研磨抛光机新技术的应用

研磨抛光机新技术的应用

摘 要：本文研究了一种用抛光等离子体溅射CVD 法制备的金刚石自支撑膜新的机械抛
光技术。试验探索了转盘转速、金刚石粉颗粒尺寸、磨盘表面形状对金刚石自支撑膜磨抛
速率的影响。研究表明：带槽盘对金刚石自支撑膜的粗研磨效果明显，速率较高，平面盘
对提高金刚石自支撑膜的表面粗糙度有利；不同颗粒的金刚石粉对应着各自合适的能充分
利用其磨削能力的转速，在这个转速下，金刚石自支撑膜的磨抛速率在12μm/h 左右。本
文通过对新的工艺参数的探索，为金刚石自支撑膜后续加工提供有力的技术支持。
关键词：金刚石自支撑膜；机械抛光；新技术
1. 引 言
众所周知，金刚石是自然界目前所知硬的材料，同时，它具有极高的热导率，高的
电子和空位迁移率，并在很宽的光波段范围内（0.2~25μm）透明[1]。因此，诸多的优异性
能促使人们对金刚石材料产生了浓厚的兴趣。早期，金刚石材料在刀具、磨具材料上广泛
应用，其它电子、热学、光学、声学领域的应用都要求金刚石要经过抛光处理才能够使用。
20 世纪90 年代以来，随着化学气相沉积（CVD）技术的发展，人造金刚石自支撑膜已具
有十分接近天然金刚石的各项性能。且成本也降到用户可以接受的范围，商业化应用前景
可观[2]。本研究所长期致力于金刚石自支撑膜的研究和开发，已经开发出拥有我国独立知
识产权的高功率100KW 级直流电弧等离子体溅射化学气相沉积系统(100KW DC Arc
Plasma Jet CVD)，可以沉积出大直径为120mm 的金刚石自支撑膜，厚度在1mm 左右[3]。
然而，金刚石自支撑膜的后加工（包括切割、抛光、平整化等工序）特别困难，所以在金
刚石自支撑膜抛光方面本研究所亦进行过较多的研究[4,5]，但是效果都不明显，不是效率太
低，且易损坏样品，就是研磨设备成本过高，控制稳定性差，不利于进行产业化的应用。
如今金刚石膜的抛光方法已经存在多种，从早期到现在依次有：金刚石粉研磨[6]、热
化学抛光[7]、离子束抛光[8]、等离子抛光[9]、化学机械抛光 [10]、激光抛光[11]等方法。这些
方法当中，各有优缺点，万静[12]等综述比较了这些方法各自的特点。本文选用的方法是
古老、方便、原理简单的金刚石粉机械研磨抛光方法，研磨抛光的设备选用沈阳科晶
设备制造有限公司专门研制的UNIPOL－1502A 抛光机。通过研究研磨盘面形、转盘转速、
金刚石粉颗粒尺寸对金刚石自支撑膜磨抛速率的影响，找出新技术的工艺参数和工艺条件。
2. 试 验
金刚石自支撑膜是由本实验室的100KW 级高功率直流电弧等离子体溅射化学气相沉
积系统制备而成，沉积金刚石自支撑膜的工艺参数如表1 所示。
Table 1 Depositing parameters of the diamond thin film
功率 KW 15
沉积室压强 KPa 4.2
基体温度 ℃ ～950
H2 流量 SLM 8
CH4 流量 SCCM 120
Ar 流量 SLM 2
沉积时间 hour 80
基体 Mo
金刚石自支撑膜的直径为φ60mm，厚度为1mm，生长面的初粗糙度Ra 大于12μm，
并且表面生长不均匀，呈现起伏不平的形貌特征。
抛光设备选用沈阳科晶设备制造有限公司的UNIPOL-1502A 型自动研磨抛光机，该设
备可无级调速，试样加载为载物盘自身重力加载，铸铁盘选平面盘或带槽平盘，还可同时
加工3 个试样达到小批量生产的能力。该设备研磨盘旋转平稳，φ380mm 的研磨抛光盘的
跳动范围在5～10μm，对试样损害小。
金刚石粉选用高温高压爆炸法制备的筛选粉，粒度级别分别是100/120、140/170、
200/230，采用加水研磨，金刚石粉可部分回收。
本实验旨在探索新的设备的工艺参数，故尝试不同的转速，不同的金刚石粉颗粒尺寸，
不同表面形状的研磨盘，工作固定的时间段，选择大磨削量的工艺参数作为结果参数。
3. 结果与讨论
3.1 不同研磨盘对金刚石自支撑膜磨抛速率的影响
选用粒度为100/120 的金刚石粉分别在带槽盘和平面盘上以50r/min 的转速研磨1 小
时，对金刚石自支撑膜进行粗抛，测量多点相对高度，取平均值评价磨抛速率，不同磨盘

50r/min
带槽盘
平盘
图1 不同研磨盘对磨抛速率的影响
Fig. 1 the effect of the different lapping plates on the polishing speed
从图1 可以看出，带槽盘对金刚石自支撑膜的磨抛速率快，有利于金刚石自支撑膜的
粗抛过程。因为带槽盘的工作原理增大金刚石粉与金刚石自支撑膜的切削力，并且提高金
刚石粉的滚动几率，使得金刚石粉尽可能多地利用尖角磨削，从而提高磨抛速率。但是带
槽盘容易产生较多且深的划痕，故而不利于金刚石自支撑膜的细抛。平盘对金刚石自支撑
膜的磨抛属于“温和”型的，采用铸铁盘镶嵌金刚石粉的方式磨削金刚石自支撑膜，对金刚
石膜的切削力主要靠镶嵌力来提供，故而相对恒定，可以促进金刚石膜表面粗糙度的降低，
但磨削速率没有带槽盘大。
3.2 不同转盘转速对磨抛速率的影响
选用粒度为200/230 和140/170 的金刚石粉在平盘上分别以30r/min、35 r/min、40r/min
的转速研磨2 小时，不同转速对磨抛速率的影响如图2 所示。
图2 不同转盘转速对磨削量的影响
Fig. 2 the effect of the different rotational speeds on the polishing speed
从图2 可以看出，颗粒为140/170 的金刚石粉研磨时，速度越大使得磨削速率越小，
跟通常的观点有些不同。试验现象表现为，在速度不断增加的时候，金刚石粉容易向外移
动，终被摔出研磨盘。这是因为转速越大，所需的向心力越大，而磨盘的镶刻力不能提
供足够大的向心力，从而金刚石粉容易被摔出，不能充分利用金刚石粉的磨削力，从而影
响磨削效果。颗粒为200/230 的金刚石粉研磨时，在35 r/min 时有个非常的大磨削量，也
就是说在这个转速时磨削效果佳。试验现象表现为，在30 r/min 时，金刚石粉容易因载
物盘的自转而向磨盘内聚集，影响了磨削效果；而40r/min 时，金刚石粉因为向心力向磨
盘外移动，后被摔出，也没有起到足够磨削的作用。所以，可以初步估计颗粒为140/170
的金刚石粉磨盘转速在25～30r/min 之间时磨削效果佳，颗粒为200/230 的金刚石粉在磨
盘转速35r/min 时磨削效果佳。
3.3 不同金刚石粉颗粒尺寸对磨削速率的影响
通过之前的研究结果可以知道，在同一个转速对不同的金刚石粉颗粒的磨削能力进行
评价是不合适的，因为每一种颗粒都会对应一个合适的转速。所以选用颗粒为200/230 和
140/170 的金刚石粉在转速分别为30r/min、35 r/min、40 r/min 时进行研磨2 小时。选用颗
粒为140/170 和100/120 的金刚石粉在转速为20 r/min、30 r/min 时进行研磨2 小时，