[发明专利]纳米晶立方氮化硼薄膜中残留压缩应力的释放方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米晶立方氮化硼薄膜中残留压缩应力的释放方法。

背景技术

立方氮化硼薄膜的维氏硬度达到5000-6000kg/mm²，在自然界中硬度仅次于金刚石，因为立方氮化硼薄膜甚至在1100℃高温时都不和铁基合金以及空气中的氧气发生反应，可望成为加工钢铁制品的理想刀具材料(金刚石在温度达到700℃时，开始与铁和氧气发生化学反应，不适合加工钢铁材料)。另外，立方氮化硼薄膜在红外和可见区透明、禁带宽度为6.4eV、易于进行p-型和n-型掺杂、有很高的热导率。还可以在光学元件的保护膜、恶劣环境下超大功率机器的自动化控制、以及汽车和电脑等领域得到广泛的应用。

目前文献报道的立方氮化硼薄膜的制备方法都需要实时离子轰击生长表面，当离子能量足够高时，就能生成含有立方氮化硼的薄膜。由于使用了较高能量的离子轰击，所制备的薄膜的立方氮化硼薄膜中残留压应力高。因此当薄膜的厚度达到100纳米以上后，非常容易从各种衬底上剥落，严重阻碍了立方氮化硼薄膜的应用。

已经有的关于制备稳定的立方氮化硼薄膜的主要方法包括：1.Boyen等人提出的利用小剂量高能氩离子轰击立方氮化硼薄膜以释放压缩应力的方法(Appl.Phys.Lett.76，709)；2.Matsumoto等人和Zhang等人提出的用氟元素化学刻蚀非立方相氮化硼，从而降低薄膜中的残留压缩应力的方法(Jpn.J.Appl.Phys.，Part 2，39，L442；Appl.Phys.Lett.85，1344)；3.Ulrich等人提出的在薄膜生长过程中引入一定量的氧元素的方法(Surf.Coat.Technol.200，6465；Thin Solid Films 515，1058)。其中，用第一种和第三种方法制备的稳定立方氮化硼薄膜的纯度一般较低(接近80％或者更低)。虽然第二种方法较好地提高了薄膜的立方相纯度(＞90％)，降低了薄膜的残留压应力，但是由于使用了氟元素，给环境带来了污染。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米晶立方氮化硼薄膜中残留压缩应力的释放方法，以制备高纯度稳定的立方氮化硼薄膜。

本发明所提供的纳米晶立方氮化硼薄膜中残留压缩应力的释放方法，具体步骤如下：

把立方氮化硼薄膜放入加热室中，加热室先抽真空到至少10^-3Torr，然后保持真空度不变，或充入保护气体再抽真空到至少10Torr，接着将加热室升温到1000-1300℃之间，保温1-5小时，冷却至室温即可。

本发明中，所说的保护气体可以是氢气、氦气、氖气、氩气、氪气以及氮气中的一种或几种。

所说的立方氮化硼薄膜可以是用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)方法或者PVD(物理气相沉积法)方法沉积在衬底上的立方氮化硼薄膜。衬底可以是硅、石英、金刚石、蓝宝石、氮化钛、碳化硅、玻璃、陶瓷或硬质合金。

加热方法可以是电加热、微波加热、辐射加热等等。

本发明的有益效果在于：

(1)工艺新颖，所需设备简单，对环境温和。

(2)因为在高温退火的过程中，薄膜的组分、结构、表面形貌没有发生改变，退火后的立方氮化硼薄膜的纯度高、残留压应力低，薄膜不剥落。

(3)退火后稳定的纳米晶立方氮化硼薄膜的晶粒尺度小于50纳米，是纳米结构薄膜，表面粗糙度低、硬度高，适用于制备加工铁基合金的刀具和磨具等，也可以用在光学元件的保护膜，高温电子器件等领域。

附图说明

附图1是生长在单晶硅衬底上的立方氮化硼薄膜退火后的高分辨截面照片，图中，Si为单晶硅衬底，aBN为无定型氮化硼层，tBN为乱层结构氮化硼层，cBN为立方氮化硼层。

附图2是生长在石英衬底上的立方氮化硼薄膜退火后的高分辨截面照片，图中，Quartz substrate为石英衬底，tBN为乱层结构氮化硼层，cBN为立方氮化硼层。

具体实施方式

实施例1

将采用PECVD方法沉积在单晶硅衬底上的立方氮化硼薄膜(薄膜初期的非立方相层厚度为～7nm，立方相层的厚度为100nm)，放入加热室中抽真空至10^-6Torr，然后充入H₂，将加热室抽真空到10^-4Torr，将加热室升温到1200℃保温2小时后冷却至室温。该实例立方氮化硼薄膜的残留压缩应力从～6GPa降低到小于4GPa。图1所示为其高分辨率电子显微镜照片，由图可见，立方氮化硼薄膜仍然保持典型的层状结构。