CN102212788A

CN102212788A - 一种含纳米银颗粒的氮化硼薄膜的制备方法

Info

Publication number: CN102212788A
Application number: CN 201110154987
Authority: CN
Inventors: 邓金祥; 满超
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2011-10-12

Abstract

一种含纳米银颗粒的氮化硼薄膜的制备方法，属于纳米金属颗粒与宽带隙半导体材料复合材料领域。本发明步骤如下：第一步：将硅或者石英衬底进行清洗之后，在衬底材料上使用溅射方法沉积纳米银颗粒，沉积时间5s～10s范围，功率40～80W；工作气体为Ar气体，工作气压小于1Pa，抽真空；在第一步的基础上以溅射的方法沉积六方氮化硼薄膜，功率100～200W，时间10～40mins；工作气体为Ar/N₂体积比为2∶3的混合气体，工作气压为1Pa，抽真空；对含有纳米银颗粒的六方氮化硼薄膜进行氮气保护退火；退火温度为500～900℃；恒温20～60分钟。本发明实现了宽带隙半导体材料的红外光谱增强。

Description

一种含纳米银颗粒的氮化硼薄膜的制备方法

技术领域

一种制备含纳米银颗粒的氮化硼薄膜的制备方法，是含纳米银颗粒的氮化硼薄膜的一种气相沉积制备方法。属于纳米金属颗粒与宽带隙半导体材料复合材料领域，实现了宽带隙半导体材料的红外光谱增强。

背景技术

氮化硼(BN)是一种新型宽带隙半导体材料。在氮化硼系统中，六方氮化硼(h-BN)和立方氮化硼(c-BN)是两个稳定的主相。其中尤以立方氮化硼具有出众的物理、化学，机械性能。因此，有关它的材料制备与特性研究，以及工业化、器件化的探索近年来一直是各国科研工作者，以及诸如美国G.E、IBM，英国DeBeers等知名半导体公司普遍关注的研究课题。

立方氮化硼的硬度、热导率仅次于金刚石；并且其抗化学腐蚀性和抗高温氧化性明显优于金刚石，尤其是它不像金刚石那样与铁族元素有亲合性，更适合铁族金属材料加工；当今，立方氮化硼的实用化主要集中利用它的机械与力学性能，广泛应用于磨具、刀具、工具的超硬涂层，精密窗口保护涂层，机床，航天，军工等领域。另外，立方氮化硼具有现知最宽的禁带(颗粒E_g≈6.4eV；薄膜E_g≈6.0eV)，因此可以在很宽的光谱范围内有很高的光透过率。它还可实现n型与p型掺杂，因此立方氮化硼可以制备在特种环境下透明、高温、高频、大功率、抗辐射短波光电子器件。

立方氮化硼自然界中并不存在，需要人工合成。1957年，美国G.E公司的Wentorf用高温高压法(HTHP)首次合成了立方氮化硼粉末。然而，高温高压法设备要求苛刻，且只能制备立方氮化硼颗粒，颗粒尺度小(最大到mm量级)，使工业化应用受到极大的限制。一种半导体、超硬材料要实现更广泛的用途以及器件化、微型化就必须实现它的薄膜化。在1979年，Sokolowski首次报道使用低压气相沉积合成了更具应用前景的立方氮化硼薄膜。近三十年来，各国研究者通过多种物理、化学气相直接沉积实现了立方氮化硼薄膜的实验室制备，但人们对于立方氮化硼薄膜的生长机理尚无统一的认识。

。本发明利用气相沉积的方法获得含纳米银颗粒的氮化硼薄膜，实现了宽带隙半导体氮化硼薄膜材料的红外光谱增强，用于宽带隙半导体氮化硼光电子器件。关于本发明以气相沉积制备含纳米银颗粒的氮化硼薄膜的方法在国内外尚未见报道。

发明内容

本发明涉及一种制备含纳米银颗粒的氮化硼薄膜的制备方法，实现了宽带隙半导体材料的红外光谱增强。第一步先通过溅射方法、在经过常规清洗的衬底上获得分立且分布均匀的纳米银颗粒。第二步在第一步的基础上以溅射的方法沉积六方氮化硼薄膜。第三步再对六方氮化硼薄膜进行特定的氮气保护退火，使薄膜中的六方相氮化硼相变为立方相氮化硼。最终获得含纳米银颗粒的立方氮化硼薄膜，红外光谱测量结果表明含纳米银颗粒的立方氮化硼薄膜红外光谱强度增强了高达148％。

本发明的目的可通过如下技术流程实现：

第一步：将硅或者石英衬底进行清洗之后，在衬底材料上使用溅射方法沉积分立且分布均匀纳米银颗粒。

所述的衬底材料要求常温加热到900℃不会发生软化变形。这层纳米银颗粒膜的厚度可根据不同沉积功率和沉积时间控制，沉积时间5s～10s范围，功

率40～80W。工作气体为Ar气体，工作气压小于1Pa，抽真空。

第二步：在第一步的基础上以溅射的方法沉积六方氮化硼薄膜，膜的厚度可根据不同的沉积功率和沉积时间控制。功率100～200W，时间10～40mins。工作气体为Ar/N₂体积比为2∶3的混合气体，工作气压为1Pa，抽真空。

第三步：对含有纳米银颗粒的六方氮化硼薄膜进行氮气保护退火。退火温度为500～900℃；恒温20～60分钟。

目的是：使薄膜中的六方氮化硼逐渐向最稳定的立方氮化硼相变；减小结构缺陷，提高薄膜质量；释放薄膜应力，获得含纳米银颗粒的立方氮化硼薄膜。

用气相沉积的方法获得了含有银纳米颗粒的立方氮化硼薄膜，选择合适的溅射功率和溅射时间，获得粒径合适分布均匀但不粘连的银纳米颗粒，进而获得含银纳米颗粒的立方氮化硼薄膜，实现了宽带隙半导体材料的红外光谱增强，用于宽带隙半导体立方氮化硼光电子器件。

本发明制备的含纳米银颗粒的立方氮化硼薄膜采用普遍使用的傅立叶红外透射光谱(FTIR)(光谱仪型号为：WQF-310)来测定吸收峰的强度。

具体实施方式

用以下实例来进一步介绍本发明。

实例一

步骤一：所用溅射系统为射频(13.56Hz)多靶磁控溅射系统。制备纳米银颗粒膜采用Ag(99.99％)靶。本实例采用半导体行业最常用的单晶抛光硅片作为衬底(譬如：n型，电阻率2～4Ωcm，厚度为0.3～0.5mm)。在沉积之前，衬底分别经过甲苯、丙酮、乙醇，20％氢氟酸溶液(氢氟酸与去离子水体积比为1∶4混合)和去离子水超声清洗。本实例纳米银颗粒膜的具体生长工艺参数列于表1中

表1

步骤二：在步骤一完成后，即刻将样品转至氮化硼靶位，制备六方氮化硼薄膜。溅射靶采用高纯六方氮化硼(99.99％)热压靶。本实例六方氮化硼薄膜具体生长工艺参数列于表2中。

表2

步骤三：将含纳米银颗粒的六方氮化硼薄膜进行氮气保护退火。退火炉通入氮气，气流稳定后，开始升温，在温度850℃保温60分钟后，自然降温到室温，全程持续通入氮气。所得含纳米银颗粒立方氮化硼薄膜的红外峰增强72％。

实例二

步骤一：所用溅射系统为射频(13.56Hz)多靶磁控溅射系统。制备纳米银颗粒膜采用Ag(99.99％)靶。本实例采用抛光石英衬底。在沉积之前，衬底分别经过甲苯、丙酮、乙醇和去离子水超声清洗。本实例纳米银颗粒膜的具体生长工艺参数列于表3中

表3

步骤二：在步骤一完成后，即刻将样品转至氮化硼靶位，制备六方氮化硼薄膜。溅射靶采用高纯六方氮化硼(99.99％)热压靶。本实例六方氮化硼薄膜具体生长工艺参数列于表4中。

表4

步骤三：将含纳米银颗粒的六方氮化硼薄膜进行氮气保护退火。退火炉通入氮气，气流稳定后，开始升温，在温度900℃保温20分钟后，自然降温到室温，全程持续通入氮气。所得含纳米银颗粒立方氮化硼薄膜的红外峰增强148％。

实例三

步骤一：所用溅射系统为射频(13.56Hz)多靶磁控溅射系统。制备纳米银颗粒膜采用Ag(99.99％)靶。本实例采用抛光石英衬底。在沉积之前，衬底分别经过甲苯、丙酮、乙醇和去离子水超声清洗。本实例纳米银颗粒膜的具体生长工艺参数列于表5中

表5

步骤二：在步骤一完成后，即刻将样品转至氮化硼靶位，制备六方氮化硼薄膜。溅射靶采用高纯六方氮化硼(99.99％)热压靶。本实例六方氮化硼薄膜具体生长工艺参数列于表6中。

表6

步骤三：将含纳米银颗粒的六方氮化硼薄膜进行氮气保护退火。退火炉通入氮气，气流稳定后，开始升温，在温度500℃保温30分钟后，自然降温到室温，全程持续通入氮气。所得含纳米银颗粒立方氮化硼薄膜的红外峰增强76％。

Claims

1.一种含纳米银颗粒的氮化硼薄膜的制备方法，其特征在于步骤如下：

第一步：将硅或者石英衬底进行清洗之后，在衬底材料上使用溅射方法沉积纳米银颗粒，沉积时间5s～10s范围，功率40～80W；工作气体为Ar气体，工作气压小于1Pa，抽真空；

第二步：在第一步的基础上以溅射的方法沉积六方氮化硼薄膜，功率100～200W，时间10～40mins；工作气体为Ar/N₂体积比为2∶3的混合气体，工作气压为1Pa，抽真空；

第三步：对含有纳米银颗粒的六方氮化硼薄膜进行氮气保护退火；退火温度为500～900℃；恒温20～60分钟。