各向異性金剛石刻蝕的研究報(bào)告

摘要

金剛石具有優(yōu)良的物理和電子性能，因此使用金剛石的各種應(yīng)用正在開發(fā)中。此外，通過(guò)蝕刻技術(shù)控制金剛石幾何形狀對(duì)于這類應(yīng)用至關(guān)重要。然而，用于蝕刻其他材料的傳統(tǒng)濕法工藝對(duì)金剛石無(wú)效。此外，目前用于金剛石蝕刻的等離子體工藝并不是選擇性的，等離子體誘導(dǎo)的對(duì)金剛石的損害會(huì)降低其器件性能。在此，我們報(bào)道了一種在高溫水蒸氣中的熱化學(xué)反應(yīng)對(duì)單晶金剛石的非等離子體蝕刻過(guò)程。鎳箔下的金剛石被選擇性地蝕刻，在其他位置沒(méi)有蝕刻。金剛石蝕刻率約為8.7μm/min(1000°C)。據(jù)我們所知，這一比率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于迄今為止報(bào)道的其他金剛石蝕刻過(guò)程，包括等離子體過(guò)程。對(duì)金剛石蝕刻的各向異性與使用氫氧化鉀對(duì)硅蝕刻的各向異性非常相似。

介紹

在機(jī)械加工領(lǐng)域中，眾所周知，由于金剛石與金屬之間的熱化學(xué)反應(yīng)，對(duì)含有鐵、鎳、鈷、鈦等過(guò)渡金屬的工件磨損嚴(yán)重，該反應(yīng)已被用于蝕刻和金剛石蝕刻。高溫H2中鐵和金剛石的熱化學(xué)反應(yīng)對(duì)多晶金剛石的蝕刻速率高達(dá)8μm/min。然而，它們的過(guò)程對(duì)單晶金剛石并無(wú)效。基于鎳與金剛石在高溫空氣中為0.25μm/min27的單晶金剛石蝕刻工藝。Te速率與等離子體過(guò)程的速率相當(dāng)，而在高溫非氧化氣體中，如N2、Ar和H2、，使用相同反應(yīng)的蝕刻單晶金剛石蝕刻的速率明顯較低。這表明，在空氣中存在的高溫O2氧化鎳對(duì)于實(shí)現(xiàn)高蝕刻速率至關(guān)重要。然而，O2可以氧化Ni以及暴露在空氣中的金剛石。

本文報(bào)道了一種基于高溫水蒸氣中鎳與金剛石熱化學(xué)反應(yīng)的創(chuàng)新的單晶金剛石蝕刻工藝。對(duì)金剛石（100)和(111）進(jìn)行了Te過(guò)程，以確定該過(guò)程是否為晶體各向異性蝕刻，如KOH-Si蝕刻過(guò)程，其中Si（111）表面由于各向異性Si蝕刻是通過(guò)沿{111}平面36的蝕刻步驟進(jìn)行的。此外，還討論了金剛石的蝕刻機(jī)理。

方法

首先，樣品在石英管中的石英板上以900°C退火30、60和120min，950°C退火5、15和25min，1000°C退火3、5、8、13和40min。從室溫溫度至800°C的溫度上升速率為20°/分鐘，從800°C至1000°C為10°C/分鐘。Te水蒸氣通過(guò)超純水冒泡N2氣體（400sccm）產(chǎn)生。即退火被稱為“濕式退火”。最后，將樣品浸在HMAh2so4/HNO3（3：1）的220°C中浸泡20min，以去除沉積的膜。

結(jié)果

金剛石（100）表面的蝕刻工藝：圖1描述了樣品表面形態(tài)的三維(3D)激光顯微鏡(LM)圖像(a)沉積尺寸為50×50,100×100,200×200μm2和(b)分別在1000°C下濕退火3min和沉積火焰的去除。圖1c為圖中紅色面積對(duì)應(yīng)的橫截面圖像。1b.在沉積的鎳火焰下選擇性蝕刻，形成金剛石槽。通過(guò)10條溝的平均深度得到平均深度為46μm。同時(shí)，根據(jù)LM測(cè)量結(jié)果，金剛石基板的鎳未沉積區(qū)域的厚度沒(méi)有變化。

圖4顯示了使用Niflm(1500×1500μm2)蝕刻過(guò)程，在1000°C濕退火40min。厚度約為0.3毫米的鉆石被完全穿孔。通過(guò)穿孔形成的te孔也被四面?zhèn)缺诎鼑?/p>

金剛石（111）表面的扁平化：圖5顯示了在900°C60min濕退火過(guò)程中金剛石（111）表面的LM圖像，以及該過(guò)程中金剛石（111）表面的原子力顯微鏡(AFM)圖像。雖然金剛石（111）表面表現(xiàn)出700nm的均方根(RMS)粗糙度，但RMS粗糙度顯著降低到低于LM的檢測(cè)限(~10nm)。根據(jù)AFM測(cè)量，該過(guò)程中的金剛石（111）表面顯示出相當(dāng)大的脂肪區(qū)域，均方根粗糙度小于或等于0.03nm。結(jié)果表明，金剛石（111）通過(guò)這一過(guò)程被變肥。

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討論

通過(guò)高溫水蒸氣中鎳和金剛石之間的熱化學(xué)反應(yīng)來(lái)蝕刻金剛石的可能機(jī)理如圖所示。 7.首先，與Niflm接觸的金剛石表面的C原子由于固體溶液反應(yīng)而溶解在Niflm中。此外，Niflm表面被水蒸氣氧化。第二，溶解的C原子根據(jù)Niflm中的濃度梯度向一氧化鎳發(fā)散。一氧化鎳和C原子達(dá)到一氧化鎳之間發(fā)生氧化還原反應(yīng)。最后，C原子剝奪了樣品中一氧化鎳的O解氧，分別為二氧化碳和CO氣體。這些步驟在濕式退火過(guò)程中不斷重復(fù)。C原子的Te放電阻止了Ni中C原子的飽和。特雷比，促進(jìn)了固體溶液反應(yīng)，導(dǎo)致金剛石蝕刻率高。水蒸氣對(duì)鎳的選擇性氧化是實(shí)現(xiàn)金剛石連續(xù)蝕刻的關(guān)鍵。

審核編輯：符乾江