金刚石抛光技术盘点

文摘   2024-11-15 17:48   浙江  

12月5-7,由DT新材料主办的第八届国际碳材料大会暨产业展览会(Carbontech 2024)将在上海新国际博览中心隆重举办。同期针对半导体与加工主题特设4大论坛,宽禁带半导体及创新应用论坛、超硬材料与超精密加工论坛、金刚石前沿应用与产业发展论坛、培育钻石论坛,已邀请国内外知名专家和企业莅临交流,欢迎报名。

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李蕊  13373875075

金刚石凭借其卓越的性能,在力学、光学、热学和电子学等多个高科技领域展现出巨大的应用潜力。然而,其表面质量对应用效果有着至关重要的影响,直接关系到其在精密制造和高端科技领域的适用性。因此,如何通过先进的抛光技术有效提升金刚石表面质量,已成为当前研究的核心议题。       

 

随着化学气相沉积(CVD)金刚石技术的发展,大尺寸人工合成金刚石得以规模化生产并获得广泛应用,但CVD金刚石常伴有薄膜厚度不均匀、应力变形、晶粒尺寸不同、取向不一致、位错密度较高、表面质量低等缺点,因此在应用前需要进行平整化处理。  
然而,金刚石因其超高的硬度、出色的耐磨性以及高化学惰性等特点,增加了表面机械抛光的难度。因此,如何实现高效、低成本且低损伤的抛光,成为关系到金刚石大规模产业化应用的关键。         

 

   机械抛光

机械抛光作为最传统的金刚石抛光方法,也是目前唯一得到大量应用的金刚石抛光方法。机械抛光时,抛光盘以极高的转速(大于2500 r/min)高速旋转,在金刚石工件上施加极大的压力(大于10 N),该方法利用金刚石磨粒的机械作用实现材料去除,但是加工效率低且易产生加工损伤。机械抛光会造成金刚石工件的表面损伤和亚表面损伤,抛光过程中的机械冲击会导致抛光表面形成凹坑、亚表面裂纹和晶格损伤,这些损伤无法通过后续的抛光步骤消除,且光学设备无法检测出来。    

机械抛光示意图  图源:公开网络 

   化学机械抛光

化学机械抛光(chemical mechanical polishing,CMP)是一种超精密抛光的加工方法,通过在机械抛光过程中加入氧化剂,氧化碳原子提高抛光速率。虽然抛光金刚石速率较慢,但有表面损伤小、粗糙度低、设备简单、运行维护成本低,抛光后的表面污染较轻等优点,在金刚石抛光领域逐渐受到重视。         

 

    

化学机械抛光示意图  图源:公开网络      

 

在化学机械抛光过程中,氧化剂扮演着至关重要的角色,早期以高温熔融盐作为氧化剂进行抛光。KNO3、NaNO3、LiNO3、KMnO4、K2FeO4、KIO4、K2Cr2O7 和H2O2是常用的氧化剂,其中部分氧化剂需较高的工作温度以达到熔点,如KNO3熔点为334℃、NaNO3熔点为307℃。H2O2是一种强氧化剂,使用H2O2溶液作为抛光液,在室温下进行化学机械抛光后,可得到原子级光滑的表面。      

 

为了进一步提高抛光效率,使金刚石表面均匀光滑,混合氧化剂走进了大众视野,其中,H2O2及其混合物组成的抛光液成为了金刚石化学抛光的主要选择。例如,先用铁板对金刚石样品抛光2小时,通过热化学抛光,快速去除金刚石表面划痕和损伤,再用铁板在H2O2溶液中对金刚石样品抛光3小时,可得到晶体有序的超光滑表面。   

   热化学抛光

热化学抛光是以碳原子在热金属中的扩散、金刚石转化为石墨和金刚石的氧化为基础的抛光技术。热化学抛光时,金刚石膜在真空、氢气或惰性气体气氛下,在加热到750~1000℃的热铁光盘上转动摩擦,在高温条件下,通过碳原子向铁质抛光盘扩散来实现金刚石膜的平整化。         

 

通过热化学抛光可以使金刚石表面达到纳米级的粗糙度,虽然热化学抛光可以得到较好的表面质量,但需要在高温真空条件下进行加工,以至于加工成本过高,未能得到广泛应用。

   动态摩擦抛光        

 

金刚石极高的硬度和优异的理化性能却使其抛光加工非常困难, 将表面粗糙度 从μm级降低到nm级,往往需要几十到上百小时的抛光时间。         

 

动态摩擦抛光 ( dynamic friction polishing,DFP) 具有极高的金刚石去除速率,而且克服了其他抛光方法中存在的“抛光速率受抛光晶面取向影响”的问题。单晶金刚石在夹具的夹持下,与高速旋转的金属抛光盘紧密接触,通过去除表面 的微凸峰来降低粗糙度。在DFP中金刚石的去除过程为:碳的机械脱离、碳向抛光盘扩散以及碳的氧化。    

 

单晶金刚石的动态摩擦抛光  图源:公开网络      

 

   激光抛光    

 

激光抛光(laser polishing,LP)通过激光束照射到金刚石厚膜表面,使金刚石膜表面温度升高,进而使被加热的金刚石表面碳原子气化和石墨化,从而达到去除材料的目的。         

 

用于金刚石加工的激光可依据激光脉冲长度和原子晶格碰撞之间的大小关系分为“热加工”和“冷加工”两类。最具代表性的为纳秒激光和飞秒激光,对于金刚石而言,其电子和空穴的弛豫时间分别为1.5ps和1.4ps。        

 

激光与电子、晶格相互作用模型 (a) 纳秒激光;(b) 飞秒激光  图源:公开网络       

 

激光加工是目前金刚石的主流加工方法,相较于传统的机械加工形式,激光加工精度高、效率高、普适性强,因而在金刚石切割、微孔成型、微槽道加工及平整化等方面均得到广泛应用。

   离子束抛光

离子束抛光(ion beam polishing,IBP)可实现精细化抛光,IBP利用氧或具有较大溅射率的惰性气体(Ar)离子,对金刚石膜进行溅射刻蚀。等离子轰击金刚石表面以去除碳原子,当高能离子与金刚石表面碰撞时,金刚石晶体结构被破坏,碳原子就从金刚石膜表面溅射出来,从而达到表面抛光的目的。该方法虽然能在很小的尺度上去除脆硬材料,但容易在衬底表面留下波纹。 

 

   等离子体抛光

等离子体辅助抛光(plasma assisted polishing,PAP)是一种新型的干法化学抛光方法,其是先利用等离子体活化金刚石表面,进一步使用“软磨料”去除变质层。该方法可用于金刚石精细化抛光,可提高金刚石表面光洁度。

         

 

    

等离子体辅助机械抛光装置  图源:公开网络

   最后

综上所述,金刚石抛光技术在现代工业中扮演着至关重要的角色,其应用范围从半导体制造到珠宝加工,无所不包。随着科技的不断进步,抛光技术也在不断演变,从传统的机械抛光到化学机械抛光(CMP),再到新兴的等离子体和激光辅助抛光技术,每一次创新都推动着加工精度的提升和效率的提高。

未来,随着对材料表面质量的要求越来越高,金刚石抛光技术将继续朝着更精细、更高效、更环保的方向发展。同时,人工智能和自动化技术的引入,也将为抛光工艺的优化和智能化提供新的可能性。


   第八届国际碳材料大会暨产业展览会

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宽禁带半导体及创新应用论坛

12月5日 周四 全天


10:25-11:00

议题待定

王英民,中国电子科技集团公司第四十六研究所首席专家


11:00-11:25

第三代半导体表面处理技术及装备

王德君,大连理工大学教授


11:25-11:45

基于氮化镓半导体的微波无线供电技术

敖金平,江南大学教授


11:45-12:05

以碳化硅为代表的第三代半导体产业演进及未来趋势

梁赫,重庆鬃晶科技有限公司总经理


13:30-13:55

Si基GaN器件及系统研究与产业前景

于洪宇,南方科技大学深港微电子学院院长


13:55-14:20

报告方向:金刚石半导体器件产业化进展

王宏兴,西安交通大学教授


14:20-14:40

磨抛工艺在超宽禁带半导体材料衬底制备中的应用

王彬,合美半导体(北京)有限公司总经理


15:10-15:35

报告方向:晶圆键合

王晨曦,哈尔滨工业大学教授


15:35-16:00

金刚石薄膜的制备与电学性能研究

胡晓君,浙江工业大学教授


16:00-16:20

报告方向:半导体先进键合集成技术与应用

母凤文,北京青禾晶元半导体科技有限责任公司、天津中科晶禾电子科技有限责任公司董事长兼总经理


16:20-16:40

山东大学团队(邀请确认中)


半导体及加工产业现状与趋势

12月5日 周四 上午


09:40-10:10

SiC产业发展分析与技术的新进展

赵正平,中国电子科技集团有限公司原副总经理


10:10-10:40

报告方向:超精密抛光技术研究进展

袁巨龙,浙江工业大学超精密加工技术研究中心主任


11:10-11:40

报告方向:芯片级金刚石晶圆

江南,中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员


11:40-12:10

报告方向:大功率芯片散热的解决方案

郭跃进,深圳大学异质异构国家重点实验室研究员、原Intel公司首席专家


金刚石前沿应用及产业发展论坛

金刚石生长与前沿应用专题

12月5日 周四 下午


13:35-14:00

金刚石增强导热复合材料与技术

朱嘉琦,哈尔滨工业大学教授


14:00-14:25

报告方向:金刚石量子前沿科技

Milos Nesladek,哈塞尔特大学教授


14:25-14:45

议题待定

Rahul Gaywala,印度Sahajanand Technologies Private Limited公司CEO


15:10-15:35

报告方向:金刚石信息功能传感和电子器件

廖梅勇,日本国立物质材料研究所(行程确认中)


15:35-15:55

报告方向:金刚石量子应用案例

赵博文,安徽省国盛量子科技有限公司创始人


15:55-16:15

硼掺杂金刚石电极的调控与电化学工程应用

魏秋平,中南大学教授


16:15-16:35

议题待定

嘉宾待定,普敦实验室设备(上海)有限公司


16:35-16:55

高灵敏性金刚石热敏电阻器件研究新进展

陈巧,中国地质大学(武汉)副教授


热管理应用及产业化解决方案专题

12月6日 周五 全天


09:30-09:55

金刚石在激光领域的应用研究

杭寅,中国科学院上海光机所研究员


09:55-10:20

三维集成金刚石先进散热技术进展

于大全,厦门大学教授


10:20-10:45

使用CVD金刚石散热器提升高功率密度芯片的性能

lan Friel,元素六业务拓展经理、首席科学家


11:10-11:35

金刚石材料的激光加工

王成勇,广东工业大学副校长


11:35-12:00

CVD金刚石散热材料制备及产业化应用

魏俊俊,北京科技大学教授


12:00-12:20

太原理工大学团队(行程确认中)


13:30-13:55

金刚石常温键合技术在高性能半导体器件散热中的应用

梁剑波,大阪公立大学副教授


13:55-14:20

朝着光束全方位调控的金刚石激光技术

白振旭,河北工业大学教授


14:20-14:40

Effect of gas phase nucleation on nano- and polycrystalline diamond growth in conventional MPCVD chamber

Mariia Lambrinaki,苏州思体尔软件科技有限公司CEO


14:40-15:00

精密磨抛技术在金刚石材料加工中的应用

梁浩,北京特思迪半导体设备有限公司


15:30-15:55

集成电路先进封装的钻石中介层

宋健民博士


15:55-16:15

微射流激光先进技术基于大尺寸金刚石高品质分片及微流通道制备方案

杨森,西安晟光硅研半导体科技有限公司


16:15-16:25

小分子液态源MPCVD制备超纳米金刚石薄膜材料及应用研究

熊鹰,西南科技大学教授


16:25-16:45

基于COMSOL仿真的圆柱形谐振腔MPCVD中金刚石沉积的调控

杨黎,昆明理工大学教授


12月7日 周六 上午


10:00-12:00

闭门讨论:金刚石在热管理市场怎么用?从哪个角度切入热管理市场一块蛋糕?(仅限邀请)


超硬材料与超精密加工论坛

先进加工技术及应用方案专题

12月6日 周五 上午


09:30-09:55

议题待定

康仁科,大连理工大学教授


09:55-10:20

议题待定

吴勇波,南方科技大学教授


10:50-11:15

金刚石的超精密加工技术现状与发展

赵清亮,哈尔滨工业大学教授


11:15-11:40

化学气相法制备单晶微刃金刚石磨料及工具新技术

孙方宏,上海交通大学教授


11:40-12:05

纳秒激光诱导活性金属等离子体反应刻蚀单晶CVD金刚石研究

温秋玲,华侨大学副教授


半导体切磨抛难题解决方案专题

12月6日 周五 下午


13:30-13:55

碳化硅晶圆减薄磨削装备及砂轮技术

尹韶辉,湖南大学无锡半导体先进制造创新中心主任


13:55-14:20

金刚石加工碳化硅晶圆衬底技术现状与趋势

栗正新,河南工业大学材料学院教授、河南工大高新产业技术研究院院长


14:20-14:45

金刚石衬底化学机械抛光原子级去除机理探讨

戴媛静,清华大学天津高端装备研究院常务副所长


14:45-15:05

金刚石超光滑与平坦化工艺路径探索

邓辉,南方科技大学机械与能源工程系研究员


15:30-15:55

大尺寸碳化硅晶圆加工过程面临的挑战与对策

张保国,河北工业大学教授


15:55-16:20

金刚石晶圆的磨抛一体化加工研究进展

陆静,华侨大学教授


16:20-16:40

硬脆材料的金刚石线切割过程切割力动态建模

梁列,西安理工大学青年教师


12月7日 周六 上午


10:00-12:00

闭门讨论:半导体CMP抛光“卡脖子”难点探讨


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