华林科纳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 8.7μ m/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。