(57)【要約】  切削装置（１０）は、材料が除去される加工物（１９）に対面するように向けられる作業面（１４）を有する基部（１２）を含有する。複数の個々の切削要素（１６）が基部の作業面に配置され、各切削要素は多結晶超硬材料から形成される少なくとも１つの切削エッジ（１８）を備える頂部を有する。切削要素のこの頂部は、共通平面（２０）内に整列させられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料が除去される加工物に対面するように向けることができる作業面を有する基部；および、
前記基部の前記作業面に配置される複数の個々の切削要素であって、各切削要素は多結晶超硬材料から形成される少なくとも１つの切削エッジを含む頂部を有し、前記切削要素の前記頂部が共通の平面内に整列している、前記切削要素；
を含む、切削装置。
【請求項２】
前記基部ならびに前記切削要素の各々が多結晶超硬材料の一体的部片から形成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
多結晶超硬材料の一体的部片から形成される、材料が除去される加工物に対面するように向けることができる作業面を有する基部；および、
前記基部の前記作業面と一体的に形成される複数の個々の切削要素であって、各切削要素が少なくとも１つの先端を含む頂部を有し、前記切削要素の前記頂部が共通の平面内に整列している、前記切削要素；
を含む、切削装置。
【請求項４】
前記多結晶超硬材料が多結晶ダイヤモンド成形体を含む、請求項２または請求項３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記多結晶ダイヤモンド成形体が約５０μｍまたはそれより小さなダイヤモンド粒子サイズを有する、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記多結晶ダイヤモンド成形体が約１μｍから約１０μｍのダイヤモンド粒子サイズを有する、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記多結晶ダイヤモンド成形体が体積で約８０％から約９８％のダイヤモンド含有量を有する、請求項４に記載の装置。
【請求項８】
前記多結晶超硬材料が多結晶立方晶窒化ホウ素成形体を含む、請求項２または請求項３のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
前記切削装置が平削り装置を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記切削装置がドレッシング装置を含む、請求項３に記載の装置。
【請求項１１】
前記切削要素の各々の面上に形成される一連の２次的な切削要素をさらに含み、前記２次的な切削要素が前記切削装置の使用中、前記切削エッジの各々の鋭利さを維持するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記切削要素の前記頂部が実質的に脆性である材料を切削するように動作可能である、請求項１または請求項３のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
前記脆性材料が、金属、シリコンウェーハ、平坦化によって再生される使用済シリコンウェーハ、ＬＣＤガラス、ＬＥＤ基板、ＳｉＣウェーハ、クオーツウェーハ、窒化ケイ素、ジルコニア、サファイア、リチウムニオブ酸塩、リチウムチタン酸塩、ＰＺＴ、砒化ガリウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、リン酸ホウ素、窒化アルミニウムおよび窒化ホウ素からなる群から選択される部材である、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記切削要素の各々の前記頂部が前記共通の平面内に整列する複数の切削エッジを含む、請求項１または請求項３のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
前記切削要素の各々の前記頂部が、正方形、長方形、三角形、六角形、円形および楕円形からなる群から選択される形状を含む、請求項１または請求項３のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
第２の共通平面内に整列する少なくとも１つの先端を有する一連の２次的な切削要素をさらに備え、前記第２の共通平面が、前記共通平面よりも前記基部の反対側に近接して配設され、前記２次的切削要素が、前記切削要素が前記加工物内に切り込む深さを制限するように構成される、請求項１または請求項３のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
前記２次的切削要素が平らな面に終端する、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記切削要素の前記頂部が前記共通平面に対して約０．５μｍから約５０μｍ以内で同じ高さにされる、請求項１または請求項３のいずれかに記載の装置。
【請求項１９】
前記切削要素の前記頂部が前記共通平面に対して約２５μｍ以内で同じ高さにされる、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記共通平面が前記切削装置の前記作業面を越えて約２００μｍから約２０００μｍで位置を定められる、請求項１または請求項３のいずれかに記載の装置。
【請求項２１】
多結晶超硬材料成形体を準備すること；および、
前記多結晶超硬材料成形体から前記複数の個々の切削要素を形成するために、前記多結晶超硬材料成形体の基部の作業面から材料を除去すること；
を含む、請求項２または請求項３のいずれかに記載した切削装置を形成する方法。
【請求項２２】
前記多結晶超硬材料成形体が多結晶ダイヤモンド成形体を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記多結晶ダイヤモンド成形体が約５０μｍまたはそれより小さなダイヤモンド粒子サイズを有する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記多結晶ダイヤモンド成形体が約１μｍから約１０μｍのダイヤモンド粒子サイズを有する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記多結晶ダイヤモンド成形体が体積で約８０％から約９８％のダイヤモンド含有量を有する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記多結晶超硬材料成形体が多結晶立方晶窒化ホウ素成形体を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記切削要素の各々の上側表面上に一連の２次的な切削要素を形成することをさらに含み、前記２次的な切削要素が前記切削装置の使用中、前記切削要素の各々の鋭利さを維持するように構成される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
前記切削要素の切削エッジが実質的に脆性である材料を切削するように動作可能である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
前記脆性材料が、金属、シリコンウェーハ、平坦化によって再生される使用済シリコンウェーハ、ＬＣＤガラス、ＬＥＤ基板、ＳｉＣウェーハ、クオーツウェーハ、窒化ケイ素、ジルコニア、サファイア、リチウムニオブ酸塩、リチウムチタン酸塩、ＰＺＴ、砒化ガリウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、リン酸ホウ素、窒化アルミニウムおよび窒化ホウ素からなる群から選択される部材である、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記切削要素を形成することが、各切削要素の複数の切削エッジを前記共通の平面内に整列させることを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項３１】
前記切削要素の各々の前記頂部が、正方形、長方形、三角形、円形および楕円形からなる群から選択される形状を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項３２】
前記基部の前記作業面から材料を除去することが、レーザアブレーション、電解加工、プラズマエッチング、酸化および水素添加からなる群から選択されるプロセスによって材料を除去することを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項３３】
前記基部の前記作業面から材料を除去することが、放電加工によって材料を除去することを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項３４】
前記放電加工プロセスがダイヤモンドを含む電極を利用する、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記電極がホウ素ドーピングされたダイヤモンドを含むアノードである、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記ホウ素ドーピングされたダイヤモンドアノードがアノードから延びる一連の成形された突起部を含み、前記成形された突起部が前記成形体の前記面から溝付きのパターンで材料を除去するように構成される、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記電極がホウ素ドーピングされたダイヤモンドを含むカソードである、請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
前記ホウ素ドーピングされたダイヤモンドカソードがカソードから延びる一連の成形された突起部を含み、前記成形された突起部が前記成形体の前記面から溝付きのパターンで材料を除去するように構成される、請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記成形体の前記面から材料を除去することが、第２の共通平面内に整列する少なくとも１つの先端を有する一連の２次的な切削要素を形成することをさらに含み、前記第２の共通平面が、前記共通平面より前記成形体の反対側に近接して配置され、前記２次的切削要素が、前記切削要素が前記加工物内に切り込む深さを制限するように構成される、請求項２１に記載の方法。
【請求項４０】
前記２次的切削要素の各々が平らな面に終端する、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記切削要素の前記頂部が前記共通平面に対して約０．５μｍから約５０μｍ以内で同じ高さにされる、請求項２１に記載の方法。
【請求項４２】
前記切削要素の前記頂部が前記共通平面に対して約２５μｍ以内で同じ高さにされる、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記共通平面が前記切削装置の前記面を越えて約２００μｍから約２０００μｍで位置を定められる、請求項２１に記載の方法。
【請求項４４】
加工物の表面を切削装置の複数の個々の切削要素と係合させることであって、
ここで前記個々の切削要素は、多結晶超硬材料の一体的部片の作業面から一体的に形成され、各切削要素が共通の平面内に整列する頂部を有する；および、
前記加工物と前記切削装置を互いに相対的に移動させ、それによって前記加工物から前記切削要素で材料を除去すること；
を含むプロセスによって形成される製品。
【請求項４５】
前記多結晶超硬材料が多結晶ダイヤモンド成形体を含む、請求項４４に記載の製品。
【請求項４６】
前記多結晶ダイヤモンド成形体が約５０μｍまたはそれより小さなダイヤモンド粒子サイズを有する、請求項４５に記載の製品。
【請求項４７】
前記多結晶ダイヤモンド成形体が約１μｍから約１０μｍのダイヤモンド粒子サイズを有する、請求項４６に記載の製品。
【請求項４８】
前記多結晶ダイヤモンド成形体が体積で約８０％から約９８％のダイヤモンド含有量を有する、請求項４５に記載の製品。
【請求項４９】
前記多結晶超硬材料が多結晶立方晶窒化ホウ素成形体を含む、請求項４４に記載の製品。
【請求項５０】
前記複数の切削要素の各々が前記共通の平面内に整列する切削エッジを含む、請求項４４に記載の製品。
【請求項５１】
前記プロセスが、前記加工物の前記表面を第２の共通平面内に整列する少なくとも１つの先端を有する一連の２次的な切削要素と係合させることをさらに含み、
ここで前記第２の共通平面は、前記共通平面より前記多結晶超硬材料の反対側に近接して配置され、それによって前記切削要素が前記加工物内に切り込む深さを制限する、
請求項４４に記載の製品。
【請求項５２】
前記２次的切削要素が平らな面に終端する、請求項５１に記載の製品。
【請求項５３】
前記切削要素の前記頂部が前記共通平面に対して約０．５μｍから約５０μｍ以内で同じ高さにされる、請求項４４に記載の製品。
【請求項５４】
前記切削要素の前記頂部が約１５μｍ以内で同じ高さにされる、請求項４４に記載の製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、様々な材料から形成される平面加工物に使用される切削装置（cutting device）に関する。したがって、本発明は、化学、物理学および材料科学の分野を含む。
【背景技術】
【０００２】
半導体産業は、現在毎年１０億米ドルより多くを極めて平坦かつ平滑な表面を呈示するシリコンウェーハを製造するのに費やしていると推定される。通常、平滑かつ平らな表面のウェーハを得るために化学的機械的研磨（chemical mechanical polishing；ＣＭＰ）が半導体素子の製造プロセスで使用される。従来方式のプロセスでは、研磨されるべきウェーハは、一般に、回転するプラテン（圧盤；platen）上に取り付けられる研磨パッド上に位置決めされるキャリアによって保持される。スラリーがパッドに加えられ、圧力がキャリアに加えられるとき、ウェーハはプラテンとキャリアの相対的移動によって研磨される。
【０００３】
このよく知られたプロセスは長年成功裏に使用されてきているが、それは多数の問題点に悩まされている。例えばこの従来方法は比較的高価であり、また、シリコンウェーハは厚さが均一でない可能性があり、あるいはプロセスの完了後十分に平滑でない可能性もあるので、常に効果的とは限らない。溶媒によってエッチングされるとき、過度に「波状（wavy）」になるのに加え、シリコンウェーハの表面はプロセスで使用される個々の研磨グリットによって欠けてしまう場合がある。さらに、より高い生産性を達成するために除去速度が速められる場合は、研磨パッド上に使用されるグリットサイズを大きくしなければならず、結果として、高価なウェーハに掻き傷または溝状傷をつけるリスクも対応して増加する。さらに、表面掻き傷は不連続である可能性があるので、プロセスの処理量は非常に低くなる可能性がある。結果的に、現在の最新式プロセスのウェーハ表面処理は、一般に高価でありかつ低速である。
【０００４】
これらの考慮点に加え、半導体上の回路の線幅（例えば、ノード（nodes））は今、ウイルスの領域（例えば、１０〜１００ｎｍ）に近づきつつある。さらに今は、進化した論理回路設計の増大する要求に合致するように、回路のより多くの層が積層されつつある。ナノメートルサイズの機構を作るための複数の層を堆積させるために、各層は半導体製造中極めて平坦かつ平滑でなければならない。ダイヤモンド格子パッドコンディショナーが、集積回路の既存の設計を研磨するためのＣＭＰパッドをドレッシングするのに効果的に使用されてきているが、それらは、６５ｎｍより小さなノードを有する切削エッジ装置を作るのに適切であるとは見出されてきていない。これは、銅線のサイズが減少するのに伴って、粗い研磨、または過研磨に起因する非均一な厚さが電気伝導度を劇的に変化させるからである。さらに、サンゴ状（coral-like）の誘電層の使用に起因して、この脆性構造体は崩壊を避けるために極めて緩やかに研磨しなければならない。したがって、ＣＭＰプロセスに使用される圧力は、大きく減少させなければならない。
【０００５】
それに応答して、銅の電解を利用するもの（例えば、アプライドマテリアルズのＥＣＭＰ）またはウェーハの空気フィルムクッション支持を利用するもの（例えば、東京精密）などの新規なＣＭＰプロセスが、ウェーハとパッドの間の接触点上の研磨圧力を減少させるために追求されている。しかしながら、より緩やかな研磨動作の結果として、ウェーハの研磨速度は低下するであろう。生産性の損失を補償するために、研磨はウェーハの表面全体にわたり同時に起きなければならない。そうするために、ウェーハとパッドの間の接触点は、面積でより小さくなければならず、ただし量でより多数でなければならない。これは、接触した面積が比較的大きいが数が比較的少ない、現在のＣＭＰ手法とは対照的である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、脆性のウェーハを益々緩やかに研磨するために、ＣＭＰパッドの凹凸（アスペリティ；asperity）は減少させなければならない。しかしながら、研磨速度が減少するのを防止するために、より多くの接触点を作り出さなければならない。結果として、パッドの凹凸はサイズでより細かく、けれども数でより多くする必要がある。しかしながら、研磨プロセスがより繊細になると、ウェーハの表面に掻き傷をつけるリスクもより高くなる。このリスクを避けるために、全ての凹凸の最も高い先端は完全に同じ高さにしなければならない。そうでなければ、いくつかの「キラーアスペリティ(killer asperity)」の突起部が研磨されたウェーハを傷つける可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
したがって本発明は、材料が除去される加工物に対面するように向けることができる作業面（working side）を有する基部（base）を含む切削装置を提供する。複数の個々の切削要素（cutting elements）を、この基部の作業面に配置することができる。各切削要素は、多結晶超硬材料から形成される少なくとも１つの切削エッジ（cutting edge）を含む頂部（peak）を有することができる。切削要素のこの複数の頂部は共通の平面内に整列させることができる。この基部ならびに切削要素の各々は、多結晶超硬材料の一体的部片から形成することができる。
【０００８】
本発明の別の態様によれば、材料が除去される加工物に対面するように向けることができる作業面を有する基部を含む切削装置が提供される。この基部は、多結晶超硬材料の一体的部片から形成することができる。複数の個々の切削要素を、この基部の作業面と一体的に形成することができる。各切削要素は、少なくとも１つの先端（tip）を含む頂部を有することができる。切削要素のこの複数の頂部は、共通の平面内に整列することができる。
【０００９】
本発明の別の態様によれば、多結晶超硬材料成形体を準備するステップと、多結晶超硬材料成形体から複数の個々の切削要素を形成するために、多結晶超硬材料の基部の作業面から材料を除去するステップとを含む、上記の切削装置を形成する方法が提供される。
【００１０】
本発明の別の態様によれば、加工物の表面を切削装置の複数の個々の切削要素と係合させることであって、この個々の切削要素が多結晶超硬材料の一体的部片の作業面から一体的に形成され、各切削要素が共通の平面内に整列する頂部を有しており；および、加工物と切削装置を互いに相対的に移動させ、それによって加工物から切削要素で材料を除去すること；を含むプロセスによって形成される製品が提供される。
【００１１】
以下に続く本発明の詳細な説明がより良く理解されるように、かつこの分野に対する本発明の貢献がより良く理解され得るように、本発明の様々な特徴を、かなり大雑把に概説してきた。本発明の他の特徴は、添付の例示的な特許請求の範囲と共に、本発明の以下の詳細な説明からより明瞭になるであろうし、あるいは本発明の実施によって学ぶこともできる。
【００１２】
図１は本発明の一実施形態による切削装置の概略斜視図である。図２は、図１の切削装置の側面、平面図である。図３は本発明の一実施形態による、加工物を切削している切削要素の概略、部分側面図である。図４のうち、図４Ａは本発明の一実施形態による、一連の切削要素のより詳細な斜視図であり、図４Ｂは本発明の一実施形態による、弓形の切削要素を有する切削装置の斜視図である。図５は、図１の切削装置の１対の切削要素の断面図である。図６は、放電加工プロセスのカソードおよびアノードの断面図である。図７のうち、図７Ａは本発明の一実施形態による、切削装置の上面図であり、図７Ｂは図７Ａの切削装置の一連の切削要素の断面図である。図８は、本発明の一態様による、切削要素の拡大された画像を伴う切削装置の画像である。図９は、本発明の一態様による、切削要素の拡大された画像を伴う切削装置の画像である。
【００１３】
上記の図は、本発明の理解を促進させるための、単に例示的な目的であることは理解されるであろう。さらに、これらの図は、縮尺通りに描かれていない可能性があり、したがって、寸法、粒子サイズ、および他の態様は、その説明をより明瞭にするために誇張されている可能性があり、かつ一般的に誇張されている。したがって、本発明の切削装置を製造するために、図に示された特定の寸法および態様からの逸脱を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明を開示し説明する前に、この発明は、本明細書で開示される特定の構造、プロセスステップ、または材料に限定されず、関連する分野の技術者によって理解されるであろうそれらの均等物に及ぶことを理解されたい。本明細書で使用される専門用語は、特定の実施形態を説明する目的でのみ使用され、限定するためのものではないことも理解されたい。
【００１５】
この明細書および添付の特許請求の範囲で使用されるとき、単数形の「１つの（ａ、ａｎ）」および「この（ｔｈｅ）」は、文脈がそうではないことを明瞭に指示しない限り、複数の概念を含むことに留意しなければならない。したがって例えば、「１つの切削要素(a cutting element)」への言及は、１つまたは複数のそのような要素を含み、「１つの脆性材料(a brittle material)」への言及は、１つまたは複数のそのような材料への言及を含む。
【００１６】
定義
本発明を説明し、特許請求を行う場合に、次の用語が以下に記載する定義に従って使用される。
【００１７】
本明細書で使用されるとき、「粒子(particle)」および「グリット(grit)」は、交換可能に使用される場合があり、炭素質の材料と共に使用されるとき、そのような材料の特定の形態を意味する。そのような粒子またはグリットは、丸、長方形、正方形、自形（euhedral）等を含む様々な形状、ならびに多数の特定の網目サイズを取ることができる。この分野で知られているように、「網目(メッシュ；mesh)」は、米国における網目の場合のように、単位面積当たりの穴の数を意味する。本明細書で言及する全ての網目サイズは、そうではないと指示されない限り、米国式の網目である。さらに、特定の「網目サイズ」内の各粒子は実際はサイズの小さな分布にわたり変動することができるので、この網目サイズは一般に、平均網目サイズの粒子の所与の集合を指示すると理解される。
【００１８】
本明細書で使用されるとき、「実質的な(substantial)」および「実質的に(substantially)」は、あたかもそのような目的または構成が実際に達成されたかのような、所望の目的、動作、または構成の機能的な達成を意味する。したがって、共通の平面内に実質的に整列された切削エッジは、あたかも、またはほとんどあたかもそれらが正確にそのような平面内に整列したかのように機能する。
【００１９】
さらに、「実質的に不足している」材料または要素を「実質的に欠いている、または実質的にない」材料などの、排他的な文脈で使用されるとき、用語「実質的な」および「実質的に」は、参照が行われている要素の機能的な欠乏を意味する。したがって、その要素が実際には材料内に存在する可能性があるが、その材料に有意に影響を与えるのに、または本発明でその材料によって働く目的に対し、不十分な量でのみ存在するときには、ある要素を「実質的に欠いている」という言及を、ある材料に行うことが可能である。
【００２０】
本明細書で使用されるとき、「加工面(working side)」は、平削りまたはドレッシング処理（planing or dressing procedure）中、加工物の材料に接触するまたは接触するように構成される工具の側面を意味する。いくつかの態様では、この加工面は加工される加工物に単に面しているが、実際に加工物に接触しない場合もある。
【００２１】
本明細書で使用されるとき、「共通平面(common plane)」は、切削要素の頂部が整列すべき基部表面上の、平面的なまたは曲線を有する側面（planar or contoured profiles）を含む、側面（profile）を意味する。そのような側面の例には、限定ではなく、波状の側面、凸状の側面、凹状の側面、多段側面、等が含まれる。
【００２２】
本明細書で使用されるとき、切削「エッジ」（cutting “edge”）は、接触し加工物から材料を除去する部分を横切るある測定可能な幅を含む、切削要素の一部分を意味する。例示的な説明として、典型的なナイフの刃は、ナイフの刃に沿って長さ方向に延びる切削エッジを有しており、ナイフの刃の切削「エッジ」が加工物から材料を取り去るために、材料を加工物からすくい取るまたは削り取るためにナイフの刃を加工物に対して横方向に向けなければならないであろう。
【００２３】
本明細書で使用されるとき、「超硬(superhard)」は、約８またはそれより大きいモース硬さを有する任意の結晶質の若しくは多結晶質の材料、またはそのような材料の混合物を意味するのに使用される。いくつかの態様では、このモース硬さは約９．５またはそれより大きい場合がある。そのような材料には、限定ではなくダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）、多結晶立方晶窒化ホウ素（ＰｃＢＮ）、ならびに当業者に知られている他の超硬材料が含まれる。超硬材料は、粒子、グリット、フィルム、層等を含む様々な形態で本発明に組み込むことができる。
【００２４】
本明細書で使用されるとき、「気相蒸着（vapor deposition）」は、気相を介して基板上に材料を堆積させるプロセスを意味する。気相蒸着プロセスは、限定ではなく化学的気相蒸着（ＣＶＤ）および物理的気相蒸着（ＰＶＤ）などの任意のプロセスを含む。各気相蒸着方法の多種多様の変形を当業者は実行することが可能である。気相蒸着方法の例には、ホットフィラメント(hot filament)ＣＶＤ、ＲＦ−ＣＶＤ、レーザＣＶＤ（ＬＣＶＤ）、有機金属(metal-organic)ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）、スパッタリング、熱蒸発(thermal evaporation)ＰＶＤ、電離金属(ionized metal)ＰＶＤ（ＩＭＰＶＤ）、電子ビームＰＶＤ（ＥＢＰＶＤ）、反応(reactive)ＰＶＤ、等が含まれる。
【００２５】
本明細書で使用されるとき、「焼結(sintering)」は、２つ以上の個々の粒子を連続した固体塊を形成するように連結させることを意味する。焼結プロセスは、少なくとも部分的に粒子間の間隙をなくすための粒子の連結を含む。焼結は、金属またはダイヤモンドなどの炭素質粒子で起きる。金属粒子の焼結は、材料の成分に応じて様々な温度で起きる。ダイヤモンド粒子の焼結は一般に、超高圧およびダイヤモンド焼結助剤として炭素溶媒の存在を必要とし、以下でより詳細に論じられている。焼結助剤は、焼結プロセスを補助するためにしばしば存在し、そのようなものの一部分は最終製品内に残る可能性がある。
【００２６】
本明細書で使用されるとき、用語「切削要素(cutting element)」は、加工物の表面から材料を切削または平削りするように構成される１つまたは複数の切削エッジまたは先端を含む、切削装置内に形成される突起部またはくぼみを意味する。そのように限定するわけではないが、本明細書で説明する切削要素は、切削エッジを形成するように実質的に９０°の角度で合致する前表面および上表面を含むことができる。ある場合には、本発明の切削要素は、相対的に実質的な幅、深さ、および高さを伴う３次元の形態を有する。各切削要素は、この切削要素の幅または深さのうちの１つに一致する切削幅を有する１つまたは複数の切削エッジを含むことができる。
【００２７】
本明細書で使用されるとき、用語「頂部(peak)」は、切削要素の基部から最大の距離延びる切削要素の相対的な部分を意味する。したがって、加工物に接触するように向けられるとき、切削装置の切削要素の頂部は、切削装置のいかなる他の部分が加工物と接触するのにも先立って、加工物の表面に接触することになる。
【００２８】
本明細書で使用されるとき、複数の品目、構造要素、成分要素、および／または材料は、便宜のために共通のリストに示される場合がある。しかしながら、これらのリストは、あたかもリストの各部材が別々のかつ固有の部材として個々に特定されたとして解釈されるべきである。したがって、そのようなリストのどのような個々の部材も、反対であるという指示なしに単に共通の群内にそれらが示されていることに基づいて、同じリストの任意の別の部材の事実上の均等物であると解釈すべきではない。
【００２９】
濃度、量、粒子サイズ、体積、および他の数値的なデータは、本明細書で範囲の形式で表現され、示される場合がある。そのような範囲形式は単に便宜および簡潔のために使用され、したがって、範囲の限界として明白に列挙された数値を含むのみならずその範囲に包含される全ての個々の数値またはサブ範囲も、あたかも各数値およびサブ範囲が明白に列挙されたように含むと柔軟に解釈すべきである。
【００３０】
例示として、「約１マイクロメートルから約５マイクロメートル」という数値範囲は、約１マイクロメートルから約５マイクロメートルの明白に列挙された値のみならず、指示された範囲内の個々の値および部分的な範囲（sub-range）も含むと解釈すべきである。したがって、この数値範囲に２、３、および４などの個々の値および１〜３、２〜４、および３〜５等などの部分的な範囲が含まれる。この同じ原理は、ただ１つの数値を挙げる範囲にも適用される。さらに、そのような解釈は、記載された範囲の大きさまたは性質にかかわらず適用すべきである。
【００３１】
本発明
本発明は、加工物から材料を除去し、加工物に仕上げられた、平滑な、および／または平坦な表面をもたらすように、加工物を切削する、またはさもなければ加工物に作用するのに利用できる、切削装置およびこれに関連する方法を提供する。本発明の切削装置は、例えば、加工物から材料を平削りする平削り装置、様々な加工物をドレッシングするドレッシング装置、および様々な加工物を研磨する研磨装置として有利に利用することができる。
【００３２】
図１に示す本発明の実施形態では、この切削装置１０は、切削または平削りされる加工物（図３の１９）に対面する加工面１４を有することができる基部１２を含むことができる。複数の個々の切削要素１６を基部の加工面に配置することができる。この切削要素の各々は、図２に概略的に示すように共通平面２０にそれらの各々を整列させることができる、少なくとも１つの切削エッジまたは先端１８を含むことができる。以下でより詳細に論じるように、この切削エッジは加工物１９と係合することができ、加工物および切削エッジは、共に非常に平坦かつ非常に平滑な表面を加工物上に作り出すために、加工物を切削し、薄切りし、平削りし、または加工物から小さな部片または小片を除去するように、互いに相対的に移動することができる。
【００３３】
本発明の一態様では、切削要素１６の各々は共通の平面２０内に整列する１つまたは複数の切削エッジ１８を含むことができる。したがって、図１に示す実施形態では、切削要素の各々は４つの切削エッジを含み、それらは各々、加工物から材料を切削または平削りするのに役立つことができる。各々が複数の切削エッジを有する複数の切削要素を含むことによって、切削要素当たりの切削エッジの全長は有利に増加させることができる。さらに、各切削要素が基部の加工表面に対して実質的に同じ高さであるので、全ての切削要素からの全ての切削エッジは、同じ共通の平面内に整列させることができる。切削エッジの各々を共通平面内に整列させることによって、加工物のより高い区域を最初に薄く削り、次いで加工物上の全ての「高い」点が削減されるまで切削を続け、平滑かつ平坦な加工物表面を残すように、この切削装置は実質的に自己整合する。
【００３４】
切削要素１６の切削エッジ１８は、一実施形態では多結晶超硬材料を含む、様々な材料から形成することができる。そのように限定するわけではないが、この多結晶超硬材料は、多結晶ダイヤモンド成形体（「ＰＣＤ」）または多結晶立方晶窒化ホウ素成形体（「ＰｃＢＮ」）であることができる。このＰＣＤまたはＰｃＢＮ成形体は、より詳細に以下で論じるように様々な方法で形成することができる。図１に示す本発明の一態様では、基部１２ならびに切削要素１６および切削エッジ１８の各々は、多結晶超硬材料の一体的部片から一体的に形成される。
【００３５】
本発明の切削装置は、多数の用途で利用することができ、一実施形態では、シリコンウェーハ、ガラスシート、金属、平坦化によって再生される使用済シリコンウェーハ、ＬＣＤガラス、ＬＥＤ基板、ＳｉＣウェーハ、クオーツウェーハ、窒化ケイ素、ジルコニア、などの実質的に脆性の材料を平削りするのに使用するのに特に良く適合している。従来型のシリコンウェーハ処理技術では、研磨されるウェーハは一般に、回転するプラテン上に取り付けられた研磨パッド上に位置決めされるキャリアによって保持される。スラリーがパッドに加えられ、圧力がキャリアに加えられるとき、ウェーハはプラテンとキャリアの相対的移動によって研磨される。したがって、シリコンウェーハは非常に細かな研磨剤によって比較的平滑な表面に基本的に研削され、または研磨される。
【００３６】
シリコンウェーハの研削はある程度首尾よく使用されてきているが、シリコンウェーハなどの研削材料のプロセスは、しばしば結果として材料の本体から材料の部片が破られまたはえぐられることになり、所望の仕上げよりも劣った結果になる。これは、少なくとも部分的には、研削または研磨プロセスが研磨材料の非常に尖った点（これらはしばしば互いに対して同じ高さでない）を利用し、このため圧力が局部集中して研磨剤が加工物から材料を除去する、という事実に起因する。
【００３７】
従来型の研磨または研削プロセスと対照的に、本発明は、加工物の表面を仕上げるまたは平削りするために、加工物から材料を切削するのに切削要素の１つまたは複数の切削エッジを利用することができる。一般に、材料に切削が行われるとき、切削の領域は塑性的に変形するか脆く割れるかのどちらかである。塑性変形が割れの伝播より遅い場合は、材料は脆性として知られている。延性変形に対しその反対が当てはまる。しかしながら、高圧の下では割れ伝播の速度が押さえられる。この場合、脆性材料（例えば、シリコン）は、軟らかい金属と類似したより延性のある特性を示す場合がある。本発明の鋭い切削エッジが脆性シリコンの表面に押し付けられるとき、最初の接触の面積は極めて小さい（例えば、直径で数ナノメートル）。結果として、この圧力は非常に高くなり得る（例えば、数ＧＰａ）。割れが抑制されるので、鋭いダイヤモンドエッジはシリコンに塑性的に侵入することができる。結果として、外部エネルギーは、継続的に延性切削を維持するように、非常に小さな体積のシリコンに受け渡されることができる。換言すれば、この鋭い切削エッジは、以前には達成されなかった方法でシリコンを薄く削るまたは平削りすることができる。
【００３８】
本発明のＰＣＤまたはＰｃＢＮ成形体は一般に超硬であり、ウェーハに押し付けられるとき切削要素によって結果としてほとんど変形しない。硬度は一般にエネルギー濃度、例えば体積当たりのエネルギーの尺度であるので、本発明のＰＣＤまたはＰｃＢＮ成形体は破壊されることなく、非常に小さな体積にエネルギーを集中させることができる。これらの材料は、エッジを数原子内に維持するそれらの能力に起因して、非常に鋭い切削エッジを維持することもまたできる。
【００３９】
圧力を非常に小さな体積に加えることによってシリコンの延性が維持されるので、侵入半径は一般に比較的小さく維持される。これは図２の例によって示され、そこには切削要素１６の深さは全体的に文字「ｄ」で示され、約０．１ｍｍの程度である。さらに、切削エッジの形状は比較的鋭く維持されなければならない；ある場合には２ｎｍの程度の半径を有する。これら２重の特性に対応するために、本発明の切削エッジの材料は、切削または平削りプロセス中変形に耐えるのに十分に硬い。このようにすると、加工物の延性を確実にする切削具の鋭さおよび硬さの両方が実現される。加工物を切削し加工物から材料を除去する延性プロセスが図３に概略的に示されており、そこでは、加工物１９から破片２４を薄く削っている切削要素１６の切削エッジ１８が示されている。
【００４０】
切削要素１６の各々は、加工物接触面積を画定することができる実質的に平坦な面２５を含むことができる。全ての切削要素の総計加工物接触面積は、基部の面積全体の約５％から基部の面積全体の約２０％の間で構成することができる。したがって本発明の一態様では、ＰＣＤ切削具が約１００ｍｍの直径を有し、かつ切削要素の総計接触面積が全体面積の約１０％であろう場合は、結果として全ての切削要素の合計接触面積は、約７８５０ｍｍ２であることができる。各切削要素のエッジ対面積比は約４／ｍｍであり得るので、結果として合計エッジ長さは約３１４００ｍｍとなる。
【００４１】
ＰＣＤまたはＰｃＢＮ切削装置の寿命は、しばしば切削エッジの半径によって制限される。エッジが、半径が約１０ｎｍに増加するように摩耗したとき、接触面積は１００倍まで増加する可能性がある。これは、接触圧力を相当に減少させるであろう。結果として、このエッジはシリコン内に「食い込む（bite）」ことがなく、その表面に対して摺動するであろう。この場合熱が発生し、ウェーハ表面が熱的に損傷される可能性がある。したがって切削エッジ上に、多くの用途に対し半径で約１０ｎｍより小さい、鋭いエッジを維持することが重要である。
【００４２】
本発明による切削装置の接触面積は、一般に加工物に加えられる圧力を決める。一般に、切削要素接触面積と溝の間の面積比がより大きくなると、切削要素と加工物の間の接触圧力がより小さくなるであろう。接触圧力（Ｐ）は、以下の式のように侵入深さ（ｄ）を決める：
ｄ＝Ｐｔ／Ｂ
ここで、ｔはウェーハの厚さ、Ｂは加工物の体積弾性率である。
【００４３】
一般に、体積弾性率は材料の非圧縮性の尺度である。その値は一般に、体積縮小の最初の速度で材料を完全（ゼロ厚さ）に圧縮する圧力と関連付けられる。ＰＣＤ成形体の体積弾性率は約４Ｍｂ（メガバール）であり、シリコンの体積弾性率は約１Ｍｂである。したがって、シリコンはＰＣＤ成形体より約４倍多く圧縮可能である。ＰＣＤ切削装置または平削り器がシリコンウェーハに押し付けられるとき、ウェーハの相対的変位は、ＰＣＤ表面に対するシリコンウェーハ表面の沈下に主として起因する。典型的なシリコンウェーハは厚さで約１ｍｍであり、それで薄く削る深さは以下のように近似することができる：
ｄ＝１０−６Ｐｍｍ、ここで、Ｐはバール(bar)または大気圧で表現される。
【００４４】
Ｐ＝１バールの場合は、薄削り深さは約１ｎｍになる。これは約５原子層である。この侵入深さのところで、切削エッジが鋭い（例えば、半径＜１ｎｍ）場合、薄削りまたは切削は延性であり、ある場合に鏡面仕上げよりも平滑な、仕上げられ、平削りされた非常に平滑な表面を与える。この理由のため、ＰＣＤ平削り器の非常に鋭いエッジでシリコンウェーハを薄く削り、切削しまたは平削りすることが重要である。エッジが過度に鈍くなる場合は、シリコンの延性は失われ、結果として生じる脆性破壊がウェーハ表面を破壊する可能性がある。
【００４５】
本発明の切削装置は、ウエットシステムおよびドライシステムのどちらでも利用することができる。ドライ用途では、この切削要素は液体スラリーの存在なしで加工物から破片を切削または平削りするのに使用することができる。典型的な用途では、この切削装置は、回転可能チャックに連結可能な保持器クッションに搭載することができる。加工物、例えばシリコンウェーハは、加工物の回転を可能にする真空チャックに連結することができる。回転可能チャックおよび真空チャックの両方とも、加工物から材料を除去するために時計方向または反時計方向のいずれかに回転させることができる。１つの要素の回転を別の要素に対して変化させることによって、加工物の一回転で程度の差はあるが材料を除去することができる。例えば、加工物および平削り器が同じ方向に（ただし、異なる速度で）回転する場合、それらが互いに反対に回転する場合より少ない材料が除去されるであろう。
【００４６】
この典型的な用途で、スラリーを加えて、加工物表面を平削りするのを助けることができる。このスラリーは、水スラリーまたは化学スラリーのいずれでもあることができる。化学スラリーが使用される場合は、化学薬品は冷却をもたらすように、あるいはより効率的な切削プロセスを可能にするために加工物を軟らかくするために加工物の表面と反応するように選択することができる。シリコンウェーハの損耗速度はその表面を軟化させることによって劇的に増加させることができることが見出された。例えば、酸化剤（例えば、Ｈ２Ｏ２）を含有する化学スラリーを、ウェーハ表面上に「くっつく(cling)」傾向のある比較的高い粘性のある酸化物を形成させるのに使用することができる。この場合、本発明のＰＣＤ切削装置は、必ずしもウェーハを切削する必要はなく、むしろこの酸化物をウェーハの表面から擦り落とすことができる。結果として、切削エッジの鋭さがより重要でなくなる。さらに、切削装置の有効寿命をスラリーを利用することによって大きく延ばすことができる。例えば、スラリーと共に使用されるＰＣＤ擦り落し器は、ＰＣＤ切削器より１０００倍も長く持ちこたえることができる。
【００４７】
シリコンウェーハの除去を促進させる別の方法は、ウェーハ表面に渡ってＤＣ電流を加えることによる。ダイヤモンドは絶縁体であるが、ＰＣＤはしばしばその金属コバルトの介在物に起因して電気的に導電性である。この場合、シリコンウェーハをアノード（図示せず）に接続し、ＰＣＤをカソード（図示せず）に接続することができる。電解的に導電性であるスラリーを２つの電極を架橋するために使用することができる。この場合、シリコンの表面は陽極化（アノーデーション；anodation）によって酸化される可能性がある。さらに、シリコンまたはその表面回路は、さらに材料除去プロセスを加速させるであろう電解によって溶解させることができる。
【００４８】
したがって、切削装置がドライシステムで薄く削るまたは平削りするために使用される場合は、３０４．８ｍｍ（１２インチ）ウェーハ上で数回の通過が続く可能性がある。しかしながら、化学スラリーは擦り落とされる表面積を１０００倍まで増加させることができ、材料除去を助けるために電流が加えられる場合は、切削装置はさらに長時間持ちこたえることができる。
【００４９】
図４Ａは、本発明の一実施形態による様々な切削要素１６ａ、１６ｂ、１６ｃを示す。本発明のこの態様では、切削要素は、長方形断面、楕円形断面、円形断面、三角形、多角形、ピラミッド断面、等を有するサイズであり、形状であることができる。この様々なサイズであり形状である切削要素は、ＰＣＤまたはＰｃＢＮ成形体の表面上に切削される溝の位置、および幅を変化させることによって形成することができる。図に示されていないが、この切削要素は、切削要素が例えば円形または多角形の形状を含むはめ込み空洞を含むように、ＰＣＤまたはＰｃＢＮ成形体の表面下に形成することもできる。
【００５０】
図４Ｂに示すように、切削要素１６ｄは、切削要素間に切削されるまたは形成される溝とともに、細長い、弓形で形成することができる。ＰＣＤまたはＰｃＢＮ成形体のこの溝または押し下げられた領域は、ウェーハを切断するのに使用されるスラリー、ならびに切削された破片のための貯蔵器として役立つことができる。溝または凹部のネットワークのパターンおよび深さは、スラリーおよび破片両方の流れに影響する場合がある。各ＰＣＤ切削要素設計は、特定の加工物の平坦化の個別のプロセスに対して最適化することができる。
【００５１】
図５は、図１の切削装置１０の切削要素１６が、切削要素の上側表面または面上に形成された一連の２次的な切削要素４０ａおよび４０ｂを含む、本発明の２つの追加の実施形態を示す。本発明のこの態様では、この２次的な切削要素は切削装置の使用中切削エッジ各々の鋭さを維持するように構成することができる。図示のように、この２次的な切削要素は、形状を変更することができ、ピラミッド形状の切削要素を含むことができる。この２次的な切削要素は、先端を切り取ったピラミッド形状（図示せず）で形成することもできる。主切削要素上に２次的切削要素を利用することによって、切削要素の合計切削エッジ長を１０，０００倍まで延長することができる。
【００５２】
図７Ａおよび７Ｂは、複数の切削要素１６ｅおよび１６ｆがＰＣＤ基部１２ａに形成された本発明の別の実施形態を示す。図７Ａから分かるように本発明は、超硬多結晶材料から、異なるサイズおよび形態を有する切削要素の一体的形成を行うことを可能にする。例えば、図示の実施形態では、より大きな切削要素１６ｅを切削要素、平削りまたはドレッシング要素として使用することができ、一方でより小さな切削要素１６ｆは主として「停止(stopping)」要素として使用することができる。換言すれば、より大きな切削要素は、ＰＣＤが使用されている加工物（この図では図示せず）内にさらに、またはより深く切削するためにＰＣＤの基部１２ａからさらに先に延びることができる。
【００５３】
このより大きな切削要素１６ｅが十分に遠く、または深く加工物内に延びるとき、より小さな切削要素１６ｆは、より大きな要素１６ｅの加工物内へのさらなる移動を制限するために、加工物の表面上で「底に達する(bottom out)」することができる。この構想を容易にするために、より大きな切削要素をより小さな切削要素より鋭く作ることができる：例えば、より大きな切削要素が頂点（apex point）で終端することができ、一方より小さな切削要素が平坦な、平面内に終端することができる。このようにすると、より大きな切削要素は、より小さな切削要素がするよりも、より容易に加工物を切削することができ、より小さな要素を深さ「停止」要素として働かせることができる。このようにすると、本発明は、切削要素が加工物（例えば、ドレッシングされているＰＣＤパッド）内に切り込む深さを、非常に正確に制御することができる。
【００５４】
図８および９は、ＰＣＤの一体的部片からそれぞれ形成された切削要素１６ｇおよび１６ｈの撮影された画像を示す。見れば分かるように本発明は、形成できる切削要素の形状およびサイズの大きな柔軟性を提供し、いくつかの切削要素が直立の「メサ(mesa)」形態で形成され、他はピラミッド形態で形成されている。
【００５５】
さらに、本発明の切削要素は、多結晶超硬材料の一体的部片から形成できるので、切削装置の基部上の（または切削装置の基部を形成する）切削要素の下に多結晶超硬材料の有用な余剰部分が一般に残る。したがって本発明の一態様では、使用中に切削要素が鈍くなるかまたは損傷したら、切削装置の全面にわたり超硬材料の薄い層を除去することによって、装置の面に当初作り出されたのと同じパターンで、切削要素を尖らせることができる。したがって、本発明の切削装置は、さらに切削要素を尖らせるのを可能にするのに十分な多結晶材料が切削要素の下に残っている限り、比較的容易に尖らせ、または修復することができる。
【００５６】
本発明で利用されるＰＣＤまたはＰｃＢＮ成形体は、様々な方法で形成することができる。本発明の一実施形態では、ＰＣＤ成形体は、ミクロン（例えば、１から１０μｍ）のダイヤモンドを含むことができ、使用前に研磨することができる。別の態様では、このダイヤモンド粒は大きく（例えば、５０μｍ）することができ、その表面は研磨なしで研削することができる。本発明の一態様では、ＳｉＣ粒をＰＣＤ成形体の供給原料としてダイヤモンド粒と混合することができる。このＰＣＤは、体積で約８０％から約９８％のダイヤモンド含有量を含むことができる。
【００５７】
本発明の切削要素は、多結晶超硬材料上または多結晶超硬材料内に様々な方法で形成することができる。一態様では、個々の切削要素間の溝をＰＣＤ表面上に電解加工で形成したり、レーザアブレーション、プラズマエッチング、（二酸化炭素または一酸化炭素ガスを形成させるための）酸化、（メタンガスを形成させるための）水素添加、等によって形成したりすることができる。比較的長い波長を有するレーザービーム（例えば、ＮＤ：ＹＡＧ）がＰＣＤ上に効果的に溝を形成することが示されてきている。比較的短い波長を有するレーザービーム（例えば、エキシマ）は、（図５に示すように）主切削要素の頂面上に２次的な切削要素を切り出すのに使用することができる。後者は切削速度がより遅い可能性があるが、使用されるより短い波長に起因して一般により正確である。さらに、より高い周波数でのより集中化されたエネルギーによって、表面損傷もより少なくなる。これが本発明によるシリコンウェーハの薄削りまたは平削りに適していることが見出されてきている。
【００５８】
本発明の別の態様では、多結晶超硬材料成形体から個々の切削要素を一体的に形成するために、多結晶超硬材料成形体から材料を除去することができる。換言すればこの切削要素は、切削要素を切削装置の基部上の唯一の残留材料として残して、多結晶超硬材料を切削要素の周りおよび周囲から除去することによって形成することができる。
【００５９】
本発明の一態様では、この材料はＰＣＤまたはＰｃＢＮ成形体から放電加工（electrical discharge machining；ＥＤＭ）によって取り除かれる。この態様では、ＥＤＭプロセスは、ダイヤモンドを含む１つまたは複数の電極を利用することができる。例えば、このＥＤＭプロセスで使用されるカソードはホウ素ドーピングされたダイヤモンド材料であることができ、このＥＤＭプロセスで使用されるアノードはＰＣＤであることができる（この場合、このＰＣＤは少なくとも部分的に電気的に導電性であることが一般に必要とされるであろう）。ホウ素ドーピングされたダイヤモンド材料を介して電流が加えられるとき、ＰＣＤの材料は、ＰＣＤ上に様々なパターンを形成するように注意深くかつ制御可能に除去することができる。
【００６０】
例えば図６に示すように、本発明の一態様では、ＥＤＭプロセスのアノード３０は、それを介して電流が加えられるホウ素ドーピングされたダイヤモンド（boron doped diamond；ＢＤＤ）材料の一部分を含むことができる。このＢＤＤアノードは、ＥＤＭプロセス中、ＰＣＤ成形体３４内に一連の対応する複数のチャネル（channels；溝）３２を形成する一連の「Ｖ」字形状の複数の突起部３１を含むことができる（これらは順に、ＰＣＤ成形体内で複数の切削要素を画成する）。これらの突起部は全体的にＶ字形として示されているが、それらがＰＣＤ成形体内で所望の形状を有するチャネル（溝）を形成するように選択できる様々な形状を形成することができることは勿論企図されている。当業者に知られているように、このＥＤＭプロセスは一般に、図面ではその詳細が示されていない油または脱イオン水などの絶縁液体を利用するであろう。
【００６１】
図６に示す構成（ここではＰＣＤ成形体がＥＤＭプロセスのカソードとして、ＢＤＤ材料がアノードとして役目を果たす）は良好に機能するが、逆の構成もまた使用できることが見出されている。例えば本発明のこの態様では、ＢＤＤ材料がアノードとしてＰＣＤがカソードとして使用され、結果としてＰＣＤ材料除去速度は比較的速い（ＢＤＤ材料およびＰＣＤ材料の両方がＥＤＭプロセス中、変動する速度で消費されるであろうことに留意されたい）。しかしながら極性を逆にすることによって（例えば、カソードとしてＢＤＤを、アノードとしてＰＣＤを使用することによって）、ＰＣＤ材料の除去速度は最初の構成より遅くなるであろうが、ＰＣＤの表面仕上げはより良くなるであろう。
【００６２】
（もう１つの電極としての）別の導電性ダイヤモンド含有材料から材料を除去するための電極として導電性ダイヤモンド含有材料を使用することは、本明細書で明白に論じた用途に加え様々な用途に拡張できることが意図されている。例えば、ダイヤモンド−ダイヤモンドＥＤＭプロセスは、研磨用途、耐荷重用途、保護カバー用途、熱拡散用途、材料成型用途、音響用途、半導体用途、等に使用される導電性ダイヤモンド材料から材料を除去するために利用することができる。
【００６３】
別の態様によれば、本発明は、加工物の表面を切削装置の複数の個々の切削要素と係合させることであって、この個々の切削要素は多結晶超硬材料の一体的部片の作業面から一体的に形成され、各切削要素が共通の平面内に整列する頂部を有していること；および、加工物と切削装置を互いに相対的に移動させ、それによって加工物から切削要素で材料を除去すること；を含むプロセスによって形成される製品を提供する。
【実施例】
【００６４】
以下の例は、本発明の切削工具を製造するための様々な方法を示す。そのような例は例示のみであり、それによって本発明についての限定を意味するものではない。
実施例１
約０．００１オーム−ｃｍの固有抵抗および約５００μｍの厚さを有するホウ素ドーピングされたダイヤモンドフィルム（ＢＤＤ）は、ワイヤＥＤＭプロセスによって１つのエッジ上に形成された「ジグザグ」パターンを有する。この結果として得られた刃は、カソードとしてＥＤＭ機械に搭載される。アノードは、直径約１００ｍｍかつ厚さ約２ｍｍの平坦なＰＣＤである。使用されるダイヤモンドテーブルは厚さ約５００μｍである。導電性流体が２つの電極間を電気を運搬するために使用される。ＥＭＤプロセス中、ＰＣＤは固定されたＢＤＤ刃を横切って徐々に横断させられる。このプロセスは、ＢＤＤが徐々にＰＣＤ成形体内に下降する間繰り返される。ＢＤＤのエッジに極めて接近させられるＰＣＤの部分は、放電、電解および溶解によって選択的に侵食される。
【００６５】
このようにすると、リッジの対応する「ジグザグ」パターンが平坦なＰＣＤ頂面上に徐々に形成される。溝が所定の高さ（例えば、８０μｍ）に達するとき、そのように形成された鋸歯状リッジは形状測定のために清掃される。その後に、ＰＣＤは９０度回転され、ピラミッド形状が形成されるようにこのプロセスが繰り返される。形成されるピラミッドの角度は、一般にＢＤＤ上のジグザグパターンの角度に合致する。これらのピラミッドの先端も、ＢＤＤ上のジグザグパターンの凹部のパターンを再現する。
【００６６】
そのように形成されたＰＣＤ平削り器は、ＥＤＭプロセスで使用される金属電極によって形成されるＰＣＤ平削り器と比較して、改良された寸法公差を有している。さらに、ＢＤＤ刃の消耗速度もずっとより低い。また、使用される電圧（９０Ｖ）および電流（３０Ａ）も、金属電極プロセスのもの（例えば、１２０Ｖおよび８０Ａ）よりずっと低い。ＥＤＭのプロセス中、ＢＤＤ用の振動期間（オンで２０マイクロ秒、オフで２０マイクロ秒）は、ダイヤモンドの並外れた熱的安定性、熱伝導性、および化学的不活性に起因して１０倍長くすることができる。ＢＤＤ−ＥＭＤプロセス中の最大電極温度（７５０℃の酸化閾値温度と比較して、約４００℃）は、金属プロセスにおける最大電極温度よりも約２００℃低かった。ＢＤＤの摩耗割合（約０．３％）もまた、銅タングステンの摩耗割合（３０％）と比較してやはりわずかであった。ＥＤＭ速度（１分当たり２０マイクロメートル）は２倍速かった。  
【００６７】
実施例２
上記の実施例を、逆の極性で、例えばＢＤＤに正のバイアスをかけて、繰り返した。この場合、このＥＤＭプロセスは、ＢＤＤの摩耗割合が２倍よりも多くなったことを除き、依然として実行可能であった。しかしながら、ＢＤＤの表面仕上げは、表面のより遅い侵食速度に起因して改善された。
【００６８】
実施例３
実施例１のプロセスを、カソードが厚さ１．６ｍｍのＰＣＤ未加工品に取り替えられたことを除き、繰り返した（ＰＣＤテーブル０．５ｍｍ厚さ、焼結炭化タングステン１．５ｍｍ厚さ）。使用されたＰＣＤは、２５μｍダイヤモンド粒子サイズを有し、１０重量％のコバルトを有し、かつ０．００１オーム−ｃｍの電気抵抗を有していた。
【００６９】
実施例４
１００／１２０メッシュのＢＤＤグリットが、青銅結合砥石輪を作るために使用された。外径は、その上にジグザグパターンを形成するためにＢＤＤ−ＥＤＭプロセスによって形成された。このＢＤＤ輪は次いで、ＰＣＤ未加工品上で実施されたＥＤＭプロセスのためのカソードとして使用された。ＰＣＤ表面上を横断する間、このＢＤＤ輪は、電流が放出される接触エッジに均一に曝露するためにゆっくりと回転させられた。リッジが形成された後、このＰＣＤは、一連のピラミッド切削要素がＰＣＤ上に形成されるまで直角な方向に横切るように回転させられた。
【００７０】
実施例５
ＢＤＤが、ある「Ａ」点に対して形成され、ＥＤＭプロセスでアノードとして使用された。ＰＣＤ成形体は、ＰＣＤ成形体にＶ字形刻み目を徐々に形成するように、この「Ａ」点の周りを回転させられた。このＶ字形刻み目は、ＰＣＤ表面上に同心のリッジを形成するためにいくつかの半径位置のところに形成された。結果として得られた工具は、加工物を正確に形作るためのＰＣＤ平削り器として使用することができる。
【００７１】
実施例６
実施例５のプロセスが繰り返された後、「ジグザグ」パターンのＢＤＤを、３つの等間隔にあいた方向に横断させた。結果として得られた三角ピラミッドは同心のアイランドチェイン(island chain)を形成した。この結果として得られた工具は、極めて優れた放射状のスラリー／破片通路ならびに非常に鋭利な切削点を含んでいた。
【００７２】
上記で説明した構成は、本発明の原理の適用の例示に過ぎないことが理解されるべきである。多数の改変形態および代替構成が本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく当業者によって考えだされる可能性があり、添付の特許請求の範囲はそのような改変形態および構成を包含するように意図している。したがって、上記では、本発明の最も実際的なかつ好ましい実施形態であると現在見なされることと関連して、本発明を具体的かつ詳細に説明してきたが、当業者には、限定ではなく、サイズ、材料、形状、形態、動作の機能および方法、組み立ておよび使用の変更を含む多数の改変を本明細書に記載された原理および構想から逸脱することなく行うことができることは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の一実施形態による切削装置の概略斜視図である。
【図２】図１の切削装置の側面、平面図である。
【図３】本発明の一実施形態による、加工物を切削している切削要素の概略、部分側面図である。
【図４】図４Ａは本発明の一実施形態による、一連の切削要素のより詳細な斜視図である。図４Ｂは本発明の一実施形態による、弓形の切削要素を有する切削装置の斜視図である。
【図５】図１の切削装置の１対の切削要素の断面図である。
【図６】放電加工プロセスのカソードおよびアノードの断面図である。
【図７】図７Ａは本発明の一実施形態による、切削装置の上面図である。図７Ｂは図７Ａの切削装置の一連の切削要素の断面図である。
【図８】本発明の一態様による、切削要素の拡大された画像を伴う切削装置の画像である。
【図９】本発明の一態様による、切削要素の拡大された画像を伴う切削装置の画像である。
【図１】
2008540154.tif 000003
【図２】
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【図３】
2008540154.tif 000005
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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