Eine neue Studie in der Zeitschrift Diamond and Related Materials konzentriert sich auf das Ätzen von polykristallinem Diamant mit FeCoB-Ätzmittel zur Bildung von Mustern. Als Ergebnis dieser verbesserten technologischen Innovationen können Diamantoberflächen ohne Beschädigung und mit weniger Defekten erhalten werden.
Forschung: Räumlich selektives Ätzen von Diamant im Festkörper unter Verwendung von FeCoB mit einem fotolithografischen Muster. Bildnachweis: Björn Wilezic/Shutterstock.com
Durch den Festkörperdiffusionsprozess können nanokristalline FeCoB-Filme (Fe:Co:B=60:20:20, Atomverhältnis) eine Gitterausrichtung und die Eliminierung von Diamanten in der Mikrostruktur erreichen.
Diamanten haben einzigartige biochemische und visuelle Eigenschaften sowie eine hohe Elastizität und Festigkeit. Seine extreme Haltbarkeit ist eine wichtige Quelle des Fortschritts in der Ultrapräzisionsbearbeitung (Diamantdrehtechnologie) und der Weg zu extremen Drücken im Bereich von Hunderten von GPa.
Chemische Undurchlässigkeit, visuelle Beständigkeit und biologische Aktivität erhöhen die Gestaltungsmöglichkeiten von Systemen, die diese funktionalen Eigenschaften nutzen. Diamond hat sich in den Bereichen Mechatronik, Optik, Sensorik und Datenmanagement einen Namen gemacht.
Um ihre Anwendung zu ermöglichen, verursachen die Bindung von Diamanten und deren Muster offensichtliche Probleme. Reaktives Ionenätzen (RIE), induktiv gekoppeltes Plasma (ICP) und elektronenstrahlinduziertes Ätzen sind Beispiele für bestehende Prozesssysteme, die Ätztechniken verwenden (EBIE).
Diamantstrukturen werden auch mithilfe von Laser- und FIB-Bearbeitungstechniken (Focused Ion Beam) erzeugt. Ziel dieser Herstellungstechnik ist es, die Delaminierung zu beschleunigen und eine großflächige Skalierung in aufeinanderfolgenden Produktionsstrukturen zu ermöglichen. Diese Prozesse verwenden flüssige Ätzmittel (Plasma, Gase und flüssige Lösungen), was die erreichbare geometrische Komplexität begrenzt.
Diese bahnbrechende Arbeit untersucht den Materialabtrag durch chemische Dampferzeugung und erzeugt polykristallinen Diamanten mit FeCoB (Fe:Co:B, 60:20:20 Atomprozent) auf der Oberfläche. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Erstellung von TM-Modellen zum präzisen Ätzen metergroßer Strukturen in Diamanten. Der darunter liegende Diamant wird durch eine 30 bis 90-minütige Wärmebehandlung bei 700 bis 900 °C mit dem nanokristallinen FeCoB verbunden.
Eine intakte Schicht einer Diamantprobe weist auf eine darunter liegende polykristalline Mikrostruktur hin. Die Rauheit (Ra) innerhalb jedes einzelnen Partikels betrug 3,84 ± 0,47 nm und die Gesamtoberflächenrauheit betrug 9,6 ± 1,2 nm. Die Rauheit (innerhalb eines Diamantkorns) der implantierten FeCoB-Metallschicht beträgt 3,39 ± 0,26 nm und die Schichthöhe beträgt 100 ± 10 nm.
Nach 30-minütigem Glühen bei 800 °C erhöhte sich die Metalloberflächendicke auf 600 ± 100 nm und die Oberflächenrauheit (Ra) auf 224 ± 22 nm. Beim Glühen diffundieren Kohlenstoffatome in die FeCoB-Schicht, was zu einer Größenzunahme führt.
Drei Proben mit 100 nm dicken FeCoB-Schichten wurden auf Temperaturen von 700, 800 bzw. 900 °C erhitzt. Wenn der Temperaturbereich unter 700 °C liegt, gibt es keine nennenswerte Bindung zwischen Diamant und FeCoB und nach der hydrothermischen Behandlung wird nur sehr wenig Material entfernt. Der Materialabtrag wird bis zu Temperaturen über 800 °C verbessert.
Als die Temperatur 900 °C erreichte, erhöhte sich die Ätzrate im Vergleich zur Temperatur von 800 °C um das Doppelte. Allerdings unterscheidet sich das Profil des geätzten Bereichs stark von dem der implantierten Ätzsequenzen (FeCoB).
Schematische Darstellung der Visualisierung eines Festkörperätzmittels zur Erzeugung eines Musters: Räumlich selektives Festkörperätzen von Diamant unter Verwendung von fotolithografisch strukturiertem FeCoB. Bildnachweis: Van Z. und Shankar MR et al., Diamonds and Related Materials.
FeCoB-Proben mit einer Dicke von 100 nm auf Diamanten wurden 30, 60 bzw. 90 Minuten lang bei 800 °C verarbeitet.
Die Rauheit (Ra) des gravierten Bereichs wurde als Funktion der Reaktionszeit bei 800 °C bestimmt. Die Härte der Proben nach 30-, 60- und 90-minütigem Glühen betrug 186 ± 28 nm, 203 ± 26 nm bzw. 212 ± 30 nm. Bei einer Ätztiefe von 500, 800 oder 100 nm beträgt das Verhältnis (RD) der Rauheit des gravierten Bereichs zur Ätztiefe 0,372, 0,254 bzw. 0,212.
Die Rauheit des geätzten Bereichs nimmt mit zunehmender Ätztiefe nicht wesentlich zu. Es wurde festgestellt, dass die für die Reaktion zwischen Diamant und HM-Ätzmittel erforderliche Temperatur über 700 °C liegt.
Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass FeCoB Diamanten viel schneller effektiv entfernen kann als Fe oder Co allein.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 31. August 2023