2 熱化學拋光（TCP）

       Grodzinski在實驗中發(fā)現(xiàn)，把金剛石放置在600 ℃至 1 800 ℃的鐵、鎳等金屬板上，金剛石的接觸面會溶解到金屬中，使金剛石表面變得平整，從而提出了熱金屬板輔助拋光金剛石的方法。Weima在用熱化學法拋光 CVD 多晶金剛石薄膜過程中發(fā)現(xiàn)了 1 353 cm-1的納米晶石墨、1 453 cm-1的非晶態(tài)碳和 1 580 cm-1的微晶石墨等非金剛石相。經(jīng)過多次實驗認為：TCP 的機制是金剛石與金屬板（如鐵、錳、鈰及其合金）接觸發(fā)生了熱化學反應，高溫將金剛石轉(zhuǎn)化為非金剛石碳，隨后碳溶解到金屬板中。溫度是決定哪種機制起主導作用的關鍵因素，高溫下，金剛石轉(zhuǎn)化為非金剛石碳是主要的去除機制，而在較低溫度下，擴散速率比相變快得多。設備示意圖及拋光前后表面光學圖像如圖4所示。

       2.1 TCP的優(yōu)點

       因TCP是通過在高溫下催化金屬與金剛石產(chǎn)生化學發(fā)應來實現(xiàn)材料的去除，對樣品幾乎無壓力，無高轉(zhuǎn)速下對金剛石表面造成損傷，因此能獲得低損傷、平整的表面。Sun[16]用固體和熔融稀土 Ce 處理金剛石膜，發(fā)現(xiàn)當溫度大于 800 °C 時，金剛石去除率高達數(shù)百微米，可在幾分鐘內(nèi)獲得平整的表面，實現(xiàn)了 CVD 金剛石膜的有效粗拋光和減薄。Nagai通過把Ni鍍在SCD基底上，然后將樣品在水蒸氣中“濕式退火”（如圖 5 所示），發(fā)現(xiàn)鎳膜下的金剛石被選擇性蝕刻，其他位置沒有蝕刻，在 1 000 ℃條件下實現(xiàn)了約8.7 μm/min的金剛石蝕刻速率。

       在此基礎上，Sakauchi提出了將碳固溶體轉(zhuǎn)變成鎳來平滑SCD表面的方法，通過多次實驗，確定了兩步退火處理實現(xiàn)金剛石表面平整化的工藝。先在1 150 °C下退火4 h，利用高蝕刻速率去除損傷層和不規(guī)則性表面，隨后在 900 °C下退火 4 h以使金剛石表面變平。此外，在分別對機械拋光和兩步退火處理后的金剛石表面用氫等離子刻蝕后，發(fā)現(xiàn)機械拋光的表面出現(xiàn)了特征性的線性缺陷，而在兩步退火樣品上沒有觀察到，這表明所提出的方法有效地去除了襯底內(nèi)部的缺陷，如亞表面位錯。Zhang[19]用鐵水侵蝕拋光（MIEP）CVD多晶金剛石，實現(xiàn)了金剛石表面粗糙度的快速改善和平整化（如圖 6 所示），處理前多晶金剛石片呈現(xiàn)不透明的黑色薄膜狀，金剛石表面晶粒直徑在50~300 μm，而經(jīng)MIEP 10 s后金剛石片變得透明，表面大晶粒消失，變得平整，多晶金剛石晶片的厚度從 1.05 mm 減小到 0.92 mm，表面粗糙度從30.85 μm降至5.2 μm。

       2.2 TCP的缺點

       TCP 雖能實現(xiàn)快速減薄和獲得無損傷、平整度較高的表面，但難以實現(xiàn)大尺寸原子級的光滑表面。Sakauchi的實驗表明，經(jīng)過“碳固溶鎳”工藝處理，雖然能得到平整和無損傷的表面，但其大尺寸超光滑的表面難以實現(xiàn)，其局部 0.6 nm（測量區(qū)域 300nm×300 nm）的粗糙度遠遠難以滿足目前大尺寸應用的要求。Zhang的實驗也表明，MIEP 雖然能在10 s 內(nèi)將粗糙度迅速降低約 27 μm，但要想獲得更好的表面質(zhì)量，還需與MP技術相結(jié)合，才能使MIEP處理后粗糙度由5.2 μm的降低至平均14 nm。

       與 MP 相比，TCP 具有較高的材料去除率，能顯著降低表面損傷，提高表面平整度。但光滑表面受溫度、壓力、真空環(huán)境、晶體取向和催化金屬板的影響，難以得到高的表面質(zhì)量，且由于一般需要在真空和高溫下進行，設備復雜、成本高，操作難度大，難以精確控制加熱溫度，使樣品表面均勻受熱。因此，對熱化學拋光來說，復雜的設備及操作環(huán)境導致其用范圍一般較為有限。