中國粉體網(wǎng)訊  金剛石作為一種寬帶隙半導體材料，具有許多優(yōu)異的物理化學性質：高達5.5eV的超寬禁帶寬度，遠高于GaN、SiC等寬禁帶半導體材料的禁帶寬度；低的介電常數(shù)和摩擦因數(shù)；高的載流子遷移率、電子漂移速度和熱導率。這些獨特的性質使得金剛石被應用在眾多高能量密度領域，未來將擁有極大的發(fā)展前景。

金剛石及其他第三代半導體應用前景

目前歐美日等發(fā)達國家和地區(qū)已經對金剛石半導體相關領域展開深入研究，并取得重要進展，已研制出多種高功率、耐高溫和抗輻射的半導體器件，如肖特基二極管、場效應晶體管、深紫外探測器等。但目前金剛石器件的大規(guī)模應用還面臨著一些挑戰(zhàn)，尤其是制備大尺寸、無位錯、低電阻率的單晶金剛石襯底。

拋光技術在制備高質量單晶金剛石襯底中發(fā)揮重要的作用，其中主要包括兩個方面：其一，拋光可以用于制備CVD法同質外延生長單晶金剛石的籽晶，籽晶的表面質量將直接影響單晶金剛石的生長質量；其二，拋光可用于制備高質量單晶金剛石襯底。在生長得到CVD單晶金剛石之后，其表面通常會產生許多缺陷，所以對其進行平坦化拋光是非常必要的。

目前，金剛石的表面拋光技術主要有機械拋光、熱化學拋光、激光拋光、等離子體輔助拋光和化學機械拋光等。

金剛石材料及其拋光方法

機械拋光（MP）

機械拋光是利用金剛石與高速旋轉的拋光盤（鑄鐵盤、砂輪盤）相互摩擦產生脆性斷裂去除表面材料的拋光工藝，同時，由于高速旋轉的拋光盤與金剛石摩擦會產生高溫，而高溫提供了“硬”的金剛石相向“軟”的石墨相轉變的驅動力，通過利用微切削與石墨化相結合的原理實現(xiàn)金剛石的拋光。

MP原理示意圖

優(yōu)點：設備原理簡單、操作方便、效率高、適合大規(guī)模生產等特點，能實現(xiàn)較為光滑和平整的表面，且對于粗、中、精拋光都適用。

缺點：高速摩擦中產生的高溫會對拋光盤產生損傷，進而影響拋光的表面質量；還會對金剛石產生亞表面損傷，且受拋光盤平整度與壓力的影響，金剛石表面易產生劃痕或裂紋，邊緣易破裂。

熱化學拋光（TCP）

熱化學拋光是以碳原子在熱金屬中的擴散、金剛石轉化為石墨和金剛石的氧化為基礎的拋光技術。

TCP裝置

優(yōu)點：對樣品幾乎無壓力，無高轉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。

缺點：由于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。

化學機械拋光（CMP）

化學機械拋光通過在機械拋光過程中加入氧化劑，氧化碳原子提高拋光速率，是一種利用機械與化學氧化協(xié)同作用來實現(xiàn)工件表面平坦化的技術。

CMP裝置

優(yōu)點：具有表面平整性好、粗糙度低、損傷小的特點，不僅適用于金剛石，還能處理其他硬質材料。

缺點：加工過程極為耗時，尤其在要求高精度和高質量的表面時，需要多次進行工藝的調整優(yōu)化；其次高端拋光液目前還難以實現(xiàn)國產化，如何實現(xiàn)拋光液的管理回收也是需要考慮的現(xiàn)實問題。

等離子體刻蝕拋光（PEP）

等離子體刻蝕拋光是利用將氣體（如氬氣、氧氣、氮氣等）電離形成等離子體，從而與材料表面相互作用來去除表面微小層次的物質，進而達到拋光的目的。

PEP拋光原理示意圖

優(yōu)點：PEP的非接觸式處理方式避免了機械磨損、摩擦引起的表面損傷，能夠精確地去除表面微小顆粒，適用于精密的表面拋光，具有高精度、高均勻性及適應多種材料的特點。

缺點：設備復雜，成本較高，工藝控制難度大，難以控制等離子體的均勻性和強度，易造成表面殘留物，且受腔體尺寸限制，拋光金剛石的尺寸不能太大。

激光拋光（LP）

激光加工是目前金剛石的主流加工方法，相較于傳統(tǒng)的機械加工形式，激光加工精度高、效率高、普適性強，因而在金剛石切割、微孔成型、微槽道加工及平整化等方面均得到廣泛應用。激光加工技術屬于非接觸式加工，能夠對曲面進行處理，不僅加工效率高，還能夠實現(xiàn)對各種硬質材料的高質量加工。因此，激光拋光可以用于對金剛石薄膜的拋光。通過激光束照射到金剛石厚膜表面，使金剛石膜表面溫度升高，進而使被加熱的金剛石表面碳原子氣化和石墨化，達到去除材料的目的。

LP設備示意圖

優(yōu)點：效率高、不受復雜形面限制、可實現(xiàn)特定區(qū)域的拋光和切割等優(yōu)點。

缺點：激光加工過程中，表面局部區(qū)域過熱會造成熱損傷，且由于受激光能量、角度與樣品質量的影響，需要精確控制激光參數(shù)才能減少表面的石墨殘留。

小結

金剛石拋光技術在現(xiàn)代工業(yè)中扮演著至關重要的角色。隨著科技的不斷進步，拋光技術也在不斷演變，從傳統(tǒng)的機械拋光到化學機械拋光，再到新興的等離子體和激光輔助拋光技術，每一次創(chuàng)新都推動著加工精度的提升和效率的提高。隨著對材料表面質量的要求越來越高，采用兩種或多種技術的混合搭配拋光或許是金剛石拋光技術未來的發(fā)展趨勢，同時，人工智能和自動化技術的引入，也將為拋光工藝的優(yōu)化和智能化提供新的可能性。

參考來源：

1.趙智炎等：基于激光復合技術的金剛石拋光研究

2.溫海浪等：大尺寸單晶金剛石襯底拋光技術研究現(xiàn)狀與展望

3.安康等：金剛石化學機械拋光研究進展

4.劉帥偉等：金剛石半導體襯底研磨拋光技術研究現(xiàn)狀及展望

5.葉盛等：激光技術在金剛石加工中的研究及應用進展

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/石語）

注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權請告知刪除！