[發明專利]一種單晶立方形氮化碳薄膜的制備方法

有效

• 申請號: 201210007622.8
• 申請日: 2012-01-11
• 公開（公告）號: CN103205806A
• 公開（公告）日: 2013-07-17
• 發明（設計）人: 饒志鵬;萬軍;夏洋;陳波;李超波;石莎莉;李勇滔;李楠
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所
• 主分類號: C30B25/02
• 分類號: C30B25/02;C30B29/38;C30B29/64
• 代理公司: 北京市德權律師事務所 11302
• 代理人: 劉麗君

技術領域

本發明涉及氮化碳的制備技術，具體涉及一種單晶立方形氮化碳薄膜的制備方法。

背景技術

自從有人在上世紀末提出一種硬度可能超過金剛石的亞穩相β-C₃N₄后，這種材料的研究就一直是材料學的一個研究熱點，后來科學家又陸續的計算出了C₃N₄的其他幾種相態：α相、立方相、準立方相和類石墨相，這五種相態除類石墨相外，其余相態都比金剛石硬，其原理在于氮化碳中的碳是sp³雜化形成的，和金剛石中的碳的雜化情況相同，且氮化碳中的碳氮鍵比金剛石中的碳碳鍵短，且鍵能大，因此氮化碳比金剛石硬。氮化碳除了具備高硬度和高彈性外，還具有耐磨損、防腐蝕、耐高溫等特性，能很好的運用于機械加工領域；它具有寬能帶間隙和高導熱性，是半導體和光學器件的候選材料。但是要把氮化碳從理論變為實際，科學家們嘗試了多種方法，如等離子體輔助化學氣相沉積法、反應濺射法、激光燒蝕法等，但制作出來的氮化碳薄膜多呈非晶結構，其原因在于當這五種晶相同時無序的生長，會導致最后形成的薄膜出現非晶的結構。

發明內容

本發明要解決的問題是提供一種單晶立方形氮化碳薄膜的制備方法，該方法操作簡單，轉化率高，能耗小，且制得的薄膜結構完整。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案為，一種單晶立方形氮化碳薄膜的制備方法，包括如下步驟：

(1)將硅襯底放置于原子層沉積設備反應腔中；

(2)向所述原子層沉積設備反應腔中通入包含碳氮元素的第一反應前驅體，所述第一反應前驅體源電離后的碳氮原子在所述硅襯底表面進行化學吸附；

(3)所述吸附在硅襯底上的碳氮原子通過氧化反應使所述硅襯底表面形成羥基結構；

(4)所述硅襯底表面的羥基結構在高溫下脫水形成只含有C、N和O元素的結構；

(5)所述只含有C、N和O元素的結構與第二反應前驅體發生還原反應，還原掉O元素并形成相應的副產物，直到所述硅襯底表面的碳氮原子完全自發成鍵；

(6)重復所述步驟(2)至(5)，即可在所述襯底表面形成單晶立方形氮化碳薄膜。

上述方案中，所述步驟(1)之前還包括：所述硅襯底的表面經過標準液和氫氟酸處理，在所述硅襯底的表面形成硅氫鍵。

上述方案中，所述步驟(2)中的第一反應前驅體為碳酰二銨，所述碳酰二銨通過等離子體放電后，與所述硅襯底表面發生插入反應，在所述硅襯底表面形成共價鍵而實現碳氮原子的化學吸附。

上述方案中，所述步驟(5)中的第二反應前驅體為氫氣，所述氫氣電離后的氫氣分子在所述硅襯底表面通過還原和O元素形成副產物水，并排出原子層沉積設備反應腔。

上述方案中，所述步驟(2)和步驟(5)前后分別包括：向原子層沉積設備反應腔通入清洗氣體清洗腔室。

上述方案中，所述清洗氣體為氮氣。

與現有技術相比，本發明技術方案產生的有益效果如下：

本發明利用原子層沉積技術，同時沉積碳氮元素，并利用氫的還原性來實現薄膜的生長；而且本發明的制備方法使用了等離子體，突出了原子層沉積設備的使用價值，操作簡單，轉化率高，能耗小，且制得的單晶立方形氮化碳薄膜結構完整。

附圖說明

圖1為本發明實施例中硅襯底表面經過處理的形成Si-H鍵的示意圖；

圖2為本發明實施例中向原子層沉積反應腔通入碳酰二銨飽和蒸汽，并氫等離子體放電，碳氮原子吸附在硅襯底上的示意圖；

圖3為本發明實施例中硅襯底表面完全被碳氮原子吸附后的示意圖；

圖4為本發明實施例中向原子層沉積反應腔通入氧等離子體，硅襯底表面形成羥基的示意圖；

圖5為本發明實施例中硅襯底表面在高溫條件下發生脫水反應的示意圖；

圖6為本發明實施例中向原子層沉積反應腔通入氫氣發生還原反應的示意圖；

圖7為本發明實施例中硅襯底表面反應完成后的示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明技術方案進行詳細描述。

本發明實施例提供一種單晶立方形氮化碳薄膜的制備方法，具體包括如下步驟：

步驟101，通過標準液和氫氟酸處理硅襯底表面，在硅襯底表面形成硅氫鍵，如圖1所示，其中，標準液是指：1號液，濃硫酸∶雙氧水＝4∶1；2號液，氨水∶純凈水∶雙氧水＝1∶5∶1；3號液，鹽酸∶雙氧水∶純凈水＝1∶1∶6；將進行氫化處理后的硅襯底放置于原子層沉積設備反應腔中；