中國(guó)粉體網(wǎng)訊 近些年來(lái)，化學(xué)氣相沉積（CVD）單晶金剛石在電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用令人矚目，這得益于CVD單晶金剛石在生長(zhǎng)技術(shù)和半導(dǎo)體摻雜技術(shù)上的進(jìn)展。一直以來(lái)，成熟的襯底加工技術(shù)是半導(dǎo)體材料得以應(yīng)用的基礎(chǔ)，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(shù)主要有機(jī)械拋光、熱化學(xué)拋光、激光拋光和化學(xué)機(jī)械拋光等，其中化學(xué)機(jī)械拋光（chemical mechanical polishing，CMP）具有設(shè)備運(yùn)行成本低、工藝簡(jiǎn)單、拋光后表面損傷小等優(yōu)點(diǎn)，在金剛石拋光領(lǐng)域逐漸受到重視。
化學(xué)機(jī)械拋光
化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）是一種超精密拋光的加工方法，通過(guò)在機(jī)械拋光過(guò)程中加入氧化劑，氧化碳原子提高拋光速率，是一種利用機(jī)械與化學(xué)氧化協(xié)同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)工件表面平坦化的技術(shù)。相比于機(jī)械拋光，化學(xué)機(jī)械拋光對(duì)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(xué)機(jī)械拋光裝置示意圖
在化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中，氧化劑扮演著至關(guān)重要的角色，早期以高溫熔融鹽作為氧化劑進(jìn)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(dá)到熔點(diǎn)，如KNO3熔點(diǎn)為334℃、NaNO3熔點(diǎn)為307℃。H2O2是一種強(qiáng)氧化劑，使用H2O2溶液作為拋光液，在室溫下進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光后，可得到原子級(jí)光滑的表面。
H2O2及其混合物化學(xué)機(jī)械拋光
為了進(jìn)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(jìn)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(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(guò)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(guò)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(guò)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(xué)機(jī)械拋光
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）。
該方法用紫外光（UV）輻照拋光單晶金剛石，用石英拋光盤(pán)對(duì)單晶金剛石進(jìn)行拋光，紫外光可以透過(guò)石英拋光盤(pán)照射在金剛石表面。光催化輔助化學(xué)機(jī)械拋光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(wú)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。
高速水平主軸紫外線拋光機(jī)
原子級(jí)去除機(jī)理
目前，隨著研究的不斷深入，對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光材料去除機(jī)理的研究從宏觀量級(jí)轉(zhuǎn)向分子量級(jí)。在微觀量級(jí)尺度上研究化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)理的方法有分子動(dòng)力學(xué)仿真、ReaxFF方法等。
分子動(dòng)力學(xué)( molecular dynamics, MD) 模擬可以通過(guò)高時(shí)間和空間分辨率可視化材料去除的細(xì)節(jié)，是一種適合研究原子級(jí)材料去除機(jī)理的方法。分子動(dòng)力學(xué)模擬方法是一種包含例如幾何、速度和力等內(nèi)在信息的綜合物理模型，這些可以用來(lái)推導(dǎo)化學(xué)機(jī)械拋光中原子運(yùn)動(dòng)軌跡、溫度和應(yīng)力等。因此，分子動(dòng)力學(xué)對(duì)于研究金剛石化學(xué)機(jī)械拋光的機(jī)理有著重要的意義。
金剛石晶體機(jī)械拋光MD模型
眾多研究表明，MD可以優(yōu)化金剛石化學(xué)機(jī)械拋光工藝參數(shù)，為金剛石的化學(xué)機(jī)械拋光提供理論支持。
結(jié)語(yǔ)與展望
當(dāng)前，金剛石正以每年數(shù)億美元的市場(chǎng)規(guī)模擴(kuò)大應(yīng)用范圍，表面質(zhì)量是影響其應(yīng)用的重要因素�；瘜W(xué)機(jī)械拋光具有較高去除率、高表面質(zhì)量、低加工成本等優(yōu)勢(shì),是一種高效的拋光方法，尤其是H2O2及相關(guān)加工方法的使用，不僅使金剛石表面粗糙度達(dá)到亞納米級(jí)，可以獲得超光滑且低損傷的表面，而且降低了化學(xué)污染。
在材料去除機(jī)理方面，金剛石化學(xué)機(jī)械拋光的的理論研究尚未形成廣泛共識(shí)。一般認(rèn)為，在化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中，材料去除是依靠化學(xué)氧化與機(jī)械劃擦的共同作用。從分子動(dòng)力學(xué)模擬角度研究化學(xué)機(jī)械拋光的材料去除機(jī)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(shí)現(xiàn)大面積、原子級(jí)精度金剛石襯底材料的制造提供理論基礎(chǔ)。
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)到清華大學(xué)天津高端裝備研究院常務(wù)副所長(zhǎng)戴媛靜教授出席本次大會(huì)并作題為《金剛石襯底材料原子級(jí)制造技術(shù)路徑探討》的報(bào)告，戴媛靜教授將結(jié)合國(guó)內(nèi)外金剛石超精加工的研究進(jìn)展，從原子尺度出發(fā)，采用仿真計(jì)算、實(shí)驗(yàn)研究等手段對(duì)金剛石襯底化學(xué)機(jī)械拋光的原子級(jí)去除機(jī)理進(jìn)行探討，為金剛石襯底材料的高效制造提供可能的技術(shù)途徑。
專家簡(jiǎn)介
戴媛靜，無(wú)黨派人士，教授級(jí)高工，清華大學(xué)天津高端裝備研究院潤(rùn)滑技術(shù)研究所常務(wù)副所長(zhǎng)，研究方向包括：原子級(jí)芯片制造、工業(yè)潤(rùn)滑介質(zhì)及其無(wú)害化處理、特種潤(rùn)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(xiàng)國(guó)家/地方/軍內(nèi)科研項(xiàng)目，包括國(guó)家科技重大專項(xiàng)（04專項(xiàng)）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)防科工局基礎(chǔ)科研、國(guó)家自然科學(xué)基金原創(chuàng)/重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部國(guó)際合作項(xiàng)目、京津冀科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目等；發(fā)表了40余篇中英文論文，申請(qǐng)了40余項(xiàng)發(fā)明專利（其中授權(quán)30項(xiàng)）；主編了專業(yè)技術(shù)書(shū)籍1本，支持/參與制定團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)3項(xiàng)；獲得了省部級(jí)科研獎(jiǎng)勵(lì)3項(xiàng)，獲得了2019年度“天津市三八紅旗手”和2015年度天津市“131”創(chuàng)新型人才的榮譽(yù)稱號(hào)；擔(dān)任了中國(guó)表面工程協(xié)會(huì)防銹潤(rùn)滑分會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)、科普中國(guó)特聘專家等社會(huì)職務(wù)。
參考來(lái)源：
1.溫海浪等. 大尺寸單晶金剛石襯底拋光技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望.機(jī)械工程學(xué)報(bào)
2.安康等. 金剛石化學(xué)機(jī)械拋光研究進(jìn)展.人工晶體學(xué)報(bào)
3.韓鑫. 納米聚晶金剛石刀具的化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)研究.燕山大學(xué)
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/輕言）
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