(57)【要約】超研磨工具とその製造法が開示・説明されている。1つの態様においては、超研磨粒子が、ろう付け用合金によって、所定のパターンにしたがってマトリックス支持体材料に化学的に結合される。ろう付け用合金は、粉末として供給しても、薄いシートとして供給しても、あるいは非晶質合金のシートとして供給してもよい。所定のパターンで配置された複数の開口を有するテンプレートを使用して、超研磨粒子を所定の基材上に、あるいはマトリックス支持体材料上に配置することができる。
2006501073.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
a)  基材を供給する工程；および
b)  複数の超研磨粒子を、所定のパターンにしたがって前記基材の露出表面に直接ろう付けする工程；
を含む超研磨工具の製造法。
【請求項２】
前記ろう付けを、チタン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、モリブデン、タングステン、マンガン、鉄、シリコン、アルミニウム、およびこれらの混合物もしくは合金からなる群から選択される物質を含んだろう付け用合金を使用して行なう、請求項1記載の製造法。
【請求項３】
前記ろう付け用合金が、クロム、マンガン、チタン、シリコン、およびアルミニウムからなる群から選択される物質を約2重量%〜約50重量%含む、請求項2記載の製造法。
【請求項４】
前記物質がクロムである、請求項3記載の製造法。
【請求項５】
前記ろう付け用合金が非晶質ろう付け用合金のシートとして供給される、請求項2記載の製造法。
【請求項６】
前記製造法が、ろう付けする工程の前に、
a)  複数の超研磨粒子を所定のパターンにて前記基材上に固定する工程；および
b)  超研磨粒子が非晶質ろう付け用合金のシートと露出表面との間に位置するよう、非晶質ろう付け合金のシートを超研磨粒子上に配置する工程；
をさらに含む、請求項5記載の製造法。
【請求項７】
前記製造法が、ろう付けする工程の前に、
a)  複数の超研磨粒子を所定のパターンにて非晶質ろう付け用合金のシート上に固定する工程；および
b)  超研磨粒子が非晶質ろう付け用合金のシートと露出表面との間に位置するよう、超研磨粒子を固定させた非晶質ろう付け用合金のシートを基材の露出表面上に配置する工程；
をさらに含む、請求項5記載の製造法。
【請求項８】
前記製造法が、ろう付けする工程の前に、
a)  非晶質ろう付け用合金のシートを基材の露出表面上に配置する工程；および
b)  非晶質ろう付け用合金のシートが超研磨粒子と基材の露出表面との間に位置するよう、複数の超研磨粒子を所定のパターンにて非晶質ろう付け用合金のシート上に固定する工程；
をさらに含む、請求項5記載の製造法。
【請求項９】
前記ろう付け工程が、ろう付け用合金と基材とを、超研磨粒子を基材に直接ろう付けするに足る約1,100℃未満の温度に加熱する工程を含む、請求項1記載の製造法。
【請求項１０】
前記製造法が、固定する工程の前に、
a)  所定のパターンの開口を有するテンプレートを供給する工程；
b)  前記テンプレートを非晶質ろう付け用合金のシートまたは基材上に配置してから、そこに超研磨粒子を固定する工程；
c)  開口に超研磨粒子を充填する工程；および
d)  超研磨粒子が、前記テンプレートの所定のパターンにしたがって、非晶質ろう付け用合金のシートまたは基材上の所定の位置に固定された状態で残るように、テンプレートを除去する工程；
をさらに含む、請求項6、7、または8のいずれか一項に記載の製造法。
【請求項１１】
接着剤を使用して、非晶質ろう付け用合金のシートまたは基材に超研磨粒子を固定する、請求項10記載の製造法。
【請求項１２】
各開口が1個の超研磨粒子を保持するように形づくられる、請求項10記載の製造法。
【請求項１３】
一部の開口が他の開口より大きい、請求項12記載の製造法。
【請求項１４】
前記ろう付け用合金が粉末として供給される、請求項2記載の製造法。
【請求項１５】
前記製造法が、ろう付けする工程の前に、複数の超研磨粒子を所定のパターンにて基材の露出表面上に固定する工程をさらに含む、請求項14記載の製造法。
【請求項１６】
前記製造法が、固定する工程の前に、
a)  粉末状のろう付け用合金とキャリヤ剤とを混合してスラリーを形成させる工程；
b)  前記スラリーを基材の露出表面に施す工程；
c)  所定のパターンの開口を有するテンプレートを供給する工程；
d)  前記テンプレートをろう付け用合金上に配置する工程；
e)  前記開口に超研磨粒子を充填する工程；および
f)  超研磨粒子が、ろう付けする工程時に、前記テンプレートの所定のパターンにしたがって、ろう付け用合金上の所定の位置に残るようにテンプレートを除去する工程；
をさらに含む、請求項15記載の製造法。
【請求項１７】
前記製造法が、ろう付けする工程の前に、
a)  超研磨粒子を所定のパターンにて基材の露出表面上に固定する工程；および
b)  基材と超研磨粒子にろう付け用合金を施す工程；
をさらに含む、請求項2記載の製造法。
【請求項１８】
前記製造法が、固定する工程の前に、
a)  前記所定のパターンに対応した複数の開口を有するテンプレートを供給する工程；
b)  前記テンプレートを基材の露出表面上に配置する工程；
c)  前記開口に超研磨粒子を充填する工程；および
d)  超研磨粒子が、ろう付け工程時に、前記テンプレートの所定のパターンにしたがって露出表面上の所定の位置に残るように、テンプレートを除去する工程；
をさらに含む、請求項17記載の製造法。
【請求項１９】
前記製造法が、固定する工程の前に、
a)  所定のパターンに対応した複数の開口を有するテンプレートを供給する工程；
b)  前記テンプレートを移行シート上に配置する工程；
c)  前記開口に超研磨粒子を充填する工程；
d)  超研磨粒子が、テンプレートの所定のパターンにしたがって前記移行シート上の所定の位置に残るように、テンプレートを除去する工程；および
e)  超研磨粒子が所定のパターンにしたがって基材の露出表面に固定されるように、前記移行シートを使用して、超研磨粒子を基材の露出表面に移行させる工程；
をさらに含む、請求項17記載の製造法。
【請求項２０】
基材の露出表面に接着剤を塗布することによって超研磨粒子を基材の露出表面に固定してから、移行シートを使用して超研磨粒子を押し付け、このとき基材上の前記接着剤の強度が、超研磨粒子を移行シート上の所定の位置に保持する力より高い、請求項19記載の製造法。
【請求項２１】
前記ろう付け用合金が非晶質ろう付け用合金のシートとして供給される、請求項18または19のいずれかに記載の製造法。
【請求項２２】
前記ろう付け用合金が粉末として供給される、請求項18または19のいずれかに記載の製造法。
【請求項２３】
a)  露出表面を有する基材を供給する工程；
b)  クロム、マンガン、チタン、シリコン、およびアルミニウムからなる群から選択される物質を約2重量%〜約50重量%含んだ非晶質ろう付け用合金のシートを供給する工程；
c)  複数の超研磨粒子を、所定のパターンにしたがって基材の露出表面上に固定する工程；
d)  基材の露出表面に固定された超研磨粒子上に非晶質ろう付け用合金のシートを施す工程；および
e)  非晶質ろう付け用合金のシートを、前記シートを溶融させ、そして超研磨粒子を基材の露出表面に直接ろう付けするに足る約1,100℃未満の温度に加熱する工程；
を含む超研磨工具の製造法。
【請求項２４】
a)  露出表面を有する基材を供給する工程；
b)  複数の超研磨粒子を、所定のパターンにしたがって前記基材の露出表面上に固定する工程；
c)  クロム、マンガン、チタン、シリコン、およびアルミニウムからなる群から選択される物質を約2重量%〜約50重量%含んだ粉末状のろう付け用合金を基材と超研磨粒子に施す工程；および
d)  ろう付け用合金を、前記合金を溶融させ、そして超研磨粒子を基材の露出表面に直接ろう付けするに足る約1,100℃未満の温度に加熱する工程；
を含む超研磨工具の製造法。
【請求項２５】
a)  マトリックス支持体材料を供給する工程；および
b)  非晶質ろう付け用合金のシートを使用して、複数の超研磨粒子をマトリックス支持体材料の露出表面に直接ろう付けする工程；
を含む超研磨工具の製造法。
【請求項２６】
前記ろう付けが、チタン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、モリブデン、タングステン、マンガン、鉄、シリコン、およびアルミニウムからなる群から選択される物質を含んだろう付け用合金を使用して行なわれる、請求項25記載の製造法。
【請求項２７】
a)  超研磨粒子をマトリックス支持体材料の露出表面上に固定する工程；および
b)  非晶質ろう付け用合金のシートを超研磨粒子上に施す工程；
をさらに含む、請求項26記載の製造法。
【請求項２８】
接着剤を使用して超研磨粒子をマトリックス支持体材料に固定する、請求項27記載の製造法。
【請求項２９】
a)  非晶質ろう付け用合金の複数のシートを供給する工程；
b)  露出表面を有する複数のマトリックス支持体材料を供給する工程；
c)  超研磨粒子を複数のマトリックス支持体材料上に固定する工程；
d)  前記複数のシートを超研磨粒子上に施して複数の個別の超研磨セグメントを形成させる工程；
e)  前記個別の超研磨セグメントを互いに隣接した状態で配置して三次元工具前駆体を形成させる工程；および
f)  前記工具前駆体を強固にして三次元研磨工具セグメントを形成させる工程；
をさらに含む、請求項27記載の製造法。
【請求項３０】
固定する工程が、超研磨粒子を所定のパターンで配置する工程をさらに含む、請求項29記載の製造法。
【請求項３１】
a)  非晶質ろう付け用合金の複数のシートを供給する工程；
b)  露出表面を有する複数のマトリックス支持体材料層を供給する工程；
c)  超研磨粒子を所定のパターンにて複数の非晶質ろう付け用合金シート上に固定する工程；
d)  超研磨粒子を有する複数の非晶質ろう付け用合金シートをマトリックス支持体材料の露出表面に施して、複数の個別の超研磨セグメントを形成させる工程；
e)  複数の個別の超研磨セグメントを組み合わせて、超研磨粒子の三次元配列を所定のパターンにしたがって有する工具前駆体に造り上げる工程；および
f)  前記ろう付け用合金を溶融させるに足る、そして前記マトリックス支持体材料を焼結するに足る温度に工具前駆体を加熱することによって、工具前駆体を強固にする工程；
を含む超研磨工具の製造法。
【請求項３２】
a)  固体金属支持体；
b)  複数の超研磨粒子；および
c)  複数の超研磨粒子を固体金属支持体に化学的に結合している非晶質ろう付け用合金のシート；
を含む超研磨工具。
【請求項３３】
前記ろう付け用合金が、チタン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、モリブデン、タングステン、マンガン、鉄、シリコン、およびアルミニウムからなる群から選択される物質を含む、請求項32記載の超研磨工具。
【請求項３４】
前記ろう付け用合金が、クロム、マンガン、チタン、シリコン、およびアルミニウムからなる群から選択される物質を約2重量%〜約50重量%含む、請求項32記載の超研磨工具。
【請求項３５】
前記所定のパターンがグリッドである、請求項32記載の超研磨工具。
【請求項３６】
前記所定のパターンが、実質的に超研磨工具の外縁に沿って位置した超研磨粒子からなる、請求項32記載の超研磨工具。
【請求項３７】
前記所定のパターンが、内側部分濃度の超研磨粒子より高い濃度の外側部分濃度の超研磨粒子を含む、請求項32記載の超研磨工具。
【請求項３８】
前記所定のパターンが均一なグリッドである、請求項32記載の超研磨工具。
【請求項３９】
a)  金属支持体マトリックス；
b)  前記金属支持体マトリックスと接触した状態で配置された複数の超研磨粒子；および
c)  前記複数の超研磨粒子と接触した状態で配置された非晶質ろう付け用合金のシート；
を含む超研磨工具前駆体。
【請求項４０】
a)  金属支持体マトリックス；
b)  前記金属支持体マトリックスと接触した状態で配置された非晶質ろう付け用合金のシート；および
c)  前記非晶質ろう付け用合金のシート上に配置された複数の超研磨粒子；
を含む超研磨工具前駆体。
【請求項４１】
複数の超研磨粒子が所定のパターンにしたがって配置されている、請求項39または40に記載の超研磨工具前駆体。
【請求項４２】
非晶質ろう付け用合金のシートが所定の厚さを有する、請求項39または40に記載の超研磨工具前駆体。
【請求項４３】
前記工具前駆体がCMPパッドドレッサー用として形づくられる、請求項39または40に記載の超研磨工具前駆体。
【請求項４４】
前記超研磨粒子が約100〜350マイクロメートルのサイズを有する、請求項39または40に記載の超研磨工具前駆体。
【請求項４５】
前記超研磨粒子が金属支持体マトリックスから上方に所定の高さだけ延びている、請求項39または40に記載の超研磨工具前駆体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般には、マトリックス支持体材料(すなわち基材)に化学的に結合していて、所定のパターンで配置されたダイヤモンド粒子を有する工具に関する。したがって本発明は、化学、冶金学、および材料科学の分野を含む。
【背景技術】
【０００２】
研磨工具は、材料の切削、穴あけ、のこ引き、研削、ラップ仕上げ、および研磨を含めた多くの用途に対して長年にわたって使用されている。ダイヤモンドは現在知られているうちで最も硬い研磨材料であるので、のこぎり、ドリル、および他の硬質材料を切断したり、形づくったり、あるいは研磨したりするのに利用する他の道具における超研磨剤として広く使用されている。
【０００３】
ダイヤモンド工具は、他の工具では、工業的に実際に利用する上で硬度と耐久性が不足している、という場合の用途に対しては特に欠かせない。たとえば石材工業において、岩石を切削したり、穴あけしたり、のこ引きしたりする場合、ダイヤモンド工具が、切削等を行なう上で充分に硬度と耐久性があるおそらく唯一の工具である。ダイヤモンド工具が使用されなければ、多くのこのような工業は経済的に立ち行かないであろう。同様に、精密研削工業においてダイヤモンド工具は、優れた耐摩耗性を有することから、厳しい要求許容度を特異的につくり出すことができると同時に、実用する上で充分摩耗に耐えることができる。
【０００４】
ダイヤモンドソーブレード等の代表的な超研磨工具は、ダイヤモンド粒子〔たとえば、40/50U.S.メッシュソーグリット(U.S. mesh saw grit)〕と適切な金属支持体マトリックス粉末(たとえば、1.5マイクロメートルのサイズのコバルト粉末)とを混合することによって製造される。混合物を金型中にて圧縮して適正な形状〔たとえばソーセグメント(saw segment)〕に作製する。次いで、この“未加工の(green)”形態の工具を、700〜1200℃の温度で焼結することによって強固にして、複数の研磨粒子が配置された状態の単一物体を作製する。最後に、この強化した物体を工具本体(たとえば、ソーの円形ブレード)に取り付けて最終製品を作製する。
【０００５】
広く使用されているにもかかわらず、ダイヤモンド工具は一般に、幾つかの深刻な制約をこうむっており、このことがダイヤモンド工具の有効寿命に対して不必要な制限を加えている。たとえば、研磨性のダイヤモンド粒子または立方窒化ホウ素(CBN)粒子は、それらを所定の位置に保持するマトリックス中に均一に分配されない。そのため、切削、穴あけ、研削、および研磨等に対する効率が最大になるようには研磨粒子が配置されない。
【０００６】
ダイヤモンド研磨粒子間またはCBN研磨粒子間の距離により、各粒子が果たす作業負荷(workload)が決まる。ダイヤモンド研磨粒子またはCBN研磨粒子の間隔が不適切であると一般には、摩耗面または摩耗構造物の早すぎる破損が生じる。したがって、ダイヤモンド/CBN研磨粒子が互いに近すぎる場合は、粒子の一部が過剰であり、これらは切削や研削において殆どあるいは全く補助機能を果たさない。さらに、粒子が過剰であると、ダイヤモンドと立方窒化ホウ素のコストが高いことから、生産費が増大する。さらに、機能を果たさないこれらのダイヤモンド粒子またはCBN粒子が破片の通過を妨げることがあり、これによって切削効率が低下する。このように、研磨粒子を互いに近すぎる状態で配置させると、コストが増大すると共に工具の有効寿命が減少する。
【０００７】
他方、研磨粒子が離れすぎて配置されると、各粒子に対する作業負荷(たとえば、被加工物によって及ぼされる衝撃力)が過剰になる。まばらに分配されたダイヤモンド研磨粒子またはCBN研磨粒子は、破砕されることもあるし、あるいはそれらが配置されているマトリックスから除去されることさえある。損傷または欠落した研磨粒子は、作業負荷に対して充分には役立つことができない。したがって、残存している研磨粒子に作業負荷が移行される。各研磨粒子が破損すると連鎖反応を引き起こし、このため工具はすぐに、切削、穴あけ、および研削等の作業に対して役に立たなくなる。
【０００８】
用途が異なると、異なったサイズのダイヤモンド(または立方窒化ホウ素)研磨粒子が必要となる。たとえば、穴あけやのこ引きの用途では、大きめサイズ(20〜60U.S.メッシュ)のダイヤモンドグリットを最終工具において使用する必要がある。工具の金属基材は一般に、コバルト、ニッケル、鉄、銅、青銅、これらの合金、および/またはこれらの混合物から選択される。研削用途の場合、小さめサイズ(60/400U.S.メッシュ)のダイヤモンドグリット(または立方窒化ホウ素)を、金属(一般には青銅)、セラミック/ガラス(一般には、ナトリウム、カリウム、シリコン、およびアルミニウムの酸化物の混合物)、または樹脂(一般にはフェノール樹脂)と混合する。
【０００９】
工具は、ダイヤモンド粒子を保持または支持するマトリックス支持体材料(たとえば金属粉末)を含む場合が多い。しかしながら、ダイヤモンドまたは立方窒化ホウ素はマトリックス粉末よりはるかに大きい(ソーセグメントを作製する場合の上記例においては300倍)ので、また後者よりはるかに軽い(ソーセグメントを作製する場合は密度が約1/3)ので、均一を達成するよう二者を混合するのは極めて困難である。さらに、ミキシングが充分であるとしても、それでもダイヤモンド粒子は、その後の処理(たとえば、金型中への混合物の注入、あるいは混合物を振動処理するとき)において金属粉末から分離することがある。ダイヤモンド工具を製造する上で、ダイヤモンドを金属支持体マトリックス中に混合するときに分配の問題が特に厄介である。
【００１０】
ダイヤモンドグリットを工具中に配置する多くの方法に付きものの制約がさらにある。金属接着ダイヤモンド工具は、異なったサイズのダイヤモンドグリットおよび/または異なったダイヤモンド濃度を、当該ダイヤモンド工具の異なった部分に配置する必要があることが多い。たとえば、ソーセグメントは、中央部より端部または前部のほうが早く摩耗しやすい。したがって、不均一な摩耗とソーセグメントの早すぎる破損を防止するために、これらの箇所により高い濃度の、そしてより小さなサイズのダイヤモンドグリットが存在するのが好ましい。これらのより高濃度/より小サイズのセグメント(すなわち“サンドイッチ”セグメント)は、ダイヤモンド粒子と金属粉末とを混合することによって作製するのが困難である。したがって、ダイヤモンドグリットの多様なサイズと濃度レベルを有することの利点は公知であるにもかかわらず、このような配置構成は、実際的な製造法とは言えないのでほとんど使用されていない。
【００１１】
多くのダイヤモンド工具のさらなる欠点は、物体を切削、穴あけ、および研磨等する上での有効寿命をできるだけ長くするためには、工具基材(すなわちマトリックス支持体材料)への研磨粒子または“グリット”の結びつけが不十分である、という点である。実際、ほとんどの場合において、ダイヤモンドグリットは、マトリックス支持体材料中に単に機械的に埋め込まれているだけである。その結果ダイヤモンドグリットが、早すぎる時点でたたき落とされたり、引き抜かれたりすることが多い。グリットはさらに、作業条件下において、緩く結合したマトリックスから不十分な機械的支持を受けることがある。したがってダイヤモンド粒子は、該研磨剤による処置が施される被加工品に突き当てられる工具の衝撃によって打ち落とされることがある。
【００１２】
典型的なダイヤモンド工具においては、意図する用途において(すなわち、実際の切削、穴あけ、および研磨等の作業時において)約1/10未満のグリットが実際に消費される、と推定されている。残部は、工具の有効寿命が切れたときにそのまま残されるか、あるいは使用時における弱い結びつきと不十分な支持により引き抜かれたり又は破壊されたりすることによって無駄に使用される。こうしたダイヤモンド損失のほとんどは、ダイヤモンド粒子を適切に配置することができれば、また取り囲んでいるマトリックスに強固に結びつけることができれば避けることができる。
【００１３】
ダイヤモンドグリットに対する機械的保持をできるだけ強固にするためには、一般には、ダイヤモンドグリットが基材マトリックス中に深く埋め込まれる。その結果、工具表面上でのダイヤモンド粒子の突起状態が、一般には望ましい状態になっていない。グリットの突起が低いと、切削しようとする材料を削るための切削高さが制限される。その結果、摩擦が増大し、切削工具の切削速度と有効寿命が制限される。
【００１４】
ダイヤモンドグリットを支持体マトリックス中に強固に固定するためには、マトリックスがダイヤモンドの表面の周囲に炭化物を形成するのが極めて望ましい。このようにして形成される化学結合は、従来の機械的な結合よりはるかに強力である。炭化物は、ダイヤモンドと適切な炭化物形成剤(carbide formers)(たとえば遷移金属)とを反応させることによって形成させることができる。代表的な炭化物形成遷移金属は、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、ジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、およびタングステン(W)である。
【００１５】
炭化物を形成させるには、炭化物形成剤をダイヤモンドの周囲に堆積させること、および炭化物形成剤とダイヤモンドに対し、引き続き炭化物を形成するよう反応起こさせることが必要である。さらに、反応しなかった炭化物形成剤を、焼結または他の手段によって強固にしなければならない。これらの工程はすべて、高温での処理を必要とする。しかしながらダイヤモンドは、約1,000℃を超える温度にさらされると劣化することがある。こうした劣化は、マトリックス材料との反応、または結晶の内部に包含されている金属の周囲における微小亀裂の発生によるものである。これらの包含物質は、合成ダイヤモンドの作製において使用された触媒が閉じ込められた場合が多い。
【００１６】
ほとんどの炭化物形成剤は耐熱金属であり、このため約1,200℃未満の温度では強固にすることができない。したがって、耐熱性の炭化物形成剤は、マトリックス支持体材料の主要成分として適切ではない。
【００１７】
しかしながら、より低い融解温度を有する幾つかの炭化物形成剤がある〔たとえば、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、シリコン(Si)、およびアルミニウム(Al)等〕。しかしながら、これらの炭化物形成剤は、マトリックス支持体材料の主要成分として使用されることを妨げる他の望ましくない性質を有することがある。たとえばマンガンと鉄は、高圧(50Kbを超える圧力)にてダイヤモンドを合成するための触媒として使用されている。したがってこれらの物質は、より低い温度でのマトリックス粉末の焼結時において、ダイヤモンドからグラファイトへの転化を触媒することがある。この逆転化(back conversion)が高温におけるダイヤモンド劣化の主要な原因である。
【００１８】
他方、アルミニウムは融点が低く(660℃)、このためダイヤモンド粒子を固定するための作業を行なうのが容易になる。しかしながらアルミニウムの場合、ダイヤモンドグリットが激しく切削作動をしているときに温度がアルミニウムの融点に近づくことがある。したがって、切削作動時においてアルミニウムの軟化が進みすぎてダイヤモンドグリットを支持できなくなることがある。アルミニウムはさらに、ダイヤモンドとの界面に炭化物Al4C3を形成しやすい。この炭化物は容易に加水分解され、このため冷却水にさらされると崩壊することがある。したがって、アルミニウムは一般に、ダイヤモンドをマトリックス中に結びつけるための適切な炭化物形成剤ではない。
【００１９】
高温の焼結を避けるために、主としてCoまたは青銅で構成されているマトリックス中に、タングステン等の炭化物形成剤が少量成分として希釈用に使用されることが多い。焼結プロセス時、形成される液相の量は(たとえ存在するとしても)必要最小限しか存在しない。固体媒体を介しての、炭化物形成剤のダイヤモンド中への拡散は非常に遅い。その結果、ダイヤモンドの表面上における炭化物の形成は無視してよい。したがって、炭化物形成剤を少量のマトリックス成分として加えることによる、ダイヤモンドとの結びつきの向上は、良く見てもほんのわずかである。
【００２０】
ダイヤモンドの表面上での炭化物の形成を確実に起こさせるために、炭化物形成剤をダイヤモンド上に被覆してからマトリックス粉末と混合することができる。このように、炭化物形成剤(マトリックス中における少量成分であるかも知れないが)をダイヤモンドの周囲で濃縮することで所望の結合を形成させることができる。
【００２１】
ダイヤモンドの被覆は、化学的に施すこともできるし、あるいは物理的に施すこともできる。前者の場合においては、被覆金属(coated metal)は、一般には比較的高い温度での化学反応によって形成される。たとえば、ダイヤモンドと炭化物形成剤(たとえば、チタンやクロム)とを混合し、この混合物を減圧にて又は保護的な雰囲気中にて加熱することによって、ダイヤモンド上に炭化物形成剤の薄層を付着させることができる。温度を上昇させると、被膜の厚さが増大する。金属の移行に役立つ適切なガス(たとえばHCl蒸気)を加えることで、付着速度が促進されることもある。これとは別に、被覆を溶融塩中で行なうこともできる。
【００２２】
焼結のほかに溶浸も、ダイヤモンド工具〔特に、ドリル用ビット、および大きめ(すなわち、U.S.メッシュ30/40より大きい)のダイヤモンドグリットを含有する他の特殊ダイヤモンド工具〕を製造するための一般的な方法である。これらの工具用として最も一般的に使用されている溶浸材は銅ベースの合金である。これらの溶浸材は流動し、マトリックス粉末における小孔中に浸透していかなければならない。高温でのダイヤモンドの劣化を防止するためには、溶浸材の融点が低くなければならない。したがって溶浸材は、低融点の成分〔たとえば亜鉛(Zn)〕を含有することが多い。低融点の成分は、溶浸材の融点を下げることに加えて粘度も低下させ、したがって溶浸材は容易に流動できるようになる。しかしながら、ほとんどの炭化物形成剤は溶浸材の融点を上昇させる傾向があるので、炭化物形成剤はほとんどの溶浸材から除かれる。したがって、これらの溶浸材はダイヤモンドの結合を向上させることができない。
【００２３】
ダイヤモンド工具の使用に依存するようになっている1つの特定の方法が化学機械研磨(CMP)である。この方法が、半導体工業およびコンピュータ工業において、セラミック、シリコン、ガラス、および石英等のウエハーを研磨するための標準的な方法になっている。大まかに言えば、研磨しようとする加工物を、ポリウレタンもしくは他の適切な材料の回転研磨パッドに当てて保持する。パッドの先端部が、通常は構造物(たとえば、繊維や小孔)によって酸と研磨粒子とのスラリーを保持する。この構造物が、パッドの回転運動により及ぼされる遠心力によって研磨粒子がパッドから振り払われるのを防ぐに足る摩擦力をもたらす。したがって、パッドの先端部をできるだけフレキシブルに保つこと、および繊維をできるだけ直立した状態で保持することが重要であり、あるいは新たな研磨粒子を受け取るのに利用可能な多数の開口と細孔が確実に存在することが重要である。
【００２４】
パッドの先端部を保持する上での問題が、加工物、研磨スラリー、および研磨ディスクから発生する研磨破片の堆積によって引き起こされる。こうした堆積がパッド先端部の“光沢(glazing)”または硬化を引き起こし、パッド全体の研磨性能を著しく低下させる。したがって、種々のデバイスを使用してパッド先端部を“コーミング(combing)”または“カッティング(cutting)”することによってパッドの先端部を元の状態に回復させるべく種々の試みがなされている。このプロセスは、CMPパッドを“ドレッシングすること(dressing)”または“コンディショニングすること(conditioning)”として知られるようになってきている。パッドドレッシング(pad dressing)する上で最も広く使用されているデバイスは、複数の超硬質結晶質粒子(super hard crystalline particles)(たとえば、ダイヤモンド粒子もしくはcBN粒子)が結び付けられたディスクである。
【００２５】
従来の方法によって製造されるドレッシングディスク(dressing disks)は、従来の方法によって製造される他の超研磨工具が持つ幾つかの問題点を共有している。しかしながら、このような問題点はCMPプロセスに対して極めて大きな影響を及ぼすことがある。たとえば、超研磨グリットの保持が弱いと、加工物に引っかき傷がついたり、加工物の崩壊をきたしたりすることがある。粒子群が群がったり、あるいは粒子群の配置が不均一であったりすることが原因となって超研磨グリットの作業負荷が不均一になると、特定のパッドエリアのオーバードレッシング(overdressing)、および他のパッドエリアのアンダードレッシング(underdressing)を引き起こすことがあり、その結果、加工物の研磨が不適切なものとなる。さらに、ドレッシングディスクの超研磨粒子が、ディスクの基材表面から上方に均一な高さで広がっていないと、CMPパッドの不均一なドレッシングがさらに増大する。なぜなら、ドレッサーからの多くの粒子がパッドに接触しないことがあるからである。
【００２６】
CMPパッドドレッシングプロセスは、粒子の保持と分配に関する上記問題のほかに、制御されていない超研磨粒子の配置は受け入れられない、というさらなる問題を生じる。たとえば、CMPパッドに及ぼすドレッシングディスクの下向きプレス力(downward pressing force)は、ドレッサーの先端と接触するとパッドを押し下げ、パッドドレッサー上の残留している超研磨粒子がパッドと充分に接触して均一なドレッシングを達成するのを妨げることがある。
【００２７】
ろう付けプロセス時におけるパッドドレッサー作業表面の反りも、研磨粒子の除去を引き起こすことが多い。ろう付けプロセス中、パッドドレッサーを極めて高い温度にさらさなければならない。このように極めて高い温度に曝露されると、パッドドレッサーの作業表面の反りを引き起こすことがあり、したがってパッドドレッサーの作業表面の平滑性と平面性が損なわれる。その結果、作業表面のろう付け部分が粗くなり、高いスポットと低いスポットを有するようになる。このようなスポットは、ろう付け部分の剥げ落ちを引き起こして、加工物の研磨表面上に微細な引っかき傷を生じるので望ましくない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
したがって、ダイヤモンド工具の効率、有効寿命、および他の性能特性をできるだけ高める適切な方法が絶えず求められている。
本発明者らは、上記の課題に適合するダイヤモンド工具の製造法を開発することが有利であると認識している。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
1つの態様においては、本発明は、カスタマイズされたパターンの個々のグリット配置を有する金属結合ダイヤモンドまたは他の超研磨工具の製造法を提供することによって上記の問題点を解決する。ダイヤモンドグリットの分配が制御されるので、特定のパターンの工具摩耗(均一な摩耗を含む)を引き起こすような細密なパターンでダイヤモンドグリットを配置することができる。さらに、それぞれの超研磨グリットがより充分に使用され、余分な超研磨グリットを予備として用意しておく必要がない。したがって、必要とされる超研磨粒子の全体的な量を少なくすることによって、金属結合ダイヤモンドまたは他の超研磨工具の製造コストを最小限に抑えることができる。
【００３０】
本発明の他の態様によれば、本発明の方法は、基材を供給すること、および複数の超研磨粒子を、所定のパターンにしたがって前記基材の露出表面に直接ろう付けすること(ろう付け用合金を使用して、ダイヤモンド粒子を基材上の所定の位置に化学的に結合させること)を含む。
【００３１】
本発明の1つの態様においては、ろう付け用合金は、非晶質ろう付け用合金(amorphous braze alloy)の層として、粉末として、あるいは巻き取り連続フィルムとしても供給することができる。ろう付け用合金は、超研磨粒子および支持体材料(たとえば、チタン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、モリブデン、タングステン、マンガン、鉄、シリコン、アルミニウム、およびこれらの元素の混合物もしくは合金)と化学的に結合する元素を含有するよう選定される。本発明のより詳細な態様においては、ろう付け用合金は、超研磨粒子を基材に固定する前でも後でも施すことができる。本発明と組み合わせて種々のろう付け用合金を使用してダイヤモンド粒子を基材に結びつけることができる。ろう付け用合金は、ダイヤモンドから炭素への逆転化(back-conversion)が防止できる温度にて、超研磨粒子を基材にろう付けできるものでなければならない。本発明のより詳細な態様においては、ろう付けを約1,100℃未満の温度で行なう。
【００３２】
ろう付け用合金を使用してダイヤモンド粒子を基材に結合するプロセスは、種々の方法によって果たすことができる。1つの態様においては、ダイヤモンド粒子を基材上に分配した後に、ろう付け用合金を基材の露出表面に施すことができる。次いでろう付け用合金を、ダイヤモンド粒子を基材にろう付けする(すなわち、化学的に結合する)に足る温度に加熱する。ダイヤモンド粒子を、基材ではなくマトリックス支持体材料と関連させて、あるいは基材のほかにマトリックス支持体材料と関連させて使用する場合にも、この同じ原理が当てはまる。他の態様においては、先ず最初にろう付け用合金を基材すなわちマトリックス支持体材料の露出表面上に配置し、次いでダイヤモンド粒子をろう付け用合金上に、あるいはろう付け用合金中に所定のパターンにしたがって分配する。次いで、ダイヤモンド粒子の基材すなわちマトリックス支持体材料への化学結合を達成するに足る温度に加熱する。
【００３３】
マトリックス支持体材料上にダイヤモンド粒子を所定のパターンで配置することは、種々の方法によって達成することができる。しかしながら1つの態様においては、このようなプロセスは、複数の開口を所望のパターンにて有するテンプレートを使用することを含む。一般には、ダイヤモンド粒子を固定しようとする表面上にテンプレートを配置し、開口にダイヤモンド粒子を充填する。粒子が開口を満たしたら、粒子に圧力を加えるか、さもなければ有機結合剤または有機接着剤を使用して、粒子を所望する表面上の所定の位置に保持する。次いでテンプレートを取り除き、作製される工具の要件に応じて、基材の表面上にてダイヤモンド粒子をさらに調整することができる。テンプレートにより、個々の粒子が特定の場所に明確な状態で植え付けもしくは配置され、基材すなわちマトリックス支持体材料上に所定のパターンにしたがって保持される。より詳細な態様においては、ダイヤモンド粒子を上部もしくは内部に有する複数の基材すなわちマトリックス支持体材料層を接合して、ダイヤモンド粒子または他の超研磨粒子の三次元配置を所定のパターンにしたがって有する工具を作製することができる。
【００３４】
本発明の他の態様においては、超研磨粒子を移行プレート(a transfer plate)に固定し、次いで基材に移行させることもできる。本実施態様の1つの態様においては、移行プレートは金属でも又はプラスチックでも作製することができ、軟質であっても又は硬質であってもよい。超研磨粒子の移行プレートへの固定は、移行プレートを接着剤の薄層で被覆することによって行ないやすくすることができる。次いでテンプレートを使用して、超研磨粒子を移行プレート上に、所望する所定のパターンにて分配する。超研磨粒子を一方の側に接着させた状態で有する移行プレートを、基材すなわちマトリックス材料に当ててプレスする。マトリックス支持体材料の表面に塗被されている接着剤に超研磨粒子が接着することによって、超研磨粒子がマトリックス支持体層に移行される。加工を容易にするために、基材上に塗被される接着剤は、移行プレート上に塗被される接着剤より超研磨粒子を強固に接着するのが好ましい。
【００３５】
次に、研磨粒子を接着させた基材の上にろう付け用合金シートを置く。これとは別に、超研磨剤を固定した基材の表面上にろう付け用粉末(a brazing powder)をまくこともできる。本発明の別の態様においては、ろう付け用粉末のスラリーを作製し、次いで超研磨剤を接着させた状態で有する基材すなわちマトリックス支持体材料にこのスラリーを、たとえば噴霧や糊付け等によって施すことができる。
【００３６】
移行プレート法の1つのバリエーションにおいては、移行プレートは、最終的に得られる工具の一部となる非晶質ろう付け用合金(amorphous braze)のシートである。複数の超研磨剤を所定のパターンにて、接着剤を使用して非晶質ろう付け用合金のシートに固定することもできるし、あるいは所定の位置に保持することもできる。次いで、超研磨剤を固定した状態で有する非晶質ろう付け用合金のシートを基材上に配置する。本発明のこの実施態様のより詳細な態様においては、テンプレートを使用して、超研磨剤を基材に固定する場合と類似の仕方で、非晶質ろう付け用合金のシート上に超研磨剤の特定のパターンをつくり出す。テンプレートの開口を、それぞれの開口中に１個の超研磨粒子が入るように形づくる。全ての開口がいったん超研磨粒子で満たされたら、過剰の粒子を除去し、ほぼフラットな表面(たとえば鋼板)を使用することによって、研磨粒子を非晶質ろう付け用合金のシートにプレスして、粒子をその中に埋め込む。これとは別に、ろう付け用合金シート中に粒子を押し込むのではなく、粘着性物質〔すなわち接着剤(たとえば、グルーや他のポリマー樹脂)〕によって粒子を所定の位置に保持することもできる。次いでテンプレートを除去し、研磨粒子を含有するろう付け用合金のシートを、接着剤〔たとえばアクリルグルー(acrylic glue)〕を含んだ基材上に配置するか、あるいは前記基材に固定する。最後に、集成体全体を真空炉中でろう付けしてろう付けプロセスを完了させ、研磨粒子を基材すなわちマトリックス支持体材料に強固に固定する。本発明の1つの態様においては、ろう付け用合金のフレキシブルシートを基材すなわちマトリックス支持体材料に固定してから、研磨粒子を導入することもできる。
【００３７】
テンプレートにおいて使用される開口の配置は、特定用途での使用時における工具の性能をできるだけ高めるよう定められたパターンを含めて、多様なパターンにて構成することができる。1つの態様においては、開口のパターン、したがって結果として得られるダイヤモンド粒子の所定のパターンは、均一なグリッドであってよい。他の態様においては、不均一な摩耗を補償するよう、超研磨粒子を種々の濃度パターンで配置することもできる。したがって、ソーの刃先に対するダイヤモンドの分配は、一般的には摩耗の少ない中央部分に対するより、先端とその側部に対してより多くのダイヤモンド粒子の分配を有する。同様に、工具の特定の用途と摩耗パターンに適応した切削表面や研削表面等が得られるように、超研磨粒子のサイズを制御することもできる。
【００３８】
本発明の他の態様においては、非晶質ろう付け用合金シート単独からなる、あるいは実質的に非晶質ろう付け用の合金シートからなるマトリックス支持体材料を使用することができる。したがって、ろう付け用合金のシート中に超研磨粒子を分配もしくは植え付けすることができる。超研磨剤を埋め込んだろう付け用合金のシートを、工具の基材すなわちマトリックス支持体材料に直接接合することができる。これとは別に、適切な結合剤を使用して、超研磨粒子を工具の基材すなわちマトリックス支持体材料に接着することもできる。次いで、ろう付け用合金のシートを基材すなわちマトリックス支持体材料に施し、得られる集成体をろう付け用合金の融点より高い温度に加熱する。したがって、溶融したろう付け用合金が、超研磨粒子および基材すなわちマトリックス支持体材料と化学的に結合することができる。別の実施態様においては、超研磨粒子を有するろう付け用合金のシートを、溶融していない金属の薄層と共に層状にする。
【００３９】
本発明のさらに他の態様によれば、マトリックス支持体材料が、特性の性質を高めるよう意図された成分を含有してよい。たとえば、耐摩耗性を向上させるために、タングステン、炭化タングステン、および炭化ケイ素等の硬質材料を加えることができる。硫化モリブデン、銅、および銀等の軟質材料を固体滑剤として加えることもできる。
【００４０】
本発明のさらに詳細な態様においては、ろう付け用合金と研磨粒子との集成体を加熱した後に、オーバーレイ材料の層をろう付け用合金の作業表面に固定して、平滑な作業表面をつくり出すことができる。ろう付け用合金シートが加熱プロセス時に耐える溶融状態と表面張力のために、最終的に形成される作業表面はかなり粗くなることがあり、使用時に簡単に剥げ落ちるようなギザギザ状の箇所を多く含む。このことは、粒状物がルーズであることの結果として加工物が損傷をこうむるような場合、微細な研削用途時およびドレッシング用途時において特に重大である。オーバーレイ材料は、研磨粒子の研磨能力またはドレッシング能力を妨げないよう所定の厚さを有する。さらに、オーバーレイ材料は一般に、多くの金属物質のいずれか1種(たとえば、ニッケル、タングステン、コバルト、クロム、またはジルコニウム-ニッケル合金)を含む。オーバーレイ材料は幾つかの方法によって施すことができるが、特定の態様においては、電気メッキ法または物理蒸着(PVD)法によって施すことができる。
【００４１】
本発明の他の態様においては、任意の耐食性材料の薄いコーティングを、ろう付けプロセスの後にダイヤモンド工具に施すこともできる。耐食性材料を加えると、工具の作業表面が効果的に“シール”される。これにより、研磨粒子、ろう付け用合金、および/またはオーバーレイ材料を、工具の実際の使用において見られる種々の化学物質および/または冷却剤による腐食から保護することができる。本発明の耐食性材料は一般に、ダイヤモンド様炭素や非晶質ダイヤモンド等の超研磨材料を含む。オーバーレイ材料の場合と同様に、耐食性の層は、研磨粒子の性能を阻害することなく工具の作業表面を効果的にシールよう、所定の厚さを有してよい。
【００４２】
本発明のさらに他の重要な態様は、工具の表面上における種々の超研磨粒子の配置を特異的に制御できることである。したがってたとえば、幾つかのシートセグメントを集成して工具前駆体を作製し(図6A〜図9、および図12Cを参照)、これを熱と圧力にて処理することができる。未溶融金属の薄層を供給し、そしてこの薄層上に超研磨グリットを所定のパターンにて配置することによって、各セグメントを集成する。ダイヤモンド粒子を所定のパターンにしたがって金属の薄層上に配置した後、非晶質ろう付け用合金のシートを超研磨粒子上に配置して超研磨層シートセグメントを作製する。所望する数の層が形成されるまで、このプロセスを繰り返すことができる。次いでこれらの層を集成して所望の三次元物体を作製する。引き続きこのダイヤモンド工具を強固にして(たとえば、焼結または溶浸によって)最終的な物品を作製する。実質的に二次元のセグメントを集成して三次元物体を作製することによって、工具中のダイヤモンドグリットの分配を正確に制御することができる。したがって、同一工具の異なった部分におけるダイヤモンド濃度を調整することができる(図6A〜9を参照)。ダイヤモンドの分配に対するこのような制御は、工具の摩耗特性を向上させるのに極めて望ましい。たとえば、ダイヤモンドソーブレードの側面部は中心部より早く摩耗することが多い。したがって、側面部により多くのダイヤモンドグリットを加えるのが有利である。層は、均一な分配パターンと濃度であってもよいし、あるいは異なった分配パターン、濃度、および/または粒径であってもよい。
【００４３】
超研磨剤を所定のパターンと濃度にて有する金属マトリックスの層を三次元物体に集成することによって、本発明は、工具物体中に望ましいダイヤモンド分配パターンをもたらすだけでなく、同一工具物体の異なった部分におけるダイヤモンド濃度を操作できる自由度を増大させる。したがってたとえば、ダイヤモンド粒子を、他の層より幾つかの層においてより高い濃度に配置することができ、そしてより高いダイヤモンド濃度を有する層を、作製される三次元構造物内に、先行技術の多くの研磨工具におい典型的な不均一な摩耗パターンを防ぐような仕方で配置することができる。
【００４４】
研磨粒子の特定のパターンもしくはデザインを使用することによって研磨工具の性能を改良することの重要性の他の例が、ドレッシング用途において見られる。前述したように、テンプレートを使用することで、研磨粒子の位置決めすなわち配置が可能となり、各研磨粒子が所定のパターンにしたがって特定の場所に配置される。1つの態様においては、このようなパターンは、CMPパッドのグルーミング(grooming)を向上させる特定のギャップまたは形状をもたらすように設計することができる。たとえば、CMPパッドドレッサーの作業表面は、ドレッサーの外側または“先端”に沿ってだけではなく、ドレッサーの内側または中心部の下でCMPパッドの上昇を容易にするよう形づくることができる。このようなさらなる上昇により、ドレッサーは、より効果的にパッドを切断・グルーミングすることが可能になる。
【００４５】
テンプレートを使用すると、研磨粒子を基材上に均一に配置することができるようになる。各研磨粒子の均一な間隔と均一なサイズは、前述のようなテンプレートを使用することで確実に達成される。さらに、平らな表面を有するシートまたはカットアウトの形のろう付け用合金を、それに接着された均一なサイズの研磨粒子と組み合わせて使用することにより、研磨粒子間の均一な高さをつくり出すことが可能となる。
【００４６】
以下に述べる詳細な説明がより深く理解できるように、そして技術に対する本発明の寄与がより適切に評価できるように、本発明の種々の特徴をかなり大まかに説明してきた。本発明の他の特徴は、添付されている特許請求の範囲を考察すれば、本発明の下記の詳細な説明からより明確になるであろう。あるいは本発明の他の特徴は、本発明を実施することによって理解することができる。
【００４７】
本発明のさらなる特徴と利点は、添付の図面(本発明の特徴を一例として図示している)を参照しつつ考察すれば、下記の詳細な説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
図面に示されている代表的な実施態様について説明し、ここでは特定の用語を使用して実施態様を説明する。しかしながら、これによって本発明の範囲が限定されることはないのは言うまでもない。本発明の特徴、プロセス工程、および本明細書に記載の材料の変形やさらなる改良形、ならびに本明細書に記載の本発明の原理のさらなる応用(当業者、および本開示内容の所有権を得ている者であれば考え出すことができるであろう)は、本発明の範囲内であると考えるべきである。さらに理解しておかなければならないことは、本明細書で使用している術語は、特定の実施態様のみを説明する目的で使用されており、限定することを意図しているものではない、という点である。
【００４９】
A.  用語の意味
本発明を説明および特許請求する上で、下記のような術語が使用される。
単数形の用語は、文脈が明確に指示していない限り複数への言及を含む。したがってたとえば、“マトリックス材料”とは、１種以上のこのような材料への言及を含み、“合金”とは、１種以上のこのような合金への言及を含む。
【００５０】
本明細書で使用している“実質的に含まない”とは、ある特定の元素もしくは試剤が組成物中に存在していないことを表わしている。詳細に言えば、“実質的に含まない”として識別されている元素は、組成物中に全く存在しないか、あるいは組成物に対する影響を無視しうる程度のほんの少量にて含まれる。
【００５１】
本明細書で使用している“所定のパターン”とは、工具を組み立てる前に確認され、個々の超研磨粒子を、他のダイヤモンド粒子との明確な関係にて、そして工具の構成との明確な関係にて配置もしくは位置決めする、非ランダムのパターンを表わしている。たとえば、“粒子を所定のパターンにて確実に植え付ける”とは、個々の粒子を特定の非ランダム位置および事前選定位置に配置することを表わしている。さらに、このようなパターンは均一なグリッドパターンに限定されず、意図する用途に基づいたいかなる数の配置構成を含んでもよい。
【００５２】
本明細書で使用している“非晶質ろう付け用合金(amorphous braze)”とは、非晶質構造を有する均一なろう付け用組成物を表わしている。このような合金は、加熱したときに分解溶融を起こす共晶相を実質的に含有しない。正確な合金組成を確実に達成するのは困難であるけれども、本明細書で使用している非晶質ろう付け用合金は、狭い温度範囲にわたって実質的に一致溶融を示すはずである。
【００５３】
本明細書で使用している“均一なグリッドパターン”とは、全方向に対して互いに均一に間隔をおいて配置されたダイヤモンド粒子のパターンを表わしている。
本明細書で使用している“不規則に形づくられた(irregularly shaped)”とは、標準的な幾何学的図形ではない形状(たとえば、円形、楕円形、または正方形等ではない形状)を表わしている。
【００５４】
本明細書で使用している“マトリックス”、“マトリックス支持体材料”、“マトリックス支持体層”、および“マトリックス材料”は区別なく使用することができ、超研磨粒子を結合することができる焼結処理していない粒状材料を表わしている。特に、粒状材料の焼結または強化は、超研磨粒子を粒状材料に化学結合させるプロセス時に行なうことができる。1つの態様においては、超研磨粒子をマトリックスの表面に結合もしくは固定することができる。他の態様においては、超研磨粒子をマトリックス中に固定もしくは植え付けることができる。さらに他の態様においては、マトリックス材料が工具本体の形状をとってよい。さらに他の態様においては、マトリックス材料は、特定の厚さを有するシートの形状をとってよい。
【００５５】
本明細書で使用している“基材”とは、固体の金属材料を表わしている。固体金属材料の多くは、金属粒状物を焼結処理もしくは強化処理して得られる物品であってよいが、理解しておかなければならないことは、本明細書で使用している“基材”は、固体塊もしくは固体形態物に焼結処理または強化処理されていない粉末状または粒状の金属材料は含まない、という点である。
【００５６】
本明細書で使用している“合金”とは、金属と第2の材料との固体混合物もしくは液体混合物を表わしており、前記第2の材料は、非金属(たとえば炭素)、金属、または金属の特性を増強もしくは向上させる合金であってよい。
【００５７】
本明細書で使用している“金属ろう付け用合金(metal brazing alloy)”、“ろう付け用合金(brazing alloy)”、“ろう付け用合金(braze alloy)”、“ろう付け用合金材料(braze material)”、および“ろう付け用合金(braze)”は区別なく使用することができ、超研磨粒子とマトリックス支持体材料または基材とを実質的に一緒に結びつけるよう、超研磨粒子とマトリックス支持体材料または基材とに化学的に結合することができる金属合金を表わしている。本明細書に開示されている特定のろう付け用合金の成分と組成は、それに関連して開示されている特定の実施態様に限定されることはなく、本明細書に開示の本発明の実施態様のいずれに対しても使用することができる。
【００５８】
本明細書で使用されている“ろう付け”のプロセスは、超研磨粒子の炭素原子とろう付け用合金材料との間の化学結合の生成を表わすよう意図されている。さらに“化学結合”は、機械力またはより弱い原子間引力による結合ではなく共有結合(たとえば、炭化物結合またはホウ化物結合)を意味している。したがって、“ろう付け”が超研磨粒子と関連して使用されるときは、実際の化学結合が形成される。しかしながら、“ろう付け”が金属-金属結合と関連して使用される場合、この用語は、冶金学的結合という従来の意味で使用される。したがって、超研磨セグメントを工具本体にろう付けする際には、炭化物形成剤が存在する必要はない。
【００５９】
本明細書で使用している“超研磨粒子”および“超研磨グリット”は区別なく使用することができ、天然もしくは合成ダイヤモンドの粒子、超硬結晶質もしくは超硬多結晶質物質の粒子、またはこれらの物質の混合物を表わしており、ダイヤモンド、多結晶質ダイヤモンド(PCD)、立方窒化ホウ素(CBN)、および多結晶質立方窒化ホウ素(PCBN)などがあるが、これらに限定されない。さらに、“研磨粒子”、“グリット”、“ダイヤモンド”、“PCD”、“CBM”、および“PCBN”は区別なく使用することができる。
【００６０】
ろう付けプロセスと関連して本明細書で使用している“直接に”という用語は、単一のろう付け用金属もしくはろう付け用合金を結合媒体として使用した、超研磨粒子と特定された材料との間の化学結合の形成を識別するよう意図されている。
【００６１】
本明細書で使用している“前駆体(precursor)”は、超研磨粒子、基材すなわちマトリックス支持体材料、および/またはろう付け用合金の集成体を表わしている。“前駆体”は、ろう付けおよび/または焼結プロセス前のこのような集成体(すなわち“未加工物体”)を表わしている。
【００６２】
本明細書で使用している“開口(aperture)”は、意図する用途に応じた所定のサイズと形状を有する、テンプレート表面を貫いている開口(opening)を表わしている。たとえば、開口のサイズは、特定のメッシュサイズの複数の超研磨粒子を収容するように設計することができる。しかしながら、１個だけの超研磨粒子がそれぞれの開口によって収容されるように開口を設計するのが望ましいことが多い。
【００６３】
本明細書で使用している“自形の(euhedral)”とは、「自形であること(idiomorphic)」、あるいは天然の結晶面を含んだ不変の天然形状を有することを意味している。
本明細書で使用している“シャープな部分(sharp portion)”とは、コーナー、リッジ、エッジ、オベリスク、および他の突出部を含めた(これらに限定されない)、結晶が達することのある全ての幅の狭い先端を意味している。
【００６４】
本明細書で使用している“金属の(metallic)”とは、あらゆるタイプの金属、合金、またはこれらの混合物を意味しており、具体的には、スチール、鉄、およびステンレス鋼などがあるが、これらに限定されない。
【００６５】
距離とサイズに関して本明細書で使用している“均一な(uniform)”とは、寸法の差異が全体として約75マイクロメートル未満であることを表わしている。
濃度、量、および他の数値データは、範囲を示す方式(a range format)にて与えることができる。理解しておかなければならないことは、このような範囲方式は、単に簡潔さと便宜上の点から使用されており、範囲の限界値として明記されている数値を含むだけでなく、各数値と部分的範囲があたかも明記されているかのように、全ての個々の数値または当該範囲中に包含されている部分的範囲も含むよう柔軟に解釈しなければならない。
【００６６】
たとえば、約1重量%〜約4.5重量%の濃度範囲は、約1重量%と約4.5重量%の明記されている濃度限界を含むだけでなく、2重量%、3重量%、および4重量%等の個々の濃度、ならびに1重量%〜3重量%、および2重量%〜4重量%等の部分的範囲も含むよう解釈しなければならない。この同じ原理が、1つの数値だけを明記している範囲(たとえば“約4.5重量%未満”)に対しても適用され、前記の値と範囲の全てを含むよう解釈しなければならない。さらに、このような解釈は、記載されている範囲または特性の幅に関係なく適用されなければならない。
【００６７】
B.  本発明
本発明の種々の要素が数字で示されている図面を参照して本発明を考察する。理解しておかなければならないことは、下記の説明は本発明の原理の代表的なものにすぎず、これによって添付の特許請求の範囲が狭められると考えるべきではない、という点である。
【００６８】
図1を参照すると、複数の超研磨粒子20が、所定のパターンにしたがって基材102の露出表面にろう付けされている。超研磨粒子を基材にろう付けまたは結合するのにろう付け用合金材料25が使用されている。本発明に合わせて、種々の方法を使用して所望の結果を得ることができ、これらの方法の詳細については後述する。
【００６９】
本発明の基材は種々の材料(たとえば種々の金属)を含んでよい。特定の金属の例としては、コバルト、ニッケル、鉄、銅、炭素、およびこれらの合金または混合物(たとえば、タングステンもしくはその炭化物、スチール、ステンレス鋼、または青銅等)があるが、これらに限定されない。本発明は、種々のダイヤモンド工具(たとえば、研削用工具、研磨用工具、切削用工具、ドレッシング用工具、または材料を加工物から除去するのに使用されるあらゆる工具)に対して有用である。たとえば、ソーは限定されず、サーキュラーソー、ストレートブレード、ギャングソー、レシプロソー、ワイヤーソー、薄肉カットオフソー、ダイシングホイール、およびチェーンソーを含んでよい。他の態様においては、ダイヤモンド工具はCMPパッドコンディショナーであってよい。
【００７０】
一般には、基材は、超研磨粒子を固定しようとする露出表面を有し、実質的にフラットであるか又はある一定の形状がつけられていてよく、たとえばある種類のドリル用ビットもしくはサーキュラーソーの場合におけるように複数の面を有してよい。しかしながら、本発明の1つの実施態様においては、超研磨粒子を、直接基材に結合するのではなく、マトリックス支持体材料に結合することができる。マトリックス支持体材料は、工具本体として作用するように形づくることもできるし、あるいはさらに基材に結合して前部そろった工具を形成させることもできる。
【００７１】
別の実施態様においては、ろう付けプロセス時の移動を防ぐために、テンプレートを下記のように使用して、アクリルグルー(acrylic glue)または他の接着剤を含んだ基材に研磨粒子を一時的に固定することができる。通常の接着剤のほとんどは、約400℃を超える温度で気化し、ろう付け用合金または超研磨粒子と化学的に反応しない。
【００７２】
本発明のろう付け用合金は、非晶質ろう付け用合金の薄いシート、粉末、または連続シートとして供給することができる。本発明にしたがってろう付け用合金を供給するには多くの方法がある。たとえば、ろう付け用合金の粉末を先ず、適切な結合剤(一般には有機物質)および該結合剤を溶解することができる溶媒と混合する。この混合物をブレンドして、適切な粘度を有するスラリーまたはドー(dough)を形成させる。粉末がプロセス時に凝集するのを防ぐために、適切な湿潤剤(たとえば、メンハーデルオイルやリン酸エステル)を加えることもできる。このスラリーを、マトリックス支持体材料および/または超研磨粒子に噴霧あるいは塗布することができる。他の実施態様においては、スラリーをプラスチックテープ上に注ぎ、ブレードまたはレベリング用具で引き伸ばす。ブレードとテープとの間の間隙を調整することによって、所望の厚さを有するプレートにキャストすることができる。このテープキャスティング法は、粉末状材料から薄いシートを作製するためのよく知られている方法であり、本発明の方法と組み合わせるとうまくいく。
【００７３】
ろう付け用合金は、非晶質ろう付け用合金のシートとして供給することもできる。非晶質ろう付け用合金のシートは軟質であっても硬質であってもよく、所望する工具の外形に基づいて形づくることができる。このろう付け用合金のシートは、工具表面へのろう付け用合金の均一な分配に役立つ。ろう付け用合金のシートは粉末や結合剤を含有せず、どちらかといえば単なる均一なろう付け用組成物である。非晶質ろう付け用合金は、加熱したときに分解溶融する共融相を実質的に含有しないので、本発明での使用に対して有利であることが見出された。正確な合金組成を確実に得るのは難しいけれども、本発明において使用される非晶質ろう付け用合金は、比較的狭い温度範囲にわたって実質的に一致溶融の挙動を示さなければならない。したがって、ろう付けプロセスのうちの加熱部分の間中、合金は実質的な量の粒状物または結晶相を形成しない〔すなわちビトレフィケーション(vitrefication)によって〕。さらに、非晶質ろう付け用合金の溶融挙動は、合金の非晶質形では存在しない、合金材料の粒子間のボイドの減少または除去を必要とする焼結とは異なる。しかしながら、最初の非晶質ろう付け用合金が、よりゆっくりした冷却プロセスによる結晶化時に不均一の相を形成することがある。一般には、非晶質合金は、局在化された結晶化と組成の変動を防ぐために、液体を固体に急冷することによって形成される。本明細書に記載の方法のそれぞれにおいて、ろう付け用合金は、所望の工具セグメントの形状に応じたシート、フィルム、または他の打ち抜き層として供給することができる。
【００７４】
これとは別に、粉末状のろう付け用合金を適切な結合剤およびその溶媒と混合して、変形可能なケークを形成することができる。次いでこのケークを、スリット開口を有するダイを通して押し出すことができる。開口の間隙によって押出プレートの厚さが決まる。これとは別に、材料を、調節可能な間隙を有する2つのローラー間で引っ張って、正確な厚さを有するシートを形成することもできる。他の態様においては、ろう付け用合金粉末をダイヤモンド粒子と基材上に直接注ぐことができる(詳細については後述する)。
【００７５】
シートをその後の処理(たとえば、工具基材上で曲げる)ができるよう柔軟にするのが望ましい。したがって、適切な有機可塑剤を加えて所望の特性を付与することもできる。
粉末(金属、プラスチック、またはセラミック)のプロセシングに対して有機薬剤を使用することは多くのテキストに記載されており、当業者によく知られている。一般的な結合剤としては、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリビニルブチラール(PVB)、ポリエチレングリコール(PEG)、パラフィン、フェノール樹脂、ワックスエマルジョン、およびアクリル樹脂などがある。一般的な結合剤溶媒としては、メタノール、エタノール、アセトン、およびトリクロロエチレンなどがある。一般的な可塑剤としては、ポリエチレングリコール、シュウ酸ジエチル、ジヒドロアビエチン酸トリエチレングリコール、グリセリン、およびフタル酸オクチルなどがある。このように有機薬剤を導入することで、金属層の作製が容易になる。有機薬剤は、金属粉末を強固にする前に除去しなければならない。結合剤の除去プロセス(たとえば、大気圧にて炉中で加熱することによって)も、当業者によく知られている。
【００７６】
1つの態様においては、ろう付け用合金は、亜鉛、鉛、および錫を実質的に含有しなくてよい。本発明において使用するのに適した市販の粉末状ろう付け用合金は、NICROBRAZLM(7重量%のクロム、3.1重量%のホウ素、4.5重量%のシリコン、3.0重量%の鉄、最大で0.06重量%の炭素、および残部のニッケル)(ミシガン州マジソンハイツのウォールコルモノイ社製)の商品名で知られている。他の適切な合金としては、クロム、マンガン、チタン、およびシリコンを含有する銅合金、アルミニウム合金、およびニッケル合金などがある。1つの態様においては、ろう付け用合金はクロムを含んでよい。他の態様においては、ろう付け用合金は銅とマンガンとの混合物を含んでよい。さらに他の態様においては、クロム、マンガン、およびシリコンの量は、少なくとも約5重量%であってよい。さらに他の態様においては、ろう付け用合金は銅とシリコンとの混合物を含んでよい。さらに他の態様においては、ろう付け用合金はアルミニウムとシリコンとの混合物を含んでよい。さらに他の態様においては、ろう付け用合金はニッケルとシリコンとの混合物を含んでよい。さらに他の態様においては、ろう付け用合金は銅とチタンとの混合物を含んでよい。
【００７７】
ダイヤモンドのろう付け用合金は、クロム、マンガン、シリコン、チタン、アルミニウム、およびこれらの合金と混合物からなる群から選択される炭化物形成物質を少なくとも3重量%含有するのが好ましい。さらに、ダイヤモンドのろう付け用合金は、ろう付けプロセス時におけるダイヤモンドへの損傷を防ぐために、1,100℃未満の液相線温度を有していなければならない。充分に低い温度で溶融する非晶質ろう付け用合金の市販シートは、NICROBRAZLIM組成を有する、ハネウェル社製の非晶質ろう付け用合金ホイル(MBF)である。これらのホイルシートは厚さが約0.001インチであり、一般には約1,010℃〜約1,013℃の温度で溶融する。
【００７８】
1つの態様においては、ろう付けプロセスは、制御された雰囲気〔たとえば減圧下(一般には約10-5トル)〕、不活性雰囲気〔たとえば、アルゴン(Ar)や窒素(N2)〕、または還元性雰囲気〔たとえば水素(H2)〕において行なうことができる。このような雰囲気は、ろう付け用合金のマトリックス支持体材料への溶浸を増大させ、したがってダイヤモンドのろう付け結合とマトリックスのろう付け結合を強化する。
【００７９】
図2を参照すると、基材102が選択され、テンプレート110が基材の上に置かれている。テンプレート110は、１個の超研磨粒子よりは大きいが、2個の超研磨粒子よりは小さい開口114を含み、これにより研磨粒子の単一の粒子がそれぞれの特定の位置に配置されるのを可能にしている。テンプレートの厚さは、平均的な研磨粒子の高さの1/3〜2/3であるのが好ましい。しかしながら、研磨粒子を所望の位置に配置させるための適切な調節がなされるのであれば、他の厚さも使用することができる。幾つかの態様においては、テンプレートの厚さは、研磨粒子の高さの最大2倍であってもよい。接着剤を基材の表面に施して、ろう付けプロセス時に超研磨粒子を所定の位置に保持することができる。
【００８０】
テンプレート110を適切に配置した後、開口114のそれぞれが1つの研磨粒子を受け取るように研磨粒子20の層をテンプレート上に広げる。テンプレートの開口中に落ち込んでいない粒子を、基材を傾けることによって、テンプレートをほうきで掃きのけることによって、あるいは他の幾つかの類似の方法によって除去する。必要に応じて、ほぼフラットな表面(たとえば鋼板)を超研磨粒子の上に置くことができ、これによって超研磨粒子がテンプレートの開口中で動かなくなる。フラットな表面で超研磨粒子をプレスすることで、超研磨粒子がぴったりはまる。したがって、プレスされた粒子が、基材中に、ろう付け用合金層(図示せず)中に、または超研磨粒子を配置する前に基材の露出表面に施された接着剤層(図示せず)中に、わずかな機械的影響(mechanical impression)によって基材に強固に結び付けられる。次いで、超研磨粒子20が、テンプレートの所定のパターンにしたがって基材102上の所定の位置にとどまるよう、テンプレート110を除去する。
【００８１】
これとは別に、図3に示すように、基材は、薄い接着剤フィルム(図示せず)を使用して超研磨粒子20が一方の側に固定される移行プレート106であってもよい。必要に応じて、超研磨粒子の特定のパターンを達成するのにテンプレート110を使用することに関して上記したのと同じ方法を使用して、粒子の配置を果たすことができる。超研磨粒子20を固定した状態で有する移行プレート106を基材102に対向してプレスする。移行プレートは金属またはプラスチックで作製することができるが、透明プラスチックの移行プレートが使用しやすく、またプロセスのモニターが容易である。粒子の移行プレートへの固定は、いかなる接着手段(たとえば接着剤)を使用して果たしてもよい。超研磨粒子の基材102への移行を容易にするために、移行プレートに対してより基材102に対して粒子20をより強く接着する接着剤層(図示せず)を使用することができる。次いで移行プレートを除去し、工具前駆体を作製するための処理(たとえば、ろう付け用合金を加えること)および最終的な物品を得るための加熱を行なうことができる。したがって研磨粒子は、テンプレートによって定められるパターンにて基材に移行される。
【００８２】
他の実施態様においては、移行シート106は、非晶質ろう付け用合金のシートであってよい。上記のプロセスと類似のプロセスにて、超研磨粒子20を基材に固定する。図4に示すように、先ず第一に、開口114を有するテンプレート110をろう付け用合金のシート106上に置く。本発明の1つの態様においては、シートは、連続的な非晶質ろう付け用合金のシートまたはフィルム(前述)であってよい。テンプレートを使用することで、所望のパターンの開口を有するテンプレートを設計することにより、特定の位置における各研磨粒子の制御された配置が可能となる。
【００８３】
テンプレート110をろう付け用合金シート上に配置した後、開口114に研磨粒子20を充填する。開口は所定のサイズを有しているので、1個だけの研磨粒子がそれぞれの開口にはまり込む。いかなるサイズの研磨粒子またはグリットも受け入れ可能であるが、本発明の1つの態様においては、粒径は、直径が約100〜約350マイクロメーターであってよい。種々の開口サイズと開口形状が、アクセスを開口1つ当たり１個の粒子に限定しているけれども、本発明の開口は、超研磨粒子の極めて綿密な配置が可能となるよう設計することができる。したがって、100マイクロメートルの平均粒径に対しては、開口は、横切る状態で約150マイクロメートルに設計することができる。
【００８４】
本発明の他の態様においては、均一なサイズ範囲内のサイズを有する研磨粒子のパターンを得るために、テンプレート中の開口のサイズを個別調整することができる。CMPパッドドレッシングの1つの特定の実施態様においては、テンプレートの開口は、50マイクロメートル以下の差異を有するサイズ範囲内のグリットだけを選択するのに充分である。このようにグリットサイズが均一であると、各研磨粒子の作業負荷が均一に分配されるので、CMPパッドドレッシングの均一性に寄与する。したがって、作業負荷の均一な分配によって個々の研磨粒子にかかる応力が少なくなり、このためCMPパッドドレッサーの有効寿命が延びる。種々の超研磨工具に対し、テンプレートはさまざまな形態をとってよい。パターンは、種々の配置を含んでよいだけでなく、異なったサイズの超研磨粒子を同じ工具に収容する(この場合、より大きな粒子を先に施してからより小さな粒子を施す)ために多様なサイズの開口を含んでよい。
【００８５】
テンプレートの開口に超研磨粒子を充填した後、過剰の研磨粒子を除去し、必要に応じて研磨粒子に平面を施す。この平面は、研磨粒子をろう付け用合金シートまたはフィルム106中に押し込むことができるよう、極めて高強度の硬質材料でなければならない。このような材料としては一般に、スチール、鉄、およびこれらの合金などがあるが、これらに限定されない。
【００８６】
テンプレートを除去した後、再び平面を使用して、研磨粒子をろう付け用合金のシート中にしっかり押し込むことができる。平面が好ましいけれども、研磨粒子の一部を他の研磨粒子よりも、最終工具から外向きに広がらせるのが望ましい場合がある、ということを当業者は認識している。このような場合においては、輪郭づけ又は造形した表面を使用して、研磨粒子の一部を他の粒子よりも、ろう付け用合金のシート中により深く据え付けることができる。このようにして、研磨粒子が基材から所定の高さまで延びる。
【００８７】
超研磨粒子をろう付け用合金中に押し込むための上記方法は、多くの用途に対して好ましい方法であるけれども、研磨粒子をろう付け用合金のシートから外向きに広がらせるのが望ましい、という場合がある。たとえば、工具によっては、研磨剤の層を1つしかもたない場合がある。これは、平面を使用して超研磨剤をプレスするときに、単にテンプレート110を所定の場所に残すことによって果たすことができ、そしていったんテンプレートを取り除いたら、もはや粒子をろう付け用合金中に押し込まない。
【００８８】
これとは別に、図3〜5におけるろう付け用合金のシートまたはフィルムは、超研磨粒子20の断面厚さまたは直径より薄く造られている。粒子がシート106中に押し込まれると、シートの厚さによって、ろう付け用合金のシートから粒子が強制的に突き出される。次いでこのシートを、上記した仕方でマトリックス支持体材料にかぶせる。
【００８９】
本発明の所定のパターンを作製する際に、テンプレート中の開口のスペーシングは、ランダムではないが均一である必要はない。むしろ、スペーシングの差異を与えて、非晶質ろう付け用合金のシートの種々の部分上に異なった濃度を容易にもたらすことができる。同様に、開口のサイズ、およびダイヤモンド粒子を開口中に配置する順序を調節することによって、異なったサイズの粒子を有する単一の層をもたらすことができる。
【００９０】
本発明のより詳細な態様においては、CMPパッドドレッサーの性能に対して超研磨粒子の高さが重要である。均一な粒子高さはテンプレート110の厚さによって決定され、好ましい実施態様においては、各研磨粒子がこの厚さの50マイクロメートル以内で広がる。したがって、各研磨粒子がCMPパッド上にて実質的に同じ深さに整うようになる。しかしながら、理解しておかなければならないことは、特定の用途に対しては、グリットの高さが均一である必要はない、という点である。したがって当業者にとっては周知のことであるが、テンプレートをそのように形づくることによって種々の高さのグリットパターンを供給することができ、また平面を使用して粒子をプレスして、このようなデザインをもたらすことができる。
【００９１】
図1〜12Cに示す研磨粒子20は種々の形状を有している。本発明の範囲は、自形の粒子または天然形状の粒子を含めて、あらゆる形状の研磨粒子を包含する。しかしながら、1つの実施態様においては、研磨粒子は、尖端が基材から離れた方向に延びている所定の形状を有する。
【００９２】
別の実施態様においては、研磨粒子をろう付け用合金のシート中に押し込むのではなく、接着剤をろう付け用合金シートの表面上に配置することによって、テンプレートされた位置(templated position)に研磨粒子を固定することができる。この方式においては、テンプレートを取り除いたとき、および熱処理中において、粒子が所定の位置に固定されたままである。
【００９３】
非晶質ろう付け用合金シート106の使用を、超研磨粒子のパターン化された分配に関して説明してきたが、シートの使用は、ダイヤモンド粒子のマトリックス支持体材料上へのランダム分配に対しても同様に適用することができる。したがって、テンプレートを使用せずに、あるいはさもなければ所定のパターンを作成して、超研磨粒子を、ろう付け用合金のシートまたはマトリックス支持体材料上に分配することができる。類似の方法と集成体を、テンプレートの使用と関連して前述のように使用することができる。
【００９４】
超研磨粒子の少なくとも一部をろう付け用合金のシート106中に埋め込むか、あるいはろう付け用合金のシート106に接着させた後、図5に示すように、シートを基材102に固定する。これとは別に、幾つかの実施態様においては、先ず最初にろう付け用合金のシートを基材に固定し、引き続き本明細書に記載のテンプレート手順を使用して、研磨粒子をシートに加えることができる。他の実施態様においては、超研磨粒子を固定した状態で有するろう付け用合金のシートを、図3に示すように、超研磨粒子がシートと基材との間で配向するような仕方で基材の露出表面に施す。
【００９５】
本発明の幾つかの実施態様において使用されているろう付け用合金は、当業界に公知のいかなるろう付け用合金材料であってもよいが、ある1つの態様において使用されているろう付け用合金は、少なくとも約2重量%のクロム含量を有するニッケル合金であってよい。このような組成のろう付け用合金は、それ自体がほぼ超硬質であり、種々の用途において使用される液状物(たとえば、研磨剤を含有するスラリー)からの化学的攻撃を受けにくい。このような実施態様においては、さらなる防食性の層またはオーバーレイ材料の使用は任意である。
【００９６】
研磨粒子は、ろう付け用合金のシート中またはシート上に強固に保持されているので、液状ろう付け用合金の表面張力は、ろう付けプロセス時に粒子のクラスタリングを引き起こすには不充分である。さらに、ろう付け用合金の肥厚化の程度は極めて小さく、“マウンド”は殆どもしくは全く形成されない。むしろ、図1に示すように、ろう付け用合金25が、ろう付け用合金と粒子との間の化学結合の湿潤作用によって、各研磨粒子間にわずかにくぼんだ表面を形成し、これがさらなる構造的支持をもたらす。1つの実施態様においては、非晶質ろう付け用合金のシート106の厚さは、各研磨粒子の少なくとも約10%〜約90%が、ろう付け用合金材料の外側表面もしくは作業表面の上に突き出ることができるようにあらかじめ定められている。他の態様においては、各研磨粒子の少なくとも約10%〜約90%がオーバーレイ材料の外側表面もしくは作業表面の上に突き出るように、オーバーレイ材料を使用する時に研磨粒子を選択もしくは配置することができる。
【００９７】
研磨粒子をろう付け用合金のシートに埋め込むか又は接着するという特定の方法のほかに、当業者は適切な代替法(たとえば、研磨粒子を基材に固定し、次いでその上にろう付け用合金を配置するという方法)を知っている。この場合は、前述のテンプレート法を使用して粒子を基材上に配置することができ、そしてグルーや他の適切な結合剤によって所定の位置に保持することができる。これとは別に、粉末状のろう付け用合金材料を研磨粒子の周りにて基材上に注くか又は配置し、次いで加熱してろう付け用合金材料に超研磨粒子との化学結合および基材との結合を形成させることもできる。
【００９８】
超研磨粒子とろう付け用合金を基材すなわちマトリックス支持体材料上に配置して超研磨工具前駆体を形成させたら、この前駆体を加熱して超研磨剤をマトリックス支持体材料にろう付けする。ろう付け用合金の選択は重要であり、最終的な工具の特性(たとえば、耐久性や強度)に直接影響を及ぼす。多くの種類のろう付け用合金が市販されているけれども、本発明に関連して有用なろう付け用合金は限定されている。本発明のろう付け用合金は、前述したような炭化物形成剤(たとえば、チタン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、モリブデン、タングステン、マンガン、鉄、シリコン、アルミニウム、およびこれらの混合物もしくは合金)を含有していなければならない。
【００９９】
特に重要なのはクロム、マンガン、シリコン、またはこれらの合金もしくは混合物であり、本発明において効果的であることが実証されている。炭化物形成剤は、ろう付け用合金の約2重量%〜約50重量%の量にてろう付け用合金中に存在してよい。これらのろう付け用合金の例としては、ウォールコルモノイ社(U.S.A)製のNICROBRAZLM(Ni-Cr-B-Si-Fe)(970℃〜1000℃の溶融範囲)、およびデグッサ社(ドイツ)製の21/80(Cu-Mn-Ni)(970℃〜990℃の溶融範囲)がある。有用であると考えられる他のろう付け用合金としては、共晶組成物に近いCu-Mn合金(約25重量%のMn)(約880℃の融点)；共晶組成物に近いNi-Si合金(約50重量%のSi)(約970℃の融点)；共晶組成物に近いCu-Si合金(約30重量%のSi)(約810℃の融点)；および共晶組成物に近いAl-Si合金(約15重量%のSi)(約600℃の融点)；などがある。
【０１００】
ダイヤモンドろう付け用合金の上記例は、広い範囲の機械的特性、および溶浸温度もしくは焼結温度(一般には、液相線温度より約50℃高い)を含んでいる。これらの種々のろう付け用合金は、ろう付け温度と機械的特性をさらに調節するのにも使用することができる。ダイヤモンドろう付け用合金の選択は、意図する用途に大きく依存する。一般には、用途がより過酷になると(たとえば、花こう岩、コンクリート、またはアスファルトをのこ引きする)、ろう付けの高温に耐えることのできるより高強度のダイヤモンドグリットが必要となる。一般には、より高温で溶融するろう付け用合金は耐摩耗性がより高い。他方、負担がより少ない用途(たとえば、石灰岩や大理石をのこ引きする)では、より低い強度のダイヤモンドグリットで用が足りる。このようなダイヤモンドは高温にて容易に劣化するので、より低めの温度でろう付けしなければならない。このタイプのろう付け用合金は、一般には耐摩耗性がやや劣る。
【０１０１】
ろう付け用合金材料は、研磨粒子を完全に覆ってしまうのを避けるために、必要最小限に保たなければならない。この問題は、代表的なろう付け用合金材料の機械的強度が極めて低いという事実によって複雑なものになる。この機械的弱さが、研磨粒子とろう付け用合金材料との間につくり出される化学結合の強度を相殺してしまう。実際、ディスロッジメント(dislodgment)を行う際、研磨粒子とろう付け用合金材料との間の化学結合が充分に強くて、ろう付け用合金材料自体が、結合していない研磨粒子と共に削ぎ取られることが多い。ろう付け用合金材料はさらに、研磨剤スラリーによる化学的攻撃を極めて受けやすい。これが研磨粒子の剥離の一因となり、既に機械的に弱くなっているろう付け用合金材料をさらに弱める。
【０１０２】
先行技術のろう付け用合金は一般に、ろう付け用合金材料の流れを容易にするよう意図された金属(たとえば、亜鉛、鉛、および錫)を含むが、本発明によれば、このような材料は、実際にはろう付けプロセスを阻害するということがわかった。先行技術の材料は一般により揮発性が高く、溶浸において使用される減圧雰囲気もしくは不活性雰囲気を汚染する傾向がある。ごく少量の揮発性金属であればろう付けプロセスをそれほど阻害しないが、約1または2重量%を超える量であると適切な溶浸を阻害することがある。本明細書で使用している「揮発性金属を実質的に含有しない」や「亜鉛を実質的に含有しない」等は、溶浸やろう付けに重大な障害を及ぼさないような充分に少ない量にて該揮発性金属が存在している、という状況を特性表示するのに使用されている。
【０１０３】
工具本体が、超研磨粒子のろう付け時に形状を保つことができるよう、ろう付け温度を基材の融点より低く維持することが重要である。さらに、ろう付け温度は、ダイヤモンドの劣化を引き起こさない程度に充分に低くなければならない(一般には約1,100℃未満)。溶浸を含む実施態様の場合、ろう付け用合金の液相線温度より一般には50℃高い温度が必要とされる。ろう付け温度を制御することに加えて、ろう付け用合金がダイヤモンドまたは基材と過剰に反応しないよう、ろう付け時間を短く保持しなければならない。前者の場合においては、ダイヤモンドが劣化することがある。後者の場合においては、基材の表面とともに合金化することで、ダイヤモンドろう付け用合金の融点を上昇させることがある。その結果、ダイヤモンドろう付け用合金が徐々に固化し、最終的には流動しなくなる。さらに、粗いろう付け用合金粉末はより長い加熱時間および/または温度を必要とする。
【０１０４】
ろう付け用合金の選択に関するさらなる考察は、ろう付け用合金が超研磨粒子を湿潤し、超研磨粒子と化学的に結合しなければならない、ということである。したがって、ろう付け用合金25が超研磨粒子と結合するので、図1からわかるように、ろう付け用合金が超研磨粒子の側部をはうようになる。この湿潤作用は、超研磨粒子に対する機械的支持の向上だけでなく強力な炭化物結合も含めた、幾つかの理由から有益である。一般には、適切な合金溶媒(solvent alloy)中に含有された炭化物形成剤がこの要件を満たす。しかしながら、種々の炭化物形成剤は、ろう付け雰囲気によって悪影響を受けることがある。
【０１０５】
ろう付けのための雰囲気環境も、優れた性能が得られるように調節することができる。たとえば、ろう付け用合金材料が酸素または窒素の強力な引き付け物質(たとえばチタン)を含有する場合は、ろう付けプロセス時に高度の減圧(最大で10-6トル)または−60℃未満の露点を保持しなければならない。こうした制約は、ダイヤモンド結合工具の製造に対して不必要なコストアップをもたらす場合が多い。微量の酸素の存在が炭化物形成剤を酸化し、ダイヤモンドとの炭化物結合の形成を妨げることがある。他方、ろう付け用合金材料がより感受性の低いゲッター(getter)(たとえば、クロムやマンガン)を含有する場合は、ろう付けプロセスに対して、より低い程度の減圧(最小で10-5トル)または水素雰囲気で充分である。しかしながら、炭化物形成剤の反応性が低すぎる場合(たとえば、コバルトやニッケルとの反応)は、ダイヤモンド粒子との炭化物結合はわずかしか形成されない。したがって、ダイヤモンドと結合する能力と酸化されやすさとの間で、炭化物形成剤を選択する上での妥協点がある。
【０１０６】
ろう付け後、作製された部品(たとえばソーセグメント)を最終的な寸法に整える(たとえば研削することによって)ことができる。次いで、これを工具本体(たとえば、円形のスチールブレード)上に据え付けて最終製品を作製することができる。
【０１０７】
前述したように、本発明は、ダイヤモンド工具のマトリックス支持体材料を湿潤するダイヤモンドろう付け用合金を使用する。ほとんどのダイヤモンドろう付け用合金は、コバルト、ニッケル、鉄、銅、または青銅を主成分とする通常のマトリックス支持体材料を容易に湿潤することができ、したがってろう付けがスムーズに行なわれる。再び図1を参照すると、一般的には、本発明の方法にしたがって製造される最終的なダイヤモンド工具は、ろう付け用合金の成分(たとえばクロム)との炭化物結合を有するダイヤモンド粒子20と、機械的ろう付けおよび基材102との部分的な合金化を含んだ種々の共晶相を含有するろう付け用合金25とを含む。
【０１０８】
上記方法を使用してろう付けすることのほかに、ろう付け用合金を使用することによるダイヤモンド粒子のマトリックス材料への結合は、粉末状のろう付け用合金と粉末状のマトリックス材料とを混合することによって達成することができる。次いで有機結合剤を加え、マトリックス支持体材料とろう付け用合金を、前述したようにシートもしくは層に作製する。次いで前述のテンプレートを使用してダイヤモンド粒子を所定のパターンに配置または位置決めすることによって、ダイヤモンド粒子を分配する。シートを所望の工具形状に打ち抜くか又はプレスし、得られたシートを、ろう付け用合金を使用してダイヤモンド粒子をマトリックス支持体材料に結合するに足る、ならびにマトリックスの金属粒子を一緒に焼結するに足る温度に加熱する。このようなプロセスは一般に、前述したような工具に対するリスクの多くを招かない低温を使用して果たすことができる。
【０１０９】
ダイヤモンド工具(たとえばソーセグメント)を製造するための最も広く使用されているマトリックス粉末はコバルト粉末である。従来のダイヤモンド工具を製造するためのコバルト粉末の標準的なサイズは2マイクロメーター未満である。最近の10年において、ダイヤモンド工具のメーカーは益々微細なマトリックス粉末を要求している。したがって工業的なサプライヤー(commercial suppliers)(たとえばユーロタングステン社)は、超微細(1マイクロメーター)粉末の製造、そしてさらには超-超微細(サブミクロン)粉末の製造へと向かっている。このような傾向に伴って、焼結温度は連続的に低下しつつある。より低い焼結温度は、ダイヤモンドの劣化を少なくするだけでなく、製造コストも低下させる。たとえば、粉末の消費量がより少なくなる。さらに、グラファイトモールド(graphite mold)の酸化損失も最小限に抑えられる。
【０１１０】
しかしながら、本発明の1つの実施態様は、マトリックス粉末の細孔を充填するのにダイヤモンドろう付け用合金を使用する。したがって、粗めのサイズの粉末(すなわち、400U.S.メッシュまたは34ミクロンより大きい)が好ましい。さらに、従来の方法は、焼結が速やかに進行できるよう、密度ができるだけ高いことを必要とするけれども、本発明においては、ダイヤモンドろう付け用合金が容易に流動できるよう、より低い充填密度を有する前駆体を使用するのが好ましい。実際、場合によっては、不規則な形状のマトリックス粒子を使用することによって、前駆体本体の多孔度を意図的に増大させることができる。この点も、充填密度を増大させることができるよう粒子ができるだけ球形であることを必要とする従来の知見に反する。
【０１１１】
粗いマトリックス粉末を使用すると、他のメリットも得られる。たとえば、粉末が粗いと、異なった組成物とより良好に混ざり合うことができる。したがって、ダイヤモンドグリットがマトリックス中により均一に分配される。さらに、粉末が粗いと表面積がより小さくなり、したがって溶浸に対する摩擦力がより低くなる。このため、粗い粉末はモールド内でより容易に流動することができる。当然ながら、粗いマトリックス粉末は極めて安価であり、したがって製造コストを下げることができる。
【０１１２】
本発明は、マトリックスを単に、ダイヤモンドグリットを所定の場所に保持するためのネットワークとして使用している、という点を認識することが大切である。したがって、マトリックスは粉末で造られている必要はない。たとえば、マトリックス本体は、PCD物体のダイヤモンドグリットを収容する開口をもったスチール片で製造することができる。さらに、超研磨剤を含有するセグメントは、ろう付けの前に種々の基材形状に適応するよう容易に形成することができる。
【０１１３】
本発明の他の実施態様においては、所定のパターンのダイヤモンドグリットを組み込んだ三次元工具が作製される。実質的に二次元のセグメントを、三次元物体を形成するように集成することによって、工具中のダイヤモンドグリットの分配を確実に調整することができる。したがって、同一工具の異なった部分におけるダイヤモンド濃度を調節することができる(図6A〜9を参照)。ダイヤモンド分配に対するこのような制御は、工具の摩耗特性を向上させる上で極めて望ましい。たとえば、ダイヤモンドソーブレードの側部は中心部より摩耗を受けやすいことが多く、したがって側部により多くのダイヤモンドグリットを加えるのが有利である(図6Bを参照)。
【０１１４】
図6Aには、複数の層14、16、および18によって形成される工具セグメント10の斜視図が示されている。層14、16、および18のそれぞれは、ダイヤモンド粒子(暗色の円20で図示)を組み込んだマトリックス支持体材料によって形成され、ダイヤモンド粒子とマトリックス支持体材料とに化学的に結合するよう選択されたろう付け用合金で溶浸されている(このような化学結合により、粒子がマトリックス支持体材料中にしっかり保持される)。ダイヤモンド粒子20は、マトリックス支持体材料-ダイヤモンド混合物の50%未満を構成するのが好ましく、40%未満を構成するのがさらに好ましい。ダイヤモンド粒子の量を必要最小限に保持することが、製品の有効寿命を最適化しつつコストを最小限に抑えるのに役立つ。図6A〜9はマトリックス支持体材料の別個の層を示しているけれども、最終的に焼結して得られる工具セグメントは、実質的に、超研磨粒子を特定の三次元パターンにて分配させた連続的な金属マトリックスである。したがって、これらの層が融合して、超研磨粒子を組み込んだ実質的にシームレスの単一マトリックスが形成される。こうした連続的な融合マトリックスが、最終的に得られる多層工具の強度と耐久性を向上させる。
【０１１５】
米国特許第6,159,286号(該特許を参照により本明細書に含める)に記載のように、セグメント10を複数の薄い層で形成することで、ダイヤモンド粒子20の分配に関して飛躍的に改良された制御が可能となる。各層内におけるダイヤモンド粒子20の分配を調整し、次いでこれらの層を合わせることによって、ダイヤモンド粒子の分配がそれぞれの次元において調整された三次元セグメントを作製することができる。したがって、研磨、切削、および研削等の、有望な用途に特に適合させたセグメントを作製することが可能となる。超研磨粒子のセグメント10内における分配と濃度を調整することによって、実際の作業条件下での工具の性能に対してより正確な制御がもたらされる。
【０１１６】
たとえば、岩石(たとえば花こう岩)を切断するのにダイヤモンドソーブレードを使用する場合、ダイヤモンドソーセグメントの2つの側部のほうが、中心部より多くの材料を切断する。不均一な摩耗の結果、ソーセグメントの断面は、中心部が両方の側部よりも上に出っ張った状態の凸形状になる。この形状は一般に、ソーブレードの切断速度を遅くする。さらに、突き出たプロフィールであると、ソーブレードがカットスロット(cut slot)中のサイドウェイ(sideways)をゆがめることがある。真っ直ぐな切断パス(cutting path)を保持するために、“サンドイッチダイヤモンドセグメント”を作製して、セグメントの両側を、より多くのダイヤモンドまたは超研磨グリットを組み込んだ層で強化することが望ましい場合がある。このような“サンドイッチセグメント”は、ダイヤモンドグリットと金属粉末とを従来の手段で混合することによって製造するのは困難であるが、本発明の方法によって容易に製造することができる：先ず、ダイヤモンドグリットを望ましいパターンと濃度にて金属マトリックス層中に植え込み、次いでダイヤモンドグリットを所定のパターンと濃度で組み込んだこれらの金属マトリックス層を一緒に集成して、サンドイッチされたセグメントを作製する。
【０１１７】
本発明はさらに、ダイヤモンド粒子とマトリックス支持体材料とに化学的に結合するよう選択されるろう付け用合金をマトリックス支持体材料に溶浸させることによって上記方法を改良する。したがって、図6Aに示されているダイヤモンド粒子の配置は先行技術を凌ぐ顕著な改善であるが、単にダイヤモンド粒子の機械的な保持に依存するのではなく、ろう付け用合金を使用して化学結合を形成させることによって、セグメント10の有効寿命のさらなる増大が得られる。
【０１１８】
同様に、異なったサイズのダイヤモンド粒子の選択的な配置を使用して、セグメントの側部に対する早すぎる摩耗に耐えるように形成される切削セグメントを作製することができ、これによって切削セグメントの有効寿命を延ばすことができる。図6Bには、図6Aの切削セグメント10の断面図が示されている。先行技術の切削セグメントとは異なって、切削セグメント10は3つの層14、16、および18で構成されている。中間層16は複数の超研磨粒子20aを有し、これらの超研磨粒子が第1のサイズ(たとえば40/50メッシュ)と第1の濃度を有する。外側層14と18は、層16とは対照的に複数の超研磨粒子20bを有し、これらの超研磨粒子が、第1のサイズより小さな第2のサイズ(たとえば50/60メッシュ)と中間層16において存在する濃度より大きい第2の濃度を有する。超研磨粒子20bがより小さくてより密に分配されていることで、コンクリート、岩石、またはアスファルト等を切断するときに、外側層14と18により大きな耐摩耗性が付与される。外側層14と18の耐摩耗性がより高いので、切削セグメント10は、従来では生じていたような凸状外側表面を形成しにくい。より平らな切断表面を保持することによって、切削セグメントは真っ直ぐな切断パスを保持することができ、したがってより長い有効寿命を保ちつつより効率的に切断することができる。さらに、ソーの側面上により小さなグリットを使用することによって、切断表面の仕上がりがより平滑になり、加工物の小片の生成を防ぐことができる。
【０１１９】
さらに、クロム、マンガン、シリコン、チタン、および/またはアルミニウム、あるいはこれらの合金もしくは混合物、から作製されるろう付け用合金をマトリックス支持体材料に溶浸させることによって、有効寿命のさらなる増大が得られる。これらの材料は種々の量にて使用することができるが、ダインモンドろう付け用合金中におけるクロム、マンガン、シリコン、チタン、またはアルミニウム、あるいは合金もしくは混合物が、ろう付け用合金の少なくとも3重量%を構成するのが好ましく、少なくとも5重量%を構成するのがさらに好ましい、ということがわかった。ろう付け用合金がマトリックス支持体材料中の細孔を充填する。マトリックス支持体材料は、一般には、鉄、コバルト、ニッケル、またはこれらの合金もしくは混合物を含めた群から選択される粉末である。
【０１２０】
ダイヤモンドまたは他のある種の超研磨粒子が配置された状態の多層のマトリックスを使用することのもう一つの利点は、切削セグメント、穴あけセグメント、または研削セグメント等の他の望ましい形状に容易に作製できる、という点である。たとえば図7Aは、複数のアーチ形縦層のマトリックス支持体材料で形成される超研磨工具のセグメント30の斜視図を示している。複数の層が互いに接合して三次元の超研磨部材を形成している。この超研磨部材にろう付け用合金が溶浸されていて、これによってダイヤモンドが部材のマトリックス材料中に保持される。セグメント30は、第1の層34、第2の層36、および第3の層38から形成され、これらの層はそれぞれがアーチ形をとっている。これら3つの層を接合すると、アーチ形セグメント30が作製される。言うまでもなく、このようなセグメントは、非直線的な切削工具、ならびに非直線的な超研磨セグメントが要求される他のタイプの工具に対して使用することができる。層34、36、および38は、最初は互いに独立して作製されるので、所望の形状に適合させるのがはるかに簡単であり、配置されているろう付けされたダイヤモンド粒子20を所定の位置に保持しつつ所望の形状に適合させることができる。
【０１２１】
層のそれぞれに複数の超研磨粒子20(一般には、ダイヤモンドまたは立方窒化ホウ素)を組み込む。各層は、金属マトリックスの比較的薄い層なので(すなわち、金属マトリックスは通常、粒子の直径厚さの２倍以下である)、金属マトリックス層における超研磨粒子の配置に対して極めて良好な制御を容易に果たすことができる。前述したように、現行の技術においては、研磨工具中の超研磨剤の配置がランダムであると、超研磨粒子の使用が無駄になることが多い。超研磨剤の分配を制御することによって、本発明は、アンダースペーシングやオーバースペーシングを防ぐ均一な分配を可能にするか、あるいはセグメントの異なった部分が、通常の摩耗パターンを防ぐよう整合された異なったサイズと濃度を有するよう、制御された分配を可能にする。
【０１２２】
図7Bには、セグメント30の複数の層34、36、および38の断面図が示されている。当然ながら、ダイヤモンド粒子のこの配置構成は、図6Aに示すセグメントの場合にも、あるいは図7Aに示すセグメントの場合にも使用することができる。図6Bの実施態様と異なって、層にはそれぞれ、同じサイズと濃度のダイヤモンド粒子20が組み込まれている。しかしながら、スペーシングが実質的に均一であるので、超研磨粒子間にアンダースペーシングやオーバースペーシングはなく、セグメント30は、ランダムに配置された粒子を含んだ先行技術のセグメントより均一に摩耗する。摩耗がより均一であると、セグメント30の早すぎる破損が防止され、したがって超研磨剤の使用量が必要最小限に保たれつつ、工具の寿命が延びる。さらに、ダイヤモンド粒子とマトリックスとに結合するろう付け用合金がそれぞれの層をさらに強化し、ダイヤモンド粒子の損失を防ぐ。
【０１２３】
図8は、本発明の開示内容にしたがって造られるセグメント50の、他の可能な実施態様を示している。ダイヤモンドセグメントにおける層状構造物はさらに、横方向にも水平方向にも集成することができ、ろう付け用合金は、図8に示されている全ての層に対しても、あるいは選定した層に対しても施すことができる。したがって図8におけるセグメント50は、複数の横層(54にて表示)から形成されている。第1の複数の層(すなわち、端から4層)(56にて表示)には、マトリックス支持体材料にろう付け結合された第1の濃度のダイヤモンド粒子20が組み込まれている。第2の複数の層(すなわち、残りの9層)(58にて表示)には、第1の濃度より低い第2の濃度のダイヤモンド粒子が組み込まれており、マトリックス支持体材料にろう付け結合されている。
【０１２４】
切削工具の多くは、切削セグメント50に、切削作業の大部分を果たし、切削すべき表面と接触したときに衝撃力のほとんどを受け取る先端が組み込まれるように形づくられている。たとえば、サーキュラーソーブレードは通常、複数の歯またはセグメントを有し、それぞれの歯が先端を有していて、この先端が切削の力を受け取る。先端は切削作業の相当部分を果たすので、歯の回転後方部分よりはるかに摩耗を受けやすい。しかしながら、先行技術にしたがって歯を作製すると、歯には比較的均一な研磨剤が配置されることが多い。長期にわたると、先端はかなり摩耗するが、ダイヤモンド粒子で覆われた他の部分は最低限の摩耗しか受けない。最終的には、研磨剤が擦り減って先端から消滅する一方で、相当量の研磨剤が各歯の他の部分に残存する。したがって、ブレードを廃棄すると、相当量の超研磨剤が無駄になる。図8の実施態様は、このような問題を解消すべく特異的に構成されている。層56と58は、回転方向的に遠い部分58に対してより、先端56の近くのほうに大きな割合のダイヤモンド粒子20を配置することによって、切削セグメント50の全体にわたって実質的に均一な摩耗をもたらすように構成されている。したがって、先端が有効寿命の終わりに達するときまでには、切削セグメント50の残部も摩滅している。超研磨粒子20のこのような制御された分配により、高価な材料の使用量が少なくて済み、性能を阻害することなく切削セグメント50の製造コストが低下する。さらに、より均一な摩耗をもたらすことによって、切削セグメント50は、有効寿命の終わりの直前まで、切削速度の大部分を保持できることが多い。さらに、層56と58においてダイヤモンド粒子20をろう付けすることで、工具の寿命がさらに延びる。
【０１２５】
図9は、セグメントの他のレイアウトを示しており、水平層に関して、工具の上表面に向かって徐々に高密度となる研磨剤の分配がなされている状態の、三次元の超研磨部材が形成されている。図8の実施態様と同様に、ダイヤモンド粒子20の分配が制御されていることで、改良された研磨セグメント70が作製され、これと同時にダイヤモンド粒子の不必要な消費が減ることによって研磨工具のコストが低下する。さらに、一部の層に対してはろう付けを使用しつつ、他の層に対しては省いて、これにより研磨セグメント70をカスタマイズすることができる。
【０１２６】
通常の実験と本発明の方法の開示内容に基づいて、当業者は、切削セグメント、穴あけセグメント、研削セグメント、研磨セグメント、および他のタイプの研磨セグメントをカスタマイズすることができる。これらのセグメントは、本発明の方法の原理にしたがって工具を作製するのに使用される超研磨剤の量を減少させつつ、延長された有効寿命にわたって研磨能力(すなわち、切削、穴あけ、および研削等)を最大限に高めるよう特異的に作製される。
【０１２７】
図10A〜10Dには、本発明の原理にしたがって層を作製するための1つの方法が示されている。ここでの原理の多くを、図1〜5に関して記載のセグメントを作製する上での、層状化セグメントの作製に対して適用することができる。この方法の第1の工程は、超研磨粒子20に結合されるマトリックス支持体材料104のシート100を作製することである。マトリックス支持体材料104のシート100は、従来の粉末(たとえば、コバルト、ニッケル、鉄、銅、青銅、または他の全ての適切な結合剤)から作製することができる。さらに、後述のような利用から、粗めの粉末〔たとえば、直径34ミクロン(400メッシュ)を超える粉末〕を使用するのが極めて有利である。粗い粉末の使用は、入手可能な最も微細な粉末を使用することが望ましい、という現行の知見とは相反するけれども、粗い粉末とろう付け用合金とを結合してダイヤモンド粒子を所定の位置に固定することによって、大きなメリットを得ることができる。
【０１２８】
マトリックス支持体材料104のシート100がいったん形成されたら、図10Aに示すように、シートの上にテンプレート110を置く。テンプレート110は、1個の研磨粒子20よりは大きいが2個の研磨粒子よりは小さい開口114を有しており、これによって単一の研磨粒子が個々の特定の位置に配置されるのを可能にしている。テンプレートの厚さは、平均的な研磨粒子20の高さの1/3〜2/3であるのが好ましい。しかしながら、研磨粒子を所望の位置にすえるための適切な収容がなされるのであれば、他の厚さも使用することができる。
【０１２９】
テンプレート110を適切に位置決めした後、それぞれの開口114が1つの研磨粒子を受け取るように、研磨粒子20の層をテンプレート上に広げる。テンプレート110の開口114中に落ち込んでいない粒子を、基材を傾けるか、テンプレートをほうきで掃くか、または他の類似の方法によって取り除く。
【０１３０】
図10Bに示すように、ほぼ平らな面120(たとえば鋼板)を、テンプレート110の開口114中に入り込んでいる粒子20の上に置く。平面120が、研磨粒子20を少なくとも部分的に、マトリックス支持体材料104のしなやかなシート100中にプレスして粒子を着座させる。
【０１３１】
テンプレート110を取り除いた後、再び平面120を使用して、図10Cに示すように、研磨粒子120をマトリックス支持体材料104のシート100中に堅く押し込む。平面120が好ましいけれども、研磨粒子20の一部を他の研磨粒子より、マトリックス支持体材料のシート100から外向きに広がらせるのが望ましい場合がある、ということを当業者は認識している。このような状況においては、輪郭付け又は造形した面を使用して、研磨粒子20の一部を他の研磨粒子より、マトリックス支持体材料104のシート100中に深く着座させることができる。
【０１３２】
先ずシート100を集成して工具セグメントの前駆体を作製し、次いで前述の溶浸法や焼結法を使用して硬化させて仕上げることもできるし、あるいは必要に応じて個別に硬化させて仕上げ、引き続きこれらを集成・結合して、工具セグメントまたは工具ボディ全体を作製することもできる。一般には、シート100の集成は公知の方法(たとえば、プレスを使用する冷間圧縮)によって果たすことができる。このようにして形成される“未加工の”物体を前述の焼結や溶浸によって強固にして、最終的な工具物品を作製することができる。
【０１３３】
必要であれば、図10A〜10Cに示すプロセスを、マトリックス支持体材料104のシート100の他方の側に対して繰り返して(図10Dに示すように)、ある所定の所望のパターンで層全体に分配されたダイヤモンド粒子20を有する組み込み層を作製することができる。一般には、このプロセスを数回繰り返して、ダイヤモンド粒子20が組み込まれた複合的な薄い層またはシート100を得る。当然ながら、各シート100がダイヤモンド粒子に関して同じ分配パターンを有する必要はないし、各シートにおける研磨粒子の濃度が同じである必要もない。
【０１３４】
図10A〜10Dに記載の方法は多くの用途に対して好ましいが、研磨粒子20をマトリックス支持体材料のシート100から外向きに広げるのが望ましい、という場合がある。たとえば、1層の研磨剤しかもたない工具がある。これは単に、図10Aと10Bに示す工程を行なうときにテンプレート110を所定の位置に残すことによって、そしてさらに、いったんテンプレートが除去されたら、粒子20をマトリックス支持体材料中に押し込むことによって果たすことができる。
【０１３５】
これとは別に、図11A〜11Cは、図10A〜10Dに記載の方法に代わる方法の側面図を示している。図11A〜11Cにおけるマトリックス支持体材料134のシート130は、超研磨粒子20の断面厚さ又は直径より小さい厚さで作製されている。超研磨粒子をシート130中に押し込むと、シートの厚さにより、超研磨粒子20がマトリックス支持体材料134から突き出る。次いでシート130に、前述した方法でダイヤモンドろう付け用合金を溶浸させる。
【０１３６】
図11A〜11Cに示されているテンプレートの開口のスペーシングはほぼ均一であるが、本発明の1つの態様によれば、このようなスペーシングは均一である必要はなく、いかなる所望のパターンにしたがってもよい。したがって、スペーシングに変化を与えて、マトリックス支持体材料134のシート130の種々の部分に対して異なった濃度を容易にもたらすことができる。同様に、開口のサイズと、ダイヤモンド粒子を開口中に配置する順序を制御することによって、異なったサイズの粒子を単一層に組み込むことができる。
【０１３７】
さらに他の実施態様においては、図12A〜12Cは、非晶質ろう付け用合金のシートを使用して超研磨剤含有層を作製する方法の側面図を示している。前述の場合と同様に、図12Aは、マトリックス支持体材料107の薄い基材もしくはシート上に置かれている、所定のパターンで配置された複数の開口114を有するテンプレート110を示している。次いで超研磨粒子20を開口中に配置し、接着剤等で所定の位置に固定する。前述のように、平らな面を、種々の工具形状に適応するよう輪郭付けすることができる。次いでテンプレート114を取り除くことができる。次いで図12Bに示すように、非晶質ろう付け用合金106のシートを超研磨粒子20の上に置いて、単一層セグメント15を作製する。これとは別の実施態様においては、超研磨粒子を配置する前に、非晶質ろう付け用合金のシート106を基材またはマトリックス支持体材料層の上に配置することもできる。
【０１３８】
幾つかの単一層セグメント15を作製し、これらを合わせて、図12Cに示すような複数層からなる単一前駆体18(または未加工ボディ)にする。単一層セグメント15は、図6A〜6Dの説明のように接着剤を使用して固定することもできるし、あるいは従来の(すなわち、必ずしも炭化物形成剤を含有しない)ろう付け用合金を使用してろう付けすることもできる。この前駆体は、図7Bに類似した超研磨グリットの均一分配層で作製することもできるし、あるいは図6Bのように、種々の構成、濃度、および/または粒径のグリットを含んだ層で作製することもできる。本発明の方法は、幾つかの層に超研磨粒子が全く存在しないという構成も含む。さらに、マトリックス支持体材料107は、前述のように金属の層であっても、あるいは未焼結の金属粉末であってもよい。このようにして得られる工具セグメントは、選択される支持体材料のタイプに応じて異なった特性を有する。
【０１３９】
次いで前駆体18を真空炉中に置き、そして非晶質ろう付け用合金106のシートが溶融して、超研磨粒子20と金属層107とに結合するのを引き起こすに足る温度に加熱して、図13に示すように、所望のパターンの超研磨粒子を全体に分配させた融合多層工具を作製することができる。図13は、超研磨粒子20が所定の三次元パターンで配置されている強化された超研磨工具19を示している。108と109で識別されているエリアは一般に、それぞれ金属の層とろう付け用合金を表わしている。点線は、単に例示のためのものであり、実際の最終的な工具セグメントとは異なる場合がある、ということを当業者は認識している。たとえば、ろう付け用合金のシートが粒子の直径より薄く、強化プロセス時に金属層が固体状態であると、最終工具は粒子間に空隙を有することがある。さらに、金属の層が未焼結の粉末で形成されている場合、強化プロセスを施すと、金属粉末の全体にわたるろう付け用合金の溶浸によって最終工具ははるかに均一になる。金属の層107とろう付け用合金のシート106の厚さは種々変わってよい。金属の層107および/またはろう付け用合金のシートの厚さは、図12Aに示すように、超研磨粒子20の直径より小さくてもよいし、あるいは超研磨粒子の直径より大きくてもよい。
【０１４０】
加熱プロセス時、ろう付け用合金が幾らか流動できるように、前駆体集成体を液相線温度よりやや高い温度に加熱する。ろう付け用合金とマトリックスすなわち金属層とを液相線温度の付近に保持すると、意図する位置からの粒子の実質的な移動を防ぐのに効果的である。一般には、所望の結果を得るには、比較的短い時間(約10分〜約20分)にわたって液相線温度より約5℃高い温度を使用すれば充分である。
【実施例】
【０１４１】
(実施例1)
40/50メッシュのダイヤモンドグリット(デビアス社製のSDA-85+)と鉄粉末および有機結合剤とを混合して、20〔総量(total value)の5%〕のダイヤモンド濃度を有する混合物を作製した。本混合物をスチールモールド中で冷間プレスして、所定の形状のソーセグメントを作製した。この前駆体をグラファイトモールド中に置き、Nicrobraz LMの粉末をかぶせた。モールドを、減圧にて約1,050℃で20分加熱した。溶浸されたろう付け用合金によりダイヤモンドとマトリックス粉末とが結合してセグメントが形成された。24個のこのようなセグメントを製造し、望ましい許容差に調整した。これらのセグメントを、14インチの丸鋼サーキュラーソーブレードにろう付けした。このブレードを使用して、従来のダイヤモンドソーブレードを使用した場合より速い切削速度で花こう岩を切削した。さらに、ろう付けしたソーブレードは、従来のダイヤモンドソーブレードより有効寿命が長かった。
【０１４２】
(実施例2)
40/50メッシュのダイヤモンドグリット(デビアス社製のSDA-85+)と金属粉末とを混合して、20〔総体積(total volume)の5%〕のダイヤモンド濃度を有する混合物を作製した。5通りの異なった割合のコバルト(約1.5マイクロメートルのサイズ)と青銅(約20マイクロメートルのサイズ)を使用してマトリックス粉末を作製した。混合物にアクリル結合剤を加え(8重量%)、装入物をブレンドしてケークを作製した。次いでこのケークを2つのステンレス鋼製のローラー間で圧延して、1mmの厚さを有するシートを作製した。これらのシートを、40mmの長さと15mmの幅を有するソーセグメントの形状に切断した。3つのこのようなセグメントを集成し、典型的なグラファイトモールド中に配置して、従来のダイヤモンドソーセグメントを作製した。集成したセグメントをプレスし、グラファイトモールドに電流を通すことによって加熱した。3分間焼結した後、セグメントを9mmの高さに強化した(間隙率1%未満)。それぞれの組成物に対して24個のセグメントを作製した。これらを、直径14インチのサーキュラーソーにろう付けした。これら5つのブレードを使用して花こう岩を切削し、従来の方法によって製造される、より高いダイヤモンド濃度(たとえば23)を有するブレードと同等以上の性能を示すことが見出された。摩耗したセグメントの顕微鏡検査により、ダイヤモンド粒子は層状マトリックス中に植え付けられていないけれども、従来の方法によって製造されたセグメントより均一に分配されていることがわかった。層状マトリックス中における粒子の分離は、従来のセグメントの厚めボデイにおける分離よりはるかに少なかった。
【０１４３】
(実施例3)
各セグメントに対して8枚のより薄い層(0.4mm)を使用したこと以外は、実施例2の場合と同じ手順にしたがった。ダイヤモンドの濃度を15に下げ、図10A〜10Dに示されているイラストにしたがって粒子を確実に植え付けた。ダイヤモンドの分配が大幅に改善された。その結果、これらのブレードの性能は、20のダイヤモンド濃度にて従来の方法によって製造したブレードと同等以上であった。
【０１４４】
(実施例4)
約100メッシュの鉄粉末とウォールコルモノイ社製のS-結合剤とを混合してケークを作製した。ケークを圧延して0.4mm厚さのシートを作製した。15の濃度が得られるよう、これらのシート中に40/50メッシュのSDA-100+ダイヤモンドグリットを確実に植え付けた。これらのダイヤモンド含有シートを、長さ40mmと幅9mmのソーセグメントの形状に切断した。セグメントの8つを1グループとして集成し、グラファイトモールド中に配置した。グラファイトモールド中に、24のグループを水平に配置し、そして別の24のグループを垂直に配置した。これらのセグメント上に、Nicrobraz LM粉末(-140メッシュ)(ウォールコルモノイ社製)を加えた。これらのサンプルを、真空炉(10-5トル)中にて1050℃で、水平配置のセグメントに対しては20分、そして垂直配置のセグメントに対しては30分加熱した。溶融したLM合金(Ni-Cr-B-Si、1000℃の液相線温度を有する)がこれらのセグメント中に溶浸し、間隙を充填した。これらのセグメント上の過剰なLMろう付け用合金を、電極放電(EDG)によって研削した。このようにして作製される24個のセグメントのそれぞれを、14インチ(直径)のサーキュラーソーブレード上にろう付けした。これらのブレードを使用して花こう岩を切削した。従来のソーブレードを凌ぐ顕著な改良が示された。
【０１４５】
(実施例5)
Nicrobraz LM粉末とアクリル結合剤とを混合し、混合物を圧延して約0.25mmの層を作製した。40/50メッシュのMBS-960ダイヤモンドグリット(ゼネラルエレクトリック社製)をこれらの金属層に、図10A〜10Dに記載の方法にしたがって確実に植え付けた。ダイヤモンドを植え付けたこれら金属層を適切なサイズに切断し、2,000ビーズ(パール)のワイヤーソーに巻きつけた。これらのビーズ(直径10mm×長さ10mm)を2つのグループに分けた〔一方のグループが280個の結晶(約0.2カラット)を含有〕。これらのビーズを、真空炉中にて1,000℃で8分加熱した。これらのビーズを幾つかのワイヤーソー上に据え付け、これを使用して大理石、蛇紋岩、および花こう岩を切断した。これらのビーズの性能は、従来のビーズより優れていることがわかった。従来のビーズは一般に、ホットプレス法または電気めっき法によって製造されている。これら従来のビーズは、ビーズ1個当たりはるかに多量のダイヤモンド(最大で1カラット)を含有することがある。
【０１４６】
(実施例6)
他の物品〔たとえば、サーキュラーソー、薄肉コアビット、および湾曲グラウンダー(curvature grounder)〕に施したこと以外は、実施例5の場合と同じ手順にしたがった。これらの物品はいずれも、類似の超研磨剤濃度を有する従来の電気めっきしたダイヤモンド工具を凌ぐ優れた性能を示した。
【０１４７】
(実施例7)
140メッシュのNicrobraz LM(米国ウォールコルモノイ社製)を87重量%、125メッシュの鉄粉を8重量%、および60メッシュの銅粉を5重量%含有する金属粉末混合物と3重量%のアクリル結合剤とを混合してドー(dough)を作製した。このドーを2つのローラー間で圧延して、0.6mm厚さのシートを作製した。各シートを所定の形状に切断し、テンプレートで覆った。30/40メッシュ(0.420〜0.595mm)のダイヤモンドグリット(南アフリカ、デビアス社製のSDA-100+グレード)を、ダイヤモンド-ダイヤモンドの距離が約2mmとなるような所定のパターンにて金属層中に確実に植え付けた。3つの層を積み重ね、スチールスリーブに巻きつけて、直径10mmおよび長さ10mmのダイヤモンドビーズを作製した。これらのビーズを真空炉中にて加熱して金属を強化し、ダイヤモンドを所定の位置に、およびスチールスリーブ上にろう付けした。このようなダイヤモンドビーズ1,000個を、7×19ワイヤーを含む5mmのスチールケーブル上に嵌めこみ、射出成形で形成されるブラスチックコーティングによって間隔を置いて配置した。ワイヤーは長さ25メートルであり、端と端とを結びつけてループを作製した。このワイヤーソーを使用して、全グレードの花こう岩ブロック(長さ3.5メートル×高さ1.8メートル)を切断した。達成された寿命(life)は、消費されたダイヤモンドビーズ1つ(0.5カラット)当たり0.5m2の切断面積であった。この切断面積は、粉末冶金法で製造される従来のダイヤモンドビーズによって切断される面積の２倍である。
【０１４８】
(実施例8)
多くのダイヤモンド組み込み層を集成して、長さ20mm×厚さ5mm×高さ7mmのブロックを作製したこと以外は、実施例7の場合と同じ手順にしたがった。これらのブロックを真空炉中で強化してダイヤモンドセグメントを作製した。各セグメントは約8容量%のダイヤモンドを含有した。このようなセグメント30個を長さ4メートルのスチールフレーム上にろう付けし、このフレームを往復鋸盤に据え付けた。このソーを使用して大理石のブロックを切断したところ、その有効寿命は、粉末冶金法によって製造される従来のダイヤモンドセグメントの２倍以上であった。
【０１４９】
(実施例9)
ダイヤモンド植え付け層を集成して、直径150mmのコアビット用の、長さ約24mm×厚さ3.5mmのセグメントを作製した。これらのセグメント中のダイヤモンド含量は約4容量%であった。このようなコアビットを10個使用して、コンクリートを穴あけした。これらコアビットの穴あけ速度と寿命は、粉末冶金法によって製造される従来のダイヤモンドセグメントをはるかに凌いだ。
【０１５０】
(実施例10)
セグメントの形状がサーキュラーソー用であること以外は、実施例9の場合と同じ手順にしたがった。これらのセグメントをろう付けして、直径230mmのサーキュラーソー(40mm×8.5mm×2.4mmのセグメントを18個含む)、直径300mmのサーキュラーソー(50mm×8.5mm×2.8mmのセグメントを21個含む)、および直径350mmのサーキュラーソー(50mm×8.5mm×3.2mmのセグメントを24個含む)を作製した。これらのソーを使用して花こう岩、アスファルト、およびコンクリートを切断したところ、その性能は従来のサーキュラーソーを凌いだ。
【０１５１】
(実施例11)
セグメントを、砥石車をコンディショニングするためのドレッサーとして使用すること以外は、実施例9の場合と同じ手順にしたがった。
【０１５２】
(実施例12)
14/16メッシュ(サイズ1.4mm〜1.2mm)のダイヤモンドグリット(デビアス社製の天然ダイヤモンドEMB-S)を確実に植え付けたシートの単一層で、直径20mm×厚さ8mmのペレットを覆った。これらのペレットの多くを真空炉中でろう付けした。3000を超えるこのようなペレットを床研削機に据え付けて、石敷きや木の床を研削した。この結果、研削速度が従来のダイヤモンド研削機より３倍高いことがわかった。
【０１５３】
(実施例13)
40/50メッシュ(サイズ0.420〜0.297mm)ISD1700グレードのダイヤモンドグリット〔韓国のイルジン・ダイヤモンド社(Iljin Diamond)製〕が確実に植え付けられた単一層を、プロフィールホイール(profile wheel)の曲面上に敷き、真空炉中でろう付けして硬質工具を作製した。種々の直径を有するこのようなプロフィールホイールを100を超える個数にて使用して、花こう岩スラブや大理石スラブのエッジを切断した。これらのプロフィールホイールは、電気めっき法または焼結法によって製造される従来のダイヤモンド工具の場合の3倍を超える速さで切断することができた。
【０１５４】
(実施例14)
ダイヤモンド植え付け層をスチールスリーブに巻きつけて、単一層のダイヤモンドビーズを作製したこと以外は、実施例13の場合と同じ手順にしたがった。100,000個より多いこのようなビーズを作製した。これらを使用して花こう岩や大理石を切断したところ、優れた性能を示した。
【０１５５】
(実施例15)
ダイヤモンドグリットが80/100メッシュであり、ダイヤモンド植え付け層を使用して、直径4インチのフラットディスクの表面を覆ったこと以外は、実施例12の場合と同じ手順にしたがった。このようなディスクを４つ作製し、シリコンウエハーを研磨するCMP(化学機械研磨)パッドを整えるためのコンディショナーとして使用した。その結果、CMPの効率が大幅に改良されること、そしてこのコンディショナーは、電気めっきまたはろう付けによって製造される従来のコンディショナーより長持ちすることがわかった。
【０１５６】
(実施例16)
ウォールコルモノイ社製のNicrobraz LM粉末をろう付け用合金として使用した。Nicrobraz LM粉末を、鉄粉末(Fe)、銅粉末(Cu)、またはこれら両方と種々の割合にて混合した(下記は、全ての混合物に対する重量%を表わしている):90LM/10SiC;90LM/10WC;100LM;92LM/8Fe;90LM/10Cu;82LM/8Fe/10Cu;80LM/20Cu;72LM/8Fe/20Cu;70LM/30Cu;および60LM/40Cu。混合物はさらに、全ての粉末を接着するのに使用されるアクリル結合剤を4重量%含有した。混合物を常温圧縮してシートを作製し、空気中にて400℃で30分加熱して有機結合剤のほとんどを焼失させた。次いでこの予備成形物を、10-5トルの圧力に保持された真空オーブン中に配置した。1010℃の温度で12分加熱した。LMを完全に溶融し、固体金属粉末に溶浸(または溶融LMの助けにより金属焼結)させた後、強化物体を冷却した。冷却後、強化物体をオーブンから取り出し、硬度と耐摩耗性に関して試験した。これらの組成物に対するHRB硬度はそれぞれ、140、130、120、118、116、110、108、100、100、および70であることが分かった。耐摩耗性は同じ順序で低下した。
【０１５７】
硬度または耐摩耗性は重要なポイントである。加工物を効率的に切削するためにグリットを適切な高さに露出できるよう、硬度または耐摩耗性が、工具中のダイヤモンドの摩耗速度と整合しなければならないからである。研磨材料(たとえばダイヤモンド粒子)を軟質マトリックスに結合すると、研磨材料が過剰に露出されるようになることがある。その結果、切削操作時に研磨材料が破壊されたり無理に移動させられたりし、したがって工具の寿命が短くなる。
【０１５８】
これらの実験に基づいて、コンクリート、花こう岩、および砂石等の硬質材料を切削するには、92LM/8Fe上に結合したダイヤモンドが最も適している、ということが分かった。石灰岩や大理石等の軟らかめの材料を切削するには、80LM/20Cuマトリックスがより適切である。
【０１５９】
30/40メッシュのダイヤモンドグリット(デビアス社製のSDA-100+)と80LM/20Cuマトリックスとを混合した。30濃度のダイヤモンド(約8容量%)を含有する種々の切削工具を作製した。工具は、サーキュラーソーセグメント、ギャングソーセグメント、およびワイヤーソービーズを含み、それぞれサーキュラーソーブレード、往復切削ギャングソーブレード、およびスチールケーブルにろう付けした。ややランダムではあるが、これらの工具を使用して種々の岩石をのこ引きにしたところ、従来品より長い寿命および高い切削速度が得られた。
【０１６０】
(実施例17)
本実施例は、溶融工程を施すことなく固体ろう付け用合金粉末を一緒に焼結するという実施例である。LM粉末を、種々の割合でのFe、Cu、またはこれら両方、およびアクリル結合剤(4重量%)と混合して、ドーを作製した。スチールローラーを使用してドーを圧延して、1mm厚さのシートを作製した。適切なサイズの細孔を一定の位置に有するテンプレートを使用して、30/40(18濃度)および40/50(22濃度)のダイヤモンドグリット(SDA-100+)をシート中に確実に植え込んだ。これらのシートを、長さ40mm×幅8mmのサイズに切断した。これらの切断シート5枚を、30/40メッシュのダイヤモンドを含んだ3つの中心層と共に積層した。この集成体を、グラファイトモールド中にて400気圧、900℃でホットプレスした。冷却後、セグメントを円形スチールブレード上にろう付けした。80LM/20Cuを含有するマトリックスを含んだブレード、および80LM/10Fe/10Cuを含有するマトリックスを含んだブレードは満足できる性能を示した。
【０１６１】
(実施例18)
本実施例では、パッドコンディショナーを作製するために、単一層ダイヤモンド形態物(single layer diamond forms)を基材に直接ろう付けした。LM粉末と4重量%のアクリル結合剤とを混合して可鍛性のドーを作製した。このドーを2つのスチール製ローラー間で圧延して0.2mm厚さの層を作製した。80/90メッシュのダイヤモンドグリット(イルジン・ダイヤモンド社製造のIMD-H)を使用してシート中に植え込んだ。植え込みは、ダイヤモンドを0.7mmのダイヤモンド距離(diamond distance)に固定するテンプレートによって導いた。ダイヤモンドを植え込んだLM層を所定のサイズに整え、有機結合剤を使用して、6.5mm厚さのフラットなステンレス(316)プレートに接着させた。次いでこの集成体を、減圧にて1010℃で10分加熱した。この加熱により、LMが溶融して基材に結合した。このようにして仕上げたダイヤモンドディスクを、シリコンウエハーの化学機械平坦化(CMP)時にパッドを整えるパッドコンディショナーとして使用した。その結果、このようなダイヤモンドディスクは、ランダムに分配されたダイヤモンドグリットを含有する従来のダイヤモンドディスクと比較して有効寿命が2倍になる、ということが分かった。
【０１６２】
(実施例19)
Nicrobraz LM粉末が140メッシュであること以外は、実施例18の場合と同じ手順にしたがった。
【０１６３】
(実施例20)
325メッシュのNicrobraz LM粉末とNicrobraz S結合剤とを混合してスラリーを作製した。このスラリーを、直径20mmおよび厚さ8mmの100個の丸形ステンレス鋼製パレット上に噴霧した。この噴霧プロセスを、0.15mmの厚さが得られるまで繰り返した。被膜を乾燥した後、細孔間の距離が0.5mmとなる正方形のグリッドを形成するよう穴あけされた細孔を有するテンプレートを基材上に配置した。次いで100/120メッシュのダイヤモンドを基材上に配置して、所定のグリッドパターンを作製した。テンプレートを取り除き、ダイヤモンド粒子が表面に接着した状態で残った。オーブン中にて200℃で2時間加熱することによって結合剤を除去した。この集成体を、減圧にて1,005℃で10分加熱した。このプロセス時に、溶融したろう付け用合金がダイヤモンドを湿潤し、毛管力によってダイヤモンドに沿って降りていって基材と接触した。その結果、ダイヤモンドが強固にろう付けされた状態〔湿潤勾配(wetting slope)が形成される〕のダイヤモンドペレットが得られ、これらのダイヤモンド結晶がグリッドの所定のパターンを形成した。このようにして得られる工具は、CMP用途に対して極めて適している。
【０１６４】
(実施例21)
スラリーがウォールコルモノイ社からNICRO-SPRAYの品名で市販されている既製品であること以外は、実施例12の場合と同じ手順にしたがった。
【０１６５】
(実施例22)
スラリーが、Nanbau樹脂(Taiwanにおいて製造)を含有するメタノール-ベンゼン溶液中にNICROBRAZ LN粉末を懸濁させることによって調製されること以外は、実施例12の場合と同じ手順にしたがった。
【０１６６】
(実施例23)
ろう付け用合金を、ハネウェル社から約0.001インチ厚さのMBF-20ホイルとして製造されている非晶質ろう付け用合金のシートとして供給した。ホイルから種々のサイズを打ち抜き、円形のステンレス鋼基材に接着した。テンプレートを使用して、80/90メッシュのダイヤモンド粒子を所定のグリッドパターンにて配置した。この集成体からろうを取り除き、真空炉中にて加熱して合金を溶融し、ダイヤモンドを基材に結合した。最終的に得られた工具を、CMP用途のためのパッドコンディショナーとして使用した。得られた工具は、従来のパッドコンディショナーよりはるかに長期間にわたって研磨速度を維持できることがわかった。さらに、半導体ウエハーに対する不具合も大幅に減少した。
【０１６７】
(実施例24)
ろう付け用合金を、ハネウェル社から約0.002インチ厚さのMBF-20ホイルとして製造されている非晶質ろう付け用合金のシートとして供給した。中心に50mmの孔を有する直径100mmの環状セクションをホイルから打ち抜いた。非晶質ろう付け用合金のアニュラ・リング上にテンプレートを配置し、テンプレート面上に60/80メッシュのダイヤモンド粒子を振りまいた。過剰なダイヤモンドを除去し、次いでテンプレートを取り除くと、ダイヤモンド粒子が所定のパターンで固定されて残る。これらのダイヤモンド粒子上にさらなるアニュラ・リングを接着した。このような非晶質合金-ダイヤモンド非晶質合金サンドイッチの６個を、このような層の2つごとの間に、同じサイズのステンレスリング(但し、厚さは0.1mm)をはさんだ状態で集成した。アクリル接着剤を使用して集成体が一緒になるよう接着した。次いで最終的な集成体を200℃で2時間加熱して接着剤を追い出した。この集成体を真空炉中にて1,005℃で15分加熱した。こうした得られた工具は、表面上だけでなく大量にダイヤモンド配列を含んだ三次元構造物であった。この三次元構造物を、砥石車として使用するために、シャフトを有するチャックに据え付けた。このような砥石車は、ダイヤモンドの周りに連結した細孔を有するという特異な特徴を有する。これらの細孔は、切削屑を除去するための通路として機能することができる。こうした砥石車の開放性によって自在な切削が可能となり、したがって、切削速度が従来の砥石車の2倍になる。金属をマトリックスとして使用している従来の砥石車はこのような相互連結した細孔をもたない。
【０１６８】
本発明の切削工具が先行技術の切削工具を凌ぐ明確な利点は、工具の使用方法にある。ダイヤモンドソーは一般に、同じ方向での回転によって加工物を切削するサーキュラーブレードの形態で製造される。こうした一方向の動きが“テール(tail)”の形成を引き起こし、このとき回転方向的にダイヤモンド粒子より前のマトリックス材料は磨滅を受けるが、ダイヤモンド粒子より後ろのマトリックス材料は、ダイヤモンド粒子によって保護される。もしソーの回転を反転させれば、ダイヤモンド粒子はマトリックスから容易にたたき落とされる。
【０１６９】
しかしながらラウンドソーは、加工物を、ソーの直径の半分未満の深さにまでしかカットできない。より厚い加工物をカットするには、一般にフレームソーやギャングソーが使用される。これらのソーは往復運動するので、ダイヤモンド粒子をそれぞれの側に堅固に保持しなければならない。その結果、ダイヤモンド粒子を所定の位置に保持するのに、ダイヤモンドマトリックスのテールを保持することができない。花こう岩等の硬い岩石を切削するのに往復ダイヤモンドソーが使用されていないのは、こうした理由によるものである。むしろ、往復ダイヤモンドソーは大理石等の軟質材料のみを切削するのに使用されている。
【０１７０】
本発明により、ろう付け結合によってダイヤモンドを化学的に保持することが可能となる。したがって、ダイヤモンドを支持するのにマトリックステールは必要ない。その結果、本発明にしたがって製造される工具を往復ソーに対して使用して、硬質材料を切削することができる。こうした画期的な発明により、先行技術の制約で以前は利用不可能であったようなダイヤモンドの用途を市場に拡大することができる。
【０１７１】
工具の性能を改良できること、および製造コストを軽減できることに加えて、本発明はさらに、薄刃の工具のより簡単な製造法を提供する。たとえば、エレクトロニクス産業は、益々大形のシリコンウエハー(現在は、直径12インチ)を使用することを要求している。したがって、シリコン結晶をスライスするためのより薄いソーブレード、およびシリコンチップにより密な仕切りで溝をつけるためのより薄いダイシングホイールに大きな需要がある。
【０１７２】
本発明より前では、均一に分配されたダイヤモンド粒子を含有する非常に薄い工具を製造することは極めて困難であった。本発明は、このような工具を製造するための代替法を提供する。たとえば、ダイヤモンドのミクロン粉末、金属粉末のブレンド(たとえば、青銅とコバルト)、および適切な結合剤を混合することによって、材料を0.1mm(ほとんどのダイシングホイールより薄い)より薄い厚さに圧延することができる、ということが見出された。この薄いシートを焼成し、工具ホルダー上に据え付けることによって、薄いダイシングホイールを製造することができる。
【０１７３】
上記とは別に、本発明によれば、制御された分配、および前述のような多層の超研磨剤配置構成という利点の幾つかを、テンプレートを使用することなく達成することができる、ということが見出された。さらに詳細に言えば、研磨粒子とマトリックス粉末とを混合し、層状シートの成分として作製することができる。この場合、研磨粒子の分配は、まだ幾らかランダムである。たとえそうであっても、分配は一般に、従来の研磨ボディにおける分配よりは均一である。発明の背景のセクションにおいて説明した研磨粒子とマトリックス粉末との分離は、三次元ボディの場合より実質的に二次元のシートの場合のほうがより広がりが少ない。このことは、変形プロセス(deforming process)によって(たとえば圧延によって)製造されるシートに対して特に当てはまる。この場合、ローラーの剪断作用によって研磨粒子がマトリックス中にさらに広げられる。
【０１７４】
本発明はさらに、研磨工具の製造に関係しない他の用途にも適用可能である。たとえば、ダイヤモンド粒子を植え付けたグラファイトシートもしくは金属シートを、高温高圧下でのダイヤモンド成長のための種として使用することができる。工業用ダイヤモンドは一般に、グラファイトと金属触媒(たとえば、Fe合金、Co合金、またはNi合金)の交互層を高圧にて圧縮し、そして金属触媒の融点より上に加熱することによって製造される。次いでダイヤモンドが、これらの層の界面にランダムに核形成する。形成されるダイヤモンド結晶の品質は、不均一に分配される成長結晶の侵害によって悪化することが多い。したがって、ダイヤモンド合成の収率とコストは、核を均一に分配させることによって大幅に改良することができる。本発明は、グラファイトの層または金属触媒の層に、所定のパターンのダイヤモンドシードを組み込むことができる。これらの層の作製時に有機結合剤を導入する場合は、プレスにかける前に炉中で加熱することによって有機結合剤を除去することができる。
【０１７５】
したがって、改善された性能をもつ超研磨工具を製造するための改良法が開示されている。上記の説明と実施例は、本発明の特定の有望な用途を単に例示すべく意図されている。当業者には容易に理解できることであるが、本発明は、広い有用性と広い用途を受け入れる余地がある。本明細書に記載したもの以外の、本発明の多くの実施態様と適合(adaptations)、並びに多くの変形、改良形、および等価の集成体は、本発明の範囲の実質から逸脱することなく、本発明および本発明に関する上記の説明から明らかであるか、あるいは合理的に想起できるであろう。したがって、好ましい実施態様に関して本発明を説明してきたが、理解しておかなければならないことは、本明細書の開示内容が、本発明の単なる例示および代表的な態様であり、単に本発明の充分で且つ実現性のある開示をもたらすためのものである、という点である。上記の開示内容は、本発明を限定するように解釈することを、あるいは他のいかなる実施態様、適合、変形、改良形、および等価の集成体も除外することを意図しておらず、本発明は、本明細書に添付の特許請求の範囲およびその等価物によってのみ限定を受ける。
【０１７６】
理解しておかなければならないことは、上記の集成体は、本発明の原理に対する応用を図示したものである、という点である。当業者であれば、本発明の要旨を逸脱することなく多くの改良形や代替集成体を発明することができ、添付の特許請求の範囲は、このような改良形や集成体を含むよう意図されている。したがって、現時点において本発明の最も実際的且つ好ましい実施態様であると考えられているものについて、本発明を、特殊性を含みつつ詳細に説明してきたが、当業者にとっては、特許請求の範囲に記載の本発明から逸脱することなく、サイズの変化、材料の種類、形状、形態、機能、操作法、集成法、および用途を含めた(これらに限定されない)多くの改良を施すことができる、ということは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【０１７７】
【図１】本発明の実施態様にしたがって製造される最終的な工具セグメントの側面図である。
【図２】テンプレートを使用して超研磨粒子を配置することを示しているセグメントの側面図である。
【図３】移行プレートを使用して基材上に超研磨粒子を配置する方法を示しているセグメントの側面図である。
【図４】超研磨粒子のパターンを形成させる別の方法を示しているセグメントの側面図である。
【図５】ろう付け用合金の可能な配置を示している前駆体セグメントの側面図である。
【図６Ａ】三次元の超研磨部材を形成するよう互いに隣接して配置された複数の直線的な縦層によって作製される超研磨工具からのセグメントを示している。
【図６Ｂ】図6Aに示されている工具セグメントの1つの代表的な配置構成の断面図を示しており、マトリックス支持体材料と比較的大きな超研磨剤とで形成される層が、研磨剤のより小さなグリットとより高い濃度とを有するマトリックス支持体材料の2層間にサンドイッチされている。
【図７Ａ】複数のアーチ形縦層(これらの層は、三次元の超研磨部材を形成するよう互いに結合されている)によって形成される超研磨工具からのセグメントを示している。
【図７Ｂ】図7Aに示すセグメントと共に使用できる複数層マトリックス支持体材料の断面図を示している。
【図８】より高い濃度の研磨材料を三次元超研磨部材の前方切削端に配置して構成された、横層を有する切削工具のセグメントの他の可能なレイアウトを示している。
【図９】セグメントのさらに他のレイアウトを示しており、三次元超研磨部材が、水平層を含む工具の上表面に向かって研磨剤の分配が徐々に緻密になるようにして形成されている。
【図１０Ａ−１０Ｄ】制御された超研磨剤の分配を含んだ層を作製する1つの可能な方法を示している。
【図１１Ａ−１１Ｃ】制御された超研磨剤の分配を含んだ1つ以上の層を作製するための他の方法を示している。
【図１２Ａ−１２Ｃ】非晶質ろう付け用合金のシートを使用して、制御された超研磨剤の分配を含んだ1つ以上の層を作製するための他の方法を示している。
【図１３】超研磨剤の三次元パターンを有する多層から作製される強化した工具セグメントの側面図を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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2006501073.tif 000009
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【図８】
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【図９】
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2006501073.tif 000013
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【図１３】
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【国際調査報告】
2006501073.tif 000017