МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ АЛМАЗНЫЕ МЕМБРАНЫ ТОЛЩИНОЙ ОТ 10 МКМ, ИЗГОТОВЛЕННЫЕ МЕТОДОМ ПЛАЗМЕННОГО ТРАВЛЕНИЯ
Аннотация
Новые применения высококачественного синтетического алмаза в сенсорах и интегральных фотонных схемах, которые интенсивно развиваются в настоящее время, часто используют в качестве подложки свободновисящие алмазные мембраны толщиной порядка 10 мкм. Однако процесс изготовления тонких мембран из монокристаллического алмаза и их последующая обработка представляют собой сложные задачи из-за высокой твердости, химической стойкости и хрупкости материала. В данной работе продемонстрирован метод создания свободновисящих алмазных мембран, закрепленных на толстой алмазной рамке, с использованием реактивного ионного травления монокристаллических алмазных пластин в плазме с использованием механических защитных масок. Оптимальная толщина алмазной пластины для изготовления мембран определена в диапазоне от 100 до 120 мкм при обязательной плоскопараллельной полировке сторон. Экспериментально изучено взаимодействие плазмы ВЧ разряда на основе SF6 с поверхностью алмаза при глубоком травлении с механическими защитными масками разной формы. Показано, что увеличение толщины защитной маски приводит к неравномерной скорости травления алмаза по всей площади формируемой мембраны. Была проведена оценка стойкости различных материалов масок к ионному распылению в плазме SF6, выявлены наиболее перспективные материалы масок для глубокого травления алмаза (сталь, медь, алмаз). Были изготовлены экспериментальные образцы алмазных мембран толщиной от 11,5 мкм, закрепленные на прочной рамке толщиной от 60 мкм, и исследованы характеристики полученных структур. Шероховатость поверхности мембран после травления не превышает 20 нм, а неравномерность их толщины не превышает 20% Был проведен сравнительный анализ методов контроля глубины травления алмаза и толщины получаемых мембран, включая механические измерения, ИК спектральную рефлектометрию, оптическую профилометрию и электронную микроскопию.
Для цитирования:
Голованов А.В., Юн М.И., Бондаренко М.Г., Просин А.А., Тарелкин С.А. Монокристаллические алмазные мембраны толщиной от 10 мкм, изготовленные методом плазменного травления. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 10. С. 55-64. DOI: 10.6060/ivkkt.20246710.1y.
Литература
Heupel J., Pallmann M., Körber J., Merz R., Kopnarski M., Stöhr R., Reithmaier J.P., Hunger D., Popov C. Fab-rication and Characterization of Single-Crystal Diamond Membranes for Quantum Photonics with Tunable Microcavities. Micromachines. 2020. V. 11. N 12. P. 1080. DOI: 10.3390/mi11121080.
Schröder T., Mouradian S.L., Zheng J., Trusheim M.E., Walsh M., Chen E.H., Li L., Bayn I., Englund D. Quan-tum nanophotonics in diamond. J. Opt. Soc. Am. B. 2016. V. 33. N 4. P. B65. DOI: 10.1364/JOSAB.33.000B65.
Lenzini F., Gruhler N., Walter N., Pernice W.H.P. Diamond as a Platform for Integrated Quantum Photonics. Adv. Quantum Technol. 2018. V. 1. N 3. P. 1800061. DOI: 10.1002/qute.201800061.
Martyushov S.Y., Blank V.D., Denisov V.N., Digurov R. V., Polyakov S.N. Investigation of the diffractive and energy-dispersive properties of thin elastically curved diamond plates by the Laue method. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 10. P. 32-37 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236610.2y.
Sengottuvel S., Mrózek M., Sawczak M., Glowacki M.J., Ficek M., Gawlik W., Wojciechowski A.M. Wide-field magnetometry using nitrogen-vacancy color centers with randomly oriented micro-diamonds. Nat. Sci. Rep. 2022. V. 12. N 1. P. 17997. DOI: 10.1038/s41598-022-22610-5.
Castelletto S., Rosa L., Blackledge J., Zher Al Abri M., Boretti A. Advances in diamond nanofabrication for ultra-sensitive devices. Microsyst. Nanoeng. 2017. V. 3. N 1. P. 17061. DOI: 10.1038/micronano.2017.61.
Das D., Raj R., Jana J., Chatterjee S., Ganapathi K.L., Chandran M., Ramachandra Rao M.S. Diamond—the ultimate material for exploring physics of spin-defects for quantum technologies and diamondtronics. J. Phys. D: Appl. Phys. 2022. V. 55. N 33. P. 333002. DOI: 10.1088/1361-6463/ac6d89.
Sorokin B., Asafiev N., Yashin D., Luparev N., Golo-vanov A., Kravchuk K. Microwave Diamond-Based HBAR as a Highly Sensitive Sensor for Multiple Applica-tions: Acoustic Attenuation in the Mo Film. Sensors. 2023. V. 23. N 9. P. 4502. DOI: 10.3390/s23094502.
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.
Sorokin B.P., Asafiev N.O., Yashin D.V., Kulnitskiy B.A., Aksenenkov V.V., Batova N.I. Temperature stability of materials for composite microwave acoustic resonators and sensors on diamond substrates. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N 10. P. 75-83 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236610.8y
Bormashov V.S., Terentiev S.A., Buga S.G., Tarelkin S.A., Volkov A.P., Teteruk D.V., Kornilov N.V., Kuznetsov M.S., Blank V.D. Thin large area vertical Schottky barrier diamond diodes with low on-resistance made by ion-beam assisted lift-off technique. Diam. Relat. Mater. 2017. V. 75. P. 78–84. DOI: 10.1016/j.diamond.2017.02.006.
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. Mater. 2018. V. 84. P. 41–47. DOI: 10.1016/j.diamond.2018.03.006.
Polyakov S. N., Denisov V.N., Mavrin B.N., Kirichenko A.N., Kuznetsov M.S., Martyushov S.Yu., Terentiev S.A., Blank V.D. Formation of Boron-Carbon Nanosheets and Bilayers in Boron-Doped Diamond: Origin of Metallicity and Superconductivity. Nanoscale Res. Lett. 2016. V. 11. N 1. DOI: 10.1186/s11671-015-1215-6.
Bähr M., Jahn M., Heinze C., Neckermann K., Meijer J., Ortlepp T. Compact all-optical quantum sensor device based on nitrogen vacancy centers in diamond. Phys Status Solidi A. 2023 V. 220. P. 2200338. DOI: 10.1002/pssa.202200338.
Salvatori S., Pettinato S., Piccardi A., Sedov V., Voronin A., Ralchenko V. Thin diamond film on silicon substrates for pressure sensor fabrication. Materials. 2020. V. 13. P. 3697. DOI: 10.3390/ma13173697.
Pettinato S., Barettin D., Sedov V., Ralchenko V., Salvatori S. Fabryperot pressure sensors based on polycrystalline diamond membranes. Materials. 2021. V. 14. P. 1780. DOI: 10.3390/ma14071780.
Trycz A., Regan B., Kianinia M., Bray K., Toth M., Aharonovich I. Bottom up engineering of single crystal di-amond membranes with germanium vacancy color centers. Opt. Mater. Express. 2019. V. 9. N 12. P. 4708. DOI: 10.1364/OME.9.004708.
Basso L., Titze M., Henshaw J., Kehayia P., Cong R., Ziabari M.S., Lu T.-M., Lilly M.P., Mounce A.M. Fabri-cation of thin diamond membranes by Ne + implantation. Giant. 2024. V. 17. P. 100238. DOI: 10.1016/j.giant.2024.100238.
Guo X., Delegan N., Karsch J.C., Li Z., Liu T., Shreiner R., Butcher A., Awschalom D.D., Heremans J.F., High A.A. Tunable and Transferable Diamond Membranes for In-tegrated Quantum Technologies. Nano Lett. 2021. V. 21. N 24. P. 10392–10399. DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03703.
Guo X., Xie M., Addhya A., Linder A., Zvi U., Wang S., Yu X., Deshmukh T.D., Liu Y., Hammock I.N., Li Z., DeVault C.T., Butcher A., Esser-Kahn A.P., Awschalom D.D., Delegan N., Maurer P.C., Heremans J.F., High A.A. Direct-Bonded Diamond Membranes for Heterogeneous Quantum and Electronic Technologies 2023. arXiv:2306.04408 [physics.app-ph]. DOI: 10.48550/ARXIV.2306.04408.
Challier M., Sonusen S., Barfuss A., Rohner D., Riedel D., Koelbl J., Ganzhorn M., Appel P., Maletinsky P., Neu E. Advanced Fabrication of Single-Crystal Diamond Membranes for Quantum Technologies. Micromachines. 2018. V. 9. N 4. P. 148. DOI: 10.3390/mi9040148.
Doronin M.A., Polyakov S.N., Kravchuk K.S., Mol-chanov S.P., Lomov A.A., Troschiev S.Yu., Terentiev S.A. Limits of single crystal diamond surface mechanical polishing. Diam. A Relat. Mater. 2018. V. 87. P. 149–155. DOI: 10.1016/j.diamond.2018.05.016.
Golovanov A.V., Bormashov V.S., Luparev N.V., Tarelkin S.A., Troschiev S.Y., Buga S.G., Blank V.D. Diamond Microstructuring by Deep Anisotropic Reactive Ion Etching. Phys. Status Solidi A. 2018. V. 215. N 22. P. 1800273. DOI: 10.1002/pssa.201800273.
Golovanov A.V., Luparev N.V., Troschiev S.Yu., Tarelkin S.A., Shcherbakova V.S., Bormashov V.S. Two‐Step Reactive Ion Etching Process for Diamond‐Based Nanophotonics Structure Formation. Phys. Status Solidi A. 2021. V. 218. N 5. P. 2000206. DOI: 10.1002/pssa.202000206.
