一种化学机械法金刚石膜抛光装置及其抛光方法

摘要

本发明公开了一种化学机械法金刚石膜抛光装置及其进行金刚石膜抛光的方法，该装置包括电机(2)、传动组件(1)、相互配合并可以连接传动的套筒套轴组件(8)以及它们之间的可以进行压缩的弹簧(9)、金刚石膜装夹组件(14)、抛光底盘(6)、绝缘隔热材料(7)、温控器(10)、温度热电偶(13)、继电器(12)、加热器件(5)及可升降工作台(15)；该发明可以对抛光的压力，转速，温度等参数进行调节，在不同条件下对金刚石膜进行抛光，装置可以实现金刚石膜的一次性精密抛光，最后的粗糙度和平整度都比较好，本装置结构简单，占地空间小，可以一次性进行精密级抛光，抛光精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及了一种化学机械法金刚石膜抛光装置及其进行金刚石膜抛光的方法。

背景技术

金刚石及金刚石膜是具有良好的机械性能和化学性能的一种优秀的工程结构材料和功能材料，在诸多领域具有非常广阔的应用前景。但是天然金刚石在自然界中存储量极少，所以人工合成CVD金刚石膜具有很大的应用前景。但是在CVD金刚石膜的沉积过程中会因为晶体沿着某些晶面的择优生长，导致厚度不均、颗粒大小不等、表面粗糙度过大(一般在几微米到几十微米)等问题。而且金刚石膜的硬度高，化学性能稳定，厚度较薄，在平整加工(抛光)中金刚石膜极易发生破裂，因此金刚石膜的抛光问题已成为扩大金刚石膜应用的关键技术之一。目前存在很多对金刚石膜进行抛光的方法，但是由于抛光所达到的粗糙度和平整度，以及成本等因素使得各方法都不尽理想。本发明专利提出了一种化学机械抛光装置及抛光方法，可以实现在较低温度下对金刚石膜进行化学机械法抛光，抛光所达到的粗糙度和平整度能达到较高的水平，抛光效率也相对之前的化学机械法抛光有很大提高。而且本装置结构简单，抛光成本低，占地空间小。可以为抛光少量金刚石膜提供实验研究，也给大规模金刚石膜的抛光和平整化提供可能性和可行性。

发明内容

本发明的目的是提供一个结构简单新颖，占地空间小，操作简单方便，对环境条件要求不高的可以对金刚石膜进行化学机械抛光的装置及其进行金刚石膜抛光的方法，它可以精密抛光金刚石膜，最后获得低的粗糙度和极高的表面平整度。

本发明的化学机械法金刚石膜抛光装置，包括电机2、传动组件1、相互配合并可以连接传动的套筒套轴组件8以及它们之间的可以进行压缩的弹簧9、金刚石膜装夹组件14、抛光底盘6、绝缘隔热材料7、温控器10、温度热电偶13、继电器12、加热器件5及可升降工作台15；上述电机2及其传动组件1与套筒套轴组件8的上端相连接，金刚石膜装夹组件14与套筒套轴组件8的下端相连接，抛光底盘6与可升降工作台15之间隔有绝缘隔热材料7，抛光底盘6中还装有加热器件5，加热器件5过导线16与温控器10、继电器12及温度热电偶13相连接。

上述套筒套轴组件8与金刚石膜装夹器14之间由一个运动轴3连接。

上述抛光底盘6平面与金刚石膜研磨中心轴线方向垂直。

上述电机2使用无极变速电机。

上述抛光底盘6表面开有均匀微细沟槽。

上述抛光底盘6的旁边有加热用的孔。

上述抛光底盘6可以选用铸铁或者低碳钢也可以采用Al₂O₃研磨盘。

上述抛光底盘6相对于金刚石膜装夹器14的回转轴线在水平方向上的运动轨迹应和抛光底盘6在长度方向上的中线对应。

本发明的抛光方法，包括如下步骤：

1)在抛光底盘6上添加适量氧化剂NaNO₃、KNO₃及LiNO₃，将温控器10上的加热温度设定，接通电源对抛光底盘6进行加热，在抛光底盘上的氧化剂熔融成液态之后，启动电机2；

2)调整可升降工作台15的高度，弹簧9被压缩，金刚石膜4对抛光底盘6产生压力；可升降工作台15可以在水平方向上做直线运动，使得整个抛光底盘6能够均匀地对金刚石膜4进行抛光；

3)在加入氧化剂的同时可以加入适量CrO₃、SiO₂等添加剂以增加抛光金刚石膜的效率和质量。

上述步骤1)中加热温度设定在150℃至500℃。

上述步骤1)中有两种情况：

a)当测温电偶13测出的温度高于之前设定的温度时，温控器10断开继电器12加热停止；

b)当温度低于之前设定的温度时，温控器10接通继电器12开始对抛光底盘加热。

上述步骤中2)中金刚石膜4上压强为0.05～2MP。

本发明的有益效果是结构简单实用而且能够对化学机械抛光法的各种参数进行调节以满足不同抛光情况的需要。

附图说明

图1为本发明的金刚石膜抛光装置结构示意图；

其中

1-传动组件  2-电机  3-运动轴  4-金刚石膜  5-加热器件

6-抛光底盘  7-绝缘隔热材料  8-套筒套轴组件  9-弹簧  10-温控器

11-继电器控制线  12-继电器  13-温度热电偶  14-金刚石膜装夹组件

15-可升降工作台  16-导线

具体实施方式：

本发明的化学机械法金刚石膜抛光装置，包括电机2、传动组件1、相互配合并可以连接传动的套筒套轴组件8以及它们之间的可以进行压缩的弹簧9、金刚石膜装夹组件14、抛光底盘6、绝缘隔热材料7、温控器10、温度热电偶13、继电器12、加热器件5、可升降工作台15；上述电机2及其传动组件1与套筒套轴组件8的上端相连接，金刚石膜装夹组件14与套筒套轴组件8的下端相连接，抛光底盘6与可升降工作台15之间隔有绝缘隔热材料7，抛光底盘6中还装有加热器件5，加热器件5通过导线16与温控器10、继电器12及温度热电偶13相连接。套筒套轴组件8与金刚石膜装夹器14之间由一个运动轴3连接。抛光底盘6平面与金刚石膜研磨中心轴线方向垂直。电机2使用无极变速电机。上述金刚石膜装夹器14回转轴线和抛光底盘6的中线对应。抛光底盘6表面均匀开有微细沟槽。抛光底盘6的旁边有加热用的孔。抛光底盘6可以选用铸铁或者低碳钢也可以采用Al₂O₃研磨盘。

抛光时的主运动由电机带动套筒套轴旋转来实现，可以通过调节其输入电流工作频率进而调整其速度可实现0-10m/min的速度调节，抛光线速度一般不超过10m/min。将抛光所用氧化剂添加在抛光底盘中，也可以适当加入一些微细磨料或者释氧材料增加抛光效率。和金刚石膜直接接触的抛光底盘可以是平整面，也可以在其上开一些微细沟槽以加大金刚石膜接触氧化剂的机会。抛光底盘可以选用铸铁或者低碳钢也可以采用Al₂O₃研磨盘，除了化学和机械作用外金刚石中的碳原子同时也向铸铁或低碳钢扩散达到抛光效果。

1.温度的调节：通过一个热电偶对抛光底盘进行测量，在利用一个温控器来控制继电器的断开与接通。进而可以控制加热器件的通电与否而对抛光底盘的温度进行调节。

2.压力的调节：压力的大小由套筒套轴之间的弹簧进行调节。升高或者降低可升降工作台来调节弹簧的压缩量(在金刚石和抛光底盘接触之后)就可以增大或者缩小抛光底盘对金刚石膜的正压力。压力大小可以在0.05-2MPa之间进行调节。

3.旋转速度的调节：采用无级调速电机，通过控制频率控制电机转速从而达到控制金刚石膜的抛光转速。或者采用一般电机外接一个通用变频器组合也可以达到同样的效果。

下面将描述本发明抛光方法的几个实施例，但本发明的内容完全不局限于此。

实例一：在抛光底盘上添加适量的氧化剂NaNO₃、KNO₃、LiNO₃，以及适量的SiO₂。将温控器上的加热温度设定在150℃，接通电源对抛光底盘进行加热，在抛光底盘上的氧化剂熔融成液态之后，启动无级调速电机，将其转速设定在15r/min，此时调整可升降工作台提升其高度，通过对弹簧压缩量的调节，调整金刚石膜对抛光底盘的压力为0.6MPa。

实例二：在抛光底盘上添加适量氧化剂KNO₃和LiNO₃，将温控器上的加热温度设定在250℃，接通电源对抛光底盘进行加热，在抛光底盘上的氧化剂熔融成液态之后，启动无级调速电机，将其转速设定在50r/min，此时调整可升降工作台提升其高度，调节弹簧的压缩量使金刚石膜对抛光底盘的压强为0.8Mpa，在抛光过程中加入适量的CrO₃。

实例三：在抛光底盘上添加适量氧化剂NaNO₃，将温控器上的加热温度设定在450℃，接通电源对抛光底盘进行加热，在抛光底盘上的氧化剂熔融成液态之后，启动无级调速电机，将其转速设定在75r/min，此时调整可升降工作台提升其高度，调节弹簧的压缩量使金刚石膜对抛光底盘的压强为1.2MPa。