金剛石作為自然界最硬的材料（莫氏硬度10），因其卓越的熱導率、化學惰性和光學性能，在高端切削工具、光學窗口、半導體散熱片及量子器件等領域具有不可替代的價值。然而，這種極端硬度也帶來了加工難題——傳統機械拋光技術效率低下。而值得注意的是，在特定化學環境中，金剛石的碳原子能夠與氣體（如氧氣）、液體（如酸性溶液）或金屬氧化物（如Fe?O?）發生反應，使其轉化成氣體或者其他物質，從而降低表層硬度。基于這一特性，可利用化學機械拋光技術（CMP），通過機械研磨與化學反應的協同作用突破了金剛石拋光瓶頸。本篇文章，我們一起看看如何利用CMP技術對金剛石進行拋光吧！

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通常，由于金剛石硬度極大，對于加工速率和加工質量都提出了極大的挑戰，目前主要利用芬頓反應、光催化、激光誘導等輔助方式增強拋光效果。

粗拋：激光誘導石墨化

激光刻蝕作為一種非接觸加工方式，是基于激光對材料的熱效應而進行的，由于具有效率高的優勢，成為了目前金剛石的主流加工方法。因此在CMP加工前，可利用高能量密度的激光束聚焦在金剛石表面，在此過程中，金剛石并不會直接升華或發生化學刻蝕，而是會經歷向石墨相的轉變過程，這種石墨化的行為直接降低了后續CMP加工的難度，不過由于該技術存在一定的熱損傷風險，目前利用激光加工后的金剛石表面粗糙度一般為50nm左右，適用于在CMP加工前實現快速粗拋。

精拋：光助芬頓反應技術輔助CMP技術

光助芬頓反應技術是一種結合光化學與芬頓反應的高級氧化工藝，通過光能與化學催化協同作用可顯著提高強氧化性的羥基自由基（?OH）濃度，從而增強金剛石的化學反應，達到提高拋光效率的目的，實現金剛石的高效率、高精度拋光。

1、什么是芬頓反應？

在金剛石化學機械拋光（CMP）中，早期主要使用KNO?、NaNO?、LiNO?、KMnO?、K?FeO?、KIO?、K?Cr?O?等氧化劑，其通過與金剛石表面碳原子反應生成氧化層（如CO/CO?），再通過機械摩擦實現材料去除。然而，這類氧化劑需在高溫下達到熔融狀態（如KNO?熔點334°C、NaNO?熔點307°C），而高溫又易引發拋光液揮發及工件熱變形問題 。因此近年來，H?O?溶液因其無需高溫熔融且強氧化性的優勢，逐漸成為CMP主流氧化劑。

H₂O₂溶液可在常溫中通過與金剛石表面碳原子發生羥基化反應（形成C-O和C-OH鍵），弱化碳碳雙鍵結合力，然后碳原子由于磨料的機械作用而被帶走，實現對金剛石的拋光。由于整個反應在常溫下進行，不會對工件造成熱破壞，可得到原子級光滑的表面。

但值得注意的是，單純的H?O?氧化效率仍受限于自由基生成速率，因此研究者又提出基于芬頓(Fenton)反應來提高金剛石的化學機械拋光效率：即通過將鐵浸入H2O2溶液中，生成亞鐵離子(Fe2+)，Fe2+與 H2O2 反應生成具有強氧化性的羥基自由基（·OH），這些羥基自由基具有極高的氧化還原電位，可以顯著加速金剛石表面碳原子的氧化剝離，在短時間內獲得了光滑、平整、低損傷的表面。不過，隨著反應的進行，Fe²⁺和過氧化氫的濃度會逐漸降低，在中性和堿性條件下，Fe³⁺可能并未全部轉化成Fe²⁺，導致部分Fe³⁺會和OH^-發生反應，從而抑制自由基的產生，故拋光過程中化學作用會逐漸減弱，材料去除率逐漸降低。

芬頓反應過程如下: Fe²⁺ +H₂O₂→·OH +OH^-+Fe³⁺

2、光催化輔助化學機械拋光

紫外光催化反應是一種強氧化反應，它利用紫外光照射光催化劑和電子捕捉劑發生光催化反應，使得光催化劑（如 TiO₂、ZnO、CeO₂等）表面價帶電子被激發，達到一定能級躍遷產生自由電子(e^-)，同時導帶上產生空穴(h⁺)。空穴可以將吸附在光催化劑顆粒表面的電子捕捉劑氧化生成強氧化性的羥基自由基（?OH）。基于這個原理，在利用CMP技術拋光金剛石過程中施加紫外光來激發拋光液中的光催化劑，產生光催化反應，以此來加速金剛石表面的氧化反應，提高 CMP 的材料去除率和表面質量。

光催化反應原理（以TiO₂為例）

通常，利用光催化輔助化學機械拋光金剛石材料，可以獲得納米級的表面粗糙度，但相比傳統的化學機械拋光技術,設備復雜度較高,無法滿足大規模生產的需求,需要進一步地研究和優化,以提高其實際應用能力。

參考文獻：

1、安康,許光宇,吳海平,等.金剛石化學機械拋光研究進展[J].人工晶體學報.

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