芯耀
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在金刚石材料不断向量子技术与功率电子等高端应用延伸的过程中，表面处理与刻蚀技术的重要性愈发凸显。传统的氢等离子体刻蚀已经在金刚石平整化与表面重构研究中占据核心位置，传统观点认为：在常用的 H₂ 等离子体环境下，金刚石刻蚀主要由氢原子选择性刻蚀非金刚石相碳，并在晶向依赖的台阶流(step-flow)模式下缓慢进行。
但当行业越来越多地将氮气引入 CVD 生长体系后，一个长期未解的问题逐渐浮现：氮在刻蚀与生长界面到底扮演怎样的角色？特别是在高 N₂/CH₄ 比例下生长速率显著下降的现象，其背后的机制仍不完全清楚。
日本金泽大学的最新研究为这一问题提供了新的实验依据，首次直接证明氮基活性物种可参与金刚石的刻蚀过程，并显著影响晶向选择性和表面形貌演化。相关研究以 “Effects of nitrogen addition on hydrogen plasma etching of diamond” 为题，发表于《Diamond & Related Materials》。
研究针对 (100) 与 (111) 方位的 HPHT 单晶金刚石，系统探索了 H₂ + N₂ 等离子体刻蚀在温度、气体比例以及图形尺寸等不同条件下的表现。实验在 MPCVD 体系中完成，并结合光学显微镜、原子力显微镜和光发射光谱等手段，获得了刻蚀速率、表面形貌与等离子体成分的关联性。
结果显示，无论是 (100) 还是 (111) 方位，引入 N₂ 后刻蚀速率都显著提升，最高可达 μm/h 量级——这一速度比常规 H₂ 刻蚀高出约一个数量级。尤其值得注意的是，在 H₂ 等离子体中几乎不参与刻蚀的 on-axis 平坦台面，在添加氮之后也开始出现腐蚀坑，说明氮确实改变了反应表面的化学路径，使刻蚀具备了新的活性来源。
尽管刻蚀速率明显提高，但整体刻蚀仍呈现与传统氢刻蚀相似的晶向各向异性特征。(100) 表面出现方形腐蚀坑、(111) 表面形成三角坑，并在台阶流主导下逐渐演变出六边形再向三角形过渡的轮廓，这种与晶体对称性一致的形貌变化说明刻蚀仍然受到台阶结构与表面重构的共同支配。更值得强调的是，在刻蚀速率大幅提升的同时，表面粗糙度（Rq）仍可保持在 1 nm 以下，说明该体系不仅增强化学反应速率，也维持了足够温和的表面演化机制，对于器件制造的高质量表面尤为关键。
氮在刻蚀过程中的直接参与是本研究最具突破性的发现。通过对等离子体的光发射光谱分析，研究者观察到明显的 N₂ 分子带与 NH 发射峰，并在存在金刚石时探测到 CN(B–X) 的明显信号，而 CH 峰则几乎不可见。这表明活性氮物种如 N 和 NH 会与表面碳原子发生反应，形成挥发性的 CN 或 HCN，从而实现对金刚石的有效刻蚀。这一证据首次明确了氮基自由基在刻蚀金刚石中的化学作用，也为此前高 N₂ 条件下生长速率下降的现象给出了新的合理解释：在一定比例下，氮促进生长，但当氮含量过高时，由 N/NH 参与的刻蚀作用开始与生长反应竞争，使净生长速率减慢。
此外，研究还观察到金属掩膜图形在刻蚀过程中的几何演化规律。例如 3 μm 的方形图形会先向六边形，再向沿〈121〉方向延伸的三角形演变，这种变化与刻蚀的晶向选择性完全一致。随着刻蚀时间延长，特定方向的边缘收缩更明显，直接反映出氮辅助刻蚀对晶体不同方位的偏好，这类规律对于未来更高精度的图形转移、深刻蚀结构制造和微纳加工工艺都具有指导意义。
整体而言，该研究不仅揭示了 H₂ + N₂ 等离子体刻蚀的完整图景，也为理解氮在 CVD 生长中的双重角色提供了重要依据。在刻蚀方面，氮相关活性物种可显著提高刻蚀速率，并在保持晶向选择性的基础上实现低粗糙度加工；在生长方面，氮既能促进 CN 相关基团生成，从而帮助生长，但在高浓度下又能通过刻蚀反应抑制生长速率。对于未来的金刚石量子器件、功率器件制造，尤其是需要高质量表面与高效加工的应用场景，这项研究无疑提供了新的工艺思路和理论参考。
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