新型激光结构化金刚石磨粒抛光垫及其磨粒结构化方法与流程

本发明涉及新型激光结构化金刚石磨粒抛光垫及其磨粒结构化方法，属于金刚石磨粒抛光垫技术领域。

背景技术：

金刚石结构化是指通过一些方法在金刚石表面形成宏观或微观的沟槽或几何形状，以达到改善金刚石抛光性能的目的。根据沟槽或几何形状大小的不同，金刚石的结构化可以分为宏观结构化和微观结构化两种，微观结构化简称为微结构化，由于本专利使用的金刚石磨粒尺寸较小，所以本专利中的结构化属于金刚石的微结构化。

目前，在半导体晶圆和集成电路制造过程中,化学机械抛光(cmp)技术得到了广泛的应用。抛光垫作为cmp系统中的主要组成部分,起着贮存抛光液并把它们运送到工件的整个加工区域、维持抛光所需的机械和化学环境、传递材料去除所需的机械载荷等作用，固结磨料抛光垫(fap)由于抛光性能更好得到了广泛的应用。固结磨粒抛光垫在抛光过程中,磨粒的类型、尺寸及形状等物理化学性质直接影响了抛光的质量。现有的以金刚石磨粒为固结磨料的抛光垫，所使用的金刚石都为截角八面体，但由大于90°磨粒顶角参与切削，因此在抛光时的法向力和切向力大、抛光温度高、抛光垫磨损严重，造成材料抛光后表面完整性差，严重影响材料的使用。传统的抛光垫中，若使用大粒径磨粒的抛光垫，材料去除率提高，抛光效率高，但表面粗糙度值也随之增大；若使用小粒径磨粒的抛光垫，材料去除率会减小，表面粗超度也会随之减小，但由于抛光前的加工过程会留下表面损伤，小粒径磨粒无法将之完全去除，致使抛光后的材料表面有划痕和凹坑。虽然已有的很多研究表明使用结构化刀具能显著提高材料表面质量，但现有的抛光垫中没有通过改变磨粒表面特征的方法来提高材料表面抛光质量的先例。

2016年7月6日公开的发明专利“一种基于脉冲激光加工的新型正前角金刚石磨具制造方法（公开号：cn105728961a）”公开了一种正前角金刚石磨具的制造方法。该发明以脉冲激光作为加工工具，以钎焊在砂轮上的金刚石为加工对象，通过控制脉冲激光与金刚石之间的角度，使金刚石的顶角被烧蚀出一个小于90°磨削正前角。此发明提供了一种通过直接改变磨粒表面特征的方法提高加工质量的思路，但这发明的加工对象只用于磨削时的金刚石磨粒，且只烧蚀一个顶角的磨粒无法用于抛光时的多向运动。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供新型激光结构化金刚石磨粒抛光垫及其磨粒结构化方法，以解决上述现有技术中存在的问题。

本发明采取的技术方案为：一种新型激光结构化金刚石磨粒抛光垫，包括金刚石磨粒和抛光垫，抛光垫上铺设有金刚石磨粒，金刚石磨粒表面有许多高度不等的微刃和磨粒沟槽。

优选的，上述抛光垫选择亲水性材质制作，金刚石磨粒通过树脂热固在抛光垫上形成正方形小突起阵列结构和阵列间的间距沟槽。

一种新型激光结构化金刚石磨粒抛光垫的磨粒结构化方法，该方法包括以下步骤：

（1）选择截角八面体的金刚石作为金刚石磨粒，磨粒粒径为50μm，将需要结构化的金刚石磨粒以设定的排列方法批量固定在加工平台上；

（2）采用飞秒激光加工系统进行金刚石磨粒的磨粒结构化，加工前，在绘图软件中设计激光烧蚀路径，同时，通过调整加工平台位置，使金刚石磨粒上表面处于飞秒激光焦平面上，并选择设定的烧蚀加工区域；

（3）在绘图软件上设计加工路径，使平台上的每颗磨粒都能被加工出至少一条结构化沟槽，将激光加工路径导入飞秒激光加工系统的振镜控制软件，并设置扫描速度，激光束通过2d扫描振镜照射到金刚石表面，使激光光斑按照预先设定的路径和速度在金刚石上表面烧蚀加工出设定结构的磨粒沟槽；

（4）将加工好一面后的结构化磨粒全部换面，使未加工的一面朝上，以相同的排列方法重新固定在加工平台上；

（5）再次调整加工平台位置，使结构化磨粒处在设定位置，以预定的路径和速度在未结构化的一面烧蚀加工出同样结构的磨粒沟槽；

（6）重复步骤（1）到（5），加工新的金刚石磨粒，直至完成结构化金刚石磨粒满足制作抛光垫。

加工平台为三轴位移平台，三轴位移平台重复定位精度为2μm。

制作完成结构化的金刚石磨粒，将该金刚石磨粒和树脂为基体，经热固化制备而成亲水性固结磨料抛光垫，制备时其表面应具有正方形小突起阵列结构和阵列间的间距沟槽。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明中的激光结构化金刚石磨粒抛光垫可以有效的降低抛光后材料的微裂纹、残余应力、相变、位错、波纹等表面/亚表面损伤，使工件表面完整性得到明显改善；该种抛光垫的磨粒硬度高，适应性强可广泛的用于抛光陶瓷、单晶硅、kdp（磷酸二氢钾）、gaas（砷化镓）等硬脆/软脆材料，对于提高我国战略性行业基础零件的表面加工质量有重大意义。

附图说明

图1是原始金刚石磨粒图；

图2是飞秒激光烧蚀系统示意图；

图3是一条结构化沟槽的磨粒示意图；

图4是两条结构化沟槽的磨粒示意图；

图5是加工好后磨粒结构示意图；

图6是抛光垫侧视表面示意图；

图7是抛光垫俯视表面示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：如图1-图7所示，一种新型激光结构化金刚石磨粒抛光垫，包括金刚石磨粒1和抛光垫2，抛光垫2上铺设有金刚石磨粒1，金刚石磨粒1表面有许多高度不等的微刃3和磨粒沟槽4。

优选的，上述抛光垫2选择亲水性材质制作，金刚石磨粒1通过树脂热固在抛光垫2上形成正方形小突起阵列结构5和阵列间的间距沟槽6。

一种新型激光结构化金刚石磨粒抛光垫的磨粒结构化方法，该方法包括以下步骤：

（1）选择截角八面体的金刚石作为金刚石磨粒，磨粒粒径为50μm，，原始磨粒的特征如图1所示，将需要结构化的金刚石磨粒以设定的排列方法批量固定在加工平台上，加工平台为三轴位移平台，三轴位移平台重复定位精度为2μm；

（2）为减小结构化后磨粒表面的石墨化，采用飞秒激光加工系统进行金刚石磨粒的磨粒结构化，飞秒激光烧蚀系统如图2所示，加工前，在绘图软件中设计激光烧蚀路径，同时，加工前调整位移加工平台z轴高度，使磨粒上表面处于飞秒激光焦平面上，同时调节位移平台xy轴，将磨粒组成的矩阵置于加工区域；

（3）在绘图软件上设计加工路径，使平台上的每颗磨粒都能被加工出至少一条结构化沟槽，如图4所示的两条结构，将激光加工路径导入飞秒激光加工系统的振镜控制软件，并设置扫描速度、光斑重叠率以及扫描循环次数，激光束通过2d扫描振镜照射到金刚石表面，使激光光斑按照预先设定的路径和速度在金刚石上表面烧蚀加工出设定结构的磨粒沟槽，磨粒沟槽深为6μm、宽为5μm；

（4）将加工好一面后的结构化磨粒全部换面，使未加工的一面朝上，以相同的排列方法重新固定在加工平台上；

（5）再次调整加工平台位置，使结构化磨粒处在设定位置，以预定的路径和速度在未结构化的一面烧蚀加工出同样结构的磨粒沟槽，结构化完成后磨粒的一种表面特征如图5所示；

（6）重复步骤（1）到（5），加工新的金刚石磨粒，直至完成结构化金刚石磨粒满足制作抛光垫。

制作完成结构化的金刚石磨粒，将该金刚石磨粒和树脂为基体，经热固化制备而成亲水性固结磨料抛光垫，制备时其表面应具有正方形小突起阵列结构和阵列间的沟槽，阵列间的沟槽便于输送抛光液和排泄抛光产物，其表面特征如图6-7所示。

本发明采用飞秒激光结构化用于固结磨粒抛光垫的金刚石磨粒，使每个磨粒都具有很多微刃结构，在增加切削刃数量的同时减小刃尺寸的大小，从而使较大的磨粒也能获得较高的表面抛光质量。与传统磨粒相比，本发明方法结构化后的金刚石磨粒不仅参与磨削的刃更多，而且改变了传统抛光中单由磨粒顶角完成切削的抛光方式，以此减小了抛光时的法向力和切向力，降低抛光时的温度，进而提高抛光效率和材料表面质量；同时由于结构化后的磨粒表面具有很多沟槽，便于抛光液的流动散热，从而降低抛光时材料表面温度。通过结构化磨粒的使用，最终达到降低材料抛光后的微裂纹、残余应力、相变、位错、波纹等表面/亚表面损伤的目的，显著提高材料的抛光质量。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。