各向異性金剛石刻蝕的研究報告

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用正在開發(fā)中。此外，通過蝕刻技術(shù)控制金剛石幾何形狀對于這類應用至關(guān)重要。然而，用于蝕刻其他材料的傳統(tǒng)濕法工藝對金剛石無效。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，等離子體誘導的對金剛石的損害會降低其器件性能。在此，我們報道了一種在高溫水蒸氣中的熱化學反應對單晶金剛石的非等離子體蝕刻過程。鎳箔下的金剛石被選擇性地蝕刻，在其他位置沒有蝕刻。金剛石蝕刻率約為8.7μm/min(1000°C)。據(jù)我們所知，這一比率遠遠高于迄今為止報道的其他金剛石蝕刻過程，包括等離子體過程。對金剛石蝕刻的各向異性與使用氫氧化鉀對硅蝕刻的各向異性非常相似。

介紹

在機械加工領(lǐng)域中，眾所周知，由于金剛石與金屬之間的熱化學反應，對含有鐵、鎳、鈷、鈦等過渡金屬的工件磨損嚴重，該反應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反應對多晶金剛石的蝕刻速率高達8μm/min。然而，它們的過程對單晶金剛石并無效?；阪嚺c金剛石在高溫空氣中為0.25μm/min27的單晶金剛石蝕刻工藝。Te速率與等離子體過程的速率相當，而在高溫非氧化氣體中，如N2、Ar和H2、，使用相同反應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氧化鎳對于實現(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。

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

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為圖中紅色面積對應的橫截面圖像。1b.在沉積的鎳火焰下選擇性蝕刻，形成金剛石槽。通過10條溝的平均深度得到平均深度為46μm。同時，根據(jù)LM測量結(jié)果，金剛石基板的鎳未沉積區(qū)域的厚度沒有變化。

圖4顯示了使用Niflm(1500×1500μm2)蝕刻過程，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濕退火過程中金剛石（111）表面的LM圖像，以及該過程中金剛石（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的檢測限(~10nm)。根據(jù)AFM測量，該過程中的金剛石（111）表面顯示出相當大的脂肪區(qū)域，均方根粗糙度小于或等于0.03nm。結(jié)果表明，金剛石（111）通過這一過程被變肥。

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討論

通過高溫水蒸氣中鎳和金剛石之間的熱化學反應來蝕刻金剛石的可能機理如圖所示。 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原子達到一氧化鎳之間發(fā)生氧化還原反應。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程中不斷重復。C原子的Te放電阻止了Ni中C原子的飽和。特雷比，促進了固體溶液反應，導致金剛石蝕刻率高。水蒸氣對鎳的選擇性氧化是實現(xiàn)金剛石連續(xù)蝕刻的關(guān)鍵。

審核編輯：符乾江