ダイヤモンドと関連材料誌に掲載された新しい研究は、パターンを形成するために FeCoB エッチャントを使用して多結晶ダイヤモンドをエッチングすることに焦点を当てています。これらの技術革新の向上により、損傷のない、欠陥の少ないダイヤモンド表面が得られるようになりました。
研究: フォトリソグラフィー パターンを備えた FeCoB を使用した固体状態のダイヤモンドの空間選択エッチング。画像クレジット: Bjorn Wilezic/Shutterstock.com
固体拡散プロセスを通じて、FeCoB ナノ結晶膜 (Fe:Co:B = 60:20:20、原子比) は、格子ターゲットと微細構造内のダイヤモンドの除去を達成できます。
ダイヤモンドは、高い弾性と強度に加え、独特の生化学的および視覚的性質を持っています。その極めて高い耐久性は、超精密機械加工 (ダイヤモンド旋削技術) の進歩の重要な源であり、数百 GPa の範囲の極度の圧力への道を切り開くものです。
化学的不透過性、視覚的耐久性、生物学的活性により、これらの機能的性質を利用したシステムの設計の可能性が高まります。ダイヤモンドは、メカトロニクス、光学、センサー、データ管理の分野で名を馳せています。
それらの応用を可能にするためには、ダイヤモンドの結合とそのパターンが明らかな問題を引き起こします。反応性イオンエッチング (RIE)、誘導結合プラズマ (ICP)、および電子ビーム誘起エッチングは、エッチング技術 (EBIE) を使用する既存のプロセス システムの例です。
ダイヤモンド構造は、レーザーおよび集束イオンビーム (FIB) 加工技術を使用して作成されることもあります。この製造技術の目的は、層間剥離を促進することと、連続する製造構造で広い領域にわたってスケールを変更できるようにすることです。これらのプロセスでは液体エッチャント (プラズマ、ガス、溶液) が使用されるため、達成可能な幾何学的複雑さが制限されます。
この画期的な研究は、化学蒸気発生による材料のアブレーションを研究し、表面に FeCoB (Fe:Co:B、60:20:20 原子パーセント) を持つ多結晶ダイヤモンドを作成します。ダイヤモンドのメートルスケール構造を正確にエッチングするための TM モデルの作成に主な注意が払われます。700～900℃で30～90分間の熱処理により、下層のダイヤモンドがナノ結晶FeCoBに結合されます。
ダイヤモンドサンプルの無傷の層は、その下にある多結晶微細構造を示しています。それぞれの特定の粒子内の粗さ (Ra) は 3.84 ± 0.47 nm で、全体の表面粗さは 9.6 ± 1.2 nm でした。注入された FeCoB 金属層の粗さ (ダイヤモンド 1 粒内) は 3.39 ± 0.26 nm、層の高さは 100 ± 10 nm です。
800℃で30分間アニールした後、金属表面の厚さは600±100nmに増加し、表面粗さ（Ra）は224±22nmに増加しました。アニーリング中に炭素原子が FeCoB 層内に拡散し、その結果サイズが増加します。
厚さ100 nmのFeCoB層を持つ3つのサンプルをそれぞれ700、800、900℃の温度で加熱しました。温度範囲が 700°C 未満の場合、ダイヤモンドと FeCoB の間に顕著な結合は存在せず、水熱処理後に除去される材料はほとんどありません。材料の除去は 800 °C を超える温度まで強化されます。
温度が９００℃に達すると、エッチング速度は８００℃の温度に比べて２倍に増加した。ただし、エッチングされた領域のプロファイルは、注入されたエッチング シーケンス (FeCoB) のプロファイルとは大きく異なります。
パターンを作成するための固体エッチャントの視覚化を示す概略図: フォトリソグラフィーでパターン化された FeCoB を使用したダイヤモンドの空間選択的固体エッチング。画像クレジット: Van Z. および Shankar MR 他、ダイヤモンドおよび関連資料。
ダイヤモンド上に厚さ100 nmのFeCoBサンプルを800℃で30、60、90分間それぞれ処理しました。
彫刻領域の粗さ (Ra) は、800°C での応答時間の関数として決定されました。30、60、および90分間のアニーリング後のサンプルの硬度は、それぞれ186±28 nm、203±26 nm、および212±30 nmでした。エッチング深さが 500、800、または 100 nm の場合、エッチング深さに対する彫刻領域の粗さの比 (RD) は、それぞれ 0.372、0.254、および 0.212 になります。
エッチング領域の粗さは、エッチング深さが増加してもそれほど増加しません。ダイヤモンドとHMエッチャントの反応に必要な温度は700℃を超えることがわかっています。
研究の結果は、FeCoB は、Fe または Co 単独よりもはるかに速い速度でダイヤモンドを効果的に除去できることを示しています。
投稿日時: 2023 年 8 月 31 日