立方氮化硼薄膜的制备及其相关应用展望 指导老师:乐永康 复旦大学物理系:张宏伟,钱雅超,宁文正 [实验概述] 用自偏压辅助的射频磁控溅射在硅基片上生长氮化硼薄膜,用傅里叶变换红外光谱和俄 歇电子能谱测定薄膜中立方结构的含量以及氮硼的组分比。在其他条件不变的情况下,硏究 了衬底温度及氮气含量对制备立方氮化硼的影响。研究结果表明,基底温度是影响立方氮化 硼含量的重要参数。c-BN的含量并非单纯线性随衬底温度变化,在不同的N2含量下,立 方氮化硼生长有不同的最适生长的衬底温度,并且在最适生长衬底温度附近生长的c-BN应 较低。 cBN应用前景介绍] 1.宽光学带隙6.5eV,优良的热导率,具有良好的可掺杂性可掺杂为N型、P型半导体 高温下强的抗氧化性能(1300℃以下不易氧化)在高温电子器件领域有着广泛的应用前景 2.很高的硬度,具有一系列优越的物理、化学和机械性能,立方氮化硼不象金刚石那样与铁 镍黑金属有很强的亲和力,因此经C-BN薄膜强化的刀具可用于钢铁合金的加工 3.很好的透光性,本身高硬度,是光学元件良好的保护涂层 [实验步骤] 配溅 适 射械 板 电泵 偏压电
立方氮化硼薄膜的制备及其相关应用展望 指导老师：乐永康 复旦大学物理系：张宏伟，钱雅超，宁文正 [实验概述] 用自偏压辅助的射频磁控溅射在硅基片上生长氮化硼薄膜,用傅里叶变换红外光谱和俄 歇电子能谱测定薄膜中立方结构的含量以及氮硼的组分比。在其他条件不变的情况下，研究 了衬底温度及氮气含量对制备立方氮化硼的影响。研究结果表明，基底温度是影响立方氮化 硼含量的重要参数。c-BN 的含量并非单纯线性随衬底温度变化，在不同的 N2 含量下，立 方氮化硼生长有不同的最适生长的衬底温度，并且在最适生长衬底温度附近生长的 c-BN 应 力较低。 [c-BN 应用前景介绍] 1．宽光学带隙 6. 5 eV ,优良的热导率，具有良好的可掺杂性可掺杂为 N 型、P 型半导体， 高温下强的抗氧化性能(1300 ℃以下不易氧化)在高温电子器件领域有着广泛的应用前景 2．很高的硬度,具有一系列优越的物理、化学和机械性能, 立方氮化硼不象金刚石那样与铁、 镍黑金属有很强的亲和力，因此经 C-BN 薄膜强化的刀具可用于钢铁合金的加工 3．很好的透光性, 本身高硬度,是光学元件良好的保护涂层。 [实验步骤] 氮 气 机 械 泵 氩 气 分 子 泵 档 板 偏 压 电 源 配 适 器 靶 材 溅 射 电 源 配 适 器 衬底
安装基片,基片用酒精清洗 打开右下处分子泵阀门,开启机械泵15分钟 机械泵声音逐渐变小后,开冷却水,开分子泵。大概1分钟左右有尖锐的蜂鸣声 声音从大变小 分子泵抽气至气压降至3E-3pa左右(大概1小时)。 开加热带和离子电源设置为3V,以赶走腔壁上附着的水蒸气。 加热大概1.5小时腔内气压约为19E-3pa 停止加热,等待冷却 气压降至21E-4pa 充氮气和氩气先开气罐的阀门,再开小阀门,调节流量氮气0.47氩气14。此时腔 内气压稳定在20E-1pa 关掉硅片气压计,打开 generator,调节 forward至50,开后面的通气阀门,腔内有离 子流发光 ●挡板挡住基片,清洗靶材。 调节 forward至200,微调电流源频率,使 reflect到20左右 保持20分钟 调节 generator功率至50,调高基片电压到250V,清洗基片。 清洗10分钟以上。 开始生长BN。基片电压改为150V, Generator调至200。 生长30分钟。记录生长结束时热电偶电压 按步骤关闭实验仪器,取出样品并测量。 [实验结果] h-BN 500chBN 800 00 1200 1600 1800 000 8二 1400 1800 350℃ h-BN 1000 1200 1600 1800 hBN 1200 400 1800 2000 ' avenumber cm-1
⚫ 安装基片，基片用酒精清洗。 ⚫ 打开右下处分子泵阀门，开启机械泵 15 分钟。 ⚫ 机械泵声音逐渐变小后，开冷却水，开分子泵。大概 1 分钟左右有尖锐的蜂鸣声， 声音从大变小。 ⚫ 分子泵抽气至气压降至 3E-3pa 左右（大概 1 小时）。 ⚫ 开加热带和离子电源设置为 3V，以赶走腔壁上附着的水蒸气。 ⚫ 加热大概 1.5 小时 腔内气压约为 1.9E-3pa。 ⚫ 停止加热，等待冷却。 ⚫ 气压降至 2.1E-4pa。 ⚫ 充氮气和氩气 先开气罐的阀门，再开小阀门，调节流量氮气 0.47 氩气 14。此时腔 内气压稳定在 2.0E-1pa。 ⚫ 关掉硅片气压计，打开 generator,调节 forward 至 50，开后面的通气阀门，腔内有离 子流发光。 ⚫ 挡板挡住基片，清洗靶材。 ⚫ 调节 forward 至 200，微调电流源频率，使 reflect 到 20 左右。 ⚫ 保持 20 分钟 ⚫ 调节 generator 功率至 50，调高基片电压到 250V，清洗基片。 ⚫ 清洗 10 分钟以上。 ⚫ 开始生长 BN。基片电压改为 150V，Generator 调至 200。 ⚫ 生长 30 分钟。记录生长结束时热电偶电压。 ⚫ 按步骤关闭实验仪器，取出样品并测量。 [实验结果]
c-BN的含量可以表示为P=1065/(1065+1380)不同衬底温度下c-BN的红外吸收谱,其中 I1065和11380分别为红外吸收谱中1065cm-1和1380cm-1出吸收峰的强度。 底温度/℃b00 c-BN/% 4 BN/%o 8.7 p5.6 在射频磁控溅射生长c-BN时,最适合生长的衬底温度和N2含量有关,适当增加N2含量 可以降低最适衬底温度。在最适衬底温度下生长的c-BN薄膜含量较高。在N2=10%功率 200w,偏压150,衬底温度300°C下能制备出含量高的c-BN薄膜 [实验讨论] 1.通入氩气的意义 Ar是磁控溅射原理的工作气体 在被溅射的靶极(阴极)与阳极之间,存在一个正交磁场和电场,在电场作用下Ar气电离成 正离子和电子,靶上加有一定的负高压,从靶极发出的电子受磁场的作用与工作气体的电离 几率增大,在阴极附近形成高密度的等离子体,Ar离子在洛仑兹力的作用下加速飞向靶面, 以很高的速度轰击靶面,使靶上被溅射岀来的氮和硼原子以较髙的动能脱离靶面飞向基片淀 积成膜 另一方面,Ar气体在放电过程中会发出紫光,便于实验中观察基片和靶面的平滑度。(粗糙 的表面会导致尖端放电) 2.通入氮气的意义 N2是为了提高c-Bn生长率而通入的气体 在实验中发现,溅射出去的氮和硼原子之间的比例小于1:1的关系,并不满足cBN的分 子结构比例,因此选择通入一定量的氮气,来调节氮和硼原子的比例,进而提高cBN的生 长率 3.射频溅射工作原理 磁控溅射一般分为两种:支流溅射和射频溅射。射频溅射的使用范围更为广泛,c-BN为金 刚石结构不具有优良的导电性,射频溅射除可溅射导电材料外,也可溅射非导电的材料。另 方面,单方向的电子和正离子运动和积累会导致偏压的降低,而射频的电压具有更好的稳 定性。 [实验结语] 磁控溅射镀膜作为一种新型的物理气相镀膜方式,由于其适用范围广,产品生产速度高, 精度好等相对于传统镀膜方式的优势而被应用于许多领域。本实验中使用的射频磁控溅射技 术环节很多,且环节之间的误差关联性很大,必须保持每个环节高精度才能做出重复性的实 验。感谢乐永康老师,俞熹老师对实验的指导,感谢近代物理实验教学组为我们提供了必要 的实验仪器
c-BN 的含量可以表示为 P=I1065/(I1065+I1380) 不同衬底温度下 c-BN 的红外吸收谱，其中 I1065 和 I1380 分别为红外吸收谱中 1065cm-1 和 1380cm-1 出吸收峰的强度。 衬底温度/℃ 300 350 400 450 500 c-BN/% 81.3 74.1 65 59.3 44.4 h-BN/% 18.7 25.9 35 40.7 55.6 在射频磁控溅射生长 c-BN 时，最适合生长的衬底温度和 N2 含量有关，适当增加 N2 含量 可以降低最适衬底温度。在最适衬底温度下生长的 c-BN 薄膜含量较高。在 N2=10%,功率 200w，偏压 150v，衬底温度 300°C 下能制备出含量高的 c-BN 薄膜。 [实验讨论] 1． 通入氩气的意义 Ar 是磁控溅射原理的工作气体 在被溅射的靶极(阴极)与阳极之间，存在一个正交磁场和电场，在电场作用下 Ar 气电离成 正离子和电子，靶上加有一定的负高压，从靶极发出的电子受磁场的作用与工作气体的电离 几率增大，在阴极附近形成高密度的等离子体，Ar 离子在洛仑兹力的作用下加速飞向靶面， 以很高的速度轰击靶面，使靶上被溅射出来的氮和硼原子以较高的动能脱离靶面飞向基片淀 积成膜。 另一方面，Ar 气体在放电过程中会发出紫光，便于实验中观察基片和靶面的平滑度。（粗糙 的表面会导致尖端放电） 2． 通入氮气的意义 N2 是为了提高 c-Bn 生长率而通入的气体 在实验中发现，溅射出去的氮和硼原子之间的比例小于 1：1 的关系，并不满足 c-BN 的分 子结构比例，因此选择通入一定量的氮气，来调节氮和硼原子的比例，进而提高 c-BN 的生 长率。 3． 射频溅射工作原理 磁控溅射一般分为两种：支流溅射和射频溅射。射频溅射的使用范围更为广泛，c-BN 为金 刚石结构不具有优良的导电性，射频溅射除可溅射导电材料外，也可溅射非导电的材料。另 一方面，单方向的电子和正离子运动和积累会导致偏压的降低，而射频的电压具有更好的稳 定性。 [实验结语] 磁控溅射镀膜作为一种新型的物理气相镀膜方式，由于其适用范围广，产品生产速度高， 精度好等相对于传统镀膜方式的优势而被应用于许多领域。本实验中使用的射频磁控溅射技 术环节很多，且环节之间的误差关联性很大，必须保持每个环节高精度才能做出重复性的实 验。感谢乐永康老师，俞熹老师对实验的指导，感谢近代物理实验教学组为我们提供了必要 的实验仪器
参考资料] [sToichiometry of BN-Films and its Influence on the Cubic Phase Formation YongKang Le [2]《半导体物理学》刘恩科朱秉升,罗晋生西安交通大学出版社1998 [3]《固体物理基础》阎守胜北京大学出版社2000
[参考资料] [1]Stoichiometry of BN-Films and its Influence on the Cubic Phase Formation YongKang Le [2]《半导体物理学》刘恩科,朱秉升,罗晋生 西安交通大学出版社 1998 [3]《固体物理基础》阎守胜 北京大学出版社 2000