JP2013501636A - 細長い物体に結合させた研磨粒子を含む研磨物品 - Google Patents

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Abstract

細長い物体と、細長い物体の表面上を覆う結合層と、約０．０２ｃｔ／ｍと約０．３０ｃｔ／ｍの間の範囲内の平均砥粒集中度で結合層内に含まれる砥粒とを含む研磨物品。

Description

以下は研磨物品、特に細長い物体に固定される砥粒を組み込んだ研磨物品に関する。
種々の産業のため、例えば、鋸引き、穴あけ、ポリシング、洗浄、カービング及び研削を含む、工作物から材料を除去する一般的な機能のための種々の研磨工具がこの１世紀にわたり開発されてきた。特にエレクトロニクス業界に関しては、ウェーハを形成するため材料の単結晶インゴットをスライスするのに適した研磨工具に特に該当する。業界が成熟を続けるにつれ、インゴットは次第に直径が大きくなっており、歩留り、生産性、加工変質層、寸法制約及び他の要素のため、そのような作業に遊離砥粒及びワイヤーソーを使用することが許容されるようになった。
一般に、ワイヤーソーは、切削動作を生成するため高速で巻かれうる長尺のワイヤに取り付けられた研磨粒子を含む研磨工具である。丸のこがブレードの半径よりも小さな切削深さに限定される一方で、ワイヤーソーは直線又は輪郭どおりの切削経路の切削を可能にする、より高い柔軟性を有しうる。
従来の固定砥粒ワイヤーソーでは、スチールビーズを、ビーズがスペーサにより分離された状態で金属ワイヤ又はケーブル上にスライドさせることによりこれらの物品を生産する等の種々のアプローチが取られてきた。これらのビーズは一般に電気めっき又は焼結のいずれかにより付着される研磨粒子によりカバーされうる。しかしながら、電気めっき及び焼結作業には時間がかかるためコストのかかる投資となる可能性があり、ワイヤーソー研磨工具の迅速な生産を妨げる。これらのワイヤーソーのほとんどはエレクトロニクス用途のように切り代がそれほど影響しない場合にしばしば石又は大理石を切断する用途において使用されている。研磨粒子をろう付けなどの化学結合処理により付着させるための試みがいくつかなされてきたが、そのような製作方法はワイヤーソーの柔軟性を低下させ、ろう付コーティングは疲労及び早期破壊になりやすい。他のワイヤーソーでは樹脂を使用してワイヤに研磨材を結合させている場合がある。残念ながら、樹脂結合されたワイヤーソーは、特に硬質材料を切削する場合に急速に摩耗する傾向があり、微粒子の有効寿命のかなり前に研磨材が失われることがわかっている。
したがって、業界では、特にワイヤーソーイングの分野における研磨工具の改良が継続して必要とされている。
一態様によれば、研磨物品は、細長い物体と、細長い物体の表面上を覆う結合層と、約０．０２ｃｔ／ｍと約０．３０ｃｔ／ｍの間の範囲内の平均砥粒集中度で結合層内に含まれる砥粒とを含む。
別の態様によれば、研磨物品は、細長い物体と、細長い物体の表面上を覆う結合層と、結合層内に含まれる砥粒とを含む。研磨物品は、砥粒の総数の少なくとも８０％が、約１ミクロンから約１００ミクロンの間の様々な平均粒度のうち少なくとも約３０ミクロンの粒度範囲内に含まれる平均粒度を有する、広い粒度分布から選択される砥粒を含む。
更に別の態様において、研磨物品は、細長い物体と、細長い物体の表面上を覆う結合層と、結合層内に含まれる砥粒とを含む。砥粒は、砥粒の総数の少なくとも８０％が、約１ミクロンから約１００ミクロンの間の様々な平均粒度のうち少なくとも約３０ミクロンの粒度範囲内に含まれる平均粒度を有する広い粒度分布から選択され、かつ砥粒は約０．０２ｃｔ／ｍと約０．３０ｃｔ／ｍの間の範囲内の平均砥粒集中度で結合層内に含まれる。
更に別の態様によれば、研磨物品は、細長い物体と、細長い物体の表面上を覆う結合層と、結合層内に含まれる砥粒とを含む。砥粒は、約０．０２ｃｔ／ｍと約０．３０ｃｔ／ｍの間の範囲内の平均砥粒集中度で結合層内に含まれ、かつ研磨物品は、合計少なくとも約２００ｃｍ２のサファイアを少なくとも０．８ｍｍ／ｍｉｎの平均切削速度で切削することが可能である。
更に別の態様において、サファイアを切削する方法は、細長い物体を有する研磨物品及び細長い物体に貼付された砥粒を用意するステップと、サファイア物品を用意するステップとを含む。方法は、合計少なくとも約２００ｃｍ２のサファイア物品を少なくとも０．８ｍｍ／ｍｉｎの平均切削速度で切削するために研磨物品を使用することを更に含む。
添付図面を参照することにより、本開示をより良く理解することができ、またその数々の特徴および利点を当業者に明らかにすることができる。
実施形態による研磨物品の一部の断面図を含む。 本明細書中の実施形態による研磨物品の拡大画像を含む。 実施形態による研磨物品で使用するための砥粒の粒度分布のグラフを含む。 実施形態による特定の粒度の分布を有する砥粒の代表サンプルの画像を含む。 従来のワイヤーソー物品で使用するための砥粒の粒度分布のグラフを含む。 従来のワイヤーソー物品の、特定の粒度の分布を有する砥粒の代表サンプルの画像を含む。 本明細書中の実施形態による研磨物品の拡大画像を含む。 本明細書中の実施形態により形成されたサンプルを従来のサンプルと比較した、カットの数対切削時間を基にした性能のグラフを提供する。
異なる図面における同じ参照符号の使用は類似の又は同一の品目を示す。
以下は、全般的には砥粒が固定される細長い物体から形成される研磨物品に関する。特に、本明細書中の実施形態の研磨物品は、例えば、エレクトロニクス業界において結晶材料のブール又はインゴットを切り出すために使用されうるワイヤーソーイング工程を含みうる長尺の研磨物品を使用する工程に適しうる。しかしながら、本明細書中に開示されるようなそのような研磨物品は他の用途に使用されうることが理解されるであろう。
本明細書中の研磨物品は細長い物体を利用することができ、細長い物体は、結合層と、被覆層と、砥粒とが取り付けられて最終的に形成された研磨物品が生成されうる、細長い物体の長手方向の軸に沿って延在する寸法により画定される長さを有する、ワイヤ又は他の部材であってもよい。細長い物体は、例えば、無機材料、有機材料（例えば、高分子及び自然発生の有機材料）並びにその組み合わせを含む種々の材料で作製されうる。適切な無機材料はセラミックス、ガラス、金属、金属合金、サーメット、並びにその組み合わせを含みうる。特定の例において、細長い物体は金属又は金属合金材料で作製される。例えば、細長い物体は遷移金属又は遷移金属合金材料で作製されうると共に、鉄、ニッケル、コバルト、銅、クロム、モリブデン、バナジウム、タンタル、タングステン等の元素を組み込んでもよい。いくつかの例において、細長い物体は、互いに編み合わされかつ固定されて細長い物体を形成する複数の細長いストランドを組み込んだ、編み込まれた構造であってもよい。特定の設計では、ワイヤの適切な構造としてピアノ線を利用してもよい。
適切な有機材料は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、エラストマー並びにその組み合わせを含みうる高分子を含みうる。特に有用な高分子は、ポリイミド、ポリアミド、樹脂、ポリウレタン、ポリエステル等を含みうる。更に、細長い物体は、天然の有機材料、例えばゴムを含みうることが理解される。
細長い物体は特定の形状を有しうる。例えば、細長い物体は、それが円形の断面輪郭を有するような略円筒状の形状を有しうる。使用において、細長い物体は、細長い物体の長手方向の軸を横断する方向に延在する面で見ると円形の断面形状を有する。そのような実施形態については、平均直径は少なくとも約８０ミクロンとされうる。いくつかの設計では、平均直径は少なくとも約１５０ミクロン、少なくとも約２００ミクロン、特に約８０ミクロンと４００ミクロンの間の範囲内となりうるような、より厚い細長い物体部材を組み込んでもよい。
他の設計において、細長い物体は、細長い物体の長手方向の軸を横断する方向に延在する面で見ると多角形の断面輪郭を有しうる。多角形の断面輪郭は、特に、矩形形状、五角形、六角形等を含む種々の多面形状を含みうる。１つの特定の例において、細長い物体は、矩形形状を有することができ、細長い物体は、第１の主面と、第１の主面と逆側の第２の主面と、第１の主面と第２の主面間に延在する側面とを有するベルトである。
ベルトの側面は細長い物体の厚さを画定しうる一方、第１の主面は長手方向の軸を横断する方向で測定された細長い物体の幅を画定しうる。特定の例において、細長い物体は少なくとも約１：２の厚さ：幅比を有しうる。他の実施形態において、細長い物体は、例えば少なくとも約１：３、例えば少なくとも約１：４、少なくとも約１：５、少なくとも約１：１０、少なくとも約１：５０の厚さ：幅比を有しうる。なお、特定の実施形態は、約１：２と１：１５０間の範囲内、例えば約１：２と約１：１００間の厚さ：幅比を有しうる。
細長い物体は、ワイヤーソーイングへの適用を実施するのに十分な長さを有しうる。つまり、細長い物体は、細長い物体の長手方向の軸に沿って測定して少なくとも約１ｋｍの長さを有しうる。他の例において、この長さは、例えば少なくとも約５ｋｍ、少なくとも約１０ｋｍ、特に約１ｋｍと約１５ｋｍ間の範囲内程度でより長くすることができる。
細長い物体の上面上を覆い、その中の砥粒の結合及び固定を促進するように、細長い物体上に結合層が形成されうる。いくつかの例において、結合層は細長い物体の上面に直に接触しており、実際、細長い物体の上面に直に結合されうる。なお、特定の研磨物品においては、結合層と細長い物体の上面との間に材料の介在層が配置されてもよい。そのような介在層は細長い物体と結合層との間の結合を補助するために存在しうる。更に、結合層は、それが本質的に細長い物体の上面全体をカバーするように形成されうる。結合層を形成するための適切な方法は堆積法を含みうる。例えば、結合層は、特に、結合層が金属材料を含む場合の設計において、電気めっき法等のめっき法により細長い物体の外面に堆積されうる。別法として、結合層はろう付け法又は気相堆積法により形成されうる。
種々の実施形態において、本明細書中に記載される研磨物品を形成する方法は、ワイヤ上に結合層材料を堆積させるためにめっき機械を利用しうるシステムによりワイヤを平行移動させるステップを含みうる。ワイヤは、そこで結合層材料が細長い物体の上面に堆積されうるめっき機械により平行移動されうる。
結合層は金属又は金属合金で作製されうる。特定の設計において、結合層は遷移金属元素を含みうる。いくつかの適切な金属には銅、錫、ニッケル、タングステン、モリブデン、銀、及びその組み合わせを含みうる。特定の実施形態では、結合層は下敷き層である細長い物体よりも延性のある金属合金材料を含みうるため、結合層内への砥粒の受容及び／又は保持を促進する。
細長い物体上に結合層を形成した後、研磨物品を形成する方法は、砥粒を結合層内に埋め込むステップを更に含みうる。砥粒を結合層内に埋め込む工程は、砥粒がワイヤに固定されて適切な研磨物品を形成するように完了されうる。特に、砥粒を結合層内に埋め込む工程は、特に構成層（例えば、結合層及び被覆層）を形成するための他の工程から独立した、独立ステップとされうる。
種々の実施形態によれば、砥粒を結合層内に埋め込む工程は、砥粒が、２つ以上の押圧面間を通過すると同時に少なくとも部分的に結合層材料内に埋め込まれる押圧工程を含みうる。例えば、砥粒は、ワイヤがそれを通過する間に、ローラと、固定ブロック、別のローラ等などの別の剛体形態との間を通過し、結合層内に押し込まれうる。１つの方法において、砥粒の押圧面の表面を連続的にカバーするための手法が取られうる。他の方法において、砥粒は、砥粒が押圧面間に捕捉され、かつ結合層内に埋め込まれうるように研磨物品のワイヤに近接する押圧面間の領域内に注入されてもよい。
示されるように、砥粒は、液体キャリア内に砥粒の混合物を含む槽から少なくとも１つの押圧面の表面上に供給されうる。特に、液体キャリアは、砥粒の実質的に均一なコーティング及び特定の集中度が押圧面上にあるように、砥粒の適切な懸濁の形成を補助するための化学的性質を有することができ、それが制御された砥粒の分布及び集中度を有する研磨物品の形成を補助しうる。押圧面とワイヤへの取付部間の領域への液体キャリア及び砥粒の適切な送達のために押圧面と槽の間の特定の向きを利用できることが理解される。
液体キャリアは水又はアルコールなどの有機材料とされうる主成分を含みうる。加えて、槽内及び押圧面上における適切な懸濁の形成を促進するために、同様に有機成分とすることができる安定剤等の他の成分が微量に添加されてもよい。特定の方法ではドデシル硫酸ナトリウム、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）及び／又はイソプロパノールを含む液体キャリアを利用してもよい。
砥粒の材料は硬質とされうるため、研磨加工での使用に適する。例えば、砥粒は少なくとも約７、例えば少なくとも８、より典型的には少なくとも約９程度のモース硬度を有しうる。炭化物類、炭素をベースとした材料（例えばフラーレン類）、窒化物類、酸化物、ホウ化物類、並びにその組み合わせを含みうるいくつかの適切な材料が砥粒として用いられてもよい。特定の例において、砥粒は超砥粒とすることができる。例えば、ダイヤモンド（天然又は合成）、立方晶窒化ホウ素、並びにその組み合わせである。１つの特定の実施形態において、砥粒は本質的にダイヤモンドからなる。
特に、砥粒の平均粒度のサイズ分布は、砥粒が非ガウス性の粒度分布から選択されるように変更されうる。例えば、砥粒は、広範だが、精密な粒度の範囲にわたる特に広い粒度分布から選択されうる。粒度の範囲は、約１ミクロンから約１００ミクロンの間、例えば１０ミクロンと約１００ミクロンの間、１５ミクロンと１００ミクロンの間、又は更には２０ミクロンと１００ミクロンの間から選択されてもよい。更に、粒度の範囲はより狭く、約２０ミクロンと約９５ミクロンの間、又は更には約２０ミクロンと約９０ミクロンの間等であってもよい。
広い粒度分布は、分布が、平均粒度の範囲にわたるすべての粒度が実質的に均一に存在することからなるという事実によって更に特徴としてもよい。例えば、分布内の任意の２つの粒度間の百分率の差異（すなわちある平均粒度を有する砥粒の百分率と異なる平均粒度を有する砥粒の百分率との比較）は約２５％以下とされうる。他の例では、差異はより小さく、約２０％以下、約１５％以下、約１２％以下、約１０％以下、又は更には約８％以下等であってもよい。特定の設計では、分布内の任意の２つの平均粒度間に存在する平均粒度の百分率の差異が、約２％と約２５％の間、例えば約５％と約２０％の間、又は約５％と約１５％の間であるように用いてもよい。
いくつかの研磨物品については、選択された広い粒度分布は、様々な平均粒度にわたり存在する分布内の特定の割合の砥粒により説明されうる。粒度の範囲は、離散下限平均粒度値（ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｌｏｗｅｒ ａｖｅｒａｇｅ ｇｒｉｔ ｓｉｚｅ ｖａｌｕｅ）から離散上限平均粒度値（ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｕｐｐｅｒ ａｖｅｒａｇｅ ｇｒｉｔ ｓｉｚｅ ｖａｌｕｅ）にわたる様々な平均粒度により画定されうる。本明細書中の物品は、砥粒の総数の少なくとも８０％が少なくとも約２５ミクロンの平均粒度にまたがる粒度範囲内に含まれる平均粒度を有する、広い粒度分布を利用することができる。例えば、砥粒の総数の少なくとも８０％が５０ミクロンの下限平均粒度から７５ミクロンの上限平均粒度により画定される範囲内の平均粒度を有しうる。他の例では、粒度の範囲は、砥粒の総数の少なくとも８０％が少なくとも約３０ミクロンの粒度、少なくとも約４０ミクロン、少なくとも約５０ミクロン、又は更には少なくとも約６０ミクロンの範囲内の平均粒度を有するように、より広くてもよい。
いくつかの実施形態は、例えば、少なくとも約３０ミクロン、少なくとも約４０ミクロン、又は更には少なくとも約５０ミクロンの粒度範囲にまたがる平均粒度を有する砥粒の総数の、少なくとも８５％、少なくとも約９０％、又は更には少なくとも約９５％の、広い範囲の平均粒度内の砥粒をより高い割合で用いることができる。なお、本明細書中の実施形態は広い粒度分布を有してもよい。砥粒の総数の少なくとも９５％が約３０ミクロンと約８０ミクロンの間、例えば約３０ミクロンと約７０ミクロンの間、更には約３０ミクロンと約６０ミクロンの間の様々な平均粒度内に含まれる平均粒度を有する。
砥粒の選択のための他のタイプの非ガウス分布は少なくとも２つの異なる平均粒度を使用する分布を含んでもよい。１つのそのような分布は双峰型の粒度分布となりうる。特定の例において、動作特性を向上させるために別の粒度よりもかなり大きな少なくとも１つの粒度を選択することが適切であってもよい。理解されるように、選択された非ガウス性の粒度分布を形成する際に、３つ、４つ、又はそれを超える等の、より多数のモードが用いられてもよい。なお、広い粒度分布の形成は２つの（又はそれより多い）別々の粒度の選択及び組み合わせを必ずしも含まず、分布の全範囲にわたり代表粒度の均一性を有する特定の広い粒度分布の生成を含んでもよい。
特に、本明細書中の実施形態による研磨物品は、粒子の特に広い粒度分布を細長い物体に取り付けて利用することができる。本明細書中に記載されるように、砥粒の広い粒度分布は必ずしも粒子の選択のみにより形成されなくてもよく、特に、形成工程に起因しうる。つまり押圧工程の詳細によっては、特定の割合の砥粒の破壊及び／又は破砕を引き起こすのに十分であり、その場合、単なる分類工程のみによりもたらされるものに比べてより広い粒度分布になる。
最終的に形成された研磨物品上の砥粒の特定の集中度は、また、動作特性の向上のために使用されてもよい。例えば、形成する工程は研磨体が結合層内に少なくとも約０．０２ｃｔ／ｍの平均砥粒集中度を有するようなものであってもよい。他の例では、平均砥粒集中度は、少なくとも約０．０５ｃｔ／ｍ、少なくとも約０．０８ｃｔ／ｍ、少なくとも約０．１０ｃｔ／ｍ、又は更には少なくとも約０．２０ｃｔ／ｍ等、より高くすることができる。特定の実施形態において、研磨物品内の平均砥粒集中度は、約０．０２ｃｔ／ｍと約０．３０ｃｔ／ｍの間、例えば約０．０２ｃｔ／ｍと約０．２８ｃｔ／ｍの間、約０．１０ｃｔ／ｍと約０．２８ｃｔ／ｍの間、約０．１０ｃｔ／ｍと約０．２５ｃｔ／ｍの間、又は更には約０．１５ｃｔ／ｍと約０．２５ｃｔ／ｍの間の範囲内とすることができる。
特定の物品については、最終的に形成された研磨物品は少なくとも約２０ｃｔ／ｍ等のより高い砥粒の集中度を示しうる。つまり特定の研磨物品の設計について、砥粒の集中度は、少なくとも約２２ｃｔ／ｍ、少なくとも約２４ｃｔ／ｍ、又は更には少なくとも約２５ｃｔ／ｍとすることができる。特定の典型的な物品において、砥粒の集中度は、約２０ｃｔ／ｍと約３０ｃｔ／ｍの間、例えば約２２ｃｔ／ｍと約３０ｃｔ／ｍの間、特に約２４ｃｔ／ｍと約２８ｃｔ／ｍの間の範囲内とすることができる。
砥粒を結合層内に埋め込んだ後、結合層及び砥粒の一部の上を覆う被覆層が形成されうる。被覆層はそれが結合層の上面に直接埋め込まれ、かつ砥粒の露出した面の一部が結合層の上に延びるように形成されうる。典型的には、研磨物品は、被覆層が結合層の外部表面領域及び砥粒の一部の上に連続的なコーティングを形成するように形成される。被覆層は、いくつかの例において、砥粒のいくらか又はすべてを完全に被覆しうる。他の研磨物品では、被覆層は、砥粒の一部が露出し、かつ被覆層の外部表面の上方に突出するように砥粒を部分的にカバーするのみでもよい。
被覆層は堆積法により塗布されうる。１つの特に適切な堆積法は、ワイヤが電気めっき機械により平行移動される電気めっき法を含む。そのように、被覆層は金属材料又は金属合金で作製されうる。特定の適した金属は遷移金属元素を含みうる。例えば、一実施形態によれば、被覆層が本質的にニッケルで作製されうるように被覆層はニッケルを含む。ニッケルをベースとした被覆層の使用は、また、ニッケルをベースとした合金材料を利用しうる。そのように、ニッケルをベースとした合金組成物内に合金種として遷移金属元素などの他の金属元素が用いられてもよい。
図１は、実施形態による研磨物品の断面図を含む。示されるように、研磨物品３００は円形の断面形状を有する芯線物品として細長い物体３０１を含む。細長い物体３０１を囲むのは、細長い物体３０１の上面３０６を実質的にカバーするような結合層３０３である。
特定の実施形態によれば、結合層３０３は少なくとも約１０ミクロンの平均厚さを有するように形成されうる。他の場合では、結合層３０３は、少なくとも約１５ミクロン、少なくとも約２０ミクロン、又は更には少なくとも約２５ミクロン程度の平均厚さを有し、より頑丈にすることができる。例えば、結合層３０３は、約１０ミクロンと約５０ミクロンの間の範囲内、例えば約１５ミクロンと約５０ミクロンの間の範囲内、又は更には特に約２０ミクロンと約５０ミクロンの間の範囲内の平均厚さを有しうる。
任意選択で、結合層３０３は結合層３０３内にフィラー３０９を組み込むことができる。フィラー３０９は結合層３０３の研磨能力及び摩耗特性を向上させるための研磨微粒子を含みうる。しかしながら、フィラー３０９の研磨微粒子は、特定の例において、フィラー３０９が実質的に砥粒３０７の平均粒度よりも極めて小さい平均粒度を有しうるように、特にサイズに関して砥粒３０７と大幅に異なることができる。つまりフィラー３０９の研磨微粒子は最小の砥粒３０７の平均粒度の約２分の１倍以下の平均粒度を有しうる。実際、研磨微粒子は、最小の砥粒３０７の平均粒度に比べ、例えば３分の１倍以下の程度、例えば約５分の１倍以下、約１０分の１倍以下、特に約２分の１倍と約１０分の１倍の間の範囲の、更に小さな平均粒度を有してもよい。
結合層３０３内のフィラー３０９を構成する研磨微粒子は、炭化物類、炭素をベースとした材料（例えばフラーレン類）、ホウ化物類、窒化物類、酸化物類、並びにその組み合わせ等の材料から作製されうる。特定の例において、研磨微粒子は、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、又はその組み合わせ等の超砥粒材料とすることができる。フィラー３０９の研磨微粒子は砥粒３０７の材料と同じ材料とすることができることが理解される。他の例では、フィラー３０９の研磨微粒子は砥粒３０７の材料と異なる材料を含みうる。
本明細書中の特定の研磨物品は、結合層３０３及び砥粒３０７の一部の上を覆い、かつ約１５ミクロン以下の平均厚さを有する被覆層３０５を利用してもよい。他の例では、被覆層は、平均厚さが、約１０ミクロン以下、例えば約８ミクロン以下、約５ミクロン以下、特に約２ミクロンと１５ミクロンの間、又は約１ミクロンと約１０ミクロンの間、又は更には約５ミクロンと約１０ミクロンの間の範囲内となるようにより薄くてもよい。
図１に更に示されるように、被覆層３０５は被覆層３０５内に含まれる任意選択のコーティングフィラー材料３１１を含みうる。コーティングフィラー材料３１１は被覆層３０５内に、実質的にすべてのコーティングフィラー材料３１１が被覆層３０５の材料により囲まれるように配置されてもよい。特に、被覆層のフィラー３１１は、結合層３０３内のフィラー材料３０９の研磨微粒子の同様の特徴を有する研磨微粒子を含みうる。特定の実施形態では、コーティングフィラー材料３１１を構成する研磨微粒子は結合層３０３内のフィラー材料３０９の研磨微粒子と同じとされうる。なお、他の実施形態では、コーティングフィラー材料３１１の研磨微粒子は結合層３０３のフィラー材料３０９の研磨微粒子と異なりうる。
本明細書中の研磨物品は特定の動作特性を示す。特に、本明細書中の研磨物品は、単結晶サファイア等、光起電力デバイス内に使用されうる、特に単結晶又は多結晶材料などの硬い結晶材料のスライスに使用するのに適切であってもよい。例えば、本明細書中の研磨物品は合計少なくとも約２００ｃｍ２のサファイアを少なくとも０．８ｍｍ／ｍｉｎの平均切削速度で切削することが可能である。実際、特定の物品は、少なくとも０．８ｍｍ／ｍｉｎ、例えば少なくとも約３００ｃｍ２、又は更には少なくとも約４００ｃｍ２の最低切削速度でより多くの量のサファイアを切削する能力を示した。本明細書中の実施形態による特定の研磨物品は、物品の有効寿命にわたり、約２００ｃｍ２と約５００ｃｍ２の間、例えば約２５０ｃｍ２と約４７５の間程度、又は特に約３００ｃｍ２と約４５０ｃｍ２の間のサファイアを０．８ｍｍ／ｍｉｎの最低速度でスライス可能である。
特定の例では、本明細書中の実施形態による研磨物品は、かなりの量（断面図で測定された）の単結晶サファイアでより速い切削速度を達成することが可能である。例えば、一実施形態において、研磨物品は、合計少なくとも約４００ｃｍ２のサファイアを、少なくとも０．９ｍｍ／ｍｉｎ、例えば少なくとも約１ｍｍ／ｍｉｎ、少なくとも約１．２ｍｍ／ｍｉｎ、少なくとも約１．３ｍｍ／ｍｉｎ、又は更には少なくとも約１．４ｍｍ／ｍｉｎ程度の平均切削速度で切削することができる。特定の実施形態は、合計少なくとも４００ｃｍ２のサファイアで、約０．８ｍｍ／ｍｉｎと約１．５ｍｍ／ｍｉｎの間、例えば約０．９ｍｍ／ｍｉｎと約１．５ｍｍ／ｍｉｎの間、及び更には約１ｍｍ／ｍｉｎと約１．４ｍｍ／ｍｉｎの間の切削速度を有しうる。
更に、本明細書中の研磨物品は、特に硬質材料（例えばサファイア）で切削寿命の向上を示す。例えば、実施形態による特定の研磨物品（つまり実際の切削にワイヤを使用）はサファイアで少なくとも約５時間の切削寿命を示す。いくつかの他の研磨物品は、少なくとも約８時間、例えば少なくとも約１０時間、少なくとも約１５時間、少なくとも約１８時間、又は更には少なくとも約２０時間の切削寿命を示した。特定の実施形態は、約５時間と２５時間の間、例えば約１０時間と２５時間の間、又は更には約１５時間と２５時間の間の範囲内の切削寿命を有しうる。
図４Ａ〜４Ｂは、本明細書中の実施形態による研磨物品の拡大画像を含む。図４Ａ〜４Ｂのそれぞれは、砥粒４０３を被覆層４０１を介してワイヤの表面に取り付けた研磨物品の部分を示す。図２Ａの画像は、０．０６ｃｔ／ｍの平均砥粒集中度を有する、本明細書中の方法により製作される研磨物品である。図２Ｂの研磨物品は、また、本明細書中に記載される方法により形成され、かつ０．１１ｃｔ／ｍの平均砥粒集中度を有する。比較においてわかるように、図２Ｂの研磨物品の平均砥粒集中度は図２Ａの研磨物品の平均砥粒集中度よりも大きい。
以下の例は、本明細書中の実施形態により形成される研磨物品と類似の方法を使用して形成される従来のワイヤーソーとの間の比較を提供する。第１のサンプル（サンプル１）が本明細書中の実施形態により形成された。使用されたワイヤ材料は標準的なばね鋼ピアノ線であった。ワイヤには外部表面全体上に約４０ミクロンの平均厚さを有する銅結合層材料がコーティングされた。次に砥粒がワイヤ内に埋め込まれた。
結合層内に埋め込むために選択された砥粒の分布は図３に示され、かつ選択された砥粒の粒度の代表サンプルの画像は図４に提供される。特に、砥粒は、すべての砥粒が２０ミクロンから９３ミクロンの間の平均粒度の範囲内であり、砥粒の約９０％が２０ミクロンと約７０ミクロンの間の粒度の５０ミクロンの範囲にまたがる広い粒度分布から選択され、かつ粒度の範囲内の百分率変化は、分布内の最低密度の平均粒度（例えば、約９０ミクロン）と最高密度の平均粒度（例えば約４２ミクロン）の間で１０％以下であった。
サンプル１の砥粒がコーティングされたワイヤは次に電気めっき法により材料の被覆層でコーティングされた。被覆層は約９８％のニッケル及び約２％の他の金属種並びに他の材料からなる組成物を有するニッケルをベースとした合金であった。最終的に形成された研磨ワイヤは０．１１ｃｔ／ｍの平均砥粒集中度を有した。その一部は図２Ｂに示される。
サンプル１のために上記した方法に従い第２のサンプル（サンプル２）が形成された。サンプル２の最終的に形成された研磨物品は０．０６ｃｔ／ｍの平均砥粒集中度を有するように形成された。その一部は図２Ａに示される。
砥粒をワイヤ材料内に圧延することにより形成されたと思われる従来のワイヤーソーイング物品（サンプルＣ１）が比較の目的のために入手された。砥粒は分析され、砥粒の粒度の分布は図５に提供され、選択された砥粒の粒度の代表サンプルの画像は図６に提供される。図５のチャート及び図６の画像からわかるように、粒径分布は狭く、大部分の粒度は約３０ミクロンの様々な粒度にまたがり、標準平均は約３２ミクロンである。被覆層はニッケルをベースとした合金材料で作製され、砥粒集中度は０．０１ｃｔ／ｍになるよう計算された。従来のワイヤーソー材料の一部の拡大画像が図７に提供される。
サンプル１及び２並びに従来のサンプル、サンプルＣ１は、次に、特定の動作特性を比較するために試験された。２インチ（５．０８ｃｍ）径の単結晶サファイアブランクをスライスするためにサンプルのそれぞれが使用された。成功を収めたサファイアブランクのそれぞれのスライスは「カット」と記録され、ブランクをスライスするための所要時間がサンプルのそれぞれについて記録された。それぞれのワイヤは８ｍ／ｓの速度で、１６Ｎの荷重がかかった状態で運転された。それぞれのサンプルはワイヤが破損するまで運転され、破損はワイヤの破断、又はサファイアブランクを切断し損なうことにより発生した。
図８は、グラフ１００１がサンプル１に相当し、グラフ１００２がサンプル２に相当し、グラフ１００３がサンプルＣ１に相当する、各サンプルの性能のグラフを提供する。示されるように、サンプル１及び２では、サンプルＣ１よりも総量がかなり多いサファイア材料をスライスするように能力が向上したことを示す。実際、サンプル１及び２は、サンプルＣ１に比べ合計２倍を超えるサファイア材料を切削する能力を示す。更に、サンプル１及び２は、サンプルＣ１に比べ、カット１〜７についてサファイア材料のより迅速な切削を示した。全体的に、サンプル１は４２６ｃｍ２のサファイア材料を１．１３ｍｍ／ｍｉｎの平均速度でスライスすることが可能であった。サンプル２はサファイア材料の同じ総量（４２６ｃｍ２）について０．８５ｍｍ／ｍｉｎの平均速度を達成した。
前述のものは従来技術からの脱却を示す研磨物品の説明を含む。本明細書中の研磨物品は、金属の結合層及び被覆層を介して細長い物体に固定される砥粒を有する細長い物体部材を組み込んだワイヤーソー研磨工具に関する。特に、本明細書中の研磨物品は、光起電力デバイス内に使用されうる単結晶又は多結晶材料のスライシング又は切り出しを含む、特にエレクトロニクス業界用のワイヤーソーイング用途で使用するのに適しうる。この産業については、これらの高額な先端材料の材料損失の削減、切削時間、したがってコストの削減、並びにそのような高額な材料のサブサーフェスの破損の削減に特別な関心があることに留意されたい。本明細書中の実施形態は、砥粒の粒度の分布、特定の結合層及び被覆層の材料及び厚さ、平均砥粒集中度、並びに本明細書中に記載される他の特徴の選択を含む特徴の組み合わせを組み込む。
前述において、特定の実施形態及び特定の構成要素の関連付けを参照したものは例証的なものである。したがって、上に開示された対象物は限定的なものではなく、添付の特許請求の範囲は本発明の真の範囲内にあるすべてのそのような変形、強化及び他の実施形態を含むことを意図している。したがって、法律で認められる最大限の範囲まで、本発明の範囲は以下の特許請求の範囲及びそれらの均等物の最も広い許容可能な解釈により決定されるものとし、前述の詳細な説明により制約又は限定されるものではない。
本開示の要約書は特許法に準拠するよう提供され、かつ特許請求の範囲の範囲又は意味を解釈するもしくは限定するために使用されるものではないという理解で提出される。加えて、前述の図面の詳細な説明において、開示を合理化する目的のため種々の特徴が１つの実施形態にまとめられているか又は記載されている場合がある。この開示は、請求した実施形態が各請求項に特に列挙したものよりもより多くの特徴を必要とするという意図を反映するものと解釈されない。むしろ、以下の特許請求の範囲に反映されるように、発明的な対象物は開示される実施形態のすべての特徴よりも少ない特徴を対象としうる。したがって、以下の特許請求の範囲は図面の詳細な説明に組み込まれ、各請求項は別々に請求される対象物を定義するものとして単独で有効である。

Claims (67)

  1. 研磨物品であって、
    細長い物体と、
    前記細長い物体の表面上を覆う結合層とを含み、
    約０．０２ｃｔ／ｍと約０．３０ｃｔ／ｍの間の範囲内の平均砥粒集中度で砥粒が前記結合層内に含まれる、研磨物品。
  2. 前記研磨体は、前記結合層内に約０．０２ｃｔ／ｍと約０．２８ｃｔ／ｍの間の範囲内の砥粒の平均砥粒集中度を含む、請求項１に記載の研磨物品。
  3. 前記研磨体は、前記結合層内に約０．１０ｃｔ／ｍと約０．２８ｃｔ／ｍの間の範囲内の砥粒の平均砥粒集中度を含む、請求項２に記載の研磨物品。
  4. 前記研磨体は、前記結合層内に約０．１０ｃｔ／ｍと約０．２５ｃｔ／ｍの間の範囲内の平均砥粒集中度を含む、請求項３に記載の研磨物品。
  5. 前記砥粒は非ガウス性の粒度分布から選択される、請求項１又は２のいずれか１項に記載の研磨物品。
  6. 前記砥粒は、約１ミクロンから約１００ミクロンの間の様々な平均粒度の砥粒を含む広い粒度分布から選択される、請求項１、２又は５のいずれか１項に記載の研磨物品。
  7. 前記広い粒度分布は、約１０ミクロンと約１００ミクロンの間の様々な平均粒度の砥粒を含む、請求項６に記載の研磨物品。
  8. 前記広い粒度分布は、約１５ミクロンと約１００ミクロンの間の様々な平均粒度の砥粒を含む、請求項７に記載の研磨物品。
  9. 前記広い粒度分布は、約２０ミクロンと約１００ミクロンの間の様々な平均粒度の砥粒を含む、請求項８に記載の研磨物品。
  10. 前記広い粒度分布は、約２０ミクロンと約９５ミクロンの間の様々な平均粒度の砥粒を含む、請求項９に記載の研磨物品。
  11. 前記広い粒度分布は、約２０ミクロンと約９０ミクロンの間の様々な平均粒度の砥粒を含む、請求項１０に記載の研磨物品。
  12. 前記砥粒の総数の少なくとも８０％が少なくとも約２５ミクロンの粒度範囲内に含まれる平均粒度を有する、請求項１、２、５又は６のいずれか１項に記載の研磨物品。
  13. 前記砥粒の総数の少なくとも８０％が少なくとも約３０ミクロンの粒度範囲内に含まれる平均粒度を有する、請求項１２に記載の研磨物品。
  14. 前記砥粒の総数の少なくとも８０％が少なくとも約４０ミクロンの粒度範囲内に含まれる平均粒度を有する、請求項１３に記載の研磨物品。
  15. 前記砥粒の総数の少なくとも８５％が少なくとも約３０ミクロンの粒度範囲内に含まれる平均粒度を有する、請求項１２に記載の研磨物品。
  16. 前記砥粒の総数の少なくとも９０％が少なくとも約３０ミクロンの粒度範囲内に含まれる平均粒度を有する、請求項１５に記載の研磨物品。
  17. 前記砥粒の総数の少なくとも９０％が少なくとも約４０ミクロンの粒度範囲内に含まれる平均粒度を有する、請求項１６に記載の研磨物品。
  18. 前記砥粒の総数の少なくとも９５％が少なくとも約３０ミクロンの間の粒度範囲内に含まれる平均粒度を有する、請求項１２に記載の研磨物品。
  19. 前記砥粒の総数の少なくとも９５％が約３０ミクロンと約８０ミクロンの間の粒度範囲内に含まれる平均粒度を有する、請求項１８に記載の研磨物品。
  20. 本明細書中の前記砥粒の総数の少なくとも９５％が約３０ミクロンと約７０ミクロンの間の粒度範囲内に含まれる平均粒度を有する、請求項１９に記載の研磨物品。
  21. 本明細書中の前記砥粒の総数の少なくとも９５％が約３０ミクロンと約６０ミクロンの間の粒度範囲内に含まれる平均粒度を有する、請求項２０に記載の研磨物品。
  22. 前記結合層及び前記砥粒の一部の上を覆う被覆層を更に含む、請求項１、２、５、６又は１２のいずれか１項に記載の研磨物品。
  23. 前記被覆層は金属を含む、請求項２２に記載の研磨物品。
  24. 前記被覆層は遷移金属元素を含む、請求項２３に記載の研磨物品。
  25. 前記被覆層はニッケルを含む、請求項２４に記載の研磨物品。
  26. 研磨物品であって、
    細長い物体と、
    前記細長い物体の表面上を覆う結合層と、
    前記結合層内に含まれる砥粒であって、前記砥粒は、前記砥粒の総数の少なくとも８０％が、約１ミクロンから約１００ミクロンの間の様々な平均粒度のうち少なくとも約３０ミクロンの粒度範囲内に含まれる平均粒度を有する、広い粒度分布から選択される、砥粒と、を含む、研磨物品。
  27. 前記広い粒度分布は、約１０ミクロンと約１００ミクロンの間の様々な平均粒度の砥粒を含む、請求項２６に記載の研磨物品。
  28. 前記広い粒度分布は、約２０ミクロンと約９０ミクロンの間の様々な平均粒度の砥粒を含む、請求項２７に記載の研磨物品。
  29. 前記砥粒の総数の少なくとも８０％が少なくとも約２５ミクロンの粒度範囲内に含まれる平均粒度を有する、請求項２６又は２７のいずれか１項に記載の研磨物品。
  30. 前記砥粒の総数の少なくとも９０％が少なくとも約３０ミクロンの粒度範囲内に含まれる平均粒度を有する、請求項２９に記載の研磨物品。
  31. 前記砥粒の総数の少なくとも９５％が約３０ミクロンと約８０ミクロンの間の粒度範囲内に含まれる平均粒度を有する、請求項３０に記載の研磨物品。
  32. 前記砥粒の一部は、前記結合層及び前記砥粒の一部の上を覆う被覆層の前記上面から突出し、前記研磨物品は、砥粒間に少なくとも５％の砥粒突出部の分散（ａｂｒａｓｉｖｅ ｇｒａｉｎ ｐｒｏｔｒｕｓｉｏｎ ｖａｒｉａｎｃｅ）を含む、請求項２６、２７、又は２９のいずれか１項に記載の研磨物品。
  33. 前記研磨体は、前記結合層内に約０．２ｃｔ／ｍと約０．３０ｃｔ／ｍの間の範囲内の平均砥粒集中度を含む、請求項２６、２７、２９又は３２のいずれか１項に記載の研磨物品。
  34. 研磨物品であって、
    細長い物体と、
    前記細長い物体の表面上を覆う結合層と、
    前記結合層内に含まれる砥粒であって、前記砥粒は、前記砥粒の総数の少なくとも８０％が、約１ミクロンから約１００ミクロンの間の様々な平均粒度のうち少なくとも約３０ミクロンの粒度範囲内に含まれる平均粒度を有する、広い粒度分布から選択され、かつ前記砥粒は約０．０２ｃｔ／ｍと約０．３０ｃｔ／ｍの間の範囲内の平均砥粒集中度で前記結合層内に含まれる、砥粒と、を含む、研磨物品。
  35. 前記細長い物体は少なくとも約１ｋｍの長手方向の軸に延在する長さを含む、請求項３４に記載の研磨物品。
  36. 前記細長い物体は少なくとも約１０ｋｍの長さを含む、請求項４４に記載の研磨物品。
  37. 前記平均直径は約８０ミクロンと約４００ミクロンの間の範囲内である、請求項３４又は３５のいずれか１項に記載の研磨物品。
  38. 前記結合層は遷移金属を含む、請求項３４、３５又は３７のいずれか１項に記載の研磨物品。
  39. 前記結合層は銅を含む、請求項３８に記載の研磨物品。
  40. 前記結合層は銅をベースとした金属合金を含む、請求項３９に記載の研磨物品。
  41. 前記細長い物体の前記表面は本質的に前記結合層により被覆される、請求項３４、３５、３７又は３８のいずれか１項に記載の研磨物品。
  42. 前記結合層は約１０ミクロンと約５０ミクロンの間の範囲内の平均厚さを含む、請求項３４、３５、３７、３８又は４１のいずれか１項に記載の研磨物品。
  43. 前記結合層はフィラーを含む、請求項３４、３５、３７、３８、４１又は４２のいずれか１項に記載の研磨物品。
  44. 前記フィラーは研磨微粒子を含む、請求項４３に記載の研磨物品。
  45. 前記研磨微粒子は実質的に前記砥粒の平均粒度よりも小さい平均粒度を含む、請求項４４に記載の研磨物品。
  46. 前記砥粒の一部は前記結合層内に埋め込まれる、請求項３４、３５、３７、３８、４１、４２又は４３のいずれか１項に記載の研磨物品。
  47. 前記結合層及び前記砥粒の一部の上を覆う金属を含む被覆層を更に含む、請求項３４、３５、３７、３８、４１、４２、４３又は４６のいずれか１項に記載の研磨物品。
  48. 前記被覆層は約１０ミクロン以下の平均厚さを含む、請求項４７に記載の研磨物品。
  49. 前記被覆層は約１ミクロンと約１０ミクロンの間の範囲内の平均厚さを含む、請求項４８に記載の研磨物品。
  50. 前記被覆層はコーティングフィラー材料を含む、請求項４７に記載の研磨物品。
  51. 前記コーティングフィラー材料は研磨微粒子を含む、請求項５０に記載の研磨物品。
  52. 研磨物品であって、
    細長い物体と、
    前記細長い物体の表面上を覆う結合層と、
    前記結合層内に含まれる砥粒であって、前記砥粒は、約０．０２ｃｔ／ｍと約０．３０ｃｔ／ｍの間の範囲内の平均砥粒集中度で前記結合層内に含まれ、かつ前記研磨物品は、合計少なくとも約２００ｃｍ２のサファイアを少なくとも０．８ｍｍ／ｍｉｎの平均切削速度で切削することが可能である、砥粒と、を含む、研磨物品。
  53. 前記研磨物品は少なくとも５時間の切削寿命を有する、請求項５２に記載の研磨物品。
  54. 前記研磨物品は少なくとも約１０時間の切削寿命を有する、請求項５３に記載の研磨物品。
  55. 前記研磨物品は約５時間と約２５時間の間の切削寿命を有する、請求項５２又は５３のいずれか１項に記載の研磨物品。
  56. 前記研磨物品は、合計少なくとも約３００ｃｍ２のサファイアを少なくとも０．８ｍｍ／ｍｉｎの平均切削速度で切削することが可能な、請求項５２、５３、又は５５のいずれか１項に記載の研磨物品。
  57. 前記研磨物品は、合計少なくとも約４００ｃｍ２のサファイアを少なくとも０．８ｍｍ／ｍｉｎの平均切削速度で切削することが可能な、請求項５６に記載の研磨物品。
  58. 前記研磨物品は、合計少なくとも約４００ｃｍ２のサファイアを少なくとも０．９ｍｍ／ｍｉｎの平均切削速度で切削することが可能な、請求項５７に記載の研磨物品。
  59. 前記研磨物品は、合計少なくとも約４００ｃｍ２のサファイアを少なくとも１ｍｍ／ｍｉｎの平均切削速度で切削することが可能な、請求項５２、５３、５５又は５６のいずれか１項に記載の研磨物品。
  60. 前記研磨物品は、合計少なくとも約４００ｃｍ２のサファイアを約０．８ｍｍ／ｍｉｎと１．５ｍｍ／ｍｉｎの間の範囲内の平均切削速度で切削することが可能な、請求項５２、５３、５５、５６又は５９のいずれか１項に記載の研磨物品。
  61. 前記サファイアは単結晶のサファイアである、請求項５２、５３、５５、５６、５９又は６０のいずれか１項に記載の研磨物品。
  62. 前記細長い物体はワイヤである、請求項５２、５３、５５、５６、５９、６０又は６１のいずれか１項に記載の研磨物品。
  63. サファイアを切削する方法であって、
    （ａ）細長い物体を有する研磨物品及び前記細長い物体に貼付された砥粒を用意するステップと、
    （ｂ）サファイア物品を用意するステップと、
    （ｃ）合計少なくとも約２００ｃｍ２の前記サファイア物品を少なくとも０．８ｍｍ／ｍｉｎの平均切削速度で切削するために前記研磨物品を使用するステップと、を含む、サファイアを切削する方法。
  64. 前記サファイア物品は単結晶のサファイアである、請求項６３に記載の方法。
  65. 前記貼り付けられた砥粒は、約０．０２ｃｔ／ｍと約０．３０ｃｔ／ｍの間の範囲内の平均砥粒集中度で存在する、請求項６３又は６４のいずれか１項に記載の方法。
  66. 前記砥粒は、前記砥粒の総数の少なくとも８０％が、約１ミクロンから約１００ミクロンの間の様々な平均粒度のうち少なくとも約３０ミクロンの粒度範囲内に含まれる平均粒度を有する広い粒度分布から選択される、請求項６３又は６４のいずれか１項に記載の方法。
  67. 前記細長い物体はワイヤである、請求項６３又は６４のいずれか１項に記載の方法。
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