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金刚石半导体衬底研磨抛光技术研究现状及展望（一）
金刚石半导体衬底研磨抛光技术研究现状及展望（二）
在满足某些条件时，金刚石能与一些气体、液体或金属氧化物发生化学反应，使金刚石中的碳转化为气体或其他物质，CMP正是利用机械研磨和氧化剂（如 NaNO3、H2O2等）的复合作用与金刚石发生反应来实现材料的去除，CMP设备示意图及抛光前后表面如图7所示。
Thornton发现，在传统抛光盘上覆盖一层硝酸钾氧化剂可以增强抛光效果。在此基础上，研究人员对不同氧化剂做了大量研究，认为氧化效应在CMP过程中起着重要作用。Thomas用SiO2抛光液对纳米金刚石薄膜抛光，认为CMP过程中金刚石表面被氧化，增加了金刚石表面羰基（双键）和氢氧化物（OH）的含量，而金刚石表面羟基化有助于SiO2颗粒与金刚石表面相结合，进而在抛光垫的剪切力作用下将C原子从金刚石表面拔除。
Shi通过分子动力学模拟在 OH 自由基环境下金刚石 CMP 过程，发现纯化学作用无法去除碳原子，OH 首先与金刚石表面的碳原子发生化学吸附，形成 C-O、C-H 和 C-OH键；其次 C-O键激活相邻的 C-C键，为后续材料去除提供先决条件；最后在C-O或C-C键以及机械滑动的作用下，碳原子脱离金刚石基体表面，如图8所示。Yuan用 H2O2溶液配合金刚石微粉模拟抛光金刚石，得出了相似的去除机理，认为金刚石表面的羟基化在去除过程中起着双重作用。由于氧化后的金刚石结构被破坏，因此单键变弱，金刚石表面的碳原子与磨料中的碳原子形成较强的单键，然后碳原子由于磨料的机械作用而被带走。
3.1 CMP的优点
由于 CMP 是通过添加氧化剂来与金刚石发生化学反应，进而通过机械作用去除材料，因此 CMP转速不高，避免了高转速对金刚石表面造成的表面损伤。Kühnle通过使用 NaNO3、KNO3作为氧化剂抛光金刚石，得到了没有损伤层的原子级金刚石衬底表面，表面粗糙度可以达到 0.2 nm，证明了 CMP技术降低表面损伤的可行性。Yuan研究了8种不同氧化剂的影响，结果表明 K2FeO4和 KMnO4的抛光效果最佳。并发现，在相同实验参数下，有氧化剂时的材料去除率比没有氧化剂时高，证实了氧化剂的存在加速了金刚石的化学反应。通过对比 MP和CMP 抛光后的表面微观形貌，发现 MP 的表面具有由磨粒引起的可见划痕，而在CMP表面上没有观察到与磨粒相关的划痕，如图 9 所示。
Yuan用双氧水作为抛光液，金刚石微粉作为磨粒，用铁板抛光SCD(100)面 3 h，表面也未发现明显的机械划痕，粗糙度从 21 nm 降为 0.917 nm。Mandal[29]将 3 种氧化剂 ：H2O2、Fe(NO3)3 和 KMnO4，以 及 两 种 还 原 剂 ：C2H2O4 和Na2S2O3，分别加入到SF1（碱性 SiO2 抛光液）中，用聚氨酯毡对金刚石薄膜进行抛光，发现草酸抛光速率最快，经 3 h 抛光，粗糙度从 25 nm 降至1.8 nm，实现了纳米级的表面粗糙度。XPS 分析结果如图10所示，使用不同抛光液抛光的样品表面氧含量差异很小，这表明添加氧化剂、还原剂不会增加金刚石表面的含氧物质浓度，而是加速了抛光液中Si或O原子到金刚石表面的附着和去除过程。
3.2 CMP的缺点
由于大多数氧化剂的熔点温度较高，在CMP时需要对设备进行加热，这增加了CMP 操作的复杂性。虽然 Kühnle用 NaNO3、KNO3做氧化剂抛光金刚石获得了原子级的平整表面，但高温下抛光液的挥发除了会对人体造成伤害还会影响表面质量，因此未能得到大规模的应用。而 Yuan使用 H2O2做氧化剂是目前最适用的，但如何配制溶液比例、选用何种磨料制作抛光液才能达到最佳的抛光效果，仍需大量的实验探索。
其次在使用CMP时，往往需要对样品表面进行粗抛光，只有在良好的初始表面下，CMP才能发挥最大的抛光效果，这在Yuan和Man⁃dal实验中可以看出，在经过粗抛光获得一定的表面粗糙度后，短时间内就获得了光滑、平整、低损伤的表面。最后，目前常温下氧化剂抛光液的研究国内并未取得较大的进展，虽然 Yuan通过对比研究不同的氧化剂抛光液对抛光效果的影响，得出CMP对于CVD金刚石薄膜是有效的，但并未针对抛光液做进一步的深入研究，且抛光液的回收及处理也是需要解决的问题。
CMP 作为目前能同时满足光滑、平整、低损伤的技术，在半导体、光学原件和精密材料加工等领域具有重要的应用价值，具有表面平整性好、粗糙度低、损伤小的特点，不仅适用于金刚石，还能处理其他硬质材料。但CMP的加工过程极为耗时，尤其在要求高精度和高质量的表面时，需要多次进行工艺的调整优化，为此Xiao针对CMP工艺（如抛光液氧化剂成分、抛光板材料和抛光参数）做了细致阐述；其次高端抛光液目前还难以实现国产化，如何实现抛光液的管理回收也是需要考虑的现实问题。
2025（第五届）碳基半导体材料与器件产业发展论坛
4月10-12日 浙江 宁波
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