專利名稱：低應(yīng)力立方氮化硼薄膜及其制備裝置和制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于使用物理氣相沉積方法制備薄膜材料的領(lǐng)域，特別涉及磁控濺射與磁控弧光放電組合方法制備立方氮化硼薄膜及其所使用的裝置。
立方氮化硼(c-BN)具有許多優(yōu)良的物理、化學(xué)、機械性能，如高硬度、高熱導(dǎo)率、高電阻率、抗高溫氧化性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、全光譜范圍的透過性、與鐵不反應(yīng)，是既能n型摻雜，又能p型摻雜的寬帶半導(dǎo)體材料等，使其在機械加工和電子學(xué)兩大方面應(yīng)用都優(yōu)于金剛石。c-BN薄膜的制備及應(yīng)用研究令人矚目。與本發(fā)明相似的制備c-BN薄膜的方法及設(shè)備是磁控濺射法及其裝置，所制備出的c-BN薄膜是在基底與立方氮化硼薄膜之間有一層具有石墨結(jié)構(gòu)與特點的六角氮化硼。圖1給出的是這種c-BN薄膜的橫剖面示意圖。1是基底，3是立方氮化硼膜，22是六角氮化硼層。
制備這種c-BN薄膜的設(shè)備為磁控濺射裝置。圖3給出現(xiàn)有技術(shù)的磁控濺射裝置的示意圖。在真空室外殼4上有抽氣口5和進氣口6，分別用于預(yù)抽真空和充入工作氣體氮氣(N2)和氬氣(Ar)。真空室內(nèi)裝有磁控靶7并放置靶材9，用射頻電源8點燃磁控濺射的磁控靶7。與磁控靶7相對的下方裝有基底臺10，其上放置基底1，通過基底偏壓電源21使基底1帶負(fù)偏壓。使用磁控濺射裝置制備c-BN薄膜時，先將金屬基底1進行機械拋光，超聲波清洗，置于基底臺10上，以六角氮化硼為靶材9，預(yù)抽真空至5×10-3Pa，加溫至200～500℃，充入氮氣和氬氣，使真空室內(nèi)達到工作壓強1.3Pa，基底1加負(fù)偏壓-100～-300伏特，射頻功率調(diào)節(jié)在600～800瓦特，沉積1～1.5小時，可得到中間層是六角氮化硼的c-BN薄膜。
現(xiàn)有技術(shù)使用磁控濺射裝置和方法制備c-BN薄膜由于在基底1上加負(fù)偏壓吸引離子向基底1轟擊，引起沉積薄膜中晶格畸變和雜質(zhì)的摻入。帶來較大內(nèi)應(yīng)力，最大可達到25GPa，薄膜易爆裂，附著力不好，既無法保存，也無法應(yīng)用。
為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，改進c-BN薄膜制備的裝置和方法，制備出中間層為分子晶體氮化硼的c-BN薄膜，達到制備內(nèi)應(yīng)力小，附著力好，不爆裂，適于實用的c-BN薄膜的目的。
本發(fā)明的低應(yīng)力c-BN薄膜的結(jié)構(gòu)，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之間有一分子晶體氮化硼的中間層2。立方氮化硼膜3的厚度為0.5～1.0μm。其結(jié)構(gòu)剖面圖可參見圖2。
上述的c-BN薄膜經(jīng)紅外光譜分析，結(jié)果指出薄膜中包括有c-BN和分子晶體氮化硼(E-BN)。電子衍射實驗證明薄膜表面是一層純的立方氮化硼薄膜。兩個分析結(jié)果還指出，E-BN是基底1和立方氮化硼膜3之間的中間層。
制備本發(fā)明的c-BN薄膜，是在一種新的裝置中使用新的方法實現(xiàn)的。即在磁控濺射一磁控弧光放電裝置中，使用磁控濺射加磁控弧光放電相結(jié)合的方法制備的。
磁控濺射一磁控弧光放電裝置的結(jié)構(gòu)是在磁控濺射裝置的基礎(chǔ)上，加裝磁控弧光放電部分和去掉基底偏壓電源22構(gòu)成。磁控弧光放電部分是在磁控靶7與基底臺10之間加裝的，能夠產(chǎn)生水平方向的磁場和與磁場方向平行的電場，并置有燈絲和燈絲電源用于發(fā)射電子。
具體結(jié)構(gòu)可參見圖4。真空室內(nèi)上方裝有磁控靶7，下表面放置靶材9，相對的下方裝有基底臺10，其上放置基底1，在磁控靶7與基底臺10之間裝有兩塊異性磁極相對放置的永磁體12、13，永磁體12、13在真空室內(nèi)形成水平方向的磁場。所說的與磁場方向平行的電場是由連接在弧光電源14上的陽極15和陰極16構(gòu)成。陽極15和陰極16可以分別是兩個冷水套的表面，永磁體12、13分別裝在兩冷水套中。用于發(fā)射電子的燈絲11裝在陰極16一側(cè)，由燈絲電源17供電。磁控靶7仍由射頻電源8點燃。
本發(fā)明的低應(yīng)力立方氮化硼薄膜的制備方法與磁控濺射的方法大體相同。以經(jīng)機械拋光、超聲波清洗的金屬或硅或鎳作基底1，以六角氮化硼作靶材9，在氮氣和氬氣氣氛輝光放電中完成的。采用射頻磁控濺射加磁控弧光放電的工藝過程，沉積c-BN薄膜，所說的磁控弧光放電是由水平的加在靶材9與基底1之間的陰極16和陽極15產(chǎn)生電場，由永磁體12、13產(chǎn)生與電場方向平行的磁場，由燈絲11發(fā)射電子在電磁場中運動，形成等離子體和向基底1提供能量；是在真空室預(yù)抽真空并加熱基底1后充入氮氣和氬氣到工作氣壓點燃的，之后再點燃磁控濺射的磁控靶7。本發(fā)明的基底1不再加偏壓。
工藝過程和工藝條件具體敘述如下。將經(jīng)拋光、清洗后的基底1置于基底臺10上，靶材9六角氮化硼置于磁控靶7下表面，對真空室預(yù)抽真空至5×10-3Pa同時加溫至400～600℃，最好大于500℃，充入氮氣和氬氣至工作氣壓。工作氣體的純度不低于99.9％，工作氣壓為1.0Pa，六角氮化硼的純度不低于98％。接通燈絲電源17，點燃弧光放電，放電電流為5～20安培，電壓30～50伏特，產(chǎn)生等離子體。接通射頻電源8，射頻電源功率調(diào)節(jié)在200～400瓦特。沉積1.0～1.5小時，制得的立方氮化硼膜3的厚度在1.0μm左右。
本發(fā)明的c-BN薄膜內(nèi)應(yīng)力小。由于薄膜非常薄，在1μm左右，直接測量內(nèi)應(yīng)力十分困難。通常用c-BN的紅外吸收峰位做相對標(biāo)度。高溫高壓條件下合成的c-BN晶粒的紅外吸收峰位在1055～1065cm-1之間，現(xiàn)有技術(shù)的以六角氮化硼為中間層的立方氮化硼薄膜的紅外吸收峰位在1070～1105cm-1之間，峰位高的內(nèi)應(yīng)力大。當(dāng)c-BN薄膜爆裂以后，一部分薄膜脫落，內(nèi)應(yīng)力已絕大部分釋放掉，這時表面c-BN的紅外吸收峰位是1004.7cm-1。本發(fā)明的立方氮化硼薄膜的紅外吸收峰位為1006.3cm-1附近，說明內(nèi)應(yīng)力很小，已經(jīng)接近無應(yīng)力狀態(tài)。由于內(nèi)應(yīng)力極小，所以不爆裂，能長時間保存，因而有益于實際應(yīng)用。
本發(fā)明的設(shè)備，由于是在磁控濺射裝置的基礎(chǔ)上增加了磁控弧光放電部分，有利于本發(fā)明的c-BN薄膜的沉積，這主要是因為基底沒有離子轟擊，因而薄膜中沒有晶格畸變和雜質(zhì)進入，由于在弧光放電區(qū)域有高密度等離子體區(qū)，使沉積速度加快。
本發(fā)明的方法保持了磁控濺射的優(yōu)點而且不在基底上加偏壓，電子在電磁場中回旋運動增加碰撞幾率，提高了等離子體中的離化度，才有可能實現(xiàn)附著力好的低應(yīng)力c-BN薄膜的形成。這種薄膜沉積在金屬基底表面可做為耐磨防腐涂層，沉積到硬質(zhì)合金表面可做為超硬薄膜機械加工工具。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的c-BN薄膜結(jié)構(gòu)橫剖面示意圖。
圖2是本發(fā)明的c-BN薄膜結(jié)構(gòu)橫剖面示意圖。
圖3是現(xiàn)有技術(shù)的磁控濺射裝置示意圖。
圖4是本發(fā)明的磁控濺射-磁控弧光放電裝置示意圖。
權(quán)利要求
1．一種低應(yīng)力立方氮化硼薄膜，其結(jié)構(gòu)包括有基底(1)，立方氮化硼膜(3)，其特征在于在基底(1)與立方氮化硼膜(3)之間有一分子晶體氮化硼中間層(2)。
2．一種制備低應(yīng)力立方氮化硼薄膜的裝置，包括有真空室外殼(4)，真空室外殼(4)上開有抽氣口(5)和進氣口(6)，磁控靶(7)與射頻電源(8)接通，靶材(9)放置在磁控靶(7)的下表面，與磁控靶(7)相對的下方裝有基底臺(10)，其上放置基底(1)，其特征在于，在磁控靶(7)與基底臺(10)之間裝有磁控弧光放電裝置，能夠產(chǎn)生水平方向的磁場和與磁場方向平行的電場，并置有燈絲(11)和燈絲電源(17)用于發(fā)射電子。
3．按照權(quán)利要求2所述的制備低應(yīng)力立方氮化硼薄膜的裝置，其特征在于，所說的水平方向的磁場是由兩塊異性磁極相對放置的永磁體(12,13)構(gòu)成，所說的與磁場方向平行的電場是由連接在弧光電源(14)上的陽極(15)和陰極(16)構(gòu)成；陽極(15)和陰極(16)分別是兩個水冷套的表面，永磁體(12,13)分別裝在兩水冷套中。
4．一種低應(yīng)力立方氮化硼薄膜的制備方法，是以經(jīng)機械拋光和超聲波清洗的金屬或硅或鎳作基底(1)，以六角氮化硼作靶材(9)，在氮氣和氬氣氣氛輝光放電中完成的，其特征在于，采用射頻磁控濺射加磁控弧光放電相結(jié)合的工藝過程，沉積立方氮化硼薄膜，所說的磁控弧光放電是由水平地加在靶材(9)與基底(1)之間的陰極(16)和陽極(15)產(chǎn)生電場，由永磁體(12,13)產(chǎn)生與電場方向平行的磁場，由燈絲(11)發(fā)射電子在電磁場中運動，形成等離子體和向基底(1)提供能量；是在真空室預(yù)抽真空并加熱基底后充入氮氣和氬氣至工作氣壓點燃的；再點燃磁控濺射的磁控靶(7)。
5．按照權(quán)利要求4所述的低應(yīng)力立方氮化硼薄膜的制備方法，其特征在于，所說的氮氣和氬氣作為工作氣體，其純度不低于99.9％，工作氣壓為1.0Pa；所說的靶材(9)六角氮化硼純度不低于98％；弧光放電電流為5～20安培，電壓30～50伏特；點燃磁控靶(7)用的射頻功率為200～400瓦特，沉積時間1.0～1.5小時。
全文摘要
本發(fā)明的低應(yīng)力c－BN薄膜及其制備裝置和制備方法屬物理氣相沉積方法制備薄膜材料的領(lǐng)域。采用射頻磁控濺射加磁控弧光放電相結(jié)合的裝置和工藝,以h－BN為靶材,在氮氣、氬氣氣氛輝光放電中沉積c－BN薄膜。薄膜結(jié)構(gòu)是在基底與立方氮化硼膜之間有一分子晶體氮化硼層。本發(fā)明由于加了磁控弧光放電裝置,使基底沒有離子轟擊,電子回旋運動提高等離子體中的離化度,而實現(xiàn)了快速沉積附著力好的能夠?qū)嵱玫牡蛻?yīng)力c－BN薄膜的形成。
文檔編號C23C14/14GK1210900SQ9811535
公開日1999年3月17日 申請日期1998年6月19日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月19日
發(fā)明者趙永年, 鄒廣田, 何志 申請人:吉林大學(xué)