哈佛大學物理系Amir Yacoby團隊Adv. Mater.：單晶金剛石中按照晶體學方向的反應離子刻蝕
【引言】
在納米光學、量子計算、量子光學等領域中，如何按照設計理想地刻蝕單晶金剛石一直是個非常重要的問題。在濕刻蝕方法中，可利用氫氧化鉀（KOH）在單晶硅中實現按晶體學方向刻蝕的刻蝕，這種方法對MEMS、AFM、微流體等都具有重要意義。然而，在干刻蝕系統中，并沒有相關的技術手段。
【成果簡介】
近日，哈佛大學物理系Amir Yacoby（通訊作者）等人研發了一種按照晶體學方向刻蝕的干刻蝕方法。相關成果以題目“Crystallographic Orientation Dependent ReactiveIon Etching in Single Crystal Diamond”發表于期刊Adv. Mater.。該刻蝕方法利用誘導耦合等離子體反應離子刻蝕法 （ICP-RIE），通過控制刻蝕條件，可在單晶金剛石中選擇性地刻蝕指定晶面。利用此方法成功刻蝕了磁力測定中使用的單晶金剛石納米柱，最大錐角達到了21°，為有報道的最大角度。相應的，該納米柱結構采集光子效率高，機械強度高。這是第一次實現了按晶體學方向刻蝕的反應離子刻蝕法，為以后刻蝕特殊形狀的納米結構提供了新的途徑。同樣的，該方法也被寄希望能應用在其他單晶材料的刻蝕中。
【圖文導讀】
圖1. 在金剛石單晶中用該刻蝕方法刻蝕的V型槽的示意圖，刻蝕方向與<100>方向相同
a)在基體表面(100)方向上覆蓋的光刻蝕圖樣膜
b) 在基體自偏壓下反應離子刻蝕過程；若<100>方向上的刻蝕速率要高于<hkl>方向上的刻蝕速率，反應離子將加速轟擊基體表面并沿著{hkl}晶面形成溝槽側壁
c)移除光刻膜；該刻蝕特征與硅在KOH中刻蝕是相類似的
d) 在經歷更長刻蝕后，晶面將在底部被截斷
圖2. 晶體在5W基體功率條件下刻蝕70分鐘后的SEM圖；晶體被刻蝕成各種形狀，窗口邊緣與晶體<110>方向平行
a) 所刻蝕的類似被切去頂端的方型金字塔的結構，在窗口外部拐角處出現了其他刻蝕面
b) 放大的a圖；錐形側面表面與{332}晶族方向一致，在拐角處出現了銳利的交線
c) 刻蝕的方形陣列
d) 所刻蝕的不同寬度的頂面是長方形的結構，淺色橫條是由SEM充電效應造成的
e) d圖中側壁刻蝕特寫，顯示了與{332}晶族方向平行的側壁和與{100}晶族方向平行的底面相交的情況
圖3. 晶體在5W基體功率下刻蝕70分鐘后的表格狀晶體SEM圖，所刻蝕的窗口狀結構其邊緣與晶體<100>方向平行和晶體在其他功率條件下刻蝕的結構
a)晶體刻蝕后的方塊狀陣列（內插特寫圖）
b)一個分離的刻蝕后方塊狀結構，沒有其他外部刻蝕面
c) b圖的放大，新出現的在拐角上的刻蝕面大約是{111}面，該面與側壁的交接處成弧線
d)不同寬度的長方形刻蝕容貌，由于側壁錐形角度較小，側壁在底部沒有消失
e) 0W基體功率下刻蝕70分鐘后的晶體出現的{111}面
f) 80W基體功率下刻蝕70分鐘后晶體各向異性消失，刻蝕窗口邊緣與晶體<110>方向平行
g) 80W基體功率下刻蝕70分鐘后晶體各向異性消失，刻蝕窗口邊緣與晶體<100>方向平行
圖4. 巨大塊金剛石納米柱SEM圖
a) 所刻蝕納米柱錐角為3.4°
b)所刻蝕納米柱錐角為7.5°
c)所刻蝕納米柱錐角為11.5°
d)所刻蝕納米柱錐角為21°
e) 所刻蝕納米柱錐角隨著基體RF功率的關系，當功率大于等于40W時刻蝕角呈線性遞減關系，當功率較小時關系不明顯
f) 從單一納米柱中的納米空位發出的飽和熒光計數率和錐形角的關系；偏差來源于10-20個相同角度納米柱的結果
【小結】
在ICP-RIE刻蝕系統中，研究人員通過調節刻蝕條件研發了一種了選擇性的依據晶面方向的刻蝕技術。研究人員推測，這可能是因為通過調節反應離子刻蝕的能量，使得其與晶面上化學反應能量勢壘相當，使得晶體的刻蝕速率在不同方向上變得不一樣。研究人員利用此技術刻蝕了錐角達到21°的巨大塊金剛石納米柱。用該柱體包裹納米空位后，展現了高光子采集效率和高機械強度。研究人員相信該方法也可適用于其他干刻蝕系統，其他單晶材料和刻蝕結構。
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