当金刚石在3D表面上进行选择性生长时，薄膜厚度并不均匀。图案化微结构中的平顶表面以每分钟8.3至9.7 nm的速率沉积金刚石，而倾斜侧壁的生长速度较慢，为每分钟5.8至6.7 nm。这种差异由各个晶面暴露于等离子体携带的生长物种的几何条件所决定，而不是由于反应物无法到达深部结构。
倾斜晶面上约慢30–40%的生长速率，是等离子体物种撞击表面方式所导致的、可预测的几何效应。在倒金字塔或沟槽等微结构上进行金刚石选择性区域CVD时，掌握这种速率差异是制造尺寸精确、高成品率金刚石MEMS和悬臂梁的关键。
3D微结构上生长速率不同的原因
观察到的生长速率差异
选择性区域金刚石CVD使用光刻定义的氧化物掩膜，以精确限制生长区域。在硅倒金字塔或沟槽上，平顶表面始终表现出更高的沉积速率，即8.3至9.7 nm/min。然而，倾斜侧壁上的金刚石沉积速率仅为5.8至6.7 nm/min。
这种差异并非工艺不稳定造成的。当结构深度处于几十微米量级时，在多个样品和不同反应器配置中都能重复观察到这一现象。
几何影响与反应物耗尽
一种常见的假设是，由于气体在狭窄空腔内被耗尽，侧壁接收到的活性物种较少。但这里并非如此。
在标准微波等离子体CVD反应器中，成膜自由基的平均自由程约为50 µm。这一距离等于或超过金刚石MEMS中常用微结构的深度。因此，气相物种可以轻松到达底部和侧壁，而不会在途中被消耗。所以，侧壁较慢的生长完全是几何效应，而不是传输受限造成的。
通量与结构几何形状的物理机制
理解立体角暴露
在等离子体CVD中，生长物种从辉光放电区域的各个方向到达。关键在于，从基底上每个位置“看到”的等离子体所张立的立体角。
平坦的水平表面暴露于入射通量的完整半球范围。而倾斜侧壁朝向主体等离子体的有效投影较小。入射角的余弦会减少实际撞击并附着在表面的物种数量。简单来说，侧壁“看到”的等离子体更少，因此生长速度更慢。
对图案化金刚石器件的影响
对于设计金刚石悬臂梁、膜或MEMS谐振器的工程师而言，这种梯度会迫使其进行设计取舍。如果侧壁必须达到机械完整性所需的最小厚度，平顶表面必然会过度生长。顶部薄膜厚度增加50–70%会成为几何形状带来的固有结果。
可能需要选择性刻蚀或抛光等后处理步骤来使涂层平整，但这些步骤会增加成本和复杂性。利用已知的通量缩放关系，从一开始就预测生长轮廓，效率要高得多。
应对几何依赖性生长的潜在问题
平坦区域的过度生长
要达到所需的侧壁厚度，通常意味着顶部表面会接受接近预期值两倍的沉积量。这些额外材料可能导致：
- 残余应力增加，从而带来分层风险。
- 等离子体暴露时间延长，导致掩膜侵蚀加剧。
- 整体循环时间延长，降低产能。
在MEMS悬臂梁中，较厚顶部层产生的不对称应力可能使梁发生翘曲，从而降低器件性能。
掩膜侵蚀与选择性
用于选择性区域沉积的氧化物掩膜本身也会在等离子体中逐渐侵蚀。由于顶部表面承受更高的通量，该处掩膜的劣化速度可能快于侧壁上的掩膜。这可能导致顶部出现略微更宽的图案开口，从而细微改变生长金刚石的最终形状。
次要影响因素：表面质量与限制效应
虽然主导因素是立体角暴露，但局部表面粗糙度和极端限制效应也可能造成轻微变化。粗糙侧壁上的凸起部分可能优先被涂覆，而非常狭窄的高深宽比结构可能开始出现轻微的扩散限制。然而，在金刚石MEMS典型的结构尺寸，即几十微米范围内，这些影响相对于几何通量因素而言是次要的。
如何将这些认识应用于工艺
倾斜表面上30–40%的速率下降是可预测且可控的。工艺设计应从第一版掩膜布局开始就明确考虑这一因素。
- 如果主要目标是实现均匀的金刚石悬臂梁侧壁厚度：应规划更厚的顶部涂层，然后在沉积后加入受控回刻或过度生长后抛光步骤，使结构平整。
- 如果主要目标是缩短整体工艺时间并降低成本：可以接受适度的厚度变化。利用已知速率比，使侧壁生长到满足要求的最小尺寸，同时允许顶部生长得更厚，并验证顶部额外质量不会影响器件功能。
- 如果主要目标是在倒金字塔或沟槽中制造精确图案化的金刚石：可以利用平均自由程分析排除气相供给不足的可能性。对每个晶面的立体角暴露进行建模，并调整掩膜开口或工艺压力，以微调通量分布。
掌握几何因素，就能将选择性区域金刚石CVD变成一种可重复的精密图案化工具，而不是造成不可控薄膜厚度变化的来源。
总结表：
| 子结构特征 | 金刚石生长速率 | 基本机制 | 设计与工艺影响 |
|---|---|---|---|
| 平顶表面 | 8.3–9.7 nm/min | 充分暴露于等离子体通量的完整立体角 | 存在过度生长风险，应力较高，可能发生掩膜侵蚀 |
| 倾斜侧壁 | 5.8–6.7 nm/min | 有效通量降低（余弦定律投影） | 薄膜薄约30–40%；需要进行厚度补偿 |
| 深腔体/沟槽 | 速率与侧壁角度相匹配 | 不受气体耗尽影响（平均自由程约50 µm） | 自由基传输均匀；速率完全由几何形状决定 |
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