作者

羅虎、Khan Muhammad Ajmal、柳汪、Kazuya Yamamura、鄧輝*

單位

1 南方科技大學工學院

2 日本大阪大學

Citation

Luo H, Ajmal K M, Liu W, Yamamura K, Deng H. Polishing and planarization of single crystal diamonds: state-of-the-art and perspectives. Int. J. Extrem. Manuf. 3 022003 (2021).

獲取全文

https://doi.org/10.1088/2631-7990/abe915

       1、文章導讀

       金剛石是自然界最硬的物質(zhì)，集眾多優(yōu)異的物理、化學、光學和熱學性能于一身，廣泛應用于光伏發(fā)電、半導體、消費電子及超硬刀具等諸多領(lǐng)域，是現(xiàn)代工業(yè)中的關(guān)鍵基礎材料，亦被視為21世紀最有發(fā)展前景的工程材料。然而，人工方式生產(chǎn)出來的金剛石晶體表面粗糙，需要對其進行平坦化加工獲得高精度、低損傷的超光滑金剛石表面(Ra<1 nm)，以滿足上述領(lǐng)域的要求。但是，金剛石具有硬度高、耐磨損、化學惰性高和各向異性等特點，使之成為公認極難加工的材料之一。近期，南方科技大學工學院機械與工程能源系、等離子體先進制造實驗室的鄧輝助理教授、羅虎博士、Khan Muhammad Ajmal博士、柳汪碩士研究生，和日本大阪大學Kazuya Yamamura教授在《極端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發(fā)表《單晶金剛石的拋光與平坦化：現(xiàn)狀與展望》的綜述，簡要分析了金剛石拋光材料去除的一般發(fā)展歷程和基本原理，并詳細分析了每種技術(shù)的拋光性能和面臨的主要挑戰(zhàn)，深入討論了金剛石拋光的新見解和應用前景。

       關(guān)鍵詞

       金剛石拋光；材料去除各向異性；超光滑表面；化學反應；表面質(zhì)量

亮點

· 簡要分析了金剛石拋光一般發(fā)展歷程和材料去除的基本原理

· 詳細分析了每種拋光技術(shù)的拋光性能和面臨的主要挑戰(zhàn)

· 深入討論了金剛石拋光的新見解和應用前景

圖1 金剛石拋光技術(shù)的簡要回顧

圖2 金剛石拋光技術(shù)發(fā)展歷程

2、研究背景

       第三代半導體、5G通信、通訊衛(wèi)星及軍用雷達等高新技術(shù)領(lǐng)域已大量應用金剛石襯底元器件，以滿足抗輻射、大功率、高頻率、高溫等極端工況的要求，平坦化拋光技術(shù)已經(jīng)成為單晶金剛石應用于上述領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。開發(fā)出高質(zhì)量、高效率的金剛石拋光加工工藝，是實現(xiàn)金剛石晶體大面積應用的前提。在金剛石拋光中，存在以下兩大難點：一方面，金剛石硬度極高，通常需要大拋光載荷才能形成材料去除，因而在拋光過程中容易產(chǎn)生劃痕、坑點等表面/亞表面損傷；另一方面，金剛石彈性極限與強度極限非常接近，當所承受的載荷超過彈性極限時就會發(fā)生斷裂破壞，因而金剛石拋光加工時極易破碎。故實現(xiàn)金剛石高質(zhì)量、高效率的超光滑無損傷表面的加工非常困難。當前應用于金剛石拋光的主要方法有機械拋光、化學機械拋光、動態(tài)磨削拋光、熱化學拋光、等離子體刻蝕和高能束流拋光等。在本文中，羅虎博士等人對金剛石拋光的最新進展進行了詳細介紹。

       3、最新進展

       最新進展主要分為三個部分：機械拋光材料去除機理研究，化學機械拋光材料去除機理研究，等離子體輔助拋光。

       機械拋光材料去除機理研究

       在這方面，Pastewka等人利用MD模擬對金剛石平坦化過程中的材料去除各向異性進行了研究。通過在兩個不飽和金剛石表面施加30m/s的速度和10Gpa的法向載荷，對金剛石拋光的微觀機理進行了仿真分析。如圖3a所示，在（110）面的<100>方向滑動期間，所產(chǎn)生的非晶界面層穩(wěn)定地增加。為了將模擬和實驗磨損過程關(guān)聯(lián)起來，使用具有銳邊的金剛石磨粒在非晶碳上滑動（圖3b）。結(jié)果表明，含有sp2和sp的非晶碳會被刮除一部分，這與實際拋光實驗結(jié)果一致?；谡f明拋光過程中，磨粒對金剛石表面各向異性微觀起源進行詳細分析后，（110）和（111）平面的軟硬方向用細箭頭和粗箭頭標記（圖3c）。Pastewka的模型和模擬揭示了拋光過程中金剛石磨損各向異性的原子機制。

圖3 金剛石拋光的MD模擬：（a）非晶層隨磨?；瑒訒r間的變化，（b）金剛石磨粒銳邊對非晶碳的微去除，（c）金剛石磨粒（111）和（110）面的軟硬方向。

       化學機械拋光材料去除機理研究

       為提高去除效率和改善拋光表面質(zhì)量，基于機械、化學和熱學作用相結(jié)合的多種金剛石拋光技術(shù)在近幾十年得到了飛速發(fā)展。

       為了更好地理解金剛石CMP的材料去除原理，Thomas等人總結(jié)了不同于傳統(tǒng)熱氧化為基礎的另一種材料去除機制。對拋光前后的金剛石表面進行XPS分析，如圖4所示。從未拋光和拋光的金剛石表面都檢測到C1s（~285.0 eV）和O1s（~531.0 eV）的強峰（圖4a）。一般來說，C1s區(qū)域決定了CMP過程中金剛石薄膜表面化學性質(zhì)的變化。C1s光譜可分為四種化學環(huán)境：金剛石（C-C，285.0 eV）、碳氫化合物（C-H，285.5 eV）、乙醚（C-O，286.5 eV）和羰基（C=O，287.5 eV）。比較未拋光和拋光表面的XPS光譜，如圖4b和c所示，可以看出CMP不會顯著改變CVD金剛石表面的化學成分，但它會導致不同碳物種濃度的細微變化。應注意的是，與傳統(tǒng)拋光原理不同的是，在拋光表面上不會出現(xiàn)石墨或石墨相關(guān)缺陷。同時，由于實驗是在沒有金剛石磨料的室溫下進行的，因此機械微粉碎和石墨化并不是材料去除的原因。因此，提出拋光機理遵循二氧化硅（SiO2）的化學反應，如圖4d所示，材料去除機制可分為三個主要部分。（i） 化學機械拋光在拋光界面產(chǎn)生氧化環(huán)境，增加了金剛石表面的羰基和羥基含量。（ii）新形成的羰基和羥基有助于二氧化硅顆粒與金剛石表面的結(jié)合。（iii）由拋光墊驅(qū)動的SiO2顆粒產(chǎn)生剪切能。C-C鍵比Si-O鍵（800kj/mol）和O-C鍵（1077kj/mol）弱（610kj/mol），在剪切力作用下更容易斷裂。最終，碳原子被去除，金剛石表面變得光滑。

圖4 未拋光和拋光金剛石表面的XPS分析：（a）從上到下；拋光1、2和4h的初始表面，（b）拋光前的C1s XPS光譜，（c）拋光4小時后C1s XPS光譜，（d）可能的材料去除機制

       等離子體輔助拋光

       最近，Yamamura等人報道了一種原子級無損傷的金剛石拋光方法—等離子字體輔助拋光（PAP），其MRR為2.1μm/h，表面粗糙度可達Ra 0.13 nm。在PAP中，產(chǎn)生的等離子體包含OH自由基，其附著在拋光盤上形成改性的拋光界面。改性后拋光盤與旋轉(zhuǎn)的金剛石表面相互作用時，會發(fā)生化學反應形成復合化學鍵，進而在剪切作用下實現(xiàn)C原子的去除，從而達到拋光加工的目的。研究結(jié)果表明PAP是一種無損傷的超光滑拋光技術(shù)，可以實現(xiàn)金剛石的無損傷加工。

圖5 PAP實驗設置和結(jié)果：（a）PAP裝置的示意圖，（b）基于Ar的等離子體的光發(fā)射光譜（OES），（c）PAP工藝前的表面粗糙度，（d）和（e）使用石英玻璃拋光盤進行PAP后的表面粗糙度，（f）使用藍寶石拋光板進行PAP后的表面粗糙度，（g）和（h）拋光前后表面拉曼光譜分析。

       4、未來展望

       加工效率和拋光表面質(zhì)量是發(fā)展和應用金剛石拋光技術(shù)的關(guān)鍵動力。自1920年首次報道金剛石機械拋光的科學研究以來，各種拋光技術(shù)得到了發(fā)展，所提出的拋光技術(shù)的發(fā)展和趨勢如圖2所示。

       （1）1920s-1970s，研究主要集中在優(yōu)化機械拋光。研究結(jié)果表明，加工效率在很大程度上取決于晶體的取向和拋光時磨粒切入的方向。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)沿“軟”方向拋光可以獲得較高的材料去除率。（100）和（110）晶面上的<100>方向被認為是“軟方向”，而（100）和（110）晶面上的<110>方向以及（111）平面上的所有方向被認為是“硬方向”。這些規(guī)律有助于在金剛石機械拋光過程中找到合適的加工條件，為機械拋光其商業(yè)化應用奠定了堅實的基礎。

       （2）由于機械拋光具有很強的材料去除各向異性，利用化學反應去除碳原子的方法一直是研究的重點。1950s-2000s，化學輔助拋光技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，與機械拋光相比，化學輔助拋光的MRR有了很大的提高。激光拋光、反應離子束刻蝕和動態(tài)摩擦拋光將MRR提高到每分鐘幾微米。雖然實際應用中拋光表面質(zhì)量不理想，但并不影響其應用于金剛石的粗拋光。然而，同時具有高效率和高質(zhì)量的拋光方法有望在未來得到發(fā)展。

       （3）2000年以后，CMP、RIE和OH自由基輔助拋光的研究明顯增多，這是由于生產(chǎn)需求和工業(yè)要求的不斷提高，如高效、高質(zhì)量的拋光，傳統(tǒng)的拋光技術(shù)已不能滿足這些要求。此外，研究新拋光技術(shù)的趨勢在未來可能會持續(xù)發(fā)展。然而，新的加工方法仍然面臨著一些挑戰(zhàn)，如在效率和質(zhì)量之間找到平衡點、簡化加工設備、降低加工成本等。

       （4）由于可視化仿真軟件的迅速發(fā)展，金剛石拋光的原子去除機理可以通過MD模擬或量子分析進行可視化分析。因此，對金剛石機械拋光中材料去除各向異性機理的研究日益增多。MD模擬也有助于分析CMP和OH自由基輔助拋光過程中化學鍵合過程的演變，有助于深入理解材料去除機理。毫無疑問，在不久的將來，研究人員將繼續(xù)使用MD模擬來分析和可視化其他拋光技術(shù)的材料去除機制。

       5、作者簡介

       鄧輝，工學博士，南方科技大學機械與能源工程系助理教授，博士生導師。2010年畢業(yè)于華中科技大學，2011-2013年獲日本住友電工集團資助，在日本大阪大學攻讀碩士學位，2013-2016年獲日本學術(shù)振興會（JSPS）青年研究員項目資助，在日本大阪大學攻讀博士學位。2016-2017年加入新加坡制造技術(shù)研究院任研究科學家；2017年回國加入南方科技大學任助理教授，建立“等離子體先進制造實驗室-APMLab”。研究工作主要圍繞原子級超精密制造這一重要領(lǐng)域的發(fā)展需求，立足非應力式材料去除原理、原子級表面創(chuàng)成原理、拋光的量化控制與預測等前沿科學問題，以等離子體作為核心技術(shù)手段，開展面向半導體、陶瓷和金屬材料的超精密拋光關(guān)鍵技術(shù)研究。