способ соединения монокристалла алмаза с металлом

Формула изобретения

1. Способ соединения монокристалла алмаза с металлом, отличающийся тем, что на поверхность алмаза наносят промежуточный слой толщиной 0,05-0,4 мм, который готовят из смеси нанодисперсного порошка оксида железа с размером частиц 20-40 нм и фуллерена С ₆₀ при соотношении оксида железа и фуллерена С ₆₀ (10-50):(90-50) мас.%, при этом поверхность монокристалла алмаза предварительно полируют и обезжиривают, место контакта монокристалла алмаза с нанесенным на него промежуточным слоем подвергают воздействию давления 2,0-5,0 ГПа и одновременному сдвиговому воздействию вращением на угол 100-1000°, а соединение монокристалла алмаза с поверхностью металла осуществляют путем пайки или ультразвуковой сварки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве оксида железа берут Fe₃ O₄, и/или Fe₂О ₃, и/или FeO.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверхность алмаза полируют до 5-го класса шероховатости (по ГОСТ-2789-73), а обезжиривание проводят в ацетоне и спирте.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области соединения разнородных материалов, в частности к соединению монокристалла алмаза с металлами, и может найти применение для создания различного рода однокристального обрабатывающего инструмента, например резцов; медицинского инструмента, например стоматологического, хирургического; для создания на поверхности полупроводниковых и иных алмазов электрических контактов.

В настоящее время для создания алмазного инструмента на основе композитов металл-алмаз широко используется способ соединения алмаза с металлом с использованием промежуточного слоя или припоя методом воздействия высокими температурами и высокими давлениями; а также известны способы создания омических контактов алмаз-металл, в которых поверхность алмаза подвергают специальной обработке с целью создания промежуточного слоя.

Известен способ получения слоистого изделия для режущего инструмента (авт. свидетельство СССР №814987, класс С04В 35/71, В32В 15/00, С22С 29/00, публ. 23.03.81), согласно которому слоистое изделие содержит подложку, выполненную из порошка переходных металлов и диборидов переходных металлов IV-VII групп, с размером частиц 0,1-10 мкм в соотношении 7:3-3:7 и сверхтвердый слой, выполненный из порошка, по крайней мере, одного сверхтвердого материала из групп: алмаз, нитрид бора кубической или вюрцитной модификации, причем сверхтвердый слой дополнительно содержит смесь со следующим соотношением компонентов, вес %:

смесь переходных металлов и диборидов IV-VII групп	0,5-50
сверхтвердый материал	50-95,5

Ингредиенты предварительно дробят в шаровой мельнице или вибромельнице с твердосплавными шарами в течение одного или более часов до требуемой зернистости и прессуют изделия послойно, тщательно просушивают при температуре 60-200°С и помещают в камеру высокого давления, где подвергают воздействию высокого давления 35-100 кбар и температуры 1200-2600°С в течение 0,5-5 минут. В результате получают высококачественные поликристаллические однослойные, двуслойные и многослойные изделия. Недостатком такого способа является необходимость применять тяжелое прессовое оборудование. Он является энерго- и ресурсоемким. Такой способ не может быть применен для создания точечных контактов.

Известны твердый припой и способ пайки алмаза на металлическую подложку с помощью этого припоя (пат. США №6889890, класс В23К 31/02, публикация 18.06.06, приоритет 10.02.02). В качестве основных компонентов припоя используют золото или серебро и медь. Припой, кроме того, содержит 0,001-5% ванадия, предпочтительно не более 2%. В процессе пайки происходит направленная кристаллизация припоя со стороны алмаза на поверхность соединения алмаза с подложкой, образуется карбид ванадия, который улучшает соединение паяного соединения. Припой позволяет повысить прочность соединения алмаза с подложкой, предотвращает коррозию паяного соединения и улучшает внешний вид паяного изделия. Однако использование в качестве компонентов припоя золота и серебра значительно удорожает этот способ.

Известен способ изготовления электрических контактов на алмазе (пат. США 4511783, класс США 219/121.85; 219/121.8; публикация 16.04.1985, приоритет 03.02.1983), при котором поверхностный слой алмаза лазерным лучом трансформируется в графит с поверхностным сопротивлением 5-100 Ом. При этом лазер работает на такой частоте и продолжительности импульсов, а лазерный луч сфокусирован и движется по алмазу так, что образуемые углубления сливаются или перекрываются. После графитации проволока или проводник электричества фиксируют на графитовом слое, образуя, таким образом, электрический контакт. Недостатком такого способа является использование достаточно дорогого лазерного оборудования, необходимость специально фокусировать и настраивать лазер.

Известен метод создания электрических контактов на алмазных подложках (пат. США 5002899, класс США 438/105; 117/3; 257/77; 437/173, 175, 180, 187, публикация 26.03.1991, приоритет 22.03.1990), включающий радиационную обработку алмазного субстрата излучением с длинной волны в диапазоне 193 нм, при этом области с улучшенной электрической проводимостью могут быть образованы без последующего нагрева поверхности подложки. Затем металлические пленки могут быть прикреплены к месту, обработанному радиацией с образованием омического контакта или контакта типа Шотки. Области с анизотропией проводимости могут быть использованы для поляризационных оптических устройств. Недостатком такого способа является использование источника радиации.

Известен способ получения омических контактов на полупроводниковом алмазе (патент США 5055424, класс США 438/105; 437/192-195, 188, публикация 08.10.1991. приоритет 29.06.1989), включающий осаждение карбидообразующего металла и затем устойчивого к коррозии металла на поверхность методом осаждения из газовой фазы, и последующий нагрев в инертной атмосфере до температуры 350-1200°С. Причем карбидообразующий металл выбирают из группы: вольфрам, молибден, хром, ванадий, ниобий, тантал, титан, никель, кобальт, железо, марганец, алюминий, кремний, бор, цирконий и гафний, а устойчивый к коррозии металл выбирают из группы: золото, платина, палладий, иридий, серебро, медь, никель и хром. В некоторых применениях промежуточный металл осаждают на поверхность карбидообразующего металла, при этом металл выбирают из группы: вольфрам, молибден, хром, ванадий, ниобий, тантал, титан, никель, кобальт, железо, марганец, алюминий, кремний, бор, цирконий, и гафний, золото, платина, палладий, иридий, серебро и медь. Недостатком такого способа является использование для осаждения металлов метода осаждения из газовой фазы, предполагающего специальную подготовку обрабатываемых поверхностей, вакуумирование, использование специальных масок для формирования области контакта.

Известен способ получения металл-боридного омического контакта на поверхности полупроводникового алмаза (патент США 5382808, класс США 257/77; 257/607; 257/742; 257/77, 607, 734, 741, 748, 763, 764, 770, публикация 17.01.1995, приоритет 14.05.1993). Борид металла состоит из бора и переходного металла, предпочтительно тугоплавкого. Нагрев слоя борида металла и алмаза приводит к диффузии бора и образованию высокодопированной бором поверхностной области полупроводникового алмаза. Альтернативным методом получения высокодопированной области может быть селективная ионная имплантация, отжиг для образования графитизированной поверхностной области и удаление графитизированной поверхностной области травлением. Высокодопированная поверхностная область понижает электрическое сопротивление контакта. Дополнительно путем нагрева может быть создан промежуточный поверхностный слой карбида. Промежуточная карбидная область увеличивает адгезию борида металла, а также способствует уменьшению электросопротивления контакта. К недостаткам такого способа можно отнести необходимость нанесения борида металла на поверхность алмаза одним из следующих методов: распыления, испарения, химического осаждения из газовой фазы или молекулярно-лучевой эпитаксии.

Известен способ создания омических контактов на алмазе с n-типом проводимости, или внедрения контакта в алмаз с p-типом проводимости (патент США 6140148, класс США 438/105; 257/22; 257/77; 427/523; 438/931, публикация 31.10.2000, приоритет 18.12.1997). Способ включает имплантирование поверхности алмаза легирующими n-типа атомами в дозах немного ниже, чем уровень аморфизации алмаза, с целью создания имплантированной области под поверхностью и распространяющейся вглубь от поверхности, последующий отжиг для создания возможности тунелирования электронов в алмаз в случае алмаза n-типа и создания возможности инжектирования электронов в алмаз в случае алмаза p-типа, и металлизации, по крайней мере, части поверхности, через которую происходит инжекция электронов. Причем легирующие элементы берут из ряда: фосфор, мышьяк, сурьма, кислород, фтор и азот. К недостаткам способа можно отнести необходимость проводить стадию имплантации.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является припой для соединения монокристаллов алмаза с металлом (пат РФ №2270743, класс В23К 35/28, В23К 35/30, приоритет 14.02.02, публ. 27.08.03), согласно которому припой содержит серебро, медь, олово, титан, карбид титана и карбид кремния, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

медь	14,4-18,4
олово	14,4-18,4
титан	14,4-18,4
карбид титана	4,5-15,6
карбид кремния	0,3-0,7
серебро	38,0-43,0

при соотношении серебра, меди, олова и титана 3,1:1,2:1,2:1,2.

Для осуществления соединения монокристаллов алмаза с металлом готовили смесь порошков серебра, меди, олова и титана с последующим добавлением карбидов титана и кремния. Исходные порошки металлов и карбидов использовали чистотой 99,5%. Пайка осуществлялась в условиях вакуума (10^-3 мм рт.ст.) или инертной среды (аргон) при температуре 1050-1150°С. Припой использовали для изготовления однокристального инструмента в виде сверл из стали марки Р6. Свойства паяных соединений и прочность соединения монокристаллов алмаза с материалом сверла определялась по эксплуатационным характеристикам, а именно по суммарной длине просверленных отверстий в кристаллическом кварце для сверл с диаметром 0,4-0,5 мм, в том числе при высокой рабочей температуре (700°С). Используемый припой обеспечивает большую механическую прочность монокристаллов алмаза фракции 500/400 с материалом стали и высокие эксплуатационные характеристики изготовленных сверл. Недостатком этого технического решения является необходимость проводить пайку в условиях вакуума и применять достаточно высокие температуры, что может негативно сказаться при пайке на алмазах со специальными свойствами (например, к полупроводниковых).

Задачей предлагаемого технического решения является устранение указанных выше недостатков и расширение технических возможностей за счет формирования на поверхности алмаза промежуточного переходного слоя, который имеет высокие механические свойства и образует прочное и качественное соединение монокристалла алмаза с металлом.

Указанный технический результат достигается следующим способом. На поверхность монокристалла алмаза дополнительно наносят промежуточный слой из смеси нанодисперсных порошков оксидов железа, выбранных из ряда: Fe ₃O₄, Fe₂O ₃, FeO или их смеси с размером частиц 20-40 нм и фуллерена С₆₀. Соотношение содержания оксида железа к фуллерену С₆₀ составляет, мас.% 10-50:90-50. Поверхность монокристалла алмаза предварительно полируют до 5-го класса шероховатости (по ГОСТ 2789-73) и обезжиривают, например последовательной обработкой в ацетоне и спирте. На обезжиренную поверхность наносят промежуточный слой толщиной 0,05-0,4 мм и затем место контакта монокристалла алмаза с промежуточным слоем подвергают воздействию давления 2,0-5,0 ГПа и одновременно сдвиговой деформации вращением на угол 100-1000 градусов. Особенностью данного способа является отсутствие термической обработки в месте контакта монокристалла алмаза и промежуточного слоя, что позволяет сохранить свойства монокристалла алмаза, например, легированного или полупроводникового.

Промежуточный слой указанного состава, нанесенный описанным способом, обладает высокой механической прочностью, а также способствует прочному присоединению его к алмазу за счет того, что во время воздействия давлением и сдвиговой деформацией происходит взаимодействие фуллерена и нанодисперсных оксидов железа с алмазом на неровностях поверхности алмаза, которые создают предварительной полировкой до 5-го класса шероховатости (по ГОСТ 2789-73). Обезжиривание и шлифование поверхности монокристалла алмаза обеспечивают наилучшее прохождение механо-химической реакции (наноразмерных частиц) на остающихся после данного шлифования неровностях поверхности.

Алмаз с нанесенным промежуточным слоем соединяют с металлом путем пайки с соответствующими припоями или сварки, например, лазерной или ультразвуковой.

Фуллерен используют как компонент переходного слоя, поскольку он в составе предлагаемой композиции при воздействии высокими давлениями и сдвиговыми деформациями переходит в неалмазный углерод, образуя требуемый промежуточный слой, имеющий высокие механические свойства, и прочно соединяется с алмазом. Известно, что фуллерен при воздействии на него высокими давлениями и температурами полимеризуется с образованием высокотвердых, сверхтвердых и иных фаз, например, как в следующем примере и приведенных в нем ссылках. Известны сверхтвердые материалы, получаемые следующим способом (патент РФ 2078033, класс С01В 31/00, С01В 31/06, приоритет 16.11.1994, публ. 27.04.1997): в камеру высокого давления типа "наковальня Бриджмена" или "тороид" помещают навеску фуллерена С₆₀. Воздействуют давлением 5-12 ГПа при t=200-350°C. Получают полиморфное соединение углерода с межплоскостными расстояниями, Å: 7,760±10; 6,00±30; 4,790±05; 4,580±05; 4,130±05; 3,710±10; 3,240±10; 2,900±10; 2,490±10; 2,490±10; 2,200±10, которое оставляет царапины на поверхности нитрида бора и алмаза.

Смесь оксидов железа и фуллерена, а также использование сдвиговых деформаций, позволяет снизить параметры получения высокотвердых фаз, которые образуют промежуточный слой, в частности давление до значений 2,0-5,0 ГПа, а температуру до комнатной (около 20°С). Оксиды железа берут в виде нанодисперсного порошка с размером частиц в диапазоне 20-40 нм, что также позволяет снизить параметры воздействия (величину давление и степень сдвиговых деформации).

Состав промежуточного слоя, при котором соотношение содержания оксидов железа к фуллерену С₆₀ составляет в массовых процентах 10-50:90-50, определен экспериментально и обеспечивает создание промежуточного слоя с требуемыми свойствами. При содержании фуллерена менее 50 мас.% не происходит образование достаточного прочного промежуточного слоя. При содержании фуллерена более 90 мас.% реакция образования неалмазного углерода проходит не полностью и, кроме того, пониженное содержание железа ухудшает способность промежуточного слоя образовывать паяное соединение.

Толщина промежуточного слоя 0,05-0,4 мм определена экспериментально. При толщине слоя более 0,4 мм при воздействии высоких давлений и сдвиговых деформаций происходит "вытекание" компонентов промежуточного слоя из места контакта. Уменьшение слоя до толщин менее 0,05 мм усложняет процесс нанесения промежуточного слоя.

Предлагаемые давления и углы сдвиговой деформации (давление 2,0-5,0 ГПа, вращение на угол 100-1000 градусов) определены экспериментально для выбранных составов промежуточного слоя, причем чем меньше давление, тем больше должен быть применяемый угол сдвиговой деформации.

Алмаз является так называемым широкозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны 5,4 эВ, имеет более высокое, чем кремний, германий, арсенид галлия и другие полупроводники, напряжение пробоя, граничную частоту (частоту отсечки), максимальное рабочее напряжение. В отличие от наиболее распространенных полупроводников алмаз устойчив к воздействию температур до 600°С и радиации. Его теплопроводность является самой высокой из всех известных веществ. Все это делает алмаз перспективным для разработки электронных устройств нового поколения.

Пример 1.

Готовят смесь из исходных порошков фуллерена С₆₀ и оксида железа Fe₃О₄ с размерами частиц 20-40 нм в соотношении оксид железа к фуллерену 10:90 мас.%, проводят смешивание в планетарной мельнице в течение 10 минут. Смесь наносят слоем 0,05 мм на предварительно отполированную до 5-го класса шероховатости (по ГОСТ-2789-73), очищенную и обезжиренную последовательной обработкой ацетоном и спиртом поверхность алмаза, затем прикладывают давление 2,0 ГПа стержнем из твердого сплава и одновременно проводят сдвиговую деформацию вращением стержня на угол 1000°. Площадь контакта промежуточного слоя на монокристалле алмаза составляет около 1 мм², дальнейшее соединение монокристалла алмаза с металлом (металлическим корпусом инструмента) проводят пайкой припоем ПСр-25. Такой монокристалл алмаза используют для изготовления алмазного скальпеля.

Пример 2.

Готовят смесь из исходных порошков фуллерена С₆₀ и оксида железа FeO с размерами частиц 20-40 нм в соотношении оксид железа к фуллерену 50:50 мас.%, проводят смешивание в планетарной мельнице в течение 10 минут. Смесь наносят слоем 0,4 мм на предварительно отполированную до 5-го класса шероховатости (по ГОСТ-2789-73), очищенную и обезжиренную последовательной обработкой в ацетоне и спирте поверхность монокристалла алмаза, затем прикладывают давление 5,0 ГПа стержнем из твердого сплава и одновременно проводят сдвиговую деформацию вращением стержня на угол 100°. Площадь контакта промежуточного слоя и монокристалла алмаза составляет около 0,1 мм ². Аналогичным способом создают такой же промежуточный слой на другой поверхности этого же монокристалла алмаза. Дальнейшее соединение полученных контактов с токонесущими медными проводниками с диаметром 0,1 мм осуществляют ультразвуковой сваркой с помощью ультразвуковой сварочной машины УЗСМ 1-1,0/22. Полученный монокристалл алмаза с присоединенными к нему медными проводниками используют как терморезистор.

Пример 3.

Готовят смесь из исходных порошков фуллерена С₆₀ и смеси оксидов железа 10 мас.% FeO+90 мас.% Fe₂O ₃ с размерами частиц 20÷40 нм в соотношении оксиды железа к фуллерену 25:75 мас.%, проводят смешивание в планетарной мельнице в течение 10 минут, наносят ее слоем 0,3 мм на предварительно отполированную до 5-го класса шероховатости (по ГОСТ-2789-73), очищенную и обезжиренную последовательной обработкой в ацетоне и спирте поверхность алмаза, затем прикладывают давление 3,5 ГПа стержнем из твердого сплава и одновременно проводят сдвиговую деформацию вращением стержня на угол 500°. Дальнейшее соединение монокристалла алмаза с металлом проводят следующим образом. Наносят на образованный промежуточный слой следующий слой толщиной 0,1 мм из порошка меди с размерами частиц в диапазоне 1-10 мкм, прикладывают давление 0,5 ГПа стержнем из твердого сплава и одновременно проводят сдвиговую деформацию вращением стержня на угол 500°. Полученный монокристалл алмаза с промежуточным слоем и вторым медным слоем используют в качестве теплоотводящей подложки для полупроводниковых приборов. Соединение теплоотводящей подложки с теплоприемником проводят пайкой припоями с высокой теплопроводностью, например ПОС-10, ПОС-30, ПОС-61М.

Предлагаемый способ соединения монокристаллов алмаза с металлом может быть использован для создания различного рода однокристального обрабатывающего инструмента, например, резцов; медицинского инструмента, например, стоматологического и хирургического; для создания на поверхности полупроводниковых и иных алмазов электрических контактов с металлом.