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理。然而，金剛石高硬度、高耐磨性、高化學惰性的特點，使金剛石的加工面臨諸多困難，現有的金剛石拋光技術都有一定的自身優勢和不足，急需一種在保證效率的情況下，同時獲得光滑、平整、低損傷的金剛石表面拋光技術。因此，本文對金剛石拋光技術的國內外相關文獻進行了梳理，總結了機械拋光、熱化學拋光、化學機械拋光、等離子體刻蝕拋光、激光拋光等技術的原理與優缺點，對未來金剛石拋光技術來說，應朝著多種技術相互搭配以及智能化、精密化、環保化的方向發展，進而拓展金剛石材料的應用范圍。
       關鍵詞：金剛石；半導體；拋光技術；表面粗糙度；材料去除率；平整度
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       近年來，隨著5G、人工智能領域的飛速發展，其內部電子器件越來越朝著精密化、集成化、小型化發展。電子器件不斷變小，電路運行中產生的熱量累積會影響電子器件的運行，甚至造成損害，如何解決其散熱問題，保證系統的穩定運行越來越重要。常溫下，金剛石的熱導率＞2 000 Wm-1K-1，具有優異的介電性能以及較低的熱膨脹系數等（如表1所示），是制造半導體器件理想的散熱材料。但由于金剛石在生長過程中往往會產生厚度不均勻、晶體取向隨機、高內應力的粗糙表面等問題，且金剛石材料的高硬度、高耐磨性、高化學惰性等特點，使得金剛石的加工極其困難。因此，與金剛石相關的拋光技術和設備一直是學術界和工業界關注的焦點。

       目前已經開發了多種拋光技術，以期實現金剛石表面光滑、平整、低損傷的要求。常用的方法有機械拋光（Mechanical polishing，MP）、熱化學拋光（Thermo - chemical polishing，TCP）、化學機械拋光（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，尚未有能同時兼具高效率與高表面質量的拋光技術出現，是目前工業上亟需解決的問題。
       因此，本文以當前金剛石拋光技術為基礎，從每種拋光技術的設備、原理、拋光效率、表面質量等方面入手，總結了各種拋光技術的優點和不足，展望了未來金剛石半導體襯底拋光技術的發展方向。
       1、機械拋光（MP）

       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）相互摩擦產生脆性斷裂去除表面材料的拋光工藝，同時，由于高速旋轉的拋光盤與金剛石摩擦會產生高溫，而高溫提供了“硬”的金剛石相向“軟”的石墨相轉變的驅動力，通過利用微切削與石墨化相結合的原理實現了金剛石的拋光。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(chu)金(jin)(jin)剛石(shi)材料(liao)(liao)的(de)去(qu)除(chu)(chu)是在(zai)(zai)微尺(chi)度(du)(du)上(shang)(shang)的(de)脆性(xing)斷裂。Zong通過分子動(dong)力學模擬了各向(xiang)異(yi)性(xing)對材料(liao)(liao)去(qu)除(chu)(chu)率的(de)影響，發現在(zai)(zai)機(ji)械拋光過程(cheng)中(zhong)不可避免(mian)地(di)會(hui)(hui)產(chan)生(sheng)一定(ding)程(cheng)度(du)(du)的(de)晶(jing)(jing)格(ge)畸(ji)變，從(cong)而在(zai)(zai)表(biao)面(mian)產(chan)生(sheng)非晶(jing)(jing)層，且去(qu)除(chu)(chu)率強烈依賴于sp2雜化和(he)(he)非晶(jing)(jing) sp3結構的(de)比例。在(zai)(zai)“硬(ying)”方向(xiang)上(shang)(shang)，非晶(jing)(jing)sp3轉變為sp2的(de)相(xiang)變困難，因此 sp2與(yu)非晶(jing)(jing) sp3的(de)比例較(jiao)(jiao)低，導致去(qu)除(chu)(chu)率較(jiao)(jiao)小(xiao)。而在(zai)(zai)“軟”方向(xiang)上(shang)(shang)，非晶(jing)(jing) sp3向(xiang)sp2的(de)相(xiang)變阻力較(jiao)(jiao)小(xiao)，因此sp2與(yu)非晶(jing)(jing)sp3的(de)比例較(jiao)(jiao)高，從(cong)而產(chan)生(sheng)較(jiao)(jiao)大(da)的(de)去(qu)除(chu)(chu)率，如圖2所示(shi)。劉帥(shuai)偉也在(zai)(zai)研究金(jin)(jin)剛石(shi)拋光過程(cheng)的(de)材料(liao)(liao)去(qu)除(chu)(chu)機(ji)制中(zhong)發現，金(jin)(jin)剛石(shi)會(hui)(hui)在(zai)(zai)機(ji)械作(zuo)用下使表(biao)面(mian)發生(sheng)從(cong) sp3到sp2結構的(de)相(xiang)變，在(zai)(zai)表(biao)面(mian)形成相(xiang)變層，而相(xiang)變層在(zai)(zai)機(ji)械和(he)(he)氧氣的(de)作(zuo)用下可以更容易被(bei)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 1.91mm×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墊來拋光 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 的表面質量有了很大的提高，拋光后沒有明顯的劃痕和納米級凹槽。
       1.2 MP的缺點
       在實際操作中發現，機械拋光往往會造成材料亞表面的損傷，對此，Zheng[12]采用高速三維動態摩擦拋光（high -speed three - dimensional dynamic fric?tion polishing，3DM-DFP）對 SCD 和 PCD 機械拋光產生的機械損傷進行了研究，發現隨著轉速的增加，亞表面缺陷開始形成并逐漸增加，當速度從 12 m/s增加到60 m/s時，缺陷延伸到近10 μm深的區域，該缺陷區域由均勻的微解理區、過渡區和非晶化壓縮區3 層組成，如圖 3 所示。隨后，Liang通過對 3DMDFP 前后的 PCD 進行原位微區分析，發現晶界區域的高度差是導致 PCD光滑表面變差的主要原因，而晶界區域的高度差是由與缺陷相關的熱膨脹系數不均勻造成的。

      MP作為目前一種成熟的(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)加(jia)工技(ji)術，具有(you)設備原(yuan)理簡單、操作方(fang)(fang)便、效率高(gao)、適(shi)合(he)大規模生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)等特點，能實現(xian)較為光(guang)(guang)(guang)(guang)滑和平整(zheng)的(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)，且(qie)對于(yu)粗、中、精拋(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)都適(shi)用，因此成為目前主(zhu)流的(de)(de)(de)(de)金(jin)(jin)剛石拋(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)方(fang)(fang)法。但 MP在大尺(chi)寸(cun)金(jin)(jin)剛石拋(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)方(fang)(fang)面(mian)(mian)(mian)仍存在一些(xie)問題：一方(fang)(fang)面(mian)(mian)(mian)，高(gao)速(su)摩(mo)擦中產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)高(gao)溫會對拋(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)盤產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)損傷(shang)，進而影響拋(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)質量(liang)；另一方(fang)(fang)面(mian)(mian)(mian)，在高(gao)速(su)狀態下，MP 會對金(jin)(jin)剛石產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)亞(ya)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)損傷(shang)，且(qie)受(shou)拋(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)盤平整(zheng)度(du)(du)與壓力的(de)(de)(de)(de)影響，金(jin)(jin)剛石表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)易(yi)產(chan)(chan)生(sheng)(sheng)劃痕或裂紋(wen)，邊緣易(yi)破裂。因此，對于(yu)要(yao)求高(gao)精度(du)(du)、低損傷(shang)的(de)(de)(de)(de)高(gao)端器件應用來說，還需結(jie)合(he)其(qi)他精細化加(jia)工的(de)(de)(de)(de)方(fang)(fang)法（如化學機械拋(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)、等離體刻蝕(shi)拋(pao)(pao)(pao)(pao)(pao)光(guang)(guang)(guang)(guang)等）以(yi)獲得良好的(de)(de)(de)(de)表(biao)(biao)(biao)(biao)(biao)面(mian)(mian)(mian)質量(liang)。