Ko se polprevodniške naprave razvijajo proti večji moči, večji gostoti in miniaturizaciji, se substratni materiali, kot so silicij, silicijev karbid in galijev nitrid, približujejo svojim mejam zmogljivosti. Diamant s svojo izjemno visoko trdoto, ultra-visoko toplotno prevodnostjo, ultra-široko pasovno vrzeljo, močnim prebojnim električnim poljem in široko spektralno preglednostjo od globokega ultravijoličnega do daljnega infrardečega sevanja šteje za »najboljši polprevodniški material«. Vendar med obdelavo te odlične lastnosti nasprotno postanejo glavne ovire za doseganje natančne obdelave diamantnih površin. Tradicionalne metode poliranja težko uravnotežijo visoke stopnje odstranjevanja materiala z visoko kakovostjo površine, zaradi česar je to ključni tehnološki izziv, ki omejuje široko uporabo diamanta v visoko-zmogljivih napravah. Zato bo ta članek, izhajajoč iz omejitev običajnih tehnik poliranja diamantov, predstavil več novih tehnologij poliranja in njihove najnovejše dosežke za končno obdelavo površine diamantov v -atomskem merilu.
Konvencionalne tehnologije poliranja in njihove omejitve
Tradicionalne tehnike poliranja diamantov vključujejo predvsem mehansko poliranje, termokemično poliranje in lasersko poliranje. Čeprav so te tehnologije igrale pomembno vlogo v zgodovini obdelave diamantov, imajo vse jasne omejitve, ko si prizadevajo za planarizacijo površine v -atomskem merilu.
(1) Mehansko poliranje: Mehansko poliranje je najzgodnejša metoda, uporabljena pri obdelavi diamantov. Njegovo načelo vključuje uporabo diamantnih abrazivov ali abrazivov z visoko -trdoto (kot je silicijev karbid, aluminijev oksid itd.) na polirni blazinici za mehansko brušenje diamantne površine. Zaradi izredno visoke trdote diamanta so za odstranitev materiala običajno potrebne znatne obremenitve pri poliranju; vendar pa takšne visoke obremenitve ponavadi povzročijo praske, jamice in druge površinske in podpovršinske poškodbe med obdelavo.
(2) Termokemično poliranje: Na podlagi mehanizma visoko{1}}temperaturne medfazne difuzije lahko pri povišanih temperaturah 600–1800 stopinj atomi ogljika na površini diamanta difundirajo in se raztopijo v polirne blazinice prehodnih kovin (npr. železo, nikelj), kar zmanjša težave pri obdelavi. Vendar zaradi neenakomernega segrevanja kovinske podlage postopek poliranja pogosto trpi zaradi težav z enotnostjo, zaradi česar je polirana površina neenakomerna.
(3) Lasersko poliranje: Ta tehnika uporablja visoko{1}}energijski laserski žarek za neposredno obsevanje površine diamanta, kar povzroči lasersko grafitizacijo (pretvorbo diamantne faze v grafitno fazo), čemur sledi mehanska odstranitev grafitizirane plasti. Ta metoda je zelo učinkovita v fazi grobega obdelave, vendar je lasersko{3}}povzročeno toplotno-območje razmeroma globoko, zaradi česar na površini zlahka ostanejo toplotno poškodovane plasti, zaradi česar je težko doseči globalno atomsko-planarizacijo.
Core Atomic-Scale Polishing Technologies for Diamond
Da bi se izognili močni-kontaktni mehanski obrabi in čim bolj zmanjšali poškodbe rešetke, so se raziskovalci obrnili na nove tehnologije poliranja v atomskem-razsegu, osredotočene na več-energijsko-sinergijo, kot je kemično mehansko poliranje (CMP), -poliranje s pomočjo plazme (PAP) in poliranje z ionskim žarkom (IBP).
01 Kemijsko mehansko poliranje (CMP)
CMP je industrijsko najbolj obetavna tehnologija za planarizacijo v -atomskem merilu. Njegov osrednji mehanizem vključuje sinergijo kemične oksidativne modifikacije in blage mehanske abrazije: oksidanti v polirni brozgi pretvorijo sp³ vezi na površini diamanta v ohlapno, zlahka odstranljivo oksidno plast, ki jo nato nežno postrgajo nano-abrazivi pod nizkim pritiskom, kar omogoča plast{3}}za-plastjo atomsko-odstranjevanje kamna in temeljito zatiranje škode. Vendar se konvencionalni CMP še vedno sooča z izzivi pri poliranju diamantov, kot so nizka oksidacijska aktivnost, počasne hitrosti reakcije in nezadostna učinkovitost poliranja, pri čemer je hitrost odstranjevanja materiala običajno pod 1 μm/uro. Trenutno industrija to izboljšuje v dveh glavnih smereh: z zunanjo terensko pomočjo in optimizacijo sistema oksidantov v polirni brozgi, kar znatno poveča učinkovitost poliranja in kakovost površine.
(1) Izbira in optimizacija oksidantov: Oksidanti so osrednjega pomena za kemijsko reakcijo v diamantnem CMP, saj neposredno določajo stopnjo oksidacije, kakovost modifikacije površine in končno hrapavost. Glede na potrebo po oksidaciji površine inertnega diamanta so glavni optimizirani sistemi:
Solni oksidanti z visoko{0}}valentnostjo: kalijev ferat (K₂FeO₄), kalijev perjodat (KIO₄), kalijev permanganat (KMnO₄) itd. Imajo visok oksidacijski potencial in močne oksidacijske sposobnosti ter pospešujejo modifikacijo inertne površine. Na primer, Yuan et al. je s primerjalnimi poskusi dokazal, da je med takšnimi oksidanti sistem K₂FeO₄ dosegel najboljšo učinkovitost poliranja, učinkovit prehod iz grobega poliranja v fino poliranje in skrajšanje celotnega časa obdelave.
Sistemi vodikovega peroksida (H₂O₂): V zadnjem desetletju so H₂O₂ in njegove mešanice postale glavna izbira za kemično poliranje diamantov. Kot močan oksidant pri sobni temperaturi lahko H₂O₂ neposredno reagira s površino diamanta, da ustvari plast hidroksiliranega oksida brez visoko-temperaturnih stranskih reakcij, ki služi kot temeljni oksidant za atomsko-poliranje lusk. Vendar pa je oksidacijska učinkovitost samo H₂O₂ omejena s hitrostjo nastajanja prostih radikalov. Zato se pogosto kombinira s Fe²⁺ katalizo za vzpostavitev Fentonove reakcije, pri kateri nastanejo visoko reaktivni •OH radikali, ki multiplikativno povečajo stopnjo oksidacije površine diamanta, s čimer dosežejo visoke stopnje odstranitve in kakovost površine v -atomskem obsegu, primerno za obdelavo-polprevodniških diamantnih substratov visokega razreda.
(2) Pomoč zunanjega polja: uvedba visoko{1}}energetskih polj lahko aktivira površino diamanta in situ in tako doseže učinkovitejše odstranjevanje. Trenutno so glavni pristopi lasersko-inducirane metode in-fotokatalizne metode.
Lasersko-povzročeno: Čeprav čisto lasersko poliranje omogoča hitro odstranjevanje materiala, lahko povzroči toplotne poškodbe in površinske nepravilnosti. Če pa ga uporabimo kot korak grobega poliranja za induciranje grafitizacije in hitro izravnavo površine, čemur sledi fino poliranje s CMP, lahko hrapavost zmanjšamo na nanometrsko ali celo atomsko lestvico, hkrati pa močno izboljšamo hitrost odstranjevanja materiala in ublažimo težavo z nizko učinkovitostjo tradicionalnega CMP.
Podprta-fotokataliza: fotokatalizatorji (npr. TiO₂, ZnO itd.) se dodajo polirni brozgi in določena valovna dolžina ultravijolične svetlobe (običajno<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 Poliranje s-plazmo (PAP)
Poliranje s-plazmo je suha, brezkontaktna metoda poliranja s kemično atomsko-merilo. Delovni plin, kot je O₂, se uvede in ionizira, da se ustvarijo visoko-energijske reaktivne spojine. Te vrste reagirajo z atomi ogljika na površini diamanta, pri čemer nastanejo hlapni ogljikovi oksidi, ki se desorbirajo s površine in dosežejo popolnoma kemično atomsko -jedkanje. Rahlo mehansko delovanje s polirno blazinico nato omogoči učinkovito odstranitev. Prednosti te metode vključujejo obdelavo-brez stresa,-brez abraziva, visoko celovitost rešetke, natančen nadzor globine jedkanja in ublažitev kristalografske anizotropije, zaradi česar je trenutno najbolj obetavna tehnologija za uravnoteženje učinkovitosti in kakovosti. Vendar so stroški opreme visoki in doseganje-enakomernega jedkanja velikih površin je izziv.
03 Poliranje z ionskim žarkom (IBS)
Poliranje z ionskim žarkom je brez-kontaktna metoda poliranja z visoko-energijsko fizično razprševanjem. Vir ionov, ki se običajno izvaja v vakuumskem okolju, ustvarja visoko{4}}energijske ione (npr. Ar⁺), ki bombardirajo površino diamanta pod določenim kotom. S prenosom gibalne količine površinski atomi pridobijo dovolj energije, da premagajo površinsko vezno energijo, in se izločijo kot razpršeni atomi, s čimer dosežemo odstranitev -materiala v atomskem obsegu in s tem poliranje.
Ker se izogne kontaktnemu pritisku, trenju in s tem povezanim poškodbam podpovršine, praskam ali deformacijam, je ta tehnologija že dosegla zmanjšanje hrapavosti diamanta CVD s 334 nm navzdol na 0,5 nm z uporabo ionskih žarkov plinskih grozdov (GCIB), ustvarjenih iz plinov, kot sta argon ali žveplov fluorid, z možnostjo prihodnjega doseganja atomske ravni. Vendar pa je zaradi zahteve po visokem vakuumu, zapletenih ionskih virih in nadzornih sistemih oprema draga za nakup in vzdrževanje, kar omejuje njeno široko uporabo na splošnih industrijskih področjih.