摘要

       隨著半導體電子器件的集成化與小型化發展，金剛石優異的熱導性、電導性 成為制備半導體襯底的理想材料。為了滿足半導體行業對電子器件高精度和高可靠 性能的要求，需對金剛石表面進行拋光處(chu)理。然而，金剛(gang)(gang)石(shi)高(gao)(gao)硬度、高(gao)(gao)耐磨性、高(gao)(gao)化學 惰性的(de)(de)特點，使(shi)金剛(gang)(gang)石(shi)的(de)(de)加工面臨諸多困難，現有(you)的(de)(de)金剛(gang)(gang)石(shi)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)技術(shu)都(dou)有(you)一定的(de)(de)自身 優(you)勢和(he)不足，急需一種(zhong)在保(bao)(bao)證(zheng)效率(lv)的(de)(de)情況下，同時(shi)獲得光(guang)(guang)滑、平(ping)整、低(di)損傷的(de)(de)金剛(gang)(gang)石(shi)表 面拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)技術(shu)。因(yin)此，本文對金剛(gang)(gang)石(shi)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)技術(shu)的(de)(de)國內外相(xiang)關文獻進行了梳理，總結(jie)了機(ji) 械(xie)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)、熱化學拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)、化學機(ji)械(xie)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)、等離子(zi)體刻蝕拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)、激光(guang)(guang)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)等技術(shu)的(de)(de)原理與優(you) 缺點，對未來金剛(gang)(gang)石(shi)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)技術(shu)來說，應朝(chao)著(zhu)多種(zhong)技術(shu)相(xiang)互搭(da)配(pei)以及智能化、精密化、環 保(bao)(bao)化的(de)(de)方向發(fa)展(zhan)，進而拓展(zhan)金剛(gang)(gang)石(shi)材料的(de)(de)應用范圍。

       近年來(lai)，隨著5G、人工智能領域的(de)飛速(su)發展(zhan)，其 內(nei)部電子(zi)器(qi)件(jian)(jian)越(yue)來(lai)越(yue)朝(chao)著精密(mi)化(hua)(hua)、集成(cheng)化(hua)(hua)、小型(xing)化(hua)(hua) 發展(zhan)。電子(zi)器(qi)件(jian)(jian)不斷變小，電路(lu)運(yun)(yun)行(xing)中(zhong)產(chan)生的(de)熱(re)(re)(re)量 累(lei)積會影響電子(zi)器(qi)件(jian)(jian)的(de)運(yun)(yun)行(xing)，甚至造成(cheng)損害，如何 解決其散(san)熱(re)(re)(re)問題，保證系(xi)統的(de)穩定(ding)運(yun)(yun)行(xing)越(yue)來(lai)越(yue)重要。 常溫下，金(jin)剛(gang)(gang)石的(de)熱(re)(re)(re)導率＞2 000 Wm-1K-1，具有優異 的(de)介電性(xing)能以及較低的(de)熱(re)(re)(re)膨脹(zhang)系(xi)數等(deng)（如表 1 所 示），是制造半導體器(qi)件(jian)(jian)理想(xiang)的(de)散(san)熱(re)(re)(re)材料。但由于金(jin) 剛(gang)(gang)石在生長過程中(zhong)往往會產(chan)生厚度不均勻、晶體取 向隨機、高內(nei)應力的(de)粗(cu)糙表面等(deng)問題，且金(jin)剛(gang)(gang)石材料 的(de)高硬(ying)度、高耐(nai)磨(mo)性(xing)、高化(hua)(hua)學惰性(xing)等(deng)特(te)點(dian)，使得金(jin)剛(gang)(gang)石的(de)加工極其困(kun)難。因(yin)此，與金(jin)剛(gang)(gang)石相關的(de)拋光(guang)技術(shu) 和設備一(yi)直是學術(shu)界(jie)和工業界(jie)關注(zhu)的(de)焦點(dian)。 

       目前已經開發(fa)了(le)多種(zhong)拋(pao)(pao)(pao)光技術，以(yi)期實現金(jin)(jin)剛(gang) 石表面(mian)(mian)光滑、平整(zheng)、低損傷的(de)(de)要求。常用的(de)(de)方(fang)法有 機械(xie)拋(pao)(pao)(pao)光（Mechanical polishing，MP）、熱化(hua)學拋(pao)(pao)(pao)光 （Thermo - chemical polishing，TCP）、化(hua)學機械(xie)拋(pao)(pao)(pao)光 （Chemical mechanical polishing，CMP）、等離子體刻 蝕拋(pao)(pao)(pao)光（Plasma etching polishing，PEP）、激(ji)光拋(pao)(pao)(pao)光 （Laser polishing，LP）等。但上述方(fang)法都有各自的(de)(de)局 限性，尚未有能同時兼具高效率(lv)與高表面(mian)(mian)質量的(de)(de)拋(pao)(pao)(pao) 光技術出(chu)現，是目前工業上亟(ji)需解(jie)決(jue)的(de)(de)問(wen)題。 進金(jin)(jin)剛(gang)石行業交流群，加(jia)VX：tuoke08。因此，本文以(yi)當前金(jin)(jin)剛(gang)石拋(pao)(pao)(pao)光技術為基礎，從每(mei) 種(zhong)拋(pao)(pao)(pao)光技術的(de)(de)設備(bei)、原理、拋(pao)(pao)(pao)光效率(lv)、表面(mian)(mian)質量等方(fang)面(mian)(mian)入手，總結(jie)了(le)各種(zhong)拋(pao)(pao)(pao)光技術的(de)(de)優(you)點(dian)和不(bu)足，展望(wang)了(le)未來金(jin)(jin)剛(gang)石半導體襯底拋(pao)(pao)(pao)光技術的(de)(de)發(fa)展方(fang)向。

       1 機械拋光

       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(pan)）相(xiang)(xiang)互摩擦產生脆性斷裂(lie)去除表面 材(cai)(cai)料(liao)的(de)拋光工藝，同時，由于高速旋(xuan)轉的(de)拋光盤(pan)與(yu)金 剛(gang)(gang)石(shi)摩擦會產生高溫(wen)，而(er)高溫(wen)提供了(le)“硬”的(de)金剛(gang)(gang)石(shi) 相(xiang)(xiang)向“軟”的(de)石(shi)墨(mo)相(xiang)(xiang)轉變(bian)的(de)驅動力，通過利用微切削(xue) 與(yu)石(shi)墨(mo)化(hua)相(xiang)(xiang)結合的(de)原理(li)實現(xian)了(le)金剛(gang)(gang)石(shi)的(de)拋光。材(cai)(cai)料(liao) 去除原理(li)與(yu)拋光前后樣品表面的(de) SEM 圖(tu)(tu)像如圖(tu)(tu) 1 所(suo)示。

       1920 年，Tolkowshy提出(chu)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)材(cai)料的(de)(de)(de)(de)去(qu)除(chu)(chu)是 在(zai)(zai)微尺度(du)上(shang)的(de)(de)(de)(de)脆性斷裂。Zong通過(guo)(guo)分子動力學模 擬了各(ge)向異性對(dui)材(cai)料去(qu)除(chu)(chu)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)(de)影(ying)響，發現在(zai)(zai)機(ji)械拋(pao) 光(guang)過(guo)(guo)程中不可避免地會產(chan)生(sheng)(sheng)一定(ding)程度(du)的(de)(de)(de)(de)晶(jing)格畸變(bian)， 從而(er)在(zai)(zai)表面(mian)產(chan)生(sheng)(sheng)非晶(jing)層(ceng)，且去(qu)除(chu)(chu)率(lv)(lv)強(qiang)烈依賴(lai)于sp2 雜 化和(he)(he)非晶(jing) sp3 結構(gou)的(de)(de)(de)(de)比例(li)。在(zai)(zai)“硬”方(fang)向上(shang)，非晶(jing) sp3 轉變(bian)為(wei) sp2 的(de)(de)(de)(de)相變(bian)困難，因(yin)此 sp2 與(yu)(yu)非晶(jing) sp3 的(de)(de)(de)(de)比例(li)較(jiao)(jiao)低，導致去(qu)除(chu)(chu)率(lv)(lv)較(jiao)(jiao)小。而(er)在(zai)(zai)“軟”方(fang)向上(shang)，非晶(jing) sp3 向 sp2 的(de)(de)(de)(de)相變(bian)阻力較(jiao)(jiao)小，因(yin)此sp2 與(yu)(yu)非晶(jing)sp3 的(de)(de)(de)(de)比例(li)較(jiao)(jiao)高， 從而(er)產(chan)生(sheng)(sheng)較(jiao)(jiao)大(da)的(de)(de)(de)(de)去(qu)除(chu)(chu)率(lv)(lv)，如(ru)圖2所示。劉帥偉(wei)也在(zai)(zai)研究(jiu)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)拋(pao)光(guang)過(guo)(guo)程的(de)(de)(de)(de)材(cai)料去(qu)除(chu)(chu)機(ji)制中發現，金(jin)(jin)剛(gang) 石(shi)會在(zai)(zai)機(ji)械作用下使表面(mian)發生(sheng)(sheng)從 sp3 到sp2 結構(gou)的(de)(de)(de)(de)相變(bian)，在(zai)(zai)表面(mian)形成相變(bian)層(ceng)，而(er)相變(bian)層(ceng)在(zai)(zai)機(ji)械和(he)(he)氧(yang)氣的(de)(de)(de)(de)作用下可以更容易被去(qu)除(chu)(chu)。

       1.1 MP的優點 

       MP因其設備原理簡單，由高速電機和拋光盤兩 部分組成，因此可以通過改進拋光盤或提高電機穩 定性來提升拋光質量。Xu等通過在剛玉砂輪中加 入鐵來制備砂輪，在磨削速度提升至 500 r/min 時， 去除率達 70.32 μm/h，獲得了平整的金剛石表面。 Kubota 等用裝有微米級金剛石磨粒的拋光盤對單晶金剛石（single-crystal diamond，SCD）進行機械拋 光，獲得了 Ra為 0.1 nm 的光滑金剛石表面。Huang 等先利用磨削、刻蝕兩步工藝對金剛石表面進行 處理，隨后使用樹脂結合劑金剛石砂輪進行機械拋 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 子級光滑的表面。Lu等用Coborn PL5行星研磨機 用陶瓷結合劑金剛石砂輪對 PCD 進行磨削，在 1.91 mm×1.19 mm 和 30.0 μm×30.0 μm 范圍內分別可達 6.53 nm 和 0.548 nm 的表面粗糙度。Lu 等利用溶 膠凝膠（Sol-gel，SG）技術制備一種半固定磨料拋光(guang) 墊來拋光(guang) SCD 的(de)(de)(111)面(mian)，表面(mian)粗(cu)糙度(du)從(cong) 230.74 nm 降低到(dao) 1.32 nm，獲得了(le)光(guang)滑的(de)(de)金剛石表面(mian)，且(qie)由(you)于 SG 拋光(guang)的(de)(de)靈活(huo)性，SCD 的(de)(de)表面(mian)質量有(you)了(le)很大的(de)(de)提 高，拋光(guang)后沒(mei)有(you)明顯(xian)的(de)(de)劃痕和納米級凹(ao)槽。 

       1.2 MP的缺點 

       在實際操作中發現(xian)，機(ji)械拋(pao)光(guang)往往會造(zao)成材(cai)料 亞表(biao)面(mian)的(de)(de)損傷，對此，Zheng采(cai)用高速三維動態摩 擦拋(pao)光(guang)（high -speed three - dimensional dynamic fric? tion polishing，3DM-DFP）對 SCD 和 PCD 機(ji)械拋(pao)光(guang)產 生的(de)(de)機(ji)械損傷進(jin)行(xing)了(le)研究，發現(xian)隨(sui)著轉速的(de)(de)增(zeng)加，亞 表(biao)面(mian)缺(que)陷(xian)開始形(xing)成并逐漸增(zeng)加，當速度(du)從 12 m/s增(zeng) 加到(dao)60 m/s時(shi)，缺(que)陷(xian)延伸到(dao)近(jin)10 μm深的(de)(de)區(qu)域，該缺(que) 陷(xian)區(qu)域由(you)均勻的(de)(de)微(wei)解理(li)區(qu)、過渡區(qu)和非(fei)晶化壓縮區(qu) 3 層組成，如圖 3 所示(shi)。隨(sui)后(hou)，Liang通過對 3DMDFP 前后(hou)的(de)(de) PCD 進(jin)行(xing)原位微(wei)區(qu)分析，發現(xian)晶界區(qu)域 的(de)(de)高度(du)差(cha)是(shi)導致 PCD光(guang)滑表(biao)面(mian)變差(cha)的(de)(de)主要(yao)原因，而晶界區(qu)域的(de)(de)高度(du)差(cha)是(shi)由(you)與缺(que)陷(xian)相關的(de)(de)熱膨脹系數不 均勻造(zao)成的(de)(de)。

       MP作為目(mu)前(qian)一(yi)種成熟(shu)的(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)加(jia)工(gong)技術，具有設 備原理(li)簡單、操作方(fang)便(bian)、效率(lv)高、適合(he)大(da)規模生(sheng)產(chan)等(deng) 特點，能實(shi)現(xian)較為光(guang)滑和平整(zheng)(zheng)的(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)，且對(dui)于粗、中、 精拋光(guang)都適用(yong)，因此(ci)成為目(mu)前(qian)主(zhu)流的(de)(de)金剛石拋光(guang)方(fang) 法。但 MP在大(da)尺寸金剛石拋光(guang)方(fang)面(mian)(mian)仍存在一(yi)些問 題：一(yi)方(fang)面(mian)(mian)，高速(su)(su)摩(mo)擦(ca)中產(chan)生(sheng)的(de)(de)高溫會對(dui)拋光(guang)盤產(chan)生(sheng) 損(sun)傷，進(jin)而影響(xiang)拋光(guang)的(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)質量；另一(yi)方(fang)面(mian)(mian)，在高速(su)(su) 狀態下，MP 會對(dui)金剛石產(chan)生(sheng)亞表(biao)面(mian)(mian)損(sun)傷，且受拋光(guang) 盤平整(zheng)(zheng)度與(yu)壓力的(de)(de)影響(xiang)，金剛石表(biao)面(mian)(mian)易(yi)(yi)產(chan)生(sheng)劃痕(hen)或(huo) 裂(lie)紋，邊(bian)緣易(yi)(yi)破(po)裂(lie)。因此(ci)，對(dui)于要求高精度、低損(sun)傷 的(de)(de)高端(duan)器件應(ying)用(yong)來(lai)說，還需(xu)結合(he)其他精細化加(jia)工(gong)的(de)(de) 方(fang)法（如化學機械(xie)拋光(guang)、等(deng)離體刻蝕拋光(guang)等(deng)）以(yi)獲得 良好(hao)的(de)(de)表(biao)面(mian)(mian)質量。

       2 熱化學拋光（TCP）

       Grodzinski在(zai)實驗中(zhong)(zhong)發(fa)現(xian)，把金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)石(shi)放置在(zai) 600 ℃至 1 800 ℃的(de)鐵(tie)、鎳(nie)等(deng)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)板上，金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)石(shi)的(de)接 觸(chu)面(mian)會溶解到(dao)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)中(zhong)(zhong)，使金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)石(shi)表面(mian)變得(de)平整，從(cong)而 提出(chu)了(le)熱金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)板輔助拋光(guang)(guang)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)石(shi)的(de)方法。Weima在(zai)用熱化學法拋光(guang)(guang) CVD 多晶金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)石(shi)薄膜(mo)過(guo)(guo)程中(zhong)(zhong)發(fa) 現(xian)了(le) 1 353 cm-1的(de)納米(mi)晶石(shi)墨、1 453 cm-1的(de)非(fei)晶態 碳(tan)(tan)和 1 580 cm-1的(de)微晶石(shi)墨等(deng)非(fei)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)石(shi)相。經過(guo)(guo)多 次(ci)實驗認為：TCP 的(de)機(ji)制(zhi)是金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)石(shi)與金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)板（如鐵(tie)、 錳、鈰(shi)及其合(he)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)）接觸(chu)發(fa)生(sheng)了(le)熱化學反應，高溫(wen)將金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin) 剛(gang)石(shi)轉化為非(fei)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)石(shi)碳(tan)(tan)，隨后(hou)碳(tan)(tan)溶解到(dao)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)屬(shu)板中(zhong)(zhong)。 溫(wen)度是決定哪種機(ji)制(zhi)起主導作用的(de)關(guan)鍵(jian)因(yin)素，高溫(wen) 下，金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)石(shi)轉化為非(fei)金(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)(jin)剛(gang)石(shi)碳(tan)(tan)是主要的(de)去(qu)除機(ji)制(zhi)，而 在(zai)較低溫(wen)度下，擴散速率(lv)比相變快得(de)多。設備(bei)示(shi)意 圖及拋光(guang)(guang)前后(hou)表面(mian)光(guang)(guang)學圖像如圖4所示(shi)。

       2.1 TCP的優點 

       因(yin)TCP是(shi)通(tong)過在(zai)高(gao)(gao)溫(wen)下催化金(jin)(jin)屬與金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)產生 化學發(fa)應來(lai)實(shi)(shi)現(xian)(xian)材料的(de)去(qu)除(chu)，對(dui)樣品(pin)幾乎無壓力，無 高(gao)(gao)轉(zhuan)速下對(dui)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)表(biao)面(mian)(mian)(mian)造成損(sun)傷(shang)(shang)，因(yin)此能獲(huo)(huo)得低損(sun) 傷(shang)(shang)、平(ping)整(zheng)(zheng)的(de)表(biao)面(mian)(mian)(mian)。Sun用固體和熔融稀土 Ce 處理(li) 金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)膜(mo)，發(fa)現(xian)(xian)當(dang)溫(wen)度大于 800 °C 時，金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)去(qu)除(chu)率(lv)高(gao)(gao)達數百微米，可在(zai)幾分鐘內獲(huo)(huo)得平(ping)整(zheng)(zheng)的(de)表(biao)面(mian)(mian)(mian)，實(shi)(shi) 現(xian)(xian)了(le)(le)(le) CVD 金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)膜(mo)的(de)有效粗(cu)拋(pao)光和減薄。Nagai通(tong)過把Ni鍍在(zai)SCD基底(di)上(shang)(shang)，然后(hou)將樣品(pin)在(zai)水蒸氣中 “濕式退火(huo)”（如圖 5 所(suo)示(shi)），發(fa)現(xian)(xian)鎳(nie)膜(mo)下的(de)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)被 選擇性(xing)蝕(shi)刻(ke)，其(qi)他位置(zhi)沒(mei)(mei)有蝕(shi)刻(ke)，在(zai) 1 000 ℃條件(jian)下 實(shi)(shi)現(xian)(xian)了(le)(le)(le)約8.7 μm/min的(de)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)蝕(shi)刻(ke)速率(lv)。在(zai)此基礎 上(shang)(shang)，Sakauchi提(ti)出(chu)了(le)(le)(le)將碳固溶體轉(zhuan)變(bian)成鎳(nie)來(lai)平(ping)滑 SCD表(biao)面(mian)(mian)(mian)的(de)方法，通(tong)過多(duo)次實(shi)(shi)驗，確定了(le)(le)(le)兩(liang)步退火(huo)處 理(li)實(shi)(shi)現(xian)(xian)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)表(biao)面(mian)(mian)(mian)平(ping)整(zheng)(zheng)化的(de)工藝(yi)。先在(zai)1 150 °C下 退火(huo)4 h，利用高(gao)(gao)蝕(shi)刻(ke)速率(lv)去(qu)除(chu)損(sun)傷(shang)(shang)層(ceng)和不規則性(xing)表(biao) 面(mian)(mian)(mian)，隨(sui)后(hou)在(zai) 900 °C下退火(huo) 4 h以使(shi)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)表(biao)面(mian)(mian)(mian)變(bian)平(ping)。 此外，在(zai)分別對(dui)機械(xie)拋(pao)光和兩(liang)步退火(huo)處理(li)后(hou)的(de)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang) 石(shi)(shi)(shi)表(biao)面(mian)(mian)(mian)用氫等離子刻(ke)蝕(shi)后(hou)，發(fa)現(xian)(xian)機械(xie)拋(pao)光的(de)表(biao)面(mian)(mian)(mian)出(chu) 現(xian)(xian)了(le)(le)(le)特征(zheng)性(xing)的(de)線(xian)性(xing)缺(que)陷(xian)，而在(zai)兩(liang)步退火(huo)樣品(pin)上(shang)(shang)沒(mei)(mei)有 觀察到，這(zhe)表(biao)明(ming)(ming)所(suo)提(ti)出(chu)的(de)方法有效地去(qu)除(chu)了(le)(le)(le)襯(chen)底(di)內 部的(de)缺(que)陷(xian)，如亞表(biao)面(mian)(mian)(mian)位錯。Zhang用鐵(tie)水侵蝕(shi)拋(pao)光 （MIEP）CVD多(duo)晶(jing)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)，實(shi)(shi)現(xian)(xian)了(le)(le)(le)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)表(biao)面(mian)(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度 的(de)快速改善和平(ping)整(zheng)(zheng)化（如圖 6 所(suo)示(shi)），處理(li)前多(duo)晶(jing)金(jin)(jin) 剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)片(pian)呈現(xian)(xian)不透(tou)明(ming)(ming)的(de)黑色薄膜(mo)狀(zhuang)，金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)表(biao)面(mian)(mian)(mian)晶(jing)粒 直徑在(zai)50~300 μm，而經MIEP 10 s后(hou)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)片(pian)變(bian)得 透(tou)明(ming)(ming)，表(biao)面(mian)(mian)(mian)大晶(jing)粒消失，變(bian)得平(ping)整(zheng)(zheng)，多(duo)晶(jing)金(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)晶(jing)片(pian) 的(de)厚(hou)度從 1.05 mm 減小到 0.92 mm，表(biao)面(mian)(mian)(mian)粗(cu)糙(cao)度從 30.85 μm降(jiang)至(zhi)5.2 μm。

       2.2 TCP的缺點 

       TCP 雖能(neng)(neng)實(shi)(shi)現(xian)快速(su)減薄和(he)獲得無(wu)損(sun)傷(shang)、平(ping)(ping)整度 較高的(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)面(mian)，但難以實(shi)(shi)現(xian)大尺(chi)(chi)寸原子級的(de)(de)(de)(de)光(guang)滑表(biao)(biao)(biao) 面(mian)。Sakauchi的(de)(de)(de)(de)實(shi)(shi)驗(yan)表(biao)(biao)(biao)明(ming)，經過“碳固溶鎳”工藝處 理(li)(li)，雖然能(neng)(neng)得到平(ping)(ping)整和(he)無(wu)損(sun)傷(shang)的(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)面(mian)，但其大尺(chi)(chi)寸超 光(guang)滑的(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)面(mian)難以實(shi)(shi)現(xian)，其局部(bu) 0.6 nm（測量(liang)區域(yu) 300 nm×300 nm）的(de)(de)(de)(de)粗糙度遠遠難以滿足目前大尺(chi)(chi)寸應(ying) 用的(de)(de)(de)(de)要求。Zhang的(de)(de)(de)(de)實(shi)(shi)驗(yan)也表(biao)(biao)(biao)明(ming)，MIEP 雖然能(neng)(neng)在 10 s 內將粗糙度迅速(su)降低約 27 μm，但要想獲得更(geng) 好(hao)的(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)面(mian)質(zhi)量(liang)，還需與MP技(ji)術相(xiang)結(jie)合，才能(neng)(neng)使(shi)MIEP 處理(li)(li)后粗糙度由5.2 μm的(de)(de)(de)(de)降低至平(ping)(ping)均14 nm。 

       與(yu) MP 相(xiang)比，TCP 具有較高的(de)材(cai)料去(qu)除率，能顯 著降低表(biao)面(mian)損傷，提高表(biao)面(mian)平整度。但光滑表(biao)面(mian)受(shou) 溫度、壓力(li)、真空環境、晶體取向(xiang)和(he)催化金屬板的(de)影 響，難(nan)以得(de)到高的(de)表(biao)面(mian)質量，且由于一般需要在真空 和(he)高溫下進(jin)行，設(she)備復雜、成本高，操作(zuo)難(nan)度大，難(nan)以 精(jing)確控(kong)制加熱溫度，使樣品表(biao)面(mian)均(jun)勻受(shou)熱。因此，對 熱化學拋光來(lai)說，復雜的(de)設(she)備及操作(zuo)環境導致其應 用(yong)范(fan)圍一般較為有限。

       3 化學機械拋光（CMP）

       在滿(man)足(zu)某(mou)些條件(jian)時，金剛石能與一些氣(qi)體(ti)、液體(ti) 或(huo)金屬氧化(hua)物(wu)發生(sheng)化(hua)學反應(ying)，使(shi)金剛石中的碳轉化(hua) 為(wei)氣(qi)體(ti)或(huo)其(qi)他物(wu)質，CMP正是利用(yong)機(ji)械研磨和氧化(hua) 劑（如(ru) NaNO3、H2O2等）的復合作用(yong)與金剛石發生(sheng)反 應(ying)來實現材料的去(qu)除，CMP設備示(shi)意圖及(ji)拋光前后(hou) 表(biao)面如(ru)圖7所示(shi)。

       Thornton發現，在傳統拋光盤上覆蓋一層硝酸 鉀氧化劑可以增強拋光效果。在此基礎上，研究人 員對不同氧化劑做了大量研究，認為氧化效應在CMP過程中起著重要作用。Thomas用SiO2拋光液 對納米金剛石薄膜拋光，認為CMP過程中金剛石表面被氧化，增加了金剛石表面羰基（雙鍵）和氫氧化 物（OH）的含量，而金剛石表面羥基化有助于SiO2顆 粒與金剛石表面相結合，進而在拋光墊的剪切力作 用下將C原子從金剛石表面拔除。Shi通過分子動 力學模擬在 OH 自由基環境下金剛石 CMP 過程，發 現純化學作用無法去除碳原子，OH 首先與金剛石 表面的碳原子發生化學吸附，形成 C-O、C-H 和 COH鍵；其次 C-O鍵激活相鄰的 C-C鍵，為后續材料 去除提供先決條件；最后在C-O或C-C鍵以及機械 滑動的作用下，碳原子脫離金剛石基體表面，如圖8 所示。Yuan用 H2O2溶液配合金剛石微粉模擬拋 光金剛石(shi)，得出了相似的(de)(de)去除機(ji)理(li)，認為金剛石(shi)表(biao)面(mian) 的(de)(de)羥基化(hua)在去除過程中起著雙重(zhong)作(zuo)用。由于氧化(hua)后(hou) 的(de)(de)金剛石(shi)結構(gou)被破壞(huai)，因此單(dan)鍵變(bian)弱，金剛石(shi)表(biao)面(mian)的(de)(de) 碳(tan)原子(zi)與磨(mo)料中的(de)(de)碳(tan)原子(zi)形成較強的(de)(de)單(dan)鍵，然后(hou)碳(tan) 原子(zi)由于磨(mo)料的(de)(de)機(ji)械(xie)作(zuo)用而(er)被帶(dai)走。

       3.1 CMP的優點 

       由于 CMP 是通過添(tian)加(jia)(jia)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)來(lai)與金(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)發(fa)生 化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)學反應，進(jin)而通過機械作用去(qu)除(chu)材(cai)(cai)料(liao)，因(yin)此 CMP 轉速(su)(su)不(bu)高，避免(mian)了高轉速(su)(su)對金(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)造成的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian) 損傷。Kühnle通過使用 NaNO3、KNO3作為氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji) 拋(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)金(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)，得到(dao)了沒有(you)(you)損傷層的(de)(de)原子(zi)級金(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)襯(chen) 底表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)，表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)可(ke)以達到(dao) 0.2 nm，證明了 CMP 技術(shu)降低表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)損傷的(de)(de)可(ke)行(xing)性。Yuan研究了 8種不(bu)同(tong)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)的(de)(de)影響，結果表(biao)(biao)明 K2FeO4和(he) KMnO4的(de)(de)拋(pao) 光(guang)(guang)(guang)(guang)效果最佳(jia)。并發(fa)現(xian)(xian)，在相同(tong)實驗參(can)數下，有(you)(you)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji) 時的(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)去(qu)除(chu)率比(bi)沒有(you)(you)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)時高，證實了氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji) 的(de)(de)存在加(jia)(jia)速(su)(su)了金(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)的(de)(de)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)學反應。通過對比(bi) MP和(he) CMP 拋(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)后的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)微觀形貌(mao)，發(fa)現(xian)(xian) MP 的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)具有(you)(you) 由磨粒引起的(de)(de)可(ke)見劃痕(hen)，而在CMP表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)上沒有(you)(you)觀察 到(dao)與磨粒相關的(de)(de)劃痕(hen)，如(ru)圖(tu) 9 所示。Yuan用雙氧(yang)(yang)(yang)(yang) 水作為拋(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)液(ye)，金(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)微粉作為磨粒，用鐵(tie)板拋(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang) SCD(100)面(mian)(mian)(mian) 3 h，表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)也未發(fa)現(xian)(xian)明顯的(de)(de)機械劃痕(hen)，粗(cu)(cu) 糙(cao)度(du)從(cong) 21 nm 降為 0.917 nm。Mandal將 3 種氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua) 劑(ji)(ji) ：H2O2、Fe(NO3)3 和(he) KMnO4，以 及 兩(liang) 種 還 原 劑(ji)(ji) ： C2H2O4 和(he) Na2S2O3，分別加(jia)(jia)入到(dao) SF1（堿性 SiO2 拋(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang) 液(ye)）中(zhong)，用聚氨酯(zhi)氈(zhan)對金(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)薄膜進(jin)行(xing)拋(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)，發(fa)現(xian)(xian)草 酸(suan)拋(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)速(su)(su)率最快，經 3 h 拋(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)，粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)從(cong) 25 nm 降至 1.8 nm，實現(xian)(xian)了納米級的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)粗(cu)(cu)糙(cao)度(du)。XPS 分析(xi)結 果如(ru)圖(tu)10所示，使用不(bu)同(tong)拋(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)液(ye)拋(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)樣品表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)氧(yang)(yang)(yang)(yang) 含量差異很小，這表(biao)(biao)明添(tian)加(jia)(jia)氧(yang)(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)劑(ji)(ji)、還原劑(ji)(ji)不(bu)會增加(jia)(jia) 金(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)含氧(yang)(yang)(yang)(yang)物質濃度(du)，而是加(jia)(jia)速(su)(su)了拋(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)液(ye)中(zhong) Si或O原子(zi)到(dao)金(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)表(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)的(de)(de)附著和(he)去(qu)除(chu)過程。

       3.2 CMP的缺點 

       由(you)于(yu)大多數(shu)氧(yang)化劑的(de)(de)(de)熔點溫度較高(gao)，在CMP時 需(xu)(xu)要對(dui)設備進行加熱，這增加了 CMP 操作的(de)(de)(de)復(fu)雜 性。雖然(ran) Kühnle用(yong) NaNO3、KNO3做(zuo)氧(yang)化劑拋(pao)(pao)(pao)光(guang)金 剛石(shi)獲得(de)了原(yuan)子級的(de)(de)(de)平整表面(mian)(mian)，但高(gao)溫下拋(pao)(pao)(pao)光(guang)液的(de)(de)(de)揮(hui)發除了會(hui)對(dui)人體造成傷害還會(hui)影(ying)響(xiang)表面(mian)(mian)質量，因 此未能得(de)到大規模的(de)(de)(de)應用(yong)。而 Yuan使用(yong) H2O2做(zuo) 氧(yang)化劑是(shi)目前(qian)最(zui)適用(yong)的(de)(de)(de)，但如何配制溶液比例、選用(yong) 何種(zhong)磨料制作拋(pao)(pao)(pao)光(guang)液才(cai)能達到最(zui)佳(jia)的(de)(de)(de)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)效(xiao)果，仍需(xu)(xu)大量的(de)(de)(de)實驗探索。其次在使用(yong)CMP時，往往需(xu)(xu)要 對(dui)樣品表面(mian)(mian)進行粗(cu)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)，只有(you)在良好的(de)(de)(de)初始表面(mian)(mian)下， CMP才(cai)能發揮(hui)最(zui)大的(de)(de)(de)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)效(xiao)果，這在Yuan和Man? dal實驗中可以(yi)看出，在經過粗(cu)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)獲得(de)一定(ding)的(de)(de)(de)表 面(mian)(mian)粗(cu)糙度后(hou)，短時間內(nei)就獲得(de)了光(guang)滑、平整、低損傷 的(de)(de)(de)表面(mian)(mian)。最(zui)后(hou)，目前(qian)常溫下氧(yang)化劑拋(pao)(pao)(pao)光(guang)液的(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)國 內(nei)并(bing)未取(qu)得(de)較大的(de)(de)(de)進展，雖然(ran) Yuan通過對(dui)比研(yan) 究(jiu)不同的(de)(de)(de)氧(yang)化劑拋(pao)(pao)(pao)光(guang)液對(dui)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)效(xiao)果的(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)，得(de)出 CMP對(dui)于(yu)CVD金剛石(shi)薄膜是(shi)有(you)效(xiao)的(de)(de)(de)，但并(bing)未針對(dui)拋(pao)(pao)(pao) 光(guang)液做(zuo)進一步的(de)(de)(de)深(shen)入研(yan)究(jiu)，且拋(pao)(pao)(pao)光(guang)液的(de)(de)(de)回收及處(chu)理(li) 也是(shi)需(xu)(xu)要解決的(de)(de)(de)問題。 

       CMP 作為目前(qian)能同(tong)時(shi)滿足光(guang)滑、平整(zheng)、低損(sun)傷的(de)(de)(de)技術(shu)，在(zai)半導體、光(guang)學原件和精密(mi)材料(liao)加(jia)工(gong)等領域具有重(zhong)要的(de)(de)(de)應(ying)用價值，具有表(biao)面平整(zheng)性好、粗糙度 低、損(sun)傷小的(de)(de)(de)特(te)點(dian)，不僅適用于金剛(gang)石，還(huan)(huan)能處理其(qi)(qi) 他(ta)硬質(zhi)材料(liao)。但CMP的(de)(de)(de)加(jia)工(gong)過(guo)程(cheng)極為耗時(shi)，尤其(qi)(qi)在(zai)要求高(gao)(gao)精度和高(gao)(gao)質(zhi)量的(de)(de)(de)表(biao)面時(shi)，需要多次(ci)進行(xing)工(gong)藝(yi) 的(de)(de)(de)調整(zheng)優化，為此Xiao針對CMP工(gong)藝(yi)（如(ru)拋(pao)光(guang)液氧化劑成分、拋(pao)光(guang)板材料(liao)和拋(pao)光(guang)參數）做了(le)細致闡(chan)述(shu)； 其(qi)(qi)次(ci)高(gao)(gao)端(duan)拋(pao)光(guang)液目前(qian)還(huan)(huan)難以實(shi)現國產(chan)化，如(ru)何實(shi)現 拋(pao)光(guang)液的(de)(de)(de)管理回收(shou)也(ye)是需要考慮的(de)(de)(de)現實(shi)問題。

       4 等離子體刻蝕拋光（PEP）

       隨(sui)著(zhu)離(li)子(zi)(zi)(zi)發(fa)生(sheng)設(she)備的快速發(fa)展，現如(ru)今出(chu)現了 很多基于離(li)子(zi)(zi)(zi)體(ti)加工金剛石的技(ji)術，如(ru)反應離(li)子(zi)(zi)(zi)刻蝕（reactive ion etching，RIE）、電感耦(ou)合等(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)(zi)體(ti)（in? ductively coupled plasma，ICP）、電子(zi)(zi)(zi)回(hui)旋共振（elec? tron cyclotron resonance，ECR）等(deng)(deng)，按照(zhao)其原理(li)可以統 歸為等(deng)(deng)離(li)體(ti)刻蝕拋(pao)光，是利(li)用將氣(qi)體(ti)（如(ru)氬氣(qi)、氧氣(qi)、 氮氣(qi)等(deng)(deng)）電離(li)形成(cheng)等(deng)(deng)離(li)子(zi)(zi)(zi)體(ti)，從而(er)與(yu)材料表面(mian)相(xiang)互作(zuo) 用來(lai)去除(chu)表面(mian)微小層(ceng)次的物質，進而(er)達到拋(pao)光的目(mu) 的，拋(pao)光原理(li)及拋(pao)光前后SEM圖像如(ru)圖11所(suo)示。 

       Ma通過 ECR 等離(li)(li)子體(ti)產(chan)生的(de)(de)氧離(li)(li)子和(he)不(bu)對 稱磁鏡場研(yan)究(jiu)金(jin)剛(gang)石薄膜(mo)的(de)(de)刻蝕機(ji)理認(ren)為：離(li)(li)子首(shou) 先采取螺旋運動，沿(yan)磁場線加速(su)，然后沿(yan)磁場向金(jin)剛(gang) 石薄膜(mo)偏(pian)轉(zhuan)；當(dang)進入德拜(bai)鞘層時(shi)，離(li)(li)子的(de)(de)運動將進一(yi)(yi) 步偏(pian)轉(zhuan)，并被(bei)垂直于晶面方向的(de)(de)電場強烈(lie)加速(su)，這(zhe)一(yi)(yi) 過程產(chan)生了朝(chao)向每個(111)晶面的(de)(de)高能離(li)(li)子轟擊(ji)，從 而導致金(jin)字塔形微晶的(de)(de)優(you)先蝕刻，如圖12所示。

        4.1 PEP的優點 

       PEP 的(de)(de)非接觸式處理方(fang)式避免了(le)機械磨損(sun)(sun)、摩(mo) 擦引起的(de)(de)表(biao)(biao)(biao)面(mian)損(sun)(sun)傷，能夠精確地去(qu)除表(biao)(biao)(biao)面(mian)微小(xiao)顆粒(li)， 適用于精密的(de)(de)表(biao)(biao)(biao)面(mian)拋(pao)光(guang)，具有高精度(du)、高均(jun)(jun)勻性及適 應多種材料的(de)(de)特(te)點。Hicks通過優化 RIE 工(gong)藝，采 用高分辨(bian)率(lv)X射(she)線衍射(she)（high resolution X-ray diffrac?tion，HRXRD）發(fa)現RIE可(ke)(ke)以去(qu)除金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)的(de)(de)亞表(biao)(biao)(biao)面(mian)拋(pao) 光(guang)損(sun)(sun)傷，如圖13所示。Lee研究ICP對金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)表(biao)(biao)(biao)面(mian) 的(de)(de)影響，發(fa)現氬氯（Ar/Cl2 ）等(deng)離子(zi)體刻(ke)(ke)蝕可(ke)(ke)以提高金(jin) 剛(gang)(gang)石(shi)(shi)表(biao)(biao)(biao)面(mian)的(de)(de)光(guang)滑(hua)度(du)，經過10 min處理后，金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)表(biao)(biao)(biao)面(mian) 粗(cu)糙度(du)均(jun)(jun)方(fang)根值（RMS）從 0.53 nm 下降到 0.19 nm， 通過用原子(zi)力顯微鏡（AFM）對表(biao)(biao)(biao)面(mian)質量和剖(pou)面(mian)特(te)征 進行表(biao)(biao)(biao)征，發(fa)現比使(shi)用Ar/O2等(deng)離子(zi)體蝕刻(ke)(ke)的(de)(de)表(biao)(biao)(biao)面(mian)質 量和輪廓更好。Wang通過使(shi)用 Ar/O2-Ar/Cl2/BCl3 兩步循環刻(ke)(ke)蝕工(gong)藝，消除了(le)刻(ke)(ke)蝕過程中在金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)表(biao)(biao)(biao) 面(mian)形成的(de)(de)“長草”現象，實現了(le)金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)(shi)柵(zha)槽的(de)(de)平(ping)滑(hua)刻(ke)(ke) 蝕，粗(cu)糙度(du)可(ke)(ke)達(da)0.367 nm。

       4.2 PEP的缺點 

       在(zai)PEP技(ji)(ji)術(shu)中，隨(sui)等離子(zi)體的(de)(de)氣(qi)(qi)(qi)體種類、功率和 氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)、處理時間、材料性質(zhi)(zhi)的(de)(de)不同，金剛(gang)石(shi)(shi)的(de)(de)去除(chu)率 和表(biao)(biao)面(mian)粗糙(cao)度也(ye)不同。Izak通過采用(yong) RIE 技(ji)(ji)術(shu)研 究工藝參數（氣(qi)(qi)(qi)壓(ya)、射(she)頻功率、氣(qi)(qi)(qi)體成分）對(dui)(dui) PCD 膜 刻蝕(shi)(shi)速率的(de)(de)影響，發現使(shi)用(yong) CF4氣(qi)(qi)(qi)體可(ke)以(yi)得到更平 坦的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)和橫向狀(zhuang)(zhuang)蝕(shi)(shi)刻，而使(shi)用(yong)純O2氣(qi)(qi)(qi)體則導致針 狀(zhuang)(zhuang)結構；當(dang)射(she)頻功率從 100 W增(zeng)(zeng)加到 500 W，蝕(shi)(shi)刻速 率從 5.4 μm/h 增(zeng)(zeng)加到 8.6 μm/h，但(dan)相對(dui)(dui)其他技(ji)(ji)術(shu)來 說(shuo)去除(chu)率仍舊(jiu)過低，且隨(sui)著(zhu)功率的(de)(de)增(zeng)(zeng)加，表(biao)(biao)面(mian)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)難 以(yi)保證。其次在(zai)使(shi)用(yong)PEP技(ji)(ji)術(shu)時會在(zai)金剛(gang)石(shi)(shi)表(biao)(biao)面(mian)形 成凹坑，也(ye)有(you)(you)石(shi)(shi)墨化(hua)(hua)現象出現，影響表(biao)(biao)面(mian)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)。與化(hua)(hua) 學機械(xie)拋(pao)光技(ji)(ji)術(shu)相似，進行 PEP 拋(pao)光處理的(de)(de)樣(yang)品對(dui)(dui) 初始表(biao)(biao)面(mian)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)有(you)(you)一定的(de)(de)要求，對(dui)(dui)于(yu)表(biao)(biao)面(mian)質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)很差的(de)(de) 樣(yang)品無法直接通過處理獲得高質(zhi)(zhi)量(liang)(liang)的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)。 

       PEP作(zuo)為一種結(jie)合等離(li)子(zi)體(ti)刻蝕(shi)技術的(de)(de)金剛(gang)石拋光(guang)(guang)方法，具有(you)不改變拋光(guang)(guang)材料(liao)物(wu)理或化學性質的(de)(de)優點，可進(jin)行高精度(du)的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)處理，適(shi)用于(yu)復雜形(xing)狀表(biao)(biao) 面(mian)加工(gong)(gong)，能在很小(xiao)的(de)(de)尺(chi)度(du)上去除(chu)(chu)脆硬材料(liao)，而且(qie)在消 除(chu)(chu)表(biao)(biao)面(mian)損(sun)傷方面(mian)表(biao)(biao)現(xian)出巨大(da)(da)潛力。但設備復雜，成本(ben)較高，工(gong)(gong)藝控制(zhi)難(nan)度(du)大(da)(da)，難(nan)以控制(zhi)等離(li)子(zi)體(ti)的(de)(de)均勻 性和強度(du)，易(yi)造成表(biao)(biao)面(mian)殘留物(wu)，且(qie)受腔體(ti)尺(chi)寸(cun)限(xian)制(zhi)， 拋光(guang)(guang)金剛(gang)石的(de)(de)尺(chi)寸(cun)不能太大(da)(da)。

       5 激光拋光（LP））

       LP是(shi)利用(yong)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)束照射(she)到金剛(gang)石(shi)(shi)(shi)表面，使(shi)金剛(gang)石(shi)(shi)(shi)局部(bu)區域產(chan)生(sheng)高(gao)溫，造成(cheng)金剛(gang)石(shi)(shi)(shi)表面產(chan)生(sheng)C的(de)(de)升華、 氣化(hua)和(he)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)化(hua)，從而達到拋(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)目的(de)(de)，設備示(shi)意圖(tu)及 拋(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)前(qian)后(hou)SEM圖(tu)像如(ru)圖(tu)14所示(shi)。 隨(sui)著激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)技術的(de)(de)發展，1986年Rothschild報道 了(le)金剛(gang)石(shi)(shi)(shi)的(de)(de)LP技術。Okuchi用(yong)3種類型(xing)的(de)(de)脈沖(chong)激(ji)(ji)(ji) 光(guang)(guang)(guang)(guang)器（納秒近(jin)紅外(wai)、納秒近(jin)紫外(wai)和(he)飛秒近(jin)紅外(wai)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang) 器）分(fen)(fen)析了(le)經過激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)加(jia)工(gong)后(hou)金剛(gang)石(shi)(shi)(shi)的(de)(de)表面性能，發現 激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)燒蝕去除(chu) PCD和(he) SCD的(de)(de)機理基本相(xiang)同，都是(shi)通(tong) 過激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)照射(she)金剛(gang)石(shi)(shi)(shi)表面使(shi)其石(shi)(shi)(shi)墨(mo)化(hua)，然后(hou)燒蝕去除(chu) 石(shi)(shi)(shi)墨(mo)層(ceng)(ceng)，與(yu)Liu使(shi)用(yong)紫外(wai)脈沖(chong)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)照射(she)對(dui)(dui)CVD金剛(gang) 石(shi)(shi)(shi)進行(xing)(xing)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)拋(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)機理相(xiang)似。并通(tong)過表面形貌(mao)分(fen)(fen)析 和(he)拉曼光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)對(dui)(dui)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)拋(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)物理過程進行(xing)(xing)實驗研(yan)究(jiu)， 發現隨(sui)著激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)掃描(miao)次(ci)數的(de)(de)增加(jia)，石(shi)(shi)(shi)墨(mo)化(hua)層(ceng)(ceng)的(de)(de)深度逐(zhu) 漸減小，并在(zai)40次(ci)掃描(miao)后(hou)石(shi)(shi)(shi)墨(mo)化(hua)層(ceng)(ceng)完(wan)全消(xiao)除(chu)，如(ru)圖(tu) 15所示(shi)。

       5.1 LP的優點 

       因LP提(ti)供的(de)(de)(de)能量高，可(ke)快速(su)(su)去除金剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)凸(tu)起(qi)晶粒，實(shi)現(xian)金剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)粗(cu)拋光(guang)(guang)，得到較為平整的(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)。Ozkan先用(yong) Nd-YAG 激(ji)光(guang)(guang)（λ=532 nm）去 除金剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)凸(tu)起(qi)大晶粒，使(shi)材(cai)(cai)料表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)(du)從 25 μm 降低到 5 μm，然(ran)后用(yong) ArF 準分(fen)子(zi)激(ji)光(guang)(guang)（λ=193 nm）進行(xing)精細拋光(guang)(guang)，50 s 內完成了 1 cm×1 cm×0.07 cm 表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)拋光(guang)(guang)，使(shi)最終表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)(du)≤1 μm。除此之(zhi) 外(wai)，因可(ke)以通過程(cheng)序預設拋光(guang)(guang)區(qu)域(yu)實(shi)現(xian)定(ding)(ding)點區(qu)域(yu)的(de)(de)(de) 拋光(guang)(guang)或切(qie)割(ge)，彌補了其他拋光(guang)(guang)技術(shu)只能對固定(ding)(ding)區(qu)域(yu) 拋光(guang)(guang)的(de)(de)(de)缺點，使(shi)LP技術(shu)在切(qie)割(ge)跟定(ding)(ding)點拋光(guang)(guang)方面(mian)(mian)得到 了大量應用(yong)。Wang通過用(yong) 248 nm 準分(fen)子(zi)激(ji)光(guang)(guang)定(ding)(ding) 點拋光(guang)(guang)金剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)薄(bo)膜(mo)，發(fa)現(xian)當激(ji)光(guang)(guang)能量和激(ji)光(guang)(guang)脈(mo)沖數(shu) 一(yi)定(ding)(ding)時，隨著(zhu)激(ji)光(guang)(guang)入射角(jiao)的(de)(de)(de)減小，拋光(guang)(guang)金剛(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)(de) 粗(cu)糙度(du)(du)先減小后增(zeng)大；在相(xiang)同的(de)(de)(de)激(ji)光(guang)(guang)入射角(jiao)度(du)(du)和激(ji) 光(guang)(guang)脈(mo)沖數(shu)下，拋光(guang)(guang)速(su)(su)率隨能量密度(du)(du)的(de)(de)(de)增(zeng)加(jia)而增(zeng)加(jia)。 Ogawa使(shi)用(yong)飛秒脈(mo)沖激(ji)光(guang)(guang)對 PCD 進行(xing)加(jia)工，發(fa)現(xian) 飛秒激(ji)光(guang)(guang)處理(li)的(de)(de)(de) PCD 表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)(du)明(ming)顯好(hao)于納秒激(ji) 光(guang)(guang)處理(li)的(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)，平均表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)粗(cu)糙度(du)(du)達(da) 0.022 μm，材(cai)(cai)料 去除速(su)(su)率達(da)0.004 mm3 /s，且幾(ji)乎(hu)沒有石(shi)(shi)(shi)墨化表(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)層(ceng)。 

       5.2 LP的缺點 

       LP涉及(ji)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)束光(guang)(guang)(guang)(guang)子到金剛(gang)(gang)石(shi)(shi)表面(mian)(mian)的(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)轉移， 因此受激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器的(de)波長(chang)(chang)、能(neng)(neng)量(liang)(liang)密(mi)度、脈(mo)(mo)沖(chong)長(chang)(chang)度、入射角 度以及(ji)掃描速度、輔助氣體類型(xing)和(he)(he)壓力(li)等(deng)影(ying)響，激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang) 束的(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)難以精準控制，往往會(hui)(hui)造成金剛(gang)(gang)石(shi)(shi)亞(ya)表面(mian)(mian) 的(de)損(sun)傷(shang)，嚴(yan)重時會(hui)(hui)將表面(mian)(mian)擊穿(chuan)，從而導致難以獲得(de)光(guang)(guang)(guang)(guang) 滑、低(di)損(sun)傷(shang)的(de)表面(mian)(mian)。此外，金剛(gang)(gang)石(shi)(shi)在(zai)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)束波長(chang)(chang)下的(de) 光(guang)(guang)(guang)(guang)譜吸收率、熱擴散率和(he)(he)純度（缺(que)陷(xian)和(he)(he)表面(mian)(mian)清潔度） 也會(hui)(hui)對(dui)拋光(guang)(guang)(guang)(guang)速率造成影(ying)響。對(dui)此 Kononenko提(ti)出 在(zai)金剛(gang)(gang)石(shi)(shi)表面(mian)(mian)上預先沉積不同的(de)吸收涂層（鈦、石(shi)(shi) 墨），來嘗試消(xiao)除激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)誘(you)導的(de)亞(ya)表面(mian)(mian)損(sun)傷(shang)，發(fa)現(xian)當(dang)金 剛(gang)(gang)石(shi)(shi)表面(mian)(mian)被10 ns激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)脈(mo)(mo)沖(chong)燒蝕(shi)時，兩種(zhong)涂層雖都(dou)能(neng)(neng) 降低(di)表面(mian)(mian)燒蝕(shi)閾值，避免了激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)對(dui)金剛(gang)(gang)石(shi)(shi)的(de)穿(chuan)透，但(dan) 難以獲得(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)滑、平(ping)整的(de)表面(mian)(mian)，如圖 16所(suo)示。Cui研究(jiu)了激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)強度對(dui) CVD 金剛(gang)(gang)石(shi)(shi)薄膜飛秒激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)拋光(guang)(guang)(guang)(guang)質(zhi) 量(liang)(liang)的(de)影(ying)響，發(fa)現(xian)在(zai)最佳激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)能(neng)(neng)量(liang)(liang)密(mi)度0.7 J/cm2 時，可 以燒蝕(shi)NCD薄膜頂部花(hua)椰(ye)菜狀的(de)納(na)米金剛(gang)(gang)石(shi)(shi)顆粒(li)， 平(ping)均表面(mian)(mian)粗糙度從 73.84 nm 降低(di)到 31.88 nm，降低(di) 了57%；當(dang)激(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)能(neng)(neng)量(liang)(liang)密(mi)度超過(guo)0.7 J/cm2 時，會(hui)(hui)形(xing)成大量(liang)(liang)的(de)無定形(xing)碳球和(he)(he)多孔熔(rong)巖狀形(xing)貌(mao)，導致NCD表面(mian)(mian)質(zhi)量(liang)(liang)變差。 

       LP 作為利(li)用激光(guang)(guang)(guang)束對材料進行表面處理(li)的技 術，具有效率高、不受(shou)復雜形面限制、可實現特(te)定區(qu) 域的拋光(guang)(guang)(guang)和切(qie)割(ge)等優點。但激光(guang)(guang)(guang)加工過程中，表面 局部區(qu)域過熱(re)會造成熱(re)損傷，且(qie)由于受(shou)激光(guang)(guang)(guang)能量(liang)、角 度與(yu)樣(yang)品質量(liang)的影響，需要(yao)精確控(kong)制激光(guang)(guang)(guang)參數才能 減少表面的石墨殘(can)留。綜合(he)來看(kan)，LP 適用于粗拋 光(guang)(guang)(guang)，將表面粗糙度迅(xun)速(su)降低，獲得一個較為平整的初 始表面，從(cong)而大大縮短精拋光(guang)(guang)(guang)時間(jian)。 

       表(biao)2對以上5種金剛石拋(pao)光(guang)方法(fa)，從(cong)設備成本(ben)、 拋(pao)光(guang)效(xiao)率(lv)(lv)(lv)、拋(pao)光(guang)質量(liang)(liang)、拋(pao)光(guang)機制和(he)優缺點(dian)方面(mian)進行了對比。可以發現(xian)，從(cong)設備成本(ben)來說(shuo)，TCP、PEP、LP最高，MP次(ci)之，CMP最低。從(cong)拋(pao)光(guang)效(xiao)率(lv)(lv)(lv)和(he)表(biao)面(mian)質量(liang)(liang)來說(shuo)，CMP、PEP能獲得(de)無(wu)損傷、低粗(cu)糙(cao)度的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)質量(liang)(liang)， 但(dan)拋(pao)光(guang)效(xiao)率(lv)(lv)(lv)較低；TCP、LP 的(de)(de)(de)拋(pao)光(guang)效(xiao)率(lv)(lv)(lv)高，但(dan)難以獲得(de)好的(de)(de)(de)表(biao)面(mian)質量(liang)(liang)；MP的(de)(de)(de)拋(pao)光(guang)效(xiao)率(lv)(lv)(lv)與表(biao)面(mian)質量(liang)(liang)適中， 但(dan)易造(zao)成表(biao)面(mian)損傷。另外，LP、PEP的(de)(de)(de)無(wu)接觸式拋(pao)光(guang)可以實現(xian)特定(ding)區域的(de)(de)(de)拋(pao)光(guang)，TCP、CMP、MP只能拋(pao)光(guang)樣品的(de)(de)(de)平面(mian)。

       6 結束語

       機(ji)(ji)械拋(pao)(pao)光(guang)(guang)、熱化學(xue)拋(pao)(pao)光(guang)(guang)、化學(xue)機(ji)(ji)械拋(pao)(pao)光(guang)(guang)、等離子(zi)(zi) 體刻蝕(shi)拋(pao)(pao)光(guang)(guang)、激光(guang)(guang)拋(pao)(pao)光(guang)(guang)等都有(you)各自獨特(te)的(de)特(te)點和局 限性，因此針對(dui)(dui)(dui)(dui)所需金(jin)剛(gang)石(shi)的(de)使用要求，選(xuan)擇合適的(de) 拋(pao)(pao)光(guang)(guang)技(ji)術(shu)尤為重要。隨著(zhu)金(jin)剛(gang)石(shi)在切割工(gong)具、聲學(xue) 和半導體中的(de)廣泛應用，要求高(gao)的(de)材料去(qu)除(chu)效率和 納米級、原子(zi)(zi)級的(de)表面(mian)粗糙度，這(zhe)(zhe)對(dui)(dui)(dui)(dui)現有(you)的(de)拋(pao)(pao)光(guang)(guang)技(ji)術(shu) 提出了新的(de)挑戰。并不是所有(you)開發的(de)拋(pao)(pao)光(guang)(guang)技(ji)術(shu)都能 滿足工(gong)業(ye)要求，有(you)些拋(pao)(pao)光(guang)(guang)技(ji)術(shu)只能實驗室條(tiao)件下完 成，無(wu)法大規模(mo)商業(ye)應用。分子(zi)(zi)動力學(xue)（MD）和量子(zi)(zi) 力學(xue)的(de)發展促(cu)進(jin)了對(dui)(dui)(dui)(dui)原子(zi)(zi)材料去(qu)除(chu)機(ji)(ji)理(li)的(de)分析，完 善(shan)了金(jin)剛(gang)石(shi)拋(pao)(pao)光(guang)(guang)的(de)理(li)論(lun)研究，特(te)別是可視化仿真(zhen)軟 件的(de)快速發展使得(de)金(jin)剛(gang)石(shi)拋(pao)(pao)光(guang)(guang)過(guo)程中的(de)原子(zi)(zi)演化成 為可能，這(zhe)(zhe)促(cu)進(jin)了對(dui)(dui)(dui)(dui)材料去(qu)除(chu)機(ji)(ji)制(zhi)的(de)深入理(li)解，也對(dui)(dui)(dui)(dui) 拋(pao)(pao)光(guang)(guang)技(ji)術(shu)的(de)改(gai)進(jin)和提升(sheng)起到(dao)了巨(ju)大的(de)幫助(zhu)。

       未(wei)來(lai)，拋光技(ji)術的(de)發展可從以(yi)下(xia)幾點(dian)考慮： 

       1）多(duo)種拋光(guang)(guang)(guang)(guang)技術(shu)(shu)搭配(pei)(pei)。目(mu)前用一(yi)種拋光(guang)(guang)(guang)(guang)技術(shu)(shu)很(hen) 難同時實現高效(xiao)(xiao)率和高質量(liang)的(de)拋光(guang)(guang)(guang)(guang)表(biao)面(mian)，可(ke)先用去除材(cai)料率高的(de)技術(shu)(shu)進行粗拋光(guang)(guang)(guang)(guang)，再用獲得(de)高表(biao)面(mian)質 量(liang)的(de)技術(shu)(shu)進行精拋光(guang)(guang)(guang)(guang)。采用兩種或多(duo)種技術(shu)(shu)的(de)混合 搭配(pei)(pei)拋光(guang)(guang)(guang)(guang)來(lai)實現高效(xiao)(xiao)率、高質量(liang)的(de)拋光(guang)(guang)(guang)(guang)表(biao)面(mian)是金(jin)剛 石(shi)拋光(guang)(guang)(guang)(guang)技術(shu)(shu)未來(lai)的(de)發展趨(qu)勢。

        2）智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)化和自(zi)(zi)動化。隨著如(ru)今人工智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)、大數 據等先(xian)進技(ji)術的發(fa)展，將智(zhi)(zhi)能(neng)(neng)化與自(zi)(zi)動化技(ji)術引入 拋(pao)(pao)(pao)光(guang)設備中(zhong)，可(ke)以實(shi)(shi)現對拋(pao)(pao)(pao)光(guang)過程的實(shi)(shi)時監測（如(ru)表 面粗(cu)糙度、拋(pao)(pao)(pao)光(guang)溫度、拋(pao)(pao)(pao)光(guang)轉速等），可(ke)根據反(fan)饋的結 果實(shi)(shi)時調整工藝(yi)參數，從而實(shi)(shi)現更加精準的控制，提(ti) 升(sheng)拋(pao)(pao)(pao)光(guang)的質量和效率(lv)。

        3）探(tan)索(suo)更(geng)高效(xiao)(xiao)、更(geng)環(huan)保的(de)加工方(fang)法。未來技(ji)術 將更(geng)加關注拋光(guang)效(xiao)(xiao)率的(de)提高及(ji)節能環(huan)保，可(ke)以通(tong)過 改進(jin)拋光(guang)液、優化加工過程和(he)(he)提高設備利用(yong)率來實 現更(geng)高效(xiao)(xiao)率的(de)金剛石拋光(guang)，注重(zhong)降低能耗和(he)(he)更(geng)少的(de) 環(huan)境污染，達到目前國家大力倡導的(de)綠色(se)、低碳、節 能的(de)環(huan)保要求。