CN1654158A - 一种球面高质量大面积金刚石厚膜的抛光方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光微加工领域。目的在于克服机械抛光、热铁板抛光等方法出现的速率慢、易损伤等缺点。首先进行金刚石膜生长面的抛光，形核面为基准面；将膜用粘结剂固定在能实现三维运动的弧面抛光台上，抛光台的弧面与金刚石的弧面吻合；调整Nd:YAG激光的焦点光斑落在金刚石膜的表面，并调整激光的入射角；摆动轴与弧面圆心重合后，使抛光台旋转和摆动，用Nd:YAG激光进行粗抛光，并适时调整抛光台高度；当测得的平均表面粗糙度Ra介于5～20um时，改用ArF准分子激光进行精抛光；4).当生长面表面粗糙度达到5～20nm时，便停止抛光，并取下金刚石膜；重复以上步骤进行形核面的抛光。本发明对金刚石膜的损伤小，抛光过程噪音小，设备结构简单，易操作。

Description

一种球面高质量大面积金刚石厚膜的抛光方法及装置
技术领域
本发明是高质量自支撑金刚石厚膜的抛光方法及装置，属于激光微加工领域。
背景技术
目前，国内所用导弹红外制导窗口在3～5μm波段采用热压MgF2，在8～14μm波段采用热压ZnS，因以上材料由于强度低、热导性能差，已不适用更高性能的高速拦截导弹。而对于CO2激光窗口材料，目前国外普遍采用ZnSe窗口，而国内则采用GaAs窗口，这两种窗口材料都具有明显的热透镜效应(即材料的折射率随温度的变化而变化)，因在较高输出功率下光束质量变差。
在所有的红外材料中，金刚石是唯一一种综合了透光性、耐热冲击性并对雨滴和固体粒子冲击以及化学腐蚀高度耐久性的材料。现在，可以用CVD(化学气相沉积)的方法来制备高质量、大面积、不同厚度的自支撑金刚石膜，这是天然金刚石所很难实现的。CVD金刚石已经达到了天然金刚石的几乎所有特性。而且，高质量CVD金刚石的红外透过性能可以与IIa型天然金刚石的非常接近。总之，CVD金刚石膜所具有的优异光学性能、最高的硬度和弹性模量、很高的断裂强度、最高热导率、极低热膨胀系数和极佳化学稳定性的组合使其成为最理想的红外光学材料。
球面高质量自制撑膜是采用等离子体化学气相沉积(CVD)的方法制备的。因为高质量金刚石膜具有非常优良的性质，如高硬度、高的热导率、高的红外透过率、极低的热膨胀系数等。因此可以用来制作高马赫数导弹红外制导窗口(8～14um)和高功率CO2激光器(10.6um)窗口材料。目前，能够成功制备这种不同形状和尺寸的金刚石膜材料。由于制备的金刚石膜有较大的表面粗糙度，并且厚度不均匀，在许多应用场合需要表面抛光。因为金刚石膜的光学应用需要较高的光洁度，在实际的生产中还需要较高的抛光速率。
化学气相沉积金刚石膜的形核面为光滑面，而生长面是粗糙面，当金刚石膜的厚度达到2mm左右时，生长面金刚石颗粒大小在50～200um，因此表面相当粗糙。金刚石是自然界最硬的材料，传统的抛光方法(机械抛光、热铁板抛光、化学辅助机械抛光等)存在抛光速率慢、易压坏、疲劳开裂等缺点。接触法抛光需要在样品上施加外力，金刚石膜在外力的作用下很容易破裂。激光抛光方法无疑是一种最为理想的抛光方法，是一种典型的非接触加工，使用高能量密度的激光加热金刚石膜表面，使膜表面以下零点几微米到几微米深度的金刚石迅速被加热到蒸发温度使其蒸发，而达到抛光的目的。抛光速率快且不会对金刚石膜造成压力破坏。激光是一种快速、廉价的铲平/抛光金刚石膜的方法，并且对抛光表面没有化学污染。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效、无损伤的金刚石自支撑厚膜的抛光方法与设备，克服机械抛光、热铁板抛光等方法出现的速率慢、易损伤等缺点。
本发明提供了一种球面高质量大面积金刚石厚膜的抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
1).首先进行球面金刚石膜生长面的抛光，形核面为基准面；将球面金刚石膜用粘结剂固定在能实现三维运动的弧面抛光台上，抛光台的弧面与金刚石的弧面吻合；
2).调整Nd:YAG激光的焦点光斑落在金刚石膜的表面，并调整激光的入射角，入射角一般在30～60°下抛光达到较满意的抛光效果；调整摆动轴与弧面圆心重合后，使抛光台旋转和摆动，用Nd:YAG激光能量密度为4～10J/cm2时进行粗抛光，并适时调整抛光台的高度；
3).测金刚石膜的粗糙度；当测得的平均表面粗糙度Ra介于5～20um时，改用ArF准分子激光进行精抛光，抛光时的能量密度为3～7J/cm2；
4).当生长面表面粗糙度达到5～20nm时，便停止抛光，并取下金刚石膜；
5).以抛光面为基准面，进行金刚石膜形核面的抛光，重复以上1)-4)步骤。
本发明提供了一种球面高质量大面积金刚石厚膜的抛光方法所用装置，其特征在于，依次包括：由激光器1和聚焦透镜2组成的光路系统、抛光台3和调速电机7和变极多速电机8组成的抛光系统构成，抛光台3和两个上述电机相联接实现三维运动，调速电机7实现抛光台3的转动，变极多速电机8实现抛光台3的摆动。
本发明的有益效果是：对金刚石膜的损伤小，不会出现抛光裂纹，能实现金刚石膜表面的均匀抛光，并且抛光过程基本没有大的机械震动噪音，设备结构简单，易操作。
将抛光台改为平面，实现抛光台的旋转和平动，本发明的方法可用于平面金刚石膜窗口的粗抛和精抛。
附图说明
图1是激光(Nd:YAG激光和准分子激光)抛光球面高质量金刚石自支撑膜的示意图。
其中：1-激光器，2-聚焦透镜，3-抛光台，4-精密轴承，5-支撑台，6-连轴器，7-调速电机，8-变极多速电机
具体实施方式
结合图1对激光抛光球面高质量金刚石自支撑膜进行说明。
1.首先进行金刚石膜生长面的抛光，形核面为基准面；将厚度为2mm的球面金刚石膜用502胶固定在能实现三维运动的弧面抛光台上，抛光台的弧面与金刚石的弧面吻合；
2.调整Nd:YAG激光的焦点光斑落在金刚石膜的表面，并激光的入射角调整为45°；调整摆动轴与弧面圆心重合后，使抛光台旋转和摆动，用Nd:YAG激光能量密度为8J/cm2时进行粗抛光，并适时调整抛光台的高度；
3.测金刚石膜的粗糙度；当测得的平均表面粗糙度(Ra)为10um时，改用ArF准分子激光进行精抛光，能量密度为5J/cm2；
4.当生长面表面粗糙度达到5nm时，便停止抛光，用丙酮将502胶溶解后，取下金刚石膜；
5.以抛光面为基准面，进行金刚石膜形核面的抛光，重复以上步骤。
粗抛和精抛都使用图1的原理图。调整激光器1(Nd:YAG激光和准分子激光)处于良好的工作状态，调整聚焦透镜2的相对位置。在抛光台3上安放需要抛光的球面金刚石膜，抛光台3与要抛光的金刚石膜的接触弧面吻合，便于粘结剂固定。抛光台3与支撑台5的连接靠精密轴承4实现。为提高抛光精度，安装后的金刚石膜的抛光弧面圆心应落在支撑台5摆动轴心。调速电机7通过联轴器6与抛光台3的回转轴连接，并通过螺栓固定在支撑台5侧面，开动调速电机7实现抛光台3的旋转。变极多速电机8与抛光台3支撑轴联接，开动变极多速电机8实现抛光台3的摆动。
为了证明本发明的效果，利用本发明的技术抛光了10件样品，未出现膜的开裂现象，合格率为100％，质量稳定，抛光后的光洁度达到20nm左右。

Claims (2)

1、一种球面高质量大面积金刚石厚膜的抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
1).首先进行球面金刚石膜生长面的抛光，形核面为基准面；将球面金刚石膜用粘结剂固定在能实现三维运动的弧面抛光台上，抛光台的弧面与金刚石的弧面吻合；
2).调整Nd:YAG激光的焦点光斑落在金刚石膜的表面，并调整激光的入射角，入射角为30～60°；调整摆动轴与弧面圆心重合后，使抛光台旋转和摆动，用Nd:YAG激光能量密度为4～10J/cm2时进行粗抛光，并适时调整抛光台的高度；
3).测金刚石膜的粗糙度；当测得的平均表面粗糙度Ra介于5～20um时，改用ArF准分子激光进行精抛光，抛光时的能量密度为3～7J/cm2；
4).当生长面表面粗糙度达到5～20nm时，便停止抛光，并取下金刚石膜；
5).以抛光面为基准面，进行金刚石膜形核面的抛光，重复以上1)-4)步骤。
2、根据权利要求1所述的抛光方法所用装置，其特征在于，依次包括：由激光器(1)和聚焦透镜(2)组成的光路系统、抛光台(3)和调速电机(7)和变极多速电机(8)组成的抛光系统构成，抛光台(3)和两个上述电机相联接实现三维运动，其中调速电机(7)实现抛光台(3)的转动，变极多速电机(8)实现抛光台(3)的摆动。
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