論文標題：Precision micro-mechanical components in single crystal diamond by deep reactive ion etching
期刊：Microsystems & Nanoengineering
作者：Adrien Toros, Marcell Kiss, Teodoro Graziosi, Hamed Sattari, Pascal Gallo & Niels Quack
發表時間：2018/6/18
數字識別碼： 10.1038/s41378-018-0014-5
原文連結： https://www.nature.com/articles/s41378-018-0014-5?utm_source=Other_website&utm_medium=Website_links&utm_content=JesGuo-Nature-Microsystems_and_Nanoengineering-Engineering-China&utm_campaign=NROAAJ_USG_JRCN_JG_Contenthighlight
在瑞士國家科學基金會的支持下，研究人員發明了一項雕刻材料的新技術，用來構建微機械系統。其中最特別的部分，就是他們利用人造單晶金剛石生產出了一種極其微小的手錶部件。
金剛石質地堅硬，韌度十足，有很好的導熱性，並且高度透明，因此是很多機械設備和光學裝置的理想材料。但同時，要將金剛石進行微米級（千分之一毫米）的精確切割又十分具有挑戰性。在瑞士國家科學基金會的資助下，來自瑞士洛桑聯邦理工學院的Neils Quack教授和他的團隊發明了一種新的方法，可以從人造單晶金剛石上雕刻出一個微機械手錶系統，即一隻直徑三毫米的擒縱輪和擒縱叉。
圖一：擒縱輪，人造金剛石制，寬3mm
「反應離子刻蝕」技術廣泛應用於計算機晶片領域，該團隊對這一技術作了改善，成功地將人造金剛石刻蝕成0.15毫米厚的三維形狀，比現存最厚的結構厚三倍。「我們正在逐漸靠近手錶行業的標準厚度，也就是0.2毫米。」Quack說道，「這項技術引起了行業內關注，目前我們正在和一個瑞士手錶公司洽談。我們認為金剛石可以減少摩擦，增加動力儲存，即延長手錶需要再次上發條的時間。不過這還只是個有待證實的假設。」在制表業，金剛石還有其他的優點：它具有透明度，可以進行上色，此外，金剛石的無磁性也正是當前市場高度追捧的屬性。
圖二：鑷子尖端一個直徑0.75mm的金剛石擒縱輪，下為一矽晶片，裝配過程中作為支架
圖三：一隻單晶人造金剛石制的手錶部件擒縱叉
工業專利
之前，由於離子（帶電原子）在電場加速時，不僅移動了選定位置的金剛石焊層，還侵蝕了規定目標形狀的膜層，「反應離子刻蝕」技術只能產生厚度為0.05毫米的結構。因此，所得結構的厚度受到膜層抗力和厚度的限制。瑞士洛桑聯邦理工學院微電子學研究所一位名叫Adrien Toros的科研助手在不到半年時間內，發明了一種雙層膜，這種膜由一層鋁和一層二氧化矽構成，鋁層能很好地吸附金剛石，其外的二氧化矽層較厚，更能抵抗離子反應的影響。該項技術能加快刻蝕過程，實現幾近垂直的深入切割。
在Innosuisse（此前為CTI）的支持下，該團隊計劃同瑞士的人造金剛石生產商Lake Diamond合作，此前他們已經共同申請了一項專利。該公司的執行長Pascal Gallo透露：「在中期我們將利用這項技術進行微米級部件的精準生產和商業化，從而擴大我們的製造領域。」
此外還有另一個項目也在實施中，研究人員正在努力從超純金剛石中製作光學元件，例如，熱成像過程中能在紅外光譜中進行操作的透鏡，以及工業切割所使用的雷射器件等。
Niels Quack說：「2015年我開始這項研究時，從未設想過這些工業應用。但是多虧了Gebert Rüf Stiftung基金會的支持，讓我們很快看到了項目的大好前景，然後成功地將其發展成實用的工業應用。於我而言，這完美地證明了基礎研究經常會帶來一些意想不到的應用，這對於工業領域來說十分具有吸引力。保持思維開放太重要了！」
這項研究在瑞士洛桑聯邦理工學院進行，受瑞士國家科學基金會的SNSF Professorship支持（這項基金計劃現已改為SNSF Eccellenza Professorial Fellowhips）。同時該項目也受到Gebert Rüf Stiftung基金會和位於伊韋爾東的Lake Diamond公司的支持，後者提供了人造單晶金剛石。該公司的執行長Pascal Gallo是論文的合著者。這些部件在瑞士洛桑聯邦理工學院的微納米技術中心進行了裝配。
聯繫本文作者：
Prof. Niels Quack
Institut de microtechnique
EPFL
CH-1015 Lausanne
Tel.: +41 21 693 73 83, +41 78 604 76 54
E-mail niels.quack@epfl.ch
Web: http://q-lab.epfl.ch
相關連結：
• 圖一: 擒縱輪，人造金剛石制，寬3mm
• 圖二: 鑷子尖端一個直徑0.75mm的金剛石擒縱輪，下為一矽晶片，裝配過程中作為支架
• 圖三: 一隻單晶人造金剛石制的手錶部件擒縱叉
• 原博文連結：http://www.snf.ch/en/researchinFocus/newsroom/Pages/news-180618-press-release-diamond-watch-components.aspx
摘要：The outstanding material properties of single crystal diamond have been at the origin of the long-standing interest in its exploitation for engineering of high-performance micro- and nanosystems. In particular, the extreme mechanical hardness, the highest elastic modulus of any bulk material, low density, and the promise for low friction have spurred interest most notably for micro-mechanical and MEMS applications. While reactive ion etching of diamond has been reported previously, precision structuring of freestanding micro-mechanical components in single crystal diamond by deep reactive ion etching has hitherto remained elusive, related to limitations in the etch processes, such as the need of thick hard masks, micromasking effects, and limited etch rates. In this work, we report on an optimized reactive ion etching process of single crystal diamond overcoming several of these shortcomings at the same time, and present a robust and reliable method to produce fully released micro-mechanical components in single crystal diamond. Using an optimized Al/SiO2 hard mask and a high-intensity oxygen plasma etch process, we obtain etch rates exceeding 30 µm/h and hard mask selectivity better than 1:50. We demonstrate fully freestanding micro-mechanical components for mechanical watches made of pure single crystal diamond. The components with a thickness of 150 µm are defined by lithography and deep reactive ion etching, and exhibit sidewall angles of 82°–93° with surface roughness better than 200 nm rms, demonstrating the potential of this powerful technique for precision microstructuring of single crystal diamond.
閱讀論文全文，請訪問https://www.nature.com/articles/s41378-018-0014-5?utm_source=Other_website&utm_medium=Website_links&utm_content=JesGuo-Nature-Microsystems_and_Nanoengineering-Engineering-China&utm_campaign=NROAAJ_USG_JRCN_JG_Contenthighlight
期刊介紹: Microsystems & Nanoengineering is an online-only, open access international journal devoted to publishing original research results and reviews on all aspects of Micro and Nano Electro Mechanical Systems from fundamental to applied research. The journal is published by Springer Nature in partnership with the Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, supported by the State Key Laboratory of Transducer Technology.
2017 Journal Metrics:
Journal Impact Factor 5.071
Immediacy Index 0.92
Eigenfactor Score 0.001100
Article Influence Score 1.435
Rank 30/92 Nanoscience&Nanotechnology 3/61 Instrument & Instrumentation
（來源：科學網）
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