[发明专利]一种激光诱导石墨化促进金刚石抛光的装置及方法

说明书

本发明提供了一种激光诱导石墨化促进金刚石抛光的装置及方法，属于金刚石抛光领域，该装置包括激光器以及从上至下依次设置的传动轴、玻璃、金属抛光盘和旋转载物台，其中：激光器用于发射激光；传动轴中间开孔，该传动轴下方开槽用于固定玻璃；玻璃的下方开槽用于固定金刚石；金属抛光盘固定在旋转载物台的上方，并与金刚石待抛光面以预设压力接触，用于对金刚石进行抛光。本发明利用激光依次穿过玻璃和金刚石后聚焦到金属抛光盘上以对其进行烧蚀，并诱导金刚石待抛光面石墨化，同时利用金属抛光盘的摩擦作用去除石墨化的金刚石以实现抛光，进而使得激光诱导石墨化与摩擦抛光同时进行，有效提高抛光效率，实现金刚石的高效率低损伤超光滑抛光。

技术领域

本发明属于金刚石抛光领域，更具体地，涉及一种激光诱导石墨化促进金刚石抛光的装置及方法。

背景技术

随着以硅、锗为代表的第一代半导体材料达到其理论极限，以砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)为代表的第二代和以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)为代表的第三代半宽导体相继产业化。以氧化镓(Ga₂O₃)、氮化铝(AlN)和金刚石为代表的第四代超宽禁带半导体材料也开始被大量研究。其中，金刚石因其优越的禁带宽度、载流子迁移率以及击穿场强，被誉为终极半导体材料。据粗略估计，金刚石作为半导体的性能比硅高出23000倍，比氮化镓(GaN)高120倍，比碳化硅(SiC)高出40倍。大尺寸单晶金刚石应用的前提是其具有超光滑的表面和较高的平整度，而原始生长面的单晶金刚石表面粗糙度通常在几百纳米至数微米，无法直接用于半导体衬底或者器件领域。因此，高效的抛光技术成为大尺寸单晶金刚石产业化应用的前提。

目前，金刚石的抛光主要有机械抛光、动摩擦抛光、化学机械抛光以及能量束辅助抛光等。机械抛光的缺点在于强机械划擦作用后易造成金刚石晶片表面的划痕以及亚表面损伤；化学机械抛光的缺点在于加工效率较低、成本高，且含有腐蚀性的废液难以处理；能量束辅助抛光的缺点在于设备要求较高、加工后的面型精度较低。

现有技术中，CN109590811A公开了一种激光辅助抛光CVD金刚石的方法将激光作为外加热源将金刚石加热促使其表面石墨化，然后利用机械抛光去除该石墨层；CN113352230A公开了一种金刚石晶片超精密加工方法及装置，该方法首先使用激光诱导金刚石表面石墨化，然后对石墨化的金刚石表面进行化学机械抛光。以上两种抛光方案中，激光诱导金刚石表面石墨化和接触式抛光去除石墨层分开进行，严重制约抛光速度。WO2007147214A1公开一种适用于金刚石的动摩擦抛光方法，该方法以较大的载荷将金刚石压在快速旋转的金属盘表面，金刚石与金属抛光盘之间因为摩擦作用产生超过1000℃的高温，同时金属抛光盘也是催化金刚石石墨化的催化剂。在高温和金属催化剂的协同作用下，金刚石会快速石墨化，然后生成的石墨将通过如下三种方式去除，氧化为CO₂/CO释放，融入金属抛光盘，机械去除。动摩擦抛光依靠金属盘与金刚石之间的高压强和高速摩擦产生的热诱导金刚石石墨化，具有高的材料去除率，但高抛光压力和相对摩擦速度，容易导致金刚石薄膜破裂。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种激光诱导石墨化促进金刚石抛光的装置及方法，旨在解决现有的金刚石抛光装置效率低、金刚石薄膜易破裂的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种激光诱导石墨化促进金刚石抛光的装置，该装置包括激光器以及从上至下依次设置的传动轴、玻璃、金属抛光盘和旋转载物台，其中：所述激光器用于发射激光；所述传动轴中间开孔，用于为激光提供传输通道，同时该传动轴下方开槽用于固定玻璃，以在外部载荷的作用下带动玻璃旋转；所述玻璃的下方开槽用于固定金刚石，以带动金刚石旋转；所述金属抛光盘固定在旋转载物台的上方，并与金刚石待抛光面以预设压力接触，用于对金刚石进行抛光；工作时，所述激光依次穿过玻璃和金刚石聚焦到金属抛光盘上，以对其进行烧蚀并产生热量，同时激光反射到金刚石待抛光面，从而在烧蚀热量和激光能量的共同作用下诱导金刚石待抛光面石墨化，然后利用金属抛光盘通过摩擦去除石墨化的金刚石从而实现金刚石抛光。