用于独立单晶机械和光学部件生产的单晶金刚石零件生产方法技术

本发明专利技术涉及独立单晶金刚石零件和单晶金刚石零件生产方法。该方法包括以下步骤：‑设置单晶金刚石基板或层；‑在基板或层上设置第一附着层；‑在第一附着层上设置第二附着层；‑在第二附着层上设置掩模层；‑穿过掩模层以及第一和第二附着层形成至少一个凹陷或多个凹陷，以露出单晶金刚石基板或层的一个或多个部分；以及‑蚀刻单晶金刚石基板或层的露出的一个或多个部分，并且完全蚀刻穿过单晶金刚石基板或层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于独立单晶机械和光学部件生产的单晶金刚石零件生产方法
本专利技术涉及用于在单晶金刚石中制造独立的释放部件或零件的方法和通过该方法生产的单晶金刚石零件或产品。本专利技术还涉及仅由反应离子蚀刻的单晶金刚石零件或产品构成的独立或单独的金刚石零件或产品。
技术介绍
随着近来可以利用工业高纯度化学气相沉积(CVD)单晶金刚石，已经广泛报道利用其独特的光学和机械特性的应用。已经公开了诸如纳米机械谐振器、纳米线尖端以及悬臂的机械结构。在光学领域中，微透镜、光栅以及微腔是单晶金刚石是理想材料的应用。然而，应用限于厚度较小的结构，该厚度范围仅从几百纳米到几十微米。通过激光消融已经获得了厚达1.2mm的单晶金刚石释放零件，然而，示出粗糙的侧壁(约1μmrms)。相比之下，使用反应离子蚀刻(RIE)已经产生几纳米rms粗糙度(约3nmrms)的平滑蚀刻结构。另外，激光消融是一个顺序过程，而基于等离子体的方法允许同时制造多个和任意数量的零件，唯一的限制是金刚石基板或由多个单独的金刚石基板组成的复合基板的尺寸。已经用基于氧的等离子体示范了单晶金刚石的蚀刻工艺，该等离子体常常结合诸如氩气或碳氟化合物(例如，CF4)的其他气体而被发现。达到高达40μm/h的蚀刻速率和高于50：1的硬掩模材料的选择性，然而，尚未有高于约55μm的蚀刻深度的示例，这需要使用外部高级钢结构充当硬掩模。该限制起因于在深度蚀刻工艺中使用的厚硬掩模的结构化期间遇到的难题，诸如在小金刚石基板上旋涂光刻胶期间形成边珠。另外，微掩模效应导致粗糙的表面，并且可能几乎停止蚀刻过程，由此使得难以达到高蚀刻深度。另外，存在诸如硅的其他材料上的CVD金刚石涂层的各种供应商，并且全多晶金刚石零件可商购。然而，与单晶金刚石相比，多晶金刚石在材料特性上有若干限制。
技术实现思路
因此，本公开的一个方面是提供一种克服上述挑战的单晶金刚石零件制造方法。由此，本专利技术涉及一种根据权利要求1的方法。该方法优选包括以下步骤：-设置单晶金刚石基板或层；-在基板或层上设置第一附着层；-在第一附着层上设置第二附着层；-在第二附着层上设置掩模层；-穿过掩模层以及第一附着层和第二附着层形成至少一个凹陷或多个凹陷，以露出单晶金刚石基板或层的一个或多个部分；以及-蚀刻单晶金刚石基板或层的露出的一个或多个部分，并且完全蚀刻穿过单晶金刚石基板或层。该方法有利地允许生产具有更大尺寸的独立单晶金刚石零件。而且，独立的单晶金刚石零件具有低表面粗糙度。例如，这允许生产合成的单晶金刚石机械加工零件，例如，手表零件。本公开的另一个方面是提供一种通过该方法生产的单晶金刚石零件或产品。本公开的又一个方面是提供一种独立的金刚石零件或产品，该零件或产品仅由反应离子蚀刻的合成单晶金刚石构成，或包括反应离子蚀刻的合成单晶金刚石。其他有利特征可以在从属权利要求中找到。本专利技术的上述和其他目的、特征和优点以及实现它们的方式将变得更加明显，并且本专利技术本身将从参照附图进行的以下描述的研究来更佳地理解，这些附图示出了本专利技术的一些优选实施方式。附图说明本专利技术的上述目的、特征以及其他优点将结合附图从以下详细描述来最佳地理解，附图中：图1示出了用本公开的方法获得的单晶金刚石中的释放零件或产品的示例，释放部件的直径为(约)3mm，厚度t为(约)0.15mm；以及图2示出了示例性的单晶金刚石零件制造方法以及可以在该方法中使用的示例性材料。此处，在可能的情况下，使用相同的附图标记来表示附图中共同的相同元件。具体实施方式图2示出了示例性单晶金刚石零件制造方法，并且图1示出了通过该方法生产的示例性金刚石产品P。本公开的方法例如用于在单晶金刚石中制造微机械和微光学部件或零件。该过程使用单晶金刚石基板或层1。单晶金刚石基板或层的尺寸例如可以是5mm(长度(x方向))×5mm(宽度(y方向))×0.15mm(厚度t(z方向))。然而，本公开的方法不限于这种尺寸，并且单晶金刚石基板或层1的长度和宽度可以更长或更短，并且还可以具有更大或更小的厚度。例如，可以生产厚度在1μm与1mm之间的金刚石部件，由此，单晶金刚石基板或层1也具有在1μm与1mm之间的厚度。另选地，单晶金刚石基板或层1可以具有在1μm与500μm之间、或50μm与500μm之间、或50μm与250μm之间的厚度。单晶金刚石基板或层1优选是非天然或合成的单晶金刚石，例如，化学气相沉积CVD单晶金刚石或通过HPHT(高压高温)合成的合成金刚石。为了获得具有任意形状的释放零件，对基板或层1执行深反应离子蚀刻工艺(获得的零件是“2.5D”而不是3D，因为零件通过由深度蚀刻在金刚石基板中转移2D图案而获得)。与已知方法不同，该过程克服了已知难题，并且允许完全蚀刻穿过金刚石基板，以获得释放零件。该过程使用厚硬掩模沉积和图案化，然后例如是基于O2的等离子体蚀刻，以产生独立的金刚石零件P(例如参见图1)。在单晶金刚石基板或层1上沉积第一附着层3或向单晶金刚石基板或层1涂敷第一附着层3。然后在第一附着层3上沉积第二附着层5或向第一附着层3涂敷第二附着层5。第一附着层3优选直接涂敷到金刚石基板或层1，并且第二附着层5优选直接涂敷到第一附着层3。第一附着层3和第二附着层5包括不同的材料或由不同的材料构成。第一附着层3可以例如包括铝、铬或钛或其组合，或仅由其构成。第二附着层5可以例如包括氧化硅，或仅由氧化硅构成。第二附着层5可以例如包括氧化硅、Al2O3、Al、Si、SiN、Au、Ti、Si3N4、Ni、Ni-Ti合金或W，或仅由其构成。第二附着层5还可以例如包括Ag、Cu、Fe、Cr、Co、Ga、Ge、In、Mo、NiFe、NiCr、Nb、Pd、Pt、Si、Sn、Ta或Y，或仅由其构成。第二附着层5还可以例如包括MgO、ITO(铟锡氧化物，In2O3-SnO2)、钛氧化物(TiO2、Ti2O3、Ti3O5)、ZrO2、HfO2、La2O3、Y2O3或SiC，或仅由其构成。第一附着层3可以具有例如5nm至250nm的厚度。第二附着层5可以具有例如5nm至100nm的厚度。然后在第二附着层5上沉积(硬)掩模层9或向第二附着层5涂敷(硬)掩模层9。掩模层9具有例如在1μm与150μm之间的厚度。第一附着层3和第二附着层5的存在保证了在金刚石基板或层1的深反应离子蚀刻期间，可以在结构上沉积并保留显著厚度的掩模层9，并且蚀刻可以被进行为完全穿过金刚石基板或层1。防止了由于应力引起的脱层和开裂。优选地，掩模层9包括比单晶金刚石基板或层1更慢地蚀刻(例如，在基于氧的等离子体蚀刻中)的材料，或仅由该材料构成。反应离子蚀刻优先选择金刚石基板或层1，并且优选蚀刻金刚石基板或层1。掩模层9可以例如包括氧化硅，或仅由其构成。掩模层9可以例如包括氧化硅、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单晶金刚石零件生产方法，该单晶金刚石零件生产方法包括以下步骤：/n-设置单晶金刚石基板或层(1)；/n-在所述基板或层(1)上设置第一附着层(3)；/n-在所述第一附着层(3)上设置第二附着层(5)；/n-在所述第二附着层(5)上设置掩模层(9)；/n-穿过所述掩模层(9)以及所述第一附着层和第二附着层(3、5)形成至少一个凹陷或多个凹陷，以露出所述单晶金刚石基板或层(1)的一个或多个部分；以及/n-蚀刻所述单晶金刚石基板或层(1)的露出的一个或多个部分，并且完全蚀刻穿过所述单晶金刚石基板或层(1)。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种单晶金刚石零件生产方法，该单晶金刚石零件生产方法包括以下步骤：
-设置单晶金刚石基板或层(1)；
-在所述基板或层(1)上设置第一附着层(3)；
-在所述第一附着层(3)上设置第二附着层(5)；
-在所述第二附着层(5)上设置掩模层(9)；
-穿过所述掩模层(9)以及所述第一附着层和第二附着层(3、5)形成至少一个凹陷或多个凹陷，以露出所述单晶金刚石基板或层(1)的一个或多个部分；以及
-蚀刻所述单晶金刚石基板或层(1)的露出的一个或多个部分，并且完全蚀刻穿过所述单晶金刚石基板或层(1)。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一附着层(3)直接设置在所述单晶金刚石基板或层(1)的表面上。


3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二附着层(5)直接设置在所述第一附着层(3)上。


4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一附着层和第二附着层(3、5)包括不同材料或由不同材料构成。


5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一附着层(3)包括铝、铬或钛，或仅由铝、铬或钛构成，或者所述第二附着层(5)包括氧化硅或仅由氧化硅构成。


6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一附着层和/或所述第二附着层(3、5)的厚度在25nm与300nm之间。


7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一附着层(3)包括铝、铬或钛，或仅由铝、铬或钛构成，并且所述第二附着层(5)包括氧化硅或仅由氧化硅构成。


8.根据前一权利要求所述的方法，其中，所述第一附着层(3)的厚度为5nm至250nm，并且所述第二附着层(5)的厚度为5nm至100nm。


9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述掩模层(9)和/或所述第一附着层(3)和/或所述第二附着层(5)包括比单晶金刚石更慢蚀刻的材料或仅由比单晶金刚石更慢蚀刻的材料构成。


10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述掩模层(9)和/或所述第一附着层(3)和/或所述第二附着层(5)包括比露出于基于氧的等离子体蚀刻的单晶金刚石更慢蚀刻的材料或仅由露出于基于氧的等离子体蚀刻的单晶金刚石更慢蚀刻的材料构成。


11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述掩模层(9)包括氧化硅或仅由氧化硅构成。


12.根据前述权利要求所述的方法，其中，所述掩模层(9)的厚度在1μm与150μm之间。


13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述单晶金刚石基板或层(1)被蚀刻完全穿过在1μm与1mm之间的厚度。


14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所生产的单晶金刚石零件的厚度(t)在1μm与1mm之间。


15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用基于氧的等离子体蚀刻来进行所述单晶金刚石基板或层(1)的露出的一个或多个部分的蚀刻。


16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用基于氧的等离子体蚀刻和物理蚀刻来进行所述单晶金刚石基板或层(1)的露出的一个或多个部分的蚀刻，该物理蚀刻经由等离子体产生的离子针对所述单晶金刚石基板或层(1)的露出的一个或多个部分的加速来进行。


17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述至少一个凹陷或所述多个凹陷限定所述掩模层(9)中的单晶金刚石零件轮廓，该轮廓将被转移到所述单晶金刚石基板或层(1)。


18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括以下步骤：在所述单晶金刚石基板或层(1)上设置牺牲层(7)。


19.根据前一权利要求所述的方法，其中，所述牺牲层(7)包括与所述第一附着层(3)相同的材料或仅由与所述第一附着层(3)相同的材料构成。


20.根据前一权利要求所述的方法，其中，所述牺牲层(7)和所述第一附着层(3)单独地沉积在所述单晶金刚石基板或层(1)上。


21.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述单晶金刚石基板或层(1)贴附到基板，或者所述方法还包括以下步骤：在形成所述至少一个凹陷或多个凹陷之前，将所述单晶金刚石基板或层(1)贴附到支架(11)。


22.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，还包括以下步骤：在所述掩模层(9)上设置轮廓形成层(15)，以在所述掩模层(9)中形成所述至少一个凹陷或所述多个凹陷。


23.根据前一权利要求所述的方法，还包括以下步骤：去除所述轮廓形成层(15)的外段，使得所述轮廓形成层(15)的中心段保留在所述掩模层(9)上，以在所述掩模层(9)的内区域中形成所述至少一个凹陷或所述多个凹陷。


24.根据前述权利要求22或23所述的方法，其中，所述轮廓形成层(15)包括光刻胶或仅由光刻胶构成。


25.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过去除所述牺牲层(7)或去除所述单晶金刚石基板或层(1)到基板的贴附层来释放所述单晶金刚石零件。


26.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括以下步骤：在蚀刻所述单晶金刚石基板或层(1)的露出的一个或多个部分之前，湿法蚀刻限定所述至少一个凹陷或所述多个凹陷的所述掩模层(9)的侧壁，以使所述侧壁平滑。


...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·夸克，A·托罗斯，M·基斯，T·格拉齐奥西，P·加洛，
申请(专利权)人：洛桑联邦理工学院，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH