一种降低金刚石材料表面粗糙度的方法

技术领域

本发明涉及超硬材料表面加工领域，具体涉及一种降低金刚石材料表面粗糙度的方法。

背景技术

金刚石优异的物理化学性能使其受到广泛应用领域的青睐，但由于金刚石极高的硬度和良好的耐磨性，使得利用传统的加工技术对金刚石的表面进行处理显得非常困难。

一般而言，多晶金刚石膜经过长时间的生长，所形成的尺寸不同晶面各异的大晶粒及晶界，造成了多晶金刚石膜表面较高的表面粗糙度。单晶金刚石经过较长时间的同质外延生长后，形成于单晶金刚石四周的多晶环也会显著提高单晶金刚石生长面的表面粗糙度。

利用激光对金刚石材料进行加工，能获得较高的效率，但单纯的经过激光切割后的金刚石材料，也会因其切割面存在切割纹，而形成较高的表面粗糙度。

目前，对金刚石材料的表面加工主要采取的是机械研磨或者化学机械研磨的方式，但这两种加工方式极易对金刚石材料造成损伤甚至是破裂，且加工的时间较长，在面对大面积多晶金刚石厚膜，以及单晶金刚石的批量加工时，上述两种常用的加工方法所得到的产品良品率较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种降低金刚石材料表面粗糙度的方法，以克服上述现有技术中的不足。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种降低金刚石材料表面粗糙度的方法，包括如下步骤：

S1、将金刚石放置在真空腔体中的基片台上；

S2、水平射入激光，确定加工工艺过程；

S3、向真空腔体中通入工作气体，在金刚石上方激发等离子体；

S4、在等离子体放电区域内施加径向磁场；

S5、调整激光功率为高功率，同时使高功率激光在水平位置做往复位移，并执行加工工艺过程，以使金刚石被去除降低金刚石表面粗糙度所需要去除的厚度，停止基片台；

S6、关闭激光和磁场，熄灭等离子体，切断通入的工作气体，放空腔体，取出金刚石；

S7、检测金刚石表面粗糙度是否达到预期要求，若没有达到预期要求，则重复S1～S6，若达到预期要求，则加工结束。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，加工工艺过程确定方法如下：

设定基片台的初始位置；

通过基片台调整金刚石在轴向上的位置，以使金刚石表面的最高处与激光接触；

通过基片台继续在轴向上升高金刚石，直到金刚石继续升高的高度等于降低金刚石表面粗糙度所需要去除的厚度，然后将基片台复位；

将整个过程设为加工工艺过程，以及设定加工工艺过程的时间及基片台的升高速率。

进一步，确定加工工艺过程中的激光为10-150mW的毫瓦级激光。

进一步，施加径向磁场的强度为600-1500GS。

进一步，高功率激光为10-150W的瓦级激光。

进一步，工作气体为可对金刚石或者石墨产生刻蚀效应的气体。

进一步，工作气体为氢气、氧气或氢氧混合气体。

进一步，步骤S3中等离子体为受微波、射频或直流所激发。

进一步，步骤S4中径向磁场由永磁铁或磁场线圈提供。

本发明的有益效果为：

通过综合利用激光对金刚石的烧蚀作用以及等离子体对金刚石的刻蚀作用，实现对金刚石表面的高效加工；

利用磁场位形控制经等离子体活化的工作气体作用于金刚石表面的方向，同时调控基片台的轴向位移对金刚石的加工层厚度及加工时间进行控制，实现对金刚石表面粗糙度的精确控制；

该方法可用于大面积金刚石厚膜的表面加工及单晶金刚石表面的批量加工，有效的提高了对金刚石材料表面加工的效率，增加金刚石加工的良品率，同时操作简单。

附图说明

图1本发明中所涉及的加工装置示意图；

图2为实施例1中所涉及的加工装置的主视图；

图3为实施例1中所涉及的加工装置的俯视图；

图4为实施例2中所涉及的加工装置的主视图；

图5为实施例2中所涉及的加工装置的俯视图。

图中，1、基片台；2、磁场；3、真空腔体；4、激光；5、工作气体；6、等离子体；7、金刚石；8、观察窗。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种降低金刚石材料表面粗糙度的方法，包括如下步骤：

S1、将金刚石7放置在真空腔体3中的基片台1上，对真空腔体3进行抽真空；

S2、水平射入低功率激光4，通常：激光可以为一束激光，也可为多路激光，激光光路可以平行，也可以交叉，通过基片台1调整金刚石7在轴向上的位置，以使金刚石7表面的最高处与低功率激光4接触，设定此时金刚石7在轴向上的位置为位置a；

S3、通过基片台1继续在轴向上小幅度的升高金刚石7，确定降低金刚石7表面粗糙度所需要去除的厚度，并设定此时金刚石7在轴向上的位置为位置b，其中，位置b与位置a的高度差等于降低金刚石7表面粗糙度所需要去除的厚度，然后将基片台1调整到初始位置；

S4、将金刚石7从位置a升高至位置b的过程设为一次加工工艺过程，设定一次加工工艺过程的时间及基片台1的升高速率；

S5、向真空腔体3中通入工作气体5，在金刚石7上方激发等离子体6；

S6、在等离子体6放电区域内施加径向磁场2，通常施加600-1500GS的径向磁场；

S7、将水平射入的低功率激光提升为高功率激光，通常：激光可以为一束激光，也可为多路激光，激光光路可以平行，也可以交叉，以及使高功率激光4在水平位置做往复位移，往复位移的总量覆盖住所需要加工的区域；

S8、通过基片台1将金刚石7从初始位置升高至位置a，开始一次加工工艺过程，直到金刚石7升高至位置b，完成一次加工工艺过程，停止基片台1；

S9、关闭激光4和磁场2，熄灭等离子体6，切断通入的工作气体5，放空腔体至大气压，取出金刚石7；

S10、检测金刚石7表面粗糙度是否达到预期要求，若没有达到预期要求，则重复S1～S9，若达到预期要求，则加工结束。

实施例1

如图2、图3所示，一种降低金刚石材料表面粗糙度的方法，需要将直径70mm的多晶金刚石7的表面粗糙度降低至50nm以下，采用如下步骤降低直径70mm的多晶金刚石7的表面粗糙度：

步骤S1：将直径70mm的多晶金刚石7放在真空腔体3中的基片台1上，设定金刚石7的初始位置为0mm，并将真空腔体3进行抽真空至0.5kPa；

步骤S2：从观察窗8射入一条水平的10mW激光4，升高基片台1，让直径70mm的金刚石7表面的最高处与激光4接触，设定此时金刚石7在轴向上的位置为位置3mm；

步骤S3：通过基片台1继续在轴向上小幅度的升高金刚石7，确定降低金刚石7表面粗糙度所需要去除的厚度，并设定此时金刚石7在轴向上的位置为位置3.2mm，然后将基片台1调整到初始位置；

步骤S4：将金刚石7从3.0mm升高至3.2mm的过程设为一次加工工艺过程，设定一次加工工艺过程的时间≥20min，基片台1的升高速率≤0.01mm/min；

步骤S5：向真空腔体3中通入氢气与氧气的体积比为300/1的氢氧混合气体气体，输入1000W的微波，在金刚石7上方激发等离子体6；

步骤S6：在等离子体6放电区域内施加磁场2强度为860Gs径向磁场2，磁场2由永磁铁环产生；

步骤S7：提高激光4的功率至100W，并使激光4在水平位置做位移为75mm的往复运动；

步骤8：将基片台1按照0.01mm/min的速度匀速从初始位置升高金刚石7至3.0mm，开始一次加工工艺过程，直到金刚石7升高至3.2mm，完成一次加工工艺过程，停止基片台1；

步骤S9：关闭激光4，去掉设置的永磁铁，停止微波的输入熄灭等离子体6，切断通入的氢氧混合气体，放空腔体至大气压，取出直径70mm的金刚石7；

步骤S10：检测一次加工工艺后的金刚石7的表面粗糙度，经过一次加工后直径70mm的金刚石7的表面粗糙度为45nm，达到预定要求，完成加工。

实施例2

如图4、图5所示，一种降低金刚石材料表面粗糙度的方法，将13片7×7mm

步骤S1：将13片7×7mm

步骤S2：从观察窗8射入水平的100mW激光4，让基片台1将13片7×7mm

步骤S3：通过基片台1继续在轴向上小幅度的升高金刚石7，确定降低金刚石7表面粗糙度所需要去除的厚度，并设定此时金刚石7在轴向上的位置为位置2.2mm，然后将基片台1调整到初始位置；

步骤S4：将金刚石7从2.0mm升高至2.2mm的过程设为一次加工工艺过程，设定一次加工工艺过程的时间≥20min，基片台1的升高速率≤0.01mm/min；

步骤S5：向真空腔体3中通入20sccm的氧气作为工作气体5，输入1500W的微波，在金刚石7上方激发等离子体6；

步骤S6：在等离子体6放电区域内施加磁场2强度为1400Gs的径向磁场2，磁场2由磁场2线圈产生；

步骤S7：提高激光4的功率至100W，控制激光4的数目为5条且间隔10mm，并使每条激光4在水平位置做位移为15mm的往复运动；

步骤8：将基片台1按照0.003mm/min的速度匀速从初始位置升高金刚石7至2.0mm，开始一次加工工艺过程，直到金刚石7升高至2.2mm，完成一次加工工艺过程，停止基片台1；

步骤9：关闭激光4，切断磁场2线圈的供电，去掉磁场2，停止微波的输入熄灭等离子体6，切断通入的氧气，放空腔体至大气压，取出13片7×7mm

步骤10：检测一次加工工艺后的13片7×7mm

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。