中國粉體網(wǎng)訊 金剛石以其優(yōu)異的性能在力學、光學、熱學和電子學等領域發(fā)揮著重要作用。然而，金剛石表面質量會影響其在高科技領域的應用，因此通過高效拋光技術獲得高質量表面一直是金剛石研究的重點內容。
隨著化學氣相沉積（CVD）金剛石技術的發(fā)展，大尺寸人工合成金剛石得以規(guī)模化生產并獲得廣泛應用，但CVD金剛石常伴有薄膜厚度不均勻、應力變形、晶粒尺寸不同、取向不一致、位錯密度較高、表面質量低等缺點，因此在應用前需要進行平整化處理。例如：單晶金剛石制作的刀具需具有光滑表面，便于切屑快速從金剛石刀面快速排出，從而減少切屑堆積，保證加工精度，提升刀具使用壽命；多晶金剛石膜做熱沉材料時，需要光滑的表面以增加接觸面積，提高散熱效率；當用作光學窗口時，金剛石的低損傷表面/亞表面可以減少光信號通過時的散射，能夠更好地成像。
然而，金剛石因其超高的硬度、出色的耐磨性以及高化學惰性等特點，增加了表面機械拋光的難度。因此，如何實現(xiàn)高效、低成本且低損傷的拋光，成為關系到金剛石大規(guī)模產業(yè)化應用的關鍵。
目前，金剛石的表面拋光技術主要有機械拋光、化學機械拋光、熱化學拋光、動態(tài)摩擦拋光和涉及高能粒子非接觸式的拋光方法，如激光拋光、離子束拋光、等離子體拋光、電火花拋光等。
機械拋光
機械拋光作為最傳統(tǒng)的金剛石拋光方法，也是目前唯一得到大量應用的金剛石拋光方法。機械拋光時，拋光盤以極高的轉速（大于2500r/min）高速旋轉，在金剛石工件上施加極大的壓力（大于10N），該方法利用金剛石磨粒的機械作用實現(xiàn)材料去除，但是加工效率低且易產生加工損傷。機械拋光會造成金剛石工件的表面損傷和亞表面損傷，拋光過程中的機械沖擊會導致拋光表面形成凹坑、亞表面裂紋和晶格損傷，這些損傷無法通過后續(xù)的拋光步驟消除，且光學設備無法檢測出來。
機械拋光示意圖
化學機械拋光
化學機械拋光（chemical mechanical polishing，CMP）是一種超精密拋光的加工方法，通過在機械拋光過程中加入氧化劑，氧化碳原子提高拋光速率。雖然拋光金剛石速率較慢，但有表面損傷小、粗糙度低、設備簡單、運行維護成本低，拋光后的表面污染較輕等優(yōu)點，在金剛石拋光領域逐漸受到重視。
化學機械拋光示意圖
在化學機械拋光過程中，氧化劑扮演著至關重要的角色，早期以高溫熔融鹽作為氧化劑進行拋光。KNO3、NaNO3、LiNO3、KMnO4、K2FeO4、KIO4、K2Cr2O7 和H2O2是常用的氧化劑，其中部分氧化劑需較高的工作溫度以達到熔點，如KNO3熔點為334℃、NaNO3熔點為307℃。H2O2是一種強氧化劑，使用H2O2溶液作為拋光液，在室溫下進行化學機械拋光后，可得到原子級光滑的表面。
為了進一步提高拋光效率，使金剛石表面均勻光滑，混合氧化劑走進了大眾視野，其中，H2O2及其混合物組成的拋光液成為了金剛石化學拋光的主要選擇。例如，先用鐵板對金剛石樣品拋光2小時，通過熱化學拋光，快速去除金剛石表面劃痕和損傷，再用鐵板在H2O2溶液中對金剛石樣品拋光3小時，可得到晶體有序的超光滑表面。
該過程基于芬頓（Fenton）反應拋光金剛石，將鐵浸入H2O2溶液中，生成亞鐵離子（Fe2+），F(xiàn)e2+與 H2O2反應生成具有強氧化性的•OH，反應過程如下：
Fe2+ + H2O2→•OH+OH−+Fe3+
Fenton試劑拋光金剛石材料去除原理
熱化學拋光
熱化學拋光（thermochemical polishing，TCP）是以碳原子在熱金屬中的擴散、金剛石轉化為石墨和金剛石的氧化為基礎的拋光技術。熱化學拋光時，金剛石膜在真空、氫氣或惰性氣體氣氛下，在加熱到750~1000℃的熱鐵光盤上轉動摩擦，在高溫條件下，通過碳原子向鐵質拋光盤擴散來實現(xiàn)金剛石膜的平整化。
通過熱化學拋光可以使金剛石表面達到納米級的粗糙度，雖然熱化學拋光可以得到較好的表面質量，但需要在高溫真空條件下進行加工，以至于加工成本過高，未能得到廣泛應用。
動態(tài)摩擦拋光
金剛石極高的硬度和優(yōu)異的理化性能卻使其拋光加工非常困難, 將表面粗糙度 從μm級降低到nm級，往往需要幾十到上百小時的拋光時間。
動態(tài)摩擦拋光 (dynamic friction polishing，DFP) 具有極高的金剛石去除速率，而且克服了其他拋光方法中存在的“拋光速率受拋光晶面取向影響”的問題。單晶金剛石在夾具的夾持下，與高速旋轉的金屬拋光盤緊密接觸，通過去除表面 的微凸峰來降低粗糙度。在DFP中金剛石的去除過程為：碳的機械脫離、碳向拋光盤擴散以及碳的氧化。
單晶金剛石的動態(tài)摩擦拋光
目前，DFP的研究主要集中在獲得最高去除速率和最低粗糙度2個方向。
激光拋光
激光拋光（laser polishing，LP）通過激光束照射到金剛石厚膜表面，使金剛石膜表面溫度升高，進而使被加熱的金剛石表面碳原子氣化和石墨化，從而達到去除材料的目的。
用于金剛石加工的激光可依據(jù)激光脈沖長度和原子晶格碰撞之間的大小關系分為“熱加工”和“冷加工”兩類。最具代表性的為納秒激光和飛秒激光，對于金剛石而言，其電子和空穴的弛豫時間分別為1.5ps和1.4ps。
激光與電子、晶格相互作用模型 (a) 納秒激光；(b) 飛秒激光
激光加工是目前金剛石的主流加工方法，相較于傳統(tǒng)的機械加工形式，激光加工精度高、效率高、普適性強，因而在金剛石切割、微孔成型、微槽道加工及平整化等方面均得到廣泛應用。
離子束拋光
離子束拋光（ion beam polishing，IBP）可實現(xiàn)精細化拋光，IBP利用氧或具有較大濺射率的惰性氣體（Ar）離子，對金剛石膜進行濺射刻蝕。等離子轟擊金剛石表面以去除碳原子，當高能離子與金剛石表面碰撞時，金剛石晶體結構被破壞，碳原子就從金剛石膜表面濺射出來，從而達到表面拋光的目的。該方法雖然能在很小的尺度上去除脆硬材料，但容易在襯底表面留下波紋。
離子入射角對材料去除率的影響
IBP可在粗拋后，對金剛石表面做精拋處理，以達到高質量表面。
等離子體拋光
等離子體輔助拋光（plasma assisted polishing，PAP）是一種新型的干法化學拋光方法，其是先利用等離子體活化金剛石表面，進一步使用“軟磨料”去除變質層。該方法可用于金剛石精細化拋光，可提高金剛石表面光潔度。
等離子體輔助機械拋光裝置
結語
激光拋光、離子束拋光和等離子體拋光在粗拋和精拋領域有著各自的優(yōu)勢，但設備的使用成本明顯高于其他拋光方法�；瘜W機械拋光具有較高去除率、高表面質量、低加工成本等優(yōu)勢，是一種高效的拋光方法，尤其是H2O2及相關加工方法的使用，不僅使金剛石表面粗糙度達到亞納米級，獲得了超光滑且低損傷的表面，而且降低了化學污染。
當前金剛石正以每年數(shù)億美元的市場規(guī)模擴大應用范圍，表面質量是影響其應用的重要因素。未來，實現(xiàn)金剛石大面積、無亞表面損傷的拋光依舊是其在半導體、熱沉等領域獲得應用的重要課題。
參考來源：
1.溫海浪等. 大尺寸單晶金剛石襯底拋光技術研究現(xiàn)狀與展望.機械工程學報
2.安康等. 金剛石化學機械拋光研究進展.人工晶體學報
3.袁菘等. 金剛石化學機械拋光研究現(xiàn)狀.表面技術
4.張浩晨等. 單晶金剛石的動態(tài)摩擦拋光.中國科學院大學學報
5.葉盛等. 激光技術在金剛石加工中的研究及應用進展.紅外與激光工程
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/輕言）
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