CN115229647B - 一种飞秒激光辅助抛光金刚石的装置及其抛光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种飞秒激光辅助抛光金刚石的装置及其抛光方法，它包括第一机台、第二机台和控制装置，第一机台能沿水平X轴移动，第二机台能沿形成正交体系的X、Y、Z轴移动并能绕Z轴转动，第一机台上设有用于装接金刚石工件的加装装置，第二机台上装接有测距传感器和飞秒激光烧蚀装置，第二机台上还装接有用于磨抛金刚石工件的磨抛砂轮，控制装置与该第一机台、第二机台、测距传感器及飞秒激光烧蚀装置信号连接并能控制该第一机台、第二机台在相应的自由度内动作以及与该测距传感器和飞秒激光烧蚀装置形成数据交互。该抛光方法包括金刚石表面平坦化过程和去石墨化过程。它具有如下优点：提高加工效率，提高加工质量。

Description

一种飞秒激光辅助抛光金刚石的装置及其抛光方法
技术领域
本发明涉及一种飞秒激光辅助抛光金刚石的装置及其抛光方法。
背景技术
多晶金刚石具有高热导率、高击穿场强、禁带宽度大、电子饱和漂移速率高，以及耐高温、抗辐射和化学稳定性好等优良理化特性，因而被广泛应用于半导体材料领域。由于金刚石具有很高的硬度和极为稳定的结构，而多晶金刚石通常是全晶质多晶圆薄膜，内含少量的石墨碳、非晶碳和氢气等杂志，多晶金刚石的晶体通常沿某些晶面择优生长，因而多晶圆薄膜表面凹凸不平，粗糙度Ra值一般在几百到上千纳米，在磨削减薄和抛光工序上较其他种类金刚石更加困难，不经加工处理很难满足一些技术要求。多晶金刚石硬度非常高，化学性能稳定，不与一般的酸、碱等腐蚀介质发生反应，厚度较薄，因此在抛光加工时，不仅效率低，且极易发生金刚石衬底的破裂、损伤或剥落，所以解决多晶金刚石衬底的抛光问题已成为多晶金刚石衬底应用的关键技术之一。当前对多晶金刚石的加工，通常使用机械研磨或抛光，其面临的问题是，高材料去除率下，很难保证晶圆薄膜的亚表面损伤小、表面粗糙度低，追求小亚表面损伤和低表面粗糙度，那么材料去除率很难达到预期。
中国专利数据库公告了CN201811415381.4一种激光辅助抛光CVD金刚石的方法，根据金刚石材料特性选择合适的激光类型，再进行激光烧蚀仿真并进行激光粗抛，最后使用抛光盘进行机械抛光去除石墨层和微裂纹。该加工方法过程复杂，不能实现激光烧蚀和磨抛加工一体化，加工效率低，磨抛后表面和亚表面仍有一定程度的损伤，有进一步改进之需求。
发明内容
本发明提供了一种飞秒激光辅助抛光金刚石的装置及其抛光方法，其克服了背景技术中所述的现有技术的不足。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：
一种飞秒激光辅助抛光金刚石的装置，它包括第一机台、第二机台和带有控制器的控制装置，该第一机台能沿水平X轴移动，该第二机台能沿形成正交体系的X、Y、Z轴移动并能绕Z轴转动，该第一机台上设有用于装接金刚石工件的加装装置，该第二机台上装接有测距传感器和飞秒激光烧蚀装置，且该测距传感器的测距信号发出端及飞秒激光烧蚀装置的激光输出端均朝向第一机台，该第二机台上还装接有用于磨抛金刚石工件的磨抛砂轮，该控制装置与该第一机台、第二机台、测距传感器及飞秒激光烧蚀装置信号连接并能控制该第一机台、第二机台在相应的自由度内动作以及与该测距传感器和飞秒激光烧蚀装置形成数据交互。
一实施例之中：该第一机台能绕垂直于X轴的Z轴转动。
一实施例之中：该加装装置为带真空吸附结构并通过真空吸附方式将金刚石工件装接在第一机台上的真空吸附装置。
一实施例之中：该第二机台上设有聚焦物镜，该聚焦物镜位于该飞秒激光烧蚀装置的激光输出端的前侧。
一实施例之中：该飞秒激光烧蚀装置与测距传感器和第二机台的转动轴均设在近该第二机台水平向的中间位置，该加装装置设在该第一机台水平向的中间位置。
一实施例之中：具有两个磨抛砂轮，分别设在该第二机台的水平方向的两侧。
一实施例之中：还包括用于校准磨抛砂轮高度的砂轮高度校准装置，该砂轮高度校准装置通过升降结构安装在该第一机台上。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：
如上所述的飞秒激光辅助抛光金刚石的装置抛光金刚石的方法，包括金刚石表面平坦化过程和去石墨化过程：
金刚石表面平坦化过程为：测距传感器扫描装接在第一机台加装装置上的金刚石工件表面以获取金刚石工件表面各采样点Z轴高度，并反馈给控制装置，控制装置根据测距传感器反馈的测量数据自动计算飞秒激光烧蚀装置的加工参数，飞秒激光烧蚀装置对金刚石工件表面进行加工，如此，通过测距传感器对金刚石工件表面的重复测量及飞秒激光烧蚀装置的重复加工，直至金刚石工件表面各采样点的最大Z轴方向高度差和表面粗糙度在要求范围内；
去石墨化过程为：测距传感器扫描经平坦化的金刚石工件表面以获取金刚石表面Z轴方向的最高高度，调整第一机台和/或第二机台使得磨抛砂轮对准飞秒激光烧蚀后的金刚石工件，通过砂轮高度校准装置将磨抛砂轮调节至初始高度，校准后，控制装置根据金刚石表面Z轴方向的最高高度控制第二机台沿Z轴下降到磨抛砂轮的工作高度，根据设置的磨抛砂轮去石墨化加工参数，开始对金刚石工件表面进行磨抛加工，直至金刚石表面无石墨化残留并且表面粗糙度符合要求。
一实施例之中：所述自动计算飞秒激光烧蚀装置加工参数的方法为：测距传感器扫描金刚石工件表面采样点的坐标信息为(xi,yi,zi),xi,yi为采样点的位置坐标，zi为采样点的高度信息，扫描完成后对zi进行数据分析，取最小的若干个zi值的平均值作为加工后的高度基准，控制装置根据该高度基准计算飞秒激光烧蚀不同采样点应采取的加工功率。
一实施例之中：所述磨抛砂轮的工作高度为磨抛砂轮的加工面与金刚石工件表面最高点位置距离30μm处的高度。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
1、本发明将飞秒激光的平坦化加工和磨抛砂轮的去石墨化加工集成于一台装置上，实现一体化加工，大大提高了加工效率，降低了加工成本，且整个加工过程几乎无污染。
2、第一机台和第二机台均可绕Z轴旋转，实现自旋转加工，实现金刚石工件的高效精准加工，金刚石表面无烧蚀后石墨化残留，表面和亚表面无明显缺陷和损伤，实现了高质量的金刚石表面加工。
3、飞秒激光烧蚀可以实现对不同形状和种类金刚石表面的精准平坦化，避免了过量加工和加工不足的情况。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为一种飞秒激光辅助抛光金刚石的装置的结构示意图。
图2为飞秒激光辅助抛光金刚石的装置抛光金刚石的方法的步骤图。
具体实施方式
请查阅图1，一种飞秒激光辅助抛光金刚石的装置，它包括第一机台10、第二机台20和带有控制器的控制装置30，该第一机台10能沿水平X轴移动，该第二机台20能沿形成正交体系的X、Y、Z轴移动并能绕Z轴转动，该第一机台10上设有用于装接金刚石工件100的加装装置40，该第二机台20上装接有测距传感器50和飞秒激光烧蚀装置60，且该测距传感器50的测距信号发出端及飞秒激光烧蚀装置60的激光输出端均朝向第一机台10，该第二机台20上还装接有用于磨抛金刚石工件100的磨抛砂轮70，该控制装置30与该第一机台10、第二机台20、测距传感器50及飞秒激光烧蚀装置60信号连接并能控制该第一机台10、第二机台20在相应的自由度内动作以及与该测距传感器50和飞秒激光烧蚀装置60形成数据交互。
为了实现自旋转磨抛加工，该第一机台10能绕垂直于X轴的Z轴转动并受控于该控制装置30转动。
本实施例中，该加装装置40为带真空吸附结构并通过真空吸附方式将金刚石工件100装接在第一机台10上的真空吸附装置。
该第二机台20上设有聚焦物镜80，该聚焦物镜80位于该飞秒激光烧蚀装置60的激光输出端的前侧。该测距传感器50可以采用激光测距传感器。该飞秒激光烧蚀装置60与测距传感器50和第二机台20的转动轴均设在近该第二机台20水平向的中间位置，该加装装置40设在该第一机台10水平向的中间位置，该聚焦物镜80除了位于飞秒激光烧蚀装置60的光路前端，此时还可同时位于该激光测距传感器的激光输出端的前侧。
本实施例中，设有两个磨抛砂轮70，分别设在该第二机台20的水平方向的两侧。
还包括用于校准磨抛砂轮高度的砂轮高度校准装置90，该砂轮高度校准装置90通过升降结构(图中未示出)安装在该第一机台上，当需要校准时，砂轮高度校准装置90沿Z轴向上上升进行校准，当无需校准时，砂轮高度校准装置90下降收藏在第一机台10上。
如上所述的飞秒激光辅助抛光金刚石的装置抛光金刚石的方法，包括金刚石表面平坦化过程和去石墨化过程，请查阅图2：
金刚石表面平坦化过程为：测距传感器50扫描装接在第一机台10加装装置40上的金刚石工件100表面以获取金刚石工件100表面各采样点Z轴高度，并反馈给控制装置30，控制装置30根据测距传感器50反馈的测量数据自动计算飞秒激光烧蚀装置60的加工参数，飞秒激光烧蚀装置60对金刚石工件100表面进行加工，如此，通过测距传感器50对金刚石工件100表面的重复测量及飞秒激光烧蚀装置60的重复加工，直至金刚石工件100表面各采样点的最大Z轴方向高度差和表面粗糙度在要求范围内；
去石墨化过程为：测距传感器50扫描经平坦化的金刚石工件100表面以获取金刚石表面Z轴方向的最高高度，调整第一机台10和/或第二机台20使得磨抛砂轮70对准飞秒激光烧蚀后的金刚石工件100，通过砂轮高度校准装置90将磨抛砂轮70调节至初始高度，校准后，控制装置30根据金刚石表面Z轴方向的最高高度控制第二机台20沿Z轴下降到磨抛砂轮70的工作高度，根据设置的磨抛砂轮70去石墨化加工参数，开始对金刚石工件100表面进行磨抛加工，直至金刚石表面无石墨化残留并且表面粗糙度符合要求。
所述自动计算飞秒激光烧蚀装置60加工参数的方法为：测距传感器50扫描金刚石工件100表面采样点的坐标信息为(xi,yi,zi),xi,yi为采样点的位置坐标，zi为采样点的高度信息，扫描完成后对zi进行数据分析，取最小的若干个zi值的平均值作为加工后的高度基准，控制装置30根据该高度基准计算飞秒激光烧蚀不同采样点应采取的加工功率。
所述磨抛砂轮70的工作高度为磨抛砂轮70的加工面与金刚石工件100表面最高点位置距离30μm处的高度。
一较佳应用实例中，飞秒激光辅助抛光金刚石的装置及方法，步骤如下：
将金刚石工件通过真空吸附装置吸附在第一机台上，通过控制装置调整第一机台和第二机台的中心位置对准；
激光测距传感器扫描金刚石工件表面区域后通过控制装置自动计算飞秒激光烧蚀加工参数，飞秒激光烧蚀装置对金刚石进行第一次加工，激光测距传感器对初加工后金刚石表面进行再次测量，测得金刚石工件表面各采样点的最大Z轴方向高度差7μm，通过控制装置对金刚石表面进行第二次加工，如此重复测量和加工，直至金刚石工件表面各采样点的最大Z轴方向高度差为0-5μm，表面粗糙度在1-1.5μm范围内。
激光测距传感器扫描经平坦化的金刚石工件表面以获取金刚石表面Z轴方向的最高高度，通过控制装置调整第一机台位置，使得第二机台上安装的磨抛砂轮对准飞秒激光烧蚀后的待加工金刚石工件，通过磨抛砂轮高度校准装置对磨抛砂轮高度进行初始化校准，校准后将第二机台沿Z轴方向下降到磨抛砂轮的加工面距离金刚石工件最高点位置的30μm处，通过控制装置设置自旋转去石墨化加工参数，即设置第二机台转速1500rpm、进给速度0.2μm/s、进给量100μm，设第一机台转速301rpm，加工后金刚石表面粗糙度可达2.34nm。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (9)

1.一种飞秒激光辅助抛光金刚石的抛光方法，其特征在于：包括一种飞秒激光辅助抛光金刚石的装置，所述装置包括第一机台、第二机台和带有控制器的控制装置，该第一机台能沿水平X轴移动，该第二机台能沿形成正交体系的X、Y、Z轴移动并能绕Z轴转动，该第一机台上设有用于装接金刚石工件的加装装置，该第二机台上装接有测距传感器和飞秒激光烧蚀装置，且该测距传感器的测距信号发出端及飞秒激光烧蚀装置的激光输出端均朝向第一机台，该第二机台上还装接有用于磨抛金刚石工件的磨抛砂轮，该控制装置与该第一机台、第二机台、测距传感器及飞秒激光烧蚀装置信号连接并能控制该第一机台、第二机台在相应的自由度内动作以及与该测距传感器和飞秒激光烧蚀装置形成数据交互；
所述抛光方法包括金刚石表面平坦化过程和去石墨化过程；
金刚石表面平坦化过程为：测距传感器扫描装接在第一机台加装装置上的金刚石工件表面以获取金刚石工件表面各采样点Z轴高度，并反馈给控制装置，控制装置根据测距传感器反馈的测量数据自动计算飞秒激光烧蚀装置的加工参数，飞秒激光烧蚀装置对金刚石工件表面进行加工，如此，通过测距传感器对金刚石工件表面的重复测量及飞秒激光烧蚀装置的重复加工，直至金刚石工件表面各采样点的最大Z轴方向高度差和表面粗糙度在要求范围内；
去石墨化过程为：测距传感器扫描经平坦化的金刚石工件表面以获取金刚石表面Z轴方向的最高高度，调整第一机台和/或第二机台使得磨抛砂轮对准飞秒激光烧蚀后的金刚石工件，通过砂轮高度校准装置将磨抛砂轮调节至初始高度，校准后，控制装置根据金刚石表面Z轴方向的最高高度控制第二机台沿Z轴下降到磨抛砂轮的工作高度，根据设置的磨抛砂轮去石墨化加工参数，开始对金刚石工件表面进行磨抛加工，直至金刚石表面无石墨化残留并且表面粗糙度符合要求。
2.根据权利要求1所述的一种飞秒激光辅助抛光金刚石的抛光方法，其特征在于：该第一机台能绕垂直于X轴的Z轴转动。
3.根据权利要求1所述的一种飞秒激光辅助抛光金刚石的抛光方法，其特征在于：该加装装置为带真空吸附结构并通过真空吸附方式将金刚石工件装接在第一机台上的真空吸附装置。
4.根据权利要求1所述的一种飞秒激光辅助抛光金刚石的抛光方法，其特征在于：该第二机台上设有聚焦物镜，该聚焦物镜位于该飞秒激光烧蚀装置的激光输出端的前侧。
5.根据权利要求1所述的一种飞秒激光辅助抛光金刚石的抛光方法，其特征在于：该飞秒激光烧蚀装置与测距传感器和第二机台的转动轴均设在靠近该第二机台水平向的中间位置，该加装装置设在该第一机台水平向的中间位置。
6.根据权利要求1所述的一种飞秒激光辅助抛光金刚石的抛光方法，其特征在于：具有两个磨抛砂轮，分别设在该第二机台的水平方向的两侧。
7.根据权利要求1所述的一种飞秒激光辅助抛光金刚石的抛光方法，其特征在于：还包括用于校准磨抛砂轮高度的砂轮高度校准装置，该砂轮高度校准装置通过升降结构安装在该第一机台上。
8.根据权利要求1所述的一种飞秒激光辅助抛光金刚石的抛光方法，其特征在于：所述自动计算飞秒激光烧蚀装置加工参数的方法为：测距传感器扫描金刚石工件表面采样点的坐标信息为(xi，yi，zi)，xi，yi为采样点的位置坐标，zi为采样点的高度信息，扫描完成后对zi进行数据分析，取最小的若干个zi值的平均值作为加工后的高度基准，控制装置根据该高度基准计算飞秒激光烧蚀不同采样点应采取的加工功率。
9.根据权利要求1所述的一种飞秒激光辅助抛光金刚石的抛光方法，其特征在于：所述磨抛砂轮的工作高度为磨抛砂轮的加工面与金刚石工件表面最高点位置距离30μm处的高度。
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