МОДИФИКАЦИЯ АЛМАЗНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ФОТОЛИТОГРАФИИ, ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКЕ И МАГНЕТРОННОМ ОСАЖДЕНИИ

  • Anton V. Golovanov Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
  • Nicolay V. Luparev Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
  • Boris P. Sorokin Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
Ключевые слова: синтетический алмаз, плазмохимическое травление, фотолитография, магнетронное осаждение

Аннотация

Исследовано влияние стандартных технологий формирования функциональных интерфейсов на поверхности полупроводниковых материалов – фотолитографии, плазмохимической очистки поверхности подложек высокочастотным кислородным разрядом низкого давления и роста тонких металлических пленок – на форму и шероховатость поверхности монокристаллического алмаза. Предварительно было показано, что фотолитография без плазменной очистки и магнетронное осаждение алюминиевой пленки без нагрева подложек не вносят в алмазную поверхность изменений, различимых методами оптической профилометрии, электронной и оптической микроскопии, однако после литографии на поверхности остаются органические загрязнения, ухудшающие адгезию металлической пленки. Далее в работе было исследовано влияние перечисленных технологических операций по отдельности и в комбинациях на поверхность синтетического алмаза. Обнаружено, что при обработке алмазных подложек даже непродолжительная очистка в течение 5 мин кислородной плазмой высокочастотного разряда с низкой мощностью накачки плазмы 20 Вт приводит к протравливанию канавок на алмазной поверхности. Глубина канавок под влиянием плохо контролируемых внешних факторов различается как более чем на порядок в разных опытах (0,3 – 19 нм), так и на 10 – 50 % в пределах одной подложки. Также воздействие плазмы на алмазную поверхность вызывает изменение коэффициента вторичной электронной эмиссии. Нанесение алюминиевой пленки после плазменной очистки не приводит к заметным изменениям рельефа алмазной поверхности. Качество полировки алмаза (в «твердом» или «мягком» направлении), тип алмаза (IIa или IIb) и способ его изготовления (монокристалл HPHT или гомоэпитаксиальная CVD пленка) не оказывают влияния на формирование канавок травления.

Литература

Tarelkin S., Bormashov V., Buga S., Volkov A., Teteruk D., Kornilov N., Kuznetsov M., Terentiev S., Golovanov A., Blank V. Power diamond vertical Schottky barrier diode with 10 A forward current. PSS(a). 2015. V. 212. N 11. P. 2621. DOI: 10.1002/pssa.201532213.

Hausmann B. J. M., Bulu I., Venkataraman V., Deotare P., Lončar M. Diamond nonlinear photonics. Nat. Photon. 2014. V. 8. P. 369–374. DOI: 10.1038/nphoton.2014.72.

Schröder T., Mouradian S. L., Zheng J., Trusheim M. E., Walsh M., Chen E. H., Li L., Bayn I., Englund D. Quantum nanophotonics in diamond. J. Opt. Soc. Am. B. 2016. V. 33. N 4. P. B65. DOI: 10.1364/JOSAB.33.000B65.

Aharonovich I., Greentree A.D., Prawer S. Diamond photonics. Nat. Photon. 2011. V. 5. N 7. P. 397–405. DOI: 10.1038/nphoton.2011.54.

Fukuda R., Balasubramanian P., Higashimata I., Koike G., Okada T., Kagami R., Teraji T., Onoda S., Haruymama M., Yamada K., Inaba M., Yamano H., Stürner F., Schmitt S., McGuinness L., Jelezko F., Ohshina T., Shinada T., Kawarada H., Kada W., Hanaizumi O., Tanii T., Isoya J. Lithographically engineered shallow nitrogen-vacancy centers in diamond for external nuclear spin sensing. New J. Phys. 2018. V. 20. P. 083029. DOI: 10.1088/1367-2630/aad997.

Prikhodko D., Tarelkin S., Bormashov V., Golovanov A., Kuznetsov M., Teteruk D., Volkov A., Buga S. Thermal conductivity of synthetic boron-doped single-crystal HPHT diamond from 20 to 400 K. MRS Commun. 2016. V. 6. N 2. P. 1–6. DOI: 10.1557/mrc.2016.12.

Tarelkin S., Bormashov V., Kuznetsov M., Buga S., Terentiev S., Prikhodko D., Golovanov A., Blank V. Heat capacity of bulk boron-doped single-crystal HPHT diamonds in the temperature range from 2 to 400 K. J. Su-perhard Mater. 2016. V. 38. N 6. P. 412–416. DOI: 10.3103/S1063457616060058.

Umezawa H., Shikata S., Funaki T. Diamond Schottky barrier diode for high-temperature, high-power, and fast switching applications. Jpn J. Appl. Phys. 2014. V. 53. N 5 (S1). P. 05FP06. DOI: 10.7567/JJAP.53.05FP06.

Sorokin B.P., Kvashnin G.M., Telichko A.V., Gordeev G.I., Burkov S.I., Blank V.D. Study of high-overtone bulk acoustic resonators based on the Me1/AlN/Me2/(100) diamond piezoelectric layered structure. Acoust. Phys. 2015. V. 61. N 4. P. 422–433. DOI: 10.1134/S106377101503015X.

Sorokin B.P., Kvashnin G.M., Novoselov A.S., Bormashov V.S., Golovanov A.V., Burkov S.I., Blank V.D. Excitation of hypersonic acoustic waves in diamond-based piezoelectric layered structure on the microwave frequencies up to 20 GHz. Ultrasonics. 2017. V. 78. P. 162–165. DOI: 10.1016/j.ultras.2017.01.014.

Sorokin B.P., Novoselov A.S., Kvashnin G.M., Luparev N.V., Asafiev N.O., Shipilov A.B., Aksenenkov V.V. De-velopment and study of composite acoustic resonators with Al/(Al, Sc)N/Mo/diamond structure with a high Q factor in the UHF range. Acoust. Phys. 2019. V. 65. N 3. P. 263–268. DOI: 10.1134/S1063771019030072.

Blank V., Bormashov V., Tarelkin S., Buga S., Kuznetsov M., Teteruk D., Kornilov N., Terentiev S., Volkov A. Power high-voltage and fast response Schottky barrier diamond diodes. Diam. Relat. Mat. 2015. N 57. P. 32–36. DOI: 10.1016/j.diamond.2015.01.005.

Polyakov A., Smirnov N., Tarelkin S., Govorkov A., Bormashov V., Kuznetsov M., Teteruk D., Buga S., Kornilov N., Lee I. Electrical properties of diamond platinum vertical Schottky barrier diodes. Mater. Today-Proc. 2016. V. 3. P. S159–S164. DOI: 10.1016/j.matpr.2016.02.027.

Bormashov V., Troschiev S., Volkov A., Tarelkin S., Korostylev E., Golovanov A., Kuznetsov M., Teteruk D., Kornilov N., Terentiev S., Buga S., Blank V. Development of nuclear microbattery prototype based on Schottky barrier diamond diodes. PSS (a). 2015. V. 212. N 11. P. 2539–2547. DOI: 10.1002/pssa.201532214.

Bormashov V.S., Troschiev S.Yu., Tarelkin S.A., Volkov A.P., Teteruk D.V., Golovanov A.V., Kuznetsov M.S., Kornilov N.V., Terentiev S.A., Blank V.D. High power density nuclear battery prototype based on diamond Schottky diodes. Diam. Relat. Mat. 2018. V. 84. N 11. P. 41–47. DOI: 10.1002/pssa.201532214.

Terentyev S., Polikarpov M., Di Michiel M., Zholudev S., Yunkin V., Kuznetsov S., Blank V., Snigirev A. Linear parabolic single-crystal diamond refractive lenses for synchrotron X-ray sources. J. Synchrotron Radiat. 2017. V. 24. N 1. P. 103–109. DOI: 10.1107/S1600577516017331.

Shvyd'ko Y., Blank V., Terentyev S. Diamond X-ray optics: Transparent, resilient, high-resolution, and wave-front preserving. MRS Bull. 2017. V. 42. N 06. P. 437–444. DOI: 10.1557/mrs.2017.119.

Uhlén F., Lindqvist S., Nillson D., Reinspach J., Vogt U., Hertz H., Holmberg A., Barett R. New diamond nanofabrication process for hard x-ray zone plates. J. Vac. Sci. Technol. B. 2011. V. 29. N 6. P. 06FG03. DOI: 10.1116/1.3656055.

Yamada T., Yoshikawa H., Uetsuka H., Kumaragurubaran S., Tokuda N., Shikata S. Cycle of two-step etching process using ICP for diamond MEMS applications. Diam. Relat. Mat. 2007. V. 16. N 4–7. P. 996–999. DOI: 10.1016/j.diamond.2006.11.023.

Plasma etching processes for interconnect realization in VLSI. Ed. by N. Posseme. London: Oxford: ISTE Press; Elsevier Ltd. 2015. 108 p.

Toros A., Kiss M., Graziosi T., Sattari H., Gallo P., Quack N. Precision micro-mechanical components in sin-gle crystal diamond by deep reactive ion etching. Microsyst Nanoeng. 2018. V. 4. N 1. P. 1-8. DOI: 10.1038/s41378-018-0014-5.

Lee C.L., Gu E., Dawson M.D. Micro-cylindrical and microring lenses in CVD diamond. Diam. Relat. Mat. 2007. V. 16. N 4–7. P. 944–948. DOI: 10.1016/j.diamond.2006.11.027.

Lee C.L., Gu E., Dawson M.D., Friel I., Scarsbrook G.A. Etching and micro-optics fabrication in diamond us-ing chlorine-based inductively-coupled plasma. Diam. Relat. Mat. 2008. V. 17. N 7–10. P. 1292–1296. DOI: 10.1016/j.diamond.2008.01.011.

Kiss M., Graziosi T., Quack N. Demonstration of V-groove diffraction gratings in single crystal diamond. Gö-teborg, Sweden: Elsevier. 2017. P. O8A.3.

Khanaliloo B., Mitchell M., Hryciw A.C., Barclay P.E. High-Q/V monolithic diamond microdisks fabricated with quasi-isotropic etching. Nano Lett. 2015. V. 15. N 8. P. 5131–5136. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b01346.

Hwang D.S., Saito T., Fujimori N. New etching process for device fabrication using diamond. Diam. Relat. Mat. 2004. V. 13. N 11–12. P. 2207–2210. DOI: 10.1016/j.diamond.2004.07.020.

Blank V.D., Kuznetsov M.S., Nosukhin S.A., Terentiev S.A., Denisov V.N. The influence of crystallization tem-perature and boron concentration in growth environment on its distribution in growth sectors of type IIb diamond. Diam. Relat. Mat. 2007. V. 16. N 4–7. P. 800–804. DOI: 10.1016/j.diamond.2006.12.010.

Doronin M.A., Polyakov S.N., Kravchuk K.S., Mo-chalov S.P., Lomov A.A., Troschiev S.Yu., Terentiev S.A. Limits of single crystal diamond surface mechanical polishing. Diam. Relat. Mat. 2018. V. 87. P. 149–155. DOI: 10.1016/j.diamond.2018.05.016.

Sorokin B.P., Bormashov V.S., Korostylev E.V., Novoselov A.S., Doronin M.A., Kravchuk K.S., Blank. V.D. Usage of electron back scattering diffraction for investigation of buried damage layer underneath a single crystalline diamond surface. J. Mater. Sci.: Materials in Electronics. 2017. V. 28. N 18. P. 13464 – 13471. DOI: 10.1007/s10854-017-7185-y.

Lvova N.A., Ponomarev O.V., Ryazanova A.I. Modeling the hydrogen and oxygen atoms interaction with the defects on a diamond surface. Tech. Connect Briefs. 2017. V. 4. P. 8–11.

Friel I., Clewes S.L., Dhillon H.K., Perkins N., Twitchen D.J., Scarsbrook G.A. Control of surface and bulk crys-talline quality in single crystal diamond grown by chemical vapour deposition. Diam. Relat. Mat. 2009. V. 18. N 5–8. P. 808–815.

Vietzke E., Refke A., Philipps V., Hennes M. Energy distributions and yields of sputtered C2 and C3 clusters. J. Nucl. Mater. 1997. V. 241–243. P. 810–815.

Guzmán de la Mata B., Dowsett M.G., Twitchen D. Sputter yields in diamond bombarded by ultra low energy ions. Appl. Surf. Sci. 2006. V. 252. N 19. P. 6444–6447.

Golovanov A.V., Bormashov V.S., Luparev N.V., Tarelkin S.A., Troschiev S. Yu, Buga S.G., Blank V.D. Diamond microstructuring by deep anisotropic reactive ion etching. PSS(a). 2018. P. 1800273. DOI: 10.1002/pssa.201800273.

Korostylev E.V., Bormashov V.S., Tarelkin S.A., Doronin M.A. Using electron backscatter diffraction to investi-gate the influence of mechanical polishing on the state of the surface of diamond. J. Surf. Invest.: X-Ray, Synchro-tron Neutron Tech. 2017. V. 11. N 1. P. 125–129. DOI: 10.1134/S1027451017010141.

Опубликован
2020-10-27
Как цитировать
Golovanov, A. V., Luparev, N. V., & Sorokin, B. P. (2020). МОДИФИКАЦИЯ АЛМАЗНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ФОТОЛИТОГРАФИИ, ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКЕ И МАГНЕТРОННОМ ОСАЖДЕНИИ. ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. СЕРИЯ «ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ», 63(11), 49-56. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20206311.6232
Раздел
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ неорг. и органических веществ, теоретические основы