DE112018007873T5

DE112018007873T5 - Diamantglättungsverfahren

Info

Publication number: DE112018007873T5
Application number: DE112018007873.6T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Ikenoue; Tsuyoshi Yoshitake; Yuki Katamune; Koki Murasawa
Original assignee: Kyushu Institute of Technology NUC; Kyushu University NUC; OSG Corp
Current assignee: Kyushu Institute of Technology NUC; Kyushu University NUC; OSG Corp
Priority date: 2018-08-01
Filing date: 2018-08-01
Publication date: 2021-04-22
Also published as: JP7022411B2; KR102416293B1; JPWO2020026393A1; CN112513345A; KR20210027441A; WO2020026393A1; US11986905B2; US20210299787A1

Abstract

Eine Grenzwertenergiedichte Es, die ein Auftreten der Ablation veranlasst, wird erfasst, und eine Glättungsbearbeitung wird mit einer Glättungsbestrahlungsenergiedichte Ef ausgeführt, die auf Grundlage der erfassten Grenzwertenergiedichte Es bestimmt wird. Es ist somit möglich, die Glättungsbearbeitung mit der Glättungsbestrahlungsenergiedichte Ef entsprechend auszuführen, die es notwendigerweise möglich macht, ein auftreten der Ablation zu veranlassen, selbst wenn die Grenzwertenergiedichte Es, die das Auftreten der Ablation veranlasst, in Abhängigkeit von der Kristallgröße, dem Grad, den Dotierungselementen und dergleichen eines polykristallinen Diamantfilms variiert. Weil die Glättungsbestrahlungsenergiedichte Ef auf einen niedrigen Wert gesetzt wird, der innerhalb eines Bereichs von 1 bis 15 -mal so groß wie die Grenzwertenergiedichte Es liegt, wird ferner eine Transmission des Laserlichts in den polykristallinen Diamantfilm unterdrückt, wodurch erhabene Abschnitte einer erhabenen und vertieften Oberfläche mit höherer Priorität poliert und entfernt werden, sodass die Glättungsbearbeitung so gestaltet werden kann, um eine Oberflächenrauheit Ra von 0,2µm oder weniger zu erhalten, mit einer Summe eines polierten Betrags von Böden von Vertiefungsabschnitten der erhabenen und vertieften Oberfläche und einer Dicke der beeinträchtigten Schicht, die ein kleiner Wert wie 2,0µm oder weniger ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diamantglättungsverfahren, beziehungsweise ein Verfahren zum Glätten von Diamanten und insbesondere solche Diamantglättungsverfahren, die es ermöglichen, einen polierten Betrag, beziehungsweise eine abgeschliffene Menge eines Diamanten, dessen Oberfläche geglättet wird, zu verringern.
Technischer Hintergrund
Als Techniken zum Glätten einer erhabenen und vertieften Oberfläche eines Diamanten sind ein Scaife-Polieren, beziehungsweise ein Scaife Polishing und ein Laserpolieren bekannt. Das Scaife-Polieren ist eine Technik zum Polieren und Entfernen von erhabenen Abschnitten der erhabenen und vertieften Oberfläche, um die erhabene und vertiefte Oberfläche zu glätten, durch Rotieren einer aus Gusseisen hergestellten Metallplatte mit darin eingebetteten Schleifkörnern und durch Drücken des Diamanten auf eine flache Oberfläche der rotierenden Metallplatte. Eine Technik zum Glätten durch die Laserbearbeitung, wie beispielsweise in Patentdokumenten 1 bis 4 gezeigt, ist ein Einstrahlen eines Laserlichts mit einer Wellenlänge von etwa 190nm bis 360nm auf die erhabene und vertiefte Oberfläche, und ein Polieren und Glätten der erhabenen und vertieften Oberfläche durch eine Ablation, deren Auftreten wird in dem Diamanten durch Einstrahlen des Laserlichts auf die erhabene und vertiefte Oberfläche veranlasst wird. Darüber hinaus zeigt Patentdokument 5 einen polykristallinen Diamantfilm, der aus mikrokristallinen Diamanten besteht, deren Kristallkorngrenze 10µm oder weniger beträgt. Es gilt zu beachten, dass „Ablation“ eine Entfernung oder eine Sublimation bedeutet, und insbesondere ein Phänomen ist, dass ein Material, auf das ein Laserlicht gestrahlt wird, in Moleküle, Atome, und Plasma zerlegt wird, um abgestrahlt zu werden.
Dokumente zum Stand der Technik
Patentdokumente

Patentdokument 1: JP-H6-40797A
Patentdokument 2: JP-H7-40336A
Patentdokument 3: JP-H7-41387A
Patentdokument 4: JP-H8-267259A
Patentdokument 5: JP-2012-176471A

Zusammenfassung der Erfindung
Durch die Erfindung zu erreichendes Ziel
Im Fall des Glättens durch das oben beschriebene Scaife-Polieren ist eine zu bearbeitende Oberfläche jedoch auf eine flache Oberfläche begrenzt, sodass das Scaife-Polieren nicht auf ein Glätten einer Diamantoberfläche angewendet werden kann, die eine gekrümmte oder anderweitig komplizierte Form aufweist. Das Laserpolieren ermöglicht es, eine Diamantoberfläche zu glätten, die eine gekrümmte oder anderweitig komplizierte Form aufweist. Bei dem Laserpolieren erreicht ein polierter Betrag, beziehungsweise eine abgeschliffene Menge des Diamanten für das Glätten jedoch einen Bereich von mehreren zehn bis mehreren hundert Mikrometern, wodurch beispielsweise ein Ausbilden eines Diamantfilms erforderlich ist, der den polierten Betrag umfasst, und eine lange Fertigungszeit und hohe Fertigungskosten sind entsprechend erforderlich. Obwohl es bisher noch nicht bekannt ist kann es andererseits möglich sein, den polierten Betrag durch Unterdrücken der Transmission des Laserlichts in den Diamantfilm zu reduzieren, um eine Bestrahlungsenergiedichte beim Bestrahlen mit dem Laserlicht zu minimieren. Ein Wert der Bestrahlungsenergiedichte, die es möglich macht, ein Auftreten der Ablation zu veranlassen, variiert jedoch beispielsweise in Abhängigkeit von einer Kristallgröße, einem Grad, und Dotierungselementen des Diamanten. Falls die Bestrahlungsenergiedichte auf einen großen Wert eingestellt wird, um den Diamanten durch die Ablation auf jeden Fall zufriedenstellend zu Polieren, könnte ein polierter Betrag größer als für das Glätten notwendig sein.
Es gilt zu beachten, dass das oben beschriebene Problem nicht nur in dem Fall des Polierens und Glättens des polykristallinen Diamantfilms angetroffen wird, sondern ebenfalls in einem Fall des Polierens und Glättens von Erhebungen und Vertiefungen, die in flachen Kristalloberflächen eines monokristallinen Diamanten als Ergebnis eines anormalen Kornwachstums oder dergleichen verursacht werden.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht des oben diskutierten Hintergrunds gemacht. Es ist demnach eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, es zu ermöglichen, einen polierten Betrag eines Diamanten ungeachtet von Variationen einer Kristallgröße, eines Grads, Dotierungselementen und dergleichen des Diamanten in einem Fall in geeigneter Weise zu verringern, in dem eine erhabene und vertiefte Oberfläche des Diamanten durch Bestrahlung eines Laserlichts auf die erhabene und vertiefte Oberfläche geglättet werden soll.
Maßnahmen zum Erreichen des Ziels
Zum Erreichen des oberen Ziels ist eine erste Erfindung in einem Diamantglättungsverfahren, bei dem Laserlicht auf eine erhabene und vertiefte Oberfläche eines Diamanten gestrahlt wird, um die erhabene und vertiefte Oberfläche durch eine in dem Diamanten zum Auftreten veranlasste Ablation durch die Bestrahlung des Laserlichts auf die erhabene und vertiefte Oberfläche zu glätten, dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst: Einen Grenzwertenergiedichte-Erfassungsschritt des Einstrahlens des Laserlichts auf die erhabene und vertiefte Oberfläche, und des Änderns einer Bestrahlungsenergiedichte des Laserlichts, um eine Grenzwertenergiedichte als einen unteren Grenzwert der Bestrahlungsenergiedichte zu erfassen, die das Auftreten der Ablation veranlasst; und einen Glättungsbearbeitungsschritt des Ausführens einer Glättungsbearbeitung, durch Einstrahlen des Laserlichts auf die erhabene und vertiefte Oberfläche mit einer Glättungsbestrahlungsenergiedichte, die derart eingestellt ist, um innerhalb eines Bereiches von 1 bis 15 -mal so hoch wie die Grenzwertenergiedichte zu liegen, wobei die Glättungsbearbeitung bei dem Glättungsbearbeitungsschritt derart ausgeführt wird, dass eine Summe eines polierten Betrags des Diamanten von Böden von Vertiefungsabschnitten der erhabenen und vertieften Oberfläche und einer Dicke einer beeinträchtigten Schicht einer polierten Oberfläche nach der Glättungsbearbeitung 2,0µm oder weniger wird, und derart, dass eine Oberflächenrauheit Ra der polierten Oberfläche 0,2µm oder weniger ist.
Die oben beschriebene „Oberflächenrauheit Ra“ ist eine arithmetische Durchschnittsrauheit, die durch JIS (B0601) definiert ist. Das oben beschriebene Merkmal, dass „die Summe des polierten Betrags und die Dicke der beeinträchtigten Schicht 2,0µm oder weniger ist“ bedeutet ferner, dass es bevorzugt wird, dass ein Maximalwert der Summen, die an einer Vielzahl von Positionen gemessen werden, 2,0µm oder weniger beträgt. Dieses Merkmal umschließt jedoch ebenfalls einen Fall, bei dem ein Durchschnitt der Summen 2,0µm oder weniger ist.
Eine zweite Erfindung bei dem Diamantglättungsverfahren der ersten Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Diamant, der dem Glättungsverfahren unterzogen wird, ein polykristalliner Diamantfilm ist, der aus einem mikrokristallinen Diamant besteht, der eine Kristallkorngröße von 10,0µm oder weniger aufweist, und der eine Oberflächenrauheit Ra von 3,0µm oder weniger aufweist.
Die oben beschriebene „Kristallkorngröße“ ist ein maximaler Durchmesser, der in einer Richtung senkrecht zu einer Kristallwachstumsrichtung (Filmdickenrichtung) gemessen wird. Obwohl es bevorzugt ist, dass die Größen aller Kristallkörner des Diamanten 10,0µm oder weniger betragen, müssen die Größen aller Kristallkörner nicht 10,0µm oder weniger betragen, solange mindestens 80% der Kristallkörner auf einer Oberfläche oder einem Querschnitt eines polykristallinen Diamantfilms 10,0µm oder weniger sind. Eine Größe eines jeden Kristallkorns kann, wie in der Kristallwachstumsrichtung gemessen, ferner größer als 10,0µm sein, solange die Kristallkorngröße 10,0µm oder weniger beträgt.
Eine dritte Erfindung bei dem Diamantglättungsverfahren der ersten oder zweiten Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwertenergiedichte-Erfassungsschritt implementiert ist, um durch Erfassen eines beim Auftreten der Ablation verursachten Plasmastroms zu bestimmen, ob die Ablation vorhanden ist.
Eine vierte Erfindung bei dem Diamantglättungsverfahren nach einer der ersten bis dritten Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht eine Wellenlänge aufweist, die innerhalb eines Bereichs von 190-270nm liegt.
Eine fünfte Erfindung bei dem Diamantglättungsverfahren nach einer der ersten bis vierten Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht unter einem Einfallswinkel von 25° oder weniger auf die erhabene und vertiefte Oberfläche einfällt.
Der oben beschriebene „Einfallswinkel“, unter dem das Laserlicht auf die erhabene und vertiefte Oberfläche einfällt, ist ein Winkel, um den das Laserlicht in Bezug auf eine Normalenrichtung, beziehungsweise eine Richtung senkrecht zu der erhabenen und vertieften Oberfläche geneigt ist.
Das heißt, der Einfallswinkel beträgt 0° in einen Fall, bei dem das Laserlicht in der Normalenrichtung zu der erhabenen und vertieften Oberfläche abgestrahlt wird. Die Richtung senkrecht zu der erhabenen und vertieften Oberfläche ist beispielsweise eine Richtung senkrecht zu einer Mittellinie einer Rauhigkeitskurve der erhabenen und vertieften Oberfläche. In einem Fall eines polykristallinen Diamantfilms kann eine Richtung einer Dicke des polykristallinen Diamantfilms als die Richtung senkrecht zu der erhabenen und vertieften Oberfläche betrachtet werden.
Wirkungen der Erfindung
Bei dem oben beschriebenen Diamantglättungsverfahren wird die Grenzwertenergiedichte, die es möglich macht das Auftreten der Ablation zu veranlassen, erfasst und das Glättungsverfahren wird mit der Glättungsbestrahlungsenergiedichte ausgeführt, die auf Grundlage der erfassten Grenzwertenergiedichte bestimmt wird. Es ist demnach möglich, die Glättungsbearbeitung mit der Bestrahlungsenergiedichte entsprechend auszuführen, die es notwendigerweise möglich macht das Auftreten der Ablation zu veranlassen, selbst wenn die Bestrahlungsenergiedichte (Grenzwertenergiedichte), die die Ablation veranlasst aufzutreten, in Abhängigkeit von der Kristallgröße, dem Grad, Dotierungselementen und dergleichen des Diamanten variiert.
Weil die Glättungsbestrahlungsenergiedichte auf einen niedrigen Wert eingestellt ist, der innerhalb eines Bereiches von 1 bis 15 -mal so groß wie die Grenzwertenergiedichte liegt, wird ferner die Transmission des Laserlichts in den Diamanten unterdrückt, sodass die erhabenen Abschnitte der erhabenen und vertieften Oberfläche mit hoher Priorität poliert und entfernt werden, wodurch die polierte Oberfläche auf einen vorbestimmten Wert der Oberflächenrauheit Ra mit Verringerung des polierten Betrags von den Böden der vertieften Abschnitte der erhabenen und vertieften Oberfläche geglättet werden kann. Das heißt, bei dem Diamanten, der der Glättungsbearbeitung mit dem niedrigen Wert der Glättungsbestrahlungsenergiedichte unterzogen wurde, sind Kristalle, die die Erhebungen und Vertiefungen in der Oberfläche vorweisen, verschwunden, und eine amorphe und leicht erhabene und vertiefte Oberfläche kann selbst mit einer Verringerung des polierten Betrags erhalten werden, ungleich nach einem mechanischen Polieren, beziehungsweise Schleifen. Obwohl die amorphe beeinträchtigte Schicht auf der polierten Oberfläche nach der Glättungsbearbeitung ausgebildet wird, ist die Beeinträchtigung aufgrund der geringen Transmission des Laserlichts in den Diamanten nur auf einen Abschnitt nahe der Oberfläche begrenzt, sodass die Dicke der beeinträchtigten Schicht klein ist. Mit der Summe des polierten Betrags und der Dicke der beeinträchtigten Schicht, die ein kleiner Wert wie 2,0µm oder weniger ist, kann die Glättungsbearbeitung somit durchgeführt werden, um die Oberflächenrauheit Ra von 0,2µm oder weniger zu erhalten, sodass es möglich ist, Herstellungskosten durch beispielsweise eine Verringerung der Filmdicke des Diamanten vor der Glättungsbearbeitung zu verringern.
Bei der zweiten Erfindung, die auf einen Fall gerichtet ist, bei dem die Glättungsbearbeitung ausgeführt wird, um die erhabene und vertiefte Oberfläche des polykristallinen Diamantfilms zu glätten, der aus dem mikrokristallinen Diamanten besteht, dessen Kristallkorngröße 10,0µm oder weniger beträgt und der die Oberflächenrauheit Ra von 3,0µm oder weniger aufweist, kann die Glättungsbearbeitung entsprechend ausgeführt werden, sodass die Summe des polierten Betrags und die Dicke der beeinträchtigten Schicht 2,0µm oder weniger werden und sodass die Oberflächenrauheit Ra 0,2µm oder weniger wird.
Bei der dritten Erfindung wird die Bestimmung, ob die Ablation vorhanden oder nicht vorhanden ist, durch Erfassen des Plasmastroms gemacht, der beim Auftreten der Ablation verursacht wird, sodass die Grenzwertenergiedichte mit hoher Genauigkeit auf einfache Art und Weise bestimmt werden kann.
Bei der vierten Erfindung beträgt die Wellenlänge des Laserlichts 270nm oder weniger, sodass die Transmission des Laserlichts in den Diamanten unterdrückt wird, wobei das Polieren und Entfernen auf geeignete Weise hauptsächlich in einem Oberflächenschichtabschnitt des Diamanten durchgeführt werden können. Weil die Wellenlänge des Laserlichts 190nm oder mehr beträgt, wird eine Absorption des Laserlichts durch Sauerstoff derart unterdrückt, dass die Glättungsbearbeitung durch das Laserlicht auf einfache Art und Weise unter Atmosphäre durchgeführt werden kann.
Bei der fünften Erfindung beträgt der Einfallswinkel des Laserlichts 25° oder weniger, sodass in einem Fall, bei dem das Laserlicht auf die erhabenen Abschnitte der erhabenen und vertieften Oberfläche gestrahlt wird, das Laserlicht gebrochen und ins Innere der erhabenen Abschnitte weitergeleitet wird, um konzentriert zu sein, und wird ebenfalls reflektiert, um einfach auf benachbarte erhabenen Abschnitte gestrahlt zu werden. Das heißt, die Transmission des Laserlichts in den Diamanten und eine nutzlose, beziehungsweise ungewollte Reflexion des Laserlichts werden unterdrückt, sodass das Laserlicht effizient auf die erhabenen Abschnitte der erhabenen und vertieften Oberfläche konzentriert wird, wobei die erhabenen Abschnitte mit hoher Priorität effizient poliert werden können. Somit ist es möglich, den polierten Betrag bei der Glättungsbearbeitung zum Erhalten eines vorbestimmten Wertes der Oberflächenrauheit Ra weiter entsprechend zu verringern. In einem Fall des polykristallinen Diamantfilms beispielsweise, sind die erhabenen Abschnitte der erhabenen und vertieften Oberfläche distale Endabschnitte des Kristalls, wovon jeder eine quadratisch-pyramidale Form aufweist und nach oben vorsteht, und die Oberfläche von jedem der Kristalle der (111)-Ebene entspricht, sodass das Laserlicht mit dem Einfallswinkel von 25° oder weniger auf die erhabenen Abschnitte durch die Brechung oder dergleichen effizient konzentriert wird, wobei die erhabenen Abschnitte entsprechend mit hoher Priorität poliert werden können.
Figurenliste

1 zeigt eine konzeptionelle Ansicht, die eine Glättungsbearbeitung zum Glätten einer erhabenen und vertieften Oberfläche eines polykristallinen Diamantfilms durch ein Diamantglättungsverfahren der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 zeigt einen Satz von konzeptionellen Ansichten, die eine Querschnittsform der erhabenen und vertieften Oberfläche des polykristallinen Diamantfilms aus 1 in vergleichender Art und Weise vor und nach der Glättungsbearbeitung zeigen.
3 zeigt ein Flussdiagramm zum Erklären von Schritten, die zum Ausführen der Glättungsbearbeitung durch das Diamantglättungsverfahren der vorliegenden Erfindung, wie in 1 gezeigt, implementiert sind.
4 zeigt einen Graphen, der ein Verhältnis zwischen einer Wellenlänge eines Laserlichts und eines Koeffizienten einer Absorption durch den Diamanten zeigt.
5 zeigt einen Graphen, der ein Verhältnis zwischen der Wellenlänge des Laserlichts und einem Koeffizienten der Absorption durch Sauerstoff zeigt.
6 zeigt eine konzeptionelle Ansicht zum Erklären einer Brechung und einer Reflexion des Laserlichts im einen Fall, bei dem das Laserlicht unter einem Einfallswinkel Θ von 0° auf die erhabene und vertiefte Oberfläche des polykristallinen Diamantfilms gestrahlt wird.
7 zeigt eine konzeptionelle Ansicht zum Erklären der Brechung und der Reflexion des Laserlichts in einem Fall, bei dem das Laserlicht unter dem Einfallswinkel Θ von 70° auf die erhabene und vertiefte Oberfläche des polykristallinen Diamantfilms gestrahlt wird.
8 zeigt einen Satz von Ansichten, die elektromikroskopische Aufnahmen einer Oberfläche des polykristallinen Diamantfilms vor und nach der Glättungsbearbeitung in vergleichender Art und Weise zeigen.
9 zeigt einen Satz von Ansichten, die elektromikroskopische Aufnahmen eines Querschnitts des polykristallinen Diamantfilms vor und nach der Glättungsbearbeitung in vergleichender Art und Weise zeigen.
10 zeigt eine Ansicht, die einen Abschnitt X in der Vergrößerung in der Ansicht aus 9 nach der Glättungsbearbeitung zeigt.
11 zeigt eine Ansicht zum Erklären eines Ergebnisses eines Tests, bei dem die Glättungsbearbeitung bei unterschiedlichen Glättungsbearbeitungsbedingungen ausgeführt wurde, und eine Oberflächenrauheit Ra und eine Summe T3 eines polierten Betrags des Diamanten und einer Dicke einer beeinträchtigten Schicht nach der Glättungsbearbeitung geprüft wurden.

Betriebsarten zum Ausführen der Erfindung
Das Diamantglättungsverfahren, beziehungsweise das Verfahren zum Glätten eines Diamanten der vorliegenden Erfindung ist beispielsweise vorteilhaft beim Glätten einer erhabenen und vertieften Oberfläche eines polykristallinen Diamantfilms zu verwenden. Jedoch kann das Verfahren der vorliegenden Erfindung ebenfalls zum Polieren und Entfernen von Vertiefungen und Erhebungen (wie beispielsweise von Vorsprüngen aufgrund eines anormalen Wachstums), die in Kristalloberflächen eines monokristallinen Diamanten verursacht werden. Der polykristalline Diamantfilm wird häufig als harte Beschichtung verwendet, die auf einem Schneidwerkzeug wie beispielsweise einem Schaftfräser, einem Gewindebohrer, einem Bohrer und Drehbankfräser, einem nicht-Schneidwerkzeug, bei dem eine Verschleißfestigkeit erforderlich ist, wie beispielsweise einem Walzwerkzeug und einer Stanze, beziehungsweise einem Stempel, oder einem beliebigen anderen Bauteil angebracht werden soll. Solch ein Diamant wird unter der bevorzugten Verwendung von beispielsweise einem CVD-Verfahren (chemisches Gasphasenabscheidungsverfahren), wie beispielsweise einem Mikrowellen-Plasma-CVD-Verfahren, einem Heißfilament-CVD-Verfahren und einem Hochfrequenzplasma präpariert. Weil es eine lange Zeit zum Wachsen der Kristalle braucht, ist es allgemein wünschenswert, einen polierten Betrag, beziehungsweise eine abgeschliffene Menge des Diamanten zum Glätten der Oberflächen zu verringern, um eine Verringerung der Filmdicke zu ermöglichen.
Bei dem Grenzwertenergiedichte-Erfassungsschritt kann die Grenzwertenergiedichte erfasst werden, indem eine Bestimmung durchgeführt wird, ob die Ablation vorhanden ist oder nicht, wobei die Bestimmung beispielsweise durch Erfassen des Plasmastroms durchgeführt wird, der als ein Ergebnis des Erzeugens von Plasma von dem Diamanten beim Auftreten der Ablation verursacht wird, während die Bestrahlungsenergiedichte kontinuierlich oder schrittweise geändert wird. Es ist jedoch ebenfalls möglich zu bestimmen, in welchem Zustand die Ablation aufgetreten ist, indem eine Änderung eines Zustands auf der Oberfläche und einem Querschnitt des Oberflächenschichtabschnitts durch ein Elektronenmikroskop beobachtet wird, während eine Bestrahlungsposition bewegt und die Bestrahlungsenergiedichte geändert wird. Darüber hinaus kann das Vorhandensein oder das nicht Vorhandensein der Ablation in einer von mehreren Arten bestimmt werden, wie beispielsweise einer Lumineszenzanalyse, die durchgeführt wird, wenn das Plasma beim Auftreten der Ablation erzeugt wird. Wenn eine Querschnittsfläche des Laserlichts konstant ist, kann eine Bestrahlungsenergie geändert werden, solange die Bestrahlungsenergiedichte durch Ändern der Bestrahlungsenergie entsprechend geändert wird, um es der Grenzwertenergiedichte zu ermöglichen erfasst zu werden.
Der Grenzwertenergiedichte-Erfassungsschritt kann beispielsweise jedes Mal implementiert werden, wenn die Glättungsbearbeitung für den Diamanten auszuführen ist. Wenn der Diamant jedoch im Aufbau konstant ist (nämlich die Kristallgröße, der Grad, die Dotierungselementen und dergleichen aufgrund der gleichen Technik, die für die Präparation verwendet wird, konstant sind) und Bestrahlungsbedingungen des Laserlichts konstant sind, ist die Grenzwertenergiedichte im Wesentlichen konstant, sodass die Grenzwertenergiedichte nicht notwendigerweise jedes Mal erfasst werden muss, wenn die Glättungsbearbeitung ausgeführt werden soll, solange sie einmal erfasst wurde, wenn die Glättungsbearbeitung zum ersten Mal ausgeführt wird. Bei dem Grenzwertenergiedichte-Erfassungsschritt wird es bevorzugt, dass die Grenzwertenergiedichte durch Ändern von nur der Bestrahlungsenergiedichte erfasst wird, während die anderen Bestrahlungsbedingungen wie beispielsweise Art, Wellenlänge, Oszillationsfrequenz und der Einfallswinkel des Laserlichts die gleichen sind, wie beim Ausführen der Glättungsbearbeitung. In Bezug auf den Einfallswinkel wird eine Einfallsfläche des Laserlichts in Abhängigkeit des Einfallswinkels Θ geändert, sodass ein Wert Y der Grenzwertenergiedichte im Falle des Einfallswinkels Θ≠0° einfach berechnet werden kann durch Y≈X/cosΘ, wobei „X“ einen Wert der Grenzwertenergiedichte im Fall des Einfallswinkels Θ=0° repräsentiert.
Obwohl die Glättungsbestrahlungsenergiedichte eingestellt ist, um innerhalb eines Bereiches von 1 bis 15 -mal so groß wie die Grenzwertenergiedichte zu sein, wird es bevorzugt, dass sie eingestellt ist, um innerhalb eines Bereichs von etwa 1 bis 10 -mal so groß wie die Grenzwertenergiedichte zu sein. Bei der Glättungsbearbeitung, die so ausgeführt wird, dass die Summe T3 (= T1 + T2) des polierten Betrags T1 des Diamanten aus den Böden der Vertiefungsabschnitte der erhabenen und vertieften Oberfläche und der Dicke T2 der beeinträchtigten Schicht der polierten Oberfläche nach der Glättungsbearbeitung 2,0µm oder weniger ist, und dass die Oberflächenrauheit Ra der polierten Oberfläche 0,2µm oder weniger beträgt, ist es zweckmäßig, dass die Kristallkorngröße des polykristallinen Diamantfilms eine Kristallkorngröße von 10,0µm oder weniger aufweist und die Oberflächenrauheit Ra 3,0µm oder weniger vor der Glättungsbearbeitung beträgt, und es wird bevorzugt, dass, vor der Glättungsbearbeitung, die Kristallkorngröße 500µm oder weniger beträgt und die Oberflächenrauheit Ra 2,0µm oder weniger beträgt. Es wird verstärkt bevorzugt, dass, vor der Glättungsbearbeitung, die Kristallkorngröße 3,0µm oder weniger beträgt und ist die Oberflächenrauheit Ra 1,0µm oder weniger beträgt. Die Glättungsbearbeitung der vorliegenden Erfindung kann jedoch ebenfalls in einem Fall ausgeführt werden, bei dem die Kristallkorngröße des polykristallinen Diamantfilms größer als 10µm ist. Die Oberflächenrauheit Ra kann vor der Glättungsbearbeitung ferner mehr als 3,0µm betragen.
Die beeinträchtigte Schicht der polierten Oberfläche (Diamantoberfläche) ist nach der Glättungsbearbeitung beispielsweise ein amorpher Abschnitt, der ein graphitierter Abschnitt des Diamanten ist. In einem Fall, bei dem das Verbliebene der beeinträchtigten Schicht abhängig von dem Verwendungszweck des Diamanten ein Problem darstellt, oder in einem Fall, bei dem es die Oberfläche erfordert weiter geglättet zu werden, kann die Oberfläche in einem zusätzlichen Bearbeitungsschritt nach Bedarf weiter poliert und entfernt werden. In einem Fall, bei dem der Diamant für ein Schneidwerkzeug verwendet wird, wird die beeinträchtigte Schicht in Form von Abriebpulver entfernt, sodass die beeinträchtigte Schicht nach der Glättungsbearbeitung erhalten bleiben kann.
Weil eine Absorption des Laserlichts durch Sauerstoff ansteigt, falls die Wellenlänge des Laserlichts kleiner als 190nm ist, ist es angebracht, dass die Wellenlänge des Laserlichts 190nm oder mehr beträgt, und bevorzugt, dass die Wellenlänge zum Ausführen der Glättungsbearbeitung durch das Laserlicht unter Atmosphäre 220nm oder mehr beträgt. Weil eine Transmissionsmenge des Laserlichts in den Diamanten ansteigt, falls die Wellenlänge des Laserlichts größer als 270nm ist, ist es angebracht, dass die Wellenlänge 270nm oder weniger beträgt, um eine Beeinträchtigung des Laserlichts in dem Diamanten zu unterdrücken. Insbesondere ist es vorteilhaft, einen KrCI-Excimer-Laser, dessen Wellenlänge bei 222nm liegt, einen KrF-Excimer-Laser, dessen Wellenlänge bei 248nm liegt, einen YAG-Leser (vierte harmonische Welle), dessen Wellenlänge bei 266nm liegt, oder dergleichen zu verwenden. Jedoch kann jede andere Lichtquelle ebenfalls verwendet werden. Es ist ebenfalls möglich ein Laserlicht zu verwenden, dessen Wellenlänge kleiner als 190nm ist, und ein Laserlicht zu verwenden, dessen Wellenlänge größer als 270nm ist. Es ist angebracht, dass der Einfallswinkel des Laserlichts in Bezug auf die erhabene und vertiefte Oberfläche 25° oder weniger beträgt, und es ist wünschenswert, dass der Einfallswinkel 10° oder weniger beträgt. Es ist jedoch ebenfalls möglich zu veranlassen, dass das Laserlicht unter einem Einfallswinkel größer als 25° abgestrahlt wird.
Ausführungsbeispiel
Hier im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit Bezug zu den Zeichnungen im Detail beschrieben.
1 zeigt eine konzeptionelle Ansicht, die eine Glättungsbearbeitung zum Glätten einer erhabenen und vertieften Oberfläche 14 eines polykristallinen Diamantfilms 12 unter Verwendung eines Diamantglättungsverfahrens der vorliegenden Erfindung zeigt. Der polykristalline Diamantfilm 12 wird auf eine flache obere Oberfläche eines Substrats 10 beschichtet, das beispielsweise aus Sinterkarbid oder dergleichen hergestellt ist. Dieser polykristalline Diamantfilm 12 wird durch ein Mikrowellenplasma-CVD-Verfahren ausgebildet, wobei seine Kristallkorngröße bei 10,0µm oder weniger liegt und seine Oberflächenrauheit Ra 3,0µm oder weniger beträgt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Kristallkorngröße 3,0µm oder weniger und beträgt die Oberflächenrauheit Ra etwa 0,5µm. 2 zeigt einen Satz von konzeptionellen Ansichten, die in einer Vergrößerung eine Querschnittform eines Oberflächenabschnitts des polykristallinen Diamantfilms 12 zeigen, wobei die Ansicht (a) einen Zustand vor dem Ausführen der Glättungsbearbeitung zeigt, und die Ansicht (b) einen Zustand nach dem Ausführen der Glättungsbearbeitung zeigt. In dem Zustand vor der Glättungsbearbeitung ist eine Vielzahl von erhabenen Abschnitten 14p in der erhabenen und vertieften Oberfläche 14 vorhanden, wie es in der Ansicht (a) gezeigt ist. Andererseits weist eine polierte Oberfläche 16 nach der Glättungsbearbeitung eine relativ glatte erhabene und vertiefte Form auf, wie es in der Ansicht (b) gezeigt ist. Jeder der erhabenen Abschnitte 14p der erhabenen und vertieften Oberfläche 14 ist ein distaler Endabschnitt in einer Kristallwachstumsrichtung eines Diamantkristalls, der die Form eines Oktaeders oder Dodekaeders aufweist, und in den meisten Fällen eine quadratisch-pyramidale Form aufweist. Der polykristalline Diamantfilm 12 ist ein Diamant, der der Glättungsbearbeitung unterzogen wird.
1 zeigt eine Laserlichtbestrahlungsvorrichtung 20, die eine Vorrichtung ist, die dazu eingerichtet ist, um die Glättungsbearbeitung durch Bestrahlung eines Laserlichts 22 auf die erhabene und vertiefte Oberfläche 14 auszuführen. Die Laserlichtbestrahlungsvorrichtung 20 umfasst eine Lichtquelle (Laseroszillator) zum erzeugen des Laserlichts 22, und eine zylindrische Linse zum konzentrieren des Laserlichts 22 in eine vorbestimmte Form. Die Wellenlänge des Laserlichts 22 liegt in einem Bereich von 190nm bis 270nm, und die Oszillationsfrequenz beträgt etwa 100Hz. Als die Lichtquelle ist es beispielsweise vorteilhaft einen ArF-Excimer-Laser, dessen Wellenlänge bei 193 nm liegt, einen KrCI-Excimer-Laser, dessen Wellenlänge bei 222nm liegt, einen KrF-Excimer-Laser, dessen Wellenlänge bei 248nm liegt, einen YAG-Laser (vierte harmonische Welle), dessen Wellenlänge bei 266nm liegt, oder dergleichen zu verwenden.
Falls die Wellenlänge des Laserlichts 22 kleiner als 190nm ist, erhöht sich eine Absorption des Laserlichts 22 durch Sauerstoff, wie in 5 gezeigt. Es ist daher angemessen, dass die Wellenlänge des Laserlichts 22 zum Ausführen der Glättungsbearbeitung durch das Laserlicht 22 unter Atmosphäre bei 190nm oder mehr liegt. Falls die Wellenlänge des Laserlichts 22 ferner größer als 270nm ist, wird eine Absorption des Laserlichts 22 durch den Diamanten verringert und eine Transmissionsmenge des Laserlichts 22 in den Diamanten wird entsprechend erhöht, wie in 4 gezeigt. Es ist daher zweckmäßig, dass die Wellenlänge 270nm oder weniger beträgt, um einen Beeinträchtigung des Laserlichts 22 in dem Diamanten zu unterdrücken.
Die Laserlichtbestrahlungsvorrichtung 20 umfasst ferner: Eine Bestrahlungsenergiedichte-Anpassungsvorrichtung zum Anpassen einer Bestrahlungsenergiedichte E des Laserlichts 22; eine Einfallswinkel-Anpassungsvorrichtung zum Anpassen eines Einfallswinkels Θ des Laserlichts 22 in Bezug auf die erhabene und vertiefte Oberfläche 14; und eine Abtastvorrichtung zum Bewegen einer Bestrahlungsposition des Laserlichts 22 relativ zu der erhabenen und vertieften Oberfläche 14 in Richtungen parallel zu der erhabenen und vertieften Oberfläche 14. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Einfallswinkel Θ auf einen vorbestimmten Wert eingestellt, der 25° oder weniger beträgt. Jeder der erhabenen Abschnitte 14p der erhabenen und vertieften Oberfläche 14 ist ein distaler Endabschnitt des Diamantkristalls, der die quadratisch-pyramidale Form aufweist, die hauptsächlich nach oben ragt. Weil die Oberfläche des Diamantkristalls der (111)-Ebene entspricht und um einen Winkel von etwa 35° in Bezug auf eine vertikale Richtung geneigt ist, können die erhabenen Abschnitte 14p durch das Laserlicht 22 mit einem Einfallswinkel von 25° und oder weniger effizient poliert werden. 6 zeigt einen Fall, bei dem der Einfallswinkel Θ des Laserlichts 22 0° beträgt, und bei dem das Laserlicht 22 auf jeden der erhabenen Abschnitte 14p aufgrund von Refraktion (Ein-Punkt-Kettenlinie) des Laserlichts 22 an den Oberflächen jedes der erhabenen Abschnitte 14p konzentriert ist, während reflektiertes Licht (gestrichelte Linie) an den Oberflächen jedes der erhabenen Abschnitte 14p ebenfalls auf die benachbarten erhabenen Abschnitte 14p einfällt, sodass die erhabenen Abschnitte 14p mit höherer Priorität effizient poliert werden. Andererseits zeigt 7 einen Fall, bei dem der Einfallswinkel Θ des Laserlichts 22 70° beträgt, und bei dem das Laserlicht 22 nur auf eine Seitenoberfläche jedes der erhabenen Abschnitte 14p mit einem Winkel einfällt, der fast senkrecht zu der Oberfläche ist, und wird nicht auf eine andere Seitenoberfläche jedes der erhabenen Abschnitte 14p gestrahlt. In dem Fall aus 7 wird das reflektierte Licht ferner nach oben bewegt, um nicht zum Polieren jedes der erhabenen Abschnitte 14p beizutragen, was eine schlechte Poliereffizienz zur Folge hat, und das Laserlicht 22 wahrscheinlich in das Innere des polykristallinen Diamantfilms 12 eintritt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Abtastgeschwindigkeit V zweckmäßigerweise auf einen Wert innerhalb eines Bereichs von etwa 100-500µm/s eingestellt.
In Bezug auf die Bestrahlungsenergiedichte E wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, wie in dem Flussdiagramm aus 3 gezeigt, eine Grenzwertenergiedichte Es in Schritt S1 erfasst, und eine Glättungsbestrahlungsenergiedichte Ef wird in Schritt S2 auf Grundlage der Grenzwertenergiedichte E bestimmt. Zusätzlich zum Bestimmen der Glättungsbestrahlungsenergiedichte Ef werden in Schritt S2 Glättungsbearbeitungsbedingungen wie beispielsweise der Einfallswinkel Θ, eine Abtastgeschwindigkeit V, und eine Anzahl N von Abtastungen durch einen Bediener bestimmt. In Schritt S3 wird dann die Laserlichtbestrahlungsvorrichtung 20 gemäß den bestimmten Glättungsbearbeitungsbedingungen betrieben, sodass das Laserlicht 22 auf die erhabene und vertiefte Oberfläche 14 des polykristallinen Diamantfilms 12 gestrahlt wird, wodurch die Glättungsbearbeitung automatisch ausgeführt wird. Schritt S1, der implementiert ist, um die Grenzwertenergiedichte Es zu erfassen, entspricht einem Grenzwertenergiedichte-Erfassungsschritt. Die Schritte S2 und S3, die implementiert sind, um die Glättungsbestrahlungsenergiedichte Ef und die anderen Glättungsbearbeitungsbedingungen auf Grundlage der Grenzwertenergiedichte Es zu bestimmen und die Glättungsbearbeitung auszuführen, entsprechen einem Glättungsbearbeitungsschritt.
Die polierte Oberfläche 16 des polykristallinen Diamantfilms 12 weist nach der Glättungsbearbeitung eine leicht erhabene und vertiefte Form als Ergebnis des Beseitigens der stark erhabenen Abschnitte 14p auf, die vor der Glättungsbearbeitung vorhanden waren, wie es in der Ansicht (b) aus 2 schematisch gezeigt ist. Darüber hinaus wird eine beeinträchtigte Schicht 18, die durch die Bestrahlung mit dem Laserlicht 22 beeinträchtigt war, in dem Oberflächenschichtabschnitt der polierten Oberfläche 16 ausgebildet. Diese beeinträchtigte Schicht 18 ist ein amorpher Abschnitt, der ein Abschnitt des Diamanten darstellt, der durch Bestrahlung des Laserlicht 22° graphitiert wurde. 8 bis 10 zeigen elektromikroskopische Aufnahmen des eigentlichen polykristallinen Diamantfilms 12, wobei die Ansicht (a) aus 8 die erhabene und vertiefte Oberfläche 14 vor der Glättungsbearbeitung zeigt, die Ansicht (b) aus 8 die polierte Oberfläche 16 nach der Glättungsbearbeitung zeigt, die Ansicht (a) aus 9 einen Querschnitt des polykristallinen Diamantfilms 12 vor der Glättungsbearbeitung zeigt, und die Ansicht (b) aus 9 den Querschnitt des polykristallinen Diamantfilms 12 nach der Glättungsbearbeitung zeigt. 10 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme, die in einer weiteren Vergrößerung einen Teil X in der Ansicht (b) aus 9 zeigt. In 2 und 9 ist ein Ausmaß T1 ein Abstand (Durchschnittswert) von Böden der vertieften Abschnitte der erhabenen und vertieften Oberfläche 14 zu der polierten Oberfläche 16 und entspricht einem polierten Betrag, beziehungsweise einem Polierbetrag (Polierzugabe) des polykristallinen Diamantfilms 12, der durch die Glättungsbearbeitung entfernt wird. Ferner ist in 2 und 9 ein Ausmaß T2 eine Dicke (Durchschnittswert) der beeinträchtigten Schicht 18. Ein in 2 gezeigtes Ausmaß T3 entspricht einer Summe (T1 + T2) des polierten Betrags T1 und der Dicke T2 der beeinträchtigten Schicht.
Die Grenzwertenergiedichte Es, die in dem oben beschriebenen Schritt S1 erfasst wird, ist ein unterer Grenzwert der Bestrahlungsenergiedichte E, die die Ablation durch Einstrahlung des Laserlicht 22 auf die erhabene und vertiefte Oberfläche 14 zum Auftreten veranlasst, und kann unter Verwendung einer in 1 gezeigten Ablationserfassungsvorrichtung 30 erfasst werden. Die Ablationserfassungsvorrichtung 30 ist dazu eingerichtet, um, wenn das Laserlicht 22 auf die erhabene und vertiefte Oberfläche 14 des polykristallinen Diamantfilms 12 gestrahlt wird, einen Plasmastrom Ip zu erfassen, der von einem Plasma erzeugt werden soll, das beim Auftreten der Ablation in dem Diamanten erzeugt wird, und umfasst eine Sonde 32, die aus einer Metallstange, einer Platte oder dergleichen besteht, die eine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Die Sonde 32 ist durch ein Amperemeter 34 mit Masse verbunden. Wenn das Plasma beim Auftreten der Ablation erzeugt wird, wird ein Elektron von seinem positiven Ion angezogen, um von der Masse 36 zu der Sonde 32 bewegt zu werden, wodurch der Plasmastrom Ip verursacht wird, sodass das Auftreten der Ablation durch Erfassen des Plasmastroms Ip durch das Amperemeter 34 erfasst wird.
Das heiß, zuerst wird die Laserlichtbestrahlungsvorrichtung 20 auf die gleichen Bestrahlungsbedingungen eingestellt, wie bei dem Ausführen der Glättungsbearbeitung in dem oben beschriebenen Schritt S3. Insbesondere werden die Lichtquellen, die Wellenlänge, die Oszillationsfrequenz, der Einfallswinkel Θ und dergleichen des Laserlichts 22 gleich wie bei dem Ausführen der Glättungsbearbeitung eingestellt. Bei der in 11 gezeigten Testprobe 5 beispielsweise wird der KrF-Excimer-Laser, dessen Wellenlänge bei 248nm liegt, als Lichtquelle verwendet und der Einfallswinkel Θ ist auf 0° eingestellt. Die Oszillationsfrequenz des Laserlichts 22 beträgt 100Hz. Dann wird der Plasmastrom Ip durch die Ablationserfassungsvorrichtung 30 gemessen, während die Bestrahlungsenergiedichte E durch die Bestrahlungsenergiedichte-Anpassungsvorrichtung kontinuierlich oder schrittweise geändert wird, wobei die Bestrahlungsenergiedichte E beim Erzeugen des Plasmastroms Ip als die Grenzwertenergiedichte Es erfasst wird. Die Bestrahlungsenergiedichte-Anpassungsvorrichtung ist in der Lage mindestens eine Bestrahlungsenergiemenge oder eine Querschnittsfläche des Laserlichts 22 zu ändern. Die Erfassung der Grenzwertenergiedichte Es kann vollzogen werden, indem das Vorhandensein oder das nicht Vorhandensein des Plasmastroms Ip durch eine visuelle Beobachtung des Amperemeters 34 durch den Betreiber bestimmt wird, und die Bestrahlungsenergiedichte E beim Erzeugen des Plasmastroms Ip dann als die Grenzwertenergiedichte Es erfasst wird. Es ist jedoch ebenfalls möglich, die Grenzwertenergiedichte Es durch automatisches Ändern der Bestrahlungsenergiedichte E gemäß einem vorbestimmten Programm in einer Anordnung zu erfassen, bei der die Laserlichtbestrahlungsvorrichtung 20 und das Amperemeter 34 mit einem Computer oder dergleichen verbunden sind.
Die Grenzwertenergiedichte Es ist abhängig von dem Aufbau des polykristallinen Diamantfilms 12, sodass die Grenzwertenergiedichte Es im Wesentlichen konstant ist, wenn die Kristallgröße, der Grad, die Dotierungselemente oder dergleichen aufgrund der gleichen Technik, die für die Präparation des polykristallinen Diamantfilms 12 verwendet wird, konstant sind und ebenfalls die Bestrahlungsbedingungen, wie beispielsweise die Wellenlänge des Laserlichts 22, konstant sind. In einem Fall, bei dem der polykristalline Diamantfeld 12, der der Glättungsbearbeitung unterzogen wird, im Aufbau konstant ist, beispielsweise in einem Fall, bei dem eine Vielzahl von Schneidwerkzeugen oder dergleichen, die mit dem gleichen polykristallinen Diamantfilm 12 beschichtet sind, der Glättungsbearbeitung unterzogen werden, die bei den gleichen Bestrahlungsbedingungen ausgeführt wird, ist es daher nicht erforderlich, dass die Grenzwertenergiedichte Es jedes Mal erfasst werden muss, wenn die Glättungsbearbeitung ausgeführt werden soll, solange sie einmal erfasst wurde, wenn die Glättungsbearbeitung das erste Mal ausgeführt werden soll. Wenn ferner nur der Einfallswinkel Θ variiert, ist es möglich, die Grenzwertenergiedichte Es durch eine Berechnung zu erlangen, die auf Grundlage einer Differenz der Bestrahlungsfläche, die an einer Variation des Einfallswinkels Θ liegt, durchgeführt wird.
In dem oben beschriebenen Schritt S2 wird die Glättungsbestrahlungsenergiedichte Ef zum Ausführen der Glättungsbearbeitung auf Grundlage der Grenzwertenergiedichte Es bestimmt. Die Glättungsbestrahlungsenergiedichte Ef ist ein Wert, der nicht kleiner als die Grenzwertenergiedichte Es ist, und ist eingestellt, um innerhalb eines Bereichs von 1 bis 15 -mal so groß wie die Grenzwertenergiedichte Es in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zu sein. Das heißt, bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Glättungsbestrahlungsenergiedichte Ef auf den Wert innerhalb des Bereichs von 1 bis 15 -mal so groß wie die Grenzwertenergiedichte Es durch Experimente eingestellt, die vor der Glättungsbearbeitung durchgeführt wurden, sodass durch Ausführen der Glättungsbearbeitung die Summe T3 des polierten Betrags T1 und der beeinträchtigten Schichtdicke T2 2,0µm oder weniger wird und die Oberflächenrauheit Ra der polierten Oberfläche 16 0,2µm oder weniger wird.
Bei dem Diamantglättungsverfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird die Grenzwertenergiedichte Es, die es möglich macht ein Auftreten der Ablation zu veranlassen, erfasst, und die Glättungsbearbeitung wird mit der Glättungsbestrahlungsenergiedichte Ef ausgeführt, die auf Grundlage der erfassten Grenzwertenergiedichte Es bestimmt wird. Es ist daher möglich die Glättungsbearbeitung mit der Grenzwertenergiedichte Es entsprechend auszuführen, die es notwendigerweise möglich macht, die Ablation zu veranlassen aufzutreten, selbst wenn die Grenzwertenergiedichte Es, die die Ablation veranlasst aufzutreten, in Abhängigkeit von der Kristallgröße, dem Grad, den Dotierungselementen und dergleichen des polykristallinen Diamantfilms 12 variiert.
Weil die Glättungsbestrahlungsenergiedichte Ef auf einen niedrigen Wert eingestellt ist, der innerhalb eines Bereichs von 1 bis 15 -mal so groß wie die Grenzwertenergiedichte Es liegt, wird die Transmission des Laserlichts 22 in den polykristallinen Diamantfilm 12 unterdrückt, sodass die erhabenen Abschnitte 14p der erhabenen und vertieften Oberfläche 14 mit hoher Priorität poliert und entfernt werden, wobei die polierte Oberfläche auf einen vorbestimmten Wert der Oberflächenrauheit Ra mit einer Verringerung des polierten Betrags T1 von den Böden der vertieften Abschnitte der erhabenen und vertieften Oberfläche 14 geglättet werden kann. Das heißt, bei dem polykristallinen Diamantfilm 12, der der Glättungsbearbeitung mit dem niedrigen Wert der Glättungsbestrahlungsenergiedichte Ef unterzogen wurde, sind Kristalle, die die Erhebungen und Vertiefungen der erhabenen und vertieften Oberfläche 14 bereitstellen, verschwunden, und eine amorphe und leicht erhabene und vertiefte Oberfläche kann als die polierte Oberfläche 16 selbst mit einer Verringerung des polierten Betrags T1 erhalten werden, anders als nach einem mechanischen Polieren, beziehungsweise Schleifen. Obwohl die amorphe beeinträchtigte Schicht 18 auf der polierten Oberfläche 16 nach der Glättungsbearbeitung ausgebildet ist, ist die Beeinträchtigung aufgrund einer geringen Transmission des Laserlichts 22 in dem polykristallinen Diamantfilm 12 nur auf einen Abschnitt nahe der Oberfläche begrenzt, sodass die Dicke T2 der beeinträchtigten Schicht 18 klein ist, beispielsweise etwa 0,5µm oder weniger.
Mit der Summe T3 des polierten Betrags T1 und der Dicke T2 der beeinträchtigten Schicht 18, die ein kleiner Wert von 2,0µm oder weniger ist, kann die Glättungsbearbeitung somit derart gestaltet werden, um die Oberflächenrauheit Ra von 0,2µm oder weniger zu erhalten, sodass es möglich ist, die Herstellungskosten beispielsweise durch Verringern der Filmdicke des polykristallinen Diamantfilms 12 vor der Glättungsbearbeitung zu verringern. Beispielsweise bei dem Fall der in 11 gezeigten Testprobe 5, war die Glättungsbestrahlungsenergie Ef einmal so groß wie die Bestrahlungsenergiedichte Es, betrug die Oberflächenrauheit Ra nach der Glättungsbearbeitung etwa 0,10µm , und war die Summe T3 des polierten Betrags T1 und der beeinträchtigten Schichtdicke T2 etwa 0,5µm, wobei der polierte Betrag T1 etwa 0,3µm betrug und die beeinträchtigte Schichtdicke T2 etwa 0,2µm betrug.
Ferner besteht bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der polykristalline Diamantfilm 12 aus dem mikrokristallinen Diamanten, dessen Kristallkorngröße 3,0µm oder weniger beträgt, und die Oberflächenrauheit Ra etwa 0,5µm beträgt, sodass die Glättungsbearbeitung entsprechend derart ausgeführt werden kann, dass die Summe T3 des polierten Betrags T1 und der beeinträchtigten Schichtdicke T2 2,0µm oder weniger werden und die Oberflächenrauheit Ra 0,2µm oder weniger wird.
Darüber hinaus ist die Ablationserfassungsvorrichtung 30 dazu eingerichtet, um den Plasmastrom Ip zu erfassen, der beim Auftreten der Ablation erzeugt wird, das heißt sie ist in der Lage, das Vorhandensein oder das nicht Vorhandensein der Ablation auf Grundlage des Plasmastroms Ip einfach zu erfassen, wodurch es ermöglicht wird, die Grenzwertenergiedichte Es auf einfache Art und Weise mit hoher Genauigkeit zu erfassen.
Darüber hinaus beträgt die Wellenlänge des Laserlichts 22 270nm oder weniger, sodass die Transmission des Laserlichts 22 in den polykristallinen Diamantfilm 12 unterdrückt wird, wodurch das Polieren und Entfernen zweckmäßigerweise hauptsächlich in einem Oberflächenschichtabschnitt des polykristallinen Diamantfilms 12 durchgeführt werden kann. Weil die Wellenlänge des Laserlichts 22 190nm oder mehr beträgt, wird ferner die Absorption des Laserlichts 22 durch Sauerstoff unterdrückt, sodass die Glättungsbearbeitung durch das Laserlicht 22 auf einfache Art und Weise unter Atmosphäre durchgeführt werden kann.
Ferner beträgt der Einfallswinkel Θ des Laserlichts 22 25° oder weniger, sodass in einem Fall, bei dem das Laserlicht 22 auf die erhabenen Abschnitte 14p der erhabenen und vertieften Oberfläche 14 gestrahlt wird, das Laserlicht 22 gebrochen wird und, um konzentriert zu werden, in Richtung des Inneren der erhabenen Abschnitte 14p geleitet wird und ebenfalls reflektiert wird, um einfach auf benachbarte erhabenen Abschnitte 14p gestrahlt zu werden. Das heißt, die Transmission des Laserlicht 22 in den polykristallinen Diamantfilm 12 und nutzlose beziehungsweise unerwünschte Reflexionen des Laserlichts 22 werden unterdrückt, sodass das Laserlicht 22 effizient auf die erhabenen Abschnitte 14p der erhabenen und vertieften Oberfläche 14 konzentriert wird, wobei die erhabenen Abschnitte 14p mit hoher Priorität effizient poliert werden können. Es ist somit möglich, den polierten Betrag T1 bei der Glättungsbearbeitung zum Erhalten eines vorbestimmten Werts der Oberflächenrauheit Ra weiter entsprechend zu verringern.
Hier ist ein Ergebnis eines Tests erklärt, bei dem die Glättungsbearbeitung für die erhabene und vertiefte Oberfläche 14 des polykristallinen Diamantfilms 12 von jeder der Testproben 1-16 unter Verwendung eines entsprechenden einer Vielzahl von Glättungsverfahren einschließlich des Glättungsverfahrens des vorliegenden Ausführungsbeispiels ausgeführt wurde, und die Oberflächenrauheit Ra und die Summe T3 des polierten Betrags T1 und der beeinträchtigten Schichtdicke T2 nach der Glättungsbearbeitung überprüft wurden, wie in 11 gezeigt. Jede der Testproben 1-11 ist ein Produkt des vorliegenden Ausführungsbeispiels und wurde der Glättungsbearbeitung unterzogen, bei der die Wellenlänge des Laserlichts 22 in einem Bereich von 190-270nm liegt, der Einfallswinkel Θ 25° oder weniger beträgt, und die Glättungsbestrahlungsenergiedichte Ef innerhalb eines Bereichs von 1 bis 15 - mal so groß wie die Grenzwertenergiedichte Es liegt. Jede der Testproben 12-16 wurde der Glättungsbearbeitung unterzogen, bei der ein grauer Teil (Spalte mit Streupunkten, beziehungsweise Scatter Points versehen) der Wellenlänge, des Einfallswinkels und der Glättungsbestrahlungsenergiedichte Ef von der entsprechenden Vorgabe abwich. Die Glättungsbearbeitungen wurden für die jeweiligen Testproben 1-16 mit Ausnahme der Wellenlänge, des Einfallswinkels, und der Glättungsbestrahlungsenergiedichte Ef mit den gleichen Glättungsbearbeitungsbedingungen ausgeführt, sodass die Abtastgeschwindigkeit V 300 µm/s war, die Anzahl N von Abtastungen 1 war, und die Ausführungen unter Atmosphäre durchgeführt wurde, und sodass die Oberflächenrauheit Ra des polykristallinen Diamantfilms 12 vor der Glättungsbearbeitung etwa 0,5µm betrug.
Bei der Testprobe 5-7, 14, und 16 beispielsweise, bei der die Wellenlänge des Laserlichts 22 248(nm) betrug und der Einfallswinkel Θ 0° war, war die Grenzwertenergiedichte Es die gleiche und betrug 3,5 (J/cm²) bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel.
Die Glättungsbestrahlungsenergiedichte Ef wird als eine Vergrößerung der Grenzwertenergiedichte Es dargestellt. Bei der Testprobe 5, bei der die Vergrößerung eins war, betrug die Glättungsbestrahlungsenergiedichte Ef 3,5 (J/cm²). Bei den Testproben, bei denen Werte der Wellenlänge des Laserlichts 22 sich voneinander unterschieden, wurden entsprechende Werte der Grenzwertenergiedichte Es unter Verwendung der Ablationserfassungsvorrichtung 30 unabhängig voneinander erhalten und entsprechende Werte der Glättungsbestrahlungsenergiedichte Ef wurden in Abhängigkeit der jeweiligen Werte der Vergrößerung bestimmt. Bei den Testproben, bei denen sich Werte des Einfallswinkels Θ des Laserlichts 22 ebenfalls voneinander unterschieden, konnten entsprechende Werte der Grenzwertenergiedichte Es im Vorfeld durch Verwendung der Ablationserfassungsvorrichtung 30 experimentell erhalten werden. Jedoch kann ein Wert Y der Grenzwertenergiedichte im Fall des Einfallswinkels von Θ≠0° auf einfache Weise berechnet werden, beispielsweise gemäß Y≈X/cosΘ, wobei „X“ einen Wert der Grenzwertenergiedichte in einem Fall repräsentiert, bei dem der Einfallswinkel Θ=0° ist.
Die Oberflächenrauheit Ra nach der Glättungsbearbeitung, die in 11 angegeben ist, ist ein Wert, der durch ein Lasermikroskop mit einer Wellenlänge von 405nm, einer Messlänge von 129µm, und einem Cutoff von 80µm gemessen wurde. Die Oberflächenrauheit Ra vor der Glättungsbearbeitung wurde ebenfalls mit dem gleichen Messverfahren gemessen. Die Summe T3 (Durchschnittswert) des polierten Betrags T1 und der beeinträchtigten Schichtdicke T2 wurde durch eine Querschnittsbeobachtung unter Verwendung eines Elektronenmikroskops gemessen. In Bezug auf die Oberflächenrauheit Ra wurden diese als Erfolge ausgewertet, die einen Wert von 0,2µm oder weniger aufwiesen. Jeder graue Teil (Spalte mit Streupunkten, beziehungsweise Scatter Points versehen) repräsentiert einen Fehler. Jede der Testproben 1-11, die Produkte des vorliegenden Ausführungsbeispiels sind, erfüllt die Erfolgsvoraussetzungen, das heißt die Oberflächenrauheit Ra von 0,2µm oder weniger und die Summe T3 von 2,0µm oder weniger.
Bei der Testprobe 12, bei der die Wellenlänge 108nm betrug, wird davon ausgegangen, dass die erhabene und vertiefte Oberfläche 14 nicht entsprechend poliert werden konnte, weil die Absorption des Laserlichts 22 durch Sauerstoff zu groß war. Bei der Testprobe 13, bei der der Einfallswinkel Θ 30° betrug, wird davon ausgegangen, dass die erhabene und vertiefte Oberfläche 14 nicht entsprechend poliert werden konnte, weil das Laserlicht 22 nicht ausreichend auf die erhabenen Abschnitte 14p konzentriert war. Bei den Testproben 12 und 13 gibt es eine Möglichkeit, dass die Oberflächenrauheit Ra beispielsweise durch Verringern der Abtastgeschwindigkeit V oder Erhöhen der Anzahl N von Abtastungen auf 0,2µm oder weniger reduziert werden konnte.
Bei der Testprobe 14, bei der die Glättungsbestrahlungsenergiedichte Ef 20-mal so groß wie die Grenzwertenergiedichte Es war, wird davon ausgegangen, dass das Laserlicht 22 tief in den polykristallinen Diamantfilm 12 eingedrungen ist, weil die Glättungsbestrahlungsenergiedichte Ef zu groß war, sodass der polierte Betrag T1 und die beeinträchtigte Schichtdicke T2 groß wurden. Bei der Testprobe 15, bei der die Wellenlänge 351nm betrug, wird davon ausgegangen, dass eine Menge der Transmission des Laserlichts 22 in den polykristallinen Diamantfilm 12 groß gemacht wurde, sodass der polierte Betrag T1 und die beeinträchtigte Schichtdicke T2 groß wurden. Bei der Testprobe 16, bei der die Glättungsbestrahlungsenergiedichte Ef 0,5-mal so groß wie die Grenzwertenergiedichte Es war, konnte die erhabene und vertiefte Oberfläche 14 des polykristallinen Diamantfilms 12 überhaupt nicht poliert werden, weil die Ablation nicht aufgetreten ist.
Während das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben wurde, gilt es zu verstehen, dass das beschriebene Ausführungsbeispiel eine ausgestaltete Form ist, und dass die vorliegende Erfindung mit unterschiedlichen Modifikationen und Verbesserungen auf Grundlage des Wissens des Fachmanns ausgestaltet werden kann.
Bezugszeichenliste

12:: polykristalliner Diamantfilm (Diamant)
14:: erhabene und vertiefte Oberfläche
16:: polierte Oberfläche
18:: beeinträchtigte Schicht
22:: Laserlicht
Es:: Grenzwertenergiedichte
Ef:: Glättungsbestrahlungsenergiedichte
Θ:: Einfallswinkel
Ip:: Plasmastrom
T1:: polierter Betrag
T2:: beeinträchtigte Schichtdicke
T3:: Summe
S1:: Grenzwertenergiedichte-Erfassungsschritt
S2,S3:: Glättungsbearbeitungsschritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP H640797 A [0002]
JP H740336 A [0002]
JP H741387 A [0002]
JP H8267259 A [0002]
JP 2012176471 A [0002]

Claims

Diamantglättungsverfahren, bei dem ein Laserlicht auf eine erhabene und vertiefte Oberfläche eines Diamanten gestrahlt wird, um die erhabene und vertiefte Oberfläche durch Ablation zu glätten, die durch Bestrahlen des Laserlichts auf die erhabene und vertiefte Oberfläche zum Auftreten in dem Diamanten veranlasst wird, wobei das Diamantglättungsverfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es umfasst: einen Grenzwertenergiedichte-Erfassungsschritt, bei dem das Laserlicht auf die erhabene und vertiefte Oberfläche gestrahlt wird, und bei dem eine Bestrahlungsenergiedichte des Laserlichts geändert wird, um eine Grenzwertenergiedichte, die das Auftreten der Ablation veranlasst, als einen unteren Grenzwert der Bestrahlungsenergiedichte zu erfassen; und einen Glättungsbearbeitungsschritt, bei dem eine Glättungsbearbeitung durch Bestrahlen des Laserlichts auf die erhabene und vertiefte Oberfläche mit einer Glättungsbestrahlungsenergiedichte ausgeführt wird, die derart eingestellt ist, um in einem Bereich von 1 bis 15 -mal so groß wie die Grenzwertenergiedichte zu liegen, wobei die Glättungsbearbeitung bei dem Glättungsbearbeitungsschritt derart ausgeführt wird, dass eine Summe eines polierten Betrags des Diamanten aus Böden von Vertiefungsabschnitten der erhabenen und vertieften Oberfläche und einer Dicke einer beeinträchtigten Schicht einer polierten Oberfläche nach der Glättungsbearbeitung 2,0µm oder weniger wird, und derart, dass eine Oberflächenrauheit Ra der polierten Oberfläche 0,2µm oder weniger wird.
Diamantglättungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der der Glättungsbearbeitung unterzogene Diamant ein polykristalliner Diamantfilm ist, der aus einem mikrokristallinen Diamanten besteht, der eine Kristallkorngröße von 10,0µm oder weniger aufweist, und der eine Oberflächenrauheit Ra von 3,0µm oder weniger aufweist.
Diamantglättungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwertenergiedichte-Erfassungsschritt implementiert ist, um durch Erfassen eines beim Auftreten der Ablation verursachten Plasmastroms zu bestimmen, ob die Ablation vorhanden ist.
Diamantglättungsverfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht eine Wellenlänge innerhalb eines Bereichs von 190-270nm aufweist.
Diamantglättungsverfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht unter einem Einfallswinkel von 25° oder weniger auf die erhabene und vertiefte Oberfläche einfällt.