CN115702070A - 对cvd金刚石制品取芯和切片的方法以及执行该方法的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及化学气相沉积(CVD)金刚石及其制造后处理的领域。具体地，本发明提供一种用于对CVD金刚石制品取芯和切片的方法，其中CVD金刚石制品包括CVD金刚石以及覆盖金刚石的多个侧面的石墨化材料。该方法由提供耦合到流体射流中的激光束的装置执行。该方法包括：为了进行取芯，利用激光束切割制品以从金刚石的侧面去除石墨化材料。该方法还包括：为了进行切片，利用激光束从金刚石上切下一个或多个薄片。

Description

对CVD金刚石制品取芯和切片的方法以及执行该方法的装置
技术领域
本发明涉及化学气相沉积(CVD)金刚石及其制造后处理的领域。具体地，本发明提供用于对CVD金刚石制品取芯和切片的方法，其中CVD金刚石制品包括CVD金刚石以及覆盖金刚石的多个侧面的石墨化材料。该方法由提供耦合到流体射流中的激光束的装置执行。
背景技术
CVD金刚石是实验室制造的人造金刚石，CVD是在受控的实验室中执行的工艺并且产生天然金刚石的精确的物理和化学特性。CVD方法包括将金刚石晶种放入真空室中，以及在接近815℃的温度下用富碳气体填充该真空室。该气体在这样的高温下变成等离子体，由此导致释放碳片。这些碳片层叠到真空室中的金刚石晶种上，从而导致CVD金刚石生长。最终的CVD金刚石制品包括生长的CVD金刚石以及通常覆盖金刚石的侧面的厚的石墨化层或片。CVD金刚石通常由晶种金刚石板生长而成，晶种金刚石板将变成新的CVD金刚石的一部分。生长主要沿一个方向，但也可以沿其他两个方向。
为了进一步处理生长的CVD金刚石(制品)，石墨化层或片需要从金刚石去除，这称为对CVD金刚石“取芯”。此外，还可能希望将CVD金刚石分成多个更小的片，例如分成薄片，这称为对CVD金刚石“切片”。
通常，对金刚石取芯和切片的步骤分开执行，并且这两个步骤都具有特定的缺点。例如，对CVD金刚石取芯通常是非常漫长且繁琐的过程。此外，由于取芯精度有限，因此浪费金刚石通常也是个问题。在取芯之后，CVD金刚石需要被操控，从而实现后续的切片，这将进一步导致时间损耗。此外，由于金刚石坚硬且具有相对高的厚度，因此难以对金刚石切片。因此，所获得的金刚石薄片通常不是严格平行的且具有相当粗糙的切割表面。另外，微裂纹经常破坏切割薄片的质量。此外，薄片的薄度也有限制，因此金刚石通常仅能被分成某一最大数量的薄片。
因此，本发明的实施方式的目的在于改进对CVD金刚石(制品)取芯和切片的传统方式。特别地，一个目的是提供一种方法和装置，其能够从CVD金刚石制品开始全自动地对CVD金刚石取芯和切片，即不需要任何人为作用，且不需要对制品进行任何中间操控。
用于从CVD金刚石制品获得金刚石薄片的总体处理时间应显著降低。此外，薄片应以非常高的精度制造，即以比传统获得的薄片改进的表面粗糙度和彼此更平行的方式制造。此外，薄片质量应得到改进，特别是更少地产生微裂纹和降低表面粗糙度。另一个目标是增加从金刚石所能获得的薄片的数量，即，使金刚石薄片更薄。另外，因为对于较大厚度的金刚石制品降低了切割切口宽度，因此切割切口内材料的损耗应降低。
以上目标应尤其对于所有类型的CVD金刚石都能够实现。特别地，对于对CVD金刚石制品取芯和切片，至今为止不存在全自动过程的解决方案。
发明内容
该目的通过所附的独立权利要求中呈现的实施方式实现。在从属权利要求中限定了这些实施方式的有利实现方式。
特别地，本发明的实施方式总体上基于使用用于实施对CVD金刚石制品取芯和切片的方法的装置，其中该装置提供在流体射流中通过内部反射引导的激光束。该流体射流引导的激光束可以以非常高的精度有效地切割制品的石墨化材料以及超硬的金刚石。例如，该切割可以以非常窄且恒定的切口执行并且产生非常小的锥度。这尤其允许切出具有直角的立方体板形状的完全平行的薄片。
本发明的第一方面提供了一种用于对CVD金刚石制品取芯和切片的方法，所述制品包括金刚石以及覆盖所述金刚石的多个侧面的石墨化材料，其中，所述方法由提供耦合到加压流体射流中的激光束的装置执行，以及其中，所述方法包括：为了进行所述取芯，利用所述激光束切割所述制品以从所述金刚石的侧面去除所述石墨化材料；为了进行所述切片，利用所述激光束从所述金刚石上切下一个或多个薄片。
第一方面的方法允许以全自动方式以及用明显更短的处理时间对金刚石取芯(从金刚石去除一个或多个石墨化片或层；尤其是，“石墨化材料”可以包括组合物中金刚石和石墨的混合物)和切片(产生一个或多个金刚石薄片)。不需要对金刚石进行任何人工作用或处理，尤其是在取芯步骤和切片步骤之间。此外，可以获得非常薄的薄片、严格平行的薄片、具有极大改进的(即，更低的表面粗糙度)的薄片、以及没有微裂纹的薄片。
在第一方面的方法的实现形式中，为了进行所述取芯，所述制品被定位成第一取向，并且为了进行所述切片，所述制品被定位成第二取向。
在第一方面的实现形式中，所述方法还包括：测量所述金刚石的顶面和/或底面的表面取向；以及基于所测量的表面取向确定用于所述切片的所述第二取向和/或切片方向。
也就是说，可以首先测量CVD金刚石的顶面和/或底面，以然后适应所测量的取向。所测量的表面可以对应于晶种板的表面，CVD金刚石从该表面生长出来。切片方向可以被调整以平行于所测量的表面，或者平行于从该表面推导出的晶体取向。表面取向可以由距离传感器(例如，光学传感器或触摸探针)测量，例如利用至少三个测量点进行测量。该距离传感器可以是所述装置的一部分。
在第一方面的方法的实现形式中，用于所述取芯的所述第一取向与用于所述切片的所述第二取向相同；或，用于所述切片的所述第二取向相对于用于所述取芯的所述第一取向倾斜5°-20°、尤其是10°-20°；或，用于所述切片的所述第二取向相对于用于所述取芯的所述第一取向旋转90°。
由此，实现特别快速(较短的处理时间)且有效的取芯和切片过程。通过两个取向的倾斜，可以从两侧对金刚石切片。
在第一方面的方法的实现形式中，所述切片包括：将制品定位成所述第二取向以启动从金刚石上切割一组薄片，以及将所述制品旋转180°以完成从所述金刚石上切下所述一组薄片。
因此，所述方法可以包括在同一切口内部切割两次(从不同侧)。这可以允许切割较厚的CVD制品和/或金刚石。
在第一方面的方法的实现形式中，所述方法还包括：通过利用所述激光束平行于所述金刚石的顶面和/或底面切割所述金刚石来对所述CVD金刚石制品修边；其中，为了进行所述修边，所述制品被定位成第三取向。
修边步骤进一步改进在切片之后获得的薄片的质量。例如，顶面和/或底面上的石墨化层可以被去除，因此不再需要从薄片上去除。不需要机械抛光。此外，可以通过修边步骤确定薄片的尺寸。
在第一方面的方法的实现形式中，所述方法包括：为了进行所述取芯：利用所述激光束沿所述金刚石的第一侧面切割所述制品，以去除第一石墨化片；以及利用所述激光束沿所述金刚石的与所述第一侧面相对的第二侧面切割所述制品，以去除第二石墨化片；在所述取芯之后，为了进行所述修边：将所述制品重新定位成所述第三取向；利用所述激光束平行于所述金刚石的顶面切割所述金刚石，以及利用所述激光束平行于所述金刚石的底面切割所述金刚石；在所述修边之后，为了进行所述切片：将所述制品重新定位成所述第二取向；利用所述激光束沿所述金刚石的垂直于所述第一侧面和所述第二侧面的第三侧面切割所述制品，以去除第三石墨化片；以及利用所述激光束从所述金刚石上切下一个或多个薄片，其中，每个薄片平行于沿所述第三侧面的切割被切下，并且其中，最后一个薄片沿所述金刚石的与所述第三侧面相对的第四侧面被切下。
该实现形式能够实现金刚石的特别快速且完全的取芯、修边和切片。不需要人工作用，即没有中间操控。可以以该方式有效地相继对多个CVD制品取芯、修边和切片。
在该实现形式的一个示例中，14个5x 7x 0.25mm的金刚石薄片分别被制造，对于所有步骤，每个CVD金刚石制品的切割时间仅为35-40分钟。
在第一方面的方法的实现形式中，所述方法包括：将所述制品从用于所述取芯的所述第一取向旋转约90°到用于所述修边的所述第三取向；以及将所述制品从用于所述修边的所述第三取向旋转回约90°到用于所述切片的所述第二取向或者保持同一取向用于所述切片。
在第一方面的方法的实现形式中，对所述制品修边包括切割所述金刚石的顶面和底面，使得所述金刚石的所有面都具有确定的尺寸和取向。
在第一方面的方法的实现形式中，所述切片包括从所述金刚石上平行于所述金刚石的顶面和/或底面切下所述一个或多个薄片。
在第一方面的方法的实现形式中，所述方法还包括：以与所述制品相同的方式对一个或多个另外的制品中的每一个制品相继地取芯和切片。
该批量处理进一步缩短每个制品的处理时间。
在第一方面的方法的实现形式中，所述方法由所述装置自动地和/或连续地执行；和/或所述方法由所述装置以单个过程执行。
在第一方面的方法的实现形式中，从所述金刚石上切下5个至20个薄片、尤其是10个至15个薄片。
因此，与传统取芯和切片方法相比，可以获得增加约50％的薄片。
在第一方面的方法的实现形式中，每个薄片的厚度在0.1-0.4mm范围内，尤其是在0.2-0.3mm范围内。
因此，所获得的金刚石薄片比利用传统取芯和切片方法获得的薄片更薄。
在第一方面的方法的实现形式中，薄片的切割表面的平均表面粗糙度在200-600nm范围内，尤其是在300-500nm范围内。
因此，实现了与传统取芯和切片方法相比改进的表面粗糙度。获得非常平滑的薄片。例如，在一个示例中测量的平均表面粗糙度为367nm，在该示例中制造了14个薄片(每个薄片为5x 7x 0.25mm)。不需要进一步的机械抛光。所述方法对于例如10x10 mm或高达20x20 mm的大薄片尺寸特别有利。
在第一方面的方法的实现形式中，通过利用所述激光束切割产生的切口在25-100μm范围内，尤其是在40-60μm范围内；和/或，通过利用所述激光束切割产生的锥度在1°-2°范围内，尤其是小于1°。
因此，对金刚石特别精确地切割、特别是切片是可能的。此外，窄的切口减少切口内部损失的金刚石材料。
在第一方面的方法的实现形式中，利用所述激光束切割包括以所述激光束相对于所述制品的位移速度在3-20mm/s范围内的多程切割。
这允许以非常高的速度对制品取芯和切片，从而导致明显降低的处理时间。
在第一方面的方法的实现形式中，切割所述金刚石包括沿所述金刚石的确定的晶体取向切割。
因此，金刚石薄片可以完全平行且可以具有非常低的表面粗糙度。此外，可以有效避免微裂纹。此外，这在薄片将重新用作用于新的CVD金刚石生长的晶种时也是有利的。
在第一方面的方法的实现形式中，所述激光束为脉冲激光束，以及所述激光束在所述流体射流中的脉冲强度在0.8-2.0GW/cm2范围内，和/或，所述激光束的平均功率在20-300W范围内，并且所述激光束的脉冲长度在150-400ns范围内。
以此方式，可以非常快速且以高精度切割金刚石。
在第一方面的方法的实现形式中，所述方法还包括：由所述装置在切割所述制品期间接收从所述制品传播出来的激光引发的电磁辐射，尤其是来自通过利用所述激光束切割所述制品在所述制品的表面处形成的等离子体的辐射；将所接收的辐射转换成信号；以及基于所述信号确定所述激光束是否已经穿透所述制品。
通过确定激光束何时穿透制品、例如穿透石墨化材料或金刚石(取决于切割哪个)，处理时间可以再次降低。
在第一方面的方法的实现形式中，由所述装置通过所述流体射流接收所述激光引发的电磁辐射。
这能够实现非常紧凑的装置。此外，测量所产生的辐射的灵敏度较高，因此能够实现精确切割控制。
本发明的第二方面提供了一种用于对CVD金刚石制品取芯和切片的装置，所述CVD金刚石制品包括金刚石以及覆盖所述金刚石的多个侧面的石墨化材料，所述装置包括：机加工单元，所述机加工单元被配置成提供耦合到加压流体射流中的激光束；以及控制单元，所述控制单元被配置成控制所述机加工单元以：为了进行所述取芯，利用所述激光束切割所述制品以从所述金刚石的侧面去除所述石墨化材料；为了进行所述切片，利用所述激光束从所述金刚石上切下一个或多个薄片。
在第二方面的装置的实现形式中，所述控制单元还被配置成：为了进行所述取芯，将所述制品定位成第一取向，并且为了进行所述切片，将所述制品定位成至少第二取向。
在第二方面的装置的实现形式中，所述控制单元还被配置成控制所述机加工单元以：通过利用所述激光束平行于所述金刚石的顶面和/或底面切割所述金刚石来对所述CVD金刚石制品修边；其中，为了进行所述修边，所述制品被定位成第三取向。
在第二方面的装置的实现形式中，所述控制单元被配置成：为了进行所述取芯：利用所述激光束沿所述金刚石的第一侧面切割所述制品，以去除第一石墨化片；利用所述激光束沿所述金刚石的与所述第一侧面相对的第二侧面切割所述制品，以去除第二石墨化片；在所述取芯之后，为了进行所述修边：将所述制品重新定位成所述第三取向；利用所述激光束平行于所述金刚石的顶面切割所述金刚石，以及利用所述激光束平行于所述金刚石的底面切割所述金刚石；在所述修边之后，为了进行所述切片：将所述制品重新定位成所述第二取向；利用所述激光束沿所述金刚石的垂直于所述第一侧面和所述第二侧面的第三侧面切割所述制品，以去除第三石墨化片；以及利用所述激光束从所述金刚石上切下一个或多个薄片，其中，每个薄片平行于沿所述第三侧面的切割被切下，并且其中，最后一个薄片沿所述金刚石的与所述第三侧面相对的第四侧面被切下。
在第二方面的装置的实现形式中，所述装置还包括：保持件，所述保持件被配置成保持在确定的方向上相继布置的多个CVD金刚石制品。
该保持件能够实现对多个CVD金刚石制品相继地取芯、(可选地修边)和切片，因此导致高效处理。例如，保持件可以保持5个-15个、尤其是8个-10个CVD金刚石制品。
在第二方面的装置的实现形式中，所述保持件包括细长的金属片以及沿所述保持件在所述确定的方向上布置的多个保持部分，其中，每个保持部分包括所述金属片的切口以及一个或多个附接片，所述一个或多个附接片用于附接制品，尤其是通过粘贴进行附接，使得所述制品以确定的取向被定位在所述切口内。
在第二方面的装置的实现形式中，在所述制品的整个取芯和切片期间，所述保持件仅附接到(例如，粘贴到)石墨化材料。因此，在产生薄片之后，没有例如胶残留在薄片上。
在第二方面的装置的实现形式中，所述机加工单元包括可旋转元件，以及所述保持件易于附接到所述可旋转元件并且易于从所述可旋转元件拆卸。
在第二方面的装置的实现形式中，所述装置还包括：光学传感器，所述光学传感器被配置成在切割所述制品期间确定所述激光束是否已经穿透所述制品。
在第二方面的装置的实现形式中，所述光学传感器被配置成接收从所述制品传播出来的激光引发的电磁辐射，尤其是来自通过利用所述激光束切割所述制品在所述制品的表面处形成的等离子体的辐射；将所接收的辐射转换成信号；以及基于所述信号确定所述激光束是否已经穿透所述制品；其中，所述光学传感器尤其被布置成通过所述流体射流接收所述辐射。
在第二方面的装置的实现形式中，所述装置还包括：距离传感器，所述距离传感器被配置成测量所述金刚石的顶面和/或底面的表面取向；以及所述控制单元被配置成基于所测量的表面取向确定用于所述薄片的所述第二取向和/或切片方向。
所述装置能够实现第一方面的方法，因此实现上述所有的优势。
本发明的第三方面提供了一种计算机程序(或计算机程序产品)，所述计算机程序包括程序代码，所述程序代码在被处理器执行时，用于控制根据第二方面及其任一实现形式所述的装置、尤其是控制所述控制单元，或者用于执行根据第一方面或其任一实现形式所述的方法。
本发明的第四方面提供了一种存储可执行程序代码的非暂时性存储介质，所述可执行程序代码在被处理器执行时使得执行根据第一方面或其任一实现方式所述的方法。
附图说明
在下面与附图相关的具体实施方式的描述中解释限定根据本发明的一般实施方式的上述方面和实现形式，附图中：
图1示出了根据本发明的实施方式的方法，以及示意性地示出了根据本发明的实施方式的执行该方法的装置。
图2示出了根据本发明的实施方式的方法的示意流程图。
图3示出了根据本发明的实施方式的装置的细节。
图4示出了根据本发明的实施方式的示例性方法的步骤。
图5示出了示例性方法的另外步骤。
图6示出了示例性方法的另外步骤。
图7示出了示例性方法的另外步骤。
图8示出了示例性方法的另外步骤。
图9示出了示例性方法的另外步骤。
图10示出了根据本发明的实施方式的方法中所使用的CVD金刚石制品的保持件。
图11示出了替选的CVD金刚石制品类型和替选的保持件和示例性方法。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明的实施方式的方法10。方法10的步骤在图2的流程图中示出。方法10适用于对CVD金刚石制品11取芯21和切片22。这种CVD金刚石制品包括金刚石11a以及覆盖金刚石11a的多个侧面的石墨化材料11b。例如，结晶金刚石11a可以是矩形金刚石或立方体金刚石(例如，在5x 5x 5mm至20x 20x 20mm之间)，石墨化材料11b可以覆盖金刚石11a的四个侧面。金刚石11a的每个侧面可以被不需要的石墨化材料的厚块覆盖，该石墨化材料的厚块通常由金刚石微晶和石墨的复合物组成。这种矩形或立方体金刚石11a的顶面和底面可能没有被石墨化材料11b覆盖，或者可能没有被厚的石墨块覆盖而是仅被一小层石墨材料11b覆盖。
该方法可以由根据本发明的实施方式的装置30执行，该装置30在图1中示意性地示出或者在图3中以更多、可选的细节示出。装置30被配置成提供耦合到加压流体射流13中的激光束14，即提供流体射流引导的激光束。流体射流13可以包括液体射流，尤其是水射流。
方法10包括对CVD金刚石制品11取芯的步骤21，其中制品11被装置30的激光束14切割以从金刚石11a的侧面去除石墨材料11b。方法10还包括对CVD金刚石制品11切片的步骤22，其中利用装置的激光束14从金刚石11a上切下一个或多个薄片12。切片步骤22可以、但不必须在取芯步骤21之后执行。例如，取芯步骤21和切片步骤22这两个步骤可以交替执行，例如，首先可以从金刚石11a的一个或多个侧面去除石墨材料11b，然后可以对金刚石11a切片，再然后可以从金刚石11a的其余侧面去除石墨材料。
例如，可以从金刚石11a上切下5至20个薄片12、特别是10至15个薄片12。由此，每个薄片的厚度可以在仅0.1-0.4mm范围内、特别是在0.2-0.3mm范围内。此外，薄片表面12(薄片12的切割表面)的平均表面粗糙度可以在仅200-600nm范围内、特别是在300-500nm范围内。金刚石11的切割可以沿一个或多个确定的结晶金刚石取向来执行，以获得薄片12。薄片12可以彼此完全平行。总的说来，金刚石薄片的质量因此非常高。
石墨化材料11b或金刚石11a的切割可以通过多程切割来执行。也就是说，对于沿切割路径(例如，笔直的和/或沿确定的结晶金刚石取向)执行的每次切割，都可以通过沿该路径快速来回移动激光束14来执行。因此，激光束14可以相对于制品11的高速位移。总的说来，因此可以快速执行取芯21和切片22。
特别地，方法10尤其是由装置30自动地和/或无缝地执行。方法10还尤其由装置30以单个过程执行。因此，方法10可以被高效且快速地执行。
此外，针对方法10的特定步骤，制品11可以被定位成多个特定取向、例如多个不同的取向。例如，为了进行取芯21，制品11可以被定位成第一取向，以及为了进行切片22，制品11可以被定位成第二取向。由此，用于切片22的第二取向可以相对于用于取芯21的第一取向倾斜。例如，用于切片22的第二取向可以相对于用于取芯21的第一取向倾斜5°至20°、特别是10°至15°。
图3示出了根据本发明的实施方式的装置30。装置30被配置成对CVD金刚石制品11取芯和切片，如图1或图2所示，即装置30可以用于方法10中。装置30至少包括机加工单元31、控制单元32。装置30还可以包括光学传感器33a、距离传感器33b，并且还可以可选地包括以下描述的其他元件和单元。
机加工单元31被配置成提供耦合到加压流体射流13中的激光束14。控制单元32被配置成控制机加工单元31。特别地，控制单元32可以控制机加工单元31以：为了进行取芯21，利用激光束14切割制品11以从金刚石11a的侧面去除石墨化材料11b；以及为了进行切片22，利用激光束14从金刚石11a上切下一个或多个薄片12。这些动作可以实现图1和图2中所示的方法10。可选的光学传感器33a可以被配置成在对制品11的取芯21和切片22期间，对于一次或多次切割或者对于每次切割，确定激光束14是否已经穿透制品11。因此，总体处理速度可以显著提高。距离传感器33b可以被配置成测量金刚石的顶面和/或底面的表面取向。然后，控制单元32可以基于测量的表面取向确定用于切片的(最佳)第二取向和/或可以确定(最佳)切片方向，以实现最有效地切片。
机加工单元31可以将激光束14耦合到流体射流13中，激光束14例如从一个激光源35接收，此时激光源35可以可选地为装置30的一部分，或者激光束14例如从多个激光源35接收。该耦合可以在机加工单元31中完成。特别地，机加工单元31可以包括用于将激光束14耦合到流体射流13中的光学元件，如至少一个透镜36。激光束14可以在机加工单元31外部产生，并且可以被注入到机加工单元31中。在机加工单元31中，反射镜、和/或分束器37、和/或另一光学元件可以朝向例如至少一个透镜36引导激光束14。分束器37还可以用于将激光的一部分、或来自制品11的电磁辐射耦合到光学传感器33a。机加工单元31还可以包括光学透明的保护窗口39，以将光学布置(这里示例为光学元件36)与流体回路(例如，水回路)、以及与机加工单元31的产生流体射流13的区域分开。
为了产生流体射流13，机加工单元31可以包括具有特定尺寸的孔的流体射流产生喷嘴38。流体射流产生喷嘴38可以设置在机加工单元31内，以在受保护环境中产生流体射流13。孔可以限定流体射流13的宽度。孔的直径例如可以为10-200μm，流体射流13的直径例如可以为孔的直径的约0.6-1倍。加压流体射流13的压力可以由外部流体供应部34提供，该外部流体供应部34通常不是装置30的一部分(但也可以是)。例如，压力为50-800bar(巴)。为了从装置30输出流体射流13，机加工单元31可以包括具有出口孔的出口喷嘴。特别地，该出口孔比流体喷嘴的孔更宽。
控制单元32还可以控制至少一个激光源35(例如，控制单元32可以命令激光源35的激光控制器)。也就是说，控制单元32可以指示激光源35的激光控制器输出相应的激光发射。由此，激光源35的激光控制器可以根据控制单元的指令设置恒定激光束或脉冲激光束，特别地，对于脉冲激光束，可以设置脉冲功率、脉冲宽度、脉冲充盈率(pulse repletionrate)、脉冲毛刺率(pulse burs rate)、或脉冲之间的暂停。例如，对于取芯21和切片22，激光束14的脉冲强度可以在0.8-2GW/cm^2范围内，和/或激光束14的脉冲功率可以在20-300W范围内，和激光束14的脉冲长度可以在150-400ns范围内。控制单元32还可以控制流体供应部34。
在取芯21和切片22期间，CVD金刚石制品11可以由特定保持件100(在图10中更详细地描述)保持，保持件100可以是也可以不是装置30的一部分。在任一种情况下，装置30都可以被布置成使得装置30能够对由保持件100保持的CVD金刚石制品11进行机加工。保持件100可以附接到装置30的可旋转元件131。装置30、尤其是控制单元31由此可以控制保持件100(尤其是可旋转元件131)在多达三个维度上(例如，如图3所示的x-y-z上，其中z方向平行于流体射流13，x方向和y方向垂直于z方向并且彼此垂直)移动。保持件100也可以通过装置30旋转可旋转元件131而旋转。特别地，装置30然后能够通过在CVD金刚石制品11上方沿切割路径移动流体射流引导的激光束14来切割制品11，所述切割路径尤其是二维路径，如直线和/或弧线。由此，可以执行如上所述的多程切割。由此，移动还可以是连续的或步进的，并且可以选择/改变移动速度。
可旋转元件131可以通过马达或CNC来驱动。例如，装置30的可旋转元件131可以是杆或所谓的“Dop(金刚石夹)”。通过可旋转元件131，可以相对于激光束14重新定位制品11，即可以改变制品11的取向。特别地，可以设定上述第一取向和第二取向。可旋转元件131(的直径/宽度)可以比制品11的直径小至少10％、特别是小至少20％。可旋转元件131可以绕旋转轴线(如图3所示)旋转。可旋转元件131的旋转可以由控制单元32控制，尤其是基于来自光学传感器33a的输入来控制。
光学传感器33a可以被布置成接收从制品11传播出来的激光引发的电磁辐射(例如，当利用激光束14切割制品11时)，例如，该电磁辐射通过流体射流13并进一步通过至少一个光学元件36、37到达光学传感器33a。特别地，光学传感器33a可以被布置成接收通过流体射流13并通过至少一个光学元件36的激光引发的电磁辐射，光学元件36被配置成将激光束14耦合到流体射流13中。激光引发的电磁辐射可以包括从制品11的利用激光束14切割的部分发射的次级辐射。例如，激光引发的电磁辐射可以由于工件的切割表面区域转变成等离子体而引发。该等离子体可以发射特征辐射，该特征辐射可以易于在光学传感器33a上或由光学传感器33a隔离。激光引发的电磁辐射还可以包括从制品11反射的初级激光辐射。激光引发的电磁辐射还可以包括由流体射流13中的激光束14的散射、优选拉曼散射产生的次级辐射。
距离传感器33b可以是第二光学传感器(即，除了光学传感器33a之外)。在这种情况下，距离传感器33b可以被布置成以光学方式测量制品11的表面取向，例如通过测量从制品11反射的光来测量制品11的表面取向。为此，距离传感器33b还可以被配置成将光发射到制品11上。距离传感器33b也可以是触摸探针。在这种情况下，距离传感器33b可以被布置成使得其可以触摸制品11以执行表面取向测量，或者距离传感器33b可以被配置成使得其可以朝向制品11移动或被移动以执行测量。
光学传感器33a和/或距离传感器33b可以被布置在机加工单元31中。然而，光学传感器33a也可以布置在激光源35中。在这种情况下，激光引发的辐射可能从制品22回传，并且可以通过机加工单元31引导到激光源35，在激光源35处，激光引发的辐射被光学传感器33a接收。例如，机加工单元31可以通过光纤光学连接到激光源35。
光学传感器33a还可以被配置成将接收到的辐射转换成信号。控制单元32可以包括处理电路，该处理电路被配置成基于该信号确定机加工/切割制品11的状态。机加工制品11的状态可以是激光束14是否已经穿透制品11，即是否已经穿透石墨化材料11b和/或金刚石11a。特别地，控制单元32可以被配置成确定所执行的对石墨化材料11b或金刚石11a的切割是否完成，或者该所执行的切割是否未完成，和/或通过执行切割是否根本未去除石墨化材料11b或金刚石11a。
装置30、尤其是控制单元32可以包括处理器或处理电路(未示出)，该处理器或处理电路被配置成执行、实施或启动本文所描述的装置30的各种操作，尤其是用以执行方法10。处理电路可以包括硬件和/或处理电路可以由软件控制。硬件可以包括模拟电路或数字电路、或者模拟电路和数字电路两者。数字电路可以包括诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、或多功能处理器的部件。
装置30还可以包括存储器电路，该存储器电路存储可以由处理器或处理电路执行的一个或多个指令，尤其是在软件的控制下执行。例如，存储器电路可以包括存储可执行软件代码或程序代码的非暂时性存储介质，该可执行软件代码或程序代码在由处理器或处理电路执行时引起本文中所描述的装置的各种操作，尤其是引起执行方法100。
图4-图9示出了根据本发明的实施方式的示例性方法10，该方法10可以利用图3所示的装置30执行。
图4(a)示出了初始时CVD金刚石制品11可以附接到保持件100(关于图10更详细地描述)，保持件100可以是装置30的一部分，或者可以附接到装置30，例如可以附接到可旋转元件131。制品11可以仅通过石墨化材料11b附接到保持件100。特别地，在制品11的整个取芯21和切片22期间，保持件100可以仅附接到石墨化材料11b。制品11、尤其是石墨化材料11b可以粘贴到保持件100，例如粘贴到保持件100的保持部分。
图4(b)示出了用于实施取芯21的第一切割步骤。具体地，可以利用激光束14沿金刚石11a的第一侧面切割制品11，以去除第一石墨化片，以及可以沿金刚石11a的与第一侧面相对的第二侧面切割，以去除第二石墨化片。图4(b)中的虚线表示激光束14的路径。在图4中，激光束14示例性地延伸到图平面中，即平行于第一侧面和第二侧面。特别地，图4(b)中示出的切割可以在制品11的第一取向上执行，即制品11可以被定位成第一取向，其中取向是相对于激光束14的。
图5(a)示出了在图4(b)的切割步骤之后的制品11。可以看出，石墨化材料11b已经从金刚石11a的两个相对侧面去除。图5(a)示出了然后可以重新定位制品11。特别地，在该示例中，制品11被重新定位成第三取向。
在该示例中，制品11从用于取芯21的第一取向旋转约90°到第三取向。图6(a)示出了旋转后处于第三取向的制品11。
图6(b)示出了在第三取向可以执行对CVD金刚石制品11修边23的步骤。制品11的修边23是方法10的可选步骤。制品11的修边23可以包括利用激光束14平行于金刚石11a的顶面切割金刚石11a以及利用激光束14平行于金刚石11a的底面切割金刚石11a，如表示激光束14的切割路径的虚线所示。修边23可以去除存在于顶面和/或底面上的石墨化层。修边23可以包括切割金刚石11a的顶面和/或底面，使得金刚石11a的所有面、即侧面以及顶面和底面都具有确定的尺寸。所有面可以尤其具有相同的2D尺寸。
图6(c)示出了然后制品11可以被重新定位。具体地，在该示例中，制品11可以被重新定位成用于切片22的第二取向。特别地，在该示例中，制品11可以从用于修边23的第三取向往回旋转约90°(制品11从用于取芯21的第一取向旋转的角度)到用于切片22的第二取向。
图7(a)、图8(a)和图8(b)、以及图9(a)示出了对金刚石11a切片22的步骤。具体地，切片22可以包括利用激光束14沿金刚石11a的垂直于第一侧面和第二侧面的第三侧面切割制品11，以去除第三石墨化片。这在图7中示出，并且由表示激光束14的用于切割的路径的虚线来示出。
切片22还可以包括利用激光束14从金刚石11a切下一个或多个薄片12。每个薄片的厚度可以在0.1-0.4mm范围内。这在图7(b)、图8(a)和图8(b)、以及图9(a)中示出，其中作为示例示出了要去除总共5个薄片。然而，通常从金刚石11a上切下甚至10个至20个、例如15个薄片12。每个薄片12可以平行于沿第三侧面的切割被切下，即每个薄片12还平行于下一薄片12被切割。如图9(a)所示，最后一个薄片12可以沿金刚石11a的第四侧面被切下，该第四侧面与第三侧面相对。
图9(b)示出了在对金刚石11a切片22之后，仅剩下粘贴到保持件100的石墨化片。取芯后的金刚石11a完全被切片成薄片12。该图还示出了后续可以对另一CVD金刚石制品取芯和切片。特别地，方法10还可以包括以与首先取芯和切割CVD制品11相同的方式对一个或多个另外的制品中的每一个制品相继地取芯21和切片22。为此，可以在接下来描述的特定保持件100上保持多个CVD制品11。
图10示出了保持件100，该保持件100可以是装置30的一部分，和/或可以易于附接到装置30的可旋转元件131且易于从可旋转元件131拆卸。保持件100被配置成保持多个CVD金刚石制品11，这些CVD金刚石制品11尤其是沿确定的方向相继布置。例如，如图所示，保持件100可以包括细长的金属片以及沿保持件100在确定的方向上布置的多个保持部分，其中CVD制品11被保持在各个保持部分中。作为示例，每个保持部分可以包括金属片的切口101以及一个或多个附接片102，附接片102例如突出到每个切口101中，用于附接CVD金刚石制品11，尤其是通过粘贴40进行附接。由此，制品11被定位在切口101内。特别地，如以上已经描述的，保持件100仅附接到石墨化材料11b。
图11示出了根据本发明的实施方式的另一示例性方法10，该方法10可以利用图3所示的装置30执行。
具体地，图11在(a)中示出了CVD金刚石制品11，其包括金刚石11和石墨化材料11b。在该示例性CVD金刚石制品11中，石墨化材料11b平行于金刚石11的侧面沉积。
此外，图11在(b)和(c)中示出了用于对(a)中示出的制品11取芯和切片的示例性方法10。用于制品11的取芯和切片的装置30包括一个或多个金刚石夹保持件110。示例性地示出了两个金刚石夹保持件110，但是装置30可以具有多个(大于两个)金刚石夹保持件。每个金刚石夹保持件110可以保持一个制品11，使得多个制品11可以被相继处理(取芯和切片)。每个制品11的顶面或底面(其上没有厚的石墨化材料)可以附接到相应的金刚石夹保持件110。每个金刚石夹保持件110可以包括细长轴，并且每个金刚石夹保持件110可以被配置成绕沿该轴的伸长方向延伸的轴线旋转。也就是说，每个金刚石夹保持件110可以围绕其自身旋转。
图11在(a)中示出了首先可以通过利用在流体射流13中引导的激光束14进行切割来从金刚石11的侧面去除石墨化材料11b。如图所示，该切割可以平行于相应的侧面执行。在每次切割之后，相应的金刚石夹保持件110可以旋转以为下一次切割做准备，例如可以绕轴线旋转90°。
图11还在(b)中示出了然后可以利用激光束14通过平行于取芯后的金刚石11a的顶面或底面(取决于是金刚石11a的顶面还是底面附接到金刚石夹保持件110)进行切割来对取芯后的金刚石11a切片。也就是说，切片可以平行于金刚石晶种表面执行。
因此，图11的方法10可以以与针对图2或图4-图9的方法10描述的参数相同的参数(激光束14、流体射流13、位移速度等)来执行。
已经结合作为示例的各种实施方式以及实现形式描述了本发明。然而，通过研究附图、说明书和独立权利要求，实践所要求保护的实施方式的本领域技术人员能够理解和实现其他变型。在权利要求书以及说明书中，表述“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以实现权利要求书中记载的多个实体或多个项的功能。实际上，在彼此不同的从属权利要求中记载的某些措施并不表示这些措施的结合不能用于有利的实现方式中。

Claims (30)

1.一种用于对化学气相沉积CVD金刚石制品(11)取芯(21)和切片(22)的方法(10)，所述制品(11)包括金刚石(11a)以及覆盖所述金刚石(11a)的多个侧面的石墨化材料(11b)，其中，所述方法(10)由提供耦合到加压流体射流(13)中的激光束(14)的装置(30)执行，以及
其中，所述方法(10)包括：
-为了进行所述取芯(21)，利用所述激光束(14)切割所述制品(11)以从所述金刚石(11a)的侧面去除所述石墨化材料(11b)；
-为了进行所述切片(22)，利用所述激光束(14)从所述金刚石(11a)上切下一个或多个薄片(12)。
2.根据权利要求1所述的方法(10)，其中：
为了进行所述取芯(21)，所述制品(11)被定位成第一取向，并且为了进行所述切片(22)，所述制品(11)被定位成至少第二取向。
3.根据权利要求2所述的方法(10)，还包括：
测量所述金刚石(11a)的顶面和/或底面的表面取向；以及
基于所测量的表面取向确定用于所述切片的所述第二取向和/或切片方向。
4.根据权利要求2或3所述的方法(10)，其中：
用于所述取芯(21)的所述第一取向与用于所述切片(22)的所述第二取向相同；或
用于所述切片(22)的所述第二取向相对于用于所述取芯(21)的所述第一取向倾斜5°-20°、尤其是10°-15°；或
用于所述切片(22)的所述第二取向相对于用于所述取芯的所述第一取向旋转90°。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其中：
所述切片包括：将所述制品(11)定位成所述第二取向以启动从所述金刚石(11a)上切割一组薄片，以及将所述制品旋转180°以完成从所述金刚石(11a)上切下所述一组薄片。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法(10)，还包括：
通过利用所述激光束(14)平行于所述金刚石(11a)的顶面和/或底面切割所述金刚石(11a)来对所述CVD金刚石制品(11)修边(23)；
其中，为了进行所述修边(23)，所述制品(11)被定位成第三取向。
7.根据权利要求6所述的方法(10)，其中，所述方法(10)包括：
为了进行所述取芯(21)：
-利用所述激光束(14)沿所述金刚石(11a)的第一侧面切割所述制品(11)，以去除第一石墨化片；以及
-利用所述激光束(14)沿所述金刚石(11a)的与所述第一侧面相对的第二侧面切割所述制品，以去除第二石墨化片；
在所述取芯(21)之后，为了进行所述修边(23)：
-将所述制品(11)重新定位成所述第三取向；
-利用所述激光束(14)平行于所述金刚石(11a)的顶面切割所述金刚石(11a)，以及利用所述激光束(14)平行于所述金刚石(11a)的底面切割所述金刚石(11a)；
在所述修边(23)之后，为了进行所述切片(22)：
-将所述制品(11)重新定位成所述第二取向；
-利用所述激光束(14)沿所述金刚石(11a)的垂直于所述第一侧面和所述第二侧面的第三侧面切割所述制品(11)，以去除第三石墨化片；以及
-利用所述激光束(14)从所述金刚石(11a)上切下一个或多个薄片(12)，其中，每个薄片(12)平行于沿所述第三侧面的切割被切下，并且其中，最后一个薄片(12)沿所述金刚石(11a)的与所述第三侧面相对的第四侧面被切下。
8.根据权利要求6或7所述的方法(10)，还包括：
将所述制品(11)从用于所述取芯(21)的所述第一取向旋转约90°到用于所述修边(23)的所述第三取向；以及
将所述制品从用于所述修边(23)的所述第三取向旋转回约90°到用于所述切片(22)的所述第二取向或者保持所述第三取向用于所述切片(22)。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法(10)，其中：
对所述制品(11)修边(23)包括切割所述金刚石(11a)的顶面和底面，使得所述金刚石(11a)的所有面都具有确定的尺寸和取向。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法(10)，其中：
所述切片包括平行于所述金刚石(11a)的顶面和/或底面从所述金刚石(11a)上切下所述一个或多个薄片(12)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法(10)，还包括：
以与所述制品(11)相同的方式对一个或多个另外的制品中的每一个制品相继地取芯(21)和切片(22)。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法(10)，其中：
所述方法(10)由所述装置(30)自动地和/或连续地执行；和/或
所述方法(10)由所述装置(30)以单个过程执行。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法(10)，其中：
所述薄片(12)的切割表面的平均表面粗糙度在200-600nm范围内，尤其是在300-500nm范围内。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法(10)，其中：
通过利用所述激光束(14)切割产生的切口在25-100μm范围内，尤其是在40-60μm范围内；和/或
通过利用所述激光束(14)切割产生的锥度在1切割产生范围内，尤其是小于1围。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法(10)，其中：
切割所述金刚石(11a)包括沿所述金刚石(11a)的确定的晶体取向切割。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法(10)，其中：
所述激光束(14)为脉冲激光束，以及
所述激光束(14)在所述流体射流(13)中的脉冲强度在0.8-2.0GW/cm2范围内，和/或
所述激光束(14)的平均功率在20-300W范围内，并且所述激光束(14)的脉冲长度在150-400ns范围内。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法(10)，还包括：
由所述装置(30)在切割所述制品(11)期间接收从所述制品(11)传播出来的激光引发的电磁辐射，尤其是来自通过利用所述激光束(14)切割所述制品在所述制品的表面处形成的等离子体的辐射；
将所接收的辐射转换成信号；以及
基于所述信号确定所述激光束(14)是否已经穿透所述制品(11)。
18.根据权利要求17所述的方法(10)，其中：
由所述装置(30)通过所述流体射流(13)接收所述激光引发的电磁辐射。
19.一种用于对化学气相沉积CVD金刚石制品(11)取芯(21)和切片(22)的装置(30)，所述CVD金刚石制品(11)包括金刚石(11a)以及覆盖所述金刚石(11a)的多个侧面的石墨化材料(11b)，所述装置(30)包括：
机加工单元(31)，所述机加工单元(31)被配置成提供耦合到加压流体射流(13)中的激光束(14)；以及
控制单元(32)，所述控制单元(32)被配置成控制所述机加工单元(31)以：
-为了进行所述取芯(21)，利用所述激光束(14)切割所述制品(11)以从所述金刚石(11a)的侧面去除所述石墨化材料(11b)；
-为了进行所述切片(22)，利用所述激光束(14)从所述金刚石(11a)上切下一个或多个薄片(12)。
20.根据权利要求19所述的装置(30)，其中：
所述控制单元(32)还被配置成：为了进行所述取芯(21)，将所述制品(11)定位成第一取向，并且为了进行所述切片(22)，将所述制品(11)定位成至少第二取向。
21.根据权利要求19或20所述的装置(30)，其中，所述控制单元(32)还被配置成控制所述机加工单元(31)以：
通过利用所述激光束(14)平行于所述金刚石(11a)的顶面和/或底面切割所述金刚石(11a)来对所述CVD金刚石制品(11)修边(23)；
其中，为了进行所述修边(23)，所述制品(11)被定位成第三取向。
22.根据权利要求21所述的装置(30)，其中，所述控制单元(32)被配置成控制所述机加工单元(31)以：
为了进行所述取芯(21)：
-利用所述激光束(14)沿所述金刚石(11a)的第一侧面切割所述制品(11)，以去除第一石墨化片；以及
-利用所述激光束(14)沿所述金刚石(11a)的与所述第一侧面相对的第二侧面切割所述制品(11)，以去除第二石墨化片；
在所述取芯(21)之后，为了进行所述修边(23)：
-将所述制品(11)重新定位成所述第三取向；
-利用所述激光束(14)平行于所述金刚石(11a)的顶面切割所述金刚石(11a)，以及利用所述激光束(14)平行于所述金刚石(11a)的底面切割所述金刚石(11a)；
在所述修边(23)之后，为了进行所述切片(22)：
-将所述制品(11)重新定位成所述第二取向；
-利用所述激光束(14)沿所述金刚石(11a)的垂直于所述第一侧面和所述第二侧面的第三侧面切割所述制品(11)，以去除第三石墨化片；以及
-利用所述激光束(14)从所述金刚石(11a)上切下一个或多个薄片(12)，其中，每个薄片(12)平行于沿所述第三侧面的切割被切下，并且其中，最后一个薄片(12)沿所述金刚石(11a)的与所述第三侧面相对的第四侧面被切下。
23.根据权利要求19至22中任一项所述的装置(30)，还包括：
保持件(100，110)，所述保持件被配置成保持在确定的方向上相继布置的多个CVD金刚石制品(11)。
24.根据权利要求23所述的装置(30)，其中：
所述保持件(100)包括细长的金属片以及沿所述保持件(100)在所述确定的方向上布置的多个保持部分，
其中，每个保持部分包括所述金属片的切口(101)以及一个或多个附接片(102)，所述一个或多个附接片(102)用于附接制品(11)，尤其是通过粘贴(40)进行附接，使得所述制品(11)以确定的取向被定位在所述切口(101)内。
25.根据权利要求23或24所述的装置(30)，其中：
在所述制品(11)的整个取芯(21)和切片(22)期间，所述保持件(100)仅附接到石墨化材料(11b)。
26.根据权利要求23至25中任一项所述的装置(30)，其中：
所述机加工单元(31)包括可旋转元件(131)，以及
所述保持件(100)易于附接到所述可旋转元件(131)并且易于从所述可旋转元件(131)拆卸。
27.根据权利要求19至26中任一项所述的装置(30)，还包括：
光学传感器(33a)，所述光学传感器(33a)被配置成在切割所述制品(11)期间确定所述激光束(14)是否已经穿透所述制品(11)。
28.根据权利要求27所述的装置(30)，其中：
所述光学传感器(33a)被配置成接收从所述制品(11)传播出来的激光引发的电磁辐射，尤其是来自通过利用所述激光束(14)切割所述制品(11)在所述制品(11)的表面处形成的等离子体的辐射；将所接收的辐射转换成信号；以及基于所述信号确定所述激光束(14)是否已经穿透所述制品(11)；
其中，所述光学传感器(33a)尤其被布置成通过所述流体射流(13)接收所述辐射。
29.根据权利要求20至28中任一项所述的装置(30)，还包括：
距离传感器(33b)，所述距离传感器(33b)被配置成测量所述金刚石(11a)的顶面和/或底面的表面取向；以及
所述控制单元(32)被配置成基于所测量的表面取向确定用于所述切片的所述第二取向和/或切片方向。
30.一种计算机程序，所述计算机程序包括程序代码，所述程序代码在被处理器执行时，用于控制根据权利要求19至29中任一项所述的装置(30)、尤其是控制所述控制单元(32)，或者用于执行根据权利要求1至18中任一项所述的方法(10)。
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