單晶金剛石具有超寬的禁帶寬度、低的介電常數(shù)、高的擊穿電壓、高的熱導(dǎo)率、高的本征電子和空穴遷移率，以及優(yōu)越的抗輻射性能，是目前已知的最有前景的寬禁帶高溫半導(dǎo)體材料，被譽(yù)為“終極半導(dǎo)體”。不過，應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域的單晶金剛石對于面型精度要求極高，要求表面超光滑和近乎無損傷，來保證接觸面積足夠大從而提高導(dǎo)熱效果，而單晶金剛石不僅硬度大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，而且脆性大、斷裂性韌性低，為其拋光帶來極大的難題，因此有必要探索更精密的單晶金剛石拋光技術(shù)。

金剛石襯底

金剛石的拋光難題及拋光機(jī)理

金剛石的摩氏硬度為10，是已知最硬的天然材料，這意味著普通的磨料和拋光方法對其幾乎無效，而且金剛石存在各向異性，采用常規(guī)的拋光技術(shù)容易產(chǎn)生裂紋和缺陷，此外，金剛石在常溫下對大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)都非常穩(wěn)定，難以通過化學(xué)腐蝕來實現(xiàn)去除。因此，針對上述拋光難題，需要根據(jù)其特性研究其拋光機(jī)理，目前，金剛石的去除機(jī)理主要有3種：微破碎去除、石墨化去除和氧化去除：

（1）微破碎去除：

是以金剛石微粉為磨粒，通過機(jī)械研磨的方式可以實現(xiàn)金剛石的去除，這種去除方式依靠磨粒的機(jī)械作用力實現(xiàn)微破碎去除，屬于脆性去除，研磨后的表面會出現(xiàn)較多的凹坑，表面質(zhì)量較差。

（2）石墨化去除：

金剛石和石墨都是碳的同素異形體，采用過渡金屬元素制備拋光盤，在高速高壓或高溫真空的環(huán)境下對金剛石進(jìn)行加工，可以促進(jìn)金剛石表面轉(zhuǎn)變?yōu)槭驘o定形碳相，使得原本堅硬的金剛石表面變得相對柔軟，更容易被磨粒去除。

（3）氧化去除：

采用強(qiáng)氧化劑對金剛石進(jìn)行氧化，使表面形成一層較軟的氧化層，再借助磨粒機(jī)械剪切作用實現(xiàn)氧化層的去除，屬于塑性去除。

除此之外，金剛石的拋光機(jī)理還涉及非晶化、蒸發(fā)、濺射等，通常一種加工工藝會涉及多種機(jī)理。

金剛石的拋光技術(shù)

1.激光拋光

激光是一種電磁輻射的相干和放大光束，是原子中的電子吸收能量后從低能級躍遷到高能級，再從高能級回到低能級的時候，所釋放的能量。利用激光掃描工件表面，其所釋放的能量可以在不產(chǎn)生新的表面裂紋或缺陷的前提下對材料表面進(jìn)行重熔，實現(xiàn)工件表面凸起位置到凹陷位置的平滑處理。

由于激光加工是依靠激光光斑的高功率密度實現(xiàn)去除，需要精確控制能量密度、光斑直徑、光束強(qiáng)度等激光參數(shù)，才能夠保證實現(xiàn)超低損傷的拋光。以往所采用的激光一般為納秒及皮秒激光，激光脈沖時間長（納秒為10^-9秒，皮秒為10^-12秒），電子中沉積的激光能量在激光脈沖照射材料的時間內(nèi)就傳給晶格，觸發(fā)金剛石向非金剛石碳以固相結(jié)構(gòu)方式轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致金剛石表面非晶化、熔化和表面蒸發(fā)而實現(xiàn)拋光。這種高功率的激光雖然可以產(chǎn)生較快的去除率，但熱效應(yīng)也很明顯，對材料的熱沖擊依然很大，限制了加工的精度。而飛秒激光的脈沖寬度（10^-15）小于電子聲子相互作用的時間尺度，電子中沉積的激光能量來不及傳給離子，激光脈沖輻照就已經(jīng)就結(jié)束。此時離子的溫度比較低，不會給周圍的材料帶來熱影響，表面石墨化程度降低 ，能產(chǎn)生更平滑、更清潔的表面，但材料去除率卻不及納秒和皮秒激光，在大尺寸金剛石的拋光應(yīng)用上受到限制。

長脈沖和短脈沖激光的區(qū)別（來源：金屬加工）

2.離子束拋光

離子束拋光也是一種非接觸式的拋光技術(shù)，是在真空條件下通過氬氣、氧氣等高能離子束撞擊基底(“噴濺”)來實現(xiàn)能量的傳遞，從而使材料表面原子獲得足夠能量逃逸出材料表面而實現(xiàn)拋光的，因此幾乎不會引入任何機(jī)械損傷。在這過程中，離子種類、能量和照射角等是改善拋光效率和質(zhì)量的關(guān)鍵：

（1）離子種類：一般來說，氬等惰性氣體離子主要以物理濺射為主，而能與金剛石反應(yīng)的氧、氟離子束則兼具物理濺射和化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)速率相對較高。

（2）能量：在能量上，離子束能量越大，拋光速率越高，但對表面的損傷也越嚴(yán)重。

（3）照射角：當(dāng)照射角θ≥80°時，離子束照射角度與樣品加工面近乎平行，當(dāng)離子束轟擊工件表面時，凸起的部分更容易被轟擊掉或轉(zhuǎn)移到其它凹陷區(qū)域，實現(xiàn)整個表面平整化。為了確保平面拋光均勻性，可通過持續(xù)旋轉(zhuǎn)樣品，實現(xiàn)廣域均勻加工。

離子束拋光示意（來源：網(wǎng)絡(luò)）

由于與激光拋光原理類似，離子束拋光也是用于局部的材料去除，不僅對要拋光的鏡面面型初始精度和初始粗糙度有一定的要求，而且難以實現(xiàn)大尺寸半導(dǎo)體襯底材料的高效加工。同時由于該方法需要在真空下進(jìn)行，設(shè)備成本較高，拋光樣品尺寸受離子束及反應(yīng)室尺寸的限制。

3.熱化學(xué)拋光加工

熱化學(xué)機(jī)械拋光通常730～950℃的高溫下進(jìn)行，并采用Mn、Ce、Fe、Ni等過渡金屬元素制成的拋光盤以一定壓力對金剛石表面進(jìn)行機(jī)械拋光。在高溫下，Mn、Ce、Fe、Ni等過渡金屬元素對金剛石石墨化具有催化效果，而在壓力的作用下石墨化的碳原子會向拋光盤擴(kuò)散，從而實現(xiàn)材料去除。一般來說，溫度越低，拋光速率越小。在這過程中，溫度及氣氛對熱化學(xué)拋光金剛石膜效率及質(zhì)量有著重要的影響。通常，溫度越低，拋光速率越小。在氣氛的選擇上，目前普遍采用的真空環(huán)境，有利于金屬中C的釋放，拋光速率較高，但是加工后的表面質(zhì)量較差。相反，在氫氣條件下雖然獲得的去除率較低，但是可以獲得更好的表面質(zhì)量。

熱化學(xué)拋光裝置

相比激光、離子束拋光等局部加工方式，熱化學(xué)拋光技術(shù)的拋光速率較高，較容易實現(xiàn)大尺寸金剛石的高效加工，但其拋光過程會引入高溫及過渡金屬元素，容易帶來熱損傷和表面污染。同時，對加工環(huán)境和設(shè)備也要求較高。

4.摩擦化學(xué)拋光

摩擦化學(xué)拋光技術(shù)是在熱化學(xué)拋光的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，去除了繁瑣的加熱裝置與氣體保護(hù)設(shè)備，適用于金剛石的大面積拋光。其原理是在大氣環(huán)境下，金剛石以較高的壓力（37MPa）與高速旋轉(zhuǎn)（線速度14-25m/s）的過渡金屬拋光盤相接觸，劇烈的摩擦作用將產(chǎn)生大量的摩擦熱，形成的界面高溫以及過渡金屬的催化作用為金剛石的熱化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生提供了條件，使表面金剛石原子產(chǎn)生石墨化并擴(kuò)散，最終可實現(xiàn)金剛石高效的無磨料拋光。

摩擦化學(xué)拋光裝置示意

和熱化學(xué)拋光相比，摩擦化學(xué)拋光在室溫下便可以進(jìn)行，不過其高壓、高速的加工條件，使得設(shè)備的穩(wěn)定性難以保證，較高的壓力載荷引起的應(yīng)力集中可能會導(dǎo)致工件出現(xiàn)崩碎。而且，加工后金剛石的表面還會存在大量的石墨化層，影響后續(xù)的使用。

5.化學(xué)機(jī)械拋光

化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）廣泛用于集成電路制造中的半導(dǎo)體材料平坦化加工，但在拋光金剛石方面實際應(yīng)用較少。該方法是采用添加了氧化劑如KNO3、KOH等的拋光液，利用機(jī)械研磨和氧化刻蝕雙重效果，使原子氧與金剛石反應(yīng)生成CO和CO₂，或?qū)⒔饎偸D(zhuǎn)變?yōu)闊o定形碳和石墨，再通過機(jī)械研磨去除氧化或石墨化后的軟化層，來達(dá)到金剛石材料的去除。

CMP拋光方法利用機(jī)械和化學(xué)的雙重作用，可以兼顧表面全局和局部平坦化，得到的材料表面精度高，可實現(xiàn)納米級平坦化表面的制作，但在操作過程中，需要把握化學(xué)與機(jī)械作用之間的平衡，尋找合適的氧化劑。

小結(jié)

從上述拋光技術(shù)來看，不同拋光方法拋光參數(shù)的優(yōu)化對于獲得盡可能好的拋光表面是必要的，但目前還沒有一套適合單晶金剛石的成熟穩(wěn)定、易操作的加工體系和高效超低損傷加工工藝，如何對大尺寸金剛石材料拋光時兼顧加工效率和表面質(zhì)量是仍是目前亟待解決的關(guān)鍵問題。或許將各種拋光方法的合理搭配，在不同階段使用不同方法，使粗拋與精拋相結(jié)合、慢拋與快拋相結(jié)合的復(fù)合式拋光工藝將是今后工藝發(fā)展的主要方向。

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