隨著量子信息、人工智能等高新技術的飛速發展，半導體技術也在不斷更新迭代。從第一代半導體硅(Si)和鍺(Ge)，到第二代的砷化鎵(GaAs)和銻化銦(InSb)，再到第三代的碳化硅(SiC)、氮化鋁(AlN)和氮化鎵(GaN)，我們現在正迎來第四代半導體材料的迅猛發展，其中單晶金剛石(C)和氧化鎵(Ga₂O₃)尤為引人注目。

金剛石襯底（來源：orbray）

第四代半導體材料的主要特點包括體積小、功耗低，而以單晶金剛石為代表的超寬禁帶半導體材料不僅具備卓越的高頻功率特性、高溫穩定性，還表現出極低的能量損耗。它們已成為信息、能源、交通、先進制造以及國防等領域的重要新材料。

然而，盡管金剛石的性能卓越，其加工過程卻充滿挑戰。作為地球上最堅硬的材料之一，如何在確保加工效率的同時降低加工損傷，是當前行業和學術界共同關注的問題。本文將探討現有的金剛石加工技術及其未來的發展方向。

一、金剛石襯底的獨特優勢

按照材料的結構劃分，金剛石可以分為多晶和單晶。其中單晶金剛石具有極高的硬度和耐磨性，且內部結構完整，和單晶硅具有相同的晶體結構，僅晶格常數不同。相比單晶硅，單晶金剛石具有更優異的電學性能：其導熱率是硅的14倍，電場電阻則高30倍。金剛石的高導熱性（21 W/cm·K）使其能夠在600℃的高溫下有效工作，并能夠承受高達81 GHz的高頻。

CVD法生長的金剛石

此外，金剛石的禁帶寬度和擊穿電場強度也顯著高于硅、砷化鎵、碳化硅和氮化鎵等半導體材料。例如，一片直徑50 mm的金剛石晶圓可以存儲約250億GB的數據，相當于10億張藍光光盤。單晶金剛石被廣泛應用于量子計算、生物芯片襯底和傳感器等領域，被認為是未來的終極半導體材料。

金剛石的禁帶寬度和擊穿電場強度也遠高于硅、砷化鎵、碳化硅和氮化鎵等半導體材料。例如，一片直徑50 mm的金剛石晶圓可以存儲約250億GB的數據，相當于10億張藍光光盤。單晶金剛石在量子計算、生物芯片襯底和傳感器等領域展現了廣泛應用前景，被認為是未來的終極半導體材料。

四種半導體材料的性能對比

二、金剛石襯底的加工挑戰

將金剛石加工成襯底材料，需要經過嚴格的處理程序。即便金剛石性能優越，如果加工后的表面質量不能達到技術要求，其優勢便無法充分發揮，甚至無法應用。

半導體襯底材料要求具有亞納米級的表面粗糙度及超低的表面/亞表面損傷。因此，能夠加工出超平坦、超光滑、超低損傷且無污染的高性能金剛石襯底材料，將極大促進半導體領域的發展。

然而，金剛石的高硬度使其加工過程非常復雜。目前，金剛石的去除機制主要包括微破碎去除、石墨化去除和氧化去除。以下是一些現有的加工技術：

1、激光拋光加工

激光拋光適用于室溫下拋光CVD金剛石的平面和曲面。其原理是利用激光光斑的高功率密度（如1 GW/cm2）使材料迅速熱氧化和熔融蒸發。激光脈沖頻率通常為幾十至100 Hz，每脈沖去除幾微米的材料。為了拋光更大表面，需要通過激光點和基底的相對運動來掃描整個基底。拋光速率受脈沖頻率、峰值功率、光斑直徑、運動速度及基底特性等因素影響。由于激光加工難以穩定能量輸出，因此原理上難以實現超低損傷的加工。

2、離子束（如氬）或活性（如氧），其流量、能量和入射角可獨立控制。與激光拋光類似，離子束拋光也是局部材料去除。雖然其精度高，但效率低且成本高，適用于局部缺陷修復，因此難以實現大尺寸半導體襯底的高效加工。

3、熱化學拋光加工

GRODZINSKI最早提出了熱化學拋光的概念，原理是在高溫下使金剛石石墨化，石墨化的碳原子在壓力作用下擴散到拋光盤上以實現材料去除。CHOS等提出了熱化學后處理方法，通過弱氧化反應去除無定形碳和層狀石墨，提高金剛石晶體的硬度和楊氏模量。盡管熱化學拋光效率高，但對實驗環境要求苛刻，高溫真空條件限制了其應用。

4、摩擦化學拋光加工

摩擦化學拋光利用過渡金屬元素制備的拋光盤，通過金剛石石墨化原理實現高效去除。與熱化學拋光不同，摩擦化學拋光可以在室溫下進行，但需在高壓和高速條件下實現石墨化去除。這種條件下設備穩定性難以保證，且高壓力可能導致工件崩碎。加工后，金剛石表面通常會出現大量石墨化層，影響后續使用。

5、機械拋光加工

機械拋光是常用的金剛石加工方法，分為無磨粒拋光和游離磨料拋光。無磨粒拋光通過高壓和高轉速的摩擦去除材料，但效率較低。游離磨料拋光使用金剛石粉作為磨料，雖然不需高轉速，但會導致表面劃痕、凹坑及亞表面損傷，如裂紋和晶格畸變。磨粒粒徑、拋光壓力和轉速影響表面質量，而金剛石的各向異性使得不同方向的拋光效果差異顯著（在機械拋光過程中尤為突出）。總之，機械拋光雖然有無需高溫真空環境，簡單且成本低的優點，但加工效率和質量都有限。

6、化學機械拋光加工

化學機械拋光（CMP）最早由THORNTON等于1970年代提出，主要用于集成電路的半導體材料平坦化，但效率較低。GUPTA等首次用熔融堿性氧化劑拋光金剛石，后續改進提高了去除率，但高溫下工件熱變形和環境危害仍是問題。常溫化學機械拋光研究如CHENG等的實驗，通過加熱至70℃并使用KMnO₄和稀H₂SO₄溶液，獲得較好的表面質量。優化參數如摩擦系數和酸堿度對拋光效果有顯著影響。

為了提高去除率，學者們嘗試多種方法，包括電火花結合CMP、浸沒式拋光、高精度機械拋光、半固結磨粒拋光墊、新型拋光盤、以及紫外光輔助加工。紫外光能激發金剛石表面氧化反應，提高去除率，然而紫外光輔助加工需要特殊設備和環境，且復雜性高。當前研究表明，引入外場如UV光可顯著提升拋光效率，但需解決設備和拋光液的兼容性問題。

三、實現高效、低損傷金剛石加工的關鍵

綜上所述，化學機械拋光（CMP）方法在平坦化大尺寸金剛石材料和實現超光滑、低損傷表面方面具有優勢，但其去除率低仍是限制其應用的主要瓶頸。因此，提高加工效率是當前亟待解決的關鍵問題，而提升單晶金剛石表面的氧化速率是提高去除率的核心。

現有的拋光盤/墊，如聚氨酯拋光墊、玻璃盤和溶膠-凝膠拋光盤，存在長期拋光導致磨損嚴重的問題。使用硬度較大的陶瓷盤是一種新的嘗試，可能有效解決這一問題。

此外，引入外部能場如電場和光場來輔助加工是一種較新的思路，盡管這可能帶來裝置復雜性的挑戰。相比之下，傳統方法如添加氧化劑、制備新型拋光盤以及使用金剛石磨粒等較為常規，不會面臨裝置復雜性的問題，但可能存在其他瓶頸。

綜合來看，“金剛石磨粒+強氧化劑+外部能場輔助”的加工方法可能是未來的發展趨勢，這種方法有望提高加工效率，同時克服現有方法中的局限性。

粉體圈NANA 整理