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金剛石具有優(yōu)異的物理化學(xué)及電學(xué)性能,如超寬的禁帶寬度、高熱導(dǎo)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(xué)元件、生物醫(yī)療和微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在高功率電子器件中,金剛石的高熱導(dǎo)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(dǎo)體領(lǐng)域具有極大的發(fā)展?jié)摿?。在光學(xué)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(dǎo)等光學(xué)元件,提高光學(xué)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(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中具有優(yōu)勢(shì)。MEMS技術(shù)廣泛應(yīng)用于傳感器和各種微型機(jī)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(jī)電系統(tǒng)可以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性,延長(zhǎng)使用壽命。

等離子體刻蝕

金剛石的這些特性為其在各種應(yīng)用領(lǐng)域提供了廣闊的前景,但是相應(yīng)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(yīng)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(yīng)性離子刻蝕、感應(yīng)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(xué)反應(yīng),實(shí)現(xiàn)刻蝕的技術(shù)。等離子體通常由氣體通過(guò)射頻(RF)或微波(MW)激勵(lì)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(xué)刻蝕過(guò)程,具體來(lái)說(shuō),等離子體通過(guò)對(duì)材料表面進(jìn)行轟擊,將材料原子從表面濺射出來(lái),等離子體中的自由基與材料表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成易揮發(fā)性氣體,從而實(shí)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(jī)理也不盡相同。氧氣刻蝕金剛石主要反應(yīng)是O與金剛石表面C反應(yīng)生成CO或CO2來(lái)刻蝕金剛石。而氫氣則是H與C反應(yīng)生成CxHy實(shí)現(xiàn)對(duì)金剛石的刻蝕,這其中包括多種碳?xì)浠衔?由于不同碳?xì)浠衔镏g的刻蝕速率不同,所以在氫等離子體刻蝕中會(huì)產(chǎn)生各項(xiàng)異性刻蝕。其他刻蝕氣體如(F、Cl2)主要也是與C反應(yīng)生成對(duì)應(yīng)的化合物(CF4、CCl4),這些氣態(tài)化合物從表面脫附實(shí)現(xiàn)對(duì)金剛石的刻蝕。然而,氬氣刻蝕的機(jī)制有所不同,氬氣是一種惰性氣體,不與碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng),其刻蝕作用主要通過(guò)物理濺射實(shí)現(xiàn)。除刻蝕氣體外,刻蝕的功率和壓力的改變也會(huì)導(dǎo)致不同的刻蝕效果,高功率會(huì)產(chǎn)生高能量的離子和電子,從而提高刻蝕速率,但是也會(huì)導(dǎo)致刻蝕選擇性的降低。而較高的壓力通常會(huì)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(diǎn),能夠在實(shí)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(lái)的損傷在金剛石預(yù)處理上廣泛應(yīng)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(yīng),降低粗糙度。Ar/O2和Ar/Cl2等混合氣體通過(guò)結(jié)合Ar的物理刻蝕效果,通過(guò)物理與化學(xué)刻蝕相結(jié)合,優(yōu)先與Ar物理濺射的碳反應(yīng),降低了缺陷處的優(yōu)先刻蝕,降低粗糙度提高刻蝕速率。