Apabila peranti semikonduktor berkembang ke arah kuasa yang lebih tinggi, ketumpatan yang lebih tinggi, dan pengecilan, bahan substrat seperti silikon, silikon karbida dan galium nitrida menghampiri had prestasinya. Berlian, dengan kekerasannya yang sangat tinggi, kekonduksian terma ultra-tinggi, celah jalur ultra-lebar, medan elektrik pecahan tinggi dan ketelusan spektrum luas daripada ultraungu dalam kepada inframerah jauh, dianggap sebagai "bahan semikonduktor muktamad." Walau bagaimanapun, semasa pemprosesan, sifat cemerlang ini sebaliknya menjadi halangan teras untuk mencapai pemesinan ketepatan permukaan berlian. Kaedah pengilat tradisional bergelut untuk mengimbangi kadar penyingkiran bahan yang tinggi dengan kualiti permukaan yang tinggi, menjadikan ini cabaran teknologi utama yang menyekat penggunaan berlian secara meluas dalam-peranti berprestasi tinggi. Oleh itu, bermula daripada pengehadan teknik penggilap berlian konvensional, artikel ini akan berkongsi beberapa teknologi penggilap novel dan kemajuan terkini mereka untuk kemasan permukaan berlian berskala -atom.
Teknologi Penggilapan Konvensional dan Hadnya
Teknik mengilat berlian tradisional terutamanya termasuk penggilap mekanikal, penggilap termokimia dan penggilap laser. Walaupun teknologi ini telah memainkan peranan penting dalam sejarah pemprosesan berlian, semuanya mempamerkan had yang jelas apabila mengikuti{1}}perancangan permukaan skala atom.
(1) Penggilapan Mekanikal: Penggilapan mekanikal ialah kaedah terawal yang digunakan untuk pemprosesan berlian. Prinsipnya melibatkan penggunaan pelelas berlian atau pelelas-kekerasan tinggi (seperti silikon karbida, alumina, dll.) pada pad penggilap untuk melelas permukaan berlian secara mekanikal. Oleh kerana kekerasan berlian yang sangat tinggi, beban penggilap yang ketara biasanya diperlukan untuk mencapai penyingkiran bahan; walau bagaimanapun, beban tinggi sedemikian cenderung untuk menghasilkan calar, lubang dan kerosakan permukaan dan bawah permukaan lain semasa pemprosesan.
(2) Penggilapan Termokimia: Berdasarkan mekanisme resapan antara muka-suhu tinggi, pada suhu tinggi 600–1800 darjah , atom karbon pada permukaan berlian boleh meresap dan larut ke dalam pad penggilap logam peralihan (cth, besi, nikel), mengurangkan kesukaran pemprosesan. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh pemanasan substrat logam yang tidak sekata, proses penggilapan sering mengalami masalah keseragaman, menyebabkan permukaan yang digilap tidak sekata.
(3) Penggilapan Laser: Teknik ini menggunakan pancaran laser{1}bertenaga tinggi untuk menyinari secara langsung permukaan berlian, mendorong grafisasi laser (penukaran fasa berlian kepada fasa grafit), diikuti dengan penyingkiran mekanikal lapisan bergrafit. Kaedah ini sangat cekap dalam peringkat kekasaran, tetapi zon terjejas-haba{3}}laser adalah agak dalam, dengan mudah meninggalkan lapisan kerosakan terma pada permukaan dan menyukarkan untuk mencapai perancangan skala atom-global.
Teknologi Penggilapan Skala Atom- Teras untuk Berlian
Untuk mengelakkan lelasan-sentuh mekanikal yang kuat dan meminimumkan kerosakan kekisi, penyelidik telah beralih kepada teknologi penggilapan skala-atom baharu yang berpusat pada sinergi medan berbilang-tenaga-, seperti penggilap mekanikal kimia (CMP), plasma-penggilap berbantu (PAP) dan pancaran ion penggilap (IBP).
01 Penggilapan Mekanikal Kimia (CMP)
CMP ialah teknologi yang paling menjanjikan dalam industri untuk-perancangan skala atom. Mekanisme terasnya melibatkan sinergi pengubahsuaian oksidatif kimia dan lelasan mekanikal ringan: oksidan dalam buburan penggilap menukar ikatan sp³ pada permukaan berlian menjadi lapisan oksida yang longgar dan mudah ditanggalkan, yang kemudiannya dikikis perlahan-lahan oleh nano-pelelas di bawah tegasan rendah, membolehkan lapisan-}} dan penskala semula{-}} asasnya menekan kerosakan. Walau bagaimanapun, CMP konvensional masih menghadapi cabaran dengan penggilap berlian, seperti aktiviti pengoksidaan yang rendah, kadar tindak balas yang perlahan dan kecekapan penggilapan yang tidak mencukupi, dengan kadar penyingkiran bahan biasanya di bawah 1 μm/jam. Pada masa ini, industri sedang menambah baik ini melalui dua arah utama: bantuan medan luaran dan pengoptimuman sistem oksidan dalam buburan penggilap, meningkatkan kecekapan penggilapan dan kualiti permukaan dengan ketara.
(1) Pemilihan dan Pengoptimuman Oksida: Oksida adalah pusat tindak balas kimia dalam CMP berlian, secara langsung menentukan kadar pengoksidaan, kualiti pengubahsuaian permukaan, dan kekasaran akhir. Berdasarkan keperluan untuk mengoksidakan permukaan berlian lengai, sistem yang dioptimumkan utama termasuk:
Pengoksidaan garam{0}}tinggi: Kalium ferrat (K₂FeO₄), kalium periodat (KIO₄), kalium permanganat (KMnO₄), dll. Ini mempunyai potensi pengoksidaan yang tinggi dan keupayaan pengoksidaan yang kuat, mempercepatkan pengubahsuaian permukaan lengai. Sebagai contoh, Yuan et al. menunjukkan melalui eksperimen perbandingan bahawa antara oksidan tersebut, sistem K₂FeO₄ menghasilkan prestasi penggilapan terbaik, dengan cekap beralih daripada penggilapan kasar kepada penggilapan halus dan memendekkan masa pemprosesan keseluruhan.
Sistem hidrogen peroksida (H₂O₂): Sepanjang dekad yang lalu, H₂O₂ dan campurannya telah menjadi pilihan utama untuk penggilap kimia berlian. Sebagai oksidan kuat pada suhu bilik, H₂O₂ boleh bertindak balas secara langsung dengan permukaan berlian untuk menghasilkan lapisan oksida terhidroksilasi tanpa-tindak balas sampingan suhu tinggi, berfungsi sebagai oksida asas untuk penggilapan skala atom. Walau bagaimanapun, kecekapan pengoksidaan H₂O₂ sahaja dihadkan oleh kadar penjanaan radikal bebas. Oleh itu, ia sering digabungkan dengan pemangkinan Fe²⁺ untuk mewujudkan tindak balas Fenton, menghasilkan radikal •OH yang sangat reaktif, yang meningkatkan kadar pengoksidaan permukaan berlian secara berganda, mencapai kedua-dua kadar penyingkiran tinggi dan kualiti permukaan berskala-atom, sesuai untuk pemprosesan substrat berlian semikonduktor{6}}tinggi.
(2) Bantuan Medan Luaran: Memperkenalkan medan tenaga-tinggi boleh mengaktifkan permukaan berlian in situ, mencapai penyingkiran yang lebih cekap. Pada masa ini, pendekatan utama ialah kaedah berbantukan-laser dan fotocatalysis-.
Laser-aruh: Walaupun penggilap laser tulen membolehkan penyingkiran bahan dengan cepat, ia cenderung menyebabkan kerosakan haba dan ketidakteraturan permukaan. Walau bagaimanapun, jika digunakan sebagai langkah penggilap kasar untuk mendorong grafitisasi dan meratakan permukaan dengan cepat, diikuti dengan penggilapan halus dengan CMP, kekasaran boleh dikurangkan kepada nanometer atau skala atom, sambil meningkatkan kadar penyingkiran bahan dan mengurangkan isu kecekapan rendah CMP tradisional.
Pemangkin foto-dibantu: Pemangkin foto (cth, TiO₂, ZnO, dsb.) ditambahkan pada buburan penggilap dan panjang gelombang cahaya ultraungu tertentu (biasanya<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 Plasma-Penggilapan Berbantu (PAP)
Plasma-menggilap berbantu ialah kaedah penggilap berskala atom kimia-yang kering, tanpa sentuhan. Gas yang berfungsi seperti O₂ diperkenalkan dan diionkan untuk menjana-spesies reaktif tenaga tinggi. Spesies ini bertindak balas dengan atom karbon pada permukaan berlian, menghasilkan karbon oksida yang meruap yang menyahserap dari permukaan, mencapai penyusunan skala atom{5}}kimia semata-mata. Selepas itu, tindakan mekanikal yang sedikit daripada pad pengilat membolehkan penyingkiran yang cekap. Kelebihan kaedah ini termasuk pemprosesan bebas-tegasan,-bebas kasar, integriti kekisi yang tinggi, kawalan kedalaman goresan yang tepat dan pengurangan anisotropi kristalografi, menjadikannya teknologi yang paling menjanjikan pada masa ini untuk mengimbangi kecekapan dan kualiti. Walau bagaimanapun, kos peralatan adalah tinggi dan mencapai{11}}penyelesaian seragam kawasan yang besar adalah mencabar.
03 Ion Beam Sputtering Polishing (IBS)
Penggilapan pancaran ion ialah kaedah penggilapan-berasaskan-bertenaga tinggi, bukan{2}}sentuhan. Biasanya dilakukan dalam persekitaran vakum, sumber ion menghasilkan-ion tenaga tinggi (cth, Ar⁺) yang mengebom permukaan berlian pada sudut tertentu. Melalui pemindahan momentum, atom permukaan memperoleh tenaga yang mencukupi untuk mengatasi tenaga pengikat permukaan dan dikeluarkan sebagai atom terpercik, mencapai-penyingkiran bahan berskala atom dan dengan itu menggilap.
Kerana ia mengelakkan tekanan sentuhan, geseran dan kerosakan bawah permukaan yang berkaitan, calar atau ubah bentuk, teknologi ini telah mencapai pengurangan kekasaran berlian CVD daripada 334 nm ke 0.5 nm menggunakan rasuk ion kelompok gas (GCIB) yang dihasilkan daripada gas seperti argon atau sulfur fluorida, dengan potensi masa depan untuk mencapai tahap atom. Walau bagaimanapun, keperluan untuk vakum tinggi, sumber ion kompleks, dan sistem kawalan menjadikan peralatan mahal untuk dibeli dan diselenggara, mengehadkan penggunaannya yang meluas dalam bidang perindustrian umum.