使用金刚石线切割可进行多种复合材料的切割加工，且具有较高的切割速度与切割面型质量。因此，金刚石线切割是切割复合材料的最佳选择。

密封条的整体结构完整，各组分的切割端面完好无损，保持了其原有的物质形态；各组分的结合边界清晰可辨，无拖拽、黏带现象，能够完全符合作为检测样品的要求。

实验室用切割机多种多样，对于使用者来说，往往一头雾水。每一种切割机究竟有什么特点，在什么情况下使用？本文对此进行一些介绍，希望能给各位老师提供一些有用的参考意见。

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，不同 金刚石粉的颗粒尺寸对磨削量的对比图如图3 所示。 0 5 10 15 20 25 30r/min 35r/min 40r/min 200/230 140/170 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20r/min 30r/min 140/170 100/120 图3 不同金刚石粉颗粒尺寸对磨削速率的影响 Fig.3 The effect of the different grain sides of the diamond powder on the polishing speed 从图3 可以看出，不同的金刚石粉颗粒尺寸对应有一个合适的转速，在这个转速下 的最大磨削速率才能体现出金刚石粉的磨削能力。根据之前的数据以及试验现象可以估计 200/230 的颗粒在35r/min 时有最大磨削速率，140/170 的颗粒在25～30r/min 会产生一个最 大的磨削量；100/120 的颗粒将在20～25r/min 之间产生一个最大的磨削量，因为试验数据 显示在10r/min 时磨削量下降且金刚石粉易内聚，20r/min 时金刚石粉的分布比较均匀。根 据文献[13]报导，金刚石粉对金刚石自支撑膜产生的磨削作用会有一个极值，也就是说同粒 度的金刚石粉只能达到一定的磨削量，达到之后时间增长或者转速增大，都不能改善磨削 效果。而在本试验中，不同的金刚石粉颗粒的最大磨削速率都在12μm/h 左右，所以不同 的金刚石粉颗粒需要找到其本身最好的匹配转速，达到之后的磨削能力相差不大。

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，最终被摔出研磨盘。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最佳。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，最后被摔出，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 之间时磨削效果最佳，颗粒为200/230 的金刚石粉在磨 盘转速35r/min 时磨削效果最佳。

4. 结 论 长期以来本实验室在进行金刚石自支撑膜后续加工的领域里碰到的难题是磨削速率太 低，安全性也低，容易损坏样品，从而大大增加了研究成本，实际应用方面也受到阻碍。 这次选用新的设备使用最简单的方法，磨削速率有了很大的提高。又加上金刚石粉可以回 收再利用，从而降低了后续加工的成本。通过本次新工艺的探索，得出以下结论： 1) 带槽盘的粗抛效果好，磨削速率大，平面盘的细抛效果好，有利于表面粗糙度的 降低。在金刚石自支撑膜研磨初期，使用带槽盘进行粗磨，到达一定粗糙度之后 选用平面盘进行细磨。 2) 不同的金刚石粉颗粒尺寸都对应有一个磨削效果最好的转盘转速，一般是使得金刚石粉能够在研磨带上均匀分布的转速范围，充分利用金刚石粉的磨削能力。如本试验的200/230 粒度对应的35r/min，140/170 粒度对应的20～25r/min，100/120 粒度对应的20～25r/min。 本次试验所进行的磨抛工序是粗抛和细抛，精抛工艺需后续工作进一步探索。同时，本试验过程中发现，新的设备和工艺虽然能提高磨削速率，降低表面粗糙度，但是不能改变金刚石自支撑膜的初始平面度，只会在原有平面度的基础上进行抛光处理。然而平面度 对金刚石自支撑膜的应用也有着较大的影响，所以有待进一步探索研究金刚石自支撑膜的平整技术。

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，生长面的最初粗糙度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，选择最大磨削量的工艺参数作为结果参数。

1、北京科技大学材料科学与工程学院功能材料研究所，北京（100083） 2、沈阳科晶设备制造有限公司，沈阳（110168） 1. 引 言 众所周知，金刚石是自然界目前所知最硬的材料，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)，可以沉积出最大直径为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。本文选用的方法是最古老、最方便、原理最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。

磨片 　　磨片工序就是用各种磨料，对切割好的晶体进行加工处理，目的是去除因切割时刀片震动及机器本身精度造成的晶体基片表面的机械损伤层，提高晶体基片的平整度，使晶体基片达到适合抛光的标准。 　　研磨各种晶体基片时，一般要选用双面磨片机，特别是晶体基片提供商，只能选择这种所谓四轨迹的双面研磨机。用这种设备研磨出的晶体基片的平整度是可得到保证的。在实验室中研磨晶体基片时，可选用各种小型的单面磨片机，灵活、实用。例如：在研磨2英寸以下的晶体基片时，可以选用802精密研磨抛光机，在研磨3英寸以上的晶体基片时选用1502型精密研磨抛光机。 　　根据研磨晶体材料的不同，以及对晶体基片的不同要求，可以选用不同颗粒度的各种研磨材料。对于莫氏6以下的各种晶体材料可选用白刚玉微粉磨料，而莫氏硬度6以上的各种晶体材料，可以选用碳化硅或碳化硼等磨料。 　　磨料的颗粒大小和颗粒度的均匀性，与被研磨的晶体基片表面质量有很大关系。在一定的工艺条件下，损伤层深度正比于所使用的磨料颗粒度大小。粗的磨料引起较深的损伤层，反之损伤层小。所以，磨片工序分为粗磨和精磨两道工序。粗磨工序用于快速减薄晶体基片，精磨工序用改善片面质量，这是因为磨料的颗粒大小，对研磨效率有较大的影响，磨料颗粒度的大小与研磨速度成正比，与研磨质量成反比。研磨速度与机械的转数成正比。压力越大，研磨效率就越高。但是，压力过大，容易产生碎片现象和损伤增大。研磨速度是随磨料的浓度增加而加快的，要得到好的研磨质量，又能提高生产效率，就必须用适当的磨料，合理的压力和合适的机器转数。 研磨液的一般配比：磨料：水=10～20：100 　　选择质量好的磨料是非常重要的，对同一种型号的磨料，其颗粒大小也会不均匀，尤其是大颗粒（数量极小），引起后果极坏。因为磨料的颗粒度越大，加到磨盘底下的磨料就越少，即每个颗粒所担负磨盘的总压力就越大，而磨料颗粒又把加于它的压力，传给所研磨的晶体基片的表面，所以对加工的晶体基片表面的损伤就越深，造成深的损伤。不但会对晶体基片产生很深的损伤层，而且使表面造成划道。 　　 在研磨晶体基片前的工作是要进行选片。也就是要把切割好的晶体基片按不同厚度进行分类。将厚度一样的晶体基片进行粘片，准备研磨。因此，影响晶体基片平整度的因素包括选片、粘片和在研磨过程中磨料分布的情况及晶体基片本身的质量。所以，在研磨过程中，磨料的流量要保持不变，特别是晶体基片本身厚度要均匀。 粘片：把切割后的晶体基片粘在载料盘上，然后进行研磨减薄加工，去除晶体基片的机械损伤层。这一道工序是很重要的，它直接关系到晶体基片的平整度和平行度。粘片的粘合剂是一种特别的石蜡制品，主要成份是石蜡、松香、以及聚乙稀醇等。适用于各种晶体基片的粘合，沈阳科晶公司可以为用户提供这种石蜡制品。粘片的关键是掌握石蜡的熔点温度，以及涂蜡层的均匀度。 　　下面，我们给使用科晶公司产品的用户举两个例子，说明一下，如何根据研磨的晶体材料（切割好的晶体基片），来选择研磨的方式和磨料的种类及颗粒度。 例1、　　研磨切割好的单晶硅的晶体基片，根据单晶硅的物理性质，更主要是根据单晶硅的莫氏硬度为5，我们选用一次研磨的加工方式，选用白刚玉微粉磨料，磨料的颗粒度型号为M10，当硅片的直径为2英寸时，在802型设备上研磨，时间1小时，就可去除硅片上面的机械损伤层，此时晶体基片的损伤层只是磨料本身的颗粒直径造成的损伤层为10μm左右。达到抛光工序的用片要求。 例2、　　研磨白宝石的晶体基片，根据白宝石（AL2O3）的物理性质，更主要是根据白宝石的莫氏硬度为9这一情况，我们选用二次粗磨和一次精磨的加工方式，选用碳化硼或碳化硅磨料。粗磨工序时，选用M20和M10的磨料颗粒度。精磨工序时，选用M5或M3.5的磨料颗粒度。在白宝石基片的直径为2英寸时，在802型设备上研磨，二次粗磨和一次精磨分别在三台机器上进行，时间为8小时，就可去除白宝石两面的机械损伤层，此时晶体基片上的损伤层仅为3.5μm左右。达到抛光用片要求。

在上期的沈阳科晶设备制造有限公司的followme园地中，介绍了《设备选择》。使用沈阳科晶公司的精密设备，用不到6万元就可以建立你自己的加工实验室。有了自己的实验室，就要有相应的技术。来保证你的实验室的良好运行。为此目的，我们向科晶公司用户，介绍一下晶体基片加工的完全过程，来感谢产品用户的大力支持。《切磨抛工艺》来到了followme园地，进入您的视野。 　　　　　　　　　　　　 切磨抛工艺 　　将各种晶体加工制成半导体器件生产线上所需要的抛光片（衬底片）需要经过切片，磨片和抛光等工序。这一平面加工工艺的简称就是所谓的切磨抛工艺。 切片： 　　 加工大直径的晶体时，通常用内园切割机来进行加工。用这种设备切出的晶体基片是平的。因为刀片由外围张力环支持，震动小。相邻的晶片损伤小。小直径的晶体材料，可用科晶公司生产的SYJ-150型或EC400型切割设备进行加工，实用快捷。 　　 而对于脆性的，切割时易损的晶体材料，使用科晶公司生产的 SYJ-2型精密线切割机是非常合适的 。该设备使用镶嵌金刚石的线锯丝或普通的线锯丝，同时使用研磨浆来实现各种材料的无损伤切割。该机的工作台水平可旋转90˚卡具，并具有切割线张力调整装置，来实现精密的切割。 　　 SZX-1全自控高精度晶体线切割机，是沈阳科晶设备制造有限公司推出的国内独家研发制造的全自控高精度线切割机，是由计算机控制的理想切割机，可以切割最大棒料直经4英寸的各种晶体、陶瓷、及金属材料，切割厚度可小于0.2毫米。 　　 晶体材料在切片前，需要进行定向。例如单晶硅材料，一方面为了确定管芯划片时最佳方向（对【111】单晶参考定位面为〈100〉面）。另一方向，为使抛光片〈衬底〉在外延时，有利于减少外延层表面角锥缺陷，降低层错密度及减少隐埋图形的畸变和位移。一般要求切割片（衬底片）【111】朝向最近的【110】偏离4～5度。 　　 切割晶体时，按照切割设备的操作规程，逐条进行。一般都会加工出合格的晶体基片。要注意的是，由于切片设备的刀片的平整度及设备本身的精度造成的震动，会对切割的晶体基片表面造成机械损伤层，这一损伤层，一般来讲最少在30～70μm之间。所以在加工晶体基片时，切片的厚度，要把机械损伤层考虑到，例如：如果要求在半导体器件生产线上需要厚度为300μm的晶体基片，那么切割晶体基片时要求晶体基 片的厚度最好应在450～500μm左右。 ●切片时的机械损伤（刀片震动造成）　　 30μm～70μm (一面) ●磨片时机械损伤（磨料造成）　　　　　　 5μm～15μm (一面) ●抛光时去除机械损伤　　　　　　　　　　 1μm以下 以上只是为用户提供一个考虑的思路。切割晶体基片的厚度尺寸原则是，保证最终抛光片尺寸厚度要求时，晶体切割时，片厚越薄越好，不但节省了晶体，降低了成本，也提高了磨片和抛光工序的效率。

由三台全自控、无级调压、双无级变速，高精度研磨抛光机（一台用于粗磨；一台用于精磨；一台用于抛光）配置辅助设备，组成一条金相试样自动制备线，其设备与工艺及试样制备效果介绍如下： 　　首先将需要抛光面面积约200mm2 的标准试样6～12件（试样装卡多少依据载样盘相对应制作的孔位多少而定），用专用卡样机，牢固装卡在载样盘上（载样盘可根据用户要求及试样的形状大小而设计制作，本公司随设备出厂配置的载样盘可装卡20×10×15㎜试样12件），这样可保证载样盘上所装卡的12件试样的待磨抛平面，基本处在同一个平面上，这是试样制备准备工序。 　　将装卡好的12 件试样的载样盘，用其自带的块换卡头很方便的按装在磨光机上，利用平面白刚玉砂轮进行头道工序粗磨，压力可任意调整，配置冷却液循环泵强制冷却，经2分钟粗磨可使12件试样研磨成同上平面粗糙度可达Ra：0.4～08 　　将粗磨后的试样连同载样盘取下，用请水洗净后，安装在精磨机上，利用铸铁研磨盘，配置研磨液用搅拌循环泵循环供料，进行第二道工序精磨加工，经2分钟精磨后，12件试样精磨表面发乌，平面度在0.1㎜以下，粗糙度可达Ra：0.1～0.2 　　将精磨后的试样连同载样盘取下，用请水洗净后安装在抛光机上，利用表面粘有聚氨酯（合成革）抛光垫的铝合金抛光盘，配置抛光液自动滴料器进行第三道工序抛光加工，经2分钟抛光12件试样抛光面呈镜面粗糙度可达Ra:0.005以上，肉眼观察无划痕，在暗箱显微镜下观察，非金属夹杂物布脱落，边缘亦没有手工磨抛不可避免的园角塌边现象，清洗后卸下试样即可送检，这样，一组高质量的金相试样12件，只需6分钟即可完成。 　　 这样一条金相试样自动制备线，设备组合和磨抛工艺，经反复实验摸索，特别是宝钢集团上海五钢实际生产使用，证明是可性的，成功的、成熟的。从设备到辅料，全部实现了国产化，整个制备线全套设备只需20万元人民币，仅是购买3台进口压力研磨机100多万元元人民币的1/5，同时可以使用进口机器每年所必须消耗的进口辅料达50万元人民币之多的砂轮、砂纸、抛光垫、抛光液、润滑液等的费用。因此，这样一条金相试样自动制备线是适合我国国情的促进我国钢铁冶金行业技术进步，加入WTO与世界接轨，特别是宣贯苏州会议审定通过的GB/10561（等同ISO）国家标准不可缺少的金相试样制备线最佳配置方案。 　　我公司愿为我国钢铁冶金行业的发展，为各企业的技术进步做出积极的努力和诚挚的服务。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 沈阳科晶设备制造有限公司 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 2003年10月23日