[发明专利]一种采用复合工艺进行金刚石薄膜平坦化的方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及微纳电子超精密加工工艺技术，特别是一种采用复合工艺进行金刚石薄膜平坦化的方法。

(二)背景技术

金刚石是一种极具发展潜力的新型功能材料，它具有高硬度(100Gpa)、高弹性模量(1.04×10¹²Pa)、高热导率(20W/(cm.K))、低摩擦系数(0.08-0.1)、低热膨胀系数(2.3×10^-6/℃)和优良的化学稳定性以及抗酸、抗碱、抗各种腐蚀性气体侵蚀的优异性能，从而使其在高频声表面波(SAW)器件、光学器件、热沉组件、微机电系统(MEMS)、工模具和耐磨器件、电化学电极、平板显示器、医学等领域得到了广泛的应用。

常规法制备的金刚石是多晶体，晶粒大且排列不规则，呈柱状或锥状生长，表面较粗糙，粗糙度通常为几个微米甚至达十几微米，厚度极不均匀，内聚强度低，容易破裂，沉积过程中金刚石颗粒的取向不一。同时由于它所具有的高硬度表面，使得无法找到更硬的材料对其进行加工，给表面处理带来很大困难，限制金刚石薄膜的推广应用。高频声表面波器件要求金刚石薄膜厚度在20-50μm范围内，基板表面要求低表面粗糙度和微米级面型精度；金刚石薄膜必须通过加工减薄并且降低表面粗糙度以避免引起光散射，才能应用于光学窗口，研究表明表面粗糙度提高一倍，光学透过率提高三倍以上；金刚石薄膜作为热沉组件和微机电系统器件使用时，达到微米级的面型精度和低粗糙度值这种要求，可以增大热传导接触面积和提高图案化加工质量。

虽然精确控制金刚石薄膜沉积生长条件或采用纳米金刚石薄膜工艺等可以获得高质量的表面，但沉积速率低、设备成本高、技术难度大是其工业化所面临的问题。所以国际上金刚石薄膜的研究热点已经由制备方面的工艺研究过渡到了加工工艺和应用方面的研究。由于金刚石膜硬度大，一些传统的平坦化方法的抛光效率和速率不能满足工业要求，研究金刚石膜新型的抛光方法是目前促进金刚石膜进一步工业应用的关键所在。因此金刚石薄膜的后续加工技术(包括研磨、抛光、平整等)占据了越来越重要的地位。

现有的平坦化技术如纯机械的金刚石微粉研磨、热化学抛光、化学机械抛光、电化学抛光、磨料水射流法、离子束抛光、等离子体抛光、激光抛光等均有存在不足，前面几种为接触性抛光技术，简单易行，但缺点是效率低，而且容易导致抛光污染。具体来说，传统的机械抛光方法加工效率低，加工后的微观表面质量不好，常会留有较多的划痕或微裂纹。化学类的抛光方法可进行粗、中抛光，但成本较高且污染环境，应用受到限制，特别是纯化学的方法难以控制平坦化的速率。在高能抛光方法中，磨料水射流法可用于快速粗抛光，但对设备要求较高，且抛光质量较低，加工的均匀性有待进一步改善。离子束抛光法和激光抛光法是较为理想的抛光方法，但是激光抛光法加工的表面会发生某些变性，易残留石墨，使抛光后的金刚石薄膜性能受到一定影响。等离子体抛光是一种高能离子的抛光，这种表面处理抛光法的设备投入和加工成本高，适用于金刚石膜的精抛光或超精抛光，可用于处理最小厚度仅为5μm的极薄金刚石膜，加工速度约为10-40nm/min。

(三)发明内容：

本发明的目的在于针对上述存在问题，提供一种表面质量高且抛光效率高的采用复合工艺进行金刚石薄膜平坦化的方法。

本发明的技术方案：

一种采用复合工艺进行金刚石薄膜平坦化的方法，步骤如下：

1)采用热化学机械抛光工艺(TCMP)对金刚石薄膜表面大的凹凸部分进行第一次抛光处理，即将金刚石薄膜浸在抛光盘上熔融态的氧化剂中，同时用金刚石磨料对金刚石薄膜进行热化学机械抛光；

2)采用等离子体刻蚀工艺，利用等离子体刻蚀设备对上述金刚石薄膜基片表面进行第二次微刻蚀修饰，即用激发的气体等离子体对金刚石表面进行微刻蚀处理，去除残留损伤，实现高度平坦化。

所述氧化剂为KNO₃、KMnO₄和KClO₃中的一种或两种以上任意比例的组合。

所述第一次抛光处理的热化学机械抛光工艺条件为：抛光台温度150-300℃、抛光台转速50-300r/min、抛光头转数为30-250r/min、抛光工艺压力为1-10磅/平方英寸(psi)。

所述等离子体刻蚀工艺条件为：刻蚀气体流量40-100sccm、ICP射频源功率为300-900W、偏压射频源功率为50-400W、工作压强为0.5-1.1Pa。