[论文解读] Polishing of {100} and {111} single crystal diamond through the use of Chemical Mechanical Polishing

Evan L. H. Thomas, Soumen Mandal+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2014

Diamond and Carbon-based Materials ResearchMaterials Science参考文献 3被引用 21

一句话总结

本研究证明，采用聚氨酯/聚酯垫和胶体二氧化硅悬浮液进行化学机械抛光（CMP），可有效降低单晶金刚石{100}和{111}晶面的表面粗糙度。该方法在不使用金刚石磨料或高温的条件下，分别将表面均方根粗糙度降低至0.23 nm和0.09 nm，提供了一种简化、与集成电路（IC）工艺兼容的方法，用于实现原子级平整、无缺陷的金刚石表面，适用于先进电子与光学应用。

ABSTRACT

Diamond is one of the hardest and most difficult to polish materials. In this paper, the polishing of {111} and {100} single crystal diamond surfaces by standard Chemical Mechanical Polishing, as used in the silicon industry, is demonstrated. A Logitech Tribo Chemical Mechanical Polishing system with Logitech SF1 Syton and a polyurethane/polyester polishing pad was used. A reduction in roughness from 0.92 to 0.23 nm root mean square (RMS) and 0.31 to 0.09 nm RMS for {100} and {111} samples respectively was observed.

研究动机与目标

• 开发一种适用于大功率和高频电子与光学器件的低损伤、可扩展的单晶金刚石抛光方法。
• 解决传统机械抛光导致的各向异性表面损伤、纳米沟槽及亚表面裂纹等局限性。
• 将硅基产业中标准的化学机械抛光（CMP）技术适配于金刚石应用，避免使用高温和金刚石磨料。
• 评估CMP在实现{100}和{111}金刚石晶面原子级平整、无缺陷表面方面的有效性。
• 表征长时间CMP过程中抛光垫的磨损与调节情况，以优化工艺寿命与性能。

提出的方法

• 采用Logitech Tribo CMP系统，使用SUBA-X聚酯/聚氨酯抛光垫和碱性胶体二氧化硅悬浮液（Syton，pH 9.2–10.1，含4–5%乙二醇）。
• 在室温下以4 psi的下压力和60 rpm的相反方向旋转，对{100}和{111}单晶金刚石样品进行抛光。
• 样品经SC-1清洗（H₂O₂:NH₄OH:去离子水，1:1:5，75 °C下10分钟）后，再经超声去离子水浴清洗，随后使用氰基丙烯酸酯和Crystalbond固定于聚合物夹具中。
• 通过电镀金刚石磨料对抛光垫进行原位调节，以增加表面凸起，改善悬浮液分布与抛光效率。
• 抛光后使用SC-1和HF溶液进行清洗，以去除残留悬浮液并防止污染。
• 利用原子力显微镜（AFM）对25 μm²区域进行表面形貌表征，测量均方根粗糙度及与原始抛光沟槽垂直的线性剖面。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用胶体二氧化硅和聚氨酯/聚酯垫的标准化学机械抛光（CMP）是否能有效降低{100}和{111}单晶金刚石的表面粗糙度？
• RQ2 与传统机械抛光相比，CMP在表面损伤、纳米沟槽去除及亚表面缺陷形成方面表现如何？
• RQ3 金刚石的极高硬度对长时间CMP过程中抛光垫的磨损与寿命有何影响？
• RQ4 CMP工艺是否可无需高温或金刚石磨料而适配于金刚石，从而符合集成电路制造标准？
• RQ5 在去除速率与表面质量方面，{100}与{111}晶面取向的抛光机制有何差异？

主要发现

• CMP成功去除了机械抛光后{100}和{111}金刚石表面的纳米沟槽，显著改善了表面平整度。
• {100}晶面的均方根表面粗糙度从0.92 nm降低至0.23 nm，粗糙度降低约75%。
• {111}晶面的均方根表面粗糙度从0.31 nm降低至0.09 nm，粗糙度降低约71%。
• 该抛光工艺在硬方向与软方向机械抛光的两种情况下均有效，未观察到裂纹损伤或沟槽重新形成。
• 使用SC-1和HF溶液进行抛光后清洗，有效去除了残留悬浮液与颗粒物，确保了表面洁净无污染。
• 经过7小时抛光后观察到明显的垫材磨损，聚酯纤维断裂，聚氨酯泡沫被磨蚀，表明需要实施原位调节与垫材更换策略。