化学机械抛光，金刚石衬底材料高效制造的超精密武器

 近些年来，化学气相沉积（CVD）单晶金刚石在电子学领域的应用令人瞩目，这得益于CVD单晶金刚石在生长技术和半导体掺杂技术上的进展。一直以来，成熟的衬底加工技术是半导体材料得以应用的基础，其中超精密抛光作为晶圆衬底加工的最后一道工序，直接决定了晶圆表面粗糙度和亚表面损伤程度。 目前，金刚石抛光技术主要有机械抛光、热化学抛光、激光抛光和化学机械抛光等，其中化学机械抛光（chemical mechanical polishing，CMP）具有设备运行成本低、工艺简单、抛光后表面损伤小等优点，在金刚石抛光领域逐渐受到重视。 化学机械抛光 化学机械抛光（CMP）是一种超精密抛光的加工方法，通过在机械抛光过程中加入氧化剂，氧化碳原子提高抛光速率，是一种利用机械与化学氧化协同作用来实现工件表面平坦化的技术。相比于机械抛光，化学机械抛光对金刚石的损伤更小，常用于CVD单晶和多晶金刚石膜的研究。 化学机械抛光装置示意图 在化学机械抛光过程中，氧化剂扮演着至关重要的角色，早期以高温熔融盐作为氧化剂进行抛光。KNO3、NaNO3、LiNO3、KMnO4、K2FeO4、KIO4、K2Cr2O7 和H2O2是常用的氧化剂，其中部分氧化剂需较高的工作温度以达到熔点，如KNO3熔点为334℃、NaNO3熔点为307℃。H2O2是一种强氧化剂，使用H2O2溶液作为抛光液，在室温下进行化学机械抛光后，可得到原子级光滑的表面。 H2O2及其混合物化学机械抛光 为了进一步提高抛光效率，使金刚石表面均匀光滑，混合氧化剂走进了大众视野，其中，H2O2及其混合物组成的抛光液成为了金刚石化学抛光的主要选择。例如，先用铁板对金刚石样品抛光2小时，通过热化学抛光，快速去除金刚石表面划痕和损伤，再用铁板在H2O2溶液中对金刚石样品抛光3小时，可得到晶体有序的超光滑表面。 该过程基于芬顿（Fenton）反应抛光金刚石，将铁浸入H2O2溶液中，生成亚铁离子（Fe2+），Fe2+与 H2O2反应生成具有强氧化性的•OH，反应过程如下： Fe2+ + H2O2→•OH+OH−+Fe3+ Fenton试剂抛光金刚石材料去除原理 光催化辅助化学机械抛光 金刚石的带隙能为5.45eV，可以在波长小于225nm的紫外照射下激发产生空穴和电子对，并立即与大气中的氧和水分子结合，成键反应产生大量的O原子和•OH，使金刚石表面氧化。基于这一理论，研究人员提出了光催化辅助化学机械抛光法（PCMP）。 该方法用紫外光（UV）辐照抛光单晶金刚石，用石英抛光盘对单晶金刚石进行抛光，紫外光可以透过石英抛光盘照射在金刚石表面。光催化辅助化学机械抛光可提高金刚石表面质量，达到纳米级粗糙度。但相比传统的化学机械抛光技术，设备复杂度较高，无法满足大规模生产的需求，需要进一步地研究和优化，以提高其实际应用能力。 高速水平主轴紫外线抛光机 原子级去除机理 目前，随着研究的不断深入，对化学机械抛光材料去除机理的研究从宏观量级转向分子量级。在微观量级尺度上研究化学机械抛光机理的方法有分子动力学仿真、ReaxFF方法等。 分子动力学( molecular dynamics, MD) 模拟可以通过高时间和空间分辨率可视化材料去除的细节，是一种适合研究原子级材料去除机理的方法。分子动力学模拟方法是一种包含例如几何、速度和力等内在信息的综合物理模型，这些可以用来推导化学机械抛光中原子运动轨迹、温度和应力等。因此，分子动力学对于研究金刚石化学机械抛光的机理有着重要的意义。 金刚石晶体机械抛光MD模型 众多研究表明，MD可以优化金刚石化学机械抛光工艺参数，为金刚石的化学机械抛光提供理论支持。 结语与展望 当前，金刚石正以每年数亿美元的市场规模扩大应用范围，表面质量是影响其应用的重要因素。化学机械抛光具有较高去除率、高表面质量、低加工成本等优势,是一种高效的抛光方法，尤其是H2O2及相关加工方法的使用，不仅使金刚石表面粗糙度达到亚纳米级，可以获得超光滑且低损伤的表面，而且降低了化学污染。 在材料去除机理方面，金刚石化学机械抛光的的理论研究尚未形成广泛共识。一般认为，在化学机械抛光过程中，材料去除是依靠化学氧化与机械划擦的共同作用。从分子动力学模拟角度研究化学机械抛光的材料去除机理，可以获知金刚石在原子尺度上的摩擦、能量消耗等行为，为实现大面积、原子级精度金刚石衬底材料的制造提供理论基础。