KR20170010839A - 화학적 증기 증착-개질된 다결정 다이아몬드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 화학적 증기 증착(CVD) 증착물을 구비하는 다결정 다이아몬드(PCD)와 이러한 CVD-개질된 PCD를 포함하는 PCD 소자 및 드릴 비트에 관한 것이다. 나아가, 본 발명은 이러한 재료를 형성하는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 특히 무기 재료를 통해 공정, 재료, 또는 조성물을 제조하는 연마 공구(abrasive tool), 및 또한 특히 다이아몬드 삽입물(diamond insert)을 통해 지표를 천공하거나 관통하는 것에 관한 것이다.
오일 추출 또는 채광을 위해 지표를 드릴링하는 동안 일반적으로 극한 온도와 극한 압력이 나타난다. 최고의 기계적인 특성을 갖는 다이아몬드는 지표를 드릴링하는데 사용되는 절삭 소자(cutting element) 또는 내마모성 접촉 소자에 적절히 사용될 때 가장 효과적인 재료일 수 있다. 다이아몬드는 매우 단단하고, 연마 표면과 접촉하는 지점으로부터 멀리 열을 전달하고, 이러한 조건에서 다른 이익을 제공할 수 있다.
다결정 형태의 다이아몬드는 다이아몬드 결정이 랜덤하게 분배된 것으로 인해 단결정 다이아몬드에 비해 향상된 인성(toughness)을 구비하여, 단결정 다이아몬드에서 발견되는 특정 벽개면(plane of cleavage)이 회피된다. 그리하여, PCD는 많은 드릴링 응용에서 빈번히 바람직한 다이아몬드 형태이다. PCD를 사용하는 드릴 비트(drill bit) 절삭 소자는 일반적으로 다결정 다이아몬드 커터(polycrystalline diamond cutter: PDC)라고 지칭된다. 따라서, PCD 절삭 소자를 포함하는 드릴 비트는 PDC 비트라고 지칭될 수 있다.
PCD 소자는 다이아몬드 및 다른 시작 재료의 작은 그레인(grain)이 초고압과 초고온 조건을 받는 것에 의해 프레스에서 제조될 수 있다. 하나의 PCD 제조 공정은 텅스텐 카바이드 기판과 같은 기판 상에 PCD 테이블(table)을 직접 형성하는 것을 수반한다. 이 공정은 기판을, 촉매와 혼합된 느슨한 다이아몬드 그레인과 함께, 용기(container) 또는 캔(can) 내에 배치하는 것을 수반한다. 이후 용기 또는 캔은 압력 전달 셀 내에 배치되고, 고온, 고압(high temperature, high pressure: HTHP) 프레스 사이클을 받는다. 고온과 고압 및 촉매에 의해 작은 다이아몬드 그레인은 기판에 밀접히 접합된 통합된 PCD 테이블로 형성된다. 그러나, 촉매의 특성이 드릴링과 같은 많은 응용에서 부정적인 효과를 미치기 때문에 PCD를 사용하기 전에 촉매를 제거하는 것이 유리하다. 따라서, PCD의 전부 또는 일부로부터 촉매 바인더를 제거하기 위해 PCD가 침출(leached)될 수 있다. 그러나, 침출하는 공정은, 특히 촉매가 기판-PCD 경계 부근에서 제거된 경우에는 기판을 손상시킬 가능성이 있다. 기판을 완전히 제거하는 침출 공정에 의해 PCD는 종종 새로운 기판 또는 드릴 비트에 부착하는 것이 곤란하게 된다.
본 실시예의 보다 완전한 이해 및 본 실시예의 장점은, 본 발명의 특정 실시예를 도시하는, 동일한 참조 부호가 유사한 부분을 나타내는, 첨부 도면을 참조하여 설명된 이하 상세한 설명을 참조하는 것에 의해 파악될 수 있다.
도 1a는 CVD 다이아몬드 증착물을 갖는 PCD 테이블의 정면도;
도 1b는 CVD 다이아몬드 증착물을 갖는 대안적인 PCD 테이블의 정면도;
도 1c는 CVD 다이아몬드 증착물을 갖는 대안적인 PCD 테이블의 정면도;
도 2a는 기판에 브레이징(brazed)된 CVD 다이아몬드 증착물을 갖는 PCD 테이블의 측단면도;
도 2b는 기판 안으로 들어간 CVD 다이아몬드 증착물을 갖는 PCD 테이블의 측단면도;
도 3은 CVD 다이아몬드 증착물을 포함하고 기판에 브레이징된 PCD 디스크를 갖는 PCD 소자를 포함하는 지표-천공 드릴 비트를 도시하는 도면;
도 4는 CVD 다이아몬드 증착물을 갖는 PCD 테이블을 형성하는 방법을 도시하는 도면;
도 5는 도 1a의 패턴을 갖는 마스크 조립체의 정면도; 및
도 6은 CVD 다이아몬드 증착물을 갖는 PCD 테이블을 커터에 부착하는 방법을 도시하는 도면.
도 1a는 CVD 다이아몬드 증착물을 갖는 PCD 테이블의 정면도;
도 1b는 CVD 다이아몬드 증착물을 갖는 대안적인 PCD 테이블의 정면도;
도 1c는 CVD 다이아몬드 증착물을 갖는 대안적인 PCD 테이블의 정면도;
도 2a는 기판에 브레이징(brazed)된 CVD 다이아몬드 증착물을 갖는 PCD 테이블의 측단면도;
도 2b는 기판 안으로 들어간 CVD 다이아몬드 증착물을 갖는 PCD 테이블의 측단면도;
도 3은 CVD 다이아몬드 증착물을 포함하고 기판에 브레이징된 PCD 디스크를 갖는 PCD 소자를 포함하는 지표-천공 드릴 비트를 도시하는 도면;
도 4는 CVD 다이아몬드 증착물을 갖는 PCD 테이블을 형성하는 방법을 도시하는 도면;
도 5는 도 1a의 패턴을 갖는 마스크 조립체의 정면도; 및
도 6은 CVD 다이아몬드 증착물을 갖는 PCD 테이블을 커터에 부착하는 방법을 도시하는 도면.
본 발명은, 추가적인 다이아몬드 증착물(이러한 증착물은 본 명세서에서 "CVD 다이아몬드"라고도 지칭됨)을 포함하도록 화학적 증기 증착(chemical vapor deposition: CVD)에 의해 개질된 다결정 다이아몬드(polycrystalline diamond: PCD), 특히 열적으로 안정된 다결정 다이아몬드(thermally stable polycrystalline diamond: TSP)에 관한 것이다. 나아가, 본 발명은 이러한 CVD로-개질된 PCD를 포함하는 지표-천공 드릴 비트에서 커터 또는 침식 제어 소자(erosion control element)와 같은 PCD 소자에 관한 것이다. 나아가, 본 발명은 이러한 PCD 소자를 포함하는 지표-천공 드릴 비트 또는 다른 다운홀 공구(downhole tool)에 관한 것이다. 나아가, 본 발명은 PCD 상에 CVD를 사용하여 형성된 추가적인 다이아몬드 증착물을 배치하는 방법 및 이러한 PCD를 기판에 부착하는 방법에 관한 것이다.
PCD를 보다 열적으로 안정되게 하기 위해, PCD의 형성에 사용되는 금속 촉매(예를 들어, VIII 족 금속, 예를 들어, 코발트, 철 또는 니켈, 또는 다른 촉매 금속, 예를 들어, 구리를 포함하는 실질적으로 순수 금속 또는 합금과 같은 재료)는 PCD의 전부 또는 일부로부터 침출될 수 있다. PCD의 전부 또는 실질적으로 전부가 침출된 경우, 이 PCD는 TSP라고 지칭될 수 있다. TSP는 일부 잔류 촉매를 포함할 수 있으나, 일부 실시예에서 PCD 내에 원래 있던 금속 촉매의 적어도 70%가 제거되어 TSP가 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, PCD 내에 원래 있던 금속 촉매의 적어도 85%, 적어도 90%, 적어도 95% 또는 적어도 99%가 제거될 수 있다. 또 다른 실시예에서, TSP는 대기 압력에서 적어도 750℃ 또는 심지어 900℃의 온도에서 열적으로 안정적이다. 더 다른 실시예에서, TSP는 대표적인 금속 촉매보다 다이아몬드의 것에 더 가까운 열팽창 계수를 갖는 비-금속 촉매와 같은 적어도 일부 비-금속 촉매를 사용하여 형성된다. 이 비-금속 촉매는 TSP에 남아 있을 수 있다. 비-금속 촉매는 알칼리 및 알칼리 토류 탄산염(carbonate), 예를 들어, Li2CO3, Na2CO3, MgCO3, SrCO3, CaCO3, K2CO3; 알칼리 및 알칼리 토류 황산염(sulfate), 예를 들어, Na2SO4, MgSO4 및 CaSO4, 및 알칼리 또는 알칼리 토류 수화물(hydrate), 예를 들어, Mg(OH)2, Ca(OH)2를 포함한다.
그러나, TSP는, 기판 또는 지표-천공 드릴 비트의 비트 몸체와 같은 다른 재료에 부착하는 것이 종종 곤란하다. 실시예에서, 불량한 습윤(wetting)은 전통적인 브레이징 공정(brazing process)을 사용하여 부착하는 것과 간섭할 수 있다.
도 1에 도시된 일 실시예에 따라, PCD 테이블(100)은 PCD(110)와 CVD 다이아몬드(120)를 모두 포함하는 것으로 형성될 수 있다. PCD 테이블(100)은 전체적으로 또는 부분적으로 TSP일 수 있다.
일 실시예에서, CVD 다이아몬드(120)는 실질적으로 순수 다이아몬드이다. 다른 실시예에서, CVD 다이아몬드(120)는 브레이징 재료에 부착되는 것을 용이하게 하기 위해 도펀트(dopant) 재료로 도핑된다. 실시예에서, 이 CVD 다이아몬드는 브레이징 재료 또는 금속 또는 합금으로 도핑될 수 있다.
일 실시예에서, CVD 다이아몬드는 브레이징 재료에 부착되는 것을 용이하게 하기 위해 특정 결정 배향을 구비한다. 예를 들어, 이 CVD 다이아몬드는 [100] > [111] > [110] 배향일 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서, CVD 다이아몬드는 PCD의 부착 표면의 일부분(작업 표면이 아니라; 기판 또는 디바이스, 예를 들어, 드릴 비트에 종국적으로 부착되는 총 표면)만을 커버한다. 보다 특정 실시예에서, 이 CVD 다이아몬드는 부착 표면의 10% 이하, 부착 표면의 25% 이하, 부착 표면의 50% 이하, 또는 부착 표면의 75% 이하를 커버할 수 있다.
도 1a에 도시된 실시예에서, CVD 다이아몬드(120)는 균일한 사이즈와 형상의 증착물로 불규칙적인 패턴으로 증착된다. 도 1b에 도시된 실시예에서, CVD 다이아몬드(120)는 불균일한 사이즈와 형상의 증착물로 불규칙적인 패턴으로 증착된다. 도 1c에 도시된 실시예에서, CVD 다이아몬드(120)는 균일한 사이즈와 형상의 증착물로 규칙적인 패턴으로 증착된다. 도시되지 않았으나, 규칙적인 패턴과 불규칙적인 패턴, 균일한 사이즈와 불균일한 사이즈, 및 균일한 형상과 불균일한 형상의 모든 조합이 CVD 다이아몬드에 가능하다. 규칙적인 사이즈, 형상, 및 패턴은 형성하기 더 곤란할 수 있으나, 특정 방향으로의 힘에 저항하는 것과 같은 이익을 전달할 수 있고, 또한 (브레이징 동작을 사용하는 실시예에서) 후속 부착 공정 동안 잔류 응력을 관리하는 것을 도와줄 수 있다. 사용시, PCD는 특정 방향으로의 힘에 저항하는 능력을 이용하도록 배향될 수 있다. 실시예에서, 180도 대칭을 가지는 규칙적인 CVD 다이아몬드 패턴을 갖는 PCD를 포함하는 커터는 패턴이 사용 동안 작업 표면에 인가되는 힘에 저항하도록 비트에 배향될 수 있다. 이러한 커터는 작업 표면이 마모되기 시작할 때 180도 회전될 수 있다.
CVD 다이아몬드(120)는 마이크론 크기로부터 밀리미터 크기 또는 심지어 센티미터 크기로 변하는 크기를 부착 표면의 평면에 가지는 형상으로 증착될 수 있다.
CVD 다이아몬드(120)는 PCD(110) 상에 수 백 개 또는 수 천 개만큼 많은 개수의 이산 증착물로 증착되거나, 또는 PCD(110) 상에 3개, 5개, 10개, 또는 20개만큼 적은 개수의 이산 증착물로 증착될 수 있다.
CVD 다이아몬드(120)는, 도 2a에 대하여 더 설명된 바와 같이 PCD 테이블(100)을 기판 또는 드릴 비트와 같은 다른 물체에 부착하는데 사용되는 임의의 브레이징 재료의 최적의 두께보다 더 작은 두께 또는 높이를 PCD(110) 상에 가질 수 있다. 다른 실시예에서, CVD 다이아몬드(120)는, 도 2b에 대하여 설명된 바와 같이 임의의 브레이징 재료의 두께를 초과하는 두께를 구비할 수 있고 기판 또는 비트의 오목부에 장착될 수 있다. 특정 실시예에서, CVD 다이아몬드(120)는 1천 인치 내지 1만 인치의 두께 또는 높이를 PCD(110) 상에 구비한다.
일반적으로, CVD 다이아몬드(120)는 브레이징을 위해 PCD 테이블(100)의 총 다이아몬드 표면 영역을 개선시키도록 설계된 방식으로 구성되고 증착될 수 있다. 이 CVD 다이아몬드는 또한 PCD 테이블(100)과 브레이징 재료 사이에 기계적인 맞물림(interlock)을 개선시키기 위해 설계된 방식으로 증착될 수 있다.
도 2를 참조하면, PCD 소자(200)는 기판(210)에 부착된 브레이징 재료(220)에 부착된 PCD 테이블(100)을 포함한다. 일 실시예에 따라, 기판(210)은 텅스텐 카바이드와 같은 카바이드를 포함한다. 도 2에 도시된 실시예에 따라, PCD 소자(200)는 지표-천공 드릴 비트를 위한 커터이다. 미도시된 다른 실시예에서, PCD 테이블(100)은 드릴 비트 또는 다른 물체에 직접 브레이징될 수 있다. 예를 들어, PCD 테이블(100)은 침식-저항 소자(erosion-resistance element) 또는 절삭 깊이 제어 소자일 수 있다.
브레이징 재료(220)는 활성 브레이징 재료만, 비-활성 브레이징 재료만, 또는 활성 브레이징 재료와 비-활성 브레이징 재료의 조합을 포함할 수 있다. 브레이징 재료(220)는 PCD 테이블(100)과 기판(210) 사이에 브레이징 조인트를 형성할 수 있는 임의의 재료로 구성될 수 있다.
활성 브레이징 재료는 탄소의 존재 하에서 카바이드를 용이하게 형성하는 재료를 포함한다. 이러한 브레이징 재료는, PCD(110)와 가능하게는 또한 CVD 다이아몬드(120) 내 다이아몬드의 낮은 습윤성을 극복하고, 비-활성 브레이징 재료에 비해 브레이징 재료를 PCD 테이블(100)에 접합하는 것을 용이하게 하는 개선된 능력을 나타낼 수 있다.
활성 브레이징 재료의 성분은 PCD(110) 또는 CVD 다이아몬드(120)의 부착 표면 상의 탄소와 반응하여, 비-활성 브레이징 재료 또는 보다 일반적인 브레이징 재료와 같은 상이한 브레이징 재료와 브레이징될 수 있는 카바이드 층을 형성할 수 있다. 활성 브레이징 재료는 티타늄, 지르코늄, 바나듐, 크로뮴, 및 망간과 같은 원소의 합금을 포함할 수 있다. 보다 일반적인, 비-활성 브레이징 재료는 은(silver), 구리, 니켈, 금, 아연, 코발트, 철, 또는 팔라듐과 같은 원소를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 비-활성 브레이징 재료는 니켈, 구리, 또는 은과 합금된, 망간, 알루미늄, 인, 실리콘, 또는 아연을 포함한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, CVD 다이아몬드(120)는 브레이징 재료(220)의 두께보다 작은 높이를 구비할 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, CVD 다이아몬드는 브레이징 재료(220)의 두께를 초과하는 높이를 구비할 수 있고, 기판(210)의 대응하는 오목부에 장착될 수 있다. 나아가, 이 실시예는 PCD 테이블(100)과 기판(210) 사이에 추가적인 기계적인 맞물림을 제공한다.
도 3에 도시된 바와 같이, PCD 테이블(100)은 커터 형태로 PCD 소자(330)를 포함하는 고정된 커터 드릴 비트(300)와 같은 지표-천공 드릴 비트에 부착될 수 있다. 고정된 커터 드릴 비트(300)는 비트 몸체(310)를 포함하고, 이 비트 몸체로부터 복수의 블레이드(320)가 연장된다. 비트 몸체(310)는 강철, 강철 합금, 매트릭스 재료 또는 다른 적절한 비트 몸체 재료로 형성될 수 있다. 비트 몸체(310)는 원하는 마모, 침식, 및 다른 특성, 예를 들어, 원하는 강도, 인성, 및 기계가공성을 구비하도록 형성될 수 있다. PCD 소자는 비트 상에 커터로 장착되거나, 또는 커터와는 다른 소자, 예를 들어, 침식 저항 소자 또는 절삭 깊이 제어 소자(미도시)로 장착될 수 있다.
블레이드(320)는 커터(330)를 포함할 수 있다. 비트(300)는 CVD 다이아몬드를 사용하여 형성된 다수의 커터(330)를 가지게 도시되어 있으나, 1개만큼 적은 개수의 커터는 CVD 다이아몬드를 포함할 수 있다. 특정 실시예에서, 블레이드(320) 상의 대응하는 위치에 커터(330) 세트는 CVD 다이아몬드를 각각 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 모든 게이지 커터는 CVD 다이아몬드를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 모든 비-게이지 커터는 CVD 다이아몬드를 포함할 수 있다. 더 다른 실시예에서, 모든 커터(330)는 CVD 다이아몬드를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, CVD 다이아몬드를 포함하는 커터는 CVD 다이아몬드를 포함하는 커터에 의해 더 잘 견디는 힘 또는 응력, 예를 들어, 전단 응력(shear stress)이 다른 커터 위치에서보다 더 높은 위치에 있는 것으로 인해 선택될 수 있다. 유사하게, PCD로 형성된 침식 저항 소자, 절삭 깊이 제어 소자, 또는 다른 비트 부품들이 위치에 기초하여 힘과 응력을 더 잘 견디기 위하여 CVD 다이아몬드를 포함하도록 선택될 수 있다.
도 3에 도시된 실시예에서, 고정된 커터 드릴 비트(300)는 5개의 블레이드(320)를 구비한다. 일부 응용에서 본 발명의 교시를 포함하는 고정된 커터 드릴 비트 상에 배치된 블레이드의 개수는 4개 내지 8개의 블레이드 또는 그 이상의 개수의 블레이드로 변할 수 있다. 각 정크 슬롯(junk slot)(340)은 인접한 블레이드(320)들 사이에 위치될 수 있다. 블레이드(320)와 정크 슬롯(340)의 개수, 사이즈 및 구성은, 웰보어(wellbore)의 바텀으로부터 연관된 웰 표면(well surface)으로, 드릴링 유체, 형성부 절삭 및 다운홀 파편의 흐름을 최적화하도록 선택될 수 있다.
연관된 드릴 스트링(미도시)이 회전하는 것에 응답하여 비트 몸체(310)가 웰보어의 바텀(미도시)에 대하여 회전될 때 드릴 비트(300)와 연관된 드릴링 액션이 일어날 수 있다. 연관된 블레이드(330) 상에 배치된 적어도 일부 커터(330)는 드릴링 동안 다운홀 형성부(미도시)의 인접한 부분과 접촉할 수 있다. 연관된 웰보어의 내부 직경은 일반적으로 블레이드(330)의 각 게이지 부분(350)에 의해 적어도 부분적으로 결정된 결합된 외부 직경 또는 게이지 직경에 의해 한정될 수 있다. 커터(330)는 PCD가 이 형성부와 접촉하도록 배향된다. CVD 다이아몬드(120)가 특정 패턴으로 증착된 도 1c에 도시된 것과 같은 실시예에서, PCD 소자는 패턴이 드릴링 동안 응력이나 힘에 저항하는 것을 도와주도록 배향될 수 있다. 패턴이 대칭인 경우, PCD 소자는 적어도 일측이 마모된 경우 회전될 수 있다.
나아가, 본 발명은 도 4에 도시된 CVD 다이아몬드 증착물을 갖는 PCD 테이블을 형성하는 방법(400)에 관한 것이다. 단계(410)에서, 도 5에 도시된 바와 같이 PCD(110)(미도시) 상에 마스크(510)가 배치된다. 마스크(510)는 다른 영역을 증착하는 동안 CVD 다이아몬드 증착물로부터 PCD(110)의 영역을 보호하는 패턴을 구비한다. 단계(420)에서, 마스크된 PCD 조립체(500)에서 도 5에 도시된 바와 같이 CVD 다이아몬드(120)가 증착되도록 CVD 공정이 수행된다. CVD 공정은 다이아몬드를 증착할 수 있는 것으로 알려진 임의의 공정일 수 있다.
일 실시예에서, CVD 공정은 가스로부터 다이아몬드를 증착시키기에 충분한 에너지 소스의 존재 하에서 탄화수소 가스가 존재하는 곳에 PCD(110)와 마스크(510)를 배치하는 것에 의해 수행된다.
일부 실시예에서, 가스는 수소 가스를 포함하고, 이는 CVD 공정 동안 비-다이아몬드 탄소를 제거한다. 일 특정 실시예에서, 탄화수소 가스 대 수소 가스의 비율은 1:50 이하, 1:99 이하, 또는 1:200 이하이다. 일부 실시예에서, 탄화수소 가스는 본질적으로 메탄으로 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, CVD 공정은 30 kPa 이하 또는 100 kPa 이하의 압력에서 수행된다.
일부 실시예에서, 에너지 소스는 마이크로파 전력, 열원, 예를 들어, 고온 필라멘트, 아크 방전, 용접 토치, 레이저, 또는 전자빔일 수 있다. 일부 실시예에서, CVD 공정은 300℃ 내지 1000℃, 보다 특히 300℃ 내지 700℃의 온도에서 수행된다.
일부 실시예에서, 마스크(510)가 배치된 PCD(110)의 부착 표면은 CVD 공정 이전에 CVD를 위해 클리닝되거나 또는 다른 방식으로 준비된다. 이 클리닝 또는 다른 준비는 마스크(510)의 배치 전에 또는 배치 후에 일어날 수 있다.
PCD(110)의 부착 표면의 준비를 포함하는 CVD 공정의 파라미터, 즉 사용되는 가스, 가스의 혼합물, 압력, 에너지 소스, 및 이 에너지 소스의 파라미터가 CVD 다이아몬드(120)의 특정 결정 배향을 포함하도록 제어될 수 있다.
일부 실시예에서, CVD 공정은 CVD 챔버에서 일어날 수 있다. 이 챔버가 실리콘 또는 붕소를 포함하는 경우, 이들 원소가 CVD 다이아몬드(120)에 혼입될 수 있다.
마스크(510)는 포토리소그래피에 사용하기에 적절한 임의의 재료로 형성될 수 있다. 그러나, 금속 또는 합금, 실리콘 이산화물, 또는 붕소-기반 재료와 같은 포토리소그래피 마스크에 사용되는 일부 재료는, 실리콘, 붕소, 또는 다른 원소를 CVD 다이아몬드(120)에 혼입시킬 수 있다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면, CVD 다이아몬드(120)에 다른 원소를 혼입하는 것이 바람직한지 여부 또는 회피될 수 있는지 여부에 기초하여 그리고 재료가 선택된 CVD 공정의 온도와 에너지 소스를 견딜 수 있는지 여부에 기초하여 적절한 마스크 재료를 선택할 수 있다. 일반적으로, CVD 다이아몬드(120)는 포토리소그래피의 에지 효과 또는 다른 작은-크기에 기반한 문제가 우려될 수 있을 만큼 작은 증착물로는 증착되지 않는다.
일 실시예에서, 마스크(510)는, 전술한 바와 같은 브레이징을 제공하거나 또는 다른 특성을 부여하기 위해 구체적으로 재료가 CVD 다이아몬드(120)에서 도펀트가 되도록 특정 재료로 형성될 수 있다. CVD 다이아몬드(120)는 또한 CVD 공정 동안 B2H6, SiH4, 또는 TiCl4와 같은 가스 형태의 도펀트를 공급하는 것과 같은 전통적인 방법을 사용하여 도핑될 수 있다.
단계(430)에서, 마스크(510)는 마스크 조립체(500)로부터 제거된다. 이것은 기계적인 제거를 통해 달성되거나, 또는 마스크(510)를 화학적으로 열화시키는 것에 의해 달성될 수 있다. 실시예에서, 전체 마스크 조립체(500)는 마스크가 용해될 때까지 마스크(510)를 용해할 수 있는 화학물질 내에 간단히 배치될 수 있다. 기계적인 제거는 마스크(510)를 재사용할 수 있기 때문에 마스크(510), PCD(110), 또는 CVD 다이아몬드(120)에 허용가능하지 않은 손상 레벨을 야기함이 없이 달성될 수 있는 경우 바람직할 수 있다.
도 6은 PCD 테이블을 브레이징 재료와 기판에 부착하여 커터와 같은 PCD 소자를 형성하는 방법(600)을 도시한다. 먼저, 단계(610)에서, 브레이징 재료는 PCD 테이블과 기판 사이에 배치된다. 브레이징 재료는 임의의 형태로 제공될 수 있으나, 특히 실시예에서 이 브레이징 재료는 박막 호일 또는 와이어 또는 페이스트 형태일 수 있다.
다음으로, 단계(620)에서, 브레이징 재료는 PCD 테이블과 기판에 모두 부착하기 위해 브레이징 온도로 가열된다. 실시예에서, 브레이징 온도는 제어된 대기 하에서 TSP의 흑연화점(graphitization point)인 1,100℃-1,200℃ 미만일 수 있다. PCD 테이블이 TSP가 아닌 일부 PCD를 포함하는 경우, 브레이징 온도는 더 낮아질 수 있다. 브레이징 공정은 또한 일반적으로 브레이징 재료가 충분히 용융되는 온도에서 일어나고, 활성 브레이징 재료의 경우에, PCD 테이블의 표면의 탄소와 반응이 일어날 수 있는 온도에서 일어난다.
일단 형성되면, PCD 소자는 이후 기판을 통해 드릴 비트에 부착될 수 있다. 습윤성과 같은 재료 특성이 상이한 것으로 인해, 기판은 일반적으로 특정 방법을 사용할 때 다이아몬드보다 다른 표면에 더 용이하게 접합된다. 실시예에서, PCD 소자는 솔더링 또는 브레이징을 통해 기판에서 드릴 비트에 부착될 수 있는 반면, 기판 없는 PCD는 드릴링 조건을 견딜 만큼 충분한 강도로 드릴 비트에 용이하게 접합되지 않을 수 있다. 솔더링과 브레이징은 상대적으로 낮은 온도에서 수행되어 PCD 소자 부분이 안정된 상태에 남아 있어서, 비트에 결합하는 공정에 의해 PCD 부분이 악영향을 받지 않는다. 대안적으로, 전술한 바와 같이 PCT 테이블은, 솔더링 또는 브레이징을 통한 실시예에서, 개재 기판 없이 드릴 비트에 직접 부착될 수 있다.
일 특정 실시예에서, 본 발명은, 기판, PCD 테이블 부착 표면을 갖는 PCD 테이블, 마스크에 의해 결정된 패턴으로 부착 표면 상에 CVD를 사용하여 증착된 화학적 증기 증착(CVD) 다이아몬드, 및 PCD 테이블 부착 표면과 기판의 기판 부착 표면에 부착된 브레이징 재료를 포함하는 다결정 다이아몬드(PCD) 디바이스를 제공한다. CVD 다이아몬드는 미리-선택된 결정 배향을 구비할 수 있다. CVD 다이아몬드는 도핑될 수 있다. PCD 테이블은 열적으로 안정된 다결정 다이아몬드(TSP)를 포함할 수 있다. 브레이징 재료는 활성 브레이징 재료를 포함할 수 있다. 브레이징 재료는 비-활성 브레이징 재료를 포함할 수 있다.
다른 특정 실시예에서, 본 발명은 비트 몸체 및 다결정 다이아몬드(PCD) 디바이스를 포함하는 드릴 비트를 제공한다. 다결정 다이아몬드(PCD) 디바이스는 기판, PCD 테이블 부착 표면을 갖는 PCD 테이블, 마스크에 의해 결정된 패턴으로 부착 표면 상에 CVD를 사용하여 증착된 화학적 증기 증착(CVD) 다이아몬드, 및 PCD 테이블 부착 표면과 기판의 기판 부착 표면에 부착된 브레이징 재료를 포함한다. CVD 다이아몬드는 미리-선택된 결정 배향을 구비할 수 있다. CVD 다이아몬드는 도핑될 수 있다. PCD 테이블은 열적으로 안정된 다결정 다이아몬드(TSP)를 포함할 수 있다. 브레이징 재료는 활성 브레이징 재료를 포함할 수 있다. 브레이징 재료는 비-활성 브레이징 재료를 포함할 수 있다.
또 다른 특정 실시예에서, 본 발명은, PCD 부착 표면 또는 PCD 상에 패턴을 구비하는 마스크를 배치하는 단계, 및 화학적 증기 증착(CVD) 공정을 수행하여 상기 마스크에 의해 결정된 패턴으로 상기 PCD 상에 CVD 다이아몬드를 증착하여 상기 PCD 부착 표면 상에 CVD 다이아몬드를 구비하는 PCD 테이블을 포함하는 PCD 조립체를 형성하는 단계에 의해 다결정 다이아몬드(PCD) 디바이스를 형성하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 상기 PCD 조립체로부터 상기 마스크를 제거하여 상기 PCD 테이블을 남기는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 PCD 부착 표면과 기판의 기판 부착 표면 사이에 브레이징 재료를 배치하는 단계, 및 상기 브레이징 재료를 상기 PCD 부착 표면과 상기 기판 부착 표면에 부착하여 PCD 소자를 형성하기에 충분한 온도로 상기 브레이징 재료를 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 CVD 공정은 수소와 탄화수소 가스가 존재하는 챔버 내에 PCD와 마스크를 배치하는 단계, 및 상기 PCD 상에 다이아몬드를 증착하기에 충분한 에너지 소스를 공급하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 CVD 공정은 300℃ 내지 1000℃의 온도에서 일어날 수 있다. 상기 CVD 공정은 도펀트 소스를 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 브레이징 재료는 활성 브레이징 재료를 포함할 수 있고, 가열하는 단계는 활성 브레이징 재료가 PCD 부착 표면 상의 탄소와 반응하기에 충분한 온도로 가열하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 PCD 테이블을 드릴 비트에 직접 또는 기판을 통해 부착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 단지 예시적인 실시예만이 구체적으로 전술되었으나, 이들 실시예의 변형과 변경은 본 발명의 사상과 의도된 범위를 벗어남이 없이 가능한 것으로 이해된다. 예를 들어, 다른 산업적 디바이스 상에 PCD 소자를 적절히 배치하고 배향시키는 것은 드릴 비트 실시예를 참조하여 결정될 수 있다. 추가적으로, 도면에 도시된 PCD, PCD 테이블, 및 PCD 소자는 플래너 디스크 형태이지만, 비-플래너 표면 및 다른 형상도 사용될 수 있다. 나아가, 브레이징은 PCD 테이블을 기판 또는 비트에 부착하는 예시적인 방법으로 설명되었으나, 솔더링 또는 용접과 같은 다른 방법도 사용될 수 있다.
Claims (20)
- 다결정 다이아몬드(polycrystalline diamond: PCD) 디바이스로서,
기판;
PCD 테이블 부착 표면을 갖는 PCD 테이블;
마스크에 의해 결정된 패턴으로 상기 부착 표면 상에 CVD(chemical vapor deposition)를 사용하여 증착된 화학적 증기 증착(CVD) 다이아몬드; 및
상기 PCD 테이블 부착 표면과 상기 기판의 기판 부착 표면에 부착된 브레이징 재료를 포함하는, PCD 디바이스. - 제1항에 있어서, 상기 CVD 다이아몬드는 미리-선택된 결정 배향을 구비하는, PCD 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 CVD 다이아몬드는 도핑된, PCD 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 PCD 테이블은 열적으로 안정된 다결정 다이아몬드(thermally stable polycrystalline diamond: TSP)를 포함하는, PCD 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 브레이징 재료는 활성 브레이징 재료를 포함하는, PCD 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 브레이징 재료는 비-활성 브레이징 재료를 포함하는, PCD 디바이스.
- 드릴 비트(drill bit)로서,
비트 몸체; 및
다결정 다이아몬드(PCD) 디바이스를 포함하되, 상기 PCD 디바이스는,
기판;
PCD 테이블 부착 표면을 갖는 PCD 테이블;
마스크에 의해 결정된 패턴으로 상기 부착 표면 상에 CVD를 사용하여 증착된 화학적 증기 증착(CVD) 다이아몬드; 및
상기 PCD 테이블 부착 표면과 상기 기판의 기판 부착 표면에 부착된 브레이징 재료를 포함하는, 드릴 비트. - 제7항에 있어서, 상기 CVD 다이아몬드는 미리-선택된 결정 배향을 구비하는, 드릴 비트.
- 제7항에 있어서, 상기 CVD 다이아몬드는 도핑된, 드릴 비트.
- 제7항에 있어서, 상기 PCD 테이블은 열적으로 안정된 다결정 다이아몬드(TSP)를 포함하는, 드릴 비트.
- 제7항에 있어서, 상기 브레이징 재료는 활성 브레이징 재료를 포함하는, 드릴 비트.
- 제7항에 있어서, 상기 브레이징 재료는 비-활성 브레이징 재료를 포함하는, 드릴 비트.
- 다결정 다이아몬드(PCD) 디바이스를 형성하는 방법으로서,
PCD 부착 표면 또는 PCD 상에 패턴을 구비하는 마스크를 배치하는 단계; 및
화학적 증기 증착(CVD) 공정을 수행하여 상기 마스크에 의해 결정된 패턴으로 상기 PCD 상에 CVD 다이아몬드를 증착하여 상기 PCD 부착 표면 상에 CVD 다이아몬드를 구비하는 PCD 테이블을 포함하는 PCD 조립체를 형성하는 단계를 포함하는, PCD 디바이스를 형성하는 방법. - 제13항에 있어서, 상기 PCD 조립체로부터 상기 마스크를 제거하여 상기 PCD 테이블을 남기는 단계를 더 포함하는, PCD 디바이스를 형성하는 방법.
- 제14항에 있어서,
상기 PCD 부착 표면과 기판의 기판 부착 표면 사이에 브레이징 재료를 배치하는 단계; 및
상기 브레이징 재료를 상기 PCD 부착 표면과 상기 기판 부착 표면에 부착하여 PCD 소자를 형성하기에 충분한 온도로 상기 브레이징 재료를 가열하는 단계를 더 포함하는, PCD 디바이스를 형성하는 방법. - 제13항에 있어서, 상기 CVD 공정은,
수소와 탄화수소 가스가 존재하는 챔버 내에 상기 PCD와 마스크를 배치하는 단계; 및
상기 PCD 상에 다이아몬드를 증착시키기에 충분한 에너지 소스를 공급하는 단계를 포함하는, PCD 디바이스를 형성하는 방법. - 제13항에 있어서, 상기 CVD 공정은 300℃ 내지 1000℃의 온도에서 일어나는, PCD 디바이스를 형성하는 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 CVD 공정은 도펀트 소스를 공급하는 단계를 더 포함하는, PCD 디바이스를 형성하는 방법.
- 제15항에 있어서, 상기 브레이징 재료는 활성 브레이징 재료를 포함하고, 가열하는 단계는 상기 활성 브레이징 재료가 PCD 부착 표면 상의 탄소와 반응하기에 충분한 온도로 가열하는 단계를 포함하는, PCD 디바이스를 형성하는 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 PCD 테이블을 드릴 비트에 직접 또는 기판을 통해 부착하는 단계를 더 포함하는, PCD 디바이스를 형성하는 방법.
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