[发明专利]一种在单晶硅片表面制备Si3N4复合薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在单晶硅片表面制备Si₃N₄复合薄膜的方法，属于薄膜制备技术领域。

背景技术

随着高科技的进步，机械制造工业正朝着微型化的方向发展，这就涉及了微型机械表面的摩擦学问题。由于硅材料具有硬度高、成本低廉、表面粗糙度小等优点，在微型机电系统中的应用日益受到重视。但是未经表面处理的硅材料脆性较高，表面裂纹在低张应力作用下易发生剥层磨损和脆性断裂，难以满足使用要求，因此需要用表面改性技术来提高硅材料表面微机械性能，以改善硅材料底微观摩擦磨损性能。目前可以通过自组装方法在单晶硅基片表面制备自组装膜，来改善单晶硅基片表面的减摩抗磨性。

纳米材料是近几年被十分重视的新型材料，其所具有的许多优异性能，可应用于许多领域。Si₃N₄具有奇特的电学性能、超强的力学性能、很好的吸附性能，因而在材料领域引起了极大重视。

经文献检索发现，公开号为CN1403494的中国发明专利申请公开了一种自组装超薄聚合物膜的制备方法，首先通过自由基共聚合合成膜材料，利用自组装技术制备了具有各种表面性质的超薄聚合物膜。制备的聚合物超薄膜具有减摩、抗磨效果，可用于微型机电系统的润滑与防护。该方法是将摩尔比为0.1～10％硅烷偶联剂与单体以偶氮二异丁腈为引发剂共聚合反应，纯化得到自组装聚合物；在洁净基底上自组装成膜，并且在惰性气体中于100℃～200℃进行热处理10～24小时。该方法制备的自组装薄膜的工艺条件相对比较繁琐，热处理的时间也较长。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种单晶硅片表面制备Si₃N₄复合薄膜的方法，工艺简单，自组装成的复合薄膜具有良好的减摩性能，解决微机械系统的摩擦学问题。

为实现这一目的，本发明采用单晶硅片作为基底材料，在其表面采用自组装方法制备磺酸基硅烷薄膜，再用N，N-二甲基甲酰胺(DMF)Si₃N₄分散液在硅烷表面制备Si₃N₄的复合薄膜。

一种在单晶硅片表面制备Si₃N₄复合薄膜的方法，其特征在于按照如下步骤进行：

A)首先对单晶硅片进行预处理：

a)将单晶硅片浸泡在王水中，使用电炉加热王水，加热时间为5～6个小时，在室温中自然冷却；

b)将单晶硅片取出，用去离子水反复冲洗，放入干燥皿中干燥；

c)干燥后浸于Pirahan溶液中，体积比为H₂SO₄∶H₂O₂＝70∶30，于室温下处理1小时，用去离子水超声清洗后放在防尘装置内的烘箱中干燥；

d)然后将处理后的单晶硅片浸入配制好的巯基硅烷浓度为0.1～1.0mmol/L的苯溶液中，静置6～8小时取出，冲洗后用氮气吹干；

e)再将单晶硅片置于质量浓度为30％～60％的硝酸中，在50～80℃下反应2小时，取出用大量去离子水冲洗，这样就将端巯基原位氧化成磺酸基，得到表面附有磺酸基硅烷薄膜的单晶硅片；

B)、制备Si₃N₄分散液：先将Si₃N₄在室温下按0.1～0.2mg/ml放入N，N-二甲基甲酰胺(DMF)分散剂，超声波分散(40W)1～3小时，得到稳定的悬浮液；

C)、将表面组装有磺酸基硅烷薄膜的单晶硅片浸入制备好的Si₃N₄悬浮液中，在20～60℃静置2～24小时，取出用大量去离子水冲洗，冲洗后用氮气吹干，这样就得到表面沉积有Si₃N₄复合薄膜的单晶硅片。

在单晶硅片基片表面，巯基硅烷分子中含有可水解的活性基团，能够通过化学建Si—O与具有活性基团Si—OH的基底材料相结合，在基底表面形成一层表面带有巯基基团的硅烷自组装薄膜。将表面组装了巯基硅烷底基片置入一定浓度的硝酸溶液中静置一段时间，薄膜表面的巯基基团被原位氧化成磺酸基基团。再将其置入Si₃N₄悬浮液后，基片表面将沉积Si₃N₄。