Исследование чистоты поверхности алмаза при термохимическом методе обработки Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Е.В. Гладченков

ИССЛЕДОВАНИЕ ЧИСТОТЫ ПОВЕРХНОСТИ АЛМАЗА ПРИ ТЕРМОХИМИЧЕСКОМ МЕТОДЕ ОБРАБОТКИ

1®се знают алмаз как дорогой драгоценный камень. -Я-М Драгоценность этого камня обусловлена его уникальными свойствами. Алмазов в мире добывают в год немногим более десяти тонн. Из них до 25% превращаются в ювелирные изделия, а остальные благодаря высокой твердости применяются в промышленности. Из алмазов делают режущий инструмент, фильеры для волочения, а в последнее время из них изготовляют датчики приборов, теплоотводы, детали оптоэлектронных устройств. Все это требует совершенствования существующих и разработки новых методов обработки алмазов.

Алмаз - уникальный по своим свойствам материал: он обладает рекордно высокими механическими, теплофизическими, оптическими, электронными свойствами, обладает высокой химической устойчивостью. (см. табл. 1, 2, 3, 4). Все это привлекает к алмазу внимание специалистов из разных областей науки и техники, не говоря уже об интересе со стороны масс населения, вызванном использованием алмаза в ювелирном деле [1]. История интенсивных электрофизических, физико-химических, оптических исследований алмаза насчитывает несколько десятилетий. Постоянно расширяется и область его практического применения. Моя часть исследований направлена на применение алмаза как перспективного материала для микроэлектроники. Алмаз и его свойства._Основные свойства алмаза Уникальные физические параметры обеспечивают эффективную и стабильную работоспособность

микромеханических и электронных устройств на основе алмаза в критических условиях внешних воздействующих факторов. К числу преимуществ алмаза для создания микроэлектронных устройств, сенсоров, особо мощных приборов электроники, оптики

и микроэлектромеханических уникальные Таблица 1 Механические свойства алмаза систем приборов относятся:

Твердость по Моосу 10

Твердость по Кнуппу, ГПа 80

Упругие константы, ГПа,

С11, 1076

С12, 125

С44 517

Модуль Юнга, ГПА 1050

Модуль сдвига по плоскости (111), 507

ГПа

Таблица 2

Теплофизические свойства алмаза

Теплоемкость

При 300К теплоемкость Ср =^ 6,195 Жд /моль

Коэффициент линейного термического расширения

При 193 К 4 *10л-7 Кл-1

293 К 8 * 10Л-7 Кл-1

400-1200 К (1.5-4.8)*10Л-6 Кл-1

Т еплопроводность

Коэффициент теплопроводности (Вт /см К) при 300 К составляет Природные алмазы

Типа 1а 7-14

Типа 1Ь 20

Типа 2а 20-25

Типа 2Ь 16

Поликристаллические 4

Синтетические алмазы, изотопически чистые 35

электронные свойства, особенно при высоких температурах и внешних воздействующих факторах; высокие пробивные напряжения, скорости насыщения и подвижностей носителей заряда, теплопроводность и электрическая прочность в сочетании с высокой рассеиваемой мощностью и частотными свойствами, широкая запрещенная зона и оптоэлектронные свойства для изделий вакуумной электроники в сочетании с высокими значениями рабочей мощности, быстродействия и радиационной стойкости; химическая и электрическая стабильность; совместимая

с работой в химически агрессивных средах; хорошие пьезорезистивные свойства; рекордная теплопроводность для измерения скоростей потоков; беспрецедентные значения

Таблица 3 Оптические свойства алмаза

Коэффициент отражения R 0.17

Рекордный оптический диапазон От 10Нм до 100мкм

Высокая прозрачность До100мкм

Солнечная слепота, диапазон спектра 2000 мкм - 280 мкм

Селективность до 10Л6

Таблица 4

Электронные свойства алмаза

Электрическое сопротивление Ом * см

Алмазы 1а, 2а 10Л16

Алмазы 2Ь 10 - 10:3

Ширина запрещенной зоны 5.49

Край оптического поглощения в УФ - диапазоне, порог фотопроводимости, эВ

Алмазы 2а, 2Ь 5.49

Алмазы 2а 4.0

Подвижность электронов при 300 К, см2/ В *с 2500 дрейфовая 2000 из эф. Холла

Напряженность поля электрического пробоя, В/ см 2*10Л7

Диэлектрическая проницаемость 5,7

твердости для движущихся узлов и элементов; отличная износостойкость и низкий коэффициент трения, термическая и химическая стабильность [2].

Реализация научных идей в конкретный прибор главным образом определяется технологическими возможностями. Поэтому разработка технологических задач является приоритетной проблемой научно-технологического приборостроения. Что касается технологии, то это огромный комплекс задач, включающий в себя, общие технологические приемы предварительной обработки и контроля материала и специфические технологические приемы, характерные для данного материала.

Алмаз - один из лучших изоляторов, в отличие от кремния, который даже в чистом виде является полупроводником. Как изолятор, алмаз характеризуется чрезвычайно высокой

сопротивляемостью электрическому пробою, и потому на его основе можно изготавливать более миниатюрные электронные устройства, чем по кремниевой технологии. При легировании бором, азотом или фосфором алмаз превращается в отличный полупроводник с высокой подвижностью зарядов.

Рис. 1. Подложка

Следовательно, на основе алмаза можно делать очень высокочастотные устройства.

В частности, подложки для интегральных микросхем. Подложка - заготовка, предназначенная для нанесения на неё элементов гибридных и пленочных интегральных микросхем, межэлементных и межкомпонентных соединений, а также контактных площадок (рис. 1). Увы, делать микросхемы из алмаза далеко не так просто и дешево, как из кремния, иначе бы мы давно работали за "алмазными" компьютерами. Трудности возникают уже на первом технологическом этапе, когда нужно создать достаточно широкую, очень гладкую и относительно свободную от дефектов алмазную поверхность.

Современные чипы неизбежно и сильно греются, однако кремниевая микроэлектроника теряет работоспособность при перегреве выше 150 градусов, и ее приходится бережно охлаждать. Алмазный чип, напротив, работает даже при 500 градусах. Кремний относительно плохо проводит тепло, поэтому кремниевый чип греется неравномерно, вследствие чего деформируется и может растрескаться. Алмазу нет равных среди

аналогичных полупроводниковых материалов по

теплопроводности.

Технологические методы обработки алмаза Абразивный метод обработки

В абразивном механическом способе шлифования удаление массы алмаза происходит за счет механического соударения

Твердое направление Рис. 2. Кристаллографические направления

с частицами абразива при быстром вращении алмазного диска на ограночном станке. В результате возникновения упругих напряжений происходит скалывание обрабатываемого материала.

Установлено, что износостойкость, как и твердость алмазов, неодинакова в различных кристаллографических направлениях (рис. 2).

Твердость различных плоскостей алмаза неодинакова, и в пределах каждой плоскости значение ее зависит от направления. В связи с анизотропией твердости и прочности алмазов при их обработке необходимо ориентировать кристаллы так, чтобы обработка производилась в направлении наименьшей твердости, а износ алмазного инструмента в направлении наибольшей твердости. При механической обработке алмаза чистота поверхности не дотягивает до необходимых значений для микроэлектроники.

Применение такого алмаза в электронике затруднено из-за недостаточного структурного совершенства получаемого материала. Механический метод обработки позволяет достигнуть шероховатость 12-13 класса, что составляет 100-50 нм.

Термохимический метод обработки

Еще в 1975 году в лаборатории экспериментальной минералогии Института геологии Якутского филиала Сибирского отделения АН СССР исследовали взаимодействие при высоких температурах алмазов с железом, никелем, кобальтом и металлами платиновой группы в среде различных газов.

Происходит каталитическое гидрирование углерода алмаза по схеме

Рис. 3. (http://st-yak.narod.ru/index2-4-1.html):

Алмаз-> раствор углерода в металле-> газ (СН)

В ходе некоторых экспериментов в алмазе появлялись углубления, соответствующие по форме металлической пластинке, лежащей на нем. Так появился новый метод обработки алмазов, названный термохимическим. Его сущность заключается в том, что при температуре выше 600 0С в атмосфере водорода атомы углерода начинают растворяться в нагретом металле, карбидизируя его поверхностный слой, а затем взаимодействуя с водородом, образуется газ метан, который покидает в итоге зону реакции. Металл, по сути, играет роль катализатора. Если на алмаз нанести, например, металлизированный рисунок, то он воспроизведется на поверхности алмаза, как при гравировке.

С помощью термохимического метода можно также шлифовать алмазы, распиливать их, причем качество поверхности получается выше, чем при обработке абразивами, благодаря малым силам, действующим на кристалл со стороны инструмента. Механическую обработку можно вести только по "мягким" направлениям, а данный метод не требует ориентации кристалла

[4].

Поддаются термохимической обработке и

поликристаллические алмазные спеки, с которыми по-другому не справиться, поскольку в них обязательно находятся кристаллы, обращенные к режущему инструменту "твердым" направлением, сростки и двойники прорастания алмазов разновидности «ВоаЛ», сильно уплощенные и сдвойникованные кристалы «Мак^», из которых производство бриллиантов нецелесообразно (кристаллы алмаза разновидности III по Генетической классификации алмазов Ю.Л. Орлова).

Сущность термохимического метода обработки

При температуре обработки от 600 до 1300 °С алмаз не реагирует непосредственно с водородом, но последний хорошо реагирует с растворенным в металле углеродом алмаза, образуя метан. Таким образом, достигаются сохранность кристалла алмаза в не подлежащих обработке участках и непрерывная регенерация алмазообрабатывающего металла.

Процесс обработки

При обработке алмаза неподвижным относительно него инструментом обработанная поверхность кристалла принимает рельеф поверхности металла.

Для полирования и расширения числа операций обработки, а также для повышения скорости обработки алмаз обрабатывают движущимся относительно обрабатываемой поверхности инструментом. Алмаз контактирует при минимальной нагрузке с медленно вращающимся нагретым диском (рис. 4).

С помощью термохимической установки (рис. 5) из алмаза можно вырезать изделия или проделывать в нем отверстия сложных трафаретных форм (рис. 6). Для демонстрации возможности использования этого способа в объеме алмаза была

вырезана шестеренка диаметром около 2,5|мм на глубину 0,8 мм. Если вместо фольги на алмаз нанести тонкие металлические линии, то можно гравировать алмаз, наносить на кристалл знаки, рисунки, вензеля и т.д. На основе термохимического шлифования алмаза была разработана технология прецизионной заточки лезвий монокристальных алмазных инструментов для микрохирургии глаза.

Рис. 4. Схема термохимической установки

(http://st-yak.narod.ru/index2-4-1.html):

1 - алмазообрабатывающий диск; 2 - кожух; 3 - кристаллодержатель с алмазом; 4 -крышка; 5 - смотровое окно; 6 - нагреватель; 7 - основание; 8 - шкив; 9 -пружинный упор

Значение профиля поверхности алмазных пластин в зависимости от выбора способа обработки

Качественно новые результаты достигнуты при шлифовании алмаза термохимическим способом (график 1). Этот способ позволяет достигнуть шероховатости поверхности 3-6 нанометров при начальном значении шероховатости 30 нанометров.

На графике значения профиля видна разница между механической и термохимической обработкой алмаза.

Показатель удаления материала ограничивается скоростью извлечения углерода из металла, которым ведется обработка. Скорость обработки составляет до 0,3 мм в час. Отсюда возникает целесообразность проведения дальнейших конструкторско-технологических работ и исследований для разработки

uq

H

и

о

н

<

м

о

X

о

ш

SCAN LENGTH, (urn)

Базовая длина, мм

График 1: а) механическая шлифовка Кг 30 нм; Ь) шлифовка термохимическим методом при 697 °С под давлением 4 МПа Кг 10 нм; с) шлифовка термохимическим методом при 797 °С под давлением 0,3 МПа (вибрирующей поверхностью металлической пластины с частотой 300 Гц.) Кг 6 нм

технологии скоростного шлифования алмазов термохимическим методом.

Шероховатость поверхности при термохимическом полировании достигает 6 нм. Эти показатели показывают возможности применения алмаза как нового, перспективного материала в микроэлектронике.

а)

b)

Рис. 7. Образец полированный термохимическим способом алмаза:

а) перед шлифовкой b) после шлифовки термохимическим методом при Rz = 30 нм 797 °С под давлением 0.3 МПа (вибрирующей поверхностью металлической пластины с частотой 300 Гц.) Rz =6 нм

Область применения

► Оборонный комплекс.

► Медицина.

► Микроэлектромеханические системы (MEMS).

► Современная электроника.

Данный метод обработки успешно применяется и позволяет использовать алмаз:

• для изготовления датчиков, используемых в ракетостроении;

• прецизионной заточки лезвий монокристальных алмазных инструментов для микрохирургии глаза;

• технологии для микроэлектроники на основе алмазов;

• продуктов, предназначенных для производства микроэлектромеханических систем (MEMS). Фотолитографическая технология MEMS дает возможность изготавливать микросхемы с крошечными механическими элементами - интеллектуальные устройства (микромашины) с разнообразными функциями: от датчиков до кардиостимуляторов.

• элементов памяти нового поколения. Размеры элемента памяти, построенной на

использовании аллотропных модификаций углерода, равны 2-3 нм.

• суперкомпьютеров полностью на алмазной элементной базе.

Выводы

► Термохимический метод обработки материала соответствует требованиям

микроэлектроники. Высокая чистота поверхности.

► Дешевизна и простота метода.

► Перспектива конструкторско-технологических разработок.

Преимущества перед известными аналогами: В областях гравировки, полировки и

распиловки алмаза способ может конкурировать с механической и лазерной обработкой, в

изготовлении отверстий в алмазе термохимическому способу аналогов нет.

Технико-экономический эффект: Повышение производительности при значительной экономии алмазного сырья. Способ прост в исполнении, затраты на его внедрение в основном сводятся к стоимости установок для нагрева требуемого количества алмазов в атмосфере газа-реагента.

Возникает целесообразность проведения дальнейших конструкторско-технологических работ и исследований для разработки технологии скоростного шлифования алмазов термохимическим методом.

-------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ПлесковЮ.В. Электрохимия алмаза.2003. - М. Единотриал УРСС, 2003. - 104 с.

2. Митягин А.Ю., Алтухов А.А., Митягина А.Б. Технология и оборудование для обработки алмазных материалов современной электроники. - М., ООО «УралАлмазИнвест».

3. Шамаев П.П., Григорьева А.С., Ботвин В.В. О термохимических методах обработки алмазов с новых позиций. // Наука и техника в Якутии. - 2002. - № 1. - С. 27-29.

4. Григорьев А.П., Лифшиц С.Х., Шамаев П.П. Железом режущий алмаз // Наука и жизнь. - 1981. - № 3.- С. 85-87.

5. А.С. № 1056531. Инструмент для обработки алмаза. Григорьев А.П., Лифшиц С.Х., Шамаев П.П. - 1983.

6. Вечерин П.П., Журавлев В.В., Квасков В.Б. и др. Природные алмазы России. - М.: Полярон, 1999. - 303 с.

7. Ковальский В.В., Шамаев П.П. Если бы алмазы могли говорить // Наука в СССР. - 1987. - № 2. - С. 80-86.

8. А.С. № 1365557. Способ обработки алмаза. Григорьев А. П., Ковальский В. В., Ботвин В. В., Шамаев П. П.,

Бочаров А. М., Самойленко Э. А., Ионцев В. В. - 1987.

9. А.С. № 1385403. Установка для обработки алмаза. Григорьев А. П., Тарасов В. В., Шамаев П. П., Рузанков Б.

И., Зайко А. М., Шигин В. К. - 1987.

10. Патент РФ № 2125934 Способ обработки алмаза. Лифшиц С. Х., Шамаев П. П., Григорьев А. П., Ботвин В. В., Григорьева А. С., Сентисов С. Р. - 1999. [ІТШ

— Коротко об авторе -------------------------------

Гладченков Е.В. - студент гр. ТХ-1-04.

Научный руководитель: Теплова Т.Б., к.т.н., доц. Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru