CN113618502B - 一种金刚石晶片抛光的材料去除率计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金刚石抛光技术领域，公开了一种金刚石晶片抛光的材料去除率计算方法，包括：S1、在未抛光的金刚石晶片的表面加工划痕；S2、测量划痕的深度h₀；S3、对金刚石晶片具有划痕的表面进行抛光，记录抛光所用的时间t；S4、测量金刚石晶片抛光后的划痕的深度h；S5、根据MRR＝(h₀‑h)/t计算材料去除率MRR。由于金刚石的硬度极大，抛光加工MRR极低，难于快速准确的计算，本发明采用的材料去除率计算方法中，利用表面轮廓仪测量金刚石抛光前后表面划痕深度变化。其测量直观方便，且测量结果准性高、精度高，进而使抛光加工时微小材料去除率的计算准确性高，便于金刚石晶片抛光方法优劣的评价。本发明还提供一种实现上述方法的金刚石晶片抛光的材料去除率计算系统。

Description

一种金刚石晶片抛光的材料去除率计算方法及系统

技术领域

本发明涉及金刚石抛光技术领域，特别是涉及一种金刚石晶片抛光的材料去除率计算方法及系统。

背景技术

随着半导体材料在电子通讯、航空航天等众多领域的发展，半导体晶片的性能和稳定性方面的要求越来越高。金刚石作为第三代半导体材料，在所有材料中有最强的、物理、光学和机械性能。如最低摩擦系数、最低压缩性、最高体积模量以及导热率、从深紫外(UV)到远红外的宽光学透明度、极端机械硬度和耐磨性等。金刚石已被广泛使用于现代工业应用，如刀具、光学窗、散热等。带隙为5.5eV的金刚石晶体，电场击穿强度为10MVcm^-1，而2000WMK^-1的高导热率被认为是制造高性能半导体电子元件的理想材料。

为了提高采用金刚石材料的器件的性能，需要对金刚石晶片进行抛光，得到超光滑、无表面/亚表面损伤的工件表面。对金刚石表面进行抛光的方法有很多种，如机械抛光、化学机械抛光等。评价金刚石抛光方法的优劣通常采用晶片表面材料去除率(MaterialRemoval Rate，MRR)。现有的计算材料去除率的方式是通过计算金刚石晶片工件抛光前后的质量差，并用质量差除以抛光时间得到的。

然而，由于金刚石晶片材料的硬脆性大、耐磨性强和化学稳定性好，对金刚石晶片表面的超精密加工难度极大、加工成本高，因此金刚石超精密抛光的材料去除率极低，往往在几到几十个nm/h。由此可见，如果利用称重法对金刚石的材料去除率进行评估，其精度难以保证，计算结果误差较大。称重法评估抛光材料去除率的方式缺点也较为明显，例如：用称重测量抛光MRR时测量的整个面的平均MRR，随着抛光晶片的尺寸越来越大,称重法测量的平均MRR的实用性越来越差；同时在抛光后可能有微量磨料黏附在晶片上或者天平精度不高都会导致测量结果存在偏差；而随着晶片尺寸变大、加工要求更高，所以亟需一种新的材料去除率评估方式，能够快速准确的评估晶片抛光加工过程中不同位置的材料去除率。

中国发明专利申请CN109848838A(公开日为2019年06月07日)公开了一种弹性模量梯度变化研抛盘的材料去除率测量装置及方法，在第三步中先测量被测硬脆材料工件质量W1、W2、W3、W4；在第五步中，启动抛光机5，设置加工转速，加工五小时后测量被测硬脆材料工件质量w1、w5、w3、w4；根据材料去除速率＝质量差/(密度*抛光面积*时间)，可一次得到每个弹性模量梯度变化研抛盘4的材料去除率。该专利是通过抛光前后的质量差来计算材料去除率的，但是对于金刚石工件来说，其材料去除量较少，导致材料的去除率计算误差较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种准确性和便捷性较高的金刚石晶片抛光的材料去除率计算方法及系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种金刚石晶片抛光的材料去除率计算方法，包括：

S1、在未抛光的金刚石晶片的表面加工划痕；先配置芬顿反应液和光催化反应液，将芬顿反应液和光催化反应液均输送到金刚石晶片的表面，然后通过紫外光照射该金刚石晶片的表面一段时间，最后在该金刚石晶片的表面上加工划痕；通过工具头与金刚石晶片的表面接触来加工划痕，工具头采用能够发生催化并降低金刚石化学反应活化能、加速金刚石晶片氧化的材料；工具头采用铁或镍或铝或铬或锰或钴或铜制成；

S2、测量步骤S1加工处理的划痕的深度h₀；

S3、对金刚石晶片具有划痕的表面进行抛光，记录抛光所用的时间t；

S4、测量金刚石晶片抛光后的划痕的深度h；

S5、根据MRR＝(h₀-h)/t计算材料去除率MRR。

作为优选方案，通过工具头与金刚石晶片的表面接触来加工划痕，在加工划痕时，工具头自身做旋转运动。

作为优选方案，通过工具头与金刚石晶片的表面接触来加工划痕，工具头与金刚石晶片的表面倾斜接触，工具头与金刚石晶片的表面的夹角为10°～80°。

本发明还提供一种金刚石晶片抛光的材料去除率计算系统，包括：

工件固定装置，用于固定金刚石晶片工件；

划痕加工装置，用于在金刚石晶片工件的表面加工划痕；所述划痕加工装置包括工具头，所述工具头为铁或镍或铝或铬或锰或钴或铜制成的工具头；

划痕测量装置，用于测量金刚石晶片工件表面的划痕；

金刚石晶片表面抛光装置，用于对金刚石晶片工件的表面进行抛光；

处理装置，所述处理装置与所述划痕加工装置、所述划痕测量装置和所述金刚石晶片表面抛光装置均通信连接，所述处理装置用于接收所述划痕测量装置和所述金刚石晶片表面抛光装置的信号，并根据所述划痕测量装置测量的划痕深度和所述金刚石晶片表面抛光装置的加工时间进行材料去除率的计算。

作为优选方案，还包括反应液供应装置和紫外光发生装置，所述反应液供应装置用于将芬顿反应液和光催化反应液输送到金刚石晶片工件的表面，所述紫外光发生装置用于产生紫外光并照射在金刚石晶片工件的表面。

作为优选方案，还包括机架，所述工件固定装置和划痕加工装置均连接在机架上，所述划痕加工装置位于所述工件固定装置的上方，

所述工件固定装置包括工件盘、X轴运动机构和Y轴运动机构，所述工件盘用于装夹金刚石晶片工件，所述工件盘连接在所述Y轴运动机构上，所述Y轴运动机构用于带动所述工件盘沿Y轴方向移动，所述Y轴运动机构连接在所述X轴运动机构上，所述X轴运动机构用于带动所述工件盘沿X轴方向移动，所述X轴运动机构连接在所述机架上；

所述划痕加工装置还包括旋转机构、偏摆机构、升降机构和安装块，所述升降机构包括升降主轴，所述升降主轴与所述机架连接且沿竖直方向设置，所述安装块连接在所述升降主轴上且可沿所述升降主轴的长度方向移动，

所述偏摆机构包括偏摆主轴，所述偏摆主轴沿水平方向设置，所述偏摆主轴的一端与所述安装块连接，且所述偏摆主轴可饶其自身轴线转动，

所述旋转机构包括旋转主轴，所述旋转主轴与所述偏摆主轴垂直，且所述旋转主轴可绕其自身轴线转动地连接在所述偏摆主轴的另一端，所述工具头连接在于所述旋转主轴的底端。

作为优选方案，所述金刚石晶片表面抛光装置连接在机架上，所述金刚石晶片表面抛光装置位于所述工件固定装置的上方，且所述划痕加工装置和所述金刚石晶片表面抛光装置均可沿靠近或远离所述工件固定装置的方向移动。

与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明通过在未抛光的金刚石晶片工件的表面先加工出划痕，根据划痕在抛光前后的深度来计算材料去除率，划痕深度变化测量更加直观方便，且测量结果准性高、精度高，进而使材料去除率的计算准确性高，且划痕加工以及划痕深度测量方便，便于金刚石晶片抛光方法优劣的评价。

附图说明

图1是本发明实施例一的金刚石晶片抛光的材料去除率计算方法的流程图。

图2是本发明实施例一的步骤S1的示意图。

图3是本发明实施例一的步骤S2的示意图。

图4是本发明实施例一的步骤S3的示意图。

图5是本发明实施例一的步骤S4的示意图。

图6是本发明实施例一的步骤S5的示意图。

图7是本发明实施例二的机架、工件固定装置和划痕加工装置的结构示意图。

图中，100-工件固定装置；110-工件盘；120-X轴运动机构；121-X轴丝杆驱动器；122-X轴丝杆；123-X轴滑块；124-第一支架；130-Y轴运动机构；

200-金刚石晶片工件；

300-划痕加工装置；310-工具头；320-旋转机构；321-旋转主轴；322-旋转驱动器；330-偏摆机构；331-偏摆主轴；332-偏摆驱动器；340-升降机构；341-升降主轴；342-升降驱动器；350-安装块；

400-处理装置；

500-机架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

如图1至图6所示，本发明优选实施例的一种金刚石晶片抛光的材料去除率计算方法，包括：

S1、在未抛光的金刚石晶片的表面加工划痕。如图2所示。

本实施例在金刚石晶片的表面加工划痕前，先配置芬顿反应液和光催化反应液，将芬顿反应液和光催化反应液输送到金刚石晶片的表面，再通过紫外光照射该金刚石晶片的表面一段时间，最后在该金刚石晶片的表面上加工划痕。

芬顿反应液可与金刚石晶片发生反应，降低金刚石晶片表面的硬度，使划痕的加工更加方便。芬顿反应的过氧化氢在催化剂亚铁盐的作用下，能生成羟基自由基(·OH)，该羟基自由基比其他氧化剂具有更高的氧化电极电位(E＝2.8V)，在常用氧化剂中仅次于氟(E＝2.87V)。其反应原理如下：

Fe²⁺+H₂O₂→Fe³⁺+OH^-+·OH

3C+4·OH+O₂→2CO↑+2H₂O+CO₂↑

Fe³⁺+H₂O₂→Fe²⁺+H⁺+·OOH

采用紫外光照射后，反应原理如下：

H₂O₂+hv→2·OH

Fe²⁺+H₂O₂→Fe³⁺+OH^-+·OH

Fe³⁺+H₂O₂→Fe(OH)²⁺+H⁺

Fe(OH)²⁺+hv→Fe²⁺+·OH

Fe³⁺+H₂O₂+hv→Fe²⁺+H⁺+·OH

Fe³⁺+H₂O₂→Fe²⁺+HO₂·+H⁺

因此，添加紫外光照，可以促进芬顿反应的进行，紫外光照射可以促进H₂O₂溶液的分解，生成·OH，并且紫外光照可促进Fe³⁺向Fe²⁺的转化，加快芬顿反应的进行，提高芬顿反应液与金刚石晶片的反应效率，可进一步降低工件表面的硬度，降低了划痕加工的难度。

本实施例还采用了光催化反应液，光催化反应液在紫外光的照射下可发生光催化。光催化的原理是利用光来激发二氧化钛等化合物半导体，利用它们产生的电子和空穴来参加氧化-还原反应。光催化反应与芬顿反应有相互促进的作用。其原理为光照TiO₂光催化剂激发出大量的e^-，而芬顿反应的产物Fe³⁺得到电子后生成Fe²⁺，再促进芬顿反应的进行。带正电的空穴h⁺能够与水反正产生大量的H⁺和·OH，而H⁺又能够与芬顿反应产物OH^-反应生成H₂O。根据化学平衡移动原理，上述反应的进行又能够促进光催化反应的进行。因此，混合溶液产生的·OH的浓度要远远高于单独光催化反应和单独芬顿反应的总和。反应机理如下所示：

TiO₂+hv→e^－+h⁺

Fe³⁺+e^－→Fe²⁺

h⁺+H₂O→H⁺+·OH

Fe²⁺+H₂O₂→Fe³⁺+OH^-+·OH

H⁺+OH^-→H₂O。

因此，同时采用芬顿反应液和光催化反应液，并用紫外光照射，极大地提高了与金刚石晶片反应的效率，使金刚石晶片表面生成硬度低、结合强度低的氧化层，便于划痕的加工。本实施例的芬顿反应液为Fe₃O₄和H₂O₂的混合液。光催化反应液为光催化剂、电子捕捉剂、去离子水和H₂O₂的混合液，光催化反应液的pH值为3～5，且光催化剂的粒径为10nm～100nm，光催化剂的浓度为4g/L。光催化剂可采用TiO₂、ZnO、SnO₂等。

另外，紫外光除了可以促进上述芬顿反应和光催化反应，还能够使单晶金刚石表面电子发生跃迁，产生电子-空穴对，进而与大气中的氧气和水分子结合生成·OH和氧自由基·O，从而氧化金刚石表面的碳原子生成CO和CO₂而被去除，增强金刚石表面活性和氧化，进一步降低金刚石表面硬度。可选地，金刚石的带隙能量为5.45eV，因此可以由波长小于225nm的紫外线照射来激发。本实施例可采用波长范围在200nm～225nm、金刚石晶片表面的光照强度在200mW/cm2～400mW/cm2的的紫外光照射金刚石表面，对金刚石表面产生光化学反应，促进工具头在金刚石晶片表面加工出划痕。

进一步地，本实施例通过工具头与金刚石晶片的表面接触来加工划痕，工具头能够发生催化并降低金刚石化学反应活化能、加速金刚石晶片氧化的材料，对金刚石晶片具有催化作用，可降低金刚石化学反应活化能，增强金刚石表面活性和氧化，提高划痕加工效率。采用能够发生催化并降低金刚石化学反应活化能、加速金刚石晶片氧化的材料制成的工具头，其通过摩擦以机械或热化学的方法去除非金刚石碳，而金刚石碳转化为石墨，以此氧化金刚石，降低金刚石表面的硬度，达到材料去除的目的，更加方便加工划痕。本实施例的工具头可采用铁、镍、铝、铬、锰、钴、铜等制成。

此外，本实施例的工具头在加工划痕时，其自身做旋转运动，较高的转速有助于在金刚石晶片表面快速加工出划痕，并且钻削时加工处的温度较高，促进金刚石活化能降低产生石墨层从而减小金刚石表面硬度，提高加工效率。本实施例的工具头旋转速度为的3000rpm-10000rpm。并且，在加工划痕时，工具头与金刚石晶片的表面倾斜接触，工具头与金刚石晶片的表面的夹角为10°～80°，更容易切入金刚石晶片中，快捷而有效地加工划痕。另外，本实施例的工具头具有尖端，使工具头在金刚石晶片表面加工时，接触点相当于一个点接触，加工时有较大的压强，并且接触点由于工具头的旋转有较高的线速度，便于在金刚石表面加工出划痕；同时，工具头在加工过程中易磨损，加工时根据磨损情况对工具头磨损部位进行切除、修整，以便进一步加工，降低加工成本。

S2、测量步骤S1加工处理的划痕的深度h₀。如图3所示。

本实施例利用台阶仪、轮廓仪等测量仪器对抛光前的划痕轮廓与划痕深度进行测量，并且多次测量取平均值，以减小测量误差。测量划痕轮廓有助于检测划痕加工情况，方便调整芬顿反应液、光催化反应液的配比以及紫外光的参数。另外，还利用扫描电镜观察划痕的形貌，研究不同的反应液对划痕形貌的影响，探索划痕加工效果最佳的反应液。

S3、对金刚石晶片具有划痕的表面进行抛光，记录抛光所用的时间t。如图4所示。

本实施例的抛光方法可采用机械抛光或化学机械抛光，选择需要评价的抛光方法。在抛光前对加工了划痕的金刚石晶片进行清洗，避免划痕加工的反应液和紫外光对抛光结果产生影响。

S4、测量金刚石晶片抛光后的划痕的深度h。如图5所示。

本实施例利用台阶仪等测量仪器对抛光后的划痕轮廓与划痕深度进行测量，并且多次测量取平均值，以减小测量误差。

S5、根据MRR＝(h₀-h)/t计算材料去除率MRR。如图6所示。

其中，，MRR为材料去除率，单位为nm/h；h为抛光前划痕的深度，单位为nm；h₀为抛光后划痕的深度，单位为nm；t为抛光加工时间，单位为h。

本实施例可在金刚石晶片上同时加工出多条划痕，可根据上述多条划痕计算平均材料去除率。

实施例二

如图7所示，本实施例提供一种金刚石晶片抛光的材料去除率计算系统，用于实现实施例一的方法，包括：

工件固定装置100，用于固定金刚石晶片工件200；

划痕加工装置300，用于在金刚石晶片工件200的表面加工划痕；

划痕测量装置，用于测量金刚石晶片工件200表面划痕；

金刚石晶片表面抛光装置，用于对金刚石晶片工件200的表面进行抛光；

处理装置400，处理装置400与划痕加工装置300、划痕测量装置和金刚石晶片表面抛光装置均通信连接，处理装置400用于接收划痕测量装置和金刚石晶片表面抛光装置的信号，并根据划痕测量装置测量的划痕深度和金刚石晶片表面抛光装置的加工时间进行材料去除率的计算。

通过划痕加工装置300、划痕测量装置和金刚石晶片表面抛光装置与处理装置400通讯连接，使处理装置400控制划痕加工装置300对工件固定装置100上固定的金刚石晶片工件200进行划痕的加工，控制划痕测量装置对划痕进行轮廓和深度的测量，控制金刚石晶片表面抛光装置加工了划痕后的金刚石晶片工件200进行加工；处理装置400可接收划痕加工装置300、划痕测量装置和金刚石晶片表面抛光装置的信号，对划痕测量装置和金刚石晶片表面抛光装置传输的数据进行处理。本实施例的处理装置400采用芯片。

进一步地，本实施例的系统还包反应液供应装置和紫外光发生装置，反应液供应装置用于将芬顿反应液和光催化反应液输送到金刚石晶片工件200的表面，紫外光发生装置用于产生紫外光并照射在金刚石晶片工件200的表面。通过增加芬顿反应液和光催化反应液以及添加紫外光照射，可增强金刚石晶片工件200表面活性和氧化，进一步降低金刚石晶片工件200表面硬度，方便划痕的加工。反应液供应装置包括用于第一蠕动泵、第二蠕动泵、盛装芬顿反应液的第一反应液瓶和用于盛装光催化反应液的第二反应液瓶，第一蠕动泵的输入口通过管道与第一反应液瓶连通，第二蠕动泵的输入口通过管道与第二反应液瓶连通，且第一蠕动泵和第二蠕动泵的出口均连接有延伸至金刚石晶片工件200上方的管道，第一蠕动泵和第二蠕动泵与处理装置400通讯连接，处理装置400通过控制第一蠕动泵和第二蠕动泵来控制芬顿反应液和光催化反应液的用量。紫外光发生装置包括括紫外光发生器、光纤和紫外光发射头，紫外光发生器通过光纤与紫外光发射头连接，紫外光发射头设有复眼透镜，紫外光发射头发出紫外光照射在金刚石晶片工件200上。

本实施例的系统还包括机架500，工件固定装置100和划痕加工装置300均连接在机架500上，划痕加工装置300位于工件固定装置100的上方，

工件固定装置100包括工件盘110、X轴运动机构120和Y轴运动机构130，工件盘110用于装夹金刚石晶片工件200，工件盘110连接在Y轴运动机构130上，Y轴运动机构130用于带动工件盘110沿Y轴方向移动，Y轴运动机构130连接在X轴运动机构120上，X轴运动机构120用于带动工件盘110沿X轴方向移动，X轴运动机构120连接在机架500上。通过X轴运动机构120和Y轴运动机构130可带动金刚石晶片工件200沿两个垂直的方向移动，可调整金刚石晶片工件200的位置，对准划痕加工装置300。本实施例的X轴运动机构120包括X轴丝杆驱动器121、X轴丝杆122和X轴滑块123，X轴丝杆122沿X轴方向设置且连接在第一支架124上，X轴丝杆驱动器121连接在第一支架124上，X轴丝杆122的一端与X轴丝杆驱动器121传动连接，X轴丝杆驱动器121为电机，X轴丝杆驱动器121带动X轴丝杆122转动，X轴滑块123套接在X轴丝杆122上且与X轴丝杆122螺纹连接，Y轴运动机构130连接在X轴滑块123上。Y轴运动机构130包括Y轴丝杆驱动器、Y轴丝杆和Y轴滑块，Y轴丝杆沿Y轴方向设置，即与X轴丝杆122垂直，Y轴丝杆连接在第二支架上，第二支架安装于X轴滑块123上，Y轴丝杆驱动器连接在第二支架上，Y轴丝杆的一端与Y轴丝杆驱动器传动连接，Y轴丝杆驱动器为电机，Y轴丝杆驱动器带动Y轴丝杆转动，Y轴滑块套接在Y轴丝杆上且与Y轴丝杆122螺纹连接，工件盘110安装于Y轴滑块上。

划痕加工装置300包括工具头310、旋转机构320、偏摆机构330、升降机构340和安装块350，升降机构340包括升降主轴341和升降驱动器342，升降主轴341与机架500连接且沿竖直方向设置，升降驱动器342连接在机架500上，升降主轴341的一端与升降驱动器342传动连接，升降驱动器342为电机，升降主轴341为丝杆，升降驱动器342带动升降主轴341转动，安装块350连接在升降主轴341上且可沿升降主轴341的长度方向移动，安装块350套接在升降主轴341上且与升降主轴341上螺纹连接；

偏摆机构330包括偏摆主轴331和偏摆驱动器332，偏摆主轴331沿水平方向设置，偏摆主轴331的一端与安装块350连接，且偏摆主轴331可饶其自身轴线转动，偏摆驱动器332为电机，偏摆主轴331为丝杆，偏摆驱动器332连接在安装块350上，偏摆主轴331与偏摆驱动器332的输出轴连接；

旋转机构320包括旋转主轴321和旋转驱动器322，旋转主轴321与偏摆主轴331垂直，且旋转主轴321可绕其自身轴线转动地连接在偏摆主轴331的另一端，工具头310连接在于旋转主轴321的底端，工具头310与旋转主轴321同轴设置，旋转驱动器322为电机，旋转主轴321与旋转驱动器322的输出轴连接。

工具头310采用能够发生催化并降低金刚石化学反应活化能、加速金刚石晶片氧化的材料制成，对金刚石晶片具有催化作用，可降低金刚石化学反应活化能，增强金刚石表面活性和氧化，提高划痕加工效率。采用加速金刚石晶片氧化反应的催化材料制成的工具头310，其通过摩擦以机械或热化学的方法去除非金刚石碳，而金刚石碳转化为石墨，以此氧化金刚石，降低金刚石表面的硬度，达到材料去除的目的，更加方便加工划痕。本实施例的工具头310可采用铁、镍、铝、铬、锰、钴、铜等制成。由于金刚石晶片工件200的尺寸一般较小，工具头310直径一般选取1～3mm,铁棒直径过大容易划出较大划痕，导致后续抛光加工测量材料去除率计算结果不准确。本实施例的工具头310具有尖端，使工具头310在金刚石晶片工件200表面加工时，接触点相当于一个点接触，加工时有较大的压强，并且接触点由于工具头310的旋转有较高的线速度，便于在金刚石晶片工件200表面加工出划痕；同时，工具头310在加工过程中易磨损，加工时根据磨损情况对工具头310磨损部位进行切除、修整，以便进一步加工，降低加工成本。另外，X轴丝杆122、Y轴丝杆和升降主轴341的丝杆传动精度要到大0.01-0.05mm。

进一步地，金刚石晶片表面抛光装置连接在机架500上，金刚石晶片表面抛光装置位于工件固定装置100的上方，且划痕加工装置300和金刚石晶片表面抛光装置均可沿靠近或远离工件固定装置100的方向移动，使划痕加工装置300移动到工件固定装置100的正上方，对金刚石晶片工件200加工完划痕后，划痕加工装置300离开工件固定装置100的正上方，接着由金刚石晶片表面抛光装置移动到工件固定装置100的正上方，对具有划痕的金刚石晶片工件200进行抛光，可免除工件的安装拆卸，提高自动化程度，且提高效率。本实施例的划痕加工装置300和金刚石晶片表面抛光装置可沿Y轴方向移动地连接在机架500上。

本实施例的工作过程为：在工件盘110上装夹完金刚石晶片工件200，X轴丝杆驱动器121和Y轴丝杆驱动器工作，带动X轴丝杆122和Y轴丝杆转动，使X轴滑块123和Y轴滑块分别沿X轴方向和Y轴方向移动，使金刚石晶片工件200位于工具头310的正下方。划痕加工装置300的偏摆机构330工作，偏摆驱动器332驱动偏摆主轴331转动，使工具头310与竖直方向成一定夹角，进而使工具头310在加工时倾斜与金刚石晶片工件200的表面接触。旋转机构320工作，旋转驱动器322带动旋转主轴321绕自身轴线转动，进而带动工具头310转动。接着，升降机构340工作，升降驱动器342带动升降主轴341转动，使安装块350下降，工具头310切入金刚石晶片工件200中，然后X轴运动机构120或Y轴运动机构130工作，带动金刚石晶片工件200沿X轴方向或Y轴方向移动，加工出一条划痕。

综上，本发明实施例提供一种金刚石晶片抛光的材料去除率计算方法，其通过在未抛光的金刚石晶片工件的表面先加工出划痕，根据划痕在抛光前后的深度来计算材料去除率，划痕深度变化测量更加直观方便，且测量结果准性高、精度高，进而使材料去除率的计算准确性高，且划痕加工以及划痕深度测量方便，便于金刚石晶片抛光方法优劣的评价。另外，本发明实施例还提供一种实现上述方法的一种金刚石晶片抛光的材料去除率计算系统，包括用于固定金刚石晶片工件200的工件固定装置100、用于加工划痕的划痕加工装置300、对金刚石晶片工件200进行抛光的金刚石晶片表面抛光装置、用于将芬顿反应液和光催化反应液输送到金刚石晶片工件200上的反应液供应装置、用于发生紫外光的紫外光发生装置以及用于进行数据处理的处理装置400。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种金刚石晶片抛光的材料去除率计算方法，其特征在于，包括：

S1、在未抛光的金刚石晶片的表面加工划痕；先配置芬顿反应液和光催化反应液，将芬顿反应液和光催化反应液均输送到金刚石晶片的表面，然后通过紫外光照射该金刚石晶片的表面一段时间，最后在该金刚石晶片的表面上加工划痕；通过工具头与金刚石晶片的表面接触来加工划痕，工具头采用能够发生催化并降低金刚石化学反应活化能、加速金刚石晶片氧化的材料；工具头采用铁或镍或铝或铬或锰或钴或铜制成；

S2、测量步骤S1加工处理的划痕的深度h₀；

S3、对金刚石晶片具有划痕的表面进行抛光，记录抛光所用的时间t；

S4、测量金刚石晶片抛光后的划痕的深度h；

S5、根据MRR＝(h₀-h)/t计算材料去除率MRR；

芬顿反应液为Fe₃O₄和H₂O₂的混合液；光催化反应液为光催化剂、电子捕捉剂、去离子水和H₂O₂的混合液，光催化反应液的pH值为3～5，且光催化剂的粒径为10nm～100nm，光催化剂的浓度为4g/L；光催化剂采用TiO₂、ZnO、SnO₂；

采用波长范围在200nm～225nm、金刚石晶片表面的光照强度在200mW/cm²～400mW/cm²的紫外光照射金刚石表面，对金刚石表面产生光化学反应，促进工具头在金刚石晶片表面加工出划痕；

工具头在加工划痕时，其自身做旋转运动，较高的转速有助于在金刚石晶片表面快速加工出划痕，并且钻削时加工处的温度较高，促进金刚石活化能降低产生石墨层从而减小金刚石表面硬度，提高加工效率；工具头旋转速度为3000rpm-10000rpm；在加工划痕时，工具头与金刚石晶片的表面倾斜接触，工具头与金刚石晶片的表面的夹角为10°～80°，更容易切入金刚石晶片中，快捷而有效地加工划痕；工具头具有尖端，使工具头在金刚石晶片表面加工时，接触点相当于一个点接触，加工时有较大的压强，并且接触点由于工具头的旋转有较高的线速度，便于在金刚石表面加工出划痕。

2.一种金刚石晶片抛光的材料去除率计算系统，其特征在于，包括：

工件固定装置(100)，用于固定金刚石晶片工件(200)；

划痕加工装置(300)，用于在金刚石晶片工件(200)的表面加工划痕；所述划痕加工装置(300)包括工具头(310)，所述工具头(310)为铁或镍或铝或铬或锰或钴或铜制成的工具头；

划痕测量装置，用于测量金刚石晶片工件(200)表面的划痕；

金刚石晶片表面抛光装置，用于对金刚石晶片工件(200)的表面进行抛光；

处理装置(400)，所述处理装置(400)与所述划痕加工装置(300)、所述划痕测量装置和所述金刚石晶片表面抛光装置均通信连接，所述处理装置(400)用于接收所述划痕测量装置和所述金刚石晶片表面抛光装置的信号，并根据所述划痕测量装置测量的划痕深度和所述金刚石晶片表面抛光装置的加工时间进行材料去除率的计算；

还包反应液供应装置和紫外光发生装置，反应液供应装置用于将芬顿反应液和光催化反应液输送到金刚石晶片工件(200)的表面，紫外光发生装置用于产生紫外光并照射在金刚石晶片工件(200)的表面，通过增加芬顿反应液和光催化反应液以及添加紫外光照射，可增强金刚石晶片工件(200)表面活性和氧化，进一步降低金刚石晶片工件(200)表面硬度，方便划痕的加工；反应液供应装置包括用于第一蠕动泵、第二蠕动泵、盛装芬顿反应液的第一反应液瓶和用于盛装光催化反应液的第二反应液瓶，第一蠕动泵的输入口通过管道与第一反应液瓶连通，第二蠕动泵的输入口通过管道与第二反应液瓶连通，且第一蠕动泵和第二蠕动泵的出口均连接有延伸至金刚石晶片工件(200)上方的管道，第一蠕动泵和第二蠕动泵与处理装置(400)通讯连接，处理装置(400)通过控制第一蠕动泵和第二蠕动泵来控制芬顿反应液和光催化反应液的用量；紫外光发生装置包括括紫外光发生器、光纤和紫外光发射头，紫外光发生器通过光纤与紫外光发射头连接，紫外光发射头设有复眼透镜，紫外光发射头发出紫外光照射在金刚石晶片工件(200)上；先配置芬顿反应液和光催化反应液，将芬顿反应液和光催化反应液均输送到金刚石晶片的表面，然后通过紫外光照射该金刚石晶片的表面一段时间，最后在该金刚石晶片的表面上加工划痕；通过工具头与金刚石晶片的表面接触来加工划痕，工具头采用能够发生催化并降低金刚石化学反应活化能、加速金刚石晶片氧化的材料；工具头采用铁或镍或铝或铬或锰或钴或铜制成；芬顿反应液为Fe₃O₄和H₂O₂的混合液；光催化反应液为光催化剂、电子捕捉剂、去离子水和H₂O₂的混合液，光催化反应液的pH值为3～5，且光催化剂的粒径为10nm～100nm，光催化剂的浓度为4g/L；光催化剂采用TiO₂、ZnO、SnO₂；

采用波长范围在200nm～225nm、金刚石晶片表面的光照强度在200mW/cm²～400mW/cm²的的紫外光照射金刚石表面，对金刚石表面产生光化学反应，促进工具头在金刚石晶片表面加工出划痕；通过工具头与金刚石晶片的表面接触来加工划痕，工具头在加工划痕时，其自身做旋转运动，较高的转速有助于在金刚石晶片表面快速加工出划痕，并且钻削时加工处的温度较高，促进金刚石活化能降低产生石墨层从而减小金刚石表面硬度，提高加工效率；工具头旋转速度为的3000rpm-10000rpm；在加工划痕时，工具头与金刚石晶片的表面倾斜接触，工具头与金刚石晶片的表面的夹角为10°～80°，更容易切入金刚石晶片中，快捷而有效地加工划痕；工具头具有尖端，使工具头在金刚石晶片表面加工时，接触点相当于一个点接触，加工时有较大的压强，并且接触点由于工具头的旋转有较高的线速度，便于在金刚石表面加工出划痕。

3.根据权利要求2所述的金刚石晶片抛光的材料去除率计算系统，其特征在于，还包括机架(500)，所述工件固定装置(100)和划痕加工装置(300)均连接在机架(500)上，所述划痕加工装置(300)位于所述工件固定装置(100)的上方，

所述工件固定装置(100)包括工件盘(110)、X轴运动机构(120)和Y轴运动机构，所述工件盘(110)用于装夹金刚石晶片工件(200)，所述工件盘(110)连接在所述Y轴运动机构上，所述Y轴运动机构用于带动所述工件盘(110)沿Y轴方向移动，所述Y轴运动机构连接在所述X轴运动机构(120)上，所述X轴运动机构(120)用于带动所述工件盘(110)沿X轴方向移动，所述X轴运动机构(120)连接在所述机架(500)上；

所述划痕加工装置(300)还包括旋转机构(320)、偏摆机构(330)、升降机构(340)和安装块(350)，所述升降机构(340)包括升降主轴(341)，所述升降主轴(341)与所述机架(500)连接且沿竖直方向设置，所述安装块(350)连接在所述升降主轴(341)上且可沿所述升降主轴(341)的长度方向移动，

所述偏摆机构(330)包括偏摆主轴(331)，所述偏摆主轴(331)沿水平方向设置，所述偏摆主轴(331)的一端与所述安装块(350)连接，且所述偏摆主轴(331)可饶其自身轴线转动，

所述旋转机构(320)包括旋转主轴(321)，所述旋转主轴(321)与所述偏摆主轴(331)垂直，且所述旋转主轴(321)可绕其自身轴线转动地连接在所述偏摆主轴(331)的另一端，所述工具头(310)连接在于所述旋转主轴(321)的底端。

4.根据权利要求2所述的金刚石晶片抛光的材料去除率计算系统，其特征在于，所述金刚石晶片表面抛光装置连接在机架(500)上，所述金刚石晶片表面抛光装置位于所述工件固定装置(100)的上方，且所述划痕加工装置(300)和所述金刚石晶片表面抛光装置均可沿靠近或远离所述工件固定装置(100)的方向移动。

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