專利名稱：一種單晶立方形氮化碳薄膜的制備方法
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P -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:a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:(I)將娃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碳源氣體，所述碳源氣體作為第一反應前驅體在硅襯底表面進行碳化學吸附，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前驅體在氫氣的輔助下發生反應，產生相應的產物，直到所述硅襯底表面的碳原子完全消耗；(4)重復步驟(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過標準液和氫氟酸處理，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，所述四氯化碳通過和所述硅襯底表面反應而進行碳化學吸附。上述方案中，所述步驟(3)中的第二反應前驅體為氮氣，所述氮氣電離后的氮氣分子與氫氣形成氮氫離子，與所述四氯化碳中的氯原子發生反應，使得所述四氯化碳中除碳以外的其他官能團被氮原子取代。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制備單晶立方形氮化碳薄膜，該制備方法操作簡單，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。


圖1為本發明實施例中硅襯底表面經過處理的形成S1-H鍵的示意圖；圖2為本發明實施例中四氯化碳與硅襯底表面發生反應，碳原子吸附在硅襯底上的不意圖；圖3為本發明實施例中硅襯底表面被碳原子吸附后的示意
圖4為本發明實施例中向原子層沉積反應腔通入氫氣，并進行氮氣等離子體放電電離的示意圖；圖5為本發明實施例中氮氣電離后,娃襯底表面形成具有氫原子的碳氮結構的不意圖。
具體實施例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:I號液，濃硫酸:雙氧水=4: I ;2號液，氨水:純凈水:雙氧水=I: 5: I ；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；步驟102，開啟原子層沉積設備，調整工作參數，達到實驗所需工作環境；先向原子層沉積設備反應腔通入氮氣清洗腔室，然后向原子層沉積反應腔中通入四氯化碳，如圖2所示；四氯化鈦氣體和硅襯底表面的氫原子發生反應，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，先向原子層沉積設備反應腔通入氮氣清洗腔室，然后向原子層沉積設備反應腔中通入氫氣，氫氣的速率為2sccm-10sccm，并進行氮氣等離子放電，等離子體放電功率為1W-100W，氮氣電離后的氮氣分子與氫氣形成氮氫離子，與四氯化碳中的氯原子發生取代反應，如圖4所示；直到四氯化碳中除碳以外的其他官能團全被氮原子取代后，硅襯底表面形成具有氫原子的碳氮結構，如圖5所示；步驟104，步驟102至步驟103這一反應周期結束后，硅襯底表面全為氫原子，此時重復步驟102至步驟103，可以逐層生長單晶立方形氮化碳薄膜。本發明利用襯底和立方形氮化碳薄膜的匹配關系，先進行單層薄膜的生長，利用第一層和第二層薄膜的相關性來進行第二層薄膜的生長，通過等離子體的加入，能有效的增加薄膜中氮元素的含量。本發明操作簡單，轉化率高，能耗小，且制得的薄膜結構完整，且該方法優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。以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包 含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
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備反應腔中； (2)向所述原子層沉積設備反應腔中通入碳源氣體，所述碳源氣體作為第一反應前驅體在硅襯底表面進行碳化學吸附，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前驅體在氫氣的輔助下發生反應，產生相應的產物，直到所述硅襯底表面的碳原子完全消耗； (4)重復步驟(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過標準液和氫氟酸處理，在所述硅襯底的表面形成硅氫鍵。
3.如權利要求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，所述四氯化碳通過和所述硅襯底表面反應而進行碳化學吸附。
4.如權利要求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)中的第二反應前驅體為氮氣，所述氮氣電離后的氮氣分子與氫氣形成氮氫離子，與所述四氯化碳中的氯原子發生反應，使得所述四氯化碳中除碳以外的其他官能團被氮原子取代。
5.如權利要求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 原子層沉積設備反應腔通入清洗氣體清洗腔室。
6.如權利要求5所述的單晶立方形氮化碳薄膜的制備方法，其特征在于，所述清洗氣體為氮氣。
全文摘要
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。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備反應腔中；(2)向原子層沉積設備反應腔中通入碳源氣體，碳源氣體作為第一反應前驅體在硅襯底表面進行碳化學吸附，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前驅體在氫氣的輔助下發生反應，產生相應的產物，直到硅襯底表面的碳原子完全消耗；(4)重復步驟(2)和(3)，即可在襯底表面形成單晶立方形氮化碳薄膜。本發明利用原子層沉積技術制備單晶立方形氮化碳薄膜，該制備方法操作簡單，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。
文檔編號C30B29/64GK103205805SQ20121000760
公開日2013年7月17日 申請日期2012年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者饒志鵬, 夏洋, 萬軍, 李超波, 陳波, 劉鍵, 江瑩冰, 石莎莉, 李勇滔 申請人:中國科學院微電子研究所