Ako sa polovodičové zariadenia vyvíjajú smerom k vyššiemu výkonu, vyššej hustote a miniaturizácii, substrátové materiály ako kremík, karbid kremíka a nitrid gália sa približujú k svojim výkonnostným limitom. Diamant so svojou extrémne vysokou tvrdosťou, ultra-vysokou tepelnou vodivosťou, ultra-širokou šírkou pásma, vysokým prierazným elektrickým poľom a širokou spektrálnou transparentnosťou od hlbokého ultrafialového až po ďaleko infračervené je považovaný za „dokonalý polovodičový materiál“. Avšak počas spracovania sa tieto vynikajúce vlastnosti naopak stávajú hlavnou prekážkou pri dosahovaní presného opracovania diamantových povrchov. Tradičné metódy leštenia sa snažia vyvážiť vysokú rýchlosť úberu materiálu a vysokú kvalitu povrchu, čo z toho robí kľúčovú technologickú výzvu, ktorá obmedzuje rozšírené používanie diamantu vo vysoko-výkonných zariadeniach. Preto, vychádzajúc z obmedzení konvenčných techník leštenia diamantov, sa v tomto článku podelíme o niekoľko nových technológií leštenia a ich najnovšie pokroky v oblasti povrchovej úpravy diamantu v atómovej-úrovni.
Konvenčné technológie leštenia a ich obmedzenia
Tradičné techniky diamantového leštenia zahŕňajú najmä mechanické leštenie, termochemické leštenie a laserové leštenie. Hoci tieto technológie zohrávali dôležitú úlohu v histórii spracovania diamantov, všetky vykazujú jasné obmedzenia pri uskutočňovaní planarizácie povrchu v atómovom meradle.
(1) Mechanické leštenie: Mechanické leštenie je najskoršou metódou aplikovanou na spracovanie diamantov. Jeho princíp spočíva v použití diamantových brúsiv alebo brúsiv s vysokou -tvrdosťou (ako je karbid kremíka, oxid hlinitý atď.) na leštiacom kotúči na mechanické obrusovanie povrchu diamantu. Kvôli extrémne vysokej tvrdosti diamantu je na dosiahnutie úberu materiálu zvyčajne potrebné značné leštenie; avšak takéto vysoké zaťaženie má tendenciu vytvárať škrabance, jamky a iné povrchové a podpovrchové poškodenia počas spracovania.
(2) Termochemické leštenie: Na základe mechanizmu vysokoteplotnej medzifázovej difúzie môžu pri zvýšených teplotách 600 – 1800 stupňov uhlíkové atómy na povrchu diamantu difundovať a rozpúšťať sa do leštiacich vankúšikov prechodného kovu (napr. železa, niklu), čím sa znižujú ťažkosti pri spracovaní. V dôsledku nerovnomerného zahrievania kovového substrátu však proces leštenia často trpí problémami s rovnomernosťou, takže leštený povrch zostáva nerovný.
(3) Laserové leštenie: Táto technika využíva vysokoenergetický laserový lúč na priame ožarovanie povrchu diamantu, čím sa vyvolá laserová grafitizácia (konverzia diamantovej fázy na grafitovú fázu), po ktorej nasleduje mechanické odstránenie grafitizovanej vrstvy. Táto metóda je vysoko účinná vo fáze zdrsňovania, ale oblasť ovplyvnená laserom -teplom- je relatívne hlboká, ľahko zanecháva na povrchu vrstvy tepelného poškodenia a sťažuje dosiahnutie globálnej planarizácie atómovej-mierky.
Základné atómové{0}}technológie na leštenie diamantov
S cieľom vyhnúť sa silnému-kontaktnému mechanickému oderu a minimalizovať poškodenie mriežky sa výskumníci obrátili na nové technológie leštenia v atómovom meradle, ktoré sú zamerané na synergiu viacerých-energetických- polí, ako je chemicko-mechanické leštenie (CMP), plazmové{4}}leštenie (PAP) a leštenie iónovým rozprašovaním (IBP).
01 Chemické mechanické leštenie (CMP)
CMP je priemyselne najsľubnejšia technológia pre atómovú-planarizáciu. Jeho základný mechanizmus zahŕňa synergiu chemickej oxidačnej modifikácie a mierneho mechanického obrusovania: oxidanty v leštiacej suspenzii premieňajú sp³ väzby na povrchu diamantu na voľnú, ľahko odstrániteľnú oxidovú vrstvu, ktorú potom jemne zoškrabú nano-brúsivá pod nízkym namáhaním, čím sa umožní vrstva--odstránením atómového- poškodenia vrstvy a zásadným potlačením vodného kameňa. Bežné CMP však stále čelia problémom s diamantovým leštením, ako je nízka oxidačná aktivita, pomalé reakčné rýchlosti a nedostatočná účinnosť leštenia, pričom rýchlosť úberu materiálu je zvyčajne nižšia ako 1 μm/hod. V súčasnosti to priemysel zlepšuje dvoma hlavnými smermi: externou pomocou v teréne a optimalizáciou oxidačného systému v leštiacom kalu, čím sa výrazne zvyšuje účinnosť leštenia a kvalita povrchu.
(1) Výber a optimalizácia oxidantov: Oxidanty sú ústredným prvkom chemickej reakcie v diamante CMP, priamo určujú rýchlosť oxidácie, kvalitu povrchovej úpravy a konečnú drsnosť. Na základe potreby oxidovať povrch inertného diamantu medzi hlavné optimalizované systémy patria:
Oxidanty solí s vysokou -valenciou: železitan draselný (K₂FeO₄), jodistan draselný (KIO₄), manganistan draselný (KMnO₄) atď. Majú vysoký oxidačný potenciál a silné oxidačné schopnosti, čím urýchľujú modifikáciu inertného povrchu. Napríklad Yuan a kol. preukázali prostredníctvom porovnávacích experimentov, že spomedzi takýchto oxidantov systém K2FeO4 poskytuje najlepší leštiaci výkon, účinne prechádza z hrubého leštenia na jemné leštenie a skracuje celkový čas spracovania.
Systémy peroxidu vodíka (H₂O₂): Za posledné desaťročie sa H₂O₂ a jeho zmesi stali primárnou voľbou pre diamantové chemické leštenie. Ako silné oxidačné činidlo pri izbovej teplote môže H202 priamo reagovať s povrchom diamantu a vytvárať hydroxylovanú oxidovú vrstvu bez vedľajších reakcií pri vysokých-teplotách, čo slúži ako základný oxidant na leštenie atómového-okruchu. Oxidačná účinnosť samotnej H202 je však obmedzená rýchlosťou tvorby voľných radikálov. Preto sa často kombinuje s Fe²⁺ katalýzou, aby sa vytvorila Fentonova reakcia vytvárajúca vysoko reaktívne •OH radikály, ktoré multiplikatívne zvyšujú rýchlosť oxidácie povrchu diamantu, čím sa dosahujú vysoké rýchlosti úberu aj kvalita povrchu atómovej -škály, vhodná pre špičkové-spracovanie polovodičových diamantových substrátov.
(2) Pomoc pri externom poli: Zavedením vysoko{1}}energetických polí možno aktivovať povrch diamantu in situ a dosiahnuť tak efektívnejšie odstránenie. V súčasnosti sú hlavnými prístupmi laserové -metódy a metódy pomocou fotokatalýzy-.
Laser{0}}indukované: Zatiaľ čo čisté laserové leštenie umožňuje rýchle odstránenie materiálu, má tendenciu spôsobiť tepelné poškodenie a nepravidelnosti povrchu. Ak sa však použije ako krok hrubého leštenia na vyvolanie grafitizácie a rýchle vyrovnanie povrchu, po ktorom nasleduje jemné leštenie pomocou CMP, drsnosť sa môže znížiť na nanometrové alebo dokonca atómové meradlo, pričom sa výrazne zlepší rýchlosť úberu materiálu a zmierni sa problém nízkej účinnosti tradičného CMP.
Fotokatalýza-: Fotokatalyzátory (napr. TiO₂, ZnO atď.) sa pridávajú do leštiacej kaše a špecifická vlnová dĺžka ultrafialového svetla (zvyčajne<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 Plazma-Asistované leštenie (PAP)
Plazmové-leštenie je suchá, bezkontaktná, chemická atómová-metóda leštenia. Pracovný plyn, ako je O₂, sa zavádza a ionizuje, aby sa vytvorili vysokoenergetické reaktívne látky. Tieto druhy reagujú s atómami uhlíka na povrchu diamantu a vytvárajú prchavé oxidy uhlíka, ktoré sa desorbujú z povrchu, čím sa dosahuje čisto chemické atómové-leptanie. Následne jemné mechanické pôsobenie leštiacou podložkou umožňuje efektívne odstránenie. Medzi výhody tejto metódy patrí spracovanie bez -napätia a abrazívneho pôsobenia-, vysoká integrita mriežky, presné riadenie hĺbky leptania a zmiernenie kryštalografickej anizotropie, čo z nej robí v súčasnosti najsľubnejšiu technológiu na vyváženie účinnosti a kvality. Náklady na vybavenie sú však vysoké a dosiahnutie{11}}jednotného leptania na veľkej ploche je náročné.
03 Leštenie iónovým rozprašovaním (IBS)
Leštenie iónovým lúčom je bezkontaktná metóda leštenia na báze-fyzikálneho rozprašovania-vysokej energie-. Typicky sa vykonáva vo vákuovom prostredí, zdroj iónov generuje vysokoenergetické ióny (napr. Ar⁺), ktoré bombardujú povrch diamantu pod určitým uhlom. Prostredníctvom prenosu hybnosti získavajú povrchové atómy dostatočnú energiu na to, aby prekonali povrchovú väzbovú energiu, a sú vyvrhnuté ako rozprášené atómy, čím sa dosiahne odstránenie materiálu z atómových-okún, a teda leštenie.
Pretože táto technológia zabraňuje kontaktnému tlaku, treniu a súvisiacemu podpovrchovému poškodeniu, škrabancom alebo deformáciám, už dosiahla zníženie drsnosti diamantu CVD z 334 nm na 0,5 nm pomocou iónových lúčov plynových klastrov (GCIB) generovaných z plynov, ako je argón alebo fluorid sírový, s budúcim potenciálom dosiahnuť atómovú úroveň. Avšak požiadavka na vysoké vákuum, komplexné iónové zdroje a riadiace systémy spôsobuje, že nákup a údržba zariadenia je nákladná, čo obmedzuje jeho široké použitie vo všeobecných priemyselných oblastiach.