立方氮化硼薄膜的制備及研究
通過(guò)工藝對比，考察了過(guò)渡層在降低立方氮化硼薄膜內應力方面的作用，并研究了薄膜的力學(xué)性能。結果表明B-C-N 三元過(guò)渡層的添加有效地降低了薄膜內應力。X 射線(xiàn)光電子能譜結果顯示在B-C-N 三元過(guò)渡層內形成了成分的逐漸變化，同時(shí)各元素間雜化成鍵。過(guò)渡層的添加使得在硅片基底上成功制備了性能穩定的立方氮化硼厚膜。
立方氮化硼(c-BN) 與金剛石類(lèi)似，是集眾多優(yōu)異性能于一身的超硬材料。這些性能，如高硬度、寬帶隙、高電阻率、高熱穩定性和高化學(xué)穩定性等，使得它在許多領(lǐng)域有廣闊的應用前景。立方氮化硼薄膜的一個(gè)非常有前途的應用領(lǐng)域是作為各種耐磨部件的表面防護涂層，如切削工具的表面涂層。這就需要立方氮化硼涂層具有一定的厚度，如達到微米級。而在立方氮化硼薄膜的制備過(guò)程中積累的較大的內應力，使得立方氮化硼厚膜的制備難以實(shí)現。在各種立方氮化硼薄膜的制備技術(shù)中，大都需要具有一定能量的荷能離子轟擊，從而滿(mǎn)足立方氮化硼形核和生長(cháng)的條件。這種荷能離子的轟擊將不可避免的帶來(lái)很高的壓應力及薄膜內應力，進(jìn)而導致涂層在生長(cháng)過(guò)程中與基底剝離。圍繞薄膜內應力與膜基結合力這一矛盾進(jìn)行的研究較多。降低立方氮化硼薄膜內應力的方法主要包括：高溫沉積法，兩步處理法，添加第三種元素，如少量的O，H，Si，以及添加梯度過(guò)渡層等。添加的梯度過(guò)渡層包括：h-BN 緩沖層，BNx層，以及三元B-C-N 層等。其中選擇三元B-C-N 薄膜作為過(guò)渡層具有較好的效果，原因有二：其一是形成的中間層具有適中的硬度；其二過(guò)渡層與立方氮化硼薄膜可以形成成分上的漸變。
本文采用過(guò)渡層技術(shù)，在硅片上先沉積三元BC-N 過(guò)渡層，再沉積c-BN 層，有效地降低薄膜內應力，實(shí)現了c-BN 厚膜的制備。同時(shí)，本文也對薄膜的結構、成分、表面狀態(tài)和納米硬度進(jìn)行了表征。
1、實(shí)驗
實(shí)驗中薄膜樣品是采用射頻反應磁控濺射系統制備的。薄膜沉積以六方氮化硼( h-BN) 和石墨為靶材，氬氣、氮氣為工作氣體，基底材料為Si(100) 。沉積過(guò)程中選擇優(yōu)化的溫度(500 ～400℃)和氣體分壓(0.13 Pa) ，h-BN 靶射頻功率密度9.6W/cm2�；_連接直流負偏壓電源�；�(jīng)過(guò)嚴格的清洗放置于真空室中，在真空度達到5 × 10-3Pa 后，通入氬氣。薄膜沉積前，分別對基片臺和靶進(jìn)行清洗和預濺射。預濺射完成后，進(jìn)行過(guò)渡層及膜層的沉積。首先以h-BN 靶和C 靶共同濺射，在純氬氣氣氛中，制備出一定厚度的B-C-N 三元過(guò)渡層。隨后通入氮氣，并逐漸增加氮氣流量(1mL /min /step) 和降低C 靶功率(20 W/step) ，制備梯度過(guò)渡層。最后關(guān)掉碳靶，以h-BN 靶材在氮氣氬氣氣氛中制備c-BN 層。具體的參數變化過(guò)程如圖1 所示。為了驗證過(guò)渡層的添加對薄膜內應力的作用，首先制備了一組添加過(guò)渡層和無(wú)添加過(guò)渡層的c-BN 薄膜樣品，膜厚均為600 nm。之后采用過(guò)渡層技術(shù)制備了不同厚度的薄膜，考察了其力學(xué)性能隨膜厚的變化。薄膜的膜厚通過(guò)觀(guān)察薄膜斷面掃描照片得到。通過(guò)傅里葉變換紅外光譜(FTIR) 、X 射線(xiàn)光電子能譜(XPS) 、原子力顯微鏡(AFM) 以及納米壓痕(nano-indentation) 等測試，對薄膜的內應力、鍵結構、化學(xué)組分、表面形貌以及力學(xué)性能進(jìn)行了表征。
圖1 B-C-N 梯度過(guò)渡層沉積工藝示意圖
3、結論
本文采用B-C-N 過(guò)渡層技術(shù)在硅片上成功制備了c-BN 厚膜( 1.8 μm) ，其納米硬度達42 GPa。通過(guò)FTIR 估算了薄膜的立方相含量和內應力的變化。實(shí)驗證明過(guò)渡層在降低薄膜內應力方面有顯著(zhù)作用。過(guò)渡層的添加使得薄膜體系的成分和硬度呈現梯度變化，使得薄膜內應力得到釋放。
