CN114956073B - 一种原位刻蚀金刚石的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原位刻蚀金刚石的方法，涉及金刚石刻蚀技术领域。本发明在反应气体气氛下，利用会聚电子束对金刚石进行刻蚀，具有加工精度高、工艺简单、成本低、效率高的特点，可实现金刚石的定向刻蚀，且加工后的金刚石样品干净无污染，无需再处理，可节省大量时间和资源。
Description
技术领域
本发明涉及金刚石刻蚀技术领域，特别是涉及一种原位刻蚀金刚石的方法。
背景技术
金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质，具有耐磨性好、导热性强、化学稳定性好等优点，广泛应用在加工机床、光电材料、生物医药及高精度半导体领域。
金刚石刻蚀可用于制造量子信息器件、生物医药载体、电极材料、催化载体等，但目前对金刚石的刻蚀技术研究较少，金刚石表面刻蚀技术对于改善金刚石表面性能、扩大金刚石的应用极为重要。目前金刚石加工方法主要为激光切割和等离子刻蚀等，这些加工方法普遍存在成本高、条件严格、工艺复杂、加工精度低等缺点。如何在提高金刚石的加工精度、速度的基础上降低加工成本是本领域目前亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种原位刻蚀金刚石的方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现对金刚石高精度、高效率的定向刻蚀。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种原位刻蚀金刚石的方法，包括以下步骤：在反应气体气氛下，利用会聚电子束刻蚀金刚石。反应条件为室温，具体为25℃。具体的，首先将制好的纳米金刚石由样品杆装入到ETEM(环境球差透射电子显微镜)中，并通入反应气体，将待刻蚀部分放大到高倍，用会聚电子束来定向刻蚀金刚石。
进一步地，所述反应气体为O2、CO2、CO、H2O或H2中的一种。
进一步地，所述反应气体为CO2。
进一步地，所述反应气体为O2和CO2任意比例的混合反应气体。
进一步地，所述反应气体为CO2和H2任意比例的混合反应气体。
进一步地，所述反应气体为CO2、O2和少量水蒸气的混合反应气体。
H2与O2混合在特定比例会发生爆炸，一般不能令其单独混合作为反应气体。
进一步地，所述反应气体气氛压强为0.01-10mbar。
进一步地，所述反应后样品间真空度高于10-7mbar。
相同条件下随反应气体的量增多，刻蚀速度也加快。本发明选用10mbarCO2，可以保证较大的刻蚀速度。
进一步地，所述会聚电子束的Dose rate值为5000e/nm2s至2×105e/nm2s。电子束的Dose值电子束光强和放大倍数有关，Dose值越大，光强度越强，刻蚀速度越快。
目前刻蚀金刚石的方法为激光切割、等离子体刻蚀等。激光刻蚀通过烧蚀和光化作用来达到刻蚀效果。金刚石表面吸收激光输送的大量能量，温度急剧升高，受热不均导致加工截面粗糙。目前最先进的紫外线切割可达到500nm加工精度。等离子体刻蚀是电压将气体分子活化为带电粒子，与待刻蚀表层原子接触发生化学反应，形成气态产物离开表层造成刻蚀。整个待刻蚀样品均在等离子体气氛中，无法对样品进行精细的定向刻蚀。
本发明利用反应气体和电子束的协同作用来加工金刚石。反应气体在电子束照射条件下会迅速被活化，可实现快速的刻蚀反应。电子束光斑大小决定刻蚀精度，会聚电子束光斑直径不会超过5nm，加工精度远高于激光加工，且加工工艺简单，成本低，可定向刻蚀，加工后的金刚石样品干净无污染，无需再处理，节省大量时间和资源，可用于高效定向加工金刚石。不同的气氛下刻蚀金刚石速度不同，CO2气氛下，金刚石的刻蚀效率最高，且由于刻蚀后环境为高真空状态(真空度高于10-7mbar)，刻蚀出来的废物迅速被抽走，进一步保证了刻蚀后区域的表面干净。
本发明公开了以下技术效果：
本发明在反应气体气氛下，利用会聚电子束对金刚石进行刻蚀，具有加工精度高、工艺简单、成本低、效率高的特点，可实现金刚石的定向刻蚀，且加工后的金刚石样品干净无污染，无需再处理，可节省大量时间和资源。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明原位刻蚀金刚石的示意图；
图2为实施例1刻蚀前后金刚石纳米片的对比图；(a)为刻蚀前的金刚石纳米片，(b)为衍射金刚石<112>方向，(c)为刻蚀后的金刚石纳米片；
图3为实施例2刻蚀前后金刚石纳米片的对比图；(a)为刻蚀前的金刚石纳米片，(b)为衍射金刚石<110>方向，(c)为刻蚀后的金刚石纳米片；
图4为实施例3刻蚀前后金刚石纳米片的对比图；(a)为刻蚀前的金刚石纳米片，(b)为衍射金刚石<110>方向，(c)为刻蚀后的金刚石纳米片。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
图1为本发明原位刻蚀金刚石的示意图。
本发明实施例中金刚石片是由金刚石块体制成，具体是利用CVD化学气相沉积法(钼基体)制备得到。
实施例1
将化学气相沉积法得到的金刚石片制成金刚石纳米片，然后用200目铜网蘸取金刚石纳米片，把装有该铜网的样品杆装入到ETEM(环境球差透射电子显微镜)中，通入CO2反应气体(通入量为10mbar)，将电子束会聚为最小光斑(直径小于1nm)辐照在待刻蚀金刚石表面，Dose值为20000e/nm2s，转动滚轮光斑移动来定向刻蚀金刚石。金刚石首先出现孔洞需要25秒，1分钟可以刻蚀300nm。
图2为刻蚀前后金刚石纳米片的对比图；其中(a)为刻蚀前的金刚石纳米片，(b)为衍射金刚石<112>方向(可确定原始样品为金刚石)，(c)是刻蚀后的金刚石纳米片。本实施例可在CO2气氛下实现金刚石的刻蚀，且刻蚀精度高，刻蚀速度快。
实施例2
将化学气相沉积法得到的金刚石片制成金刚石纳米片，然后用200目铜网蘸取金刚石纳米片，把装有该铜网的样品杆装入到ETEM(环境球差透射电子显微镜)中，并通入H2反应气体(通入量为5mbar)，将电子束会聚为最小光斑(直径小于1nm)辐照在待刻蚀金刚石表面将电子束会聚，Dose值为15000e/nm2s，转动滚轮光斑移动来定向刻蚀金刚石。金刚石首先出现孔洞需要45秒，1分钟可以刻蚀200nm。
图3为刻蚀前后金刚石纳米片的对比图；其中(a)为刻蚀前的金刚石纳米片，(b)为衍射金刚石<110>方向(可确定原始样品为金刚石)，(c)是刻蚀后的金刚石纳米片。本实施例可在H2气氛下实现金刚石的刻蚀，且刻蚀精度高，刻蚀速度快。
实施例3
将化学气相沉积法得到的金刚石片制成金刚石纳米片，然后用200目铜网蘸取金刚石纳米片，把装有铜网的将制好的纳米金刚石由样品杆装入到ETEM(环境球差透射电子显微镜)中，并通入O2反应气体(通入量为1mbar)，将电子束会聚为最小光斑(直径小于1nm)辐照在待刻蚀金刚石表面将电子束会聚，Dose值为5000e/nm2s，转动滚轮光斑移动来定向刻蚀金刚石。金刚石首先出现孔洞需要50秒，1分钟可以刻蚀150nm。
图4为刻蚀前后金刚石纳米片的对比图；其中(a)为刻蚀前的金刚石纳米片，(b)为衍射金刚石<110>方向(可确定原始样品为金刚石)，(c)是刻蚀后的金刚石纳米片。本实施例可在O2气氛下实现金刚石的刻蚀，且刻蚀精度高，刻蚀速度快。
实施例4
将化学气相沉积法得到的金刚石片制成金刚石纳米片，然后用200目铜网蘸取金刚石纳米片，把装有该铜网的样品杆装入到ETEM(环境球差透射电子显微镜)中，通入O2和CO2混合气体(体积比为1:1，通入量为0.1mbar)，将电子束会聚为最小光斑(直径小于1nm)辐照在待刻蚀金刚石表面，Dose值为20000e/nm2s，转动滚轮光斑移动来定向刻蚀金刚石。金刚石首先出现孔洞需要20秒，1分钟可以刻蚀500nm。
实施例5
将化学气相沉积法得到的金刚石片制成金刚石纳米片，然后用200目铜网蘸取金刚石纳米片，把装有该铜网的样品杆装入到ETEM(环境球差透射电子显微镜)中，通入H2和CO2混合气体(体积比为1:1，通入量为0.01mbar)，将电子束会聚为最小光斑(直径小于1nm)辐照在待刻蚀金刚石表面，Dose值为20000e/nm2s，转动滚轮光斑移动来定向刻蚀金刚石。金刚石首先出现孔洞需要30秒，1分钟可以刻蚀200nm。
实施例6
将化学气相沉积法得到的金刚石片制成金刚石纳米片，然后用200目铜网蘸取金刚石纳米片，把装有该铜网的样品杆装入到ETEM(环境球差透射电子显微镜)中，通入H2、CO2和H2O混合气体(体积比为10:10:1，通入量为5mbar)，将电子束会聚为最小光斑(直径小于1nm)辐照在待刻蚀金刚石表面，Dose值为20000e/nm2s，转动滚轮光斑移动来定向刻蚀金刚石。金刚石首先出现孔洞需要20秒，1分钟可以刻蚀600nm。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (1)
1.一种原位刻蚀金刚石的方法，其特征在于，包括以下步骤：在反应气体气氛下，利用会聚电子束刻蚀金刚石；
所述反应气体为CO2、CO、H2O中的一种；
所述反应气体气氛压强为0.01-10mbar；
所述刻蚀的温度为室温；
所述会聚电子束的Dose rate值为5000e/nm2s至2×105e/nm2s。
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB9105709D0 (en) * | 1990-03-19 | 1991-05-01 | Kobe Steel Ltd | Method for etching a diamond thin films |
| JP2005262345A (ja) * | 2004-03-16 | 2005-09-29 | National Institute For Materials Science | 触媒作用を有する塩化物と収束電子線を用いる微細構造物の製造方法とその装置 |
| CN101118378A (zh) * | 2007-08-22 | 2008-02-06 | 武汉工程大学 | 金刚石表面图形化的制备方法 |
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Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4446373A (en) * | 1981-01-12 | 1984-05-01 | Sony Corporation | Process and apparatus for converged fine line electron beam treatment objects |
| US7670956B2 (en) * | 2005-04-08 | 2010-03-02 | Fei Company | Beam-induced etching |
| US8568605B2 (en) * | 2010-11-18 | 2013-10-29 | California Institute Of Technology | Forming nanometer-sized patterns by electron microscopy |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB9105709D0 (en) * | 1990-03-19 | 1991-05-01 | Kobe Steel Ltd | Method for etching a diamond thin films |
| US5160405A (en) * | 1990-03-19 | 1992-11-03 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho | Method of etching diamond thin films |
| JP2005262345A (ja) * | 2004-03-16 | 2005-09-29 | National Institute For Materials Science | 触媒作用を有する塩化物と収束電子線を用いる微細構造物の製造方法とその装置 |
| CN101118378A (zh) * | 2007-08-22 | 2008-02-06 | 武汉工程大学 | 金刚石表面图形化的制备方法 |
| CN106521449A (zh) * | 2015-09-11 | 2017-03-22 | Fei 公司 | 使用新类电子束诱发表面处理技术的纳米制造 |
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