利用等离子体辅助抛光技术对硅板和二氧化硅板进行处理：探讨了两者之间的相互作用机制，并实现了单晶和多晶金刚石表面的原子级平整度

《JOURNAL OF MATERIALS PROCESSING TECHNOLOGY》：Plasma-assisted polishing with silicon and silica plates: Comparison of interaction mechanism and achievement of atomically flat surfaces on single- and polycrystalline diamond

本研究系统对比了硅和硅胶抛光板在等离子辅助抛光（PAP）中对钻石材料去除效率及表面质量的影响。通过XPS和DFT分析发现，硅板因化学活性更高，能促进碳键断裂与氧桥键形成，显著提升材料去除率至纳米级表面粗糙度（Sa≈0.3 nm），但存在快速磨损问题。激光整饰技术可有效修复磨损表面，维持高加工效率。研究成果为超精密钻石加工提供了新方法。

　　

Jiayuan Dong|Sota Sugihara|Kafumi Fujiwara|Rongyan Sun|Yuji Ohkubo|Junsha Wang|Tadatomo Suga|Kazuya Yamamura

大阪大学精密工程研究中心，日本大阪5650871

摘要

由于钻石具有极高的硬度和化学稳定性，传统的加工方法面临着重大挑战。等离子辅助抛光（PAP）是一种新开发的技术，它将等离子体中的活性化学物质与机械抛光结合在一起，为高效精确地加工钻石材料提供了巨大潜力。本研究全面探讨了硅板和二氧化硅板的抛光特性。实验结果证实，硅板在PAP过程中表现出更优的性能，能够获得更光滑的钻石表面，并实现更高的材料去除率（MRR）。为了解释这种差异的根源，研究了等离子体辐照的协同作用，因为已知等离子体能够显著提高钻石的MRR和表面质量。为此，结合X射线光电子能谱（XPS）测量和密度泛函理论（DFT）计算，深入分析了其背后的机制。分析表明，抛光板材料和等离子体辐照在PAP过程中都起着关键作用：硅的较高化学反应性促进了摩擦界面的键合形成，从而有助于碳的去除；同时，等离子体产生的氧自由基通过氧化钻石和抛光板表面以及促进氧桥键的形成参与界面反应。这一过程提高了钻石的去除率，但也加速了抛光板表面的磨损。为了进一步评估这一效应，进行了长时间抛光实验以研究板材的磨损情况。结果显示，随着磨损的加剧，抛光板表面变得越来越光滑，导致钻石基材的抛光精度和MRR下降。为了解决这一问题，引入了激光修整技术来恢复和维持表面粗糙度，并通过实验验证了其有效性。最后，将PAP技术应用于2英寸多晶钻石基材，成功获得了表面粗糙度（Sa）约为0.3?nm的无晶界光滑表面。这些发现为钻石的超精密加工提供了实际指导，加深了对摩擦界面化学-机械相互作用的理解，并推动了基于钻石的半导体组件的发展。

引言

近年来，钻石作为一种半导体材料受到了广泛关注，在传感器、光学元件、功率电子器件和芯片散热等领域具有无可比拟的性能优势[1]。无论是学术研究还是产品开发，钻石基材和晶圆都必须具备完好无损、原子级光滑的表面。然而，由于钻石的高化学稳定性、脆性和极端硬度，实现高效精确的表面抛光仍然是一个重大挑战。特别是对于大型钻石样品，传统抛光方法通常需要数百小时的连续处理[2]。

为了解决这一挑战，研究人员投入了大量精力开发钻石材料的抛光工艺。这些方法大致可分为两类：第一类是直接用激光束[3]、离子束[5]、[6]或等离子体射流[7]、[8]照射钻石表面。在这些方法中，高能束流或活性自由基流加速了化学反应，将钻石转化为石墨、二氧化碳或碳氟化物等物质，然后从表面去除。通过优化工艺参数（包括扫描路径和输入功率），可以实现钻石基材的平整化。Wei等人[4]报告称，使用微秒脉冲激光处理成功平整了4英寸PCD晶圆，去除率达到了15.6?mm/h。尽管表面粗糙度Sa仍为0.6?μm，但这作为钻石的预处理步骤已经取得了显著改进。Liu等人[7]报道了使用感应耦合等离子体（ICP）直接蚀刻PCD表面以实现平整化的研究。在ICP辐照过程中，生成的高密度氧自由基与钻石表面剧烈反应，使碳原子以气相形式去除，从而使生长态PCD的表面粗糙度Sa在205?s内从9.6?μm迅速降至0.82?μm。这些新方法共同的优势在于能够在短时间内降低表面粗糙度；然而，它们难以达到纳米级光滑度，因此主要用作后续表面处理的前驱步骤。第二类方法是将化学反应与机械抛光相结合，此时钻石被压紧在抛光板或垫子上以确保紧密接触，然后通过相对运动实现材料去除。这类研究关注化学试剂的供给机制以及摩擦界面发生的材料相互作用。作为化学机械抛光（CMP），化学试剂通常由高锰酸钾（KMnO₄）[9]、过氧化氢（H₂O₂）[10]和碱性溶液[11]、[12]等化学溶液提供。Thomas等人[11]报告称，4?小时的处理可将PCD薄膜的表面粗糙度Rq从18.3?nm降至1.7?nm（25?μm × 25?μm）。尽管CMP可以实现高质量的钻石表面处理，但其MRR极低（13.6?nm/h）[10]。此外，化学试剂也可以通过光催化[13]、[14]生成，Liu等人[15]报告称紫外线（UV）辐照可以分解氧分子生成自由基，并提出了一种新的C-C键断裂引发石墨化的理论。基于这一新理论，开发了低气压紫外辅助抛光（LGP-UVAP）技术，实现了高效原子级光滑钻石抛光，MRR达到15.8 μm/h。

等离子辅助抛光（PAP）是另一种新开发的技术，显示出在钻石材料加工方面的效率和精度潜力[16]。在PAP过程中，等离子体产生的高密度活性自由基在钻石和抛光板表面化学吸附，随后在摩擦界面参与反应，机械作用与等离子体引入的化学作用相结合，形成了复杂的材料去除机制。先前的研究报道了使用硅[17]和二氧化硅[18]抛光板进行PAP并取得了有希望的结果；然而，它们之间的机制和性能差异尚未得到充分研究。例如，当氧自由基进入摩擦界面时，它们与钻石和抛光板表面的相互作用机制尚不清楚。此外，不同材料的抛光板表现出不同的化学反应性，这会显著影响抛光效果。尽管如此，控制这些效应的潜在机制以及抛光板材料对界面反应的影响程度仍需系统阐明。

本研究旨在填补当前对钻石材料PAP理解的三个重要空白：（1）等离子体辐照下的摩擦界面机制；（2）抛光板材料对摩擦界面和抛光结果的影响；（3）由于抛光板磨损导致的工艺质量波动。为了填补这些空白，在相同条件下对硅板和二氧化硅板进行了系统的实验比较，重点关注机械效应和等离子体诱导的化学效应。评估内容包括不同条件下的钻石基材MRR和抛光板磨损率。为进一步阐明氧自由基在摩擦界面中的作用，使用XPS分析了抛光后钻石表面的化学梯度，并通过DFT计算提供了原子级别的化学相互作用见解。结果证实，硅抛光板在钻石去除率和表面粗糙度方面表现更优；然而，其磨损率高于二氧化硅板。在长期连续处理过程中，硅板的磨损导致去除率下降和抛光精度降低。为了解决这一问题，提出了一种创新的激光修整技术来恢复硅表面，从而恢复了材料去除率和抛光精度。此外，实验还扩展到了2英寸多晶钻石（PCD）基材，结合电子背散射衍射（EBSD）和扫描白光干涉测量（SWLI）研究了PAP前后晶体取向和表面形态的关系。结果验证了PCD材料的各向同性材料去除和原子级光滑表面处理。这些发现有助于深入理解等离子辅助抛光机制，特别是界面处的化学相互作用，也为钻石材料的超精密加工技术发展提供了宝贵见解，并可能加速基于钻石的半导体组件的实际应用（图1）。

实验装置

PAP实验装置

图2(a)为PAP设备的示意图。抛光在真空室内进行，室内充满了氩气和氧气的混合气体。氧气与氩气的比例通过质量流量控制器进行调整。在大面积电容耦合等离子体发生器中，两个平行电极之间产生了等离子体：上电极通过匹配箱连接到高频（13.56?MHz）电源，下电极接地。抛光板固定在

抛光过程中的等离子体辐照效应

图3(a)-(d)显示了在不同实验条件下SCD表面的SWLI图像（84?× 84 μm²）。在没有等离子体辐照的情况下，SCD表面呈现出特定的形态，特征是沿着0°和90°方向排列的众多痕迹，对应于钻石表面的[100]方向，表面粗糙度Sa为0.5–0.7?nm。而在等离子体辐照的情况下，这些[100]方向的痕迹

结论

对硅板和二氧化硅板在钻石基材PAP中的性能进行了全面比较。这项系统研究包括对表面形态、MRR和钻石各向异性特性的分析，以了解抛光行为和性能。基于这些发现，使用硅板对2英寸PCD基材进行了PAP处理。主要结论如下：

1.

抛光板材料的影响

作者贡献声明

Sota Sugihara：方法论。Jiayuan Dong：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，概念构思。Kafumi Fujiwara：验证。Kazuya Yamamura：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供。Yuji Ohkubo：撰写 – 审稿与编辑。Rongyan Sun：撰写 – 审稿与编辑，资源提供。Tadatomo Suga：资源提供，项目管理。Junsha Wang：资源提供，调查工作。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们衷心感谢Morikawa Yoshitada教授和Inagaki Kouji教授在设置和解释本研究中进行的密度泛函理论（DFT）计算方面提供的宝贵指导和支持。计算工作是在东京大学固态物理研究所的超级计算机系统（项目编号[2025-Bb-0031]上完成的。本研究部分得到了JSPS KAKENHI资助（项目编号JP 21H05005），以及JKA及其AUTORACE推广基金的支持。