[发明专利]一种具有立方磷化钍单相结构的氮化铪膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种具有立方磷化钍单相结构的氮化铪膜及其制备方法。

背景技术

氮化铪具有优异的力学、电学、光学、耐高温和耐腐蚀等特性，在机械制造和微电子等领域具有非常重要的应用。氮化铪最常见的相结构是岩盐相。有趣的是，2003年，国外学者利用激光加热金刚石压砧方法(高压技术)在高温(2800K)高压(18GPa)条件下首次合成了具有立方磷化钍相结构的氮化铪的小尺寸块体材料。岩盐相的N原子配位数为6，Hf原子配位数为6，而在立方磷化钍相的氮化铪中，N原子配位数仍然为6，但Hf原子配位数增加为8。这种相结构的氮化铪具有明显不同岩盐相的独特的物理性质。岩盐相是良好导体且不透明，而立方磷化钍相绝缘且可见光透明，而且其硬度和模量高、耐氧化能力强。依靠透明绝缘性质，再加上其固有的耐腐损、耐高温、耐酸碱腐蚀的性能，立方磷化钍相的氮化铪可以广泛应用于半导体、光电和机械加工等众多领域。尤其值得说明的是，由于同时集成了多种优异的力学、热学、光学以及耐腐蚀磨损等特性，立方磷化钍相的氮化铪膜有望成为一种高效的光学窗口增透保护涂层材料，可以应用在航空航天的关键光学器件上，因此研发立方磷化钍相的氮化铪膜的制备技术非常重要。

立方磷化钍单相结构的氮化铪膜的制备方法尚未见诸报导。目前公开报导的氮化铪膜几乎都由岩盐相构成，其制备方法主要包括磁控溅射、脉冲激光、化学气相沉积等。通过调研现有技术，可以发现制备立方磷化钍单相结构的氮化铪膜的技术难点主要集中在两个方面，一是如何在真空环境下制备一个高压相。立方磷化钍相是一种高压相，而氮化铪膜采用真空环境下的气相沉积技术制备，在真空中很难获得Hf与N化学反应需要的高压环境；二是如何克服岩盐相的形成，制备出只含有立方磷化钍单相的氮化铪膜。现有技术显示，岩盐相是氮化铪膜制备过程中最易产生的相，因此，即便通过某种方法形成了立方磷化钍相，也容易同时产生岩盐相，降低膜的相纯度。

发明内容

本发明的目的在于同时解决上述两点技术问题，提供一种工艺简单，效率高的具有立方磷化钍单相结构的氮化铪膜及其制备方法。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种具有立方磷化钍单相结构的氮化铪膜，所述的氮化铪膜完全由立方磷化钍相构成，不含有其他的相，按各成分的原子数百分含量，膜的氮含量的范围为57.1％-61.5％，铪含量对应的范围为42.9％-38.5％，膜具有的压应力为2.0-4.0GPa，其通过制备过程中氩离子轰击实现。

如上述的一种具有立方磷化钍单相结构的氮化铪膜的制备方法：采用射频反应溅射法，以高纯铪为靶源，氩气和氮气作为放电气体，在单晶硅和光学玻璃基底上沉积氮化铪薄膜，射频功率为100-200W，溅射总压强为0.5-1.5Pa，沉积温度为100-300℃，靶基距为50-60mm，真空度为6×10^-4-1×10^-5Pa，氮气流速比，即氮气流速/(氮气流速+氩气流速)为50％-80％；膜制备过程中引入氩离子轰击，样品托盘上施加负电压的范围为-70～-90V。

通过氩离子轰击使膜具有压应力，压应力的范围为2.0～4.0GPa。

具体制备实验的步骤是：

(1)溅射实验前衬底预处理。单晶Si(100)和光学玻璃衬底放入真空室之前，用丙酮、无水乙醇、蒸馏水依次超声清洗后吹干；

(2)衬底预热与预溅射。当真空室达到本底真空度后，衬底加温到预设温度且保持30min。为了去除铪靶材表面的二氧化铪层以及吸附的杂质，铪靶在纯氩气条件下预溅射5min；

(3)正式溅射实验。调整各工艺参数为预设的实验条件开始溅射。

本发明首次提供的一种具有立方磷化钍单相结构的氮化铪膜及其制备方法，其创造性在于解决了背景技术中涉及的两个技术难题：

(1)如何在真空环境下制备一个高压相；

(2)如何克服岩盐相的形成，制备出只含有立方磷化钍单相的氮化铪膜。

针对这两个问题，本发明的技术方案没有使用昂贵、复杂的实验装置，而是从相形成机理入手，通过大量第一性原理计算与实验找到了形成立方磷化钍相必要的热力学条件，然后根据热力学条件提出了一套简单可行的技术方案，解决了上述问题。具体解决方法是：