關注我們鉆石開放獲取 免收版面費

作 者

李卓、姜峰、姜正義、田子歌、邱天、張濤、溫秋玲、盧希釗、陸靜、黃輝

機 構

華僑大學

Citation

Li Z, Jiang F, Jiang Z Y, Tian Z G, Qiu T, Zhang T, Wen Q L, Lu X Z, Lu J, Huang H. 2024. Energy beam-based direct and assisted polishing techniques for diamond: A review. Int. J. Extrem. Manuf.6012004.

免費獲取全文

https://doi.org/10.1088/2631-7990/acfd67

撰稿 | 文章作者

01

文章導讀

金剛石是一種極具工業應用價值的材料，廣泛應用于超精密加工、半導體、光學和電子器件等工業領域。但由于金剛石的超高硬度和高化學惰性，難以實現其高效和超低損傷加工。為了解決這些挑戰，研究者已經開發出了多種單晶金剛石（SCD）和多晶金剛石（PCD）的拋光方法，包括機械拋光、化學拋光、激光拋光和離子束拋光等。其中，傳統的機械和化學拋光方法存在拋光精度和拋光效率較低、拋光界面的幾何形狀受限和易引起拋光表面損傷等不足，這限制了金剛石在半導體、光學等精密電子器件領域的應用。近些年新興起的能量束拋光方法因其高效率、高精度以及低表面損傷在金剛石拋光領域得到了越來越廣泛的應用。近期，華僑大學姜峰教授等人在SCI核心期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing，IJEM）上發表了題為《基于能量束的金剛石直接和輔助拋光技術》的長篇綜述，系統總結了SCD和PCD的能量束拋光技術，如激光拋光、離子束拋光、等離子體輔助拋光和激光輔助拋光等，分析了各拋光工藝的工藝特點、材料去除機理及其影響因素。圖1展示了幾種能量束拋光技術的拋光裝置、材料去除機理和影響因素。

關鍵詞

單晶金剛石；多晶金剛石；能量束拋光技術；材料去除機理；影響因素

亮 點

• 總結了金剛石拋光的技術難點和現有的拋光技術；

• 介紹了激光、離子束、等離子體輔助和激光輔助拋光金剛石的研究進展；

• 闡述了各種能量束拋光方法的材料去除機理及影響因素；

• 討論了金剛石能量束拋光技術的未來發展方向。

圖1 金剛石的能量束拋光技術。（插圖）經許可使用，版權所有（2021）英國皇家化學學會。（插圖）經許可使用，版權所有（2021）John Wiley & Sons. ? 2021 Wiley-VCH GmbH。（插圖）經許可使用，版權所有（2020）Springer Nature。（插圖）經許可使用，版權所有（2013）Elsevier Ltd。（插圖）經許可使用，版權所有（2022）Elsevier Ltd。（插圖）經許可使用，版權所有（2021）Elsevier Ltd。（插圖）經許可使用，版權所有（2018）Elsevier Ltd。（插圖）經許可使用，版權所有（2014）Elsevier Ltd。

02

研究背景

由于優異的物理和化學特性，金剛石被廣泛應用于精密刀具、光學元件、散熱元件和高功率電子器件中。此外，金剛石是目前性能最優異的半導體材料，被稱為“終極”半導體。金剛石還具有優異的耐磨性和化學穩定性，被認為是超精密加工領域最理想的工具材料。隨著超精密加工和半導體技術的快速發展，金剛石已成為現代工業中最有前途的材料之一。金剛石的工業應用通常都需要超光滑和無損傷的表面。然而，天然或人造金剛石的原始表面質量差，通常需要通過研磨拋光后才能滿足使用要求。金剛石的高硬度、高耐磨性和高化學穩定性對其拋光過程造成很大的困難。盡管金剛石的拋光技術已經被廣泛研究，但傳統的拋光技術如機械拋光（MP），動態摩擦拋光（DFP）和化學機械拋光（CMP）會造成不同程度的表面損傷，如劃痕、裂紋和亞表面損傷，這限制了金剛石在半導體和精密光學領域的應用。本文對SCD和PCD的加工特性和拋光方法進行了分類和綜合分析，總結了適用于不同金剛石加工需求的表面拋光技術。特別分析了兩種基于能量束的直接拋光技術（激光拋光（LP）和離子束拋光（IBP））和兩種能量束輔助拋光技術（等離子體輔助拋光（PAP）和激光輔助拋光（LAP））在加工金剛石過程的材料去除機理及影響因素，討論了上述四種拋光技術在金剛石拋光過程中的優缺點。

03

最新進展

激光拋光（LP）是一種非接觸拋光技術，不受樣品表面形狀的限制，可用于平面和曲面拋光。如圖2所示，金剛石的激光拋光主要包括高能激光照射使金剛石表面石墨化和燒蝕去除石墨層兩個過程。圖2(c)顯示了金剛石的激光燒蝕示意圖，可以看出燒蝕閾值和石墨化閾值會影響燒蝕深度。LP比傳統的MP和CMP去除效率更高，其材料去除率可以達到每秒幾納米。但LP的拋光精度有限，拋光后的表面粗糙度Ra只能達到8 nm。此外，熱燒蝕的材料去除方法可能會對金剛石表面造成熱裂紋和其他損傷。因此，LP技術主要用于CVD金剛石薄膜的拋光和使用傳統拋光方法難以加工的金剛石工具的表面修整。

圖2激光拋光的原理和效果。(a)激光石墨化，(b)激光消融石墨化層，(c)高斯光束散焦結構的說明（Dde：激光散焦，Dab：消融深度），(d)前后表面的輪廓比較，(e)和(f) 拋光表面的原子力顯微鏡（AFM）形態。（插圖）經許可使用，版權所有（2021）John Wiley & Sons. ?2021 Wiley-VCH GmbH。

離子束拋光（IBP）作為一種非接觸式拋光技術，不受材料表面形貌的限制，適用于各種硬、脆性材料的拋光。如圖3所示，IBP可用于快速消除金剛石表面的一些溝槽，拋光后的表面粗糙度可達RMS 0.19 nm。聚焦離子束拋光（FIBP）目前已廣泛應用于金剛石薄膜的拋光，但由于離子束尺寸小，材料去除率較低，提高離子動能雖然可以提高拋光效率，但也會造成嚴重的表面損傷。近年來，一些研究人員提出，通過改變離子束的入射角和使用適當的化學試劑來減少IBP的損傷。然而，復雜的離子束發生器和昂貴的設備是制約IBP技術發展的主要技術瓶頸。

圖3IBP拋光金剛石效果。氬離子束拋光金剛石表面溝槽的SEM圖：（a）拋光前，（b）拋光4 min后，（c）拋光20 min后。（a）~（c）（插圖）經許可使用，版權所有（2019）Elsevier Ltd。HPHT金剛石離子束拋光前后的AFM圖：（d）拋光前，（e）用ICP Ar/Cl2等離子體拋光10 min后，(f)表面粗糙度隨拋光時間的變化。（d）~（f）（插圖）經許可使用，版權所有（2008）Elsevier Ltd。（g）~（j）離子束刻蝕出的金剛石納米柱掃描電鏡圖，錐形角：（g） 3.4°、（h） 7.5°、（i） 11.5°和（j） 21°。（g）~（j）（插圖）經許可使用，版權所有（2018）John Wiley & Sons. ? 2018 Wiley-VCH GmbH。

等離子體輔助拋光（PAP） 圖4展示了PAP的拋光設備和拋光效果，可以發現PAP是一種高效、高精度、無損的金剛石拋光技術，目前已成功用于大尺寸金剛石襯底的高效無損拋光。PAP拋光金剛石得到的最小表面粗糙度可達Sq 0.32 nm，最大材料去除率高達13.3 μm·h-1。與離子拋光一樣，高昂的設備成本是限制等離子體輔助拋光發展的瓶頸。因此，PAP方法目前主要用于拋光表面質量要求較高的SCD表面，尚未用于拋光PCD表面。

圖4等離子體輔助拋光金剛石的設備及拋光效果。（a）真空PAP拋光裝置，（b）SCD襯底的固定方法，（c）PAP后SCD襯底表面的掃描白光干涉（SWLI）圖像。（a）~（c）（插圖）經許可使用，版權所有（2022）Elsevier Ltd。（d）和（e）MP拋光后的SCD在<110>晶體方向上的橫截面透射電鏡（TEM）圖像，（f）和（g）PAP拋光后的SCD在<110>晶體方向上的橫截面透射電鏡（TEM）圖像。（d）~（g）（插圖）經許可使用，版權所有（202）Elsevier Ltd。（h）PAP實驗裝置示意圖，（i）PAP后鑲嵌SCD（100）襯底上的一個局部區域的SWLI圖像；（j）通過SWLI（84 μm2）獲得的PAP后SCD（100）襯底上7個不同局部區域的Sq和Sz值的平均值和分布范圍；（k）一組點的拉曼光譜；（l）（k）圖中拉曼線的局部放大圖。（h）~（l）（插圖）經許可使用，版權所有（2018）Elsevier Ltd。

激光輔助拋光（LAP）的拋光裝置、原理和影響因素與PAP類似，近些年已廣泛應用于金剛石高精度拋光領域。與PAP相比，LAP已成功地應用于SCD、PCD和CVD金剛石薄膜的表面拋光，具有更廣闊的應用前景。

04

未來展望

• 目前，激光直接拋光金剛石得到的表面質量非常有限。因此，通過選擇合理的激光類型或調整激光參數或加工參數，提高激光拋光金剛石的表面質量至關重要。

• 離子束直接拋光金剛石的材料去除率較低，離子束的機械沖擊很容易破壞金剛石表面。因此，通過優化離子束的參數和入射角來改善材料去除率和減少表面損傷是目前工藝研究的主要方向。此外，利用放射性離子束、聚焦離子束、電感耦合等離子體或電感回旋共振離子源等離子束處理獲得高質量的金剛石表面是離子束拋光領域的重要研究方向。

• 雖然等離子體輔助拋光和激光輔助拋光都具有極高的拋光精度，但它們的材料去除率卻很有限。通過改變反應氣體的類型，提高金剛石表面的氧化速率，可以有效地提高等離子體輔助拋光和激光輔助拋光的材料去除率。此外，通過調整拋光盤的轉速和接觸壓力，可以提高表面精度和材料去除率。目前，設備成本高昂仍是制約等離子體輔助拋光和激光輔助拋光在金剛石拋光領域應用的重要因素。因此，通過改進設備結構來降低成本，具有重要的現實意義。

• 激光直接拋光具有較高的材料去除率，激光輔助拋光、離子束直接拋光和等離子體輔助拋光具有較高的拋光精度。將上述四種技術相結合，開發出更高效、更高質量的拋光技術，將是本領域的重點研究方向。

05

作者簡介

姜 峰

華僑大學

姜峰，華僑大學機械工程學科教授，博士生導師，先后在山東大學獲得博士學位，在清華大學完成博士后研究。擔任國家重點研發計劃課題負責人，國家自然科學基金青年基金和國家自然科學基金面上項目負責人，福建省高校產學研重大項目負責人。擔任中國機械工程學會極端制造分會理事，中國機械工程學會摩擦學分會理事，廈門金鷺特種合金有限公司有限公司技術顧問，廈門廈芝科技工具有限公司技術顧問。已獲得山東省科技進步二等獎，福建省科學技術成果轉化二等獎，入選福建省百千萬工程人才。

研究重點圍繞精密超精密加工技術、切削過程數值仿真技術、高性能刀具設計和超高速摩擦實驗裝備研發等領域展開。在《International Journal of Extreme Manufacturing》《Ceramics International》《Applied Surface Science》《Journal of Materials Science》《Journal of Materials Research and Technology》《Tribology International》《Journal of Manufacturing Processes》《機械工程學報》等期刊上累計發表100篇期刊論文，授權90項發明專利，編寫1部專著。是機械領域國際Top1的《International Journal of Extreme Manufacturing》雜志青年編委，《工具技術》雜志青年編委。

單晶金剛石的拋光與平坦化：現狀與展望

原子尺度制造中的分子間力和表面力

關于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(中文《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發表極端制造領域相關的高質量最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數據庫收錄。2023年JCR最新影響因子14.7，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區，TOP期刊。

?? 期刊宗旨和欄目（點擊閱讀詳情）

期刊網址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

作者福利

? 鉆石開放獲取，免收作者版面費

? 提供綠色通道快速評審原創突破性成果

? 接收后24h內在線

? 免費全球化宣傳推廣

? 免費高質量圖片編輯與規范化文獻校對

專題征稿

Call for Papers

專題文章

集 錦

文章目錄

2023-02

2023-01

2022-04

2022-03

2022-02

2022-01

?更多往期 點此獲取?

微信號｜IJEM-Editor

掃碼加小編微信

邀您進極端制造群

撰稿: 作者 編輯：范珂艷 審核：關利超

本文旨在傳遞、分享最新科研信息。如涉及作品版權問題，請及時聯系我們，我們會及時處理以保障您的權益。感謝一直關注和支持本公眾號的朋友們！