[发明专利]一种大尺寸单晶金刚石的抛光方法

说明书

本发明公开了一种大尺寸单晶金刚石的抛光方法，大尺寸金刚石表层的碳原子在硬质磨料的机械剪切作用下，发生晶格畸变，产生非晶碳层；随后由于磨粒与金刚石在高速摩擦下产生局部高温，反应磨料与金刚石表面的非晶碳发生化学反应，以达到快速去除金刚石表层碳原子的目的。本发明能实现金刚石的高效超精密抛光，达到纳米级的表面粗糙度，并且不会对金刚石表面造成损伤。本发明属于柔性抛光方法，适合大尺寸单晶金刚石的超精密抛光。

技术领域

本发明属于超精密抛光技术领域，具体涉及一种大尺寸单晶金刚石的抛光方法。

背景技术

进入21世纪，单晶金刚石凭借其优异的物理化学性质，使其在高科技领域的应用前景在全世界范围内得到关注，尤其是大尺寸单晶金刚石在半导体器件、光学窗口等领域的应用前景。

要使金刚石材料得到充分的利用，对其进行抛光处理是至关重要的。目前已有许多方法被应用于金刚石的抛光。如机械抛光、化学机械抛光、热化学抛光、动摩擦抛光等。此外，还有一些涉及能量抛光的方法，如激光抛光、离子束抛光、电火花抛光等。现有技术中的金刚石抛光去除机理可分为以下几种：1.微破碎；2.石墨化；3.氧化；4.蒸发；5.溅射，并且一种抛光方法往往涉及多种去除机理。

虽然目前金刚石的抛光方法很多，但对于一些高端的应用，其产业化的抛光技术还没有完善，如半导体金刚石材料的磨抛加工。应用于半导体金刚石材料的抛光技术，不仅要求平坦的表面和纳米级的粗糙度，还要尽量减少和避免表面及亚表面损伤，而传统的抛光方法目前还存在诸多问题。

其中，机械抛光常用于颗粒状金刚石的抛光，虽然能达到纳米级的表面粗糙度，但是对金刚石表面及亚表面会造成较大损伤。化学机械抛光的加工精度高，但是效率低，还会产生大量的废液，污染环境，增加了抛光成本。动摩擦抛光具有高的材料去除率，但只能实现对金刚石的粗加工，并且其较大的抛光压力，可能会导致金刚石薄膜破裂。激光、离子束等非接触式抛光，在加工薄膜和曲面上有优势，但加工范围受限，不适合大尺寸的单晶金刚石。等离子体刻蚀能有效去除由抛光引起的表面及亚表面损伤，但作为抛光手段时，效率极低。电火花抛光必须以金刚石导电为前提，仅适用于粗加工。

综上所述，一方面，金刚石具有极高的硬度和极好的化学稳定性，对其进行加工具有相当高的难度。另一方面，现有的方法无法解决金刚石的抛光问题，并且没有针对大尺寸单晶金刚石的抛光方法。

发明内容

本发明的目的在于解决单晶金刚石抛光的难题，提供一种大尺寸单晶金刚石的抛光方法。

本发明的技术方案如下：

一种大尺寸单晶金刚石的抛光方法，包括如下步骤：

(1)将硬质磨料、反应磨料和结合剂混合均匀，以形成均匀分散料，其中硬质磨料、反应磨料和结合剂的质量百分比依次为0.5-10％、0.5-10％和80-99％；

(2)将具有多孔特征的柔性基材平铺于模具中，再倒入上述均匀分散料，完全浸没该柔性基材，依靠重力流平，待结合剂完全固化后，得到柔性抛光垫；

(3)用步骤(2)所得的柔性抛光垫在润湿液的辅助下对大尺寸单晶金刚石进行抛光0.5-5h，其中，柔性抛光垫与大尺寸单晶金刚石的相对线速度为40-60m/s，柔性抛光垫与大尺寸单晶金刚石之间的压强为10-500KPa。上述抛光的材料去除过程包括：大尺寸金刚石表层的碳原子在硬质磨料的机械剪切作用下，发生晶格畸变，产生非晶碳层；随后由于磨粒与金刚石在高速摩擦下产生局部高温，反应磨料与金刚石表面的非晶碳发生化学反应，以达到快速去除金刚石表层碳原子的目的。

在本发明的一个优选实施方案中，所述柔性基材为纤维垫、发泡聚氨酯和过滤棉中的至少一种。

在本发明的一个优选实施方案中，所述硬质磨料为金刚石、立方氮化硼和碳化硼中的至少一种。

进一步优选的，所述硬质磨料的粒径为W0.5-W60。