（机械制造及其自动化专业论文）单晶金刚石及金刚石膜化学机械法抛光研究.pdf

摘要 摘要 金刚石膜具有高硬度、低的摩擦系数、高的导热率、高弹性模量及优良的抗 磨损、抗腐蚀和化学稳定性等性质。良好的机械性能和化学性能使得金刚石膜在 机械、电子、光学等许多工业领域有着广泛的应用。随着金刚石膜应用的日益扩 大，金刚石膜的高效抛光成了一个亟需解决的难题。在本课题组已有的研究基础 上，本论文研究金刚石膜化学机械法抛光的工艺和机理，详细实验并分析了压力、 温度、氧化剂、抛光转速、添加剂、预处理等因素对抛光效果和效率的影响。 本文根据研究需要设计了一套基于化学机械法抛光原理的抛光装置，此装置 可以很方便地调整和设置抛光的各个参数值，实现金刚石膜的化学机械法抛光 装置己申请专利。 本文首先研究了氧化剂对金刚石及金刚石膜的腐蚀氧化现象进行了研究，发 现：当温度达到5 0 0 0 c 时，金刚石膜开始被氧化，质量明显减少；在温度升高到 6 0 0 。c 时单晶金刚石也开始被氧化，质量也开始减少。 本文对单晶金刚石化学机械法抛光进行了研究。通过对连续几次抛光实验结 果的观察和对比，发现抛光温度和压力对单晶金刚石的抛光影响最大，在温度为 4 0 0 0 c ，压强为1 o m p a 时金刚石抛光的表面其表面粗糙度r a 在原子力显微镜下 测试得5 6 m ，抛光效率也高。测试发现抛光过程中存在金刚石的化学变化。 本文重点研究了化学机械法抛光金刚石膜的效果和抛光机理。结果表明抛光 温度和压力对抛光影响最大，温度过低或者压力过低均使得抛光质量和效率相当 低，这和单晶金刚石的实验结果是一致的。实验中发现添加适量的s i 0 2 可以提高 抛光效率5 0 以上，抛光后表面粗糙度r a 可达1 6 6 n m ；但是添加c r 0 3 由于生成 物c r ：o ，的覆盖作用反而会降低抛光效果。温度越高、抛光转速越快、压力越大、 添加s i 0 ：、在化学机械法抛光之前进行机械初磨等均可提高金刚石膜化学机械法 的抛光效率或抛光质量。对金刚石膜的化学机械法抛光中，同样发现金刚石膜的 化学变化，金刚石膜的化学机械法抛光作用是机械研磨、化学腐蚀、碳原子扩散、 金刚石的非晶碳化和石墨化等作用的统一体。研究结论显示：采用k n 0 3 和l i n o ，、 温度4 0 0 。c 、压强为1 2 m p a 、转速9 0 n n p 、添加3 0 叭的s i 0 2 是最优工艺。 关键词：金刚石膜；抛光；化学机械抛光；氧化 1 ! ：查三些查兰三童璧圭耋堡篁圣 a b s tr a c t d i a m o n df i l mi s w i d e l yu s e di nm e e h a n t c a l ，e l e c t r o n i c ，o p t i c a l1 n d u s t n e sd u et o i t se x c e l l e n tp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e n i e so ft h eh i 8 h e s th a r d n e s s ，l o wf r i c t i o n c o e f f i c i e n t ，h i g he l a s t i cm o d u l u sa n dg o o da m i w e a ra n da n t i c o r r u p t i b i l i t y w i t ht h e w i d i n go f i t sa p p l i c a t i o n ，h i g he f f i c i e n c yp o l i s h i n go fd i a m o n df i l mi sav e r yd i m c u l t p r o b l e mn e e dt ob es o l v e d i nt h i st h e s i s ，t h et e c h n i q u ea n dt h em e c h a n i s mo ft h e c h e n l i c a lm e c h a n i c a lp o l i s l l i n gw mb em h e r i n v e s t i g a t e dt h r o u g h l y a e q u i p m e n tw h i c hp a r a m e t e r sc a n b ee a s i l yj u s t i f i e dw a sd e s i g n e dt os t u d yt h e e f f e c t so f p r s s u r e ，t e m p e r a t u r e ，o x i d a n t ，p o l i s h i n gs p e e d ，a d d i t i v eo n t h ep 0 1 j s h j n g 幻r t i l et e c h m q u ea n dt h em e c h a i l i s mo f p o l i s l l i n g t h eo x i d a t i o ni nac e r t a i nt e m p e r a t u r ea n do x i d a n tw e r es t u d i e dnw a sf o u n d t h a td i a m o n df i l mi nt h eo x i d a n tw a so x i d a t e dw h e nt e m p e r a t u r er e a c h e s5 0 0 。cw h i l e t h es i n g i ec r y s t a ld i a m o n do ) 【i d a t e dm a r k e d l yw h e n t e m p e r a t u r er e a c h e s 6 0 0 。c t h ec h e m i c “m e c h a n i c a lp o l i s h i n go fs i n g l e 盯y 啦蛆d i m o n do n 也ed e s i g n e d e q u i p m e n t i n d i c a t e st h a tt e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r ep l a yt h em a i nr o l e si nt h ep o l i s h i n g w i t ho b s e r v i n ga n dt e s t i n gt h es a m p 】ep 0 1 i s h e di ns e f i e s t h ef o u g h n e s sr ao ft h e p o l i s h e dd i a m o n d s u r f a c eg o tt o1 6 6 n mu n d e ra f mw i t ht h ec o n d i t i o no f t e m p e r a t u r e 4 0 0 。ca n d p r e s s u r el o m p anc a nb ei n f b r r e dt h a tc h e m i c a lr e a c t i o n so c c u r r e di nt h e p r o c e s so f p o l i s m n g 厅o m t h et e s t i n go f t h es 砌p l ep o l i s h e d nw a sa l s of l o u n dt h a tt e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r ep i a yc r i t i c a lr o l e si np o i i s h i n go f d i a m o n df i l m s t h ep o l i s h i gr a t ec a nb ee n h a n c e da t1 e a s t5 0 w h i l ea d d i n gs u i t a b l e a m o u n to fs i 0 2t ot h eo x i d a n t b u ti tm a d et h ep o l i s h i n gb a dw h i l ea d d i n gc r 0 3 t h e p o l i s h i n gr a t ea n dq u a l i t yw o u l db eb e t t e ri ft e m p e r a t u r eg e t sh i g h e r ，r o t a t i n gs p e e d f a s t e r p r e s s u r eb i g g e r ，a d d i n gs i 0 2 ，m e c h a n i c a lt r e a t m e n t a s a p r e t r e a t m e n t t h e r o u g h e n s sr a o f p o l i s h e ds u r f a c ec a ng e tt o1 6 6 n m c h e m i c a lr e a c t i o na l s oo c c u r r e d i nt h ec o u r s eo f p o l i s h i n g ，a n dt h ep o l i s h i n gi s ac o m b i n a t i o no fc h e m i c a lp o l i s h i n g ， c h e m i c a ie r o d i n g ，d i f r u s i go fc a r b o n ，t r a n s f o r m a t i o no fd i a m o n di n t oa m o r p h o u s c a r b o na n d g r a p h i t e t h eb e s tp o l i s h i n gt e c h n i q u e 皿a y b et e m p e r a t u r e4 0 0 。c ，p r e s s u r e l 2 毋a ，r o t a t i n gs p e e d9 0 r p m ，k n 0 3 a n d l i n 0 3 ，a d d i n g3 0 锄o u n t o fs i 0 2 k e y w o r d s ：d i a m o n df i l i i l ，p o l i s h i n g ，c h e m i c a lm e c h a n i c a lp o l i s h j n g ，o 面d a t i o n n 第一章绪论 11 本课题的研究意义 第一章绪论 金刚石是具有良好的机械性能和化学性能的一种优秀的工程结构材料和功能 材料，在诸多领域具有非常广阔的应用前景【l l 。金刚石的高强度、高弹性模量及 良好的透射能力，可用于高温高压下的透射元件，用于飞行器的窗口材料【2 】；利 用其超硬度可以满足精密及超精密加工对刀具的特殊要求【3 】。金刚石及人工合成 的金刚石膜在工具、机械、热学、光学、电子学、航空航天等诸多领域得到了越 来越多的应用。随着金刚石材料应用领域的扩大，对金刚石加工的要求越来越严 格，高的表面精度、形状精度、及无损伤表面都是目前高精度金刚石所要求的。 由于天然金刚石在自然界中存储量极少，价格极其昂贵，因此其应用范围受 到了很大的限制。在经过许多学者无数次的试验之后，在1 9 8 2 年m a t s u m o t o 【4 l 等人采用热丝化学气相沉积法成功地在各种基体表面上生长出金刚石膜，自此掀 起了低压气相合成金刚石膜的研究热潮。这种化学气相沉积法( c v d ) 制成的人 造金刚石和天然金刚石结构上完全相同，它们具有相同( 相近) 的物理、化学性 能阢 本研究课题一国家自然科学基金项目“金刚石膜高效抛光加工新技术研究” ( 项目号：5 9 8 7 5 0 1 4 ) 和广东省高等教育厅“千百十工程”优秀人才培养基金项 目“金刚石薄膜超光滑表面机械化学加工的研究”在前期提出了一种金刚石膜抛 光的新方法一电火花抛光法【6 1 ，利用铜电极的单脉冲电火花和连续脉冲对镀上一 层导电膜的金刚石进行电火花抛光，利用瞬时高温下的气化、氧化和向石墨的转 化以及热应力作用在金刚石表面产生的微裂纹和断裂破碎进行抛光作用。结果显 示：采用电火花加工可以在不到1 分钟的时间里使金刚石膜的去除量达到5 1 l m ， 抛光的效率很高。而后采用石墨电极电火花对金刚石进行抛光，可以在两分钟内， 金刚石膜的r a 值从73 2 “m 降到43 8 m 。但是这种方法只能用于金刚石膜的粗 抛光，目前还不能获得表面质量非常好的金刚石膜表面。因此，在电火花加工抛 l 广东工业大学工学硕士学位论文 光后再使用其他的抛光方法，有助于得到表面质量更高的金刚石膜。为此，本课 题组提出在对金刚石膜进行氧化化学法抛光时使用k n o 。和l i n o ，的混合熔融盐 ( 摩尔比是3 ：2 ) 做氧化剂，不仅降低了熔点，提高了抛光效率，而且降低了成本， 开辟了一条在低温下实现金刚石膜氧化化学精抛光的新道路【7 】。 本论文在现有研究基础上，设计一套基于化学机械法抛光原理的抛光装置， 利用其进行金刚石及金刚石膜的化学机械法抛光研究。通过对单晶金刚石及金刚 石膜的抛光结果的观察，检测并全面研究化学机械法抛光金刚石膜的抛光机理； 并详细研究抛光中加工参数、添加剂、预处理等对金刚石膜的抛光效率和质量的 影响，得出抛光金刚石膜的最优抛光参数条件和最佳抛光工艺，提高加工效率并 降低实际应用中的生产成本。 1 2 国内外研究现状 对于金刚石及金刚石膜的抛光，国内外已经进行了很多的研究。传统的方法 主要是机械抛光或者化学抛光。但是这两种方法都有各自无法克服的缺点，后来 人们逐渐采用更稳定的化学机械抛光法。在后来的研究中人们提出并研究了很多 新型抛光方法。比如：激光抛光、电火花抛光、离子束抛光、超声波抛光、磨料 水射流抛光等等抛光方法。但是新方法普遍存在着对设备要求较高、抛光效率低 以及抛光后粗糙度不是很好的缺点。一般而言，现在主要还是用机械抛光或者化 学机械法抛光。 下面将论述与本论文密切相关的金刚石与金刚石膜的性质、金刚石膜抛光加 工研究现状及存在的问题。 1 2 1 金刚石与金刚石膜的性质 金刚石具有非常独特的性能，这些性质均因为它具有独特的网状结构。在金 刚石晶体中每个碳原子均以共价键与最邻近的四个碳原子结合，形成图1 1 ( a ) 所示之四面体；该四面体又在三维空间相互联结构成图l l ( b ) 所示的网状结 构，其中包含两个相互穿插的面心立方晶体8 1 。在金刚石中碳的共价键非常强， 所以四面体单元十分坚固。由于高密度强共价键存在，并且这种键又有很强的方 2 第一章绪论 向性，所以晶体中只能有很狭小的位错而且难以运动。金刚石的这种结构使得金 刚石具有的许多特性：高硬度、高弹性模量和高的塑性变形抗力，使之成为一种 特殊的高性能材料。 ( a ) 四面体单元( b ) 网状结构 图1 1 金刚石晶体结构 8 】 f i g 1 5c r y s t “s t r u c t u r eo fd i a m o n d 【8 】 由于天然金刚石在自然界中的存储量实在太少，现在很多实际应用中采用 c v d 金刚石膜来代替天然金刚石。它们结构上完全相同，具有相同或相近的物理、 化学性能。c v d 金剐石膜的特性主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 硬度最高，平均硬度为8 0 1 0 0 g p a 9 】； ( 2 ) 所有物质中热导率最高，为2 4 k 、m k ，室温下为铜的6 倍。 ( 3 ) 在已知各类材料中，室温下热膨胀系数最低，约为o 8 l o “k ，因而 具有极为优良的抗热冲击性能。 ( 4 ) 优良的绝缘体，除1 i b 型半导体金刚石外，几乎所有的金刚石膜电阻率 都大于1 0 1 4 q c m ，表明金刚石也是优良的介电材料，介电常数为5 5 。 ( 5 ) 具有高掺杂性能，掺杂硼能形成p 型半导体，掺杂硫、磷能形成n 型半 导体 1 0 】。金刚石半导体禁带宽度为5 5 e v ，是半导体s i 的5 倍，是目前已知半导 体材料中最大的。半导体金刚石制作的器件工作温度高达6 0 0 0 c ，比半导体硅和 锗器件的工作温度高很多，后者分别为1 2 5 。c 和7 5 0 c 。 ( 6 ) 优良的透光性能，除红外区( 1 8 0 0 2 5 0 0 n m ) 的一小带域外，从吸引端 紫外区的2 2 5 n m 到红外区的2 5 u m 波长范围内，金刚石的透光性能优良。 ( 7 ) 声传播速度快，是优良的传声材料。 厂东工业大学工学硕士学位论文 ( 8 ) 其他性能：热扩散系数为1 6 25 c m 2 s ；金刚石膜密度为2 8 35 9 c m 一； 熔点3 7 0 0 0 c ；热稳定性高于1 3 0 0 0 c ，弹性模量e 为1 1 4 3 g p a ，泊松比为o 0 6 9 1 l l l 】； 金刚石膜还具有优良的耐蚀性和低的摩擦系数，以及良好的物理化学性能。 虽然金刚石的性质是各向异性，但是金刚石膜是由金刚石晶粒杂乱堆积而成 的，所以金刚石膜呈现出来的整体机械性能是各向同性的i l ”。在生成金刚石时， 因其中有完全结晶或晶格而含有各种结晶。不同的晶格，乃至同一晶格的不同方 向均能体现出不同的机械性能。金刚石的不同晶面和沿着不同的结晶方向具有不 同的硬度。同一晶面上沿着不同晶向的硬度也是不相同的【”j 。 1 2 2 金刚石及c v d 金刚石膜的抛光技术 金刚石膜的抛光实际上就是对金刚石膜表面的金刚石晶体的切削和去除作 用。通常降低金刚石表面粗糙度的原理可以简单地分为微切削、金刚石石墨化、 金刚石膜蒸发、溅射和金刚石参与化学反应等，所有的金刚石膜抛光方法都是这 五种机理的一种或几种的组合。由于c v d 金刚石膜一般较薄，膜的内聚强度低， 容易破裂，并且沉积过程中金刚石颗粒的取向不一，膜为多晶膜，晶粒较多，表 面凹凸不平，抛光的难度很大。下面对目前采用的各种抛光技术作一个概述，而 后详细介绍化学机械法抛光。 目前针对金刚石膜的抛光方法有：机械研磨抛光、化学机械抛光、纯化学抛 光1 “、热化学抛光1 ”、离子束抛光1 “、激光束抛光、磨料水射流抛光【1 8 1 、电 火花抛光6 1 等。但是每种抛光方法都有各自的优缺点，目前主要采用的方法还是 化学机械抛光法。 1 221 各种抛光方法概述 ( 1 ) 机械抛光方法。金刚石的机械式抛光一般采用传统的研磨或者磨削方法， 磨削工具大都采用金刚石砂轮或金刚石研磨粉。该方法可用于金刚石膜的粗，中， 精抛光。由于被加工材料的特殊性，这种传统方法往往加工效率不高，而且加工 后的微观表面质量不好，容易产生微裂纹、沟槽及划痕等其它缺陷。在研磨或磨 削与基体结合力较小的金刚石膜时，容易造成膜的损伤和破坏。 第一章绪论 图1 5 纯化学抛光示意图【”】 l 一外载荷，2 。2 0 3 ，3 m o 隔离板，4 c e ，5 一c v d 金刚石膜 f i 晷1 5s c h e m a t i cd i a g r 锄o fc h e m i c a 堇p o l i s l l i n g 【1 9 】 ( 2 ) 纯化学抛光方法。纯化学抛光方法主要是利用某些化学活性很强的金属 如镧( l a ) 、铈( c e ) 等在一定工艺条件( 如特定温度、环境气体等) 下与金刚 石膜表面产生化学反应，从而将金刚石膜表面粗糙度部分刻蚀。纯化学抛光的速 度与温度密切相关，随着温度上升，蚀除速度加快。但反应温度不宣太高，一般 不宜超过9 7 0 。c ，如温度过高，金属会过分液化，从而对膜的边缘产生“过蚀” 现象，甚至影响抛光效果。纯化学抛光的效率高于机械抛光。该方法可用于金刚 石膜的迅速减薄，这一工艺通常用于半导体基片材料的成型。据文献【2 0 】报道， 在1 c m xo5 c m 的金刚石膜上用镧及铈共同作用4 小时，金刚石膜的厚度从3 0 0 u m 减 至2 3 0 m ，去除量为7 0 h m 。虽然该方法具有较高的减薄抛光速度，但由于化学反 应及蚀除过程本身的性质，使之难以达到很高的表面质量，因此该方法只适用于 粗、中精度抛光。此外，该方法用于抛光时，由于其减薄速率大于抛光速率，因 此存在金刚石的额外消耗，致使加工成本提高。 ( 3 ) 离子柬抛光。离子束抛光是利用氧气或有较大溅射率的惰性气体( 如氩 气1 离子，对金刚石膜进行溅射刻蚀抛光2 1 。2 ”。离子束抛光是一种非接触式的抛光 方法，其入射角度可任意变化，适用于复杂形状的表面加工，且对金刚石膜表面 的损伤小，加工的质量好，可实现大直径局部原子级抛光。z h a o 等人对刻蚀率的 影响因素进行了研究，表明选择何种离子对刻蚀率的影响较大，同样从法线入射 厂东工业大学工学硕士学位论文 5 0 0 e v 的氧离子束的刻蚀率就比氩离子束高了7 倍多。入射角度对刻蚀率也有一定 的影响，入射角度为6 0 。时刻蚀率最高；另外一个影响刻蚀率的因素就是离子束 的能量，随着能量的提高而刻蚀率会增大，但离子束能量越高对表面的潜在破坏 也就会越大【2 ”。该方法的缺点是抛光的效率低，对设备的要求相当高。 ( 4 ) 激光束蚀刻法。采用激光束扫描加工使金刚石加热蒸发，可获得较高的 抛光效率，目前的加工水平为o 1 c m 2 ，r n i n 陋2 “。在激光束抛光金刚石膜的实际应 用中，激态基态复合激光器( e x c i m e r ) 的使用最为广泛，因为该激光器的波长及 功率比较适合抛光加工，其它类型的激光器应用相对较少【2 ”。利用激光扫描抛光 金刚石膜在工艺上相对较为复杂，加工效果与激光照射角度密切相关，不同类型 及波长的激光器有不同的照射角度。由于激光加工为非接触式加工，所以可用于 抛光复杂型面。据报道，小面积扫描加工可达到很高的表面质量，可进行纳米级 加工处理，但最终抛光结果与初始表面粗糙度有关。俄罗斯研究人员采用工件旋 转的方法抛光金刚石膜 27 1 ，抛光时激光头只作横向移动。采用该方法抛光时，膜 的表面粗糙度与到旋转中心的距离有关，离旋转中心越远，粗糙度值越大，这是 因为在膜旋转抛光时，激光扫描速度随半径的增加而增加，激光在单位时间内的 实际作用随之减小，因而使粗糙度值增大。 ( 5 ) 磨料水射流抛光法。磨料水射流抛光是将磨料悬浮液高速喷向金刚石膜 表面，靠射流的冲击与摩擦作用来抛光的一种方法【2 ”。该方法能较快地将粗糙的 金刚石膜表面抛光达到较为光滑的程度，但该方法抛光后的表面质量并不均匀， 而且对金刚石膜有较大的冲击，抛光后的表面有微观裂纹。 由上述介绍我们可以看出：机械抛光法由于其抛光后在表层下面存在孔洞、 沟槽和划痕等缺陷不能满足现在越来越严格的低的粗糙度和高的平面度要求：纯 化学抛光除了只能进行初，中抛光外，而且对金刚石有额外的损失，且其一般需 要在高温条件下进行而提高了对环境设备的要求，限制了其应用。离子束溅蚀法 及真空等离子化学抛光法，却存在设备复杂，制造成本高的缺点【2 9 ，3 0 】；激光束抛 光设备昂贵且抛光质量不高【3 1 1 ；磨粒水射流抛光也存在抛光时材料去除不均匀， 且对表面有较大的冲击等缺点f 3 孙，并且这些方法都难以获得高精度的平面。而在 传统的机械和化学抛光法衍生而来的化学机械法抛光虽然其效率不是很高，但是 抛光过程稳定，抛光后微观质量好，可达到镜面光洁度以及很好的平整度，对设 第一章绪论 备的要求也不高，故目前生产上主要采用化学机械法抛光金刚石膜。 l22 2 化学机械抛光法 化学机械抛光法是一种超精密抛光技术，粗略可以说是利用氧化性物质提高 抛光速率的机械抛光方法，抛光原理图如图1 3 所示。通常这种方法是用外力将金 刚石膜压在抛光盘上，同时金刚石膜浸在熔融态的氧化性物质中”】，熔融态氧化 物对金刚石膜腐蚀生成c o 和c 0 2 ，同时硬质的抛光盘对金刚石膜进行机械抛光， 实现抛光的目的【”】。 图l 一4 化学机械抛光法p 5 】 f i g 1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fc 1 埘 3 5 】 l 一夹持器2 金刚石膜3 一抛光底盘4 底座5 熔融氧化剂 对于化学机械抛光法，国内外学者提出了诸多抛光装置和方法。 k e i i c h i r o ，i k e g a y a 等人提出一种硬材料覆层薄膜的抛光装置【3 “。此抛光装置包 括一个旋转台，一个薄膜晶片的夹持器，一个与此夹持器中心相连用来传递传动 和压力给夹持器的轴，此轴可以使夹持器倾斜，一个旋转的手臂支撑着夹持器， 一圆柱体用于传递压力给轴中心，一个动力装置用来旋转轴，以及至少一个辅助 轴。此辅助轴沿着夹持器直径方向推动以在夹持器上产生一个摆动运动。薄膜厚 度可以为5 1 0 0 微米，最好是1 5 5 0 微米。可以抛光到r a 。小于5 0 n m ，r a 小于2 0 n m 。 基片的最佳厚度取决于基片的类型，一般在o 1 m m 到1 m m 。 t o s h i b i k oa b e ，m i y a g i k e n ，h i t o s h i 等人展示了一种由a l 、c r 、m n 、f e 、c o 、 n i 、c u 、r u 、r h 、p d 、o s 、i r 、p t 中的一种或者几种元素组成的金属化合物( 体 积占到9 0 以上) 和t i 、v 、n b 、h f 、t a 、w 中的一种或多种元素组成的研磨和 广东工业大学工学硕士学位论文 抛光金刚石以及单晶金刚石的工具和方法m 】。它可以抛光单晶金刚石、多晶金刚 石、金刚石薄膜、烧结金刚石等类型金网0 石而不产生破碎、裂纹或者降解等问题。 这种抛光方法比较容易实现，抛光质量稳定，维持成本较低。抛光时将上述所述 研磨工具正放在金刚石上面，然后在室温中将研磨工具相对于金刚石旋转或者移 动。同时，进行抛光的金刚石可以被加热到1 0 0 8 0 0 。c 范围。这种方法可以对金 刚石膜进行三维尺寸加工。抛光后的金刚石表面粗糙度可以达到o 5 微米或以下。 m i l ( ia d a c h i ，0 m i v a 提出一种利用一种涂抹在金刚石膜上的平均颗粒尺寸在 5 1 0 0 n m 、质量百分比在5 4 0 的s i 0 2 粉末的混合液和一个人工合成或者天然有 机的软物质组成的抛光盘同金刚石表面不断地施加一个平面压力，反复运动而抛 光气相合成金刚石薄膜表面的方法【3 ”。金刚石薄膜就可以得到有效抛光。抛光后 的金刚石薄膜粗糙度r m s 可以达到o 5 m 到1 0 m 之间。 利用金刚石可向锰，铁及其合金、铈、镧及其合金钟扩散和溶解的原理， g r a e b n e r j o h ne d w i n 等人提出一种抛光诸如金刚石等可溶于金属的物质的方法 和装置【39 1 。这种方法抛光后的表面粗糙度可以达到亚微米级。将由金属粉末和一 种酸性或抛光媒质加到表面粗糙度超过5 0 埃的被抛光物质的表面，被抛光物质的 表面粗糙度至少可以降低2 0 埃。抛光物质被高速磨削抛光到亚微米级粗糙度。被 抛光物质放到保持在2 0 0 。c 以下温度的可溶性金属组成的抛光媒质中。载体媒质 为一酸性水溶液，抛光转速在1 0 0 1 0 0 0 r p m 。金属微粒最大尺寸在5 2 0 0 微米范 围。 利用高温时控制的氧碳反应来对金刚石进行精密抛光已比较容易。但是此方 法不能用在c v d 金刚石膜上，因为会有微粒边界刻蚀倾向。对此，g r a e b n e r ，j o h n e d w i n 等人提出一种采用释氧媒质对金刚石进行抛光的方法和装置【4 ”。这是一种 采用会释放出氧气的刷或垫研磨产生局部热释放出氧气而将金刚石精抛光到亚微 米级的新技术。由于高速研磨释放出氧气并发生碳氧反应从而将金刚石表面抛光 到亚微米级表面。抛光媒质包括：释放氧气的粉末和液体载体。释放出氧气的粉 末包括：a 9 2 0 、a 9 0 、s b 2 0 5 、k n 0 3 、c r 0 3 、m n 0 2 、b a 0 2 、p d 0 、v 2 0 5 a g n 0 3 及中任意选择。粉末最大尺寸在5 2 0 0 微米之间。抛光转速在1 0 0 1 0 0 0 叩m 之间。 粉末应该是经过研磨加热才释放出氧气的才可以。此专利方法可通过控制温度来 控制氧一碳反应的位置，亦即通过摩擦在金刚石与微粒的接触处产生局部高温，此 第一覃绪论 高温得以使微粒在所处液体载体中释放出氧气并发生氧碳反应抛光金刚石。可将 前述不利倾向最小化。这些粉末可以干燥使用，一般用诸如：水，可溶水的混合 物或者其他合适的液体。要求释放氧气的微粒不会与液体载体发生化学反应。另 一种方法使用释放出氧气的液体代替释氧颗粒，如前述液体。它们不与金属或陶 瓷颗粒( 例如：m o 、n i 、舢2 0 3 、刖n 、m g o ) 反应或微弱反应。 a i a vp m a l s h e ，h a m e e da n a s e e m 等人提出一种抛光和平整多晶金刚石以及 金刚石产品的方法和装置【4 ”。这个方法通常是将金刚石正放在盛有硝酸钾和氢氧 化钾的陶瓷表面。抛光后的膜可以达到平均表面粗糙度0 0 5 微米，平整度在8 之内，并且相对来说没有污染。这个专利可以抛光各种方法和途径生产的金刚石 膜。抛光所采用的平面可以是金属碳化物，金属氧化物，金属氮化物以及陶瓷， 通常采用陶瓷铝。抛光面的粗糙度在l o 微米到l 纳米范围内。处理剂和抛光剂的 相对质量决定于金刚石或者类金刚石的纯度。在保持一定的压力的条件下，将温 度保持在处理剂和抛光剂两者的熔点和沸点的交叉区，同时也必须是金刚石或者 类金刚石的降解温度点之下。金刚石的降解发生在大概6 2 7 。c 。 另外化学机械抛光也经常用到热金属板法1 4 2 4 ”。抛光用金属板一般采用铁、 铸铁或镍等材料制成。抛光时，金刚石膜与抛光用金属板作相对运动，并保持一 定的接触压力、温度及外部空气环境。金属板能用于抛光金刚石膜是因为膜的基 本结构由碳组成，对于某些金属，在一定外部条件下，碳会不断向金属中扩散， 从而产生抛光作用。 美国俄亥俄州立大学的研究人员采用一种双膜互加工法抛光方法【4 ”。将两片 需要抛光的金刚石膜面对面安装，一片固定不动并与热源相连，另一片作旋转运 动，两片膜互相对研磨。在膜与膜之间充入以k n o ，为主要成份的化学氧化荆，金 刚石膜在机械研磨和氧化腐蚀的共同作用下被抛光。该方法设备简单，膜的大小 基本不受限制，抛光效率可比热金属板法提高数倍。该方法的缺点是两片膜进行 对研之前必须进行一次预抛光方能取得较好效果。此外，该方法可达到的最终粗 糙度值一般约为o 2 o5 u m ，若需进一步降低表面粗糙度，必须采用其它方法。 在本课题先行研究中采用氧化化学法抛光金刚石膜，使用混合熔融盐( k n 0 3 和l i n 0 3 的摩尔比是3 ：2 ) 做氧化剂，不仅降低了熔点。提高了金刚石膜的抛光可 操作性，而且降低了成本，同时开辟了一条在低温下实现金刚石膜氧化化学精抛 广东工业大学工学硕士学位论文 光的新道路。使用铸铁盘、较大的压力和较高的转速有利于提高抛光效率，但在 金刚石膜表面仍发现有机械划痕和微裂纹，而且抛光后表面微观仍显粗糙。在扫 描探针显微镜下面测量4 7 8 1 5 - 3 8 4 7 8 1 5 3 8 范围内侧的r 丑为2 1 7 4 帆【”。 1 3 本课题的来源与主要研究内容 1 3 1 课题的来源 国家自然科学基金项目( 项目号：5 9 8 7 5 0 1 4 ) ： 金刚石膜高效抛光加工新技术研究； 广东省高等教育厅“于百十工程”优秀人才培养基金项目 金刚石薄膜超光滑表面机械化学加工的研究； 1 - 3 2 课题研究的主要内容 设计基于化学机械法抛光金刚石及金剐石膜的实验装置。 研究在不同的抛光底盘上进行金刚石膜精密化学机械抛光的机理和工 艺。研究改变抛光底盘材料、转速、氧化剂配比、正压力、加热温度、 磨粒粒度以及抛光时间时对抛光质量和效率的影响。 根据实验得出抛光金刚石膜的最优抛光参数条件和最佳抛光工艺。 1 3 3 课题研究的主要目标 设计制造一种基于化学机械法抛光金刚石膜的有效装置，能够利用其对 金刚石及金刚石膜进行有效的抛光。 确定一套利用上述装置抛光金刚石膜的加工工艺，能够达到当前抛光的 先进水平，并确定化学机械法抛光金刚石膜的抛光机理。 1 0 第二章实验装置设计 第二章实验装置设计 本章首先根据几种化学机械法抛光装置和方法，以及本实验具体情 况介绍所设计装置需要满足的条件，其后设计了几种方案，比较并优选 一种能够对金刚石膜抛光装置进行加热、加压、能够均匀地对其进行机 械抛光。 2 1 导言 由于c v d 金刚石膜等硬材料覆层薄膜的硬度高，基片的易碎性， 薄膜本身的扭曲，传统的方法很难对其进行抛光。国内外众多学者提出 了各种各样的研磨抛光方法和装置，现阶段高精度的金刚石及金刚石膜 的抛光方法普遍采用的是化学机械法抛光。通常化学机械法抛光装置包 括一个可运动工作台，一个金刚石膜的夹持器，一个与此夹持器中心相 连用来传递传动和压力给夹持器的轴，一个动力装置用来旋转轴，可以 容纳液态氧化剂的抛光底盘，以及适当的辅助设备和控制系统。 2 2 实验装置设计原则 在本实验中，为了实现金刚石及金刚石膜的化学机械法抛光以及研 究抛光参数对其抛光效率和质量的影响，需设计一套基于此原理进行抛 光的实验装置。它须满足和遵循以下原则： 1 ) 由于在实验中需要测试不同氧化剂及其相关配比对抛光的影响， 所以在实验前后需要频繁的更换氧化剂种类及不同配方，故容纳氧化剂 的抛光底盘需要能够比较容易地取下来以方便更换氧化剂； 2 ) 压力的大小对抛光效果起着很关键的影响，在试验中要求装置能 够比较容易地实现对压力的调节，可以是连续量或者间断量的调节。如 果是间断量必须分成有明显差别的不同大小的阶梯，同时也耍在金刚石 广东工业大学工学硕士学位论文 膜允许的范围以内，以方便区分测试在不同压力下的抛光效率和效果而 又不会压碎或压坏金刚石或金刚石膜，同时也在设备的可操作范围之内； 3 ) 抛光转速对抛光效率有重要的影响，在这里所设计的装置要能够 实现对抛光转速的调节，也可以是连续量或者间断量调节，但是最大的 线速度应该1 0 m s 以内【4 1 】； 4 ) 抛光底盘和氧化剂的温度对抛光的效率和效果起着决定性的影 响。且在参数实验中需要测试在不同温度下利用此装置进行金刚石膜化 学机械法抛光的作用，故在试验中需要对抛光的温度进行实时精确的控 制，故设备要能够对抛光底盘以及其中的氧化剂进行加热，同时对加热 的温度进行测量和实时控制： 5 ) 考虑到金刚石与金刚石膜在抛光中除了机械和化学的作用外可以 进行碳原子的扩散等作用，另外也需要考虑在抛光底盘上开一些微细沟 槽以增大金刚石膜与氧化剂的接触机会，故实验需要在不同的抛光底盘 上进行实验，装置要求可以更换抛光底盘，以测试在不同抛光底盘材料 上金刚石膜的抛光效果： 6 ) 由于实验条件所限，实验中的抛光底盘材料为铸铁和低碳钢，虽 然他们的硬度高，但是相对于金刚石来说硬度仍然很低，故考虑在抛光 过程中加入一些添加剂或者游离磨料，以增加抛光的效率，另外装置还 需要能够比较直观地对抛光过程进行观察以方便实时观测和调整各个抛 光条件。 在满足其上条件的情况下，要考虑装置的结构简单化，占用空间小， 方便调整和设置各个参数值等问题。 2 3 化学机械法抛光实验装置设计 根据以上原则，并结合实际情况考虑采用铸铁和2 0 号钢作为抛光底 盘材料，抛光底盘的中间部分沉下形成凹坑以方便容纳氧化剂，加热方 式选择在抛光底盘侧向开深孔安装电阻加热器件，采用热电偶测量抛光 底盘及其上氧化剂的温度，其它部分具体化有如下几种方案： 叁三童塞墼董兰塞兰 2 3 1 抛光装置设计方案一 图2 2 化学机械法金刚石膜抛光装置结构图一 f i g 2 2d r a w i n gl o fc m pd e v i c eo fd i a m o n df i l m 如图2 2 所示：此方案利用一台无级调速电机带动一个行星齿轮机 构运动，行星齿轮的中心轮固定不动，电机带动外围的内齿轮旋转进而 带动中间的行星齿轮进行自转的同时进行围绕中心齿轮的公转。在中间 的三个行星齿轮下面粘接三个金刚石膜，行星齿轮机构作为压力块对金 剐石膜施加正压力，在压力齿轮上可以添加同心压力块进而调整对金刚 石膜的正压力，金刚石膜夹持在行星齿轮的底面边缘三个对称位置以使 底盘能够比较均匀地与金刚石膜发生研磨和抛光。中间顶部开孔以安装 温度测量装置，顶部安装透明玻璃以在试验过程中实时观测。 此方案的优点：可以同时抛光多块金刚石及金刚石膜，在图中可以 看到可以在每个行星齿轮下面安装三个金刚石膜，三个行星齿轮就可同 时抛光共9 块金刚石膜。另外本方案中抛光转速和正压力都比较容易调 1 广东工业大学工学硕士学位论文 整。调解输入电机的电流频率即可调解电机转速，而顶部的透明玻璃可 以取下对金刚石膜的压力齿轮增大或减少同心压力块来增减对金刚石膜 的压力。 此方案的缺点：由于镶嵌在抛光底盘中的加热器件固结在抛光底盘 中，随着抛光底盘的运动加热器件将随之转动，需要铜环和碳刷配合来 传导电源而使得整个装置复杂化，并且这些配合要求比较精确，同时需 要与工作的地盘等导电材料绝缘，装置复杂。电机旋转带动上部的抛光 底盘和整个行星齿轮机构运动，运动部件太多，显得头重脚轻。行星齿 轮的配合上松紧度要求合适，太紧密运动不连贯，太松隙运行的时候会 存在跳动。 2 3 2 抛光装置设计方案二 十 li ll il i 詈竺氛萨江 n 7 纛 | j 氐 j 。 勿 i 、 l【1 髟 型物易形猡渤 蒸勿勿弦彭 i 杪产，a 、， uu 图2 3化学机械法金刚石膜抛光装置结构图二 f i g2 - 3d r a w i n g2 o fc m pd e v i c eo fd i a m o n dn l m 如图2 3 所示：此方案可以理解为了克服方案一中头重脚轻的缺点 大致将方案一上下颠倒而成。电机放在装置的上方，整个抛光机构放在 电机的下顽，其中抛光底盘固定不动，电机通过对中间转动轴的拖动进 1 4 第二罩实验装置设计 而使得金刚石膜的有效压力齿轮自转的同时周转。加热器件和测温装置 安装在固定的抛光底盘上。在下边四周的壁上e 开有可以打开的门以方便 在试验中进行参数的调节。 此方案的优点：相比方案一此方案克服了其两个主要缺点。此方案 中由于抛光底盘固定，在静止不动的抛光底盘上安装加热器件和温控器 件使得加热和测温在这里变得非常容易实现，和方案一相比去掉了铜环 碳刷机构，结构简单很多。把电机放在上方也克服了其头重脚轻的问题。 此方案的缺点：首先由于还是使用行星齿轮机构来实现抛光的主运 动，所以在解决运动的准确性和稳定性方面不容易解决。其次由于将抛 光盘下置，抛光的过程不如方案一容易观察，且抛光装置的安装也不是 很容易，在实验中调整抛光压力很不方便。 2 3 3 抛光装置设计方案三 总体而言，方案一和方案二整体上都有结构臃肿的缺点。其中的行 星齿轮机构运动中可能也会存在跳动的问题。为了更简单的实现化学机 械法抛光原理，在这里设计了方案三。 如图2 4 所示：这个装置可以实现在不同温度、压力、氧化剂、旋 转速度、添加剂、预处理等条件下的金刚石膜的化学机械法抛光。可升 降工作台( 15 ) 上有一个装夹台用来固定抛光底盘( 6 ) ，装夹台与抛光 底盘之间置绝缘隔热板。其上再用电机带动旋转轴转动进而抛光金刚石 机金刚石膜。抛光所用氧化剂盛放在抛光底盘中，也可以适当加入一些 微细磨料或者释氧添加剂增加抛光效率和改善抛光质量。通过对该装置 的调节和设置可以进行各种不同条件下对金刚石膜的抛光，并取得显著 效果。氧化剂或添加剂可以方便地进行添加和更换。 广东工业大学工学硕士学位论文 图2 4 化学机械法金刚石膜抛光装置结构图三 f 培2 - 4dr a w i n g2o f c m pd e v i c eo fd i a m o n df i l m 1 一传动组件2 一电机3 一运动轴4 一金刚石膜 5 一加热器件6 一抛光底盘7 绝缘隔热材料8 一套筒套轴组件 9 一弹簧l o 一温控器l l 一继电器控制线1 2 一继电器 1 3 一热电偶1 4 一金刚石膜装夹组件1 5 一可升降工作台1 6 一导线 金刚石膜的固定。在抛光底盘上方有一个夹持器用来固定套筒套轴 装置( 8 ) 。金刚石膜( 4 ) 就粘结在套筒套轴装置下面连接金刚石膜装夹 器上的两个凹槽中。 抛光底盘的加热。抛光底盘的加热是通过温制器( 1 0 ) 和继电器( 1 1 ) 控制下的四个电阻加热器件( 5 ) 进行加热。在这里，由于加热器件功率 所限，两个加热器件同时加热最高可以达到3 1 0 。c ，四个同时一起加热 最高可以加热到4 5 0 0 c 。在不同温度要求下可以选择不同的加热方式。 此方案的常用参数可以按照如下进行调整： 1 ) 温度的调节：通过一个热电偶对抛光底盘( 6 ) 的温度进行测量， 1 6 第二覃实验装置设计 在这有两个测量点，其一在抛光底盘与加热器件平行的深孔中，其二在 抛光底盘的面上容纳氧化剂抛光底盘凹坑中，其中第一点测量更容易也 更稳定，但是温度较氧化剂温度金刚石及金刚石膜的抛光温度有点差别， 面上预留的点测量温度测量和抛光温度一致，但是测量不方便，实验中 采用了测量内部温度，通过内外温度差计算出抛光实际温度值。测量温 度输入温控器( 1 0 ) ，利用它来控制继电器( 1 2 ) 的断开与接通，进而可 以控制加热器件( 5 ) 的通电与否而对抛光底盘( 6 ) 的温度进行调节。 这套温控装置可以将加热温度误差控制在3 。c 。 2 ) 压力的调节：压力的大小由套筒套轴( 8