本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种电化学刻蚀金刚石半导体薄膜的方法。
背景技术：
金刚石由sp3杂化的碳元素构成，是现有物质中硬度最高、化学性质最稳定的固体材料，在众多领域有着不可替代的应用。此外，金刚石在掺杂一定量的硼、氮等元素后可成为半导体，禁带宽度可达5.5ev，且具有高载流子迁移率、超高的频率和极佳的耐热性等其它半导体材料无法比拟的优异性质，这使得金刚石半导体代表着半导体产业未来的发展方向，被认为是第四代半导体材料之一。
从半导体晶圆批量地制造各种器件涉及许多超精密加工技术，其中，减材加工是不可缺失的工艺。然而，现有的减材加工技术无法应用于超高硬度和化学性质极端惰性的金刚石半导体。因此，发展新的减材加工技术是金刚石半导体制造领域的重点之一。对此，业界经年来已提出了一些新技术，从加工机制上大致可分为如下几种类型：
(1)化学机械研磨或抛光。专利cn200810010281.3、cn202010115126.9cn201910387112.x、cn201010267938.1、cn200610134176.1披露了可采用固态稀土或含有金刚石微粒的硬质固态物质作为抛光盘来物理研磨金刚石膜。专利cn201710679963.2、cn200310111774.3和cn201010273591.1报道了也可将金刚石薄膜浸在抛光盘上处于高温熔融态的氧化剂中，使两者发生热化学氧化反应，同时用金刚石磨料对金刚石薄膜进行热化学机械抛光。此外，专利cn200410050364.7和cn201210196311.0采用的技术方案是将抛光室抽真空，并向真空抛光室外罩内通入活性气体(如：氧气)，在高温条件下化学氧化金刚石膜，再利用机械抛光去除氧化物。
(2)等离子刻蚀。专利cn98122855.0、cn200510019473.7、cn200710053016.9、cn201811618654.5和cn201510624590.x的技术方案是在高真空中采用大于1000v的超高电压电离纯氧或含有氟或含有氯的气体，产生高腐蚀性离子，刻蚀金刚石。
(3)激光刻蚀。专利cn201910397980.6、cn201810742445.5和cn202010200371.x则是采用高能激光束通过高温烧灼来加工金刚石材料。
(4)电热刻蚀。专利cn99104906.3的技术方案是在金刚石膜表面涂覆一层导电的金属层，然后通电加热来实现电热刻蚀加工。
可见，以上的技术均需在非常温常压条件进行，且需采用昂贵的设备和复杂的工艺流程才可氧化或分解金刚石，达到减材加工之目的。因此，如何提供一种电化学刻蚀金刚石半导体薄膜的方法，简化加工设备，在常温常压下高效刻蚀金刚石半导体薄膜是本领域亟待解决的难题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种电化学刻蚀金刚石半导体薄膜的方法，本发明不涉及高温高压真空等极端条件，对于实验设备及实验环境无苛刻要求，能够实现高效刻蚀金刚石半导体薄膜。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电化学刻蚀金刚石半导体薄膜的方法，具体操作步骤如下：将金刚石半导体薄膜浸入电解液中作为电解池的阴极，并采用惰性电极作为电解池的阳极，在阴阳两极间施加电流对金刚石薄膜进行刻蚀。
优选的，金刚石半导体薄膜为采用硼、氮元素中的一种或两种掺杂的金刚石半导体薄膜。
优选的，阴极极板的面积为1cm2以上，阳极极板的面积为阴极极板面积的2倍以上。
优选的，电解液中含有铁离子，铁离子的浓度为5mmol/l以上。
优选的，在阴阳两极间施加的电流为直流电。
优选的，所施加的直流电为恒压模式的直流电或单极脉冲模式的直流电，直流电电压为15～50v。
优选的，金刚石半导体薄膜通过电极夹与电源相连。
优选的，电极夹为铂、钽、钌、铱、钛中的一种或多种形成的合金电极夹，电极夹与金刚石半导体薄膜导电连接。
优选的，电解池阳极电极材料为石墨。
优选的，电解池阳极电极材料为铂、钽、钌、铱、钛中的一种或多种形成的合金。
本发明基于电化学等离子体刻蚀金刚石半导体薄膜的新原理，即：通过电化学电解水在金刚石半导体薄膜阴极表面形成微米尺度的氢气薄层；当电解池阳极的面积足够大且电解液的电导足够高时，所施加的直流电压几乎全部直接加载在此氢气薄层上，在微米尺度的薄气层内形成极大的电场强度，使薄气层电离形成等离子层。由于此等离子层的一面为与外加直流电源负极相连的金刚石半导体薄膜表面，另一面是相当于正极的电解液，因此，电解液/电离层界面上带正电荷的铁离子将在电离层内的超强电场的加速下成为高动能离子，轰击金刚石半导体薄膜表面；每一个高动能铁离子可打开金刚石的sp3杂化的碳-碳键，达到高效刻蚀的目的。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
提供了一种电化学刻蚀加工金刚石半导体薄膜的新方法，不涉及高温高压真空等极端条件，对于实验设备及实验环境无苛刻要求；采用简单的设备在常温常压下仅一步便可实现对金刚石半导体的刻蚀；每个高动能铁离子都可以打开金刚石的sp3杂化的碳-碳键，实现金刚石半导体薄膜的高效刻蚀。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明实施例所采用的刻蚀加工装置的示意图；
图2附图为本发明实施例1中所用硼掺杂金刚石半导体薄膜未刻蚀前的电子扫描显微图；
图3附图为是本发明实施例1中所用硼掺杂金刚石半导体薄膜刻蚀后的电子扫描显微图；
图4附图为本发明实施例2中所用硼掺杂金刚石半导体薄膜未刻蚀前的电子扫描显微图；
图5附图为是本发明实施例2中所用硼掺杂金刚石半导体薄膜刻蚀后的电子扫描显微图。
具体实施方式
本发明提供了一种电化学刻蚀金刚石半导体薄膜的方法，具体操作步骤如下：
将金刚石半导体薄膜浸入电解液中作为电解池的阴极，并采用惰性电极作为电解池的阳极，在阴阳两极间施加电流对金刚石薄膜进行刻蚀。
在本发明中，金刚石半导体薄膜优选为采用硼、氮元素中的一种或两种掺杂的金刚石半导体薄膜，进一步优选为硼元素掺杂的金刚石半导体薄膜。
在本发明中，电解液中含有铁离子，铁离子的浓度优选为5mmol/l以上，进一步优选为50mmol/l。
在本发明中，阳极极板的面积优选为1cm2以上，进一步优选为1cm2；阳极极板的面积为阴极极板面积的2倍以上，优选为阳极极板为阴极极板的100倍。
在本发明中，阴阳两极间施加的电流为直流电，所施加的直流电优选为为恒压模式的直流电或单极脉冲模式的直流电，进一步优选为恒压模式的直流电。
在本发明中，直流电的电压优选为15～50v，进一步优选为25～40v，再一步优选为30v。
在本发明中，金刚石半导体薄膜通过电极夹与电源相连，电极夹为铂、钽、钌、铱、钛中的一种或多种形成的合金电极夹，电极夹优选进一步优选为金属铂电极夹，电极夹与金刚石半导体薄膜为导电连接。
在本发明中，电解池阳极电极材料为铂、钽、钌、铱、钛中的一种或多种形成的合金或石墨，进一步优选为石墨。
在本发明中，阳极极板为薄片，阴阳两极板平行摆放，阴阳极的间距为3～9cm，优选为3～6cm，进一步优选为3cm。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明对刻蚀时间不做限制，以下实施例采用的电解液的种类均为便于实验，不视为对电解液的种类进行限制。
实施例1
用金属铂电极夹夹住尺寸为1×1cm2的硼掺杂金刚石半导体薄膜，电极夹中的铂片和金刚石半导体薄膜表面直接地导电接触；按图1所采用的刻蚀加工装置的示意图，将铂电极夹与直流电源的负极相连，使金刚石半导体薄膜作为电化学电解池的阴极；另将10×10cm2片状石墨电极与直流电源的正极相连，作为电化学电解池的阳极，并将阴阳两极平行摆放在容器内，两极间距固定为3cm；在容器内加入含有50mmol/l铁离子的硫酸溶液作为电解液，浸没金刚石半导体薄膜；打开直流电源将电压调至恒压模式，恒定电压30v刻蚀1小时；刻蚀后关闭直流电源，取出金刚石半导体薄膜，用清水洗净，氮气吹干。对比金刚石半导体薄膜刻蚀前(图2)和刻蚀后的电子扫描显微图(图3)，可见金刚石半导体薄膜表面形貌经刻蚀后发生了显著改变，图2中所现的晶界在图3中明显消失，刻蚀后表面变得更加平整。
实施例2
用金属铂电极夹夹住尺寸为1×1cm2的硼掺杂金刚石半导体薄膜，电极夹中的铂片和金刚石半导体薄膜表面直接地导电接触；按图1所采用的刻蚀加工装置的示意图，将铂电极夹与直流电源的负极相连，使金刚石半导体薄膜作为电化学电解池的阴极；另将10×10cm2片状石墨电极与直流电源的正极相连，作为电化学电解池的阳极，并将阴阳两极平行摆放在容器内，两极间距固定为3cm；在容器内加入含有5mmol/l铁离子的硫酸溶液作为电解液，浸没金刚石半导体薄膜；打开直流电源调至单极脉冲模式，电压固定在30v，脉冲频率固定为1hz；刻蚀1小时；刻蚀后关闭直流电源，取出金刚石半导体薄膜，用清水洗净，氮气吹干。图5是刻蚀后的金刚石半导体薄膜表面的电子扫描显微图，与图4相比，可见刻蚀后金刚石半导体薄膜表面被刻蚀出许多纳米尺度的凹坑，实现了对金刚石半导体薄膜表面的刻蚀。
实施例3
用金属铂电极夹夹住尺寸为2cm2的硼氮共掺杂金刚石半导体薄膜，电极夹中的铂片和金刚石半导体薄膜表面直接地导电接触；按图1所采用的刻蚀加工装置的示意图，将铂电极夹与直流电源的负极相连，使金刚石半导体薄膜作为电化学电解池的阴极；另将50cm2钛铂钌合金薄片状网状电极与直流电源的正极相连，作为电化学电解池的阳极，并将阴阳两极平行摆放在容器内，两极间距固定为9cm；在容器内加入含有70mmol/l铁离子的盐酸溶液作为电解液，浸没金刚石半导体薄膜；打开直流电源将电压调至恒压模式，恒定电压15v刻蚀2小时；刻蚀后关闭直流电源，取出金刚石半导体薄膜，用清水洗净，氮气吹干。金刚石半导体薄膜表面形貌经刻蚀后发生了显著改变，刻蚀后表面变得更加平整。
实施例4
用金属铂电极夹夹住尺寸为2cm2的硼掺杂金刚石半导体薄膜，电极夹中的铂片和金刚石半导体薄膜表面直接地导电接触；按图1所采用的刻蚀加工装置的示意图，将铂电极夹与直流电源的负极相连，使金刚石半导体薄膜作为电化学电解池的阴极；另将4cm2片状钛钽合金电极与直流电源的正极相连，作为电化学电解池的阳极，并将阴阳两极平行摆放在容器内，两极间距固定为6cm；在容器内加入含有50mmol/l铁离子的硫酸溶液作为电解液，浸没金刚石半导体薄膜；打开直流电源将电压调至恒压模式，恒定电压50v刻蚀1.5小时；刻蚀后关闭直流电源，取出金刚石半导体薄膜，用清水洗净，氮气吹干。金刚石半导体薄膜表面形貌经刻蚀后发生了显著改变，刻蚀后表面变得更加平整。
当铁离子浓度为50mmol/l时，刻蚀更加剧烈、有效、相同时间内刻蚀深度更深，刻蚀得到的表面更加平整。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。
