CN113831845A - 一种可见光辅助金刚石化学机械抛光液及抛光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可见光辅助金刚石化学机械抛光方法，属于超硬材料超精密加工领域。抛光液由磨料、氧化剂、可见光光催化剂、去离子水构成。在可见光光源照射下，使用抛光液对金刚石进行化学机械抛光，可见光光源置于抛光盘正上方10‑20cm处，抛光盘(垫)为玻璃盘或者聚氨酯抛光垫，抛光盘(垫)转速50‑70r/min，抛光压力为1‑2MPa，抛光液流量为10‑20ml/min。抛光后金刚石表面粗糙度可达0.250‑0.354nm。本发明实现了金刚石的高效率超光滑化学机械抛光。相较于传统抛光方法，晶体表面粗糙度降低，抛光效率提升。相较于紫外光辅助化学机械方法，使用设备结构简单，实用性强。

Description

一种可见光辅助金刚石化学机械抛光液及抛光方法
技术领域
本发明属于超硬材料超精密加工技术领域，涉及到一种可见光辅助金刚石化学机械抛光液及抛光方法。
背景技术
金刚石出色的力学、热学、光学、声学、电学和化学特性使它被应用于超精密加工以及光学、声学和微电子等领域。这些领域的应用都对金刚石的加工精度和表面质量有很高的要求，由于金刚石的高硬度、高脆性、高化学稳定性等特性，使其成为极难加工的材料。因此实现金刚石高效超精密加工制造显得至关重要。
目前提高金刚石表面质量的加工方法有机械抛光、热化学抛光、离子束抛光、化学机械抛光等。机械抛光的抛光效率低，表面损伤层厚度高，质量差。热化学抛光加工设备复杂，抛光盘磨损和热变形问题严重。等离子体蚀刻后，单晶金刚石表面表现出明显的凹坑。相比之下，化学机械抛光处理后的表面粗糙度低。化学机械抛光是目前抛光金刚石的最好方法。但目前化学机械抛光存在抛光质量差、抛光效率低、污染环境等问题。此外目前有金刚石晶片紫外光辅助化学机械抛光的加工装置及工艺，但此装置和工艺复杂，用于工业生产较为困难。因此，研制高质量、高效率、环保的金刚石化学机械抛光方法对相关产业具有重要的实际意义。
发明内容
为解决金刚石传统化学机械抛光方法抛光质量差、抛光效率低、污染环境等问题，本发明提供了一种可见光辅助金刚石化学机械抛光方法，实现了金刚石的高效率超光滑绿色化学机械抛光。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种可见光辅助金刚石化学机械抛光液，其成分包含磨料、氧化剂、可见光催化剂和去离子水。室温下，将氧化剂、磨料和去离子水混合后搅拌均匀，超声设备中震荡10min得到抛光液的A组分，其中，A组分中：氧化剂的浓度为15wt％～25wt％，磨料浓度为0.04～0.08g/ml，粒径为0～0.25μm、0.5～1μm、1～3μm，去离子水的重量百分比为67％～81％。室温下，将可见光催化剂和去离子水混合后搅拌均匀，超声设备中震荡10min得到抛光液的B组分其中，B组分中：可见光催化剂的浓度为0.02667～0.2667g/l。AB组分同时滴加能够用于抛光金刚石。
进一步的，所述的氧化剂为过氧化氢。
进一步的，所述的磨料为二氧化硅、金刚石、氧化铈、氧化铝、氮化硼中的一种或几种。优选为金刚石。
进一步的，所述的可见光催化剂为ZnO-Fe2O3、氧化铈、铁酸镧、二氧化钛掺杂钴、二氧化钛掺杂纳米金刚石、铜铁水滑石掺杂纳米金刚石中的一种或几种。
一种可见光辅助金刚石化学机械抛光方法，包含以下歩骤：
第一步，配置化学机械抛光液；
室温下，将氧化剂、磨料和去离子水混合后搅拌均匀，超声设备中震荡10min后得到抛光液的A组分。室温下，将可见光催化剂和去离子水混合后搅拌均匀，超声设备中震荡10min得到抛光液的B组分。
第二步，采用玻璃盘或者聚氨酯抛光垫作为化学机械抛光盘(垫)；
第三步，在可见光光源照射下，同时向抛光盘(垫)表面滴加抛光液的A、B组分，对金刚石进行化学机械抛光，其中，抛光盘(垫)转速50-70r/min，抛光压力为1-2MPa，抛光液A、B组分的流量相同，为10-20ml/min，抛光后金刚石表面粗糙度可达0.250-0.354nm。其中，可见光光源置于抛光盘正上方10-20cm处。
进一步的，所述的抛光垫为玻璃盘。
上述技术方案也可以用于石英、蓝宝石晶体、硅片、钨合金材料的化学机械抛光。
本发明的效果和益处是：采用本发明的可见光辅助化学机械抛光方法抛光金刚石。1)相较于传统抛光方法，金刚石表面粗糙度降低，抛光速率快，绿色环保；2)相较于紫外光辅助化学机械抛光方法，装置简单，实用性强。
附图说明
图1为采用本发明用ZygoNewView 9000白光干涉仪测量的金刚石晶体抛光后的表面粗糙度图测量图。
图2为采用本发明用ZygoNewView 9000白光干涉仪测量的金刚石晶体抛光后的表面粗糙度图测量图。
图3为采用本发明用ZygoNewView 9000白光干涉仪测量的金刚石晶体抛光后的表面粗糙度图测量图。
具体实施方式
下面通过具体实例对本发明作进一步阐述，但不应解释为限制本发明的范围。
实施例1：
1)配置抛光液A、B组分。其中，A组分中：过氧化氢的浓度为20wt％，金刚石微粉浓度为0.06g/ml，粒径为0.5～1μm，去离子水的重量百分比为74％，混合后搅拌均匀超声设备中震荡10min。其中，B组分中：ZnO-Fe2O3的浓度为0.1334g/l，超声设备中震荡10min。
2)采用尺寸
Figure BDA0003327235280000031
、表面粗糙度Ra10nm玻璃盘作为抛光盘，抛光前用去离子水冲洗。
3)用支架将100w白炽灯泡架在抛光盘正上方15cm处，在可见光光源照射下，抛光液A、B组分同时滴加对单晶金刚石晶体进行化学机械抛光；其中，抛光设备为自动压力研磨抛光机，设置抛光压力为1MPa，抛光盘转速50r/min，A、B组分的流量均为10ml/min。
抛光后金刚石表面粗糙度为0.282nm。(见附图1)
实施例2：
1)配置抛光液A、B组分。其中，A组分中：过氧化氢的浓度为15wt％，金刚石微粉浓度为0.04g/ml，粒径为0～0.25μm，去离子水的重量百分比为81％，混合后搅拌均匀超声设备中震荡10min。其中，B组分中：二氧化钛掺杂纳米金刚石的浓度为0.02667g/l，超声设备中震荡10min。
2)采用尺寸
Figure BDA0003327235280000041
、表面粗糙度Ra10nm玻璃盘作为抛光盘，抛光前用去离子水冲洗。
3)用支架将100w白炽灯泡架在抛光盘正上方10cm处，在可见光光源照射下，抛光液A、B组分同时滴加对单晶金刚石晶体进行化学机械抛光；其中，抛光设备为自动压力研磨抛光机，设置抛光压力为1.5MPa，抛光盘转速60r/min，A、B组分的流量均为15ml/min。
抛光后金刚石表面粗糙度为0.250nm。(见附图2)
实施例3：
1)配置抛光液A、B组分。其中，A组分中：过氧化氢的浓度为25wt％，金刚石微粉浓度为0.08g/ml，粒径为1～3μm，去离子水的重量百分比为67％，混合后搅拌均匀超声设备中震荡10min。其中，B组分中：铜铁水滑石掺杂纳米金刚石的浓度为0.2667g/l，超声设备中震荡10min。
2)采用尺寸
Figure BDA0003327235280000042
、表面粗糙度Ra10nm玻璃盘作为抛光盘，抛光前用去离子水冲洗。
3)用支架将100w白炽灯泡架在抛光盘正上方20cm处，在可见光光源照射下，抛光液A、B组分同时滴加对单晶金刚石晶体进行化学机械抛光；其中，抛光设备为自动压力研磨抛光机，设置抛光压力为2MPa，抛光盘转速70r/min，A、B组分的流量均为20ml/min。
抛光后金刚石表面粗糙度为0.354nm。(见附图3)
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种可见光辅助金刚石化学机械抛光液，其特征在于，所述的机械抛光液的成分包含磨料、氧化剂、可见光催化剂和去离子水，包括A组分、B组分，AB组分同时滴加能够用于抛光金刚石；
所述的A组分由氧化剂、磨料和去离子水混合后搅拌均匀而成，A组分中：氧化剂的浓度为15wt％～25wt％，磨料浓度为0.04～0.08g/ml，粒径为0～0.25μm、0.5～1μm、1～3μm，去离子水的重量百分比为67％～81％；
所述的B组分由可见光催化剂和去离子水混合后搅拌均匀而成，B组分中：可见光催化剂的浓度为0.02667～0.2667g/l。
2.根据权利要求1所述的一种可见光辅助金刚石化学机械抛光液，其特征在于，所述的氧化剂为过氧化氢。
3.根据权利要求1所述的一种可见光辅助金刚石化学机械抛光液，其特征在于，所述的磨料为二氧化硅、金刚石、氧化铈、氧化铝、氮化硼中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种可见光辅助金刚石化学机械抛光液，其特征在于，所述的的可见光催化剂为ZnO-Fe2O3、氧化铈、铁酸镧、二氧化钛掺杂钴、二氧化钛掺杂纳米金刚石、铜铁水滑石掺杂纳米金刚石中的一种或几种。
5.一种采用权利要求1-4任一所述的抛光液实现的可见光辅助金刚石化学机械抛光方法，其特征在于，包含以下歩骤：
第一步，配置化学机械抛光液；
室温下，将氧化剂、磨料和去离子水混合后搅拌均匀，超声设备中震荡后得到抛光液的A组分；室温下，将可见光催化剂和去离子水混合后搅拌均匀，超声设备中震荡后得到抛光液的B组分；
第二步，采用玻璃盘或者聚氨酯抛光垫作为化学机械抛光盘/垫；
第三步，在可见光光源照射下，同时向抛光盘/垫表面滴加抛光液的A、B组分，对金刚石进行化学机械抛光，其中，抛光盘/垫转速50-70r/min，抛光压力为1-2MPa，抛光液A、B组分的流量相同，为10-20ml/min，抛光后金刚石表面粗糙度可达0.250-0.354nm；其中，可见光光源置于抛光盘正上方10-20cm处。
6.根据权利要求5所述的可见光辅助金刚石化学机械抛光方法，其特征在于，第一步所述的超声设备震荡时间为10min。
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