固定聚结金刚石研磨垫在石英基底研磨中的微观结构演变与摩擦学机制

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Microstructural evolution and tribological mechanisms of fixed agglomerated diamond abrasive pads in lapping of quartz substrates

　　

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  采用2.5 μm磨料的固定磨料垫（FAP）可为稳定切削提供可靠的基质支撑。
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  在石英上实现了稳定的摩擦系数（0.779）和高材料去除率（757.89 nm/min）。
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  界定了三种去除模式：韧性微切削、脆性断裂和滑移。

引言

得益于其卓越的透光性、低热膨胀系数（CTE）、高化学稳定性以及优异的电气绝缘性能[1], [2], [3]，石英玻璃被广泛应用于光学仪器、航空航天、光纤和半导体等高端制造领域 [4], [5], [6], [7]。然而，石英玻璃的本征特性——高硬度（莫氏硬度7）、低断裂韧性（0.7–0.9 MPa m¹/²），以及由低CTE与热特性共同导致的热敏感性——使其在加工过程中极易产生微裂纹、亚表面损伤（SSD）和内部应力。这些缺陷会严重降低加工后零件的力学强度和服役可靠性[8], [9], [10]。随着精密工程的快速发展，光学元件的表面粗糙度要求已达到亚纳米级，而半导体晶圆承载平台甚至需要原子级平面度。因此，实现石英玻璃的高效、低损伤超精密加工是学术界和工业界共同面临的关键挑战。

目前，化学机械抛光（CMP）是实现石英玻璃纳米级表面质量的主流技术。CMP的材料去除模式主要分为自由磨料抛光和固定磨料研磨 [11], [12]。由于磨料分布难以控制、研磨液浪费严重等固有缺陷，自由磨料研磨正逐步被固定磨料方法所取代 [13], [14]。固定磨料垫（FAP）将磨料固结于聚合物基质中，从而提供稳定的切削力和可控的磨料突出高度。因此，FAP已被广泛应用于半导体、蓝宝石和先进陶瓷等硬脆材料的平面化加工[15], [16], [17], [18]。近期研究中，Jeong等人提出了一种新的接触表征参数，用以阐明连续抛光中与垫表面纹理相关的材料去除机理 [19]。在此基础上，Lin等人利用固定磨料研磨的理论模型探讨了磨料形貌、尺寸和空间分布对韧性与脆性去除行为转变的影响 [14]。这些研究共同表明，FAP的加工性能由基质材料的机械强度、表面粗糙度与耐磨性，以及磨料类型、粒径和分布的协同组合所决定。

在FAP的制备方面，基质材料的选择及其固化方案直接决定了磨料垫的整体服役性能。聚氨酯、酚醛树脂和环氧树脂等热固性聚合物被广泛用作FAP的基质[20], [21], [22]。其中，环氧树脂因其低固化收缩率、高强度、优良粘接性能以及与各添加剂的优异相容性而备受关注 [23], [24]。以往研究表明，通过调节固化剂类型、固化温度和固化时间等参数，可以精细调控环氧基基质的硬度、弹性模量和耐磨性，从而满足不同硬脆材料的特定加工需求 [25], [26]。与基质选择相补充，磨料的制备和固结是FAP性能优化的关键环节。对于团聚磨料（ADs），无压烧结已成为制备玻璃结合金刚石团聚体的主流技术。通过将细粒金刚石粉与玻璃结合剂混合并在特定温度下于常压环境中烧结，可以合成具有多晶微结构且结合强度可调的团聚磨料 [27]。关于掺入不同一次粒径烧结ADs的FAP的研究表明，一次粒径通过影响团聚体强度来调控磨料在研磨过程中的微破碎行为。这种调控进而决定磨料垫的磨损速率和加工稳定性 [28]。此外，Chen等人系统研究了通过控制烧结温度和结合剂含量来合成硅基结合剂团聚体。其研究结果表明，较高的温度和较高的结合剂浓度有利于填料均匀分布和微破碎调控，从而最终提升FAP对硬脆材料的研磨效率 [29]。

尽管FAP技术取得了重大进展，但现有方法仍面临两大基本困境。首先，加工效率与表面完整性之间存在难以调和的矛盾。研究表明，虽然单晶金刚石等超硬磨料可以实现高材料去除率（MRR），但往往会在工件表面引入有害划痕和脆性断裂损伤 [30], [31]。此外，常规离散磨料在研磨过程中容易发生钝化或过早脱落，导致加工稳定性差且自锐性不足[32], [33], [34]。为应对这些挑战，Chen等人利用高温玻璃结合剂将单晶金刚石团聚，从而合成ADs。其研究发现，ADs不仅可提供高MRR，还能在研磨过程中实现新鲜切削刃的连续重新出露 [27]。相关研究中，Niu等人证明，采用不同一次粒径制备的ADs可以在保持高MRR的同时实现卓越的表面质量 [35]。然而，针对石英基底的整合ADs的FAP的系统性研究仍然稀缺。特别是磨料微结构（如一次粒径、结合剂含量）与FAP宏观力学性能、界面摩擦学行为以及材料去除机理之间的内在关联尚未得到系统阐明。

在此背景下，本研究报道了一种环氧基FAP，其中整合了通过粉末冶金烧结路线合成的玻璃结合ADs，专门用于石英基底的高效稳定研磨。通过热压固化工艺制备了具有不同一次粒径和玻璃结合剂质量分数的FAP。在此实验框架基础上，系统评估了其力学性能——包括邵氏硬度、抗弯强度和抗弯模量，以及表征为摩擦系数（COF）演化与稳定性的界面摩擦学行为。此外，从材料去除率（MRR）、表面粗糙度和加工效率的可持续性等角度对加工特性进行了量化分析。通过综合分析扫描电子显微镜（SEM）形貌观察结果和摩擦学数据，本工作旨在阐明FAP配方、力学属性与切削行为之间的内在关联。此外，本研究界定了三种不同的材料去除机理：韧性微切削、脆性断裂去除和低能耗滑移磨损。最终，本研究提供了一种兼顾加工效率与表面完整性的FAP战略设计方案，为硬脆石英基底的精密加工具有重要的工程应用价值。

章节摘录

制备工艺

在本研究中，团聚金刚石磨料（ADs）通过无压烧结路线合成。为全面考虑细金刚石颗粒在团聚磨料中的分布情况，并讨论粒径分布对工件加工效率的影响，将一次粒径、其固含量和玻璃结合剂设定如下：玻璃结合剂粉末（1500目，江苏中腾石英材料科技有限公司，中国）为

ADs的粒径分布与微观形貌

将制备好的ADs通过200-230目标准测试筛进行反复筛分。所得粒径分布如图1所示，中位粒径D₅₀为78 μm，细端D₁₀和粗端D₉₀分别为53 μm和113 μm。为更精确地表征分布宽度，引入无量纲参数Span（分布宽度），如式(2)所示：$$\begin{array}{c}\text{Span}=\frac{{\mathrm{D}}_{90}{?\mathrm{D}}_{10}}{{\mathrm{D}}_{50}}\end{array}$$

将测量值代入式(2)

结论

本研究聚焦于固定磨料垫（FAPs）的制备工艺及其在硬脆石英基底加工中的服役性能。通过多维度的实验测试与表征，系统研究了团聚金刚石磨料（ADs）微结构对FAP宏观性能与加工机理的调控规律。研究范围涵盖整个流程——从评价

CRediT作者贡献声明

林文坤：撰写——原稿，可视化，方法学，调查研究，形式分析，数据整理，概念构思。 陈嘉鹏：撰写——审阅与编辑，资源，项目管理，方法学，经费获取，数据整理。 彭亚南：撰写——审阅与编辑，指导，资源，概念构思。 李雪：撰写——审阅与编辑，方法学。 徐树盛：撰写——审阅与编辑，指导，概念构思。 苏建秀：撰写——审阅与

利益冲突声明

作者声明，不存在可能影响本文所报道工作的已知竞争性经济利益关系或个人关系。

致谢

作者感谢以下机构的资助支持：国家自然科学基金委员会（项目编号52405502），上海市自然科学基金（项目编号24ZR1426300），金华市重点科技计划项目（项目编号2024-1-006），河南省科技联合基金计划（项目编号245200810011）。

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