CN105568253B - 一种等离子体化学气相沉积设备生长六方氮化硼的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于六方氮化硼制备技术领域，具体为一种等离子体化学气相沉积设备生长六方氮化硼的方法。本发明通过加热硼氮源，基底材料放入等离子体化学气相沉积系统中的生长区域，抽真空到10‑3Torr，通入惰性气体，基底升温到300‑700℃；控制混合气体的气压不超过1.5Torr；当温度升高到生长温度时，开等离子体电源，功率在20‑100瓦之间，使硼氮源离化裂解，活性基团在等离子体的作用下发生反应，在边缘连接，在基底表面，按照成核‑长大的方式，生成六方氮化硼薄膜，反应时间在10‑60分钟之间。本发明方法反应温度低（300℃‑700℃）；整个过程没有催化剂，不需要后续催化剂的处理，避免了后期材料转移造成的破坏和污染。

Description

一种等离子体化学气相沉积设备生长六方氮化硼的方法
技术领域
本发明属于六方氮化硼制备技术领域，具体涉及等离子体化学气相沉积设备制备六方氮化硼的方法。
背景技术
自2004年Geim等通过机械剥离的方法得到石墨烯之后，其他类似石墨烯的二维材料，由于其特殊的一些物理和化学性质，引起科学界的广泛关注和大量的研究报道。六方氮化硼就是其中的一种类石墨烯材料，它是一种宽带隙的绝缘体，晶格结构和石墨烯相近，它是由氮原子和硼原子按照sp2杂化构成六方点阵蜂窝状二维结构，具有极高的晶体。作为一种严格的二维晶体材料，六方氮化硼具有良好的机械强度、电绝缘性、导热性、化学稳定性，因此，氮化硼在作为保护层、深紫外发射器、以及介电层方面有广泛的应用。
类似机械剥离得到石墨烯的方法，通过机械剥离的方法也可以从氮化硼块体上剥离得到单层的氮化硼，这种方法得到的氮化硼面积小、成本高、仅可用于基础研究，不适用于器件的集成，限制了它的应用。因此，高质量、大面积氮化硼的可控制备是研究的重要问题。在高质量、大面积氮化硼的制备方面，目前主要有以下几种生长方法：一、化学气相沉积法（CVD）。这种方法是利用在基片表面沉积一层几十纳米厚的具有催化性能的多晶金属薄膜（例如：Ni, Cu等），然后利用热催化分解含有硼和氮元素的前驱体（如：硼烷氨等）来在金属薄膜的表面生长氮化硼。此种方法需要很高的温度，给实际工业生产带来很多问题，另一方面，制备的六方氮化硼也不均匀，大部分为单层，也有相当一部分是两层或三层的氮化硼。二、溶剂热法。此种方法是在高压釜里，采用水（或有机溶剂）作为反应介质，通过对高压釜加热，创造一个高温、高压反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解并反应生成新的晶体。这种方法的缺点是通常合成的六方氮化硼多相共存，而且掺有无法分离的杂质。三、物理气相沉积法。此种方法是在高真空环境下，将高纯六方氮化硼蒸发，同时辅以氮气或氩气离子轰击衬底表面而在衬底表面沉积出六方氮化硼薄膜，主要包括有蒸发法和溅射法。此种方法的特点是薄膜结构均匀单一、纯度高，但是设备复杂、成本高、生长速率低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生产成本低、生长速率高、产品质量好的制备六方氮化硼的方法。
本发明提供的制备六方氮化硼的方法，使用等离子体化学气相沉积（PECVD）设备，其主要包括前驱体加热部分的小炉体、电感耦合系统的线圈（等离子体产生）、生长管式炉以及真空泵部分。制备的具体步骤如下：
（1）清洗基底：
选择合适尺寸的衬底，使用丙酮、甲醇、去离子水清洗，去除衬底表面的杂质和有机物；
（2）沉积六方氮化硼薄膜
把基底放入等离子体化学气相沉积设备腔体中的生长区域，抽真空到10-3Torr，通入惰性气体，基底升温到300-700℃ ，控制惰性气体的气压不超过1.5Torr（一般为0.5-1.5Torr）。当温度升高到生长温度时，通入硼氮反应源，开等离子体电源，功率在20-100瓦之间，使硼氮反应源离化裂解，这些活性基团在等离子体的作用下发生反应，在边缘连接，在基底表面，按照成核-长大的方式，生成六方氮化硼薄膜，反应时间在控制在10-60分钟。
反应完成后，关闭等离子体功率，降温，当温度降到室温后取出样品，进行表征。
本发明中，所述衬底包括氧化硅、云母、石英等。
本发明利用等离子体气相加强化学气相沉积（PECVD）设备在各种衬底上无催化生长六方氮化硼薄膜，其原理是，硼氮源通过外加热源加热到100℃以上，在这个温度下，硼氮源分解成BH2NH2 ，之后进一步分解成B3H6N3；这种物质通过氢气和氩气的带动扩散到生长衬底区域，在等离子体的共同作用下，沉积在衬底表面，形成六方氮化硼薄膜。
本发明方法区别于高温生长和贵金属催化生长之处在于：(1)反应温度低，为300℃-700℃;(2)整个过程没有催化剂，不需要后续催化剂的处理，避免了后期材料转移造成的破坏和污染。这种新方法无论是对探索氮化硼的大面积直接生长技术、理解氮化硼的生长机理还是对探索六方氮化硼薄膜的实际应用、拓展氮化硼的应用范围都具有重要意义。
附图说明
图1：采用等离子体化学气相沉积设备在不同温度下生长六方氮化硼的光学显微镜图片。其中，左图为硼烷氨加热温度105℃，生长温度500℃，生长时间20分钟的六方氮化硼薄膜的光学显微镜图；右图为硼烷氨加热温度120℃，生长温度500℃，生长时间20分钟的六方氮化硼薄膜的光学显微镜图。
图2：与图1对应的六方氮化硼薄膜的原子力显微图。
图3：与图1和图2对应的样品的拉曼光谱图。
图4：与图1-1对应的六方氮化硼的X射线光电子能谱图。
图5：与图1-2对应的六方氮化硼的X射线光电子能谱图。
具体实施方式
实施例 1：
把硼烷氨放进一端封口的石英管里，之后在放入小炉体加热区，基底材料放入等离子体化学气相沉积腔体中的生长区域，抽真空到10-3Torr，通入氢气和氩气的混合气体，基底升温到约700℃。控制混合气体的气压不超过1.2Torr。当温度升高到生长温度时，开等离子体电源，功率30瓦，采用固态硼烷氨作为生长的源，在加热到110℃时，使硼烷氨缓慢离化裂解，这些活性基团在等离子体的作用下发生反应，在边缘连接，在基底表面，按照成核-长大的方式，生成六方氮化硼薄膜，经过30分钟的时间，在氧化硅衬底上生长六方氮化硼薄膜。
实施例2：
按实施例1中的制备方法，同样采用固态硼烷氨作为生长的源，基底的温度控制在300-700℃之间，等离子体功率设定为30瓦，炉体真空度保持在1.2-2torr，生长时间30分钟的情况下，在云母，单晶石英等衬底上生长六方氮化硼薄膜。
实施例3：
按实施例1中的制备方法，采用液态的硼烷氨，通过氩气带入反应腔体中，衬底温度大于500℃，等离子体功率30瓦，炉体真空度1.2-2torr，生长时间30-60分钟的情况下，在介电衬底表面上生长六方氮化硼薄膜。

Claims (2)

1.一种等离子体化学气相沉积设备生长六方氮化硼的方法，其特征在于，使用等离子体化学气相沉积设备，其主要包括前驱体加热部分的小炉体、电感耦合系统的线圈、生长管式炉以及真空泵部分；制备的具体步骤如下：
（1）清洗基底：
选择合适尺寸的衬底，使用丙酮、甲醇、去离子水清洗，去除衬底表面的杂质和有机物；
（2）沉积六方氮化硼薄膜
把基底放入等离子体化学气相沉积设备腔体中的生长区域，抽真空到10-3Torr，通入惰性气体：氢气和氩气，基底升温到300-700 ºC ，控制惰性气体的气压不超过1.5Torr；当温度升高到生长温度时，通入硼氮反应源，开等离子体电源，功率在20-100瓦之间，使硼氮源离化裂解，这些活性基团在等离子体的作用下发生反应，在边缘连接，在基底表面，按照成核-长大的方式，生成六方氮化硼薄膜，反应时间在控制在10-60分钟。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底为氧化硅、云母或石英。
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