隨著半導(dǎo)體器件向高功率、高密度和小型化發(fā)展，硅、碳化硅和氮化鎵襯底材料已逐漸逼近性能極限，而金剛石具有眾多優(yōu)異的特性，被視為“終極半導(dǎo)體材料”。
針對金剛石原子級無損傷加工的挑戰(zhàn)，近期，香港理工大學(xué)張志輝教授課題組聯(lián)合天津大學(xué)房豐洲教授、中山大學(xué)黃晗教授在SCI期刊《International Journal of Extreme Manufacturing》上發(fā)表題為“Multi-physical field coupling polishing of diamond for atomic-scale damage-free surface”的綜述文章，系統(tǒng)梳理金剛石拋光技術(shù)與去除機(jī)制，提出多物理場耦合結(jié)合AI的發(fā)展方向，為原子級拋光提供重要參考。
聚焦MPCVD生長金剛石的粗糙表面難題。傳統(tǒng)單一場拋光難以平衡去除率與表面完整性，而多物理場耦合策略通過激光、離子束、等離子體、紫外光、超聲等協(xié)同，實(shí)現(xiàn)亞納米粗糙度與原子級無損傷表面，為量子器件、高功率光學(xué)及超高頻電子應(yīng)用開辟路徑。
文章系統(tǒng)梳理現(xiàn)階段主要拋光方法：激光拋光（LP）、機(jī)械拋光（MP）、離子束拋光（IBP）、氣體團(tuán)簇離子束拋光（GCIBP）、等離子體拋光、動(dòng)態(tài)摩擦拋光（DFP）、化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）、紫外輔助（UVAP）、等離子體輔助（PAP）、激光輔助（LAP）及超聲輔助（UAP）。在對比分析基礎(chǔ)上，將金剛石去除歸納為微斷裂、石墨化、氧化及物理/化學(xué)蝕刻四大機(jī)制。多物理場協(xié)同策略顯著提升效率并抑制損傷，實(shí)現(xiàn)原子級平坦化。
金剛石拋光技術(shù)體系：材料去除機(jī)制、拋光方法及未來展望
多物理場耦合技術(shù)是核心亮點(diǎn)。UVAP激發(fā)·OH自由基加速氧化，MRR可達(dá)1 μm·h?1；PAP利用活性粒子軟化表面后再機(jī)械去除，實(shí)現(xiàn)近零損傷原子級平坦；LAP先激光誘導(dǎo)石墨化再機(jī)械清除，粗加工效率大幅提高；UAP借助空化效應(yīng)增強(qiáng)磨粒沖擊，5分鐘內(nèi)將PCD粗糙度從5 μm降至0.5 μm。這些混合工藝通過熱-力-化學(xué)-等離子體多場協(xié)同，平衡高效去除與晶格完整性。
總結(jié)與展望
金剛石拋光技術(shù)已從工藝改進(jìn)邁向科學(xué)機(jī)制主導(dǎo)的研究范式。要實(shí)現(xiàn)真正無損傷、原子級可控表面，仍需三方面突破：
首先，在原子尺度去除機(jī)制認(rèn)知上，AI與原位TEM結(jié)合推動(dòng)經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)向機(jī)理驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變，通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)、MD模擬與自適應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)界面反應(yīng)、應(yīng)力演化精準(zhǔn)調(diào)控。
其次，在加工方法上，多物理場耦合策略成為核心，如飛秒激光-摩擦混合、等離子體輔助原子重構(gòu)，可保證效率并實(shí)現(xiàn)原子層級可控去除及自校正能力。
最后，在損傷檢測上，機(jī)器學(xué)習(xí)與多模態(tài)表征提升缺陷識(shí)別精度，基于生成模型的數(shù)據(jù)增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)微納裂紋高可靠自動(dòng)判定。
金剛石加工正邁向原子級精確調(diào)控，其發(fā)展依賴摩擦化學(xué)、量子材料、計(jì)算模擬與智能制造跨學(xué)科融合。隨著關(guān)鍵瓶頸突破，金剛石將成為原子器件基底，并推動(dòng)超硬材料體系進(jìn)入原子尺度加工時(shí)代。該綜述為極端制造提供理論依據(jù)與技術(shù)路線圖，具有重要指導(dǎo)意義。
