等离子体选择性刻蚀单晶金刚石不同表面形貌的机理研究

万佳奇 1，王成鑫1，黄煜华1，柴智敏2，程洁3，潘伶1，任志英1，林有希1（1.福州大学 机械工程及自动化学院；2.清华大学 高端装备界面科学与技术全国重点实验室；3.中国矿业大学（北京）机械与电气工程学院）

摘要：目的为揭示等离子体辅助抛光（Plasma-Assisted Polishing，PAP）过程中单晶金刚石表面微观形貌的演化机理，探明不同种类等离子体对复杂形貌的选择性刻蚀规律，并从原子尺度阐明其物理化学作用机制，以解决金刚石硬脆表面难以实现原子级平坦化的理论难题。方法采用反应力场分子动力学（ReaxFF MD）模拟方法，构建包含原子阶梯、圆锥凸峰和圆柱凹谷的（001）晶向单晶金刚石复杂表面模型，在室温及低能离子轰击条件下，对比分析氮（N）、氧（O）、氩（Ar）3 种等离子体的刻蚀行为差异。进一步建立9 种具有不同波峰高度（5~20 Å，1 Å=0.1 nm）和周期（5~20 Å）的二维正弦粗糙表面模型，定量研究氮等离子体刻蚀效率与形貌参数的关联性，并结合原子应变、去除率及粒子撞击通量统计分析微观去除机制。结果模拟显示，尽管去除方式（化学刻蚀、表面改性或物理溅射）不同，3 种等离子体均表现出一致的形貌选择性，优先去除凸峰和阶梯尖端，凹谷区域几乎未受影响。刻蚀效率与波峰高度呈正相关，与周期呈负相关；形貌越陡峭，去除效率越高。其中，波峰20 Å、周期5 Å 的模型平坦化效果最佳，刻蚀后表面粗糙度降至8.55 Å。原子结构分析表明，高陡度凸峰侧面暴露出更多具有高悬空键密度的（010）或（100）晶面，反应活性显著高于凹谷区域；同时，长周期模型凹谷处存在明显的粒子撞击遮蔽效应。结论单晶金刚石的形貌选择性刻蚀机制是宏观“几何遮蔽效应”与微观“表面曲率依赖的原子活性”协同作用的结果。PAP 技术对高频高陡度粗糙峰具有极高的去除选择性，但在修正低曲率长周期波纹时存在加工自限制现象。该研究结果明确了表面曲率对原子去除活性的决定性影响，为优化硬脆材料复杂曲面的确定性平坦化工艺参数提供了理论依据。

关键词：等离子体选择性刻蚀；单晶金刚石；表面形貌；分子动力学；原子尺度去除