JP2008522849A - 金属マトリクス内での超研磨粒子の保持を最大化する方法 - Google Patents

Abstract

金属マトリクス内での超研磨粒子の保持を最大化する方法が開示される。超研磨粒子（１０）は、超研磨粒子（１０）を実質的に劣化させずに金属マトリクス（１５）内の超研磨粒子（１０）を保持する程度まで金属マトリクス（１５）と化学結合できる。超研磨粒子（１０）を実質的に劣化させることは、化学結合プロセスの間に超研磨粒子（１０）が過剰結合するのを防止することによって回避できる。超研磨粒子が過剰結合するのを防止することは、超研磨粒子を金属マトリクス中に保持させるのに十分であるが、超研磨粒子の劣化を最小化する程度まで、超研磨粒子と金属マトリクスとの間の化学結合を抑制することをさらに含んでもよい。

Description

（発明の分野）
本発明は、超研磨材料を含むデバイス、ならびにその製造および使用の方法に関連する。したがって本発明は化学、物理学、および材料化学の分野を含む。

（発明の背景）
被加工物から材料を除去する一般機能を実施するために各種の研磨および超研磨ツールが前世紀に開発されてきた。鋸引き、穿孔、つや出し、洗浄、彫刻、および研削などの作用は、各種の産業にとって重要となっている材料除去プロセスのあらゆる例である。

多数の特定の材料除去用途は、超研磨ツールの使用を必要とする。このような場合、従来の研磨ツールの使用は被加工物の性質、またはプロセスの周囲状況のために実行不可能なことがある。たとえば石、タイル、セメントなどの切断のような作業は、従来の金属鋸刃を使用して試みたときには実現が不可能ではないにしても、法外な費用がかかることが多い。加えて他の材料除去作業の経済性および性能は、超研磨ツールを使用するときにそのより優れた耐久性のために向上しうる。

超研磨材料がツールに組み込まれた１つの一般的な方法は、超研磨粒子としてである。この場合、超研磨粒子は最も頻繁にはマトリクス、たとえば金属マトリクスに埋め込まれ、粒子を直接包囲するマトリクスの一部によって生成された機械力によって所定の場所に保持される。各種の固結技法、たとえば超研磨粒子周囲のマトリクスの電気メッキ、焼結、または熱間プレスが公知である。しかしながら超研磨粒子を包囲するマトリクスは超研磨粒子よりも柔らかいため、使用中により迅速に摩耗し、ダイヤモンド粒子を露出過剰にして、支持されないままにする。結果として、ダイヤモンド粒子は早期に除去され、ツールの耐用寿命を短縮する。

上に挙げた欠点を克服するために多数の試みが行われている。最も顕著には、超研磨粒子をマトリクス、または他の基材材料への化学結合を試みる複数の技法が利用されてきた。このような技法の主な焦点は、超研磨粒子を超研磨粒子と金属マトリクスとの間にカーバイド結合を形成できる反応性元素、たとえばチタン、クロム、タングステンなどでコーティングするか、またはそうでなければそれらと接触させることである。特定のプロセスの例は、それぞれ参照により本明細書に組み入れられている、特許文献１〜４に開示されているプロセスを含む。しかしながらこのようなプロセスは、大半の超研磨粒子の高度に不活性な性質、そして大半の反応性材料の高い融点を含む各種の理由で困難であり、費用がかかる。その上、超研磨粒子をマトリクス材料にカーバイド結合によって化学結合させることは、超研磨粒子とマトリクス材料との間にはるかに強い関係を生じさせるのに対して、形成されたカーバイド材料は超研磨材料ほど強力でなく、それゆえ関係の完全性を潜在的に低下させる。

さらに大半の反応性金属材料の融点は、大半の超研磨材料の安定性閾値温度をはるかに超えている。このために反応性材料が超研磨材料に付着される方法は一般に、ダイヤモンドへの損傷が起こらないように十分に低い温度で実施される固相反応または気体反応のどちらかに制限される。このようなプロセスは、モノリシックコーティングを達成できるのみであり、合金コーティングは生成できない。これらの技法を使用して形成されたカーバイド結合の強度は一般に、単なる機械的結合よりも粒子保持を改善するが、それらはなお超研磨粒子が早期に除去されるようにする。

カーバイド結合を形成する別の方法は、反応性元素を含有するろう付け合金を使用することによる。ろう付け合金が超研磨粒子の周囲へ焼結により固結される。この種の特定のプロセスの一例は、参照により本明細書に組み入れられている特許文献５に見出される。このようなプロセスは超研磨粒子の化学結合を持たないツールよりも大きいグリット保持を有するツールを生じることができるが、一般的な問題として、ろう付け合金の固相焼結はマトリクス材料のみを固結させ、固体状態および気体状態蒸着技法ほど多くの化学結合を獲得しない。

加えて従来のろう付けの使用は、それが一般にツール本体用のマトリクス材料としても作用するために制限されることがある。大半のろう付け合金は、結合媒体として作用し、そして同時にマトリクス材料として作用するには、使用中のこれらの要素それぞれによって要求される特定の特徴のために準備不足である。たとえばより強いカーバイド結合を達成するために、一部の超研磨粒子は意図するツール用途にとっては柔らかすぎる合金を必要とすることがある。柔らかすぎる材料より成るマトリクスはきわめて迅速に摩耗し、超研磨粒子を早期に除去させることがある。
米国特許第３，６５０，７１４号明細書 米国特許第４，９４３，４８８号明細書 米国特許第５，０２４，６８０号明細書 米国特許第５，０３０，２７６号明細書 米国特許第６，２３８，２８０号明細書

それゆえ、向上した超研磨粒子保持および摩耗特徴を示す超研磨ツールは、その作製方法も含めて、進行中の研究開発上の努力を通じて引き続き探求されている。

（発明の要旨）
したがって本発明は、超研磨粒子の金属マトリクス内での保持に関連する方法、そしてこのような粒子を含有する超研磨ツールを作製する方法を提供する。このようなものとして、１つの態様において、超研磨粒子の金属マトリクス内での保持を最大化する方法が提供される。該方法は、超研磨粒子を実質的に劣化させることなく超研磨粒子を金属マトリクス内に保持する程度まで、超研磨粒子に金属マトリクスを化学結合させることを含みうる。超研磨粒子の実質的な劣化を回避することは、超研磨粒子が化学結合プロセス中に過剰結合するのを防止することを含みうる。超研磨粒子が過剰結合するのを防止することはたとえば、超研磨粒子を金属マトリクス内に保持するのに十分であるが、超研磨粒子の劣化を最小化する程度まで、超研磨粒子と金属マトリクスとの間の化学結合を抑制することをさらに含む。１つの態様において、超研磨粒子の劣化は超研磨粒子の異なる材料への変換を含みうる。異なる材料は、非ダイヤモンド形態の炭素、カーバイド、窒化物、ホウ化物およびそれらの組合せを含む、超研磨物が化学結合中に変換されるいずれかの材料を含みうる。

超研磨粒子と金属マトリクスとの化学結合を抑制する各種の機構が考慮され、そのすべてが本発明の範囲内に含まれるものである。このような抑制は、金属マトリクス中の反応性元素の利用可能な量を変化させることを含みうる。１つの態様において、たとえば化学結合の抑制は、金属マトリクス中の反応性元素の相対量を抑制する、または最小化さえすることを含みうる。

化学結合の抑制は、超研磨粒子と金属マトリクスとの化学結合を抑制する保護材料によって金属マトリクスを希釈することによっても実現できる。１つの態様において、金属マトリクスの希釈は、金属マトリクスとの化学結合の前に、超研磨粒子を保護材料でコーティングすることを含みうる。別の態様において、金属マトリクスの希釈は、超研磨粒子との化学結合の前に、保護材料を金属マトリクスと混合することを含みうる。

金属マトリクスへの化学結合中に超研磨粒子が過剰結合するのを防止するように機能できる各種の保護材料が考慮される。例は制限なく、銅、銀、亜鉛、スズ、チタン、ケイ素、クロム、タングステン、ジルコニウム、ならびにそのカーバイド、窒化物、および合金を含めたそれらの混合物を含む。１つの態様において、保護剤は銅でありうる。

本発明は超研磨ツールを作製する方法も提供する。このようなものとして、１つの態様において、本明細書で挙げるような超研磨粒子の金属マトリクスでの保持改良を有する超研磨ツールを作製する方法が提供される。該方法は、超研磨粒子を提供することと、超研磨粒子を超研磨ツールに組み込むこととを含みうる。１つの態様において、超研磨粒子と金属マトリクスとの間の化学結合を、超研磨粒子を金属マトリクスに保持させるのには十分であるが、超研磨粒子の劣化を最小化する程度まで抑制する保護材料を超研磨粒子にコーティングできる。

超研磨粒子を金属マトリクスに化学結合させるプロセスの間に超研磨粒子が過剰結合するのを防止するために金属マトリクスが保護材料によって希釈されるという条件で、未コーティング超研磨粒子を超研磨ツール内に組み込まれることもできる。

超研磨粒子に関して、超研磨物としての使用に適切ないずれの超硬材料も本発明の範囲内であると見なされる。特定の例は制限なく、ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、多結晶立方晶窒化ホウ素、およびそれらの組合せを含む。本発明の１つの態様において、超研磨ツールが提供される。このようなツールは、ろう付け合金コーティングと化学結合した少なくとも１つの超研磨粒子を含むことができ、前記ろう付け合金コーティングは保護材料を含み、前記ろう付け合金コーティングはろう付け合金単独と比較して、コーティング済み超研磨粒子に改善された強度を提供する保護材料を含む。

超研磨ツールは、その意図する用途に応じて各種の配置を取ることができる。このようなものとして、１つの態様において、超研磨粒子は、それらが共に結合されたときに所定のパターンに実質的に従うように所定のパターンに配列できる。

それゆえ下記の本発明の詳細な説明がより良く理解され、従来技術への本寄与がより良く認識されるように、本発明の様々な特徴をむしろ広範に概説してきた。本発明の他の特徴は、添付の請求項と併せて以下の本発明の詳細な説明からより明らかになろうし、または本発明の実施によって学ぶことができる。

（詳細な説明）
本発明を開示および説明する前に、関連技術の当業者によって認識されるように本発明は、本明細書で開示する個別の構造、プロセスステップ、または材料に限定されるものではなく、その同等物にまで拡張されることが理解されるはずである。また本明細書で採用する用語は個別の実施形態を説明するためにのみ使用されるものであり、限定するものではないことが理解されるはずである。

本明細書および添付請求項で使用する場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかに別途指示しない限り、複数の対象を含むことに注意すべきである。それゆえたとえば、「ダイヤモンド粒子（ａ ｄｉａｍｏｎｄ ｐａｒｔｉｃｌｅ）」への言及は、１つ以上のこのような粒子を含み、「炭素源（ａ ｃａｒｂｏｎ ｓｏｕｒｃｅ）」への言及は、１つ以上のこのような炭素源への言及を含み、そして「反応性材料（ａ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）」への言及は、１つ以上のこのような材料への言及を含む。

（定義）
本発明を説明および請求する際に、以下の用語を以下に示す定義に従って使用する。

本明細書で使用する場合、「超硬」および「超研磨」は互換的に使用でき、約４０００ｋｇ／ｍｍ^２以上のＶｉｃｋｅｒ硬度を有するような結晶、または多結晶材料、またはこのような材料の混合物を指す。このような材料は、制限なく、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）はもちろんのこと、ならびに当業者に公知の他の材料も含みうる。超研磨材料は非常に不活性であり、それゆえ化学結合を形成することが困難であるが、クロムおよびチタンなどのある反応性元素は、ある温度において超研磨材料と化学反応できることが公知である。

本明細書で使用する場合、「金属の」は、１つの金属、または２つ以上の金属の合金を指す。多種多様の金属材料、たとえばアルミニウム、銅、クロム、鉄、鋼、ステンレス鋼、チタン、タングステン、亜鉛、ジルコニウム、モリブデンなどが、その合金および化合物を含めて当業者に公知である。

本明細書で使用する場合、「ろう付け合金（ｂｒａｚｅ ａｌｌｏｙ）」、「ろう付け合金（ｂｒａｚｉｎｇ ａｌｌｏｙ）」、「金属マトリクス」および「金属合金」は互換的に使用でき、合金と超研磨粒子との間の化学結合の形成を可能にする反応性元素の十分な量を含有する合金を指す。該合金は、中に反応性元素溶質を有する金属キャリア溶媒の固体または液体溶液のどちらかでありうる。その上「ろう付けされた」は、超研磨粒子とろう付け合金との間の化学結合の形成を指すために使用できる。

本明細書で使用する場合、「粒子」および「グリット」は互換的に使用でき、超研磨材料と関連して使用するときにはこのような材料の微粒子形を指す。このような粒子またはグリットは円形、長楕円、正方形、自形などを含む各種の形状はもちろんのこと、多数の特定のメッシュサイズを取りうる。当分野で公知であるように、「メッシュ」はＵ．Ｓ．メッシュの場合のように、単位面積当たりの孔の数を指す。

本明細書で使用する場合、「支持マトリクス」および「ツールマトリクス」は互換的に使用でき、本明細書で挙げるツール前駆体および前駆体元素を含めた、研磨元素を収容できる材料または物質を指し、超研磨粒子の金属マトリクスコーティングに使用されるのとは異なる材料より成る。一部の態様において、支持マトリクスは完全なツール本体でありうるが、他の態様においては、支持マトリクスはツール本体の単なる部分またはセグメントありうる。

本明細書で使用する場合、「反応性元素」および「反応性金属」は互換的に使用でき、超研磨粒子と化学的に反応して、化学結合する金属元素を指す。反応性元素の例は、制限なく、ジルコニウム（Ｚｒ）およびタングステン（Ｗ）などの耐熱元素を含む、チタン（Ｔｉ）およびクロム（Ｃｒ）などの遷移金属はもちろんのこと、アルミニウム（Ａｌ）などの非遷移金属および他の材料を含みうる。さらに技術的には非金属であるケイ素（Ｓｉ）などのある元素は、ろう付け合金中に反応性元素として含まれうる。

本明細書で使用する場合、「保護材料」という用語は、超研磨粒子と著しく反応せず、化学結合しない金属元素、金属元素の混合物、金属および非金属元素の混合物、非金属元素、または非金属元素の混合物を指す。保護材料の例は、制限なく、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、スズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、およびそれらの混合物を含みうる。「保護材料」は、金属マトリクス中の他の反応性元素よりも低い程度まで超研磨粒子と反応する反応性元素も指す。このようなものとして、これらの「より反応性の低い」元素は、より高い反応性の元素を含有する金属マトリクスと共に利用されたときに、超研磨粒子が過剰結合するのを防止するように機能しうる。

本明細書で使用する場合、「濡れ」は、超研磨粒子の表面の少なくとも一部分に亘って溶融金属を流すプロセスを指す。濡れは、少なくとも一部は、溶融金属の表面張力によることが多く、反応性元素が存在するときに、超研磨粒子と溶融金属との間にその界面にて化学結合の形成を引き起こすことができる。

本明細書で使用する場合、「冶金結合」は、２つ以上の金属間の結合を指す。このような結合は、液体金属の絡み合いおよびその凝固によって生成された結合のような、金属間の単純な機械的ロックまたは結合でありうる。さらにこのような結合は、金属間で生じる典型的なイオン結合のように、性質が化学的でありうる。

本明細書で使用する場合、「化学結合（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｂｏｎｄ）」および「化学結合する（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｂｏｎｄｉｎｇ）」は互換的に使用でき、原子間の界面で二成分固体化合物を生成するのに十分強力である引力を原子間に及ぼす分子結合を指す。本発明に含まれる化学結合は、ダイヤモンド超研磨粒子に場合には通例カーバイド、あるいは立方晶窒化ホウ素の場合には窒化物またはホウ化物である。

本明細書で使用する場合、「コーティングする」、「コーティング」、および「コーティング済み」は、反応性金属、反応性金属合金、または保護材料と緊密に接触している超研磨粒子の外面の少なくとも一部に沿ったエリアを指す。反応性金属の場合には、化学結合は粒子と金属または合金との間に形成でき、あるいはこのような化学結合は、反応性金属、または反応性金属合金の液化および固化時に形成できる。保護材料は一般に超研磨粒子と反応しないため、保護材料コーティングは機械的結合または他の非化学結合によってそれに結合できるが、化学結合は利用される特定の保護材料に応じて発生しうる。一部の態様において、反応性金属または保護材料コーティングは、超研磨粒子全体を実質的に収容または包囲する層でありうる。このような層が一部の例では、ある最小の厚さに制限されることが理解されるはずである。さらにこのようなコーティングを粒子へ個別に、または粒子の群として施用できることと、たとえば支持マトリクスと組合せてあるツールを形成できるツール前駆体を形成するために、このようなコーティングを超研磨粒子のツールへの組み込み前に独立したステップとして実施できることが理解されるはずである。その上、多数のコーティング済み粒子は、追加の研磨粒子を伴って、または伴わずに共に固結され、支持マトリクス内へ組み込ませる必要なしにそれ自体で、そして単独でツールとして使用することが可能である。

本明細書で使用する場合、「セパレータ」は、このような超研磨粒子に金属マトリクスでコーティングするプロセス中に超研磨粒子を分離できるいずれかの形の材料を指す。１つの態様において、セパレータは金属マトリクスと化学的に反応する親和性を持たない耐熱性粉末でありうる。別の態様において、セパレータは粒子を分離するための複数の開口を備えたシート、トレー、または他の形でありうる。

本明細書で使用する場合、「実質的に」は、１００％に近く、そして１００％を含む状況を指す。実質的には、１００％が望ましいが、そこからの少しの逸脱が許容されることを示すために使用される。たとえば実質的にすべての超研磨粒子は、すべての超研磨粒子の群および比較的少量の超研磨粒子を除去したすべての超研磨粒子の群を含む。

本明細書で使用する場合、複数の品目、構造元素、組成元素、および／または材料は便宜上、共通のリストに表すことができる。しかしながらこれらのリストは、個別で独自の構成要素として個々に識別されるかのように解釈されるべきである。それゆえこのようなリストの個々の構成要素は、反対の指摘なしに、共通グループでのその表現のみの基づいて同じリストの他のいずれかの構成要素の事実上の同等物として解釈されるべきではない。

濃度、量、および他の数値データは、本明細書では範囲形式で表示または表現できる。このような範囲形式は、単に便宜的に、そして簡潔にするために使用するものであり、それゆえ範囲の限度として明白に挙げられた数値を含むだけでなく、範囲内に包含されるすべての個々の数値または下位範囲をも、各数値および下位範囲が明白に列挙されているかのように含むと柔軟に解釈すべきことが理解されるはずである。一例として、数値範囲「約１〜約５」は、約１〜約５の明白に挙げられた値を含むだけでなく、指示された範囲内の個々の値および下位範囲も含むと解釈するべきである。したがって、この数値範囲に含まれるのは、個々の値、２、３および４ならびに下位範囲、たとえば１〜３、２〜４および３〜５などである。

この同じ原理が１つの数値のみを挙げる範囲にも適用される。さらに、このような解釈は、説明する範囲の広さまたは特徴とは無関係に適用すべきである。

（発明）
本発明は、超研磨粒子の改善された保持を有する超研磨ツールはもちろんのこと、その各種の成分、たとえばコーティング済み超研磨粒子、およびツール前駆体を含む。加えて本発明は、そのようなツールおよび成分の製造のための各種方法を含む。１つの態様において、超研磨粒子の金属マトリクスでの保持を最大化する方法が提供される。このような方法は、超研磨粒子を金属マトリクスに、超研磨粒子を実質的に劣化させることなく超研磨粒子を金属マトリクス内に保持する程度まで化学結合させることを含みうる。超研磨粒子を実質的に劣化させるのを回避することは、超研磨粒子が化学結合プロセス中に過剰結合するのを防止することを含む。

とりわけ本発明の超研磨粒子の金属マトリクスでの保持は、大部分はコーティングと超研磨粒子との間で達成される化学結合の量によるものである。このような化学結合の非存在または名目上の存在は、公知の方法、たとえば電気メッキおよび焼結を利用するツールでの早期の粒子引き抜きの主な原因である。しかしながら化学結合は、超研磨粒子の強度を損なうことがある。ここで、超研磨粒子の強度と、その粒子の金属マトリクスでの保持との間の最適なバランスは、所望の保持のために十分な化学結合をなお維持しながら、ろう付け金属の保護材料による希釈によって形成された化学結合の数を実際に減少させることによって達成できることが考えられる。

各種の機構が化学結合の結果としての超研磨粒子の劣化に関与していると考えられる。１つの態様において、化学結合が起こる表面に沿う超研磨材料は、より低い強度の超研磨材料の、または別の材料の形に逆変換できる。粒子の表面でのこのような脆弱化は、機械的応力下にあるときに金属マトリクスから粒子を引き抜かせる。一例として、ダイヤモンド超研磨粒子は化学結合中に表面に沿ってグラファイト、アモルファス炭素、ダイヤモンド様炭素などに逆変換できる。これらの非ダイヤモンド形態の炭素は、超研磨粒子のダイヤモンド格子より弱いことがあり、それゆえその強度は金属マトリクス界面にて損なわれることがある。

別の態様において、超研磨粒子の強度は、超研磨粒子および金属マトリクスのどちらとも異なる、粒子と金属マトリクスとの間の境界に沿った材料の形成によって損なわれることがある。金属マトリクスは、超研磨粒子の表面と化学結合するときにカーバイドまたは窒化物結合を生成する傾向があるカーバイドまたは窒化物フォーマーである反応性元素を含有することが多い。たとえば超研磨粒子がダイヤモンドであり、金属マトリクスがチタンを含有するろう付け合金である場合、チタンカーバイド結合がダイヤモンドとろう付け合金との間に形成されるであろう。このような結合の形成は一部は、ダイヤモンド表面に沿った炭素のカーバイドへの変換によって生じる。このカーバイドへの変換は超研磨粒子の多少の劣化を引き起こすことがあり、カーバイドが超研磨粒子よりも弱いために、コーティング済み超研磨粒子の強度全体を低下させる。このような脆弱化は、カーバイド結合を形成するために粒子表面から浸出する超研磨材料によることがある。

それゆえ、１つの態様において、超研磨粒子と金属マトリクスとの間の化学結合は、超研磨粒子を金属マトリクスに保持させるのには十分であるが、超研磨粒子の劣化を最小化する程度まで抑制させることができる。別の態様において、超研磨粒子を金属マトリクスに保持させるのには十分であるが、超研磨粒子の別の材料への変換を最小化する程度まで、化学結合を抑制することができる。異なる材料は、超研磨粒子を変換することができる、カーバイド、窒化物、ホウ化物、およびそれらの組合せを制限なく含むいずれかの材料を含む。

したがって、化学結合を抑制する各種の方法が考慮される。１つの方法において、ろう付け材料を含有する金属マトリクスは、超研磨粒子と金属マトリクスとの間の化学結合を抑制する保護材料によって希釈できる。超研磨粒子の変換の最小化との間のバランスを達成できる各種の希釈機構が考慮される。１つの態様において、保護材料は、超研磨粒子へのコーティングとして金属マトリクスとの化学結合前に施用できる。金属マトリクスは、保護材料のコーティングが液化してそれと希釈されるときに希釈される。保護コーティングは本質的に超研磨粒子と本質的に非反応性であるか、金属マトリクスのろう付け材料と比較してより反応性が低いので、このような希釈は形成される化学結合の割合を低下させる。保護コーティングは単層または多層で施用できる。

このようなコーティングは当業者に公知のいずれかの手段、たとえば気体蒸着技法、電気メッキ、焼結、スパッタリングなどによって施用できる。コーティングの厚さは、超研磨粒子との所望の割合の化学結合を形成するために調節できる。このようなものとして、超研磨材料、保護材料、金属マトリクス材料の各種の物理的および化学的特徴、ならびにツールの意図する目的に応じて、コーティングの厚さに幅広い変化がありうる。しかしながら一例として、１つの態様において、コーティングの厚さは約５０ミクロン未満でありうる。別の例において、コーティングの厚さは約１ミクロン〜約４０ミクロンでありうる。なお別の例において、コーティングの厚さは約５ミクロン〜約３０ミクロンでありうる。さらなる例において、コーティングの厚さは約１０ミクロンでありうる。なお別の例において、コーティングの厚さは約２０ミクロン未満でありうる。

別の態様において、希釈は保護材料と金属マトリクスを超研磨粒子への化学結合前に混合することを含む。混合した保護材料の量は、超研磨粒子との所望の割合の化学結合を形成するために調節できる。超研磨粒子に保護材料をコーティングすることと同様に、超研磨材料、保護材料、金属マトリクス材料の各種の物理的および化学的特徴、ならびにツールの意図する目的に応じて、金属マトリクスを希釈するために使用される保護材料の量には幅広い変化がありうる。希釈した金属マトリクスは、裸の超研磨粒子と、あるいは追加の保護材料および／または反応性元素によってコーティングされた超研磨粒子と反応することができる。加えて、超研磨粒子と金属マトリクスとの間の化学結合を抑制する別の方法において、金属マトリクス中の反応性元素の相対量を減少させることができる。

保護材料は、金属マトリクスを希釈するために使用されるときに、化学結合を抑制するように機能することが公知であるいずれの材料も含みうる。多くの保護材料は超研磨粒子との反応性をほとんどまたは全く示さないが、他の保護材料もカーバイドまたは窒化物結合を形成することが公知である反応性元素として利用できることに注目すべきである。このような場合、材料を保護性として定義するのは、金属マトリクスと比較した相対反応性である。チタンなどの材料は反応性でありうるが、それが金属マトリクスの成分よりも反応性が低い場合、その中に混合されたときに保護機能を提供するであろう。したがって保護材料は制限なく、銅、金、銀、亜鉛、スズ、チタン、ケイ素、クロム、タングステン、ジルコニウム、ならびにカーバイド、窒化物、および合金を含めたそれらの混合物を含むことができる。

使用される超研磨粒子は、各種の特定の種類のダイヤモンド（たとえば多結晶ダイヤモンド）および立方晶窒化ホウ素（たとえば多結晶ｃＢＮ）から選択でき、反応性材料と化学結合できるはずである。さらにそのような粒子は、それらが中に組み込まれることが予想されるツールの特定の目的に適応するために要求されるような、多数の各種の形状を取りうる。しかしながら１つの態様において、超研磨粒子は、天然ダイヤモンド、合成ダイヤモンド、および多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）を含むダイヤモンドでありうる。なお別の態様において、超研磨粒子は単結晶または多結晶のどちらかの立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）でありうる。なお別の態様において、超研磨粒子はＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、およびＷＣからなる群より選択される構成要素でありうる。

超研磨粒子との所望の化学結合を達成するために、多数の反応性元素を金属マトリクス内で使用できる。金属マトリクスは、超研磨粒子をツールに化学結合させることができるか、または超研磨粒子外側のコーティングとなりうる。このようなコーティング済み超研磨粒子は各種のツール中に組み込ませることができる。したがって金属担体によって合金にすることができる多種多様の反応性元素は当業者に公知であり、個別の反応性元素の選択は各種の因子に依存することがある。本発明で使用する金属マトリクスへの組み込みに適切な反応性元素の例は制限なく、アルミニウム（Ａｌ）、ボロン（Ｂ）、クロム（Ｃｒ）、リチウム（Ｌｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、モリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍｎ）、ニオブ（Ｎｂ）、ケイ素（Ｓｉ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、およびそれらの混合物を含む。１つまたは複数の反応性元素に加えて、本発明の態様に従って化学結合を形成するために使用される金属マトリクスは、少なくとも１つの他の金属を担体または溶媒として含む。当業者によって認識されたいずれの金属もこのような担体または溶媒、とりわけ超研磨ツールの作製での使用に関して公知である担体または溶媒として使用できる。しかしながら一例として、本発明１つの態様において、このような金属は制限なく、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびその合金を含みうる。

上で触れたように、反応性元素を別の金属と合金させる１つの目的は、反応性元素の実効融点を、超研磨粒子と化学結合するその能力を維持しながら低下させることである。当分野で公知であるように、多くの超研磨材料、たとえばダイヤモンドの熱安定性限度は約９００℃〜約１２００℃の範囲である。このようなものとして、本発明の１つの態様において、使用される個別の超研磨材料の熱安定性限度内の、またはそれ以下の融点を有する合金を提供するために、反応性金属合金の成分および正確な比を選択できる。実際には、両方の元素の融解温度を低下させて、約１２００℃未満の融解温度を有するろう付け合金を得るために、溶媒金属を選択し、適正な量で反応性元素と化合させることができる。なお別の態様において、融解温度は約９００℃以下でありうる。さらに保護材料の金属マトリクスへの添加は、超研磨粒子の劣化を低減し、それゆえコーティング済み超研磨粒子の全体強度を向上させることができる。

当業者によって認識されるように、特定の反応性金属と他の特定のキャリア金属との多数の組合せを異なる比または量で合金させ、超研磨粒子に化学結合させて、適切な融点を有する合金を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、反応性元素の含有率は合金の少なくとも約１％でありうる。別の態様において、元素の量は合金の少なくとも約５％でありうる。

本発明の別の態様において、金属マトリクスでコーティングした超研磨粒子は、コーティングの外側部分に結合される少なくとも１つの金属オーバーコート層をさらに含むことができる。当業者によって認識されるように、多数の材料がこのような金属オーバーコートに使用でき、特定の選択は主マトリクス材料およびコーティング済み粒子が組み込ませるツールの設計を含む多数の因子に基づくことができる。しかしながら１つの態様において、金属オーバーコートはＣｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、およびそれらの混合物からなる群より選択される少なくとも１つの金属を含むことができる。認識されるように、コーティング済み粒子の所望の総コーティング厚を達成するために、１つ以上のオーバーコートを利用できる。１つの態様において、超研磨粒子の周囲に達成される総コーティング厚は、超研磨粒子の直径より大きくてもよい。

金属オーバーコートに加えて、多数の各種の他の材料を保護材料および／またはろう付け合金コーティングへのオーバーコートとして施用できる。図１ａ〜１ｃを参照すると、本発明による固化液体ろう付けコーティング１５でコーティングされた超研磨粒子１０の各種の実施形態が示されている。見てわかる通り、図１ｃはより小さい粒子２０のコーティング外側への結合をさらに示している。一部の態様において、このような粒子は、このような微粒子それぞれがコーティング済み超研磨粒子より小さいサイズを有するという条件で、各種の構成の材料でありうる。特定の種類の例は制限なく、金属微粒子、金属合金微粒子、たとえばカーバイド、または超研磨微粒子を含む。特定のカーバイド微粒子の例は制限なく、ＳｉＣ、ＷＣ、およびＴｉコーティング済みｃＢＮを含む。１つの態様において、このような粒子はコーティング済み超研磨粒子より小さいサイズを有するダイヤモンドまたは他の超研磨粒子でありうる。このようなコーティングが超研磨粒子の保持強度をさらに向上させることが見出されている。明確には、これらの種類のコーティングは、反応性金属合金コーティングの外側と、コーティング済み超研磨粒子が中に組み込まれるツールのマトリクス材料との間の段階的な、すなわち「勾配」移行をもたらす。それゆえ２つの材料間のより鋭い移行によって生成された弱い界面が消滅する。

本発明の１つの態様において、溶融ろう付け合金は超研磨粒子表面の少なくとも約４０％を濡らすことができる。別の態様において、合金は超研磨粒子表面の少なくとも約５０％を濡らすことができる。なお別の態様において、合金は超研磨粒子表面の少なくとも約６０％を濡らすことができる。一部の態様において、超研磨粒子表面の少なくとも約８０％以上がろう付け合金によって濡らされうる。

１個の溶融ろう付けまたは保護材料コーティング済み粒子がツールへの組み込みのためのツール前駆体として作用できることに注目すべきである。さらに本発明に従って、複数のコーティング済み粒子は共に各種の１、２、および３次元配置へと冶金結合され、ツール前駆体として使用できる。一部の態様において、ツール前駆体は本質的に、超研磨粒子および固化溶融ろう付け合金から成りうる。たとえばここで図２を参照すると、本発明による１次元ツール前駆体３０の１つの実施形態が示されている。ツール前駆体は、金属マトリクスコーティング１５によってそれぞれコーティングされ、共に冶金結合された複数の超研磨粒子１０を含む。超研磨粒子は一列に並んで、１次元針型構造を形成する。さらに図３は、図２に示す複数の１次元構造を共に冶金結合によって作製される２次元ツール前駆体４０を示す。本発明のなお別の実施形態において、複数の２次元ツール前駆体、たとえば図２に示すようなプレート、スティック、またはロッドは、３次元構造（図示せず）を形成するために共に冶金結合することができる。図２および３に示すツール前駆体の粒子は所定のパターンに従って配置されるが、一部の態様において、粒子位置決めはランダムでありうることに注目すべきである。

本発明はさらに、本明細書で述べたコーティング済み超研磨粒子およびツール前駆体などのその各種の成分を含む超研磨ツールを作製および使用する各種の方法を含む。このような方法は、上の器具について開示された材料、構造、寸法、および他のパラメータはもちろんのこと、当業者によって認識されるその同等物を利用できる。１つの態様において、本発明は超研磨粒子を反応性金属合金コーティングに化学結合させる方法を含む。このような方法は、超研磨粒子を溶融液体状態のろう付け合金で被覆するステップと、反応性金属合金が超研磨粒子と化学結合するように液体ろう付け合金を超研磨粒子の周囲で固化させるステップとを含みうる。本発明の別の態様において、化学結合プロセス中に超研磨粒子が過剰結合するのを防止するための方法が提供される。このような方法は、超研磨粒子を金属マトリクスに保持させるのには十分であるが、超研磨粒子の別の材料への変換を最小化する程度まで化学結合を抑制する保護材料でコーティングされた超研磨粒子を提供することを含む。したがって超研磨粒子を超研磨ツール内へ組み込ませることは、各超研磨粒子の少なくとも一部を金属マトリクスに化学結合させることを含みうる。

当業者は、他の利用技法のうちで粒子を合金中に浸漬すること、そして合金を粒子に滴下させることなどによって、超研磨粒子を金属マトリクスで被覆する多数の方法を認識するであろう。しかしながら本発明の１つの態様において、被覆ステップは：超研磨粒子を有機バインダ材料によってコーティングするステップと、ろう付け合金の粉末形を超研磨粒子に有機バインダ材料と共に付着させるステップと、合金を溶融させて、超研磨粒子にコーティングおよび化学結合させるのに十分な温度まで反応性金属合金を加熱するステップとをさらに含むことができる。

各種の有機バインダが当業者によって本文脈での使用に適切であると認識されるであろう。しかしながら１つの態様において、バインダ材料は：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からなる群より選択される構成要素でありうる。別の態様において、バインダはＰＥＧでありうる。さらに反応性金属合金の粉末形をバインダコーティング済み粒子に、合金をそれに付着させる目的で施用することは、各種の方法、たとえばバインダコーティング済み粒子を粉末と共に回転、浸漬、または転倒させせることによって達成できる。さらにこのような用途は所望のコーティングを形成するために、超研磨粒子上へ粉末をスプレー、シャワー、発射、またはそうでなければ配向させる各種の方法によって実施される。このような方法の一例は、流動床流の利用による。粉末をバインダコーティング済み粒子に付着させる他の方法は当業者によって認識されるであろう。

粉末コーティング済み超研磨粒子を加熱する各種の方法は、当業者によって認識されるように利用できる。利用される加熱機構には、粉末化されたろう付け合金を溶融液体状態へ溶融させるのに十分な温度に到達する能力を除いて、特殊な制限は与えられない。液体合金は溶融すると、超研磨粒子を濡らし、所望の化学結合をその界面にて形成するであろう。さらに合金の溶融および液化を促進するために、加熱に加えて、フラックスの添加などによる他の機構、または当業者に認識される他の方法をこのような方法が超研磨粒子の濡れおよび所望の化学結合の形成を妨害または防止しない限り使用できる。

一部の状況の下では、超研磨粒子を金属マトリクスで被覆する前にある材料で最初にコーティング、すなわち「予備処理」することが望ましい。このようなアンダーコーティング材料はいずれかの研磨粒子と共に使用できるが、きわめて不活性なある超研磨粒子、たとえばｃＢＮによることがとりわけ好都合である。このような材料の高い不活性度は、金属マトリクスとの化学結合を生成することを困難にする。したがって本発明の１つの態様において、超研磨粒子は反応性材料の予備処理、またはアンダーコーティング層を超研磨粒子上に形成することによって調節できる。このようなアンダーコーティング層は通例、従来方法、たとえば上で述べた固体および蒸着技法によって形成できる。１つの態様において、予備処理層は：クロム、ケイ素、チタン、タングステン、ならびにカーバイド、窒化物、および合金を含めたそれらの混合物からなる群より選択される反応性材料でありうる。別の態様において、反応性材料はチタンでありうる。別の態様において、反応性材料はタングステンカーバイドでありうる。別の態様において、反応性材料はケイ素カーバイドでありうる。なお別の態様において、反応性材料はクロムでありうる。なお別の態様において、超研磨粒子を、実質的により反応性の低い保護材料と混合された反応性材料を含むアンダーコートによって予備コーティングできる。当業者は、溶融ろう付け合金との化学結合を促進または向上させるために、多層で形成された材料を含む、超研磨粒子に最初に蒸着させることができる他の適切な材料を認識するであろう。

実際問題として、複数の超研磨粒子が１回の処理イベントで金属マトリクスによって同時にコーティングされることはよくあることである。そのような例では本発明のある態様に従って、コーティング済み粒子が共に融合または接合するのを防止することが望ましい。このようなものとして、１つの態様において、加熱は、加熱の粒子の分離を可能にするセパレータ内に超研磨粒子を分散させることと、合金を溶融させて、超研磨粒子を濡らし、化学結合させるのに十分な温度まで反応性金属合金を加熱することと、超研磨粒子をセパレータから取り出すこととを含みうる。各種の分離方法および器具を利用できる。個別のセパレータの特定の選択は、速度、経済性、および達成される結果の品質などの因子によって決定される。しかしながら、１つの態様において、セパレータは、ろう付け合金と反応せず、そして高温に耐えられる粉末でありうる。そのような材料の例は制限なく、オキシド粉末、たとえばＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、またはＺｒＯ_２、および窒化物粉末、たとえばＢＮ、ＡｌＮを含む。他の非反応性粉末化材料が当業者によって認識されるであろう。

別の態様において、セパレータはその中に複数の開口を備えたプレートでありうる。開口の特定のサイズおよび配置は一部は、コーティングされる超研磨粒子のサイズおよび形状によって決定できる。しかしながら一般的な手順として、１個の超研磨粒子をプレートの各開口にコーティング済みまたは未コーティング状態のどちらかで配置できる。過剰な粒子はプレートから一掃され、次に開口はろう付け粉末によって充填される。次に粒子およびろう付け合金を含有するプレートを十分な量の熱を受けさせて、ろう付け合金を溶融させ、粒子の濡れおよび化学結合の形成を引き起こさせる。粒子が開口内での蒸着前に予備コーティングされていない場合、次に粉末化コーティングは、開口内または開口上に配置することができ、十分な量の熱によって溶融されたときに超研磨粒子を被覆し、それに付着するであろう。

溶融したろう付け合金が超研磨粒子に結合した後に、粒子は冷却されて、ろう付け合金を固化する。合金が固化されると、コーティング済み超研磨粒子をセパレータから除去され、１つ以上のオーバーコートを施用することによって、または追加のより小さい粒子をそれに結合させることなどによって、上で言及したようないずれかの追加の処理ステップを受けさせることができる。あるいはコーティング済み超研磨粒子は、粒子をツール本体に結合させることによって、たとえばコーティング済み粒子をマトリクス内へ含浸させることによって、または一部の態様において、単に複数の粒子を共に結合させることによって、ツール内へ直接組み込ませることができる。

あるいは本発明の一部の態様において、超研磨粒子を、それらを同じステップで共に金属結合もさせる方式で同時にコーティングさせることが望ましい。たとえば１次元、２次元、または３次元ツール前駆体が望ましいときに、たとえば規定形状のトレーに粒子を配置することによって、または上に挙げたような粒子の個々の配置によって粒子を所望の構成に単に配置することと、次に粒子を全部一緒に溶融ろう付け合金でコーティングすることが好都合である。合金の固化時に、粒子がそれに化学結合するようになるだけでなく、粒子の金属マトリクスコーティングは相互に冶金結合されるようになる。１つの態様において、ろう付け材料は粉末として提供できる。別の態様において、ろう付け材料はアモルファスろう付け合金のシートまたは箔として提供できる。

コーティング済み超研磨粒子またはツール前駆体が完成すると、粒子または前駆体を支持マトリクスに冶金結合をすることによってそれをツール内に組み込ませることができる。このようなコーティング済み超研磨粒子に対して、特に制限なく、ソーブレード、ドリルビット、砥石車、および化学機械研磨パッドドレッサーを含む多数のツールが用途を見出すことができる。コーティング済み粒子をこのようなツールへ組み込ませる多数の方法が当業者によって認識され、特定の組み込み方法はツール中の他の材料、ツール構成、ツールの目的、支持マトリクスの種類などの多数の因子によって決定できる。

その上、このような粒子の配列は所定のパターンまたは特定の構成に従うことができる。超研磨粒子のこのようなパターンまたは構成を実施する特定の方法の例は、それぞれ参照により本明細書に組み入れられている米国特許第４，９２５，４５７号、同第５，３８０，３９０号、同第６，０３９，６４１号、および同第６，２８６，４９８号に見出すことができる。加えて多くの場合で、ツール前駆体自体はツールとしてのある使用に適していることがある。その上、ツールに組み込まれていない個々にコーティングされた粒子のルース研磨物としての多数の使用が当業者によって認識されるであろう。

当業者は、たとえば型を使用するなどの、特に所望の構成を生成する多数の方法をただちに認識するであろう。型に入れたら、形成体に材料を添加するために追加のろう付けまたは金属微粒子材料をアセンブリに添加できる。加えて粒子間の間隙スペースの量を減少させて、剛性および耐久性の多結晶体を提供するために、異なるサイズの超研磨粒子を集めることができる。間隙スペースを減少させる他の技法、たとえば振とう、振動なども所望ならば型内の超研磨塊に利用することができる。

固結したコーティング済み超研磨粒子は加えて、特定の目的を達成するために、多数の特定の材料を浸透させることができる。熱を散逸させることができるツール、たとえばヒートスプレッダを作製するために、ツール本体の形成中にたとえば溶融Ｓｉを超研磨塊に浸透させることができる。本技術を使用して作製できる多数の他の特定のツール、たとえばドリルビット、ソー、および他の切断ツールは当業者に認識されるであろう。

コーティング済み粒子およびツール前駆体が結合される支持マトリクスは使用する場合、当業者によって認識される多種多様の材料から選択できる。固結できる金属粉末、および固体金属基材は例である。

ここで図４を参照すると、本発明による超研磨ツール５０の実施形態の透視図を示す。ツールは固結金属粉末の支持マトリクス５５を有し、複数の１次元ツール前駆体３０はそれぞれ固化ろう付けコーティング１５によって結合された複数の超研磨粒子１０を有し、支持マトリクスにさらに冶金結合される。見てわかる通り、ツール前駆体は、超研磨粒子がそれぞれ所定のパターンに従って特定の位置として保持されるようにマトリクス支持材料に配列されている。しかしながらこのようなパターンは望ましいが任意であることに注目すべきである。たとえば図５に示すように、固化溶融ろう付け合金１５でコーティングした超研磨粒子１０は支持マトリクス５５にランダムに保持される。

加えて図４のマトリクス支持材料は固結粉末として示されているが、本発明はあるいは固体金属支持マトリクスを利用できることが理解されるはずである。そのような場合、支持マトリクスはツール前駆体、または複数のコーティング済み粒子を収容できるスロットまたは溝を備えて構成される。さらに固体金属支持マトリクスを備えた一部のツールでは、以下でさらに詳細に議論するように、研磨粒子をマトリクスの表面に単に結合することが望ましい。

図５を参照すると、本発明による超研磨ツール５０のなお別の実施形態が示されている。最も顕著には、支持マトリクス５５は多孔性であり、複数の孔６０を含有する。このような孔は、特にツールが材料除去の目的に利用されるツールであるときに、ツール性能を改善する目的に好都合であることが見出されている。特に孔およびスペーサは、被加工物からの材料の削り取りおよび破砕を促進できる。さらに孔は、液体冷却剤の通過および保持用の溝として作用できる。この方式では、ツールは著しい温度上昇なしでより高速にて被加工物から材料を除去できる。このような孔はツール内に各種の方式で与えることができる。たとえば粉末化マトリクス材料にその固結中に通気させることができ、加熱ステップ中に分解する粒子を使用でき、または孔が単に固結処理手順、たとえば焼結からある程度まで生じうる。さらに一部の態様において、孔が配置およびコーティング済み超研磨粒子の接合から発生して、所定のパターンに従って生じうる。

多孔性支持マトリクスが実現可能である１つの理由は、超研磨粒子が金属マトリクスと化学結合して、それゆえマトリクス内にしっかり保持されるという事実のためである。結果として、低下した量の各粒子に対する機械的支持が許容される。その上、化学結合は、Ｃｕ、Ｆｅ、鋼鉄などのより柔らかいより安価な材料がマトリクス支持体として使用できるようにする。

コーティング済み超研磨粒子を支持マトリクスに冶金結合することに加えて、一部の態様において、コーティング済み粒子がマトリクスに接着剤または有機金属バインダによって付着させることができる。参照により本明細書に組み入れられている米国特許第６，９１５，７９６号で述べるように、多種多様の有機および有機金属バインダは当業者に公知であり、使用できる。有機金属カップリング剤は、金属と化学反応して化学結合を形成する少なくとも１つの反応性部分と、有機バインダと反応して化学結合を形成する少なくとも１つの反応性部分とを含むことができる。このようにして、有機金属カップリング剤は、有機バインダとコーティング済み超研磨粒子の金属表面との間に結合を形成するブリッジとして作用する。本発明の１つの態様において、有機金属カップリング剤はチタノアート、ジルコナート、シラン、またはそれらの混合物でありうる。これらの材料は、ヒドロキシル基と反応して、それにより金属表面に化学結合する加水分解性基を得ることができる。加えてこれらの材料は、有機バインダと化学反応する非加水分解性基も含有できる。そのような有機金属カップリング剤は、参照によりそれぞれ組み入れられている、米国特許第４，６２０，９３３号、同第５，５５８，７０５号、同第５，５７１，２９６号、および同第６，５７９，９３１号に述べられている。

本発明での使用に適した特定の非制限的な例は：３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン（Ｄｏｗ ＣｏｒｎｉｎｇよりＺ−６０４０として入手可能）；γ−メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン（Ｕｎｉｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ ＣｏｍｐａｎｙからＡ−１７４として入手可能）；β−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−（β−アミノエチル）−γ−アミノプロピルメチルジメトキシシラン（Ｕｎｉｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ、Ｓｈｉｎｅｔｓｕ Ｋａｇａｋｕ Ｋｏｇｙｏ Ｋ．Ｋ．などから入手可能）を含み；適切なシランカップリング剤の追加の例は、参照によりそれぞれ本明細書に組み入れられている、Ｕ．Ｓ．Ｐａｔ．Ｎｏｓ．４，７９５，６７８、４，３９０，６４７、および５，０３８，５５５に見出せる。

チタナートカップリング剤の特定の非制限的な例は：イソプロピルトリイソステアロイルチタナート、ジ（クミルフェニラート）オキシアセテートチタナート、４−アミノベンゼンスルホニルドデシルベンゼンスルホニルチタナート、テトラオクチルビス（ジトリデシルホスファイト）チタナート、イソプロピルトリ（Ｎ−エチルアミノ−エチルアミノ）チタナート（Ｋｅｎｒｉｃｈ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｓ．Ｉｎｃ．より入手可能）、ネオアルキルオキシチタナート、たとえばＬＩＣＡ−０１、ＬＩＣＡ−０９、ＬＩＣＡ−２８、ＬＩＣＡ−４４およびＬＩＣＡ−９７（またＫｅｎｒｉｃｈより入手可能）などを含む。

アルミニウムカップリング剤の特定の非制限的な例は、アセトアルコキシアルミニウムジイソプロピラート（Ａｊｉｎｏｍｏｔｏ Ｋ．Ｋ．より入手可能）などを含む。

ジルコナートカップリング剤の特定の非制限的な例は：ネオアルコキシジルコナート、ＬＺ−０１、ＬＺ−０９、ＬＺ−１２、ＬＺ−３８、ＬＺ−４４、ＬＺ−９７（Ｋｅｎｒｉｃｈ Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ．よりすべて入手可能）などを含む。他の公知の有機金属カップリング剤、たとえばチオラートベース化合物は、本発明で使用でき、本発明の範囲内で考慮される。

使用した有機金属カップリング剤の量は、カップリング剤および超研磨粒子をコーティングする金属マトリクスの表面積によって変わる。通例、０．０５重量％〜１０重量％の有機バインダ層が十分である。

上記のように、本発明の方法は、多種多様の超研磨ツールの作製に使用できる。ここで図６を参照すると、往復ソーまたは円形ソーなどのソーで使用するためのソーセグメントが示されている。ソーセグメント６５は、支持マトリクス５５およびツール前駆体３０の積層および冶金結合された複数の層７０を有する。ツール前駆体は１つ以上の支持マトリクスに冶金結合されて層を形成し、層は共に効果的に冶金結合される。加えて各層内の超研磨粒子１０の間隔のために、そしてろう付け合金１５の量および利用のために、複数の孔６０が生じる。再び、これらの孔は上に挙げたような利点すべてを提供する。

図６に示す実施形態において、ツール前駆体３０を作製するために利用されたろう付け合金１５は、アモルファスろう付け合金のシートまたは箔である。しかしながら、ろう付け合金の別の形、たとえば粉末形が使用できることに注目する。製造の１つの態様において、シートは支持マトリクス５５の各側に付着され、次に超研磨粒子１０はシートの一方または両方の露出表面に付着されて層を形成する。特に超研磨粒子は、ランダムに、または所定のパターンに従ってのどちらかで付着される。次に複数の層を積層によって組立て、ろう付け合金のシートを溶融させて、超研磨粒子をコーティングするのに十分な温度まで加熱する。次にアセンブリを冷却すると、ろう付け合金が固化して、粒子に化学結合し、支持マトリクスに金属結合して、層を共に効果的に結合する。次にソーセグメントをソーのブレードに取り付けることができる。

マトリクス支持体に結合される代案として、本発明のコーティング済み粒子は、混合されて金属マトリクスと化学結合されるようになる複数のスペーサ粒子を含みうる。ここで図７を参照すると、本発明の別の実施形態に従って作製したツールの断面図が示されている。見てわかる通り、固化溶融ろう付け合金１５によってコーティングされた複数の超研磨粒子１０は、孔６０を含有する多孔性ツール内へ共に冶金結合される。加えてツールは、ろう付け合金に化学結合される複数のスペーサ粒子７５を含有する。スペーサ粒子はツールへの組み込み前に固化溶融ろう付け合金によってそれ自体コーティングされるか、またはコーティングされないこともある。超研磨およびスペーサ粒子が図７にランダム配置で描かれており、その配置は所定のパターンに従い、所定のパターンに従って孔も生じることも理解されるはずであろう。当業者はスペーサ粒子の多数の適切な材料を認識し、材料の特定の選択は、ツール、ろう付け合金の種類などの多数の考慮事項に基づくことができる。しかしながら１つの態様において、材料はＳｉＣでありうる。

以下の実施例は、本発明のコーティング済み超研磨粒子を作製する各種の方法を紹介する。そのような実施例は例示のみであり、それにより本発明に対する制限を意味するものではない。

（実施例１）

４０／５０メッシュのダイヤモンド粒子をアクリルバインダの薄膜によって被覆した。バインダ被覆ダイヤモンドは次に平均粒径約３２５メッシュを有するＢ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｓｉを含有する粉末化金属合金と混合され、商標名ＮＩＣＨＲＯＢＲＡＺ ＬＭ（登録商標）（Ｗａｌｌ Ｃｏｌｏｍｎｏｙ）で販売された。結果はろう付け粉末で包んだダイヤモンドであった。これらのコーティング済み粒子を次にＡｌ_２Ｏ_３の微粉末と混合した。混合物を１０^−５ｔｏｒｒに維持した真空炉内で約１００５℃の最高温度まで約１７分間加熱して、金属合金コーティングを確実に溶融および液化させて、ダイヤモンド粒子周囲に流してそれらを濡らすようにする。混合物を次に冷却して、炉から回収する。分離後、ダイヤモンド粒子をＡｌ_２Ｏ_３から分離した後、多数のコーティング済み粒子をコバルト粉末と混合して、加熱プレスで焼結して長方形セグメントを形成した。これらのセグメントの一部はプライヤーで曲げることにより破壊した。破面を次に顕微鏡下で参照した。破面は、上述のろう付けコーティングなしの焼結ダイヤモンド粒子に特有であるように、ダイヤモンド粒子とコーティングとの間の界面の周囲を逸れるよりもむしろ、コーティング済みダイヤモンド粒子を通じて伝播することが観察された。
（実施例２）

実施例１で概説したのと同じ手段に従ったが、Ａｌ_２Ｏ_３セパレータ粉末を約３２５〜約４００メッシュの平均メッシュサイズを有するダイヤモンド粒子に代えた。加熱プロセスの間、より小さいダイヤモンド粒子をろう付け合金コーティングで濡らすと、コーティング済みダイヤモンド粒子の外側に化学結合するようになった。それゆえシェルの外側にさらに結合されたより小さなダイヤモンド粒子を備えた、化学結合金属合金シェルを有するコーティング済みダイヤモンド粒子を作製した。これらの「スパイク状」コーティング済み粒子をコバルトマトリクス中へ組み込ませて、上のように破面試験して、同様の結果を得た。
（実施例３）

実施例２のプロセスに従ったが、より小さいダイヤモンド粒子をＳｉＣ粒子に代えた。該プロセスは、実施例２のダイヤモンド粒子に似た、金属コーティングの外側にセラミック粒子が結合したコーティング済みダイヤモンド粒子を生じた。その上、破面試験は実施例１および２の同様の結果を生じた。
（実施例４）

ダイヤモンド粒子を実施例１のように粉末化ろう付け合金でコーティングして、次にＡｌ_２Ｏ_３プレートに刻まれた溝に並べた。少量のろう付け粉末をコーティング済み粒子間に詰め込んで、アセンブリを実施例１と同様に炉内で加熱した。生じた「針」を前の実施例のように破面試験して、ダイヤモンドと金属合金コーティングとの界面におけるダイヤモンド粒子周囲の、あるいはダイヤモンド粒子間の破壊ではなく、ダイヤモンド粒子での破壊を明らかにした。
（実施例５）

実施例４と同じ手順に従ったが、しかしながらダイヤモンドコーティング済み粒子をＡｌ_２Ｏ_３プレートに散布した。次にろう付け粉末をコーティング済み粒子間に詰め込んで、アセンブリを前の実施例のように加熱した。ろう付け合金によって結合されたダイヤモンド粒子の生じたダイヤモンドプレートを前の実施例のように破面試験した。破壊平面の分析は、ダイヤモンド粒子配列に従い、主にダイヤモンド粒子／金属コーティング界面で起こる破壊のパターンではなく。各種のダイヤモンド粒子を通じた破壊を含むランダム破壊を明らかにした。
（実施例６）

実施例４および５の手順に再び従って、コーティング済みダイヤモンド粒子の隙間のみをダイヤモンド粒子をコーティングするために使用するＷＣおよびろう付け粉末の混合物で充填した。従来の実施例に従った加熱を再度実施して、複合材料のタイルを得た。タイルを破面試験して、結果は上に挙げた実施例で得た値と一致することが判明した。
（実施例７）

４０／５０メッシュＭＢＳ−９５０ダイヤモンド粒子をＴｉ（０．４ミクロン）、Ｃｒ（０．４ミクロン）、Ｃｕ（１０ミクロン）、Ｃｕ（３０ミクロン）、Ｃｕ（５０ミクロン）、またはＣｕ（１０ミクロン）を加えたＴｉ／Ｃｒ（１ミクロン）のマルチプルコーティングのいずれかでコーティングした。それらをＮｉｃｒｏｂｒａｚ ＬＭ粉末（９０重量％）、銅粉末（１０％）、およびアクリルバインダ（全粉末の３重量％）と混合し、冷間プレスして、長方形セグメントを形成した。これらのセグメントを１０１０℃まで真空下（１０^−５ｔｏｒｒ）で１０分間加熱した。
加熱後、Ｎｉｃｒｏｂｒａｚ ＬＭは溶融および浸透して銅粉末およびダイヤモンドを結合させた。銅粉末を使用して溶融ＬＭの流れを遮断し、セグメント形状を維持することができた。銅粉末がなければ、溶融Ｎｉｃｒｏｂｒａｚ ＬＭは表面張力のために癒着してボールを形成するであろう。これらのセグメントを王水に溶解させてダイヤモンド粒子を遊離させた。そのように生成されたダイヤモンド粒子を衝撃強度について試験した。相対強度は次のように評価されることが見出された：Ｃｕ（５０ミクロン）＞Ｃｕ（３０ミクロン）＞Ｃｕ＋Ｔｉ／Ｃｒ＞Ｃｕ（１０ミクロン）＞Ｃｒ＞Ｔｉ＞ＬＭおよび銅粉末と共に加熱した未使用ダイヤモンド。

もちろん上述の配列が本発明の原理の応用の単なる例示であることが理解されるはずである。各種の改良および代わりの配列は本発明の精神および範囲から逸脱せずに当業者が考案でき、添付請求項はそのような改良および配列を含むものとする。それゆえ本発明は、現在、本発明の最も実際的で好ましい実施形態であると見なされていることに関連して入念かつ詳細に上述されてきたが、これに限定されるわけではないが、材料、形状、形式、機能、および作用方式、アセンブリおよび使用の変化を含む多数の改良が、本明細書で述べた原理および概念から逸脱することなく行えることが、当業者に明らかとなるであろう。

本発明の１つの実施形態によるコーティング済み超研磨粒子の側面図である。 本発明の１つの実施形態によるコーティング済み超研磨粒子の側面図である。 本発明の１つの実施形態による、より小さいサイズの超研磨粒子がそれに結合したコーティング済み超研磨粒子の側面図である。 本発明の１つの実施形態によるツール前駆体の側面図である。 本発明の別の実施形態によるツール前駆体の側面図である。 超研磨粒子が本発明の１つの実施形態による所定のパターンに従って配列されるように、複数の前駆体がそれに冶金結合された超研磨ツールの透視図である。 多孔性支持マトリクスにランダムに配置された複数のコーティング済み超研磨粒子を有する超研磨ツールの断面図である。 本発明の１つの実施形態による、複数のダイヤモンドと、共に結合された基材層とを有する超研磨ツールの前端図である。 本発明の１つの実施形態による、ろう付け合金に化学結合された複数のスペーサ粒子と共に冶金結合された複数のろう付けコーティング済みダイヤモンド粒子を有し、合金に孔を有する超研磨ツールの断面図である。

Claims (45)

1. 超研磨粒子の金属マトリクス内への保持を最大化する方法であって、超研磨粒子を実質的に劣化させることなく超研磨粒子を金属マトリクス内に保持する程度まで、超研磨粒子を金属マトリクスと化学結合させることを包含する、方法。
2. 超研磨粒子の劣化を実質的に回避させることが、超研磨粒子が化学結合プロセス中に過剰結合するのを防止することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 超研磨粒子が過剰結合するのを防止することが：
   超研磨粒子を金属マトリクス中に保持させるのに十分であるが、超研磨粒子の劣化を最小化する程度まで、超研磨粒子と金属マトリクスとの間の化学結合を抑制することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
4. 超研磨粒子の劣化が超研磨粒子の異なる材料への変換を含む、請求項３に記載の方法。
5. 異なる材料が、非ダイヤモンド形態の炭素、カーバイド、窒化物、ホウ化物、およびそれらの組合せからなる群より選択されるメンバーである、請求項４に記載の方法。
6. 化学結合を抑制することが、金属マトリクス内の反応性元素の相対量を抑制することをさらに含む、請求項４に記載の方法。
7. 化学結合を抑制することが、超研磨粒子と金属マトリクスとの間の化学結合を抑制する保護材料によって金属マトリクスを希釈することをさらに含む、請求項４に記載の方法。
8. 金属マトリクスを希釈することが、金属マトリクスとの化学結合の前に超研磨粒子を保護材料でコーティングすることをさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 金属マトリクスを希釈することが、超研磨粒子への化学結合の前に保護材料を金属マトリクスと混合することをさらに含む、請求項７に記載の方法。
10. 保護材料が銅、銀、亜鉛、スズ、チタン、ケイ素、クロム、タングステン、ジルコニウム、ならびにカーバイド、窒化物、および合金を含めたそれらの混合物からなる群より選択される、請求項７に記載の方法。
11. 保護材料が銅である、請求項１０に記載の方法。
12. 保護材料が銀である、請求項１０に記載の方法。
13. 保護材料が亜鉛である、請求項１０に記載の方法。
14. 保護材料がチタン、クロム、ケイ素、タングステン、ならびにカーバイド、窒化物、および合金を含めたそれらの混合物からなる群より選択される、請求項１０に記載の方法。
15. 保護材料が、金属マトリクスの超研磨粒子への化学結合の間に、金属マトリクスよりも超研磨粒子との反応性が実質的に低い、請求項７に記載の方法。
16. 超研磨粒子を反応性材料で予備コーティングするステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
17. 超研磨粒子を予備コーティングするステップが反応性材料を保護材料と混合することを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 反応性材料がクロム、ケイ素、チタン、タングステン、ならびにカーバイド、窒化物、および合金を含めたそれらの混合物からなる群より選択される、請求項１７に記載の方法。
19. 請求項１に記載の超研磨粒子の金属マトリクス内への改良された保持を有する超研磨ツールを作製する方法であって、
    超研磨粒子を提供するステップと；
    超研磨粒子を超研磨ツール内へと組み込むステップと；
    を包含する、方法。
20. 超研磨粒子を提供することが、超研磨粒子と金属マトリクスとの間の化学結合を超研磨粒子を金属マトリクス内に保持するのに十分であるが、超研磨粒子の劣化を最小化する程度まで抑制する保護材料によってコーティングされた超研磨粒子を提供することを含む、請求項１９に記載の方法。
21. 超研磨粒子がダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、多結晶立方晶窒化ホウ素、およびそれらの組合せからなる群より選択されるメンバーを含む、請求項１９に記載の方法。
22. 超研磨粒子がダイヤモンドを含む、請求項２１に記載の方法。
23. 超研磨粒子が立方晶窒化ホウ素を含む、請求項２１に記載の方法。
24. 超研磨粒子を超研磨ツール内に組み込むことが、各超研磨粒子の一部を金属マトリクスに化学結合させることをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
25. 金属マトリクスがろう付け合金である、請求項１９に記載の方法。
26. 超研磨粒子を所定のパターンに配列することをさらに含み、超研磨粒子が共に結合されて所定のパターンに実質的に従う、請求項１９に記載の方法。
27. 超研磨ツールであって、ろう付け合金コーティングと化学結合した少なくとも１つの超研磨粒子を含み、前記ろう付け合金コーティングが保護材料を含み、前記ろう付け合金コーティングがコーティング済み超研磨粒子にろう付け合金単独と比較して改善された強度を提供する、超研磨ツール。
28. 少なくとも１つの超研磨粒子がダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、多結晶立方晶窒化ホウ素、およびそれらの組合せからなる群より選択されるメンバーを含む、請求項２７に記載の超研磨ツール。
29. 保護材料が銅、銀、亜鉛、スズ、チタン、ケイ素、クロム、タングステン、ジルコニウム、ならびにカーバイド、窒化物、および合金を含めたそれらの混合物からなる群より選択される、請求項２７に記載の超研磨ツール。
30. 保護材料が銅である、請求項２９に記載の超研磨ツール。
31. 保護材料がスズである、請求項２９に記載の超研磨ツール。
32. 保護材料が亜鉛である、請求項２９に記載の超研磨ツール。
33. 少なくとも１つの超研磨粒子がろう付け合金コーティングによって共に冶金結合された複数の超研磨粒子である、請求項２７に記載の超研磨ツール。
34. 結合した複数の超研磨粒子が１次元構造を形成する、請求項３３に記載の超研磨ツール。
35. 結合した複数の超研磨粒子が２次元構造を形成する、請求項３３に記載の超研磨ツール。
36. 結合した複数の超研磨粒子が３次元構造を形成する、請求項３３に記載の超研磨ツール。
37. 結合した複数の超研磨粒子が所定のパターンに従って配列および保持される、請求項３３に記載の超研磨ツール。
38. 複数の超研磨粒子に冶金結合された支持マトリクスをさらに含む、請求項３３に記載の超研磨ツール。
39. 支持マトリクスが固結した金属粉末を含む、請求項３８に記載の超研磨ツール。
40. 支持マトリクスが多孔性である、請求項３９に記載の超研磨ツール。
41. 支持マトリクスが固体金属基材を含む、請求項３８に記載の超研磨ツール。
42. 超研磨ツールがソーセグメントである、請求項２７に記載の超研磨ツール。
43. ソーセグメントが往復ソーである、請求項４２に記載の超研磨ツール。
44. ソーセグメントが円形ソーである、請求項４２に記載の超研磨ツール。
45. 超研磨ツールであって、
    ろう付け合金コーティングによって一緒に結合された複数の超研磨粒子であって、前記ろう付け合金コーティングが保護材料を含み、前記ろう付け合金コーティングがコーティング済み超研磨粒子にろう付け合金単独と比較して改善された強度を提供する保護材料を含む、超研磨粒子と；
    溶融ろう付け合金に化学結合された複数のスペーサ粒子と；
    を含む、超研磨ツール。

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