Способ обработки алмазных материалов
METHOD FOR PROCESSING DIAMOND MATERIALS

Изобретение относится к обработке алмазных материалов, которые находят широкое применение в различных отраслях промышленности, в том числе в электронной технике.
Алмазными материалами являются природные и синтетические кристаллы алмаза, полученные с использованием технологии высоких давлений и температур, синтезированные поликристаллы, поликристаллические алмазные спеки, алмазные пластины или пленки, полученные методом CVD и другие.
Известно, что алмаз является самым твердым из известных материалов, поэтому его трудно обрабатывать. В то время как не алмазные материалы могут быть обработаны с использованием более твердых материалов, алмазные материалы, как правило, могут быть обработаны только алмазами. Традиционным способом обработки монокристаллических алмазных материалов является механическое полированием алмазными пастами с использованием, например, чугунного диска (В.И. Епифанов, А.Я. Песина, Л.В. Зыков. Технология обработки алмазов в бриллианты. - М.: Высшая школа, 1987). Особенность обработки монокристаллических алмазных материалов заключается в том, что монокристаллы алмаза анизотропны, поэтому монокристаллические алмазные материалы могут достаточно легко обрабатываться по «мягким» плоскостям, но обработка алмазных материалов по другим «трудным» плоскостям трудоемка и даже невозможна. Механическая обработка алмазных материалов осуществляется при высоких нагрузках, поэтому этот способ может быть использован для бездефектной обработки в основном прочных твердых синтезированных или спеченных в условиях высоких давлений и температур материалов. Однако, такой силовой способ механической обработки не может быть использован для обработки моно- и поликристаллических пластин и поликристаллических алмазных пленок, полученных методом CVD, т.к. они достаточно тонкие и хрупкие и при механической обработке при высоких нагрузках могут легко повреждаться.
Особенностью поликристаллических алмазных пластин и пленок, полученных методом газофазного осаждения, является то, что они состоят из хаотично ориентированных алмазных кристаллитов, из-за которых ростовая поверхность пластин и пленок имеет шероховатость, отрицательно влияющую на их рабочие характеристики. Поэтому алмазные пластины и пленки необходимо обрабатывать, особенно для использования их в высокотехнологических областях, чтобы их поверхности имели минимальную шероховатость. В тоже время алмазные пластины и пленки должны иметь высокую плоскостность и плоскопараллельность поверхностей, для чего необходимо снимать достаточно большой объем алмазного материала, что значительно увеличивает время их обработки. С учетом вышеизложенного перед разработчиками стоит задача в создании способов обработки алмазных материалов, обеспечивающих высокую чистоту поверхности при невысоких нагрузках с высокой скоростью независимо от кристаллографической ориентации кристаллитов.
Наиболее перспективными способами обработки алмазных материалов, особенно моно- и поликристаллических алмазных пластин и пленок, полученных методом CVD, являются способы термохимической обработки, обеспечивающие обработку алмазных материалов с высокой скоростью при низких нагрузках. Для этого алмазная поверхность материала вводится в механический контакт с горячей металлической пластиной. В качестве предпочтительного материала металлической пластины преимущественно используют железо, т.к. атомы железа и атомы углерода являются реакционно-способными в том смысле, что углерод имеет тенденцию растворяться или диффундировать в железо с образованием раствора углерода в железе в точках контакта во время нагревания железа и алмаза при достаточно низких температурах, начиная с температуры 700°С, и алмазный материал может быстро растворяться в железной матрице.
2
Известен способ обработки поликристаллических алмазных пленок, включающий контакт пленки с металлом, выбранным из группы, железо, никель, марганец и титан, в соответствии с изобретением преимущественно с железом, так чтобы металл находился в неподвижном контакте с пленкой, и поддержание контакта при температуре 900°С и при нагрузке 20,7 МПа в среде Ar, Не, Ne или N или в вакууме в течение времени, достаточного для удаления определенного количества алмаза из пленки. (US 6197375, кл. С23С 16/56, 2001 г.). Недостаток способа заключается в низкой скорости удаления алмазного материала и в невысоком качестве обработанной поверхности. Большая нагрузка, при которой проводят процесс обработки, усложняет процесс и может создавать дефекты в алмазных пленках в виде трещин, сколов и т.п. Кроме того, на обработанной поверхности алмазной пленки остается слой пористого материала, содержащий железо и углерод в виде графита, который затем необходимо удалять полировкой алмазным кругом. Наличие такого слоя говорит о низкой диффузии углерода в железо, поскольку образовавшийся из алмаза графит не растворяется в металле и препятствует эффективной обработке алмазной пленки.
2
Известен способ термохимической обработки алмазных материалов, в том числе поликристаллических алмазных пленок, включающий воздействие на шероховатости поверхности пленки металлами, образующими карбиды. Более предпочтительными являются металлы из группы железо, никель или их сплав. Обработку проводят при температуре 700-1500°С в окислительной атмосфере при нагрузке 600 г/см (0,06 МПа). (JPH0226900, кл., В24В 1/00, 1990 г.). При контактировании пленки с металлической пластиной при скольжении или без него при повышенных температурах образуется газообразная двуокись углерода, позволяя более эффективно обрабатывать поверхность поликристаллической алмазной пленки, благодаря непрерывному удалению углеродного материала из зоны обработки.
2
Известен способ термохимической обработки алмазных материалов, в том числе алмазных кристаллов и поликристаллических алмазных пленок, основанный на обработке при скользящем или при неподвижном контакте алмазного материала с металлической пластиной, изготовленной из металлов, являющихся катализаторами при синтезе алмаза, такими как железо, никель и сплавы. При использовании железа обработку проводят при температуре 500-1000°С в среде водорода при нагрузке, приложенной к поверхности пленки 100 г/см (0,01 МПа). (JPS6241800, кл. С30В 29/04, 1987 г.). В этих условиях атомы углерода растворяются в нагретом металле, насыщая его поверхностный слой. Растворенный углерод, взаимодействуя с водородом, образует газ-метан, покидающий зону обработки.
Известные способы позволяют обеспечивать непрерывное удаление растворенного углерода из металла пластины, создавая условия для получения на алмазных материалах профилей без необходимости частой периодической замены металлической пластины. При обработке алмазных материалов этими способами также не требуется прикладывать больших нагрузок. Однако, при обработке алмазного материала в окислительной среде в качестве последней используются неэкологичные вещества - окислители, при этом такая обработка в результате реакции алмаза с ионами кислорода имеет тенденцию вызывать нежелательное подтравливание и образование точечной коррозии алмазного материала. При использовании в качестве среды для обработки алмазного материала водорода имеет место повышенная взрывоопасность. Применение окислителей и водорода также приводит к растравливанию алмазных материалов по всей их поверхности за счет химического взаимодействия с газовой фазой, а не только контактирующей с металлами зоны, что является не желательным, так как приводит к ухудшению шероховатости их поверхности и уменьшению общей массы алмазов.
В большинстве известных способов для обработки алмазных материалов предпочтительным материалом для изготовления обрабатывающей пластины предлагается использовать недорогой, безопасный, металл - железо, в котором достаточно легко растворяется углерод и диффундирует вглубь металла с образованием карбидов.
Однако было установлено, что в чистом железе происходит диффузия углерода в металлическую пластину на ограниченное расстояние, т.е. скорость растворения углерода в чистом железе и проникновение его вглубь пластины очень низкая. После насыщения тонкого поверхностного слоя пластины углеродом процесс обработки алмазного материала замедляется и для продолжения обработки необходимо проводить замену металлической пластины.
Известен способ термохимической обработки алмазных материалов, включающий контактирование металлической пластины с поверхностью алмазного материала (алмазов и алмазных пленок) при температуре 1150-1250°С. В качестве материала металлической пластины служит железо или сплав железа с углеродом - углеродистая сталь. При этих температурах, которые являются ниже температуры плавления металла, металлическая поверхность пластины остается твердой. Однако в точках контакта между пиками шероховатости поверхности алмаза и железной или стальной пластины атомы углерода из алмаза реагируют с атомами железа пластины с образованием эвтектики в процессе твердофазной диффузии. Поскольку эвтектика имеет температуру плавления ниже температуры 1150°С, она плавится и небольшое количество расплавленного жидкого расплава образует тонкий слой, заполняющий впадины между пиками неровностей на алмазном материале, воздействуя на них с образованием жидкого расплава на основе железа. (US 6284315, кл. С23С 16/27, 2001 г.). Присутствие жидкого металлического металла значительно ускоряет растворение атомов углерода из пиков поверхности алмаза в жидком металлическом расплаве на металлической пластине.
Недостаток известного способа заключается в необходимости проведения процесса обработки алмазного материала при достаточно высоких температурах (выше температур эвтектического плавления в системе углерод-железо, при которых образуется эвтектический чугун "ледебурит"), которые могут оказывать неконтролируемое отрицательные воздействия на синтетические алмазные материалы, особенно на тонкие поликристаллические алмазные пластины и пленки. Проблема состоит еще в том, что при образовании жидкой фазы имеется тенденция растворять значительное количество алмазного материала, как на пиках, так и по всей поверхности алмазного материала, и тем самым не контролируя количество стравливаемого алмазного материала. Это, в свою очередь, приводит к большим потерям алмазного материала и, кроме того, требует значительного времени на последующую полировку "изъеденной" поверхности алмазного материала.
Известен способ обработки алмазного материала, включающий контактирование алмазного материала с металлической пластиной, выполненной из металла или сплава растворяющего алмазный углерод в атмосфере инертного газа или в атмосфере газа, который не реагирует с алмазом при температуре контакта 1100-1300°С. В качестве материала металлической пластины предлагается сплав железа с никелем, состоящий из 86% масс. Ni и 14% масс. Fe (US 4339304, кл. С01В 32/28, 1982 г.).
Данный сплав позволяет повысить температуру нагрева зоны контакта металлической пластины с алмазными материалами без образования жидкой фазы, что является положительным фактом, однако возникает высокотемпературная графитизация алмаза и образование углублений, на поверхности алмазного материала, которые распространяются в его глубину. При низких температурах (до 1200°С) сплавы никеля имеют невысокий коэффициент диффузии углерода в них, и процесс, связанный с обработкой больших контактных поверхностей, требует больших временных выдержек, при высоких температурах происходит процесс объемной графитизации алмазных материалов, что приводит к снижению их прочностных и потребительских свойств.
Известен способ обработки алмазных материалов, в том числе природных и синтетических алмазов, поликристаллических алмазов, алмазных композитов, толстых и тонких алмазных пленок, трением алмазного материала о металлическую пластину при контактном давлении 2-3,5 МПа и скоростях, при которых атомы углерода алмазного материала диффундируют в металлическую пластину (ЕР 2040879, кл. В24В 7/00, 2009 г.).
В качестве материала пластины наряду с железом и другими металлами берут нержавеющую сталь с низким содержанием углерода (менее 0,06%). Недостаток способа заключается в том, что обработка алмазного материала трением протекает при высоких нагрузках и скоростях для обеспечения необходимых температур в контактной зоне пластины и алмазного материала. Однако, такие нагрузки не приемлемы при обработке тонких алмазных материалов, т.к. при высоких нагрузках в них возможно возникновение дефектов. Кроме того, низкое (менее 0,06%) содержание углерода в стали практически не способствует увеличению скорости обработки алмазного материала и глубины диффузии углерода в металлическую пластину по сравнению с металлической пластиной, изготовленной из чистого железа.
Наиболее близким техническим решением является способ обработки алмазных материалов, включающий контактирование алмазного материала с поверхностью металлической пластины, изготовленной из сплава железа с углеродом, с содержанием углерода в количестве 3,9-4,1 мас. %, при температуре образования эвтектического сплава - 1090-1135°С в среде азота или инертного газа, и выдержку при этой температуре. (RU 2579398, кл. С30В 33/00, 2015 г.). Недостаток способа заключается в том, что представленный сплав железо - 3,9-4,1 мас. % углерода, является пересыщенным по отношению к углероду и процесс растворения углерода в нем практически не возможен. Обработка алмазного материала может происходить только за счет окислительных реакций с очень низкой скоростью, поэтому данный способ может быть использован только для снижения шероховатости поверхности алмазных материалов. Для выравнивания алмазных поверхностей, когда требуется снимать большой объем алмазного материала способ не применим. Кроме этого, способ сложен в реализации, поскольку наличие градиентов в зоне обработки может привести к образованию жидкой фазы и непроизвольному растравливанию поверхности алмазных материалов. В то же время необходимость нагрева алмазной пластины на заданную глубину усложняет процесс обработки, делает его трудно управляемым и требует специального оборудования.
Технической задачей является сокращение времени обработки алмазного материала за счет увеличения скорости обработки и диффузии углерода алмаза в металлическую пластину на большую глубину при высоком качестве обработки, упрощение процесса обработки за счет исключения необходимости контроля и управления глубиной нагрева алмазного материала, и сокращения затрат.
Техническая задача решается тем, что в способе обработки алмазного материала, включающем введение в контакт алмазного материала с металлической пластиной, нагрев контактных поверхностей в инертной атмосфере и выдержку при температуре нагрева в течение времени, достаточного для удаления необходимого количества алмазного материала, в качестве материала металлической пластины берут сплав железа с углеродом, содержащий 0,5-1% мас. углерода, при этом нагрев контактных поверхностей осуществляют до достижения температуры 900-1100°С.
Контактирование металлической пластины с алмазным материалом осуществляют под нагрузкой 15,0-40,0 кПа.
В качестве материала металлической пластины может быть использован сплав железо - углерод, содержащий никель, при следующем соотношении компонентов: сплав железо - углерод - 70,0-95,0% мас., никель - 5,0-30,0% мас.
В качестве материала металлической пластины может быть использован сплав железо - углерод, содержащий кобальт, при следующем соотношении компонентов: сплав железо - углерод - 85,0-97,0% мас., кобальт - 3,0-15,0% мас.
Сущность изобретения заключается в следующем.
При контактировании алмазного материала с металлической пластиной, изготовленной из сплава железо - углерод при температуре в диапазоне 900-1100°С происходит образование графита из алмаза и диффузия его в металлическую пластину с образованием твердого раствора углерода в железе. Известно, что уровень обработки зависит от скорости и глубины диффузии атомов углерода из алмазного материала в горячую металлическую пластину. Авторами изобретения было установлено, что при содержании в сплаве железо - углерод 0,5-1% мас. углерода происходит диффузия углерода в сплав на большую глубину с большей скоростью, позволяя значительно увеличивать содержание углерода в металлическом сплаве. В результате металлическая пластина может более длительное время находиться в контакте с алмазным материалом, эффективно на него воздействуя и не требуя частой ее замены. Увеличение скорости и глубины диффузии углерода в металл также позволяет вводить в сплав железо - углерод легирующие добавки никель и кобальт, которые являются катализаторами при синтезе алмазного материала и ускоряют стравливание образовавшегося графита при обработке алмазного материала. Учитывая возможность диффузии углерода на большую глубину, увеличенное количество образовавшегося графита не потребует частой замены металлической пластины.
Способ осуществляется следующим образом.
Для обработки алмазный материал располагают на подложке и сверху устанавливают металлическую пластину из сплава железо - углерод. Сборку нагружают, для обеспечения прижатия металлической пластины к алмазному материалу, с усилием 15,0-40,0 кПа, размещают сборку в устройстве для нагрева с инертной атмосферой и нагревают до температуры в диапазоне 900-1100°С. В этих условиях поверхностный слой алмазного материала графитизируется и образующийся углерод диффундирует в контактирующуюся с ним металлическую пластину из железа-углерода с образованием твердого раствора углерода в железе. Сборку выдерживают в течение времени, достаточном для удаления необходимого количества алмазного материала.
При температуре нагрева сплава железо - углерод в диапазоне 900-1100°С происходит эффективная графитизация алмазного материала и его растворение в контактирующем сплаве. Если нагрев сборки осуществлять при более низкой, чем 900°С температуре, эффект обработки будет слабый, т.е. время обработки значительно увеличится. При более высокой температуре нагрева скорость графитизапии алмаза будет чрезвычайно высокой, что приведет к появлению дефектов в алмазном материале, кроме того, из-за температурных градиентов возможен локальный перегрев контактных участков алмазного материала выше температуры плавления эвтектики железо - углерод и неконтролируемое растравливание поверхности алмазного материала.
Металлическая пластина на основе сплава железо - углерод содержит углерод в количестве 0,5-1% мас. Было установлено, что такой диапазон содержания углерода в металлическом сплаве является оптимальным, при котором наблюдается наибольшая скорость диффузии и глубина проникновения углерода в металлическую пластину, т.е. металлическая пластина может размещать большее количество растворенного углерода и тем самым более длительное время находится в «рабочем» состоянии. При содержании в металлическом сплаве углерода менее 0,5% мас. имеет место слишком низкая скорость растворения углерода в сплаве, что значительно увеличит скорость обработки алмазного материала. Скорость растворения углерода имеет оптимальное значение при содержании углерода в железе от 0,5 до 1,0%, поскольку эффективный коэффициент диффузии углерода в сплаве растет с повышением в нем углерода. Однако градиент концентраций содержания углерода в глубине сплава и в контактной зоне сплав-алмазный материал снижается из-за приближения содержания углерода к предельному значению растворимости углерода в железе, которое равно 2%. Поэтому зависимость скорости растворения углерода в железе сначала увеличивается с увеличением содержания углерода, а затем снижается при дальнейшем его увеличении в железе.
2
Обработку алмазного материала проводят в инертной атмосфере, в качестве которой могут быть использованы Ar, He, Ne или N, а также вакуум.
Для нагревания сборки может быть применен любой известный способ нагрева, например, резисторный нагрев, инфракрасный нагрев и прочие. Наиболее простым экономичным способом нагрева является нагрев в электропечи инфракрасным излучением.
Уровень обработки алмазного материала значительно зависит от диффузии атомов углерода с поверхности алмазного материала в металлическую пластину. Для этого требуется между ними создать хороший контакт. Нагрузка в диапазоне 15,0-40,0 КПа. обеспечивает плотный физический контакт, при котором имеет место более полная диффузия углерода в металлический сплав пластины, а содержание углерода в количестве 0,5-1% мас. способствует активному растворению и диффузии углерода на большую глубину металлического сплава. Анализ металлического сплава после обработки алмазного материала показал наличие значительного количества углерода в сплаве, диффундированного на большую глубину.
При более низком усилии прижатия не будет достигнут эффективный контакт алмазного материала с металлической подложкой, на поверхности алмазного материала будет оставаться слой из продуктов реакции, который затруднит диффузию углерода в металлическую пластину, и который обычно удаляют физически, химически или механически при последующем полировании. При более высоком усилии прижатия возможно появление на алмазном материале дефектов: сколы, трещины, отслаивание алмазной пленки от подложки.
Для повышения эффективности обработки в металлический сплав железо - углерод могут быть введены легирующие добавки. В качестве легирующих добавок предлагается использовать никель или кобальт. Никель вводится в металлический сплав в количестве от 5 до 30% мас. остальное сплав железо - углерод, а кобальт - в количестве от 3 до 15% мас. остальное сплав железо - углерод. Эти металлы являются наиболее распространенными катализаторами синтеза алмаза, при таких концентрациях не влияют на графитизацию алмаза и значительно повышают скорость растворения углерода в сплавах. При больших концентрациях их в сплаве скорость растворения углерода снижается из-за увеличения температуры плавления сплавов и, как следствие, эффективного коэффициента диффузии углерода в сплав.
Способ может быть использован как для обработки плоских поверхностей, так и для получения на поверхности алмазного материала фасонных поверхностей. Преимущественно способ обработки включает возможность съема большого количества алмазного материала для выравнивания поверхностей, а также полирование поверхности алмазного материала для обеспечения высокого класса чистоты обработки с высокой скоростью.
Пример 1.
Обрабатывали монокристаллическую алмазную пластину, полученную методом CVD, размером 5×5 мм, толщиной 450 мкм, с не параллельностью поверхностей 50 мкм. Алмазную пластину закрепляли на подложке из молибдена. Обрабатывающим материалом служила металлическая пластина из сплава железо - углерод с содержанием углерода 0,8% мас. Металлическую пластину прижимали к поверхности алмазной пластины с нагрузкой 40 кПа и сборку нагревали в атмосфере аргона до температуры 1075°С в контактной зоне, выдерживали в течение 6 часов. Толщина алмазной пластины после обработки составила 410 мкм, не параллельность - менее 10 мкм, чистота поверхности алмазной монокристаллической пластины соответствовала 12 классу чистоты. Скорость обработки составила 6,15 мкм/час.
Пример 2.
Обрабатывали поликристаллическую алмазную пластину, полученную методом CVD, диаметром 20 мм толщиной 205 мкм, не параллельность составляла 20 мкм. Алмазную пластину закрепляли на подложке из молибдена. Материалом металлической пластины служил сплав железо - углерод с содержанием углерода 0,5% мас. Металлическую пластину прижимали к поверхности поликристаллической алмазной пластины с нагрузкой 15 кПа и сборку нагревали в атмосфере аргона до температуры 900°С, выдерживали в течение 10 часов. Толщина алмазной пластины после обработки составила 185 мкм, не параллельность поверхностей - менее 10 мкм, чистота поверхности пластины соответствовала 12 классу чистоты. Скорость обработки составила 2,0 мкм/час.
Пример 3.
Также, как в примере 2. Количество углерода в металлической пластине составляло 0,7 мас. %, температура нагрева - 1000°С, усилие прижатия составляло 30 кПа. Время обработки составляло 6 часов, толщина алмазной пластины после обработки составляла 180 мкм, не параллельность - менее 10 мкм, чистота поверхности пластины соответствовала 12 классу чистоты. Скорость обработки составила 4,2 мкм/час.
Пример 4.
Также, как в примере 2. Количество углерода в металлической пластине составляло 1,0 мас. %, температура нагрева - 1100°С, усилие прижатия составляло 40 кПа. Время обработки - 6 часов. Толщина алмазной пластины после обработки составляла 170 мкм, не параллельность - менее 10 мкм, чистота поверхности пластины соответствовала 12 классу чистоты. Скорость обработки составила 5,8 мкм/час.
Пример 5.
Также, как в примере 1. В качестве материала металлической пластины использовали сплав железо - 0,5% мас. углерода, легированный никелем в количестве 30% мас. Температура нагрев составляла 1100°С, усилие прижатия металлической пластины - 30 кПа. Выдержка при указанной температуре - 6 часов. Толщина обработанной алмазной пластины составила 380 мкм, не параллельность - менее 10 мкм, чистота поверхности пластины соответствовала 12 классу чистоты. Скорость обработки составила 11,7 мкм/час.
Пример 6.
Также, как в примере 1. В качестве материала металлической пластины использовали сплав железо - 0,5% мас. углерода, легированный кобальтом в количестве 15% мас. Температура нагрев составляла 1100°С, усилие прижатия металлической пластины - 30 кПа. Выдержка при указанной температуре - 6 часов. Толщина обработанной алмазной пластины составила 395 мкм, не параллельность - менее 10 мкм, чистота поверхности пластины соответствовала 12 классу чистоты. Скорость обработки составила 9,2 мкм/час.
Пример 7.
Обработку монокристаллической алмазной пластины осуществляли также, как в примере 1, за исключением того, что материалом металлической пластины служил сплав железо - углерод с содержанием углерода 4,0% мас.
Толщина алмазной пластины не изменилась и составляла 450 мкм в пределах точности измерения.
Пример 8.
Также как в примере 1. Металлическая пластина была изготовлена из железа. Время обработки - 10 часов, температура нагрева - 1000°С. Толщина алмазной пластины после обработки составила 435 мкм, непараллельность - 35 мкм, чистота поверхности алмазной монокристаллической пластины соответствовала 12 классу чистоты, при измерении на обработанной части поверхности. Скорость обработки составила 1,5 мкм/час.
Таким образом, предложенный способ обработки алмазного материала металлической пластиной, выполненной из сплава железо - углерод с содержанием углерода 0,5-1,0 мас. %, позволяет увеличить скорость съема алмазного материала с его поверхности за счет увеличения скорости растворения и диффузии углерода в объем металлического сплава, что позволяет за короткое время снимать большой объем алмазного материала. Кроме того, при увеличении глубины диффузии углерода в металлическую пластину не требуется частая замена металлической пластины, что также позволяет сократить общее время и затраты на обработку алмазного материала. Для осуществления способа не требуется контроль и управление глубиной нагрева, при этом обработанный алмазный материал имеет необходимое качество обработанной поверхности при отсутствии дефектов в виде трещин, сколов и т.п. Способ прост в осуществлении.