一种基于非等离子体实现金刚石可控刻蚀的方法

本发明属于金刚石半导体微纳加工，具体涉及一种基于非等离子体实现金刚石可控刻蚀的方法。

背景技术：

1、金刚石具有优异的机械、电、热及化学性能，在高效加工、生物传感器、半导体及量子器件等领域具有良好的发展前景，为了制造这些器件，形成器件结构的金刚石蚀刻技术显得尤为重要。传统上，几乎所有的金刚石器件结构都是通过自上而下的等离子体蚀刻实现，但是目前用于金刚石蚀刻的等离子体工艺设备对材料表面没有选择性，而且等离子体对金刚石的损伤会恶化器件性能，再加上用于蚀刻其他材料(如硅)的传统湿法刻蚀工艺对金刚石无效，导致金刚石刻蚀工艺的发展受限，同时也限制了金刚石应用器件的进一步发展。刻蚀温度一定时，延长刻蚀时间可以减小刻蚀面的粗糙度已经被证实。在金刚石器件加工中以刻蚀深度作为定量指标的场景下，为了实现更低的粗糙度，就需要放缓刻蚀速度以延长刻蚀时间。如何适当减缓刻蚀速率、增加刻蚀深度的可控性是目前金刚石刻蚀工艺领域亟需解决的技术问题。

2、cn202010374585.9金刚石膜刻蚀方法包括：将基片置于腔体内，所述基片包括硅片和金刚石膜，所述硅片的一面设有由沟槽形成的图形，所述金刚石膜覆盖在所述硅片的沟槽所在的表面上且填充满所述沟槽；在所述腔体内形成等离子体对所述基片进行刻蚀，得到图形化金刚石膜，其中，所述刻蚀的具体条件包括：h2和o2作为气源，且o2的流量为h2流量的1～6％；微波作为能量源，且微波功率为3～8kw；刻蚀温度为600～700℃。但采用微波等离子体cvd(mpcvd)设备，通常成本在百万元，而且操作复杂，对气体需求量大，容易过度刻蚀。

技术实现思路

1、发明目的：本发明旨在提出一种基于非等离子体实现金刚石可控刻蚀的方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现对金刚石高精度、深度可控的选择性刻蚀。

2、为实现上述目的，本发明提出的技术方案如下：一种基于非等离子体实现金刚石可控刻蚀的方法，包括以下步骤：

3、(1)金刚石表面预处理，其具体过程为：使用强酸混合液对金刚石衬底进行加热处理，然后依次用丙酮、乙醇和去离子水对金刚石衬底进行超声清洗，去除表面油污和其他杂质，烘干备用；

4、(2)金刚石刻蚀前准备，其具体过程为：采用带有指定图案的掩模版，通过物理气相沉积法在金刚石衬底表面沉积相应图案的镍金属薄膜。

5、(3)金刚石的刻蚀，其具体过程为：将带有相应图案金属薄膜的金刚石样品放入快速退火炉中，在加热前先通入一段时间的惰性气体和反应气体的混合气，用以排出装置里的空气；在流动的混合气体气氛下加热至指定刻蚀温度，保温相同时间；反应完成后停止加热，继续通入混合气体，直至装置冷却至室温。金属薄膜为镍，也可采用铝、铁、钛等金属。

6、(4)刻蚀后金刚石的处理，其具体过程为：把刻蚀后的样品放入盐酸中超声清洗以去除表面残余的金属薄膜和反应生成物，依次使用丙酮、乙醇和去离子水对酸洗后的样品进行超声清洗，烘干，即可得到刻蚀后的金刚石。

7、本发明中所述的沉积的金属薄膜的厚度为0.05～0.5μm。金属薄膜为镍薄膜。

8、本发明中所述的金刚石刻蚀温度范围为900～1100℃。

9、本发明中所述的金刚石在刻蚀温度的保温时间为0.5～10分钟。

10、本发明中所述的反应气体为水蒸气、氢气或其他气体中的一种或多种，且加热前后都需要持续通入。

11、关于高温水蒸气中进行的镍与金刚石的热化学反应，我们分析认为水蒸气中的氧元素对金刚石刻蚀起到了促进作用，因而可以从降低退火气氛中氧元素的含量入手，方法一是降低反应气氛中水蒸气的含量，方法二是使用氢气代替水蒸气作为刻蚀过程的反应气氛。

12、此外，在设备的选择上，传统管式炉的时间控制与快速热处理过程的时间控制存在巨大差异。传统管式炉达到保温温度通常需要数十分钟，除保温时间外，升温和冷却的过程中同样会有刻蚀情形的发生，总刻蚀时间不可避免地被延长，因而管式炉对实际刻蚀时间的可控性弱，这将导致刻蚀深度的较大涨落和器件图形刻蚀深度的不可控。而快速退火炉的主要特点在于升温和降温快，达到保温温度通常只需数十秒，保温结束后的降温也能够迅速降到热化学反应所需温度以下，因而可以更精确地控制刻蚀反应的时间，进而实现刻蚀深度可控。

13、现有技术中，有氩气携带饱和水蒸汽(含水率高)的文章，但是刻蚀速率过快(高达8.7μm/min)不利于控制。本申请就是降低水汽含量来达到控制刻蚀速率的目的；在此基础上还采用氢气替代水蒸气，刻蚀速率变化幅度变小。

14、本发明的有益效果：(1)采用快速退火炉内的热化学反应完成刻蚀，相比于等离子体的非选择性刻蚀技术操作简单、成本更低。

15、(2)传统的管式炉变温速率慢，升温通常需要数十分钟，升、降温过程中刻蚀反应不可避免地进行，对实际刻蚀时间的可控性弱。而快速退火炉的主要特点在于升温和降温快，升温只需数十秒，可以更精确地实现刻蚀时间可控。

16、(3)降低惰性气体中的含水率，刻蚀速率显著降低；使用氢气代替水蒸气作为刻蚀过程的反应气氛，不仅刻蚀速率降低而且还有效减小刻蚀速率的变化幅度。两种方法都可增加金刚石半导体微纳加工中对刻蚀深度的可控性。

17、(4)本发明用低成本的反应气体排出装置里的空气，不采用h2和o2作为气源，也不采用微波，控制刻蚀的效果更好。氢气和氧气同时作为气源，安全系数低，需要在特定设备中进行。(图3)本申请不采用微波等离子体。使用快速退火设备，设备成本低，且操作简单、成本更低，是适合产业的可控刻蚀的方法。本发明从加工设备和反应气氛上提出创新，增加金刚石半导体微纳加工中对刻蚀深度的可控性，具有较大的经济意义和推广价值。

技术特征：

1.一种基于非等离子体实现金刚石可控刻蚀的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于非等离子体实现金刚石可控刻蚀的方法，其特征在于：金属薄膜为镍、铝、铁或钛金属薄膜，沉积的镍金属薄膜的厚度为0.05～0.5μm。

3.根据权利要求1所述的一种基于非等离子体实现金刚石可控刻蚀的方法，其特征在于：所述的金刚石刻蚀温度范围为900～1100℃。

4.根据权利要求1所述的一种基于非等离子体实现金刚石可控刻蚀的方法，其特征在于：所述的金刚石在刻蚀温度的保温时间为0.5～10分钟。

技术总结
一种基于非等离子体实现金刚石可控刻蚀的方法，1)金刚石表面预处理，使用强酸混合液对金刚石衬底进行加热处理，然后依次用丙酮、乙醇和去离子水对金刚石衬底进行超声清洗，去除表面油污和其他杂质，烘干备用；2)金刚石刻蚀前准备，采用带有指定图案的掩模版，通过物理气相沉积法在金刚石衬底表面沉积相应图案的金属薄膜；3)金刚石的刻蚀，将带有镍金属薄膜的金刚石样品放入快速退火炉中，在加热前先通入一段时间的惰性气体和反应气体的混合气，用以排出装置里的空气；在流动的混合气体气氛下加热至指定刻蚀温度；反应完成后停止加热，继续通入混合气体，直至装置冷却至室温。

技术研发人员：顾书林,黄颖蒙,段晶晶,刘松民,滕妍,杨凯,赵伟康,赵耕右,朱顺明,汤琨,叶建东
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13