2 熱化學(xué)拋光（TCP）

       Grodzinski在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，把金剛石放置在600 ℃至 1 800 ℃的鐵、鎳等金屬板上，金剛石的接觸面會(huì)溶解到金屬中，使金剛石表面變得平整，從而提出了熱金屬板輔助拋光金剛石的方法。Weima在用熱化學(xué)法拋光 CVD 多晶金剛石薄膜過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了 1 353 cm-1的納米晶石墨、1 453 cm-1的非晶態(tài)碳和 1 580 cm-1的微晶石墨等非金剛石相。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)認(rèn)為：TCP 的機(jī)制是金剛石與金屬板（如鐵、錳、鈰及其合金）接觸發(fā)生了熱化學(xué)反應(yīng)，高溫將金剛石轉(zhuǎn)化為非金剛石碳，隨后碳溶解到金屬板中。溫度是決定哪種機(jī)制起主導(dǎo)作用的關(guān)鍵因素，高溫下，金剛石轉(zhuǎn)化為非金剛石碳是主要的去除機(jī)制，而在較低溫度下，擴(kuò)散速率比相變快得多。設(shè)備示意圖及拋光前后表面光學(xué)圖像如圖4所示。

       2.1 TCP的優(yōu)點(diǎn)

       因TCP是通過(guò)在高溫下催化金屬與金剛石產(chǎn)生化學(xué)發(fā)應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)材料的去除，對(duì)樣品幾乎無(wú)壓力，無(wú)高轉(zhuǎn)速下對(duì)金剛石表面造成損傷，因此能獲得低損傷、平整的表面。Sun[16]用固體和熔融稀土 Ce 處理金剛石膜，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度大于 800 °C 時(shí)，金剛石去除率高達(dá)數(shù)百微米，可在幾分鐘內(nèi)獲得平整的表面，實(shí)現(xiàn)了 CVD 金剛石膜的有效粗拋光和減薄。Nagai通過(guò)把Ni鍍?cè)赟CD基底上，然后將樣品在水蒸氣中“濕式退火”（如圖 5 所示），發(fā)現(xiàn)鎳膜下的金剛石被選擇性蝕刻，其他位置沒(méi)有蝕刻，在 1 000 ℃條件下實(shí)現(xiàn)了約8.7 μm/min的金剛石蝕刻速率。

       在此基礎(chǔ)上，Sakauchi提出了將碳固溶體轉(zhuǎn)變成鎳來(lái)平滑SCD表面的方法，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，確定了兩步退火處理實(shí)現(xiàn)金剛石表面平整化的工藝。先在1 150 °C下退火4 h，利用高蝕刻速率去除損傷層和不規(guī)則性表面，隨后在 900 °C下退火 4 h以使金剛石表面變平。此外，在分別對(duì)機(jī)械拋光和兩步退火處理后的金剛石表面用氫等離子刻蝕后，發(fā)現(xiàn)機(jī)械拋光的表面出現(xiàn)了特征性的線性缺陷，而在兩步退火樣品上沒(méi)有觀察到，這表明所提出的方法有效地去除了襯底內(nèi)部的缺陷，如亞表面位錯(cuò)。Zhang[19]用鐵水侵蝕拋光（MIEP）CVD多晶金剛石，實(shí)現(xiàn)了金剛石表面粗糙度的快速改善和平整化（如圖 6 所示），處理前多晶金剛石片呈現(xiàn)不透明的黑色薄膜狀，金剛石表面晶粒直徑在50~300 μm，而經(jīng)MIEP 10 s后金剛石片變得透明，表面大晶粒消失，變得平整，多晶金剛石晶片的厚度從 1.05 mm 減小到 0.92 mm，表面粗糙度從30.85 μm降至5.2 μm。

       2.2 TCP的缺點(diǎn)

       TCP 雖能實(shí)現(xiàn)快速減薄和獲得無(wú)損傷、平整度較高的表面，但難以實(shí)現(xiàn)大尺寸原子級(jí)的光滑表面。Sakauchi的實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)“碳固溶鎳”工藝處理，雖然能得到平整和無(wú)損傷的表面，但其大尺寸超光滑的表面難以實(shí)現(xiàn)，其局部 0.6 nm（測(cè)量區(qū)域 300nm×300 nm）的粗糙度遠(yuǎn)遠(yuǎn)難以滿足目前大尺寸應(yīng)用的要求。Zhang的實(shí)驗(yàn)也表明，MIEP 雖然能在10 s 內(nèi)將粗糙度迅速降低約 27 μm，但要想獲得更好的表面質(zhì)量，還需與MP技術(shù)相結(jié)合，才能使MIEP處理后粗糙度由5.2 μm的降低至平均14 nm。

       與 MP 相比，TCP 具有較高的材料去除率，能顯著降低表面損傷，提高表面平整度。但光滑表面受溫度、壓力、真空環(huán)境、晶體取向和催化金屬板的影響，難以得到高的表面質(zhì)量，且由于一般需要在真空和高溫下進(jìn)行，設(shè)備復(fù)雜、成本高，操作難度大，難以精確控制加熱溫度，使樣品表面均勻受熱。因此，對(duì)熱化學(xué)拋光來(lái)說(shuō)，復(fù)雜的設(shè)備及操作環(huán)境導(dǎo)致其用范圍一般較為有限。