CN1210900A - 低应力立方氮化硼薄膜及其制备装置和制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的低应力c－BN薄膜及其制备装置和制备方法属物理气相沉积方法制备薄膜材料的领域。采用射频磁控溅射加磁控弧光放电相结合的装置和工艺,以h－BN为靶材,在氮气、氩气气氛辉光放电中沉积c－BN薄膜。薄膜结构是在基底与立方氮化硼膜之间有一分子晶体氮化硼层。本发明由于加了磁控弧光放电装置,使基底没有离子轰击,电子回旋运动提高等离子体中的离化度,而实现了快速沉积附着力好的能够实用的低应力c－BN薄膜的形成。

Description

低应力立方氮化硼薄膜及其制备装置和制备方法

本发明属于使用物理气相沉积方法制备薄膜材料的领域，特别涉及磁控溅射与磁控弧光放电组合方法制备立方氮化硼薄膜及其所使用的装置。

立方氮化硼(c-BN)具有许多优良的物理、化学、机械性能，如高硬度、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、与铁不反应，是既能n型掺杂，又能p型掺杂的宽带半导体材料等，使其在机械加工和电子学两大方面应用都优于金刚石。c-BN薄膜的制备及应用研究令人瞩目。与本发明相似的制备c-BN薄膜的方法及设备是磁控溅射法及其装置，所制备出的c-BN薄膜是在基底与立方氮化硼薄膜之间有一层具有石墨结构与特点的六角氮化硼。图1给出的是这种c-BN薄膜的横剖面示意图。1是基底，3是立方氮化硼膜，22是六角氮化硼层。

制备这种c-BN薄膜的设备为磁控溅射装置。图3给出现有技术的磁控溅射装置的示意图。在真空室外壳4上有抽气口5和进气口6，分别用于预抽真空和充入工作气体氮气(N₂)和氩气(Ar)。真空室内装有磁控靶7并放置靶材9，用射频电源8点燃磁控溅射的磁控靶7。与磁控靶7相对的下方装有基底台10，其上放置基底1，通过基底偏压电源21使基底1带负偏压。使用磁控溅射装置制备c-BN薄膜时，先将金属基底1进行机械抛光，超声波清洗，置于基底台10上，以六角氮化硼为靶材9，预抽真空至5×10^-3Pa，加温至200～500℃，充入氮气和氩气，使真空室内达到工作压强1.3Pa，基底1加负偏压-100～-300伏特，射频功率调节在600～800瓦特，沉积1～1.5小时，可得到中间层是六角氮化硼的c-BN薄膜。

现有技术使用磁控溅射装置和方法制备c-BN薄膜由于在基底1上加负偏压吸引离子向基底1轰击，引起沉积薄膜中晶格畸变和杂质的掺入。带来较大内应力，最大可达到25GPa，薄膜易爆裂，附着力不好，既无法保存，也无法应用。

为克服现有技术的缺点，改进c-BN薄膜制备的装置和方法，制备出中间层为分子晶体氮化硼的c-BN薄膜，达到制备内应力小，附着力好，不爆裂，适于实用的c-BN薄膜的目的。

本发明的低应力c-BN薄膜的结构，包括有基底1，立方氮化硼薄膜3，在基底1和立方氮化硼膜3之间有一分子晶体氮化硼的中间层2。立方氮化硼膜3的厚度为0.5～1.0μm。其结构剖面图可参见图2。

上述的c-BN薄膜经红外光谱分析，结果指出薄膜中包括有c-BN和分子晶体氮化硼(E-BN)。电子衍射实验证明薄膜表面是一层纯的立方氮化硼薄膜。两个分析结果还指出，E-BN是基底1和立方氮化硼膜3之间的中间层。

制备本发明的c-BN薄膜，是在一种新的装置中使用新的方法实现的。即在磁控溅射一磁控弧光放电装置中，使用磁控溅射加磁控弧光放电相结合的方法制备的。

磁控溅射一磁控弧光放电装置的结构是在磁控溅射装置的基础上，加装磁控弧光放电部分和去掉基底偏压电源22构成。磁控弧光放电部分是在磁控靶7与基底台10之间加装的，能够产生水平方向的磁场和与磁场方向平行的电场，并置有灯丝和灯丝电源用于发射电子。

具体结构可参见图4。真空室内上方装有磁控靶7，下表面放置靶材9，相对的下方装有基底台10，其上放置基底1，在磁控靶7与基底台10之间装有两块异性磁极相对放置的永磁体12、13，永磁体12、13在真空室内形成水平方向的磁场。所说的与磁场方向平行的电场是由连接在弧光电源14上的阳极15和阴极16构成。阳极15和阴极16可以分别是两个冷水套的表面，永磁体12、13分别装在两冷水套中。用于发射电子的灯丝11装在阴极16一侧，由灯丝电源17供电。磁控靶7仍由射频电源8点燃。

本发明的低应力立方氮化硼薄膜的制备方法与磁控溅射的方法大体相同。以经机械抛光、超声波清洗的金属或硅或镍作基底1，以六角氮化硼作靶材9，在氮气和氩气气氛辉光放电中完成的。采用射频磁控溅射加磁控弧光放电的工艺过程，沉积c-BN薄膜，所说的磁控弧光放电是由水平的加在靶材9与基底1之间的阴极16和阳极15产生电场，由永磁体12、13产生与电场方向平行的磁场，由灯丝11发射电子在电磁场中运动，形成等离子体和向基底1提供能量；是在真空室预抽真空并加热基底1后充入氮气和氩气到工作气压点燃的，之后再点燃磁控溅射的磁控靶7。本发明的基底1不再加偏压。

工艺过程和工艺条件具体叙述如下。将经抛光、清洗后的基底1置于基底台10上，靶材9六角氮化硼置于磁控靶7下表面，对真空室预抽真空至5×10-3Pa同时加温至400～600℃，最好大于500℃，充入氮气和氩气至工作气压。工作气体的纯度不低于99.9％，工作气压为1.0Pa，六角氮化硼的纯度不低于98％。接通灯丝电源17，点燃弧光放电，放电电流为5～20安培，电压30～50伏特，产生等离子体。接通射频电源8，射频电源功率调节在200～400瓦特。沉积1.0～1.5小时，制得的立方氮化硼膜3的厚度在1.0μm左右。

本发明的c-BN薄膜内应力小。由于薄膜非常薄，在1μm左右，直接测量内应力十分困难。通常用c-BN的红外吸收峰位做相对标度。高温高压条件下合成的c-BN晶粒的红外吸收峰位在1055～1065cm^-1之间，现有技术的以六角氮化硼为中间层的立方氮化硼薄膜的红外吸收峰位在1070～1105cm^-1之间，峰位高的内应力大。当c-BN薄膜爆裂以后，一部分薄膜脱落，内应力已绝大部分释放掉，这时表面c-BN的红外吸收峰位是1004.7cm^-1。本发明的立方氮化硼薄膜的红外吸收峰位为1006.3cm^-1附近，说明内应力很小，已经接近无应力状态。由于内应力极小，所以不爆裂，能长时间保存，因而有益于实际应用。

本发明的设备，由于是在磁控溅射装置的基础上增加了磁控弧光放电部分，有利于本发明的c-BN薄膜的沉积，这主要是因为基底没有离子轰击，因而薄膜中没有晶格畸变和杂质进入，由于在弧光放电区域有高密度等离子体区，使沉积速度加快。

本发明的方法保持了磁控溅射的优点而且不在基底上加偏压，电子在电磁场中回旋运动增加碰撞几率，提高了等离子体中的离化度，才有可能实现附着力好的低应力c-BN薄膜的形成。这种薄膜沉积在金属基底表面可做为耐磨防腐涂层，沉积到硬质合金表面可做为超硬薄膜机械加工工具。

附图说明：

图1是现有技术的c-BN薄膜结构横剖面示意图。

图2是本发明的c-BN薄膜结构横剖面示意图。

图3是现有技术的磁控溅射装置示意图。

图4是本发明的磁控溅射-磁控弧光放电装置示意图。

Claims (5)

1．一种低应力立方氮化硼薄膜，其结构包括有基底(1)，立方氮化硼膜(3)，其特征在于在基底(1)与立方氮化硼膜(3)之间有一分子晶体氮化硼中间层(2)。

2．一种制备低应力立方氮化硼薄膜的装置，包括有真空室外壳(4)，真空室外壳(4)上开有抽气口(5)和进气口(6)，磁控靶(7)与射频电源(8)接通，靶材(9)放置在磁控靶(7)的下表面，与磁控靶(7)相对的下方装有基底台(10)，其上放置基底(1)，其特征在于，在磁控靶(7)与基底台(10)之间装有磁控弧光放电装置，能够产生水平方向的磁场和与磁场方向平行的电场，并置有灯丝(11)和灯丝电源(17)用于发射电子。

3．按照权利要求2所述的制备低应力立方氮化硼薄膜的装置，其特征在于，所说的水平方向的磁场是由两块异性磁极相对放置的永磁体(12,13)构成，所说的与磁场方向平行的电场是由连接在弧光电源(14)上的阳极(15)和阴极(16)构成；阳极(15)和阴极(16)分别是两个水冷套的表面，永磁体(12,13)分别装在两水冷套中。

4．一种低应力立方氮化硼薄膜的制备方法，是以经机械抛光和超声波清洗的金属或硅或镍作基底(1)，以六角氮化硼作靶材(9)，在氮气和氩气气氛辉光放电中完成的，其特征在于，采用射频磁控溅射加磁控弧光放电相结合的工艺过程，沉积立方氮化硼薄膜，所说的磁控弧光放电是由水平地加在靶材(9)与基底(1)之间的阴极(16)和阳极(15)产生电场，由永磁体(12,13)产生与电场方向平行的磁场，由灯丝(11)发射电子在电磁场中运动，形成等离子体和向基底(1)提供能量；是在真空室预抽真空并加热基底后充入氮气和氩气至工作气压点燃的；再点燃磁控溅射的磁控靶(7)。

5．按照权利要求4所述的低应力立方氮化硼薄膜的制备方法，其特征在于，所说的氮气和氩气作为工作气体，其纯度不低于99.9％，工作气压为1.0Pa；所说的靶材(9)六角氮化硼纯度不低于98％；弧光放电电流为5～20安培，电压30～50伏特；点燃磁控靶(7)用的射频功率为200～400瓦特，沉积时间1.0～1.5小时。

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