通過工藝對比，考察了過渡層在降低立方氮化硼薄膜內(nèi)應(yīng)力方面的作用，并研究了薄膜的力學(xué)性能。結(jié)果表明B-C-N 三元過渡層的添加有效地降低了薄膜內(nèi)應(yīng)力。X 射線光電子能譜結(jié)果顯示在B-C-N 三元過渡層內(nèi)形成了成分的逐漸變化，同時(shí)各元素間雜化成鍵。過渡層的添加使得在硅片基底上成功制備了性能穩(wěn)定的立方氮化硼厚膜。

　　立方氮化硼(c-BN) 與金剛石類似，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(wěn)定性和高化學(xué)穩(wěn)定性等，使得它在許多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。立方氮化硼薄膜的一個(gè)非常有前途的應(yīng)用領(lǐng)域是作為各種耐磨部件的表面防護(hù)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(dá)到微米級。而在立方氮化硼薄膜的制備過程中積累的較大的內(nèi)應(yīng)力，使得立方氮化硼厚膜的制備難以實(shí)現(xiàn)。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，從而滿足立方氮化硼形核和生長的條件。這種荷能離子的轟擊將不可避免的帶來很高的壓應(yīng)力及薄膜內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致涂層在生長過程中與基底剝離。圍繞薄膜內(nèi)應(yīng)力與膜基結(jié)合力這一矛盾進(jìn)行的研究較多。降低立方氮化硼薄膜內(nèi)應(yīng)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，以及添加梯度過渡層等。添加的梯度過渡層包括：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。

　　本文采用過渡層技術(shù)，在硅片上先沉積三元BC-N 過渡層，再沉積c-BN 層，有效地降低薄膜內(nèi)應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)了c-BN 厚膜的制備。同時(shí)，本文也對薄膜的結(jié)構(gòu)、成分、表面狀態(tài)和納米硬度進(jìn)行了表征。

1、實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)中薄膜樣品是采用射頻反應(yīng)磁控濺射系統(tǒng)制備的。薄膜沉積以六方氮化硼( h-BN) 和石墨為靶材，氬氣、氮?dú)鉃楣ぷ鳉怏w，基底材料為Si(100) 。沉積過程中選擇優(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�；�片臺連接直流負(fù)偏壓電源�；�片經(jīng)過嚴(yán)格的清洗放置于真空室中，在真空度達(dá)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(yù)濺射。預(yù)濺射完成后，進(jìn)行過渡層及膜層的沉積。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 三元過渡層。隨后通入氮?dú)�，并逐漸增加氮?dú)饬髁?1mL /min /step) 和降低C 靶功率(20 W/step) ，制備梯度過渡層。最后關(guān)掉碳靶，以h-BN 靶材在氮?dú)鈿鍤鈿夥罩兄苽鋍-BN 層。具體的參數(shù)變化過程如圖1 所示。為了驗(yàn)證過渡層的添加對薄膜內(nèi)應(yīng)力的作用，首先制備了一組添加過渡層和無添加過渡層的c-BN 薄膜樣品，膜厚均為600 nm。之后采用過渡層技術(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。薄膜的膜厚通過觀察薄膜斷面掃描照片得到。通過傅里葉變換紅外光譜(FTIR) 、X 射線光電子能譜(XPS) 、原子力顯微鏡(AFM) 以及納米壓痕(nano-indentation) 等測試，對薄膜的內(nèi)應(yīng)力、鍵結(jié)構(gòu)、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 梯度過渡層沉積工藝示意圖

3、結(jié)論

　　本文采用B-C-N 過渡層技術(shù)在硅片上成功制備了c-BN 厚膜( 1.8 μm) ，其納米硬度達(dá)42 GPa。通過FTIR 估算了薄膜的立方相含量和內(nèi)應(yīng)力的變化。實(shí)驗(yàn)證明過渡層在降低薄膜內(nèi)應(yīng)力方面有顯著作用。過渡層的添加使得薄膜體系的成分和硬度呈現(xiàn)梯度變化，使得薄膜內(nèi)應(yīng)力得到釋放。