中國粉體網訊 近些年來，化學氣相沉積（CVD）單晶金剛石在電子學領域的應用令人矚目，這得益于CVD單晶金剛石在生長技術和半導體摻雜技術上的進展。一直以來，成熟的襯底加工技術是半導體材料得以應用的基礎，其中超精密拋光作為晶圓襯底加工的最后一道工序，直接決定了晶圓表面粗糙度和亞表面損傷程度。
目前，金剛石拋光技術主要有機械拋光、熱化學拋光、激光拋光和化學機械拋光等，其中化學機械拋光（chemical mechanical polishing，CMP）具有設備運行成本低、工藝簡單、拋光后表面損傷小等優點，在金剛石拋光領域逐漸受到重視。
化學機械拋光
化學機械拋光（CMP）是一種超精密拋光的加工方法，通過在機械拋光過程中加入氧化劑，氧化碳原子提高拋光速率，是一種利用機械與化學氧化協同作用來實現工件表面平坦化的技術。相比于機械拋光，化學機械拋光對金剛石的損傷更小，常用于CVD單晶和多晶金剛石膜的研究。
化學機械拋光裝置示意圖
在化學機械拋光過程中，氧化劑扮演著至關重要的角色，早期以高溫熔融鹽作為氧化劑進行拋光。KNO3、NaNO3、LiNO3、KMnO4、K2FeO4、KIO4、K2Cr2O7 和H2O2是常用的氧化劑，其中部分氧化劑需較高的工作溫度以達到熔點，如KNO3熔點為334℃、NaNO3熔點為307℃。H2O2是一種強氧化劑，使用H2O2溶液作為拋光液，在室溫下進行化學機械拋光后，可得到原子級光滑的表面。
H2O2及其混合物化學機械拋光
為了進一步提高拋光效率，使金剛石表面均勻光滑，混合氧化劑走進了大眾視野，其中，H2O2及其混合物組成的拋光液成為了金剛石化學拋光的主要選擇。例如，先用鐵板對金剛石樣品拋光2小時，通過熱化學拋光，快速去除金剛石表面劃痕和損傷，再用鐵板在H2O2溶液中對金剛石樣品拋光3小時，可得到晶體有序的超光滑表面。
該過程基于芬頓（Fenton）反應拋光金剛石，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•OH，反應過程如下：
Fe2+ + H2O2→•OH+OH−+Fe3+
Fenton試劑拋光金剛石材料去除原理
光催化輔助化學機械拋光
金剛石的帶隙能為5.45eV，可以在波長小于225nm的紫外照射下激發產生空穴和電子對，并立即與大氣中的氧和水分子結合，成鍵反應產生大量的O原子和•OH，使金剛石表面氧化。基于這一理論，研究人員提出了光催化輔助化學機械拋光法（PCMP）。
該方法用紫外光（UV）輻照拋光單晶金剛石，用石英拋光盤對單晶金剛石進行拋光，紫外光可以透過石英拋光盤照射在金剛石表面。光催化輔助化學機械拋光可提高金剛石表面質量，達到納米級粗糙度。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。
高速水平主軸紫外線拋光機
原子級去除機理
目前，隨著研究的不斷深入，對化學機械拋光材料去除機理的研究從宏觀量級轉向分子量級。在微觀量級尺度上研究化學機械拋光機理的方法有分子動力學仿真、ReaxFF方法等。
分子動力學( molecular dynamics, MD) 模擬可以通過高時間和空間分辨率可視化材料去除的細節，是一種適合研究原子級材料去除機理的方法。分子動力學模擬方法是一種包含例如幾何、速度和力等內在信息的綜合物理模型，這些可以用來推導化學機械拋光中原子運動軌跡、溫度和應力等。因此，分子動力學對于研究金剛石化學機械拋光的機理有著重要的意義。
金剛石晶體機械拋光MD模型
眾多研究表明，MD可以優化金剛石化學機械拋光工藝參數，為金剛石的化學機械拋光提供理論支持。
結語與展望
當前，金剛石正以每年數億美元的市場規模擴大應用范圍，表面質量是影響其應用的重要因素。化學機械拋光具有較高去除率、高表面質量、低加工成本等優勢,是一種高效的拋光方法，尤其是H2O2及相關加工方法的使用，不僅使金剛石表面粗糙度達到亞納米級，可以獲得超光滑且低損傷的表面，而且降低了化學污染。
在材料去除機理方面，金剛石化學機械拋光的的理論研究尚未形成廣泛共識。一般認為，在化學機械拋光過程中，材料去除是依靠化學氧化與機械劃擦的共同作用。從分子動力學模擬角度研究化學機械拋光的材料去除機理，可以獲知金剛石在原子尺度上的摩擦、能量消耗等行為，為實現大面積、原子級精度金剛石襯底材料的制造提供理論基礎。
2024年12月24日，中國粉體網將在河南·鄭州舉辦“2024半導體行業用金剛石材料技術大會”。屆時，我們邀請到清華大學天津高端裝備研究院常務副所長戴媛靜教授出席本次大會并作題為《金剛石襯底材料原子級制造技術路徑探討》的報告，戴媛靜教授將結合國內外金剛石超精加工的研究進展，從原子尺度出發，采用仿真計算、實驗研究等手段對金剛石襯底化學機械拋光的原子級去除機理進行探討，為金剛石襯底材料的高效制造提供可能的技術途徑。
專家簡介
戴媛靜，無黨派人士，教授級高工，清華大學天津高端裝備研究院潤滑技術研究所常務副所長，研究方向包括：原子級芯片制造、工業潤滑介質及其無害化處理、特種潤滑油及核心功能添加劑合成等。
工作期間主持和參與了多項國家/地方/軍內科研項目，包括國家科技重大專項（04專項）、國家重點研發計劃、國防科工局基礎科研、國家自然科學基金原創/重點項目、科技部國際合作項目、京津冀科技成果轉化項目等；發表了40余篇中英文論文，申請了40余項發明專利（其中授權30項）；主編了專業技術書籍1本，支持/參與制定團體標準3項；獲得了省部級科研獎勵3項，獲得了2019年度“天津市三八紅旗手”和2015年度天津市“131”創新型人才的榮譽稱號；擔任了中國表面工程協會防銹潤滑分會副秘書長、科普中國特聘專家等社會職務。
參考來源：
1.溫海浪等. 大尺寸單晶金剛石襯底拋光技術研究現狀與展望.機械工程學報
2.安康等. 金剛石化學機械拋光研究進展.人工晶體學報
3.韓鑫. 納米聚晶金剛石刀具的化學機械拋光技術研究.燕山大學
（中國粉體網編輯整理/輕言）
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