【公開日：2023.07.28】【最終更新日：2023.04.25】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
22NM0032
利用課題名 / Title
Ni異方性エッチング及び反応性エッチングを用いたダイヤモンド基板の微細加工
利用した実施機関 / Support Institute
物質・材料研究機構
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
リソグラフィ/Lithography,膜加工・エッチング/Film processing and Etching,蒸着・成膜/Evaporation and Deposition,CVD,スピントロニクス
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
及川 耀平
所属名 / Affiliation
慶應義塾大学
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
NM-604：マスクレス露光装置 [DL-1000/NC2P]
NM-609：電子銃型蒸着装置 [ADS-E86]
NM-634：赤外線ランプ加熱装置 [RTP-6 #3]
NM-617：ICP-RIE装置 [RV-APS-SE]
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
ダイヤモンド中窒素空孔中心(NVセンター)を用いた量子センサの高感度化には、NVセンターの並ぶ方向が揃う高配向率NVセンターの生成が重要である。そのためにNi異方性エッチングでダイヤモンド基板に微細加工を施すことで{111}面逆ピラミッド型ホール構造を露出し、その上で化学気相成長(CVD)を行ってNVセンターを生成する。従来手法では4面での99％以上の高配向率達成に至らず、NVセンターの性能は先行研究の値に劣っていた。そこで本研究では(100)ダイヤモンド基板上の{111}面の4面全てに99%以上の高配向率NVセンターを生成することを目的として実験を行った。今回は配向率低下の原因となっていた表面欠陥の除去、並びにホール内部の成長メカニズムを観察した結果について報告する。
実験 / Experimental
ダイヤモンド基板の表面欠陥の除去のため、精密研磨に加えて新たにICP(Inductively Coupled Plasma)エッチング+水素プラズマ処理を導入した。本手法ではICPエッチングで一面を約10 µm削り、その際に生じるダメージ層(約1 µm)を水素プラズマ処理で平坦化させた。その後はダイヤモンド基板にレジスト塗布後、ドーズ量100 mJ/cm2で露光を行った。そして現像後、Niを0.15～0.2 nm/sの条件で200 nm堆積させ、リフトオフによってNiをパターニングし、Ar雰囲気下で900 ℃の高温アニールを行った。その後、慶大のアニール装置で水蒸気雰囲気下アニールを行い、エッチングを行った。そして金沢大にて窒素ドープCVD成長を行い、サンプルを作製した。
サンプル作製後は自作の共焦点レーザー顕微鏡にてODMR測定等を行い、成長のメカニズムを観察した。
結果と考察 / Results and Discussion
Figure 1に各サンプルの顕微鏡像と断面プロファイルを示す。Fig. 1(a)と(b)を比較すると、(a)のICPエッチング+水素プラズマ試料の方が底面の平坦性が向上していることが分かる。また各サンプルのホール底面を5つずつ抽出し表面粗さ測定を行った。算術平均高さSaの平均値で比較した結果、ICP+水素プラズマ試料は0.23 µm、研磨のみ試料は0.80 µmとなり、ICP+水素プラズマによる底面の平坦性の向上、即ち表面欠陥の除去が確認できた。
Figure 2にホール内部の発光像とODMRスペクトルを示す。Fig. 2(a)よりホールの四隅の発光量が大きくなっているため、ホール内部では四隅(斜面の境界)から原子ステップが供給されやすく、成長の開始端になることが分かった。またODMRスペクトルからは、dipの周波数から配向方向を、面積の比から配向率を求めることができ、本サンプルは約90％の高配向率NVセンターが生成された。従来手法以上の高配向率ではあるが、>99%以上の高配向率は維持されなかった。高配向率の維持には{111}面を維持したラテラル成長が行われる必要があるが、今回の成長条件では成長面がずれてしまったと考えられる。またFig. 2(c)の結果より、(a)の測定点では下面で優位に出るdipが大きく、左面で優位に出るdipが小さい。一方でFig. 2(d)の結果を見ると、(b)の測定点では逆の傾向が見られている。
これらの結果より、ホール内部の配向率低下はFig. 3のような成長機構によるものと考えられる。先述の通り、ホールの四隅は成長の開始端となるステップが供給されやすい。その影響でバンチングが起こり、成長面が理想的な{111}面からずれていくため、配向率低下が起こる。その際、Fig. 3のような機構で成長面がずれていくため、隣り合った面に優位に出るdipが現れてしまうと考えられる。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig. 1 LM image and cross-sectional profiles.
(a, c) ICP etching and hydrogen plasma treated sample (b, d) Polished sample
Fig. 2 (a, b) PL image and measurement points (c, d) ODMR spectra at each measurement point
Fig. 3 Growth mechanism
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
ダイヤモンド試料作製の工程は国立研究開発法人 物質・材料研究機構(NIMS)、金沢大学徳田研究室の支援の下に実施された。
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- 及川耀平, 中野 裕太, 長井 雅嗣, 徳田 規夫, 早瀬 潤子, "(100)ダイヤモンド基板に形成した{111}面逆ピラミッド型構造内の高配向NV中心層の成長メカニズム", 第83回応用物理学会秋季学術講演会 (東北大学), 2022年 9月23日
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件