CN109750266B - 一种调控硼碳氮薄膜中氮化硼晶体生长的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及薄膜材料领域，提供了一种调控硼碳氮薄膜中氮化硼晶体生长的方法，包括以下步骤：(1)提供分布有金刚石籽晶的基底；(2)在基底的金刚石籽晶表面进行磁控溅射，得到含有氮化硼晶体的硼碳氮薄膜；所述步骤(2)中磁控溅射的靶材为含碳的氮化硼靶。本发明在金刚石籽晶预处理过的基底上生长硼碳氮薄膜，促进了薄膜中氮化硼纳米晶的生长，提高了硼碳氮薄膜的结晶度和薄膜中氮化硼的成分，为硼碳氮薄膜的生长提供了重要的实验依据，为硼碳氮薄膜在工业领域内的应用提供了新的方法。

Description

一种调控硼碳氮薄膜中氮化硼晶体生长的方法

技术领域

本发明涉及薄膜材料领域，尤其涉及一种调控硼碳氮薄膜中氮化硼晶体生长的方法。

背景技术

硼碳氮材料具有优异的力学和电学性能，而且硼碳氮材料结构和成分可调使其在光电器件及半导体领域具有很大的应用潜力。由于硼、碳和氮三者之间的化学势和成键的不同，使制备得到的的硼碳氮薄膜会发生相分离的情况，如石墨中包含氮化硼相，或者氮化硼中包裹着石墨相。因此，促进其中任何一种相的生长对调控硼碳氮薄膜的相成分、结构和性能都具有重要的意义。

制备硼碳氮薄膜的方法包括物理气相沉积法和化学气相沉积法，由于上述方法具有实验周期长，生长环境影响大，参数控制范围有限，使得通过改变上述方法的工艺参数难以调控薄膜结构成分，也难以调控硼碳氮薄膜中单一组相的生长。

发明内容

本发明提供了一种调控硼碳氮薄膜中氮化硼晶体生长的方法，本发明提供的方法能够有效促进硼碳氮薄膜中氮化硼晶体的生长。

本发明提供了一种调控硼碳氮薄膜中氮化硼晶体生长的方法，包括以下步骤：

(1)提供分布有金刚石籽晶的基底；

(2)在基底的金刚石籽晶表面进行磁控溅射，得到含有氮化硼晶体的硼碳氮薄膜；

所述步骤(2)中磁控溅射的靶材为含碳的氮化硼靶。

优选的，所述金刚石籽晶的粒度为10～50nm。

优选的，提供分布有金刚石籽晶的基底的方法包括：采用含有金刚石籽晶的砂纸抛光基底、在基底上刻蚀后分散金刚石籽晶或者将金刚石籽晶压制在基底上。

优选的，所述磁控溅射包括以下步骤：

(a)对磁控溅射腔室进行抽真空后加热基底，然后继续抽真空，再通入氩气至工作气压；

(b)施加基底负偏压，设置靶溅射功率并起辉，进行薄膜溅射，得到硼碳氮薄膜。

优选的，所述基底和靶材的距离为4～8cm。

优选的，所述氩气的气流量为50～100sccm，所述工作气压为1～3Pa。

优选的，所述薄膜溅射的功率为80～200W，薄膜溅射的时间为30min～3h。

优选的，所述步骤(a)中基底加热后的温度为25～800℃。

优选的，所述步骤(b)中基底负偏压为0～-200V。

本发明提供了一种调控硼碳氮薄膜中氮化硼晶体生长的方法，包括以下步骤：(1)提供分布有金刚石籽晶的基底；(2)在基底的金刚石籽晶表面进行磁控溅射，得到含有氮化硼晶体的硼碳氮薄膜；所述步骤(2)中磁控溅射的靶材为含碳的氮化硼靶。本发明在金刚石籽晶预处理过的基底上生长硼碳氮薄膜，金刚石籽晶作为立方氮化硼成核的良好起始界面，有效促进了薄膜中氮化硼纳米晶的生长，从而提高了硼碳氮薄膜的结晶度和薄膜中氮化硼的成分，对硼碳氮薄膜的生长提供了重要的实验依据，为硼碳氮薄膜在工业领域内的应用提供了新的方法。

附图说明

图1为本发明实施例1制备得到的硼碳氮薄膜的SEM图；

图2为本发明对比例1制备得到的硼碳氮薄膜的SEM图；

图3为本发明实施例1和对比例1制备得到的硼碳氮薄膜的红外谱图。

具体实施方式

本发明提供了一种调控硼碳氮薄膜中氮化硼晶体生长的方法，包括以下步骤：

(1)提供分布有金刚石籽晶的基底；

(2)在基底的金刚石籽晶表面进行磁控溅射，得到含有氮化硼晶体的硼碳氮薄膜；

所述步骤(2)中磁控溅射的靶材为含碳的氮化硼靶。

本发明提供分布有金刚石籽晶的基底。在本发明中，所述金刚石籽晶的粒度优选为10～50nm，进一步优选为20～40nm；本发明对金刚石晶籽层的厚度没有要求，只要将金刚石晶籽均匀分散到基底上即可。在本发明中，所述分布有金刚石籽晶的基底的制备方法优选包括：采用含有金刚石籽晶的砂纸抛光基底、在基底上刻蚀后分散金刚石籽晶或者将金刚石籽晶压制在基底上。

本发明在传统的磁控溅射的过程中利用金刚石籽晶协助生长氮化硼晶体。在本发明中，金刚石籽晶的晶粒尺寸越小，薄膜的致密性、均匀性和连续性相较于大的纳米晶粒尺寸协同生长出来的薄膜更好。

本发明优选在基底上分布金刚石籽晶之前，对基底依次进行清洗和氮气吹干处理，以保证金刚石籽晶的质量，进而有利于保证制备得到的硼碳氮薄膜中氮化硼晶体的质量。在本发明中，所述基底的材质优选包括硅、金刚石、石英、蓝宝石或玻璃。

得到分布有金刚石籽晶的基底后，本发明在基底的金刚石籽晶表面进行磁控溅射，得到含有氮化硼晶体的硼碳氮薄膜。

在本发明中，所述磁控溅射优选包括以下步骤：

(a)对磁控溅射腔室进行抽真空后加热基底，然后继续抽真空，再通入氩气至工作气压；

(b)施加基底负偏压，设置靶溅射功率并起辉，进行薄膜溅射，得到硼碳氮薄膜。

本发明对磁控溅射腔室进行抽真空后加热基底，然后继续抽真空，再通入氩气至工作气压。本发明优选将磁控溅射腔室抽真空至背底真空后加热基底，所述背底真空优选为1×10^-4Pa～1×10^-5Pa，进一步优选为3×10^-5Pa。本发明继续抽真空后的背底真空优选为1×10^-4Pa～1×10^-5Pa，进一步优选为3×10^-5Pa。本发明优选将抽真空后的背底真空控制在上述范围内，有利于包括磁控溅射腔室中气体纯净，有利于提高最终得到的硼碳氮薄膜质量。

在本发明中，所述加热基底优选在背底真空条件下进行。在本发明中，所述基底加热后的温度优选为25～800℃，进一步优选为200～800℃，更优选为300～600℃。在本发明中，所述氩气的气流量优选为50～100sccm，进一步优选为60～90sccm；所述工作气压优选为1～3Pa，进一步优选为1.5～2.5Pa。本发明优选将抽真空后腔室压力、基底温度、氩气气流量和工作气压控制在上述范围内，有利于制备得到硼碳氮薄膜。

通氩气至工作气压后，本发明加基底负偏压，设置靶溅射功率并起辉，进行薄膜溅射，得到硼碳氮薄膜。

在本发明中，所述基底负偏压优选为0～-200V，进一步优选为-100V。

在本发明中，所述磁控溅射的靶材为含碳的氮化硼靶，所述含碳的氮化硼靶中碳含量优选为0.1～10％、氮化硼优选为六角氮化硼。在本发明中，所述基底和靶材的距离优选为4～8cm，进一步优选为5～7cm；所述溅射功率优选为80～200W，进一步优选为100～180W，更优选为120～160W。本发明优选将基底和靶材的距离以及溅射功率控制在上述范围内，有利于促进硼碳氮薄膜中氮化硼晶体的生长。

本发明优选在薄膜溅射前进行预溅射，所述预溅射的时间优选为2～15min，进一步优选为5～10min，本发明对预溅射的具体操作没有特别要求，采用本领域技术人员所熟知的方法即可。在本发明中，所述预溅射有利于保证磁控靶工作稳定。

预溅射完成后，本发明进行薄膜溅射。本发明在薄膜溅射过程中，电子在电场作用下加速飞向基底的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基底的过程中不断和氩原子碰撞，产生更多的氩离子和电子，氩离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶材，溅射出的中性的靶原子或分子沉积在基底上形成薄膜，由此制备得到硼碳氮薄膜。在本发明中，所述薄膜溅射的时间优选为30min～3h，进一步优选为1h～2.5h，更优选为2h。

本发明在传统的磁控溅射的过程中利用金刚石籽晶协助生长氮化硼晶体。在本发明中，金刚石籽晶的晶粒尺寸越小，薄膜的致密性、均匀性和连续性相较于大的纳米晶粒尺寸协同生长出来的薄膜更好。本发明优选将金刚石籽晶的粒度尺寸控制为10～50nm，进一步优选为20～40nm，有利于制备得到致密性、均匀性和连续性好的硼碳氮薄膜。

本发明在金刚石籽晶预处理过的基底上生长硼碳氮薄膜，促进了薄膜中氮化硼纳米晶的生长，提高了硼碳氮薄膜的结晶度和薄膜中氮化硼的成分，对硼碳氮薄膜的生长提供了重要的实验依据，为硼碳氮薄膜在工业领域内的应用提供了新的方法。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

在金刚石籽晶预处理过的硅基底上生长硼碳氮薄膜：

(1)将按所需尺寸切好的硅(100)单晶片依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗后，用氮气吹干后在附有金刚石籽晶的砂纸上打磨，送入真空沉积室，沉积室内真空度抽至3×10^-5Pa，加热基底至500℃；

(2)继续抽真空，待沉积室的背底真空再次达到3×10^-5Pa时，通入反应工作气体氩气至工作气压为2Pa；

(3)基底与靶间的距离为8cm，加基底负偏压-100V，设置靶溅射功率150W后起辉，预溅射2min后，挡板移开，进行薄膜溅射，薄膜溅射时间为2h。

对比例1

在未处理的硅基底上生长硼碳氮薄膜

(1)将按所需尺寸切好的硅(100)单晶片依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗后，用氮气吹干后送入真空沉积室，沉积室内真空度抽至3×10^-5Pa，加热基底至500℃；

(2)继续抽真空，待沉积室的背底真空再次达到3×10^-5Pa时，通入反应工作气体氩气至工作气压为2Pa；

(3)基底与靶间的距离为8cm，加基底负偏压-100V，设置靶溅射功率150W后起辉，预溅射2min后，挡板移开，进行薄膜溅射，薄膜溅射时间为2h。

对实施例1和对比例1制备得到的硼碳氮薄膜分别进行扫描电子显微镜测试，测试结果分别如图1和图2所示，图1为实施例1制备得到的硼碳氮薄膜的SEM图；图2为对比例1制备得到的硼碳氮薄膜的SEM图。经过对比可以看出，在金刚石籽晶预处理过的硅基底上生长的硼碳氮薄膜颗粒更大，薄膜致密均匀。

对实施例1和对比例1制备得到的硼碳氮薄膜分别傅里叶变换红外光谱测试，结果如图3所示。图3中773cm^-1、1066cm^-1处的峰分别为六角氮化硼面间B-N-B键的弯曲振动和立方氮化硼B-N键特征峰，1235cm^-1处的峰认为是B-C键和C-N键的峰叠加产生的，图3说明实施例1和对比例1制备得到的薄膜中均含有B-C键、B-N键、C-N键，是典型的硼碳氮结构。硼碳氮薄膜中氮化硼的含量可以由B-N键的特征峰强度与薄膜中所有化学键的特征峰的强度之和的比值算出。从图3可以看出，实施例1在金刚石籽晶预处理过的硅基底上生长的薄膜中氮化硼含量明显增多。

对实施例1和对比例1制备得到的硼碳氮薄膜进行元素分析，分析结果如表1所示：

表1实施例1和对比例1硼碳氮薄膜中元素含量

由表1测试结果可知，实施例1在金刚石籽晶预处理过的硅基底上生长的硼碳氮薄膜中的碳含量较低，硼和氮的含量较高，也就是说，本发明提供的方法促进了硼碳氮薄膜中氮化硼晶体的生长。

实施例2

在金刚石籽晶预处理过的硅基底上生长硼碳氮薄膜：

(1)将按所需尺寸切好的硅(100)单晶片依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗后，用氮气吹干后在附有金刚石籽晶的砂纸上打磨，送入真空沉积室，沉积室内真空度抽至3×10^-5Pa，加热基底至500℃；

(2)继续抽真空，待沉积室的背底真空再次达到3×10^-5Pa时，通入反应工作气体氩气至工作气压为2Pa；

(3)基底与靶间的距离为6cm，加基底负偏压-100V，设置靶溅射功率150W后起辉，预溅射2min后，挡板移开，进行薄膜溅射，薄膜溅射时间为2h。

实施例3

在金刚石籽晶预处理过的硅基底上生长硼碳氮薄膜：

(1)将按所需尺寸切好的硅(100)单晶片依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗后，用氮气吹干后在附有金刚石籽晶的砂纸上打磨，送入真空沉积室，沉积室内真空度抽至3×10^-5Pa，加热基底至500℃；

(2)继续抽真空，待沉积室的背底真空再次达到3×10^-5Pa时，通入反应工作气体氩气至工作气压为2Pa；

(3)基底与靶间的距离为8cm，加基底负偏压-150V，设置靶溅射功率150W后起辉，预溅射2min后，挡板移开，进行薄膜溅射，薄膜溅射时间为2h。

实施例2和实施例3制备得到的硼碳氮薄膜表面致密均匀，与实施例1制备得到的薄膜表面粗糙程度类似。实施例2和实施例3制备得到的硼碳氮薄膜中均含有B-C键、B-N键、C-N键，是包含氮化硼纳米晶的硼碳氮结构，其实验结果与实施例1类似。

本发明采用磁控溅射方法在金刚石籽晶预处理过的硅基底上制备出包含氮化硼纳米晶的非晶硼碳氮薄膜，与在未处理过的硅基底上制备硼碳氮薄膜的方法相比，本发明提供的方法明显促进了硼碳氮薄膜中氮化硼纳米晶的生长，从而有助于提高薄膜结晶性和控制薄膜化学组分。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种调控硼碳氮薄膜中氮化硼晶体生长的方法，包括以下步骤：

(1)提供分布有金刚石籽晶的基底；

提供分布有金刚石籽晶的基底的方法包括：采用含有金刚石籽晶的砂纸抛光基底；

(2)在基底的金刚石籽晶表面进行磁控溅射，得到含有氮化硼晶体的硼碳氮薄膜；

所述步骤(2)中磁控溅射的靶材为含碳的氮化硼靶。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金刚石籽晶的粒度为10～50nm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁控溅射包括以下步骤：

(a)对磁控溅射腔室进行抽真空后加热基底，然后继续抽真空，再通入氩气至工作气压；

(b)施加基底负偏压，设置靶溅射功率并起辉，进行薄膜溅射，得到硼碳氮薄膜。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基底和靶材的距离为4～8cm。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述氩气的气流量为50～100sccm，所述工作气压为1～3Pa。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述薄膜溅射的功率为80～200W，薄膜溅射的时间为30min～3h。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)中基底加热后的温度为25～800℃。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(b)中基底负偏压为0～-200V。