吉林大学超硬材料国家重点实验室

吉林大学超硬材料国家重点实验室 磁控溅射法制备氮化硼薄膜杨旭昕徐洋李柳暗任士远李红东* 邹广田 2009/7/13

引言氮化硼(BN)是一种应用极为广泛材料。氮化硼能够以多种结构存在：即sp3杂化的立方氮化硼（cBN）和纤锌矿氮化硼（wBN），sp2杂化的六角氮化硼（hBN）和菱面体氮化硼 (rBN)，以及sp2和sp3混合杂化的氮化硼 (eBN)，其中cBN以其优异的物理和化学性质受到人们普遍重视,对其合成及特性研究十分重要。

立方氮化硼(cBN)的性质 立方氮化硼(cBN)作为一种在自然界中并不存在的人造材料具有优异的理化特性。 • 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 • 既能N型掺杂，又能P型掺杂的宽禁带半导体料。 • 可应用在超硬刀具、高温电子器件和光学保护膜等领域。

立方氮化硼薄膜生长方法 通常，cBN薄膜是以特定材料为衬底在各种辅助条件下通过气相沉积方法（PVD 和 CVD）制备的。其中衬底的选择和制备工艺参数对cBN薄膜的质量有直接影响。传统的生长方法：利用Si 为衬底，在温度和偏压等辅助条件下生长。由于Si衬底材料与cBN晶格常数间的失配大，妨碍了高质量的cBN膜的生长和应用。现代的生长方法：利用以金刚石为代表的材料为衬底，在高温﹑偏压或等离子体刻蚀等辅助条件下生长。制备出了含100%立方相的单晶cBN薄膜，及高立方相的cBN厚膜。如何选择衬底材料，利用简易的方法制备出高质量cBN厚膜材料是使cBN成为适合应用的相关材料和拓宽应用领域的关键。

石墨上生长cBN膜 • 背景石墨衬底上生长立方氮化硼并不常见，需高温条件，且 cBN 薄膜质量不高。石墨片的最新进展。 • 研究意义：新的半导体结构 • 潜在应用：场发射 MIS结构欧姆触点微波二极管、场效应晶体管、紫外光电二极管器件等。

薄膜的生长条件 衬底材料：主要为c轴取向石墨片本底真空：2×10-3 Pa 气体比例：N2：Ar =1：6 工作气压：2 Pa 射频功率：150 W 生长时间：2 小时没有衬底加热和偏压辅助条件下生长cBN

薄膜的定性及定量分析 图1，BN的红外光谱图2，BN的B1sXPS光谱主要相为立方相拟合结果表明 cBN含量为~90%

薄膜的形貌特征 cBN的截面SEM cBN的AFM 平均尺寸20nm 1.2mm厚膜

功率对相转变的控制 不同功率条件下得到的样品红外光谱 cBN eBN cBN eBN

薄膜在空气中的稳定性 cBN 长时间放置在空气中薄膜没有发生相变，脱落现象，说明薄膜的应力较低。

光学性质 cBN的透射光谱可见光区透过率~ 60%

cBN的光学吸收边 T = A exp (-ad) （1） d= (iC/r) （2） ahn = D(hn- Eg)n （3） 5.8eV Eg =ccEc+chEh=6.1×cc+ 4.2×(1–cc) （4）

场发射性质 电场为30 V/mm时，电流密度是2.8×10-5A/cm2，是Si衬底生长cBN的5倍。

结论 1，制备出了1.2mm 厚纯度为90%的cBN膜。 2，cBN膜暴露在空气中很长一段时间后，没有出现裂纹、剥落现象，说明所生长的cBN膜的应力低。 3，制备过程中，没有衬底加热和电子轰击等辅助条件参与，降低了能量损耗和成本，提供了一种简易、低成本制备高质量cBN膜的有效途径。思考 “超硬”与“超软”的结合

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