专利名称：纳米晶立方氮化硼薄膜中残留压缩应力的释放方法
技术领域：
本发明涉及纳米晶—、'厂方氮化硼薄膜中残留压縮应力的释放方法。
背景技术：
立方氮化硼薄膜的维氏硬度达到5000-6000 kg/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。C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。C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6.4 eV、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G4j^/. 丄故.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縮应力的方法(，/p/7. /户&S.，尸flW2，
39， L442;々#丄欲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(SMr/ Co" rec/mo/. 200， 6465; T7z/" So/W尸z7m;y 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縮应力的释放方 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縮应力的释放方法，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l(T3Torr，然后保 持真空度不变，或充入保护气体再抽真空到至少10 Torn接着将加热室升温到 1000-1300。C之间，保温l-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。
具体实施例方式
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l(T6 Torr，然后充入Eb，将加热室抽真空到10—4Torr，将加热室升温到1200°C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縮应力从 6GPa降低到小 于4GPa。图l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。
该立方氮化硼薄膜在空气中存放超过10个月没有从衬底上剥落。而没有经
4过该处理的立方氮化硼薄膜在空气中存放5小时就开始剥落。
实施例2
将采用PECVD方法沉积在碳化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 500nm， ^方相层的厚度为100nm)，放入加热室中抽真空至 10-7Torr，然后充入N"将加热室抽真空到10—4Torr，将加热室升温到1150°C保 温3小时后冷却至室温，该实例立方氮化硼薄膜的残留压縮应力从 5GPa降低 到小于3GPa。该立方氮化硼薄膜在空气中存放超过IO个月没有从衬底上剥落。 而没有经过该处理的立方氮化硼薄膜在空气中存放2天后开始剥落。
实施例3
将采用PECVD方法沉积在蓝宝石衬底上的立方氮化硼薄膜(薄膜初期的非 立方相层厚度为 10nm，立方相层的厚度为200nm)，放入加热室中抽真空至l(T7 Torr，然后充入Ar，将加热室抽真空至!j 10—5Torr，将加热室升温到1250°C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縮应力从 6GPa降低到小 于4GPa。该立方氮化硼薄膜在空气中存放超过10个月没有从衬底上剥落。而 没有经过该处理的立方氮化硼薄膜在空气中存放1小时后开始剥落。
实施例4
将采用溅射方法(属PVD方法)沉积在金刚石衬底上的立方氮化硼薄膜(薄 膜初期的非立方相层厚度为 20nm，立方相层的厚度为140nm)，放入加热室中 抽真空至l(T5 Torr，然后充入氦气，将加热室抽真空到l(T3T0rr，将加热室升温 到1200°C保温5小时后冷却至室温，该实例立方氮化硼薄膜的残留压縮应力从 5GPa降低到小于3GPa。该立方氮化硼薄膜在空气中存放超过10个月没有从 衬底上剥落。而没有经过该处理的立方氮化硼薄膜在空气中存放1天后开始剥 落。
实施例5
将采用PECVD方法沉积在石英衬底上的立方氮化硼薄膜(薄膜初期的非立方相 层厚度为 10nm，立方相层的厚度为110nm)，放入加热室中抽真空至l(T7 Torr， 然后充入N2，将加热室抽真空到10"Torr，将加热室升温到1200°C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縮应力从 6GPa降低到小于 3GPa。图2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。
该立方氮化硼薄膜在空气中存放超过IO个月没有从衬底上剥落。而没有经 过该处理的薄膜在空气中存放3小时就开始剥落。实施例6
将采用PECVD方法沉积在陶瓷衬底上的立方氮化硼薄膜(薄膜初期的非立 方相层厚度为 10nm，立方相层的厚度为200nm)，放入加热室中抽真空至10_7 Torr，然后充入An将加热室抽真空到10—5Torr，将加热室升温到1200°C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縮应力从 6GPa降低到小 于4GPa。该立方氮化硼薄膜在空气中存放超过10个月没有从衬底上剥落。而 没有经过该处理的立方氮化硼薄膜在空气中存放半小时后开始剥落。
实施例7
将采用溅射方法沉积在石英衬底上的立方氮化硼薄膜(薄膜初期的非立方相 层厚度为 20nm，立方相层的厚度为140nm)，放入加热室中，加热室抽真空至 l(T3 Torr，然后保持真空度不变，将加热室升温到1200°C保温5小时后冷却至 室温，该实例立方氮化硼薄膜的残留压縮应力从 5GPa降低到小于2GPa。该立 方氮化硼薄膜在空气中存放超过IO个月没有从衬底上剥落。而没有经过退火处 理的立方氮化硼薄膜在空气中存放半天后开始剥落。
权利要求
1.纳米晶立方氮化硼薄膜中残留压缩应力的释放方法，其特征是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℃，保温1-5小时，冷却至室温即可。
2. 根据权利要求1所述的纳米晶立方氮化硼薄膜中残留压縮应力的释放方 法，其特征是所说的保护气体是氢气、氦气、氖气、氩气、氪气以及氮气中的 一种或几种。
3. 根据权利要求1所述的纳米晶立方氮化硼薄膜中残留压縮应力的释放方 法，其特征是所说的立方氮化硼薄膜是用PECVD方法或者PVD方法沉积在衬 底上的立方氮化硼薄膜。
4. 根据权利要求3所述的纳米晶立方氮化硼薄膜中残留压縮应力的释放方 法，其特征在于衬底是硅、石英、金刚石、蓝宝石、氮化钛、碳化硅、玻璃、 陶瓷或硬质合金。
全文摘要
本发明公开了一种纳米晶立方氮化硼薄膜中残留压缩应力的释放方法，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<sup>-3</sup>Torr，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。该方法可用于在各种衬底上沉积的立方氮化硼薄膜的残留压缩应力的释放，并且不改变立方氮化硼薄膜的组成、结构和表面形貌。极大提高立方氮化硼薄膜在各种衬底上的结合力。使立方氮化硼薄膜适用于制备加工铁基合金的刀具和磨具等，也可以适用在光学元件的保护膜，高温电子器件等领域。
文档编号C23C16/34GK101565822SQ20091009861
公开日2009年10月28日 申请日期2009年5月21日 优先权日2009年5月21日
发明者杨杭生 申请人:杭州天柱科技有限公司