СПОСОБ ПОЛИРОВКИ АЛМАЗНЫХ ПЛАСТИН

Изобретение относится к способам обработки поликристаллических алмазных пластин и изделий из них и может быть использовано для производства элементов микроэлектроники, оптики инфракрасного, видимого и рентгеновского диапазонов и т.п.

Алмаз и изделия из него могли бы найти весьма широкое применение в технике благодаря известным выдающимся свойствам этого материала: рекордно высокой твердости и теплопроводности, химической инертности, уникальным электронным свойствам и т.д. Широкое применение поли- и монокристаллического алмаза сдерживает не только высокая стоимость самого материала, но и высокая трудоемкость его обработки. В наибольшей мере это относится к пластинам поликристаллического алмаза, так как разориентированность отдельных кристаллитов создает дополнительные проблемы его полировки.

Известен способ механической обработки монокристаллического алмаза: механическая полировка алмазными пастами с постепенным уменьшением зернистости и концентрации абразивного материала. Такой способ позволяет достичь хороших результатов во многих случаях, причем скорость полировки может достигать 100 мкм/ч (см, например, В.И. Епифанов, А.Я. Песина, Л.В. Зыков. Технология обработки алмазов в бриллианты. - М.: Высшая школа, 1987). Однако обработка поликристаллических алмазных пластин и поверхности 111 монокристаллического алмаза этим способом представляет большую сложность.

Известны способы плазмохимической полировки алмаза. Например, в патенте США №6517688 В2, кл. МПК С23С 14/00, С23С 14/32, опубликован 11.04.2002, описан способ полировки алмаза в плазме постоянного тока. При использовании таких способов углерод переходит в газообразное состояние в плазме, содержащей водород, но из-за крайне невысоких скоростей (1-2 мкм/ч) такие способы применимы только для финишной доводки предварительно обработанного материала. Кроме того, оборудование, применяемое при подобных способах, дорого и сложно.

В заявке на патент US №20100213175 А1, кл. МПК В44С 1/22, C23F 1/08, опубликован 26.08.2010, описан метод травления алмаза, с помощью металлических частиц или частиц оксида металла. Хотя при использовании этого метода требуется повышенная температура, обработку можно производить на воздухе, что существенно повышает безопасность процесса обработки и снижает ее стоимость. Недостатками предложенного в этой заявке метода остаются невысокая скорость обработки и невозможность достижения при обработке высокой плоскостности обрабатываемой поверхности.

Известны способы термохимической обработки алмазных пластин, сочетающие механическую и химическую обработку, позволяющие достичь хороших результатов при обработке поликристаллического алмаза или поверхности 111 монокристаллического алмаза. Например, в статье Григорьева А.С., Ботвин В.В., Шамаев «О термохимических методах обработки алмазов с новых позиций» ("Наука и техника в Якутии" 1 (2), 2002, стр.27-29) описан способ обработки алмаза, основой которого является растворение углерода в металле с образованием карбида и последующим восстановлением в среде водорода. Этот процесс проходит при высокой температуре (типичные температуры 600-1000°С). Общую схему процесса можно описать как C+2H₂<met→CH₄. Недостатки этого способа заключаются в том, что процесс требует высокой температуры и атмосферы с высоким содержанием водорода, это существенно удорожает оборудование из-за необходимых мер безопасности.

За прототип предлагаемого изобретения принят способ полирования поверхности поликристаллических алмазов (патент РФ №2369473, кл. МПК В24В 1/00, опубликован 10.10.2009). Предложенный в этом патенте способ включает обработку поверхности алмазов трением путем взаимодействия поверхности алмаза с вращающимся контртелом, причем обработку осуществляют контртелом, выполненным из упорядочивающегося сплава на основе титана, с частотой вращения контртела от 3000 до 5000 об/мин при нагрузке от 8 до 12 Н. Недостаток этого способа заключается в том, что в процессе обработки происходит износ контртела, что ограничивает возможности этого способа, в частности скорость и чистоту обработки. Кроме того, при использовании этого способа необходимо использование контртела из сплава высокочистого титана и алюминия, что также удорожает обработку.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков аналогов и прототипа, улучшение чистоты обрабатываемой поверхности, повышение скорости и удешевления полировки алмазных поликристаллических пластин.

Для решения этой задачи предлагаем использовать способ обработки алмазных поликристаллических пластин, сущность которого состоит в следующем.

Безабразивную полировку поверхности алмазных поликристаллических пластин ведут трением, путем взаимодействия поверхности пластин с вращающимся контртелом, а отличие от прототипа состоит в том, что контртело изготавливают из веществ, не вступающих в реакцию с поверхностью пластин при температуре полировки, например керамики или кварца, а дополнительно, в качестве вещества инициирующего термохимическую обработку алмаза, используют ультрадисперсный порошок меди или оксида меди. Обработка обусловлена протеканием реакций по схеме

2Cu+O₂→2CuO

CuO+C→CO↑+Cu

Температуру и условия полирования выбрали экспериментально из условия протекания указанных реакций. Обработку ведут на воздухе или в атмосфере с содержанием не менее 10% кислорода при температуре, превышающей 400°С, и частотой вращения контртела от 1000 до 3000 об/мин.

Возможно применение модификации этого способа, отличающейся тем, что в качестве инициирующего вещества применяют тонкий слой меди или оксида меди, нанесенный на поверхность контртела.

Возможно применение еще одной модификации данного способа, при котором вместо порошка меди, оксида меди или сплава на основе меди используют один из металлов из ряда железо, алюминий, и/или сплавы на их основе, причем обработку ведут в атмосфере, содержащей не менее 4% водорода, при температуре, превышающей 600°С.

Изобретение поясняется на Фиг.1, где схематично изображена установка для полировки алмазных пластин. Цифрами обозначены: 1 - вращающаяся шайба (контртело); 2 - обрабатываемая алмазная пластина; 3 - держатель; 4 - порошок меди; 5 - нагреватель.

Пример реализации предлагаемого метода.

Установка для реализации предлагаемого метода схематично изображена на Фиг.1. Для полировки используют вращающуюся шайбу 1, изготовленную из кварца. Обрабатываемая алмазная пластина 2 приклеена к держателю 3 термостойким клеем и приводится в контакт с поверхностью вращающейся шайбы. На вращающуюся поверхность шайбы контакта нанесен ультрадисперсный порошок меди (как наиболее подходящий по своим свойствам и доступности материал), который играет роль, аналогичную роли абразива при механической полировке. Обработку ведут при температуре 650°С в воздухе при атмосферном давлении, при этом в местах контакта алмаза с частичками порошка оксида металла происходит переход углерода в газовую фазу с образованием CO и CO₂. На остальной поверхности шайбы происходит повторное окисление металла с образованием оксида. Из-за отличия процессов от процессов, протекающих при механической абразивной полировке, существенно улучшена чистота обработки поверхности поликристаллических алмазных пластин. В частности, после обработки пластины поликристаллического алмаза при температуре 650°С со скоростью съема материала 20 мкм/ч, шероховатость составила менее менее 15 нм. Шероховатость пластин до обработки составляла 1-3 мкм.

При использовании в качестве инициирующего вещества медного покрытия контртела толщиной около 1 мкм скорость обработки практически не менялась, чистоту обработки получили несколько выше (шероховатость около 10-12 нм), однако из-за быстрого износа покрытия этот способ применим только для съема небольшого количества алмазного материала.

Испытывалась также модификация этого метода, несколько приближенная к обработке алмаза, описанной в патентах-аналогах. В этом случае контртело также было выполнено из кварца, а порошок металла выбирался из ряда: железо, никель, титан и/или сплавы на их основе. В этом случае для обработки требовалась среда, содержащая не менее 4% водорода и температура 600-800°С. При этом будет происходить непрерывный процесс перехода растворенного в металле углерода в газовую фазу. В этом случае при сравнимой скорости обработки удалось получить конечную шероховатость на уровне 5-10 нм.

Таким образом, предложенный способ позволяет повысить качество и скорость обработки алмазных поликристаллических пластин. Кроме того, из-за отсутствия необходимости сильного механического прижима уменьшается износ контактирующего с алмазом контртела, его износ оказывается минимально возможным, что позволяет существенно продлить срок его использования. В результате решена задача удешевления и улучшения качества обработки алмазных поликристаллических пластин.