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金剛石具有優(yōu)異的物理化學及電學性能,如超寬的禁帶寬度、高熱導率、高硬度、高透光率以及高穩(wěn)定性，因此金剛石在電子器件、光學元件、生物醫(yī)療和微機電系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛的應用。在高功率電子器件中,金剛石的高熱導率能夠有效散熱,與氮化鎵襯底鍵合,可提高氮化鎵功率器件的散熱性能及可靠性。金剛石自身也具有超寬的禁帶寬度和高電子及空穴遷移率,因此在功率半導體領(lǐng)域具有極大的發(fā)展?jié)摿?。在光學領(lǐng)域,金剛石的高透光率和高折射率可用于制造高效率的光波導等光學元件,提高光學系統(tǒng)的效率和耐久性。此外,金剛石的高硬度和耐高溫特性使其在微機電系統(tǒng)(MEMS)中具有優(yōu)勢。MEMS技術(shù)廣泛應用于傳感器和各種微型機械裝置,目前制造的傳感器工作溫度已超600℃。由于金剛石優(yōu)越的材料性能,金剛石基微機電系統(tǒng)可以提高測量的準確性,延長使用壽命。

等離子體刻蝕

金剛石的這些特性為其在各種應用領(lǐng)域提供了廣闊的前景,但是相應的其加工難度相比其他材料也更為困難。目前金剛石的刻蝕方法主要有激光刻蝕、濕法刻蝕、金屬刻蝕和等離子體刻蝕等。在眾多刻蝕方法中,等離子體刻蝕因其高精度、低損傷和工藝的可控性,成為金剛石刻蝕的主要手段,被廣泛研究并應用在金剛石器件制造及微加工等領(lǐng)域。等離子體刻蝕包括反應性離子刻蝕、感應耦合等離子體刻蝕以及電子回旋共振刻蝕等，是一種利用等離子體中的活性粒子與材料表面發(fā)生物理和化學反應,實現(xiàn)刻蝕的技術(shù)。等離子體通常由氣體通過射頻(RF)或微波(MW)激勵產(chǎn)生,包含電子、離子、自由基等多種活性粒子。等離子體刻蝕包含物理和化學刻蝕過程,具體來說,等離子體通過對材料表面進行轟擊,將材料原子從表面濺射出來,等離子體中的自由基與材料表面發(fā)生化學反應生成易揮發(fā)性氣體,從而實現(xiàn)材料的去除。

金剛石等離子刻蝕氣體選擇

在等離子體刻蝕金剛石的研究中,常用的刻蝕氣體有氧氣(O2)、氫氣(H2)、氯氣(Cl2)、四氟化碳(CF4)、六氟化硫(SF6)氬氣(Ar)及它們的混合氣體。不同氣體的等離子體刻蝕金剛石的機理也不盡相同。氧氣刻蝕金剛石主要反應是O與金剛石表面C反應生成CO或CO2來刻蝕金剛石。而氫氣則是H與C反應生成CxHy實現(xiàn)對金剛石的刻蝕,這其中包括多種碳氫化合物,由于不同碳氫化合物之間的刻蝕速率不同,所以在氫等離子體刻蝕中會產(chǎn)生各項異性刻蝕。其他刻蝕氣體如(F、Cl2)主要也是與C反應生成對應的化合物(CF4、CCl4),這些氣態(tài)化合物從表面脫附實現(xiàn)對金剛石的刻蝕。然而,氬氣刻蝕的機制有所不同,氬氣是一種惰性氣體,不與碳發(fā)生化學反應,其刻蝕作用主要通過物理濺射實現(xiàn)。除刻蝕氣體外,刻蝕的功率和壓力的改變也會導致不同的刻蝕效果,高功率會產(chǎn)生高能量的離子和電子,從而提高刻蝕速率,但是也會導致刻蝕選擇性的降低。而較高的壓力通常會增加等離子體的碰撞頻率,降低它們的能量。因此低壓力通常提供更高的刻蝕速率。

在混合氣體刻蝕方面,氫氧混合氣體刻蝕結(jié)合了氧等離子體和氫等離子體的優(yōu)點,能夠在實現(xiàn)刻蝕的情況下顯著降低表面粗糙度,且因其能夠去除拋光所帶來的損傷在金剛石預處理上廣泛應用。而氫氧以外的其他混合氣體刻蝕,如四氟化碳和氧氣(CF4/O2)、氬氣和氧氣(Ar/O2)以及氬氣和氯氣(Ar/Cl2)等,通常用于優(yōu)化刻蝕速率和表面形貌。CF4/O2混合氣體刻蝕中,在相同條件下刻蝕速率比在O2中得到明顯提高,且氟離子的加入能有效較少微掩膜效應,降低粗糙度。Ar/O2和Ar/Cl2等混合氣體通過結(jié)合Ar的物理刻蝕效果,通過物理與化學刻蝕相結(jié)合,優(yōu)先與Ar物理濺射的碳反應,降低了缺陷處的優(yōu)先刻蝕,降低粗糙度提高刻蝕速率。