Фото: nature.com
(nature.com) - Плазменная полировка (Plasma-assisted polishing, PAP) как бездефектный и высокоэффективный метод полировки широко применяется для труднообрабатываемых широкозонных полупроводниковых материалов, таких как 4H-SiC (0001) и GaN (0001)). В данном исследовании квадратная подложка из мозаичного монокристаллического алмаза (single crystal diamond, SCD) размером 20 мм, синтезированная методом микроволнового плазмохимического газофазного осаждения (chemical vapor deposition, CVD), была отполирована с помощью метода PAP. Плазма на основе аргона, содержащая кислород, была использована при PAP для модификации поверхности полировальной пластины из кварцевого стекла, и была получена высокая скорость съема материала (material removal rate, MRR) 13,3 μм/ч. Плоскостность подложки SCD, отполированной по методу PAP, измеренная с помощью интерферометра, составляла 0,5 μм. Шероховатость поверхности, измеренная с помощью сканирующего интерферометра белого света (scanning white light interferometer, SWLI) (84 μм) и атомно-силового микроскопа (atomic force microscope, AFM) (5 μм), составляла менее 0,5 нм. Результаты измерений с помощью микроспектроскопии рамановского рассеяния для мозаичной подложки SCD, обработанной по методу PAP, показали, что остаточные напряжения и неалмазные компоненты на поверхности после обработки по методу PAP были ниже предела обнаружения.
Монокристаллический алмаз (SCD) обладает многими превосходными электронными, химическими и механическими свойствами, такими как большая запрещенная зона, высокая подвижность электронов, высокое поле электрического пробоя, низкий коэффициент теплового расширения и, как известно, самая высокая теплопроводность. Поэтому он широко признан самым идеальным материалом для изготовления электронных и оптических устройств, которые могут выдерживать экстремальные условия, такие как высокая входная мощность и частота, низкие или высокие температуры и коррозионные среды. Значительным достижением в области материаловедения стала возможность экономически целесообразно синтезировать высококачественную и крупную подложку SCD с помощью микроволнового плазмохимического газофазного осаждения (CVD). В настоящее время Национальный институт передовых технических наук и технологий (Advanced Industrial Science and Technology, AIST) в Японии успешно изготовил мозаичные пластины SCD размером в дюйм, используя метод клонирования. Чтобы в полной мере использовать превосходные свойства подложки SCD в вышеупомянутой области применения, необходима атомарно-гладкая поверхность без царапин, внутренних повреждений и неалмазных компонентов. Однако полировать алмаз очень сложно, потому что это самый твердый из всех материалов, а также он является химически инертным. В настоящее время для полировки алмазов используется алмазный круг с металлической связкой или пластины с чугунной поверхностью с покрытием из алмазного порошка. Полировка твердыми абразивными зернами, такими как алмаз, образует слой серьезных повреждений на поверхности или в подповерхностной области полированной алмазной подложки.
Для высокоэффективной и бездефектной полировки алмазных подложек были предложены различные методы полировки, сочетающие механические, химические и термические воздействия. Была предложена полировка с использованием ультрафиолетового (УФ) облучения, которую применяли для CVD-алмаза размером 3 мм × 3 мм × 1 мм. Скорость съема материала (MRR) подложки SCD (100) повышалась за счет эффекта фотовозбуждения УФ-облучением. В результате была достигнута MRR 0,5 μм/ч, что в 1,7 раза выше, чем без УФ-облучения. Кубота и др. (Kubota et al.) продемонстрировали технику полировки с использованием химической реакции с раствором H2O2. Алмазные подложки, использованные в качестве образцов, были изготовлены методом высокого давления и высокой температуры (high-pressure high-temperature, HPHT) и были размером 3 мм × 3 мм × 1,5 мм. Гидроксильные радикалы, образующиеся при разложении H2O2, считались фактором, повышающим MRR подложки SCD. Была получена MRR 216,7 нм/ч, что в 3 раза выше, чем без подачи раствора H2O2. Была предложена динамическая полировка трением (Dynamic friction polishing, DFP) с использованием металлического диска для полировки образца поликристаллического алмаза (polycrystalline diamond, PCD) диаметром 12,7 мм × 4 мм. В этом методе предполагается, что неалмазный компонент, который видоизменяется в результате реакции между поверхностью алмаза и каталитическим металлом при высокой температуре, вызванной трением, удаляется механическим или химическим способом. Большое количество неалмазных компонентов обнаруживается с помощью рамановской спектроскопии на поверхности алмаза, отполированного с помощью метода DFP. Кроме того, высокое давление при полировке и высокая скорость скольжения приводят к растрескиванию алмазной подложки.
Плазменная полировка (PAP) была предложена нашей исследовательской группой как новый метод для эффективной полировки алмаза без нанесения каких-либо повреждений. Когда подложка SCD (100) площадью 93 мм2 была отполирована по методу PAP с использованием аргоновой плазмы, содержащей водяной пар и полировальную пластину из кварцевого стекла, была получена скорость полировки 2,1 μм/ч. Когда подложка SCD была отполирована по методу PAP с использованием сапфировой полировальной пластины, была получена шероховатость поверхности в 0,13 нм. Кроме того, микроспектроскопия рамановского рассеяния показала, что кристалличность поверхности SCD до и после PAP не изменилась; таким образом, полировка алмаза с помощью метода PAP оказалась бездефектной.
