合至襯底22。殘余的熱應(yīng)力可以通過單個中間層或多個中間層來管理。
[0024]如圖1中所示的鉆頭10可以是使用陽極鍵合將切削層24附接至襯底22或中間層來制成。如圖3A中所示，可以使用陽極鍵合將第一材料30共價地鍵合至第二材料31。第一材料30和第二材料31被放置成彼此鄰近并且位于陰極32與陽極33之間。通過將電流施加至陽極來產(chǎn)生靜電場，所述靜電場可以吸引或排斥存在于第一材料30或第二材料31中的帶正電荷和帶負電荷的離子以在兩種材料之間產(chǎn)生共價鍵。在第一材料和第二材料是固體時，通過靜電場產(chǎn)生的離子漂移在兩種材料的表面處發(fā)生以方便其共價鍵合。在一些實例中，陽極和陰極進一步包括用于將熱施加至第一材料和第二材料以方便陽極鍵合的加熱元件。陽極鍵合過程可以在溫度受控的環(huán)境內(nèi)部進行。陽極鍵合過程的參數(shù)包括鍵合電壓(UB)、電流限制(IB)、鍵合溫度(TB)以及接觸壓力和時間。
[0025]例如，陽極鍵合已用以將玻璃共價鍵合至第二材料，例如硅、金屬或其它材料。在此情形中，陽極鍵合可以涉及對第一材料30 (例如玻璃)和第二材料31 (例如硅)定位使之通過靜電場發(fā)生原子接觸。如圖3B中所示，靜電場可以吸引或排斥存在于玻璃中的帶正電荷和帶負電荷的離子。玻璃可以包括高濃度的堿金屬或堿土金屬離子(例如Na2+)。帶正電荷的離子向陰極漂移，從而在鄰近于第二材料31的玻璃表面處形成“耗盡區(qū)”，而帶負電荷的離子向玻璃表面與第二材料之間的界面34漂移至耗盡區(qū)中。在界面34處，帶負電荷的離子(例如氧)可以與第二材料(例如硅)發(fā)生反應(yīng)以形成共價氧鍵合層(例如二氧化娃)。
[0026]在使用陽極鍵合作為用于將熱穩(wěn)定多晶材料切削層附接至襯底以在鉆頭中使用的機制時，將考慮所述熱穩(wěn)定多晶材料和襯底(和中間層，如果包括的話)的特性。
[0027]例如，選擇熱穩(wěn)定多晶材料、襯底和中間層(或多個中間層)時考慮的因素可以是各自的熱膨脹系數(shù)(CTE)。CTE是材料溫度的每單位升高長度的分數(shù)增加。襯底與熱穩(wěn)定多晶材料之間的CTE差異可能會導(dǎo)致熱殘余應(yīng)力，所述熱殘余應(yīng)力可能會使熱穩(wěn)定多晶材料在冷卻后破裂。為了最小化由熱殘余應(yīng)力引起的問題，熱穩(wěn)定多晶材料的CTE可以類似于襯底或中間層的CTE(如果使用中間層的話)。
[0028]可以在壓制過程期間或壓制后將玻璃或堿金屬或堿土金屬添加至熱穩(wěn)定多晶材料(它通常不含有玻璃或所述離子)以方便至襯底的陽極鍵合。例如，可以用碳酸鹽催化劑來替換典型結(jié)晶化VIII族金屬催化劑，例如鈷和鎳。碳酸鹽催化劑可以提供用于陽極鍵合的離子。所述碳酸鹽催化劑的實例包括碳酸鎂(MgC03)、碳酸硅(SiCO)、碳酸鈉(Na2C03)、碳酸鉀(K2C03)、碳酸鍶(SrC03)、碳酸鈣(Ca2C03)和碳酸鋰(Li2C03)。在一些實例中，使用多種碳酸鹽催化劑來形成熱穩(wěn)定多晶材料。與金屬催化劑不同，在形成多晶材料的過程中，碳酸鹽催化劑在壓制循環(huán)之后不起到催化劑的作用。因此，不需要將碳酸鹽催化劑從多晶材料移除(例如通過浸出)以產(chǎn)生完全熱穩(wěn)定多晶材料。如圖4A中所示，存在于熱穩(wěn)定多晶材料中的帶負電荷的氧離子可以向熱穩(wěn)定多晶材料(第一材料30)與襯底(第二材料31)之間的界面34漂移至耗盡區(qū)中。在界面34處，氧離子可以與第二材料發(fā)生反應(yīng)以形成共價氧鍵合層，從而將熱穩(wěn)定多晶材料(第一材料30)共價地附接至襯底(第二材料31)。
[0029]在一些實例中，襯底可以共價地涂布有硅層以方便陽極鍵合過程。如圖4B中所示，存在于熱穩(wěn)定多晶材料中的帶負電荷的氧離子向熱穩(wěn)定多晶材料(第一材料30)與襯底(第二材料31)上的硅層之間的界面34漂移至耗盡區(qū)中。在界面34處，氧離子可以與硅發(fā)生反應(yīng)以形成共價氧化硅鍵合層。接著可以將中間層附接至襯底以形成鉆頭(例如通過燒結(jié))?？梢允褂靡粋€以上中間層34將熱穩(wěn)定多晶材料(第一材料30)附接至襯底(第二材料31)。
[0030]圖5是示出了根據(jù)某些實施方案的用于制造切削元件的系統(tǒng)的框圖。例如，系統(tǒng)50包括陽極33、陰極32、作為切削層的第一材料30 (熱穩(wěn)定多晶材料)、和作為與切削層接觸的襯底的第二材料31、和電流產(chǎn)生器51。切削層(第一材料30)和襯底(第二材料31)安置于陽極33與陰極32之間，其中陽極33與切削層(第一材料30)接觸，而陰極32與襯底(第二材料31)接觸。電流產(chǎn)生器51將電流從陽極發(fā)送至陰極以產(chǎn)生電場52并且導(dǎo)致切削層(第一材料30)與襯底(第二材料31)之間的陽極鍵合。
[0031]在電流被遞送至熱穩(wěn)定多晶材料和襯底時，對熱穩(wěn)定多晶材料和襯底(或中間層)加熱可以方便離子移動以改善陽極鍵合。陽極鍵合過程發(fā)生的溫度會影響鍵合發(fā)生所花的時間量。在較冷溫度下，鍵合過程可以緩慢地進行，而在較暖的溫度下，鍵合過程可以更快地發(fā)生。選擇鍵合溫度時考慮的另一因素是熱穩(wěn)定多晶層的鍵降級時的溫度。鍵合發(fā)生時的溫度越低，鍵合層中的殘余應(yīng)力可能越低，這歸因于熱膨脹系數(shù)(CTE)的幾何變化。例如，熱穩(wěn)定多晶金剛石材料可以具有約800°C至1200°C的最大溫度極限(取決于大氣條件)，在所述溫度下，在熱穩(wěn)定多晶材料中金剛石鍵開始斷裂。因此，在一些情況中，針對陽極鍵合過程所選的溫度是像可以在具有最少降級或不具有降級的情況下對熱穩(wěn)定多晶材料加熱那樣暖。在一些實例中，針對陽極鍵合過程所選的溫度可以低于熱穩(wěn)定多晶層的鍵發(fā)生降級時的溫度，但是高到足以增加陽極鍵合過程發(fā)生的速率。在一些實例中，陽極鍵合過程可以涉及使用相對較低的溫度來進行鍵合。可以增加陽極鍵合過程的速率的另一因素是靜電場的強度。例如，可以增加靜電場的強度以促使離子移動。增加靜電場的強度還可以使熱穩(wěn)定多晶材料和襯底(或中間層)變熱。
[0032]在一些情況中，用于陽極鍵合過程的溫度可能遠低于用以使接合處斷開結(jié)合的溫度。例如，對于多晶金剛石材料，在低于800°C的溫度下，在電流被遞送至熱穩(wěn)定多晶材料和襯底時，可以產(chǎn)生陽極鍵合。然而，在一些情況中，可以將多晶金剛石材料加熱至800°C或800°C以上的溫度以斷開結(jié)合。在一些情況中，在電流被遞送至熱穩(wěn)定多晶材料和襯底時，陽極鍵合溫度可以增加至(例如)約i，ooo°c以增加熱穩(wěn)定多晶材料和襯底中的離子移動性。可以進行陽極鍵合過程，使得在電流被遞送至熱穩(wěn)定多晶材料和襯底時，將熱穩(wěn)定多晶材料加熱至約100°C與約900°C之間、或約200°C與約800°C之間、或約200°C與約700°C之間、或約200°C與約600°C之間、或約400°C與約800°C之間、或約400°C與約700°C之間、或約400°C與約600°C之間的溫度。例如，在電流被遞送至熱穩(wěn)定多晶材料和襯底時，可以將熱穩(wěn)定多晶材料加熱到至少約100°C、約200°C、約300°C、約400°C、約500°C、約600°C、約700°C 或約 800 °C。
[0033]在一些情況中，使用加熱元件將熱施加至切削層(熱穩(wěn)定多晶材料)、襯底(或中間層)或切削層與襯底(或中間層)以方便陽極鍵合。在某些實例中，由于產(chǎn)生靜電場，陰極32和陽極33可以將熱直接提供至切削層和襯底(或中間層)。或者，可以在用于加熱的封閉隔室(例如爐子)中進行陽極鍵合過程。
[0034]圖6是示出了根據(jù)各種實施方案的用于制造切削元件的方法的框圖。就圖5中所示的環(huán)境來描述圖6中所示的方法60。在框61中，將切削層(第一材料30 ;熱穩(wěn)定多晶材料)定位成與襯底(第二材料31 ;例如陰極)接觸。在框62中，將切削層和襯底定位在陽極33與陰極32之間。在定位在系統(tǒng)中后，切削層與陽極33接觸，而襯底與陰極32接觸。如框64中所指示，將電流施加至陽極33會在陽極33與陰極32之間產(chǎn)生電場52。在框65中，電場52使切削層陽極地鍵合至襯底，因此形成切削元件。通過電流產(chǎn)生器51來提供電流。
[0035]為了方便將切削層和襯底定位在陽極與陰極之間，陽極和陰極中的至少一者可以處于固定位置中，而另一者是可移動的。陽極和陰極可以都是可移動的?？梢允謩拥鼗蚴褂醚b配系統(tǒng)機器地對系統(tǒng)的部件進行定位。所述系統(tǒng)可以包括一個或多個傳感器以方便各種部件(未圖示)的定位。在框63中，在切削層和襯底位于陽極與陰極之間后，將電流遞送至陽極。
[0036]在一些實例中，所述方法進一步包括在電流被遞送至陽極33時對切削層或襯底進行加熱。