JP4409766B2 - 耐蝕性研磨物品および製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、おもに研磨物品に関する。特に、本発明は、研磨粒子が基板に貼付され、耐蝕性マトリックス材料が焼結された耐蝕性粉末と研磨粒子に化学的に結合されたブレージング合金（ｂｒａｚｉｎｇ ａｌｌｏｙ）とを含み、それによって、粒子を適所に固定的に保持する研磨物品に関し、さらにそのような研磨物品を製造する方法にも関する。
【０００２】
発明の背景
磨きディスクまたは状態調節ディスク等の研磨物品は一般に、研磨粒子をマトリックス材料でキャリヤまたは基板に貼付することによって形成される。そのような研磨物品を使用して、ウレタンパッド等の工作物の表面を滑らかにするかまたは磨いて、工作物は今度はシリコンウェハ等の部品を磨くのに使用されることができる。状態調節ディスクは、物品の構造的一体性を劣化させる高腐蝕環境を含む様々な環境で使用される。したがって、研磨粒子が適切に基板に固定されないと、粒子はマトリックス材料から取り除かれる傾向がある。ひとたび取り除かれると、研磨粒子は工作物の磨かれた表面を容易に傷つけ損傷する可能性がある。さらに、ひとたび１つの粒子が取り除かれると、隣接する粒子のためのサポートが減少し、さらなる粒子が取り除かれやすくなる。したがって、腐蝕環境でその強度、耐摩耗性および構造的一体性を維持する状態調節ディスクが高度に望まれている。
【０００３】
研磨粒子を基板に貼付するには様々な技術が使用されてきた。各技術は、粒子と基板との間で結合を形成するマトリックス材料で形成する粒子を囲繞し、それによって、粒子を適所に保持するよう作用することを含む。そのような公知の技術の１つが、粒子の高さの４０〜７５％の範囲の厚さに、一般にニッケルである金属を堆積させ、それによって、研磨粒子と純粋に機械的接着である結合を形成することを含む電気めっきである。たとえば、Ｂｒｕｘｖｏｏｒｔ ｅｔ ａｌ．に付与された米国特許第５,２５１,８０２号には、裏地に結合された複数の研磨複合材料を含む研磨物品が開示されている。研磨複合材料の各々は、ダイヤモンドまたは立方晶窒化ホウ素等の研磨粗粒、および、好ましくは、研磨粗粒を裏地に固定するためのスズ、青銅、ニッケル、銀、鉄およびこれらの合金または組み合わせの金属結合剤を含む。結合剤は電気めっき過程によって裏地に加えられ、研磨粗粒は電気めっき過程の間に同時に加えられる。必ずしもすべての研磨粒子が電着した金属と適切な結合を形成するのではないため、電気めっきは限定される。さらに、すべての金属が電着することができるわけではないため、電気めっき過程に使用することができる金属組成物の範囲は限られている。
【０００４】
研磨粒子を基板に貼付するための別の公知の技術は、マトリックス材料を焼結することである。焼結は、研磨粒子を含む可融性のマトリックス材料に熱および／または圧力を加え、それによって研磨粒子を基板に貼付するように作用する。たとえば、Ｔｓｅｌｅｓｉｎに付与された米国特許第５,３８０,３９０号には、研磨粒子と、焼結可能なまたは可融性のマトリックス材料によって研磨粒子が基板に貼付される方法とが開示されている。Ｌｏｗｄｅｒに付与された米国特許第５,５１１,７１８号には、ダイヤモンドをブレージングして、ニッケル−クロム−ホウ素合金を備えた単一層ツールを形成する方法が開示されている。焼結は一般に、研磨粒子を基板に貼付するように作用するが、研磨粒子は、操作の間に、特に腐蝕環境において、マトリックス材料から取り除かれる傾向を有する。したがって、有害な操作状況下で長い操作期間にわたって研磨粒子が基板に貼付したままである耐蝕性研磨粒子の必要性が存在する。
【０００５】
発明の開示
本発明は、腐蝕環境に使用される研磨物品と、そのような研磨物品を製造する方法とを提供する。特に本発明は、研磨粒子と化学結合を形成し且つ機械的接着を形成する耐蝕性マトリックス材料を使用して研磨粒子が基板の一方の側または両側に貼付され、それによって様々な操作状況において粒子を基板上の適所に固定的に保持する研磨粒子を提供する。基板は研磨粒子およびマトリックス複合材料が貼付される別個の部品であってもよく、または、基板はマトリックス材料と一体的に形成されてもよい。
【０００６】
研磨粒子のサイズおよび型は、その意図される用途によって研磨物品の所望の特性を達成するように選択される。「研磨粒子」という用語は、結合剤によって一緒に結合され、研磨凝集物または複合材料を形成する単一の研磨粒子を含む。研磨凝集物は、Ｋｒｅｓｓｎｅｒに付与された米国特許第４,３１１,４８９号、Ｂｌｏｅｃｈｅｒ ｅｔ ａｌ．に付与された米国特許第４,６５２,２７５号およびＢｌｏｅｃｈｅｒ ｅｔ ａｌ．に付与された米国特許第４,７９９,９３９号にさらに記載されている。研磨る粒子は、カップリング剤、または、金属コーティングまたはセラミックコーティング等の表面処理またはコーティングをさらに含んでもよい。本発明に有用な研磨粒子は、およそ２０〜１０００マイクロメートルの平均サイズを有する。より具体的には、研磨粒子は、約４５〜６２５マイクロメートル、または約７５〜３００マイクロメートルの平均サイズを有する。研磨粒子のサイズが「メッシュ」または「グレード」によって報告されることもあるが、両方とも一般に公知の研磨粒子をサイズで分類する方法である。研磨粒子は、少なくとも８のモース硬度を有することが好ましく、より好ましくは少なくとも９である。適切な研磨粒子は、たとえば、溶融酸化アルミニウム、酸化セラミックアルミニウム、熱処理された酸化アルミニウム、炭化ケイ素、炭化ホウ素、炭化タングステン、アルミナジルコニア、酸化鉄、ダイヤモンド（天然および合成）、セリア、立方晶窒化ホウ素、ガーネット、カーボランダム、亜酸化ホウ素およびそれらの組み合わせを含む。
【０００７】
本発明の特徴的な特色にしたがって、マトリックス材料はブレージング合金と焼結された耐蝕性粉末とを含む。所定の温度に加熱されると、ブレージング合金は液体になり、研磨粒子のまわりを流れる。さらに、ブレージング合金は、研磨粒子に反応し、これとの化学結合を形成する。化学結合を形成するために、ブレージング合金の組成物は、特定の研磨粒子に反応すると知られた予め選択された要素を含み、それによって化学結合を形成する。たとえば、ダイヤモンド研磨粒子を使用する場合、ブレージング合金は、ダイヤモンドと反応してこれと化学結合する次の要素の少なくとも１つを含んでもよい。すなわち、クロム、タングステン、コバルト、チタン、亜鉛、鉄、マンガンまたはケイ素である。さらなる実施例のために、立方晶窒化ホウ素研磨粒子を使用する場合、ブレージング合金は、研磨粒子との化学結合を形成することができるアルミニウム、ホウ素、炭素およびケイ素の少なくとも１つを含んでもよく、また、酸化アルミニウム形成する粒子を使用する場合は、ブレージング合金は、アルミニウム、ホウ素、炭素およびケイ素の少なくとも１つを含んでもよい。しかし、ブレージング合金は、研磨粒子に反応し、これとの化学結合を形成する単数または複数の要素に加えて、様々な不活性要素を含んでもよいことも認識される。
【０００８】
一定の量の耐蝕性粉末が、ブレージング合金と混合され、結合特性を改良し、強度を高め、耐蝕性特性を改良し、マトリックス材料のコストを削減する。耐蝕性粉末は、ステンレス鋼、チタン、チタン合金、ジルコニウム、ジルコニウム合金、ニッケルおよびニッケル合金等の金属および金属合金を含んでもよい。より具体的には、ニッケル合金は、ニクロム、すなわち、８０重量％のニッケルと２０重量％のクロムを含むニッケル合金を含むことができる。あるいは、耐蝕性粉末は、炭化ケイ素または炭化タングステン等の炭化物を含むセラミックから形成することもできる。
【０００９】
１つの実施態様において、基板はステンレス鋼から形成され、エポキシフィルムを使用してステンレス鋼シムの形態であるサポートキャリヤに貼付される。しかし、基板とキャリヤとの両方が、たとえば、合成プラスチック材料、セラミック材料または他の適切な耐蝕性金属等の他の金属から形成されてもよい。基板およびキャリヤが、接着剤または機械的締結具を含むいずれの適切な締結技術で接続されることができることも明らかである。
【００１０】
本発明の他の実施態様において、キャリヤはＬＥＸＡＮ登録商標等のポリカーボネート材料から形成され、略環状形状を有し、その外側縁表面に沿って含まれた複数の歯車の歯を有する。研磨粒子およびマトリックス材料は、適切な締結手段でキャリヤに直接貼付される研磨セグメントに形成される。各セグメントは、研磨粒子を含む研磨部分と、全体的にマトリックス材料から形成される本来位置の基板部分とを含む。
【００１１】
基板が所望の形状に切断される領域で基板から研磨粒子が脱出する可能性を減少するために、切断される基板の部分は、研磨粒子なしで設けられる。この粒子のないゾーンは、たとえば、基板の縁全体に沿って一定の距離を延在する。略円形のまたは環状の形状を有する一般的な状態調節ディスク用に、粒子のないゾーンは、基板の外側周縁部分に設けられる。用途によって、研磨粒子は基板の一方の側または両側に設けることができる。
【００１２】
本発明は、ブレージング合金と耐蝕性粉末とを含む耐蝕性マトリックス材料で基板に研磨粒子が貼付される研磨粒子を製造する方法も提供する。この方法は、最初に基板にマトリックス材料の層を加えて、次に、各研磨粒子の一部がマトリックス材料によって囲繞されるように、研磨粒子をマトリックス材料に配列することを含む。研磨粒子は基板に配列されて粒子のないゾーンを提供し、それによって、そのゾーンに研磨粒子を有すると、切断過程によって引き起こされた弱化の結果としてゆるくなるという問題を排除する。次に、マトリックス材料を熱および／圧力で処理して、ブレージング合金を液体にし、研磨粒子の間および耐蝕性粉末の隙間の間を流させる。このステップの間に、ブレージング合金は研磨粒子と化学結合を形成し、耐蝕性粉末との界面で金属間合金を形成し、それによって、ブレージング合金を耐蝕性粉末に結合する。さらに、熱と圧力との組み合わせが、耐蝕性粉末を焼結させる。
【００１３】
加熱および加圧ステップの間に、物品は、およそ５００℃〜１２００℃の範囲の温度に加熱され、およそ７５〜４００ｋｇ／ｃｍ²の範囲の圧力へ加圧され、ブレージング合金が研磨粒子と化学結合を形成することができ、ブレージング合金が耐蝕性粉末と金属間合金を形成することができ、粉末を焼結することができるのに十分な時間、この温度および圧力が維持される。およそ３〜１５分の間の時間が十分であることがわかった。
【００１４】
熱および圧力を物品に加えるより具体的な方法は、たとえば電気的に伝導性があり、研磨表面の輪郭に従うグラファイト紙等の材料の層で研磨粒子およびマトリックス材料を覆うことを含む。この方法は、たとえば、サンドブラスト、水での圧力洗浄または高圧ウォータージェットクリーニング等の公知の技術を使用して伝導性層を取り除くか、または層を化学的に溶解して、熱および／圧力処理の後に研磨粒子を露出するさらなるステップを必要とする。
【００１５】
本発明を形成する方法は、粒子のないゾーンを通ってたとえば環状ディスク形状等の所望の形状に物品を切断するステップ、物品を平らにするステップ、物品をクリーニングするステップおよび物品をキャリヤに接着するステップをさらに含んでもよい。
【００１６】
詳細な説明
図１、２を参照すると、状態調節ディスクの形態で研磨物品２が示される。研磨物品２は、向かい合った略平坦な頂表面４ａと底表面４ｂとを有する基板４を含む。基板４は、たとえばステンレス鋼等のいずれの適切な材料から形成される。複数の研磨粒子６が、頂基板表面４ａに隣接して配置され、第１の囲繞された部分６ａがマトリックス材料８内に包埋され、マトリックス材料８は粒子を基板４に貼付し各粒子を適所に固定して保持するように作用し、第２の露出した部分６ｂはマトリックス材料８から外側に突出し、それによって研磨表面を形成する。粒子のないゾーン１０が、状態調節ディスク２の周縁に沿って設けられ、ディスクの縁近傍にある研磨粒子に適切な側方向サポートを確実にする。
【００１７】
マトリックス材料８は、焼結された耐蝕性粉末とブレージング合金とを含む。耐蝕性粉末とブレージング合金との金属間化合物が、ブレージング合金を焼結された耐蝕性粉末に接続し、化学結合がブレージング合金を研磨粒子に結合する。本明細書で使用される「化学結合」という用語は、ブレージング合金と研磨粒子との間の分子相互作用によって形成される結合を意味するものとして使用される。化学結合という用語は、ブレージング合金が、研磨粒子の還元状態、たとえば炭化物との相互作用する場合も含む。たとえば、ブレージング合金内のクロムは、ダイヤモンド表面の炭素と相互作用し、炭化クロムを形成する。ブレージング合金が還元または酸化に責任がある場合もある。化学結合は、マトリックス材料が個別の粒子のまわりに構造的に配列することによって、粒子を適所に保持するように作用する純粋な機械的接着よりもまさる。機械的接着では、その形状によって一定の粒子が、適所に固定的に保持されず、したがって状態調節ディスクの操作の間に取り除かれる傾向を有する。対称的に化学結合では、分子結合がブレージング合金と研磨粒子との間の界面フェースに形成され、結果として、化学結合は、より強力な保持特性を呈し、これは研磨粒子の形状とは関係がない。
【００１８】
化学結合を形成するために、ブレージング合金の組成物は、使用される特定の研磨粒子に反応すると知られている十分な量の要素を含む。たとえば、ダイヤモンド研磨粒子を使用する場合、ブレージング合金は、ダイヤモンドに反応してこれとの化学結合を形成する次の要素の少なくとも１つを高含有量（すなわち７重量％を超える）含む。すなわち、クロム、タングステン、コバルト、チタン、亜鉛、鉄、マンガンまたはケイ素である。立方晶窒化ホウ素研磨粒子を使用する場合、ブレージング合金は、研磨粒子との化学結合を形成するアルミニウム、ホウ素、炭素またはケイ素を含んでもよく、酸化アルミニウム研磨粒子を使用する場合は、ブレージング合金は、アルミニウム、ホウ素、炭素またはケイ素を含んでもよい。当然ながら、ブレージング合金は、様々な非反応材料をさらに含んでもよい。
【００１９】
耐蝕性粉末は、ブレージング合金と混合されて、結合特性を改良し、強度を高め、耐蝕性特性を改良し、マトリックス材料のコストを削減する。マトリックス材料内の耐蝕性粉末の量は、およそ５重量％〜９９重量％の範囲でありうる。あるいは、マトリックス材料は４０〜９８重量％の耐蝕性粉末、または５０〜９５重量％の耐蝕性粉末を含むことができる。本発明の特定の実施態様は、８０重量％の耐蝕性粉末と２０重量％のブレージング合金とを含む。
【００２０】
図３に示される実施態様において、研磨粒子６およびマトリックス材料８は、剛性キャリヤ１４に装着される可撓性のある基板１２に貼付される。基板１２は、たとえば、ステンレス鋼箔等のいずれの適切な材料から形成される。キャリヤ１４は、基板１２に剛性サポートを提供し、たとえば、適切な構造的サポートを提供するのに十分な厚さを有するステンレス鋼シム等のいずれの適切な材料から形成される。可撓性のある基板１２は、たとえば、ミネソタ州セントポールのミネソタマイニングアンドマニュファクチャリング社が販売しているＡＦ−１６３−２Ｋアエロスペースエポキシ等の接着剤でキャリヤ１４に貼付される。基板１２は、リベットまたはねじ等の公知の機械的締結具でキャリヤ１４に取り付けられてもよい。
【００２１】
図４、５に示される本発明の第３の実施態様は、図２の状態調節ディスクに類似するが、状態調節ディスクは中央に位置する円形開口１６を含み、基板４の頂表面４ａおよび底表面４ｂの両方に貼付された研磨粒子を含むことが異なる。
【００２２】
図６、７は、研磨粒子６およびマトリックス材料８が、複数の歯車の歯２０ａを有する歯車形状のキャリヤ２０に貼付され、中央に位置する円形開口２２を含む状態調節ディスクの第４の実施態様を示す。キャリヤ２０は、たとえば、ＬＥＸＡＮ登録商標等のポリカーボネートから形成される。他の合成プラスチック材料または金属が使用されてもよいことを当業者は認識する。研磨粒子６およびマトリックス材料８は、接着剤または機械的締結具等のいずれの適切な技術を使用してキャリヤ２０に直接装着される剛性研磨セグメント２４内に形成される。各セグメント２４は、研磨粒子６を含む研磨部分２４ａと、マトリックス材料から形成された本来位置の基板部分２４ｂとを含む。あるいは、研磨粒子６およびマトリックス材料８は、図３を参照して記載されたステンレス鋼箔等の適切な材料から形成された基板（図示せず）に沿って配列され、類似の方法でキャリヤ２０に貼付されてもよい。
【００２３】
本発明によって研磨粒子を形成する方法は、最初に基板上にマトリックス材料を提供して、次に、各粒子の第１の部分がマトリックス材料内に包埋されてこれによって囲繞され、第２の露出部分がマトリックス材料から外側に延在するように、研磨粒子をマトリックス材料に配列することを含む。マトリックス材料は、耐蝕性粉末とブレージング合金とを含み、ブレージング合金は、図１、２を参照して先に検討された特定の研磨粒子と反応してこれと化学結合する要素を含む。研磨粒子は、基板上に無作為に分布されてもよく、または、たとえば、ｄｅＫｏｋ ｅｔ ａｌ．に付与された米国特許第４,９２５,４５７号に開示された方法等の公知の方法を使用して、所定のパターンに配列されてもよい。次いで、熱および圧力が、基板、マトリックス材料および研磨粒子に加えられ、ブレージング合金を固相から液相へ転移させる。次いで、液体ブレージング合金は、各研磨粒子の一部に密接に接触するように流れてこれを囲繞する。ブレージング合金が冷却して固相に戻ると、ブレージング合金は、機械的接着の形態で構造的サポートを提供することによって、各研磨粒子を適所に保持するように作用する。さらに、研磨粒子と反応するように選択されたブレージング合金の構成要素は、各研磨粒子との化学結合を形成し、それによって、粒子の形状とは関係なく各粒子を適所に固定して保持する追加機構を提供する。液体ブレージング合金は、耐蝕性粉末の隙間の間も流れ、ブレーズと粉末との界面フェースでブレージング合金と耐蝕性粉末とから構成される金属間合金を形成する。熱および圧力も耐蝕性粉末を焼結させ、すなわち、耐蝕性粉末は、溶融なしで個別の粒子耐蝕性粉末を部分的に溶接することによって、均質な集合体を形成する。
【００２４】
実施例
本発明の特定の実施態様において、８０／１００ダイヤモンド研磨粒子が、２０重量％のブレージング合金と８０重量％のステンレス鋼粉末とを具備するマトリックス材料に包埋された。使用されたブレージング合金は、ニューヨーク州ウェストベリーのスルザー・メテコ（Ｓｕｌｚｅｒ Ｍｅｔｃｏ）が販売のＡＭＤＲＹ合金番号７６７であり、ニッケル、リンおよびクロムを含む。クロムは、ダイヤモンド研磨粒子と反応して、これとの化学結合を形成するように作用する。使用されたステンレス鋼粉末は、ニュージャージー州リバートンのホーガネーズ社（Ｈｏｅｇａｎａｅｓ Ｃｏ．）が販売のＡｎｃｏｒ４３４Ｌ−１００であった。次いで、ダイヤモンド研磨粒子、ブレージング合金およびステンレス鋼粉末は、およそ９００℃〜１１００℃の範囲の温度へ加熱され、およそ７５〜４００ｋｇ／ｃｍ²の範囲の圧力へ加圧され、およそ３〜１５分の間の時間にこれらの状態で維持され、下記の１つまたはそれ以上を可能にした。すなわち、（１）ステンレス鋼が焼結されること、（２）ブレージング合金が、研磨粒子のまわりに流れ、これと反応し、これとの化学結合を形成すること、（３）ブレージング合金が焼結されたステンレス鋼粉末の隙間を通って流れること、および、（４）ブレージング合金が焼結されたステンレス鋼粉末との金属間合金を形成することである。これらの事象は同時に起こってもいずれの順に起こってもよい。
【００２５】
熱および圧力処理を提供するための特定の技術は、研磨粒子およびマトリックス材料を、オハイオ州クリーブランドのＵＣＡＲカーボン社（ＵＣＡＲ Ｃａｒｂｏｎ Ｃｏ．， Ｉｎｃ．）が販売のグラファイト紙等の、研磨粒子およびマトリックス材料の表面輪郭に従うことができる材料の電気伝導層で覆うことを含む。熱は、電流をグラファイト紙の層に加えることによって発生され、圧力は、圧力をグラファイト紙に加えることによって提供され、これが今度は圧力を研磨粒子およびマトリックス材料に伝える。加熱および加圧ステップの後に、サンドブラスト、圧力洗浄、高圧ウォータージェットクリーニング等のいずれの公知の技術を使用して、適合伝導層が取り除かれるか、または適切な化学溶液で層を溶解して、それによって研磨粒子を露出する。
【００２６】
この方法は、研磨粒子を基板上に配列して、研磨粒子を含まない粒子のないゾーンを提供することと、次いで、特定の構成を有する研磨粒子を得るために、粒子のないゾーンを通って切断することとをさらに含んでもよい。粒子のないゾーンを提供することによって、切断操作はいずれの粒子を取り除かず、さもなければ粒子のサポートに影響を及ぼす。最後に、この方法は、接着剤または機械的締結具を含むいずれの適切な締結手段を使用して、基板をキャリヤに装着することを含んでもよい。
【００２７】
上記に述べた本発明の概念から逸脱することなく様々な変更および修正を加えることができることは当業者には明らかである。したがって、本発明の範囲は、本願に述べられた構造物に限定されるべきではなく、特許請求の範囲の文言によって述べられた構造物およびそれらの構造物の等価物によってのみ限定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
本発明は、添付の図面を参照してさらに説明される。
【図１】 本発明による状態調節ディスクの上面図である。
【図２】 図１の線２−２に沿って取られた詳細断面図である。
【図３】 図１の状態調節ディスクの代替実施態様の詳細断面図である。
【図４】 本発明の第３の実施態様の上面図である。
【図５】 図４の線５−５に沿って取られた詳細断面図である。
【図６】 本発明の第４の実施態様の上面図である。
【図７】 図６の線７−７に沿って取られた詳細断面図である。

Claims (2)

1. 
   （ａ）向かい合った略平坦な頂表面と底表面とを有する基板と、
   （ｂ）複数の研磨粒子と
   を具備する研磨物品であって、
   該研磨粒子が、該基板頂表面および該基板底表面の少なくとも一方の少なくとも一部に配列され、
   該研磨粒子が、マトリックス材料によって、該基板頂表面または該基板底表面に固定され、
   該マトリックス材料が、ブレージング合金と、焼結された耐蝕性粉末とを含み、
   該ブレージング合金が、化学結合によって、該研磨粒子と結合している、
   研磨物品。
2. 前記耐蝕性粉末が、ステンレス鋼、チタン、ジルコニウム、炭化タングステンおよびニクロムの少なくとも１つを具備する請求項１記載の研磨物品。

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