一种化学气相沉积制备氮化硼薄膜的方法与流程

本发明属于氮化硼薄膜制备，具体涉及一种化学气相沉积制备氮化硼薄膜的方法。

背景技术：

1、氮化硼薄膜具有优异的化学稳定性，耐高温，耐腐蚀，在航空航天等工业领域发挥着重要的作用。连续碳化硅(sic)纤维增韧的sic/sic复合材料是一种广泛使用的航空材料，氮化硼薄膜可以作为sic/sic复合材料的界面层，提高sic纤维和sic基体之间的结合力，从而提高这类材料的稳定性。为实现氮化硼薄膜作为界面层的优异性能，在半导体衬底上实现氮化硼薄膜的可控制备是关键技术，目前主要通过化学气相沉积法(cvd)来实现。大多以bcl3/nh3、bh3nh3和硼嗪等含n和b的化合物或其混合物为前驱体。例如“influenceofpressure on chemical vapor deposition ofboron nitride from bcl3/nh3/h2 gasmixtures”(m.wang；l.jia；h.xu；a.li；y.peng；z.tang,.ceramics international46(4),4843-4849(2020))公开了以bcl3和nh3为前驱体，可以在sic纤维上沉积bn薄膜，但是由于氮化硼前驱体大多遇水和空气不稳定，在实际操作中极易被氧化或水解，从而使反应物中引入氧。氧的存在会使生成的bn薄膜被部分氧化，导致薄膜中氧含量较高，同时影响bn薄膜的结晶性。这些缺点导致bn薄膜生长过程不可控，难以得到品质均一稳定的薄膜。

2、“controllable coating of boron nitride on ceramic fibers by cvd atlow temperature”(n.sun；c.wang；l.jiao；j.zhang；d.zhang,.ceramics international43(1),1509-1516(2017))中公开了以氨硼烷为前驱体，在半导体衬底上生长bn薄膜，但是得到的氮化硅薄膜的结晶程度仍然较低，难以从衬底上剥离得到完整的bn薄膜。

3、因此，如何制备得到氧含量低且结晶度高的bn薄膜仍是目前bn薄膜制备的一大挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种化学气相沉积制备氮化硼薄膜制备的方法，本发明提供的方法得到的氮化硼薄膜含氧量低，结晶度高，薄膜整体均一稳定，且能够从衬底上剥离，得到完整的bn薄膜。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明提供了一种化学气相沉积制备氮化硼薄膜的方法，包括以下步骤：

4、在流动的载气的保护中，将位于载气流动方向上游的含氮硼前驱体加热除氧和水，得到预处理含氮硼前驱体；所述预处理的温度＜所述含氮硼前驱体的分解温度；

5、在流动的载气的保护中，将位于载气流动方向下游的半导体衬底加热，得到预热半导体衬底；

6、在流动的载气的保护中，将所述预处理含氮硼前驱体加热分解，得到含氮硼的气态分解产物，所述含氮硼的气态分解产物随流动的载气与所述预热半导体衬底表面接触，在所述预热半导体衬底表面生长氮化硼，得到初始氮化硼薄膜；

7、在保护气体气氛中，将所述初始氮化硼薄膜加热进行退火处理，得到所述氮化硼薄膜。

8、优选的，所述退火处理的保温温度为1000～1400℃，所述退火处理的保温时间为1～4h。

9、优选的，当所述退火处理的保温温度为1000℃时，由室温加热至所述退火处理的保温温度的加热速率为5～10℃/min；

10、当所述退火处理的保温温度＞1000℃时，由室温加热至所述退火处理的保温温度的加热程序包括第一加热阶段和第二加热阶段；所述第一升温阶段为：由室温按照第一加热速率加热至1000℃，所述第一加热速率为5～10℃/min；所述第二加热阶段为：由1000℃按照第二加热速率加热至至所述退火处理的保温温度，所述第二加热速率为1～3℃/min。

11、优选的，所述含氮硼前驱体包括氨硼烷或环硼氮烷；所述预处理的温度为35～80℃，所述预处理的保温时间为30～120min。

12、优选的，所述预热半导体衬底的温度为400～1000℃，由室温加热所述预热半导体衬底的温度的加热速率为2～10℃/min。

13、优选的，得到预热半导体衬底后，对所述预处理含氮硼前驱体加热之前，还包括对所述预热半导体衬底进行保温处理，所述保温处理的时间为0.5～2h。

14、优选的，所述预处理含氮硼前驱体加热发生分解的温度为100～120℃；

15、优选的，所述氮化硼的生长的时间为1～60min。

16、优选的，所述载气包括惰性气体和氢气，所述惰性气体和氢气的体积比为(1～3):1。

17、优选的，所述含氮硼前驱体和所述半导体衬底的间距为30～50cm；

18、所述含氮硼前驱体的质量与所述半导体衬底的面积之比为(0.1～1)g:0.25cm2。

19、本发明提供了一种化学气相沉积制备氮化硼薄膜的方法，包括以下步骤：在流动的载气的保护中，将位于载气流动方向上游的含氮硼前驱体加热除氧和水，得到预处理含氮硼前驱体；所述预处理的温度＜所述含氮硼前驱体的分解温度；在流动的载气的保护中，将位于载气流动方向下游的半导体衬底加热，得到预热半导体衬底；在流动的载气的保护中，将所述预处理含氮硼前驱体加热分解，得到含氮硼的气态分解产物，所述含氮硼的气态分解产物随流动的载气与所述预热半导体衬底表面接触，在所述预热半导体衬底表面生长氮化硼，得到初始氮化硼薄膜；在保护气体气氛中，将所述初始氮化硼薄膜加热进行退火处理，得到所述氮化硼薄膜。本发明首先对所述含氮硼前驱体进行加热预处理，去除含氮硼前驱体吸附的氧气和水分，避免含氮硼前驱体加热分解时含氧的杂质对半导体衬底表面生长的氮化硼晶体氧化，从而有效降低氮化硼薄膜的含氧量，提高氮化硼晶体的结晶度和纯度；另一方面，本发明对生长得到的氮化硼薄膜加热退火，进一步促进氮化硼晶体生长，得到的氮化硼薄膜为六方氮化硼晶体薄膜，含氧量低，结晶度高，薄膜整体均一稳定，且能够从衬底上剥离，得到完整的bn薄膜。

技术特征：

1.一种化学气相沉积制备氮化硼薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述退火处理的保温温度为1000～1400℃，所述退火处理的保温时间为1～4h。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述退火处理的保温温度为1000℃时，由室温加热至所述退火处理的保温温度的加热速率为5～10℃/min；

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含氮硼前驱体包括氨硼烷或环硼氮烷；所述预处理的温度为35～80℃，所述预处理的保温时间为30～120min。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预热半导体衬底的温度为400～1000℃，由室温加热所述预热半导体衬底的温度的加热速率为2～10℃/min。

6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，得到预热半导体衬底后，对所述预处理含氮硼前驱体加热之前，还包括对所述预热半导体衬底进行保温处理，所述保温处理的时间为0.5～2h。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述预处理含氮硼前驱体加热发生分解的温度为100～120℃。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生长氮化硼的时间为1～60min。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述载气包括惰性气体和氢气，所述惰性气体和氢气的体积比为(1～3):1。

10.根据权利要求1或8所述的方法，其特征在于，所述含氮硼前驱体和所述半导体衬底的间距为30～50cm；

技术总结
本发明属于氮化硼薄膜制备技术领域，具体涉及一种化学气相沉积制备氮化硼薄膜的方法。本发明提供的方法：在流动的载气的保护中，将含氮硼前驱体加热进行预处理，将衬底加热，将预处理含氮硼前驱体加热分解，在预热半导体衬底表面生长氮化硼，得到的初始氮化硼薄膜退火处理，得到所述氮化硼薄膜。本发明采用先生长后退火的处理方法，制备出含氧量低、结晶度高的六方氮化硼薄膜。本发明对前驱体加热预处理，降低氮化硼薄膜的氧含量。改变退火温度，可调控薄膜的结晶性。本发明制备的氮化硼薄膜为具有单一晶相的h‑BN薄膜，独立完整且可直接从衬底上剥落。

技术研发人员：姚运喜,陈均,冯博民,焦健,杨金华,杨轶飞,郝亚伟
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院材料研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12