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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines CVD-Diamantwerkzeugs,
das heißt
auf ein durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) hergestelltes
Werkzeug aus Diamant.
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Diamant
ist ein Material mit zahlreichen außergewöhnlichen Eigenschaften, wie
hohe Abriebfestigkeit, hohe thermische Leitfähigkeit, schnelle Übertragung
von Schallwellen und Korrosionsunanfälligkeit. Diese überlegenen
Eigenschaften haben Diamant zum idealen Material für viele
fortschrittliche Anwendungen gemacht. Zum Beispiel findet Diamant weitverbreiteten
Einsatz als Hochleistungsschleifmittel, Wärmeverteiler, Akustikbauelement
und chemische Barrieren. Herkömmlicherweise
wird Diamant unter einem hohen Druck von mehr als dem 50fachen des
Atmosphärendrucks
synthetisiert, derartiger Diamant liegt jedoch typischerweise in
Sandform vor. Wenngleich ein solcher Diamant ideal für Hochleistungsschleifmittel,
wie zum Beispiel auch für Diamantsägen, ist,
ist er für
nicht mechanische Anwendungen, wie zum Beispiel als Wärmeverteiler, ungeeignet.
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In
den letzten Jahren wurden kommerziell auch Diamantfilme mit einer
Dicke von bis zu 1 mm abgeschieden, und zwar durch CVD-Verfahren
unter Verwendung von Reaktionsgasen. Diese Gase beinhalten typischerweise
eine geringe Menge von weniger als 5% an kohlenstoffhaltigem Material,
wie Methan (CH4), das in reichlich Wasserstoff
(H2) verteilt ist. Während des Prozesses werden
die Gase auf eine hohe Temperatur erhitzt, so dass das kohlenstoffhaltige
Gas zur Freisetzung von Kohlenstoffatomen zersetzt wird. Gleichzeitig
dissoziieren die Wasserstoffmoleküle und bilden Wasserstoffatome.
Normalerweise scheiden sich die Kohlenstoffatome entweder als amorpher
Kohlenstoff oder Graphit ab, in der Umgebung von Wasserstoffatomen
behalten sie aber die Diamantstruktur der sp3-Bindung
bei, wie im Fall von Methan, und scheiden sich als Diamant ab. Selbst
bei Bildung von nicht-diamantartigem Kohlenstoff wandelt sich durch
die rasche Anwesenheit von Wasserstoff der Kohlenstoff in Methan
zurück.
Die Wasserstoffatome spielen daher eine Schlüsselrolle zur Katalysierung
der Diamantbildung. Je höher
die Konzentration an Wasserstoffatomen, umso besser ist folglich
die Qualität
des gebildeten Diamants.
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Es
gibt verschiedene Möglichkeiten
der Aufheizung des Gasgemischs, von denen Aufheizung durch Heißdraht,
zum Beispiel unter Verwendung von Wolfram, Mikrowellenanregung,
Oxyacetylenflamme und Gleichstrom(DC)-Bogen allgemein Verwendung
finden. Zwar liegt die Temperatur zur Diamantabscheidung typischerweise
im Bereich zwischen 800°C
und 900°C,
die Reaktionstemperatur für die
Gase ist jedoch deutlich höher.
Tatsächlich
sind die Zersetzung der Gase zur Bildung von Kohlenstoff und Wasserstoffatomen
umso vollständiger
und die Depositionsrate des Diamants umso höher, je höher die Reaktionstemperatur
ist. Die Heißdrahtmethode kann
lediglich 2000°C
oder geringfügig
mehr erreichen, so dass mit ihr die Deposition am langsamsten abläuft, mit
etwa 1μm/h.
Die Mikrowellenanregung kann die Gase auf eine höhere Temperatur erhitzen, so
dass eine mittlere Depositionsrate von etwa 10μm/h erreicht wird. Die Oxy-acetylenmethode
kann noch höhere
Plasmatemperaturen erreichen, so dass ihre Depositionsrate relativ
hoch ist, zum Beispiel 30μm/h.
Die DC-Bogenmethode kann die Gase auf die höchsten Temperaturen von etwa
6000°C bringen und
daher Diamant mit der höchsten
Rate aller obigen Methoden abscheiden, zum Beispiel mit 50μm/h. Allerdings
ist die Depositionsfläche
umso kleiner und der erzeugte Diamantfilm umso weniger gleichmäßig, je
höher die
Depositionsrate ist. Daher gibt es einen Kompromiss zwischen Depositionsrate
und Depositionsfläche.
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CVD-Diamantfilme
enthalten polykristalline Diamantkörner. Dabei werden auf der
Oberfläche des
Substrats zuerst Diamantkristallkeime gebildet, und diese Kristallkeime
wachsen dann mit zunehmender Körnigkeit,
wie in den 1a bis 1d dargestellt.
Daher hat der Film auf der Nukleationsseite die Tendenz, dieselbe
Oberflächenbeschaffenheit aufzuweisen
wie das Substratmaterial, die Wachstumsseite wird jedoch mit wachsender
Grobkörnigkeit
des Korns immer rauer. Für
die meisten Anwendungen, wie Wärmeverteiler,
muss die raue Oberfläche
geschliffen und poliert werden. Da Diamant jedoch das härteste bekannte
Material ist, ist die Bearbeitung von grobem Diamant extrem schwierig
und aufwendig. Als Folge hiervon sind die mit der Nachbearbeitung
eines Diamantfilms verbundenen Kosten oftmals höher als diejenige für seine
Deposition. Die 1a bis 1d veranschaulichen
die Nukleation und das Wachstum eines Diamantfilms. Hierzu ist anzumerken,
dass die Nukleationsoberfläche
ein Negativ der Substratoberfläche
darstellt, und die Wachstumsoberfläche wird mit wachsender Depositionszeit immer
rauer.
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Des
weiteren sind bestimmte Bearbeitungsprozeduren, wie das Einbringen
einer gekrümmten Vertiefung
in die Diamantoberfläche
oder das Bohren einer quadratischen Öffnung durch Diamant hindurch,
fast nicht zu erreichen. Solche Beschränkungen haben die möglichen
Anwendungen von Diamantfilmen merklich beschränkt.
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CVD-Diamantfilme
wurden beispielsweise als ausgezeichneter Schneideinsatz verwendet. Wenn
Diamant dazu benutzt wird, biegsames Material, wie eine Kupferlegierung,
zu schneiden, muss der lange Schneidgang von Zeit zu Zeit unterbrochen werden.
Dies erfolgt herkömmlicherweise
durch Bereitstellen einer Mulde nahe der Schneidkante, wie es allgemein
bei anderen Schneidwerkzeugen gemacht wird, um das während des
Gewindeschneidvorgangs entfernte Material zu biegen und zu brechen.
Es ist jedoch unmöglich,
eine solche Mulde auf dem flachen Diamantfilm zu erzeugen. Daher
sind CVD-Diamantschneider trotz ihrer extremen Beständigkeit nicht
geeignet, biegsame Materialien zu schneiden.
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Als
ein weiteres Beispiel benötigen
zahlreiche fortgeschrittene Anwendungen, zum Beispiel Schaltkreise
in der Elektronikindustrie, die Verwendung von Metalldrähten mit
dreieckiger, quadratischer oder unregelmäßiger Form. Diese Drähte können nicht
mit herkömmlichen
Drahtziehwerkzeugen aus Diamant gezogen werden, die nur kreisförmige Öffnungen
aufweisen. Es gibt daher kein geeignetes Produkt, um diesen wichtigen
Bedarf des Marktes zu decken.
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Außerdem verwenden
die meisten Anwendungen die Oberfläche von Diamantfilmen, zum
Beispiel eines Extrudierwerkzeugs, wobei dann die Eigenschaft des
Volumenmaterials möglicherweise
unkritisch ist. Das herkömmliche
CVD-Verfahren muss den Diamantfilm jedoch vom Boden aus aufwärts erzeugen.
Wenn daher die Oberseite benötigt
wird, muss der gesamte Film langsam aufgewachsen werden, um den
oberseitigen Teil in gewünschter
Weise zu erhalten. Ein derart aufwendiger Wachstumsprozess kann
sehr kostspielig sein.
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Beispiel 1: Aus Diamant
gefertigte Schneideinsätze
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Herkömmliche
Diamantschneideinsätze
umfassen hauptsächlich
zwei Typen. Der erste Typ besteht darin, ein Einsatzstück aus Wolframcarbid
(WC) mit einem dünnen
Diamantfilm von zum Beispiel 30μm
zu beschichten. Das Problem dieser Gestaltung besteht darin, dass
die abgeschiedene Diamantoberfläche
rau ist, so dass die Schneidoberfläche keine feine Oberflächenbe schaffenheit
aufweist. Alternativ kann ein dicker Diamantfilm von zum Beispiel 30μm aufgewachsen
werden. Der Diamantfilm kann dann mittels eines Lasers geschliffen
und poliert werden, um eine dreieckförmige Schneidspitze zu bilden.
Diese Spitze wird dann auf ein WC-Einsatzstück gelötet. Dieses Verfahren ist aufwendig
und kostenintensiv. Zusätzlich
zu den oben erwähnten
Schwierigkeiten besteht bei diesen Diamantfilm-Schneideinsätzen das
weitere Problem, dass ihre Oberseiten stets flach sind. Sie besitzen
daher keine Spanbrecher zum effizienten Schneiden biegsamer Materialien.
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2 zeigt
ein herkömmliches
WC-Einsatzstück 10 mit
einem eingedrückten
Spanbrecher 12 in der Nähe
jeder Schneidecke. 3 zeigt ein diamtbeschichtetes
WC-Einsatzstück 14 ohne
einen Spanbrecher. 4 illustriert einen auf ein
WC-Einsatzstück 16 gelöteten, dicken
Diamant, wiederum ohne einen Spanbrecher.
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Beispiel 2: Aus Diamant
gefertigte Drahtziehwerkzeuge
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Zahlreiche
Metalldrähte
werden unter Verwendung von Werkzeugen aus polykristallinem Diamant
(PCD) gezogen. Wie in 8 dargestellt, wird ein PCD 30 von
WC 32 umgeben, und durch den PCD 30 hindurch wird,
wie in 9 gezeigt, eine Öffnung 34 gebohrt,
typischerweise mittels eines Lasers. Die Öffnung 34 wird dann
vergrößert, um
einen Trichter 340 zu bilden, wie in 10 gezeigt,
und die Oberfläche
wird unter Verwendung einer feinen Diamantpaste poliert. Obwohl
dies von viel mühsamer Nachbearbeitung
begleitet ist, stellen solche PCD-Werkzeuge noch immer die besten
Werkzeuge für
das Ziehen von Metalldrähten
dar. Dennoch umfassen PCD-Werkzeuge nur solche mit runden Öffnungen,
so dass es mit ihnen nicht möglich
ist, polygonale Drähte
zu ziehen, wie solche mit quadratischem Querschnitt.
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Alle
PCDs enthalten mehr als 10% Kobalt. Da Kobalt Diamant in amorphen
Kohlenstoff oder Graphit zurückverwandeln
kann, muss der PCD unterhalb einer Temperatur von etwa 700°C gehalten werden.
Daher ist eine Schmierung und Kühlung durch
Wasser oder eine andere Flüssigkeit
wichtig. Während
des Ziehprozesses tendiert der Metalldraht aber dazu, sich gegen
den PCD anzupressen, wodurch er mit in dem PCD eingebettetem Kobalt
verschweißen
kann. Als Folge hiervon ist übermäßiges Erhitzen
unumgänglich,
und der PCD kann sich rasch aufgrund der Rückverwandlung in amorphen Kohlenstoff
oder Graphit verschlechtern. Zudem kann das Ziehen die Oberfläche des
Metalldrahtes durch Verursachen von Schweißpunkten und Brandmarken verschlechtern.
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Beispiel 3: Aus Diamant
gefertigte Pad-Konditionierer
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Chemisch
mechanisches Polieren (CMP) ist ein wichtiger Schritt bei der Herstellung
von Silicium-Chips mit hochentwickelter Architektur. Während des
CMP-Prozesses werden Silicium-Wafer gegen ein rotierendes Pad gedrückt, das
typischerweise aus Polyurethan besteht. Ein Tisch wird mit einer Strömung aus
einer Aufschlämmung
versorgt, die ultrafeines Schleifmittel mit Abmessungen von weniger als
0,2μm enthält, zum
Beispiel aus Silicium- oder Aluminiumoxid. Die Wafer werden folglich
durch das Schleifmittel poliert, um eine bestimmte Ebenheit und Glattheit
zu erreichen. Die wegpolierten Teilchen können jedoch das Pad beschichten
und letzteres unbrauchbar machen, so dass von Zeit zu Zeit ein Diamantkonditionierer
erforderlich ist, um die abgelagerten Bruchstücke abzukratzen.
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Der
Pad-Konditionierer enthält
eine Mehrzahl von Diamantkörnern,
die an einem Metallsubstrat, zum Beispiel aus Edelstahl, angebracht
sind. Diese Körner
dienen dazu, das Pad zu harken, um zu verhindern, dass sich seine
Oberseite zusetzt. Die Effektivität der Säuberung des Pads und die Beständigkeit
des Konditionierers sind von zwei kritischen Faktoren abhängig, dem
Abstand der Diamantkörner und
der Nivellierung ihrer Oberseiten. Diese zwei Faktoren sind notorisch
schwer zu steuern. Deshalb enthalten fast alle herkömmlich verwendeten
Diamantkonditionierer zufallsverteilte Diamantkörner mit einer hohen Schwankung
ihrer Oberseitenhöhe.
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In
der Offenlegungsschrift
DE
195 47 571 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Drahtziehwerkzeugs
beschrieben, bei dem ein Rohling, der einen Mantel aus CVD-Diamant
umfasst, an einem ihn umgebenden, relativ massiven Träger durch
Löten, mechanisch
oder eine Kombination dieser beiden Befestigungsarten befestigt
wird. Der Träger
ist typischerweise aus einer Aufschweiß-Hartlegierung, Stahl oder
dgl. gefertigt. Zur Herstellung des Rohlings wird eine Diamantschicht
durch CVD auf einem Metalldraht oder einem nicht metallischen Filament abgeschieden,
wonach der Draht bzw. das Filament beispielsweise durch Säureätzen entfernt
wird, so dass eine CVD-Diamanthülse
als Rohling erhalten wird.
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Bei
einem in der Offenlegungsschrift
EP 0 518 591 A1 offenbarten Verfahren zur
Herstellung eines Gegenstands aus CVD-Material, z.B. eines freistehenden,
trichterförmigen
Mischrohrs aus Diamant, wird zunächst
ein Substrat, z.B. aus Graphit, mit einer Oberfläche von gewünschter Gestalt bereitgestellt,
wonach auf der Oberfläche
ein Trägermaterial abgeschieden
wird, das anschließend
vom Substrat getrennt wird. Dann wird auf dem Träger mittels CVD Material abgeschieden,
welches den herzustellenden Gegenstand bildet, indem es danach vom
Träger
getrennt wird.
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Bei
einem in der Offenlegungsschrift
EP 0 400 947 A1 beschriebenen Verfahren wird
ein Diamantfilm oder diamantartiger Film dadurch hergestellt, dass
er auf einem festen Substrat aufgewachsen wird, das mit dem gewünschten
Profil gestaltet ist, wobei optional auf die profilierte Oberfläche des Substrats
eine dünne
Karbidschicht vor dem Aufwachsen des Diamantfilms aufgebracht wird.
Nach Aufwachsen des Diamantfilms wird das Substrat und optional
die Karbidschicht entfernt.
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Der
Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines
Verfahrens der eingangs genannten Art, mit dem sich ein CVD-Diamantwerkzeug in
vorteilhafter Weise herstellen lässt,
wobei es wenig oder keine aufwendigen Nachbehandlungsvorgänge erfordert
und sich bei Bedarf auch in unregelmäßigen und/oder neuartigen Volumengestaltungen
realisieren lässt,
und einer vorteilhaften Verwendung zugrunde.
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Die
Erfindung löst
dieses Problem durch die Bereitstellung eines Herstellungsverfahrens
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer Verwendung mit den Merkmalen
des Anspruchs 9, 10 oder 11.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Vorteilhafte,
nachfolgend näher
beschriebene Ausführungsformen
der Erfindung sowie die zu deren besserem Verständnis oben erläuterten,
herkömmlichen
Ausführungsbeispiele
sind in den Zeichnungen dargestellt, in denen zeigen:
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Stand der Technik:
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1a bis 1d aufeinanderfolgende
Stufen der Bildung von Diamantkristallkeimen auf der Oberfläche eines
Substrats,
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2 einen
herkömmlichen
Werkzeugeinsatz aus Wolframcarbid (WC),
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3 einen
herkömmlichen
Werkzeugeinsatz aus diamantbeschichtetem Wolframcarbid ohne Spanbrecher,
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4 einen
herkömmlichen
Werkzeugeinsatz aus Wolframcarbid mit einem dicken Diamantfilm ohne
Spanbrecher,
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Erfindung:
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5 eine
dünne Metallform
zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung,
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6 die
Form von 5 nach erfindungsgemäßem Füllen mit
einer Diamantfilmabscheidung,
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7 das
Produkt von 6 nach Auflösen der Form,
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Stand der Technik:
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8 einen
herkömmlichen
polykristallinen Diamant (PCD) umgeben von Wolframcarbid,
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9 den
PCD von 8 mit einer hindurchgebohrten Öffnung,
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10 den
PCD von 9 nach Vergrößerung der Öffnung,
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Erfindung:
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11 eine
Form zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung,
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12 die
Form von 11 mit einer Diamantabscheidung,
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13 die
Diamantabscheidung von 12, gebildet als ein Werkzeug,
nach Auflösen der
Form,
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13a das Diamantwerkzeug von 13 umgeben
von einem Metallpulver und einem Metallring vor einem abschließenden Verfestigungsschritt und
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14 das
Diamantwerkzeug von 13a nach dem Verfestigungsschritt.
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Die
vorliegende Erfindung dreht die übliche Vorgehensweise
um, bei der ein Diamantschicht Bildung eines Körpers erzeugt wird und dann
bearbeitet wird, um eine gewünschte
Gestalt zu zielen. Stattdessen wird in einem einzigen Prozess eine
Diamantschicht in einer Form erzeugt, um die gewünschte Volumengestalt und Oberflächenbeschaffenheit
zu erzielen. Ein restlicher Teil kann dann in einem späteren Stadium
unter Verwendung eines viel kostengünstigeren Materials und/oder
eines viel kostengünstigeren
Verfahrens gefüllt
werden. Dieses neuartige Konzept ist in der Lage, das Produkt zu
erzeugen, das die Volumengestalt und Oberflächenbeschaffenheit der Form
dupliziert, so dass aufwendige Nachbearbeitungsvorgänge eliminiert
werden. Außerdem
können
sowohl komplizierte Volumengestaltungen als auch feine Oberflächenbeschaffenheiten aus
der Form erzielt werden. Als Ergebnis können erstmals Diamant-Produkte
mit neuartigen und einzigartigen Geometrien hergestellt werden.
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Ein
zentraler Aspekt der Erfindung ist die Fähigkeit, eine bestimmte Oberflächenbeschaffenheit der
Form im abgeschiedenen Diamantprodukt zu reproduzieren, wobei Experimente
durchgeführt
worden sind, um. diese Fähigkeit
zu überprüfen.
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Es
wurden zahlreiche Materialien mit unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten
als Substrat zur Abscheidung von CVD-Diamant verwendet. Der verwendete CVD-Reaktor
ist ein Serienproduktionssystem, das von sp3, Inc. in Kalifornien
gefertigt wird. Der Reaktor beinhaltet ein Heißdrahtsystem mit einer Depositionsfläche von
30cm × 40cm.
Es wurde festgestellt, dass auf diese Weise abgeschiedene Diamantschichten
die Oberflächeneigenschaften
des Substrates naturgetreu reproduzieren können, wenn das Substratmaterial
geeignet ist, zum Beispiel Kupfer und Wolframcarbid, und die richtige
Oberflächenbehandlung
erfolgt ist, zum Beispiel sorgfältiges
Reinigen. Das Konzept der Umkehrbeschichtung wurde somit erfolgreich
bestätigt.
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Herkömmlich wird
die Wachstumsseite des Diamants als Werkzeugfläche verwendet. Die vorliegende
Erfindung basiert hingegen auf der Nutzung der Nukleationsseite
für die
Anwendung. Die Nukleationsseite enthält Diamant-Mikrokristalle, die auf der Form gebildet
wurden. Diese Kristallisationskeime brauchen nicht chemisch rein
und auch nicht strukturell fehlerfrei zu sein. Zudem können dort
auch amorpher Kohlenstoff oder pyrolitisches Graphit durch Co-Deposition
abgeschieden werden. Da die Nukleationsseite als Werkzeugoberfläche verwendet
wird, ist es entscheidend diese Seite so herzustellen, dass sie
möglichst
viel Diamant enthält.
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Es
wurden verschiedene Techniken eingesetzt, um die Diamantqualität der Nukleationsseite
zu steigern. Beispielsweise können
während
der Anfangsphase der Diamantabscheidung die Methanflussrate reduziert
und der Gasdruck erhöht
werden. Auf diese Weise wird die Zersetzungsrate für Kohlenstoff
herabgesetzt, die Konzentration an Wasserstoffatomen hingegen erhöht. Die
niedrige Abscheidungsrate gekoppelt mit der erhöhten Menge an Katalysator gewährleistet,
dass Diamantkristallisationskeime hoher Qualität gebildet werden.
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Zudem
sollte die Nukleationsrate so erhöht werden, dass geringfügige Risse
im Substrat aufgefüllt
werden. Die Nukleationsrate kann durch Anlegen einer negativen Vorspannung
von zum Beispiel 100V an das Substrat effektiv gesteigert werden,
bis zu einem Faktor von einer Million. Alternativ kann das Substrat
durch Verwendung einer feinen Diamantpaste poliert werden. Nach
dem Polieren können
die eingebetteten Diamantmikropulver als effektive Kristallisationskeime
für die
Diamantnukleation dienen. Wenn die Nukleationsrate angehoben wird,
erhöht sich
die Diamantqualität
auf der Nukleationsseite, und die -Substratoberflächenbeschaffenheit
kann naturgetreu auf die Nukleationsoberfläche übertragen werden.
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Bestimmte
Metalle, wie Eisen, Kobalt, Nickel und deren Legierungen, können bei
hoher Temperatur von mehr als 700°C
Diamant in amorphen Kohlenstoff oder Graphit zurückkatalysieren. Es ist wesentlich,
dass das Substratmaterial möglichst
wenig von solchen Materialien enthält. Beispielsweise stellt mit Kobalt
gesintertes Wolframcarbid (WC) ein gutes Substratmaterial zur Diamantabscheidung
dar. Wenn WC zur Diamantabscheidung verwendet wird, sollte der Kobaltanteil
auf 4% oder weniger begrenzt werden. In den letzten Jahren sind
bindemittelfreie WC-Materialien erhältlich geworden. Diese Materialien
sind zur Herstellung von Gießformen
geeignet, zum Beispiel einer Öffnung
für ein
Drahziehwerkzeug. Wenn das WC-Korn
ultrafein ist, das heißt
mit Abmessungen im Submikrometer-Bereich, wird die Diamantnukleation
weiter gesteigert. Das Ergebnis ist eine sehr glatte Oberfläche mit
hohem Diamantgehalt, die für
viele Anwendungen geeignet ist.
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5 zeigt
eine dünne
Metallform 20 mit der Negativgeometrie eines herkömmlichen
Schneideinsatzes mit Spanbrechern. Das Metall kann W, Mo, Ta, Zr,
Ti, Cr, V, Cu, Si oder ein anderes geeignetes Material sein. 6 zeigt
diese Metallform 20 nach der Diamantabscheidung. 7 zeigt
das Produkt nach dem Auflösen
der Metallform 20, zum Beispiel mittels einer geeigneten
Säure.
Der untere Teil 22 der verbleibenden Diamantschicht enthält identisch
die geometrische Gestalt der Metallform 20. Der oberer
Teil 21 wird dann mit WC-Partikeln oder anderen hochschmelzenden
Körnern,
zum Beispiel SiC, versehen und mit einer Legierung versetzt, zum
Beispiel einer Kupfer-Mangan-Legierung. Die festgewordene Legierung
kann dann als Schneideinsatz dienen, wie in 7 gezeigt.
Dieser Diamanteinsatz weist die Originaloberfläche der Metallform 20 auf,
einschließlich der
Spanbrecher. Dieses Diamantschneidwerkzeug benötigt keine aufwendige mechanische
Nachbearbeitung. Die Erfindung löst
somit die eingangs erwähnten
Schwierigkeiten des Standes der Technik.
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In
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
wird gemäß 11 zunächst eine zentrale
Säule 40.
aus bindemittelfreiem WC oder aus W-Metall mit der gewünschten
Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit
hergestellt. Diese zentrale Säule 40 wird
dann, wie in 12 gezeigt, mit CVD-Diamant 42 in
einer Dicke von 50μm
bis 100μm beschichtet.
Die zentrale Säule 40 wird
anschließend in
Säure aufgelöst, so dass
ein Diamantrohr 420 mit derselben Geometrie wie die zentrale
Säule 40 zurückbleibt,
wie in 13 dargestellt. Dieses Diamantrohr 420 wird
in die Mitte eines Edelstahlrings 46 eingesetzt, wobei
ein verbleibender Zwischenraum mit WC-Partikeln oder SiC-Körnern gefüllt wird, wie in 13a gezeigt. Auf die Oberseite dieser Partikel wird
eine Kupfer-Mangan-Nickel-Legierung aufgehäuft. Dieses Zwischenprodukt
wird als nächstes
in einen Vakuumofen gebracht und geheizt, um ein Schmelzen der Kupferlegierung
zu bewirken. Die Kupfer-Legierung dringt dann in das Pulver ein
und verfestigt den Aufbau. Der starre Aufbau umfasst somit einen äußeren Edelstahlring 46 und
ein Innenrohr 44 aus Diamant, wie in 14 gezeigt.
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Das
Diamantrohr wird durch die schrumpfende Kupfer-Legierung zusammengedrückt, deren
Volumen sich während
des Verfestigungsprozesses deutlich verringert. Diese Kompression
ist sehr erwünscht,
weil sie das Rohr vor Ausdehnung schützt, wenn durch einen zu ziehenden
Draht eine nach außen
drückende
Kraft ausgeübt
wird. Zudem ist diese Kompressionskraft einstellbar und kann so
verändert werden,
dass sie zum Typ des zu ziehenden Drahtes passt, zum Beispiel niedrig
zum Ziehen von Kupfer und hoch zum Ziehen von Wolfram. Die Kompressionskraft
kann in einfacher Weise durch Einstellen des Verhältnisses
von Pulver zu Metall verändert werden.
Je mehr Metall verwendet wird, umso höher ist die Kompressionskraft.
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Die
oben beschriebene, neuartige Technologie macht nicht nur die aufwendige
Nachbearbeitung überflüssig und
reduziert dadurch die Produktionskosten deutlich, sondern verbessert
auch die Qualität des
Drahtziehwerkzeugs in mehrfacher Hinsicht. Im Unterschied zu PCD,
der weniger als 90Vol.% Diamant enthält, besteht der CVD-Diamant
(CVDD) vollständig
aus Diamant, so dass seine Verschleißlebensdauer viel höher als
diejenige von PCD sein kann, wobei die Gebrauchsdauer nicht linear
proportional zum Diamantgehalt ist, sondern mit diesem über eine
Exponentialfunktion zusammenhängt.
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CVDD
ist viel glatter als PCD, der Kobalt anlagerndes Metall enthält, so dass
die beim Drahtziehen erzeugte Wärme
deutlich niedriger bleibt. Außerdem
kann CVDD einer Temperatur von 1200°C standhalten, was viel höher als
die 700°C
für PCD
ist. Daher kann der Gebrauch von flüssigem Schmiermittel eventuell
entfallen. Dies trägt
nicht nur zur Kostenverringerung des Drahtziehwerkzeugs selbst bei, sondern
vermeidet auch mit dem Schmiermittel verbundene Umweltbelastungen.
Aus Gründen
des Umweltschutzes wird die Bearbeitungsindustrie zu "trockenem" Betrieb gedrängt, so
dass die vorliegende Erfindung diesem weltweiten Trend entgegenkommt.
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Des
weiteren kann die Eliminierung von Kobalt in der Kontaktoberfläche die
Oberflächenbeschaffenheit
des Drahtes deutlich verbessern, beispielsweise bewirken, dass er
eine reflektierende Beschaffenheit aufweist. Solche Hochqualitätsdrähte werden
von der Elektronikindustrie zum Beispiel als verunrei nigungsfreie
Kupferdrähte
und von der Schmuckbranche zum Beispiel für glänzende Golddrähte stark
gewünscht.
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Ein
noch bemerkenswerterer Durchbruch auf Basis der vorliegenden Erfindung
besteht darin, dass das Ziehen von Draht mit Hilfe von nicht kreisförmigen Öffnungen
genauso einfach durchgeführt
werden kann wie mit Hilfe von kreisförmigen Öffnungen. Daher können Drähte mit
dreieckförmigem
oder quadratischem Querschnitt sehr einfach gefertigt werden. Die
Einführung
von gegenwärtig
kaum erhältlichen
Drähten
mit nichtkreisförmigem
Querschnitt ermöglicht
neue Gestaltungen von Produkten für bestimmte Anwendungsgebiete,
zum Beispiel in der Elektronikindustrie, und kann folglich die Gründung einer
neuen Industrie anspornen.