一种金刚石表面复杂结构及其制备方法与流程

本发明涉及一种金刚石表面复杂结构及其制备方法。

背景技术：

由于金刚石具有极高的硬度、热导率、绝缘性、光透过率，以及耐酸、耐热、耐辐射等优异的物理、化学性能，被广泛地应用于工业、科研等各领域。同时由于金刚石极高的硬度以及化学稳定性，在金刚石表面制备微纳米结构非常困难。

目前，金刚石表面微纳米结构制备目前通常采用的方法是在金刚石表面制备耐刻蚀掩模，通过干法刻蚀去除没有掩模保护的区域的金刚石，制备得到金刚石微纳米结构。但这样的方法制备得到的金刚石微纳米结构为单层简单结构，无法制备复杂结构。

对比文件1：cn108198752a公开一种在衬底上制备图案的方法，先在衬底材料的一表面上制备基材层，在基材层上制备具有凹凸结构的图案；在图案的凹槽中填充掩膜材料；对基材层和衬底材料进行刻蚀；去除掩膜材料，在衬底材料上获得具有凹凸结构的图案。该对比文件公开的方案，虽然提供了一种制备凹凸图案这样较为复杂结构的方法，但是其也只能制得单层结构。

对比文件2：cn108190830a公开一种高深宽比金刚石微纳米结构的制作方法，其先对金刚石进行光刻图形化；再对金刚石进行真空镀膜处理，在金刚石表面及光刻胶表面沉积金属层；通过lift-off工艺剥离光刻胶及光刻胶表面的金属层，留下直接沉积在金刚石表面的金属层；对留下的金属层进行化学电镀处理，在该金属层的基础上获得电镀加厚层，其中，所述电镀加厚层相对于金刚石具有良好的刻蚀选择性；对金属层周侧的金刚石表面进行等离子体刻蚀，然后去除电镀加厚层和金属层，获得金刚石微纳米结构。该对比文件公开的方案提供了通过在金刚石表面通过光刻图形化、镀膜、lift-off等方法制备得到图案化的掩膜，然后利用掩膜对金刚石进行干法刻蚀得到微纳米结构的思路，但是其同样只能得到单层简单结构。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种金刚石表面多层复杂结构及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

方案一：提供一种金刚石表面复杂结构的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)在金刚石片表面制备光敏材料层，然后将光敏材料图形化，制备得到光敏材料图形结构；

(2)在步骤(1)所得样品表面沉积得到辅助掩模材料层；

(3)去除光敏材料层及光敏材料层表面的辅助掩模材料，得到辅助掩模材料图形结构；

(4)在步骤(3)所得样品表面沉积得到掩模材料层；

(5)将金刚石有辅助掩模材料层和掩模材料层的表面平整化，使辅助掩模材料层和掩模材料层的表面平齐；

(6)在步骤(5)的样品表面重复步骤(1)～(5)n次，n≥1；

(7)去除每一次步骤(2)堆积的辅助掩膜材料，得到每一次步骤(4)掩模材料堆积的掩模；

(8)刻蚀，去除掩膜材料残留层，得到n+1层金刚石表面结构；

每一次步骤(1)中采用的光敏材料为相同或不同，每一次步骤(1)中制得的光敏材料图形结构不相同；

每一次步骤(2)中采用的辅助掩膜材料为相同或不同；

每一次步骤(4)中采用的掩膜材料为相同或不同；

在逐层制备掩模材料层的过程中，第n+1层掩模材料层的面积小于等于第n层掩模材料层的面积，第n+1层掩膜材料层位于第n层掩膜材料层之上，1≤n≤n。

本发明在制备掩模时，通过去除辅助掩模材料，保留掩模材料，从而制备多层的掩模结构，刻蚀之后得到多层的金刚石表面结构。所述的辅助掩模材料的选择原则为能通过有效的手段去除且能保留掩模材料的材料。所述的掩模材料的选择原则为在去除辅助掩模材料时，可以保留成为掩模的材料。

进一步地，所述辅助掩模材料优选为金属材料，进一步优选为铝、铝合金、镁、镁合金中的一种或多种。

进一步地，辅助掩模材料为铝及铝合金、镁及镁合金中的一种或多种时，其去除方法为采用稀硫酸或稀盐酸去除。

进一步地，步骤(2)中沉积制备辅助掩模材料层的方法为电子束蒸镀、磁控溅射中的一种或多种。

进一步地，所述掩模材料为金属材料或非金属材料。进一步优选为二氧化硅、金属镍、金属钛中的一种或多种。

进一步地，步骤(4)中沉积制备掩模材料层的方法为电子束蒸镀、磁控溅射中的一种或多种。

进一步地，步骤(1)中光敏材料图形化的方法为黄光工艺、纳米压印工艺中的一种或多种。

进一步地，所述的刻蚀优选为干法刻蚀。

进一步地，所述的光敏材料为光刻胶。

进一步地，步骤(3)中去除光敏材料及光敏材料表面辅助掩模材料的方法为物理方法或化学方法，优选为：将样品放入溶剂中超声清洗，溶解光敏材料，lift-off去除光敏材料及光敏材料表面的辅助掩模材料。所述的溶剂为能溶解光敏材料的溶剂，优选为丙酮。

进一步地，表面平整化的方法为磨平抛光。

方案二：本发明还提供另一种金刚石表面复杂结构的制备方法，是将方案一的步骤(2)-(4)调整为：先制备掩膜材料层，然后制备辅助掩膜材料层，具体包括如下步骤：

(1)在金刚石片表面制备一层光敏材料层，然后将光敏材料图形化，制备得到光敏材料图形结构；

(2)在步骤(1)所得样品表面沉积得到掩模材料层；

(3)去除光敏材料及光敏材料表面的掩模材料，得到掩模材料图形结构；

(4)在步骤(3)所得样品表面沉积一层辅助掩模材料，得到辅助掩模材料层；

(5)将金刚石有辅助掩模材料层和掩模材料层的表面平整化，使辅助掩模材料层和掩模材料层的表面平齐；

(6)在步骤(5)的样品表面重复步骤(1)～(5)n次，n≥1；

(7)去除每一次步骤(2)堆积的辅助掩膜材料，得到每一次步骤(4)掩模材料堆积的掩模；

(8)刻蚀，去除掩膜材料残留层，得到n+1层金刚石表面结构；

每一次步骤(1)中采用的光敏材料为相同或不同，每一次步骤(1)中制得的光敏材料图形结构不相同；

每一次步骤(2)中采用的辅助掩膜材料为相同或不同；

每一次步骤(4)中采用的掩膜材料为相同或不同；

在逐层制备掩模材料层的过程中，第n+1层掩模材料层的面积小于等于第n层掩模材料层的面积，第n+1层掩膜材料层位于第n层掩膜材料层之上，1≤n≤n。

本方案中光敏材料、辅助掩膜材料、掩膜材料的选择原则，及各层制备方法的选择与要求方案一相同。

方案三：本发明还提供另外一种金刚石表面复杂结构的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)在金刚石片表面制备第一光敏材料层，然后将第一光敏材料图形化，制备得到第一光敏材料图形结构；

(2)在步骤(1)所得样品表面沉积得到辅助掩模材料层；

(3)去除第一光敏材料层及第一光敏材料层表面的辅助掩模材料，得到辅助掩模材料图形结构；

(4)在步骤(3)所得样品表面沉积得到第一掩模材料层；

(5)将金刚石有辅助掩模材料层和第一掩模材料层的表面平整化，使辅助掩模材料层和第一掩模材料层的表面平齐；

(6)在步骤(5)平整化的样品表面制备第二光敏材料层，然后将第二光敏材料图形化，制备得到第二光敏材料图形结构；

(7)在步骤(6)所得样品表面沉积一层第二掩模材料，得到第二掩模材料层；

(8)去除第二光敏材料及第二光敏材料表面的第二掩模材料，得到第二掩模材料图形结构；

(9)去除辅助掩模材料，得到第一掩模材料、第二掩膜材料堆积的掩模；

(10)刻蚀，去除残留层，得到双层金刚石表面复杂结构；

进一步地，

所述金刚石表面复杂结构的制备方法，还包括重复步骤(1)～(5)n-1次，再进行步骤(6)～步骤(10)，得到n+1层金刚石表面复杂结构；

每一次步骤(1)及步骤(6)中采用的光敏材料为相同或不同，每一次步骤(1)中制得的光敏材料图形结构不相同；

每一次步骤(2)中采用的辅助掩膜材料为相同或不同；

每一次步骤(4)及步骤(7)中采用的掩膜材料为相同或不同；

在逐层制备掩模材料层的过程中，第n+1层掩模材料层的面积小于等于第n层掩模材料层的面积，第n+1层掩膜材料层位于第n层掩膜材料层之上，1≤n≤n。

本方案中光敏材料、辅助掩膜材料、掩膜材料的选择原则，及各层制备方法的选择与要求方案一相同。

本发明的有益效果如下：

本发明使用黄光、纳米压印、镀膜、lift-off等微纳加工方法结合抛光磨平工艺在金刚石表面制备多层结构作为掩模板，然后利用多层结构掩模板进行刻蚀，能得到多层复杂金刚石结构。

相比对比文件cn201710101533.2公开的方案，两者区别如下：(1)该发明是在金刚石表面制备得到多层同一材料或不同材料的掩膜图形结构。(2)针对金刚石表面多层不同材料的掩膜，可采用相同或不同的刻蚀工艺进行干法刻蚀。(3)能够制备多层的金刚石表面复杂结构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的两层金刚石表面结构制备方法的工艺流程及金刚石表面结构变化示意图。

图2为本发明实施例2的两层金刚石表面结构制备方法的工艺流程图。

图3为本发明实施例3的两层金刚石表面结构制备方法的工艺流程图。

图4为本发明实施例4的两层金刚石表面结构制备方法的工艺流程图。

图5为本发明实施例5的三层金刚石表面结构制备方法的工艺流程图。

图6为本发明实施例6的三层金刚石表面结构制备方法的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对发明进一步说明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种双层金刚石表面结构的制备方法，采用不同的掩膜材料，分别为镍、二氧化硅，辅助掩膜材料均采用铝，每一层掩膜制备的时候先制备辅助掩膜材料层，再制备掩膜材料层，具体如下：

(1)在5mm×5mm×0.5mm的cvd金刚石表面通过电子束曝光制备得到曝光面积为1mm×1mm的pmma结构。

(2)通过磁控溅射在步骤(1)所得样品表面沉积30nm厚的铝层。

(3)将步骤(2)所得样品放入丙酮溶液中超声清洗，溶解掉pmma，采用lift-off工艺去除pmma光敏材料及pmma光敏材料表面的铝层，氮气吹干。在金刚石表面制备得到1mm×1mm面积的铝结构。

(4)通过电子束蒸镀在步骤(3)所得样品表面沉积厚度为20nm的镍层。

(5)将步骤(4)所得样品表面磨平抛光，使镍层表面与铝层表面平齐。

(6)通过电子束曝光在步骤(5)所得样品上的制备得到曝光面积为1mm×1mm的pmma结构。

(7)通过磁控溅射在步骤(6)所得样品表面沉积50nm厚的铝层。

(8)将样品放入丙酮溶液中超声清洗，溶解掉pmma，采用lift-off工艺去除pmma光敏材料及pmma光敏材料表面的铝层，氮气吹干。在金刚石表面制备得到1mm×1mm面积的铝结构。

(9)在步骤(8)所得样品表面通过电子束蒸镀沉积厚度为40nm的sio2层。

(10)将步骤(9)所得样品表面磨平抛光，使sio2层表面与铝层表面平齐。

(11)将步骤(10)所得样品放入10％稀硫酸溶液中浸泡10min，去除铝层，去离子水冲洗吹干。

(12)将样品放入电感耦合等离子体刻蚀机中分步采用不同的工艺刻蚀。

(13)将样品放入10％hf溶液中浸泡3h(去除残留的sio2层)，去离子水冲洗吹干。再放入25％稀硝酸中加热浸泡1h(去除残留的镍层)，在金刚石表面制备得到双层金刚石结构。

实施例2

本实施例提供一种双层金刚石表面结构的制备方法，本实施例采用相同的掩膜材料二氧化硅，辅助掩膜材料均采用铝，具体如下：

(1)在5mm×5mm×0.5mm的cvd金刚石表面通过电子束曝光制备得到曝光面积为1mm×1mm的pmma结构。

(2)通过磁控溅射在步骤(1)所得样品表面沉积50nm厚的铝层。

(3)将步骤(2)所得样品放入丙酮溶液中超声清洗，溶解掉pmma，采用lift-off工艺去除pmma光敏材料及pmma光敏材料表面的铝层，氮气吹干。在金刚石表面制备得到1mm×1mm面积的铝结构。

(4)通过电子束蒸镀在步骤(3)所得样品表面通过电子束蒸镀沉积厚度为40nm的sio2层。

(5)将步骤(4)所得样品表面磨平抛光，使sio2层表面与铝层表面平齐。

(6)通过电子束曝光在步骤(5)磨平抛光后样品的制备得到曝光面积为1mm×1mm的pmma结构。

(7)通过磁控溅射在步骤(6)所得样品表面沉积50nm厚的铝层。

(8)将步骤(7)所得样品放入丙酮溶液中超声清洗，溶解掉pmma，采用lift-off工艺去除pmma光敏材料及pmma光敏材料表面的铝层，氮气吹干。在金刚石表面制备得到1mm×1mm面积的铝结构。

(9)在步骤(8)所得样品表面通过电子束蒸镀沉积厚度为40nm的sio2层。

(10)将步骤(9)所得样品表面磨平抛光，使sio2层表面与铝层表面平齐。

(11)将步骤(10)所得样品放入10％稀硫酸溶液中浸泡10min，去除铝层，然后去离子水冲洗吹干。

(12)将步骤(11)所得样品放入电感耦合等离子体刻蚀机中刻蚀；

(13)将样品放入10％hf溶液中浸泡3h(去除二氧化硅层)，去离子水冲洗吹干。在金刚石表面制备得到双层金刚石表面结构。

实施例3

本实施例与实施例的区别在于，每一层掩膜制备的时候先制备掩膜材料层，再制备辅助掩膜材料层，具体如下：

(1)在5mm×5mm×0.5mm的cvd金刚石表面通过电子束曝光制备得到曝光面积为1mm×1mm的pmma结构。

(2)通过电子束蒸镀在步骤(1)所得样品表面沉积厚度为20nm的镍层。

(3)将步骤(3)所得样品放入丙酮溶液中超声清洗，溶解掉pmma，采用lift-off工艺去除pmma光敏材料及pmma光敏材料表面的镍层，氮气吹干。在金刚石表面制备得到1mm×1mm面积的镍结构。

(4)通过磁控溅射在步骤(2)所得样品表面沉积30nm厚的铝层。

(5)将步骤(4)所得样品表面磨平抛光，使镍层表面与铝层表面平齐。

(6)通过电子束曝光在步骤(5)所得样品上的制备得到曝光面积为1mm×1mm的pmma结构。

(7)在步骤(6)所得样品表面通过电子束蒸镀沉积厚度为40nm的sio2层。

(8)将步骤(7)所得样品放入丙酮溶液中超声清洗，溶解掉pmma，采用lift-off工艺去除pmma光敏材料及pmma光敏材料表面的镍层，氮气吹干。在金刚石表面制备得到1mm×1mm面积的sio2结构。

(9)通过磁控溅射在步骤(8)所得样品表面沉积50nm厚的铝层。

(10)将步骤(9)所得样品表面磨平抛光，使sio2层表面与铝层表面平齐。

(11)将步骤(10)所得样品放入10％稀硫酸溶液中浸泡10min，去除铝层，去离子水冲洗吹干。

(12)将样品放入电感耦合等离子体刻蚀机中分步采用不同的工艺刻蚀。

(13)将样品放入10％hf溶液中浸泡3h(去除残留的sio2层)，去离子水冲洗吹干。再放入25％稀硝酸中加热浸泡1h(去除残留的镍层)，在金刚石表面制备得到双层金刚石结构。

实施例4

本实施例提供一种两层金刚石表面结构的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)在5mm×5mm×0.5mm的cvd金刚石表面通过电子束曝光制备得到曝光面积为1mm×1mm的pmma结构。

(2)通过磁控溅射在步骤(1)所得样品表面沉积30nm厚的铝层(第一辅助掩膜材料层)。

(3)将步骤(2)所得样品放入丙酮溶液中超声清洗，溶解掉pmma，采用lift-off工艺去除pmma光敏材料及pmma光敏材料表面的铝层，氮气吹干。在金刚石表面制备得到1mm×1mm面积的铝结构。

(4)通过电子束蒸镀在步骤(3)所得样品表面沉积厚度为20nm的镍层(第一掩膜材料层)。

(5)将步骤(4)所得样品表面磨平抛光，使镍层表面与铝层表面平齐。

(6)通过电子束曝光在步骤(5)所得样品上的制备得到曝光面积为1mm×1mm的pmma结构。

(7)在步骤(6)所得样品表面通过电子束蒸镀沉积厚度为40nm的sio2层(第二掩膜材料层)。

(8)将步骤(7)所得样品放入丙酮溶液中超声清洗，溶解掉pmma，采用lift-off工艺去除pmma光敏材料及pmma光敏材料表面的sio2层，氮气吹干。在金刚石表面制备得到1mm×1mm面积的sio2结构。

(9)将步骤(8)所得样品放入10％稀硫酸溶液中浸泡10min，去除铝层，去离子水冲洗吹干。

(10)将样品放入电感耦合等离子体刻蚀机中分步采用不同的工艺刻蚀。

(11)将样品放入10％hf溶液中浸泡3h(去除残留的sio2层)，去离子水冲洗吹干。再放入25％稀硝酸中加热浸泡1h(去除残留的镍层)，在金刚石表面制备得到双层金刚石结构。

实施例5

本实施例提供一种三层金刚石表面结构的制备方法，三层的掩膜材料均采用镍，辅助掩膜材料均采用铝，具体如下：

(1)在5mm×5mm×1mm的cvd金刚石表面制备一层pmma光敏材料，然后制备一层紫外固化纳米压印胶，使用纳米压印模板压印、固化得到纳米压印胶结构。

(2)陆续刻蚀纳米压印胶残留层和pmma层，将光敏材料底部的金刚石暴露出来。

(3)通过磁控溅射在步骤(2)所得样品表面沉积30nm厚的铝层。

(4)将步骤(3)所得样品放入丙酮溶液中超声清洗，溶解掉pmma，采用lift-off工艺去除pmma光敏材料及pmma光敏材料表面的铝层，氮气吹干。在金刚石表面制备得到铝层结构。

(5)通过电子束蒸镀在步骤(4)所得样品表面沉积厚度为20nm的镍层。

(6)将步骤(5)所得样品表面磨平抛光，使镍层表面与铝层表面平齐。

(7)在步骤(6)所得样品表面制备一层pmma光敏材料，然后制备一层紫外固化纳米压印胶，使用纳米压印模板压印、固化得到纳米压印胶结构。

(8)陆续刻蚀纳米压印胶残留层和pmma层，将光敏材料底部材料暴露出来。

(9)通过磁控溅射在步骤(8)所得样品表面沉积30nm厚的铝层。

(10)将步骤(9)所得样品放入丙酮溶液中超声清洗，溶解掉pmma，采用lift-off工艺去除pmma光敏材料及pmma光敏材料表面的铝层，氮气吹干。在金刚石表面制备得到铝层结构。

(11)通过电子束蒸镀在步骤(10)所得样品表面沉积厚度为20nm的镍层。

(12)将步骤(11)所得样品表面磨平抛光，使镍层表面与铝层表面平齐。

(13)在步骤(12)所得样品表面制备一层pmma光敏材料，然后制备一层紫外固化纳米压印胶，使用纳米压印模板压印、固化得到纳米压印胶结构。

(14)陆续刻蚀纳米压印胶残留层和pmma层，将光敏材料底部材料暴露出来。

(15)通过磁控溅射在步骤(14)所得样品表面沉积30nm厚的铝层。

(16)将步骤(15)所得样品放入丙酮溶液中超声清洗，溶解掉pmma，采用lift-off工艺去除pmma光敏材料及pmma光敏材料表面的铝层，氮气吹干。在金刚石表面制备得到铝层结构。

(17)通过电子束蒸镀在步骤(16)所得样品表面沉积厚度为20nm的镍层。

(18)将步骤(17)所得样品表面磨平抛光，使镍层表面与铝层表面平齐。

(19)将样品放入10％稀硫酸溶液中浸泡10min，去离子水冲洗吹干。

(20)将步骤(19)所得样品放入电感耦合等离子体刻蚀机中刻蚀。

(21)将样品放入25％稀硝酸中加热浸泡1h，去离子水冲洗吹干。在金刚石表面制备得到三层金刚石表面复杂结构。

实施例6

本实施例提供一种三层金刚石表面结构的制备方法，具体如下：

(1)在5mm×5mm×1mm的cvd金刚石表面制备一层pmma光敏材料，然后制备一层紫外固化纳米压印胶，使用纳米压印模板压印、固化得到纳米压印胶结构。

(2)陆续刻蚀纳米压印胶残留层和pmma层，将光敏材料底部的金刚石暴露出来。

(3)通过磁控溅射在步骤(2)所得样品表面沉积30nm厚的铝层。

(4)将步骤(3)所得样品放入丙酮溶液中超声清洗，溶解掉pmma，采用lift-off工艺去除pmma光敏材料及pmma光敏材料表面的铝层，氮气吹干。在金刚石表面制备得到铝层结构。

(5)通过电子束蒸镀在步骤(4)所得样品表面沉积厚度为20nm的镍层。

(6)将步骤(5)所得样品表面磨平抛光，使镍层表面与铝层表面平齐。

(7)在步骤(6)所得样品表面制备一层pmma光敏材料，然后制备一层紫外固化纳米压印胶，使用纳米压印模板压印、固化得到纳米压印胶结构。

(8)陆续刻蚀纳米压印胶残留层和pmma层，将光敏材料底部材料暴露出来。

(9)通过磁控溅射在步骤(8)所得样品表面沉积30nm厚的铝层。

(10)将步骤(9)所得样品放入丙酮溶液中超声清洗，溶解掉pmma，采用lift-off工艺去除pmma光敏材料及pmma光敏材料表面的铝层，氮气吹干。在金刚石表面制备得到铝层结构。

(11)通过电子束蒸镀在步骤(10)所得样品表面沉积厚度为20nm的镍层。

(12)将步骤(11)所得样品表面磨平抛光，使镍层表面与铝层表面平齐。

(13)在步骤(12)所得样品表面制备一层pmma光敏材料，然后制备一层紫外固化纳米压印胶，使用纳米压印模板压印、固化得到纳米压印胶结构。

(14)陆续刻蚀纳米压印胶残留层和pmma层，将光敏材料底部材料暴露出来。

(15)在步骤(14)所得样品表面通过电子束蒸镀沉积厚度为40nm的sio2层。

(16)将步骤(15)所得样品放入丙酮溶液中超声清洗，溶解掉pmma，采用lift-off工艺去除pmma光敏材料及pmma光敏材料表面的sio2层，氮气吹干。在金刚石表面制备得到sio2结构。

(17)将步骤(16)所得样品放入10％稀硫酸溶液中浸泡10min，去除铝层，去离子水冲洗吹干。

(18)将样品放入电感耦合等离子体刻蚀机中分步采用不同的工艺刻蚀。

(19)将样品放入10％hf溶液中浸泡3h(去除残留的sio2层)，去离子水冲洗吹干。再放入25％稀硝酸中加热浸泡1h(去除残留的镍层)，在金刚石表面制备得到三层金刚石结构。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。