Pusvadītāju ierīcēm attīstoties uz lielāku jaudu, lielāku blīvumu un miniaturizāciju, substrāta materiāli, piemēram, silīcijs, silīcija karbīds un gallija nitrīds, tuvojas to veiktspējas robežām. Dimants ar tā ārkārtīgi augsto cietību, īpaši -augsto siltumvadītspēju, īpaši plato -joslas atstarpi, lielu elektrisko lauku un plašu spektrālo caurspīdīgumu no dziļa ultravioletā līdz tālajam infrasarkanajam starojumam tiek uzskatīts par "galīgo pusvadītāju materiālu". Tomēr apstrādes laikā šīs lieliskās īpašības kļūst par galvenajiem šķēršļiem dimanta virsmu precīzai apstrādei. Tradicionālās pulēšanas metodes cenšas līdzsvarot augstu materiāla noņemšanas ātrumu ar augstu virsmas kvalitāti, padarot to par galveno tehnoloģisko izaicinājumu, kas ierobežo dimanta plašo pielietojumu augstas veiktspējas ierīcēs. Tāpēc, sākot ar tradicionālo dimanta pulēšanas paņēmienu ierobežojumiem, šajā rakstā tiks aplūkotas vairākas jaunas pulēšanas tehnoloģijas un to jaunākie sasniegumi dimanta virsmas apstrādē ar atomu{7}.
Parastās pulēšanas tehnoloģijas un to ierobežojumi
Tradicionālās dimanta pulēšanas metodes galvenokārt ietver mehānisko pulēšanu, termoķīmisko pulēšanu un lāzera pulēšanu. Lai gan šīm tehnoloģijām ir bijusi nozīmīga loma dimantu apstrādes vēsturē, tām visām ir skaidri ierobežojumi, veicot atomu{1}}mēroga virsmas planarizāciju.
(1) Mehāniskā pulēšana: mehāniskā pulēšana ir agrākā metode, ko izmanto dimantu apstrādei. Tās princips ir izmantot dimanta abrazīvus vai augstas -cietības abrazīvus (piemēram, silīcija karbīdu, alumīnija oksīdu utt.) uz pulēšanas paliktņa, lai mehāniski noberztu dimanta virsmu. Dimanta ārkārtīgi augstās cietības dēļ materiāla noņemšanai parasti ir nepieciešamas ievērojamas pulēšanas slodzes; tomēr šādas lielas slodzes apstrādes laikā mēdz radīt skrāpējumus, bedres un citus virsmas un pazemes bojājumus.
(2) Termoķīmiskā pulēšana: pamatojoties uz augstas -temperatūras saskarnes difūzijas mehānismu, paaugstinātā temperatūrā 600–1800 grādi, oglekļa atomi uz dimanta virsmas var izkliedēties un izšķīdināt pārejas metālu pulēšanas spilventiņos (piemēram, dzelzi, niķeli), samazinot apstrādes grūtības. Tomēr nevienmērīgas metāla pamatnes karsēšanas dēļ pulēšanas procesā bieži rodas viendabīguma problēmas, atstājot pulēto virsmu nelīdzenu.
(3) Lāzera pulēšana: šajā paņēmienā tiek izmantots augstas enerģijas lāzera stars, lai tieši apstarotu dimanta virsmu, izraisot lāzera grafitizāciju (dimanta fāzes pārvēršanu grafīta fāzē), kam seko grafitizētā slāņa mehāniska noņemšana. Šī metode ir ļoti efektīva rupjā apstrādes stadijā, taču lāzera -inducētā siltuma-ietekmētā zona ir salīdzinoši dziļa, viegli atstājot uz virsmas termisku bojājumu slāņus un apgrūtinot globālās atomu-mēroga planarizāciju.
Galvenās Atomic{0}}mēroga pulēšanas tehnoloģijas dimantam
Lai izvairītos no spēcīgas-kontakta mehāniskās nobrāzuma un samazinātu režģa bojājumus, pētnieki ir pievērsušies jaunām atomu-mēroga pulēšanas tehnoloģijām, kuru centrā ir vairāku-enerģijas-lauku sinerģija, piemēram, ķīmiskā mehāniskā pulēšana (CMP), plazmas-pulēšana (PAP) un jonu staru izsmidzināšana (IBP).
01 Ķīmiskā mehāniskā pulēšana (CMP)
CMP ir rūpnieciski daudzsološākā atomu{0}}mēroga planarizācijas tehnoloģija. Tās galvenais mehānisms ietver ķīmiskās oksidatīvās modifikācijas un vieglas mehāniskās noberšanās sinerģiju: oksidanti pulēšanas suspensijā pārvērš sp³ saites uz dimanta virsmas brīvā, viegli noņemamā oksīda slānī, ko pēc tam ar nano-abrazīvām vielām viegli nokasa zemā līmenī, radot zemu atomu spriegumu. likvidēt un fundamentāli nomākt bojājumus. Tomēr parastais CMP joprojām saskaras ar problēmām ar dimanta pulēšanu, piemēram, zemu oksidācijas aktivitāti, lēnu reakcijas ātrumu un nepietiekamu pulēšanas efektivitāti, un materiāla noņemšanas ātrums parasti ir mazāks par 1 μm / stundā. Pašlaik nozare to uzlabo, izmantojot divus galvenos virzienus: ārējo palīdzību un oksidētāju sistēmas optimizāciju pulēšanas suspensijā, ievērojami uzlabojot pulēšanas efektivitāti un virsmas kvalitāti.
(1) Oksidētāja izvēle un optimizācija: Oksidētāji ir dimanta CMP ķīmiskās reakcijas centrālais elements, kas tieši nosaka oksidācijas ātrumu, virsmas modifikācijas kvalitāti un galīgo raupjumu. Pamatojoties uz nepieciešamību oksidēt inerto dimanta virsmu, galvenās optimizētās sistēmas ietver:
Augstas -valences sāls oksidētāji: kālija ferāts (K2FeO₄), kālija perjodāts (KIO₄), kālija permanganāts (KMnO₄) utt. Tiem ir augsts oksidācijas potenciāls un spēcīgas oksidācijas spējas, kas paātrina inertās virsmas modifikāciju. Piemēram, Yuan et al. ar salīdzinošiem eksperimentiem parādīja, ka starp šādiem oksidētājiem K₂FeO₄ sistēma nodrošināja vislabāko pulēšanas veiktspēju, efektīvi pārejot no rupjas pulēšanas uz smalku pulēšanu un saīsinot kopējo apstrādes laiku.
Ūdeņraža peroksīda (H₂O₂) sistēmas: pēdējo desmit gadu laikā H₂O₂ un tā maisījumi ir kļuvuši par primāro izvēli dimanta ķīmiskajai pulēšanai. Būdams spēcīgs oksidants istabas temperatūrā, H₂O₂ var tieši reaģēt ar dimanta virsmu, veidojot hidroksilēta oksīda slāni bez augstas temperatūras blakusreakcijām, kas kalpo kā pamata oksidētājs atomu - mēroga pulēšanai. Tomēr tikai H2O₂ oksidācijas efektivitāti ierobežo brīvo radikāļu veidošanās ātrums. Tāpēc to bieži apvieno ar Fe²⁺ katalīzi, lai izveidotu Fentona reakciju, radot ļoti reaģējošus •OH radikāļus, kas daudzkārt pastiprina dimanta virsmas oksidācijas ātrumu, panākot gan augstu noņemšanas ātrumu, gan atomu -mēroga virsmas kvalitāti, kas ir piemērota augstas kvalitātes-pusvadītāju dimanta substrāta apstrādei.
(2) Ārējā lauka palīdzība: augstas-enerģijas lauku ieviešana var aktivizēt dimanta virsmu in situ, panākot efektīvāku noņemšanu. Pašlaik galvenās pieejas ir lāzera -inducētās un fotokatalīzes- metodes.
Lāzera-izraisīts: lai gan tīra lāzera pulēšana ļauj ātri noņemt materiālu, tā mēdz izraisīt termiskus bojājumus un virsmas nelīdzenumus. Tomēr, ja to izmanto kā rupju pulēšanas soli, lai izraisītu grafitizāciju un ātri izlīdzinātu virsmu, kam seko smalka pulēšana ar CMP, raupjumu var samazināt līdz nanometru vai pat atomu skalai, vienlaikus ievērojami uzlabojot materiāla noņemšanas ātrumu un mazinot tradicionālās CMP zemās efektivitātes problēmu.
Ar fotokatalīzes{0}}palīdzību: pulēšanas suspensijai pievieno fotokatalizatorus (piem., TiO₂, ZnO u.c.) un noteiktu ultravioletās gaismas viļņa garumu (parasti<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 Plazmas-Palīdzēta pulēšana (PAP)
Pulēšana ar plazmas-palīdzību ir sausa, bezkontakta, ķīmiska atomu{1} mēroga pulēšana. Tiek ievadīta un jonizēta darba gāze, piemēram, O₂, lai radītu augstas -enerģijas reaktīvas vielas. Šīs sugas reaģē ar oglekļa atomiem uz dimanta virsmas, veidojot gaistošus oglekļa oksīdus, kas desorbējas no virsmas, panākot tīri ķīmisku atomu{5} mēroga kodināšanu. Pēc tam neliela mehāniska darbība no pulēšanas spilventiņa nodrošina efektīvu noņemšanu. Šīs metodes priekšrocības ietver bezsprieguma-apstrādi bez abrazīvām-, augstu režģa integritāti, precīzu kodināšanas dziļuma kontroli un kristalogrāfiskās anizotropijas mazināšanu, padarot to par šobrīd visdaudzsološāko tehnoloģiju efektivitātes un kvalitātes līdzsvarošanai. Tomēr aprīkojuma izmaksas ir augstas, un{11}}plašā teritorijā vienveidīgas kodināšanas iegūšana ir sarežģīta.
03 jonu staru izsmidzināšanas pulēšana (IBS)
Pulēšana ar jonu staru ir augstas -enerģijas fiziskā izsmidzināšana-, kuras pamatā ir bez-kontakta pulēšanas metode. Parasti to veic vakuuma vidē, jonu avots ģenerē augstas -enerģijas jonus (piemēram, Ar⁺), kas noteiktā leņķī bombardē dimanta virsmu. Impulsa pārneses rezultātā virsmas atomi iegūst pietiekami daudz enerģijas, lai pārvarētu virsmas saistīšanas enerģiju, un tiek izmesti kā izsmidzināti atomi, panākot atomu{8}kaļķa materiāla noņemšanu un tādējādi pulēšanu.
Tā kā šī tehnoloģija novērš saskares spiedienu, berzi un ar to saistītos apakšzemes bojājumus, skrāpējumus vai deformācijas, šī tehnoloģija jau ir panākusi CVD dimanta nelīdzenuma samazināšanu no 334 nm līdz 0,5 nm, izmantojot gāzu kopu jonu starus (GCIB), kas ģenerēti no tādām gāzēm kā argons vai sēra fluorīds, ar iespēju nākotnē sasniegt atomu līmeni. Tomēr prasība pēc augsta vakuuma, sarežģītiem jonu avotiem un vadības sistēmām padara iekārtu dārgu iegādi un uzturēšanu, ierobežojot tā plašo pielietojumu vispārējās rūpniecības jomās.