摘要：隨著半導(dǎo)體電子器件的集成化與小型化發(fā)展，金剛石優(yōu)異的熱導(dǎo)性、電導(dǎo)性成為制備半導(dǎo)體襯底的理想材料。為了滿足半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)電子器件高精度和高可靠性能的要求，需對(duì)金剛石表面進(jìn)行拋光處理。然而，金剛石高硬度、高耐磨性、高化學(xué)惰性的特點(diǎn)，使金剛石的加工面臨諸多困難，現(xiàn)有的金剛石拋光技術(shù)都有一定的自身優(yōu)勢(shì)和不足，急需一種在保證效率的情況下，同時(shí)獲得光滑、平整、低損傷的金剛石表面拋光技術(shù)。因此，本文對(duì)金剛石拋光技術(shù)的國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了梳理，總結(jié)了機(jī)械拋光、熱化學(xué)拋光、化學(xué)機(jī)械拋光、等離子體刻蝕拋光、激光拋光等技術(shù)的原理與優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)未來(lái)金剛石拋光技術(shù)來(lái)說(shuō)，應(yīng)朝著多種技術(shù)相互搭配以及智能化、精密化、環(huán)保化的方向發(fā)展，進(jìn)而拓展金剛石材料的應(yīng)用范圍。
       關(guān)鍵詞：金剛石；半導(dǎo)體；拋光技術(shù)；表面粗糙度；材料去除率；平整度
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       近年來(lái)，隨著5G、人工智能領(lǐng)域的飛速發(fā)展，其內(nèi)部電子器件越來(lái)越朝著精密化、集成化、小型化發(fā)展。電子器件不斷變小，電路運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量累積會(huì)影響電子器件的運(yùn)行，甚至造成損害，如何解決其散熱問(wèn)題，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行越來(lái)越重要。常溫下，金剛石的熱導(dǎo)率＞2 000 Wm-1K-1，具有優(yōu)異的介電性能以及較低的熱膨脹系數(shù)等（如表1所示），是制造半導(dǎo)體器件理想的散熱材料。但由于金剛石在生長(zhǎng)過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生厚度不均勻、晶體取向隨機(jī)、高內(nèi)應(yīng)力的粗糙表面等問(wèn)題，且金剛石材料的高硬度、高耐磨性、高化學(xué)惰性等特點(diǎn)，使得金剛石的加工極其困難。因此，與金剛石相關(guān)的拋光技術(shù)和設(shè)備一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

       目前已經(jīng)開發(fā)了多種拋光技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)金剛石表面光滑、平整、低損傷的要求。常用的方法有機(jī)械拋光（Mechanical polishing，MP）、熱化學(xué)拋光（Thermo - chemical polishing，TCP）、化學(xué)機(jī)械拋光（Chemical mechanical polishing，CMP）、等離子體刻蝕拋光（Plasma etching polishing，PEP）、激光拋光（Laser polishing，LP）等。但上述方法都有各自的局限性，尚未有能同時(shí)兼具高效率與高表面質(zhì)量的拋光技術(shù)出現(xiàn)，是目前工業(yè)上亟需解決的問(wèn)題。
       因此，本文以當(dāng)前金剛石拋光技術(shù)為基礎(chǔ)，從每種拋光技術(shù)的設(shè)備、原理、拋光效率、表面質(zhì)量等方面入手，總結(jié)了各種拋光技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和不足，展望了未來(lái)金剛石半導(dǎo)體襯底拋光技術(shù)的發(fā)展方向。
       1、機(jī)械拋光（MP）

       機(jī)械拋光是利用金剛石與高速旋轉(zhuǎn)的拋光盤（鑄鐵盤、砂輪盤）相互摩擦產(chǎn)生脆性斷裂去除表面材料的拋光工藝，同時(shí)，由于高速旋轉(zhuǎn)的拋光盤與金剛石摩擦?xí)a(chǎn)生高溫，而高溫提供了“硬”的金剛石相向“軟”的石墨相轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)利用微切削與石墨化相結(jié)合的原理實(shí)現(xiàn)了金剛石的拋光。材料去除原理與拋光前后樣品表面的 SEM 圖像如圖 1所示。

       1920 年，Tolkowshy[4]提出金剛石材料的去除是在微尺度上的脆性斷裂。Zong通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬了各向異性對(duì)材料去除率的影響，發(fā)現(xiàn)在機(jī)械拋光過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生一定程度的晶格畸變，從而在表面產(chǎn)生非晶層，且去除率強(qiáng)烈依賴于sp2雜化和非晶 sp3結(jié)構(gòu)的比例。在“硬”方向上，非晶sp3轉(zhuǎn)變?yōu)閟p2的相變困難，因此 sp2與非晶 sp3的比例較低，導(dǎo)致去除率較小。而在“軟”方向上，非晶 sp3向sp2的相變阻力較小，因此sp2與非晶sp3的比例較高，從而產(chǎn)生較大的去除率，如圖2所示。劉帥偉也在研究金剛石拋光過(guò)程的材料去除機(jī)制中發(fā)現(xiàn)，金剛石會(huì)在機(jī)械作用下使表面發(fā)生從 sp3到sp2結(jié)構(gòu)的相變，在表面形成相變層，而相變層在機(jī)械和氧氣的作用下可以更容易被去除。

      1.1 MP的優(yōu)點(diǎn)
       MP因其設(shè)備原理簡(jiǎn)單，由高速電機(jī)和拋光盤兩部分組成，因此可以通過(guò)改進(jìn)拋光盤或提高電機(jī)穩(wěn)定性來(lái)提升拋光質(zhì)量。Xu等通過(guò)在剛玉砂輪中加入鐵來(lái)制備砂輪，在磨削速度提升至 500 r/min 時(shí)，去除率達(dá) 70.32 μm/h，獲得了平整的金剛石表面。Kubota 等用裝有微米級(jí)金剛石磨粒的拋光盤對(duì)單晶金剛石（single-crystal diamond，SCD）進(jìn)行機(jī)械拋光，獲得了 Ra為 0.1 nm 的光滑金剛石表面。Huang等先利用磨削、刻蝕兩步工藝對(duì)金剛石表面進(jìn)行處理，隨后使用樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪進(jìn)行機(jī)械拋光，表面粗糙度從 1.79 nm 降至 0.315 nm，采用此種金剛石表面精密復(fù)合加工方法在2 inch（5.07 cm）多晶金剛石（polycrystalline diamond，PCD）上獲得了原子級(jí)光滑的表面。Lu等用Coborn PL5行星研磨機(jī)用陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪對(duì) PCD 進(jìn)行磨削，在 1.91mm×1.19 mm 和 30.0 μm×30.0 μm 范圍內(nèi)分別可達(dá)6.53 nm 和 0.548 nm 的表面粗糙度。Lu 等利用溶膠凝膠（Sol-gel，SG）技術(shù)制備一種半固定磨料拋光墊來(lái)拋光 SCD 的(111)面，表面粗糙度從 230.74 nm降低到 1.32 nm，獲得了光滑的金剛石表面，且由于SG 拋光的靈活性，SCD 的表面質(zhì)量有了很大的提高，拋光后沒有明顯的劃痕和納米級(jí)凹槽。
       1.2 MP的缺點(diǎn)
       在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，機(jī)械拋光往往會(huì)造成材料亞表面的損傷，對(duì)此，Zheng[12]采用高速三維動(dòng)態(tài)摩擦拋光（high -speed three - dimensional dynamic fric?tion polishing，3DM-DFP）對(duì) SCD 和 PCD 機(jī)械拋光產(chǎn)生的機(jī)械損傷進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)速的增加，亞表面缺陷開始形成并逐漸增加，當(dāng)速度從 12 m/s增加到60 m/s時(shí)，缺陷延伸到近10 μm深的區(qū)域，該缺陷區(qū)域由均勻的微解理區(qū)、過(guò)渡區(qū)和非晶化壓縮區(qū)3 層組成，如圖 3 所示。隨后，Liang通過(guò)對(duì) 3DMDFP 前后的 PCD 進(jìn)行原位微區(qū)分析，發(fā)現(xiàn)晶界區(qū)域的高度差是導(dǎo)致 PCD光滑表面變差的主要原因，而晶界區(qū)域的高度差是由與缺陷相關(guān)的熱膨脹系數(shù)不均勻造成的。

      MP作為目前一種成熟的表面加工技術(shù)，具有設(shè)備原理簡(jiǎn)單、操作方便、效率高、適合大規(guī)模生產(chǎn)等特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)較為光滑和平整的表面，且對(duì)于粗、中、精拋光都適用，因此成為目前主流的金剛石拋光方法。但 MP在大尺寸金剛石拋光方面仍存在一些問(wèn)題：一方面，高速摩擦中產(chǎn)生的高溫會(huì)對(duì)拋光盤產(chǎn)生損傷，進(jìn)而影響拋光的表面質(zhì)量；另一方面，在高速狀態(tài)下，MP 會(huì)對(duì)金剛石產(chǎn)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(chǎn)生劃痕或裂紋，邊緣易破裂。因此，對(duì)于要求高精度、低損傷的高端器件應(yīng)用來(lái)說(shuō)，還需結(jié)合其他精細(xì)化加工的方法（如化學(xué)機(jī)械拋光、等離體刻蝕拋光等）以獲得良好的表面質(zhì)量。