摘要
金刚石是电子和光子材料的“珠穆朗玛峰”，具有超宽禁带、高导热性、高耐磨性、低摩擦系数等优异的物理化学性能，可应用于生物芯片衬底、高功率激光窗口、氮-空位色心纳米量子传感器等众多领域，被认为是最有潜力的新型功能材料之一。在单晶金刚石应用于这些领域时对表面质量有很高的要求，然而金刚石极高的硬度和化学惰性，导致加工难度极大、加工效率极低，严重限制了大规模应用。因此，如何实现单晶金刚石高效高质量抛光、获得超光滑无损伤表面是当前该领域十分迫切且充满挑战的难题。 化学机械抛光（CMP）是半导体晶圆获得无损伤、原子级光滑表面最有效的加工技术之一。为提高单晶金刚石抛光效率和表面质量，本文研究了基于芬顿反应的单晶金刚石CMP氧化作用机理及其材料去除特性，探究了单晶金刚石最佳抛光工艺。主要研究内容如下： 首先，采用磨痕加工实验研究了芬顿反应应用于单晶金刚石抛光的可行性，探究了芬顿反应下的单晶金刚石表面材料去除特性。结果表明：Fenton反应能促使金刚石表面发生氧化并提高其材料去除，材料去除量高达229.15μm2。在Fenton反应液中添加金刚石磨料能够显著提高单晶金刚石的材料去除，材料去除量比单独Fenton反应条件提高了155.9%，比单独磨料作用提高了81.2%，比两者之和还高6.1%。进一步研究了单晶金刚石芬顿反应加工中各因素对材料去除的影响规律，结果发现，虽然磨料和工具头的机械去除作用占据主导地位（55.2%），但化学反应及其与机械去除的协同作用占比高达44.8%，说明在金刚石的材料去除过程中化学作用与机械作用之间存在明显的协同作用。 其次，采用·OH浓度检测实验和磨痕加工实验，研究了各化学作用因素对芬顿反应速率和金刚石加工效率的影响规律。结果表明：金刚石的加工效率与芬顿反应速率呈现显著正相关。芬顿反应中的固相催化剂Fe3O4比液相催化剂FeSO4产生的·OH浓度高且反应稳定，对金刚石的加工效率也更高。过高的Fe3O4和H2O2浓度会导致·OH的堙灭，降低金刚石的加工效率。酸性环境下芬顿反应的稳定性和活性都比碱性环境好，更有利于金刚石的加工。Fe3O4粒径对·OH浓度和金刚石的加工效率影响都较小。同时研究了机械作用参数对单晶金刚石加工效果的影响规律，结果表明：工件倾斜角度过高不利于提高金刚石的加工效率，加工出的磨痕形貌变差。主轴转速越大，切削力越高，加工效率就越高。主轴进给速率的降低对金刚石的去除量提升有限，却成倍的增加了时间成本。 再次，采用正交和单因素抛光实验，分别研究各化学因素和机械因素对单晶金刚石抛光效率和表面质量的影响规律。正交抛光实验结果表明：各化学因素对单晶金刚石CMP材料去除率和表面粗糙度的影响程度一致，其主次顺序为：pH值gt;Fe3O4浓度gt;H2O2浓度gt;Fe3O4粒径。正交实验优化后得出芬顿反应抛光液组份为：3wt%Fe3O4、15wt%H2O2、pH值为3、Fe3O4粒径为0.1μm。采用优化参数抛光30min后，金刚石表面粗糙度Ra由5nm降到0.24nm，抛光的MRR高达718.5nm/h。单因素抛光实验结果表明：随着抛光压力、抛光盘转速、磨料浓度增大，单晶金刚石抛光MRR均呈现先增大后减小，表面粗糙度Ra先减小后增大的趋势。随着磨料粒径的增大，单晶金刚石抛光MRR逐渐增大，表面粗糙度Ra先减小后增大。 最后，研究了芬顿反应下的单晶金刚石CMP氧化作用机理，建立了CMP材料去除模型并分析其材料去除过程。
NETL