金剛石憑借其優(yōu)越的性能，已成為未來科技中的一種重要材料，例如用作核聚變反應(yīng)堆中的兆瓦回旋振蕩管的高倍光學(xué)鏡片、X射線光學(xué)組件、高功率密度散熱器、拉曼激光光學(xué)鏡片、用于在高壓條件下進行科研的金剛石材料制成的部件、量子計算機上的光電學(xué)器件、生物芯片襯底和傳感器、兩極性的全剛石電子器件等。尤其是單晶金剛石不存在晶界和缺陷，晶格結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的單晶硅相似，但是在電性能上卻大大超過單晶硅。其寬禁帶和極低的介電常數(shù)等性能，可應(yīng)用于微波、毫米波段超高速計算機芯片等領(lǐng)域，被認為是未來最理想的半導(dǎo)體襯底材料。

金剛石襯底

另外，多晶金剛石具有良好的耐磨性，硬度是硬質(zhì)合金的2~4倍，刀具壽命是硬質(zhì)合金的10倍。與單晶金剛石相比，多晶金剛石晶粒成無序排列，韌性好，可以承受較高的壓力，當(dāng)受到較大的壓力時不會出現(xiàn)大面積破碎，而單晶金剛石很容易沿某個方向破碎。這些特性使其成為優(yōu)異的刀具材料﹐多晶金剛石與非金屬和有色金屬材料之間的親和力極低，在使用過程中不易產(chǎn)生粘刀，被視為加工有色金屬和難加工非金屬材料的理想刀具。不過要將金剛石用作刀具材料和半導(dǎo)體襯底，也要經(jīng)過切片、拋光等加工程序，以便獲得超平坦、超光滑、無損傷、無污染的表面。

單晶金剛石和多晶金剛石在拋光時面臨不同的問題，單晶金剛石的各項異性會導(dǎo)致沿不同的方向進行拋光時，材料去除率和表面質(zhì)量有很大的差異，而多晶金剛石的晶粒類型和紋理復(fù)雜，使其具有隨機性，給拋光帶來了極大的困難。因此，能夠加工出高性能的金剛石工程材料，實現(xiàn)金剛石超精密加工的磨拋工藝，將會極大地促進其在刀具和半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用。

金剛石拋光方式

化學(xué)機械拋光在單晶硅、銅等材料的平坦化加工中有著廣泛的應(yīng)用，可以實現(xiàn)超光滑、低損傷加工。但與單晶硅、銅等材料相比，金剛石具有極高的化學(xué)惰性，對其進行拋光難度極大。從磨料的分布狀態(tài)入手，可將單晶金剛石的拋光技術(shù)分為游離磨料拋光、固結(jié)磨料拋光、無磨料拋光以及半固結(jié)磨料拋光進行介紹。

1.游離磨料拋光

針對CVD單晶金剛石的拋光，游離磨料拋光是較為成熟的加工技術(shù)，該方法早期在拋光單晶硅片、單晶藍寶石晶片、單晶碳化硅晶片上已經(jīng)積累了大量經(jīng)驗，是目前研究較為深入的加工技術(shù)之一?，F(xiàn)代的游離磨料拋光以化學(xué)機械拋光(CMP)為主，其特點在于，磨料自由分布在漿料中，加工時持續(xù)向不含有磨料的拋光墊或拋光盤輸送漿料，拋光墊/拋光盤的旋轉(zhuǎn)帶動游離磨料與金剛石襯底之間產(chǎn)生摩擦，同時輔助以載荷、溫度或者能量束的作用，實現(xiàn)金剛石表面材料的去除。

游離磨料拋光示意圖

在游離磨料的拋光中，漿料的化學(xué)反應(yīng)和磨料的機械作用在其中起著關(guān)鍵作用，尤其是漿料對于金剛石表面的腐蝕作用，對于促進金剛石表面的材料去除和提升拋光質(zhì)量有重要的影響。眾多研究表明，當(dāng)拋光漿料中存在大量的-OH時，有利于激活金剛石表面的碳原子，從而降低機械作用所需的活化能。

2.固結(jié)磨料拋光

固結(jié)磨料拋光極硬半導(dǎo)體材料的研究起步較晚，尤其是針對單晶金剛石的固結(jié)磨料拋光，目前為止仍未發(fā)展出成熟的技術(shù)路線。由于固結(jié)磨料拋光仍然存在許多難以解決的問題，例如：超細磨料在基體中易發(fā)生團聚、磨料在集體中出刃高度不一致、磨料與金剛石表面的剛性接觸易造成表面/亞表面損傷等，因此目前對于固結(jié)磨料拋光金剛石的研究落后于游離磨料。

金剛石襯底固結(jié)磨料拋光過程

制約固結(jié)磨料拋光的另一因素在于，難以控制拋光盤中的磨料保持一致的出刃高度，當(dāng)磨料出刃不均勻時，有效工作的磨粒遠低于實際磨粒數(shù)，導(dǎo)致材料去除率較低且難以獲得超光滑的拋光質(zhì)量。

固結(jié)磨料狀態(tài)對拋光金剛石的影響

固結(jié)磨料拋光也有游離磨料拋光難以替代的優(yōu)勢，例如固結(jié)磨料的拋光盤或砂輪拋光單晶金剛石襯底時，可以大幅提高拋光速度和拋光壓力，從而獲得更快的材料去除；通過設(shè)計特殊的拋光盤或砂輪基材配方，使拋光工具具有自銳性或者自調(diào)節(jié)能力，從而減少拋光后的表面劃痕；固結(jié)磨料拋光減少了拋光漿料的浪費，在一些研究中甚至只采用去離子水作為冷卻液進行單晶金剛石的固結(jié)磨料拋光。

從這些角度來看，固結(jié)磨料拋光單晶金剛石更符合未來高效、綠色加工的理念。

3.無磨料拋光

無論是游離磨料拋光還是固結(jié)磨料拋光，磨料微粉與金剛石襯底表面凸起處形成局部高速、高壓的機械作用，金剛石碳原子在強機械下的破碎造成金剛石表面和亞表面的嚴重損傷，同時存在金剛石碳原子向非晶碳、石墨轉(zhuǎn)化的相變過程，影響金剛石的性能。如何避免過大的機械作用使金剛石碳原子直接破碎去除是另一種高精度加工單晶金剛石的思路，其中，采用非磨料的機械作用輔助化學(xué)反應(yīng)的拋光方式被廣泛研究。

金剛石雖然具有及其穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，但其本質(zhì)上仍為碳元素，當(dāng)達到臨界溫度時，金剛石不僅可以向鐵、鈷、鎳、錳、鉑等碳熔性金屬擴散，也可以和氧化銅、氧化鐵、氧化鉆、氧化鎳等還原性金屬氧化物發(fā)生置換反應(yīng)實現(xiàn)材料去除。

金剛石碳向催化金屬盤擴散

不過，采用碳熔性金屬盤拋光單晶金剛石可以獲得較高的表面精度和較大的材料去除，但是為了達到化學(xué)反應(yīng)的臨界溫度，需要很大的滑動速度和壓力，導(dǎo)致拋光后的單晶金剛石亞表面損傷非常嚴重，這在電子器件應(yīng)用中是不可接受的。

更精細的拋光技術(shù)是將機械拋光后的表面以一定的壓力和溫度壓在氧化銅粉末上進行熱化學(xué)拋光。相較于機械拋光后的表面，熱化學(xué)拋光后的表面更加平整，更重要的是，由于機械作用使得金剛石襯底表層碳原子相變生成非晶和石墨層，而氧化銅粉末可以將非晶碳和石墨氧化成CO2或CO，同時部分石墨轉(zhuǎn)化為石墨烯層包覆在金剛石襯底表面，可以大幅提升金剛石襯底表面的硬度和楊氏模量，為制造具有卓越機械性能的單晶金剛石提供了思路。

金剛石碳在機械誘導(dǎo)與熱化學(xué)處理中的演化路徑

采用碳熔性金屬或金屬氧化物拋光單晶金剛石，共同之處是都需要高速高壓的接觸或者高溫的環(huán)境以達到臨界的化學(xué)反應(yīng)條件，近年來研究人員也探索出其他可以應(yīng)用于常溫環(huán)境下的無磨料拋光技術(shù)。

4.半固結(jié)磨料拋光

對于大尺寸單晶金剛石的拋光，游離磨料拋光是目前使用最廣泛的技術(shù)，但是拋光時間通常在數(shù)十小時，加工效率較低，并且大量拋光廢液難以處理；固結(jié)磨料拋光的研究起步較晚，該技術(shù)可以通過增大拋光速度和壓力有效提升拋光效率，但是磨料與金剛石襯底在高速、高壓下的剛性接觸易造成拋光表面和亞表面損傷；無磨料拋光技術(shù)一定程度上解決固結(jié)磨料拋光的損傷問題，然而對于加工條件較為嚴格，對于設(shè)備和環(huán)境的提出了更為苛刻的要求。

除了上述拋光技術(shù)外，半固結(jié)磨料拋光技術(shù)憑借其柔性拋光的特點受到關(guān)注。近年來，一種溶膠-凝膠(SG)拋光工具在極硬半導(dǎo)體拋光領(lǐng)域的應(yīng)用展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。加工前SG拋光墊中的磨粒出刃高度雖然難以保持一致，但由于凝膠基體的柔性，在載荷作用下出刃較高的磨粒產(chǎn)生退讓，從而使所有磨粒工作在同一高度，實現(xiàn)對大尺寸單晶金剛石襯底的超精密拋光。

SG拋光單晶金剛石材料去除原理

不過雖然SG拋光膜可以有效的實現(xiàn)單晶金剛石的超精密加工，但是拋光時間過長造成的加工效率較低使得該方式難以用于工業(yè)化生產(chǎn)，拋光效率的提升是急需改進的問題。

拋光技術(shù)總結(jié)

不同的拋光技術(shù)本質(zhì)上代表著不同的微觀材料去除機理，而微觀材料去除機理決定了單晶金剛石拋光后的表面質(zhì)量、亞表面損傷、拋光效率以及加工成本。同時，不同的拋光技術(shù)也對拋光環(huán)境提出相應(yīng)的要求。

無論是游離磨料拋光、固結(jié)磨料拋光、無磨料拋光還是半固結(jié)磨料拋光，都存在一定缺陷。在游離磨料拋光中，磨料的快速消耗提高了加工成本，且不可控的劃擦軌跡和超細磨料在漿料中的團聚易引起晶片表面劃痕;在固結(jié)磨料中，快速的材料去除易引較為嚴重的亞表面缺陷，且固結(jié)磨料拋光對于設(shè)備精度的要求相對更高;在無磨料拋光中，機械作用和化學(xué)反應(yīng)易造成晶片表面嚴重的石墨化，影響金剛石的性能;在半固結(jié)磨料拋光中，雖然避免了強機械作用和強化學(xué)反應(yīng)所帶來的影響，卻存在加工效率較低的問題。

參考來源：

1.金剛石化學(xué)機械拋光研究現(xiàn)狀，袁崧、郭曉光、金洙吉、康仁科、郭東明（表面技術(shù)）；

2.大尺寸CVD單晶金剛石機械化學(xué)拋光機理研究，溫海浪（華僑大學(xué)）；

3.單晶金剛石機械研磨與化學(xué)機械拋光工藝，薛洪明、金洙吉、史卓穎（納米技術(shù)與精密工程）。

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