Explosion)是近年来发现的一种的BN新相，命名源于它是人们最先使用用hBN和无定形氮化硼作原料并在爆炸产生的冲击波作用下合成出的氮化硼材料。eBN材料的研究受到人们的重视，虽然可以利用PVD和CVD沉积都可以获得eBN，但所报道的基本都是在生长cBN过程中的过渡相，没有发现有文献报道过高质量eBN膜的制备，到目前为止对它的性质研究仍很有限。

和本发明接近的方法是在高温条件下，利用脉冲激光沉积方法在石墨衬底上沉积BN薄膜(Diamond and Related Materials.5(1996)525)，工艺过程较繁，生长条件要求较高，比如沉积温度需在500℃以上；利用射频磁控沉积方法在含有无定形碳(ta-C)过渡层的硅片上，高温生长高质量的cBN薄膜(J.Phys.Chem.B.109(2005)16272.)。但是尚没有本发明所涉及的磁控溅射方法在石墨衬底上生长高质量的cBN和eBN膜的方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，使用磁控溅射方法，以石墨为衬底，以hBN为靶材料，在Ar和N₂气氛下，通过改变射频功率，分别制备出高质量的cBN和eBN膜，提供一种简易的低成本制备高质量BN膜的有效途径。

本发明的具体技术方案分制备cBN膜、eBN膜叙述，除了调节射频功率不同外，其他技术特征是相同的。此外，当射频功率的调节范围在制备cBN和eBN膜之间时，可以制得cBN和eBN的混合相的膜。

本发明所提出的具体的制备cBN膜的工艺过程如下所述：

一种石墨衬底上生长氮化硼膜的方法，有石墨衬底的清洁处理和磁控溅射沉积的工艺过程；

所述的石墨衬底的清洁处理，是将石墨衬底生长面机械抛光；用去离子水冲洗后分别浸入丙酮和乙醇溶液中各超声清洗10～20分钟，再用去离子水超声清洗15～20分钟，重复上述清洗2～3次烘干；

所述的磁控溅射沉积过程：将石墨衬底的生长面向上置于射频磁控溅射沉积设备的衬底台上，以六角氮化硼(hBN)作为溅射靶材；真空室被预抽真空再通入质量比为1∶5.5～6.5的氩气和氮气的混合气体，保持真空室气压为1.3～2Pa，调节射频功率为150～180W，衬底负偏压为0～120V，沉积时间为30～360分钟，在石墨衬底上生长立方氮化硼(cBN)膜。生长速度一般在0.5～0.8μm/小时。

上述的预抽真空，可以将真空室抽真空至2×10^-3Pa或更低；所述的六角氮化硼，纯度99.8％或更高；所述的氩气和氮气，纯度最好是99.999％。在磁控溅射沉积过程中不必对衬底加热，也可以不对衬底施加负偏压。

本发明的具体的制备eBN膜的工艺过程如下所述：

一种石墨衬底上生长氮化硼膜的方法，有石墨衬底的清洁处理和磁控溅射沉积的工艺过程；

所述的石墨衬底的清洁处理，是将石墨衬底生长面机械抛光；用去离子水冲洗后分别浸入丙酮和乙醇溶液中各超声清洗10～20分钟，再用去离子水超声清洗15～20分钟，重复上述清洗2～3次烘干；