Владимир Карасев - Неизвестный алмаз. «Артефакты» технологии

По нашим оценкам, размер этих кластеров находится в диапазоне 3÷350 нм в зависимости от условий волнового возбуждения при формировании поверхности алмаза. Заметим, что изменение поверхностной энергии при удалении кластеров не превышает 10–14 Дж, т. е. имеет место энергетический выигрыш в этом процессе, что является косвенным подтверждением реализации механизма удаления материала в виде нанокластеров.

В морфологических мотивах рельефа реальных поверхностей, обработанных последовательно от уровня их шероховатости 4,43 нм до 0,52 нм в условиях когерентного волнового возбуждения, надежно наблюдаются мелкие детали высотой (15÷3) нм соответственно. В специальных условиях обработки шероховатость может достигать величины ~0,2 нм.

Контроль параметров морфологии шероховатости поверхности алмаза (шероховатость Ra, среднеквадратическая шероховатость Rq, размах высот Rmax) проводился на атомно-силовых микроскопах (ACM) марки Р4 Solver и Р47 Solver фирмы NT MDT (Россия) и рассчитывался по стандарту, заложенному в программном обеспечении микроскопа.

Разработанный нами кинематический принцип независимого двухосевого движения обрабатывающего инструмента является инновационным и открывает новые ранее неизвестные возможлюсти в обработке кристаллов алмаза [12].

Далее мы приведем примеры экспериментальных результатов воздействия на кристаллы алмаза. Эти результаты еще ждут своего детального объяснения и описания. На сегодняшний день этих детальных объяснений пока не существует, а есть только гипотезы и предположения. Но даже простое перечисление полученных результатов нашего воздействия на алмаз заслуживает пристального внимания и нетрадиционных суждений исследователя в попытках их интерпретации.

Глава 2

Поверхность

Применяемые нами условия воздействия зерен абразива инструмента на алмаз, как мы предполагаем, не превышают предела упругой деформации кристалла. Таким образом, используя стандартный по своей сути инструмент, управляя только изменением определенного алгоритма волнового возбуждения (изменением программного обеспечения, задающего параметры для системы управления обработкой алмаза), мы добиваемся характерного многообразия рельефа поверхности в широком диапазоне ее шероховатости.

На рис. 2.1 приведено изображение поверхности алмазной пластины, ориентированной в направлении (111), т. н. твердое направление в кристалле, которая обработана по традиционной технологии огранки алмазов в бриллианты 131.

В мотиве рельефа поверхности обработанного кристалла наблюдаются характерные поверхностные конфигурации, свойственные обработке с реализацией механизма микросколов.

Рис. 2.1. Изображение поверхности алмазной пластины (111), обработанной по стандартной технологии. Ra = 18,2 нм, Rq = 20,2 нм, Rmax = 214,8 нм

Сформированный нашим методом микрорельеф поверхности алмаза (111) приведен на рис. 2.2–2.6, где показано изменение морфологии поверхности при уменьшении величины ее шероховатости (Ra) в зависимости от времени волнового воздействия.

Как видно из приведенных рисунков, обработанная по новому методу воздействия поверхность алмаза обладает своеобразным мотивом рельефа поверхности. Этот мотив продиктован неповторяемостью движения зерен абразива по поверхности алмаза и протекающим в объеме алмаза и на его поверхности взаимодействием волн упругих деформаций. Вся обработанная поверхность представляет собой равномерную волнообразную субстанцию.

Рис. 2.3. Время воздействия 10 мин. Ra = 4,4 нм, Rq = 5,9 нм, Rmax = 53,3 нм

Рис. 2.4. Время воздействия 15 мин. Ra = 1,69 нм, Rq = 2,86 нм, Rmax = 118,6 нм

Рис. 2.5. Время воздействия 20 мин. Ra = 0,9 нм, Rq = 1,7 нм, Rmax = 28,1 нм

При подготовке поверхности пластин алмаза для проведения на них экспериментальных ростовых процессов молекулярно-лучевой эпитаксии пленок кремния были учтены пожелания технологов к формируемой поверхности алмаза. Эти требования относились в основном к разориентации пластины алмаза на ~5° относительно направления (111) и по возможности созданию минимальной шероховатости обработанной поверхности.

Рис. 2.6. Время воздействия 25 мин. Ra = 0,6 нм, Rq = 0,9 нм, Rmax = 11,0 нм

Рис. 2.7. Пластина алмаза (111). Frame: 3,68 ×3,62 мкм2. Ra = 0,39 нм, Rq = 0,5 нм, Rmax = 4,6 нм

На рис. 2.7 и 2.8 приведена характерная шероховатость поверхности пластин алмаза из этой серии.

Подобная величина шероховатости поверхности алмазных пластин позволила успешно провести работы по эпитаксиальному росту монокристаллических пленок кремния на алмазных подложках [13].

Рис. 2.8. Пластина алмаза (111). Frame: 1,0 × 1,0 мкм2. Ra = 0.12 нм, Rq = 0,15 нм, Rmax = 1,12 нм

Рис. 2.9. Пластина алмаза (111). Frame: 1,8 × 1,9 мкм2. Ra = 0,27 нм, Rq = 0,34 нм, Ry = 3,09 нм

В процессе отработки методики минимальной шероховатости поверхности в процессе подготовки серии пластин для эпитаксии мы столкнулись с проявлением необычных эффектов волнового воздействия на поверхности алмаза (рис. 2.9, 2.10).

Рис. 2.10. Пластина алмаза (111). Frame: 2,3 × 2,8 мкм2. Ra = 0,41 нм, Rq = 0,53 нм, Rmax = 4,77 нм

На одной из обработанных пластин (см. рис. 2.9) наблюдалось семейство параллельных полос, расположенных под углом друг к другу. Учитывая волновой характер воздействия и размерность применяемого абразива (10/7 мкм), предположение о царапинах поверхности зернами абразива маловероятно. Анализ изображения этих полос показывает, что контраст их изображения не связан с резким изменением морфологии поверхности. Природа проявления этого контраста пока не исследована.

Но наиболее пристальное наше внимание привлекла другая пластина, морфология поверхности которой приведена на рис. 2.10. В этом случае проявление на поверхности алмаза неких ярко выраженных «пупырышек» поставила в тупик наших теоретиков. А как быть в этом случае с кубической гранецентрированной структурой алмаза? А где же его кристаллофизическая анизотропия? На эти вопросы тогда не было ответа.

В то время мы не сильно задумались над проявлением этих «пупырышек». Наши теоретики выдвинули предположение, что поверхность алмаза просто плохо отмыли перед измерением. И этот недоказуемый факт был помещен в корзину сомнений. Мы тогда и представить не могли, что эти «пупырышки» с присущим им парадоксальным эффектом неожиданности и непредсказуемости, с каким-то яростным самоутверждением своей объективности через несколько лет опять ярко проявятся и в полную силу заставят задуматься о самой сути нашей волновой технологии.

Здесь хочу отметить следующее. Представляемые в этой книге результаты волнового воздействия на алмаз вошли в наш экспериментальный раздел ««Артефакты» технологии». В этом разделе собраны Зафиксированные результаты воздействия, которые проявились спонтанно. Они не были целью и задачей проводимых экспериментов. Совсем не обязательно, что каждое (обычное) волновое воздействие приводило к каким-то необычным эффектам. Как правило, поставленный эксперимент или целенаправленная работа по обработке алмаза давали ожидаемый результат и не вызывали сомнений или необъяснимых эффектов. Сказывался постоянно набираемый опыт работы с новым методом обработки. Но иногда…

Формирование когерентного волнового поля упругих деформаций в объеме алмаза, целенаправленное проявление взаимодействия волновых процессов довольно непростая и скрупулезная задача. Необходимо учитывать многие факторы, приводящие к достижению поставленной цели: от подготовки инструмента и оснастки до программного обеспечения и полярности настроения оператора. А кристаллы все разные и по форме, и по содержанию. Как все это учесть? Дело осложняется еще и тем, что в этом районе человеческих знаний еще никто не прогуливался. Посоветоваться-то не с кем. Поэтому и приходилось некоторые «артефакты» складывать в папочку в надежде когда-нибудь ее открыть. Вот, похоже, время для этого и пришло.