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TWI856809B - 製備氮化硼薄膜的方法與氮化硼薄膜 - Google Patents

製備氮化硼薄膜的方法與氮化硼薄膜 Download PDF

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Publication number
TWI856809B
TWI856809B TW112133924A TW112133924A TWI856809B TW I856809 B TWI856809 B TW I856809B TW 112133924 A TW112133924 A TW 112133924A TW 112133924 A TW112133924 A TW 112133924A TW I856809 B TWI856809 B TW I856809B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
boron nitride
nitride film
preparing
control mechanism
substrate
Prior art date
Application number
TW112133924A
Other languages
English (en)
Inventor
郭文哲
李文亮
李豪浚
郭原良
平欣
周炎霖
劉建和
蔡明新
Original Assignee
宇川精密材料科技股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Application filed by 宇川精密材料科技股份有限公司 filed Critical 宇川精密材料科技股份有限公司
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Publication of TWI856809B publication Critical patent/TWI856809B/zh

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本發明提供了一種製備氮化硼薄膜的方法與氮化硼薄膜,該方法主要包括將包含硼原子和氮原子的前驅物提供給一能量控制機構,並在該能量控制機構中形成前驅物的激發態,最後在基板上形成一材料層,其中該材料層包含氮化硼。該方法的關鍵在於使用一個能量控制機構,該機構包含一個發出特定波長範圍的第一電磁波源。該方法的優點在於可以在較低的溫度下進行操作,降低了對基板造成熱損傷的風險,並且也減少了能源的消耗。此外,該方法還包含了一些可選的步驟,這些步驟可以進一步增強氮化硼薄膜的形成。

Description

製備氮化硼薄膜的方法與氮化硼薄膜
本發明涉及一種薄膜沉積方法及薄膜,特別是指一種製備氮化硼薄膜的方法及氮化硼薄膜。本發明屬於薄膜領域,特別是與製備氮化硼薄膜的方法相關。
氮化硼薄膜因其獨特的機械、熱、化學和電學性質而受到廣泛關注。這些性質使得氮化硼薄膜非常適合用於各種高溫和高壓應用,例如切削工具、電子器件和保護塗層。合成氮化硼薄膜通常涉及使用硼脲和氨硼烷等前驅物的化學氣相沉積或物理氣相沉積技術。 然而,由於難以控制薄膜的化學計量比、相態和微觀結構,高品質BN薄膜的合成仍然面臨著挑戰。例如,傳統的化學氣相沉積技術需要在高溫下進行,這可能會導致基板的熱損傷,並且也會增加能源的消耗。此外,物理氣相沉積技術雖然可以在較低的溫度下進行,但是其對於薄膜的化學計量比和相態的控制能力有限。 因此,儘管氮化硼薄膜具有許多優異的性質,但是其製備過程中的挑戰仍然限制了其在實際應用中的使用。如何解決上述問題,便是本領域具有通常知識者值得去思量地。
為了解決上述問題,本發明之目的在於提供一種製備氮化硼薄膜的方法及氮化硼薄膜。 基於上述目的與其他目的,本發明提供了一種製備氮化硼薄膜的方法,該方法包括以下步驟。首先,將包含硼和氮原子的前驅物提供給一能量控制機構。然後,在能量控制機構中形成前驅物的激發態。該激發態包含硼和氮原子,或部分或全部的配位基處於斷鍵狀態。接著,在基板上形成一材料層,其中該材料層包含氮化硼。在此過程中,能量控制機構包含一第一電磁波源,該第一電磁波源發出特定波長範圍的電磁波。 在某些實施例中,前驅物是選自硼和氮的分子百分比為1:1的化合物。而且,該前驅物選自包括環硼氮環烷(B 3H 6N 3)、三甲基胺硼烷(TDMAB,C 3H 12BN)、四甲基胺硼烷、硼脲、氨硼烷(BH 6N)、三(乙基甲基胺)硼烷(TEMAB)等硼與氮分子百分比為1:1之化合物。 在某些實施例中,該方法還包括在基板上形成基板偏壓,以減少粒子在基板表面的落下。 為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂,下文特舉較佳實施例,並配合所附圖式,作詳細說明如下。
請參考圖1中描繪的過程,本發明提供了一種在基板上沉積氮化硼層的方法。該方法首先提供一種包含硼原子和氮原子的前驅物給能量控制機構,如步驟S110所示。該前驅物是選自硼和氮的分子百分比為1:1的化合物。這些化合物包括環硼氮環烷(Boron-Nitrogen Cycloalkanes, B3H6N3)、三甲基胺硼烷(Trimethylamine Borane, TDMAB,C3H12BN)、四甲基胺硼烷(Tetramethylammonium Borohydride)、硼脲(Boron Nitride)、氨硼烷(Ammonia Borane, BH6N)、以及三(乙基甲基胺)硼烷(Triethylmethylamine Borane, TEMAB)。環硼氮環烷在室溫下是無色液體,並且由於其高熱穩定性,經常用作沉積氮化硼薄膜的前驅物。三甲基胺硼烷是一種以其高反應性和揮發性而聞名的化合物,使其適合於化學氣相沉積過程。四甲基胺硼烷是一種在空氣中穩定的化合物,可以用作氮化硼膜的單源前驅物。硼脲是一種在正常條件下穩定的化合物,可以用作合成氮化硼納米管的前驅物。氨硼烷是一種在室溫下為固體的化合物,可以用作合成氮化硼納米管和納米片的前驅物。三(乙基甲基胺)硼烷是一種在正常條件下穩定的化合物,可以用作合成氮化硼膜的前驅物。在本發明中,這些化合物可以單獨或組合使用。 請同時參考圖1與圖2A,其描繪了本發明的能量控制機構的一種實施例。能量控制機構100包括一電源供應器101、一第一電磁波源102、以及一個用於發射電磁波的傳播裝置103,該傳播裝置103例如為導波管或天線。其中,電源供應器101將為第一電磁波源102提供能量以產生電磁波,第一電磁波源102可以是一種在指定波長和能量級別下產生電磁波的裝置,而傳播裝置103將把電磁波引導向前驅物。此外,能量控制機構100還可以包括一個控制系統104,用於調整電磁波的波長和能量。在本實施例中,控制系統104包括一微處理器104a或其他類型的控制器,以及用於監測電磁波的波長和能量的感測器104b。微處理器104a可以根據感測器104b的讀數調整第一電磁波源102的操作,以維持所需的波長和能量級別。另外,能量控制機構100可以包括一冷卻系統105與一安全系統106,冷卻系統105可以防止能量控制機構100在操作過程中過熱,而安全系統106可以在能量控制機構100出現故障時關閉能量控制機構100。此外,能量控制機構100還存在一通道(未繪示),該通道供前驅物引入和帶出。 在本方法的其中一實施例中,將前驅物在特定的溫度條件下引入能量控制機構100。在本實施例中,溫度維持在25至400攝氏度的範圍內。將前驅物引入能量控制機構100是由一惰性載氣所進行的,該惰性載氣可以是氬氣、氦氣、氮氣或這些氣體的組合。惰性載氣的選擇取決於其能夠維持前驅物處於穩定狀態以及其與前驅物和能量控制機構100間的相容性。在此過程中,惰性載氣的流速可以調整以優化前驅物的激發態的形成。較高的流速可能用於快速將前驅物引入能量控制機構,而較低的流速可能用於確保前驅物與電磁波之間的充分交互作用。流速也可以根據能量控制機構內的溫度或壓力的變化進行調整。這允許對過程進行動態控制,確保在基板上形成高品質的氮化硼層。在其中一實施例中,包含硼原子和氮原子的前驅物在惰性載氣中之分子莫爾濃度介於0.5%到10%。惰性載氣進入能量控制機構100的流速設定為20-40sccm,能量控制機構100內的蒸氣壓力設定為20-60torr,並且惰性載氣的平均停留時間為10-100秒。 請繼續參考圖1與圖2A,在步驟S120中,透過能量控制機構100在前驅物中產生一種較高能量狀態,或稱為"激發態"。這個激發態包含使硼原子和氮原子處於激發態,或者包含部分或全部配位基處於斷鍵狀態。在其中一實施例中,能量控制機構100的第一電磁波源102所發送之電磁波的波長控制在180-500nm之間,能量在100W-600W之間。在另一種特定實施中,如圖2B所示,除了圖2A所示的各元件外,能量控制機構100’還包含一第二電磁波源107。這個第二電磁波源107的波長範圍在0.5nm-180nm之間,能量在100-600W之間。此第二電磁波源107的波長比第一電磁波源102的波長還要短,這是因為較短的波長對應較高能量的光子,這些較高能量的光子可以更有效地激發前驅物,導致激發態更為有效地形成。藉由調整第一電磁波源102與第二電磁波源107,可以優化前驅物的激發態的形成。 接著,請同時參照圖1與圖3,圖3所繪示為形成有氮化硼薄膜的基板。在步驟S130中,我們將處於激發態的前驅物導引到基板20的至少一表面上。這個步驟的關鍵在於前驅物處於激發態。在這個激發態下,前驅物的硼和氮原子或部分或全部的配位基處於斷鍵狀態。這種斷鍵狀態意味著硼和氮原子已經被激發,並且已經準備好與其他原子或分子進行化學反應。這種狀態的形成是通過將前驅物暴露於特定的能量條件下實現的,這些條件由我們的能量控制機構提供。當前驅物被導引到基板20上時,處於激發態的硼和氮原子開始在基板上形成一新的材料層21(如步驟S140所示)。這個新的材料層21包含氮化硼,亦即:氮化硼薄膜。在這個過程中,硼和氮原子在基板上的排列方式決定了形成的氮化硼層的具體性質。總之,步驟S130主要是將處於激發態的前驅物導引到基板上,並在基板上形成一個包含氮化硼的材料層。在此過程中,基板20的溫度維持在小於或約400°C。 上述材料層21可以包含六方氮化硼(h-BN)、四方氮化硼(c-BN)或非晶態氮化硼(a-BN)。材料層中的不同類型的氮化硼,如六方氮化硼(h-BN)、四方氮化硼(c-BN)或非晶態氮化硼(a-BN),是由於材料中硼和氮原子的不同結構排列。這些不同的結構導致不同的物理和化學性質,這對於不同的應用可能是有利的。例如,h-BN具有與石墨類似的層狀結構,使其作為潤滑劑非常有用。另一方面,c-BN具有與鑽石類似的結構,使其極度堅硬且對切削工具非常有用。非晶態氮化硼具有一種獨特的無規則性結構,這種結構賦予它一些與眾不同的物理和化學性質。這些性質在其他具有規則結構的材料中是無法找到的。因此,非晶態氮化硼在某些特定的專業應用中,例如在高溫或高壓環境下,或者在需要高度耐磨或抗腐蝕性能的情況下,都可以表現出優越的性能。此外,由於非晶態氮化硼的無規則性結構,它也具有出色的熱穩定性和化學穩定性,這使得它在許多高溫或化學惡劣的環境中都能保持其結構和性能不變。因此,非晶態氮化硼在許多工業應用中都被廣泛使用,例如作為高性能的潤滑劑、耐磨材料、抗腐蝕塗層等。 在此實施例中,基板20的材料是選自金屬、金屬合金、陶瓷、高分子或其組合的群組。詳細來說,金屬基板的材料可以選自包括鋁、銅、鋼或其組合的群組。金屬合金基板的材料可以選自包括不銹鋼、黃銅、青銅或其組合的群組。陶瓷基板可以選自包括氧化鋁、氧化鋯、碳化矽或其組合的群組。高分子基板的材料可以選自包括聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯或其組合的群組。基板材料的選擇可以取決於各種因素,例如氮化硼層的期望性質、產品的預期應用以及產品將被使用的條件。例如,本領域具有通常知識者可能會選擇金屬或金屬合金基板,因為其具有高熱導率。此外,本領域具有通常知識者也可能會選擇陶瓷基板,因為其具有高溫度抵抗性。並且,本領域具有通常知識者也可能會選擇高分子基板,因為其成本低且易於製造。此外,基板可以是這些材料的組合。例如,基板20的材料可以是金屬-陶瓷複合材料、金屬-高分子複合材料、陶瓷-高分子複合材料、或金屬-陶瓷-高分子複合材料。經由材料的組合可以實現性質的平衡,例如強度、韌性、熱導率和成本的平衡。 值得注意的是,可以在沉積氮化硼薄膜之前對基板20進行處理或塗覆,以增強材料層21與基板20的黏附力。例如,可以清潔基板、使基板粗糙、或者用底漆或黏附助劑塗覆基板。此外,在其中一實施例中,還可在基板20上設定一個稱為基板偏壓的電場,目的是為了減少帶電粒子在基板20之表面的沉積。基板偏壓可以是正偏壓或負偏壓,具體取決於帶電粒子的電荷極性。例如,如果帶電粒子主要帶有正電荷,則設定為正偏壓,反之則設定為負偏壓。基板偏壓的設定主要是為了排斥可能干擾沉積過程的帶電粒子,從而提高所沉積之氮化硼的品質。當基板上設定有偏壓時,這個電場會影響帶電粒子的運動,使得帶電粒子更難直接落在基板表面。這樣可以減少帶電粒子在基板表面的隨機沉積,從而使得形成的材料層21更加平滑和均勻。因此,基板偏壓的設定有助於提高氮化硼薄膜的品質。 此外,還請同時參照圖4,圖4所繪示為反應腔體的內部示意圖。在其中一實施例中,步驟S130是在一個裝有電漿源210的反應腔體200中實施,這樣的設計是為了提高氮化硼的形成速率。在這個過程中,反應腔體200內的電漿源210扮演著關鍵的角色。電漿源210的主要功能是產生電漿,這是一種包含等離子體的氣體,等離子體是一種電荷不平衡的物質狀態,包含相等數量的正電荷和負電荷。在這種狀態下,氣體的原子或分子被電漿源210的能量電離,形成帶電的粒子。這些帶電的粒子具有高能量,可以進一步與前驅物進行化學反應。在這個化學反應過程中,帶電粒子與前驅物中的硼原子和氮原子結合,形成氮化硼。這種化學反應過程是在反應腔體200內進行的,並且是在電漿源210的作用下進行的。此外,電漿源210可以有多種形式,例如直流電漿(DC plasma)、射頻電漿(RF plasma)、電子迴旋共振電漿(ECR plasma)或其組合。這些不同類型的電漿源都有其特定的操作條件和優點。例如,直流電漿源是最常見的電漿源類型,它使用直流電壓來產生電漿。射頻電漿源則使用射頻電壓來產生電漿,這種電漿源可以在較低的壓力下操作,並且可以產生較高密度的電漿。電子迴旋共振電漿源則使用磁場來產生電漿,這種電漿源可以在極低壓力下操作,並且可以產生極高密度的電漿。在本實施例中,電漿源210的能量輸出設定為超過300W,這個能量設定是為了確保電漿源可以有效地產生電漿,並且可以將足夠的能量傳遞給氣體的原子或分子,使其電離並形成帶電的粒子。這個能量設定也可以根據具體的應用需求進行調整。此外,電漿由至少一種選自包括氬氣、氦氣、氮氣、氫氣、氨氣的氣體或其組合組成。這些氣體的選擇取決於其能夠有效地產生電漿,以及其與前驅物和反應腔體的相容性。例如,氬氣和氦氣是最常用的電漿氣體,因為它們具有高的電離能,可以產生高密度的電漿。氮氣和氫氣則可以用於特定的應用,例如當需要在電漿中產生特定的化學反應時。氨氣則可以用於當需要在電漿中產生含氮的化學反應時。 綜上,本發明之製備氮化硼薄膜的方法與現有的氮化硼薄膜沉積方法相比具有多個顯著優勢。首先,該方法在較低的溫度下進行操作,這大大降低了對基板造成熱損傷的風險,並且也減少了能源的消耗。這種低溫操作的方法不僅提高了效率,也使得該方法更為環保。此外,本發明的方法還包含了一些可選的步驟,這些步驟可以進一步增強氮化硼層的形成。例如,該方法可以在基板上形成基板偏壓,這有助於減少帶電粒子在基板表面的沉積,從而提高氮化硼層的品質。此外,該方法還可以在反應腔體中包含電漿源,這有助於提高氮化硼的形成速率,從而提高生產效率。這些可選步驟使得該方法在製備氮化硼薄膜的過程中更為靈活,可以根據具體的需求進行調整。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作些許之更動與潤飾,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
S110-S140:流程圖符號 100:能量控制機構 101:電源供應器 102:第一電磁波源 103:傳播裝置 104:控制系統 104a:微處理器 104b:感測器 105:冷卻系統 106:安全系統 107:第二電磁波源 200:反應腔體 210:電漿源 20:基板 21:材料層
圖1所繪示為本發明之一種在基板上製備氮化硼層的實施例的流程圖。 圖2A所繪示為本發明的能量控制機構的一種實施例。 圖2B所繪示為本發明的能量控制機構的另一種實施例。 圖3所繪示為形成有氮化硼薄膜的基板。 圖4所繪示為反應腔體的內部示意圖。
S110-S140:流程圖符號

Claims (20)

  1. 一種製備氮化硼薄膜的方法,該方法包括: (a) 將包含硼原子和氮原子的前驅物提供給一能量控制機構; (b) 在該能量控制機構中形成該前驅物的激發態,其中該激發態包含硼和氮原子,或部分或全部的配位基處於斷鍵狀態;以及 (c) 在基板上形成一材料層,其中該材料層包含氮化硼; 其中,該能量控制機構包含一第一電磁波源,該第一電磁波源發出特定波長範圍的電磁波。
  2. 根據請求項1的製備氮化硼薄膜的方法,其中該前驅物是選自硼和氮的分子百分比為1:1的化合物。
  3. 根據請求項2的製備氮化硼薄膜的方法,其中該前驅物選自包括環硼氮環烷(B3H6N3)、三甲基胺硼烷(TDMAB,C3H12BN)、四甲基胺硼烷、硼脲、氨硼烷(BH6N)、三(乙基甲基胺)硼烷(TEMAB)等硼與氮分子百分比為1:1之化合物。
  4. 根據請求項1的製備氮化硼薄膜的方法,其中該基板的材質選自金屬、金屬合金、陶瓷、高分子或其組合。
  5. 根據請求項1的製備氮化硼薄膜的方法,其中該材料層包含六方氮化硼(h-BN)、四方氮化硼(c-BN)或非晶態氮化硼(a-BN)。
  6. 根據請求項1的製備氮化硼薄膜的方法,其中步驟(a)進一步包括在一溫度下將前驅物導入能量控制機構,該溫度在25-400°C之間。
  7. 根據請求項6的製備氮化硼薄膜的方法,其中將前驅物導入該能量控制機構是由一惰性載氣所進行。
  8. 根據請求項7的製備氮化硼薄膜的方法,其中該惰性載氣選自氬氣、氦氣、氮氣或其組合。
  9. 根據請求項7的製備氮化硼薄膜的方法,其中該前驅物在惰性載氣中之分子莫爾濃度介於0.5%到10%。
  10. 根據請求項7的製備氮化硼薄膜的方法,其中該惰性載氣進入該能量控制機構的流速設定為20-40sccm。
  11. 根據請求項7的製備氮化硼薄膜的方法,其中該能量控制機構內的氣壓設定為20-60torr。
  12. 根據請求項7的製備氮化硼薄膜的方法,其中該惰性載氣在該能量控制機構內的平均停留時間為10-100秒。
  13. 根據請求項1的製備氮化硼薄膜的方法,其中該第一電磁波源所發出的電磁波的波長範圍在180-500nm之間,而能量在100W-600W之間。
  14. 根據請求項13的製備氮化硼薄膜的方法,其中該能量控制機構包含第二電磁波源,該第二電磁波源所發出的電磁波的波長範圍在0.5nm-180nm之間,而能量在100-600W之間。
  15. 根據請求項1的製備氮化硼薄膜的方法,其中步驟(c)進一步包括在該基板上形成基板偏壓,以減少粒子落在基板表面。
  16. 根據請求項1的製備氮化硼薄膜的方法,其中步驟(c)進一步包括將該基板的溫度保持在小於或約400°C。
  17. 根據請求項1的製備氮化硼薄膜的方法,其中步驟(c)進一步提供一反應腔體,該反應腔體包含一個電漿源,以增加氮化硼的形成速率。
  18. 根據請求項17的製備氮化硼薄膜的方法,其中該電漿源為直流電漿(DC plasma)、射頻電漿(RF plasma)、電子迴旋共振電漿(ECR plasma)或其組合,且該電漿的能量大於300W。
  19. 根據請求項14的製備氮化硼薄膜的方法,其中該電漿包含至少一種選自氬氣、氦氣、氮氣、氫氣、氨氣的氣體或其組合。
  20. 一種氮化硼薄膜,形成於一基板上,該氮化硼薄膜是由請求項1至請求項19的任一項所述之製備氮化硼薄膜的方法所製備而成。
TW112133924A 2023-07-07 2023-09-06 製備氮化硼薄膜的方法與氮化硼薄膜 TWI856809B (zh)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116180225A (zh) 2023-03-01 2023-05-30 中国工程物理研究院材料研究所 一种化学气相沉积制备氮化硼薄膜的方法

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