CVD单晶金刚石凝胶抛光工具的制备及应用

作     者：肖平 

作者单位：华侨大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陆静

授予年度：2020年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：CVD单晶金刚石 凝胶抛光工具 高速抛光 氧化铈磨料 机械化学反应 

摘      要：CVD单晶金刚石是下一代功率器件最有希望的候选材料。但目前金刚石器件的大规模应用还面临着很多重大的挑战,特别是制备大尺寸、无位错、低电阻率的单晶金刚石衬底。其中精密抛光技术能够使金刚石获得纳米级粗糙度的表面和低的亚表面损伤,为金刚石的生长和外延创造有利条件,将会在制备大尺寸高质量金刚石衬底的过程中发挥重要作用。针对CVD单晶金刚石在半导体材料领域的抛光需求和金刚石的难抛光属性,本文设想制备出一种新型凝胶抛光工具,并使用混合磨料（金刚石磨料和氧化铈磨料）在高速下抛光CVD单晶金刚石,诱导磨料与金刚石发生机械化学反应,以期实现对CVD单晶金刚石的高效率、超精密和低损伤抛光。本文首先使用SG抛光工具探究在低速（抛光线速度1.5m/s）下凝胶工具对CVD单晶金刚石的抛光状况,为下一步研究工作打下基础。进一步研制出一种适用于高速抛光环境的新型凝胶工具。最后使用该新型凝胶工具在高速（抛光线速度15m/s）下抛光CVD单晶金刚石,并着重研究凝胶工具抛光金刚石的材料去除机理以及混合磨料抛光金刚石的机械化学反应。本文的研究成果如下:（1）研制出一种新型凝胶抛光工具,其由凝胶、基材、填充剂和磨料组成,并优选出高分子纤维垫和滑石粉分别作为新型凝胶抛光垫的基材和填充剂。（2）证明了凝胶抛光工具在高速下抛光CVD单晶金刚石的可行性。使用新型抛光工具在高速下抛光CVD单晶金刚石,2小时内将金刚石的表面粗糙度从100nm降低至5nm,相比于SG抛光工具大大缩短了抛光时间。（3）提出新型凝胶抛光工具在高速下抛光CVD单晶金刚石的材料去除机理。即金刚石磨粒高速滑擦金刚石表面,造成金刚石微破碎,并在金刚石表面留下纳米级深度的沟槽,同时机械应力诱导部分金刚石晶体非晶化。（4）提出在高速下混合磨料（金刚石磨料和氧化铈磨料）抛光CVD单晶金刚石的机械化学反应。即在高速抛光环境下大量金刚石表层碳原子被活化,氧化铈磨料与金刚石表面发生剧烈摩擦,促使其与金刚石表面的基团（羰基、羟基）发生化学反应,进而带走金刚石表层碳原子。