随着量子信息、人工智能等高新技术的飞速发展，半导体技术也在不断更新迭代。从第一代半导体硅(Si)和锗(Ge)，到第二代的砷化镓(GaAs)和锑化铟(InSb)，再到第三代的碳化硅(SiC)、氮化铝(AlN)和氮化镓(GaN)，我们现在正迎来第四代半导体材料的迅猛发展，其中单晶金刚石(C)和氧化镓(Ga2O3)尤为引人注目。

金刚石衬底（来源：orbray）

第四代半导体材料的主要特点包括体积小、功耗低，而以单晶金刚石为代表的超宽禁带半导体材料不仅具备卓越的高频功率特性、高温稳定性，还表现出极低的能量损耗。它们已成为信息、能源、交通、先进制造以及国防等领域的重要新材料。

然而，尽管金刚石的性能卓越，其加工过程却充满挑战。作为地球上最坚硬的材料之一，如何在确保加工效率的同时降低加工损伤，是当前行业和学术界共同关注的问题。本文将探讨现有的金刚石加工技术及其未来的发展方向。

一、金刚石衬底的独特优势

按照材料的结构划分，金刚石可以分为多晶和单晶。其中单晶金刚石具有极高的硬度和耐磨性，且内部结构完整，和单晶硅具有相同的晶体结构，仅晶格常数不同。相比单晶硅，单晶金刚石具有更优异的电学性能：其导热率是硅的14倍，电场电阻则高30倍。金刚石的高导热性（21 W/cm·K）使其能够在600℃的高温下有效工作，并能够承受高达81 GHz的高频。

CVD法生长的金刚石

此外，金刚石的禁带宽度和击穿电场强度也显著高于硅、砷化镓、碳化硅和氮化镓等半导体材料。例如，一片直径50 mm的金刚石晶圆可以存储约250亿GB的数据，相当于10亿张蓝光光盘。单晶金刚石被广泛应用于量子计算、生物芯片衬底和传感器等领域，被认为是未来的终极半导体材料。

金刚石的禁带宽度和击穿电场强度也远高于硅、砷化镓、碳化硅和氮化镓等半导体材料。例如，一片直径50 mm的金刚石晶圆可以存储约250亿GB的数据，相当于10亿张蓝光光盘。单晶金刚石在量子计算、生物芯片衬底和传感器等领域展现了广泛应用前景，被认为是未来的终极半导体材料。

四种半导体材料的性能对比

二、金刚石衬底的加工挑战

将金刚石加工成衬底材料，需要经过严格的处理程序。即便金刚石性能优越，如果加工后的表面质量不能达到技术要求，其优势便无法充分发挥，甚至无法应用。

半导体衬底材料要求具有亚纳米级的表面粗糙度及超低的表面/亚表面损伤。因此，能够加工出超平坦、超光滑、超低损伤且无污染的高性能金刚石衬底材料，将极大促进半导体领域的发展。

然而，金刚石的高硬度使其加工过程非常复杂。目前，金刚石的去除机制主要包括微破碎去除、石墨化去除和氧化去除。以下是一些现有的加工技术：

01激光抛光加工

激光抛光适用于室温下抛光CVD金刚石的平面和曲面。其原理是利用激光光斑的高功率密度（如1 GW/cm2）使材料迅速热氧化和熔融蒸发。激光脉冲频率通常为几十至100 Hz，每脉冲去除几微米的材料。为了抛光更大表面，需要通过激光点和基底的相对运动来扫描整个基底。抛光速率受脉冲频率、峰值功率、光斑直径、运动速度及基底特性等因素影响。由于激光加工难以稳定能量输出，因此原理上难以实现超低损伤的加工。

02离子束抛光加工

离子束抛光需要真空设备和离子束源。其原理是通过离子撞击基底表面以移除原子，离子束可为惰性（如氩）或活性（如氧），其流量、能量和入射角可独立控制。与激光抛光类似，离子束抛光也是局部材料去除。虽然其精度高，但效率低且成本高，适用于局部缺陷修复，因此难以实现大尺寸半导体衬底的高效加工。

03热化学抛光加工

GRODZINSKI最早提出了热化学抛光的概念，原理是在高温下使金刚石石墨化，石墨化的碳原子在压力作用下扩散到抛光盘上以实现材料去除。CHOS等提出了热化学后处理方法，通过弱氧化反应去除无定形碳和层状石墨，提高金刚石晶体的硬度和杨氏模量。尽管热化学抛光效率高，但对实验环境要求苛刻，高温真空条件限制了其应用。

04摩擦化学抛光加工

摩擦化学抛光利用过渡金属元素制备的抛光盘，通过金刚石石墨化原理实现高效去除。与热化学抛光不同，摩擦化学抛光可以在室温下进行，但需在高压和高速条件下实现石墨化去除。这种条件下设备稳定性难以保证，且高压力可能导致工件崩碎。加工后，金刚石表面通常会出现大量石墨化层，影响后续使用。

05机械抛光加工

机械抛光是常用的金刚石加工方法，分为无磨粒抛光和游离磨料抛光。无磨粒抛光通过高压和高转速的摩擦去除材料，但效率较低。游离磨料抛光使用金刚石粉作为磨料，虽然不需高转速，但会导致表面划痕、凹坑及亚表面损伤，如裂纹和晶格畸变。磨粒粒径、抛光压力和转速影响表面质量，而金刚石的各向异性使得不同方向的抛光效果差异显著（在机械抛光过程中尤为突出）。总之，机械抛光虽然有无需高温真空环境，简单且成本低的优点，但加工效率和质量都有限。

06化学机械抛光加工

化学机械抛光（CMP）最早由THORNTON等于1970年代提出，主要用于集成电路的半导体材料平坦化，但效率较低。GUPTA等首次用熔融碱性氧化剂抛光金刚石，后续改进提高了去除率，但高温下工件热变形和环境危害仍是问题。常温化学机械抛光研究如CHENG等的实验，通过加热至70℃并使用KMnO4和稀H2SO4溶液，获得较好的表面质量。优化参数如摩擦系数和酸碱度对抛光效果有显著影响。

为了提高去除率，学者们尝试多种方法，包括电火花结合CMP、浸没式抛光、高精度机械抛光、半固结磨粒抛光垫、新型抛光盘、以及紫外光辅助加工。紫外光能激发金刚石表面氧化反应，提高去除率，然而紫外光辅助加工需要特殊设备和环境，且复杂性高。当前研究表明，引入外场如UV光可显著提升抛光效率，但需解决设备和抛光液的兼容性问题。