CVD金剛石膜拋光技術(shù)綜述

焦可如 黃樹(shù)濤 周 麗 許立福

1.沈陽(yáng)理工大學(xué)，沈陽(yáng)，110159 2.長(zhǎng)春理工大學(xué)，長(zhǎng)春，130022

CVD金剛石膜拋光技術(shù)綜述

焦可如1，2黃樹(shù)濤1周 麗1許立福1

1.沈陽(yáng)理工大學(xué)，沈陽(yáng)，110159 2.長(zhǎng)春理工大學(xué)，長(zhǎng)春，130022

針對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的化學(xué)氣相沉積（CVD）金剛石膜的拋光方法（機(jī)械拋光、熱化學(xué)拋光、化學(xué)輔助機(jī)械拋光、電蝕拋光和高能拋光等）的原理、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析論述，指出了今后金剛石膜拋光研究中亟待解決的問(wèn)題，并展望了CVD金剛石膜拋光技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

化學(xué)氣相沉積；金剛石膜；拋光技術(shù)；表面粗糙度

0 引言

金剛石是碳的同素異形體，獨(dú)特的天然面心立方晶格的晶體結(jié)構(gòu)，使它具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和聲學(xué)特性，如：①硬度最高，顯微硬度可達(dá)10000kg／mm2，是制作切削工具的極佳材料；②熱導(dǎo)速度最快，熱導(dǎo)率高達(dá)12 W／（cm·K），是電子器件的理想散熱材料；③透光性最好，是防腐耐磨紅外光學(xué)窗口和高功率激光窗口的理想材料；④禁帶寬度高達(dá)5.5eV，制作的半導(dǎo)體器件可靠性高，抗輻射能力強(qiáng)；⑤具有高的彈性模量，導(dǎo)聲速度快，便于高頻聲學(xué)高保真?zhèn)鬏?；⑥化學(xué)穩(wěn)定性好，耐腐蝕、抗輻射，適合在軍隊(duì)和惡劣環(huán)境中應(yīng)用。這些優(yōu)異的特性使金剛石具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，但由于天然金剛石儲(chǔ)量稀少、價(jià)格昂貴，因而國(guó)內(nèi)外學(xué)者就將研究熱點(diǎn)集中到人工生長(zhǎng)金剛石上來(lái)。1962年，Eversole［1］用化學(xué)氣相法成功合成了化學(xué)氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）金剛石，20世紀(jì)80年代又出現(xiàn)了熱絲CVD、等離子體CVD、燃焰CVD和激光CVD等金剛石膜制備方法。但金剛石膜在生長(zhǎng)過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生厚度不均勻、晶粒大小不一、內(nèi)部應(yīng)力和表面凸凹不平等缺陷，這些缺陷嚴(yán)重制約了金剛石膜的廣泛應(yīng)用，因此，對(duì)CVD金剛石膜的拋光技術(shù)的研究就成了其發(fā)揮優(yōu)異性能的必要前提。但金剛石膜的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、硬度高、厚度薄，整體強(qiáng)度低，因此拋光效率低、難度大，且易發(fā)生膜的破裂和損傷。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)金剛石膜的拋光進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和研究，提出了許多金剛石膜的拋光方法，主要有：機(jī)械拋光［2］、熱化學(xué)拋光［3－4］、化學(xué)輔助機(jī)械拋光［5－6］、電火花拋光［7］、高能量拋光和其他拋光方法。其中，化學(xué)拋光方法又可分為熔融金屬刻蝕法和熱金屬板法，高能拋光包括激光拋光［8］、離子束拋光［9］、等離子體拋光［10］、反應(yīng)離子刻蝕（reactive ion etching，RIE）［11］和磨料水射流拋光［12］，其他拋光方法包括SiO2漿料拋光和漂浮拋光等。

1 機(jī)械拋光

機(jī)械拋光是最早采用的一種簡(jiǎn)單而直接的拋光方法，通常采用金剛石研磨粉或金剛石砂輪進(jìn)行磨削，這種拋光方法主要是利用微粒間微切削的原理去除材料，具體而言是利用游離金剛石粉或金剛石砂輪與金剛石表面接觸產(chǎn)生較大摩擦力使金剛石膜表層發(fā)生變形甚至碳鍵斷裂而形成碎屑，從而去除材料實(shí)現(xiàn)拋光的目的。其拋光過(guò)程是一個(gè)納米尺度斷裂的過(guò)程，微切削模型如圖1所示。

圖1 微切削模型［13］

一般說(shuō)來(lái)，機(jī)械拋光設(shè)備簡(jiǎn)單，不需要加熱，對(duì)拋光試樣無(wú)尺寸限制，對(duì)大尺寸的金剛石膜只需加大研磨盤(pán)的面積即可，而且拋光后樣品表面化學(xué)性質(zhì)不變。但機(jī)械拋光的拋光效率低，且只能拋光平面形狀金剛石膜。又由于金剛石膜內(nèi)聚強(qiáng)度低，在平整加工中易破裂、損傷或剝落，機(jī)械拋光后易產(chǎn)生微裂紋、表面殘余應(yīng)力等現(xiàn)象。但此法拋光對(duì)于粗、中、精拋光都適用。

Ollison等［14］在鑄鐵盤(pán)上使用金剛石磨粒拋光金剛石膜，發(fā)現(xiàn)在前半小時(shí)表面粗糙度下降很快，最終表面粗糙度的最小值達(dá)到了43.6nm。Tang等［15］采用膜對(duì)膜的拋光方法，極大地提高了傳統(tǒng)機(jī)械法的拋光效率，去除材料率可達(dá)10μm／h。王俊峰等［16］用機(jī)械法拋光金剛石膜，用刻槽的鑄鐵盤(pán)代替未刻槽的研磨盤(pán)，發(fā)現(xiàn)研磨效率明顯提高，材料去除率達(dá)6.1μm／h，平均表面粗糙度Ra值從5.9μm下降到0.19μm。余忠民等［17］研究了拋光方式、轉(zhuǎn)速、磨粒尺寸、拋光面積與拋光效率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速越高，磨粒的顆粒越大，面積越小，拋光的效率就越高。徐峰等［18］經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的研究，最后得出對(duì)拋光效率的影響從大到小的因素依次是磨粒尺寸、轉(zhuǎn)速、正壓力和拋光面積的結(jié)論。

Yoshikawa等［4］發(fā)現(xiàn)拋光后的金剛石膜表面盡管看不出劃痕，但經(jīng)氫氣刻蝕去除表面層后，表層下面存在著沿拋光方向分布的劃痕，這種由機(jī)械拋光本身的特點(diǎn)決定的缺陷，可以改善，不能消除。陳春林等［13］進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，被拋光試件的最終表面粗糙度是由研磨劑的尺寸決定的。當(dāng)磨粒的尺寸大于1.0μm時(shí)，會(huì)在拋光表面形成較深的劃痕，當(dāng)磨粒尺寸小于1.0μm時(shí)，拋光表面質(zhì)量明顯提高。袁慧等［19］通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，磨粒的粒度、拋光盤(pán)的轉(zhuǎn)速和施于膜上的壓力均對(duì)拋光的表面質(zhì)量有影響。其中磨粒顆粒越細(xì)、轉(zhuǎn)速越高、表面質(zhì)量越好。

2 熱化學(xué)拋光

在最近幾年的研究中，中外一些學(xué)者以不同的實(shí)驗(yàn)裝置研究了熱化學(xué)拋光在多晶金剛石膜拋光中的應(yīng)用。

2.1 熱金屬板法

熱金屬板拋光是利用過(guò)渡族金屬元素（如Fe、Ni、Mn、Mo）在高溫下的溶碳性來(lái)達(dá)到拋光的目的的。其原理為：將金剛石膜與高溫的過(guò)渡族金屬制成的研磨盤(pán)相互研磨，使得金剛石中的碳原子擴(kuò)散至熱金屬板中，同時(shí)，金剛石膜表面被石墨化和氧化。研究表明：碳原子在鐵中擴(kuò)散速度應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金剛石石墨化的速度。在拋光初始階段，金剛石被石墨化處于優(yōu)勢(shì)狀態(tài)，隨著拋光時(shí)間的延長(zhǎng)，金剛石膜與鐵板的接觸面積增大，碳擴(kuò)散成為主要因素。其原理示意圖如圖2所示。一般情況下，通過(guò)金剛石膜在真空、氫氣或惰性氣體環(huán)境下、在溫度為750～1100℃的熱鐵板上轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦，使高溫下碳原子向金屬板中擴(kuò)散來(lái)拋光金剛石膜。

熱鐵板的拋光速率取決于金剛石膜表面的碳原子向熱金屬板中的擴(kuò)散速度。一般情況下，拋光速率較大，但隨著拋光時(shí)間的延長(zhǎng)，碳在金屬板中的積累增加，拋光速率會(huì)有所下降。影響熱化學(xué)拋光質(zhì)量的因素有很多。如：研磨盤(pán)表面的質(zhì)量、金剛石的純度、研磨方向與各晶面的相對(duì)位置、研磨的時(shí)間和力等［21］。拋光時(shí)間、環(huán)境氣氛、金屬板成分、轉(zhuǎn)速等對(duì)拋光質(zhì)量的影響需作進(jìn)一步的研究［22］。

圖2 金剛石膜與熱鐵板作用機(jī)理［20］

2.2 熔融金屬刻蝕

熔融金屬刻蝕是用某些化學(xué)活性很強(qiáng)的金屬（如鑭（La）、鈰（Ce）、銫（Cs）等）在一定的工藝條件下使金剛石表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使金剛石膜表面的粗糙部分熔蝕，從而達(dá)到拋光目的的一種工藝。其材料的去除也是借助于碳原子向熔融的稀土金屬中的擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)的。

用熔融金屬刻蝕的方法來(lái)拋光金剛石膜，一般采用如圖3所示的兩種結(jié)構(gòu)形式：①三明治型多層金屬板；②熔融稀土池刻蝕。熱化學(xué)拋光設(shè)備較為復(fù)雜，對(duì)拋光金剛石膜的形狀也有限制，一般只能用來(lái)拋光較厚的、平面的金剛石膜，對(duì)于熱金屬板拋光而言，金屬板粒子容易在膜表面殘留而造成污染，且在高溫下，金屬和金剛石交界處產(chǎn)生石墨和類(lèi)金剛石成分的機(jī)率也增大。當(dāng)溫度較高時(shí)，熔融金屬刻蝕法也會(huì)在膜的邊緣產(chǎn)生“過(guò)蝕”現(xiàn)象。因此，這種方法常用于金剛石膜的粗拋光。

圖3 熔融金屬刻蝕兩種結(jié)構(gòu)示意圖［23］

熔融金屬刻蝕雖具有較高的拋光效率，但難以達(dá)到較高的表面質(zhì)量［24］。付一良等［25］用稀土金屬La在溫度高于900℃條件下拋光金剛石膜，Ra值從12μm下降到1.6μm，拋光速率達(dá)到34μm／h。孫玉靜等［26］用熔融稀土鈰拋光金剛石膜，在溫度為850℃接近于零載荷的條件下對(duì)金剛石膜拋光0.5h，使金剛石厚膜的Ra值從10.845μm下降到0.6553μm，拋光速率最大可達(dá)每小時(shí)數(shù)百微米。

研究發(fā)現(xiàn)，鈰合金可在不影響拋光效率的情形下有效降低拋光溫度。李俊杰等［27］用Ce－7%Fe（原子分?jǐn)?shù)，下同）合金在592℃下拋光金剛石膜，比報(bào)道的稀土拋光溫度要低200℃以上。在680℃條件下拋光3h，Ra值從5.95μm下降到0.69μm，拋光速率達(dá)到30μm／h。孫玉靜等［28］用Ce－3%Mn合金，在660℃下拋光2h，金剛石膜的Ra值從10.849μm下降到3.6826μm，拋光速率高達(dá)37.5μm／h。McCormack等［29］提出了利用熔融Ce－22%Ni共晶合金在590℃拋光金剛石膜的方法，拋光速率為5μm／h。

沈陽(yáng)理工大學(xué)研發(fā)了稀土金屬作用下的金剛石膜超高速拋光方法，該方法采用較高的線速度（線速度大小對(duì)拋光過(guò)程本身沒(méi)有明顯影響）來(lái)提升膜表面的溫度，使其達(dá)到碳擴(kuò)散的溫度，同時(shí)在與膜對(duì)稱(chēng)的另一側(cè)裝上稀土金屬盤(pán)來(lái)實(shí)時(shí)清除擴(kuò)散到拋光盤(pán)中的碳原子，使得拋光過(guò)程順利進(jìn)行。拋光裝置示意圖如圖4所示［30］。

圖4 稀土金屬作用下的金剛石膜超高速拋光示意圖

3 化學(xué)輔助機(jī)械拋光

化學(xué)輔助機(jī)械拋光（chemically assisted mechanical polishing，CAMP）是由Raju［31］提出的將化學(xué)拋光和機(jī)械拋光結(jié)合起來(lái)的一種拋光方法。它是在載荷作用下將金剛石膜壓在放有KOH與KNO3的氧化劑的氧化鋁拋光盤(pán)上來(lái)實(shí)現(xiàn)拋光的。具體做法是：用外力將金剛石膜壓在放有KOH與KNO3的拋光盤(pán)上，同時(shí)加熱氧化鋁盤(pán)使氧化劑熔化，從而金剛石膜浸在熔融態(tài)的氧化劑中，熔融態(tài)的KOH和KNO3對(duì)金剛石腐蝕生成CO和CO2，同時(shí)硬質(zhì)的拋光盤(pán)對(duì)金剛石膜進(jìn)行機(jī)械拋光。由于機(jī)械接觸在多晶金剛石表面產(chǎn)生了許多微裂紋，故使得裂開(kāi)的新鮮表面與氧接觸，使拋光得以繼續(xù)。其拋光模型如圖5所示。

圖5 化學(xué)輔助機(jī)械拋光法模型［14］

由于此種拋光方法的拋光過(guò)程只發(fā)生在與拋光盤(pán)相接觸的凸起部分，因此拋光效率并不高，但拋光后微觀表面質(zhì)量高，可達(dá)到鏡面效果。所加載荷對(duì)拋光效果有較大影響，載荷越大，膜表面產(chǎn)生的裂紋越多，拋光越容易進(jìn)行，但也越容易對(duì)膜造成損壞。此外，拋光盤(pán)的硬度對(duì)拋光效率也有影響，硬度越高，拋光過(guò)程中拋光盤(pán)產(chǎn)生的彈塑性變形越小，越易產(chǎn)生裂紋。因此在拋光中常采用Al2O3作為拋光盤(pán)。

化學(xué)輔助機(jī)械拋光的拋光速率比機(jī)械拋光高，與拋光片的旋轉(zhuǎn)速率成正比，且相關(guān)設(shè)備費(fèi)用低，表面污染比熱化學(xué)拋光小，理論上這種拋光技術(shù)也可用于非平面金剛石膜的拋光?；瘜W(xué)輔助機(jī)械拋光利用氧化性物質(zhì)來(lái)提高拋光速率，是一種很有前途的精拋光方法。

4 電蝕拋光

電蝕拋光又叫電火花拋光，它是利用電火花產(chǎn)生的高溫效應(yīng)來(lái)拋光金剛石膜的。首先通過(guò)金剛石膜的表面改性或整體改性使金剛石膜具有導(dǎo)電性，利用電火花加工產(chǎn)生的熱能及表面涂覆金屬的熱擴(kuò)散作用，對(duì)金剛石進(jìn)行局部碳固融蝕，使其受熱石墨化和氣化，實(shí)現(xiàn)金剛石膜的高效光整加工。拋光是多種效應(yīng)綜合作用的結(jié)果，包括金剛石膜的熔化、氣化、氧化及石墨化，以及電火花放電的拋光作用和金剛石表面的金屬化，涂覆材料的熔化使材料的蝕除得以繼續(xù)進(jìn)行。去除機(jī)理模型如圖6所示。

圖6 電火花拋光金剛石膜機(jī)理模型

由于熱應(yīng)力的作用，在金剛石膜表面易產(chǎn)生微裂紋和金剛石晶粒的斷裂破碎，拋光后在膜表面也會(huì)殘存一些石墨和非晶碳，因此電火花拋光后，金剛石膜表面十分粗糙，此種拋光方法適合于金剛石膜的粗拋光。

郭鐘寧等［7］通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同的涂覆材料對(duì)拋光效果影響很大，其中純鈦熔融后可均勻地分布于放電點(diǎn)表面，鈦是一種較為理想的涂覆材料。曹振中等［32］將CVD金剛石厚膜摻硼后用電火花進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：摻雜后的金剛石厚膜的表面粗糙度與材料去除率隨放電電流和脈沖寬度的增大而增大。

5 高能量拋光

5.1 激光拋光

激光拋光金剛石膜主要有兩種形式：激光熱拋光和激光冷拋光。熱拋光的原理是將激光束照射到金剛石厚膜表面，引起金剛石膜表面溫度升高，使被加熱金剛石表面產(chǎn)生C的升華、氣化和石墨化，從而達(dá)到蝕除材料的目的。冷拋光的原理為：借助高能、高密度的光子引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng)的加工過(guò)程，使光子深入到金剛石結(jié)構(gòu)中，破壞C－C結(jié)合鍵，達(dá)到去除材料的目的。

激光冷拋光（即準(zhǔn)分子激光拋光）具有許多優(yōu)越性：首先在加工過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生石墨和非晶碳等非金剛石成分，省去了酸洗步驟；其次準(zhǔn)分子光斑能量均勻分布于金剛石膜表面，使拋光過(guò)程可控；再次準(zhǔn)分子激光脈沖寬度極短，可以在較小的脈沖能量下獲得較大的脈沖功率密度，從而去除微量的金剛石，實(shí)現(xiàn)金剛石膜的微細(xì)加工。

激光拋光是一種非接觸式拋光，無(wú)機(jī)械力，不易使金剛石膜破碎，適于拋光金剛石薄膜。優(yōu)點(diǎn)為：速度快（幾秒到幾十秒）、效率高、無(wú)需真空或其他特殊的化學(xué)環(huán)境、對(duì)拋光面積的大小無(wú)限制。缺點(diǎn)為：此種拋光方法通常不能獲得光滑的拋光表面，一般只能用于金剛石膜的粗拋光。

20世紀(jì)80年代，Rothschild等［33］對(duì)波長(zhǎng)為193nm的ArF激光拋光方法進(jìn)行了研究，指出波長(zhǎng)為193nm的激光特別適合于金剛石薄膜的拋光。它的光子能量為6.4eV，在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)金剛石吸收光子的能力最強(qiáng)。最新的激光拋光技術(shù)是采用兩種或兩種以上波長(zhǎng)的激光來(lái)對(duì)金剛石膜表面進(jìn)行拋光，即先用Nd－YAG激光或紅外光處理材料表面，造成材料微結(jié)構(gòu)的破壞，然后再用波長(zhǎng)為193nm的激光處理結(jié)構(gòu)破壞后的金剛石膜表面［34］。實(shí)驗(yàn)表明，其拋光效果較單獨(dú)用YAG激光處理更理想。

Tokarev等［35］的研究表明：激光的入射角對(duì)拋光過(guò)程有很大影響，隨著入射角的增大，激光能量密度降低，拋光效率也隨之下降。當(dāng)入射角在30°～60°之間時(shí)，拋光表面質(zhì)量較高。

5.2 離子束拋光

離子束拋光是利用氧氣或具有較大濺射率的惰性氣體（Ar）離子，對(duì)金剛石膜進(jìn)行濺射刻蝕。即用等離子體轟擊金剛石膜表面來(lái)去除碳原子，當(dāng)高能離子與金剛石表面碰撞時(shí)，金剛石晶體結(jié)構(gòu)被破壞，碳原子就從金剛石膜表面濺射出來(lái)，從而達(dá)到拋光的目的。

離子束拋光的離子源采用ECR（electron cyclontron resonance）離子槍?zhuān)@種離子槍可獲得均勻穩(wěn)定的離子束。工件安裝在支架上，當(dāng)離子束入射方向與膜片法線方向夾角α＝0°時(shí)，金剛石膜片固定不動(dòng)，當(dāng)α≠0°時(shí)，由電機(jī)帶動(dòng)金剛石膜片回轉(zhuǎn)，使其表面各部分均勻受離子束作用，以獲得無(wú)方向性的光滑表面。其拋光裝置如圖7所示。

圖7 離子束拋光裝置示意圖［36］

通過(guò)調(diào)整離子源的入射角可以拋光形狀復(fù)雜的金剛石膜，由于離子束和離子腔尺寸的限制，離子束拋光只能拋光小尺寸樣品。刻蝕速率與離子能量有一定的關(guān)系，離子束能量越高，刻蝕速度越大，對(duì)表面損傷也越嚴(yán)重。另外，離子束拋光要求離子源需有穩(wěn)定均勻的電流密度，這樣才能在膜表面得到較低的表面粗糙度值。

一些學(xué)者研究了一定轟擊能量離子和一定入射角下的刻蝕速率。Zhao等［37］用100eV的氬離子束轟擊金剛石的刻蝕速率為11nm／min，并觀察到氧離子以47°入射角轟擊金剛石時(shí)，刻蝕速率達(dá)20nm／s。

5.3 等離子體拋光

等離子拋光又稱(chēng)電子束輔助等離子體加工［38］（electron beam－assisted plasma etching，EDAPE）。這種拋光方法一般用于精細(xì)光整加工，可用于處理最小厚度為5μm極薄的金剛石膜，加工速度約為10～40nm／min。Buchkremer－Hermanns等［39］用ECR等離子體拋光金剛石得到2.5μm／h的拋光速率，表面平均粗糙度從1000nm下降到了71nm。

近年來(lái)，鄭先鋒等［40］利用直流輝光等離子體對(duì)金剛石厚膜進(jìn)行刻蝕，研究了不同工作條件對(duì)刻蝕速率的影響。茍立等［41］研究微波等離子平整金剛石膜的工藝條件，得出微波功率為400W、氧流量為50mL／min是較好的刻蝕條件，刻蝕10min，得到金剛石膜的表面粗糙度Ra為60nm，約為處理前的1／2。

5.4 反應(yīng)離子刻蝕

反應(yīng)離子刻蝕比離子束刻蝕的拋光速率要大，Sandhu等［42］利用氧氣和氫氣反應(yīng)刻蝕金剛石膜，反應(yīng)離子刻蝕速率為30～40μm／min，比離子束拋光速率大3倍。但由于等離子體需要加熱的原因，金剛石表面容易被污染。輔助設(shè)備的費(fèi)用也相當(dāng)高，且樣品受等離子體尺寸的限制。

RIE［11］是一種很有前途的拋光方法，它能有效降低金剛石表面的粗糙度而對(duì)膜的厚度影響不大。

5.5 磨料水射流拋光

磨料水射流拋光是將磨粒懸浮液高速?lài)娤蚪饎偸け砻妫揽可淞鞯臎_擊、熱效應(yīng)以及摩擦、擠壓作用來(lái)達(dá)到拋光目的的一種拋光方法。其原理是：水平放置的磨料射流噴嘴與金剛石膜處于準(zhǔn)接觸狀態(tài)，高速?lài)姵龅纳淞鞯竭_(dá)膜表面后立即改變方向沿噴嘴邊緣外泄。拋光過(guò)程中膜片不斷旋轉(zhuǎn)，噴嘴可沿徑向移動(dòng)，工件表面在射流的沖擊與摩擦作用下被拋光。其拋光裝置如圖8所示。

該方法用于金剛石膜的粗中拋光，加工效率較高。但該種拋光方法對(duì)設(shè)備的要求較高，且拋光加工的均勻性有待于進(jìn)一步改善；再者由于拋光時(shí)金剛石膜受到較大沖擊，膜表面易產(chǎn)生裂紋。拋光的表面質(zhì)量受到諸如水的壓力，噴管的直徑、長(zhǎng)度，噴頭移動(dòng)速度、作用時(shí)間，磨粒大小等諸多因素影響。

圖8 磨料水射流拋光裝置［43］

6 其他拋光方法

除上述拋光方法外，有關(guān)學(xué)者還提出了其他一些拋光方法。如SiO2漿料拋光技術(shù)、漂浮拋光等金剛石膜拋光方法。SiO2漿料拋光技術(shù)可用于精拋光，拋光速率高達(dá)20～40μm／h，表面粗糙度Ra值達(dá)10μm。漂浮拋光時(shí)將工作臺(tái)和拋光片浸入含有硅膠的水基懸濁液中，旋轉(zhuǎn)速率為1r／min，此種拋光方法要求工作臺(tái)和拋光片間的厚度要達(dá)到最優(yōu)值，厚度最優(yōu)值下拋光后的表面粗糙度Ra值可達(dá)到1nm。

7 各類(lèi)拋光方法的比較

不同的拋光方法有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，沒(méi)有哪一種拋光方法能完全滿足不同的應(yīng)用需求，所以應(yīng)依據(jù)金剛石膜的形狀、最終表面質(zhì)量的要求、拋光效率和拋光設(shè)備的限制來(lái)選擇不同的拋光方法。各種拋光方法的比較見(jiàn)表1。

表1 各種拋光方法的比較

8 復(fù)合式拋光

國(guó)內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：將兩種拋光方法結(jié)合起來(lái)使用，可以提高拋光效率，達(dá)到理想的拋光效果。

陳君［44］將電火花拋光方法與機(jī)械拋光方法相結(jié)合，先用電火花方法高效拋光金剛石膜，然后再采用機(jī)械的方法進(jìn)行精拋光，得到了較高質(zhì)量的拋光膜。該方法成本低、效率高。王俊峰等［45］采用了等離子體刻蝕－機(jī)械研磨相結(jié)合的辦法，首先用等離子刻蝕對(duì)CVD金剛石膜進(jìn)行80min的粗拋光，然后用機(jī)械拋光的方法對(duì)金剛石膜進(jìn)行4h的精拋光，膜表面基本能達(dá)到鏡面的效果，而若全部采用機(jī)械法拋光，則需15h才能得到較為平坦的膜表面。Zheng等［46］在拋光金剛石厚膜時(shí)，先用氧等離子體刻蝕作為機(jī)械拋光的預(yù)處理技術(shù)，有效地提高了粗拋光的效率。Ollison等［14］先用機(jī)械拋光法拋光48h，然后采用輔助機(jī)械拋光法拋光3～5h，最理想的微觀表面粗糙度值可達(dá)2.8nm。

反應(yīng)離子刻蝕作為化學(xué)輔助機(jī)械拋光的預(yù)處理拋光方法，可大大提高CAMP拋光的效率［47］。

9 結(jié)論

（1）國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)影響機(jī)械拋光表面質(zhì)量和效率的因素進(jìn)行了研究，得出：磨粒越細(xì)、轉(zhuǎn)速越高，表面質(zhì)量越好；轉(zhuǎn)速越高、磨粒越粗、面積越小，拋光效率越高。

（2）熱化學(xué)拋光是一種有前途的高效率的拋光方法，但其拋光過(guò)程需在較高的溫度下進(jìn)行，且溫度越高，材料蝕除率越高，而熱鐵板在較高溫度下容易加劇金剛石表面的氧化和石墨化，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用Ce－Fe、Ce－Mn、Ce－Ni合金拋光金剛石膜，在不影響拋光效率的前提下，可大大降低拋光反應(yīng)溫度。

（3）高能拋光中，激光拋光加工效率高，但表面質(zhì)量較差；離子束拋光的表面質(zhì)量較為理想，但其設(shè)備投入較高，粗拋光時(shí)效率較低，更適合于金剛石膜的精拋光；磨料水射流拋光對(duì)設(shè)備的要求也較高，適用于金剛石膜的快速粗中拋光，但其拋光的均勻性有待于進(jìn)一步改善。

（4）實(shí)驗(yàn)證明，復(fù)合式拋光達(dá)到了良好的拋光效果，其關(guān)鍵在于不同拋光方法的合理搭配，不同拋光階段選擇不同的拋光方法。在以后的工作中應(yīng)大膽嘗試各種復(fù)合式拋光方法。

（5）應(yīng)在各種拋光方法的基礎(chǔ)上大膽構(gòu)思，敢于創(chuàng)新，提供新的拋光思路，如對(duì)拋光盤(pán)施加微小的振動(dòng)等方式來(lái)改善拋光效果和采用超高速方法來(lái)提升膜表面溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)熱化學(xué)拋光等。再者金剛石刀具的機(jī)械刃磨、放電刃磨、真空等離子刃磨等和金剛石膜的拋光在機(jī)理上是相通的，因此，對(duì)金剛石膜新拋光方法的嘗試必將會(huì)給金剛石膜的拋光技術(shù)和金剛石刀具的刃磨工藝帶來(lái)極大的進(jìn)步。

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CONTENTS

Error Compensation for Machine Tools Based on Integrated Intelligent Computation … ………Zeng Huanglin et al（1）

Experimental Investigation of Hydraulic Resistances and Characteristics Simulation on Pure Water Pilot Operated Solenoid Valves … ………………Zhang Desheng et al（5）

Analysis of Kinds of LMS Algorithms in Application of Filtering Compensation for Magnetic Bearings…………………………………………………Gao Hui et al（9）

Experimental Study on Clean Machining of Titanium Alloy Based on Uniform Design Method…………………………………………………………Li Dengwan et al（15）

Design of Experimental Table for Simulating Pressure Field of Working Chamber of Earth Pressure Balanced Shield…………………………………Liu Chang et al（19）

Modeling and Simulation of Hydraulic Spring Stiffnessbased Asymmetrical Cylinder Controlled by Valve…………………………………………Ye Xiaohua et al（23）

Study on Micro－part Precision Machining Complex Method Based on Coating Technology………………………………………………………Hu Xiaoqiu et al（28）

Modeling and Analysis of Thermal Cycle System for Quantitative PCR Instrument … …Yao Yinghao et al（31）

Comparable Study and Application on New and Old Formulas of Calculating DOFs of Mechanisms and Structures ………………………Cai Hanzhong et al（35）

Study on Manufacturing Cellular Design Based on Advanced Genetic Algorithm … ………………Fan Jiajing et al（39）

Research on Selection Method of Extended Manufacturing Units Oriented Key Parts ………………An Bo et al（44）

Scheduling Electronic Products Based on a Modified Particle Swarm Optimization ………………Zhu Yong et al（49）

Heterogeneous Product Information Semantic Online Reconstruction under the Virtual Organization Semantic Grid Environment …………………Jian Chengfeng（54）

Research on Process－oriented Virtual Assembly Modeling Technology for Product Information…………………………………………………………Liu Zijian et al（60）

Research on Injection Mold Management System Based on RFID … …………………………Wang Weiling et al（65）

Application of Envelope Order Spectrum Based on Multiscale Chirplet and Sparse Signal Decomposition to Gearbox Fault Diagnosis …………………………Pi Wei et al（69）

Impacts of Exciting Parameters on 2K－H Planetary System Dynamic Response ………………Sun Shouqun et al（74）

Comparison between PCA and KPCA Method in Dimensional Reduction of Mechanical Noise Data………………………………………Liang Shengjie et al（80）

Experimental Study on Two Combinations of Travelingwave Rotary Ultrasonic Motors …Yin Yucong et al（84）

Stiffness Calculation of Micro－feed Table in Macromicro Dual Drive Plane Load …Liu Dingqiang et al（88）

Analysis of Load Angle Caused by Test Ball Diameter Change …………………………Chen Jianchun et al（92）

Research on Natural Characteristics and Sensitivity for Torsional Vibration of a Vehicle Multistage Planetary Gears…………………………………Cai Zhongchang et al（96）

Reliability Optimization Design of Dynamic Characteristics of Automotive Front Axle ……Zang Xianguo et al（102）

Research on Simulation of Vehicle Integrated Transmission System and Experimental Validation…………………………………………………Xiang Changle et al（106）

Current Research Status and Trends of Tailor Welded Blanks Applied in Auto－body Stamping……………………………………………………Song Yanli et al（111）

Review of Polishing Technology of CVD Diamond Films…………………………………Jiao Keru et al（118）

Review of Polishing Technology of CVD Diamond Films

Jiao Keru1，2Huang Shutao1Zhou Li1Xu Lifu1
1.Shenyang Ligong University，Shenyang，110168
2.Changchun University of Science and Technology，Changchun，130022

The principles of various polishing CVD diamond films at home and abroad in recent years were summarized and their advantages and disadvantages were also analyzed.The polishing technology of CVD diamond films mainly included mechanical polishing，chemical－assisted mechanical polishing，eletro－discharge machining polishing，high energy polishing and so on.Meanwhile，the problems to solve urgently in the future about polishing CVD diamond films were proposed and the trend of polishing CVD diamond films was forecasted.

chemical vapor deposition（CVD）；diamond film；polishing technology；roughness

TN305

1004—132X（2011）01—0118—08

2010—03—12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50675142）

（編輯 王艷麗）

焦可如，女，1971年生。沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師，長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院博士研究生。研究方向?yàn)榫芗俺芗庸ぜ夹g(shù)。發(fā)表論文10余篇。黃樹(shù)濤，男，1964年生。沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。周 麗，女，1971年生。沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授。許立福，男，1963年生。沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。