金刚石的抛光工艺类型及待解决问题

来源：宽禁带联盟
时间：2023-08-24 23:58:15

金刚石凭借其优越的性能，已成为未来科技中的一种重要材料，例如用作核聚变反应堆中的兆瓦回旋振荡管的高倍光学镜片、X射线光学组件、高功率密度散热器、拉曼激光光学镜片、用于在高压条件下进行科研的金刚石材料制成的部件、量子计算机上的光电学器件、生物芯片衬底和传感器、两极性的全刚石电子器件等。尤其是单晶金刚石不存在晶界和缺陷，晶格结构与现有的单晶硅相似，但是在电性能上却大大超过单晶硅。其宽禁带和极低的介电常数等性能，可应用于微波、毫米波段超高速计算机芯片等领域，被认为是未来最理想的半导体衬底材料。

金刚石衬底

(相关资料图)

另外，多晶金刚石具有良好的耐磨性，硬度是硬质合金的2~4倍，刀具寿命是硬质合金的10倍。与单晶金刚石相比，多晶金刚石晶粒成无序排列，韧性好，可以承受较高的压力，当受到较大的压力时不会出现大面积破碎，而单晶金刚石很容易沿某个方向破碎。这些特性使其成为优异的刀具材料﹐多晶金刚石与非金属和有色金属材料之间的亲和力极低，在使用过程中不易产生粘刀，被视为加工有色金属和难加工非金属材料的理想刀具。不过要将金刚石用作刀具材料和半导体衬底，也要经过切片、抛光等加工程序，以便获得超平坦、超光滑、无损伤、无污染的表面。

单晶金刚石和多晶金刚石在抛光时面临不同的问题，单晶金刚石的各项异性会导致沿不同的方向进行抛光时，材料去除率和表面质量有很大的差异，而多晶金刚石的晶粒类型和纹理复杂，使其具有随机性，给抛光带来了极大的困难。因此，能够加工出高性能的金刚石工程材料，实现金刚石超精密加工的磨抛工艺，将会极大地促进其在刀具和半导体领域的应用。

金刚石抛光方式

化学机械抛光在单晶硅、铜等材料的平坦化加工中有着广泛的应用，可以实现超光滑、低损伤加工。但与单晶硅、铜等材料相比，金刚石具有极高的化学惰性，对其进行抛光难度极大。从磨料的分布状态入手，可将单晶金刚石的抛光技术分为游离磨料抛光、固结磨料抛光、无磨料抛光以及半固结磨料抛光进行介绍。

1.游离磨料抛光

针对CVD单晶金刚石的抛光，游离磨料抛光是较为成熟的加工技术，该方法早期在抛光单晶硅片、单晶蓝宝石晶片、单晶碳化硅晶片上已经积累了大量经验，是目前研究较为深入的加工技术之一。现代的游离磨料抛光以化学机械抛光(CMP)为主，其特点在于，磨料自由分布在浆料中，加工时持续向不含有磨料的抛光垫或抛光盘输送浆料，抛光垫/抛光盘的旋转带动游离磨料与金刚石衬底之间产生摩擦，同时辅助以载荷、温度或者能量束的作用，实现金刚石表面材料的去除。

游离磨料抛光示意图

在游离磨料的抛光中，浆料的化学反应和磨料的机械作用在其中起着关键作用，尤其是浆料对于金刚石表面的腐蚀作用，对于促进金刚石表面的材料去除和提升抛光质量有重要的影响。众多研究表明，当抛光浆料中存在大量的-OH时，有利于激活金刚石表面的碳原子，从而降低机械作用所需的活化能。

2.固结磨料抛光

固结磨料抛光极硬半导体材料的研究起步较晚，尤其是针对单晶金刚石的固结磨料抛光，目前为止仍未发展出成熟的技术路线。由于固结磨料抛光仍然存在许多难以解决的问题，例如：超细磨料在基体中易发生团聚、磨料在集体中出刃高度不一致、磨料与金刚石表面的刚性接触易造成表面/亚表面损伤等，因此目前对于固结磨料抛光金刚石的研究落后于游离磨料。

金刚石衬底固结磨料抛光过程

制约固结磨料抛光的另一因素在于，难以控制抛光盘中的磨料保持一致的出刃高度，当磨料出刃不均匀时，有效工作的磨粒远低于实际磨粒数，导致材料去除率较低且难以获得超光滑的抛光质量。

固结磨料状态对抛光金刚石的影响

固结磨料抛光也有游离磨料抛光难以替代的优势，例如固结磨料的抛光盘或砂轮抛光单晶金刚石衬底时，可以大幅提高抛光速度和抛光压力，从而获得更快的材料去除；通过设计特殊的抛光盘或砂轮基材配方，使抛光工具具有自锐性或者自调节能力，从而减少抛光后的表面划痕；固结磨料抛光减少了抛光浆料的浪费，在一些研究中甚至只采用去离子水作为冷却液进行单晶金刚石的固结磨料抛光。

从这些角度来看，固结磨料抛光单晶金刚石更符合未来高效、绿色加工的理念。

3. 无磨料抛光

无论是游离磨料抛光还是固结磨料抛光，磨料微粉与金刚石衬底表面凸起处形成局部高速、高压的机械作用，金刚石碳原子在强机械下的破碎造成金刚石表面和亚表面的严重损伤，同时存在金刚石碳原子向非晶碳、石墨转化的相变过程，影响金刚石的性能。如何避免过大的机械作用使金刚石碳原子直接破碎去除是另一种高精度加工单晶金刚石的思路，其中，采用非磨料的机械作用辅助化学反应的抛光方式被广泛研究。

金刚石虽然具有及其稳定的化学性质，但其本质上仍为碳元素，当达到临界温度时，金刚石不仅可以向铁、钴、镍、锰、铂等碳熔性金属扩散，也可以和氧化铜、氧化铁、氧化钻、氧化镍等还原性金属氧化物发生置换反应实现材料去除。

金刚石碳向催化金属盘扩散

不过，采用碳熔性金属盘抛光单晶金刚石可以获得较高的表面精度和较大的材料去除，但是为了达到化学反应的临界温度，需要很大的滑动速度和压力，导致抛光后的单晶金刚石亚表面损伤非常严重，这在电子器件应用中是不可接受的。

更精细的抛光技术是将机械抛光后的表面以一定的压力和温度压在氧化铜粉末上进行热化学抛光。相较于机械抛光后的表面，热化学抛光后的表面更加平整，更重要的是，由于机械作用使得金刚石衬底表层碳原子相变生成非晶和石墨层，而氧化铜粉末可以将非晶碳和石墨氧化成CO2或CO，同时部分石墨转化为石墨烯层包覆在金刚石衬底表面，可以大幅提升金刚石衬底表面的硬度和杨氏模量，为制造具有卓越机械性能的单晶金刚石提供了思路。

金刚石碳在机械诱导与热化学处理中的演化路径

采用碳熔性金属或金属氧化物抛光单晶金刚石，共同之处是都需要高速高压的接触或者高温的环境以达到临界的化学反应条件，近年来研究人员也探索出其他可以应用于常温环境下的无磨料抛光技术。

4.半固结磨料抛光

对于大尺寸单晶金刚石的抛光，游离磨料抛光是目前使用最广泛的技术，但是抛光时间通常在数十小时，加工效率较低，并且大量抛光废液难以处理；固结磨料抛光的研究起步较晚，该技术可以通过增大抛光速度和压力有效提升抛光效率，但是磨料与金刚石衬底在高速、高压下的刚性接触易造成抛光表面和亚表面损伤；无磨料抛光技术一定程度上解决固结磨料抛光的损伤问题，然而对于加工条件较为严格，对于设备和环境的提出了更为苛刻的要求。

除了上述抛光技术外，半固结磨料抛光技术凭借其柔性抛光的特点受到关注。近年来，一种溶胶-凝胶(SG)抛光工具在极硬半导体抛光领域的应用展现出优异的性能。加工前SG抛光垫中的磨粒出刃高度虽然难以保持一致，但由于凝胶基体的柔性，在载荷作用下出刃较高的磨粒产生退让，从而使所有磨粒工作在同一高度，实现对大尺寸单晶金刚石衬底的超精密抛光。

SG抛光单晶金刚石材料去除原理

不过虽然SG抛光膜可以有效的实现单晶金刚石的超精密加工，但是抛光时间过长造成的加工效率较低使得该方式难以用于工业化生产，抛光效率的提升是急需改进的问题。

抛光技术总结

不同的抛光技术本质上代表着不同的微观材料去除机理，而微观材料去除机理决定了单晶金刚石抛光后的表面质量、亚表面损伤、抛光效率以及加工成本。同时，不同的抛光技术也对抛光环境提出相应的要求。

无论是游离磨料抛光、固结磨料抛光、无磨料抛光还是半固结磨料抛光，都存在一定缺陷。在游离磨料抛光中，磨料的快速消耗提高了加工成本，且不可控的划擦轨迹和超细磨料在浆料中的团聚易引起晶片表面划痕;在固结磨料中，快速的材料去除易引较为严重的亚表面缺陷，且固结磨料抛光对于设备精度的要求相对更高;在无磨料抛光中，机械作用和化学反应易造成晶片表面严重的石墨化，影响金刚石的性能;在半固结磨料抛光中，虽然避免了强机械作用和强化学反应所带来的影响，却存在加工效率较低的问题。

参考来源：

1.金刚石化学机械抛光研究现状，袁崧、郭晓光、金洙吉、康仁科、郭东明（表面技术）；

2.大尺寸CVD单晶金刚石机械化学抛光机理研究，温海浪（华侨大学）；

3.单晶金刚石机械研磨与化学机械抛光工艺，薛洪明、金洙吉、史卓颖（纳米技术与精密工程）。

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