中國(guó)粉體網(wǎng)訊 金剛石是制造電子和光學(xué)設(shè)備的理想材料，其應(yīng)用需具有無損傷原子級(jí)超光滑表面，但其加工難度極大、加工成本極高。而超精密拋光技術(shù)能夠降低表面粗糙度，去除亞表面損傷，為外延和生長(zhǎng)創(chuàng)造良好的條件，將會(huì)在制備大尺寸高質(zhì)量金剛石襯底中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
超精密拋光
拋光在眾多材料加工過程中占據(jù)著重要地位。拋光的目的在于去除研磨坑以及材料表面的微凸峰，從而提升表面平整度；消除材料表面的損傷層、變質(zhì)層以及殘余應(yīng)力；降低材料表面粗糙度，進(jìn)而提高最終加工表面的質(zhì)量，以滿足相關(guān)要求。
為了得到更好的加工表面，金剛石材料的拋光可以從粗拋光和超精密拋光兩個(gè)方面進(jìn)行。粗拋光一般是利用微小粒度的金剛石顆粒機(jī)械拋光研磨后的表面損傷層，然后進(jìn)一步降低材料表面粗糙度。為了得到無損傷、超光滑的金剛石表面質(zhì)量，還需要進(jìn)行超精密加工。
目前，金剛石的表面超精密拋光技術(shù)主要有化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）、摩擦化學(xué)拋光（TCP）、磁流變拋光（MRF）、電化學(xué)機(jī)械拋光（ECMP）和涉及高能粒子非接觸式的拋光方法，如激光拋光、離子束拋光、等離子體拋光等。
金剛石材料及其拋光方法
在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求選擇合適的拋光技術(shù)，并不斷探索改進(jìn)方法，以實(shí)現(xiàn)更高效、更高質(zhì)量的金剛石拋光。
針對(duì)單晶金剛石拋光，可采用激光誘導(dǎo)石墨化輔助化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）方法。此方法首先通過激光刻蝕誘導(dǎo)使金剛石表面產(chǎn)生石墨化，從而降低后續(xù)CMP的拋光難度，實(shí)現(xiàn)快速粗拋光，再利用紫外光催化-芬頓反應(yīng)協(xié)同效應(yīng)的CMP來實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的精拋光。
激光刻蝕
激光刻蝕是利用高能量密度的激光束聚焦在工件表面，使激光聚焦區(qū)域的材料急劇升溫、熔化及氣化，產(chǎn)生的沖擊波使聚焦區(qū)域的熔融材料以氣態(tài)或者等離子形態(tài)脫離燒蝕區(qū)域，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料的去除。
相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械化學(xué)加工方法，激光刻蝕是一種非接觸加工方式，其加工效率取決于激光的光、熱性能，為金剛石加工提供了高度定向和定位的能量源，有利于通過定向耦合的方式實(shí)現(xiàn)高效的材料改性，適用于有著高硬度與高耐磨性的金剛石材料。
激光燒蝕金剛石是基于激光對(duì)材料的熱效應(yīng)而進(jìn)行的，與此同時(shí)，該過程還通過金剛石表面的石墨化來實(shí)現(xiàn)。石墨在較寬的波段范圍內(nèi)對(duì)激光具有較高的吸收率。
(a)不同中心波長(zhǎng)下金剛石燒蝕速率與激光能量密度的關(guān)系;
(b)不同激光能量(從左到右：210、70、25、10 J/cm²)下的激光燒蝕金剛石微槽SEM圖
金剛石在空氣中加熱至700℃左右后，開始發(fā)生石墨化，石墨化是金剛石晶格在吸收能量后從sp3結(jié)合狀態(tài)躍遷到sp2結(jié)合狀態(tài)的過程。由于金剛石密度比石墨的密度大，因此在石墨化的過程中碳原子距離在增大，這意味著石墨化更容易發(fā)生在金剛石的表面或者靠近缺陷的地方。
金剛石的燒蝕形貌與金剛石材料的物理屬性、激光參數(shù)有關(guān)，對(duì)于給定的金剛石，激光參數(shù)決定激光燒蝕金剛石的形貌和尺寸。眾多研究表明，紫外納秒和紅外飛秒激光燒蝕金剛石可以獲得令人滿意的精度，燒蝕后的表面粗糙度達(dá)到亞微米級(jí)。
不同激光功率下的激光燒蝕多晶金剛石的形貌圖：(a)5W; (b)12W; (c)18W
紫外光催化輔助CMP
金剛石的帶隙能為5.45eV，可以在波長(zhǎng)小于225nm的紫外照射下激發(fā)產(chǎn)生空穴和電子對(duì)，并立即與大氣中的氧和水分子結(jié)合，成鍵反應(yīng)產(chǎn)生大量的O原子和•OH，使金剛石表面氧化�；谶@一理論，研究人員提出了光催化輔助化學(xué)機(jī)械拋光法（PCMP）。
紫外光催化輔助拋光原理
紫外光催化反應(yīng)是一種強(qiáng)氧化反應(yīng)，它利用紫外光照射光催化劑和電子捕捉劑發(fā)生光催化反應(yīng)，生成具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基(•OH)。
紫外光催化輔助拋光原理：一定波長(zhǎng)(低于387.5nm)的紫外光照射納米TiO2顆粒后，處于價(jià)帶的電子會(huì)躍遷到導(dǎo)帶上，TiO2表面會(huì)生成光生電子(e-)和空穴(h+)，空穴可以將吸附在TiO2顆粒表面的電子捕捉劑H2O2和OH−氧化生成強(qiáng)氧化性的•OH，光生電子也可以與H2O2和OH−反應(yīng)生成•OH。
TiO2紫外光催化反應(yīng)的原理
芬頓（Fenton）反應(yīng)
為了進(jìn)一步提高拋光效率，使金剛石表面均勻光滑，H2O2及其混合物組成的拋光液成為了金剛石化學(xué)拋光的主要選擇。例如，先用鐵板對(duì)金剛石樣品拋光2小時(shí)，通過熱化學(xué)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(duì)金剛石樣品拋光3小時(shí)，可得到晶體有序的超光滑表面。
該過程基于芬頓（Fenton）反應(yīng)拋光金剛石，將鐵浸入H2O2溶液中，生成亞鐵離子（Fe2+），F(xiàn)e2+與 H2O2反應(yīng)生成具有強(qiáng)氧化性的•OH，反應(yīng)過程如下：
Fe2+ + H2O2→•OH+OH−+Fe3+
Fenton試劑拋光金剛石材料去除原理
在此基礎(chǔ)上，將紫外光催化輔助CMP與Fenton反應(yīng)相結(jié)合，形成光助芬頓反應(yīng)技術(shù)。目前，光助芬頓反應(yīng)被廣泛應(yīng)用于污水處理、土壤修復(fù)、垃圾滲濾液處理、難降解有機(jī)物的處理等方面。
紫外光催化輔助CMP可提高金剛石表面質(zhì)量，達(dá)到納米級(jí)粗糙度。但相比傳統(tǒng)的化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)，設(shè)備復(fù)雜度較高，無法滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求，需要進(jìn)一步地研究和優(yōu)化，以提高其實(shí)際應(yīng)用能力。
2024年12月24日，中國(guó)粉體網(wǎng)將在河南·鄭州舉辦“2024半導(dǎo)體行業(yè)用金剛石材料技術(shù)大會(huì)”。屆時(shí)，我們邀請(qǐng)到廣東工業(yè)大學(xué)路家斌教授出席本次大會(huì)并作題為《單晶金剛石激光輔助CMP加工研究進(jìn)展》的報(bào)告，路家斌教授將通過激光燒蝕熱效應(yīng)、紫外光催化協(xié)同芬頓反應(yīng)，揭示單晶金剛石CMP加工的材料去除機(jī)理，以優(yōu)化CMP加工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)單晶金剛石高效率、高質(zhì)量拋光。
專家簡(jiǎn)介
路家斌，廣東工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。現(xiàn)為中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)生產(chǎn)工程分會(huì)委員，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)生產(chǎn)工程分會(huì)光整加工專業(yè)委員會(huì)委員，中國(guó)機(jī)械工業(yè)金屬切削刀具技術(shù)協(xié)會(huì)切削先進(jìn)技術(shù)研究分會(huì)理事。長(zhǎng)期從事半導(dǎo)體晶片超精密加工、金屬薄板精密剪切等相關(guān)領(lǐng)域的研究，目前主要研究方向包括半導(dǎo)體晶圓研磨拋光加工方法與技術(shù)、固相反應(yīng)研磨盤和拋光盤研制、CMP拋光工藝和拋光墊研究等。
作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目3項(xiàng)，省市級(jí)、企業(yè)研究項(xiàng)目近10多項(xiàng)，獲2020年度廣東省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。第一作者或通訊作者在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物和會(huì)議上發(fā)表學(xué)術(shù)論文90多篇，其中SCI收錄論文40多篇，EI收錄論文50多篇。授權(quán)美國(guó)專利1件、PCT專利1件、發(fā)明專利20多件。
參考來源：
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5.王華祿. 納秒/皮秒激光燒蝕單晶金剛石材料的微觀特征及去除機(jī)理研究.華僑大學(xué)
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