一種用於氮化碳薄膜製備的化學吸附方法
2023-07-20 13:23:41
專利名稱：一種用於氮化碳薄膜製備的化學吸附方法
技術領域：
本發明涉及氮化碳的製備技術，具體涉及一種用於氮化碳薄膜製備的化學吸附方法。
背景技術：
單晶立方型氮化碳(C3N4)是理論上推導出的五種晶相氮化碳中最硬的一種，由 於其在機械加工、半導體和光學器件等領域的理想前景，人們對它的研究並沒有停止， 但到目前為止，仍然沒有在試驗條件下將其製備出來。目前的製備方法能夠製備出少量 具有α相、β相和石墨相的氮化碳(C3N4)薄膜，但在製備出的絕大多數薄膜中，碳氮 原子的比例不符合3 4的要求，且多為非晶結構，因此製備出具有較大面積的單晶立方 型氮化碳薄膜是有價值的。原子層沉積(Atomic Layer Deposition,以下簡稱ALD)是目 前被廣泛運用的製備薄膜的方法，它的單原子層逐層生長的方式使得製備出的薄膜結構 均一且緻密性好，因此可以用ALD方式來製備氮化碳薄膜，以實現結構上的一致性和單 晶性。但是要用ALD的方式來製備氮化碳(C3N4)薄膜，首先要解決碳或氮源和襯底的 化學吸附以及碳源和氮源相互間的成鍵問題。
發明內容
本發明要解決的問題是提供一種用於原子層沉積製備氮化碳薄膜的化學吸附方 法，使用該方法形成的結構能夠利用每一層間的相互作用，實現結構上的一致性、單晶 性。為了達到上述目的，本發明採用的技術方案為一種用於原子層沉積製備氮化 碳薄膜的化學吸附方法，包括如下步驟在原子層沉積腔室中，通入氣相前驅體，形成一種具有未成鍵電子的物質，與 襯底表面原子形成共價鍵，實現化學吸附；通入與襯底表面發生取代反應的氣體，形成所需的Sp3雜化的氮碳單鍵結構。上述方案中，所述具有未成鍵電子的物質為含有碳原子且碳原子具有未成鍵電 子的物質。上述方案中，所述含有碳原子的物質為碳中間體，所述碳中間體包括碳自由基 中間體和碳雙自由基中間體。上述方案中，所述碳自由基中間體是通過烴基滷化汞或η滷烷烴進行熱分解或 光分解得到的；所述烴基滷化汞為甲基碘化汞，所述η滷烷烴為一碘甲烷。上述方案中，所述碳雙自由基中間體為卡賓物質，包括碳烯及其衍生物；所述 碳雙自由基中間體是由重氮鹽或烯酮進行光分解得到的；所述重氮鹽為重氮甲烷，所述 烯酮為乙烯酮。上述方案中，所述與襯底表面發生取代反應的氣體為氮源氣體，所述氮源氣體 為氨氣，所述氨氣與襯底表面發生的取代反應為胺化反應。
上述方案中，所述具有未成鍵電子的物質為含有氮原子且氮原子具有未成鍵電 子的物質。上述方案中，所述含氮原子的物質為氮烯，所述氮烯是通過疊氮甲烷分解得到 的。上述方案中，所述與襯底表面發生取代反應的氣體為碳源氣體，所述碳源氣體 為四碘甲烷。上述方案中，所述未成鍵電子有1-4個。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應用於原子層沉積技術製備氮化碳薄膜，使用該方法形成的結構能夠利 用每一層間的相互作用，實現結構上的一致性、單晶性。
圖1為本發明實施例提供的碳烯與矽襯底表面發生插入反應的過程示意圖；圖2為本發明實施例提供的氣態碘單質與襯底表面發生反應形成碘甲基的過程 示意圖；圖3為本發明實施例提供的碘甲基與氨氣發生反應的過程示意圖；圖4為本發明實施例提供的甲基碘化汞與矽襯底進行化學吸附的過程示意圖；圖5為本發明實施例提供的一碘甲烷與矽襯底進行化學吸附的過程示意圖；圖6為本發明實施例提供的氮烯與矽襯底表面發生插入反應的過程示意圖；圖7為本發明實施例提供的四碘甲烷與氨基發生反應形成碳氮鍵的過程示意 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。實施例1 —種用於原子層沉積製備氮化碳薄膜的化學吸附方法，包括如下步驟步驟101，把矽(111)襯底表面用氫氣處理20分鐘，使表面形成Si_H鍵，如圖 1中a圖所示；步驟102，把經過氫氣處理的矽襯底放置於ALD設備的反應腔中，通入氬氣5分 鍾後，通入重氮甲烷氣體，同時用紫外光照射，使重氮甲烷分解，分解化學表達式為 CH^ms t: ^cn2+,如圖1中b圖所示；分解產物碳烯(:CH2)和矽襯底發生插入反應，
表達式一C一H+m——，—C— CH7-H即在襯底表面形成甲基的結構，如圖1中
c圖所示；步驟103，向ALD的反應腔中通入氣態碘單質5分鐘，同時用日光照 射，如圖2中a圖所示，使得襯底表面發生取代反應，取代反應的化學表達式為
( -l· nm如圖2中b圖所示；步驟104，向ALD的反應腔中通入惰性氣體排出未反應的氣態碘單質，然後通入氨氣，如圖3中a圖所示，利用氮原子中未成對孤對電子的親核性，以及碘原子的不穩 定性來發生胺化反應，反應表達式為
權利要求
1.一種用於原子層沉積製備氮化碳薄膜的化學吸附方法，其特徵在於，包括如下步驟在原子層沉積腔室中，通入氣相前驅體，形成一種具有未成鍵電子的物質，與襯底 表面原子形成共價鍵，實現化學吸附；通入與襯底表面發生取代反應的氣體，形成所需的SP3雜化的氮碳單鍵結構。
2.如權利要求1所述的用於原子層沉積製備氮化碳薄膜的化學吸附方法，其特徵在 於所述具有未成鍵電子的物質為含有碳原子且碳原子具有未成鍵電子的物質。
3.如權利要求2所述的用於原子層沉積製備氮化碳薄膜的化學吸附方法，其特徵在 於所述含有碳原子的物質為碳中間體，所述碳中間體包括碳自由基中間體和碳雙自由 基中間體。
4.如權利要求3所述的用於原子層沉積製備氮化碳薄膜的化學吸附方法，其特徵在 於所述碳自由基中間體是通過烴基商化汞或η商烷烴進行熱分解或光分解得到的；所 述烴基滷化汞為甲基碘化汞，所述η滷烷烴為一碘甲烷。
5.如權利要求3所述的用於原子層沉積製備氮化碳薄膜的化學吸附方法，其特徵在 於所述碳雙自由基中間體為卡賓物質，包括碳烯及其衍生物；所述碳雙自由基中間體 是由重氮鹽或烯酮進行光分解得到的；所述重氮鹽為重氮甲烷，所述烯酮為乙烯酮。
6.如權利要求2所述的用於原子層沉積製備氮化碳薄膜的化學吸附方法，其特徵在 於所述與襯底表面發生取代反應的氣體為氮源氣體，所述氮源氣體為氨氣，所述氨氣 與襯底表面發生的取代反應為胺化反應。
7.如權利要求1所述的用於原子層沉積製備氮化碳薄膜的化學吸附方法，其特徵在 於所述具有未成鍵電子的物質為含有氮原子且氮原子具有未成鍵電子的物質。
8.如權利要求7所述的用於原子層沉積製備氮化碳薄膜的化學吸附方法，其特徵在 於所述含氮原子的物質為氮烯，所述氮烯是通過疊氮甲烷分解得到的。
9.如權利要求8所述的用於原子層沉積製備氮化碳薄膜的化學吸附方法，其特徵在 於所述與襯底表面發生取代反應的氣體為碳源氣體，所述碳源氣體為四碘甲烷。
10.如權利要求1所述的用於原子層沉積製備氮化碳薄膜的化學吸附方法，其特徵在 於所述未成鍵電子有1-4個。
全文摘要
本發明涉及氮化碳的製備技術，具體涉及一種用於氮化碳薄膜製備的化學吸附方法，包括如下步驟在原子層沉積腔室中，通入氣相前驅體，形成一種具有未成鍵電子的物質，與襯底表面原子形成共價鍵，實現化學吸附；通入與襯底表面發生取代反應的氣體，形成所需的sp3雜化的氮碳單鍵結構。本發明應用於原子層沉積技術製備氮化碳薄膜，使用該方法形成的結構能夠利用每一層間的相互作用，實現結構上的一致性、單晶性。
文檔編號C30B29/38GK102011103SQ201010560898
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月26日 優先權日2010年11月26日
發明者劉鍵, 夏洋, 石莎莉, 饒志鵬 申請人:中國科學院嘉興微電子儀器與設備工程中心, 中國科學院微電子研究所