CN102115878B - 一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法 - Google Patents

一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102115878B
CN102115878B CN201010561021A CN201010561021A CN102115878B CN 102115878 B CN102115878 B CN 102115878B CN 201010561021 A CN201010561021 A CN 201010561021A CN 201010561021 A CN201010561021 A CN 201010561021A CN 102115878 B CN102115878 B CN 102115878B
Authority
CN
China
Prior art keywords
carbon nitride
minutes
preparation
atomic layer
layer deposition
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201010561021A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102115878A (zh
Inventor
刘键
饶志鹏
夏洋
石莎莉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
JIAXING MICROELECTRONIC INSTRUMENT AND EQUIPMENT ENGINEERING CENTER CHINESE ACADEMY OF SCIENCES
Institute of Microelectronics of CAS
Original Assignee
JIAXING MICROELECTRONIC INSTRUMENT AND EQUIPMENT ENGINEERING CENTER CHINESE ACADEMY OF SCIENCES
Institute of Microelectronics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by JIAXING MICROELECTRONIC INSTRUMENT AND EQUIPMENT ENGINEERING CENTER CHINESE ACADEMY OF SCIENCES, Institute of Microelectronics of CAS filed Critical JIAXING MICROELECTRONIC INSTRUMENT AND EQUIPMENT ENGINEERING CENTER CHINESE ACADEMY OF SCIENCES
Priority to CN201010561021A priority Critical patent/CN102115878B/zh
Publication of CN102115878A publication Critical patent/CN102115878A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102115878B publication Critical patent/CN102115878B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Chemical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

本发明涉及氮化碳的制备技术，具体涉及一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，包括如下步骤：将硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；向所述原子层沉积设备反应腔中通入重氮甲烷，所述重氮甲烷在硅衬底表面进行化学吸附；所述的重氮甲烷与通入的气态碘单质发生卤代反应，形成不稳定的碳碘键；所述卤代反应停止后，再通入氨气继续进行胺化反应，所述碳碘键中的碘原子被氨气中的氮原子取代；所述胺化反应结束后，硅衬底表面所形成的物质即为单晶立方型氮化碳薄膜。本发明利用原子层沉积技术制备单晶立方型氮化碳薄膜，该制备方法操作简单，转化率高，能耗小，更加有利于碳、氮原子的沉积和氮化碳薄膜的生长，且制得的氮化碳薄膜结构完整。

Description

一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及氮化碳的制备技术，具体涉及一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法。
背景技术
氮化碳(C3N4)材料的研究已经从理论发展到了实践，科学家们已经可以在实验室条件下制备出具有两到三种结构的氮化碳(C3N4)物质，并且证明了它们具有超过金刚石的硬度。但是，目前所使用的外延生长法、化学气相沉积法等制备出的氮化碳薄膜多为非晶结构，而且没有制备出具有最大硬度的单晶立方型结构的氮化碳(C3N4)晶体，因此对于单晶立方型氮化碳(C3N4)的研究仍在进行。
原子层沉积(Atomic Layer Deposition，以下简称ALD)方法利用衬底对薄膜的逐层生长方式，可制备出具有单晶立方型结构的氮化碳(C3N4)晶体，通过对其工艺条件的改进，能够更高效的利用衬底和反应气体之间的相互作用制备出具有单晶立方型结构的氮化碳(C3N4)薄膜。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，该方法操作简单，转化率高，能耗小，更加有利于碳、氮原子的沉积和氮化碳(C3N4)薄膜的生长，通过本方法制得的氮化碳薄膜结构完整。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，包括如下步骤：
将硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；
向所述原子层沉积设备反应腔中通入重氮甲烷，所述重氮甲烷在硅衬底表面进行化学吸附；
所述的重氮甲烷与通入的气态碘单质发生卤代反应，形成不稳定的碳碘键；
所述卤代反应停止后，再通入氨气继续进行胺化反应，所述碳碘键中的碘原子被氨气中的氮原子取代；
所述胺化反应结束后，硅衬底表面所形成的物质即为单晶立方型氮化碳薄膜。
上述方案中，所述硅衬底预先进行氢化处理，使衬底表面形成硅氢键，所述氢化处理的条件为：在50℃-1000℃等离子体条件下，通入氢气1分钟-60分钟。
上述方案中，所述氢化处理的条件为：在200℃-500℃等离子体条件下，通入氢气5分钟-20分钟。
上述方案中，所述重氮甲烷的通入时间为2分钟-60分钟。
上述方案中，所述重氮甲烷在硅衬底表面进行化学吸附的条件是光照，所述光照的光源为波长是270nm-350nm的紫外光。
上述方案中，所述气态碘单质的通入时间为2分钟-60分钟。
上述方案中，所述卤代反应是在光照条件下进行的，所述光照的光源为高压汞灯，波长为350nm-450nm。
上述方案中，所述氨气的浓度为99.5％-99.99％，通入时间为30秒-60分钟。
上述方案中，所述原子层沉积设备反应腔在通入重氮甲烷或气态碘单质的前后均通入惰性气体。
上述方案中，所述惰性气体为氩气或氦气，浓度为99.99％，通入时间为5分钟-20分钟。
与现有技术相比，本发明技术方案产生的有益效果如下：
本发明利用原子层沉积技术制备单晶立方型氮化碳薄膜，该制备方法操作简单，转化率高，能耗小，更加有利于碳、氮原子的沉积和氮化碳(C3N4)薄膜的生长，且制得的单晶立方型氮化碳薄膜结构完整。
附图说明
图1为本发明实施例提供的重氮甲烷与硅衬底进行化学吸附的过程示意图；
图2为本发明实施例提供的重氮甲烷与气态碘单质进行卤代反应的过程示意图；
图3为本发明实施例提供的氨气与卤代反应副产物进行胺化反应的过程示意图；
图4为本发明实施例提供的硅衬底表面亚碘甲基和氨基发生反应的示意图；
图5为本发明实施例提供的硅衬底表面亚碘甲基和氨基发生二次反应后的俯视图；
图6为反应前和反应后硅衬底表面的化学式表示图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。
实施例1：
一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤101，在200℃等离子体条件下，对硅(111)衬底表面用氢气处理5分钟，使硅衬底表面形成Si-H键，如图1中a图所示；
步骤102，将进行氢化处理后的硅衬底放置于原子层沉积设备的反应腔中；向原子层沉积设备反应腔中通入浓度为99.99％的氩气5分钟，对反应腔进行清洗；再向反应腔中通入重氮甲烷5分钟，同时用波长为285nm的紫外光照射，使重氮甲烷分解，分解产物具有的未成键电子，重氮甲烷分解的化学表达式为：
Figure BDA0000034387210000041
如图1中b图所示；
分解产物碳烯(：CH2)和碳化硅衬底发生插入反应，反应的化学表达式为：即在硅衬底表面形成甲基结构，如图1中c图所示；
步骤103，向原子层沉积设备反应腔中通入浓度为99.99％的氩气5分钟，排出未反应的重氮甲烷，再通入气态碘单质5分钟，如图2中a图所示；同时用波长为355的高压汞灯照射，使得硅衬底表面的甲基结构与气态碘单质发生取代反应，甲基结构中的氢原子被碘原子取代，形成不稳定的碳碘键，取代反应的化学表达式为：
Figure BDA0000034387210000043
如图2中b图所示；
步骤104，向原子层沉积设备反应腔中通入浓度为99.99％的氩气5分钟，排出未反应的气态碘单质，再通入浓度为99.5％-99.99％的氨气50秒，如图3中a图所示；利用氮原子中未成对的孤对电子的亲核性，以及碘原子的不稳定性来发生反应，反应的化学表达式为：C-I+NH3→C-NH2+HI，使得碳氮成键，如图3中b图所示；
步骤105，用光照使得碘原子被氮原子二次取代，如图4所示，即再次脱去HI分子，图5为衬底表面发生第三次反应后的结构俯视图，所得物质即为单晶立方型氮化碳(C3N4)薄膜。硅衬底表面反应前后的化学式如图6所示。
实施例2：
一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤101，在300℃等离子体条件下，对硅(111)衬底表面用氢气处理10分钟，使硅衬底表面形成Si-H键，如图1中a图所示；
步骤102，将进行氢化处理后的硅衬底放置于原子层沉积设备的反应腔中；向原子层沉积设备反应腔中通入浓度为99.99％的氩气5分钟，对反应腔进行清洗；再向反应腔中通入重氮甲烷10分钟，同时用波长为300nm的紫外光照射，使重氮甲烷分解，分解产物具有的未成键电子，重氮甲烷分解的化学表达式为：
Figure BDA0000034387210000051
如图1中b图所示；
分解产物碳烯(：CH2)和碳化硅衬底发生插入反应，反应的化学表达式为：即在硅衬底表面形成甲基结构，如图1中c图所示；
步骤103，向原子层沉积设备反应腔中通入浓度为99.99％的氩气5分钟，排出未反应的重氮甲烷，再通入气态碘单质10分钟，如图2中a图所示；同时用波长为360nm的高压汞灯照射，使得硅衬底表面的甲基结构与气态碘单质发生取代反应，甲基结构中的氢原子被碘原子取代，形成不稳定的碳碘键，取代反应的化学表达式为：
Figure BDA0000034387210000053
如图2中b图所示；
步骤104，向原子层沉积设备反应腔中通入浓度为99.99％的氩气5分钟，排出未反应的气态碘单质，再通入浓度为99.5％-99.99％的氨气4分钟，如图3中a图所示；利用氮原子中未成对的孤对电子的亲核性，以及碘原子的不稳定性来发生反应，反应的化学表达式为：C-I+NH3→C-NH2+HI，使得碳氮成键，如图3中b图所示；
步骤105，用光照使得碘原子被氮原子二次取代，如图4所示，即再次脱去HI分子，图5为衬底表面发生第三次反应后的结构俯视图，所得物质即为单晶立方型氮化碳(C3N4)薄膜。硅衬底表面反应前后的化学式如图6所示。
实施例3：
一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤101，在400℃等离子体条件下，对硅(111)衬底表面用氢气处理15分钟，使硅衬底表面形成Si-H键，如图1中a图所示；
步骤102，将进行氢化处理后的硅衬底放置于原子层沉积设备的反应腔中；向原子层沉积设备反应腔中通入浓度为99.99％的氩气5分钟，对反应腔进行清洗；再向反应腔中通入重氮甲烷15分钟，同时用波长为320nm的紫外光照射，使重氮甲烷分解，分解产物具有的未成键电子，重氮甲烷分解的化学表达式为：
Figure BDA0000034387210000061
如图1中b图所示；
分解产物碳烯(：CH2)和碳化硅衬底发生插入反应，反应的化学表达式为：
Figure BDA0000034387210000062
即在硅衬底表面形成甲基结构，如图1中c图所示；
步骤103，向原子层沉积设备反应腔中通入浓度为99.99％的氩气5分钟，排出未反应的重氮甲烷，再通入气态碘单质15分钟，如图2中a图所示；同时用波长为370nm的高压汞灯照射，使得硅衬底表面的甲基结构与气态碘单质发生取代反应，甲基结构中的氢原子被碘原子取代，形成不稳定的碳碘键，取代反应的化学表达式为：
Figure BDA0000034387210000063
如图2中b图所示；
步骤104，向原子层沉积设备反应腔中通入浓度为99.99％的氩气5分钟，排出未反应的气态碘单质，再通入浓度为99.5％-99.99％的氨气7分钟，如图3中a图所示；利用氮原子中未成对的孤对电子的亲核性，以及碘原子的不稳定性来发生反应，反应的化学表达式为：C-I+NH3→C-NH2+HI，使得碳氮成键，如图3中b图所示；
步骤105，用光照使得碘原子被氮原子二次取代，如图4所示，即再次脱去HI分子，图5为衬底表面发生第三次反应后的结构俯视图，所得物质即为单晶立方型氮化碳(C3N4)薄膜。硅衬底表面反应前后的化学式如图6所示。
实施例4：
一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤101，在500℃等离子体条件下，对硅(111)衬底表面用氢气处理20分钟，使硅衬底表面形成Si-H键，如图1中a图所示；
步骤102，将进行氢化处理后的硅衬底放置于原子层沉积设备的反应腔中；向原子层沉积设备反应腔中通入浓度为99.99％的氩气5分钟，对反应腔进行清洗；再向反应腔中通入重氮甲烷20分钟，同时用波长为335nm的紫外光照射，使重氮甲烷分解，分解产物具有的未成键电子，重氮甲烷分解的化学表达式为：
Figure BDA0000034387210000071
如图1中b图所示；
分解产物碳烯(：CH2)和碳化硅衬底发生插入反应，反应的化学表达式为：即在硅衬底表面形成甲基结构，如图1中c图所示；
步骤103，向原子层沉积设备反应腔中通入浓度为99.99％的氩气5分钟，排出未反应的重氮甲烷，再通入气态碘单质20分钟，如图2中a图所示；同时用波长为375nm的高压汞灯照射，使得硅衬底表面的甲基结构与气态碘单质发生取代反应，甲基结构中的氢原子被碘原子取代，形成不稳定的碳碘键，取代反应的化学表达式为：
Figure BDA0000034387210000073
如图2中b图所示；
步骤104，向原子层沉积设备反应腔中通入浓度为99.99％的氩气5分钟，排出未反应的气态碘单质，再通入浓度为99.5％-99.99％的氨气10分钟，如图3中a图所示；利用氮原子中未成对的孤对电子的亲核性，以及碘原子的不稳定性来发生反应，反应的化学表达式为：C-I+NH3→C-NH2+HI，使得碳氮成键，如图3中b图所示；
步骤105，用光照使得碘原子被氮原子二次取代，如图4所示，即再次脱去HI分子，图5为衬底表面发生第三次反应后的结构俯视图，所得物质即为单晶立方型氮化碳(C3N4)薄膜。硅衬底表面反应前后的化学式如图6所示。
上述实施例中，在通入重氮甲烷或气态碘单质的前后所通入的惰性气体不局限于氩气，还可以是氦气。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将硅衬底放置于原子层沉积设备反应腔中；
向所述原子层沉积设备反应腔中通入重氮甲烷，所述重氮甲烷在硅衬底表面进行化学吸附；所述重氮甲烷在硅衬底表面进行化学吸附的条件是光照，所述光照的光源为波长为270nm-350nm的紫外光；
向所述原子层沉积设备反应腔中通入惰性气体，排出未与所述硅衬底反应的重氮甲烷，再通入气态碘单质进行卤代反应，形成不稳定的碳碘键；所述卤代反应是在光照条件下进行的，所述光照的光源为高压汞灯，波长为350nm-450nm；
所述卤代反应停止后，向所述原子层沉积设备反应腔中通入惰性气体，排出未反应的气态碘单质，再通入氨气继续进行胺化反应，所述碳碘键中的碘原子被氨气中的氮原子取代；
所述胺化反应结束后，硅衬底表面所形成的物质即为单晶立方型氮化碳薄膜。
2.如权利要求1所述的单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，其特征在于：所述硅衬底预先进行氢化处理，使衬底表面形成硅氢键，所述氢化处理的条件为：在50℃-1000℃等离子体条件下，通入氢气1分钟-60分钟。
3.如权利要求2所述的单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，其特征在于：所述氢化处理的条件为：在200℃-500℃等离子体条件下，通入氢气5分钟-20分钟。
4.如权利要求1所述的单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，其特征在于：所述重氮甲烷的通入时间为2分钟-60分钟。
5.如权利要求1所述的单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，其特征在于：所述气态碘单质的通入时间为2分钟-60分钟。
6.如权利要求1所述的单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，其特征在于：所述氨气的浓度为99.5％-99.99％，通入时间为30秒-60分钟。
7.如权利要求1所述的单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，其特征在于：所述原子层沉积设备反应腔在通入重氮甲烷前通入惰性气体。
8.如权利要求1或7所述的单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法，其特征在于：所述惰性气体为氮气、氩气或氦气，浓度为99.99％，通入时间为5分钟-20分钟。
CN201010561021A 2010-11-26 2010-11-26 一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法 Active CN102115878B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201010561021A CN102115878B (zh) 2010-11-26 2010-11-26 一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201010561021A CN102115878B (zh) 2010-11-26 2010-11-26 一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102115878A CN102115878A (zh) 2011-07-06
CN102115878B true CN102115878B (zh) 2012-09-26

Family

ID=44214799

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201010561021A Active CN102115878B (zh) 2010-11-26 2010-11-26 一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102115878B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103205806B (zh) * 2012-01-11 2015-10-28 中国科学院微电子研究所 一种单晶立方形氮化碳薄膜的制备方法
CN103205805B (zh) * 2012-01-11 2016-05-04 中国科学院微电子研究所 一种单晶立方形氮化碳薄膜的制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6090358A (en) * 1997-08-20 2000-07-18 National Science Council Of Republic Of China Crystalline Six Cy Nz and method for synthesis
CN1462818A (zh) * 2003-06-10 2003-12-24 武汉化工学院 制备结晶氮化碳薄膜的方法及装置
CN101205608A (zh) * 2006-12-22 2008-06-25 中国科学院兰州化学物理研究所 纳米多晶氮化碳薄膜的制备方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5289863B2 (ja) * 2008-08-28 2013-09-11 東京エレクトロン株式会社 アモルファスカーボンナイトライド膜の形成方法、多層レジスト膜、半導体装置の製造方法および制御プログラムが記憶された記憶媒体

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6090358A (en) * 1997-08-20 2000-07-18 National Science Council Of Republic Of China Crystalline Six Cy Nz and method for synthesis
CN1462818A (zh) * 2003-06-10 2003-12-24 武汉化工学院 制备结晶氮化碳薄膜的方法及装置
CN101205608A (zh) * 2006-12-22 2008-06-25 中国科学院兰州化学物理研究所 纳米多晶氮化碳薄膜的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN102115878A (zh) 2011-07-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102304700B (zh) 一种掺氮氧化锌薄膜的制备方法
CN101979315B (zh) 一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法
JP5276594B2 (ja) プラズマからの蒸着による成膜方法
CN103540908A (zh) 沉积二氧化硅薄膜的方法
Ruiz et al. Plasma-and vacuum-ultraviolet (VUV) photo-polymerisation of N-and O-rich thin films
CN102115878B (zh) 一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法
CN101985744B (zh) 一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法
Baranov et al. Synthesis of amorphous silicon films with high growth rate by gas-jet electron beam plasma chemical vapor deposition method
CN106068335A (zh) 锗或氧化锗的原子层沉积
CN101979707B (zh) 一种用于原子层沉积制备石墨烯薄膜的碳化学吸附方法
CN102011103B (zh) 一种用于氮化碳薄膜制备的化学吸附方法
CN108070842A (zh) 基于头发丝作为碳源使用mpcvd法生长单晶金刚石的方法
IE911146A1 (en) Method for manufacturing microcrystalline cubic boron nitride layers
CN103205729B (zh) 用ald设备生长氮化镓薄膜的方法
CN100364883C (zh) 纳米晶立方氮化硼薄膜的制备方法
CN110512189A (zh) 一种基于分子层沉积的孔径可调多孔金属氧化物制备方法
CN102051592B (zh) 一种单原子层石墨烯薄膜的制备方法
CN103205806B (zh) 一种单晶立方形氮化碳薄膜的制备方法
CN103205805B (zh) 一种单晶立方形氮化碳薄膜的制备方法
Ivandini et al. Preparation and characterization of polycrystalline chemical vapor deposited boron-doped diamond thin films
CN103866263B (zh) 一种氮化锌薄膜的制备方法
CN102304696B (zh) 一种金刚石的制备方法
CN102304697B (zh) 一种金刚石的制备方法
CN102321919A (zh) 一种单晶立方型氮化碳薄膜的制备方法
Watanabe et al. Effect of bias application on c-BN synthesis by induction thermal plasmas under atmospheric pressure

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant