金刚石抛光的“烦恼”

中国粉体网讯  近日，天岳先进申请一项名为“一种金刚石用抛光液及金刚石衬底的抛光方法”，该专利是一种金刚石用抛光液及金刚石衬底的抛光方法，属于金刚石抛光技术领域。

抛光装置的结构示意图

1、负载；2、载样盘；3、金刚石衬底；4、抛光布；5、抛光盘；6、双氧水；7、混合容器；8、搅拌器；9、抛光液；10、泵

该申请的抛光液主要是由金刚石微粉、三价铁盐、双氧水和水组成。该抛光液中金刚石衬底所受压强较大，其是与抛光液中产生的羟基自由基的速度相匹配的，该压强和转速及流量与抛光液成分及补加的双氧水的量相互协同，从而实现对金刚石衬底的高效、稳定抛光，并提高批量化抛光的金刚石衬底的表面一致性，有利于金刚石衬底的工业化生产。

金刚石衬底：抛光技术“上大分”

近年来，在电动汽车和5G通信等新兴产业的推动下，以碳化硅和氮化镓为主的第三代半导体产业受到广泛关注，迎来飞速发展时期。而金刚石是下一代功率器件最有希望的候选材料，其禁带宽度(5.5eV)，热导率(2000 W/m·K)和击穿场强(>10 MV/cm)比碳化硅更高，并且具有稳定的化学特性和极强的抗辐照性能。

金刚石现已被应用在众多高能量密度领域，未来将拥有极大的发展前景。目前欧美日等发达国家和地区已经对金刚石半导体相关领域展开深入研究，并取得重要进展，已研制出多种高功率、耐高温和抗辐射的半导体器件，如肖特基二极管、场效应晶体管、深紫外探测器等。 

2英寸异质外延单晶金刚石自支撑衬底，来源：西安交大

而制备高质量单晶金刚石衬底是金刚石在半导体领域得以应用的前提，抛光技术将会在这一过程中发挥重要的作用，其中主要包括两个方面：其一，抛光可以用于制备CVD法同质外延生长单晶金刚石的籽晶，籽晶的表面质量将直接影响单晶金刚石的生长质量；其二，抛光可用于制备高质量单晶金刚石衬底，应用于半导体产业的衬底，不仅要求保持面型和纳米级的粗糙度，还要避免表面及亚表面损伤。因为器件层通过化学气相沉积生长，金刚石衬底的质量将直接影响外延层结晶质量。目前在生长得到CVD单晶金刚石之后，其表面通常会产生许多缺陷，如小丘、台阶等，所以对其进行平坦化抛光是非常必要的。 

由此可见，抛光技术在制备金刚石衬底中的重要性，尤其是大尺寸高质量的金刚石衬底。此外，相比其他应用，金刚石衬底应用要求表面及亚表面损伤更少，这对抛光提出了更高的要求。可这对“刚硬”的金刚石而言，不是一件容易的事情。

金刚石抛光的“烦恼”

金刚石作为一种具有极高硬度和硬脆特性的材料，广泛应用于各个领域。目前需要对金刚石晶体进行切割、研磨、抛光等工序才能够对金刚石进行工业化利用。金刚石表面的微小不平整和杂质会影响其光学和电子性能，由于金刚石的硬度极高，传统的抛光方法往往无法实现对金刚石表面的原子级粗糙度的控制，因此也极大地限制了金刚石的应用。化学机械抛光具有高精度、低损伤等优点，适合金刚石的精抛光，但金刚石极佳的化学稳定性大大降低了抛光效率。

目前一些研究人员采用芬顿试剂对硅、碳化硅、氮化镓等材料进行抛光，利用亚铁离子与双氧水的氧化性对材料表面进行氧化抛光，然而芬顿试剂中，亚铁离子与双氧水的氧化速度极快，将其用于金刚石衬底的抛光时：一是会使得反应初期氧化速度极快，使得抛光工艺无法与氧化速度匹配，无法实现均匀抛光；二是随着亚铁离子的急剧消耗，反应难以长时间维持，使得抛光难以有效进行。上述两种情况均使得金刚石衬底的表面不平整，抛光效果差，难以实现金刚石表面原子级粗糙度的控制。

此次，天岳先进提供的抛光方法解决了以上问题，该抛光液通过使用微溶于水的铁盐来实现铁源的供给，能够在双氧水的存在下实现羟基自由基的稳定供应，从而有效去除金刚石表面的杂质，实现对金刚石表面的原子级粗糙度的控制。

金刚石自身的耐氧化和超硬特性，使的金刚石的抛光过程是一个平衡化学氧化作用和机械磨削作用的复杂过程。随着科技的进步和工艺的创新，金刚石抛光技术正朝着更高效、更环保、更精准的方向发展。

来源：

国家知识产权局官网

温海浪等：大尺寸单晶金刚石衬底抛光技术研究现状与展望

（中国粉体网编辑整理/空青）

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