Þegar hálfleiðaratæki þróast í átt að meiri krafti, meiri þéttleika og smæðingu, nálgast undirlagsefni eins og sílikon, kísilkarbíð og gallíumnítríð frammistöðumörk sín. Demantur, með afar mikla hörku, ofur-háa hitaleiðni, ofur-breitt bandbil, mikið niðurbrotsrafsvið og breitt litrófsgegnsæi frá djúpu útfjólubláu til langt innrauða, er talið „fullkomna hálfleiðaraefnið“. Hins vegar, meðan á vinnslu stendur, verða þessir frábæru eiginleikar aftur á móti kjarnahindranir fyrir því að ná fram nákvæmri vinnslu á demantsyfirborði. Hefðbundnar fægjaaðferðir eiga í erfiðleikum með að koma á jafnvægi milli hás efnisfjarlægingarhlutfalls og mikils yfirborðsgæða, sem gerir þetta að lykiltæknilegri áskorun sem takmarkar útbreidda notkun demants í afkastamiklum tækjum. Þess vegna, með hliðsjón af takmörkunum hefðbundinnar demantsslípunaraðferða, mun þessi grein deila nokkrum nýrri fægitækni og nýjustu framförum þeirra fyrir yfirborðsfrágang á demantum á atóma-kvarða.
Hefðbundin fægingartækni og takmarkanir þeirra
Hefðbundnar demantarfægingaraðferðir fela aðallega í sér vélræna fægingu, hitaefnafræðilega slípun og leysislípun. Þrátt fyrir að þessi tækni hafi gegnt mikilvægu hlutverki í sögu demantavinnslu, þá sýna þær allar skýrar takmarkanir þegar reynt er að fletja yfirborðsflötun á atóma-kvarða.
(1) Vélræn slípun: Vélræn slípun er elsta aðferðin sem notuð er við demantavinnslu. Meginreglan þess felur í sér að nota demantsslípiefni eða hár-slípiefni (eins og kísilkarbíð, súrál, o.s.frv.) á fægipúða til að slípa demantsyfirborðið vélrænt. Vegna afar mikillar hörku demants þarf venjulega verulegt fægjaálag til að ná efnisflutningi; Hins vegar hefur svo mikið álag tilhneigingu til að mynda rispur, gryfjur og aðrar skemmdir á yfirborði og undir yfirborði við vinnslu.
(2) Hitaefnafræðileg slípun: Byggt á aðferð við há-dreifingu á milliflötum, við hærra hitastig upp á 600–1800 gráður, geta kolefnisatóm á demantsyfirborðinu dreifst og leyst upp í málmfægingarpúða (td járn, nikkel) og dregið úr vinnsluerfiðleikum. Hins vegar, vegna ójafnrar upphitunar á málmundirlaginu, þjáist fægjaferlið oft af einsleitnivandamálum, sem gerir fágað yfirborðið ójafnt.
(3) Laser pússing: Þessi tækni notar há-orku leysigeisla til að geisla beint á demantsyfirborðið, framkalla leysigrafítmyndun (umbreyting demantarfasa í grafítfasa), fylgt eftir með vélrænni fjarlægingu á grafítsettu laginu. Þessi aðferð er mjög skilvirk á grófunarstigi, en leysir-varma-svæðið sem hefur áhrif á er tiltölulega djúpt, skilur auðveldlega eftir varmaskemmdalög á yfirborðinu og gerir það erfitt að ná plánetu á heimsvísu-kvarða.
Core Atomic-Scale Polishing Technologies for Diamond
Til að forðast sterkan-snertivélrænan núning og lágmarka grindarskemmdir hafa vísindamenn snúið sér að nýrri frumeindafægingartækni sem miðast við fjöl-orku-samvirkni, svo sem efnafræðilega fæging (CMP), plasma-geislaaðstoðslípun (PAP) og sputtering polishing (PAP).
01 Chemical Mechanical Polishing (CMP)
CMP er vænlegasta tæknin í iðnaði fyrir plönunar-kjarna. Kjarni vélbúnaður þess felur í sér samvirkni efnaoxunarbreytinga og vægrar vélræns slits: oxunarefni í fægislípunni umbreyta sp³ tengingum á demantsyfirborðinu í laust, auðvelt að fjarlægja oxíðlag, sem síðan er skafið varlega burt með nanó-slípiefnum undir lágu álagi, sem gerir lag fyrir{}atóm{4}möguleika{4}möguleika{4} fjarlægja og bæla í grundvallaratriðum skemmdir. Hins vegar stendur hefðbundin CMP enn frammi fyrir áskorunum með demantsslípun, svo sem lága oxunarvirkni, hægan hvarfhraða og ófullnægjandi fægjavirkni, þar sem efnisfjarlægingarhraði er venjulega undir 1 μm/klst. Eins og er, er iðnaðurinn að bæta þetta í gegnum tvær meginstefnur: utanaðkomandi vettvangsaðstoð og hagræðingu oxunarkerfisins í fægislípunni, sem eykur verulega skilvirkni fægja og yfirborðsgæði.
(1) Val og hagræðing oxunarefna: Oxunarefni eru miðpunktur efnahvarfsins í CMP demantur, sem ákvarðar beint oxunarhraða, gæði yfirborðsbreytinga og endanlega grófleika. Byggt á þörfinni á að oxa óvirka demantsyfirborðið, eru helstu fínstilltu kerfin:
Hátt-gildi saltoxunarefni: Kalíumferrat (K₂FeO₄), kalíumperódat (KIO₄), kalíumpermanganat (KMnO₄) osfrv. Þetta hefur mikla oxunargetu og sterka oxunargetu, sem flýtir fyrir breytingu á óvirka yfirborðinu. Til dæmis, Yuan o.fl. sýnt fram á með samanburðartilraunum að meðal slíkra oxunarefna skilaði K₂FeO₄ kerfið besta fægivirkni, umskipti frá gróffægingu yfir í fínfægingu og stytti heildarvinnslutímann.
Vetnisperoxíð (H₂O₂) kerfi: Undanfarinn áratug hafa H₂O₂ og blöndur þess orðið aðalvalkostur fyrir demantaefnaslípun. Sem sterkt oxunarefni við stofuhita getur H₂O₂ hvarfast beint við demantsyfirborðið til að mynda hýdroxýlerað oxíðlag án há-hliðarhvarfa við hitastig, sem þjónar sem grunnoxunarefni fyrir frumeindaslípun á -kvarða. Hins vegar er oxunarvirkni H₂O₂ eingöngu takmörkuð af framleiðsluhraða sindurefna. Þess vegna er það oft sameinað Fe²⁺ hvata til að koma á Fenton hvarfi, sem myndar mjög hvarfgjarna •OH stakeindir, sem margfalda auka oxunarhraða demantayfirborðsins, sem ná bæði háum flutningshraða og yfirborðsgæði atóms -kvarða, hentugur fyrir há-hálfleiðara demanta undirlagsvinnslu.
(2) Ytri vettvangsaðstoð: Með því að kynna há-orkusvið getur tígulyfirborðið virkjað á staðnum og náð skilvirkari fjarlægingu. Eins og er eru helstu aðferðirnar -framkallaðar og ljóshvata-aðstoðaraðferðir.
Leysir-framkallaður: Þó að hrein leysislípun geri kleift að fjarlægja efni hraðvirkt hefur það tilhneigingu til að valda hitaskemmdum og yfirborðsóreglu. Hins vegar, ef það er notað sem gróft fægjaskref til að framkalla grafitization og fljótt fletja yfirborðið, fylgt eftir með fínpússingu með CMP, er hægt að minnka grófleikann niður í nanómetra eða jafnvel atómkvarða, á sama tíma og það bætir efnisflutningshraðann til muna og dregur úr lítilli skilvirkni hefðbundins CMP.
Ljóshvata-aðstoð: Ljóshvatar (td TiO₂, ZnO o.s.frv.) er bætt við slípandi slurry og ákveðin bylgjulengd útfjólublás ljóss (venjulega<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 Plasma-Assisted Polishing (PAP)
Plasma-hjálpuð fæging er þurr, snertilaus, efnafræðileg atómslípun-kvarða. Vinnugas eins og O₂ er sett inn og jónað til að mynda há-orkuvirkar tegundir. Þessar tegundir hvarfast við kolefnisatóm á yfirborði demantsins, framleiða rokgjörn kolefnisoxíð sem desogast frá yfirborðinu, og ná hreinlega efnafræðilegri atóma-skala ætingu. Í kjölfarið gerir lítilsháttar vélræn aðgerð frá fægipúða kleift að fjarlægja það á skilvirkan hátt. Kostir þessarar aðferðar eru meðal annars streitulausar-lausar, slípiefnislausar-vinnslu, mikil grindarheilindi, nákvæm stjórnun á ætingardýpt og mildun kristallófræðilegrar anísótrópíu, sem gerir hana að vænlegustu tækninni til að jafna hagkvæmni og gæði eins og er. Hins vegar er kostnaður við búnaðinn hár og það er krefjandi að ná samræmdu ætingu á stórum -svæða.
03 Ion Beam Sputtering Polishing (IBS)
Jónabjálsun er snertilaus-fægingaraðferð sem byggir á-háttum-orku líkamlegri sputtering. Venjulega framkvæmt í lofttæmi, myndar jónagjafi há-orkujónir (td Ar⁺) sem sprengja tígulyfirborðið í ákveðnu horni. Með skriðþungaflutningi fá yfirborðsatóm nægilega orku til að sigrast á yfirborðsbindingarorkunni og kastast út sem sputtered atóm, sem ná í frumeinda-skala efnisfjarlægingu og þannig fægja.
Vegna þess að hún forðast snertiþrýsting, núning og tengda skemmdir undir yfirborðinu, rispur eða aflögun, hefur þessi tækni nú þegar náð grófleikaminnkun CVD demants úr 334 nm niður í 0,5 nm með því að nota gasþyrping jóngeisla (GCIB) sem myndast úr lofttegundum eins og argon eða brennisteinsflúoríði, með framtíðarmöguleika til að ná brennisteinsstigi. Hins vegar gerir krafan um mikið lofttæmi, flókna jónagjafa og stjórnkerfi búnaðinn dýran í innkaupum og viðhaldi, sem takmarkar útbreidda notkun hans á almennum iðnaðarsviðum.