CN103215011B - 钻石磨料及电镀钻石工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻石磨料及电镀钻石工具。本发明通过镀膜方式，在钻石磨料表面进行改质，钻石磨料的表面覆盖一层导电层，其中具有成分梯度的金属成分使钻石磨料表面具微导电性，且导电层沿着该钻石磨料的表面朝外部方向具有渐增的导电率，使电镀时让电镀层可更有效包覆钻石磨料，以提升钻石磨料与工具基座的附着力。

Description

钻石磨料及电镀钻石工具

技术领域

本发明涉及一种钻石磨料，特别指一种具有微导电特性的钻石磨料及电镀钻石工具。

背景技术

目前钻石工具不论是在3C制造工业、传统制造工业、航钛工业或一般研磨使用的领域上均被广泛地利用，如金属的切割，工件研磨或镜面抛光等；而这些钻石研磨工具大多是通过电镀方式制造。

随着科技的发展，精密的钻石磨料研磨工具被大量的应用于高科技产业中，例如半导体科技产业中的化学机械研磨制程(Chemical MechanicalPolishing，CMP)所使用的抛光垫修整器(Pad Conditioner)，即是将钻石磨料固定、结合于一金属基盘之上，其结合方式除了已知的硬焊方式外，还有使用电镀方式进行的技术，若能使钻石磨料表面带有适当的导电度，在电镀过程，金属镀层可包覆于钻石磨料，使得钻石磨料在研磨的过程中大幅减少掉落的机率。

又如，LED产业中众所周知的主要材料蓝宝石晶圆，在其晶棒长成后需进行切片制程，传统上是利用钻石浆配合裸钢线材来切割，钻石浆的使用量相当大，故不环保、费时且成本高，所以目前已逐渐由电镀钻石线锯(Precision Diamond wire saw，PWS)所取代；电镀钻石线锯是利用电镀方式，将钻石磨料附着一裸钢在线，利用电镀钻石线锯来切割蓝宝石晶圆，可将切割时间由数天缩短到数小时。

在已知的电镀钻石工具中，不论是使用埋镀或是悬浮的方式进行电镀钻石工具，其钻石磨料大多是未经处理，在电镀的过程中直接将裸料投入，使其逐渐埋入金属镀层之中，进而把钻石磨料固定于研磨工具表面。然而，这种方式无法将钻石磨料有效地固定于研磨工具表面，故在研磨过程中极有可造成钻石磨料的脱落，若发生在CMP制程中，会造成晶圆的刮伤；而为了防止钻石磨料脱落，必须增加电镀层厚度，提升镀层对钻石磨料的包覆程度，则使得钻石磨料露出镀层的高度减少，影响到整体的切削能力。

目前市面上虽已有商业化的钻石磨料表面有金属镀层，如镀钛或镀镍，但这些纯金属镀层导电度过高，若使用这类表面镀有金属的钻石磨料在电镀钻石工具上，由于导电镀过高，容易造成在施镀过程中，钻石磨料结成团，进而影响到钻石工具的表面精度或外观等。

发明内容

本发明在于提供一种钻石磨料，其表面具有微导电性的导电层，使钻石磨料在经过电镀制程时可被电镀层所包覆，进而提高钻石磨料与工具表面的附着力。

本发明在于提供一种钻石磨料，其表面的导电层的导电度会因化学组成浓度梯度而有渐增的特性变化。

本发明实施例提供一种钻石磨料，其表面具有一导电层，该导电层具有微导电性，其中该导电层由该钻石磨料的表面的朝外部方向具有一渐增的导电率。

本发明实施例提供一种电镀钻石工具，包括：一工具基座，该工具基座的表面利用一电镀层将多个钻石磨料固定于其上，其中每一该钻石磨料的表面具有一导电层，该导电层具有微导电性，其中该导电层由该钻石磨料的表面的朝外部方向具有一渐增的导电率。

本发明具有以下有益的效果：本发明的钻石磨料的表面具有微导电特性，且其导电性具有渐增的变化，故电镀层可延伸至钻石磨料的表面而部分地或全部地包覆钻石磨料，使钻石磨料与工具基座之间具有较佳的附着力，故可大幅减少钻石磨料在研磨/切削的过程中掉落的机率；另一方面，钻石磨料可以散布的型态固定于工具基座的表面，故对电镀钻石工具而言，其表面精度可被有效地掌握，进而提高研磨/切削的作业精度。

为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。

附图说明

图1显示本发明的钻石磨料的示意图。

图2显示本发明的电镀钻石工具的示意图，其中电镀层系部分地包覆钻石磨料。

图3显示本发明的另一种电镀钻石工具的示意图，其中电镀层全部地包覆钻石磨料。

图4显示乙炔流量与导电层的电阻率的实验曲线。

图5显示本发明利用等离子体辅助化学气相沉积方法在钻石磨料的表面上成型导电层的示意图。

图6显示本发明利用电弧离子镀方法在钻石磨料的表面上成型导电层的示意图。

【主要元件符号说明】

11     钻石磨料

12     导电层

12A    低导电区域

12B    高导电区域

21     工具基座

22     电镀层

31     腔体

32     抽气装置

33     真空计

34     等离子体产生器

41     电源供应器

42     偏压电源产生器

43     抽气装置

44     金属靶材

具体实施方式

本发明在于提供一种钻石磨料，其表面经过改质后，使钻石磨料的表面具有微导电性，使得钻石磨料在电镀附着于工具表面的过程中，电镀金属可以沿着钻石磨料表面生长，提升钻石磨料在工具表面的附着力，且同时保持钻石工具的表面精度。

本发明提供一种钻石磨料的表面改质方式，其步骤如下：

步骤一：如图1，提供钻石磨料11。在本具体实施例中，钻石磨料11为微米(micro)等级或纳米(nano)等级的天然钻石微粒或人工钻石微粒，但不以此为限，优选地，所选用的钻石磨料11的平均粒径范围介于约1微米(μm)至200微米(μm)。

步骤二：一种镀膜(coating)方式，使得钻石磨料11的表面覆盖一层导电层12，且在导电层12中具有成分梯度的金属成分或金属原子的碳化物/氮化物，使钻石磨料11的表面具有微导电性，以使导电层12的导电率由钻石磨料11的表面朝外部方向具有一渐增的特性。在一具体实施例中，本步骤可利用等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)方式，如图5，将钻石磨料11置入一可旋转的腔体31，并以抽气装置32配合真空计33将腔体31抽真空，再通入乙炔(C₂H₂)、惰气及饱和金属化合物，利用等离子体产生器34产生等离子体以在钻石磨料11的表面镀上一层导电层12，且其中具有至少一种的金属成分。前述的金属成分如硼(B)、钨(W)等、或过渡金属元素，如钛(Ti)、铬(Cr)、钒(V)、锆(Zr)等，藉此导电层12可因金属成分的能隙结构而形成具有微导电性的导电壳(shell)，且可通过改变金属成分的浓度使该导电层12由该钻石磨料11的表面朝外部方向具有一渐增的导电率；举例来说，可利用四氯化钛(TiCl₄)使导电层12中具有钛原子，而其浓度具有由钻石磨料11的表面朝外部方向具有一渐增的碳或氮的化学成分梯度(compositional gradient)的控制，进而使导电层12的电阻率沿着导电层12远离钻石磨料11的方向上具有渐减的特性(即导电率渐增)，例如根据本文的实施例，电阻率在80mΩ·cm(毫欧姆·厘米)与20mΩ·cm(毫欧姆·厘米)之间以渐减的方式呈现。因此，本发明并不限制导电层12中的金属成分的种类或含量，仅需考虑的是所形成的导电层12的电阻率由内向外具有介于80至20mΩ·cm之间的渐减特性，以避免后续电镀制程中钻石磨料产生堆栈成团的问题。

而在一变化实施例中，此步骤可利用电弧离子镀(Arc ion plating，AIP)的方式达成，如图6。例如选用金属靶材44，如铬(Cr)靶材利用抽气装置43在真空条件下通入乙炔(C₂H₂)、惰气(如Ar)，并利用电源供应器41产生电弧放电等离子体，将金属靶材44形成离子化蒸气，而钻石磨料11利用偏压电源产生器42以负偏压吸引离子加速撞击并还原沉积于钻石磨料11的表面，其具体结果如图4所示，随着乙炔通入流量的变化(200降至40sccm)，所制作的具有微导电性的导电层12的电阻率约介在80至20mΩ·cm(毫欧姆·厘米)之间，换言之，通过前述具体的乙炔流量与制程时间的变化配合适当的理论推演，导电层12在最接近钻石磨料11的表面的低导电区域12A的电阻率约为70至100mΩ·cm，而导电层12在最远离钻石磨料11的表面的高导电区域12B的电阻率约为5至20mΩ·cm。

值得说明的是，在上述实施例中，当沉积开始时通入较高的乙炔通入量，导电层12中的金属成分会成为金属的碳化物，如碳铬化合物，其化学式为Cr_XC_Y，例如Cr₂₃C₆、Cr₇C₃、Cr₃C₂等。乙炔通入流量逐渐降低时，导电层12中所具有的金属(如铬)含量也随之提高，因而具有较低的电阻率(即较高的导电度)。同样地，导电层12中的钨(W)元素在特定的条件下，可成为碳钨(WC)化合物；而导电层12中的钒(V)元素在特定的条件下，会成为碳钒(VC)化合物。因此，步骤二中的金属成分在特定的制程条件下会成为碳-金属化合物(即金属碳化物)，如上述碳铬化合物、碳钨化合物、碳钒化合物、碳硼化合物等，其均由钻石磨料11的表面朝外部方向具有一化学成分梯度，使导电层12具有一渐增的导电率，以利后续电镀制程的进行；另一方面，在一变化实施例中，在特定的条件下，导电层12中的金属成分也可能转变为金属氮化物。

藉此，经过上述步骤所制作的钻石磨料11可利用电镀制程，例如电镀镍(Ni)固定于一工具基座21的表面，所述的工具基座21可为不锈钢材质、铝合金、钛合金或合金钢等金属材质所制成的研磨垫、切割钢线等等。如图2所示，由于本发明的钻石磨料11的表面具有微导电特性，且具有渐增的导电率特性，故金属电镀层22除了与工具基座21的表面直接接触部分的包覆之外，尚可沿着钻石磨料11上的具有微导电性的导电层12进行延伸成长而包覆钻石磨料11，在本实施例中，金属电镀层22部分地包覆钻石磨料11，而利用钻石磨料11的表面的微导电特性，使得钻石磨料11可被金属电镀层22“抓牢”而紧密地固定于工具基座21上，以形成一种电镀钻石工具，如电镀钻石研磨工具、电镀钻石切削工具；再者，由于金属电镀层22部分包覆钻石磨料11，使钻石磨料11裸露于金属电镀层22的部位较多，可有效提升切削能力。

另外，如图3所示，金属电镀层22全部地包覆钻石磨料11，使钻石磨料11更加紧密地固定于工具基座21上。

综上所述，本发明至少具有以下优点：

1、相较于未经处理的钻石磨料，本发明的经表面改质钻石磨料在电镀时，可以利用较薄的镀层厚度即可得到良好的附着力，而较薄的镀层厚度可让钻石磨料具有更大的裸露面积，进行有效提升工具的切削、研磨能力及速度。

2、本发明可以用较薄的电镀层厚度即可达到高附着力，因此可节省电镀的时间，提高电镀工具(即上述的电镀研磨工具、电镀切削工具)的制作产能。

3、由于本发明的钻石磨料的表面仅具有微导电特性，故金属电镀层不会将钻石磨料以堆叠成团、成块的方式附着于工具的表面，而是以一种分散度高、类似于单颗固定的态样固接于工具的表面，故不影响工具的表面精度。

4、本发明的钻石磨料的表面具有渐增的导电率，故可更有效地改善后续电镀的特性。

然而以上所述仅为本发明的优选实施例，非意欲局限本发明的专利保护范围，故举凡运用本发明说明书及图式内容所为的等效变化，均同理皆包含于本发明的权利保护范围内，合予陈明。

Claims (8)

1.一种钻石磨料，其特征在于，所述钻石磨料的表面具有一导电层，所述导电层具有微导电性，其中所述导电层由所述钻石磨料的表面朝外部方向具有渐增的导电率，所述导电层在最接近所述钻石磨料的表面的电阻率为70至100mΩ·cm，所述导电层在最远离所述钻石磨料的表面的电阻率为5至20mΩ·cm。

2.根据权利要求1所述的钻石磨料，其特征在于，所述导电层中的金属成分具有化学成分梯度。

3.根据权利要求2所述的钻石磨料，其特征在于，所述金属成分为钨或过渡金属元素，其中所述过渡金属元素为钛、铬、钒或锆。

4.根据权利要求1所述的钻石磨料，其特征在于，所述导电层中具有金属碳化物或金属氮化物，所述金属碳化物或金属氮化物由所述钻石磨料的表面朝外部方向具有成分梯度。

5.一种电镀钻石工具，其特征在于，所述电镀钻石工具包括：一工具基座，所述工具基座的表面利用一电镀层将多个钻石磨料固定于所述工具基座上，其中每一所述钻石磨料的表面具有一导电层，所述导电层具有微导电性，其中所述导电层由所述钻石磨料的表面朝外部方向具有一渐增的导电率，所述导电层在最接近所述钻石磨料的表面的电阻率为70至100mΩ·cm，所述导电层在最远离所述钻石磨料的表面的电阻率为5至20mΩ·cm。

6.根据权利要求5所述的电镀钻石工具，其特征在于，所述导电层的金属成分由所述钻石磨料的表面朝外部方向具有成分梯度，所述金属成分为钨或过渡金属元素，所述过渡金属元素为钛、铬、钒或锆。

7.根据权利要求5所述的电镀钻石工具，其特征在于，所述导电层中具有金属碳化物或金属氮化物，所述金属碳化物或金属氮化物由所述钻石磨料的表面朝外部方向具有成分梯度。

8.根据权利要求5所述的电镀钻石工具，其特征在于，所述电镀层部分地或全部地包覆于所述钻石磨料。