金剛石作為自然界最硬的材料（莫氏硬度10），因其卓越的熱導(dǎo)率、化學(xué)惰性和光學(xué)性能，在高端切削工具、光學(xué)窗口、半導(dǎo)體散熱片及量子器件等領(lǐng)域具有不可替代的價(jià)值。然而，這種極端硬度也帶來了加工難題——傳統(tǒng)機(jī)械拋光技術(shù)效率低下。而值得注意的是，在特定化學(xué)環(huán)境中，金剛石的碳原子能夠與氣體（如氧氣）、液體（如酸性溶液）或金屬氧化物（如Fe?O?）發(fā)生反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)化成氣體或者其他物質(zhì)，從而降低表層硬度。基于這一特性，可利用化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)（CMP），通過機(jī)械研磨與化學(xué)反應(yīng)的協(xié)同作用突破了金剛石拋光瓶頸。本篇文章，我們一起看看如何利用CMP技術(shù)對金剛石進(jìn)行拋光吧！

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通常，由于金剛石硬度極大，對于加工速率和加工質(zhì)量都提出了極大的挑戰(zhàn)，目前主要利用芬頓反應(yīng)、光催化、激光誘導(dǎo)等輔助方式增強(qiáng)拋光效果。

粗拋：激光誘導(dǎo)石墨化

激光刻蝕作為一種非接觸加工方式，是基于激光對材料的熱效應(yīng)而進(jìn)行的，由于具有效率高的優(yōu)勢，成為了目前金剛石的主流加工方法。因此在CMP加工前，可利用高能量密度的激光束聚焦在金剛石表面，在此過程中，金剛石并不會直接升華或發(fā)生化學(xué)刻蝕，而是會經(jīng)歷向石墨相的轉(zhuǎn)變過程，這種石墨化的行為直接降低了后續(xù)CMP加工的難度，不過由于該技術(shù)存在一定的熱損傷風(fēng)險(xiǎn)，目前利用激光加工后的金剛石表面粗糙度一般為50nm左右，適用于在CMP加工前實(shí)現(xiàn)快速粗拋。

精拋：光助芬頓反應(yīng)技術(shù)輔助CMP技術(shù)

光助芬頓反應(yīng)技術(shù)是一種結(jié)合光化學(xué)與芬頓反應(yīng)的高級氧化工藝，通過光能與化學(xué)催化協(xié)同作用可顯著提高強(qiáng)氧化性的羥基自由基（?OH）濃度，從而增強(qiáng)金剛石的化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到提高拋光效率的目的，實(shí)現(xiàn)金剛石的高效率、高精度拋光。

1、什么是芬頓反應(yīng)？

在金剛石化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）中，早期主要使用KNO?、NaNO?、LiNO?、KMnO?、K?FeO?、KIO?、K?Cr?O?等氧化劑，其通過與金剛石表面碳原子反應(yīng)生成氧化層（如CO/CO?），再通過機(jī)械摩擦實(shí)現(xiàn)材料去除。然而，這類氧化劑需在高溫下達(dá)到熔融狀態(tài)（如KNO?熔點(diǎn)334°C、NaNO?熔點(diǎn)307°C），而高溫又易引發(fā)拋光液揮發(fā)及工件熱變形問題 。因此近年來，H?O?溶液因其無需高溫熔融且強(qiáng)氧化性的優(yōu)勢，逐漸成為CMP主流氧化劑。

H₂O₂溶液可在常溫中通過與金剛石表面碳原子發(fā)生羥基化反應(yīng)（形成C-O和C-OH鍵），弱化碳碳雙鍵結(jié)合力，然后碳原子由于磨料的機(jī)械作用而被帶走，實(shí)現(xiàn)對金剛石的拋光。由于整個(gè)反應(yīng)在常溫下進(jìn)行，不會對工件造成熱破壞，可得到原子級光滑的表面。

但值得注意的是，單純的H?O?氧化效率仍受限于自由基生成速率，因此研究者又提出基于芬頓(Fenton)反應(yīng)來提高金剛石的化學(xué)機(jī)械拋光效率：即通過將鐵浸入H2O2溶液中，生成亞鐵離子(Fe2+)，F(xiàn)e2+與 H2O2 反應(yīng)生成具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基（·OH），這些羥基自由基具有極高的氧化還原電位，可以顯著加速金剛石表面碳原子的氧化剝離，在短時(shí)間內(nèi)獲得了光滑、平整、低損傷的表面。不過，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，F(xiàn)e²⁺和過氧化氫的濃度會逐漸降低，在中性和堿性條件下，F(xiàn)e³⁺可能并未全部轉(zhuǎn)化成Fe²⁺，導(dǎo)致部分Fe³⁺會和OH^-發(fā)生反應(yīng)，從而抑制自由基的產(chǎn)生，故拋光過程中化學(xué)作用會逐漸減弱，材料去除率逐漸降低。

芬頓反應(yīng)過程如下: Fe²⁺ +H₂O₂→·OH +OH^-+Fe³⁺

2、光催化輔助化學(xué)機(jī)械拋光

紫外光催化反應(yīng)是一種強(qiáng)氧化反應(yīng)，它利用紫外光照射光催化劑和電子捕捉劑發(fā)生光催化反應(yīng)，使得光催化劑（如 TiO₂、ZnO、CeO₂等）表面價(jià)帶電子被激發(fā)，達(dá)到一定能級躍遷產(chǎn)生自由電子(e^-)，同時(shí)導(dǎo)帶上產(chǎn)生空穴(h⁺)。空穴可以將吸附在光催化劑顆粒表面的電子捕捉劑氧化生成強(qiáng)氧化性的羥基自由基（?OH）。基于這個(gè)原理，在利用CMP技術(shù)拋光金剛石過程中施加紫外光來激發(fā)拋光液中的光催化劑，產(chǎn)生光催化反應(yīng)，以此來加速金剛石表面的氧化反應(yīng)，提高 CMP 的材料去除率和表面質(zhì)量。

光催化反應(yīng)原理（以TiO₂為例）

通常，利用光催化輔助化學(xué)機(jī)械拋光金剛石材料，可以獲得納米級的表面粗糙度，但相比傳統(tǒng)的化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù),設(shè)備復(fù)雜度較高,無法滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求,需要進(jìn)一步地研究和優(yōu)化,以提高其實(shí)際應(yīng)用能力。

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