中国粉体网讯 近些年来，化学气相沉积（CVD）单晶金刚石在电子学领域的应用令人瞩目，这得益于CVD单晶金刚石在生长技术和半导体掺杂技术上的进展。一直以来，成熟的衬底加工技术是半导体材料得以应用的基础，其中超精密抛光作为晶圆衬底加工的最后一道工序，直接决定了晶圆表面粗糙度和亚表面损伤程度。
目前，金刚石抛光技术主要有机械抛光、热化学抛光、激光抛光和化学机械抛光等，其中化学机械抛光（chemical mechanical polishing，CMP）具有设备运行成本低、工艺简单、抛光后表面损伤小等优点，在金刚石抛光领域逐渐受到重视。
化学机械抛光
化学机械抛光（CMP）是一种超精密抛光的加工方法，通过在机械抛光过程中加入氧化剂，氧化碳原子提高抛光速率，是一种利用机械与化学氧化协同作用来实现工件表面平坦化的技术。相比于机械抛光，化学机械抛光对金刚石的损伤更小，常用于CVD单晶和多晶金刚石膜的研究。
化学机械抛光装置示意图
在化学机械抛光过程中，氧化剂扮演着至关重要的角色，早期以高温熔融盐作为氧化剂进行抛光。KNO3、NaNO3、LiNO3、KMnO4、K2FeO4、KIO4、K2Cr2O7 和H2O2是常用的氧化剂，其中部分氧化剂需较高的工作温度以达到熔点，如KNO3熔点为334℃、NaNO3熔点为307℃。H2O2是一种强氧化剂，使用H2O2溶液作为抛光液，在室温下进行化学机械抛光后，可得到原子级光滑的表面。
H2O2及其混合物化学机械抛光
为了进一步提高抛光效率，使金刚石表面均匀光滑，混合氧化剂走进了大众视野，其中，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
光催化辅助化学机械抛光
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）。
该方法用紫外光（UV）辐照抛光单晶金刚石，用石英抛光盘对单晶金刚石进行抛光，紫外光可以透过石英抛光盘照射在金刚石表面。光催化辅助化学机械抛光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。
高速水平主轴紫外线抛光机
原子级去除机理
目前，随着研究的不断深入，对化学机械抛光材料去除机理的研究从宏观量级转向分子量级。在微观量级尺度上研究化学机械抛光机理的方法有分子动力学仿真、ReaxFF方法等。
分子动力学( molecular dynamics, MD) 模拟可以通过高时间和空间分辨率可视化材料去除的细节，是一种适合研究原子级材料去除机理的方法。分子动力学模拟方法是一种包含例如几何、速度和力等内在信息的综合物理模型，这些可以用来推导化学机械抛光中原子运动轨迹、温度和应力等。因此，分子动力学对于研究金刚石化学机械抛光的机理有着重要的意义。
金刚石晶体机械抛光MD模型
众多研究表明，MD可以优化金刚石化学机械抛光工艺参数，为金刚石的化学机械抛光提供理论支持。
结语与展望
当前，金刚石正以每年数亿美元的市场规模扩大应用范围，表面质量是影响其应用的重要因素。化学机械抛光具有较高去除率、高表面质量、低加工成本等优势,是一种高效的抛光方法，尤其是H2O2及相关加工方法的使用，不仅使金刚石表面粗糙度达到亚纳米级，可以获得超光滑且低损伤的表面，而且降低了化学污染。
在材料去除机理方面，金刚石化学机械抛光的的理论研究尚未形成广泛共识。一般认为，在化学机械抛光过程中，材料去除是依靠化学氧化与机械划擦的共同作用。从分子动力学模拟角度研究化学机械抛光的材料去除机理，可以获知金刚石在原子尺度上的摩擦、能量消耗等行为，为实现大面积、原子级精度金刚石衬底材料的制造提供理论基础。
2024年12月24日，中国粉体网将在河南·郑州举办“2024半导体行业用金刚石材料技术大会”。届时，我们邀请到清华大学天津高端装备研究院常务副所长戴媛静教授出席本次大会并作题为《金刚石衬底材料原子级制造技术路径探讨》的报告，戴媛静教授将结合国内外金刚石超精加工的研究进展，从原子尺度出发，采用仿真计算、实验研究等手段对金刚石衬底化学机械抛光的原子级去除机理进行探讨，为金刚石衬底材料的高效制造提供可能的技术途径。
专家简介
戴媛静，无党派人士，教授级高工，清华大学天津高端装备研究院润滑技术研究所常务副所长，研究方向包括：原子级芯片制造、工业润滑介质及其无害化处理、特种润滑油及核心功能添加剂合成等。
工作期间主持和参与了多项国家/地方/军内科研项目，包括国家科技重大专项（04专项）、国家重点研发计划、国防科工局基础科研、国家自然科学基金原创/重点项目、科技部国际合作项目、京津冀科技成果转化项目等；发表了40余篇中英文论文，申请了40余项发明专利（其中授权30项）；主编了专业技术书籍1本，支持/参与制定团体标准3项；获得了省部级科研奖励3项，获得了2019年度“天津市三八红旗手”和2015年度天津市“131”创新型人才的荣誉称号；担任了中国表面工程协会防锈润滑分会副秘书长、科普中国特聘专家等社会职务。
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.韩鑫. 纳米聚晶金刚石刀具的化学机械抛光技术研究.燕山大学
（中国粉体网编辑整理/轻言）
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