一种抛光大面积金刚石膜的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术是一种抛光大面积金刚石膜的方法和装置。该方法是：先利用微波激励产生电子回旋共振等离子体，再利用离子回旋谐振加热将高频功率耦合到等离子体中的离子成分中，将离子的动力学温度升高到１０～４０ｅＶ，然后利用引出电极和梯度磁场控制等离子体中的离子的运动，让离子向下运动到达金刚石膜表面时选择性地与金刚石膜表面需要去除的碳原子发生刻蚀反应，生成可挥发的气体，从而完成金刚石膜的抛光。该装置包括等离子体发生、等离子体中的离子加热、等离子体的离子的运动控制和离子刻蚀反应抛光四部分。本发明专利技术具有抛光效率高、抛光面积大、抛光精度高和对金刚石膜表面无污染等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及等离子体技术及金刚石超硬材料应用领域，特别是一种利用等离子体抛光大面积金刚石膜的方法和装置。
技术介绍
金刚石具有最高的硬度、高热导率和化学稳定性，以及良好的透光性，因此在机加工、光学、微电子和军事领域有广泛的应用。由于天然金刚石稀少且昂贵，人们发展了多种人工合成金刚石的技术，包括高温高压方法和等离子体化学气相沉积方法。由于利用等离子体化学气相沉积法制备的金刚石为连续膜，且具有效率高、成本低的特点，因此利用该方法制备的金刚石膜可广泛应用于机加工、光学、热学和半导体等领域。但等离子体化学气相沉积制备的金刚石膜是多晶的，在自支撑的金刚石膜的制备中，其表面粗糙度Ra可达10-20μm，这样粗糙的表面限制了金刚石膜在很多领域的应用，特别是在光学上的应用，因为具有较大粗糙度的金刚石膜作为光学窗时会产生散射，从而显著降低窗口的透过率。因此当人工合成的金刚石膜作为光学窗口应用时，对金刚石膜的表面进行抛光是必不可少的。通常的抛光是利用高温高压法合成的金刚石微粉作为抛光剂进行机械抛光，但由于金刚石膜与金刚石微粉具有相近的硬度，因此机械抛光非常费时，同时对曲面金刚石膜的抛光也很困难。为了减少抛光时间和降低抛光费用，现已发展了离子注入机械抛光技术(U.S.Pat.NO.5154023)。在该技术中，先在粗糙的金刚石膜表面注入高能离子，通过高能粒子的注入使金刚石膜表面的硬度降低，然后再利用机械抛光方法将变软的表层快速磨掉。由于每次离子注入和机械抛光所能处理的厚度较小(0.1μm)，因此利用该方法抛光金刚石膜时需要反复数十次，抛光费用也很高。另外，由于等离子体化学气相沉积制备的金刚石膜有各种晶面取向，离子注入时会产生有方向性的溅射，同时由于离子注入时离子束斑很小，在金刚石膜表面上获得均匀的离子注入也很困难。这些不足使得利用这种方法难于得到光滑的金刚石膜表面。金刚石膜的抛光的传统的方法还包括利用铁盘或其它高温稀土金属盘(如镧)来抛光。在这些方法中，铁盘覆盖在金刚石膜表面，利用加热铁盘和氢气来实现化学机械抛光。这种方法同样不适合于复杂形状的金刚石膜的抛光，并且很容易对金刚石膜表面形成污染。近期发展了利用含氧、氟的等离子体抛光金刚石膜(U.S.Pat.6，652763B1)的方法。该方法是利用磁场过滤阻碍等离子体中的高能电子到达金刚石膜表面，只允许低能的电子和离子通过过滤器并与金刚石膜表面的碳原子反应，实现金刚石膜的抛光。由于离子与金刚石膜表面的反应是无方向性的，因此这种方法的抛光粗糙度也很难做得很高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种抛光大面积金刚石膜的方法和装置，以克服现有技术存在的不足。该方法能够利用等离子体对化学气相沉积法制备的大面积的金刚石膜实现有效抛光，同时利用该方法的原理设计的装置可以很好地对所述的金刚石膜抛光。本专利技术所采用的技术方案如下本专利技术提供的利用等离子体抛光大面积金刚石膜的方法是首先利用微波激励产生电子回旋共振等离子体，再利用离子回旋谐振加热将高频功率耦合到等离子体中的离子成分中，将离子的动力学温度升高到10～40eV，然后利用引出电极和梯度磁场控制等离子体中的离子的运动，让离子向下运动到达金刚石膜表面时选择性地与金刚石膜表面需要去除的碳原子发生刻蚀反应，生成可挥发的气体，从而完成金刚石膜的抛光。包括等离子体的发生、等离子体中的离子加热、离子的运动控制和离子刻蚀反应抛光四部分，具体步骤如下a.在真空室中通入工作气体，利用微波激励工作气体放电，使之产生电子回旋共振等离子体。b.真空室内产生的电子回旋共振等离子体中的离子，通过离子回旋谐振加热将离子的动力学温度升高到10～40eV，离子在引出电极的作用下沿磁力线向下运动，冲向垂直于磁场方向放置的金刚石膜的表面，在向金刚石膜运动的过程中，离子绕磁力线回旋，离子之间的碰撞作用可以忽略。c.离子在向下运动的过程中，在磁场作用下，离子的运动受到调节控制，离子到达金刚石膜面时，垂直于金刚石膜面方向的速率下降，而平行于金刚石膜面的速率增大，这样，离子的运动特征表现为以较大的速率(1.2×104～2.5×104m/s)作平行于金刚石膜面方向的回旋运动，而垂直于金刚石膜面的运动速率为10～100m/s，使离子优先与金刚石膜面的突出部位的碳原子反应生成挥发性的碳化物，即发生刻蚀反应，从而完成抛光过程。d.在抛光过程中，随着金刚石膜的表面粗糙度不断降低，可调节磁场强度分布以提高抛光精度，直至金刚石膜面达到抛光要求。本专利技术提供的利用等离子体抛光大面积金刚石膜的装置，其包括等离子体发生、等离子体中的离子加热、等离子体的离子的运动控制和离子刻蚀反应抛光四部分。其中等离子体发生部分包括微波源、环行器、三螺钉阻抗调配器、模式转换器、真空室、磁场线圈和工作气体；等离子体的离子加热部分由高频耦合天线将高频功率耦合到等离子体中的离子成分中；等离子体中的离子的运动控制部分由离子引出电极和磁场线圈产生的梯度磁场的共同作用来完成；离子刻蚀反应抛光部分由运动受到定向调节的离子与金刚石膜的刻蚀反应来完成。上述部件由模式转换器形成连接关系，具体是微波源经环行器和三螺钉阻抗调配器后接到模式转换器上，模式转换器上安装有模式转换天线，模式转换器下方与圆波导相连，圆波导的外围设有磁场线圈；圆波导内装有石英钟罩和均流环，石英钟罩和短路板构成真空室；金刚石膜位于真空室腔体的下部，工作气体由真空室下端输入后经均流环导入到真空室的腔体中。本专利技术可以完成化学气相沉积法制备的各种形状和厚度的金刚石膜的抛光。本专利技术提供的方法可以对平面、曲面等形状的金刚石膜进行抛光，具有抛光效率高、抛光面积大、抛光精度高和对金刚石膜表面无污染等优点。本专利技术提供的装置可以很好地按照工艺要求对所述的金刚石膜进行抛光。附图说明图1是本专利技术以氧气为工作气体时产生氧等离子体抛光金刚石膜方法的原理示意图。图2是本专利技术装置即等离子体抛光大面积金刚石膜的装置的结构示意图。图3是本专利技术装置在真空室中的磁场位形示意图。图1中1.金刚石膜；2.氧离子；3.碳氧化物；4.抛光后的金刚石膜。图2中5.微波源；6.环行器；7.三螺钉阻抗调配器；8.模式转换器；9.模式转换天线；10.石英钟罩；11.电子回旋共振等离子体；12.电子回旋共振面；13.高频功率耦合天线；14.离子引出电极；15.均流环；16.真空室；17.圆波导；18.磁场线圈；19.真空机组；20.真空计；21.短路板；22.工作气体。具体实施例方式下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步说明。本专利技术是一种利用等离子体抛光大面积金刚石膜的方法，该方法是首先利用微波激励产生电子回旋共振等离子体，再利用离子回旋谐振加热将高频功率耦合到等离子体中的离子成分中，将离子的动力学温度升高到10～40eV，然后利用引出电极和梯度磁场控制等离子体中的离子的运动，让离子向下运动到达金刚石膜表面时选择性地与金刚石膜表面需要去除的碳原子发生刻蚀反应，生成可挥发的气体，从而完成金刚石膜的抛光。本方法包括等离子体的发生、等离子体中的离子加热、离子的运动控制和离子刻蚀反应抛光四部分，具体步骤如下(参见图1、图2)a.在真空室中通入工作气体，真空室的工作气压为0.01～0.1Pa，工作气体采用氧气或CF4气体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抛光大面积金刚石膜的方法，其特征是一种利用等离子体抛光大面积金刚石膜的方法，该方法是：首先利用微波激励产生电子回旋共振等离子体，再利用离子回旋谐振加热将高频功率耦合到等离子体中的离子成分中，将离子的动力学温度升高到１０～４０ｅＶ，然后利用引出电极和梯度磁场控制等离子体中的离子的运动，让离子向下运动到达金刚石膜表面时选择性地与金刚石膜表面需要去除的碳原子发生刻蚀反应，生成可挥发的气体，从而完成金刚石膜的抛光，该方法包括等离子体的发生、等离子体中的离子加热、离子的运动 控制和离子刻蚀反应抛光四部分，具体步骤如下：ａ．在真空室中通入工作气体，利用微波激励工作气体放电，使之产生电子回旋共振等离子体，ｂ．真空室内产生的电子回旋共振等离子体中的离子（２），通过离子回旋谐振加热将离子（２）的动力学温 度升高到１０～４０ｅＶ，离子（２）在引出电极的作用下沿磁力线向下运动，冲向垂直于磁场方向放置的金刚石膜（１）的表面，在向金刚石膜运动的过程中，离子绕磁力线回旋，离子之间的碰撞作用可以忽略，ｃ．离子在向下运动的过程中，在磁场作用下，离 子的运动受到调节控制，离子到达金刚石膜面时，垂直于金刚石膜面方向的速率下降，而平行于金刚石膜面的速率增大，这样，离子的运动特征表现为以较大的速率（１．２×１０↑［４］～２．５×１０↑［４］ｍ／ｓ）作平行于金刚石膜面方向的回旋运动，而垂直于金刚石膜面的运动速率为１０～１００ｍ／ｓ，使离子优先与金刚石膜面的突出部位的碳原子反应生成挥发性的碳化物（３），即发生刻蚀反应，从而完成抛光过程，ｄ．在抛光过程中，随着金刚石膜的表面粗糙度不断降低，可调节磁场强度分布以提高抛光精度，直 至金刚石膜面达到抛光要求。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：马志斌，汪建华，何艾华，万军，王传新，毛家龙，
申请(专利权)人：武汉化工学院，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]