همانطور که دستگاه های نیمه هادی به سمت توان بالاتر، چگالی بالاتر و کوچک سازی تکامل می یابند، مواد زیرلایه مانند سیلیکون، کاربید سیلیکون و نیترید گالیم به محدودیت های عملکرد خود نزدیک می شوند. الماس با سختی بسیار بالا،-رسانایی حرارتی فوق العاده بالا، فاصله باند فوق-عریض، میدان الکتریکی با شکست زیاد، و شفافیت طیفی وسیع از فرابنفش عمیق تا مادون قرمز دور، به عنوان "مواد نیمه هادی نهایی" در نظر گرفته می شود. با این حال، در طول پردازش، این خواص عالی برعکس به موانع اصلی دستیابی به ماشینکاری دقیق سطوح الماس تبدیل می شوند. روشهای صیقلکاری سنتی برای متعادل کردن میزان حذف مواد با کیفیت سطح بالا تلاش میکنند، و این را به چالشی کلیدی در فناوری تبدیل میکند که کاربرد گسترده الماس را در دستگاههای{5} با کارایی بالا محدود میکند. بنابراین، با شروع از محدودیتهای تکنیکهای مرسوم پرداخت الماس، این مقاله چندین فنآوری جدید پرداخت و آخرین پیشرفتهای آنها را برای تکمیل سطح الماس در مقیاس اتمی-به اشتراک میگذارد.
فن آوری های مرسوم پرداخت و محدودیت های آنها
تکنیک های سنتی پرداخت الماس عمدتاً شامل پرداخت مکانیکی، پرداخت ترموشیمیایی و پرداخت لیزری است. اگرچه این فناوریها نقش مهمی در تاریخ پردازش الماس ایفا کردهاند، اما همه آنها محدودیتهای واضحی را هنگام دنبال کردن سطح{1} در مقیاس اتمی از خود نشان میدهند.
(1) پرداخت مکانیکی: پرداخت مکانیکی اولین روشی است که برای پردازش الماس استفاده می شود. اصل آن شامل استفاده از ساینده های الماس یا ساینده های{2}} با سختی بالا (مانند کاربید سیلیکون، آلومینا و غیره) بر روی یک پد پولیش برای ساییدن مکانیکی سطح الماس است. به دلیل سختی بسیار بالای الماس، معمولاً برای دستیابی به حذف مواد، بارهای پولیش قابل توجهی مورد نیاز است. با این حال، چنین بارهای بالایی باعث ایجاد خراش، گودال و سایر آسیب های سطحی و زیرسطحی در طول پردازش می شوند.
(2) پرداخت ترموشیمیایی: بر اساس مکانیسم انتشار سطحی در دمای بالا، در دماهای بالا 600 تا 1800 درجه، اتمهای کربن روی سطح الماس میتوانند در پدهای پرداخت فلزات واسطه (مانند آهن، نیکل) پخش و حل شوند و مشکل پردازش را کاهش دهند. با این حال، به دلیل گرمایش ناهموار بستر فلزی، فرآیند پولیش اغلب از مشکلات یکنواختی رنج می برد و سطح صیقلی را ناهموار می کند.
(3) پولیش لیزری: این تکنیک از یک پرتو لیزر با انرژی بالا برای تابش مستقیم سطح الماس استفاده می کند و باعث ایجاد گرافیتی شدن لیزری (تبدیل فاز الماس به فاز گرافیت) و به دنبال آن حذف مکانیکی لایه گرافیتی شده می شود. این روش در مرحله زبر کردن بسیار کارآمد است، اما ناحیه تحت تأثیر-گرمای القا شده{4}} لیزر نسبتاً عمیق است، به راحتی لایههای آسیب حرارتی را بر روی سطح باقی میگذارد و دستیابی به صفحهنمایش مقیاس اتمی-جهانی را دشوار میکند.
هسته اتمی{0}}فناوری پولیش مقیاس برای الماس
برای جلوگیری از-سایش شدید مکانیکی تماسی و به حداقل رساندن آسیب شبکه، محققان به فناوریهای جدید پولیش اتمی-در مقیاس{2} متمرکز بر همافزایی چند میدانی، مانند پرداخت مکانیکی شیمیایی (CMP)، پولیش با کمک پلاسما{{4} (PAP) پرداختهاند.
01 پرداخت مکانیکی شیمیایی (CMP)
CMP امیدوارکنندهترین فناوری صنعتی برای صفحهبندی{0}}در مقیاس اتمی است. مکانیسم اصلی آن شامل هم افزایی اصلاح اکسیداتیو شیمیایی و ساییدگی مکانیکی خفیف است: اکسیدان ها در دوغاب صیقل دهنده، پیوندهای sp³ روی سطح الماس را به یک لایه اکسیدی شل و به راحتی قابل جدا شدن تبدیل می کنند، که سپس به آرامی توسط نانو-ساینده ها تحت فشار{4}لایه{4}}، توسط لایه ای کم، خراشیده می شود. حذف مقیاس اتمی-و سرکوب اساسی آسیب. با این حال، CMP معمولی همچنان با چالشهایی با پرداخت الماس مواجه است، مانند فعالیت اکسیداسیون کم، سرعت واکنش آهسته، و راندمان پرداخت ناکافی، با نرخ حذف مواد معمولاً کمتر از 1 میکرومتر در ساعت. در حال حاضر، صنعت در حال بهبود این امر از طریق دو جهت اصلی است: کمک میدانی خارجی و بهینه سازی سیستم اکسیدان در دوغاب پرداخت، که به طور قابل توجهی راندمان پرداخت و کیفیت سطح را افزایش می دهد.
(1) انتخاب و بهینهسازی اکسیدان: اکسیدانها در واکنش شیمیایی در CMP الماس نقش مرکزی دارند و مستقیماً میزان اکسیداسیون، کیفیت اصلاح سطح و زبری نهایی را تعیین میکنند. بر اساس نیاز به اکسیداسیون سطح الماس بی اثر، سیستم های بهینه سازی اصلی عبارتند از:
اکسیدانهای نمک با ظرفیت بالا: فرات پتاسیم (K2FeO4)، پریودات پتاسیم (KIO4)، پرمنگنات پتاسیم (KMnO4) و غیره. اینها پتانسیل اکسیداسیون بالا و قابلیت اکسیداسیون قوی دارند و اصلاح سطح را تسریع میکنند. به عنوان مثال، یوان و همکاران. از طریق آزمایشهای مقایسهای نشان داد که در میان چنین اکسیدانهایی، سیستم K2FeO4 بهترین عملکرد پولیش را ارائه میدهد، به طور موثر از پرداخت خشن به پرداخت خوب و کوتاه شدن زمان پردازش کلی میپردازد.
سیستم های پراکسید هیدروژن (H2O2): در طول دهه گذشته، H2O2 و مخلوط های آن به یک انتخاب اصلی برای پرداخت شیمیایی الماس تبدیل شده اند. به عنوان یک اکسیدان قوی در دمای اتاق، H2O2 میتواند مستقیماً با سطح الماس واکنش نشان دهد تا یک لایه اکسید هیدروکسیله بدون واکنشهای جانبی در دمای بالا تولید کند و به عنوان یک اکسیدان پایه برای پرداخت مقیاس اتمی عمل کند. با این حال، راندمان اکسیداسیون H2O2 به تنهایی توسط نرخ تولید رادیکالهای آزاد محدود میشود. بنابراین، اغلب با کاتالیز Fe2+ ترکیب میشود تا یک واکنش فنتون ایجاد شود، و رادیکالهای OH بسیار واکنشپذیر تولید میکند، که به طور مضاعف نرخ اکسیداسیون سطح الماس را افزایش میدهد و هم به نرخ حذف بالا و هم کیفیت سطح اتمی-، مناسب برای الماس فرآیند نیمهرسانا پایان بالا، میرسد.
(2) کمک میدان خارجی: معرفی میدانهای{1} انرژی بالا میتواند سطح الماس را در محل فعال کند و به حذف کارآمدتری دست یابد. در حال حاضر، روشهای اصلی، روشهای القای لیزر و فوتوکاتالیز- هستند.
القای لیزر{0}}: در حالی که پولیش لیزری خالص باعث حذف سریع مواد میشود، اما باعث آسیب حرارتی و بینظمی سطح میشود. با این حال، اگر به عنوان یک مرحله پولیش خشن برای القای گرافیت و صاف کردن سریع سطح، و به دنبال آن پرداخت خوب با CMP استفاده شود، زبری را می توان تا مقیاس نانومتری یا حتی اتمی کاهش داد، در حالی که میزان حذف مواد را تا حد زیادی بهبود می بخشد و مشکل راندمان پایین CMP سنتی را کاهش می دهد.
کمک به فوتوکاتالیست-: فوتوکاتالیستها (به عنوان مثال، TiO2، ZnO و غیره) به دوغاب پرداخت اضافه میشوند و طول موج خاصی از نور فرابنفش (معمولاً)<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 پلاسما- پولیش کمکی (PAP)
پولیش با کمک پلاسما یک روش پولیش اتمی{1} شیمیایی خشک، بدون تماس و بدون تماس است. یک گاز فعال مانند O2 وارد و یونیزه می شود تا گونه های واکنش پذیر با انرژی بالا تولید شود. این گونهها با اتمهای کربن روی سطح الماس واکنش نشان میدهند و اکسیدهای کربن فراری تولید میکنند که از سطح جذب میشوند و به حک کردن مقیاس اتمی{5} صرفاً شیمیایی میرسند. پس از آن، یک عمل مکانیکی جزئی از یک پد پولیش، حذف کارآمد را امکان پذیر می کند. مزایای این روش شامل پردازش بدون تنش، بدون ساینده-، یکپارچگی شبکه بالا، کنترل دقیق عمق اچ، و کاهش ناهمسانگردی کریستالوگرافی است که آن را در حال حاضر امیدوارکننده ترین فناوری برای متعادل کردن کارایی و کیفیت می کند. با این حال، هزینه تجهیزات بالا است و دستیابی به حکاکی یکنواخت منطقه بزرگ چالش برانگیز است.
03 پرداخت پرتو یونی (IBS)
پولیش پرتو یونی یک روش پولیش بدون تماس-پاشیدن فیزیکی با انرژی بالا-است. معمولاً در یک محیط خلاء، یک منبع یونی یونهای{4} پر انرژی (مثلاً Ar+) تولید میکند که سطح الماس را با زاویه خاصی بمباران میکند. از طریق انتقال تکانه، اتمهای سطحی انرژی کافی برای غلبه بر انرژی اتصال سطحی به دست میآورند و بهعنوان اتمهای پراکنده به بیرون پرتاب میشوند و به حذف اتمی- مواد و در نتیجه صیقل میرسند.
از آنجایی که از فشار تماس، اصطکاک و آسیبهای زیرسطحی، خراش یا تغییر شکل مرتبط جلوگیری میکند، این فناوری قبلاً به کاهش زبری الماس CVD از 334 نانومتر به 0.5 نانومتر با استفاده از پرتوهای یون خوشهای گاز (GCIB) تولید شده از گازهایی مانند آرگون یا سولفور فلوراید با پتانسیل رسیدن به سطح اتمی دست یافته است. با این حال، نیاز به خلاء بالا، منابع یونی پیچیده و سیستمهای کنترل، خرید و نگهداری تجهیزات را گران میکند و کاربرد گسترده آن را در زمینههای صنعتی عمومی محدود میکند.