如何利用化学机械抛光技术（CMP）对金刚石进行抛光?

发布时间 | 2025-06-09 11:35 分类 | 粉体应用技术点击量 | 17

磨料石墨金刚石

导读：我们一起看看如何利用CMP技术对金刚石进行抛光吧！

金刚石作为自然界最硬的材料（莫氏硬度10），因其卓越的热导率、化学惰性和光学性能，在高端切削工具、光学窗口、半导体散热片及量子器件等领域具有不可替代的价值。然而，这种极端硬度也带来了加工难题——传统机械抛光技术效率低下。而值得注意的是，在特定化学环境中，金刚石的碳原子能够与气体（如氧气）、液体（如酸性溶液）或金属氧化物（如Fe₂O₃）发生反应，使其转化成气体或者其他物质，从而降低表层硬度。基于这一特性，可利用化学机械抛光技术（CMP），通过机械研磨与化学反应的协同作用突破了金刚石抛光瓶颈。本篇文章，我们一起看看如何利用CMP技术对金刚石进行抛光吧！

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通常，由于金刚石硬度极大，对于加工速率和加工质量都提出了极大的挑战，目前主要利用芬顿反应、光催化、激光诱导等辅助方式增强抛光效果。

粗抛：激光诱导石墨化

激光刻蚀作为一种非接触加工方式，是基于激光对材料的热效应而进行的，由于具有效率高的优势，成为了目前金刚石的主流加工方法。因此在CMP加工前，可利用高能量密度的激光束聚焦在金刚石表面，在此过程中，金刚石并不会直接升华或发生化学刻蚀，而是会经历向石墨相的转变过程，这种石墨化的行为直接降低了后续CMP加工的难度，不过由于该技术存在一定的热损伤风险，目前利用激光加工后的金刚石表面粗糙度一般为50nm左右，适用于在CMP加工前实现快速粗抛。

精抛：光助芬顿反应技术辅助CMP技术

光助芬顿反应技术是一种结合光化学与芬顿反应的高级氧化工艺，通过光能与化学催化协同作用可显著提高强氧化性的羟基自由基（•OH）浓度，从而增强金刚石的化学反应，达到提高抛光效率的目的，实现金刚石的高效率、高精度抛光。

1、什么是芬顿反应？

在金刚石化学机械抛光（CMP）中，早期主要使用KNO₃、NaNO₃、LiNO₃、KMnO₄、K₂FeO₄、KIO₄、K₂Cr₂O₇等氧化剂，其通过与金刚石表面碳原子反应生成氧化层（如CO/CO₂），再通过机械摩擦实现材料去除。然而，这类氧化剂需在高温下达到熔融状态（如KNO₃熔点334°C、NaNO₃熔点307°C），而高温又易引发抛光液挥发及工件热变形问题。因此近年来，H₂O₂溶液因其无需高温熔融且强氧化性的优势，逐渐成为CMP主流氧化剂。

H₂O₂溶液可在常温中通过与金刚石表面碳原子发生羟基化反应（形成C-O和C-OH键），弱化碳碳双键结合力，然后碳原子由于磨料的机械作用而被带走，实现对金刚石的抛光。由于整个反应在常温下进行，不会对工件造成热破坏，可得到原子级光滑的表面。

但值得注意的是，单纯的H₂O₂氧化效率仍受限于自由基生成速率，因此研究者又提出基于芬顿(Fenton)反应来提高金刚石的化学机械抛光效率：即通过将铁浸入H2O2溶液中，生成亚铁离子(Fe2+)，Fe2+与 H2O2 反应生成具有强氧化性的羟基自由基（·OH），这些羟基自由基具有极高的氧化还原电位，可以显著加速金刚石表面碳原子的氧化剥离，在短时间内获得了光滑、平整、低损伤的表面。不过，随着反应的进行，Fe²⁺和过氧化氢的浓度会逐渐降低，在中性和碱性条件下，Fe³⁺可能并未全部转化成Fe²⁺，导致部分Fe³⁺会和OH^-发生反应，从而抑制自由基的产生，故抛光过程中化学作用会逐渐减弱，材料去除率逐渐降低。

芬顿反应过程如下: Fe²⁺+H₂O₂→·OH +OH^-+Fe³⁺

2、光催化辅助化学机械抛光

紫外光催化反应是一种强氧化反应，它利用紫外光照射光催化剂和电子捕捉剂发生光催化反应，使得光催化剂（如 TiO₂、ZnO、CeO₂等）表面价带电子被激发，达到一定能级跃迁产生自由电子(e^-)，同时导带上产生空穴(h⁺)。空穴可以将吸附在光催化剂颗粒表面的电子捕捉剂氧化生成强氧化性的羟基自由基（•OH）。基于这个原理，在利用CMP技术抛光金刚石过程中施加紫外光来激发抛光液中的光催化剂，产生光催化反应，以此来加速金刚石表面的氧化反应，提高 CMP 的材料去除率和表面质量。