索引

       1. 單晶金剛石的微波等離子體刻蝕處理

       2. 基于溶膠凝膠的大尺寸金剛石單晶襯底化學(xué)機械拋光

       3. 等離子體輔助拋光中拋光壓力和旋轉(zhuǎn)速度對單晶金剛石材料去除機理的影響

       4. 單晶金剛石位錯分析

       5. 大尺寸單晶金剛石磨拋一體化加工研究

       1、單晶金剛石的微波等離子體刻蝕處理

       應(yīng)用于超高電壓和高溫環(huán)境下的金剛石器件要求金剛石單晶具有低表面粗糙度和低缺陷密度。據(jù)報道，高溫高壓金剛石缺陷密度約為 105 cm-2 量級，CVD 金剛石缺陷密度約為 105 ~ 107 cm-2 量級。在金剛石單晶缺陷密度和缺陷分布分析檢測方面，與其他方法相比，等離子體刻蝕能有效確定缺陷種類、缺陷密度以及缺陷分布。等離子體刻蝕對同質(zhì)外延金剛石單晶的質(zhì)量有很大影響，使用該方法處理后不僅改變了晶體表面化學(xué)成分，也改變了表面結(jié)構(gòu)。不同等離子體刻蝕的刻蝕速率和晶體表面變化也是不同的。近期，山東大學(xué)徐現(xiàn)剛教授、彭燕副教授研究團隊研究了氫氣和氫氧混合氣體等離子體對 HTHP IIa、HTHP Ib 和 MPCVD（100）金剛石表面的刻蝕速率、刻蝕激活能以及刻蝕后的金剛石表面形貌的影響。采用 XPS 研究了刻蝕后金剛石表面的化學(xué)基團。相關(guān)研究成果以“Microwave plasma etching treatment for single crystal diamond”為題發(fā)表在Journal of Electronic Materials上。

       摘要：

       本文中，研究人員詳細(xì)研究了采用 H2 和 H2/O2 微波等離子體對高溫高壓（HTHP）和微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）單晶金剛石的刻蝕處理。在 900~1300°C 的襯底溫度內(nèi)，分別測量了 IIa 型 HTHP 金剛石（HTHP IIa）、Ib 型 HPHT 金剛石（HTHP Ib）和 MPCVD（100）表面在 H2 和 O2/H2=2% 等離子體中的刻蝕速率。根據(jù) Arrhenius 公式，HTHP IIa、HTHP Ib 和 MPCVD 的活化能（Ea）分別為 59.40±5.48 kcal·mol–1、68.18±6.40 kcal·mol?1 和 48.12±2.89 kcal·mol-1。通過 X 射線光電子能譜儀、激光掃描共聚焦顯微鏡和原子力顯微鏡對蝕刻表面進行了表征分析。結(jié)果表明，平底坑形態(tài)隨刻蝕時間的變化而變化。此外，研究人員還研究了使用不同 O2/H2 比等離子體刻蝕時尖底凹坑的形貌和尺寸。

       文章信息：

       X. T. Han, Y. Peng, X. W. Wang, et al. Microwave plasma etching treatment for single crystal diamond. J. Electron. Mater., 2022, 51(9): 4995-5004.

       DOI: 10.1007/s11664-022-09735-z

       2、基于溶膠凝膠的大尺寸金剛石單晶襯底化學(xué)機械拋光

       金剛石被認(rèn)為是終極半導(dǎo)體材料。近年來， MPCVD 技術(shù)的發(fā)展使大尺寸單晶金剛石的制備成為可能，如通過異質(zhì)外延生長獲得直徑為 92 mm 的 CVD 單晶金剛石，以及通過馬賽克拼接法制備英寸級單晶金剛石等研究均有眾多報道。使用馬賽克拼接法時需要金剛石表面的粗糙度極低且缺陷極少，然而金剛石硬度高、化學(xué)穩(wěn)定，高精密拋光一直是一個難題。與單純的機械拋光相比，使用化學(xué)機械拋光可以獲得低缺陷、低粗糙度的單晶金剛石表面，但同時獲得高去除速率和低表面粗糙度是化學(xué)機械拋光需要解決的重要問題。近期，華僑大學(xué)陸靜教授研究團隊在溶膠凝膠中添加氧化銅，并采用由溶膠凝膠板和高分子纖維組成的半固定磨料拋光盤研究了大尺寸單晶金剛石的化學(xué)機械拋光，相關(guān)研究成果以“Mechanical chemical polishing of large-size single-crystal diamond substrates with a sol-gel polishing tool”為題發(fā)表在Journal of Manufacturing Processes上。

       摘要：

       為了有效加工大尺寸單晶金剛石（SCD）襯底，研究人員提出了一種利用機械作用誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)進行 SCD 拋光的方法。在本文中，利用溶膠-凝膠技術(shù)制備了一種適用于高速拋光的新型半固定磨料拋光工具。選擇單一金剛石磨料以及金剛石和氧化銅的混合磨料用于 SCD（100）平面拋光。拋光 2.5 h 后，SCD 的表面粗糙度 Ra 從 ~80 nm 降低到 ~9 nm。測量材料去除率（MRR）后發(fā)現(xiàn)混合磨料的拋光性能更優(yōu)越。此外，使用混合磨料拋光后，SCD 表面/次表面上的非晶碳含量顯著低于使用單一金剛石磨料拋光的樣品。上述結(jié)果表明，金剛石磨料對 SCD 表面的刮擦導(dǎo)致碳轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形碳，之后再與氧化銅粉末反應(yīng)。磨損碎屑形態(tài)表明：在使用單一金剛石磨料拋光時，SCD 的表面材料以片狀形式剝落；而使用混合磨料拋光時，SCD 的表面材料通過化學(xué)反應(yīng)和輕微粉碎后以渣狀形式去除?；旌夏チ蠏伖獾牟牧先コに嚍椋航饎偸肌鷻C械去除→非晶碳→氧化銅反應(yīng)→銅+一氧化碳，這是一種典型的化學(xué)機械拋光過程。實驗證實機械作用和化學(xué)反應(yīng)的協(xié)同效應(yīng)可以提高材料去除率，并產(chǎn)生更光滑的表面，減少對 SCD 表面的損傷，這將為大尺寸 SCD 精密加工提供參考。

       文章信息：

       H. L. Wen, J. Lu, S. Xu, et al. Mechanical chemical polishing of large-size single-crystal diamond substrates with a sol-gel polishing tool. J. Manuf. Process., 2022, 80, 210-219.

       DOI: 10.1016/j.jmapro.2022.05.048

       3、等離子體輔助拋光中拋光壓力和旋轉(zhuǎn)速度對單晶金剛石材料去除機理的影響

       單晶金剛石的應(yīng)用離不開高平整度表面的加工。單純采用金剛石顆粒磨料加工單晶金剛石雖可獲得高的材料去除率，但是金剛石表面損傷層較深，表面缺陷較多。為了解決此問題，機械、化學(xué)和熱學(xué)組合作用的多種拋光技術(shù)迅猛發(fā)展。最理想的單晶金剛石拋光技術(shù)要求能有效去除金剛石的粗糙表面，又不產(chǎn)生損傷，且表面不產(chǎn)生非金剛石殘余污染。采用等離子體輔助拋光法結(jié)合軟石英玻璃拋光盤成功實現(xiàn)尺寸為 20 mm × 20 mm 的馬賽克拼接單晶金剛石拋光，材料去除率為 13.3 μm/h，表面粗糙度小于 0.5 nm。雖然等離子體輔助拋光效果較好，但是施加壓力和旋轉(zhuǎn)速率對材料去除機理的影響尚不清楚。近期，日本大阪大學(xué) Kazuya Yamamura 研究團隊對該問題進行了系統(tǒng)的研究，相關(guān)研究成果以“Effects of polishing pressure and sliding speed on the material removal mechanism of single crystal diamond in plasma-assisted polishing”為       題發(fā)表在Diamond & Related Materials上。

       摘要：

       等離子體輔助拋光（PAP）適用于單晶金剛石（SCD）襯底的高效、高質(zhì)量加工。本文系統(tǒng)地研究了在 PAP 過程中施加在 SCD 基板上的拋光壓力和拋光板與 SCD 基板之間的相對運動速度對 SCD 材料去除機理的影響。較高的拋光壓力或相對運動速度會導(dǎo)致 SCD 襯底的材料去除率（MRR）較高，最高達(dá) 5.3 μm/h。掃描白光干涉儀（84 μm × 84 μm）和原子力顯微鏡（5 μm × 5 μm）測試表明，在低拋光壓力（如 62.5、81.3 kPa）下獲得了無表面織構(gòu)的原子尺度光滑表面以及最低的粗糙度 0.3 nm（84 μm × 84μm）。相應(yīng)地，在62.5 kPa的低拋光壓力下，沿 <100> 和 <110> 方向的 MRR 幾乎相同，說明材料去除率為各向同性。在高拋光壓力（如 143.8、246.9、350.0 kPa）下進行 PAP，晶體表面粗糙度較大，存在沿<100>方向溝槽帶。在 246.9 、350.0 kPa 兩個高拋光壓力下，PAP 沿 <100>  方向的 MRR 比 <110> 方向分別快約 11 倍和約 12 倍，所以此條件下材料去除率為各向異性。此外，掃描透射電子顯微鏡和角分辨 X 射線光電子能譜測試表明，在 PAP 拋光的 SCD 表面不存在損傷或非金剛石層。然而，隨著相對運動速度的變化，施加到 SCD 襯底的拋光壓力相同時，Sq 粗糙度幾乎保持恒定。

       文章信息：

       N. Liu, K. Sugimoto, N. Yoshitaka, et al. Effects of polishing pressure and sliding speed on the material removal mechanism of single crystal diamond in plasma-assisted polishing. Diam. Relat. Mater., 2022, 124, 108899.

       DOI: 10.1016/j.diamond.2022.108899

       4、單晶金剛石位錯分析

       三維晶界、二維層錯、一維位錯和零維點缺陷等晶體學(xué)缺陷是單晶金剛石在應(yīng)用中存在的重要問題。在眾多缺陷分析技術(shù)中，X 射線形貌學(xué)是一種可以有效檢測晶界、層錯和位錯缺陷的無損檢測方法。近期，日本關(guān)西學(xué)院大學(xué) S. Shikata 研究團隊采用 X 射線形貌學(xué)分析技術(shù)研究了兩種高溫高壓單晶金剛石晶體（IIa 型 和 Ib 型）的位錯缺陷，通過研究伯氏矢量確定位錯類型，之后研究了這兩種晶體的位錯與高溫高壓生長條件之間的關(guān)系。相關(guān)研究成果以“Complete analysis of dislocations in single crystal diamonds”為題發(fā)表在Diamond & Related Materials上。

       摘要：

       在本文中，研究人員使用 X 射線形貌測試技術(shù)分析了兩種典型高壓高溫金剛石晶體 IIa 型和 Ib 型的位錯，首次識別了兩種晶體所有位錯的伯氏矢量。對于 IIa 型晶體，試驗證實有高達(dá) 84% 的位錯具有 <101> 矢量；對于 Ib 型晶體，有高達(dá) 71% 的位錯具有 <112>、<121>和 <211> 矢量。在 c 軸分量上為零的 [110] 和 [1-10] 都是主要的伯氏矢量。IIa 型和 Ib 型晶體的位錯類型主要為刃型位錯，分別約為 47% 和 65%。此外，在 IIa 型晶體上觀察到了 60° 和 73° 螺旋位錯，在 Ib 型晶體上觀察到了30°、35° 和 73° 類型的螺旋位錯。本文對金剛石單晶位錯的研究將為金剛石生長和位錯的抑制提供重要依據(jù)。

       文章信息：

       Y. Sato, K. Miyajima, S. Shikata. Complete analysis of dislocations in single crystal diamonds. Diam. Relat. Mater., 2022, 109129.

       DOI: 10.1016/j.diamond.2022.109129

       5、大尺寸單晶金剛石磨拋一體化加工研究

       《人工晶體學(xué)報》2022 年第 5 期發(fā)表了來自華僑大學(xué)陸靜教授研究團隊的研究論文“大尺寸單晶金剛石磨拋一體化加工研究”。本文中，研究人員在加工金剛石晶片過程中引入硬質(zhì)金剛石磨料與活性 CuO 粉末的混合磨料，以期實現(xiàn)金剛石硬質(zhì)磨料誘導(dǎo)下的化學(xué)反應(yīng)拋光金剛石晶片。同時，為了實現(xiàn)金剛石晶片的高效、高質(zhì)量加工，研究人員基于工件自旋轉(zhuǎn)平面磨削、拋光一體化的技術(shù)，在一道加工工序中同時實現(xiàn)陶瓷砂輪的磨削與溶膠-凝膠拋光輪的拋光，為大尺寸 CVD 單晶金剛石的工業(yè)化生產(chǎn)提供思路。

       磨拋一體化加工工具

       摘要：

       金剛石因其具有優(yōu)異的物理性質(zhì)被視為下一代半導(dǎo)體材料，然而極高的硬度、脆性和耐腐蝕性導(dǎo)致其加工困難，尤其是對于大尺寸的化學(xué)氣相沉積（CVD）單晶金剛石（SCD）晶片而言，目前仍缺乏一種高效、低成本的磨拋加工方法。在本文中，研究人員提出一種基于工件自旋轉(zhuǎn)的同心雙砂輪磨拋一體化加工技術(shù)，在一次裝夾中，先采用金剛石磨料的陶瓷內(nèi)圈砂輪磨削單晶金剛石晶片表面，將其迅速平坦化，后采用金剛石與活性 CuO 粉末混合磨料的外圈溶膠-凝膠（sol-gel，SG）拋光輪拋光單晶金剛石晶片表面,使其在較短時間內(nèi)完成從原始生長面（Sa 約為 46 nm）到原子級表面精度（Sa ＜ 0.3 nm）的加工。在磨削加工過程中，硬質(zhì)金剛石磨料的陶瓷內(nèi)圈砂輪高速劃擦金剛石晶片表面，在強機械作用下獲得較大的材料去除率以及納米級的光滑單晶金剛石表面，同時引起進一步的表面非晶化。在 SG 拋光輪加工過程中，硬質(zhì)金剛石磨料高速劃擦單晶金剛石表面形成高溫高壓環(huán)境后，進一步誘導(dǎo)活性 CuO 粉末與單晶金剛石表面的非晶碳發(fā)生氧化還原反應(yīng)，實現(xiàn)反應(yīng)拋光。磨拋一體化的加工技術(shù)為晶圓級的單晶、多晶金剛石的工業(yè)化生產(chǎn)提供借鑒。

       文章信息：

       溫海浪, 陸靜, 李晨, 等. 大尺寸單晶金剛石磨拋一體化加工研究[J]. 人工晶體學(xué)報, 2022, 51(5): 941-947.

       文章鏈接:

       http://rgjtxb.jtxb.cn/CN/Y2022/V51/I5/941

       編譯丨趙呈春

       編輯丨丁夢夢

       本期編譯

       趙呈春，博士，副研究員，博士生導(dǎo)師。現(xiàn)任中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所激光晶體研究中心副主任。任《人工晶體學(xué)報》青年編委，《應(yīng)用技術(shù)學(xué)報》青年編委，中國稀土學(xué)會稀土晶體專業(yè)委員會委員。主要從事激光晶體和金剛石的生長及其應(yīng)用研究，以第一作者/通訊作者發(fā)表 SCI 論文 20 余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利 8 項。作為主持人、課題負(fù)責(zé)人承擔(dān)國家自然科學(xué)基金面上項目、JKW 領(lǐng)域基金、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金等項目。