Неизвестный алмаз. «Артефакты» технологии

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. R_a = 0,41 нм, R_q = 0,53 нм, R_max = 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.

Одно из удивительных проявлений волнового воздействия на алмаз отразилось в формировании поверхностного слоя алмаза, который у нас получил название «шуба». Гораздо проще дать определение этому явлению, чем детально его объяснить.

«Шуба» – реакция поверхности алмаза на волновое возмущение.

Свойства динамической волновой среды в объеме алмаза, формирующейся при взаимодействии обрабатывающего инструмента с поверхностью кристалла, во многом зависят от волновых характеристик взаимодействующих бегущих волн, определяющих гармонические колебания его кристаллической структуры.

Вполне очевидно, что созданная динамическая волновая среда в объеме кристалла, в свою очередь, может влиять на процесс волнового воздействия, происходящий в области контакта поверхности алмаза и обрабатывающего инструмента. Процесс взаимный. В |2 | мы сделали предположение, что на инструменте все излучатели сферических волн (зерна абразива) абсолютно одинаковы [14]. В реальности соблюсти подобные требования весьма проблематично. Существует разброс зернистости абразива, неравномерность его распределения по поверхности инструмента и т. д. и т. п. Отсюда можно сделать предположение, что каждый применяемый инструмент, как функция возбуждения кристаллической среды, обладает своими определенными волновыми характеристиками при воздействии на алмаз. Наиболее эффективным выполнением условий когерентного возбуждения системы, на наш взгляд, является взаимодействие в области контакта основных гармоник волновых функций инструмента и динамической волновой среды алмаза, совпадающих по своим параметрам.

Рис. 2.11. Высокоразрешающее электронно-микроскопическое изображение границы раздела обработанной области поверхности с объемом алмаза (а), изображение после фильтрации (б)

Энергия волн, не участвующих эффективно в процессе когерентного возбуждения обрабатываемого алмаза, концентрируется в некой приповерхностной области при его контакте с инструментом. В процессе концентрации волновой энергии при воздействии инструмента на алмаз в этой области формируется некая разупорядоченная кристаллофизическая структура поверхности алмаза, которая идентифицируется электронной дифракцией как тонкое поликристаллическое образование, содержащие большое количество точечных дефектов. По нашим оценкам, в зависимости от алгоритмов воздействия толщина этого слоя может достигать ~1 мкм.

На рис. 2.11а приведено изображение поперечного среза (110) границы раздела поверхности кристалла, где область контакта, т. е. участок обработанной поверхности (на снимке более светлый, слева), сопрягается с объемной матрицей алмаза (на снимке справа). На рис. 2.116 изображение этого же участка после Фурье-филырации. С хорошим разрешением наблюдается система атомных плоскостей алмаза (110). Расстояние между плоскостями (110) ~ 1,26 Ä. Изображение получено методом высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии А. К. Гутаковским (Институт физики полупроводников СО АН РФ).

В данном случае может возникнуть ассоциация с неким нарушенным слоем, образующимся при обработке обычных полупроводниковых материалов [15]. Но это предположение не совсем корректно.

При проведении нашего процесса волнового воздействия на алмаз температура кристалла не превышает значений ~40 °C (в редких случаях и при специальных условиях ~60 °C). Этот факт является важным характерным свойством всей нашей технологии. Отсутствие условий образования микротрещин позволяет характеризовать процесс образования «шубы» как строго волновой. По нашим экспериментальным данным, подобная неравновесная система такого слоя полностью восстанавливается в монокрис-таллическое состояние матрицы алмаза при нагреве в сверхвысоком вакууме до температуры (?) ~ 850 "С. Это свойство «шубы» в корне отличает ее от существующих представлений о нарушенных слоях.

Проведенные исследования этого неравновесного образования позволяют сделать некоторые выводы, которые, на наш взгляд, могут быть весьма существенны при изучении волнового воздействия на кристаллы алмаза и роли волновых процессов, происходящих как на поверхности, так и в его объеме.

Первое.

Создание в процессе воздействия тонкого промежуточного слоя («шубы») позволяет не только влиять на возможность фильтрации спектров волнового возбуждения алмаза при обработке, тем самым повышая степень когерентности воздействия, но и высокоэффективно обрабатывать поверхность алмаза любой кристаллографической ориентации механическим способом, при этом формировать с высокой степенью полировки (~0,2 нм) не только плоские поверхности, но и поверхности, описываемые уравнениями второго порядка (сферические, конусообразные, параболические и т. д.).

Второе.

Сохраняя заданную величину шероховатости, при отжиге в сверхвысоком вакууме этот слой («шуба») восстанавливается (при 1 ~ 850 °C) в монокристаллическую атомарно чистую алмазную поверхность, создавая оптимальные условия дтя проведения ростовых процессов эпитаксии на поверхности кристалла [13].

Третье.

«Шуба», обладая своей некой макроструктурой, отличается (по нашим наблюдениям) повышенной твердостью относительно основной кристаллографической матрицы алмаза, характерными только для «шубы» оптическими свойствами, включая эффект частичной поляризации проходящего светового потока.

Бегущие в объеме волны, отражаясь от этого слоя, могут формировать в объеме алмаза систему стоячих волн, имеющих узлы в границе раздела алмаз – «шуба» и пучности на границе раздела, например, кристалла с атмосферой. По данным Оже-спектроскопии, после обработки поверхности плоскопараллельной алмазной пластины на противоположной поверхности этой пластины, которая не соприкасалась с работающим инструментом, фиксируются аномалии в отражательных спектрах упругих электронов, говорящие об изменении электронной подсистемы этой поверхности алмаза.

Создав в объеме кристалла свою систему, стоячие волны в процессе воздействия продолжают взаимодействовать с бегущими волнами. Отсюда, динамическая волновая среда в объеме алмаза начинает обладать определенной системой взаимодействующих бегущих и стоячих волн. В этом случае проявляется вероятность концентрации волновой энергии и образование высокоэнергетических доменов на тех участках объема алмаза, которые не соответствуют оптимальному (гармоничному) прохождению волновых процессов. Например, на дефектах кристаллической структуры.

По нашим данным, в этом случае в динамической волновой среде происходит изменение (корректировка) дефектно-примесной структуры алмаза. Ниже мы приводим результаты исследований алмазной пластины до нашего воздействия и после волнового возбуждения.

Таблица 2.1. Пластина до волновой обработки

Таблица 2.2. Пластина после волнового воздействия

По результатам этих исследований делаем вывод:: после нашего волнового воздействия увеличилось содержание атомов азота в A-форме в объеме алмаза на ~25 %, произошло снятие внутренних напряжений в пластине, улучшились оптические характеристики алмаза, в частности произошло уменьшение величины оптической анизотропии.

Известно, что кристаллы алмаза обладают анизотропией физических характеристик. Например, анизотропия механических свойств этого упругого тела (мягкие и твердые направления обработки) позволяет рассматривать алмаз как некий нелинейный элемент при протекании в нем волнового процесса упругих деформаций. Вследствие этого при нашей обработке материала в его объеме происходит резкое умножение частоты формируемого флуктуирующего волнового поля алмаза.

Это умножение частоты происходит за счет вклада в волновой процесс определенного вида гармоник высокого порядка, кратных основной частоте возбуждения, задаваемой алгоритмом. Это свойство алмаза расширяет возможности изменения его дефектно-примесной структуры, а также повышает эффективность формирования поверхностных и объемных диссипативных структур при использовании квантово-волновой технологии.

Важную роль при формировании динамической волновой среды и протекании волнового процесса в целом оказывает и форма обрабатываемого кристалла. Это вполне очевидно, т. к. бегущие когерентные волны отражаются в объем от внутренних поверхностей алмаза. Эффект формы алмаза может формировать и влиять на определенные свойства динамической волновой среды. Наблюдается также и влияние высокочастотной динамической волновой среды на конфигурацию определенных форм кристалла. Связь взаимная. В этом случае не исключена возможность в поверхностной области алмаза значительной локальной концентрации волновой энергии и, как следствие, трансформации (изменения) формы кристалла. В отдельных случаях нами наблюдался локальный выброс в атмосферу материи алмаза при нормальных условиях на тех участках поверхности кристалла, которые не подвергались воздействию инструмента («шуба» отсутствовала).

На рис. 2.12а приведено изображение пластины из синтетического алмаза. В центре видна затравка. Также наблюдается типичная картина внутренних напряжений в полном соответствии с кристаллографией кристалла. Светлые области вокруг места расположения затравки вызваны внутренними напряжениями по причине высокой скорости роста кристалла в начальный период синтеза. На рис. 2.12б приведено изображение бокового ребра пластины.

Рис. 2.12. Пластина синтетического алмаза (а), ребро пластины (б)

Рис. 2.13. Пластина синтетического алмаза (a) и трансформированное ребро после воздействия (б)

Эта пластина была обработана по сложному алгоритму. Суть алгоритма обработки заключалась в следующем. После воздействия первого алгоритма на поверхность пластины следующий более высокочастотный алгоритм задавался таким образом, чтобы сохранялась кратность фаз накладываемых волновых функций. Для каждой поверхности пластины сложный алгоритм включал пять простых алгоритмов, синхронизированных по этому принципу (принципу кратности фаз). Верхняя и нижняя плоскости подвергались одинаковому воздействию. Волновое возбуждение кристалла Но обеим плоскостям было проведено в одних и тех же условиях. На рис. 2.13 приведено изображение пластины после волнового воздействия.

Сравнение рис. 2.12 и 2.13 показывает произошедшие изменения в алмазной пластине. В данном случае нас интересует трансформация боковых ребер алмаза и образование неких «желобков» на каждом ребре. По всей видимости, характер протекания волновых процессов в алмазной пластине был дополнительно обусловлен формой кристалла и созданием «шубы» на обеих поверхностях.

Динамическая волновая среда находилась как бы между обкладками «конденсатора», где роль обкладок играла «шуба». В этом случае концентрация высокочастотной волновой энергии особо проявилась на ребрах. Общий характер изменения внутреннего состояния пластины хорошо наблюдается в поляризованном свете (рис. 2.14).

Подобный сложный алгоритм обработки больше не применялся нами для обьиной полировки плоскопараллельных пластин. Только один раз в последующих экспериментах был применен подобный режим обработки для синтетических пластин алмаза, выращенных методом CVD (Chemical vapor deposition – химическая кристаллизация алмаза (кристаллизация из газовой фазы)). И в этот раз волновые процессы проявили себя по-другому.

Нами были обработаны три калиброванные пластины, выращенные методом CVD, с обеих сторон вышеописанным сложным алгоритмом. В результате воздействия толщины пластин изменились. Две пластины увеличились в толщине на ~60 мкм, а третья пластина стала толще на ~75 мкм. При этом общая масса пластин осталась неизменной.

Рис. 2.14. Обработанная пластина в поляризованном свете

Тщательные измерения четырех сторон пластин показали, что увеличение толщины привело куменьшению их габаритов. Пластины представляли собой калиброванную квадратную конфигурацию, т. е. длина пластины строго равнялась ее ширине. Объем пластин при этом остался неизменным.

На последней пластине, увеличившейся в толщине на ~ 7 5 мкм, в центре ее объема наблюдалась белая полупрозрачная, словно туман, область – рассеяние света на флуктуациях плотности. Такое явление называется опалесценция [16]. При критической опалесценции свет очень плохо проходит через вещество, рассеиваясь во все стороны. Вещество в критической области больших флуктуаций плотности приобретает мутно-белую окраску, напоминающую минерал опал, отсюда это явление получило название опалесценция.

Источником волн, генерируемых в объем алмаза при соприкосновении с инструментом, является зерно алмазного абразива. На поверхности инструмента (при его изготовлении) происходит произвольное распределение этих зерен при определенной концентрации этого абразива в объеме рабочего слоя. В результате обработки, учитывая скорость вращения инструмента, каждое зерно абразива, имея произвольные пространственные координаты в плоскости инструмента, с определенной периодичностью взаимодействует с поверхностью алмаза. Поскольку каждое зерно является источником волны, то в этом случае можно предполагать высокочастотную генерацию волн в объем алмаза при взаимодействии этих зерен с поверхностью кристалла. Характер этой генерации в общем случае носит относительно шумовой характер. В традиционной технологии обработки алмаза так и происходит.

В нашем случае колебания работающего инструмента (частота ß) в строго определенном аппаратурном факторе (г_a) обеспечивают приращение линейной скорости движения инструмента относительно обрабатываемой поверхности алмаза (ΔV). Поскольку колебания инструмента (частота ß) происходят с гораздо меньшей частотой, по сравнению с частотой касания каждого зерна абразива, то в результате периодическую функцию изменения скорости (см. рис. 1.1) можно представить как некую частотно-модулированную функцию воздействия на кристалл. А условия строгого постоянства ΔV и создают тот самый определяющий фактор образования когерентного поля упругих деформаций в объеме алмаза.

Возможно ли обычную механическую обработку кристалла описать взаимодействием довольно сложных волновых функций работающего инструмента и алмаза? В рамках существующих представлений такое описание не имеет смысла, ибо в применяемых современных технологиях взаимодействие этих функций смысла не несет (прямая линия на рис. 1.1). И учитывать тонкие волновые взаимодействия в кристалле алмаза в ручном режиме огранщики не в состоянии, поэтому обрабатывают алмаз без учета этих взаимодействий. Волновой процесс в этом случае неуправляемый и относится к области паразитных шумов с точки зрения фононной подсистемы кристалла (идет повышение его температуры). В качестве примера нашего «тонкого» волнового воздействия приведу одну из составляющих общего алгоритма трансформации кристалла. Общий алгоритм описывать долго и не имеет смысла. А вот одну из его изюминок я с удовольствием опишу.

Как уже сообщалось выше, ΔV является константой и строго зависит от (г_a). Это аппаратурный фактор и в процессе воздействия не меняется. А каким же образом в процессе воздействия можно на него (ΔV) повлиять?

Эксцентричное перемещение оси α вокруг оси ß может происходить двумя путями:: либо это перемещение и вращение инструмента однонаправленно (вращение и перемещение происходит в одну сторону), либо они вращаются в разных направлениях. И в этом случае проявляется один очень важный момент: вращаясь в одну сторону, скорость движения по оси ß дополняет скорость вращения по оси α. В результате ΔV имеет приращение (немного увеличивается).

При противоположном движении возникает противоположный эффект, и ΔV немного уменьшается. Вроде бы очевидный факт, но при нашем периодическом волновом воздействии на алмаз этот факт (как и его комбинации) значительно влияет на формируемое волновое поле алмаза. И это влияние проявляется во вполне определенных тонких эффектах, как в морфологии поверхности, так и в формировании объемной флуктуационной структуры алмаза, расширяя возможности нашей технологии.

В качестве примера приведу картинку движения произвольной точки (или единичного зерна абразива) на поверхности инструмента (области окружности, описываемой осью «вокруг оси ß). Характер этого движения фиксируется нашим компьютером во время работы системы. Соотношение частот α и ß в данном случае формирует некую пятилепестковую фигуру.

Математически эту траекторию можно описать как траекторию эпициклоиды. Ее образование вполне понятно, ибо это эффект эксцентричного движения оси α вокруг оси ß в однонаправленном режиме [17].

Следующая картинка – изображение гипоциклоиды. Кратность соотношения частот строго соблюдена. Все параметры движения сохранены, только поставлен знак (—) в одном из параметров направления движения инструмента. Движения оси α вокруг оси ß разнонаправленные.

В этом случае происходит не только изменение величины AV, но и существенное изменение характера волновой функции воздействия на кристалл алмаза активного инструмента. А это отражается, в свою очередь, на формируемом волновом поле алмаза.

Этот прием с учетом основного алгоритма воздействия и был реализован при получении молочного тумана опалесценции в объеме CVD кристалла. Красивый и элегантный приемчик, правда? И делается простым нажатием пальца по клавиатуре…

В общем случае процесс волнового воздействия можно представить следующим образом.

Систему возбуждения, основу которой составляет инструмент, можно рассмотреть как некую волновую функцию. Условиями формирования этой функции являются задаваемые (программируемые) параметры, такие как усилие прижима инструмента к кристаллу, определенные соотношения скоростей вращения а и ß, наклон кристалла, вращение алмаза при сохранении заданных пространственных координат инструмента и обрабатываемого кристалла и т. д. и т. п. Всего в процессе воздействия промышленный компьютер отслеживает 32 независимых друг от друга параметра.

Динамическая высокочастотная волновая среда, обладая своими начальными волновыми характеристиками, снимает внутренние напряжения в кристалле, делая его более совершенным, изменяет дефектно-примесную структуру системы, трансформирует форму алмаза, тем самым формируя условия для изменения параметров своей изначальной функции на функцию с другими характеристиками.

Переходя в область еще более высокочастотных характеристик и увеличивая степень когерентности системы кристалла, динамическая волновая среда влияет также на «шубу», трансформация которой опять создает условия для нового производства энтропии. Со временем вся динамическая система алмаза приходит в некое равновесное состояние. Это достигнутое равновесное состояние системы не меняется в процессе дальнейшей обработки при условии постоянства алгоритма возбуждения. После снятия воздействия кристалл алмаза, перейдя на новый уровень своей энтропии, сохраняет свои вновь приобретенные характеристики и свойства. Чтобы изменить достигнутые характеристики и свойства алмаза, необходимо изменить применяемый в дальнейшем алгоритм воздействия.

Как правило, «артефакты» технологии происходят неожиданно и в случаях, казалось бы, совершенно тривиальных. Что влияет на их неожиданное проявление – пока не совсем ясно. Может быть, применяемые алгоритмы, может быть структура кристалла, а может быть все вкупе.

При обработке синтетического кристалла алмаза массой 1,78 карат был выявлен факт, который даже в дружной семье «артефактов» занял особое положение. Была поставлена задача: сформировать параболоид на нижней части кристалла (рис. 2.15). Место касания инструмента (я) видно на нижней усеченной пирамиде в районе затравки.

В процессе пятиминутного воздействия на кристалле явно стали формироваться и полироваться т. н. желобки на всех ребрах нижнего октаэдра (рис. 2.156), даже на тех ребрах, которые имели сколы. По нашему мнению, этот факт (замеченный ранее и на других кристаллах, рис. 2.13) означал начало трансформации всего кристалла алмаза.

Противоположная часть кристалла находилась в оправке, залитая специальным цементом, разработанным бельгийской фирмой «Беттонвиль» для крепления алмазов при обдирке рундиста (ободка будущего бриллианта). Температура плавления клея -150 °C.

После пяти минут воздействия процесс обработки кристалла был прекращен. Алмаз выклеен из оправки и очищен от следов цемента. Два ребра верхней пирамиды кристалла были явно «растравлены» (рис. 2.16в). Одно ребро «пострадало» больше другого. Противоположные «растравленным» ребра октаэдра остались без особых видимых изменений.

Рис. 2.15. Синтетический алмаз: начало формирования параболоида (а); образование «желобков» на ребрах (б)

Рис. 2.16. Растравленные ребра алмаза (в)

Травление алмаза в потоке кислорода – факт известный. Но в нашем случае предполагать нагрев залитого цементом алмаза до 800 °C и его взаимодействие с кислородом окружающего воздуха – не сильно оптимистичная идея, тем более что нагрев кристалла отсутствовал. По показаниям электронного термометра температура алмаза в процессе обработки составляла -23,5 С.

Вполне очевидно, что подобные изменения в алмазе (рис. 2.17) могли произойти только из-за протекания волновых процессов в его объеме и на его поверхности, стимулированных определенным алгоритмом воздействия.

Кстати произошло и снятие внутренних напряжений в кристалле. Снимок сделан в поляризованном свете в скрещенных поляризаторах (рис. 2.18).

Рис. 2.17. Растравленное ребро алмаза (в)