等离子体增强化学气相沉积法制备立方氮化硼薄膜过程中的应力形成与释放机理

摘要

立方氮化硼有优异的物理化学性质，如仅次于金刚石的高硬度，宽带隙、高击穿电压、低介电常数、高电阻率和高热导率，还有一些优于金刚石的性质，如更高的热稳定性和化学稳定性，容易实现p型和n型掺杂等。立方氮化硼的性质决定了它在力学、电学和光学领域都有很好的应用前景。
　　 目前c-BN薄膜主要依靠气相沉积法制备，在制备过程中普遍使用高荷能离子轰击，使薄膜内残留压应力积聚，制得的薄膜与衬底的附着力不强，容易剥落。如何解决薄膜中的应力释放问题，制得高质量的厚膜一直是cBN薄膜研究中的一个热点和难点。另外，红外光谱法作为最常用的估算c-BN薄膜中的立方相浓度和残留应力状况，被发现有较大的局限性。
　　 本文利用在H2气氛中1500K高温退火，发现可以有效释放残留在c-BN薄膜中的残留应力极大提高薄膜在硅和石英衬底上的稳定性，并发现残留应力诱发的c-BN薄膜红外光谱的一系列变化。通过红外吸收峰的位置改变和Stoney方程来计算c-BN薄膜中所含的压缩应力的方法，发现对于薄膜中的sp2杂化的BN相关的位于780和1380 cm-1的两个吸收峰，在压缩应力的作用下，一个发生蓝移(2.74 cm-1/GPa)，另个发生红移(-3.08 cm-1/GPa)。由此，可以准确评价c-BN薄膜在成核阶段的应力状况。本文还从间隙Ar原子引起的c-BN晶胞的畸变诱发应力累积的原理出发，发现c-BN薄膜的残留应力与间隙Ar原子浓度相关，并探讨了可能的于此引起的对IR吸收强度的影响。
　　 另外，本文的实验和模拟结果还显示，c-BN的硫掺杂过程中，硫替代B的位置在能量上是有利的。S替代N位掺杂会在导带底产生浅杂质能级，而S替代B位掺杂会在带隙中产生深杂质能级，两种替位掺杂形式都能形成n型cBN。