作 者

李卓、姜峰、姜正义、田子歌、邱天、张涛、温秋玲、卢希钊、陆静、黄辉

机 构

华侨大学

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. 6 012004.

免费获取全文

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

01文章导读

金刚石是一种极具工业应用价值的材料，广泛应用于超精密加工、半导体、光学和电子器件等工业领域。但由于金刚石的超高硬度和高化学惰性，难以实现其高效和超低损伤加工。为了解决这些挑战，研究者已经开发出了多种单晶金刚石（SCD）和多晶金刚石（PCD）的抛光方法，包括机械抛光、化学抛光、激光抛光和离子束抛光等。其中，传统的机械和化学抛光方法存在抛光精度和抛光效率较低、抛光界面的几何形状受限和易引起抛光表面损伤等不足，这限制了金刚石在半导体、光学等精密电子器件领域的应用。近些年新兴起的能量束抛光方法因其高效率、高精度以及低表面损伤在金刚石抛光领域得到了越来越广泛的应用。近期，华侨大学姜峰教授等人在SCI核心期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing，IJEM）上发表了题为《金刚石的能量束直接抛光和辅助抛光技术进展与挑战》的长篇综述，系统总结了SCD和PCD的能量束抛光技术，如激光抛光、离子束抛光、等离子体辅助抛光和激光辅助抛光等，分析了各抛光工艺的工艺特点、材料去除机理及其影响因素。图1展示了几种能量束抛光技术的抛光装置、材料去除机理和影响因素。

关键词

单晶金刚石；多晶金刚石；能量束抛光技术；材料去除机理；影响因素

亮  点

• 总结了金刚石抛光的技术难点和现有的抛光技术；

• 介绍了激光、离子束、等离子体辅助和激光辅助抛光金刚石的研究进展；

• 阐述了各种能量束抛光方法的材料去除机理及影响因素；

• 讨论了金刚石能量束抛光技术的未来发展方向。

图1 金刚石的能量束抛光技术。（插图）经许可使用，版权所有（2021）英国皇家化学学会。（插图）经许可使用，版权所有（2021）John Wiley & Sons. © 2021 Wiley-VCH GmbH。（插图）经许可使用，版权所有（2020）Springer Nature。（插图）经许可使用，版权所有（2013）Elsevier Ltd。（插图）经许可使用，版权所有（2022）Elsevier Ltd。（插图）经许可使用，版权所有（2021）Elsevier Ltd。（插图）经许可使用，版权所有（2018）Elsevier Ltd。（插图）经许可使用，版权所有（2014）Elsevier Ltd。

02研究背景

由于优异的物理和化学特性，金刚石被广泛应用于精密刀具、光学元件、散热元件和高功率电子器件中。此外，金刚石是目前性能最优异的半导体材料，被称为“终极”半导体。金刚石还具有优异的耐磨性和化学稳定性，被认为是超精密加工领域最理想的工具材料。随着超精密加工和半导体技术的快速发展，金刚石已成为现代工业中最有前途的材料之一。金刚石的工业应用通常都需要超光滑和无损伤的表面。然而，天然或人造金刚石的原始表面质量差，通常需要通过研磨抛光后才能满足使用要求。金刚石的高硬度、高耐磨性和高化学稳定性对其抛光过程造成很大的困难。尽管金刚石的抛光技术已经被广泛研究，但传统的抛光技术如机械抛光（MP），动态摩擦抛光（DFP）和化学机械抛光（CMP）会造成不同程度的表面损伤，如划痕、裂纹和亚表面损伤，这限制了金刚石在半导体和精密光学领域的应用。本文对SCD和PCD的加工特性和抛光方法进行了分类和综合分析，总结了适用于不同金刚石加工需求的表面抛光技术。特别分析了两种基于能量束的直接抛光技术（激光抛光（LP）和离子束抛光（IBP））和两种能量束辅助抛光技术（等离子体辅助抛光（PAP）和激光辅助抛光（LAP））在加工金刚石过程的材料去除机理及影响因素，讨论了上述四种抛光技术在金刚石抛光过程中的优缺点。

03最新进展

激光抛光（LP）是一种非接触抛光技术，不受样品表面形状的限制，可用于平面和曲面抛光。如图2所示，金刚石的激光抛光主要包括高能激光照射使金刚石表面石墨化和烧蚀去除石墨层两个过程。图2(c)显示了金刚石的激光烧蚀示意图，可以看出烧蚀阈值和石墨化阈值会影响烧蚀深度。LP比传统的MP和CMP去除效率更高，其材料去除率可以达到每秒几纳米。但LP的抛光精度有限，抛光后的表面粗糙度Ra只能达到8 nm。此外，热烧蚀的材料去除方法可能会对金刚石表面造成热裂纹和其他损伤。因此，LP技术主要用于CVD金刚石薄膜的抛光和使用传统抛光方法难以加工的金刚石工具的表面修整。

图2 激光抛光的原理和效果。(a)激光石墨化，(b)激光消融石墨化层，(c)高斯光束散焦结构的说明（Dde：激光散焦，Dab：消融深度），(d)前后表面的轮廓比较，(e)和(f) 抛光表面的原子力显微镜（AFM）形态。（插图）经许可使用，版权所有（2021）John Wiley & Sons. ©2021 Wiley-VCH GmbH。

离子束抛光（IBP）作为一种非接触式抛光技术，不受材料表面形貌的限制，适用于各种硬、脆性材料的抛光。如图3所示，IBP可用于快速消除金刚石表面的一些沟槽，抛光后的表面粗糙度可达RMS 0.19 nm。聚焦离子束抛光（FIBP）目前已广泛应用于金刚石薄膜的抛光，但由于离子束尺寸小，材料去除率较低，提高离子动能虽然可以提高抛光效率，但也会造成严重的表面损伤。近年来，一些研究人员提出，通过改变离子束的入射角和使用适当的化学试剂来减少IBP的损伤。然而，复杂的离子束发生器和昂贵的设备是制约IBP技术发展的主要技术瓶颈。

图3 IBP抛光金刚石效果。氩离子束抛光金刚石表面沟槽的SEM图：（a）抛光前，（b）抛光4 min后，（c）抛光20 min后。（a）~（c）（插图）经许可使用，版权所有（2019）Elsevier Ltd。HPHT金刚石离子束抛光前后的AFM图：（d）抛光前，（e）用ICP Ar/Cl2等离子体抛光10 min后，(f)表面粗糙度随抛光时间的变化。（d）~（f）（插图）经许可使用，版权所有（2008）Elsevier Ltd。（g）~（j）离子束刻蚀出的金刚石纳米柱扫描电镜图，锥形角：（g） 3.4°、（h） 7.5°、（i） 11.5°和（j） 21°。（g）~（j）（插图）经许可使用，版权所有（2018）John Wiley & Sons. © 2018 Wiley-VCH GmbH。

等离子体辅助抛光（PAP） 图4展示了PAP的抛光设备和抛光效果，可以发现PAP是一种高效、高精度、无损的金刚石抛光技术，目前已成功用于大尺寸金刚石衬底的高效无损抛光。PAP抛光金刚石得到的最小表面粗糙度可达Sq 0.32 nm，最大材料去除率高达13.3 μm·h^-1。与离子抛光一样，高昂的设备成本是限制等离子体辅助抛光发展的瓶颈。因此，PAP方法目前主要用于抛光表面质量要求较高的SCD表面，尚未用于抛光PCD表面。

图4 等离子体辅助抛光金刚石的设备及抛光效果。（a）真空PAP抛光装置，（b）SCD衬底的固定方法，（c）PAP后SCD衬底表面的扫描白光干涉（SWLI）图像。（a）~（c）（插图）经许可使用，版权所有（2022）Elsevier Ltd。（d）和（e）MP抛光后的SCD在<110>晶体方向上的横截面透射电镜（TEM）图像，（f）和（g）PAP抛光后的SCD在<110>晶体方向上的横截面透射电镜（TEM）图像。（d）~（g）（插图）经许可使用，版权所有（202）Elsevier Ltd。（h）PAP实验装置示意图，（i）PAP后镶嵌SCD（100）衬底上的一个局部区域的SWLI图像；（j）通过SWLI（84 μm2）获得的PAP后SCD（100）衬底上7个不同局部区域的Sq和Sz值的平均值和分布范围；（k）一组点的拉曼光谱；（l）（k）图中拉曼线的局部放大图。（h）~（l）（插图）经许可使用，版权所有（2018）Elsevier Ltd。

激光辅助抛光（LAP）的抛光装置、原理和影响因素与PAP类似，近些年已广泛应用于金刚石高精度抛光领域。与PAP相比，LAP已成功地应用于SCD、PCD和CVD金刚石薄膜的表面抛光，具有更广阔的应用前景。

04未来展望

• 目前，激光直接抛光金刚石得到的表面质量非常有限。因此，通过选择合理的激光类型或调整激光参数和加工参数，提高激光抛光金刚石的表面质量至关重要。

• 离子束直接抛光金刚石的材料去除率较低，离子束的机械冲击很容易破坏金刚石表面。因此，通过优化离子束的参数和入射角来改善材料去除率和减少表面损伤是目前工艺研究的主要方向。此外，利用放射性离子束、聚焦离子束、电感耦合等离子体或电感回旋共振离子源等离子束处理获得高质量的金刚石表面是离子束抛光领域的重要研究方向。

• 虽然等离子体辅助抛光和激光辅助抛光都具有极高的抛光精度，但它们的材料去除率却很有限。通过改变反应气体的类型，提高金刚石表面的氧化速率，可以有效地提高等离子体辅助抛光和激光辅助抛光的材料去除率。此外，通过调整抛光盘的转速和接触压力，可以提高表面精度和材料去除率。目前，设备成本高昂仍是制约等离子体辅助抛光和激光辅助抛光在金刚石抛光领域应用的重要因素。因此，通过改进设备结构来降低成本，具有重要的现实意义。

• 激光直接抛光具有较高的材料去除率，激光辅助抛光、离子束直接抛光和等离子体辅助抛光具有较高的抛光精度。将上述四种技术相结合，开发出更高效、更高质量的抛光技术，将是本领域的重点研究方向。

05作者简介

姜 峰

华侨大学

姜峰，华侨大学机械工程学科教授，博士生导师，先后在山东大学获得博士学位，在清华大学完成博士后研究。担任国家重点研发计划课题负责人，国家自然科学基金青年基金和国家自然科学基金面上项目负责人，福建省高校产学研重大项目负责人。担任中国机械工程学会极端制造分会理事，中国机械工程学会摩擦学分会理事，厦门金鹭特种合金有限公司技术顾问，厦门厦芝科技工具有限公司技术顾问。已获得山东省科技进步二等奖，福建省科学技术成果转化二等奖，入选福建省百千万工程人才。

研究重点围绕精密超精密加工技术、切削过程数值仿真技术、高性能刀具设计和超高速摩擦实验装备研发等领域展开。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》《机械工程学报》等期刊上累计发表100篇期刊论文，授权90项发明专利，编写1部专著。是机械领域国际Top1的《International Journal of Extreme Manufacturing》杂志青年编委，《工具技术》杂志青年编委。

关于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing (中文《极端制造》），简称IJEM，致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果。自2019年创刊至今，期刊陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录。2023年JCR最新影响因子14.7，位列工程/制造学科领域第一。中国科学院分区工程技术1区，TOP期刊。

⬆️ 期刊宗旨和栏目（点击阅读详情）

期刊网址：

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

期刊投稿：

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

作者福利

• 钻石开放获取，免收作者版面费

• 提供绿色通道快速评审原创突破性成果

• 接收后24h内在线

• 免费全球化宣传推广

• 免费高质量图片编辑与规范化文献校对

微信号｜IJEM-Editor

扫码加小编微信

邀您进极端制造群