各向异性金刚石刻蚀的研究报告

摘要

金刚石具有优良的物理和电子性能，因此使用金刚石的各种应用正在开发中。此外，通过蚀刻技术控制金刚石几何形状对于这类应用至关重要。然而，用于蚀刻其他材料的传统湿法工艺对金刚石无效。此外，目前用于金刚石蚀刻的等离子体工艺并不是选择性的，等离子体诱导的对金刚石的损害会降低其器件性能。在此，我们报道了一种在高温水蒸气中的热化学反应对单晶金刚石的非等离子体蚀刻过程。镍箔下的金刚石被选择性地蚀刻，在其他位置没有蚀刻。金刚石蚀刻率约为8.7μm/min(1000°C)。据我们所知，这一比率远远高于迄今为止报道的其他金刚石蚀刻过程，包括等离子体过程。对金刚石蚀刻的各向异性与使用氢氧化钾对硅蚀刻的各向异性非常相似。

介绍

在机械加工领域中，众所周知，由于金刚石与金属之间的热化学反应，对含有铁、镍、钴、钛等过渡金属的工件磨损严重，该反应已被用于蚀刻和金刚石蚀刻。高温H2中铁和金刚石的热化学反应对多晶金刚石的蚀刻速率高达8µm/min。然而，它们的过程对单晶金刚石并无效。基于镍与金刚石在高温空气中为0.25µm/min27的单晶金刚石蚀刻工艺。Te速率与等离子体过程的速率相当，而在高温非氧化气体中，如N2、Ar和H2、，使用相同反应的蚀刻单晶金刚石蚀刻的速率明显较低。这表明，在空气中存在的高温O2氧化镍对于实现高蚀刻速率至关重要。然而，O2可以氧化Ni以及暴露在空气中的金刚石。

本文报道了一种基于高温水蒸气中镍与金刚石热化学反应的创新的单晶金刚石蚀刻工艺。对金刚石（100)和(111）进行了Te过程，以确定该过程是否为晶体各向异性蚀刻，如KOH-Si蚀刻过程，其中Si（111）表面由于各向异性Si蚀刻是通过沿{111}平面36的蚀刻步骤进行的。此外，还讨论了金刚石的蚀刻机理。

方法

首先，样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。从室温温度至800°C的温度上升速率为20°/分钟，从800°C至1000°C为10°C/分钟。Te水蒸气通过超纯水冒泡N2气体（400sccm）产生。即退火被称为“湿式退火”。最后，将样品浸在HMAh2so4/HNO3（3：1）的220°C中浸泡20min，以去除沉积的膜。

结果

金刚石（100）表面的蚀刻工艺：图1描述了样品表面形态的三维(3D)激光显微镜(LM)图像(a)沉积尺寸为50×50,100×100,200×200µm2和(b)分别在1000°C下湿退火3min和沉积火焰的去除。图1c为图中红色面积对应的横截面图像。1b.在沉积的镍火焰下选择性蚀刻，形成金刚石槽。通过10条沟的平均深度得到平均深度为46µm。同时，根据LM测量结果，金刚石基板的镍未沉积区域的厚度没有变化。

图4显示了使用Niflm(1500×1500µm2)蚀刻过程，在1000°C湿退火40min。厚度约为0.3毫米的钻石被完全穿孔。通过穿孔形成的te孔也被四面侧壁包围。

金刚石（111）表面的扁平化：图5显示了在900°C60min湿退火过程中金刚石（111）表面的LM图像，以及该过程中金刚石（111）表面的原子力显微镜(AFM)图像。虽然金刚石（111）表面表现出700nm的均方根(RMS)粗糙度，但RMS粗糙度显著降低到低于LM的检测限(~10nm)。根据AFM测量，该过程中的金刚石（111）表面显示出相当大的脂肪区域，均方根粗糙度小于或等于0.03nm。结果表明，金刚石（111）通过这一过程被变肥。

 

讨论

通过高温水蒸气中镍和金刚石之间的热化学反应来蚀刻金刚石的可能机理如图所示。 7.首先，与Niflm接触的金刚石表面的C原子由于固体溶液反应而溶解在Niflm中。此外，Niflm表面被水蒸气氧化。第二，溶解的C原子根据Niflm中的浓度梯度向一氧化镍发散。一氧化镍和C原子达到一氧化镍之间发生氧化还原反应。最后，C原子剥夺了样品中一氧化镍的O解氧，分别为二氧化碳和CO气体。这些步骤在湿式退火过程中不断重复。C原子的Te放电阻止了Ni中C原子的饱和。特雷比，促进了固体溶液反应，导致金刚石蚀刻率高。水蒸气对镍的选择性氧化是实现金刚石连续蚀刻的关键。

审核编辑：符乾江