一種化學機械法金剛石膜拋光裝置及其拋光方法
2023-12-11 08:06:07 1
專利名稱：一種化學機械法金剛石膜拋光裝置及其拋光方法
技術領域：
本發明涉及了一種化學機械法金剛石膜拋光裝置及其進行金剛石膜拋光的方法。
背景技術：
金剛石及金剛石膜是具有良好的機械性能和化學性能的一種優秀的工程結構材料和功能材料，在諸多領域具有非常廣闊的應用前景。但是天然金剛石在自然界中存儲量極少，所以人工合成CVD金剛石膜具有很大的應用前景。但是在CVD金剛石膜的沉積過程中會因為晶體沿著某些晶面的擇優生長，導致厚度不均、顆粒大小不等、表面粗糙度過大(一般在幾微米到幾十微米)等問題。而且金剛石膜的硬度高，化學性能穩定，厚度較薄，在平整加工(拋光)中金剛石膜極易發生破裂，因此金剛石膜的拋光問題已成為擴大金剛石膜應用的關鍵技術之一。目前存在很多對金剛石膜進行拋光的方法，但是由於拋光所達到的粗糙度和平整度，以及成本等因素使得各方法都不盡理想。本發明專利提出了一種化學機械拋光裝置及拋光方法，可以實現在較低溫度下對金剛石膜進行化學機械法拋光，拋光所達到的粗糙度和平整度能達到較高的水平，拋光效率也相對之前的化學機械法拋光有很大提高。而且本裝置結構簡單，拋光成本低，佔地空間小。可以為拋光少量金剛石膜提供實驗研究，也給大規模金剛石膜的拋光和平整化提供可能性和可行性。
發明內容
本發明的目的是提供一個結構簡單新穎，佔地空間小，操作簡單方便，對環境條件要求不高的可以對金剛石膜進行化學機械拋光的裝置及其進行金剛石膜拋光的方法，它可以精密拋光金剛石膜，最後獲得低的粗糙度和極高的表面平整度。
本發明的化學機械法金剛石膜拋光裝置，包括電機2、傳動組件1、相互配合併可以連接傳動的套筒套軸組件8以及它們之間的可以進行壓縮的彈簧9、金剛石膜裝夾組件14、拋光底盤6、絕緣隔熱材料7、溫控器10、溫度熱電偶13、繼電器12、加熱器件5及可升降工作檯15；上述電機2及其傳動組件1與套筒套軸組件8的上端相連接，金剛石膜裝夾組件14與套筒套軸組件8的下端相連接，拋光底盤6與可升降工作檯15之間隔有絕緣隔熱材料7，拋光底盤6中還裝有加熱器件5，加熱器件5過導線16與溫控器10、繼電器12及溫度熱電偶13相連接。
上述套筒套軸組件8與金剛石膜裝夾器14之間由一個運動軸3連接。
上述拋光底盤6平面與金剛石膜研磨中心軸線方向垂直。
上述電機2使用無極變速電機。
上述拋光底盤6表面開有均勻微細溝槽。
上述拋光底盤6的旁邊有加熱用的孔。
上述拋光底盤6可以選用鑄鐵或者低碳鋼也可以採用Al2O3研磨盤。
上述拋光底盤6相對於金剛石膜裝夾器14的迴轉軸線在水平方向上的運動軌跡應和拋光底盤6在長度方向上的中線對應。
本發明的拋光方法，包括如下步驟1)在拋光底盤6上添加適量氧化劑NaNO3、KNO3及LiNO3，將溫控器10上的加熱溫度設定，接通電源對拋光底盤6進行加熱，在拋光底盤上的氧化劑熔融成液態之後，啟動電機2；2)調整可升降工作檯15的高度，彈簧9被壓縮，金剛石膜4對拋光底盤6產生壓力；可升降工作檯15可以在水平方向上做直線運動，使得整個拋光底盤6能夠均勻地對金剛石膜4進行拋光；3)在加入氧化劑的同時可以加入適量CrO3、SiO2等添加劑以增加拋光金剛石膜的效率和質量。
上述步驟1)中加熱溫度設定在150℃至500℃。
上述步驟1)中有兩種情況a)當測溫電偶13測出的溫度高於之前設定的溫度時，溫控器10斷開繼電器12加熱停止；b)當溫度低於之前設定的溫度時，溫控器10接通繼電器12開始對拋光底盤加熱。
上述步驟中2)中金剛石膜4上壓強為0.05～2MP。
本發明的有益效果是結構簡單實用而且能夠對化學機械拋光法的各種參數進行調節以滿足不同拋光情況的需要。
圖1為本發明的金剛石膜拋光裝置結構示意圖；其中1-傳動組件 2-電機 3-運動軸 4-金剛石膜 5-加熱器件6-拋光底盤 7-絕緣隔熱材料 8-套筒套軸組件 9-彈簧 10-溫控器11-繼電器控制線 12-繼電器 13-溫度熱電偶 14-金剛石膜裝夾組件15-可升降工作檯 16-導線
具體實施例方式本發明的化學機械法金剛石膜拋光裝置，包括電機2、傳動組件1、相互配合併可以連接傳動的套筒套軸組件8以及它們之間的可以進行壓縮的彈簧9、金剛石膜裝夾組件14、拋光底盤6、絕緣隔熱材料7、溫控器10、溫度熱電偶13、繼電器12、加熱器件5、可升降工作檯15；上述電機2及其傳動組件1與套筒套軸組件8的上端相連接，金剛石膜裝夾組件14與套筒套軸組件8的下端相連接，拋光底盤6與可升降工作檯15之間隔有絕緣隔熱材料7，拋光底盤6中還裝有加熱器件5，加熱器件5通過導線16與溫控器10、繼電器12及溫度熱電偶13相連接。套筒套軸組件8與金剛石膜裝夾器14之間由一個運動軸3連接。拋光底盤6平面與金剛石膜研磨中心軸線方向垂直。電機2使用無極變速電機。上述金剛石膜裝夾器14迴轉軸線和拋光底盤6的中線對應。拋光底盤6表面均勻開有微細溝槽。拋光底盤6的旁邊有加熱用的孔。拋光底盤6可以選用鑄鐵或者低碳鋼也可以採用Al2O3研磨盤。
拋光時的主運動由電機帶動套筒套軸旋轉來實現，可以通過調節其輸入電流工作頻率進而調整其速度可實現0-10m/min的速度調節，拋光線速度一般不超過10m/min。將拋光所用氧化劑添加在拋光底盤中，也可以適當加入一些微細磨料或者釋氧材料增加拋光效率。和金剛石膜直接接觸的拋光底盤可以是平整面，也可以在其上開一些微細溝槽以加大金剛石膜接觸氧化劑的機會。拋光底盤可以選用鑄鐵或者低碳鋼也可以採用Al2O3研磨盤，除了化學和機械作用外金剛石中的碳原子同時也向鑄鐵或低碳鋼擴散達到拋光效果。
1.溫度的調節通過一個熱電偶對拋光底盤進行測量，在利用一個溫控器來控制繼電器的斷開與接通。進而可以控制加熱器件的通電與否而對拋光底盤的溫度進行調節。
2.壓力的調節壓力的大小由套筒套軸之間的彈簧進行調節。升高或者降低可升降工作檯來調節彈簧的壓縮量(在金剛石和拋光底盤接觸之後)就可以增大或者縮小拋光底盤對金剛石膜的正壓力。壓力大小可以在0.05-2MPa之間進行調節。
3.旋轉速度的調節採用無級調速電機，通過控制頻率控制電機轉速從而達到控制金剛石膜的拋光轉速。或者採用一般電機外接一個通用變頻器組合也可以達到同樣的效果。
下面將描述本發明拋光方法的幾個實施例，但本發明的內容完全不局限於此。
實例一在拋光底盤上添加適量的氧化劑NaNO3、KNO3、LiNO3，以及適量的SiO2。將溫控器上的加熱溫度設定在150℃，接通電源對拋光底盤進行加熱，在拋光底盤上的氧化劑熔融成液態之後，啟動無級調速電機，將其轉速設定在15r/min，此時調整可升降工作檯提升其高度，通過對彈簧壓縮量的調節，調整金剛石膜對拋光底盤的壓力為0.6MPa。
實例二在拋光底盤上添加適量氧化劑KNO3和LiNO3，將溫控器上的加熱溫度設定在250℃，接通電源對拋光底盤進行加熱，在拋光底盤上的氧化劑熔融成液態之後，啟動無級調速電機，將其轉速設定在50r/min，此時調整可升降工作檯提升其高度，調節彈簧的壓縮量使金剛石膜對拋光底盤的壓強為0.8Mpa，在拋光過程中加入適量的CrO3。
實例三在拋光底盤上添加適量氧化劑NaNO3，將溫控器上的加熱溫度設定在450℃，接通電源對拋光底盤進行加熱，在拋光底盤上的氧化劑熔融成液態之後，啟動無級調速電機，將其轉速設定在75r/min，此時調整可升降工作檯提升其高度，調節彈簧的壓縮量使金剛石膜對拋光底盤的壓強為1.2MPa。
權利要求
1.一種化學機械法金剛石膜拋光裝置，其特徵在於包括電機(2)、傳動組件(1)、相互配合併可以連接傳動的套筒套軸組件(8)以及它們之間的可以進行壓縮的彈簧(9)、金剛石膜裝夾組件(14)、拋光底盤(6)、絕緣隔熱材料(7)、溫控器(10)、溫度熱電偶(13)、繼電器(12)、加熱器件(5)及可升降工作檯(15)；上述電機(2)及其傳動組件(1)與套筒套軸組件(8)的上端相連接，金剛石膜裝夾組件(14)與套筒套軸組件(8)的下端相連接，拋光底盤(6)與可升降工作檯(15)之間隔有絕緣隔熱材料(7)，拋光底盤(6)中還裝有加熱器件(5)，加熱器件(5)通過導線(16)與溫控器(10)、繼電器(12)及溫度熱電偶(13)相連接。
2.根據權利要求1所述的化學機械法金剛石膜拋光裝置，其特徵在於上述套筒套軸組件(8)與金剛石膜裝夾器(14)之間由一個運動軸(3)連接；上述電機(2)使用無極變速電機。
3.根據權利要求1所述的化學機械法金剛石膜拋光裝置，其特徵在於上述拋光底盤(6)平面與金剛石膜研磨中心軸線方向垂直；上述拋光底盤(6)相對於金剛石膜裝夾器(14)的迴轉軸線在水平方向上的運動軌跡應和拋光底盤(6)在長度方向上的中線對應。
4.根據權利要求1或2或3所述的化學機械法金剛石膜拋光裝置，其特徵在於上述拋光底盤(6)表面均勻開有微細溝槽。
5.根據權利要求1或2或3所述的化學機械法金剛石膜拋光裝置，其特徵在於上述拋光底盤(6)的旁邊有加熱用的孔。
6.根據權利要求1所述的化學機械法金剛石膜拋光裝置，其特徵在於上述拋光底盤(6)可以選用鑄鐵或者低碳鋼也可以採用Al2O3研磨盤。
7.一種權利要求1所述拋光裝置的拋光方法，其特徵在於包括如下步驟1)在拋光底盤(6)上添加適量氧化劑NaNO3，KNO3及LiNO3，將溫控器(10)上的加熱溫度設定，接通電源對拋光底盤(6)進行加熱，在拋光底盤上的氧化劑熔融成液態之後，啟動電機(2)；2)調整可升降工作檯(15)的高度，彈簧(9)被壓縮，金剛石膜(4)對拋光底盤(6)產生壓力；可升降工作檯(15)可以在水平方向上做直線運動，使得整個拋光底盤(6)能夠均勻地對金剛石膜(4)進行拋光；3)在加入氧化劑的同時可以加入適量CrO3、SiO2等添加劑。
8.根據權利要求7所述的拋光方法，其特徵在於步驟1)中加熱溫度設定在150℃至500℃。
9.根據權利要求7所述的拋光方法，其特徵在於步驟1)中有兩種情況a)當測溫電偶(13)測出的溫度高於之前設定的溫度時，溫控器(10)斷開繼電器(12)加熱停止；b)當溫度低於之前設定的溫度時，溫控器(10)接通繼電器(12)開始對拋光底盤加熱。
10.根據權利要求7所述的拋光方法，其特徵在於步驟2)中金剛石膜(4)上壓強為0.05～2MP。
全文摘要
本發明公開了一種化學機械法金剛石膜拋光裝置及其進行金剛石膜拋光的方法，該裝置包括電機(2)、傳動組件(1)、相互配合併可以連接傳動的套筒套軸組件(8)以及它們之間的可以進行壓縮的彈簧(9)、金剛石膜裝夾組件(14)、拋光底盤(6)、絕緣隔熱材料(7)、溫控器(10)、溫度熱電偶(13)、繼電器(12)、加熱器件(5)及可升降工作檯(15)；該發明可以對拋光的壓力，轉速，溫度等參數進行調節，在不同條件下對金剛石膜進行拋光，裝置可以實現金剛石膜的一次性精密拋光，最後的粗糙度和平整度都比較好，本裝置結構簡單，佔地空間小，可以一次性進行精密級拋光，拋光精度高。
文檔編號B24B37/04GK1672875SQ20051003402
公開日2005年9月28日 申請日期2005年4月11日 優先權日2005年4月11日
發明者王成勇, 陳衝, 秦哲, 張鳳林 申請人:廣東工業大學