[發明專利]一種在單晶硅片表面制備Si3N4復合薄膜的方法

無效

• 申請號: 200910048383.9
• 申請日: 2009-03-27
• 公開（公告）號: CN101545142A
• 公開（公告）日: 2009-09-30
• 發明（設計）人: 安雙利
• 申請（專利權）人: 上海第二工業大學
• 主分類號: C30B33/00
• 分類號: C30B33/00;C30B29/06;B05D1/24;B05D3/10
• 代理公司: 上海東創專利代理事務所
• 代理人: 寧芝華

技術領域

本發明涉及一種在單晶硅片表面制備Si₃N₄復合薄膜的方法，屬于薄膜制備技術領域。

背景技術

隨著高科技的進步，機械制造工業正朝著微型化的方向發展，這就涉及了微型機械表面的摩擦學問題。由于硅材料具有硬度高、成本低廉、表面粗糙度小等優點，在微型機電系統中的應用日益受到重視。但是未經表面處理的硅材料脆性較高，表面裂紋在低張應力作用下易發生剝層磨損和脆性斷裂，難以滿足使用要求，因此需要用表面改性技術來提高硅材料表面微機械性能，以改善硅材料底微觀摩擦磨損性能。目前可以通過自組裝方法在單晶硅基片表面制備自組裝膜，來改善單晶硅基片表面的減摩抗磨性。

納米材料是近幾年被十分重視的新型材料，其所具有的許多優異性能，可應用于許多領域。Si₃N₄具有奇特的電學性能、超強的力學性能、很好的吸附性能，因而在材料領域引起了極大重視。

經文獻檢索發現，公開號為CN1403494的中國發明專利申請公開了一種自組裝超薄聚合物膜的制備方法，首先通過自由基共聚合合成膜材料，利用自組裝技術制備了具有各種表面性質的超薄聚合物膜。制備的聚合物超薄膜具有減摩、抗磨效果，可用于微型機電系統的潤滑與防護。該方法是將摩爾比為0.1～10％硅烷偶聯劑與單體以偶氮二異丁腈為引發劑共聚合反應，純化得到自組裝聚合物；在潔凈基底上自組裝成膜，并且在惰性氣體中于100℃～200℃進行熱處理10～24小時。該方法制備的自組裝薄膜的工藝條件相對比較繁瑣，熱處理的時間也較長。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種單晶硅片表面制備Si₃N₄復合薄膜的方法，工藝簡單，自組裝成的復合薄膜具有良好的減摩性能，解決微機械系統的摩擦學問題。

為實現這一目的，本發明采用單晶硅片作為基底材料，在其表面采用自組裝方法制備磺酸基硅烷薄膜，再用N，N-二甲基甲酰胺(DMF)Si₃N₄分散液在硅烷表面制備Si₃N₄的復合薄膜。

一種在單晶硅片表面制備Si₃N₄復合薄膜的方法，其特征在于按照如下步驟進行：

A)首先對單晶硅片進行預處理：

a)將單晶硅片浸泡在王水中，使用電爐加熱王水，加熱時間為5～6個小時，在室溫中自然冷卻；

b)將單晶硅片取出，用去離子水反復沖洗，放入干燥皿中干燥；

c)干燥后浸于Pirahan溶液中，體積比為H₂SO₄∶H₂O₂＝70∶30，于室溫下處理1小時，用去離子水超聲清洗后放在防塵裝置內的烘箱中干燥；

d)然后將處理后的單晶硅片浸入配制好的巰基硅烷濃度為0.1～1.0mmol/L的苯溶液中，靜置6～8小時取出，沖洗后用氮氣吹干；

e)再將單晶硅片置于質量濃度為30％～60％的硝酸中，在50～80℃下反應2小時，取出用大量去離子水沖洗，這樣就將端巰基原位氧化成磺酸基，得到表面附有磺酸基硅烷薄膜的單晶硅片；

B)、制備Si₃N₄分散液：先將Si₃N₄在室溫下按0.1～0.2mg/ml放入N，N-二甲基甲酰胺(DMF)分散劑，超聲波分散(40W)1～3小時，得到穩定的懸浮液；

C)、將表面組裝有磺酸基硅烷薄膜的單晶硅片浸入制備好的Si₃N₄懸浮液中，在20～60℃靜置2～24小時，取出用大量去離子水沖洗，沖洗后用氮氣吹干，這樣就得到表面沉積有Si₃N₄復合薄膜的單晶硅片。

在單晶硅片基片表面，巰基硅烷分子中含有可水解的活性基團，能夠通過化學建Si—O與具有活性基團Si—OH的基底材料相結合，在基底表面形成一層表面帶有巰基基團的硅烷自組裝薄膜。將表面組裝了巰基硅烷底基片置入一定濃度的硝酸溶液中靜置一段時間，薄膜表面的巰基基團被原位氧化成磺酸基基團。再將其置入Si₃N₄懸浮液后，基片表面將沉積Si₃N₄。