CN113681168B

CN113681168B - 一种利用脉冲激光烧蚀均匀化加工金刚石膜表面的方法

Info

Publication number: CN113681168B
Application number: CN202111061525.2A
Authority: CN
Inventors: 朱建辉; 徐钰淳; 王宁昌; 师超钰; 赵延军
Original assignee: Zhengzhou Research Institute for Abrasives and Grinding Co Ltd
Current assignee: Zhengzhou Research Institute for Abrasives and Grinding Co Ltd
Priority date: 2021-09-10
Filing date: 2021-09-10
Publication date: 2023-07-28
Anticipated expiration: 2041-09-10
Also published as: CN113681168A

Abstract

本发明涉及一种利用脉冲激光烧蚀均匀化加工金刚石膜表面的方法：对金刚石膜表面进行清洁净化处理；将聚碳硅烷微粉和金属氧化物微粉混合均匀获得混合微粉，然后使用二乙烯基苯作为溶剂和交联剂，配制成涂料；所述金属氧化物由ZrO、Al₂O₃、ZnO和MgO混合组成；采用喷涂的方式将涂料均匀涂布于金刚石膜表面，涂布完成后固化成膜，即在金刚石膜表面获得金属氧化物涂层；对涂覆有金属氧化物涂层的金刚石膜表面进行脉冲激光烧蚀。该方法解决了激光直接照射CVD多晶金刚石膜表面时由于存在晶界影响导致金刚石表面激光吸收不均匀、产生凹凸不平的表面缺陷甚至崩口等问题。

Description

一种利用脉冲激光烧蚀均匀化加工金刚石膜表面的方法

技术领域

本发明属于激光加工和表面处理技术领域，具体涉及一种利用脉冲激光烧蚀均匀化加工金刚石膜表面的方法。

背景技术

金刚石具有极高的硬度、良好的化学稳定性、高热传导率、高弹性模量、大电阻、宽带隙、较宽的透光波段（从红外到紫外）及低摩擦系数等优越的物理化学、光学和热学性质，被视为 21 世纪最有发展前途的工程材料，在高科技领域具有广泛的应用前景。然而，由于金刚石膜硬度非常高、脆性大、化学性能稳定，在采用机械接触式加工方法加工金刚石时，容易使其表面产生划痕、破碎、残余应力高等缺陷，而且加工效率极低的问题始终存在。因此，解决金刚石晶圆抛光平坦化技术，尤其是大尺寸CVD金刚石晶圆的超精密无损伤抛光平坦化加工已成为金刚石晶圆在高新技术领域得到广泛应用的瓶颈问题。

随着近些年来金刚石加工技术的不断研究，以及激光加工领域技术的不断进步，尤其是大功率超短脉冲激光器的发展，使得激光加工金刚石成为一种可能，激光加工技术作为一种非接触式加工方法，其灵活度高、加工过程中没有机械力作用，不易使材料发生破碎，并且能够得到相当高的加工效率，非常适用于加工金刚石等硬脆性材料。

CVD多晶金刚石膜生长衬底多采用金刚石微粉抛光后的单晶硅或其他衬底材料，对于异质外延生长的CVD多晶金刚石膜在其长晶的过程可以分为三个阶段：（1）成核阶段，薄膜先是生成独立分布的核；（2）生成岛屿状；（3）岛屿连成致密的连续膜。生长完成后在多晶金刚石膜成核面会得到一个致密的且粗糙度极低的光滑表面。在后续使用激光的方式降低表面粗糙度和平坦化加工时，若激光直接烧蚀金刚石成核面，光滑的金刚石膜表面对激光有着高的反射率，且对于多晶金刚石在其不同晶界上对激光光源的吸收率不同，会导致激光直接加工多晶金刚石膜时会产生凹凸不平的表面缺陷甚至崩口，严重影响金刚石膜表面质量及金刚石膜后续工艺加工效率。基于此，本发明主要提出一种利用脉冲激光烧蚀均匀化加工金刚石膜表面的方法。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术缺陷，提供一种利用脉冲激光烧蚀均匀化加工金刚石膜表面的方法，该方法解决了激光直接照射CVD多晶金刚石膜表面时由于存在晶界影响导致金刚石表面激光吸收不均匀、产生凹凸不平的表面缺陷甚至崩口等问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用脉冲激光烧蚀均匀化加工金刚石膜表面的方法，其包括如下步骤：

1）对CVD多晶金刚石膜表面进行清洁净化处理；

2）将聚碳硅烷（PCS）微粉和金属氧化物微粉混合均匀获得混合微粉，然后使用二乙烯基苯（DVB）作为溶剂和交联剂，配制成涂料；所述金属氧化物由ZrO、Al₂O₃、ZnO和MgO混合组成；

3）采用喷涂的方式将涂料均匀涂布于金刚石膜表面，涂布完成后通过固化程序使涂层固化成膜，即在金刚石膜表面获得金属氧化物涂层；每次涂布固化后测量其厚度；

4）对涂覆有金属氧化物涂层的金刚石膜表面进行脉冲激光烧蚀。利用脉冲激光烧蚀金刚石表面的金属氧化物涂层使其升温，通过金刚石高温碳化作用使得金属氧化物涂层下方的金刚石表面生成均匀、易去除的石墨层。

进一步的，步骤2）中，所述金属氧化物由等质量比的ZrO、Al₂O₃、ZnO和MgO混合组成；金属氧化物微粉粒度为1-10μm。

具体的，步骤2）中，聚碳硅烷微粉和金属氧化物微粉的质量比为1-2:1。

进一步的，步骤2）中，混合微粉和二乙烯基苯的质量比为1：0.5~0.7。

具体的，步骤3）中，采用普通空气喷涂法进行喷涂，空气压力为0.4MPa；喷涂完毕后，在室温放置5~8小时，然后在140~180℃下烘烤7~10小时固化成膜；通过测量控制涂层厚度为20~40μm。

进一步的，在步骤4）中，由于脉冲激光工作时是以产生不连续的能量脉冲的方式使被加工表面气化或融化从而达到材料去除的目的，因此本发明方法中脉冲激光烧蚀加工金刚石膜采用预设扫描路径结合工件进给的方式实现金刚石膜整个区域的加工。根据金刚石膜形状及尺寸，设置激光器参数以及工件进给速率，合适的，设置激光器平均功率为20w~50w；通过调节激光器扫描速度、脉冲重复频率调节激光光斑扫描方向上的重叠率，合适的激光器光斑重叠率宜为75%~98%；通过调节金刚石膜样品进给速度来调节相邻扫描路径之间的重叠率，合适地，设置金刚石膜样品进给速度为40~100m/min。

针对激光加工金刚石膜成核面存在加工不均匀的技术问题，本发明主要开发了一种基于金属氧化物涂层的激光烧蚀金刚石膜表面均匀化方法，该方法工艺简单，利用该方法形成的金刚石膜表面的金属氧化物涂层能将金刚石对激光的吸收率从10%~20%提高到90%。对CVD金刚石膜成核面表面进行预处理形成均匀的金属氧化物涂层，通过激光烧蚀金属氧化物涂层使金刚石膜与涂层结合面温度升高到1300度以上，使金刚石膜表面碳原子由sp3杂化的金刚石态转变为sp2杂化厚度均匀的石墨层，从而解决了激光直接照射CVD多晶金刚石膜表面时因存在晶界影响导致金刚石表面激光吸收不均匀的问题。

和现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1）金属氧化物涂层制备工艺操作简单，且激光加工后涂层去除较为容易；

2）在涂料中添加金属氧化物使涂层对激光的吸收率大大提高，且加入氧化锆后涂层烧蚀阈值高，可承受1500度以上高温；

3）经过表面预处理之后的CVD多晶金刚石膜在激光的烧蚀下，各区域温度变化具有较好的一致性。激光加工后CVD多晶金刚石膜表面碳化层分布均匀，避免了激光直接加工CVD多晶金刚石膜时，由于不同晶界上对激光光源的吸收率不同导致激光烧蚀后不同位置温度变化不一致产生表面缺陷，且有效的提高了激光的利用效率。

附图说明

图1 为本发明利用脉冲激光烧蚀均匀化加工金刚石膜表面的方法的流程图；

图2 为激光加工金刚石膜方法示意图；图中：1、金属氧化物涂层，2、金刚石膜，3、激光光束，4、激光光斑路径；

图3分别为激光直接加工（左）、以及使用本发明方法进行激光加工（右）获得的金刚石表面效果对比图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。

下述实施例中，所用原料均为可以直接购买到的普通市售产品，或者可以采用本领域常规方法制备获得。

实施例1

一种利用脉冲激光烧蚀均匀化加工金刚石膜表面的方法（工艺流程见图1），其包括如下步骤：

1）对CVD多晶金刚石膜表面进行清洁净化处理：

首先将金刚石膜（尺寸为10mm×10mm）放置到盛有无水乙醇的烧杯中，利用超声清洗机清洗10分钟，将金刚石膜用无尘布去除金刚石表面多余乙醇，晾干备用。通过净化去除金刚石表面油污及灰尘提高金刚石与金属氧化物涂层结合力；

2）将聚碳硅烷（PCS）微粉和金属氧化物微粉按质量比1.5:1混合，利用三维混料机将微粉混合均匀，混料时间为2h，获得混合微粉。所述金属氧化物由等质量比的ZrO、Al₂O₃、ZnO和MgO混合组成；金属氧化物微粉粒度为1-10μm；

3）使用二乙烯基苯（DVB）作为溶剂和交联剂，将混合微粉放入二乙烯基苯中，混合微粉和二乙烯基苯的质量比为1：0.6。混合后使用磁力搅拌将二者混合均匀，搅拌时间为40min。配制获得涂料；

4）采用普通空气喷涂的方式将涂料均匀涂布于金刚石膜表面，喷涂空气压力为0.4MPa。喷涂完毕后，在室温放置5小时，然后在160℃下烘烤8h使涂层固化成膜，即在金刚石膜表面获得金属氧化物涂层。重复喷涂-固化过程，经过多次喷涂-固化，每次固化后使用超声波涂层测厚仪测量涂层厚度，控制最终涂层总厚度在40μm；

5）对涂覆有金属氧化物涂层的金刚石膜表面进行脉冲激光烧蚀。将涂覆有金属氧化物涂层的金刚石膜固定在激光器加工平台上，利用脉冲激光烧蚀金刚石表面的金属氧化物涂层使其升温，通过金刚石高温碳化作用使得金属氧化物涂层下方的金刚石表面生成均匀的易去除石墨层。脉冲激光辐照采用预设扫描路径结合工件进给的方式进行，具体为：调节激光焦距使激光聚焦至涂层表面，根据金刚石膜形状及尺寸，设置激光器参数，合适的，设置激光器平均功率为50w；通过设置激光器扫描速度为1000mm/s、脉冲重复频率为20kHz、调节激光器光斑叠率为97.5%，同时设置金刚石膜样品的进给速度为100m/min对金刚石膜进行激光烧蚀。此采用本领域常规技术进行即可，因不是本申请的创新之所在，故此不再详述，具体加工方式如图2所示。

金刚石膜表面的金属氧化物涂层，经过50W激光烧蚀5min后，涂层出现烧蚀现象，但表面完好未脱落，继续烧蚀20min，涂层烧蚀程度进一步加深。此时停止烧蚀，待金刚石膜冷却至室温，取下，使用砂纸将烧蚀后的金属氧化物涂层及已经高温石墨化的金刚石表层打磨去除，得到了质量较好的金刚石表面，经检测使用此激光直接烧蚀加工金刚石表面粗糙度Ra在7~20μm，使用本发明方法进行激光加工金刚石表面粗糙度Ra在1~4μm。

图3分别给出了采用激光直接加工（左）、以及使用本发明方法进行激光加工（右）获得的金刚石表面效果对比。由图3可以看出，采用本发明方法对金刚石膜进行加工，可以得到较均匀的金刚石膜表面。

Claims

1.一种利用脉冲激光烧蚀均匀化加工金刚石膜表面的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）对金刚石膜表面进行清洁净化处理；

2）将聚碳硅烷微粉和金属氧化物微粉混合均匀获得混合微粉，然后使用二乙烯基苯作为溶剂和交联剂，配制成涂料；所述金属氧化物由ZrO、Al₂O₃、ZnO和MgO混合组成；

3）采用喷涂的方式将涂料均匀涂布于金刚石膜表面，涂布完成后固化成膜，即在金刚石膜表面获得金属氧化物涂层；

4）对涂覆有金属氧化物涂层的金刚石膜表面进行脉冲激光烧蚀；

步骤2）中，所述金属氧化物由等质量比的ZrO、Al₂O₃、ZnO和MgO混合组成；金属氧化物微粉粒度为1-10μm；

利用该方法形成的金刚石膜表面的金属氧化物涂层能将金刚石对激光的吸收率从10%~20%提高到90%。

2.如权利要求1所述利用脉冲激光烧蚀均匀化加工金刚石膜表面的方法，其特征在于，步骤2）中，聚碳硅烷微粉和金属氧化物微粉的质量比为1-2:1。

3.如权利要求1所述利用脉冲激光烧蚀均匀化加工金刚石膜表面的方法，其特征在于，步骤2）中，混合微粉和二乙烯基苯的质量比为1：0.5~0.7。

4.如权利要求1所述利用脉冲激光烧蚀均匀化加工金刚石膜表面的方法，其特征在于，步骤3）中，采用普通空气喷涂法进行喷涂，空气压力为0.4MPa；喷涂完毕后，在室温放置5~8小时，然后在140~180℃下烘烤7~10小时固化成膜；控制涂层厚度为20~40μm。

5.如权利要求1所述利用脉冲激光烧蚀均匀化加工金刚石膜表面的方法，其特征在于，步骤4）中，脉冲激光烧蚀采用预设扫描路径结合工件进给的方式进行，激光器平均功率为20w~50w；激光器光斑重叠率为75%~98%，金刚石膜样品的进给速度为40~100m/min。