网站地图 核心服务 帮助中心 热线:0315-5918688
2020-07
耐材之窗耐火原料指数
综合指数
  • 综合指数:160.17
  • 上月:160.53
  • 环比: -0.22%
  • 去年同期:202.37
  • 同比: -20.85%
产品指数
  • 铝矾土:2285.00 上月:0.00 环比: 0.00% 去年同期:2200.00 同比: +3.86%
  • 碳化硅:6025.00 上月:0.00 环比: 0.00% 去年同期:6950.00 同比: -13.31%
  • 鳞片石墨:3587.50 上月:0.00 环比: -2.71% 去年同期:4350.00 同比: -17.53%
  • 中档镁砂:1550.00 上月:1550.00 环比: 0.00% 去年同期:0.00 同比: -48.00%
  • 普通电熔镁砂:2767.00 上月:2767.00 环比: 0.00% 去年同期:4200.00 同比: -39.00%
  • 棕刚玉:4700.00 上月:4750.00 环比: -1.00% 去年同期:0.00 同比: -11.30%
  • 白刚玉:4250.00 上月:4200.00 环比: 0.00% 去年同期:0.00 同比: -19.80%
  • 棕刚玉:4500.00 上月:4500.00 环比: 0.00% 去年同期:0.00 同比: -19.60%
当前位置:耐材之窗 > 技术信息 > 氮化硼薄膜制备技术研究进展
氮化硼薄膜制备技术研究进展
  用手机查看 浏览量:127 2006-08-22 发布时间:
1 前言 氮化硼是Ⅲ~V族共价化合物,具有sp2及sp3两种杂化方式,常见的有5种异构体:sp2杂化的六方氮化硼(h-BN)和三角氮化硼(r-BN)及sp3杂化的立方氮化硼(c-BN)和密排六角氮化硼(w-BN),另外一种为氮化硼的高压相E-BN。h-BN为常温常压下稳定态,其结构与石墨相似,具有平面网层状结构。c-BN是高温高压条件下由h-BN转化而成的。h-BN摩擦系数低,热导率高,热稳定性好,高温下不与铁族金属发生反应,广泛应用于冶金方面;绝缘性好,用于制作电力转化绝缘材料;在紫外、红外甚至可见光区内有良好的透过性,以及高声波传送速率,广泛应用于光学、声学方面;利用h-BN薄膜表面负电子亲和势性质,可用于制作场发射器件。c-BN具有非常优异的力学、化学、光学及电学性能。它具有较高的硬度,并且在高温稳定,可用于制作高速切削工具;禁带间隙宽,作为半导体材料用于制作高温、高频、抗辐射电子器件;低介电常数及良好的化学稳定性,使其成为集成电路良好的热沉材料和绝热涂覆层;与其他材料掺杂制成半导体;在许多领域中应用前景十分广阔。 2 氮化硼薄膜的制备方法 氮化硼薄膜具有优异的性能,其制备技术一直受到广大研究者的关注。近年来在薄膜的生长机理、影响因素等方面的深入研究成果显著。新技术作为辅助手段不仅丰富了薄膜制备方法,而且促进了氮化硼薄膜质量的提高,进一步拓宽了其应用领域。氮化硼薄膜的制备方法基本可以分为两大类:化学气相沉积法和物理气相沉积法。 2.1 化学气相沉积法 化学气相沉积原理是建立在化学反应的基础上的,习惯上把反应物是气体而生成物之一为固体的反应称为CVD反应。CVD法制备BN薄膜主要是通过分解含B、N的化合物而在衬底上反应生长BN薄膜。沉积BN薄膜时,往往利用许多辅助技术来促进化合物分解,加快反应进行。根据辅助技术及分解的方式不同,CVD法又可分为:射频等离子体增强化学气相沉积法(RF-CVD)、热丝辅助化学气相沉积法(HF-CVD)、脉冲等离子体化学气相沉积法(RP-CVD)、微波等离子体化学气相沉积法(MW-CVD)、电子回旋共振化学气相沉积法(ECR-CVD)、有机金属分解化学气相沉积(MO-CVD)、离子束辅助脉冲激光沉积法(IA-PLD)等。利用化学气相沉积制备BN薄膜所用的原料主要有氨气(NH3)、氮气(N2)、硼烷(B2H6)、三氯化硼(BCl3)以及B10H19、BH3NH3、NaBH4、B(N3)3等多种。 CVD法沉积氮化硼薄膜,其质量与沉积条件(衬底温度、气压、流量、激发功率)密切相关。成膜设备简单,操作灵活、容易,成本较低,但是使用CVD法制备BN薄膜时对衬底温度要求较高,并且反应气体有毒、易燃、易爆,存在一定的危险性。 目前,CVD法制备氮化硼薄膜技术发展迅速,辅助手段的应用不仅降低了沉积温度,而且改善和提高了薄膜的致密度及结合强度。K .R.Hobbs等以B(N3)3为硼源,用等离子CVD法在低温沉积薄膜;J.Yu等用射频等离子CVD法制备了BN薄膜;Katsumitsuan Nakamura等用MO-CVD法合成了氮化硼薄膜。H.Hofsss等对薄膜的生长机理做丁进一步的探讨。下面就以常用的两类制备BN薄膜的CVD法为例作简要阐述。 2.1.1 普通化学气相沉积法 使用CVD法制备氮化硼薄膜时,一般情况下选用NH3作为氮源,混以氢气,选用BCl3、BF3、B2H6、BBr3作为硼源。当以BCl3作为硼的引入原料时,在600℃的低温下可以成膜,但要获得h-BN相薄膜,对基体的温度要求较高,否则形成无定形态的BN薄膜。若以B2H6作为硼源制备BN薄膜,其生长速率较BF3、BCl3低,并且在低于1000℃获得的薄膜中氮化硼相为无定形态的a-BN,退火后,实现由a-BN向h-BN的相转变。另外一种硼源为BBr3,依据卤化硼中的卤元素在元素周期表中的排列可知,BBr3的热稳定性要低于BCl3和BF3,且低温下其化学活性强,实验过程容易操作、控制,更为安全(原因为BCl3易燃易爆)。 Byung-jin Choi以BBr3作为硼源、以NH3 作为氮源并辅以氢气和氩气、以石墨为基体制备了氮化硼薄膜。反应气体NH3和H2引入到反应器的上部,0℃饱和的氩气与BBr3分别通过不同的管路输入到反应器中,通过真空泵调节反应腔体的气压。普通化学气相沉积法装置如图1所示: 影响沉积薄膜质量的因素为:①气体的混合比。NH3/BBr3气体的混合比决定薄膜内的相结构组成。根据薄膜制备要求(立方态或是六方态)选取合适的混合气体NH3/BBr3的比值来控制薄膜中相结构组成。由于在该体系中,必然出现NH3与BBr3的反应物NH4Br,所以合成过程BBr3要过量。②温度及压力。基体的温度及反应腔体内的压力对薄膜沉积速率有重要的影响。一般来说,薄膜生长速率随着基体温度升高呈现先增大而后减小的趋势。反应系统的压力不同,沉积速率达到较大值时所对应的温度值不同,一般反应系统的压力低时,薄膜的较大沉积速率对应的温度值更高。 2.1.2 等离子体化学气相沉积法 等离子体增强化学气相沉积法是利用辉光放电的物理作用来激活化学气相沉积反应。在薄膜制备过程中,除热化学反应作用以外,还存在着辉光放电作用引发的等离子化学反应。用于激活CVD的等离子体有:射频等离子体、直流等离子体、微波等离子体以及电子回旋共振等离子体。成膜特点:可在低温成膜,形成薄膜组织致密,内应力小,不易形成裂纹,薄膜与基体的附着力大于普通CVD法制备的薄膜,扩大了化学气相沉积的范围。 张生俊等以N2和B2H6的混合气体作为反应气体,热丝加热基体,采用热丝辅助ECR-CVD法成功制备了氮化硼薄膜。 影响沉积薄膜质量的因素有:①热丝电流。热丝对薄膜中是否形成立方相有重要的影响。当热丝电流过小时,产生的活化基团密度小且能量低,不足以形成立方相;当热丝电流足够高时,反应气体充分离化,产生活化基团的密度及能量能够促进立方相的形成。因此根据薄膜相组成要求选择适宜的电流值。②气体分压比。反应气体分压比是影响薄膜取向生长的重要因素。由于反应气体种类不通,其离化率不同,随着反应气体分压比增大,薄膜中氮化硼相的c轴位置发生显著变化—由几乎垂直于沉积表面逐渐过渡到平行衬底表面。 2.2 物理气相沉积法 物理气相沉积(PVD)法大多是在高真空环境下,将高纯单质硼或h-BN蒸发,并同时辅以氩离子轰击衬底表面而合成薄膜。PVD法主要分为蒸发法和溅射法。蒸发法按照蒸发方式不同,又可分为离子束蒸发法(直接用电阻加热或电子束加热)、离子辅助脉冲激光蒸发法、活性反应蒸发法等。溅射法是采用h-BN(一般采用热压烧结)为靶,N2和Ar的混合气体作为溅射气体来制备BN薄膜,常见的有射频反应溅射法和磁控溅射法。PVD法制备硼薄膜的特点是薄膜结构均匀单一,纯度高,缺点是设备复杂、成本高、生长速率低等。 近年来,研究者在PVD技术方面做了有益的探索,初步阐述了薄膜的生长机理,并对PVD方法的不足作了补充和完善。田晶泽等采用脉冲直流偏压磁增强活性离子镀系统,以脉冲直流偏压代替传统的射频偏压合成了高质量的氮化硼薄膜;乐永康用自偏压磁控溅射法制备了性能优异的氮化硼薄膜;M.A. Djouadi等对薄膜合成过程中的六方相向立方相过渡与转化问题进行了探讨与研究;S. Eyhusen等就离子能量阅值与薄膜稳定性问题作出了阐述。下面就两种常用的PVD法作简要的阐述。 2.2.1 离子束辅助蒸发法 离子束辅助沉积是将离子注入与薄膜沉积结合在一起,在基体材料上沉积薄膜的同时,用十到几十万电子伏能量的离子束对基体进行轰击,利用沉积原子和注入离子之间一系列的物理化学作用,在基体上形成薄膜。由于离子束的注入,改善了基体与薄膜的结合强度与性能,可以在较低的轰击能量下制膜。 J-E.Doring等采用单质硼(纯度>99%)作为硼源,以N2和Ar的混合气体作为反应气体。通过控制反应中N2+和N+的比值,以及离子束入射的角度,背景真空度,合成了质量和性能较好的薄膜。离子束辅助蒸发法装置如图2所示。 影响沉积薄膜质量的因素有:①离子能量与电流密度。在制备过程中,离子轰击基体,改善了薄膜的结合性能,增加附着强度;离子能量的高低与形成薄膜中的相组成密切相关。高能量有利于立方相的形成,是生成立方相的推动力,但是过多的离子能量会在薄膜内产生缺陷;而低能量则对六方相的形成有利。离子电流密度的大小对薄质量影响的变化趋势与离子能量类似。②气体分压比。气体分压比不同直接影响薄膜的结构与性能。若反应气体中氨气的含量增大,有利于c-BN相的形成;若以纯氮气作为反应气体,薄膜中仅含有h-BN相。 2.2.2 射频磁控溅射法 射频磁控溅射法是溅射镀膜方法的一种。溅射建立在辉光放电的基础上,溅射离子来源于低压电离后的阳离子。射频磁控溅射是对磁控溅射的电极加以改进,垂直于阳极暗区电场方向添加磁场,用磁场作用来约束带电粒子的运动。因此,射频磁控溅射综合了射频磁控溅射放电和磁控辉光放电的优点,既减少对阳极的损伤,同时又提高了溅射效率。 X.Z.Ding等用射频磁控溅射法制备BN薄膜,以热压烧结的h-BN薄片作为靶材,在适宜的真空背景和工作气压下,以N2和Ar的混合气体作为反应气体合成薄膜。 影响薄膜质量的因素有:①射频功率。射频功率是制备薄膜过程中一个很重要的因素。射频功率的大小直接影响轰击靶材离子的能量,进一步影响溅射率,在薄膜的生长速率没有达到饱和之前,薄膜的生长速率随射频功率的增大而增大;达到饱和值后,由于沉积原子的反溅射率增强,薄膜生长速率随射频功率的增大而减小。②基体温度和偏压。基体温度与薄膜的相结构(立方或是六方)组成密切相关。研究表明:基体温度在低于150℃以下时,c-BN就很难形成;另一方面,基体温度对所生成的h-BN相的取向相关。偏压的大小与薄膜中的相结构组成的关系比较复杂。③工作气体的分压比。气体的分压比对薄膜质量的影响与离子束辅助蒸发法中类似。 3 薄膜的现状及发展 当前,尽管薄膜的制备技术已实现多样化,但薄膜存在的质量问题不容忽视。突出反映在:生长速率受到离子流量的限制,造成薄膜生长速率低;由于薄膜生长过程中的离子轰击作用,薄膜残余较大的内应力,造成薄膜与基体附着强度差,薄膜容易从基体剥离;由于薄膜生成中内应力造成的负面影响,薄膜厚度
附件下载
    关于我们 | 本网动态 | 核心服务 | 帮助中心 | 纠错热线 | 征稿启事 | 友情链接 | 诚聘英才 | 联系我们 | 营业执照 | 版本迭代
    主办单位:
    协办单位:
    信 息 站:
    东北信息站 华北信息站 华东信息站 中南信息站 西北信息站 西南信息站
    • 中国耐材之窗网官方微信 微信扫一扫,关注wwwfm086获取最新耐火材料行业资讯
    • 银耐联官方微信 扫描二维码,关注官方微信平台
    • 耐材之窗信息交流群 耐材之窗信息交流群 QQ群:110627226
    版权所有:中国耐火材料行业协会 唐山银耐联电子商务有限公司 自动传真:0315-5918828 电子邮件:admin@fm086.com
    服务热线:0315-5918688
    在线交流: 66060043 8776707 110627226 耐材之窗   26327616 钢厂耐材采购辅助群
    ICP经营许可证编号:冀B2-20060049 ICP备案号:冀ICP备11009155号-3 ts公备:13020002000628
    冀公网安备 13024002000177号    营业执照