專(zhuān)利名稱：一種單晶立方形氮化碳薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氮化碳的制備技術(shù)，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(shù)：
自從有人在上世紀(jì)末提出一種硬度可能超過(guò)金剛石的亞穩(wěn)相P -C3N4后，這種材料的研究就一直是材料學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，后來(lái)科學(xué)家又陸續(xù)的計(jì)算出了 C3N4的其他幾種相態(tài):a相、立方相、準(zhǔn)立方相和類(lèi)石墨相，這五種相態(tài)除類(lèi)石墨相外，其余相態(tài)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(yùn)用于機(jī)械加工領(lǐng)域；它具有寬能帶間隙和高導(dǎo)熱性，是半導(dǎo)體和光學(xué)器件的候選材料。但是要把氮化碳從理論變?yōu)閷?shí)際，科學(xué)家們嘗試了多種方法，如等離子體輔助化學(xué)氣相沉積法、反應(yīng)濺射法、激光燒蝕法等，但制作出來(lái)的氮化碳薄膜多呈非晶結(jié)構(gòu)，其原因在于當(dāng)這五種晶相同時(shí)無(wú)序的生長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致最后形成的薄膜出現(xiàn)非晶的結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問(wèn)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(jiǎn)單，轉(zhuǎn)化率高，能耗小，且制得的薄膜結(jié)構(gòu)完整。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)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:(I)將娃襯底放置于原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中；(2)向所述原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中通入碳源氣體，所述碳源氣體作為第一反應(yīng)前驅(qū)體在硅襯底表面進(jìn)行碳化學(xué)吸附，所述碳源氣體中的碳原子吸附在所述硅襯底上；(3)所述吸附在硅襯底上的碳原子與電離后的第二反應(yīng)前驅(qū)體在氫氣的輔助下發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生相應(yīng)的產(chǎn)物，直到所述硅襯底表面的碳原子完全消耗；(4)重復(fù)步驟(2)和(3)，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(I)之前還包括:所述硅襯底的表面經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)液和氫氟酸處理，在所述娃襯底的表面形成娃氫鍵。上述方案中，所述步驟(2)中的碳源氣體為四氯化碳，所述四氯化碳通過(guò)和所述硅襯底表面反應(yīng)而進(jìn)行碳化學(xué)吸附。上述方案中，所述步驟(3)中的第二反應(yīng)前驅(qū)體為氮?dú)?，所述氮?dú)怆婋x后的氮?dú)夥肿优c氫氣形成氮?dú)潆x子，與所述四氯化碳中的氯原子發(fā)生反應(yīng)，使得所述四氯化碳中除碳以外的其他官能團(tuán)被氮原子取代。上述方案中，所述步驟(2)和步驟(3)之前分別包括:向原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔通入清洗氣體清洗腔室。
上述方案中，所述清洗氣體為氮?dú)?。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案產(chǎn)生的有益效果如下:本發(fā)明利用原子層沉積技術(shù)制備單晶立方形氮化碳薄膜，該制備方法操作簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)化率高，能耗小，且制得的單晶立方形氮化碳薄膜結(jié)構(gòu)完整。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例中硅襯底表面經(jīng)過(guò)處理的形成S1-H鍵的示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例中四氯化碳與硅襯底表面發(fā)生反應(yīng)，碳原子吸附在硅襯底上的不意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例中硅襯底表面被碳原子吸附后的示意
圖4為本發(fā)明實(shí)施例中向原子層沉積反應(yīng)腔通入氫氣，并進(jìn)行氮?dú)獾入x子體放電電離的示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例中氮?dú)怆婋x后,娃襯底表面形成具有氫原子的碳氮結(jié)構(gòu)的不意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)描述。本發(fā)明實(shí)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)液是指:I號(hào)液，濃硫酸:雙氧水=4: I ;2號(hào)液，氨水:純凈水:雙氧水=I: 5: I ；3號(hào)液，鹽酸:雙氧水:純凈水=1:1:6 ;將進(jìn)行氫化處理后的硅襯底放置于原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中；步驟102，開(kāi)啟原子層沉積設(shè)備，調(diào)整工作參數(shù)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需工作環(huán)境；先向原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔通入氮?dú)馇逑辞皇?，然后向原子層沉積反應(yīng)腔中通入四氯化碳，如圖2所示；四氯化鈦氣體和硅襯底表面的氫原子發(fā)生反應(yīng)，硅襯底表面完全被四氯化碳中的碳原子吸附，如圖3所示；步驟103，先向原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔通入氮?dú)馇逑辞皇?，然后向原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中通入氫氣，氫氣的速率為2sccm-10sccm，并進(jìn)行氮?dú)獾入x子放電，等離子體放電功率為1W-100W，氮?dú)怆婋x后的氮?dú)夥肿优c氫氣形成氮?dú)潆x子，與四氯化碳中的氯原子發(fā)生取代反應(yīng)，如圖4所示；直到四氯化碳中除碳以外的其他官能團(tuán)全被氮原子取代后，硅襯底表面形成具有氫原子的碳氮結(jié)構(gòu)，如圖5所示；步驟104，步驟102至步驟103這一反應(yīng)周期結(jié)束后，硅襯底表面全為氫原子，此時(shí)重復(fù)步驟102至步驟103，可以逐層生長(zhǎng)單晶立方形氮化碳薄膜。本發(fā)明利用襯底和立方形氮化碳薄膜的匹配關(guān)系，先進(jìn)行單層薄膜的生長(zhǎng)，利用第一層和第二層薄膜的相關(guān)性來(lái)進(jìn)行第二層薄膜的生長(zhǎng)，通過(guò)等離子體的加入，能有效的增加薄膜中氮元素的含量。本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)化率高，能耗小，且制得的薄膜結(jié)構(gòu)完整，且該方法優(yōu)于用氨氣作為氮源的方法，它能夠減小所需的電離功率，提高氮元素的含量。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包 含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種單晶立方形氮化碳薄膜的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)將硅襯底放置于原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中； (2)向所述原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中通入碳源氣體，所述碳源氣體作為第一反應(yīng)前驅(qū)體在硅襯底表面進(jìn)行碳化學(xué)吸附，所述碳源氣體中的碳原子吸附在所述硅襯底上； (3)所述吸附在硅襯底上的碳原子與電離后的第二反應(yīng)前驅(qū)體在氫氣的輔助下發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生相應(yīng)的產(chǎn)物，直到所述硅襯底表面的碳原子完全消耗； (4)重復(fù)步驟(2)和(3)，即可在所述襯底表面形成單晶立方形氮化碳薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的單晶立方形氮化碳薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(I)之前還包括:所述硅襯底的表面經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)液和氫氟酸處理，在所述硅襯底的表面形成硅氫鍵。
3.如權(quán)利要求1所述的單晶立方形氮化碳薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中的碳源氣體為四氯化碳，所述四氯化碳通過(guò)和所述硅襯底表面反應(yīng)而進(jìn)行碳化學(xué)吸附。
4.如權(quán)利要求3所述的單晶立方形氮化碳薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中的第二反應(yīng)前驅(qū)體為氮?dú)?，所述氮?dú)怆婋x后的氮?dú)夥肿优c氫氣形成氮?dú)潆x子，與所述四氯化碳中的氯原子發(fā)生反應(yīng)，使得所述四氯化碳中除碳以外的其他官能團(tuán)被氮原子取代。
5.如權(quán)利要求1所述的單晶立方形氮化碳薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)和步驟(3)之前分別包括:向 原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔通入清洗氣體清洗腔室。
6.如權(quán)利要求5所述的單晶立方形氮化碳薄膜的制備方法，其特征在于，所述清洗氣體為氮?dú)狻?br> 全文摘要
本發(fā)明涉及氮化碳的制備技術(shù)，具體涉及一種單晶立方形氮化碳薄膜的制備方法。所述制備方法，包括如下步驟(1)將硅襯底放置于原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中；(2)向原子層沉積設(shè)備反應(yīng)腔中通入碳源氣體，碳源氣體作為第一反應(yīng)前驅(qū)體在硅襯底表面進(jìn)行碳化學(xué)吸附，碳源氣體中的碳原子吸附在硅襯底上；(3)吸附在硅襯底上的碳原子與電離后的第二反應(yīng)前驅(qū)體在氫氣的輔助下發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生相應(yīng)的產(chǎn)物，直到硅襯底表面的碳原子完全消耗；(4)重復(fù)步驟(2)和(3)，即可在襯底表面形成單晶立方形氮化碳薄膜。本發(fā)明利用原子層沉積技術(shù)制備單晶立方形氮化碳薄膜，該制備方法操作簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)化率高，能耗小，且制得的單晶立方形氮化碳薄膜結(jié)構(gòu)完整。
文檔編號(hào)C30B29/64GK103205805SQ20121000760
公開(kāi)日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者饒志鵬, 夏洋, 萬(wàn)軍, 李超波, 陳波, 劉鍵, 江瑩冰, 石莎莉, 李勇滔 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所