DE19859905C2

DE19859905C2 - Diamantschneidwerkzeug

Info

Publication number: DE19859905C2
Application number: DE19859905A
Authority: DE
Inventors: Peter Gluche; Andre Floeter
Original assignee: GFD Gesellschaft fuer Diamantprodukte mbH
Current assignee: GFD Gesellschaft fuer Diamantprodukte mbH
Priority date: 1998-01-27
Filing date: 1998-12-23
Publication date: 2002-05-23
Anticipated expiration: 2018-12-24
Also published as: JP2002500963A; WO1999037437A1; IL137360A0; EP1087857A1; US6599178B1; AU3251299A; DE19859905A1; BR9907277A; CN1294542A

Description

Die Erfindung betrifft ein Diamantschneidwerkzeug mit einer eine Schneidkante aufweisenden, synthetischen Diamantschicht sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Diamantschneidwerkzeuges.

Diamant ist aufgrund seiner herausragenden mechani schen, chemischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften ein geeignetes Material für Schneid werkzeuge. Aus der EP 0 577 066 A1 ist ein Diamantschneidwerkzeug mit einem Substrat und einem auf dem Substrat angeordneten Schneidkantenelement auf Diamantbasis bekannt. Das Schneidkantenelement kann eine aus der Dampfphase abgeschiedene Diamantschicht umfassen. Das Schneidkantenelement wird mit Hilfe eines Laserstrahles strukturiert und anschließend auf dem Substratmaterial befestigt. Nachteilig bei diesem Schneidwerkzeug sind die hohen Herstellungskosten aufgrund der aufwendigen Laserstrukturierung der Schneidkante und der verfah renstechnisch nicht einfachen Befestigung des Schneidkantenelementes auf dem Substratmaterial. Nachteilig ist weiterhin, daß der Schneidkantenwinkel nicht beliebig klein eingestellt werden kann.

In der Einleitung der EP 0 577 066 A1 wird ein Diamantschneidwerkzeug aus einem Substratmaterial, welches mit Diamant beschichtet ist, als Stand der Technik beschrieben. Nachteilig bei diesem Diamantschneidwerkzeug ist jedoch, daß sich während des Schneidens der Diamantdünnfilm von dem Substrat material trennt.

Die WO 98/03202 A1 betrifft ein Werkzeug, insbesondere für die spannende Materialbearbeitung, wobei das Werkzeug mit einer haftfesten polykristallinen Diamantschicht versehen ist.

Auch in der EP 0670 192 A1 ist ein Schneidwerkzeug beschrieben, bei dem mittels CVD eine Diamantschicht abgeschieden worden ist.

Nachteilig bei diesen Schneidwerkzeugen ist, daß diese in ihrer Form nicht beliebig eingestellt werden können und die Schneidkante selbst durch die vorgegebene Struktur des Substrates bestimmt wird.

Ausgehend von den Nachteilen des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Diamantschneidwerkzeug anzugeben, welches auf ein fache Weise in großen Stückzahlen und kostengünstig herstellbar ist, eine hohe Schärfe und mechanische Stabilität aufweist und mit beliebig geformten Schneidflächen versehen sein kann. Aufgabe der Erfindung ist weiterhin, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Diamantschneidwerkzeuges anzugeben.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Schneidwerkzeug gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Schneidwerkzeuges gemäß Anspruch 12. Die jeweiligen Unteransprüche betreffen bevorzugte Aus gestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Ein Diamantschneidwerkzeug ist auf einfache Weise herstellbar und weist eine Schneidkante hoher Schärfe auf, wenn die Schneidkante der synthetischen Diamantschicht ein Profil mit abnehmender Schichtdicke aufweist, welches durch Ätzen struk turiert ist. Bei der Herstellung dieses Diamantschneidwerkzeuges wird nach dem Abscheiden der Diamantschicht auf einem bevorzugt kristallinen Substratmaterial die Schneidkante durch Durchführen eines oder mehrerer Ätzschritte ausgebildet. Bei der Erfindung bildet sich somit aus der aufgebrachten Diamantschicht ein strukturiertes Profil mit abnehmender Schichtdicke aus. Beim Ätzen wird eine Ätzmaske verwendet, welche getrennt von der Diamantschicht oder gleichzeitig mit der Diamantschicht geätzt wird. Als Ätzmaske kann das ggf. strukturierte Substratmaterial und/oder eine oder mehrere ggf. strukturierte weitere Schichten, welche auf die Diamantschicht aufgebracht wurden, fungieren. Der Winkel der Schneidkante läßt sich durch Variation des Verhältnisses der Ätzgeschwindig keiten von Ätzmaske und Diamantschicht gezielt einstellen.

Eine kostengünstige, automatisierbare Herstellung des erfindungsgemäßen Diamantschneidwerkzeuges in hohen Stückzahlen ist gewährleistet, wenn die Diamantschicht zunächst auf einem großflächigen Trägermaterial abgeschieden wird und vor dem Durchführen des mindestens einen Ätzschrittes zur Herstellung der Schneidkante eine Strukturierung der Ätzmaske zur Definition einzelner Schneidwerkzeuge beliebiger Geometrie durchgeführt wird.

Die Diamantschicht ist bevorzugt texturiert und weist besonders bevorzugt eine <111<-, oder <110<- oder <100<-Textur auf. Es wird von einer Textur gesprochen, wenn mehr als 80% der Oberfläche der Diamantschicht von <111<-, <110<- oder <100<-Diamant flächen gebildet wird und die Differenz der Eulerwin kel Δγ zwischen den die Orientierung der Diamant schicht definierenden, aneinanderliegenden <111<-, <110<- oder <100<-Diamantflächen die Bedingung |Δγ| ≦ 20° erfüllt. Die Dicke der Diamantschicht beträgt bevorzugt zwischen 1 und 500 µm und die mittlere Oberflächenrauhigkeit R_A bevorzugt weniger als 5 µm. Im Anschluß an das Abscheiden der Diamantschicht kann diese noch mechanisch, physikalisch oder chemisch nachbearbeitet werden, um gegebenenfalls vorhandene Oberflächenrauhigkeiten der Diamantschicht zu redu zieren.

Die Diamantschicht kann auf bevorzugt ätzbaren Substratmaterialien wie Silizium, Siliziumcarbid, Glas, refraktären Metallen, Saphir, Magnesiumoxid oder Germanium abgeschieden werden. Es hat sich ge zeigt, daß der Diamantfilm nach dem Entfernen der Si- Schicht immer noch auf einem Substrat (1 monolage- 20 NM SiC) liegt, welcher beim entfernen nicht mitent fernt wird.

Die Schneidkante des Diamantschneidwerkzeuges wird bevorzugt durch einen trockenchemischen Ätzschritt wie beispielsweise reaktives Ionenätzen definiert. Ätzmaske und Diamantschicht können in einem einzigen Ätzschritt gleichzeitig geätzt werden. Alternativ ist es möglich, Ätzmaske und Diamantschicht in zwei oder mehreren Ätzschritten getrennt zu ätzen. Werden mehr als zwei Ätzschritte durchgeführt, kann ein Stufen profil in der Diamantschicht ausgebildet werden. Durch eine Variation der Verhältnisse der reaktiven Gaskomponenten während des Ätzens ist es möglich, Einfluß auf die Form der Schneidkante zu nehmen. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise gewölbte Schneidkanten realisieren. Das Profil des Ätzvorgan ges kann auch als Treppen/Stufenprofil definiert wer den, welches als minimale Treppenhöhe die Gitterkon stante des Diamants (a = 3.5 A) aufweist.

Weitere Einzelheiten und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ausfüh rungsbeispielen und den Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 die einzelnen Schritte zur Herstellung des erfindungsgemäßen Schneidwerkzeuges;

Fig. 2 verschiedene Formen erfindungsgemäßer Schneidwerkzeuge;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des erfin dungsgemäßen Ätzvorganges zur Strukturierung der Schneidkante;

Fig. 4 die Schneidkante eines erfindungsgemäßen Schneidwerkzeuges;

Fig. 5 Schnittansichten des erfindungsgemäßen Schneidwerkzeuges;

Fig. 6 die Integration elektronischer Komponenten mit einem erfindungsgemäßen Schneidwerkzeug; und

Fig. 7 ein Skalpell mit einem erfindungsgemäßen Schneidwerkzeug.

Nachfolgend wird beispielhaft unter Bezugnahme auf Fig. 1 die Herstellung eines erfindungsgemäßen Schneidwerkzeuges beschrieben. Zunächst findet die Plasmabeschichtung eines großflächigen Silizium substrates 1 mit polykristallinem Diamant 2 statt. Die abgeschiedene synthetische Diamantschicht 2 weist eine Dicke von ungefähr 35-100 µm auf und besitzt aufgrund ihrer <100<-Textur eine sehr geringe Oberflächenrauhigkeit.

Im Anschluß an das Beschichten des Siliziumsubstrates 1 findet eine ganzflächige Maskierung 3 des Substrates 1 mit Si₃N₄ statt. Das Si₃N₄ wird daraufhin mittels Standardphotolithograpie unter Verwendung einer Glasmaske 4 zur Definition der Form der einzelnen Schneidwerkzeuge strukturiert. Daraufhin folgt eine naßchemische Freilegung der Diamantschicht 2 durch Ätzen des Substrates 1 mit KOH-Lösung (30 Gew.-%) bei 80°C. Mittels dieses Vorgehens lassen sich außer den in Fig. 1 dargestellten auch die in Fig. 2 abgebildeten Schneidwerkzeugformen realisieren. Anstatt oder zusätzlich zum Substrat 1 als Ätzmaske könnten auf der Diamantschicht eine oder mehrere weitere Schichten aufgebracht werden, welche wie oben beschrieben, strukturiert werden und als Ätzmaske fungieren. Bei diesen weiteren Schichten kann es sich z. B. um Silizium-, Lack- oder Metallschichten oder um siliziumhaltige Schichten (SiO₂, Si₃N₄ usw.) handeln.

Die Ausbildung der Schneidkante erfolgt durch ein anschließendes reaktives Ionenätzen in einem Paral lelplattenreaktor. Dabei fungiert das naßchemisch strukturierte Siliziumsubstrat 1 als Ätzmaske. Als Prozeßgas wird ein CF₄/Ar/O₂-Gemisch verwendet. Die Ätzgeschwindigkeit des Siliziums wird durch den CF₄- Anteil und die Ätzgeschwindigkeit von Diamant durch den O₂/Ar-Anteil bestimmt. Die Ätzgeschwindigkeit des Siliziums ist im vorliegenden Fall höher als die Ätzgeschwindigkeit der Diamantschicht, so daß sich ein Schneidkantenwinkel α von weniger als 45° ergibt. die Ätzgeschwindigkeit des Siliziums kann aber auch gleich (α ≈ 45°) oder geringer (α < 45°) als die des Diamanten gewählt werden.

In Fig. 3 ist der Ätzvorgang zur Strukturierung der Schneidkante 5 schematisch dargestellt. Die gestrichelten Linien markieren die Ausgangspositionen von Substratmaterial 1 und Diamantschicht 2 vor dem Trockenätzvorgang. Während des Ätzvorganges wird das maskierende Substratmaterial 1 kontinuierlich mit der Ätzrate v_Substrat entfernt. An den derart freigelegten Diamantflächen findet daraufhin ein Ätzvorgang mit der Ätzrate v_Diamant statt. Der Winkel a der fertig geätzten Diamantschneidkante 5 (vgl. Fig. 4) kann über das Verhältnis der Beträge der vektoriellen Ätzgeschwindigkeiten von Substratmaterial 1 und Diamantschicht 2 wie folgt definiert werden:

tanα = k.v_Diamant/v_Substrat

In der obigen Formel steht k für eine Konstante.

Die Ätzgeschwindigkeiten von Substrat 1 und Diamantschicht 2 werden in erster Linie über die An teile der reaktiven Komponenten des Prozeßgasgemisches eingestellt. Im Falle des Siliziums bedeutet beispielsweise eine Erhöhung der reaktiven Komponente CF₄ eine Verringerung des Schneidkantenwinkels.

In der folgenden Tabelle sind beispielhafte Prozeßparameter bei Biasspannungen zwischen 500 und 550 V und elektrischen Leistungen zwischen 1400 und 1500 W zusammengefaßt:

Die jeweiligen Prozeßparameter sind stark anlagenab hängig. Typische Prozeßparameter liegen aber in fol genden Bereichen.
Ar: 10-50 sccm
O₂: 20-150 sccm
CF₄: 0,1-30 sccm
V_bias: 250-700 V
P: 300-3000 W

Weitere Ätzgaskompositionen für das trockenchemische Ätzen von Diamant enthalten z. B. H₂, O₂, CF₄ und Ar. Für das trockenchemische Ätzen von Silizium eignen sich folgende 12 Kompositionen sowie weitere Mischun gen der angegebenen Komponenten:

Oftmals ist es wünschenswert, eine gefärbte (d. h. nicht transparente) Schneidkante (5) zu haben. Zu diesem Zweck kann die Diamantschicht mit ener giereichen Teilchen beschossen werden (z. B. Elektronen), um optisch aktive Gitterdefekte zu er zeugen.

In Fig. 5 sind geätzte Diamantschneidwerkzeuge in Seitenansicht dargestellt. Bei den beiden linken Schneidwerkzeugen wurde das Siliziumsubstratmaterial 1 nicht vollständig abgeätzt, so daß das Substrat 1 als mechanische Stabilisierung fungiert. Es ist jedoch möglich, das Siliziumsubstratmaterial 1 vollständig abzuätzen (Fig. 5, rechten beiden Schneidwerkzeuge). Auch kann eine weitere maskierende Schicht 6 aus z. B. Silizium anstelle des weggeätzten Substratmaterials 1 oder auf der dem Substratmaterial 1 abgewandten Seite der Diamantschicht 2 aufgebracht werden (Fig. 5, links). Bei dem Schneidwerkzeug ganz rechts wurden sowohl Substratmaterial als auch die weitere Schicht nach dem Strukturieren der Schneidkante wieder entfernt.

In Fig. 7 ist ein Skalpell mit Griff 9 mit einer Halterung 8 und einem in der Halterung 8 befestigten Schneidwerkzeug 7 dargestellt. Derartige Skalpelle 9 eignen sich beispielsweise für die Augenchirurgie (z. B. für Hornhautinzisionen und Fako-Vorderkammer öffnungen) oder andere chirurgische Eingriffe wie minimalinvasive oder plastische Chirurgie. Aufgrund der extremen Schärfe des erfindungsgemäßen Schneid werkzeuges 7 können mit dem Skalpell 9 äußerst glatte Schnittflächen realisiert werden. Die Materialien des Schneidwerkzeuges 7 sind mechanisch stabil, chemisch innert und biologisch verträglich.

In das Diamantschneidwerkzeug lassen sich außerdem beliebige aktive und/oder passive elektronische Kom ponenten oder Schaltungen integrieren. Zu diesem Zweck kann der Diamant auch mit elektrisch aktiven Störstellen dotiert werden. So lassen sich beispiels weise Sensoren zur Messung physikalischer und chemi scher Größen wie z. B. der Schneidwerkzeugtemperatur (Temperatursensor), der Kräfte auf die Schneidkante (piezoresistiver- oder elektrischer Sensor) oder elektrische bzw. chemische Potentiale (Diamantelek trode) in das Schneidwerkzeug integrieren. Weiterhin ist die Integration von Aktoren wie z. B. Heizelemen ten (Widerstandsheizelement oder Hochfrequenzheizel ement) möglich. Denkbar ist ebenfalls die Integration einer Struktur zur Abstrahlung elektromagnetischer oder Ultraschallwellen (z. B. Antenne) beispielsweise zur Positionsbestimmung des Schneidwerkzeuges.

In Fig. 6 ist ein Diamantschneidwerkzeug 7 mit vollständig abgeätztem Trägermaterial dargestellt, auf welchem ein Heizelement 11, ein Temperatursensor 10 sowie elektrische Verbindungen 12 angeordnet sind. Sowohl Heizelement 11 als auch Temperatursensor 10 lassen sich ebenfalls aus Diamant fertigen. Der Temperatursensor gewährleistet eine sehr hohe Temperaturstabilität und die Wärmeleitfähigkeit von Diamant garantiert eine äußerst gleichmäßige Temperaturverteilung.

Claims

1. Schneidwerkzeug mit einer eine Schneidkante (5) aufweisenden, synthetischen Diamantschicht (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidkante (5) ein durch Ätzen der Diamantschicht (2) erzeugtes strukturiertes Profil mit abnehmender Schichtdic ke besitzt.

2. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Diamantschicht (2) auf einem Substratmaterial (1) angeordnet ist.

3. Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamant schicht (2) texturiert ist.

4. Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamant schicht (2) eine <111<-, <100<- oder <110<-Textur aufweist.

5. Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamant schicht (2) eine Dicke von 1 bis 500 µm aufweist.

6. Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamant schicht (2) eine mittlere Oberflächenrauhigkeit von R_A < 5 µm aufweist.

7. Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneid kante (5) ein Stufenprofil aufweist.

8. Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sub stratmaterial (1) ausgewählt ist aus Silizium, Siliziumcarbid, Glas, refraktären Metallen, Sa phir, Magnesiumoxid und Germanium.

9. Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamant schicht (2) dotiert ist.

10. Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in das Skal pell ein elektronisches Bauelement integriert ist.

11. Schneidwerkzeug nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in das Skal pell ein Sensor (10) und/oder ein Aktor (11) in tegriert ist.

12. Verfahren zur Herstellung eines Schneidwerkzeuges mit einer synthetischen Diamantschicht (2), die eine Schneidkante (5) aufweist, welche ein Profil abnehmender Schichtdicke besitzt, enthaltend die Schritte:

a) Abscheiden der Diamantschicht (2) auf einem Substratmaterial (1);
b) Strukturieren der Schneidkante (5) durch mindestens einen Ätzschritt unter Verwendung einer Ätzmaske, welche getrennt von der Dia mantschicht (2) oder gleichzeitig mit der Diamantschicht (2) geätzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich net, daß der Winkel des Schneidkantenprofils über das Verhältnis der Ätzgeschwindigkeiten von Dia mantschicht (2) und Ätzmaske eingestellt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein texturiertes Ab scheiden der Diamantschicht (2) durchgeführt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, da durch gekennzeichnet, daß zum Strukturieren der Schneidkante (5) ein trockenchemischer Ätzschritt durchgeführt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, da durch gekennzeichnet, daß bei dem Ätzschritt re aktives Ionenätzen verwendet wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, da durch gekennzeichnet, daß die Ätzmaske und die Diamantschicht (2) in einem einzigen Ätzschritt geätzt werden.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, da durch gekennzeichnet, daß die Ätzmaske und die Diamantschicht (2) in zwei oder mehr Ätzschritten getrennt geätzt werden.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, da durch gekennzeichnet, daß während eines Ätz schrittes das Verhältnis der reaktiven Komponen ten geändert wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, da durch gekennzeichnet, daß die Diamantschicht (2) mechanisch, physikalisch oder chemisch nachbear beitet wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, da durch gekennzeichnet, daß vor dem Durchführen des mindestens einen Ätzschrittes zur Strukturierung der Schneidkante (5) eine Strukturierung des Sub stratmaterials (1) durchgeführt wird und das strukturierte Substratmaterial als Ätzmaske ver wendet wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 22, da durch gekennzeichnet, daß das Substratmaterial (1) vollständig entfernt wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 23, da durch gekennzeichnet, daß auf die Diamantschicht (2) eine oder mehrere weitere Schichten (6) auf gebracht werden.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeich net, daß die eine oder mehrere weiteren Schichten (6) strukturiert und als Ätzmaske verwendet wer den.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, da durch gekennzeichnet, daß die Ätzmaske naßche misch strukturiert wird.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 25, da durch gekennzeichnet, daß die Diamantschicht mit hochenergetischen Teilchen beschossen wird.