金剛石是集多種優(yōu)越的物理、化學、光學和熱學性能于一身的材料極品。它不但是自然界已知材料中硬度最大、摩擦系數最小、導熱性能最好的材料,而且具有優(yōu)良的電絕緣性、較寬的透光波段、優(yōu)秀的半導體特性和化學惰性,被視為21世紀最有發(fā)展前途的工程材料,具有廣泛的應用前景和巨大的市場潛力�；瘜W氣相沉積(CVD)金剛石的出現打破了天然金剛石數量稀少、尺寸過小及價格昂貴等限制,使金剛石的應用不再局限于傳統(tǒng)的刀具和模具領域,逐漸向光學、熱學、電子半導體及聲學等高科技領域發(fā)展。然而由于其生長機制的限制,CVD金剛石晶粒粗大,表面粗糙度和精度較差,無法滿足上述領域對金剛石超光滑、高精度和低損傷的表面質量要求。平坦化技術已經成為CVD金剛石應用于高新技術領域的關鍵技術之一。 金剛石的高硬度和良好化學穩(wěn)定性給目前常用的加工技術帶來了挑戰(zhàn)。機械拋光加工效率極低,容易引入裂紋和劃痕等損傷；化學作用較強的激光拋光、電火花加工和化學刻蝕等方法會遇到加工表面質量較差、殘留有變質層等問題。借助化學和機械的協(xié)同作用去除金剛石材料將為CVD金剛石的高效、超精密和低損傷拋光提供新思路。為此,探索化學和機械協(xié)同作用下金剛石的微觀去除機理,研究化學機械協(xié)同作用拋光的相關技術是實現CVD金剛石平坦化的關鍵。 本文從化學熱力學和化學動力學理論入手,研究化學和機械協(xié)同作用去除金剛石材料的相關理論,分別采用摩擦化學拋光技術和化學機械拋光技術為粗、精加工技術實現CVD金剛石高效、超精密、低損傷的拋光。主要的研究工作如下： (1)通過化學反應熱力學和化學動力學分析,論證過渡金屬催化金剛石向石墨轉化的可行性,揭示金剛石向石墨轉化的金屬催化機制,提出摩擦化學拋光盤材料應具備未配對電子、垂直對準原則、高溫硬度和高溫抗氧化性等基本條件；研究化學和機械協(xié)同作用下金剛石氧化的化學動力學理論,建立化學機械拋光金剛石的化學動力學模型。揭示金剛石的表面結構、機械摩擦引入的晶格畸變和氧化劑的氧化性是金剛石氧化的驅動力。 (2)根據摩擦化學拋光盤的材料要求,采用機械合金化結合真空熱壓燒結技術制備FeNiCr合金基拋光盤。表征FeNiCr合金基拋光盤材料的硬度、抗氧化性能及拋光性能。結果表明：FeNiCr合金基拋光盤材料的硬度和高溫抗氧化性能均優(yōu)于304不銹鋼和高速鋼。拋光時材料去除率達到3.7μm/min,遠高于TiAl合金基、304不銹鋼和高速鋼三種拋光盤的拋光效率。根據理論分析和試驗研究,摩擦化學拋光機理是,金剛石在摩擦熱和金屬催化作用下先轉化為石墨,然后以機械、擴散或氧化的形式去除。 (3)研制高效穩(wěn)定的拋光液是化學機械拋光CVD金剛石的前提。根據理論分析和試驗研究,在K2FeO4、KMnO4、Na2MoO4、K2Cr2O7、CrO3、KIO4、H2O2、(NH4)2S2O8等八種氧化劑中,K2FeO4拋光效果最好。另外,最佳磨料為粒徑2μm的碳化硼磨料,最佳拋光盤為玻璃盤。在此基礎上,分析高鐵酸鉀拋光液的氧化性、物理和化學穩(wěn)定性,通過實驗確定較佳的氧化劑濃度、磷酸濃度和催化劑分別為15g/100ml水、4-7.5ml/100ml水和粒徑30nm的催化劑T粉末。采用X射線衍射、拉曼光譜及XPS光電子能譜分析研究拋光后CVD金剛石的表面成分,揭示化學機械拋光CVD金剛石的材料去除機理。結果表明,拋光后金剛石表面存在C-C、C-OH、C-O-C、C=O和O=C-OH等多種形式官能團�；瘜W機械拋光CVD金剛石的材料去除機理是：高鐵酸鉀在酸性條件下將水氧化為自由基氧,自由基氧吸附在CVD金剛石和固體催化劑表面,逐步氧化金剛石表面碳原子。磨粒的機械劃擦作用使金剛石產生一層厚度約為2nm畸變層,保證化學反應的持續(xù)進行。 (4)搭建局部加熱式化學機械拋光試驗臺和小尺寸晶片摩擦力在線測量裝置,研究化學機械拋光溫度、壓力、拋光盤轉速、氧化劑濃度對材料去除率及摩擦力的影響規(guī)律。根據理論分析和試驗研究,合理的摩擦化學拋光工藝為：拋光壓力為6.5Mpa,拋光盤轉速為11000r/min:合理的化學機械拋光工藝為：拋光壓力為266.7kPa,拋光盤轉速為70r/min,拋光頭轉速為23r/min,拋光溫度為50℃。化學機械拋光CVD金剛石的摩擦系數在0.060～0.065范圍內變化,為混合摩擦狀態(tài)。采用優(yōu)化的拋光工藝拋光后,CVD金剛石表面粗糙度可達到Ra0.187nm,表面沒有劃痕和損傷。

【關鍵詞】：
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TG580.692;TQ164
【目錄】：

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