[发明专利]一种用于离子传感器的氢终端金刚石表面电化学修复方法

摘要

一种用于离子传感器的氢终端金刚石表面电化学修复方法，属于半导体基础电路用基体材料制备领域。具体步骤为：a.利用氢气等离子体处理，使金刚石形成表面p型导电沟道，使其实现半导体化；b.采用真空蒸镀的方法在其光刻显影后的金刚石表面制备特定图案的电极，使氢终端金刚石实现电导通；c.将导线通过融焊法或银浆与金电极联结；d.在电极和导线上覆盖一层硅胶保护涂层，避免金属在强腐蚀酸碱溶液中受到损伤；e.将金刚石导线接于工作电极与对电极间，在不同离子溶液下模拟实际环境测试；f.将测试后的金刚石作为工作电极置于强无机酸溶液中，对其进行0～‑3V的负电位线性扫描。最终实现由于表面终端损伤而电阻升高的金刚石表面氢终端得到修复，使表面电阻下降。

主权项

1.一种用于离子传感器的氢终端金刚石表面电化学修复方法，其特征在于通过电化学的方法，将表面氢原子脱离而使电阻升高的氢终端金刚石作为电极在无机酸溶液中通过负电位线性扫描实现表面修复，工艺步骤如下：步骤1：金刚石的研磨和抛光1.1 为达到电子器件和电化学器件的应用和测试的需要，首先对单晶金刚石或研磨后的多晶金刚石进行精密抛光；用颗粒度为40、20的金刚石微粉，进行预抛光24‑48小时；1.2 更换金刚石粉颗粒度依次为10和2.5并重复上述步骤后置于精密金刚石抛光盘上，在转速为40转/分钟，80转/分钟，120转/分钟情况下分别进行20‑80小时，40‑160小时和80‑200小时，抛光后实现表面粗糙度低于1nm；步骤2：金刚石的酸洗及氢化处理2.1 为保证单晶金刚石表面光洁，去除金属夹杂，碳氢化合物，石墨；抛光后将金刚石样品置于HCl：H₂SO₄＝1:5的混合液中煮沸45分钟到1小时后用去离子水冲洗；再依次置于丙酮溶液和无水乙醇中各超声清洗10‑15分钟，吹干；2.2 采用H₂等离子体刻蚀，去除金刚石表面畸变区或位错露头，进一步实现金刚石表面平整化以期提高氢化处理后氢终端表面均匀性及导电性能；该过程在等离子体启动和调节工艺参数达到稳定状态过程中原位完成，抽真空低至0.1Pa时，通入氢气并引燃等离子体，并迅速通过提升输入功率且升高腔压升高温度；步骤3：金刚石电极的制备3.1 采用光刻技术在方形单晶或多晶金刚石膜上固定区域覆盖光刻胶，将氢化后的金刚石采用旋转涂胶法均匀涂附光刻胶于样品表面；并于80‑120℃下固化5‑15min；采用掩膜版覆盖涂胶后样品，并用紫外光对准后曝光；之后取出置于显影液中溶解曝光部分的光刻胶，使得单对角位置漏出金刚石表面；3.2 采用电子束蒸镀，温度设置在50‑100℃，沉积厚度金电极，以确保在低温环境下不损伤金刚石表面氢终端原子；采用融焊或银浆粘结，实现铜导线与金电极的连接，确保接触电阻小于100Ω，远低于金刚石表面电阻；3.3 在电极和铜线表面涂硅橡胶后置于恒温干燥箱在50‑80℃干燥10min以上待其完全固化，以保护电极与导线不在强酸环境下不被腐蚀；步骤4：金刚石电极的实际工作环境模拟测试采用电化学工作站测试技术和不同的电化学电解池，包括HgO，Hg₂Cl₂和AgCl参比电极以适应不同溶液环境，对金刚石器件浸没在不同溶液环境条件下进行实际工作环境模拟测试；配制pH值范围从1至13的酸碱溶液；将金刚石器件两电极导线分别接于电解池的工作电极与对电极进行不同溶液环境下的I‑V测试，设置电势范围为0到3V；由于在金刚石表面氢终端与溶液存在电子转移从而形成金刚石近表面空穴堆积，在电极间外电势升高的过程中形成电流；但在不同溶液中，随着电势升高，电流急剧升高并出现明显波动，表明金刚石氢终端表面与溶液发生反应；这使得金刚石表面的部分C‑H键遭到破坏，导致表面电阻升高；通过反复循环操作，氢终端金刚石器件电阻升高，导电性能有所下降；随后取出样品采用去离子水经清洗干燥后，大气环境下氢终端金刚石的电阻值较之未模拟测试前均有明显升高；步骤5：金刚石电极的氢终端表面修复称取0.005M的硫酸或0.01M的盐酸配制无机酸溶液，将氢终端金刚石电极导线均接于电解池的工作电极使该金刚石器件作为电极并浸没于该强酸溶液中；设置工作电极电势从0到‑3V进行负电势扫描3‑10次；使金刚石表面受损表面或部分不稳定H原子在溶液中被修复或取代；多次负电势扫描后，负电流升高，取出金刚石电极经清洗干燥后在大气环境下电阻有明显的降低；直至多次负扫后电流趋于一致，金刚石电极的氢终端表面完成修复。