华侨大学姜峰教授团队对金刚石能量束抛光技术的全面总结

金刚石是一种极具工业应用价值的材料，广泛应用于超精密加工、半导体、光学和电子器件等工业领域。但由于金刚石的超高硬度和高化学惰性，难以实现其高效和超低损伤加工。为了解决这些挑战，研究者已经开发出了多种单晶金刚石（SCD）和多晶金刚石（PCD）的抛光方法，包括机械抛光、化学抛光、激光抛光和离子束抛光等。近些年新兴起的能量束抛光方法因其高效率、高精度以及低表面损伤在金刚石抛光领域得到了越来越广泛的应用。

图源：论文

   离子束抛光（IBP）

离子束抛光（IBP）作为一种非接触式抛光技术，不受材料表面形貌的限制，适用于各种硬、脆性材料的抛光。如下图所示，IBP可用于快速消除金刚石表面的一些沟槽，抛光后的表面粗糙度可达RMS 0.19 nm。聚焦离子束抛光（FIBP）目前已广泛应用于金刚石薄膜的抛光，但由于离子束尺寸小，材料去除率较低，提高离子动能虽然可以提高抛光效率，但也会造成严重的表面损伤。近年来，一些研究人员提出，通过改变离子束的入射角和使用适当的化学试剂来减少IBP的损伤。然而，复杂的离子束发生器和昂贵的设备是制约IBP技术发展的主要技术瓶颈。

图源：论文

   等离子体辅助抛光（PAP）

等离子体辅助抛光（PAP）如图展示了PAP的抛光设备和抛光效果，可以发现PAP是一种高效、高精度、无损的金刚石抛光技术，目前已成功用于大尺寸金刚石衬底的高效无损抛光。PAP抛光金刚石得到的最小表面粗糙度可达Sq 0.32 nm，最大材料去除率高达13.3 μm·h^-1。与离子抛光一样，高昂的设备成本是限制等离子体辅助抛光发展的瓶颈。因此，PAP方法目前主要用于抛光表面质量要求较高的SCD表面，尚未用于抛光PCD表面。

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   激光辅助抛光（LAP）

激光辅助抛光（LAP）的抛光装置、原理和影响因素与PAP类似，近些年已广泛应用于金刚石高精度抛光领域。与PAP相比，LAP已成功地应用于SCD、PCD和CVD金刚石薄膜的表面抛光，具有更广阔的应用前景。使用LAP设备（如下图（a）和（d）所示）对SCD和PCD进行抛光。器件中金刚石基板的顶部在局部高温下被氧化去除。如图（b）和（c）所示，在紫外激光照射下抛光后SCD的表面粗糙度Ra可达0.19 nm，MRR为0.5 μm·h^-1。在没有紫外激光照射的情况下，SCD 的表面粗糙度 Ra 只能达到 0.63 nm，MRR 仅为0.3 μm·h^-1。

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   未来展望

（1）目前，激光直接抛光金刚石得到的表面质量非常有限。因此，通过选择合理的激光类型或调整激光参数和加工参数，提高激光抛光金刚石的表面质量至关重要。

（2）离子束直接抛光金刚石的材料去除率较低，离子束的机械冲击很容易破坏金刚石表面。因此，通过优化离子束的参数和入射角来改善材料去除率和减少表面损伤是目前工艺研究的主要方向。此外，利用放射性离子束、聚焦离子束、电感耦合等离子体或电感回旋共振离子源等离子束处理获得高质量的金刚石表面是离子束抛光领域的重要研究方向。

（3）虽然等离子体辅助抛光和激光辅助抛光都具有极高的抛光精度，但它们的材料去除率却很有限。通过改变反应气体的类型，提高金刚石表面的氧化速率，可以有效地提高等离子体辅助抛光和激光辅助抛光的材料去除率。此外，通过调整抛光盘的转速和接触压力，可以提高表面精度和材料去除率。目前，设备成本高昂仍是制约等离子体辅助抛光和激光辅助抛光在金刚石抛光领域应用的重要因素。因此，通过改进设备结构来降低成本，具有重要的现实意义。

（4）激光直接抛光具有较高的材料去除率，激光辅助抛光、离子束直接抛光和等离子体辅助抛光具有较高的抛光精度。将上述四种技术相结合，开发出更高效、更高质量的抛光技术，将是本领域的重点研究方向。 

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