随着半导体器件向高功率、高密度和小型化方向发展，硅、碳化硅和氮化镓等衬底材料已逐渐逼近性能极限，金刚石凭借极高硬度、超高热导率、超宽禁带、极高的击穿电场以及从深紫外到远红外的宽谱透明性，被视为“终极半导体材料”。然而，在加工过程中，这些优异性能却反过来构成了金刚石表面精密加工的核心障碍。使得传统抛光方法在高去除率与高表面质量之间难以兼得，成为制约金刚石在高性能器件中广泛应用的关键工艺难题。因此，本文将从金刚石的传统抛光技术局限出发，分享几种面向其原子级表面加工的新型抛光技术及其最新进展。

传统抛光技术及局限性

传统金刚石抛光技术主要包括机械抛光、热化学抛光和激光抛光等，这些技术在金刚石加工发展史上曾发挥重要作用，但在追求原子级表面平坦化时均暴露出明显局限。

（1）机械抛光：机械抛光是最早应用于金刚石加工的方法。其原理是利用金刚石磨粒或高硬度磨料（如碳化硅、氧化铝等）在抛光盘上对金刚石表面进行机械磨削去除。由于金刚石硬度极高，通常需要较大的抛光载荷才能形成材料去除，但大载荷又容易在加工过程中产生划痕、坑点等表面及亚表面损伤。

（2）热化学抛光：基于高温界面扩散机理，在600-1800°C 高温下，金刚石表面碳原子可向铁、镍等过渡金属抛光盘扩散溶解，降低加工难度。但因金属基板加热不均匀，抛光过程常存在均匀性问题，抛光后表面容易 “高低不平”。

热化学抛光原理（来源：参考文献1）

（3）激光抛光：利用高能激光束直接辐照金刚石表面，通过激光诱导石墨化（将金刚石相转化为石墨相）后再以机械方式清除石墨层。该方法在粗加工阶段效率突出，但激光束带来的热影响区较深，容易在表面留下热致损伤层，且难以实现原子级的全局平坦化。

综合来看，传统抛光技术均受制于一个核心矛盾：高效去除往往以牺牲表面质量为代价，而追求高质量表面又难以实现高效率加工。这一矛盾推动了研究者将目光转向以多能场协同为核心的原子级抛光新技术。

金刚石原子级抛光核心技术

为规避硬接触强磨削，弱化晶格损伤，开发者们将目光转向以多能场协同为核心的原子级抛光新技术，如化学机械抛光、等离子体辅助抛光（PAP）、离子束溅射抛光（IBP）等路线。

1、化学机械抛光（CMP）：

CMP是最具产业化潜力的原子级平坦化技术，核心机理为化学氧化改性与温和机械剥离协同，利用抛光液中的氧化剂将金刚石表面sp³键转化为疏松易去除的氧化层，再由纳米磨料低应力刮除，实现逐层原子级去除，从源头抑制损伤。不过传统 CMP在抛光金刚石上仍存在氧化活性低、反应速率慢、抛光效率不足的问题，其材料去除率通常低于 1μm / 小时。目前，行业主要从外场辅助、抛光液氧化剂体系优化两大方向进行改性，显著提升了其抛光效率和表面质量。

化学机械抛光原理（来源：参考文献2）

（1）氧化剂的选择与优化：氧化剂是金刚石 CMP 化学反应的核心，直接决定氧化速率、表面改性质量与最终粗糙度，基于金刚石惰性表面的氧化需求，主流优选与优化体系主要有：

·高价盐类氧化剂：高铁酸钾（K₂FeO₄）、高碘酸钾（KIO₄）、高锰酸钾（KMnO₄）等，氧化电位高、氧化能力强，可加速惰性表面改性。其中，Yuan等通过对比试验表明，在该类氧化剂中，K₂FeO₄体系抛光效果最优，可高效完成粗抛向精抛过渡，缩短整体加工时长。

·过氧化氢（H₂O₂）体系：。近十年以来，H，O，及其混合物组成的抛光液成为了金刚石化学抛光的主要选择。H₂O₂作为常温强氧化剂，可直接与金刚石表面反应生成羟基化氧化层，无高温副反应，是原子级抛光基础氧化剂，但单纯的H₂O₂氧化效率仍受限于自由基生成速率，因此其往往会结合 Fe²⁺催化构建芬顿反应，生成高活性・OH，成倍提升金刚石表面氧化速率，兼顾高去除率与原子级表面质量，适配高端半导体金刚石衬底加工。

芬顿反应原理

（2）外场辅助：通过引入高能能量场可在线活化金刚石表面，实现更高效的去除。目前主要有激光诱导和光催化辅助两种。

·激光诱导：纯激光抛光虽能快速去除材料，但易产生热损伤和表面不规则性，而如果将其作为粗抛工序，用于诱导石墨化转变，快速整平表面，再结合化学机械抛光的精抛作用，可将粗糙度降至纳米级甚至原子级，同时大幅提升材料去除速率，缓解传统 CMP 效率偏低问题。

·光催化辅助：在抛光液中加入光催化剂（如TiO₂、ZnO等），并在抛光过程施加特定波长（通常小于387.5nm）的紫外光照射，光催化剂的价带电子被激发跃迁到导带，同时在价带上产生带正电的空穴（h⁺）。并氧化吸附于光催化剂表面的水分子（H₂O）或氢氧根离子（OH⁻），进一步生成强氧化性的羟基自由基（·OH），从而与金刚石表面的碳原子发生反应，实现表面碳原子的高效去除。

光催化辅助抛光原理

2、等离子体辅助抛光（PAP）

等离子体辅助抛光为干法无接触化学原子级抛光，通入O₂等工作气体并电离产生高能活性粒子，粒子与金刚石表面碳原子反应，生成挥发性碳氧化物脱离表面，实现纯化学原子级刻蚀，之后在配合抛光盘的轻微机械作用，实现高效去除。

该方式的优势在于无应力、无磨料污染，晶格完整性高，可精准调控刻蚀深度，能改善晶面各向异性问题，是目前最有希望兼顾效率和质量的技术。但目前设备成本高，大面积均匀刻蚀难度大。

3、离子束溅射抛光（IBS）

离子束抛光为高能物理溅射型非接触抛光。通常是在真空环境中，利用离子源产生高能离子束（如Ar⁺）以一定角度轰击金刚石表面，通过动量传递使表面原子获得足够能量挣脱表面束缚，形成溅射原子，从而实现原子级的材料去除，达到抛光效果。

由于可避免因接触压力、摩擦等导致的亚表面损伤、划痕或形变，该技术已能利用氩气、氟化硫等气体产生的气体团簇离子束（GCIB）把 CVD 金刚石的粗糙度从 334 nm 降到 0.5 nm，未来更有望突破原子级。但目前来说，由于需要高真空环境、复杂的离子源和控制系统，该技术的设备购置和维护成本高昂，限制了其在一般工业领域的广泛应用。

小结

金刚石作为“终极半导体材料”，其原子级表面加工是突破高性能半导体器件发展瓶颈的关键，而传统抛光技术难以平衡高去除率与高表面质量的核心矛盾，严重制约了其产业化应用。如今，以化学机械抛光、等离子体辅助抛光、离子束溅射抛光为代表的新型原子级抛光技术，规避了传统技术的硬接触磨削缺陷，实现了表面质量与加工效率的协同提升，为金刚石的精密加工提供了可行路径。未来，希望随着多能场耦合机制的深入理解、抛光介质与工艺参数的精准调控，以及批量化设备的研发，金刚石原子级表面加工能够突破现有瓶颈，真正释放其作为“终极半导体材料”的潜力，推动高功率、高频、耐高温器件的跨越式发展。

参考文献：

1、安康,许光宇,吴海平,等. 金刚石化学机械抛光研究进展[J]. 人工晶体学报.

2、《突破加工难题！全面解析单晶金刚石原子级抛光技术》.未来产链

粉体圈Corange整理