決勝于“表”，金剛石半導(dǎo)體的拋光技術(shù)角逐

金剛石作為一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有許多優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)：高達(dá)5.5eV的超寬禁帶寬度，遠(yuǎn)高于GaN、SiC等寬禁帶半導(dǎo)體材料的禁帶寬度；低的介電常數(shù)和摩擦因數(shù)；高的載流子遷移率、電子漂移速度和熱導(dǎo)率。這些獨(dú)特的性質(zhì)使得金剛石被應(yīng)用在眾多高能量密度領(lǐng)域，未來將擁有極大的發(fā)展前景。

金剛石及其他第三代半導(dǎo)體應(yīng)用前景

目前歐美日等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)已經(jīng)對金剛石半導(dǎo)體相關(guān)領(lǐng)域展開深入研究，并取得重要進(jìn)展，已研制出多種高功率、耐高溫和抗輻射的半導(dǎo)體器件，如肖特基二極管、場效應(yīng)晶體管、深紫外探測器等。

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拋光難題：為何金剛石難以“馴服”？

盡管前景廣闊，但金剛石的產(chǎn)業(yè)化道路并非一帆風(fēng)順。金剛石在生長過程中往往會產(chǎn)生厚度不均勻、晶體取向隨機(jī)、高內(nèi)應(yīng)力的粗糙表面等問題。而其高硬度、高耐磨性、高化學(xué)惰性等特點(diǎn)，使得金剛石的加工極其困難。

與傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體材料不同，金剛石的超硬特性使得常規(guī)加工技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)原子級平整的表面。

隨著量子信息、人工智能等高新技術(shù)迅猛發(fā)展，高端射頻器件、量子芯片、光電傳感器等新型半導(dǎo)體系統(tǒng)對材料表面質(zhì)量提出近乎極限的要求。單晶金剛石因其優(yōu)異的物理性能成為理想材料，但其極高的硬度也使得傳統(tǒng)拋光技術(shù)難以兼顧效率、精度與損傷控制，成為制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“卡脖子”難題。

為攻克這一難題，業(yè)內(nèi)開發(fā)了多種拋光技術(shù)。伴隨科技的不斷進(jìn)步，拋光技術(shù)也在不斷演變，從傳統(tǒng)的機(jī)械拋光到化學(xué)機(jī)械拋光，再到新興的等離子體和激光拋光技術(shù)，每一次創(chuàng)新都推動著加工精度的提升和效率的提高。

采用兩種或多種技術(shù)的混合搭配拋光或許是金剛石拋光技術(shù)未來的發(fā)展趨勢，同時(shí)，人工智能和自動化技術(shù)的引入，也將為拋光工藝的優(yōu)化和智能化提供新的可能性。

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技術(shù)角逐：多種拋光工藝的競爭與演進(jìn)

拋光技術(shù)在制備高質(zhì)量單晶金剛石襯底中發(fā)揮重要的作用，其中主要包括兩個(gè)方面：其一，拋光可以用于制備CVD法同質(zhì)外延生長單晶金剛石的籽晶，籽晶的表面質(zhì)量將直接影響單晶金剛石的生長質(zhì)量；其二，拋光可用于制備高質(zhì)量單晶金剛石襯底。在生長得到CVD單晶金剛石之后，其表面通常會產(chǎn)生許多缺陷，所以對其進(jìn)行平坦化拋光是非常必要的。

目前，金剛石的表面拋光技術(shù)主要有機(jī)械拋光、熱化學(xué)拋光、化學(xué)機(jī)械拋光、激光拋光、等離子體刻蝕拋光等。

2.1 機(jī)械拋光：成熟但有限

機(jī)械拋光（MP）是利用金剛石與高速旋轉(zhuǎn)的拋光盤（鑄鐵盤、砂輪盤）相互摩擦產(chǎn)生脆性斷裂去除表面材料的拋光工藝，同時(shí)，由于高速旋轉(zhuǎn)的拋光盤與金剛石摩擦?xí)a(chǎn)生高溫，而高溫提供了“硬”的金剛石相向“軟”的石墨相轉(zhuǎn)變的驅(qū)動力，通過利用微切削與石墨化相結(jié)合的原理實(shí)現(xiàn)金剛石的拋光。

MP原理示意圖

• 優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備原理簡單、操作方便、效率高、適合大規(guī)模生產(chǎn)等特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)較為光滑和平整的表面，且對于粗、中、精拋光都適用。

• 缺點(diǎn)：高速摩擦中產(chǎn)生的高溫會對拋光盤產(chǎn)生損傷，進(jìn)而影響拋光的表面質(zhì)量；還會對金剛石產(chǎn)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(chǎn)生劃痕或裂紋，邊緣易破裂。

2.2 熱化學(xué)拋光：高溫下的“軟化”策略

熱化學(xué)拋光（TCP）是以碳原子在熱金屬中的擴(kuò)散、金剛石轉(zhuǎn)化為石墨和金剛石的氧化為基礎(chǔ)的拋光技術(shù)。

TCP裝置

• 優(yōu)點(diǎn)：對樣品幾乎無壓力，無高轉(zhuǎn)速下對金剛石表面造成損傷，因此能獲得低損傷、平整的表面。

• 缺點(diǎn)：由于需要在真空和高溫下進(jìn)行，設(shè)備復(fù)雜、成本高，操作難度大，難以精確控制加熱溫度，使樣品表面均勻受熱。

2.3 化學(xué)機(jī)械拋光：精度與效率的平衡

化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）通過在機(jī)械拋光過程中加入氧化劑，氧化碳原子提高拋光速率，是一種利用機(jī)械與化學(xué)氧化協(xié)同作用來實(shí)現(xiàn)工件表面平坦化的技術(shù)。

CMP裝置

• 優(yōu)點(diǎn)：具有表面平整性好、粗糙度低、損傷小的特點(diǎn)，不僅適用于金剛石，還能處理其他硬質(zhì)材料。

• 缺點(diǎn)：加工過程極為耗時(shí)，尤其在要求高精度和高質(zhì)量的表面時(shí)，需要多次進(jìn)行工藝的調(diào)整優(yōu)化；其次高端拋光液目前還難以實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，如何實(shí)現(xiàn)拋光液的管理回收也是需要考慮的現(xiàn)實(shí)問題。

面對傳統(tǒng)CMP技術(shù)的局限性，研究人員開始探索多能場輔助拋光技術(shù)。

2025年，江蘇省科技廳前沿技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目立項(xiàng)名單中，蘇州賽伍應(yīng)用技術(shù)股份有限公司的“大尺寸單晶金剛石多能場輔助原子級制造工藝及裝備”項(xiàng)目成功入選。該項(xiàng)目創(chuàng)新地引入“光催化輔助化學(xué)機(jī)械拋光”方法，通過引入光催化反應(yīng)，在原子層級精準(zhǔn)調(diào)控材料表面化學(xué)活性。

同樣在2025年，廈門市重大科技項(xiàng)目支持的研究團(tuán)隊(duì)針對活性金屬陶瓷砂輪在燒結(jié)與加工中的氧化難題，創(chuàng)新采用AlCr、AlTi、AlFe、AlNi合金磨料制備金剛石陶瓷砂輪。研究發(fā)現(xiàn)不同合金磨料砂輪形成特異性反應(yīng)層：AlFe砂輪材料去除率最高（8.186 μm/h），AlNi砂輪表面粗糙度最優(yōu)（Sa=0.721 nm）。

西安交通大學(xué)的研究人員則探索了飛秒激光拋光技術(shù)，他們通過單脈沖飛秒激光輻照微晶金剛石（MCD）薄膜，系統(tǒng)揭示了0.52 J/cm2、1.03 J/cm2和4.19 J/cm2三重閾值效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)電離產(chǎn)生的高壓膨脹等離子體可使表面粗糙度（Ra）降至5.6 nm，峰值高度（Rp）降低61%。

2.4 等離子體刻蝕拋光

等離子體刻蝕拋光（PEP）利用等離子體中活性粒子（離子、自由基）與材料表面發(fā)生物理轟擊和化學(xué)反應(yīng)，通過形成揮發(fā)性產(chǎn)物或軟化層實(shí)現(xiàn)選擇性去除。

PEP拋光原理示意圖

原子層刻蝕（ALE） 是PEP技術(shù)向極致精度發(fā)展的代表。它通過將刻蝕過程分解為自限制性的循環(huán)步驟，實(shí)現(xiàn)原子層級別的材料去除。例如，名古屋大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了對氧化鉿（HfO?）的各向異性原子層刻蝕，該方法甚至在處理后改善了表面粗糙度，這為金剛石等超硬材料的終極表面處理提供了可能的方向。

在具體工藝上進(jìn)行創(chuàng)新，如利用等離子體弧對CVD金剛石膜進(jìn)行拋光，其機(jī)理涉及氧化刻蝕、石墨化以及熔化流動等多種作用。此外，研究也開始關(guān)注環(huán)境友好型工藝，例如開發(fā)無鹵素的干法刻蝕工藝，以減少對環(huán)境的影響

• 優(yōu)點(diǎn)：PEP的非接觸式處理方式避免了機(jī)械磨損、摩擦引起的表面損傷，能夠精確地去除表面微小顆粒，適用于精密的表面拋光，具有高精度、高均勻性及適應(yīng)多種材料的特點(diǎn)。

• 缺點(diǎn)：設(shè)備復(fù)雜，成本較高，工藝控制難度大，難以控制等離子體的均勻性和強(qiáng)度，易造成表面殘留物，且受腔體尺寸限制，拋光金剛石的尺寸不能太大。

2.5 激光拋光：光與材料的精密協(xié)同

激光加工是目前金剛石的主流加工方法，相較于傳統(tǒng)的機(jī)械加工形式，激光加工精度高、效率高、普適性強(qiáng)，因而在金剛石切割、微孔成型、微槽道加工及平整化等方面均得到廣泛應(yīng)用。激光加工技術(shù)屬于非接觸式加工，能夠?qū)η孢M(jìn)行處理，不僅加工效率高，還能夠?qū)崿F(xiàn)對各種硬質(zhì)材料的高質(zhì)量加工。

因此，激光拋光（LP）可以用于對金剛石薄膜的拋光。通過激光束照射到金剛石厚膜表面，使金剛石膜表面溫度升高，進(jìn)而使被加熱的金剛石表面碳原子氣化和石墨化，達(dá)到去除材料的目的。

LP設(shè)備示意圖

• 優(yōu)點(diǎn)：效率高、不受復(fù)雜形面限制、可實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域的拋光和切割等優(yōu)點(diǎn)。

• 缺點(diǎn)：激光加工過程中，表面局部區(qū)域過熱會造成熱損傷，且由于受激光能量、角度與樣品質(zhì)量的影響，需要精確控制激光參數(shù)才能減少表面的石墨殘留。

對未來金剛石拋光技術(shù)來說，應(yīng)朝著多種技術(shù)相互搭配以及智能化、精密化、環(huán)保化的方向發(fā)展，進(jìn)而拓展金剛石材料的應(yīng)用范圍。技術(shù)路線不再是單一技術(shù)的替代，而是PEP與機(jī)械拋光（MP）、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）等多種技術(shù)的深度融合，形成優(yōu)勢互補(bǔ)的混合加工方案。

伴隨拋光技術(shù)突破，持續(xù)掃清金剛石半導(dǎo)體應(yīng)用的核心障礙，將推動金剛石這一“終極材料”從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化。