Тъй като полупроводниковите устройства се развиват към по-висока мощност, по-висока плътност и миниатюризация, субстратните материали като силиций, силициев карбид и галиев нитрид се доближават до своите граници на производителност. Диамантът, със своята изключително висока твърдост, ултра-висока топлопроводимост, ултра-широка забранена лента, силно пробивно електрическо поле и широка спектрална прозрачност от дълбоки ултравиолетови до далечни инфрачервени лъчи, се счита за „най-добрият полупроводников материал“. По време на обработката обаче тези отлични свойства се превръщат в основни пречки за постигане на прецизна обработка на диамантени повърхности. Традиционните методи за полиране се борят да балансират високите скорости на отстраняване на материала с високото качество на повърхността, което прави това ключово технологично предизвикателство, ограничаващо широкото приложение на диамант в устройства с висока-производителност. Ето защо, като се започне от ограниченията на конвенционалните техники за полиране на диаманти, тази статия ще сподели няколко нови технологии за полиране и техните най-нови постижения за повърхностно довършване на диаманти в атомен{7}}мащаб.
Конвенционални технологии за полиране и техните ограничения
Традиционните техники за полиране на диаманти включват главно механично полиране, термохимично полиране и лазерно полиране. Въпреки че тези технологии са изиграли важна роля в историята на обработката на диаманти, всички те показват ясни ограничения, когато преследват планаризация на повърхността в атомен{1}}мащаб.
(1) Механично полиране: Механичното полиране е най-ранният метод, прилаган за обработка на диаманти. Неговият принцип включва използването на диамантени абразиви или абразиви с висока -твърдост (като силициев карбид, алуминиев оксид и др.) върху полираща подложка за механично шлайфане на диамантената повърхност. Поради изключително високата твърдост на диаманта, обикновено са необходими значителни полиращи натоварвания, за да се постигне отстраняване на материала; обаче такива високи натоварвания са склонни да генерират драскотини, ями и други повърхностни и подповърхностни повреди по време на обработката.
(2) Термохимично полиране: Въз основа на механизма на високо{1}}температурна междинна дифузия, при повишени температури от 600–1800 градуса, въглеродните атоми на диамантената повърхност могат да дифундират и да се разтворят в полиращи подложки от преходен метал (напр. желязо, никел), намалявайки трудността при обработката. Въпреки това, поради неравномерното нагряване на металния субстрат, процесът на полиране често страда от проблеми с еднородността, оставяйки полираната повърхност неравна.
(3) Лазерно полиране: Тази техника използва високо-енергиен лазерен лъч за директно облъчване на диамантената повърхност, предизвиквайки лазерна графитизация (преобразуване на диамантена фаза в графитна фаза), последвано от механично отстраняване на графитизирания слой. Този метод е високоефективен в етапа на грубо обработване, но зоната,-засегната от лазер-топлинна-е относително дълбока, лесно оставя слоеве от термично увреждане на повърхността и затруднява постигането на глобална планаризация в атомен-мащаб.
Core Atomic-Scale Polishing Technologies за Diamond
За да избегнат силна-контактна механична абразия и да сведат до минимум щетите на решетката, изследователите се обърнаха към нови технологии за полиране в-мащаб, съсредоточени върху много-енергийна-синергия, като химическо механично полиране (CMP),-подпомогнато полиране (PAP) и полиране чрез разпръскване с йонен лъч (IBP).
01 Химическо механично полиране (CMP)
CMP е промишлено най-обещаващата технология за планаризация в-атомен мащаб. Неговият основен механизъм включва синергията на химическа окислителна модификация и лека механична абразия: оксидантите в полиращата суспензия превръщат sp³ връзките на повърхността на диаманта в хлабав, лесно отстраним оксиден слой, който след това се изстъргва внимателно от нано-абразиви при ниско напрежение, позволявайки слой{3}}по-слой атомно-отстраняване на котлен камък и фундаментално потискане на щетите. Въпреки това, конвенционалната CMP все още е изправена пред предизвикателства при полирането на диаманти, като ниска окислителна активност, бавни скорости на реакция и недостатъчна ефективност на полиране, като скоростите на отстраняване на материала обикновено са под 1 μm/час. Понастоящем индустрията подобрява това чрез две основни посоки: външно съдействие на място и оптимизиране на окислителната система в полиращата суспензия, което значително повишава ефективността на полиране и качеството на повърхността.
(1) Избор и оптимизация на окислител: Оксидантите са централни за химическата реакция в диамантения CMP, като директно определят скоростта на окисление, качеството на модификация на повърхността и крайната грапавост. Въз основа на необходимостта от окисляване на инертната диамантена повърхност, основните оптимизирани системи включват:
Високо{0}}валентни солни окислители: калиев ферат (K₂FeO₄), калиев периодат (KIO₄), калиев перманганат (KMnO₄) и др. Те имат висок окислителен потенциал и силни окислителни способности, ускорявайки модификацията на инертната повърхност. Например, Yuan et al. демонстрира чрез сравнителни експерименти, че сред такива оксиданти, системата K₂FeO₄ дава най-доброто полиране, ефективно преминавайки от грубо полиране към фино полиране и съкращавайки общото време за обработка.
Системи с водороден прекис (H₂O₂): През последното десетилетие H₂O₂ и неговите смеси се превърнаха в основен избор за химическо полиране на диаманти. Като силен окислител при стайна температура, H₂O₂ може директно да реагира с диамантената повърхност, за да генерира хидроксилиран оксиден слой без странични реакции при висока-температура, служейки като основен окислител за полиране на атомен-мащаб. Въпреки това, ефективността на окисление само на H2O2 е ограничена от скоростта на генериране на свободни радикали. Поради това често се комбинира с Fe²⁺ катализа за установяване на реакция на Fenton, генерираща силно реактивни •OH радикали, които многократно повишават скоростта на окисление на повърхността на диаманта, постигайки както високи скорости на отстраняване, така и качество на повърхността в атомен -мащаб, подходящо за обработка на диамантен субстрат от висок-клас на полупроводници.
(2) Помощ от външно поле: Въвеждането на високо-енергийни полета може да активира диамантената повърхност на място, като постига по-ефективно отстраняване. Понастоящем основните подходи са лазер-индуцирани и фотокатализа-подпомогнати методи.
Лазерно{0}}предизвикано: Въпреки че чистото лазерно полиране позволява бързо отстраняване на материала, то има тенденция да причинява термични щети и повърхностни неравности. Въпреки това, ако се използва като етап на грубо полиране за предизвикване на графитизация и бързо изравняване на повърхността, последвано от фино полиране с CMP, грапавостта може да бъде намалена до нанометър или дори атомна скала, като същевременно се подобрява значително скоростта на отстраняване на материала и се облекчава проблемът с ниската ефективност на традиционния CMP.
Фотокатализа-подпомогната: Фотокатализатори (напр. TiO₂, ZnO и др.) се добавят към полиращата суспензия и специфична дължина на вълната на ултравиолетова светлина (обикновено<387.5 nm) is applied during polishing. The valence band electrons of the photocatalyst are excited to the conduction band, leaving positively charged holes (h⁺) in the valence band. These holes oxidize water molecules (H₂O) or hydroxide ions (OH⁻) adsorbed on the photocatalyst surface, generating highly oxidative hydroxyl radicals (•OH). These radicals then react with carbon atoms on the diamond surface, achieving efficient removal of surface carbon atoms.
02 Плазмо{1}}полиране (PAP)
Плазменото-полиране е сух, безконтактен метод за полиране с химичен атомен-мащаб. Работен газ като O₂ се въвежда и йонизира, за да генерира високо-енергийни реактивни видове. Тези видове реагират с въглеродни атоми на повърхността на диаманта, произвеждайки летливи въглеродни оксиди, които се десорбират от повърхността, постигайки чисто химическо ецване на атомен-мащаб. Впоследствие леко механично действие от полиращ тампон позволява ефективно отстраняване. Предимствата на този метод включват-без напрежение,-безабразивна обработка, висока цялост на решетката, прецизен контрол на дълбочината на ецване и смекчаване на кристалографската анизотропия, което го прави в момента най-обещаващата технология за балансиране на ефективност и качество. Цената на оборудването обаче е висока и постигането на равномерно ецване на голяма{11}}площ е предизвикателство.
03 Полиране с йонно лъчево разпръскване (IBS)
Полирането с йонен лъч е метод за безконтактно-полиране с високо-енергийно физическо разпръскване-. Обикновено изпълняван във вакуумна среда, източникът на йони генерира йони с висока -енергия (напр. Ar⁺), които бомбардират диамантената повърхност под определен ъгъл. Чрез трансфер на импулс повърхностните атоми получават достатъчно енергия, за да преодолеят енергията на повърхностно свързване и се изхвърлят като разпръснати атоми, постигайки отстраняване на материал от атомен-мащаб и по този начин полиране.
Тъй като избягва контактното налягане, триенето и свързаните с това подповърхностни повреди, драскотини или деформации, тази технология вече постигна намаляване на грапавостта на CVD диаманта от 334 nm до 0,5 nm с помощта на газови клъстерни йонни лъчи (GCIB), генерирани от газове като аргон или серен флуорид, с бъдещ потенциал за достигане на атомно ниво. Въпреки това, изискването за висок вакуум, сложни източници на йони и системи за управление прави оборудването скъпо за закупуване и поддръжка, ограничавайки широкото му приложение в общите индустриални области.