一种激光诱导石墨化促进金刚石抛光的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种激光诱导石墨化促进金刚石抛光的装置及方法，属于金刚石抛光领域，该装置包括激光器以及从上至下依次设置的传动轴、玻璃、金属抛光盘和旋转载物台，其中：激光器用于发射激光；传动轴中间开孔，该传动轴下方开槽用于固定玻璃；玻璃的下方开槽用于固定金刚石；金属抛光盘固定在旋转载物台的上方，并与金刚石待抛光面以预设压力接触，用于对金刚石进行抛光。本发明专利技术利用激光依次穿过玻璃和金刚石后聚焦到金属抛光盘上以对其进行烧蚀，并诱导金刚石待抛光面石墨化，同时利用金属抛光盘的摩擦作用去除石墨化的金刚石以实现抛光，进而使得激光诱导石墨化与摩擦抛光同时进行，有效提高抛光效率，实现金刚石的高效率低损伤超光滑抛光。效率低损伤超光滑抛光。效率低损伤超光滑抛光。

【技术实现步骤摘要】
一种激光诱导石墨化促进金刚石抛光的装置及方法


[0001]本专利技术属于金刚石抛光领域，更具体地，涉及一种激光诱导石墨化促进金刚石抛光的装置及方法。

技术介绍

[0002]随着以硅、锗为代表的第一代半导体材料达到其理论极限，以砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)为代表的第二代和以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)为代表的第三代半宽导体相继产业化。以氧化镓(Ga2O3)、氮化铝(AlN)和金刚石为代表的第四代超宽禁带半导体材料也开始被大量研究。其中，金刚石因其优越的禁带宽度、载流子迁移率以及击穿场强，被誉为终极半导体材料。据粗略估计，金刚石作为半导体的性能比硅高出23000倍，比氮化镓(GaN)高120倍，比碳化硅(SiC)高出40倍。大尺寸单晶金刚石应用的前提是其具有超光滑的表面和较高的平整度，而原始生长面的单晶金刚石表面粗糙度通常在几百纳米至数微米，无法直接用于半导体衬底或者器件领域。因此，高效的抛光技术成为大尺寸单晶金刚石产业化应用的前提。
[0003]目前，金刚石的抛光主要有机械抛光、动摩擦抛光、化学机械抛光以及能量束辅助抛光等。机械抛光的缺点在于强机械划擦作用后易造成金刚石晶片表面的划痕以及亚表面损伤；化学机械抛光的缺点在于加工效率较低、成本高，且含有腐蚀性的废液难以处理；能量束辅助抛光的缺点在于设备要求较高、加工后的面型精度较低。
[0004]现有技术中，CN109590811A公开了一种激光辅助抛光CVD金刚石的方法将激光作为外加热源将金刚石加热促使其表面石墨化，然后利用机械抛光去除该石墨层；CN113352230A公开了一种金刚石晶片超精密加工方法及装置，该方法首先使用激光诱导金刚石表面石墨化，然后对石墨化的金刚石表面进行化学机械抛光。以上两种抛光方案中，激光诱导金刚石表面石墨化和接触式抛光去除石墨层分开进行，严重制约抛光速度。WO2007147214A1公开一种适用于金刚石的动摩擦抛光方法，该方法以较大的载荷将金刚石压在快速旋转的金属盘表面，金刚石与金属抛光盘之间因为摩擦作用产生超过1000℃的高温，同时金属抛光盘也是催化金刚石石墨化的催化剂。在高温和金属催化剂的协同作用下，金刚石会快速石墨化，然后生成的石墨将通过如下三种方式去除，氧化为CO2/CO释放，融入金属抛光盘，机械去除。动摩擦抛光依靠金属盘与金刚石之间的高压强和高速摩擦产生的热诱导金刚石石墨化，具有高的材料去除率，但高抛光压力和相对摩擦速度，容易导致金刚石薄膜破裂。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种激光诱导石墨化促进金刚石抛光的装置及方法，旨在解决现有的金刚石抛光装置效率低、金刚石薄膜易破裂的问题。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一方面，提供了一种激光诱导石墨化促进金刚石抛光的装置，该装置包括激光器以及从上至下依次设置的传动轴、玻璃、金属抛光盘和旋转
载物台，其中：所述激光器用于发射激光；所述传动轴中间开孔，用于为激光提供传输通道，同时该传动轴下方开槽用于固定玻璃，以在外部载荷的作用下带动玻璃旋转；所述玻璃的下方开槽用于固定金刚石，以带动金刚石旋转；所述金属抛光盘固定在旋转载物台的上方，并与金刚石待抛光面以预设压力接触，用于对金刚石进行抛光；工作时，所述激光依次穿过玻璃和金刚石聚焦到金属抛光盘上，以对其进行烧蚀并产生热量，同时激光反射到金刚石待抛光面，从而在烧蚀热量和激光能量的共同作用下诱导金刚石待抛光面石墨化，然后利用金属抛光盘通过摩擦去除石墨化的金刚石从而实现金刚石抛光。
[0007]作为进一步优选地，所述激光的波长为355～1064nm，该激光的功率为4～7w。
[0008]作为进一步优选地，所述玻璃为石英玻璃、K9玻璃、高硼硅玻璃、B270玻璃或BF33玻璃。
[0009]作为进一步优选地，所述金属抛光盘的材质为Fe、Ni或Ti。
[0010]作为进一步优选地，所述金刚石与金属抛光盘的相对旋转速度为0.7～2m/s。
[0011]作为进一步优选地，所述金刚石与金属抛光盘的接触压力为50～300kPa。
[0012]按照本专利技术的另一方面，提供了一种利用上述装置进行抛光的方法，该方法包括如下步骤：
[0013]S1将所述金刚石固定在玻璃的凹槽内；
[0014]S2打开激光器使其发射激光，同时施加载荷并启动旋转载物台，使得金刚石和金属抛光盘以预设速度相对旋转，利用激光诱导金刚石待抛光面石墨化，并利用金属抛光盘通过摩擦去除石墨化的金刚石，以此实现金刚石抛光。
[0015]作为进一步优选地，所述激光的波长为355～1064nm，该激光的功率为4～7w。
[0016]作为进一步优选地，所述玻璃为石英玻璃、K9玻璃、高硼硅玻璃、B270玻璃或BF33玻璃。
[0017]作为进一步优选地，所述金刚石与金属抛光盘的相对旋转速度为0.7～2m/s，所述金刚石与金属抛光盘的接触压力为50～300kPa。
[0018]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下
[0019]有益效果：
[0020]1.本专利技术利用激光依次穿过玻璃和金刚石后聚焦到金属抛光盘上以对其进行烧蚀，使得产生的熔融态金属飞溅物溅射到金刚石待抛光面，同时从金属抛光盘表面反射的激光辐射到金刚石待抛光面，从而在熔融态金属飞溅物产生的高温和反射激光辐射的激光能量的共同作用下，诱导金刚石待抛光面石墨化，同时利用金属抛光盘的摩擦作用去除石墨化的金刚石以实现抛光，进而使得激光诱导石墨化与摩擦抛光同时进行，有效提高金刚石的抛光效率，同时与单纯依靠金属盘抛光的装置相比，利用激光诱导石墨化促进金刚石抛光能够有效避免高抛光压力和高相对摩擦速度导致的金刚石薄膜破裂，实现金刚石的高效率低损伤超光滑抛光；
[0021]2.同时，本专利技术通过对激光波长和功率进行优化，能够保证激光透过玻璃和金刚石并且不会对其造成损伤，还能够保证激光聚焦到金属抛光盘能够对其形成烧蚀，并诱导金刚石待抛光面石墨化，从而实现激光诱导石墨化促进金刚石抛光；
[0022]3.此外，本专利技术还对金刚石与金属抛光盘相对旋转速度和接触压力进行优化，能够在保证抛光效果的同时避免金刚石薄膜破裂。
附图说明
[0023]图1是本专利技术实施例提供的激光诱导石墨化促进金刚石抛光的装置结构示意图；
[0024]图2是本专利技术实施例提供的激光诱导石墨化促进金刚石抛光的流程示意图；
[0025]图3是本专利技术中激光诱导石墨化促进金刚石抛光的可行性测试，其中，(a)为工作示意图，(b)为激光扫描路径，(c)为金属抛光盘分别为Fe、Ni、Ti时，激光照射后金刚石夹持面和金刚石待抛光面的表面形貌图，(d)为抛光后金刚石夹持面和金刚石待抛光面的拉曼光谱；
[0026]图4是本专利技术中玻璃对金刚石抛光效果的影响测试，其中(a)金刚石的放置方式，(b)为金属抛光盘分别为Fe、Ni、Ti时，激光照射后金刚石夹持面和金刚石待抛光面的表面形貌图。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光诱导石墨化促进金刚石抛光的装置，其特征在于，该装置包括激光器以及从上至下依次设置的传动轴(2)、玻璃(3)、金属抛光盘(5)和旋转载物台(6)，其中：所述激光器用于发射激光(1)；所述传动轴(2)中间开孔，用于为激光(1)提供传输通道，同时该传动轴(2)下方开槽用于固定玻璃(3)，以在外部载荷的作用下带动玻璃(3)旋转；所述玻璃(3)的下方开槽用于固定金刚石(4)，以带动金刚石(4)旋转；所述金属抛光盘(5)固定在旋转载物台(6)的上方，并与金刚石待抛光面(9)以预设压力接触，用于对金刚石(4)进行抛光；工作时，所述激光(1)依次穿过玻璃(3)和金刚石(4)聚焦到金属抛光盘(5)上，以对其进行烧蚀并产生热量，同时激光反射到金刚石待抛光面(9)，从而在烧蚀热量和激光能量的共同作用下诱导金刚石待抛光面(9)石墨化，然后利用金属抛光盘(5)通过摩擦去除石墨化的金刚石从而实现金刚石抛光。2.如权利要求1所述的激光诱导石墨化促进金刚石抛光的装置，其特征在于，所述激光(1)的波长为355～1064nm，该激光(1)的功率为4～7w。3.如权利要求1所述的激光诱导石墨化促进金刚石抛光的装置，其特征在于，所述玻璃(3)为石英玻璃、K9玻璃、高硼硅玻璃、B270玻璃或BF33玻璃。4.如权利要求1所述的激光诱导石墨化促进金刚石抛光的装置，其特征在于，所述金属抛光盘(5)的材质为Fe、N...

【专利技术属性】
技术研发人员：许剑锋，刘念，雷凌，肖峻峰，张建国，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：