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
————
       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]提出金剛石材料的去除是在微尺度上的脆性斷裂。Zong通過分子動力學模擬了各向異性對材料去除率的影響，發現在機械拋光過程中不可避免地會產生一定程度的晶格畸變，從而在表面產生非晶層，且去除率強烈依賴于sp2雜化和非晶 sp3結構的比例。在“硬”方向上，非晶sp3轉變為sp2的相變困難，因此 sp2與非晶 sp3的比例較低，導致去除率較小。而在“軟”方向上，非晶 sp3向sp2的相變阻力較小，因此sp2與非晶sp3的比例較高，從而產生較大的去除率，如圖2所示。劉帥偉也在研究金剛石拋光過程的材料去除機制中發現，金剛石會在機械作用下使表面發生從 sp3到sp2結構的相變，在表面形成相變層，而相變層在機械和氧氣的作用下可以更容易被去除。

      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表面加工技術，具有設備原理簡單、操作方便、效率高、適合大規模生產等特點，能實現較為光滑和平整的表面，且對于粗、中、精拋光都適用，因此成為目前主流的金剛石拋光方法。但 MP在大尺寸金剛石拋光方面仍存在一些問題：一方面，高速摩擦中產生的高溫會對拋光盤產生損傷，進而影響拋光的表面質量；另一方面，在高速狀態下，MP 會對金剛石產生亞表面損傷，且受拋光盤平整度與壓力的影響，金剛石表面易產生劃痕或裂紋，邊緣易破裂。因此，對于要求高精度、低損傷的高端器件應用來說，還需結合其他精細化加工的方法（如化學機械拋光、等離體刻蝕拋光等）以獲得良好的表面質量。