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一种面向图形化金刚石 薄膜制备的微增减材复合制造方法

阅读：1023发布：2020-06-27

专利汇可以提供一种面向图形化金刚石薄膜制备的微增减材复合制造方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种面向图形化金刚石薄膜制备的微增减材复合制造方法，包括：利用激光刻蚀在金刚石薄膜表面进行图形化微细加工，实现微减材制造；利用化学气相沉积对图形化的金刚石薄膜进行再沉积处理，包括：去除图形化金刚石薄膜表面的非金刚石碳相，修复图形化金刚石薄膜表面损伤，同时去除图形化金刚石膜内激光刻蚀加工残余应力，实现微增材制造；重复上述过程，直至形成微细结构完整的图形化金刚石薄膜。本发明能够实现微增材制造，最终获得高质量、高精度并且微细结构完整的图形化金刚石薄膜。，下面是一种面向图形化金刚石薄膜制备的微增减材复合制造方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种面向图形化金刚石薄膜制备的微增减材复合制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)利用激光刻蚀在金刚石薄膜表面进行图形化微细加工，实现微减材制造；
2)利用化学气相沉积对图形化的金刚石薄膜进行再沉积处理，包括：去除图形化金刚石薄膜表面的非金刚石碳相，修复图形化金刚石薄膜表面损伤，同时去除图形化金刚石膜内激光刻蚀加工残余应力，实现微增材制造；
3)重复步骤1)-2)，直至形成微细结构完整的图形化金刚石薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种面向图形化金刚石薄膜制备的微增减材复合制造方法，其特征在于，步骤1)中所加工的金刚石薄膜表面粗糙度小于等于10nm。
3.根据权利要求1所述的一种面向图形化金刚石薄膜制备的微增减材复合制造方法，其特征在于，步骤1)所述的激光刻蚀是在200-500Pa气压的氩气氛围下进行。
4.根据权利要求1所述的一种面向图形化金刚石薄膜制备的微增减材复合制造方法，其特征在于，步骤1)中激光刻蚀的激光功率为0.1-2.5W，脉冲宽度为40-400飞秒。
5.根据权利要求1所述的一种面向图形化金刚石薄膜制备的微增减材复合制造方法，其特征在于，步骤2)所述的去除图形化金刚石薄膜表面的非金刚石碳相的工艺条件是：反应压力为1-2kPa，氢气气氛，衬底温度为850℃，反应时间为30～60min。
6.根据权利要求1所述的一种面向图形化金刚石薄膜制备的微增减材复合制造方法，其特征在于，步骤2)所述的修复图形化金刚石薄膜表面损伤，是通过超纳米金刚石再沉积进行修复，具体工艺条件是：反应压力为1-2kPa，碳源浓度为2.0％，衬底温度为850℃，生长时间为60～140min。
7.根据权利要求6所述的一种面向图形化金刚石薄膜制备的微增减材复合制造方法，其特征在于，通过超纳米金刚石再沉积制备获得的超纳米金刚石的粒径小于等于10nm。
8.根据权利要求1所述的一种面向图形化金刚石薄膜制备的微增减材复合制造方法，其特征在于，步骤2)所述的去除图形化金刚石膜内激光刻蚀加工残余应力，是通过化学气相再沉积的反应温度实现高温退火，以去除图形化金刚石薄膜内激光刻蚀加工残余应力，工艺条件是：衬底温度为850℃，保温60min，随后每小时100℃的速度匀速冷却至室温。

说明书全文

一种面向图形化金刚石薄膜制备的微增减材复合制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种微增减材复合制造方法。特别是涉及一种面向图形化金刚石薄膜制备的微增减材复合制造方法。

背景技术

[0002] 微机电系统(MEMS)技术在智能系统、消费电子、可穿戴设备、智能家居及医学、生物学等领域拥有着广阔的应用前景，因此一经出现就受到了世界范围内的高度重视。目前MEMS还是以硅为主要材料，其摩擦系数较高，弹性模量和机械强度不足，容易发生结构粘附，在硅材料表面进行微细图形化加工制备的MEMS运动部件和受力构件尚难以胜任受力情况恶劣、高温和强化学腐蚀性的苛刻环境。CVD金刚石薄膜具有十分接近天然金刚石的高硬度、高弹性模量、极低摩擦系数和良好的自润滑性能、极高的热导率和化学稳定性、小介电常数、宽带隙等优秀的力学性能和物理性能，在MEMS领域具有广阔的应用前景。而MEMS器件内部涉及到大量的表面图形化加工，因此，CVD金刚石薄膜图形化技术,即图形化CVD金刚石薄膜制备技术，是实现CVD金刚石薄膜在MEMS领域的应用的关键技术。

[0003] 由于CVD金刚石极高的硬度，传统的机械加工工艺难以直接应用于CVD金刚石薄膜。激光刻蚀工艺具有较高的加工精度和效率，可在复杂曲面表面进行刻蚀加工，并且工艺简单，成本较低，对环境无污染，克服了选择性生长、模型复刻和反应离子刻蚀等工艺的缺点，在金刚石薄膜图形化加工领域显示出极大的潜力。然而，对于金刚石图形化加工，激光刻蚀还存在着一些不足。常用的短脉冲激光(如纳秒激光)在加工过程中有时会造成图形边缘的金刚石结构融化重凝，并且形成石墨化和无定形碳，导致图形化金刚石薄膜表面质量的下降；超短脉冲激光(如皮秒激光和飞秒激光)峰值功率和重复频率更高，可以缓解上述问题，但是加工区域的应力状态会发生剧烈变化，导致加工边缘碎裂不平整，同时也容易引起应力集中和裂纹，造成图形化加工质量下降。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够获得高质量、高精度并且微细结构完整的图形化金刚石薄膜的面向图形化金刚石薄膜制备的微增减材复合制造方法。

[0005] 本发明所采用的技术方案是：一种面向图形化金刚石薄膜制备的微增减材复合制造方法，包括以下步骤：

[0006] 1)利用激光刻蚀在金刚石薄膜表面进行图形化微细加工，实现微减材制造；

[0007] 2)利用化学气相沉积对图形化的金刚石薄膜进行再沉积处理，包括：去除图形化金刚石薄膜表面的非金刚石碳相，修复图形化金刚石薄膜表面损伤，同时去除图形化金刚石膜内激光刻蚀加工残余应力，实现微增材制造；

[0008] 3)重复步骤1)-2)，直至形成微细结构完整的图形化金刚石薄膜。

[0009] 步骤1)中所加工的金刚石薄膜表面粗糙度小于等于10nm。

[0010] 步骤1)所述的激光刻蚀是在200-500Pa气压的氩气氛围下进行。

[0011] 步骤1)中激光刻蚀的激光功率为0.1-2.5W，脉冲宽度为40-400飞秒。

[0012] 步骤2)所述的去除图形化金刚石薄膜表面的非金刚石碳相的工艺条件是：反应压力为1-2kPa，氢气气氛，衬底温度为850℃，反应时间为30～60min。

[0013] 步骤2)所述的修复图形化金刚石薄膜表面损伤，是通过超纳米金刚石再沉积进行修复，具体工艺条件是：反应压力为1-2kPa，碳源浓度为2.0％，衬底温度为850℃，生长时间为60～140min。

[0014] 通过超纳米金刚石再沉积制备获得的超纳米金刚石的粒径小于等于10nm。

[0015] 步骤2)所述的去除图形化金刚石膜内激光刻蚀加工残余应力，是通过化学气相再沉积的反应温度实现高温退火，以去除图形化金刚石薄膜内激光刻蚀加工残余应力，工艺条件是：衬底温度为850℃，保温60min，随后每小时100℃的速度匀速冷却至室温。

[0016] 本发明的一种面向图形化金刚石薄膜制备的微增减材复合制造方法，通过激光刻蚀实施金刚石薄膜的图形化加工，实现微减材制造，随后对获得的图形化金刚石薄膜进行化学气相再沉积，去除激光刻蚀产生的图形化金刚石薄膜表面的非金刚石碳相，修复图形化金刚石薄膜表面损伤缺陷，同时消除图形化金刚石薄膜膜内的残余应力集中，实现微增材制造，最终获得高质量、高精度并且微细结构完整的图形化金刚石薄膜。本发明具有如下有益效果：

[0017] 1.本发明的方法，通过在低压保护气氛环境下进行激光刻蚀，避免了空气中的氧气对金刚石的氧化，同时有助于排出刻蚀去除的材料，降低了激光刻蚀造成的图形化金刚石薄膜表面微细结构中的污染，提高了激光刻蚀后图形化金刚石薄膜的表面精度；

[0018] 2.本发明的方法，可通过激光刻蚀方法实现金刚石薄膜的微减材制造，通过化学气相再沉积方法实现金刚石薄膜的增材制造，化学气相再沉积过程中的低压富氢环境可以有效去除激光刻蚀造成的图形化金刚石薄膜表面的非金刚石碳相，超纳米金刚石再沉积可以有效修复激光刻蚀造成的图形化金刚石薄膜微细结构边缘崩碎裂纹等表面损伤缺陷，化学气相沉积过程结束阶段构建的退火过程能够有效去除激光刻蚀造成的图形化金刚石薄膜内部残余应力，从而实现了高质量、高精度并且微细结构完整的图形化金刚石薄膜的制造；

[0019] 3.本发明的方法，能够制备出高质量、高精度并且微细结构完整的图形化金刚石薄膜，在MEMS领域均具有非常广泛的应用前景。附图说明

[0020] 图1是本发明一种面向图形化金刚石薄膜制备的微增减材复合制造方法的流程图。

具体实施方式

[0021] 下面结合实施例和附图对本发明的一种面向图形化金刚石薄膜制备的微增减材复合制造方法做出详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

[0022] 如图1所示，本发明的一种面向图形化金刚石薄膜制备的微增减材复合制造方法，包括以下步骤：

[0023] 1)利用激光刻蚀在金刚石薄膜表面进行图形化微细加工，实现微减材制造；其中，[0024] 所加工的金刚石薄膜表面粗糙度小于等于10nm；所述的激光刻蚀是在200-500Pa气压的氩气氛围下进行；激光刻蚀的激光功率为0.1-2.5W，脉冲宽度为40-400飞秒。

[0025] 2)利用化学气相沉积对图形化的金刚石薄膜进行再沉积处理，包括：去除图形化金刚石薄膜表面的非金刚石碳相，修复图形化金刚石薄膜表面损伤，同时去除图形化金刚石膜内激光刻蚀加工残余应力，实现微增材制造；其中，

[0026] 所述的去除图形化金刚石薄膜表面的非金刚石碳相的工艺条件是：反应压力为1-2kPa，氢气气氛，衬底温度为850℃，反应时间为30～60min。

[0027] 所述的修复图形化金刚石薄膜表面损伤，是通过超纳米金刚石再沉积进行修复，具体工艺条件是：反应压力为1-2kPa，碳源浓度为2.0％，衬底温度为850℃，生长时间为60～140min。通过超纳米金刚石再沉积制备获得的超纳米金刚石的粒径小于等于10nm。

[0028] 所述的去除图形化金刚石膜内激光刻蚀加工残余应力，是通过化学气相再沉积的反应温度实现高温退火，以去除图形化金刚石薄膜内激光刻蚀加工残余应力，工艺条件是：衬底温度为850℃，保温60min，随后每小时100℃的速度匀速冷却至室温。

[0029] 3)重复步骤1)-2)，直至形成微细结构完整的图形化金刚石薄膜。

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