（机械设计及理论专业论文）cvd金刚石膜摩擦化学抛光技术研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 c v d 金刚石膜是由化学气相沉积技术沉积的纯金刚石多晶膜，具有最高的硬度和 热传导性，良好的化学稳定性和透光性等优越的光学及物理化学性能，被视为2 l 世纪 最有发展前途的新材料，在高新技术领域和国防尖端技术领域都有广泛的应用。但是化 学气相沉积的金刚石膜表面粗糙、均匀性差，极大限制了金刚石膜的工业应用。所以在 工业应用时金刚石膜表面必须经过很好的抛光平坦化处理。 热化学抛光技术是目前研究较多而且能够实现金刚石膜的大面积、低耗高效抛光的 技术。但目前这种技术由于采用整体加热方式，容易使抛光盘变形，而且所采用的抛光 盘材料硬度低、抗氧化性能差，容易粘结和磨损，影响抛光效率和质量。 本文采用摩擦化学抛光技术，利用抛光盘与金刚石膜之间的摩擦热达到反应温度以 实现金刚石膜的抛光。对抛光盘的制各方法、抛光过程、接触模型以及材料去除机理进 行研究，主要研究工作如下： ( 1 ) 将机械合金化和烧结技术( 等离子烧结和热压烧结) 相结合，制备两种用于 摩擦化学抛光金刚石膜的抛光盘材料- f e n i c r 基t i c 微粉抛光盘和t i 合金基抛光 盘。这两种材料在硬度、组织和高温抗氧化性上比目前通常使用的3 0 4 不锈钢、高速钢、 铸铁优越，满足摩擦化学抛光过程中所需高硬度、好高温抗氧化性能等要求： ( 2 ) 建立了摩擦化学抛光试验台，采用自行研制的两种不同材料抛光盘对c v d 金 刚石膜进行摩擦化学抛光试验，研究了抛光盘材料、抛光盘转速、抛光压力等因素对抛 光的影响； ( 3 ) 建立抛光过程中抛光盘与被加工金刚石膜表面之间的接触模型。该模型将原 始表面、加工方式、加工时间和加工速率有力地结合起来，形成一个动态的模型，即时 地反映抛光过程中加工表面的变化。通过模拟计算，分析了抛光过程中实际接触面积和 实际接触压力的变化。 ( 4 ) 通过检测抛光前后抛光盘表面和金刚石膜表面成分变化，分析摩擦化学抛光 过程中金刚石的材料去除机理。结果表明，采用f e n i c r 合金基t i c 微粉抛光盘抛光时， 金刚石在金属的催化作用下，先向石墨转化，然后再以扩散、氧化和机械的方式去除， 而采用t i 舢合金基抛光盘抛光时，金刚石主要在热作用下与钛反应，以碳化物形式去 余。 是键词：c v d 金刚石膜；摩擦化学抛光；抛光盘；接触模型；材料去除机理 c v d 金刚石膜摩擦化学抛光技术研究 s t u d yo nt r i b o c h e m i c a lp o l i s h i n gt e c h n i q u eo f c v dd i a m o n df i l m a b s t r a c t c v dd i a m o n df i l mi sap u r ed i a m o n dm a t e r i a lw i t hf u l lp o l y c r y s t a l l i n i t ys y n t h e s i z e db y c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o nm e t h o d i tp o s s e s s e se x c e l l e n to p t i c a l ，p h y s i c a la n dc h e m i c a l p r o p e r t i e si n c l u d i n gt h eh i g h e s th a r d n e s sa n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t y ，w i d e - r a n g et r a n s p a r e n c y a n dg o o dr e s i s t a n c et oc h e m i c a le r o s i o n t h ef i l mm a yb ew e l lr e c o g n i z e da sa21s tc e n t u r y e n g i n e e r i n gm a t e r i a l ，a n dp r o b a b l yb ew i d e l yu s e di nt h ef i e l do fh i 2 9 ht e c h n o l o g ya n d n a t i o n a ld e f e n s es o p h i s t i c a t e dt e c h n i q u e h o w e v e r ，i t si n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n sh a v e b e e n l i m i t e db yt h en o n - u n i f o r mt h i c k n e s sa n dr o u g hs u r f a c e t h e r e f o r e ，i fc v dd i a m o n dc o u l db e u s e di nt h e s ef i e l d s ，i ti sp r o b a b l yi m p o r t a n tf o rt h es u r f a c et ob ep l a n a ra n dh i g h l yp o l i s h i n g t h e r m o c h e m i c a lp o l i s h i n gt e c h n i q u ei so n eo ft h em o s tp r o m i s i n gm e t h o d sa p p r o p r i a t e f o rp o l i s h i n gc v dd i a m o n df i l mw i t hh i g he f f i c i e n c ya n dl o wc o s tw h i c hd e v e l o p e di nr e c e n t y e a r s h o w e v e r ，t h eo v e r a l lh e a t i n gw i l ll e a dp o l i s h i n gp l a t ed e f o r ma n do x i d i z e ，a l s ot h e r e l a t i v e l ys o f tm a t e r i a l su s e df o rp o l i s h i n gc v dd i a m o n df i l ma r ee a s yt ow e a ra n da d h e r et o d i a m o n df i l ms u r f a c e ，w h i c hm a yf u r t h e rl e a dt ol o we f f i c i e n c ya n dp o o rp o l i s h i n gq u a l i t y i nt h i sp a p e r ，c v dd i a m o n df i l mi sp o l i s h e db yt r i b o c h e m i c a lp o l i s h i n gt e c h n i q u e i nt h i s p r o c e s s ，t h e r m o c h e m i c a lr e a c t i o no c c u r sa sar e s u l to ff r i c t i o nb e t w e e np o l i s h i n gp l a t ea n d d i a m o n df i l mi nt h ea t m o s p h e r e t h ep r e p a r a t i o no fp o l i s h i n gp l a t e ，p o l i s h i n gp r o c e s s ，c o n t a c t m o d e la n dm a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s ma r ed i s c u s s e da n dt h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea s f o l l o w i n g ( 1 ) t w ok i n d s o fp o l i s h i n gp l a t em a t e r i a l sa r ef a b r i c a t e d b yt h e c o m b i n a t i o no f m e c h a n i c a la l l o y i n ga n ds p a r kp l a s m as i n t e r i n go rh o tp r e s ss i n t e r i n g ，f e n i c rm a t r i x - t i c c o m p o s i t ea n dt i a la l l o y t h eh a r d n e s s m i c r o s t r u c t u r ea n dh i g h t e m p e r a t u r eo x i d a t i o n r e s i s t a n c eo ft h e s em a t e r i a l sa r es u p e r i o rt os u s 3 0 4 ，h i g hs p e e ds t e e la n dc a s ti r o n t h e p r o p e r t i e sc a nm e e tt h en e e d sf o rp o l i s h i n gd i a m o n d ( 2 ) t h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n t sa r eb u i l tu p ，a n do ni t ，c v dd i a m o n df i l mi sp o l i s h e db y t h ep r e p a r e dp o l i s h i n gp l a t e t h ei n f l u e n c eo fp l a t em a t e r i a l ，r o t a t i o n a lr a t ea n dp r e s s u r eo n p o l i s h i n gp r o c e s si sd i s c u s s e d ( 3 ) ad y n a m i cc o n t a c tm o d e lo ft h es u r f a c ew i t hl a r g er o u g h n e s si sp r e s e n t e d t h e a s p e r i t yd i s t r i b u t i o n i se v a l u a t e dt a k i n gi n t oa c c o u n tt h eo r i g i n a ls u r f a c e ，t h e p o l i s h i n g m e t h o d ，t h ep o l i s h i n gt i m e ，e t c u s i n gt h i sm o d e l ，t h er e a la r e aa n dt h er e a lp r e s s u r eo f c o n t a c ti np o l i s h i n gp r o c e s sa r ee v a l u a t e d 一i i 大连理工大学硕士学位论文 似) w i t hd e t e c t i n gt h ec h a n g e si nc h e m i c a lc o m p o s i t i o no fc v d d i a m o n da n dp l a t eb e f o r e a n da f t e rp o l i s h i n g t h em a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s mi si n v e s t i g a t e d i ti sf o u n dt h a td i a m o n d i sr e m o v e db yt r a n s f o r m a t i o nd i a m o n dt og r a p h i t ea n dt h e nr e m o v e db ym e c h a n i c a l l y o x i d a t i o no rd i f f u s i o nt op l a t ed u r i n gp o l i s h i n gp r o c e s sw i t l lf e n i c rm a t r i x - t i cc o m p o s i t e p l a t e m l et i a la l l o yp l a t ep o l i s h i n gc v dd i a m o n df i l mm a i n l yd e p e n d so nt h er e a c t i o n b e t w e e nd i a m o n dc a r b o na n dt i t a n i u m k e yw o r d s ：c v dd i a m o n df i l m ；t r o b o h e m i c a lp o l i s h i n g ；p o l i s h i n gp l a t e ；c o n t a c tm o d e l ； m a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s m 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：竺旦垒团委旦蹴盘鲎地氩拯苤重翌塞 作者签名： 杰翌琏 日期：冱垒2 年丛月生日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：芝旦垒圈重丑量痊越莲丝丞益盘堑立 作者签名：苑：至钝 导师签名：墨三鲁2 l 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题背景及意义 金刚石膜是由化学气相沉积技术沉积的纯金刚石多晶膜，不仅具有高的硬度和耐磨 性，而且具有极低的介电常数、禁带宽、载流子迁移率高、高热导、高击穿电压，金刚 石膜经过掺杂，可半导体化，这些优点使其在高新技术领域和国防尖端技术领域都有广 泛的应用。例如，金刚石具有高的透射率，是大功率红外激光器和探测器的理想窗口材 料，结合其很低的光波吸收率，使金刚石成为核聚变能利用中最佳的窗口材料。c v d 金刚石同时具有高强度、硬度，高的化学稳定性和高的热传导性，这使得c v d 金刚石 成为最为理想的导弹天线窗口，由于其最高的热传导性能，可以被用来制备高功率高密 度集成电路衬底【lj 。据d a t a q u e s t 预测，2 0 0 5 年半导体晶圆市场需求达1 4 亿美元，若以 高功率组件约占二十分之一来计算，则金刚石晶圆的产值已达到1 0 5 亿美元，而且金刚 石晶圆的单价也由1 9 9 0 年的每克拉3 0 0 1 0 0 0 美元降到2 0 0 0 年的每克拉1 美元以下， 使得c v d 金刚石在价格上可以接受。以至于c v d 金刚石被视为2 1 世纪最有发展前途 的新材料【2 3 】。 1 1 1金刚石的结构 金刚石虽是由碳一个原子构成，但是它的晶格却是一个复式格子。金刚石结构的结 晶学原胞如图1 1 所示，在一个面心立方原胞内由四个碳原子，这是个原子分别位于四 个空间对角线的1 4 出。金刚石中碳原子的结合是由碳原子外壳层的四个价电子2 s 、2 p 3 的杂化形成共价键( s p 3 ) 。每个碳原子与周围的碳原子共价，一个碳原子在正四面体的 中心，另外四个同它共价的碳原子在正四面体的项角上，中心碳原子和顶角上每个碳原 子共享两个价原子。如图1 1 中所示，棒状线条即代表共价键，可以想象，在四面体中 心的碳原子价键的取向，同顶角上的碳原子是不同的，若一个价键指向左上方，则另一 个的价键必指向右下方。由于价键的取向不同，这两种原子的周围情况也不同，即图1 1 中立方体的项角上及面心上的碳原子的周围状况，是不同于在对角线上四个碳原子的情 况。因此，金刚石结构是个复合格子，由两个面心立方的布啦菲原胞沿其空间对角线位 移1 4 的长度套构而成【4 1 。在金刚石的结构中碳原子键结是由两个原子核分享一对电子 而形成一支具有方向性的共价键，并且可以同时拥有最多四支共价键形成三维的四面体 结构，键角为1 0 9 0 2 87 。也因为碳原子为第四族元素中的体积最小者，在单位体积内碳 可以最多的共价键结合，碳原子排列最紧密，共价键的键长短键能高，这种致密的结合 使晶格不易变形，因此金刚石晶体是所有已知材料中晟坚硬的；金刚石的共价电子振动 c v d 金刚石膜摩擦化学抛光技术研究 时，其声子的传播最快，因此它的导热率最高；金刚石的晶格振动时频率最高，所以它 的传声速率最大；金刚石具有单一且均匀分布的强键，所以它的透光能力最强：金刚石 的致密结构使得其它外来原子很难进入，因此它的原子不易散失，化学稳定性很高。此 外，密实的原子排列使金刚石成为最锐利的刀具。 1 1 2 金刚石的性质与应用 金刚石具有最大硬度、最小磨擦系数、高熔点、高透射率、高热传导率、可抗强酸、 强碱等其它材料所不可比拟的物理、化学性质，在很多应用领域中都会成为不可替代的 材料极品。但由于天然金刚石极度稀缺和昂贵，而且尺寸有限，极大地限制了其在科学 和工程中的应用。c v d 金刚石膜的问世，大大扩大了金刚石的应用领域，从传统的刀 具、模具领域已经扩展到光学、热学、电子半导体、声学等领域。 图1 1 金刚石结构 f i g 1 1 s t r u c t u r eo fd i a m o n d ( 1 ) 力学方面金刚石有极优异的力学性能。表1 1 是金刚石的主要力学性能。l 立方厘米金刚石中含有1 7 6 1 0 2 3 个碳原子，为己知材料中键密度最高的材料，所以金 刚石具有最高的硬度和强度，加之其低摩擦系数，因此金刚石膜是优异的切削刀具、模 具的涂覆材料和真空条件下需用的干摩擦材料【5 - 8 】。现今已有用切割的金刚石厚膜做的 镶嵌刀具和金刚石涂层刀具在市场上销售，成功的应用于切削有色、稀有金属、石墨及 复合材料，特别是用于汽车、摩托车用的高硅铝合金缸体材料的车削加工。据著名的美 大连理工大学硕士学位论文 国市调公司b c c r e s e a r c h 对c v d 金刚石和类金刚石及相关材料进行的市场调查分析指 出，2 0 0 7 年全球仅金刚石膜、类金刚石立方氮化硼( c b n ) 薄膜材料市场的规模已达 到53 0 8 亿美元，预计2 0 0 7 1 0 1 2 年世界范围内对c v d 材料的平均年市场需求将以1 4 3 的成长率发展2 0 1 2 年将达到近1 0 亿美元的规模川“。 ( a ) c v d 金剧石手术刀，( b ) 焊在硬质合金上的刀失，( c ) 焊在金刚石表面的c v d 金刚石片，( d ) 用于修接得c v d 金刚石，( e ) 用于手表驱动的c v d 金刚石齿轮( f ) c v d 金刚石表蒙，( g ) 用于 制备高频扬声器的c v d 金剐石球顶，( h ) t h i e l 制造的a c c u t o nd 2 2 0 - 6 型金剐石扩音器 图i 2c v d 金月4 石在力学和声学方面的应用1 f i g l2a p p l i c a t i o no f c v dd i a m o n d i n m e c h a n i c sa n d a c o u s l i c d o m a i n s 低密度和高的弹性模量，以及在声音中传播大，又可作为高保真扬声器高音单元的 振膜，是高档音响扬声器、超声换能器1 “和表面声波滤波器、谐振器( s a ws u r f a c e a c o u s t i c w a v e ) 1 3 - 15 1 的优选材料，如图1 3 。金刚石摩擦系数低、散热快可以作为宇航 高速旋转的特殊轴承，加上他优异的耐辐射性能和碳原子的键能密度高于其它任何物 质，因此能承受高能加速器内接近光速移动的基本粒子的撞击，但带电粒子进入金刚石 膜时，其电荷可以由仪器测知，因此它又是高能加速器粒子的探测材料；它的高散热率、 低摩擦系数和透光性，还可以作为军用导弹的整流罩材料。 叁鸯虢 蒸霹 固 c v d 金刚石膜摩擦化学抛光技术研究 表1 1 金刚石的主要力学性能【4 】 t a b 1 1m a i nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fd i a m o n d i n p u t s i g n a l d i a m o n d 俏mz n o 饲m ( p i a z o e l e e t n em a t e r i a l ) 图1 3 金刚石表面声波滤波器示意图1 3 l f i g 1 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo fd i a m o n ds a wf i l t e r ( 2 ) 电子半导体方面金刚石具有其它半导体材料无法比拟的电学性能。表1 2 列出了金刚石和相关半导体材料的电子、光学、热学性能。由表中数据可知，金刚石具 有低介电常数，是理想的微波介质材料；金刚石禁带宽，截流子迁移率高，热传导性好， 击穿电压高，可以在半导体器件中制作6 0 0 c 以下能正常工作的耐高温器件和场发射器 件7 】；工作温度高，可制作大功率晶体管和半导体温度计。另外，由于金刚石具有最 大连理工大学硕士学位论文 高的硬度、较佳的重量强度比以及应力应变曲线高度线性化等优越的物理性能，在微 机电系统m e m s 材料和各种微型机械技术中极具发展潜力【1 8 珈】。金刚石有较高的电子 饱和速率，是很好的阴极材料【2 1 】；作为耐强辐射器件，可以在宇航飞船和原子能反应堆 等强辐射环境中正常工作。特别是金刚石膜的掺杂，可以半导体化，使其成为极其优异 的半导体材料。它在半导体中的应用，可以引发电子领域的革命。 表1 2 半导体材料特性比较 t a b 1 2p r o p e r t i e so fd i f f e r e n ts e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s ( 3 ) 热学方面金刚石热导率高，热容小，尤其是高温时的散热效能更为明显， 无法积累热量，是散热极好的热沉积材料。随着集成电路的快速发展，晶片的线宽已经 降至0 1 岬以下，未来继续变得更细时，将碰到散热不及的瓶颈，因此如何使热量在微 小的晶片内迅速散出成为未来“摩尔定律成败的考验1 22 1 。根据1 9 9 7 年n a t i o n a l t e c h n o l o g yr o a d m a p 的预测，当半导体的线宽降到0 1 岬以下时，i c 集成电路的功率 会超过1 0 0 w 1 23 | ，如图1 4 。由于能量过于集中，晶片的局部温度会急剧升高。当温度 升高到6 0 以上时，晶片内部的金属层将会把介电层胀裂使晶片失效。甚至当温度接近 1 0 0 时，半导体的导电性大增，晶片将不能使用。为了避免芯片失效，散热地速率必 须超过3 0 w c m 2 瞄j ，如图1 5 。金刚石具有最高的热传导性( 为室温下铜的4 倍，硅的 2 万倍! ) ，结合其低的热膨胀系数、很好的化学稳定性和极高的电阻，使金刚石取代 c v d 金刚石膜摩擦化学抛光技术研究 硅成为制造新一代计算机的最佳材料口5 羽。使同体积计算机功能将扩大二万倍或体积大 大缩小，同时抗酸碱、抗辐射、抗高温，从而能使计算机在恶劣环境下工作。日本每年 投资6 0 0 万美元用于开发第一代计算机芯片【2 8 1 。近年来，高导热金刚石薄膜制备技术的 发展，使金刚石热沉积在大功率激光器、微波器件和集成电路上的应用变成现实。 f e n a r o i | z e i pm ) 图1 4 随着晶体管数量不断增加，晶片功率密度已经超过1 0 0 w c m 之【2 3 1 f i g 1 4o w i n g t ot h er a p i di n c r e a s ei nt r a n s i s t o rc o u n t ，t h ep o w e rd e n s i t yh a sa l r e a d ye x c e e d e d10 0 w c m - 2 图1 5电脑中央处理器( c p u ) 的散热需求【2 3 1 f i g 1 5 t h e r m a ls p e c i f i c a t i o no fa m da t h i o nc p u ( 4 ) 光学方面就光学性能看，从紫外到红外整个波段金刚石都具有高的透射率 ( 图1 6 ) ，是大功率红外激光器和探测器的理想窗口材料【2 9 3 羽，其折射率高，可以作 为太阳能电池的方反射膜：金刚石的高透过率，高热导，优良的力学性能、发光特性和 化学特性，可最为光学上的最佳应用材料，诸如各种光学透镜的保护膜；利用雷达波在 穿过金刚石膜不易失真的特性，可用作雷达罩f 3 3 3 4 】；飞机和导弹在超音飞行时，头部锥 大连理工大学硕士学位论文 形无法承受高温且难以耐高速雨点和尘埃的撞击用金刚石膜来制作雷达罩，不仅散热 快，耐磨性好，还可以解决雷达罩在高速飞行时同时承受的高温骤变问题。如美国以制 造出o1 5 0 m m 、厚度为2 3 r m u 的金刚石导弹头罩。用金刚石制作的红外线和紫外线探 测器，可以探测夜间飞行的导弹，飞机或其它物体，另外在核工业中可作为，b 和中子 射线的探测器u ：在核能的利用上，必须采用微波高能束透过窗口将室腔内的氘、氚加 热到1 0 0 0 0 0 0 0 0 k 以上才能发生核聚变反应，这就要求每个窗体材料必须在直径不足 1 c r f l 的范围内透过大约1 m w 的微波能量，而不产生任何损失。金刚石具有极好的热传 导性能和透光性能无疑是这种宙体最适合的材料。而且e l e m e n ts i x 公司已经研制出能 够轻松透过2 m w 微波能量的金刚石窗口p 7 1 。同样利用金刚石的这一性质，科学家在 牛津大学附近已经研制出第三代粒子同步加速嚣p 。 獭 箩 w a v - i n g t hm m 圈i6 金剐石的光学性质 f i g 16 o p t i c a lp r o p e r t i e so f d i a m o r | d 图17c v d 金剐石的光学应用2 。3 ” ( a ) 微波透射金刚石窗口，直径i 。0 呻，厚度i8 m m ( b ) 带有金刚石透镜的2 英寸c v d 金刚石晶圆 ( c ) 金月u 石x 射线窗口 f i g 17 a p p l i c a t i o n so f c v dd i a m o n d i n o p t i c a ld o m a i n 一ll! c v d 金刚石膜摩擦化学抛光技术研究 1 1 3 金刚石膜的应用要求 不论上述各应用领域所倚重的金刚石特性如何优越，若其表面质量过差，有可能使 得金刚石的硬度、强度、透光性、热传导率等优越性难以发挥出来，甚至完全丧失材料 本身原本可以达到的功效。例如，大小为4 英寸的表面声波滤波器，要求其基板表面达 到r a3 n m 以下的表面粗糙度和微米级面型精度。因为基板表面粗糙时，直接影响后续 制作交插电极( r d t ) 的曝光精度，难以保证器件的整体性能。金刚石晶圆作为光学窗口 材料使用时，要求其两个表面超平坦、超光滑，且无损伤、无污染。这是因为，表面形 貌上任何微小的差异都可能使光线改变方向；表面上极其微小的污染物、损伤都会影响 光线的通过；粗糙的表面会使经过窗口的图像扭曲或模糊。另外，金刚石晶圆作为热传 导元件使用时，要求晶圆两个表面具有极高的面型精度和极低的粗糙度值，以保证后续 金属化处理的质量，增大接触面积。 表1 3c v d 金刚石应用要求团】 t a b 1 3 r e q u i r e m e n tf o rc v d d i a m o n da p p l i c a t i o n 但由于受晶体相生长机理的制约，随着晶圆厚度的增加，其表面粗糙度和晶粒大小 也会增大到几个微米甚至几十个微米，必须采用精密加工方法将其表面粗糙度降低到纳 米量级，并达到一定的面型精度，才能投入使用。特别在高新技术领域应用时，不仅要 求金刚石晶圆具有极小的表面粗糙度，同时还对其面型精度和表面完整性提出了很高的 要求。目前金刚石晶圆抛光平坦化技术的相对滞后，尤其是大尺寸c v d 金刚石晶圆的 大连理工大学硕士学位论文 超精密无损伤抛光平坦化技术已成为金刚石晶圆在高新技术领域得到广泛应用的瓶颈 问题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1c v d 金刚石膜的制备 金刚石是碳的同素异构体，属于立方晶系，具有面心立方结构，是典型的原子晶体， 它不仅是具有最高硬度和耐磨性的工程结构材料，而且还是集良好的绝缘、导热、光学、 化学性能稳定和掺杂诱导半导体等优异特性为一体的功能材料，在当今高技术领域具有 十分广阔的应用前景。随着科技的飞速发展，人们对材料性能的要求越来越高，金刚石 对人们的诱惑越来越强。天然金刚石因其价格非常昂贵，多用于特殊场合，极大地限制 了其在科学和工程中的应用。 1 9 5 5 年，美国g e n e r a le l e c t r i c 公司在高温高压条件下首次成功地合成了颗粒状金刚 石1 4 ，然而这种人造金刚石，都呈离散的单晶粒状，体积较小，应用范围受到限制， 主要用于切割工具和装饰用品等。1 9 6 2 年，e v e r s o l e 用低压化学气相法( c h e m i c a lv a p o r d e p o s i t i o n ，c v d ) 成功的人工合成了金刚石 4 2 郴j 。八十年代以后又先后出现了热丝c v d 法、微波等离子c v d 法、直流等离子体喷射c v d 法及燃烧火焰法等多种方法。所谓的 金刚石晶圆是利用人工的方法将金刚石膜沉积在特定的衬底上( 如单晶硅、碳化硅等) 获 得的一种人造金刚石晶体材料，由于目前一般采用圆形衬底，因此称之为金刚石晶圆 ( d i a m o n dw a f e r ) 。目前已从理论上基本掌握了c v d 金刚石膜的生长机制，c v d 金刚石 薄膜的制备技术和性能表征等已经取得了许多突破性进展，而且晶圆的价格已能控制在 用户可接受的范围内，开始进入商业化应用阶段【2 引。国外已能生产直径为1 2 英寸的金 刚石晶圆，国内也已能生产直径为8 英寸的金刚石晶圆。 我国的c v d 金刚石膜研究，始于8 0 年代中期，1 9 8 6 年开始列入国家“8 6 3 高技 术计划，开始建立专项支持c v d 金刚石膜的研究开发，先后资助了数十个研究开发项 目，并在“八五和“九五 期间均设立了专门的重大项目，旨在推进金刚石膜的产业 化进程。自然科学基金委员会也在“八五 和“九五期间资助了2 0 余项有关c v d 金 刚石膜的基金项目，其中包括2 个重大项目。经过十几年的努力，我国在c v d 金刚石 膜的制备、加工和应用研究方面取得了长足进步，已显著缩小了同国外的差距，已在工 具、热沉、光学和电子学应用方面也取得了不小的进展，终于在上世纪末使我国在c v d 金刚石膜研究方面开始进入产业化阶段。例如，河北省激光研究所在c v d 金刚石膜制 备设备的研制与金刚石膜产品的开发方面已经形成了成熟的产品或技术，已经开发了一 c v d 金刚石膜摩擦化学抛光技术研究 系列金刚石膜产品，其中沉积的光学级金刚石膜直径达2 0 0 m m ，厚度达2 m m ，热导率 最高达1 8 w c m k1 4 4 1 。 1 2 2c v d 金刚石膜抛光方法 由于金刚石是目前已知的最硬的材料，化学性质最稳定，厚度较薄，在抛光的过程 中极易造成金刚石膜的破裂；金刚石的低摩擦系数与低热膨胀系数等材料特性，同样导 致抛光困难；随着金刚石膜尺寸的增大，精度要求越来越高，大尺寸金刚石晶圆的抛光 更难以达到理想的精度要求，因此金刚石晶圆的抛光效率极低、成本极高。目前已经研 究了许多方法来降低c v d 金刚石薄膜，具体有如机械抛光( m e c h a n i c a lp o l i s h i n g ) 、热化 学抛光( t h e r m a lc h e m i c a lp o l i s h i n g ) 、化学辅助机械抛光与平坦化( c h e m i c a l a s s i s t e d m e c h a n i c a lp o l i s h i n ga n d p l a n a r i z a t i o n ) 、离子束抛光( i o nb e a mp o l i s h i n g ) 、激光力l i ( l a s e r p o l i s h i n g ) 、反应离子束刻蚀( r e a c t i v ei o ne t c h i n g ) 等研抛光光技术。 表1 5 几种主要金刚石抛光方法特点比较 t a b 1 5d i f f e r e n tp o l i s h i n gt e c h n i q u ef o rd i a m o n d 大连理工大学硕士学位论文 机械抛光【4 孓4 6 j 是用时间最长的抛光单晶金刚石的方法，它是将式样压在金属抛光盘 上( 常采用铸铁) 。磨料( 一般硬度比被抛光材料的硬度大) 和抛光液被放在研磨或抛 光轮上。当抛光金刚石时，采用金刚石磨料。被抛光的金刚石表面与带有磨粒的抛光盘 接触，并相对高速旋转( 转速高于2 5 0 0 r p m ) 。外加压力使金刚石与抛光盘接触。最后 抛光质量依赖于磨粒大小。粗磨粒( 1 0 u m ) 一般用于最初的研磨，材料去除速率也比 较高。然后逐渐减小粒度大小( 1 0 u r n ) ，直至抛出理想的平面。机械抛光具有可在室 温常压条件下进行、工件尺寸不受限制、设备简单、价格低廉等优点，但由于金刚石膜 的厚度很薄，晶粒的内聚强度较低，在抛光过程中极易发生破裂、损伤或剥落，有沿不 同晶向择优抛光倾向，而且机械抛光固有的震动和冲击也极易损坏c v d 金刚石薄膜样 品。虽然通过机械抛光可以实现r a 2 0 n m 的表面粗糙度，但抛光速率极低，约为1 0 n m h 量级，需要数天的时间，加工成本高。 化学抛光1 4 ”主要利用镧、铈等化学活性很强的金属，使其在一定工艺条件下与金刚 石表面产生化学反应，从而将金刚石表面的粗糙部分融蚀掉。其实质是金刚石中的碳原 子扩散到熔融的稀土金属中。该方法抛光速度很快，但反应温度不宜太高，一般不超过 9 7 0 ，如果温度过高，金属会过分液化，从而对金刚石膜边缘产生“过蚀”现象，甚 至影响抛光效果。正是因为这种化学反应和蚀除本身的性质，使金刚石膜抛光后表面粗 糙度和平坦度较差，只适用于小尺寸金刚石晶圆的粗抛，另外，压在金刚石式样上的金 属盘掉下的磨料是连续不断的，由于工作温度较高，在金属盘与金刚石接合面形成了一 层较厚的非金刚石层，如石墨和类金刚石层。而且，热金属盘表面的不一致性也会复制 到金刚石上。这种抛光技术抛光时间大约为几个小时，并且不能抛光较薄的金刚石薄膜。 化学辅助机械抛光【4 8 】利用k o h 或k n 0 3 等强氧化剂在高温条件下对碳原子的氧化 作用将金刚石晶圆表面的结构软化，并通过抛光盘与工件表面之间的机械作用加以去 除。利用该方法抛光可以实现低于r a 5 0 n m 的表面粗糙度，但抛光速率和加工表面面型 精度等仍不尽如人意，不适于大尺寸晶圆的平坦化。这种抛光方法的抛光速度比机械抛 光快，但设备费用和操作费用又不高。表面污染程度也没有机械抛光和热化学抛光严重。 金刚石表面的。k n 0 3 和k o h 可以溶于水，所以这种技术可以用于曲面抛光。 离子束抛光1 4 啦5 0 】是一种非接触的加工，它利用高能量密度的离子束轰击金刚石表 面，打掉凸峰处的碳原子，降低表面粗糙度，是一种物理移除的方法。该方法可在室温 条件下进行，适用于非平面试件的抛光，但由于需要高真空环境，受限于离子束面积， 无法直接对大面积试片进行抛光，且设备价格贵，不适于大尺寸晶圆的平坦化。 激光抛光1 5 1 - 5 2 是一种非接触的加工，它利用高能量密度的激光束照射金刚石晶圆表 面，使其表面在高温条件下石墨化，并蒸发去除，实现抛光加工。该方法适用于非平面 c v d 金刚石膜摩擦化学抛光技术研究 试件的抛光加工，局部表面粗糙度可达到r a 2 0 n m ，另外，由于激光抛光是非接触抛光， 所以可以抛光一些厚度较小的金刚石膜，而且不会像接触式抛岁一样会使金刚石断裂。 但每次加工的范围小，而且会出现周期性的波纹，影响表面质量，不适合用于金刚石膜 的粗加工。另外设备昂贵，每次只能扫描一个小区域，所以不适于大尺寸晶圆的平坦化。 热化学抛光【5 5 6 】利用金刚石表面的碳原子在高温条件下容易扩散到铁、镍等熔碳金 属表面的特性，在高温条件下用铁、镍等熔碳金属研磨盘进行研磨，使金刚石表面的碳 原子向抛光盘扩散或转变为石墨，实现去除表面材料的目的。但利用这种方法加工一定 时间后，抛光盘很容易达到碳饱和状态，影响抛光速度，甚至无法继续进行抛光，因此 一般还要通过高温氢气气氛使扩散到抛光盘表面的碳原子转化成甲烷气体排出，以使抛 光盘中碳浓度保持在较低的水平，实现连续抛光。 另外，广东工业大学提出了一种新的c v d 金刚石膜抛光技术【57 1 。它是在金刚石膜表 面预先涂覆一层导电金属，然后采用电蚀方法对该表面进行加工，使金刚石膜突起的尖 峰被迅速去除。加工中金刚石表面的石墨化使电蚀加工得以不断延续。采用c v d 金刚 石膜抛光新技术，可以高效率地完成对c v d 金刚石膜的粗抛光。由于在加工过程中是涂 覆金属导电层来实现抛光，所以会给金刚石带来污染，而且，由于电极损耗会复印在金 刚石膜上，电火花抛光不能得到光洁的金刚石表面，只是用于粗加工。 因此目前的金刚石晶圆平坦化方法无论在加工精度、效率还是成本上都无法满足要 求，金刚石晶圆的平坦化技术远未达到成熟的应用阶段，依然有许多需要解决的问题值 得深入研究。理想的抛光技术应该是既能够局部抛光( p o l i s h i n g ) 又能够平坦化 ( p l a n a r i z a t i o n ) 、表面无污染、高效、低成本，而现有的抛光技术都存在这样或那样的缺 点，远远不能满足金刚石晶圆平坦化的需要，因此开发新的平坦化技术势在必行。 1 2 3 摩擦化学抛光c v i ) 金刚石膜及抛光盘的研制 针对以上抛光方法的缺点，目前金刚石膜的抛光方法主要集中在热化学抛光和化学 辅助机械抛光与平坦化上。热化学抛光技术，利用金刚石膜表面凸点碳原子在高温下向 铁、镍等金属扩散的原理进行金刚石膜的抛光，其特点是热铁板转速低( 一般为0 1 0 r m i n ) ，抛光压力小( 约4 0 k p a ) ，抛光过程中没有磨屑产生，具有抛光质量好( 在一定 的工艺条件下可达r a 约0 0 0 5 5 9 m 的超精密表面) 、效率高( 在膜厚方向的抛光去除率可 达数p m d , 时) 、成本低等优点。 但目前热化学抛光技术还不成熟，还存在很多问题：热化学抛光一般在超过8 0 0 c 的高温条件下进行，采用对抛光盘整体加热的方法，容易导致抛光盘的变形，难以保证 加工精度；在抛光盘上有昂贵的加热设备，使抛光盘的转速受到限制，影响抛光速率； 大连理工大学硕士学位论文 为了使金刚石加工表面有金刚石变成石墨，需要有很高的接触应力，尤其是大尺寸金刚 石晶圆的加工抛光压力大，容易使抛光盘变形：在高温下，铁、镍等熔碳软金属容易粘 附在被加工表面，影响加工效率；不能完全去除金刚石表面形成的碳化层，造成金刚石 表面污染；金刚石晶圆尺寸增大时，抛光盘尺寸也需加大，难以保证面型精度。 解决上述问题，去掉昂贵复杂的加热设备和气路系统，研制一种高致密度、高强度、 高硬度以及抗高温氧化性溶碳合金基抛光盘是关键。同时，采用改全接触式为半接触式， 以降低抛光压力，从而较小变形，提高精度。另一方面，提高抛光盘转速，降低正面压 力，采用半接触式抛光方式，使金刚石晶圆表面局部达到碳化温度，既提高抛光效率， 又不至于在金刚石晶圆表面形成裂纹。解决当前金刚石膜抛光过程中的系统复杂、抛光 效率低、抛光质量不高等困难问题。 针对此问题，日本学者【5 踟5 9 j 提出，将金刚石压在高速旋转的金属盘上，利用金刚石 与金属盘之间的高速运动产生的磨擦热使金刚石达到热化学反应所需的高温和高应力 条件，并将之命名为动态摩擦抛光( d y n a m i cf r i c t i o np o l i s h i n g ，d f p ) 。与先前的热化 学反应抛光相比，动态摩擦抛光是最具应用价值的抛光方法，因为它不需要真空、气体 保护或其它任何加热设备。 但是目前抛光盘使用的主要是铸铁