利用飞秒激光蚀刻技术制备用于压力传感的金刚石膜片

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Fabrication of diamond diaphragms by femtosecond laser etching for pressure sensing

飞秒激光深蚀刻技术用于制造单晶钻石压力敏感膜，优化工艺参数后表面粗糙度降低49.2%，蚀刻深度误差控制在0.9%，为高温压力传感器开发提供新方法。

　　

姜顺勇|侯东阳|刘秀明|陈金莲|吕婷|肖爱迪|王启军|董芳|刘胜

武汉大学集成电路学院，中国湖北省武汉市，430072

摘要

金刚石由于其超宽的带隙和出色的导热性能，是制造高温压力传感器的理想材料。然而，其极端的硬度和化学惰性给高质量深微结构的制备带来了重大挑战。为了解决这些问题，本文提出了一种基于飞秒（fs）激光的深蚀刻方法来制备金刚石压力敏感膜片。该膜片由掺硼的导电单晶金刚石（SCD）外延层和绝缘SCD基底组成。通过使用fs激光从基底侧进行深蚀刻，可以快速形成压力敏感膜片。拉曼光谱结果证实，在激光蚀刻过程中引入的少量非金刚石碳相可以通过浓硫酸清洗有效去除。系统分析了典型的加工缺陷（包括双椭圆底部轮廓和过蚀刻）的形成机制，并提出了相应的优化策略。有限元分析表明，侧壁角度对膜片表面的整体应力分布影响较小，而降低表面粗糙度则显著提高了传感器的灵敏度。通过控制变量方法，研究了扫描间距、激光功率、扫描速度和扫描次数对盲孔形态的影响。通过进一步整合多步蚀刻策略，有效改善了盲孔的形成质量。实验结果显示，经过优化后，盲孔底部的平均表面粗糙度从0.65 μm降低到0.33 μm（降低了约49.2%），蚀刻深度误差控制在0.9%以内。这项工作为金刚石膜片在压力传感应用中的实际制备提供了一条可行的路径。

引言

高温压力传感在航空航天、能源和化工行业以及地质勘探中发挥着关键作用，例如在飞机发动机燃烧室和深地钻探环境中，传感器往往需要在超过500°C的温度下长期稳定运行[[1], [2], [3], [4]]。然而，由于材料本身的限制，传统的硅基压力传感器在高温条件下会出现明显的性能下降甚至失效[5,6]。为了克服硅基器件在极端环境下的性能瓶颈，人们越来越关注宽带隙半导体材料，包括碳化硅、氮化镓和金刚石[[7], [8], [9], [10]]。在这些材料中，金刚石因其超宽的带隙、高的载流子迁移率、极高的导热性能以及出色的机械强度和化学稳定性而被广泛认为是开发适用于恶劣环境的坚固、高可靠性和长寿命微机电系统（MEMS）的理想材料[[11], [12], [13], [14], [15], [16]]。

掺杂金刚石在受到应力作用时表现出稳定且显著的压阻效应，使其特别适合用于高温压阻压力传感器[[17], [18], [19], [20]]。在器件层面，要实现足够的灵敏度和机械可靠性，通常需要在金刚石基底上制备厚度精确控制且形态均匀的压力敏感膜片。然而，金刚石的极端硬度和化学惰性使得难以直接采用传统的硅基微加工和深蚀刻工艺，这已成为限制高性能器件制备的关键技术瓶颈[[21], [22], [23]]。为了满足金刚石材料的去除和图案化需求，已经开发了多种加工技术，包括机械加工、等离子体蚀刻、离子束蚀刻和激光蚀刻。机械加工依赖于金刚石磨料，技术成熟，但效率较低且容易引入亚表面损伤，不适合微/纳米级结构和高度一致的器件制备[24,25]。基于等离子体的蚀刻技术（如反应离子蚀刻和感应耦合等离子体蚀刻）提供了更好的图案保真度和工艺可控性，但其高昂的设备成本和较长的加工时间限制了其在复杂三维结构中的经济效率[[26], [27], [28], [29]]。离子束蚀刻具有高空间分辨率，适用于局部精细结构或工艺验证，但其低产量和辐照引起的晶格损伤限制了其实际应用[[30], [31], [32]]。相比之下，激光蚀刻具有非接触式加工、高灵活性和对硬脆材料良好的适应性，已成功应用于金刚石钻孔、切割、表面纹理化和三维微结构制备[[33], [34], [35], [36]]。现有研究主要可以分为三个方面：首先，飞秒激光被用于制备亚微米或纳米级结构[[37], [38], [39]]；其次，研究集中在飞秒激光加工参数和引起的材料改性机制上[[40], [41], [42]]；第三，研究了飞秒激光烧蚀技术[[43], [44], [45]]。然而，目前关于金刚石的飞秒激光加工的研究很少涉及深蚀刻和压力敏感膜片的制备。对于高性能金刚石MEMS传感器的精密制备，仍缺乏系统和深入的激光深蚀刻工艺研究。

在本研究中，通过在绝缘金刚石基底上进行飞秒（fs）激光深蚀刻来制备圆形盲孔结构，从而形成压力敏感膜片。系统地研究了制备过程，特别关注了双椭圆底部轮廓和过蚀刻现象的形成机制。进一步利用有限元分析评估了侧壁角度和膜片表面粗糙度对应力分布和传感器性能的影响。此外，采用控制变量方法研究了关键激光加工参数对盲孔形态的影响。

材料与结构

本研究使用的核心材料是掺硼的导电单晶金刚石（SCD），有两种尺寸：7.0 mm × 7.0 mm × 0.3 mm 和 5.0 mm × 5.0 mm × 0.3 mm，晶体取向为 (100)。选择SCD作为基底主要是因其适用于高温和恶劣环境下的压力传感应用。特别是与异质基底（例如硅）相比，SCD基底消除了热膨胀不匹配的问题。

形状偏差分析

在实验初期，由于缺乏成熟的SCD材料工艺参数数据库，基于文献调查和激光系统的特性进行了初步的加工试验。图4(a)展示了在不同激光加工参数组合下制备的直径为600 μm的盲孔的部分蚀刻结果的SEM图像。盲孔几何形状存在显著偏差，同时蚀刻不均匀。

结论

本文提出了一种基于飞秒激光的深蚀刻方法来制备压力敏感的金刚石膜片。通过使用fs激光从金刚石样品的基底侧进行加工，形成圆形盲孔，剩余的金刚石层作为压力敏感膜片。激光蚀刻后进行了化学清洗，彻底去除了fs激光加工过程中引入的非金刚石碳相。观察到的典型缺陷...

作者贡献声明

姜顺勇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，研究。 侯东阳：研究，形式分析。 刘秀明：验证。 陈金莲：可视化。 吕婷：监督。 肖爱迪：项目管理。 王启军：研究。 董芳：可视化，监督，方法论。 刘胜：监督，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家关键研发计划（编号：2022YFB3207100）、国家自然科学基金（编号：L2424216）以及湖北省重大计划（编号：2023BAA008）的支持。我们感谢武汉大学核心设施的张宇博士提供的XRM分析支持。