阅读说明：本技术 一种单晶金刚石晶片的双面化学机械抛光方法 (Double-sided chemical mechanical polishing method for single crystal diamond wafer ) 是由 张振宇 廖龙兴 谢文祥 刘杰 于 2020-03-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种单晶金刚石晶片的双面化学机械抛光方法,属于超精密加工技术领域。该方法包括粗抛和精抛两个阶段,其中粗抛采用聚氨酯抛光垫,精抛采用绒布抛光垫；粗抛和精抛时滴加不同配方的抛光液并设置不同的抛光参数,其中,粗、精抛时抛光液的主要成分包括碳化硼、氧化铈等磨粒,熊果酸、碘酒、煤油等化学试剂。本发明提供的双面抛光方法可实现单晶金刚石晶片材料的快速去除,并保证抛光表面的超低损伤及超光滑,研制的抛光液绿色环保。(The invention provides a double-sided chemical mechanical polishing method of a single crystal diamond wafer, belonging to the technical field of ultra-precision machining. The method comprises two stages of rough polishing and fine polishing, wherein the rough polishing adopts a polyurethane polishing pad, and the fine polishing adopts a flannelette polishing pad; and (3) adding polishing solutions with different formulas dropwise during rough polishing and fine polishing and setting different polishing parameters, wherein the main components of the polishing solutions during the rough polishing and the fine polishing comprise abrasive particles such as boron carbide and cerium oxide, and chemical reagents such as ursolic acid, iodine tincture and kerosene. The double-side polishing method provided by the invention can realize the rapid removal of the single crystal diamond wafer material, and ensure the ultra-low damage and ultra-smooth of the polishing surface, and the developed polishing solution is environment-friendly.)

一种单晶金刚石晶片的双面化学机械抛光方法

技术领域

本发明属于超硬材料超精密加工领域，具体涉及一种单晶金刚石晶片的双面化学机械抛光方法。

背景技术

金刚石材料具有优异的光学、热学、电学等物理性能，其中单晶金刚石性能最佳，广泛应用于超精密加工、航空航天、半导体等领域，例如超精密加工刀具、半导体微电子衬底、光学元件等零件材料均可选用单晶金刚石晶片。表面平整光滑、低损伤层厚度的金刚石晶片，有助于提高零件的服役性能及使用寿命。

单晶金刚石晶片常见加工方法有机械研磨、热化学抛光、化学机械抛光、电火花抛光等。其中机械研磨是单晶金刚石最早的加工方式，在研磨盘上涂抹混有金刚石微粉的研磨膏，对金刚石晶片进行研磨，该方式加工后的晶片表面划痕较多，损伤层较大；热化学抛光是应用热力学原理，通过对抛光盘加热，使与之接触的硬质金刚石晶片软化，并转化成石墨，再通过机械作用将其去除，该方式抛光表面质量较机械研磨有一定的改善，但加工时需提供700℃至1000℃的高温，这容易造成抛光盘变软、操作不便等问题；目前也有学者提出了电火花抛光、激光抛光等方式，但抛光后的晶片表面粗糙度较大，此外也有人提出了化学机械抛光的方法，但抛光时配制的抛光液包含了氢氧化钠或硫酸等强腐蚀性的化学试剂，对操作者身体健康不利，同时也会造成环境污染。

发明内容

本发明提供的一种单晶金刚石晶片的双面化学机械抛光方法，通过配制以熊果酸、碘酒、煤油等环境友好型试剂为主要成分的抛光液，对单晶金刚石晶片进行粗抛和精抛，解决传统机械研磨存在的划痕多，损伤层大，以及传统化学机械抛光因采用强酸强碱抛光液而造成污染环境的问题。

本发明的技术方案：

一种单晶金刚石晶片的双面化学机械抛光方法，包括以下步骤：

步骤一，粗抛：应用双面研磨抛光机，在上抛光盘和下抛光盘上均粘贴聚氨酯抛光垫，将单晶金刚石晶片放入行星轮支架固定槽中，气压缸对上抛光盘施加压力，将工件压紧在上、下抛光盘间，工件在行星轮系的带动下进行自转和公转，上、下抛光盘以相同转速向相反的方向旋转，抛光时滴加抛光液A，在抛光液A与抛光垫的理化作用下，快速将工件表面的余料去除，完成单晶金刚石晶片的双面粗抛；其中，抛光压力为180-250kPa，上、下抛光盘旋转方向相反，转速均为40-60r/min，抛光时间为40-70min；

步骤二，精抛：将粗抛时的聚氨酯抛光垫换成绒布抛光垫，继续对单晶金刚石晶片进行精抛，抛光时滴加抛光液B，抛光压力为70-90kPa，上、下抛光盘旋转方向相反，转速均为100-150r/min，抛光时间为20-40min；

步骤三，清洗：用丙酮或酒精将抛光好的单晶金刚石晶片进行超声清洗，并吹干。

进一步的，所述步骤一中的抛光液A包括磨粒和液体，其中磨粒为氧化锆或碳化硼，粒径大小为10-100μm，含量为70-110g/L；液体包括基液、氧化剂和络合剂，基液为煤油、水基乳化液中的一种或两种混合，氧化剂为过硫酸钠、双氧水中的一种或两种混合，含量为30-80g/L，络合剂为熊果酸、草酸、柠檬酸种的一种或两种以上混合，含量为60-120g/L。

进一步的，所述步骤二中的抛光液B包括磨粒和液体，其中磨粒为金刚石或碳化硼，粒径大小为0.5-5μm，含量为60-90g/L；液体包括基液、氧化剂和络合剂，其中，基液为去离子水，氧化剂为次氯酸、碘酒中的一种或两种混合，含量为25-50g/L，络合剂为偏磷酸、单宁酸、乳酸种的一种或两种以上混合，含量为40-90g/L。

本发明的有益效果：

本发明应用化学机械抛光加工金刚石晶片，与传统的机械研磨相比，具有抛光表面粗糙度小，损伤层低，操作简单等优点；此外，配制的化学机械抛光液不含强腐蚀性高危化学试剂，绿色环保。

附图说明

图1是本发明的单晶金刚石晶片的双面化学机械抛光示意图。

图中：1上抛光盘；2抛光垫；3单晶金刚石晶片；4外齿圈；5下抛光盘；6抛光液；7行星轮支架。

具体实施方式

下面结合图与具体实施方式，对本发明做进一步的阐述。

如图1所示，一种单晶金刚石晶片3的双面化学机械抛光方法，主要包括以下步骤：

步骤一，粗抛：应用双面研磨抛光机，在上抛光盘1和下抛光盘5上均粘贴材质为聚氨酯的抛光垫2，将单晶金刚石晶片3放入行星轮支架7的固定槽中，通过气压缸对上抛光盘1施加压力F，将单晶金刚石晶片3压紧在上抛光盘1、下抛光盘5间，单晶金刚石晶片3在由外齿圈4与行星轮支架7等部件构成的行星轮系的带动下进行自转和公转，上抛光盘1、下抛光盘5均以转速W向相反的方向旋转，抛光时滴加抛光液6，在抛光液6与聚氨酯的抛光垫2的理化作用下，快速将单晶金刚石晶片3表面的余料去除，完成单晶金刚石晶片3的双面粗抛；本实例中，抛光压力F设置为200kPa，转速W设置为50r/min，抛光时间设置为45min；抛光液6的成分选用含量为80g/L，粒径大小为50μm的碳化硼，含量为65g/L的双氧水，以及含量为120g/L的熊果酸，其余含量为水基乳化液；

步骤二，精抛：将粗抛时的抛光垫2换成绒布的，抛光时滴加抛光液6，继续对单晶金刚石晶片3进行精抛；本实例中，抛光压力设置为90kPa，上抛光盘1、下抛光盘5旋转方向相反，转速设置为120r/min，抛光时间设置为35min；抛光液6的成分选用含量为65g/L，粒径大小为2μm的金刚石，含量为40g/L的碘酒，以及含量为75g/L的偏磷酸，其余为去离子水；

步骤三，清洗：用丙酮或酒精将抛光好的单晶金刚石晶片3进行超声清洗，并吹干，然后密封放入真空袋内。

本发明的创新点或有效益效果在于：

1.将双面化学机械抛光的方式应用于单晶金刚石晶片的抛光，相对于传统的机械研磨抛光质量更好，较单面化学机械抛光效率更高；

2.本发明提供的抛光液成分以弱酸为腐蚀剂或PH调节剂，代替传统的单晶金刚石抛光时采用的氢氧化钠强碱试剂，对环境污染小。