面向多晶金剛石的等離子體高效拋光技術(shù)

摘要 作為一種典型的難加工材料，多晶金剛石的拋光存在著材料去除率低、損傷引入較多、難以獲得亞納米級粗糙度等諸多問題。采用一種基于大氣電感耦合等離子體的非接觸式加工方法，在純氬等離子體中引入氧氣作為反應(yīng)氣，激發(fā)產(chǎn)生高活性氧自由基，并在多晶金剛石表面不同位點處發(fā)生差異化刻蝕，最終實現(xiàn)多晶金剛石的高效拋光。研究結(jié)果表明：隨著含氧等離子體輻照的進行，多晶金剛石表面晶粒尖端位點被快速去除，晶粒間的高度差大幅下降，且金剛石表面粗糙度Sa在30 min內(nèi)從10.10μm降低至93.70 nm，材料去除率可達34.4μm/min，遠高于傳統(tǒng)的機械或化學機械拋光方法。拉曼光譜與X射線衍射譜分析表明，該拋光方法未引入非晶碳或新應(yīng)力損傷，不改變多晶金剛石表面晶粒取向。該方法可作為一種多晶金剛石粗拋技術(shù)，與化學機械拋光、紫外激發(fā)拋光等精拋工藝相結(jié)合，顯著提升多晶金剛石的綜合拋光效率。

關(guān)鍵詞 多晶金剛石；高效拋光；大氣電感耦合等離子體；高活性氧自由基

中圖分類號 TQ164文獻標志碼 A

文章編號1006-852X（2024）05-0553-10

DOI碼10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0281

收稿日期2023-12-27 修回日期 2024-03-11

作為最寶貴的礦物材料之一，金剛石內(nèi)部的碳原子以sp3形式雜化形成強的碳碳共價鍵，鍵能高達347.5 kJ/mol，具有很強的化學惰性，常溫常壓下耐酸耐堿，難以被氧化，只有在高溫環(huán)境下才能夠被強氧化劑等的熔融體輕微氧化或溶解[1]。此外，金剛石獨特的成鍵特點和晶體結(jié)構(gòu)也使其具有極為優(yōu)越的物理特性，例如：高達2 200 W/（m?K）的熱導(dǎo)率，5.47 eV的帶隙寬度[2]，幾乎在全波段均具有極高的光學透過率以及高達100 GPa的維氏硬度[3-4]。這些特性使得金剛石成為優(yōu)異的散熱襯底、半導(dǎo)體、光學窗口和耐磨損涂層材料，并廣泛應(yīng)用于電子器件、超精密加工等諸多領(lǐng)域[5-8]。

目前，高質(zhì)量單晶金剛石的生產(chǎn)成本高，且生長技術(shù)還不夠成熟，難以獲得大尺寸的晶圓，無法滿足光電器件的應(yīng)用需求。因而，成本更低、尺寸更大、性能相近的多晶金剛石成為市場應(yīng)用主流[9]。然而，多晶金剛石生長過程中會發(fā)生晶粒的競爭性生長，這往往會引入較多的位錯、孿晶等內(nèi)部缺陷，且表面上各晶粒雜亂分布，起伏嚴重，無法滿足各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)饎偸弑砻尜|(zhì)量的要求[10-11]。另一方面，多晶金剛石極強的化學惰性和極高的硬度也使得其成為典型的難加工材料。若采用傳統(tǒng)的機械拋光加工金剛石，則過程中往往伴隨著大載荷和高轉(zhuǎn)速，不可避免地引入劃痕、坑點、非晶層等表面與亞表面損傷[12]?；瘜W機械拋光可以借助氧化還原試劑或堿性膠體溶液，在金剛石拋光過程中引入化學反應(yīng)，能夠在較小載荷和轉(zhuǎn)速的條件下使金剛石表面粗糙度降低至3 nm以下，實現(xiàn)多晶金剛石的精拋光。但這種方法往往也需要數(shù)小時的加工時長，加工效率較低，限制了多晶金剛石的工業(yè)化應(yīng)用[13-14]。因此，研究開發(fā)出高效低損傷的多晶金剛石拋光方法對于促進其應(yīng)用發(fā)展具有重要意義。

除了傳統(tǒng)的機械拋光和化學機械拋光方法，一些新的方法被相繼提出并用于多晶金剛石的拋光。WATANABE等[15]結(jié)合紫外誘導(dǎo)光化學反應(yīng)，氧化金剛石上層碳原子，并使碳原子在高溫和高壓作用下以CO/CO2氣體形式去除，能夠在60 min內(nèi)將粒徑＜1μm的多晶金剛石表面粗糙度Ra從30 nm降低至5.2 nm，材料去除率可達2.0μm/h，可實現(xiàn)多晶金剛石的精拋光。LIANG等[16]提出采用三維高速動態(tài)摩擦的拋光方法實現(xiàn)多晶金剛石的拋光，該拋光方法借助金剛石的高速滑動和多維運動避免了拋光過程中嚴重的單向劃痕并提升了拋光效率，最終將多晶金剛石的表面粗糙度Ra降低至5.7 nm（60μm×60μm），局部非晶界區(qū)粗糙度甚至小于0.5 nm。然而，該拋光方法存在復(fù)雜冗長的前段研磨工序，大大降低了多晶金剛石的拋光效率。LU等[17]采用高速旋轉(zhuǎn)的陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪誘導(dǎo)多晶金剛石表面石墨化，并通過機械和熱氧化作用去除石墨化黑層，當金剛石砂輪轉(zhuǎn)速達到1 350 r/min時，多晶金剛石表面粗糙度Sa降低至0.548 nm（30.0μm×30.0μm），但這種高速旋轉(zhuǎn)的研磨拋光方法會在金剛石基底中引入含有層錯和微裂紋的損傷層，使得金剛石的表面質(zhì)量惡化。為進一步提高多晶金剛石的拋光效率，陸續(xù)出現(xiàn)了一些高效的粗拋光工藝。OGAWA等[18]對比納秒脈沖激光和飛秒脈沖激光加工多晶金剛石，發(fā)現(xiàn)利用飛秒脈沖激光可以使多晶金剛石表面粗糙度Ra降低至0.022μm，材料去除率為0.004 mm3/s，且表面幾乎無石墨層存在。RALCHENKO等[19]利用金剛石微顆粒在強超聲波的沖擊作用下對金剛石表面造成損傷去除，在5 min內(nèi)使多晶金剛石表面粗糙度Ra從5μm左右降低至0.5μm左右，顯著提升了多晶金剛石的粗加工效率。

上述多晶金剛石拋光方法大多局限于利用機械應(yīng)力或石墨化轉(zhuǎn)變?nèi)コ姆绞綄崿F(xiàn)多晶金剛石材料的拋光，去除過程中往往會引入機械作用誘導(dǎo)的亞表面損傷缺陷或非金剛石碳，影響多晶金剛石原有的材料特性。相比之下，無應(yīng)力的拋光方法不涉及材料的塑性變形去除，且不會引入形變層和殘余應(yīng)力，具有獲得高品質(zhì)表面的優(yōu)勢，有望實現(xiàn)多晶金剛石的無損傷拋光。在本研究中，采用一種基于大氣電感耦合等離子體的拋光方法來實現(xiàn)多晶金剛石的高效拋光。該拋光方法基于等離子體原子選擇性刻蝕的機理，即材料粗糙表面雜亂分布有成鍵狀態(tài)不同的原子，原子活化能因其不同成鍵狀態(tài)存在差異，成鍵更少的原子活化能更低，等離子體中的反應(yīng)性活性粒子優(yōu)先與這些活化能低的原子發(fā)生反應(yīng)去除，直到表面原子成鍵狀態(tài)均一，實現(xiàn)拋光效果[20-21]。實驗中，采用高溫含氧等離子體，借助高活性氧自由基對金剛石表面不同成鍵狀態(tài)碳原子的差異化刻蝕去除，能將多晶金剛石表面粗糙度Sa從10.1μm迅速降低至93.7 nm，材料去除速率可達34.4μm/min。多晶金剛石拋光后無其他非晶碳和新應(yīng)力損傷引入，表面晶粒取向不發(fā)生變化。因此，該方法可作為一種多晶金剛石粗拋光新技術(shù)，結(jié)合化學機械拋光、紫外激發(fā)拋光等精拋光技術(shù)，大幅提升多晶金剛石的綜合拋光效率。

1實驗材料與方法

1.1實驗原料

實驗采用由直流電弧等離子體噴射化學氣相沉積工藝制備的多晶金剛石樣品，厚度為1 mm，尺寸為3 mm×3 mm。樣品表面為晶粒競爭性生長原始形態(tài)，未經(jīng)過其他研磨與拋光處理。金剛石樣品在實驗前經(jīng)無水乙醇、純水各超聲清洗10 min。實驗過程中采用高純Ar、O2作為等離子體氣體源（純度≥99.999%，深圳市華特鵬特種氣體有限公司）。

1.2實驗設(shè)備及具體操作

實驗采用的大氣電感耦合等離子體設(shè)備如圖1所示。

設(shè)備主要由6個部分組成，即等離子體工作區(qū)、射頻電源、電火花點火器、匹配器、質(zhì)量流量控制器和水冷機。等離子體工作區(qū)主要有樣品臺、同軸玻璃炬管以及射頻線圈。加工時，在玻璃炬管外管通入Ar作為冷卻氣，內(nèi)管通入Ar和O2分別作為載流氣和反應(yīng)氣，打開電火花點火器提供種電子，載流氣在射頻磁場的作用下發(fā)生電離，產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體，并進一步實現(xiàn)反應(yīng)氣的解離與電離。金剛石樣品放置于等離子體正下方，被等離子體射流完全覆蓋，其表面碳原子能夠與等離子體中活性粒子充分接觸。停止加工時，關(guān)閉射頻電源和O2，并將樣品迅速上移，用純氬屏蔽冷卻，以防止大氣中的O2在高溫下與金剛石表面發(fā)生刻蝕作用。

1.3實驗參數(shù)

在金剛石拋光過程中，所采用的具體實驗參數(shù)如表1所示。其中，氣體流速單位以標準狀態(tài)下每分鐘流出氣體體積（L）計算，用slm表示；或以標準狀態(tài)下每分鐘流出氣體體積（cm3）計算，用sccm表示。

在等離子體作用下，金剛石表面饋入大量熱量，表面溫度在短時間內(nèi)快速上升，具體溫度變化曲線如圖2所示。激發(fā)等離子體后，金剛石樣品表面平均溫度迅速上升，僅100 s溫度便達到1 400℃，之后溫度緩慢上升，直到金剛石表面達到熱平衡狀態(tài)，溫度穩(wěn)定在1 500.2℃左右。拋光結(jié)束后，關(guān)閉等離子體，金剛石表面溫度也迅速下降。

1.4表征手段

為分析拋光過程中材料的去除率，采用精度為0.01 mg的超精密天平（XSR105，Mettler Toledo）來測量多晶金剛石拋光前后的質(zhì)量，其材料去除率計算公式為：

式中：Δm為拋光前后金剛石樣品質(zhì)量差，ρ為金剛石密度（ρ=3.5 g/cm3），S為金剛石拋光面積，t為拋光時間。

拋光過程中多晶金剛石表面溫度采用紅外熱成像儀（Flir T660）測定，測定前采用熱電偶對多晶金剛石表面熱輻射率進行校準，校準值為0.70。等離子體中各粒子強度分別采用光學發(fā)射光譜（Ocean Optics USB2000+UV-VIS-ES）來表征。

多晶金剛石表面形貌變化采用激光掃描共聚焦顯微鏡（Keyence VK-X1000）和掃描電子顯微鏡（ZEISS Merlin）來觀察，表面不同范圍內(nèi)粗糙度Sa分別用掃描白光干涉儀（Taylor Hobson CCI）和原子力顯微鏡（Bruker Dimension Edge）來表征分析。

采用532 nm激光源的拉曼光譜儀（Horiba Lab-RAM HR Evolution）檢測拋光前后金剛石表面化學成分的變化。此外，采用X射線衍射儀（Rigaku Smartlab）來分析拋光前后金剛石表面晶粒取向。

2實驗結(jié)果與討論

2.1拋光結(jié)果

圖3所示為等離子體光學發(fā)射光譜的分析結(jié)果。由圖3可知：純氬等離子體激發(fā)后會產(chǎn)生Ar自由基、N2+、O2+和O+，其中Ar自由基是由Ar電離產(chǎn)生的，而N2+、O2+和O+等離子來自空氣中O2與N2的電離。相較于純氬等離子體，含氧等離子體在777.3 nm處還存在一個特征峰，該特征峰對應(yīng)于氧自由基的存在，即O2的引入會促進氧自由基的產(chǎn)生，而高活性氧自由基能夠與多晶金剛石表面上的碳原子在高溫下發(fā)生化學反應(yīng)，生成CO或CO2，從而實現(xiàn)多晶金剛石的材料去除。

圖4所示為采用純氬等離子體處理后，金剛石粗糙表面未能得到改善，表面質(zhì)量甚至會進一步惡化，沒有拋光效果，如圖4a所示；而經(jīng)含氧等離子體處理后，多晶金剛石表面產(chǎn)生了明顯的拋光效果，在激光掃描共聚焦顯微鏡下能夠觀察到相對平整的表面，金剛石原始表面上競爭性生長的晶粒尖端和凸起結(jié)構(gòu)被去除，表面粗糙度Sa顯著降低，具體如圖4b所示。

圖5所示為多晶金剛石在不同拋光時間段的表面掃描電子顯微鏡圖像，左側(cè)圖像為大標尺下的表面形貌，右側(cè)圖像為局部區(qū)域放大圖像。如圖5a所示，多晶金剛石初始表面極其粗糙，表面形貌起伏嚴重，晶粒結(jié)構(gòu)棱角分明。圖5b則表明，在含氧等離子體輻照多晶金剛石表面30 s后，上層凸出的晶粒尖端結(jié)構(gòu)被逐漸去除，晶粒棱角也逐漸變鈍。繼續(xù)延長輻照時間至2 min，金剛石表面晶粒高度差整體下降，形成相對平坦的表面，如圖5c所示。隨著輻照時間的進一步延長，金剛石表面局部高位點也被進一步去除，表面主要由不同晶粒及其晶界組成，局部區(qū)域還存在晶粒生長過程中殘留的間隙，如圖5d～圖5f所示。拋光達到30 min時，金剛石表面各晶粒達到較光滑的水平，但晶粒之間還存在起伏的晶界區(qū)，金剛石表面難以達到全局光滑。

在含氧等離子體拋光多晶金剛石過程中，金剛石原始粗糙表面上雜亂分布有大量成鍵狀態(tài)不同的碳原子。在金剛石晶粒尖端處，碳原子僅與下層碳原子相連，同基底碳原子相比，這些碳原子往往成鍵較少，反應(yīng)活化能更低，當?shù)入x子體充分輻照表面時，高活性氧自由基會優(yōu)先與這類碳原子發(fā)生反應(yīng)，使得晶粒尖端在拋光初始階段被優(yōu)先去除，金剛石表面高低起伏下降。繼續(xù)延長拋光時間，表面上成鍵較少的碳原子數(shù)量下降，在局部區(qū)域碳原子成鍵狀態(tài)趨向均一，金剛石表面整體上也漸趨平坦。然而，多晶金剛石各晶粒之間存在晶界缺陷，該處碳原子排列及成鍵方式復(fù)雜，高活性氧自由基難以有效實現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)碳原子的差異化去除，限制了多晶金剛石全局拋光的效果。

2.2粗糙度演變分析

圖6展示了拋光過程中金剛石表面的粗糙度變化，測量區(qū)域為400μm×400μm。如圖6a所示，多晶金剛石原始樣品存在高達150.00μm的表面起伏，表面粗糙度Sa為10.10μm。圖6b顯示，拋光30 s后多晶金剛石表面粗糙度略微下降至9.74μm，但表面起伏大幅下降。圖6c～圖6e表明：隨著拋光的進行，金剛石表面粗糙度開始顯著下降，拋光至10 min時，金剛石表面粗糙度已降低至324.00 nm。圖6f顯示，繼續(xù)延長拋光時間，可以明顯觀察到多晶金剛石表面各晶粒和彼此之間的界面，此時金剛石表面粗糙度Sa已下降至93.70 nm。通過30 min的等離子體輻照處理，多晶金剛石表面粗糙度顯著降低，實現(xiàn)了多晶金剛石的高效拋光。

為深入了解多晶金剛石的拋光過程，采用原子力顯微鏡進一步分析金剛石表面更小尺度（20μm×20μm）的形貌及表面粗糙度Sa變化情況，具體結(jié)果如圖7所示。由圖7a可知：多晶金剛石原始樣品表面分布有隨機取向的晶粒，晶粒棱角分明，彼此之間有較大的高度差，表面粗糙度Sa為386.00 nm。如圖7b和圖7c所示，經(jīng)過30 s拋光處理后，金剛石表面粗糙度略微下降至362.00 nm；而拋光2 min后，金剛石內(nèi)部晶粒之間的微孔隙有所暴露，導(dǎo)致局部區(qū)域產(chǎn)生坑狀結(jié)構(gòu)，此時金剛石表面不同晶粒之間的高度差依然較大，金剛石表面粗糙度為96.20 nm。圖7d和圖7e表明：拋光5和10 min后，金剛石表面晶粒間的高度差不再明顯，表面粗糙度分別降低至30.20和29.10 nm。圖7f顯示，當拋光30 min時金剛石表面粗糙度最低，達到21.40 nm。此時表面無晶界區(qū)（3μm×3μm）A與B的表面粗糙度Sa可分別達到2.53和3.60 nm，而晶界區(qū)C（3μm×3μm）的表面粗糙度Sa為31.30 nm。雖然拋光30 min后多晶金剛石表面依然存在有廣泛的晶界區(qū)和一定的晶粒高度差，但通過該拋光方法，多晶金剛石的表面粗糙度可以在短時間內(nèi)發(fā)生顯著改善，局部區(qū)域粗糙度也可以降低至納米水平，能夠?qū)崿F(xiàn)多晶金剛石的高效粗拋光。

拋光過程中不同范圍內(nèi)表面粗糙度Sa變化如圖8所示。由圖8可知：隨著拋光時間的延長，多晶金剛石表面粗糙度顯著下降。拋光20 min時，金剛石表面小范圍內(nèi)平均粗糙度穩(wěn)定在20.00 nm左右。此時，金剛石表面大范圍內(nèi)粗糙度仍在繼續(xù)變化。當拋光30 min時，金剛石表面大范圍內(nèi)平均粗糙度降為130.00 nm左右。繼續(xù)延長時間，大范圍和小范圍內(nèi)粗糙度均不會發(fā)生顯著改善，達到含氧等離子拋光多晶金剛石極限。

2.3材料去除率分析

含氧等離子體拋光多晶金剛石過程中可以實現(xiàn)超高的材料去除率，具體結(jié)果如圖9所示。在拋光前30 s過程中，多晶金剛石的材料去除率可以達到44.3μm/min。隨著拋光的進行，金剛石的材料去除率逐步下降，直到拋光20 min時，材料去除率達到34.4μm/min，此時材料去除率趨于穩(wěn)定。在多晶金剛石拋光初始階段，樣品表面未經(jīng)任何加工處理，表面存在隨機性分布的晶粒，各晶粒之間存在有比較大的高度差，表面起伏波動嚴重。當?shù)入x子體輻照于金剛石表面時，樣品與等離子體接觸面積達到最大，且由于晶粒尖端部位具有更高的去除率，此時的材料去除率最大。延長拋光時間至2 min，材料去除率發(fā)生顯著下降，這是由于初始拋光過程中金剛石表面粗糙度迅速下降，晶粒尖端被去除，金剛石表面的高度差逐漸縮小，使得等離子體與樣品接觸面積變小。同時，金剛石表面高效率去除位點也隨之減少。而后，多晶金剛石表面漸趨平坦，表面整體上高速率去除位點趨于穩(wěn)定，材料去除率下降趨勢也逐漸平緩，直到達到含氧等離子體拋光多晶金剛石的拋光極限，此時，金剛石的材料去除率也達到穩(wěn)定水平。

2.4組成分析

多晶金剛石經(jīng)含氧等離子體拋光后表面化學成分和內(nèi)部應(yīng)力的變化通過拉曼光譜儀來檢測分析。如圖10所示，拉曼光譜測量范圍為1 200.0～1 800.0 cm?1，拋光前，多晶金剛石在1 329.8 cm?1處存在金剛石sp3的特征峰，相較于IIa型天然金剛石位于1 332.5 cm?1的金剛石特征峰發(fā)生了一定偏移[19]。

金剛石應(yīng)力與特征峰偏移之間的關(guān)系為[22]：

式中：σ為內(nèi)部應(yīng)力，Δv=v?1 332.5 cm?1，v為金剛石特征峰的波數(shù)?；谠撽P(guān)系式可以計算出金剛石內(nèi)部存在1.530 9 GPa的拉應(yīng)力。該拉應(yīng)力主要源于多晶金剛石內(nèi)部晶粒競爭性生長，而緊鄰金剛石特征峰處存在一寬峰，該寬峰可能是由金剛石內(nèi)部存在的sp2缺陷或者氮雜質(zhì)引起的[23-24]。經(jīng)含氧等離子體拋光后，多晶金剛石的特征峰位置沒有發(fā)生偏移，表明拋光過程中不會引入新應(yīng)力。此外，在測量范圍內(nèi)也沒有檢測到其他非金剛石峰的存在，表明采用含氧等離子體處理多晶金剛石不會在表面引入其他非金剛石碳[25]，去除過程中不改變金剛石原有結(jié)構(gòu)。

借助X射線衍射儀進一步分析了多晶金剛石表面拋光前后的晶粒取向，結(jié)果如圖11所示。拋光前后多晶金剛石表面各晶粒取向沒有發(fā)生改變，主要有位于44.12°的（111）晶面、位于75.47°的（220）晶面、位于91.64°的（311）晶面和位于119.63°的（400）晶面[26]。其中，（220）晶面始終占主導(dǎo)地位，其次為（111）晶面，而（400）晶面對應(yīng)的特征峰強度很低，表明多晶金剛石表面該晶面成分很少。此外，在含氧等離子體作用于多晶金剛石過程中，材料去除率始終維持在很高水平，而多晶金剛石表面晶粒取向卻不會因材料的去除而產(chǎn)生顯著變化，表明高活性氧自由基刻蝕多晶金剛石無晶面選擇性。金剛石表面碳原子不因所處晶面而具有不同的反應(yīng)速率，其反應(yīng)速率快慢僅與碳原子在金剛石表面上的成鍵狀態(tài)有關(guān)，當金剛石表面碳原子成鍵狀態(tài)不一致時，高活性氧自由基會優(yōu)先與成鍵數(shù)量較少的碳原子反應(yīng)，逐步改變金剛石表面碳原子差異化成鍵狀態(tài)，最終使得表面碳原子成鍵狀態(tài)趨于一致，達到拋光的效果。

3結(jié)論

采用大氣電感耦合等離子體成功實現(xiàn)了多晶金剛石的高效拋光，該拋光方法可以作為高效的前段工序用于多晶金剛石的粗拋光，可大大縮短多晶金剛石的拋光時間，并顯著提升多晶金剛石的綜合拋光效率。研究所得結(jié)論如下：

（1）高溫含氧等離子體能夠?qū)饎偸砻娈a(chǎn)生拋光效果，主要是由于該等離子體中高活性氧自由基能夠?qū)Χ嗑Ы饎偸a(chǎn)生選擇性刻蝕反應(yīng)，優(yōu)先刻蝕表面高位點碳原子，從而實現(xiàn)多晶金剛石表面快速平坦化。

（2）拋光過程中多晶金剛石表面粗糙度Sa可以在30 min內(nèi)從大范圍（400μm×400μm）10.10μm和小范圍（20μm×20μm）338.00 nm迅速降低至93.70 nm和21.40 nm，且拋光過程中無需任何前段預(yù)處理工藝。

（3）隨拋光過程的進行，多晶金剛石材料去除率先迅速下降，而后緩慢降低并最終穩(wěn)定在34.4μm/min，實現(xiàn)了多晶金剛石的高效拋光。

（4）綜合分析拋光前后多晶金剛石表面成分及組成可知，采用含氧等離子體拋光多晶金剛石不會在其表面引入其他的非金剛石碳，且過程中沒有進一步增加金剛石內(nèi)部的拉應(yīng)力，不改變金剛石表面的晶粒取向。

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作者簡介

通信作者：鄧輝，男，1987年生，副教授、博士研究生導(dǎo)師。主要研究方向：等離子體原子尺度制造技術(shù)、原子選擇刻蝕技術(shù)、原子遷移與重構(gòu)技術(shù)、等離子體光學制造技術(shù)。

E-mail：dengh@sustech.edu.cn

（編輯：王潔）

Highly efficient polishing of polycrystalline CVD diamond via atmosphere inductively coupled plasma

XIAO Yuxi1，LI Xinyu1，ZHANG Yongjie1，2，DENG Hui1

（1.Department of Mechanical and Energy Engineering，Southern University of Science and Technology，Shenzhen 518055，Guangdong，China）

（2.Department of Physics，National University of Singapore，Singapore 117551，Singapore）

Abstract Objectives：As a typical difficult-to-machine material，polycrystalline CVD diamond often requires sophist-icated and time-consuming polishing methods to achieve a smooth surface.In this study，a non-contact polishing meth-od based on atmospheric inductively coupled plasma is investigated for the polishing of polycrystalline CVD diamond.Several indicators，including surface roughness，surface chemical composition，inner crystal structure，and material re-moval rate（MRR），are measured during the polishing process to evaluate the surface quality and polishing efficiency.Methods：The atmospheric inductively coupled plasma device，consisting of a plasma working zone，radio frequency（RF）power，electricsparker，RF match，mass flow controller，and water cooler，is used for polishing experiments.Oxy-gen is used as a reaction gas and added to the pure argon plasma，generating highly active oxygen radicals.The poly-crystalline CVD diamond sample is fully exposed to oxygen-containing plasma irradiation to gainsufficient activation energy and react with the oxygen radicals.Once the processing is completed，the RF power is turned off，the oxygen supply is stopped，and the diamond is raised and cooled with pure argon shielding to protect the sample from being etched by ambient oxygen at high temperatures.Laser scanning confocal microscopy and scanning electron microscopy（SEM）are used to observe the diamond morphology，while the Sa roughness at different scales is characterized by scan-ning white interferometry and atomic force microscopy（AFM）.The material removal rate is measured using an ultra-precision balance，and surface temperature is detected by an infrared imager.Raman spectroscopy and X-ray diffraction（XRD）are separately used to characterize the surface chemical composition and crystal orientation of the diamond be-fore and after polishing.Results：The results of diamond treatment under different plasma irradiation conditions show that pure argon plasma tends to deteriorate the surface quality，while oxygen-containing plasma achieves significant pol-ishing performance，removing grain tips and protruding structures.The morphology evolution of diamonds during the polishing process reveals that the initial surface is extremely rough，with severe surface irregularities and angular grain structures.After exposure to oxygen-containing plasma，the elevated grain structures are gradually removed，and the sharp edges are rounded.As the plasma irradiation time increases，some protruding sites are further eliminated，reveal-ing the remaining cavities formed during the crystal growth process.Ultimately，the various crystal grains on the dia-mond surface maintain a consistent height，forming a relatively smooth surface.The fluctuating grain boundaries，which are widespread among the crystal grains，inhibit the formation of a smoother surface.The polishing effect can be ex-plained by the principle of plasma-based atom-selective etching（PASE）.During the polishing process，carbon atoms with different bonding states are randomly distributed on the diamond surface.Among them，carbon atoms at the grain tips，which only bond with atoms below and possess less stable bonds compared to those in the substrate，have lower ac-tivation energy.Consequently，tip carbon atoms preferentially react with active oxygen radicals due to their lower activ-ation energy，accounting for the removal of grain tips during the initial polishing stage.As the polishing process contin-ues，carbon atoms with fewer covalent bonds fade away，and the bonding states become equivalent in local areas，con-tributing to a progressively smoother surface.However，carbon atoms at the crystal boundary zones have complex ar- rangements and bonding characteristics，which restrict the differential removal of carbon atoms and hinder the overall polishing effect.The roughness evolution results show that the final Sa roughness of polycrystalline CVD diamond is re-duced to 93.70 nm over a 400μm×400μm area and 21.40 nm over a 20μm×20μm area after polishing for 30 minutes.In some smooth areas，the roughness is as low as 2.53 nm，while in the crystal boundary zones，it reaches 31.30 nm.The presence of the crystal boundary zone hinders the global polishing performance.After 30 minutes of polishing，the surface roughness stabilizes，with the MRR also stabilizing at 34.4μm/min.Surface composition analysis indicates a tensile stress of 1.5309 GPa on the diamond surface，and the polishing process dose not introduce new stress or amorph-ous carbon contaminants.XRD spectra show that there is no change in the crystal grain orientation of the diamond be-fore and after polishing，demonstrating that PASE acts on all crystal planes of polycrystalline diamond（PCD）without preference for any specific crystal plane.Conclusions：Atmospheric inductively coupled plasma（ICP）can be used to efficiently smooth polycrystalline CVD diamond based on the principle of PASE.During the polishing process，oxygen is introduced as a reaction gas，generating oxygen radicals that selectively etch the diamond by preferentially removing carbon atoms with low activation energy，thus rapidly smoothing the surface.The Sa roughness of diamond is reduced from 10.10μm（400μm×400μm）and 338.00 nm（20μm×20μm）to 93.70 nm and 21.40 nm，respectively，after 30 minutes of polishing.As polishing progresses，the MRR sharply decreases and eventually stabilizes at around 34.4μm/min.The surface chemical composition and crystal grain orientation of polycrystalline CVD diamond remain con-sistent before and after polishing.Overall，atmospheric ICP can be an efficient pre-polishing method to significantly im-prove the overall polishing efficiency of polycrystalline CVD diamond.

Key words polycrystalline CVD diamond；highly efficient polishing；atmosphere inductively coupled plasma；highly active oxygen radicals