CN101137463A - 超硬切割装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种切割装置(20)是包括有基座(12)，该基座(12)具有工作面(14)，其是从材料被移动而朝向并面对工件(19)，复数个切割元件(16)是排列在该基座的工作面，每一个切割元件具有尖峰(18)，其包括至少一个由多晶超硬材料形成的切割边缘，切割元件的尖峰被排在一般平面上(20)。

Description

超硬切割装置及其制造方法

技术领域

本发明是一种超硬切割装置及其制造方法，其是关于一种用于平面工件并以不同材料制成的切割装置，因此涉及化学、物理和材料科学领域。

背景技术

近年来的半导体产业经估计每年约花了超过十亿美金来制造具有非常平坦且光滑的表面的硅晶圆，一般而言，化学机械研磨法(chemicalmechanical polishing，CMP)是用于半导体装置的制造过程以使晶圆获得光滑且均匀的表面，在习用的研磨过程中，一般是将要研磨的晶圆夹设于抛光垫与载具之间，该抛光垫是装设于旋转抛光垫的上方，当研磨剂运用在抛光垫并加压在载具上时，该晶圆借由抛光垫与载具之间的相对运动而被研磨。

然而当这个众所皆知的方法成功地使用了许多年，却还是出现许多问题，举例来说，这个现有习知的方法相当贵而且并不是每次都有效，像是硅晶圆在经过该方法研磨后可能不具有均匀厚度或是足够的光滑度，除此以外，经过溶剂蚀刻后会变的过度地凹凸不平，且该硅晶圆的表面也可能因为在该过程所使用的单一颗研磨砂砾而变的具有缺口；而且，如果为达到较高的产率而加快研磨速率，则上述用在抛光垫上的砂砾的大小一定要增加，但也相对地增加昂贵晶圆被刮损或挖损的风险。另外，由于表面缺口可为不连续，因此该方法的生产率非常低，结果致使目前制备晶圆表面的技术过程通常是昂贵且缓慢的。

除了这些考量外，在半导体电路系统的线宽(如节点)接近病毒尺寸(如10-100nm)，另外，更多电路系统结构层的设置需增加以符合更先进逻辑设计的需求，为了放置适合制作纳米级装置的结构层，参与半导体组件制作过程中的每一结构层一定要极为平坦且平滑。虽然钻石网格晶圆处理器已经有效地使用在为了加工上述集成电路系统的CMP抛光垫，但不适合制造具节点小于65纳米的切割边缘装置，这是因为随着铜线的尺寸越来越小，所以粗糙或太过度的研磨所导致的不均匀厚度会大大地改变导电率，此外，由于类珊瑚介电质层的使用，使得该易碎结构必须被非常温和地研磨以避免碎裂产生，因此，在CMP研磨法中所用的压力必须明显地降低。

有鉴于此，必须找寻新的CMP研磨法，例如那些用在铜的电解作用(如电解化学机械研磨法，ECMP)或用在晶圆的空气薄膜垫支撑体(如TokyoSemitsu)，以减少在晶圆和研磨垫之间接触点的研磨压力，然而，使用这种较温和的研磨方式的结果是晶圆的研磨速率将会减小，为了抵销产率的损失，研磨势必要在整个晶圆表面同时进行，为此，在晶圆和研磨垫之间的接触点需要较小的面积，但要有较多的量，这是不同于现有CMP研磨法接触点具有相对大的面积以及相对较少的量。

因此，为了更加温和地研磨易碎的晶圆，该CMP研磨垫表面粗糙度必须要减小，然而，为避免研磨速率的下降则必须增加更多的接触点，结果使得研磨垫表面粗糙度需要更细微的尺寸以及更多的量，但这更细腻的研磨方法会使晶圆表面有更大的风险产生刮痕，为了避免这种风险，所有表面粗糙度的最高尖端必须彻底地被弄平，否则，一些称为“杀手表面粗糙度”的凸触会毁了已研磨好的晶圆。

发明内容

本发明是在提供一切割装置，其是包含一具有朝向并面向工件的工作面的基座以移除材料，复数个个别的切割元件是排列在基座的工作面上，每一个切割元件具有尖峰，其是包含至少一个由多晶超硬材料形成的切割边缘，该切割元件的尖峰是齐平于一般平面，该基座与每一个切割元件可由一整片多晶超硬材料所形成。

而本发明另一种情形是提供一切割装置，其包含一具有朝向并面向工件的工作面的基座以移除材料，该基座是由一整片多晶超硬材料所形成，而复数个个别的切割元件是可一体成型在基座的工作面上，每一个切割元件具有尖峰，该切割元件的尖峰是齐平于一般平面。

本发明亦提供一种形成上述切割元件的方法，包括下列步骤，提供一多晶超硬材料片；并从多晶超硬材料片的基座工作面上移除材料，并由超硬切割材料片形成复数个个别的切割元件。

本发明亦提供一产物，借由下列步骤所形成，在具复数个个别切割元件的切割装置结合一工件表面，该个别切割元件是由整片多晶超硬材料的工作面所形成，而每一个切割元件具有尖峰，该尖峰是排列在一般平面上；该工件以及切割装置相对地移动，借此从具切割元件的工件上将材料移除。

本发明在上述仅为描述一个初步、广大的概念以及较重要的特色，在接下来的实施方式及其附图和权利要求中会有更为清晰的解释。

附图说明

图1是本发明的切割装置实施例的概要立体图。

图2是图1中的切割装置的侧视平面图。

图3是本发明切割一个工件的切割元件实施例的概要部分侧视图。

图4A是本发明一系列切割元件实施例的更详细立体图。

图4B是本发明具有拱形切割元件的切割装置实施例的立体图。

图5是图1切割装置中一对切割元件的剖视图。

图6是电子释放机械操作过程中的阴极与阳极的剖视图。

图7A是本发明的切割装置一实施例的俯视图。

图7B是图7A中切割装置的一连串切割元件的剖视图。

图8是本发明一方向具切割元件的切割装置图的放大图。

图9是本发明一方向的具切割元件的切割装置图的放大图。

10：切割装置         12、12a：基座

14：工作面           16、16a-h：切割元件

18：切割边缘/尖端    19：工件

20：一般平面         24：刮片

25：面               30：阳极

31：凸触             32：开槽

34：PCD片            40a、40b：第二切割元件

具体实施方式

在本发明被揭露和叙述之前，必须了解的是以下所叙述及揭露的发明并无意限制本发明的形状、制作步骤或材料，其可为本领域具有通常知识者所能推想到的等效形状、制作步骤及材料，而以下说明中使用专有名词的目的是在叙述特定实施例，并非对本发明有任何的限制。

而在开始叙述之前值得注意的是在本说明书及其权利要求所使用的单数型态字眼如“一”、“该”和“其”，皆仅为先行词，除非在上下文中清楚明白的指示为单数，不然这些单数型态的先行词亦包括复数对象，因此，举例来说，如“一切割元件”包括一或多个这种元件，如“一易碎材料”可指一或多个这种材料。

定义

在本发明的叙述与权利要求中，以下术语会依照以下所提出的定义而被使用。

“颗粒”以及“砂砾”可能是可以互换使用的，而且当被使用与含碳物质有关时，所指的是这种材料的微粒型态，这种颗粒或砂砾可能为各种不同的形状(包括圆形、矩形、方形、自然型态等)以及数个特定筛孔大小，如现有习知技术，筛孔是如同美国筛孔一般，为每单位面积孔洞的数目，全部的筛孔大小除了有特别注明，否则在这里指的都是美国筛孔，而且，筛孔大小通常被了解为一定量的颗粒的平均筛孔大小，即使每个颗粒于特定的筛孔大小实际上可能是在小分布范围内变动。

“实质的”或“实质地”指的是想要的目的、操作以及配置的功能性达成，犹如这种目的或配置实际上已经被达成，因此，实质地对齐于一般平面的切割边缘，如同功能性或几乎他们是准确的对齐在这样的平面上。

此外，应用在其他内容中，如材料“实质上缺乏”、“实质上避免”或“实质上无”一个元素，而这个“实质的”或“实质地”指的是在参考物件被制造时功能上缺乏此元素，因此，该参考物件可能被一个元素“实质上缺乏”的材料所制造，当事实上该元素可能在材料中，只是其量不足以明显地影响该材料或该材料在本发明中的目的。

“工作面”指的是工具在一个刨平或加工程序中接触或被配置来接触工件的材料的一面，在一些情形中，工作面可能只是面对工件而被操作，但可能不是真的接触到工件。

“一般平面”指的是外观，包括平面的或轮廓外观，是设置在基座表面上方，其具有切割元件的尖峰对齐于该一般平面，这种外观的例子如同包括，但并不限制在波浪外观、凸面外观、凹面外观以及复数阶梯外观等。

切割“边缘”指的是切割元件的一部分，该切割元件具有一些可量测的宽度，其横跨从工件接触或移除材料的部分，例如一般刀片具有切割边缘，其是沿着刀片直向延伸，且该刀片可能一定要横向地朝向工件以从工件刮或刨平材料，使得刀片的切割“边缘”从工件上移除材料。

“超硬”可能被用来指任何结晶或多晶的材料，亦或是这种材料的混合物，其莫氏硬度(Mohr’s hardness)是大约等于或大于8，而在一些情形中，该莫氏硬度(Mohr’s hardness)是大约等于或大于9.5，这样的材料包括但不限制为钻石、多晶钻石(polycrystalline diamond，PCD)、立方氮化硼(cubic boronnitride，cBN)、多晶立方氮化硼(polycrystalline cubic boron nitride，PcBN)以及其他熟悉该项技艺者所知道的超硬材料，超硬材料可能以各种不同的形态包含于本发明中，该型态包括颗粒、砂砾、膜、层等。

“气相沉积法”是指一种借由气相将物质沉淀在基板上的方法，其包括任何例如，但不限制为化学气相沉积法(chemical vapor deposition，CVD)和物理气相沉积法(physical vapor deposition，PVD)，每一个气相沉积法的使用皆可由本领域具通常知识者在不改变主要原理的情况下做变动，因此该气相沉积法的例子包括热丝气相沉积法(filament CVD)、射频化学气相沉积法(rf-CVD)、激光化学气相沉积法(laser CVD，LCVD)、金属有机物化学气相沉积法(metal-organic CVD，MOCVD)、溅渡、热蒸渡(thermal evaporationPVD)、离子化金属物理气相沉积法(ionized metal PVD，IMPVD)、电子束气相沉积法(electron beam PVD，EBPVD)以及反应性气相沉积法(reactivePVD)等其他类似的方法。

“烧结”是指两个或多个个别的颗粒结合以形成一连续性的固体团，而烧结过程包括颗粒的固化以至少减少部分颗粒间的空洞。烧结可能发生在金属颗粒或如钻石的含碳颗粒，金属颗粒的烧结发生在不同的温度，该温度是决定于材料的组成，而钻石颗粒的烧结基本上需要特别高的压力、碳溶质如钻石烧结辅助剂的存在以及以下讨论的更多细节。该烧结辅助剂常常使用以助于烧结程序，而一部分的烧结辅助剂可能会存留在最终产物内。

“切割元件”是指形成在包括一个或多个切割边缘或尖端的切割装置的突出物或尖端，其是被配置以切割或刨掉突出于工件表面的材料，但并不局限于此，在此所述的切割元件包括前表面以及与前表面大致成90°的上表面。在一些情形，本发明的切割元件具有3D型态，该型态基本上相对具有宽、深及高，每一个切割元件可以包括一个或多个具有与切割元件宽度、深度或高度相符的切割宽度的切割边缘。

“尖峰”是指切割元件相对于自切割元件基座延伸出最大距离的部分。因此，当为了接触工件时，切割装置的切割元件的尖峰可比切割装置的其他部分先接触到工件的表面。

复数个物品、结构元件、组成元素或/和材料基于方便可能出现在一般的常见列举中，然而这些列举可解释为列举中的单一构件单独或个别地被定义，因此，这样列举中的单一构件不能视为任何单独基于在一般族群中无相反表示的解释的相同列举中实际上相等的其他构件。

浓度、数量以及其他数值上的资料可能是以范围的形式来加以呈现或表示，而需要了解的是这种范围形式的使用仅基于方便性以及简洁，因此在解释时，应具有相当的弹性，不仅包括在范围中明确显示出来以作为限制的数值，同时亦可包含所有个别的数值以及在数值范围中的次范围，如同每一个数值以及次范围被明确地引述出来一般。

例如一个数值范围“约一微米到约五微米”应该解释成不仅仅包括明确引述出来的大约一微米到大约五微米，同时还包括在此指定范围内的每一个数值以及次范围，因此，包含在此一数值范围中的每一个数值，例如2、3及4，或例如1-3、2-4以及3-5等的次范围等。

本发明

在叙述实施方法之前，我们需要了解以下图示仅为了解本发明所做的例证，而且该图示并非限制于大小、尺寸、粒径大小以及其他情形，而且一般而言是为了更清楚说明本发明而有夸示的情形，因此，这些偏差会因着实际制造本发明的切割装置而出现，使特有尺寸及情形显示于图中。

本发明是提供一切割装置以及相关方法，其可被用来切割或做其他作用于一工件以从工件中移除材料，并可提供工件有一完整、光滑和/或平坦的表面。本发明的切割装置可有效地被应用，例如一从工件刨除材料的刨平装置、用于加工不同工件的加工装置以及一研磨各种不同工件的研磨装置。

请参看图1及图3所示，本发明的第一实施例为一切割装置10，其可包括一基座12，该基座12包括朝向工件19的工作面14以去执行切割或刨平的工作，复数个个别的切割元件16可被排列在基座12的工作面14上，而每一个切割元件16包含至少一个切割边缘或尖端18，如图2所示，每一个切割边缘或尖端18是与一般平面20齐平，下面有更多详细的讨论，该切割边缘18可与工件19结合，且该工件19与切割元件16可相对的移动以割、切、刨或其他从工件19移除小片体或碎片，使得该工件19的表面非常平坦且光滑。

本发明的一种情形是每一个切割元件16可包括一个或复数个齐平于一般平面20的切割边缘18，因此，在图1所示的实施例中，每一个切割元件16包括四个切割边缘18，其每一个皆可从工件19上切割、刨平材料，因着该切割装置10包括复数个切割元件16，每一个切割元件16又设有复数个切割边缘18，因此每一个切割元件16的切割边缘18的总长度可以有效的增加，除此之外，每一个切割元件16基本上相对于基座12的工作面14具有一样的高度，全部切割元件16的切割边缘18是对齐同样的一般平面20，借由每一个齐平于一般平面20的切割边缘18，该切割装置10基本上需自我齐平以先剃除工件19的较高区域，接下来再切割直到工件19中全部的“高”点皆被消除，并留下一个光滑、平坦的工件19表面。

该切割元件16的切割边缘18可被不同的材料所制成，该材料在一实施例中包括有多晶超硬材料，当一多晶超硬材料是多晶钻石片(polycrystalline diamond compact，PCD compact)或多晶立方氮化硼(polycrystalline cubic boron nitride compact，PcBN compact)时，该PCD或PcBN片可被以不同的方式形成，以下会有更详细的介绍。本发明一种情况显示于图1中，该基座12以及每一个切割元件16和切割边缘18是由一整片多晶超硬材料一体成型的。

本发明的切割装置可被使用在不同的应用中，其中一实施例是特别适用于刨平实质上是易碎的材料，例如硅晶圆、玻璃片、金属、经平坦化回收的使用过硅晶圆、LCD玻璃、LED基材、碳化硅晶圆、石英晶圆、氮化硅、氧化锆等。在习用的硅晶圆处理科技中，被研磨的晶圆一般可被载具乘载并定位在一设置在旋转平台上的研磨垫上，当施与研磨剂于研磨垫并施与压力在载具上时，该晶圆可借着平台与载具相对的移动而被磨光，因此，该硅晶圆实际上是借由细小的研磨料作用而被磨平或磨光，以得到一相对光滑的表面。

当研磨硅晶圆方法有一些成果时，该研磨如硅晶圆材料的方法却常常让一片片的材料从材料本体中被撕裂或挖出，而导致产物少于想要的抛光程度，那是因为实际上至少部分的磨光及研磨方法是用于研磨材料非常尖锐的地方(其通常相对于其他地方是不在一个水平面)，以使压力局部化而让研磨料将材料从工件中移出。

与习用磨光与研磨方法相反的是本发明可用于一个或多个切割元件的切割边缘，以从工件上切割材料而抛光或刨平工件的表面，一般而言，当在材料上作切割，切割区域为可塑性的变形或着为易碎性的破裂，如果可塑性的变形慢于裂缝的扩张，则该材料就会被认为是易碎裂的，反之，则该材料为延展性的变形。然而，在高压下，裂缝扩张的速率是会被抑制的，既然如此，一个如硅的易碎材料可能存在如软性金属一样较多的延展特性，当本发明一个尖锐的切割边缘压迫于易碎的硅表面，该第一接触面积是非常小的(例如数个纳米)，结果，该压力非常高(例如数个GPa)，而因为裂痕扩张被抑制，故尖锐的钻石边缘是可塑性地穿入硅中，结果，一个外力可持续性地被转移到一个非常小体积的硅中以承受延展性的切割，换句话说，就是尖锐的切割边缘能以先前不能完成的方法-剃平或刨平硅，而不用事先将硅剃平或刨平。

本发明的PCD或PcBN片通常是超硬的，因此当晶圆被压迫时会因切割元件而导致小小的变形，而硬度基本上是一个能量浓度的测量依据，例如，每体积的能量，本发明的PCD或PcBN片可浓缩一个能量至一个非常小体积中而不被破坏，且由于该材料可将切割边缘的尺寸保持在几个原子以内，因此该材料保持了非常尖锐的切割边缘。

当硅的延展性借由施加压力而保持一个非常小体积，并保持相对小的穿透半径，其可参考图2所示，其中该切割元件16的深度通常是用“d”来表示，且其为0.1毫米(mm)。除此之外，该切割边缘18的形状可保持相对的尖锐，在一些情况下，其半经为2纳米(nm)，为了符合这两个特点，本发明切割边缘18的材料要够硬以足够承受在切割或刨平步骤过程中的变形，因此切割边缘18的尖锐性和硬度事实上是担保工作元件的延展性，材料从工件中的切割与移除的延展过程可参考图3所示，切割元件16的切割边缘18正从工件19上刮除一刮片24。

每一个切割元件16可包括一大致平坦的面25，其可定义一个工件19接触面积，一个由全部切割元件16的组合工件19接触面积大约占基座总面积的5％至20％，因此，本发明的一种情况是如果PCD切割器具有大约100毫米(mm)的直径，且该切割元件16的组合接触面积占基座12总面积的10％，且全部切割元件16的总接触面积大约为7850平方毫米(mm²)，而每一个切割元件16的边缘比面积为4/mm，因此总边缘长度约为31400mm。

而PCD或PcBN切割装置的寿命经常会被切割边缘的半径限制，当切割边缘被磨损以至于该半径增加至约10纳米(nm)，而接触面积大概会增加至100倍，这就会显著地减少接触压力，因此，该边缘无法“咬”进硅中，而会在表面上滑动，因而热会被增加，使该基圆表面可能会有热损害，因此，在切割装置中很重要的是保持切割边缘为尖锐的边缘，并且在许多应用中，其半径是小于大约10纳米(nm)。

本发明切割装置的接触面积一般会决定供应至工件的压力，基本上，较大的面积比例是出现在切割元件接触面积和凹槽，而较小的接触面积会出现在切割元件与工件之间，接触压力(P)可测量出穿透深度(d)且如下表示：

d＝Pt/B

其中t是晶圆的厚度，而B是工件的膨胀系数。

一般而言，膨胀系数是测量材料的不可压缩性，其数值基本上是和体积的初始速率减少时完全压缩该材料(厚度为0)的压力有关，PCD片的膨胀系数大约在4Mb(megabars)，而硅的膨胀系数大约为1Mb，因此硅大约可比PCD片更具压缩性，当PCD切割装置或平板压迫硅晶圆时，该晶圆相对的位移主要是由于硅晶圆表面相对地下降到PCD表面。一个典型的硅晶圆大约是1毫米(mm)的厚度，因此刨刮的深度大约可借由下列式子表示：

d＝10^-6Pmm，其中P的单位以巴(bar)或大气压力来表示。

如果压力为1巴，刨刮厚度约为1纳米(nm)，这大约有五个原子层，在这个穿透深度且若切割边缘是尖锐的(例如半径小于1纳米)，则这种刨刮或切割是温和的，故能产生一个抛光、平坦且非常光滑的表面，在一些情形中会比一抛光镜子还要光滑，故使用具有一非常锐利边缘的PCD平板去刨刮、切割或刨平硅晶圆是非常重要的，如果该边缘变过于不锋利，则硅就会失去延展性，并导致易碎性断裂而可能损坏晶圆的表面。

本发明的切割装置可用在湿系统或干系统，在干系统应用中，该切割元件可用于从工件中切割或刨平碎片，且不需要液体研磨剂，而在典型的应用中，该切割装置可以连接于支撑垫，该支撑垫可耦合于一个旋转垫块。一个如硅晶圆的工件可耦合于一个真空垫块以使该工件可以旋转，该旋转垫块与真空垫块皆可顺时针方向或逆时针方向旋转，以从工件上移除材料。借由旋转改变一元件与另一元件的相对位置，一些材料可在工件在一个旋转后被移除，而工件与平板在相同方向旋转(但为不同的速率)会比其在不同方向旋转所移除的材料少。

在典型的应用中，研磨剂可被供应以帮助刨平工件表面，该研磨剂可为水研磨剂或化学研磨剂。假若使用化学研磨剂，则可选择降温或和工件反应的研磨剂以软化工件，并提供更有效率的切割程序，借由软化其表面，我们发现的是硅晶圆的研磨速率会骤增，例如，一含有氧化剂如双氧水(H₂O₂)的化学研磨剂可用来形成相对高粘度的氧化物以倾向去“粘附”在晶圆表面。在此种情况下，本发明的PCD切割装置不需要去切割晶圆，而是去将晶圆表面的氧化物刮除，结果，切割边缘的尖锐度就变的比较不重要了，除此之外，该切割装置的使用寿命可因着使用研磨剂而被延长，例如，一PCD刮板与研磨剂搭配使用可能比一般PCD切割器延长1000次的使用次数。

另一种促进硅晶圆上材料的移除就是在晶圆表面提供直流电，即使钻石是绝缘体，但PCD经常因含有金属钴而为电导体。在此情况下，该硅晶圆连接一阳极(图中未示)，该PCD连接一阴极(图中未示)，而一电解导体研磨剂可用来作为两极的电桥，硅的表面可能会被阳极氧化，而硅与其表面电路因着电解而溶解，故可加速材料移除程序。

因此，如果切割装置在干燥系统中用于剃平或刨平，则该切割装置可能在12英寸晶圆上维持数个通道，然而，化学研磨剂可能可增加上千倍被刮的表面积，并且如果电流被供应以帮助材料移除，则该切割装置的寿命甚至可维持更长的时间。

请看图4A所示，其为本发明一实施例中不同的切割元件16a，16b，16c，在本发明的一种情形中，该切割元件可被塑形为具有一矩形、椭圆、圆形、三角形、多角形、锥形等形状的剖面，各种不同尺寸与大小的切割元件可借由沟槽不同的位置及宽度所形成，并该沟槽是切割形成于PCD或PcBN片的表面上。该切割元件(图中未示)也可在低于PCD或PcBN片表面而形成，因此该切割元件可具有如圆形或多角形形状的插槽。

请参考图4B所示，该切割元件16d可被拉长、呈拱形样式或具有一切割并形成在切割元件间的沟槽，该PCD或PcBN片的沟槽或凹陷区域可作为用以帮助切割晶圆及切割碎片的研磨剂的储存槽，其分布网络的的构型以及沟槽或凹陷的深度会影响研磨剂和碎片的流动，每一个PCD皆可设计成特定工件所需平坦化步骤的最佳化设计。

请参看图5所示的另外两个本发明的实施例，其中图1中的切割装置10的切割元件16包括一连串第二切割元件40a，40b形成在切割元件16的上表面或切割元件16的面上，该第二切割元件40a，40b具有至少一尖端齐平于第二一般平面，该第二一般平面被配置为离面对基座的一面比一般平面更近，该第二切割元件被配置以限制切割元件切入工件的深度。本发明的一个情形是该第二切割元件40a，40b可以被配置使得切割元件16在使用时可保持每一个切割边缘的锐利度，如图所示，该第二切割元件40a，40b可在形状上有所不同，并可包括三角锥型，该第二切割元件40a，40b也可形成在截断的三角锥形体(图中未示)上，借由使用该第二切割元件40a，40b于主要切割元件16上，该切割元件16的切割边缘长度的总量可延展到一万倍。

请参看图7A及图7B所示的本发明另一实施例，其中复数个切割元件16e，16f形成在PCD基座12a。请参看图7A所示，本发明可提供由切割材料的多晶超硬材料所一体成型，并具有不同大小与配置，例如，在实施例中所示，较大的切割元件16e可作为切割、刨平或加工元件，而一个较小的切割元件16f主要可被使用为一“阻挡”元件，换句话说，该较大的切割元件可另外从PCD基座12a延展以切割更深入PCD工作的工件(图中未示)。

当较大的切割元件16e延伸至足够远或深入工件时，较小的切割元件可到达切割元件表面的底部以限制较大切割元件16e无法更深入工件。简单来说，该较大切割元件16e制作的比较小切割元件锐利，例如，较大切割元件16e会终止在最高点，而较小切割元件会终止在平坦的平面，因此，较大切割元件16e比较小切割元件更容易切割工件，因而导致该较小切割元件被当作深度阻挡的元件，故本发明对于切割元件切割进工件的深度可掌控的非常精确(例如一个PCD垫可被加工)。

请参看图8及图9所示的影像，是分别显示形成在一整片PCD上的切割元件16g，16h，本发明形成的切割元件的形状和大小上具有极大的弹性，其中一些切割元件形成突出的“平台”构型，而其他的则是形成三角锥体的构型。

除此之外，本发明的切割元件可由一整片多晶超硬材料所形成，其大致上在切割装置基座上(或形成于切割装置的基座)的切割元件以下会留下有用且额外部分的多晶超硬材料，因此，在本发明的一种情形中，一旦该切割元件在使用时变钝或被损害，该切割装置可借由在具有一样构型的切割元件整个面上削去一薄层的超硬材料，而使其再度变的锋利，其中该构型起初是在装置的面上产生的。本发明的切割装置可因此借由相对简单的削尖或整修，只要足够的多晶材料存留在切割元件下即可让切割元件削尖。

该PCD或PcBN片用于本发明可以不同的方式形成，在本发明的一实施例中，该PCD片可含有微米级钻石(如1到10微米)，且该PCD片可在使用前先被磨光。另一种情形是钻石颗粒是大的(如50微米)，且其表面可被磨平而不磨光。再另一种情形是碳化硅颗粒可与钻石颗粒混合以当作PCD片的供给原料，该PCD可包含体积含量在80％到98％的钻石。

本发明的切割元件可以用不同的方式形成在多晶超硬材料，一种情形是在个别切割元件之间的沟槽可借由电化学加工法、激光剥镀法、等离子体蚀刻、氧化反应(形成二氧化碳化或一氧化物气体)、氢化反应(形成甲烷气体)等方式形成在PCD表面，具有相对长波长的激光光束(例如掺铷钇铝石榴石激光(Nedynium Doped Yttrium Aluminum Garnet，ND：YAG))是可有效的在PCD上形成沟槽，而具有相对短波长的激光光束(例如准分子激光(excimers))可能被用来在主要切割元件刻凿出第二切割元件(如图5所示)，虽然后者可能具有较慢的切割速率，但它因使用较短的波长而实质上是比较准确的，此外，表面损害可因在较高频率较能集中能量而被减少，故适合于刮平或刨平硅晶圆。

在本发明另一种情形下，材料可从多晶超硬材料片移除，以从多晶超硬材料片整合形成个别切割元件，换句话说，该切割元件可借由从切割元件周围移除多晶超硬材料且留下切割元件，该切割材料是在切割装置基座上惟一的残留材料。

在本发明一情形中是该材料可借由放电加工机(electrical dischargemachining，EDM)从PCD或PcBN片移除，在这种情形中，该EDM法可用一个或多个含有钻石的电极，例如用于EDM法中的阴极可为掺硼钻石材料，且EDM法中所用的阳极可为PCD(在此情形中，该PCD一般而言需要至少具有部分导电性)，当电流供应于掺硼钻石材料时，该PCD材料可以谨慎地、可控制地被移除，以在PCD上形成不同构型。

请参考图6所示，以此图为例，本发明一种情形是EDM法中的阳极30可部分包含掺硼钻石(BDD)材料，且经由此材料，可施与电流，而在EDM法中的BDD阳极可包含一连串“V”型凸触31，并在PCD片34中形成一连串对应的开槽32(依序于PCD片34中界定复数个切割元件)。虽然所显示的凸触31通常为V型，当然它可为各种不同的形状，以使开槽32在PCD片34中形成想要的形状。在本领域具通常之事者可知该EDM法一般而言可使用如油或去离子水的绝缘液体，详细内容容并无显示于图示中。

请参考图6所示，如图所示的配置，其中PCD片在EDM过程中作为阴极，而BDD材料作为阳极，可发现此配置能有良好的运作，若是相反的配置也可以使用。例如，在本发明的情形中，该BDD材料可被用来作为阳极，而PCD可被用来作为阴极，导致PCD材料的移除速率相对地变快(请注意在EDM过程中，该BDD材料和PCD材料会以不同的速率被消耗)。然而，借由调换两极(例如使用BDD作为阴极，而PCD作为阳极)，该PCD材料移除速率会比上述第一个配置慢，但PCD表面的抛光会比较好。

可被思及的是一含导电性钻石材料作为一电极，以从另一个含导电钻石材料(作为另一电极)移除材料，并可以延伸出各种除了在此所述以外的应用，例如钻石-钻石EDM法可被应用来从导电性钻石材料中移除材料，其可用于研磨应用、乘载应用、保护层应用、热延展应用、材料塑型应用、声学应用、半导体应用等。

另一种情形是本发明提供一产物，其是借由下列步骤所形成，其包括在具复数个个别切割元件的切割装置结合一工件表面，该单独切割元件是不可缺地由整片多晶超硬材料的工作面所形成，而每一个切割元件具有尖峰，该尖峰被排在一般平面上；并且，该工件以及切割装置相对地移动，因此从具切割元件的工件上将材料移除。

实施例

以下实施例表现制造本发明切割工具的不同方法，这种例子只是用来说明，因此并非意欲限制本发明。

实施例1.

一个具有约每厘米0.001欧姆(0.001 ohm/cm)的电阻和约500微米的厚度(μm)的掺硼钻石薄膜(BDD)，是具有巨齿状结构，其是形成在经过金属线EDM法处理过的边缘，所产生的叶片状物(设置在EDM机器上作为阴极，而阳极为一平坦PCD，该PCD具有约100厘米的宽度以及约2厘米的厚度，所用的钻石平台的厚度约500微米(μm)，一个导电液被用来在两极之间乘载电。在EDM处理过程中，该PCD渐渐地穿越过固定的BDD叶片，此步骤当BDD渐渐地下降到PCD片时会被重复，而部分被带到接近BDD边缘的PCD会选择性的被电子释放、电解作用或溶解反应所侵蚀。

用这种方法，在脊部所对应的巨齿状结构渐渐地形成在平坦的PCD顶部，当沟槽到达预先决定的高度(如80微米)时，为了几何学上的测量，所形成的巨齿状脊部会被清除，结果导致PCD被旋转90度，并重复此方法以形成角锥，所形成的角锥角度大致上符合在BDD上的巨齿状结构的角度，这些角锥的尖端是和BDD巨齿状结构的凹陷处结构完全相同。

如此形成的PCD平板比借由EDM法且使用金属电极所形成的PCD平板具有改善的尺寸容限，除此之外，更降低BDD叶片的消耗率，而且所用的电压(90伏特)以及电流(30安培)比金属电极法(如120伏特与80安培)所用的更低，在EDM过程中，BDD的开关频率(开20微秒，关20微秒)借由钻石特殊的热稳定性、热导性以及化学惰性而可以多于10次，而在BDD/EDM法中所量测的最大电极温度(约400℃，而氧化作用的最低温度为750℃)约比上述金属/EDM法低200℃左右，而BDD(0.3％)的磨损率比铜钨(30％)磨损率慢，且EDM速度(每分钟20微米)会快两倍。

实施例2.

上述例子的两极颠倒后重复上述步骤，例如该BDD可为阳极，该EDM法除了BDD的磨损率会多两倍外，实际上还是能够使用，而且工件的表面抛光还会因为缓慢的表面腐蚀率而被改善。

实施例3.

阴极被1.6厘米的PCD平板取代(0.5厘米的PCD平台黏合1.6厘米的钨碳化物)后，即可重复实施例1的方法，所用的PCD平板具有25微米的钻石结晶尺寸，其含有10％的钴并具有每厘米0.001欧姆的电阻。

实施例4.

具有100/120筛孔的BDD粗粒被用来制造古铜色研磨轮，其外径借由BDD/EMD法塑形，以在该研磨轮上形成巨齿状结构，该BDD研磨轮被用来作为EDM法的阴极以运用在PCD平板上。当电流释放且穿越PCD表面时，该BDD研磨轮会慢慢地旋转以均匀接触该接触边缘，当脊部形成后，该PCD平板会被旋转以在垂直方向跨越，直到PCD平板形成一连串的角锥型切割元件为止。

实施例5.

BDD形成一个“A”尖端以用来在EDM法中当作阳极使用，而PCD片被旋转让“A”尖端作用于PCD片上以渐渐地形成V型凹槽，该V型凹槽被形成有数个半径位置以在PCD表面制造出同心脊部，所产生的工具可作为配准工件的PCD平板。

实施例6.

重复实施例5的方法，并在三个等距方向切割巨齿状结构的BDD，以形成三角锥，该产生的三角锥可形成同心岛状链，其形成的工具包括绝佳的放射状的研磨剂/碎片通道以及非常锐利的切割点。

当然，必须要了解上述排列仅仅叙述根据本发明的原则所呈现的应用，还有许多改变及不同的排列亦可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下被在本领域具通常知识者所设想出来，而申请范围也涵盖上述的改变和排列，因此，尽管本发明被特定及详述地描述呈上述最实用和最佳实施例，在本领域具通常知识者可在不偏离本发明的原则和观点的情况下座许多如尺寸、材料、形状、样式、功能、运作状态、组合和使用等变动。

Claims (54)

1.一种切割装置，其特征在于其包括有：

基座，其具有工作面，是具有朝向并面向工件的工作面；

复数个个别的切割元件，是排列在该基座的工作面上，每一个切割元件具有尖峰，并包括至少一个由多晶超硬材料形成的切割边缘，切割元件的尖峰被排在一般平面上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于其中该基座及每个切割装置是由整片多晶超硬材料所形成。

3.一种切割装置，其特征在于其包括有：

基座，其具有工作面，其是朝向并面对工件以将材料移除，该基座为整片多晶超硬材料所制成；

复数个个别的切割元件，其是不可缺地形成在该基座的工作面，每一个切割元件具有尖峰，其包括至少一个尖端，而该切割元件的尖峰被排在一般平面上。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于其中该多晶超硬材料包括超硬钻石片。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于其中该多晶钻石片具有等于或小于50微米的钻石粒径。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于其中该多晶钻石片具有为1微米至10微米的钻石粒径。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于其中该多晶钻石片含有80％至98％的钻石含量。

8.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于其中多晶超硬材料包括多晶立方氮化硼片。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于其中该切割装置包括一刨平装置。

10.根据权利要求3所述的装置，其特征在于其中该切割装置包括一加工装置。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于其尚包含一连串的第二切割元件，其是形成在每一个切割元件的面上，该第二切割元件的配置是在利用该切割装置时保有每一个切割边缘的锋利度。

12.根据权利要求1或3所述的装置，其特征在于其中该切割装置的尖峰可用来切割一般的易碎材料。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于其中该易碎材料是一个选自下列族群的物件：金属、硅晶圆、一经平坦化回收的使用过的硅晶圆、LCD玻璃、LED基材、碳化硅晶圆、石英晶圆、氮化硅、氧化锆、蓝宝石、铌酸锂、钛酸锂、锆钛酸铅、砷化镓、氮化镓、氮化铟、磷酸硼、氮化铝以及氮化硼。

14.根据权利要求1或3所述的装置，其特征在于其中每一个切割元件的尖峰包括复数个与一般平面齐平的切割边缘。

15.根据权利要求1或3所述的装置，其特征在于其中每一个切割元件的尖峰包括一个选自于下列群组的形状：正方形、矩形、三角形、六角形、圆形以及椭圆形。

16.根据权利要求1或3所述的装置，其特征在于尚包括一连串的第二切割元件，其具有至少一尖端齐平于第二一般平面，该第二一般平面被配置为离面对基座的一面比一般平面更近，该第二切割元件被配置以限制切割元件切入工件的深度。

17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于其中该第二切割元件的设置终止于一个平坦面。

18.根据权利要求1或3所述的装置，其特征在于其中该切割元件的尖峰削减至相对于一般平面的0.5微米至50微米。

19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于其中该切割元件的尖峰被削减至相对于一般平面的25微米。

20.根据权利要求1或3所述的装置，其特征在于其中一般平面设置为横跨切割装置的工件的200微米至2000微米左右。

21.一个制造如权利要求2或3所述的切割装置的方法，其特征在于是包含下列步骤：

提供一多晶超硬材料片；

材料移除步骤，其是从多晶超硬材料基座的工作面将材料移走，以从多晶超硬材料片形成复数个个别的切割元件。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于其中多晶超硬材料片包括多晶钻石片。

23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于其中该多晶钻石片具有等于或小于50微米的钻石粒径。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于其中该多晶钻石片具有为1微米至10微米的钻石粒径。

25.根据权利要求22所述的方法，其特征在于其中该多晶钻石片含有80％至98％的钻石含量。

26.根据权利要求21所述的方法，其特征在于其中多晶超硬材料包括多晶立方氮化硼片。

27.根据权利要求21所述的方法，其特征在于其尚包括形成一连串的第二切割元件在每一个切割元件的上表面，该第二切割元件的配置是在利用该切割装置时保有每一个切割边缘的锋利。

28.根据权利要求21所述的方法，其特征在于其中该切割装置的尖峰可用来切割一般的易碎材料。

29.根据权利要求28所述的装置，其特征在于其中该易碎材料是一个选自下列族群的物件：金属、硅晶圆、一借由平坦化回收的使用过的硅晶圆、LCD玻璃、LED基材、碳化硅晶圆、石英晶圆、氮化硅、氧化锆、蓝宝石、铌酸锂、钛酸锂、锆钛酸铅、砷化镓、氮化镓、氮化铟、磷酸硼、氮化铝以及氮化硼。

30.根据权利要求21所述的方法，其特征在于其中所形成的切割元件包括在一般平面上的每一个切割元件排列的复数个切割边缘。

31.根据权利要求21所述的方法，其特征在于其中每一个切割元件的尖峰包括一个选自于下列群组的形状：正方形、矩形、三角形、六角形、圆形以及椭圆形。

32.根据权利要求21所述的方法，其特征在于其中该材料移除步骤所使用的方法是选自以下群组：激光剥镀法、电化学加工法、等离子体蚀刻、氧化以及氢化作用。

33.根据权利要求21所述的方法，其特征在于其中该材料移除步骤包括借由放电加工机移除材料。

34.根据权利要求33所述的方法，其特征在于其中放电加工机使用一包括钻石的电极。

35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于其中电极是一个含有掺硼钻石的阳极。

36.根据权利要求35所述的方法，其特征在于其中该掺硼钻石的阳极包括一连串从该阳极延伸出来且被塑形的凸触，该被塑形的凸触被配置以从一沟槽构型的片体表面移除材料。

37.根据权利要求34所述的方法，其特征在于其中该电极为一含掺硼钻石的阴极。

38.根据权利要求35所述的方法，其特征在于其中该含掺硼钻石的阴极包括一连串从该阴极延伸出来的被塑形的凸触，该被塑形的凸触被配置以从一沟槽构型的片体表面移除材料。

39.根据权利要求21所述的方法，其特征在于其中该材料移除步骤包含形成一连串的第二切割元件，其具有至少一尖端齐平于一第二一般平面，该第二一般平面被配置为离面对基座的一面比一般平面更近，该第二切割元件被配置以限制切割元件切入工件的深度。

40.根据权利要求39所述的方法，其特征在于其中每一个第二切割元件的设置终止于一个平坦面。

41.根据权利要求21所述的方法，其特征在于其中该切割元件的尖峰削减至相对于一般平面的0.5微米至50微米。

42.根据权利要求41所述的方法，其特征在于其中该切割元件的尖峰被削减至相对于一般平面的25微米。

43.根据权利要求21所述的方法，其特征在于其中一般平面设置为横跨切割装置的工件的200微米至2000微米。

44.一个产物借由一方法所形成，其特征在于该方法包括：

在具复数个个别切割元件的切割装置上结合一工件表面，该单独切割元件是不可缺地由整片多晶超硬材料的工作面所形成，而每一个切割元件具有尖峰，该尖峰被排在一般平面上；

该工件以及切割装置相对地移动，因此从具切割元件的工件上将材料移除。

45.根据权利要求44所述的产物，其特征在于其中该多晶超硬材料包括超硬钻石片。

46.根据权利要求45所述的产物，其特征在于其中该多晶钻石片具有等于或小于50微米的钻石粒径。

47.根据权利要求46所述的产物，其特征在于其中该多晶钻石片具有为1微米至10微米的钻石粒径。

48.根据权利要求45所述的产物，其特征在于其中该多晶钻石片含有80％至98％的钻石含量。

49.根据权利要求44所述的产物，其特征在于其中多晶超硬材料包括多晶立方氮化硼片。

50.根据权利要求44所述的产物，其特征在于其中每一个切割元件包括齐平于一般平面的切割边缘。

51.根据权利要求44所述的产物，其特征在于其中所用方法尚包括结合一具一连串第二切割元件的工件表面，该切割元件具有至少一尖端齐平于第二一般平面，该第二一般平面被配置为离面对基座的多晶超硬材料面比一般平面更近，该第二切割元件被配置以限制切割元件切入工件的深度。

52.根据权利要求51所述的产物，其特征在于其中该第二切割元件的设置终止于一个平坦面

53.根据权利要求44所述的产物，其特征在于其中该切割元件的尖峰削减至相对于一般平面的0.5微米至50微米。

54.根据权利要求44所述的产物，其特征在于其中该切割元件的尖峰被削减至相对于一般平面的15微米。

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