СПОСОБ ПОЛИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ АЛМАЗОВ
METHOD OF POLISHING POLYCRYSTALLINE DIAMOND SURFACE

Изобретение относится к способам обработки поверхности поликристаллических алмазов, полученных методом химического осаждения из газовой фазы, и может быть использовано для производства элементов микроэлектроники и силовой оптики лазеров с высокой мощностью излучения.
Состояние поверхности оказывает существенное влияние на теплопроводность граничного слоя, адгезионные, оптические, прочностные и др. характеристики поликристаллических алмазов, полученных осаждением из газовой фазы. Изначально полученные образцы характеризуются шероховатой поверхностью, ограничивающей применение этих алмазов по параметрам, перечисленным выше.
Для преодоления этих ограничений требуется уменьшить шероховатость полученных алмазных пленок и внести при этом минимальные повреждения в приповерхностный слой.
Для получения поверхностей с плоским рельефом используются механическое шлифование, полирование путем испарения или сублимации поверхности, полирование при помощи химических реакций, лазерное полирование, механохимическое полирование и т.д.
При достаточно сильном нагревании поверхности материалов начинается процесс плавления или испарения. Полирование алмазов путем испарения или сублимации поверхности раскрывается в патенте US 5711698. Согласно данному патенту заявляется способ абляции синтетического алмаза, полученного осаждением из газовой фазы, в соответствии с которым наносят слой коллоидального графита, а затем осуществляют травление поверхности плазмой, которая уносит материал с поверхности, образуя сглаженную поверхность. Затем, при необходимости, осуществляют притирочную доводку.
Полирование при помощи химических реакций достаточно часто встречается в патентной литературе. Например, в заявке RU 95121661 раскрывается способ шлифовки и полировки минеральных объектов, в соответствии с которым шлифуемую поверхность алмаза сначала насыщают водородом, а затем в процессе шлифовки используют химический активатор шлифовки, способный при нагревании генерировать локальную экзотермическую реакцию или реакцию, приводящую к химическому разрушению поверхности.
В патентах US 6302768 и JP 2006066554 раскрываются способы химико-механического полирования. Суть этих способов состоит в том, что на поверхность алмазных пленок наносят полировальную среду, представляющую собой диспергированные в жидкости абразивные частицы (в патенте US 6302768 - диоксида кремния, а в заявке JP 2006066554 - оксида алюминия), а затем проводят обработку поверхности трением с использованием этих абразивных частиц.
Наиболее близкий к предложенному способ полирования алмазов раскрыт в ЕР 0739686. В соответствии с данным патентом на поверхность алмаза наносят полировальную среду, состоящую из частиц переходных металлов и кислотного или основного носителя. Затем поверхность полируется за счет трения, возникающего при взаимодействии алмазной поверхности и контртела при его вращении с частотой 100-1000 об/мин. Известный способ позволяет уменьшить шероховатость поверхности, по меньшей мере, до 20 Å.
К недостаткам данного способа можно отнести трудность реализации, требующей сложного набора реагентов, многоэтапности реализации, включая и этап-трение с контртелом, как завершающий, невозможность применения традиционных для оптики легкоплавких и химически не стойких клеящих (но в последствии легко удаляемых) составов, а также ухудшение экологической обстановки в процессе полирования алмаза за счет использования в качестве носителя кислот и щелочей.
Задачей изобретения является устранение присущих известным техническим решениям недостатков.
Поставленная задача решается способом полирования поверхности поликристаллических алмазов, полученных методом осаждения из газовой фазы, включающим обработку поверхности алмазов трением путем взаимодействия поверхности алмаза с вращающимся контртелом, в соответствии с которым обработку трением осуществляют контртелом, выполненным из упорядочивающегося сплава на основе титана с частотой вращения контртела от 3000 до 5000 об/мин и нагрузкой от 8 до 12 Н.
В частных воплощениях изобретения проводят дополнительную обработку вращающимся контртелом с частотой от 100 до 200 об/мин и нагрузкой от 1 до 5 Н при взаимном смещении контактирующих тел.
Предпочтительно в процессе обработки контролировать величину коэффициента трения и дополнительную обработку проводить после скачкообразного увеличения коэффициента трения.
Предпочтительно, также, дополнительную обработку проводить непосредственно за основной.
В некоторых воплощениях изобретения целесообразно повторить основную и дополнительные обработки.
Сущность предложенного технического решения состоит в следующем.
Под упорядочивающимися сплавами понимаются такие сплавы, у которых при фазовых превращениях перераспределение атомов происходит в масштабах порядка межатомных расстояний и приводит к появлению упорядоченной фазы. В этой фазе атомные позиции становятся неэквивалентными для заполнения атомами разного сорта: кристаллическая решетка неупорядоченной фазы распадается на несколько подрешеток, в каждой из которых концентрация отличается от средней по сплаву, то есть каждая подрешетка обогащена по какому-то из компонентов относительно средней доли данного компонента в сплаве. В результате симметрия кристаллической решетки понижается, а размер ее элементарной ячейки (периодической структуры минимальных размеров) увеличивается.
Как правило, у упорядоченных сплавов с удельным весом, меньшим, чем удельный вес сталей в три раза, прочность значительно выше.
Кроме этого, они, как показали наши исследования, эти сплавы, имеют высокую каталитическую активность с алмазом, т.е. они хорошо работают под давлением, не образуют текстуру на алмазе, не образуют пленок и идеально подходят в качестве контртела при обработке алмазов.
3
Проведенный нами анализ известных материалов и сплавов по параметру химической активности к алмазу, теплофизических, механических свойств и кристаллографического строения показал преимущества для использования в качестве контртела упорядочивающихся сплавов (суперсплавов) на основе титана, в частности системы титан-алюминий. Из трех основных метастабильных составов равновесной диаграммы титан-алюминий сплав на основе интерметаллида TiAl обладает наибольшей прочностью и в меньшей степени подвержен образованию текстурированной фазы, адгезирующей с алмазом, препятствующей графитизации при трении.
При полировании поверхности поликристаллических алмазов, полученных методом осаждения из газовой фазы, включающим обработку поверхности алмазов трением, на начальном этапе полирования на поверхности алмаза за счет взаимодействия поверхности алмаза с контртелом происходит фазовый переход с образованием графита. В данной ситуации суперсплав является прекурсором процесса графитизации, а реагентом - кислород воздуха.
Началу процесса графитизации соответствует изменение величины коэффициента трения между алмазом и контртелом от приблизительно 0,01 до ~0,15-0,17.
Затем графит, образованный на алмазе под воздействием давления и нагрузки, т.е. при плотном контакте на высоких скоростях, механохимически взаимодействует с компонентами упорядочивающегося сплава с образованием карбидов.
Процесс графитизации наиболее эффективно протекает при молекулярном контакте поверхности алмаза со сплавом, содержащим 70% титана и 30% алюминия. В этом случае на любых режимах трения металлическая пленка на алмазе не образуется, температура в контактной зоне сохраняется стабильной не выше 25°С при частоте вращения от 500 до 5000 об/мин и нагрузках от 1 до 15 Н. Замечено, что с повышением скорости вращения температура обратной стороны алмаза уменьшается, т.к. нагрев от трения компенсируется кондуктивным теплообменом и вынужденной конвекцией.
С образованием графита в атомных слоях алмаза и переноса его в плоскость контакта с контртелом мощность трения увеличивается с ~500 до ~1600 мВт и далее практически не меняется.
3
2
4
2
3
4
3
8
5
Нами было впервые установлено, что за счет механохимической реакции графита и интерметаллида TiAl образуются химические соединения углерода с титаном и алюминием в виде карбидов TiC; AlTiC; TiАlС; АlС; TiC. Резкое отличие параметров кристаллических решеток исходной матрицы и карбидов не позволяет образовать новые фазы внедрения и при скоростях трения 2000-5000 об/мин в плоскость контакта алмаз-интерметаллид переносятся вновь образованные химические соединения в виде мелкодисперсных сверхтвердых высокоабразивных частиц.
При дальнейшем совместном трении вновь образованной порошковой фазы и графитизированного поверхностного слоя алмаза последний снимается, обнажая новые ювенильные поверхности алмаза для дальнейшего катализа и съема.
Учитывая, что процесс взаимодействия происходит лишь в тонком слое поверхности контактирующих тел, интегральная температура нагрева не превышает 50°С. Это дает возможность использовать традиционные для оптической полировки клеящие составы и методы крепления алмаза наклеиванием, что является критичным при креплении алмазного диска диаметром до 60 мм и толщиной от 10 до 1000 мкм.
Разрешающая способность предлагаемого способа обработки лимитирована атомными поверхностными слоями, поэтому минимальная толщина съема алмаза составляет единицы ангстрем.
Необходимо отметить, что способ может быть осуществлен в одну стадию при частоте вращения контртела от 3000 до 5000 об/мин и нагрузках от 8 до 12 Н.
Однако для алмазных пластин диаметров от 20 мм и более предпочтительно вести обработку в две стадии (основную и дополнительную), которые отличаются по взаимному расположению тел при трении с различными для каждой стадии частотами и/или нагрузками, что обеспечит наиболее качественное полирование алмазов, а также преимущества в производительности процесса.
Наиболее предпочтительно основную обработку для графитизации поверхности алмаза проводить при вращении контртела с частотой от 3000 до 5000 об/мин при аксиальном взаимном расположении с интерметаллидом и нагрузке 8-12 Н, а съем графитизированного слоя с помощью образовавшейся порошковой карбидной фазы вести с частотой от 200 до 100 об/мин при вращении с поперечными колебаниями вдоль поверхности трения. В конкретных выполнениях способа эта частота составляет 10-40 двойных ходов в минуту при нагрузке 1-5 Н.
При проведении способа в две стадии основную обработку на первой стадии проводят до наступления скачка мощности при достижении значений коэффициента трения 0,15-0,17. Взаимное расположение алмаза и контртела аксиальное. Время основной стадии после скачка мощности, как правило, составляет от 130 до 160 с. За это время наступает полная графитизация всей поверхности алмаза, при меньшей выдержке часть поверхности графитизироваться не успевает, и требуется повторный цикл проведения основной и дополнительной обработок.
Для равномерного съема графитизированного слоя, повышения параметров качества обработку ведут при взаимном смещении контактирующих тел по плоскости контакта в пределах 20-40 двойных ходов в минуту. При большей частоте возможны пропуски графитизированных участков, при меньшей резко падает производительность обработки, т.к. нарушается равномерность слоя порошка в зоне трения.
Желательно вторую стадию (дополнительную обработку) проводить непосредственно за первой, не прерывая процесса.
Учитывая, что процесс графитизации не зависит от площади контактной поверхности алмаза, а лишь от состава контактирующих пар и условий трения, предлагаемый способ снимает ограничения, связанные с большими размерами алмазов и алмазных пленок, синтезированных из газовой фазы.
Пример осуществления способа
Способ осуществляли следующим образом.
3
Брали диск, вырезанный электроэрозионной резкой из слитка, изготовленного вакуумной плавкой в аргоне из титана (титан ВТ 1.00 с чистотой 99,8%) и алюминия (чистота 4N производства Гиредмет). Стехиометрическая формула TiAl. Зажимали в пантовый зажим полировального станка с плавным регулированием скорости вращения в пределах 0-5000 об/мин. Диаметр диска составлял 30 мм.
Алмазные образцы изготавливали из поликристаллических алмазных пленок, которые были синтезированы в плазмохимическом реакторе УПСА-100 на основе СВЧ-разряда по технологии ЦЕНИ ИОФ им. А.М.Прохорова РАН.
+3
Из полученного алмазного диска ИАГ ND лазером вырезали диски диаметром d=12 мм. Диск CVD алмаза имел исходную шероховатость Ra=0,18 мкм. С помощью пицеина алмазный диск наклеивали на латунную планшайбу диаметром 20 мм, имеющую с противоположной стороны сферическую выточку.
На первой стадии (основной обработке) нагрузку, передаваемую алмазу через сферическую выточку, изменяли от 0 до 15 Н с шагом в 5 Н. Частоту вращения изменяли с 500 до 5000 об/мин с шагом в 500 об/мин. Контактное взаимодействие алмаз-интерметаллид контролировали по изменению силы трения и пересчитывали на коэффициент трения и условную мощность трения. При нагрузке 10Н и скорости трения 3500 об/мин условная мощность не превышала 500 мВт. На скорости 4000 об/мин произошел скачок мощности с 500 до 1600 мВт. При дальнейшем повышении скорости параметры трения практически не изменялись. При съеме планшайбы с алмазным образцом на поверхности трения на нижнем диске был зафиксирован порошок черного цвета. Для определения элементного состава порошка был использован низковакуумный сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) JSM-6480LV фирмы "JEOL", ускоряющее напряжение от 0,3 до 30 кэВ; разрешение в режиме с низким вакуумом 4,0 нм. Химический состав порошка, определенный с помощью микроанализатора СЭМ, составил (в атомных %) около 35 углерода, 45 - кислорода, 6 - алюминия, 13 - титана, 1 - неконтролируемые примеси.
2
4
2
3
4
3
8
5
Были сняты спектры рентгенофазового анализа методом малоуглового рассеивания рентгеновских лучей от алмазных и металлических поверхностей. На алмазном образце процент неалмазной фазы составил 0,97. На интерметаллиде было зафиксировано образование новых химических соединений в виде карбидов: TiC; AlTiC; TiAlC; АlС; TiC, процент которых составил 8,82 вес.%.
На втором этапе (дополнительная обработка) верхней планшайбе с алмазом было сообщено дополнительное колебательное движение по плоскости контакта с частотой 30 двойных ходов в минуту. Скорость вращения составляла от 100 до 200 об/мин, а величина приложенной нагрузки изменялась от 1 до 5 Н.
Съем поверхности алмаза за 150 с составил 10 мкм. Шероховатость поверхности, измеренная на профилях срезов сканирующего зондового микроскопа (размер кадра 10000×10000 нм), не превышала 10 нм, в пределах одного зерна шероховатость составила менее 1 нм.
В таблице приведены параметры обработки и получаемый при этом результат.
Из вышесказанного следует, что предложенный способ обеспечивает оптическое качество алмазной поверхности, прост в реализации, не требует сложного набора реагентов и прекурсоров катализа алмаз-графит, благодаря низкой температуре нагрева применяются традиционные для оптики легкоплавкие и химически не стойкие клеящие (но в последствии легко удаляемые) составы, не ухудшающие экологическую обстановку за счет использования в качестве носителя кислот и щелочей.