www.188betkr.com 讯金刚石是制造电子和光学设备的理想材料，其应用需具有无损伤原子级超光滑表面，但其加工难度极大、加工成本极高。而超精密抛光技术能够降低表面粗糙度，去除亚表面损伤，为外延和生长创造良好的条件，将会在制备大尺寸高质量金刚石衬底中发挥关键作用。
超精密抛光
抛光在众多材料加工过程中占据着重要地位。抛光的目的在于去除研磨坑以及材料表面的微凸峰，从而提升表面平整度；消除材料表面的损伤层、变质层以及残余应力；降低材料表面粗糙度，进而提高最终加工表面的质量，以满足相关要求。
为了得到更好的加工表面，金刚石材料的抛光可以从粗抛光和超精密抛光两个方面进行。粗抛光一般是利用微小粒度的金刚石颗粒机械抛光研磨后的表面损伤层，然后进一步降低材料表面粗糙度。为了得到无损伤、超光滑的金刚石表面质量，还需要进行超精密加工。
目前，金刚石的表面超精密抛光技术主要有化学机械抛光（CMP）、摩擦化学抛光（TCP）、磁流变抛光（MRF）、电化学机械抛光（ECMP）和涉及高能粒子非接触式的抛光方法，如激光抛光、离子束抛光、等离子体抛光等。
金刚石材料及其抛光方法
在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的抛光技术，并不断探索改进方法，以实现更高效、更高质量的金刚石抛光。
针对单晶金刚石抛光，可采用激光诱导石墨化辅助化学机械抛光（CMP）方法。此方法首先通过激光刻蚀诱导使金刚石表面产生石墨化，从而降低后续CMP的抛光难度，实现快速粗抛光，再利用紫外光催化-芬顿反应协同效应的CMP来实现高质量的精抛光。
激光刻蚀
激光刻蚀是利用高能量密度的激光束聚焦在工件表面，使激光聚焦区域的材料急剧升温、熔化及气化，产生的冲击波使聚焦区域的熔融材料以气态或者等离子形态脱离烧蚀区域，进而实现材料的去除。
相对于传统机械化学加工方法，激光刻蚀是一种非接触加工方式，其加工效率取决于激光的光、热性能，为金刚石加工提供了高度定向和定位的能量源，有利于通过定向耦合的方式实现高效的材料改性，适用于有着高硬度与高耐磨性的金刚石材料。
激光烧蚀金刚石是基于激光对材料的热效应而进行的，与此同时，该过程还通过金刚石表面的石墨化来实现。石墨在较宽的波段范围内对激光具有较高的吸收率。
(a)不同中心波长下金刚石烧蚀速率与激光能量密度的关系;
(b)不同激光能量(从左到右：210、70、25、10 J/cm?)下的激光烧蚀金刚石微槽SEM图
金刚石在空气中加热至700℃左右后，开始发生石墨化，石墨化是金刚石晶格在吸收能量后从sp3结合状态跃迁到sp2结合状态的过程。由于金刚石密度比石墨的密度大，因此在石墨化的过程中碳原子距离在增大，这意味着石墨化更容易发生在金刚石的表面或者靠近缺陷的地方。
金刚石的烧蚀形貌与金刚石材料的物理属性、激光参数有关，对于给定的金刚石，激光参数决定激光烧蚀金刚石的形貌和尺寸。众多研究表明，紫外纳秒和红外飞秒激光烧蚀金刚石可以获得令人满意的精度，烧蚀后的表面粗糙度达到亚微米级。
不同激光功率下的激光烧蚀多晶金刚石的形貌图：(a)5W; (b)12W; (c)18W
紫外光催化辅助CMP
金刚石的带隙能为5.45eV，可以在波长小于225nm的紫外照射下激发产生空穴和电子对，并立即与大气中的氧和水分子结合，成键反应产生大量的O原子和?OH，使金刚石表面氧化。基于这一理论，研究人员提出了光催化辅助化学机械抛光法（PCMP）。
紫外光催化辅助抛光原理
紫外光催化反应是一种强氧化反应，它利用紫外光照射光催化剂和电子捕捉剂发生光催化反应，生成具有强氧化性的羟基自由基(?OH)。
紫外光催化辅助抛光原理：一定波长(低于387.5nm)的紫外光照射纳米TiO2颗粒后，处于价带的电子会跃迁到导带上，TiO2表面会生成光生电子(e-)和空穴(h+)，空穴可以将吸附在TiO2颗粒表面的电子捕捉剂H2O2和OH?氧化生成强氧化性的?OH，光生电子也可以与H2O2和OH?反应生成?OH。
TiO2紫外光催化反应的原理
芬顿（Fenton）反应
为了进一步提高抛光效率，使金刚石表面均匀光滑，H2O2及其混合物组成的抛光液成为了金刚石化学抛光的主要选择。例如，先用铁板对金刚石样品抛光2小时，通过热化学抛光，快速去除金刚石表面划痕和损伤，再用铁板在H2O2溶液中对金刚石样品抛光3小时，可得到晶体有序的超光滑表面。
该过程基于芬顿（Fenton）反应抛光金刚石，将铁浸入H2O2溶液中，生成亚铁离子（Fe2+），Fe2+与 H2O2反应生成具有强氧化性的?OH，反应过程如下：
Fe2++ H2O2→?OH+OH?+Fe3+
Fenton试剂抛光金刚石材料去除原理
在此基础上，将紫外光催化辅助CMP与Fenton反应相结合，形成光助芬顿反应技术。目前，光助芬顿反应被广泛应用于污水处理、土壤修复、垃圾渗滤液处理、难降解有机物的处理等方面。
紫外光催化辅助CMP可提高金刚石表面质量，达到纳米级粗糙度。但相比传统的化学机械抛光技术，设备复杂度较高，无法满足大规模生产的需求，需要进一步地研究和优化，以提高其实际应用能力。
2024年12月24日，www.188betkr.com将在河南·郑州举办“2024半导体行业用金刚石材料技术大会”。届时，我们邀请到广东工业大学路家斌教授出席本次大会并作题为《单晶金刚石激光辅助CMP加工研究进展》的报告，路家斌教授将通过激光烧蚀热效应、紫外光催化协同芬顿反应，揭示单晶金刚石CMP加工的材料去除机理，以优化CMP加工参数，实现单晶金刚石高效率、高质量抛光。
专家简介
路家斌，广东工业大学教授，博士生导师。现为中国机械工程学会生产工程分会委员，中国机械工程学会生产工程分会光整加工专业委员会委员，中国机械工业金属切削刀具技术协会切削先进技术研究分会理事。长期从事半导体晶片超精密加工、金属薄板精密剪切等相关领域的研究，目前主要研究方向包括半导体晶圆研磨抛光加工方法与技术、固相反应研磨盘和抛光盘研制、CMP抛光工艺和抛光垫研究等。
作为项目负责人主持国家自然科学基金面上项目3项，省市级、企业研究项目近10多项，获2020年度广东省科学技术奖技术发明奖二等奖。第一作者或通讯作者在国内外学术刊物和会议上发表学术论文90多篇，其中SCI收录论文40多篇，EI收录论文50多篇。授权美国专利1件、PCT专利1件、发明专利20多件。
参考来源：
1.温海浪等. 大尺寸单晶金刚石衬底抛光技术研究现状与展望.机械工程学报
2.安康等. 金刚石化学机械抛光研究进展.人工晶体学报
3.夏永. 紫外光辅助碳化硅化学机械抛光机理研究.江南大学
4.李强. 单晶金刚石的研磨与化学机械抛光工艺.大连理工大学
5.王华禄. 纳秒/皮秒激光烧蚀单晶金刚石材料的微观特征及去除机理研究.华侨大学
（www.188betkr.com 编辑整理/轻言）
注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！
