阅读说明：本技术 一种带悬臂结构金刚石及其制备方法 (Diamond with cantilever structure and preparation method thereof ) 是由 黄翀 彭琎 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种带悬臂结构金刚石及其制备方法,方法包括：在金刚石表面沉积非金属材料；对金刚石结构表面进行磨平、抛光处理；在光滑金刚石结构制备掩膜层,然后在掩膜层金刚石面生长金刚石；然后激光切割、磨抛；并去除掩膜层及填充材料,得到悬臂结构金刚石。制备方法制备的悬臂结构金刚石,应用于芯片中,具有非常高的灵敏度和可靠性。(The invention discloses a diamond with a cantilever structure and a preparation method thereof, wherein the method comprises the following steps: depositing a non-metallic material on the surface of the diamond; grinding and polishing the surface of the diamond structure; preparing a mask layer on the smooth diamond structure, and then growing diamond on the diamond surface of the mask layer; then carrying out laser cutting and grinding polishing; and removing the mask layer and the filling material to obtain the diamond with the cantilever structure. The diamond with the cantilever structure prepared by the preparation method is applied to a chip and has very high sensitivity and reliability.)

一种带悬臂结构金刚石及其制备方法

技术领域

本发明涉及金刚石加工技术领域，尤其涉及一种带悬臂结构金刚石及其制备方法。

背景技术

悬臂结构金刚石在室温下具有非常高的高品质因素。悬臂结构金刚石一般应用于芯片中，悬臂结构金刚石和电子电路集成在单个基板上，形成MEMS传感器，MEMS传感器应用于气体传感器、物质分析和扫描显微镜探针。且由于悬臂结构金刚石高的灵敏度和可靠性，还可用于防灾和医疗等更广泛领域。

但是，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。同时金刚石具有极高的机械性能以及化学稳定性，在金刚石表面制备微纳米结构非常困难，金刚石的三维微加工非常困难。

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，例如：cn201710101533.2的一种采用LB掩模板制备单晶金刚石反蛋白石的方法，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；且制备的金刚石微纳米结构中并无悬臂结构。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种带悬臂结构金刚石及其制备方法，本方法可制备出悬臂结构金刚石，且悬臂结构可为复杂多层结构。

一种带悬臂结构金刚石及其制备方法，方法包括：

S1.在金刚石表面沉积非金属材料，非金属材料填充金刚石空隙结构，沉积非金属表面进行磨平、抛光，磨抛露出金刚石结构表面，得到光滑平整表面样品a；

S2.将样品a光滑平整表面进行等离子处理，旋涂一层光敏材料，将光敏材料图形化，得到带有光敏材料图形结构的样品b；

S3.将样品b表面沉积非金属材料膜，非金属材料填充光敏材料图形空隙中，得到样品c；

S4.将样品c加入有机溶剂中清洗，溶解掉光敏材料，同时去除光敏材料表面的非金属膜，得到含有非金属材料图形结构掩膜层的样品d；

S5.将样品d加入金刚石细粉悬浊液中进行超声，在样品表面旋涂金刚石细粉悬浊液，干燥后，在样品表面通过化学气相沉积法生长金刚石，得到样品e；

S6.将样品e切割、磨抛，磨去掩膜层表面的金刚石，使掩膜层上表面与原金刚石表面及非金属填充材料表面生长的金刚石平齐，得到光滑平整的上表面样品f；

S7.将样品f酸性下去除掩膜层非金属材料以及填充金刚石空隙结构的非金属材料，得到带悬臂结构的金刚石。

优选地，所述步骤S1具体为：

在单层结构金刚石或多层梯次结构金刚石表面，通过溅射或蒸镀沉积方法沉积非金属材料，非金属材料填充金刚石空隙结构，沉积有非金属材料表面进行磨平、抛光，通过控制磨抛速率，利用金刚石微粉作为研磨抛光材料进行精细研磨抛光，磨抛露出金刚石结构表面，得到光滑平整表面样品a。

其中，单层结构金刚石或多层梯次结构金刚石表面为不平整，即在单层结构金刚石或多层梯次结构金刚石表面有凹进去、凸出来的凸凹结构；其制备的过程可参考CN201811562083.8。

优选地，所述步骤S2具体为：

将样品a光滑平整表面进行等离子处理，旋涂一层光敏材料，将光敏材料通过黄光或纳米压印将图形化，得到带有光敏材料图形结构的样品b。

优选地，所述步骤S3具体为：

将样品b表面通过电子束蒸镀、磁控溅射沉积非金属膜，非金属材料填充光敏材料图形空隙中，得到样品c。

优选地，所述步骤S4具体为：

将样品c加入有机溶剂中超声清洗，溶解掉光敏材料，同时剥离去除光敏材料表面的非金属膜，得到含有非金属膜材料图形结构掩膜层的样品d。

优选地，所述步骤S6具体为：

将样品e激光切割、磨抛，通过控制磨抛速率，利用金刚石微粉作为研磨抛光材料进行精细研磨抛光，磨去掩膜层表面的金刚石或者部分掩膜层，使掩膜层上表面与原金刚石表面及非金属填充材料表面生长的金刚石平齐，得到光滑平整的上表面样品f。

优选地，所述步骤S6还包括：

将样品e利用激光切割去除侧面生长的多晶，并对侧面及底面进行抛光。

根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1-S6多次重复后，进行步骤S7。

优选地，所述非金属为二氧化硅、硅、碳化硅以及氮化硅中的一种；所述光敏材料为HSQ光敏材料、PMMA光敏材料、Su-8光敏材料、AZ5214光敏材料以及AZ4620光敏材料中的一种；所述有机溶剂为芳香烃、脂肪烃、脂环烃、卤化烃、醇、醚、酯以及酮类有机溶剂中的一种。

一种带悬臂结构金刚石，所述金刚石通过上述制备方法制得，所述金刚石为多层、多个悬臂以及多维度结构。

本发明提供了一种带悬臂结构金刚石及其制备方法，本方法通过对不平整表面的金刚石进行填充，并磨抛等手段，可制备出悬臂结构金刚石，且悬臂结构可为镂空复杂多层、多悬臂以及多维度悬空结构，应用于芯片中，具有非常高的灵敏度和可靠性；且通过磨抛，可使得金刚石与非金属材料实现表面平整抛光及非金属材料易不碎裂；非金属材料与金刚石组成的平整面在旋涂光敏材料过程中，光敏材料旋涂均匀；且非金属材料和金刚石共同组成的平整面可同时生长金刚石；制备的带悬臂结构金刚石由于其悬臂结构，在振动时悬臂之间会发生间距变化，在通电情况下，电容会发生变化，产生电流变化，可应用于加速度计以及陀螺仪上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例的效果表征图，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为带悬臂结构金刚石的制备流程图；

图2为带悬臂结构金刚石的制备过程示意图。

附图标记

1 金刚石 2 非金属材料(SiO₂)

3 掩膜层 4 新增金刚石

5 悬臂 11 样品a

12 样品d 13 样品e

14 样品f 15 悬臂结构金刚石

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

请参看图1，一种带悬臂结构金刚石及其制备方法，方法包括：

S11.在金刚石表面沉积非金属材料，非金属材料填充金刚石空隙结构，沉积非金属表面进行磨平、抛光，磨抛露出金刚石结构表面，得到光滑平整表面样品a；在单层结构金刚石或多层梯次结构金刚石表面，通过溅射或蒸镀沉积方法在金刚石一表面沉积非金属材料，非金属材料填充金刚石空隙结构，沉积有非金属材料的表面进行磨平、抛光，并通过控制磨抛速率，利用金刚石微粉作为研磨抛光材料进行精细研磨抛光，磨抛露出金刚石结构上表面，得到光滑平整表面样品a。其中，非金属材料为二氧化硅、硅、碳化硅以及氮化硅中的一种，常采用二氧化硅。

其中，单层结构金刚石或多层梯次结构金刚石表面为不平整，即在单层结构金刚石或多层梯次结构金刚石表面有凹进去、凸出来的凸凹结构；其制备的过程可参考CN201811562083.8的制备过程；即通过平滑的金刚石表面制得的非金属图形结构作为掩模板；然后利用与金刚石结合紧密的非金属图形结构通过化学气相沉积法生长金刚石，金刚石填充满非金属图形结构间的空隙；将生长完金刚石的样品进行磨平抛光，使生长的金刚石上表面与非金属上表面平齐，去除非金属图形结构，制得单层结构金刚石或多层梯次结构金刚石。

S12.将样品a光滑平整表面进行等离子处理，旋涂一层光敏材料，将光敏材料图形化，得到带有光敏材料图形结构的样品b；将样品a的光滑平整表面进行等离子处理，旋涂上一层光敏材料，然后将光敏材料通过黄光或纳米压印将图形化，得到带有光敏材料图形结构的样品b。其中，光敏材料通过黄光或纳米压印将材料图形固化，占据样品a光滑平整表面上一定的位置，光敏材料为固化位置为镂空状态，即在成型的光敏材料图形中存在空隙。

S13.将样品b表面沉积非金属材料膜，非金属材料填充光敏材料图形空隙中，得到样品c；通过电子束蒸镀、磁控溅射沉积方式，在样品b表面沉积非金属膜，非金属材料填充光敏材料图形空隙中的同时，还会在光敏材料表面沉积非金属膜，得到样品c。非金属材料填充光敏材料图形空隙时，非金属材料一部分可能与原非金属材料沉积在一起，也可能也会与金刚石沉积在一起。光敏材料为光敏胶材料，一般采用HSQ光敏材料、PMMA光敏材料、Su-8光敏材料、AZ5214光敏材料以及AZ4620光敏材料；当然，还可以采用其它的一些光敏材料。非金属材料膜为二氧化硅、硅、碳化硅以及氮化硅中的一种，常采用二氧化硅。

S14.将样品c加入有机溶剂中清洗，溶解掉光敏材料，同时去除光敏材料表面的非金属膜，得到含有非金属材料图形结构掩膜层的样品d；样品c加入到有机溶剂中超声清洗溶解，由于光敏材料上沉积了非金属材料，溶解掉光敏材料，沉积在光敏材料上的非金属材料也会从样品c主体剥离(Lift-off)下来，剩下来的就是在样品b表面特定位置上增加了非金属材料掩膜层，即含有非金属材料图形结构掩膜层的样品d。其中，有机溶剂为芳香烃、脂肪烃、脂环烃、卤化烃、醇、醚、酯以及酮类有机溶剂中的一种；为了保证溶解速度，一般采用丙酮。

S15.将样品d加入金刚石细粉悬浊液中进行超声，在样品表面旋涂金刚石细粉悬浊液，然后进行干燥，干燥后，在样品表面通过化学气相沉积(CVD)法生长金刚石，得到样品e；通过在样品d表面生长金刚石，使得金刚石往外生长延伸。

S16.将样品e切割、磨抛，磨去掩膜层表面的金刚石，使掩膜层上表面与原金刚石表面及非金属填充材料表面生长的金刚石平齐，得到光滑平整的上表面样品f；样品e进行激光切割、磨抛，然后通过控制磨抛速率，利用金刚石微粉作为研磨抛光材料进行精细研磨抛光，磨去掩膜层表面的金刚石或者部分掩膜层，使掩膜层上表面与原金刚石表面及非金属填充材料表面生长的金刚石平齐，得到光滑平整的上表面样品f。当然，为了只保留单面的悬臂以及侧面以及底面的光滑，还将样品e利用激光切割去除侧面生长的多晶，并对侧面及底面进行抛光。在需要对悬臂进一步的延长以及多层结构，可以多次重复步骤S11-S16。

S17.将样品f酸性下去除掩膜层非金属材料以及填充金刚石空隙结构的非金属材料，得到带悬臂结构的金刚石。由于掩膜层非金属材料以及填充金刚石空隙非金属材料在强酸条件下，可以与强酸进行反应，将其去除；当去除掩膜层非金属材料以及填充金刚石空隙结构的非金属材料后，还需要进行清洗，得到干净的得到带悬臂结构的金刚石。

请参看图2并结合方法流程图1，图2带悬臂结构金刚石的制备过程示意图，

①填充非金属材料；在单层结构金刚石或多层梯次结构金刚石1表面，通过溅射、蒸镀等沉积方法在金刚石结构上沉积SiO₂等非金属材料2，SiO₂填充金刚石孔隙结构。

②磨平、抛光；将上述填充金刚石结构表面进行磨平、抛光处理，通过控制磨抛速率，使用金刚石微粉作为研磨抛光材料进行精细研磨抛光，暴露出金刚石结构上表面，形成光滑平整表面，得到样品a。

③制备掩膜层3；对样品a表面进行等离子体处理，离子体处理后旋涂一层光敏材料，然后通过黄光或纳米压印将光敏材料图形化，制备得到光敏材料图形结构(图中未示出)，即样品b；再在光敏材料样品表面通过电子束蒸镀、磁控溅射等镀膜方法沉积一层非金属膜(如二氧化硅等)，即样品c；放入丙酮中超声清洗，溶解光敏材料，Lift-off去除光敏材料及光敏材料表面的非金属膜，得到非金属图形结构作为掩膜层3，得到样品d12。

④CVD生长金刚石；将样品d12放入金刚石细粉悬浊液中进行超声。在样品表面旋涂金刚石细粉悬浊液。样品表面悬浊液干燥后，在样品表面通过化学气相沉积(CVD)法生长金刚石，得到样品样品e13。

⑤激光切割、磨抛；结合激光切割、磨抛工艺，磨去样品e13掩膜层表面的金刚石及部分掩膜层，通过控制磨抛速率，使用金刚石微粉作为研磨抛光材料进行精细研磨抛光，使掩膜层上表面与原金刚石表面及填充材料表面生长的金刚石平齐，形成光滑平整的上表面，即得到样品f14。且使用激光切割去除样品侧面生长的多晶，并对样品侧面及底面进行抛光。

⑥去除掩膜层及填充材料；去除样品f14作为掩膜层的非金属结构，去除填充原始金刚石结构的非金属填充材料，对样品进行化学清洗，制备得到悬臂结构金刚石15，悬臂结构金刚石15为多层复杂结构，即可以有多悬臂5。

一种带悬臂结构金刚石，金刚石通过上述制备方法制得，金刚石为多层、多个悬臂以及多维度复杂结构。

具体实施例

取5片5mm*5mm*1mm的多晶金刚石片，编号分别为G1，G2，G3，G4以及G5，多晶金刚石片上通过纳米压印、镀膜、等离子体刻蚀制备的周期为1um、深100nm的凹槽结构；

通过磁控溅射在表面有凹槽结构的金刚石样品表面沉积150nm厚的SiO₂层；

磨抛样品表面，露出金刚石上表面，使SiO₂层与金刚石结构上表面平齐。其中，G1片样品使用普通磨抛方法进行磨抛，发现SiO₂层容易破碎；另外G2，G3，G4以及G5的4片，通过利用金刚石微粉作为研磨材料，利用铸铁盘采用极低研磨速率，可以避免SiO2层破裂；

在样品表面旋涂一层PMMA光敏材料，然后旋涂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。其中旋涂PMMA光敏材料过程中，G2样品经过清洗后直接旋涂PMMA材料，发现由于衬底材料不一样，出现旋涂不均匀的情况；另外G3，G4以及G5的3片样品，在旋涂之前使用等离子体进行表面处理，既实现了表面清洁，也可实现PMMA旋涂均匀；

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；

通过磁控溅射在样品表面沉积100nm厚的SiO₂层；

将样品放入丙酮溶液中超声清洗，氮气吹干。在金刚石表面制备得到作为掩膜层的SiO₂结构；

在将样品放入微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)设备之前，对样品进行处理。其中G3片不经过处理，直接放入MPCVD设备中生长金刚石，发现掩膜层表面无法生长金刚石或生长速度极低；另外的G4以及G5的2片样品，放入加有金刚石微粉的悬浊液中进行超声，取出后在金刚石样品表面旋涂金刚石微粉悬浊液，待干燥后再进行后续金刚石生长；

将样品放入微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)设备中，控制金刚石表面生长温度为950℃，生长60-80nm厚度的金刚石层；

使用铸铁盘将金刚石表面磨平抛光，使SiO2层表面与金刚石生长层表面平齐；

磨抛样品表面，露出SiO₂掩膜层上表面，使SiO₂层与金刚石结构上表面平齐。其中，G4片样品使用普通磨抛方法进行磨抛，发现SiO₂层容易破碎；另外G5片，使用激光切割机对样品上表面进行简单切平，再利用金刚石微粉作为研磨材料，利用铸铁盘采用极低研磨速率，可以避免SiO₂层破裂；

最后将样品放入10％HF溶液中浸泡9h，去离子水冲洗吹干；依次使用丙酮、异丙醇进行超声清洗，氮气吹干，得到金刚石悬臂结构。

通过采用金刚石微粉作为研磨材料，可以较好地解决金刚石与非金属材料表面平整抛光及非金属材料易碎裂的问题；通过在旋涂之前使用等离子体处理，可以解决光敏材料旋涂不均匀的问题；通过金刚石微粉的悬浊液中进行超声，取出后在金刚石样品表面旋涂金刚石微粉悬浊液，可以较好解决非金属材料和金刚石共同组成的平整面无法同时生长金刚石的问题。

制备的带悬臂结构金刚石由于其悬臂结构，在振动时悬臂之间会发生间距变化，在通电情况下，电容会发生变化，产生电流变化，所以可将带悬臂结构金刚石应用于加速度计以及陀螺仪上。

本发明实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。

本文进行了详细的介绍，应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。