金泽大学，首个原子级平整金刚石（111）面选择性刻蚀工艺！

原子级平整的金刚石（111）面，被认为是反型沟道金刚石 MOSFET 最理想的沟道界面，但要在这样的表面上做微纳加工，一直缺一把合适的“刀”。常规氢等离子体刻蚀以横向台阶流为主，几乎不往下走；商用机械抛光衬底表面又存在抛光损伤层，让刻蚀行为和粗糙度的真实机理长期纠缠不清。

近日，日本金泽大学（Kanazawa University）先进金刚石科学与技术研究中心团队在Carbon 发表研究，用 H₂+N₂ 混合等离子体配合 Ti/Au 金属掩模，首次在原子级平整的金刚石（111）面上实现了可控的各向异性选择性刻蚀：刻蚀速率约 1 nm/min，槽底粗糙度低于 0.25 nm，且未引入拉曼可检测的损伤。题目为“Selective etching of atomically flat diamond (111) surfaces using H₂+N₂ plasma etching”。

关键在于氮的加入改变了刻蚀的“方向性”。纯氢等离子体中，刻蚀沿 ⟨11-2⟩ 方向以台阶流横向推进，纵向去除极难发生；引入 N₂ 后，含氮活性物种在表面形成 CN/HCN 类终端，C–N 键的电负性差（0.49）大于 C–H 键（0.35），电子向氮偏移，削弱了表面碳原子的背键，从而制造出纵向刻蚀的起始位点。随后 H 自由基将三角形蚀坑横向扩展，两步协同，形成均匀的逐层剥离。

等离子体光谱也印证了这一节奏：CN 与 NH 物种分别需要约 12 min 和 6.5 min 才趋于稳态，恰好对应刻蚀深度曲线前端约 8 min 的诱导延迟。

刻蚀既慢又稳。速率约 1 nm/min，刻蚀 100 min 得到 108±3 nm 的深度（8 个样品的统计），20 min 与 60 min 则分别只有 18—20 nm 和约 50 nm，深度与时间严格线性，意味着纳米级的深度控制是可预期的。

真正难的是粗糙度没有被牺牲。槽底起伏约 0.25 nm，大体相当于一个原子层的高度；AFM 高度直方图的峰间距恰为 0.21 nm，正是一个双原子层的台阶量，说明材料是以原子层为单位被逐层剥离的，坑底可见最多约 5 层的“坑中坑”结构。去掩模后，原本的原子级平整区起伏仍为 0.03 nm，已经触到仪器分辨率极限。

另外两个对比更能说明位置：同样 800 ℃、N/H=10% 的氢氮等离子体下，原子级平整（111）面的刻蚀速率只有常规机械抛光面的约 1/17——越平整越难刻，反过来说明此前的刻蚀速率里掺了不少抛光损伤层的“水分”；而 Ti/Au 掩模连续刻蚀 8 h 未见明显退化，足以支撑更长时间的加工。

更实际的意义在于深度。约 100 nm 的刻蚀深度，已是目前已报道无台阶反型沟道金刚石 MOSFET 中埋入式硼掺杂源漏层厚度的两倍，意味着这套工艺窗口可以直接对接器件制造，而不只是停留在表面形貌的演示。

从“只能横着走”到“可以按层挖”，这项研究补上了原子级平整金刚石表面微纳加工的关键一环。对金刚石功率电子与量子器件而言，能在保持原子级平整的前提下刻出埋入结构，工艺设计的自由度也就真正打开了。