JP5314030B2 - 硬質かつ/または脆性の材料の研磨加工 - Google Patents
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Description
本出願は、2007年10月1日に出願された米国特許出願第11/906,263号明細書の優先権を主張するものであり、その全体を本明細書に援用する。
前述したように、高度な開放構造を有する研磨構造体は、食塩などの充填剤の浸出(先に援用した米国特許第6,755,729号明細書を参照)を含め、幾つもの手法で作り出すことができる。そのような構造体として、例えば、銅−スズをベースにした結合材系で、所望のサイズの研磨材グリットが結合材中に埋め込まれているものを挙げることができる。銅−スズ結合材系を使用すると、充填剤の融点よりもかなり下の温度でそのような構造体を加工することができる。例えば、食塩の融点より低い温度の銅−スズをベースにした結合材系。使用する銅粉末の典型的なサイズは、約44ミクロン(−325メッシュ)である。そのようなサイズにすると、銅の酸化を少なくすることができ、グリットの分散を比較的良好なものにすることが可能である。
本発明の実施態様に従って構成される研磨物品がとることのできる形は、当面の用途および望ましい製品原価などの因子に応じて、いくらでもある。本明細書に記載する様々な実施態様は、例えば、硬質かつまたは脆性の材料の研磨加工での使用、特に、ケイ素、アルミナ−炭化チタン、および炭化ケイ素の半導体ウェーハなどの裏面研削などの作業に適している。別の用途の例は、硬質かつ/または脆性の材料の研削およびポリッシングに使用できる研磨ホーン工具(abrasive hone tools)でありうる。他のそのような用途は、本開示内容を考慮すれば明らかであろう。
ニッケル、スズおよび青銅から構成される粉末金属合金を、微細ダイヤモンド、塩、および中空ガラス球と混合した。さらに詳細には、60.93グラムのニッケル粉(AcuPowder International LLC,Union,NJから123 Nickelとして入手)を、Turbula(登録商標)ミキサー中で、60.93グラムのスズ(これもAcuPowder International LLC,Union,NJから115 Tinとして入手)および1.56グラムのダイヤモンド(Diamond Innovations,Worthington,OHからRVM−CSG 1−2ミクロンとして入手)とブレンドした。次いで、青銅粉末(United States Bronze Powders,Maryville,TNからM3590粉末として入手)をふるいにかけて−635U.S.メッシュにしたもの52.22グラムを、2.62グラムの中空ガラス球(E.V.Roberts Inc,Carson,CAから入手)および91.95グラムの塩(Diamond Crystal非ヨウ素添加塩(non−iodized salt)としてShaw’s Supermarkets,Inc,Worcester,MAから入手し、−70/+80U.S.メッシュのサイズにしたもの)と一緒に混合物中に添加し、Turbula(登録商標)で再び混合し均一ブレンドを得た。得られた混合物は、29.8体積%の金属結合材、59.6体積%の塩、および9.9体積%のガラス球を含んでいた。次いで、得られた混合物をグラファイトディスク金型に入れ、平らにし、750℃において10分間22MPa(3200psi)で高温圧縮した。冷却したらすぐに、得られた研磨ディスクを冷水中に浸漬し、存在する塩を浸出させて、連続多孔質構造を得る。処理および成分の混合物の性質上、構造体中に固有気孔部が残され、中空ガラス球により密閉気孔部も生じた。
実施例2は、本発明の別の実施態様による砥石ホイールの例を示す。特に、実施例2のホイールは、結合材にガラス球が添加されていないこと以外は、実施例1に記載したホイールと同様である。約71%の塩をホイールに添加し、使用前に浸出させた。実施例2のホイールを作り出すのに必要な種々の成分の量は、ニッケル58.89グラム、スズ58.89グラム、青銅50.48グラム、塩108.81グラム、およびダイヤモンド1.56グラムなどである。
実施例3は、本発明の別の実施態様による砥石ホイールの例を示す。特に、実施例3のホイールは、異なる種類の塩を使用したこと以外は、実施例1で記載したホイールと同様である。使用した塩は、単結晶および立方形(Purex Fine Prepared SaltとしてMorton Salt Co.Inc,Chicago,ILから入手し、−70/+80U.S.メッシュのサイズにしたもの)であり、実施例1で使用した多結晶質および不規則形状の塩(Diamond Crystal非ヨウ素添加塩としてShaw’s Supermarkets,Inc,Worcester,MAから入手し、−70/+80U.S.メッシュのサイズにしたもの)とは異なっていた。実施例3のホイールを作り出すのに必要な様々な成分の量は、ニッケル60.93グラム、スズ60.93グラム、青銅52.22グラム、塩91.95グラム、ガラス球2.62グラム、およびダイヤモンド1.56グラムなどであった。
実施例4は、本発明の別の実施態様による砥石ホイールの例を示す。特に、実施例4のホイールは、ホイールに導入された気孔部の量が多かったこと以外は、実施例1に記載のホイールと同様である。ホイールは、実施例1のホイールに含められた70体積%の気孔発生物質(塩+ガラス球)と対比すると、約75体積%の気孔発生物質(塩+ガラス球)を有していた。実施例4のホイールを作り出すのに必要な様々な成分の量は、ニッケル50.79グラム、スズ50.79グラム、青銅43.53グラム、塩91.94グラム、ガラス球3.93グラム、およびダイヤモンド1.56グラムなどであった。
実施例5は、本発明の別の実施態様による砥石ホイールの例を示す。特に、実施例5のホイールは、異なるタイプのニッケル粉を使用したこと以外は、実施例1で記載したホイールと同様である。実施例5のホイールに用いたニッケル粉(Extra Fine Nickel Powder Type 110としてNovamet Specialty Products,Wyckoff,NJから入手)は、実施例1のホイールで用いられたニッケル粉と比べてサイズがかなり微細であった。ニッケル粉の粒径は、1〜2ミクロンの範囲であり、これは実施例1のホイールで用いた123ニッケル粉(3.5〜4.5ミクロン)よりもかなり微細である。実施例5のホイールを作り出すのに必要な様々な成分の量は、ニッケル60.93グラム、スズ60.93グラム、青銅52.22グラム、塩91.95グラム、ガラス球2.62グラム、およびダイヤモンド1.56グラムなどであった。
実施例6は、本発明の別の実施態様による砥石ホイールの例を示す。特に、実施例6のホイールは、異なったサイズのダイヤモンドおよび塩を使用したこと以外は、実施例1で記載したホイールと同様である。比較的粗いダイヤモンド(RVM−CSG 6−12ミクロンとして、Diamond Innovations,Worthington,OHから入手)を使用した。塩は、実施例1のホイールで用いられた−70/+80U.S.メッシュサイズの塩とは異なり、−80/+100USメッシュのサイズにした。実施例6のホイールは、実施例1のホイールに含められた70体積%の気孔発生物質(塩+ガラス球)と対比すると、約75体積%の気孔発生物質(塩+ガラス球)を有していた。それに加えて、使用したダイヤモンドの集中度が高かった(集中度5)。実施例6のホイールを作り出すのに必要な様々な成分の量は、ニッケル50.47グラム、スズ50.47グラム、青銅43.26グラム、塩91.36グラム、ガラス球3.90グラム、およびダイヤモンド3.13グラムなどである。
実施例7は、本発明の別の実施態様による砥石ホイールの例を示す。特に、実施例7のホイール(「実施例7のホイール」)は、ニッケル、スズ、および青銅を35/35/30の重量比で含む組成物から作り、元素のニッケル、スズおよび銅を35/50/15の重量比で含む組成物から作ったホイールと比較した。実施例7のホイールで用いた青銅は、銅とスズの重量比が50/50であったので、実施例7のホイールの組成物と比較のホイールの元素組成物は両方とも同じレベルのニッケル、スズおよび銅を有していた。実施例7のホイールを作り出すのに必要な様々な成分の量は、ニッケル69.70グラム、スズ99.57グラム、銅29.87グラム、塩91.94グラム、ガラス球1.31グラム、およびダイヤモンド1.56グラムなどである。
Claims (16)
- 硬質材料の加工物を研磨加工して所望の表面仕上げにするための複合材であって、
平均粒径が0.01〜100ミクロンの範囲である複数の砥粒と;
金属結合材であって、前記砥粒の平均粒径の最大でも15倍である平均粒径を有する少なくとも1種の出発成分を含み、かつ前記砥粒と共に熱処理されて、0.25〜40体積パーセントの砥粒、10〜60体積パーセントの金属結合材、および40〜90体積パーセントの全気孔部を有する複合材を形成する金属結合材と
を含み、前記金属結合材が、約25〜60重量パーセントのニッケル、約20〜60重量パーセントのスズ、および約20〜60重量パーセントの青銅を含むニッケル−スズ−青銅系であって、前記青銅の重量パーセントでの銅/スズ比が約95:5〜40:60であり、前記全気孔部が固有気孔、密閉気孔、および連続気孔を含んでおり、前記ニッケル−スズ−青銅系におけるニッケル、スズおよび青銅の総重量が100重量パーセントを超えない、複合材。 - 前記金属結合材の(i)平面歪破壊靭性が1〜6MPa.m1/2の範囲であり、ビッカース硬度値が200〜600の範囲であり、ヤング率が30〜300GPaの範囲であり、密度が2グラム/cc〜7グラム/ccの範囲である、あるいは(ii)5ニュートンの負荷をかけたときの摩耗量が5〜400mm3の範囲である、請求項1に記載の複合材。
- 連続気孔の体積パーセントが50〜80の範囲、密閉気孔の体積パーセントが0.01〜90の範囲、および固有気孔の体積パーセントが0.01〜20の範囲であり、連続気孔、密閉気孔および固有気孔の総体積が100体積パーセントを超えない、請求項1に記載の複合材。
- 前記連続気孔が40〜400ミクロンの範囲の平均サイズを有し、前記密閉気孔が5〜400ミクロンの範囲の平均サイズを有し、および前記固有気孔が40ミクロン未満の平均サイズを有する、請求項1に記載の複合材。
- 前記砥粒が、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、アルミナ、炭化ケイ素、炭化ホウ素、およびジルコニアのうちの少なくとも1種を含み、かつ前記金属結合材が、(i)コバルト、銀、鉄、亜鉛、タングステン、モリブデン、アルミニウム、銅、およびチタンのうちの1種または複数種、および任意選択で(ii)ホウ素、ケイ素、リン、グラファイト、六方晶窒化ホウ素、二硫化モリブデン、二硫化タングステン、およびアルミナのうちの1種または複数種を含む、請求項1に記載の複合材。
- 前記複合材が、耐熱性のある接着剤によってコアに効果を発揮する仕方で結合される研磨リムの少なくとも一部を形成する、請求項1に記載の複合材。
- 加工物を研磨加工して所望の表面仕上げにする方法であって、
研磨加工を容易に行えるようにする機械上に前記加工物を取り付けるステップと;
研磨工具を前記機械に作動可能なように結合するステップであって、前記工具が0.01〜100ミクロンの範囲の平均粒径を有する複数の砥粒と共に熱処理された金属結合材を有する複合材を含み、前記金属結合材が前記砥粒の平均粒径の最大でも15倍の平均粒径を有する少なくとも1種の出発粉末成分を含み、ここで、前記複合材が約0.25〜40体積パーセントの砥粒、約10〜60体積パーセントの金属結合材、および約40〜90体積パーセントの全気孔部を含み、前記金属結合材が、約25〜60重量パーセントのニッケル、約20〜60重量パーセントのスズ、および約20〜60重量パーセントの青銅を含むニッケル−スズ−青銅系であって、前記青銅の重量パーセントでの銅/スズ比が約95:5〜40:60であり、前記全気孔部が固有気孔、密閉気孔、および連続気孔を含んでおり、前記ニッケル−スズ−青銅系におけるニッケル、スズおよび青銅の総重量が100重量パーセントを超えない、ステップと;
前記研磨工具を、前記加工物の前記所望の表面仕上げに達するまで前記加工物の表面に接触させるステップであって、前記所望の表面仕上げが500オングストローム以下(Ra)であるステップと
を含む、方法。 - 前記加工物がウェーハを含み、研磨加工が前記ウェーハのポリッシングおよび裏面研削の少なくとも一方を含む、請求項7に記載の方法。
- 前記加工物が、(i)単結晶炭化ケイ素ウェーハであり、前記所望の表面仕上げが30オングストローム以下(Ra)であるか、(ii)サファイアであり、前記所望の表面仕上げが200オングストローム以下(Ra)であるか、あるいは(iii)単結晶炭化ケイ素ウェーハであり、前記所望の表面仕上げが15〜25オングストローム(Ra)の範囲である、請求項7に記載の方法。
- 前記砥粒が、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、アルミナ、炭化ケイ素、炭化ホウ素、およびジルコニアからなる群から選択される、請求項7に記載の方法。
- 加工物を研磨加工して所望の表面仕上げにするための複合材の製造方法であって、
0.01〜100ミクロンの範囲の平均粒径を有する複数の砥粒を用意するステップと;
金属結合材を前記砥粒と共に熱処理して複合材を形成するステップであって、前記金属結合材が、前記砥粒の前記平均粒径の最大でも15倍の平均粒径を有する少なくとも1種の出発粉末成分を含み、前記複合材が、約0.25〜25体積パーセントの砥粒、約10〜60体積パーセントの金属結合材、および約40〜90体積パーセントの全気孔部を含み、前記金属結合材が、約25〜60重量パーセントのニッケル、約20〜60重量パーセントのスズ、および約20〜60重量パーセントの青銅を含むニッケル−スズ−青銅系であって、前記青銅の重量パーセントでの銅/スズ比が約95:5〜40:60であり、前記全気孔部が固有気孔、密閉気孔、および連続気孔を含んでおり、前記ニッケル−スズ−青銅系におけるニッケル、スズおよび青銅の総重量が100重量パーセントを超えない、複合材を形成するステップと
を含む、複合材の製造方法。 - 前記方法が、
ニッケル粉を複数種の研磨材とブレンドして混合物を形成するステップと;
スズ粉末を前記混合物中にブレンドするステップと;
前記スズ粉末を含んでいる前記混合物中に青銅粉末をブレンドするステップと
をさらに含む、請求項11に記載の方法。 - 前記青銅粉末を前記混合物中にブレンドするステップが、
中空ガラス球を前記混合物中にブレンドするステップ;
犠牲気孔発生物質を前記混合物中にブレンドするステップ;および
分散質を前記混合物中にブレンドするステップ
のうちの少なくとも1つをさらに含む、請求項12に記載の方法。 - 前記金属結合材が、ニッケルよりも小さい重量パーセントの銅を含む、請求項1に記載の複合材。
- 前記金属結合材が、ニッケルよりも小さい重量パーセントの銅を含む、請求項7に記載の方法。
- 前記金属結合材が、ニッケルよりも小さい重量パーセントの銅を含む、請求項11に記載の方法。
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