金刚石热沉片超光滑表面处理：现状与展望

第三代半导体、5G通信、通讯卫星及军用雷达等高新技术领域已大量应用金刚石元器件，以满足抗辐射、大功率、高频率、高温等极端工况的要求，平坦化抛光技术已经成为金刚石应用于上述领域的关键技术之一。开发出高质量、高效率的金刚石抛光加工工艺，是实现金刚石晶体大面积应用的前提。

凯发k8国际独创基于等离子体辅助抛光的金刚石原子级表面高效精密加工方法，全球首家将金刚石热沉片表面粗糙度从数十微米级别降低至1nm以下，达到半导体级应用标准，目前已实现产业化。究竟如何破解金刚石抛光工艺的呢？

在金刚石抛光中，存在以下两大难点：一方面，金刚石硬度极高，通常需要大抛光载荷才能形成材料去除，因而在抛光过程中容易产生划痕、坑点等表面/亚表面损伤；另一方面，金刚石弹性极限与强度极限非常接近，当所承受的载荷超过弹性极限时就会发生断裂破坏，因而金刚石抛光加工时极易破碎。故实现金刚石高质量、高效率的超光滑无损伤表面的加工非常困难。当前应用于金刚石抛光的主要方法有机械抛光、化学机械抛光、动态磨削抛光、热化学抛光、等离子体刻蚀和高能束流抛光等。

加工效率和抛光表面质量是发展和应用金刚石抛光技术的关键动力。自1920年首次报道金刚石机械抛光的科学研究以来，各种抛光技术得到了发展。

（1）1920s-1970s，研究主要集中在优化机械抛光。研究结果表明，加工效率在很大程度上取决于晶体的取向和抛光时磨粒切入的方向。经过几十年的发展，人们发现沿“软”方向抛光可以获得较高的材料去除率。（100）和（110）晶面上的<100>方向被认为是“软方向”，而（100）和（110）晶面上的<110>方向以及（111）平面上的所有方向被认为是“硬方向”。这些规律有助于在金刚石机械抛光过程中找到合适的加工条件，为机械抛光其商业化应用奠定了坚实的基础。

（2）由于机械抛光具有很强的材料去除各向异性，利用化学反应去除碳原子的方法一直是研究的重点。1950s-2000s，化学辅助抛光技术得到了飞速的发展，与机械抛光相比，化学辅助抛光的MRR有了很大的提高。激光抛光、反应离子束刻蚀和动态摩擦抛光将MRR提高到每分钟几微米。虽然实际应用中抛光表面质量不理想，但并不影响其应用于金刚石的粗抛光。然而，同时具有高效率和高质量的抛光方法有望在未来得到发展。

（3）2000年以后，CMP、RIE和OH自由基辅助抛光的研究明显增多，这是由于生产需求和工业要求的不断提高，如高效、高质量的抛光，传统的抛光技术已不能满足这些要求。此外，研究新抛光技术的趋势在未来可能会持续发展。然而，新的加工方法仍然面临着一些挑战，如在效率和质量之间找到平衡点、简化加工设备、降低加工成本等。

（4）由于可视化仿真软件的迅速发展，金刚石抛光的原子去除机理可以通过MD模拟或量子分析进行可视化分析。因此，对金刚石机械抛光中材料去除各向异性机理的研究日益增多。MD模拟也有助于分析CMP和OH自由基辅助抛光过程中化学键合过程的演变，有助于深入理解材料去除机理。毫无疑问，在不久的将来，研究人员将继续使用MD模拟来分析和可视化其他抛光技术的材料去除机制。

金刚石抛光技术发展历史

金刚石是自然界最硬的物质，集众多优异的物理、化学、光学和热学性能于一身，广泛应用于光伏发电、半导体、消费电子及超硬刀具等诸多领域，是现代工业中的关键基础材料，亦被视为21世纪最有发展前景的工程材料。然而，人工方式生产出来的金刚石晶体表面粗糙，经过平坦化加工获得高精度、低损伤的超光滑金刚石表面(Ra<1 nm)，将极大满足光伏发电、半导体、消费电子及超硬刀具等诸多领域的应用。凯发k8国际高品质金刚石热沉片（Ra＜1nm）已被用于光通讯、激光器、光伏、新能源汽车、军工等重要领域。