[发明专利]基于微增减材同步复合制造金刚石微光栅的方法及装置

说明书

基于微增减材同步复合制造金刚石微光栅的方法及装置，方法是对金刚石薄膜试样表面进行预处理去除表面杂质；在金刚石薄膜试样表面进行低温热丝CVD金刚石沉积，同时在CVD金刚石薄膜表面进行图形化微加工，得到金刚石微光栅。装置有用于进行低温热丝CVD金刚石沉积的低温热丝CVD金刚石沉积系统，用于进行图形化微加工的激光刻蚀系统，低温热丝CVD金刚石沉积系统有上端形成有光学窗口的真空反应腔室，真空反应腔室内设置有工作台，真空反应腔室外部设置有供气系统，工作台上设置有用于激发反应气体和加热金刚石薄膜试样的加热丝加系统。本发明实现了微增材加工和微减材加工的时空同步复合，并实现金刚石在非刻蚀区域的持续原位生长。

技术领域

本发明涉及一种微增减材复合制造方法。特别是涉及一种基于微增减材同步复合制造金刚石微光栅的方法及装置。

背景技术

太赫兹电磁波以其优秀的宽带性和瞬态性，在无线通信过程中能够实现极高的数据传输速率和稳定性，因而成为未来6G通讯研发的关键技术。随着国内外针对太赫兹科学技术研究的不断深入，相关太赫兹器件的开发对材料提出了更高的要求。CVD金刚石材料以其良好的导热性能、低介电常数、低微波损耗、优秀的机械性能以及相对低廉的制备成本等，在太赫兹器件领域具有广阔的应用前景。太赫兹器件(如太赫兹MEMS滤波器和大功率太赫兹源等)内部涉及大量的高深宽比微光栅结构。因此，高深宽比CVD金刚石微光栅结构的制备技术，成为实现金刚石在太赫兹器件领域应用的关键技术。

由于CVD金刚石本身极高的硬度和化学稳定性，常规微细制造工艺难以直接应用。目前针对金刚石材料的高深宽比微细加工，应用较多的是一些干法刻蚀技术，如RIE、DRIE、ICP等，并取得了一定的进展。然而，上述工艺的热效应较为严重，极容易污染和损伤金刚石表面，并且常常涉及掩模的应用，导致其工艺复杂，成本较高。如何另辟蹊径，克服现有技术不足，开发面向CVD金刚石的新型微细加工技术，制备高深宽比微光栅结构，是当前亟待解决的一大难题。

超快激光刻蚀是近年来迅速发展的一种微细加工方法。该方法具有较高的加工精度和效率，并且热效应小，无需掩模，工艺简单，成本较低，对环境无污染，在高深宽比微细加工方向显示出极大的潜力。然而，对于高深宽比CVD金刚石微细结构加工，超快激光刻蚀尚存在一些不足。超快激光加工金刚石材料时焦斑附近的高温常常会造成微细结构边缘金刚石材料相变形成无定形碳和石墨相，同时高温气化去除的碳相会在金刚石材料表面重凝形成非晶碳相，因而降低金刚石表面质量；此外，焦斑附近材料瞬间被去除将导致周围材料应力状态的急剧变化，从而引发微细结构边缘应力集中，出现裂纹和崩碎，造成金刚石微细结构表面质量下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够获得高质量、高深宽比的金刚石微光栅结构的基于微增减材同步复合制造金刚石微光栅的方法及装置。

本发明所采用的技术方案是：一种基于微增减材同步复合制造金刚石微光栅的方法，包括，对金刚石薄膜试样表面进行预处理去除表面杂质；在金刚石薄膜试样表面进行低温热丝CVD金刚石沉积，同时在CVD金刚石薄膜表面进行图形化微加工，得到金刚石微光栅。

所述的对金刚石薄膜试样表面进行预处理，是将金刚石薄膜试样浸入由金刚石微粉和甘油按质量比1：1配制的悬浊液中超声研磨5min，其中金刚石微粉的粒径为2～5μm，随后浸入无水乙醇中超声清洗5min，然后烘干。

所述的在金刚石薄膜试样表面进行低温热丝CVD金刚石沉积，采用的反应气体为氢气、甲烷和硫化氢。

所述的低温热丝CVD金刚石沉积，所采用的工艺参数为：氢气流量800～1000ml/min，甲烷流量50～100ml/min，硫化氢流量0.1～0.4ml/min，反应压力10～15Torr，热丝温度2100～2200℃，衬底温度100～250℃；偏压电流1.0～4.0A。

所述的图形化微加工为激光刻蚀，是将激光光束依据设定的扫描路径在CVD金刚石薄膜表面进行重复刻蚀，间隔时间为1小时，直至获得设定高深宽比的金刚石微光栅。