超硬材料网

       摘要：随着半导体电子器件的集成化与小型化发展，金刚石优异的热导性、电导性成为制备半导体衬底的理想材料。为了满足半导体行业对电子器件高精度和高可靠性能的要求，需对金刚石表面进行抛光处理。然而，金刚石高硬度、高耐磨性、高化学惰性的特点，使金刚石的加工面临诸多困难，现有的金刚石抛光技术都有一定的自身优势和不足，急需一种在保证效率的情况下，同时获得光滑、平整、低损伤的金刚石表面抛光技术。因此，本文对金刚石抛光技术的国内外相关文献进行了梳理，总结了机械抛光、热化学抛光、化学机械抛光、等离子体刻蚀抛光、激光抛光等技术的原理与优缺点，对未来金刚石抛光技术来说，应朝着多种技术相互搭配以及智能化、精密化、环保化的方向发展，进而拓展金刚石材料的应用范围。
       关键词：金刚石；半导体；抛光技术；表面粗糙度；材料去除率；平整度
————
       近年来，随着5G、人工智能领域的飞速发展，其内部电子器件越来越朝着精密化、集成化、小型化发展。电子器件不断变小，电路运行中产生的热量累积会影响电子器件的运行，甚至造成损害，如何解决其散热问题，保证系统的稳定运行越来越重要。常温下，金刚石的热导率＞2 000 Wm-1K-1，具有优异的介电性能以及较低的热膨胀系数等（如表1所示），是制造半导体器件理想的散热材料。但由于金刚石在生长过程中往往会产生厚度不均匀、晶体取向随机、高内应力的粗糙表面等问题，且金刚石材料的高硬度、高耐磨性、高化学惰性等特点，使得金刚石的加工极其困难。因此，与金刚石相关的抛光技术和设备一直是学术界和工业界关注的焦点。

       目前已经开发了多种抛光技术，以期实现金刚石表面光滑、平整、低损伤的要求。常用的方法有机械抛光（Mechanical polishing，MP）、热化学抛光（Thermo - chemical polishing，TCP）、化学机械抛光（Chemical mechanical polishing，CMP）、等离子体刻蚀抛光（Plasma etching polishing，PEP）、激光抛光（Laser polishing，LP）等。但上述方法都有各自的局限性，尚未有能同时兼具高效率与高表面质量的抛光技术出现，是目前工业上亟需解决的问题。
       因此，本文以当前金刚石抛光技术为基础，从每种抛光技术的设备、原理、抛光效率、表面质量等方面入手，总结了各种抛光技术的优点和不足，展望了未来金刚石半导体衬底抛光技术的发展方向。
       1、机械抛光（MP）

       机械抛光是利用金刚石与高速旋转的抛光盘（铸铁盘、砂轮盘）相互摩擦产生脆性断裂去除表面材料的抛光工艺，同时，由于高速旋转的抛光盘与金刚石摩擦会产生高温，而高温提供了“硬”的金刚石相向“软”的石墨相转变的驱动力，通过利用微切削与石墨化相结合的原理实现了金刚石的抛光。材料去除原理与抛光前后样品表面的 SEM 图像如图 1所示。

       1920 年，Tolkowshy[4]提出金刚石材料的去除是在微尺度上的脆性断裂。Zong通过分子动力学模拟了各向异性对材料去除率的影响，发现在机械抛光过程中不可避免地会产生一定程度的晶格畸变，从而在表面产生非晶层，且去除率强烈依赖于sp2杂化和非晶 sp3结构的比例。在“硬”方向上，非晶sp3转变为sp2的相变困难，因此 sp2与非晶 sp3的比例较低，导致去除率较小。而在“软”方向上，非晶 sp3向sp2的相变阻力较小，因此sp2与非晶sp3的比例较高，从而产生较大的去除率，如图2所示。刘帅伟也在研究金刚石抛光过程的材料去除机制中发现，金刚石会在机械作用下使表面发生从 sp3到sp2结构的相变，在表面形成相变层，而相变层在机械和氧气的作用下可以更容易被去除。

      1.1 MP的优点
       MP因其设备原理简单，由高速电机和抛光盘两部分组成，因此可以通过改进抛光盘或提高电机稳定性来提升抛光质量。Xu等通过在刚玉砂轮中加入铁来制备砂轮，在磨削速度提升至 500 r/min 时，去除率达 70.32 μm/h，获得了平整的金刚石表面。Kubota 等用装有微米级金刚石磨粒的抛光盘对单晶金刚石（single-crystal diamond，SCD）进行机械抛光，获得了 Ra为 0.1 nm 的光滑金刚石表面。Huang等先利用磨削、刻蚀两步工艺对金刚石表面进行处理，随后使用树脂结合剂金刚石砂轮进行机械抛光，表面粗糙度从 1.79 nm 降至 0.315 nm，采用此种金刚石表面精密复合加工方法在2 inch（5.07 cm）多晶金刚石（polycrystalline diamond，PCD）上获得了原子级光滑的表面。Lu等用Coborn PL5行星研磨机用陶瓷结合剂金刚石砂轮对 PCD 进行磨削，在 1.91mm×1.19 mm 和 30.0 μm×30.0 μm 范围内分别可达6.53 nm 和 0.548 nm 的表面粗糙度。Lu 等利用溶胶凝胶（Sol-gel，SG）技术制备一种半固定磨料抛光垫来抛光 SCD 的(111)面，表面粗糙度从 230.74 nm降低到 1.32 nm，获得了光滑的金刚石表面，且由于SG 抛光的灵活性，SCD 的表面质量有了很大的提高，抛光后没有明显的划痕和纳米级凹槽。
       1.2 MP的缺点
       在实际操作中发现，机械抛光往往会造成材料亚表面的损伤，对此，Zheng[12]采用高速三维动态摩擦抛光（high -speed three - dimensional dynamic fric⁃tion polishing，3DM-DFP）对 SCD 和 PCD 机械抛光产生的机械损伤进行了研究，发现随着转速的增加，亚表面缺陷开始形成并逐渐增加，当速度从 12 m/s增加到60 m/s时，缺陷延伸到近10 μm深的区域，该缺陷区域由均匀的微解理区、过渡区和非晶化压缩区3 层组成，如图 3 所示。随后，Liang通过对 3DMDFP 前后的 PCD 进行原位微区分析，发现晶界区域的高度差是导致 PCD光滑表面变差的主要原因，而晶界区域的高度差是由与缺陷相关的热膨胀系数不均匀造成的。

      MP作为目前一种成熟的表面加工技术，具有设备原理简单、操作方便、效率高、适合大规模生产等特点，能实现较为光滑和平整的表面，且对于粗、中、精抛光都适用，因此成为目前主流的金刚石抛光方法。但 MP在大尺寸金刚石抛光方面仍存在一些问题：一方面，高速摩擦中产生的高温会对抛光盘产生损伤，进而影响抛光的表面质量；另一方面，在高速状态下，MP 会对金刚石产生亚表面损伤，且受抛光盘平整度与压力的影响，金刚石表面易产生划痕或裂纹，边缘易破裂。因此，对于要求高精度、低损伤的高端器件应用来说，还需结合其他精细化加工的方法（如化学机械抛光、等离体刻蚀抛光等）以获得良好的表面质量。