RU2118997C1

RU2118997C1 - Method of manufacturing polycrystalline diamond layers

Info

Publication number: RU2118997C1
Application number: RU97101049A
Authority: RU
Inventors: А.И. Давыдов; О.Б. Дреннов; А.Л. Михайлов
Priority date: 1997-01-24
Filing date: 1997-01-24
Publication date: 1998-09-20

Abstract

FIELD: artificial diamonds technology. SUBSTANCE: graphite-containing substance and heat-conducting material layers are assembled into packet in which graphite-containing layer is in contact with heat- conducting layers on its both sides. Packet is placed into ampoule, cooled to temperature from 189 to 160 C, and then affected by detonation pressure from 40 to 50 GPa for 2-4 mcs. Product is appropriate for use in electronic engineering, precision mechanics, and microfabrication technology. EFFECT: simplified process and reduced production cost. 2 cl

Description

Изобретение относится к изготовлению промышленных алмазов, а точнее к способам изготовления поликристаллических алмазных слоев для электронной промышленности, точной механики, микротехнологии. The invention relates to the manufacture of industrial diamonds, and more specifically to methods for manufacturing polycrystalline diamond layers for the electronics industry, precision mechanics, microtechnology.

Известен способ получения поликристаллических алмазных слоев формованных тел (пат. ГДР (DD) N 279825 B 01 Y 3/06, опубл. 06.20.90). По этому способу получение алмазных материалов осуществляют в аппаратуре, в которой проходит каталитически управляемое прямое превращение графита и графитсодержащих веществ в поликристаллический алмаз, который применяют в высокопроизводительных инструментах для обработки цветных металлов или древесины. Для достижения высокой степени срастания алмазных частиц, возможности спекания частиц с носителем и возможности управления физико-механическими свойствами поликристаллических алмазных слоев и тел, сверхтонкие слои или пленки на графите или графитсодержащих веществах и каталитические связующие материалы расположены так, чтобы достигалось возможно более полное проникновение графитной пленки и расплавленных каталитических связующих материалов. Путем варьирования толщины слоев и размещения пленок различного типа придают заданные физические свойства. A known method of producing polycrystalline diamond layers of molded bodies (US Pat. GDR (DD) N 279825 B 01 Y 3/06, publ. 06.20.90). According to this method, the production of diamond materials is carried out in apparatus in which the catalytically controlled direct conversion of graphite and graphite-containing substances into polycrystalline diamond, which is used in high-performance tools for processing non-ferrous metals or wood, takes place. To achieve a high degree of coalescence of diamond particles, the possibility of sintering particles with a carrier and the ability to control the physicomechanical properties of polycrystalline diamond layers and bodies, ultrathin layers or films on graphite or graphite-containing substances and catalytic binders are arranged so that the fullest possible penetration of the graphite film is achieved and molten catalytic binders. By varying the thickness of the layers and the placement of films of various types give the desired physical properties.

Недостатком этого способа является трудоемкость процесса получения и включение примесей в пленку. The disadvantage of this method is the complexity of the production process and the inclusion of impurities in the film.

Известен способ изготовления поликристаллических алмазных слоев (пат. RU N 2041164 от 15.05.95, C 01 B 31/06, опубл. бюл. N 22, 09.09.95), включающий сжигание в пламени газообразного углеродосодержащего вещества с осаждением углерода на нагретую подложку. Подложку располагают в охлаждаемой камере детонационного горения высокоскоростной горелочной системы или детонационной пушки, вводят из газосмесительной камеры защитную газовую атмосферу, нагревают до температуры воспламенения углеродсодержащей детонационной газовой смеси и в дальнейшем поддерживают эту температуру, затем защитную газовую атмосферу, открытием впускных клапанов между газосмесительной и детонационной камерами, заменяют на углеродсодержащую детонационную смесь, в которую можно добавить тонкоизмельченный порошок графита, содержащий один или несколько газообразных углеводородов и кислород. Смесь воспламеняется на предварительно нагретой подложке, причем смесь сгорает взрывообразно. На поверхности подложки при этом происходит отложение углерода в виде графита, который, вследствие высокой температуры и детонационного давления, превращается в алмазные кристаллы. Благодаря открыванию и закрыванию газовых клапанов прерывистым образом в камере детонационного горения возникает прерывистое детонационное пламя с частотой, равной четырем детонациям в секунду, что обеспечивает более высокое детонационное давление в камере горения. На число образующихся при этом алмазных кристаллов, а также их размер и плотность оказывает влияние продолжительность процесса, что влияет также и на толщину слоя. Для образования алмазного слоя на больших поверхностях подложек выгодно вести работу в заполненной защитным газом камере, в которой подложку предварительно нагревают, например, индуктивным способом или же при помощи электрического сопротивления до соответствующей температуры процесса, равной 450-1200^oC. В камере с защитным газом находится или высокоскоростная горелочная система, или детонационная пушка, работающая со смесью, состоящей из углеводорода и кислорода. Посредством детонационной пушки можно создавать прерывистое детонационное пламя в противоположность непрерывно горящему скоростному пламени, в случае использования высокоскоростной горелки. В обоих случаях в качестве рабочих газов применяют ацетилен, пропановый газ, а также кислород.A known method of manufacturing polycrystalline diamond layers (US Pat. RU N 2041164 from 05.15.95, C 01 B 31/06, publ. Bull. N 22, 09.09.95), comprising burning a gaseous carbon-containing substance in a flame with the deposition of carbon on a heated substrate. The substrate is placed in a cooled detonation combustion chamber of a high-speed burner system or detonation gun, a protective gas atmosphere is introduced from the gas mixing chamber, heated to the ignition temperature of the carbon-containing detonation gas mixture, and then this temperature is maintained, then the protective gas atmosphere, by opening the inlet valves between the gas mixing and detonation chambers replace with a carbon-containing detonation mixture to which finely ground powder can be added Graphite containing one or more gaseous hydrocarbons and oxygen. The mixture ignites on a preheated substrate, and the mixture burns explosively. In this case, carbon deposition in the form of graphite occurs on the surface of the substrate, which, due to high temperature and detonation pressure, turns into diamond crystals. Due to the opening and closing of gas valves in an intermittent manner, an intermittent detonation flame arises in the detonation combustion chamber with a frequency of four detonations per second, which provides a higher detonation pressure in the combustion chamber. The number of diamond crystals formed in this process, as well as their size and density, is affected by the duration of the process, which also affects the layer thickness. To form a diamond layer on large surfaces of the substrates, it is advantageous to work in a chamber filled with protective gas, in which the substrate is preheated, for example, by inductance or by electrical resistance to an appropriate process temperature of 450-1200 ^o C. In a chamber with a protective gas there is either a high-speed burner system, or a detonation gun operating with a mixture of hydrocarbon and oxygen. By means of a detonation gun, an intermittent detonation flame can be produced, as opposed to a continuously burning high-speed flame, in the case of a high-speed burner. In both cases, acetylene, propane gas, and oxygen are used as working gases.

Недостатками этого способа являются трудоемкость, дороговизна. The disadvantages of this method are the complexity, high cost.

Этот способ принят за прототип. This method is adopted as a prototype.

Огромный спрос на алмазы для технических целей привел к разработке различных способов изготовления промышленных алмазов и нанесения синтетических тонких алмазных слоев на субстраты. Задачей, на решение которой направлено предполагаемое изобретение, является создание тонких алмазных пленок (несколько мкм), которые нашли широкое применение в точной механике, микротехнологии, электронной продукции. Техническим результатом изобретения является удешевление и уменьшение трудоемкости процесса. The huge demand for diamonds for technical purposes has led to the development of various methods for the manufacture of industrial diamonds and the application of synthetic thin diamond layers on substrates. The problem to be solved by the alleged invention is aimed at creating thin diamond films (several microns), which are widely used in precision mechanics, microtechnology, and electronic products. The technical result of the invention is the reduction and reduction of the complexity of the process.

При осуществлении способа изготовления алмазных слоев, включающего детонационное воздействие на углеродосодержащее вещество, согласно настоящему изобретению, собирают пакет из слоев углеродосодержащего вещества и теплопроводного материала. Это осуществляют нанесением слоя графика на медный диск-матрицу. При этом слой графита контактирует по обеим поверхностям с медными дисками. После чего пакет упаковывают в ампулу и охлаждают ее в жидком азоте до температуры - 180^o ≤ T ≤ -160^o. Затем производят динамическое нагружение давлением 40 ГПа ≤ P ≤50 ГПа в течение 2 мкс ≤ t ≤ 4 мкс. За это время происходит двух- трехкратное нагружение слоя графита ударными волнами. Затем улавливают нагруженную ампулу в жидком азоте. Использование графитосодержащего вещества в виде слоев облегчает динамический переход алмаз-графита, т. к. способствует снижению исходного импульса, необходимого для реализации этого перехода, следовательно удешевляет, упрощает и уменьшает трудоемкость процесса. Двухсторонний контакт графитового слоя с медью также помогает достичь указанного результата, т. к. обеспечивает, без дополнительной дорогостоящей аппаратуры, интенсивный теплоотвод от графитосодержащей пленки и быстро охлаждает ее ниже температуры, при которой при атмосферных условиях происходит ускорение обратное превращение алмаза в графит. Двухсторонний контакт обеспечивает наиболее оптимальный режим теплоотвода.When implementing the method of manufacturing diamond layers, including the detonation effect on the carbon-containing substance, according to the present invention, collect a package of layers of carbon-containing substance and a heat-conducting material. This is accomplished by applying a graph layer to a copper disk matrix. In this case, the graphite layer contacts on both surfaces with copper disks. After which the package is packaged in an ampoule and cooled in liquid nitrogen to a temperature of 180 ^o ≤ T ≤ -160 ^o . Then produce dynamic loading with a pressure of 40 GPa ≤ P ≤50 GPa for 2 μs ≤ t ≤ 4 μs. During this time, a two- to three-fold loading of a graphite layer by shock waves occurs. Then the loaded ampoule is caught in liquid nitrogen. The use of graphite-containing substance in the form of layers facilitates the dynamic transition of diamond-graphite, since it helps to reduce the initial impulse necessary for the implementation of this transition, therefore, reduces the cost, simplifies and reduces the complexity of the process. The bilateral contact of the graphite layer with copper also helps to achieve the indicated result, since it provides, without additional expensive equipment, intensive heat removal from the graphite-containing film and quickly cools it below the temperature at which, under atmospheric conditions, the reverse conversion of diamond to graphite is accelerated. Bilateral contact provides the most optimal heat removal mode.

Предварительное охлаждение ампулы дает возможность еще снизить температуры динамического нагружения. Pre-cooling of the ampoule makes it possible to further reduce the temperature of dynamic loading.

Динамическое нагружение указанным выше давлением в течение указанного времени позволяет после двух- трехкратного нагружения отраженными ударными волнами, дожать пленку до давления, реализующегося в медной матрице, что также способствует снижению исходного импульса, требуемого для реализации динамического фазового перехода графит-алмаз, что способствует достижению указанного выше технического результата. Dynamic loading with the above pressure for the specified time allows, after two to three times loading with reflected shock waves, squeeze the film to the pressure realized in the copper matrix, which also helps to reduce the initial impulse required for the implementation of the dynamic graphite-diamond phase transition, which helps to achieve the specified higher technical result.

Пример конкретной реализации способа заключается в следующем. На одну из поверхностей медного диска диаметром 45х1 мм методом электронно-лучевого напыления в вакууме наносится слой графита (толщиной 1 мкм ≤ Δ ≤ 10 мкм, конкретно для каждой детали). Затем медные диски укладываются в пакет толщиной 5 мм так, что слой графита контактирует с чистой поверхностью следующего медного диска. Пакет укладывается в ампулу. Ампула герметично закрывается крышкой и устанавливается в охранные приспособления, предназначенные для исключения ее разрушения волнами разрежения. Предварительно ампула помещается на t≈40 мин в контейнер с жидким азотом для предварительного охлаждения. На момент динамического нагружения температура графитовых слоев составе T≈-180^oC. Над крышкой ампулы размещается заряд бризантного взрывчатого вещества (BB) на основе октогена (диаметр 120 мм, толщина 20 мм ≤ h ≤ 40 мм). По наружной поверхности заряда ВВ осуществляется одновременное инициирование детонационной волны. В частности, детонация данного заряда BB толщиной h=40 мм генерирует в медных слоях ударную волну амплитудой P≈45 ГПа. После двух- трехкратного нагружения отраженными ударными волнами тонкие слои графита дожимаются до того же давления P≈45 ГПа, что и медные диски. P≈45 ГПа является выше давления динамического фазового перехода графит-алмаз, следовательно фазовый переход осуществляется). Процесс нагружения длится t≈4 мкс. Предварительное охлаждение образца до T ≈ -180^oC снижает температуру ударноволнового разогрева графита, что существенно уменьшает вероятность обратного перехода алмаз-графит. После динамического нагружения ампула движется со скоростью W ≈ 0.4 км/с и тормозится слоем пористого вещества (или улавливается в контейнер с жидким азотом, что позволяет быстро снять остаточный ударноволоновой разогрев с образцов и практически исключить возможность обратного перехода алмаз-графит). Затем ампула вскрывается. Тонкий слой поликристаллического алмаза механическим способом отделяется от медной матрицы.An example of a specific implementation of the method is as follows. A graphite layer (1 μm ≤ Δ ≤ 10 μm thick, specifically for each part) is applied on a surface of a copper disk with a diameter of 45x1 mm by electron beam spraying in a vacuum. Then, the copper disks are stacked in a 5 mm thick bag so that the graphite layer contacts the clean surface of the next copper disk. The package fits into an ampoule. The ampoule is hermetically sealed with a cover and installed in security devices designed to prevent its destruction by rarefaction waves. Previously, the ampoule is placed for t≈40 min in a container with liquid nitrogen for preliminary cooling. At the time of dynamic loading, the temperature of the graphite layers with a composition of T≈-180 ^o C. An octogen-based explosive charge (BB) is placed above the ampoule cover (diameter 120 mm, thickness 20 mm ≤ h ≤ 40 mm). On the outer surface of the explosive charge, the detonation wave is simultaneously initiated. In particular, the detonation of a given BB charge with a thickness of h = 40 mm generates a shock wave in the copper layers with an amplitude of P≈45 GPa. After two or three times loading with reflected shock waves, thin layers of graphite are compressed to the same pressure P≈45 GPa as copper disks. P≈45 GPa is higher than the pressure of the dynamic graphite-diamond phase transition; therefore, the phase transition occurs). The loading process lasts t≈4 μs. Pre-cooling the sample to T ≈ -180 ^o C reduces the temperature of shock wave heating of graphite, which significantly reduces the likelihood of a reverse diamond-graphite transition. After dynamic loading, the ampoule moves at a speed of W ≈ 0.4 km / s and is inhibited by a layer of porous substance (or is trapped in a container with liquid nitrogen, which allows one to quickly remove the residual shock-wave heating from the samples and practically eliminate the possibility of a diamond-graphite reverse transition). Then the ampoule opens. A thin layer of polycrystalline diamond is mechanically separated from the copper matrix.

Таким образом за время t ≤ 2 ч получается пленка из поликристаллического алмаза диаметром 45 мм, толщиной ≤ 10 мкм. Thus, in a time t ≤ 2 h, a polycrystalline diamond film with a diameter of 45 mm and a thickness of ≤ 10 μm is obtained.

Claims

1. A method of producing polycrystalline diamond layers, including detonating effects on a graphite-containing substance, characterized in that the package is assembled from layers of graphite-containing substance and heat-conducting material so that the graphite-containing layer is in contact with the heat-conducting material on both surfaces, then the package is packaged in an ampoule, and then produced detonation action with pressure 40≤P≤50 GPa for 2 - 4 μs.

2. The method according to p. 1, characterized in that the ampoule before detonation is cooled to a temperature of -180 ^o ≤T≤-160 ^o .