哈佛大学物理系Amir Yacoby团队Adv. Mater.：单晶金刚石中按照晶体学方向的反应离子刻蚀
【引言】
在纳米光学、量子计算、量子光学等领域中，如何按照设计理想地刻蚀单晶金刚石一直是个非常重要的问题。在湿刻蚀方法中，可利用氢氧化钾（KOH）在单晶硅中实现按晶体学方向刻蚀的刻蚀，这种方法对MEMS、AFM、微流体等都具有重要意义。然而，在干刻蚀系统中，并没有相关的技术手段。
【成果简介】
近日，哈佛大学物理系Amir Yacoby（通讯作者）等人研发了一种按照晶体学方向刻蚀的干刻蚀方法。相关成果以题目“Crystallographic Orientation Dependent ReactiveIon Etching in Single Crystal Diamond”发表于期刊Adv. Mater.。该刻蚀方法利用诱导耦合等离子体反应离子刻蚀法 （ICP-RIE），通过控制刻蚀条件，可在单晶金刚石中选择性地刻蚀指定晶面。利用此方法成功刻蚀了磁力测定中使用的单晶金刚石纳米柱，最大锥角达到了21°，为有报道的最大角度。相应的，该纳米柱结构采集光子效率高，机械强度高。这是第一次实现了按晶体学方向刻蚀的反应离子刻蚀法，为以后刻蚀特殊形状的纳米结构提供了新的途径。同样的，该方法也被寄希望能应用在其他单晶材料的刻蚀中。
【图文导读】
图1. 在金刚石单晶中用该刻蚀方法刻蚀的V型槽的示意图，刻蚀方向与<100>方向相同
a)在基体表面(100)方向上覆盖的光刻蚀图样膜
b) 在基体自偏压下反应离子刻蚀过程；若<100>方向上的刻蚀速率要高于
c)移除光刻膜；该刻蚀特征与硅在KOH中刻蚀是相类似的
d) 在经历更长刻蚀后，晶面将在底部被截断
图2. 晶体在5W基体功率条件下刻蚀70分钟后的SEM图；晶体被刻蚀成各种形状，窗口边缘与晶体<110>方向平行
a) 所刻蚀的类似被切去顶端的方型金字塔的结构，在窗口外部拐角处出现了其他刻蚀面
b) 放大的a图；锥形侧面表面与{332}晶族方向一致，在拐角处出现了锐利的交线
c) 刻蚀的方形阵列
d) 所刻蚀的不同宽度的顶面是长方形的结构，浅色横条是由SEM充电效应造成的
e) d图中侧壁刻蚀特写，显示了与{332}晶族方向平行的侧壁和与{100}晶族方向平行的底面相交的情况
图3. 晶体在5W基体功率下刻蚀70分钟后的表格状晶体SEM图，所刻蚀的窗口状结构其边缘与晶体<100>方向平行和晶体在其他功率条件下刻蚀的结构
a)晶体刻蚀后的方块状阵列（内插特写图）
b)一个分离的刻蚀后方块状结构，没有其他外部刻蚀面
c) b图的放大，新出现的在拐角上的刻蚀面大约是{111}面，该面与侧壁的交接处成弧线
d)不同宽度的长方形刻蚀容貌，由于侧壁锥形角度较小，侧壁在底部没有消失
e) 0W基体功率下刻蚀70分钟后的晶体出现的{111}面
f) 80W基体功率下刻蚀70分钟后晶体各向异性消失，刻蚀窗口边缘与晶体<110>方向平行
g) 80W基体功率下刻蚀70分钟后晶体各向异性消失，刻蚀窗口边缘与晶体<100>方向平行
图4. 巨大块金刚石纳米柱SEM图
a) 所刻蚀纳米柱锥角为3.4°
b)所刻蚀纳米柱锥角为7.5°
c)所刻蚀纳米柱锥角为11.5°
d)所刻蚀纳米柱锥角为21°
e) 所刻蚀纳米柱锥角随着基体RF功率的关系，当功率大于等于40W时刻蚀角呈线性递减关系，当功率较小时关系不明显
f) 从单一纳米柱中的纳米空位发出的饱和荧光计数率和锥形角的关系；偏差来源于10-20个相同角度纳米柱的结果
【小结】
在ICP-RIE刻蚀系统中，研究人员通过调节刻蚀条件研发了一种了选择性的依据晶面方向的刻蚀技术。研究人员推测，这可能是因为通过调节反应离子刻蚀的能量，使得其与晶面上化学反应能量势垒相当，使得晶体的刻蚀速率在不同方向上变得不一样。研究人员利用此技术刻蚀了锥角达到21°的巨大块金刚石纳米柱。用该柱体包裹纳米空位后，展现了高光子采集效率和高机械强度。研究人员相信该方法也可适用于其他干刻蚀系统，其他单晶材料和刻蚀结构。
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