Diamond & Related Materials:抛光盘材料对UV催化抛光单晶金刚石的影响研究

金刚石因其优异的物理，化学，光学和热学性能成为一种卓越的材料，具有超高硬度，卓越的化学稳定性，低摩擦系数，高电阻率。单晶金刚石（SCD）在光学，热学和半导体中被广泛使用。例如，拉曼激光光学，高温高压金刚石砧座，高速计算芯片。这些应用中，表面粗糙度和损伤层深度极其关键，对单晶金刚石器件性能有重大影响。因此，开发高效高质量金刚石抛光工艺极其重要。

化学机械抛光（CMP）是在半导体晶圆上获取无损伤，原子级光滑表面的一种高效手段。作为CMP工艺的关键组件之一，抛光盘的选取，对SCD表面的精密加工影响巨大。

 使用·OH（羟基自由基）配合磨粒来机械去除氧化后半导体材料是一种实现超光滑原子级表面的先进方法。UV（紫外线）催化反应在H₂O₂溶液中可产生·OH从而在半导体晶圆表面产生化学反应。在抛光过程中，单晶金刚石与抛光盘在给定载荷下相对运动。摩擦使得SCD表面微凸体优先被移除从而形成光滑表面。不同材料与金刚石之间的摩擦学研究对理解抛光机理至关重要。

UV催化反应的CMP能在高材料移除率同时获得原子级别表面质量。但是在此环境中如何选择抛光盘材料对SCD抛光尚需进一步研究。半导体晶圆常用的聚氨酯抛光垫对超硬SCD基本无效，目前金刚石抛光盘通常使用Fe基催化，陶瓷盘和玻璃盘。在该研究中，结合摩擦磨损和CMP实验，考察了不同抛光盘材料，如Fe，SiO₂和Al₂O₃在UV催化环境里的摩擦行为和SCD的材料移除效果。这些发现为UV催化辅助化学机械抛光单晶金刚石提供指导。

 研究表明，使用Al₂O₃盘材料移除率可达713.5nm/h，而采用SiO₂盘可以得到Ra仅为0.26nm的超光滑表面，因此可先利用Al₂O₃盘粗抛后SiO₂盘精抛来同时实现单晶金刚石加工的高材料去除率和超高表面质量。成果发表在最新一期的Diamond & Related Materials期刊上，广东工业大学路家斌教授为该文的通讯作者，祝贺！

目前，随着宽禁带半导体产业迅猛发展，单晶金刚石的工业应用正快速成为热点，对其表面质量要求日益苛刻，该研究对如何高效加工SCD得到高质量超光滑表面提供了很好的思路。

由于金刚石硬度高，在摩擦和抛光时如何准确定量评价材料去除率十分关键（请参考专利：一种金刚石晶片抛光的材料去除率计算方法及系统，ZL 2021 1 0930698.7）。该方法思路巧妙，可拓展至其他难加工材料使用。

该文采用布鲁克白光干涉仪对抛光前后表面进行三维形貌测量，获得SCD表面轨迹和磨损区域的截面轮廓信息。材料去除率（MRR）可通过抛光前后预制划痕深度的变化量来定量计算，而白光干涉法的垂直方向高精度分辨（<0.1nm），准确计量和非接触式快速测量，保证了材料去除率的科学评定。

以下截取部分研究结果，全部研究请参考原文。

文中白光干涉测量数据均在布鲁克白光干涉仪平台（Bruker Contour GT-X）上获得，对应型号最新一代(Bruker ContourX-1000)图片如下：

文章信息如下，感兴趣的朋友可以自行下载阅读。

论文链接：

Diamond & Related Materials 141 (2024) 110678 

https://doi.org/10.1016/j.diamond.2023.110678

路老师个人主页：https://jdgcxy.gdut.edu.cn/info/1099/2069.htm

Email: lujiabin@gdut.edu.cn

Bruker白光干涉仪介绍：

https://www.bruker.com/en/products-and-solutions/test-and-measurement/3d-optical-profilers/contourx-1000.html