JP4520465B2 - 自己回避砥粒配置によって作製された研磨工具 - Google Patents

Description

研磨工具を設計及び製造するための方法並びに当該方法によって作製されたユニークな研磨工具が開発されている。本方法においては、個々の砥粒は、それらが非連続的であるように制御されたランダムな空間的配置に置かれる。研磨工具の研磨表面にランダムであるがしかし制御された配置の砥粒を有することで最適な研磨作用が得られ、それにより効率が改善され、平面的な加工物表面を一貫して作り出すことができる。

様々なカテゴリーの研磨工具上の均一なパターン化された砥粒配置が研磨工具の性能を改善することが見出されている。このようなカテゴリーの工具、即ち、超精密研削操作のために設計された「工学的な」又は「構造的な」被覆研磨工具の１つが過去１０年の間に市販されるようになった。これらの被覆研磨工具のための典型的な設計は、米国特許第５，０１４，４６８号明細書、同第５，３０４，２２３号明細書、同第５，８３３，７２４号明細書、同第５，８６３，３０６号明細書及び同第６，２９３，９８０号明細書において記載されている。これらの工具では、小形の複合構造体、例えば、結合材中に保持された複数の砥粒を含有する３次元の角錐、菱形、線及び六角形の隆起が、軟質の支持体シートの表面上に単一層として規則的なパターンで繰り返される。これらの工具はより自由な切断をすることが見出され、粒子複合物間のオープンスペースがより低温の研削と向上した屑の除去を可能にする。硬質の成形された支持体ディスク又はコアを有する超研磨工具のカテゴリーにおける同様の工具が、米国特許第６，０９６，１０７号明細書に開示されている。

正方形、円、長方形、六角形又は他の繰り返しの幾何学的パターンの均一なグリッドパターンにレイアウトされた砥粒の単一層を有する研磨工具が設計されており、これらの工具は種々の精密仕上げ用途において使用されている。パターンは単一層中に個々の砥粒又は砥粒群を、群の間のオープンスペースにより分離されて含むことができる。超研磨工具の中でも特に、均一なパターンの砥粒が、研磨工具上に砥粒をランダムに配置して得ることができるよりも平坦でかつ滑らかな表面仕上げにすると考えられる。このような工具は、例えば、米国特許第６，５３７，１４０号明細書、同第５，６６９，９４３号明細書、同第４，９２５，４５７号明細書、同第５，９８０，６７８号明細書、同第５，０４９，１６５号明細書、同第６，３６８，１９８号明細書及び同第６，１５９，０８７号明細書に開示されている。

したがって、種々の研磨工具は、費用のかかる半仕上げ加工物の均一な研磨に必要とされる非常に精密な仕様に従って設計及び製造されている。エレクトロニクス産業におけるこのような加工物の例として、半仕上げ集積回路は、ウェハ（例えば、シリカ又は他のセラミック又はガラスの基材材料）上に場合によりエッチングを使用して複数の表面層において選択的に堆積された余分なセラミック又は金属材料を除去するために削るか又は磨かなければならない。半仕上げ集積回路上の新たに形成された表面層の平坦化は、研磨スラリーとポリマーパッドを使用して化学機械平坦化（ＣＭＰ）法によって行われる。ＣＭＰパッドは、研磨工具によって連続的又は周期的に「コンディショニング」されなければならない。コンディショニングは、蓄積された屑と研磨スラリー粒子がパッドの研磨面に圧縮されることによって生じるパッドの硬化又は光沢を排除する。コンディショニング作用は、コンディショニングされたパッドがウェハの全面にわたって半仕上げウェハを再度平坦化できるようパッドの表面にわたって均一でなければならない。

コンディショニング工具上の砥粒の位置は、パッドの研磨面上に均一なスクラッチパターンを達成するように制御される。工具の２次元平面上に砥粒を十分ランダムに配置することは、一般にＣＭＰパッドコンディショニングには適していないと考えられている。工具の研磨面上のある規定の均一なグリッドに沿って各粒子を配向させることにより、ＣＭＰコンディショニング工具上の砥粒の位置を制御することが提案されている（例えば、米国特許第６，３６８，１９８号明細書を参照されたい）。しかしながら、均一なグリッド工具には幾つかの制限がある。例えば、均一なグリッドは、工具の動きから生じる周期的な振動を生じさせ、パッド上の起伏若しくは周期的な溝又は研磨工具若しくは研磨パッドの不均一な摩耗を引き起こす場合があり、最終的に半仕上げ加工物上に不良な表面ができてしまう。

研磨工具基材上に単一層において砥粒の不均一なグリッドパターンを作り出すための方法が特開２００２−１７８２６４号公報に開示されている。これらの工具の作製では、均一な２次元パターン、例えば、一連の正方形を有する仮想的なグリッドであって、このグリッド上の線の交点に砥粒が配置されることになるグリッドを規定することによって開始される。次いで、グリッドに沿って幾つかの交点をランダムに選択し、砥粒をこれらの交点から移動させ、砥粒の平均直径の３倍以下の距離だけ砥粒を動かす。この方法は、ｘ又はｙ軸に沿って数字配列に個々の砥粒を確実に配置することができないため、得られる工具面は、工具が加工物上の直線経路をたどる場合に接触領域において有意なギャップ又は不一致なく一貫した研磨作用を確実に与えることができない。この方法はまた各砥粒の周りに規定の排他的なゾーンを確保できないため、砥粒の集中したゾーンと砥粒間にギャップを有するゾーンの両方が可能となり、仕上げた加工物に不均一な表面品質を引き起こすことがある。

特開２００２−１７８２６４号公報のこれらの欠点がないため、本発明では、ランダムであるがしかし制御された２次元配列において各砥粒の周りに規定の排他的なゾーンを有する研磨工具を製造することが可能である。さらには、工具が加工物上の直線経路をたどる場合に接触領域において有意なギャップ又は不一致なく一貫した研磨作用を生成するように、工具の研削面のｘ軸及び／又はｙ軸に沿って砥粒位置のランダムな数字配列を有する工具を製造することができる。

テンプレートのワイヤースクリーン又は穴の開いたシートの間隙に個々の砥粒を置くことにより配置された砥粒の均一なグリッド配置を用いて作製した従来技術の研磨工具（例えば、米国特許第５，６２０，４８９号明細書）は、このようなグリッドの静的で均一な構造寸法に限定される。これらのワイヤースクリーン又は均一に穴の開いたシートは、規則的な寸法のグリッド（しばしば正方形又は菱形のグリッド）を有する工具デザインを作り出すことができるだけである。対照的に、本発明の工具は、砥粒間に種々の長さで不均一な距離を用いることができる。したがって振動の周期性を避けることができる。テンプレートのスクリーンの寸法から開放されて、工具の切断面はより高濃度の砥粒を含有することができ、砥粒の配置を依然として制御しながら非常に細かい研磨グリットサイズを用いることができる。ＣＭＰパッドコンディショニングについて、研磨工具上の砥粒の濃度が高いほど、パッドと接触する研磨点の数が多くなり、蓄積した酸化物の屑や他の光沢物質のパッド研磨面からの除去効率が高くなると考えられる。ＣＭＰパッドは比較的柔らかいため、小さな研磨グリットサイズが本出願での使用に好適であり、比較的高濃度のより小さなグリットサイズの砥粒を使用することができる。

さらに本発明の工具で行われる周辺研削操作では、非連続的な砥粒の制御されたランダム配置における各砥粒は、それが直線的に動く時、加工物の表面に沿って異なる自己回避的経路又は線をたどる。これは、砥粒の均一なグリッド配置を有する従来技術の工具とよい対照をなす。均一なグリッドでは、グリッド上の同じｘ又はｙ次元を共有する各砥粒は、同様にパッドを横切る同じｘ又はｙ次元にある他のすべての砥粒によってたどられる同じ経路又は線において加工物の表面に沿ってたどるであろう。このようにして、従来技術の均一なグリッド工具は、加工物の表面に「溝」を形成する傾向がある。本発明の工具はこれらの問題を最小限に抑える。直線的ではなく回転して運転される工具は異なる状況を与える。「正面」又は表面研削工具では、砥粒の規則的な配置が多重の回転対称（例えば、正方形の均一なグリッドは４重の回転対称、六角形は６重の回転対称など）を有するのに対し、本発明の工具は１重の回転対称のみを有する。したがって、本発明の工具の繰り返しサイクルは非常により長く（例えば、正方形の均一なグリッドより４倍長い）、規則的で均一な配置の砥粒を有する工具と比較して、本発明の工具は加工物上の規則的なパターンの生成を最小限に抑えるという正味の効果が得られる。

周辺研削及びＣＭＰパッドコンディショニングにおいて実現される利点に加えて、本発明の研磨工具は種々の製造プロセスにおいて利点を提供する。これらのプロセスは、例えば、他の電子部品の研磨、例えば、セラミックウェハの裏面研削、光学部品の仕上げ、塑性変形によって特徴付けられる材料の仕上げ、及び「ロングチッピング」材料、例えば、チタン、インコネル合金、高張力鋼、真鍮及び銅の研削を含む。

本発明は平面の作業面に砥粒の単一層を有する工具を作製するのに特に有用であるが、２次元の砥粒配置は曲げることができるか又は中空３次元の円筒形に成形することができ、それにより工具の表面に保持された砥粒の円筒形３次元配置として構成される工具で使用するのに適合させることができる（例えば回転ドレッシング工具）。結合した砥粒配置を有するシートを同心のロールに巻き、各砥粒がｚ方向において各隣接砥粒からランダムにずれ、すべての砥粒がｘ、ｙ及びｚ方向において非連続的である螺旋構造を作り出すことにより、砥粒は２次元のシート又は構造から固体の３次元構造に変換することができる。本発明はまた、他の多くの種類の研磨工具を作製するのに有用である。これらの工具としては、例えば、表面研削ディスク、硬質工具のコア又はハブの周囲に砥粒の縁を含むエッジ研削工具、及び軟質の支持体シート又はフィルム上に砥粒又は砥粒／結合剤複合体の単一層を含む工具が挙げられる。

本発明は、各砥粒の周りに選択された排他的なゾーンを有する研磨工具の製造方法であって、
（ａ）規定されたサイズ及び形状を有する２次元平面領域を選択する工程；
（ｂ）該平面領域に関して所望の砥粒のグリットサイズ及び濃度を選択する工程；
（ｃ）一連の２次元座標値をランダムに作成する工程；
（ｄ）各対のランダムに作成された座標値を、任意の隣接する座標値の対と最小値（ｋ）だけ異なる座標値に制限する工程；
（ｅ）選択された２次元平面領域に関して所望の砥粒濃度と選択された砥粒グリットサイズを得るのに十分なグラフ上の点としてプロットされた対を有する制限されランダムに作成された座標値の配置を作成する工程；及び
（ｆ）該配置上の各点の中心に砥粒を置く工程
を含む方法に関する。

本発明は、各砥粒の周りに選択された排他的なゾーンを有する研磨工具の第２の製造方法であって、
（ａ）規定されたサイズ及び形状を有する２次元平面領域を選択する工程；
（ｂ）該平面領域に関して所望の砥粒のグリットサイズ及び濃度を選択する工程；
（ｃ）少なくとも１つの軸に沿った座標値が、各値が隣の値と一定量だけ異なる数字配列に制限されるよう一連の座標値の対（ｘ₁，ｙ₁）を選択する工程；
（ｄ）それぞれの選択された座標値の対（ｘ₁，ｙ₁）を切り離し、選択されたｘ値の組と選択されたｙ値の組を得る工程；
（ｅ）ｘ値とｙ値の組から一連のランダムな座標値の対（ｘ，ｙ）をランダムに選択する工程であって、各対が任意の隣接する座標値の対の座標値と最小値（ｋ）だけ異なる座標値を有する工程；
（ｆ）選択された２次元平面領域に関して所望の砥粒濃度と選択された砥粒グリットサイズを得るのに十分なグラフ上の点としてプロットされた対を有するランダムに選択された座標値の対の配置を作成する工程；及び
（ｇ）該配置上の各点の中心に砥粒を置く工程
を含む方法に関する。

本発明はまた、砥粒、結合剤及び基材を含み、該砥粒が選択された最大直径と選択されたサイズ範囲を有し、該砥粒が該結合剤によって該基材に単一層配置において接着された研磨工具であって、
（ａ）該砥粒が、各砥粒の周りに排他的なゾーンを有する不均一なパターンに従った配置に配向され、そして
（ｂ）それぞれの排他的なゾーンが、所望の砥粒グリットサイズの最大直径を超える最小直径を有することを特徴とする、研磨工具に関する。

本発明の工具の作製において、各砥粒の最も長い寸法の中心を、非連続的な点からなる制御されたランダムな空間配置の１つの点の上に置くよう２次元のグラフプロットを作成することにより開始する。配置の寸法及び配置に関して選択される点の数は、製造される研磨工具の研削又は研磨面の２次元平面領域上の所望の砥粒グリットサイズ及び砥粒濃度によって決定される。グラフプロットは、２次元プロットを作成するための任意の公知手段、例えば、手作業の数値計算、ＣＡＤ製図及びコンピューターアルゴリズム（又は「マクロ」）によって作成することができる。好ましい実施態様においては、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ（登録商標）Ｅｘｃｅｌ（登録商標）ソフトウェアプログラムのマクロ操作を使用してグラフプロットが作成される。

［砥粒の自己回避配置のグラフ作成］
本発明の１つの実施態様においては、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ（登録商標）Ｅｘｃｅｌ（登録商標）ソフトウェア（２０００バージョン）において作成した以下のマクロを使用して２次元グリッド上に点を作成し、図３に示される工具表面に個々の砥粒を配置するための点の配置を形成した。
［図３を作製するためのマクロ］
（Ｄｉｍ＝ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ；ｒｎｄ＝ｒａｎｄｏｍ）

本発明の別の実施態様においては、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ（登録商標）Ｅｘｃｅｌ（登録商標）ソフトウェア（２０００バージョン）において作成した以下のマクロを使用して２次元グリッド上に点を作成し、図４に示される工具表面に個々の砥粒を配置するための点の配置を形成した。この図において、座標値は、ｘ軸とｙ軸の両方に沿った数字配列において選択した。
［図４を作製するためのマクロ］
（Ｄｉｍ＝ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ；Ｑ＝点又は計算の数のカウント；ｒａｎｄ＝ｒａｎｄｏｍ）

図１は、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ（登録商標）Ｅｘｃｅｌ（登録商標）ソフトウェアプログラムのランダム数関数を用いて作成した１０×１０平面グリッド上の１００点の従来技術のランダム分布を示している。（菱形として示される）ｘ軸及びｙ軸に沿って（円形として示される）座標点が軸を遮っている場所がある。例えば、（ｘ，ｙ）点（３．４，８．６）は、ｘ軸（３．４，０．０）とｙ軸（０．０，８．６）によって表される。これらの点が集まっている領域と点のない領域があることがわかる。これはランダム分布の性質である。

図２は、完全に整列された従来技術の点の配置を示し、点がｘ軸とｙ軸の両方に沿って等しい間隔で配置され、正方形のグリッド配置を作成している。この例では、ｘ軸とｙ軸に沿った菱形の点が均一に配置されているが、それらは大きな距離で離れている。ｘ軸とｙ軸に関して対角線方向に沿って粒子配置をわずかにずらすことにより有意な改善を行うことができる。このような場合には、それぞれの粒子がずれ、正方形の配置において点（ｘ，ｙ）は（ｘ＋０．１ｙ，ｙ＋０．１ｘ）になる。これは両方の軸に沿って「点密度」を×１０倍改善し、点が互いに×１０倍近くなる。しかしながら、配置は依然として規則的であり、したがって研磨工具を操作する際に望ましくない周期的振動が発生する。

本発明の実施態様を例示しかつ上記のマクロで作成した図３は、２つの点が０．５より近くなることがないという制限を加えた１０×１０グリッド上の１００個のランダムに選択された座標点の分布を示している。最小の許容される点間隔の関数として１０×１０グリッド上に配置することのできるランダムな点の数が表１に示される。

図３の空間は完全ではなく、それは１００個の点を示すだけであるが、この空間は（平均して）０．５の最小の点間隔で別の１５７個の点を支持することができる。砥粒の最大直径が選択されると、所与の平面領域について最大の砥粒濃度が容易に決定できる。

図４は本発明の別の実施態様を示し、上記のマクロで作成したプロット配置を示している。図４に示されるデカルト座標点のグリッドは、ｘ軸とｙ軸に沿って均一な点密度を作り出している。点は２組の切り離した座標点の値（ｘ）と（ｙ）からランダムに選択され、ｘ軸の値は規則的な数字配列に従い、ｙ軸の値は規則的な数字配列に従っている。切り離してランダムに再構築された対のｘ、ｙ値から作成されているため、この空間配置は規則的な格子配置やランダム配置とは大きく異なる。図４のグラフは排他的なゾーンの要件の更なる制限を含み、それにより２つの点が互いからある一定の距離、この場合０．７の範囲内にあることがない。

図４に示される点の分布は、以下のようにして得られた。
ａ）ｘ点のリストとｙ点のリストを用意した。この場合、両方とも０．０、０．１、０．２、０．３、．．．９．９であった。
ｂ）各ｘ値と各ｙ値に乱数を割り当てた。乱数をその関連するｘ値又はｙ値とともに昇順に分類した。この工程はｘ点とｙ点を単にランダム化したものである。
ｃ）第１（ｘ，ｙ）点を選び、グリッド上に置いた。第２（ｘ_i，ｙ_i）点を選択した。
ｆ）グリッド上の任意の既存の点からある特定の距離よりも遠い場合にのみ、点（ｘ_i，ｙ_i）をグリッドに加えた。
ｇ）点（ｘ_i，ｙ_i）が距離の基準を満たさない場合にはそれを拒絶し、点（ｘ_i，ｙ_j）を試みた。すべての点を置くことができた場合のみ、グリッドを許容できると見なした。

ｘとｙのステップ距離が０．１である場合、最小の点間隔が０．４以下であれば、グリッドは最初の試みで許容され、最小の点間隔が０．５又は０．６であれば、すべての点を配置するのに数回の試みが必要であることを見出した。すべての点の配置を可能にする最大の間隔は０．７であり、すべての点を配置する前にしばしば数百回の試みが必要であった。

図５は、図４を作成するのに使用したマクロと同様のマクロを用いて作成した本発明の別の実施態様を示している。しかしながら、図５の点の分布は極座標ｒ、θを用いて作成した。平面領域としてリングを選択し、点は中心点（０，０）から引いた任意の放射状の線が均一な点の分布を横切るような配置で置いた。

半径方向の大きさは、リングの中心付近により多くの点を置き、リングの周囲付近により少ない点を置くよう指令し、周囲は中心より大きな面積を含むため、単位面積当たりの点の密度は均一ではない。このような配置で作製した工具では、周囲のより近くに位置する砥粒はより大きな面積を研削しなければならず、より速く摩耗する。このような不利を避け、均一な密度の砥粒分布を作成するため、第２のデカルト配置を作成して極座標配置上に重ねることができる。図３に示される分類のマクロと配置をこの目的に使用することができる。排他的なゾーンの制限があって、重ねたデカルト配置は、リングの密集した中心領域に点を配置することを避けるが、周囲により近い空いた領域を均一に満たすであろう。

研削の際に直線的な経路で動かされる研磨工具の工具性能を予測するために、図に示される種々のグラフで菱形として示される切片値の相対分布を比較することができる。１つ（又は複数）の同一の切片値に位置する複数の砥粒を有する研磨工具は、均一でない範囲の経路をたどるであろう（例えば、図２の従来技術の工具）。研磨作用におけるギャップは、同じ位置を横切る複数の砥粒の結果として深い溝になった研削跡が散在するであろう。したがって、図１〜４の軸に沿った菱形の点は、研磨工具を加工物の平面を横切って直線方向に動かした場合に研磨工具がどのように機能するかを示唆している。従来技術の工具を示す図１及び２は、菱形の切片値の中に塊とギャップがある。本発明を示す図３及び４は、菱形の切片値の中に塊又はギャップがあっても比較的少ない。このため、図３〜５に示される砥粒配置によって作製された工具は、滑らかで均一な比較的欠陥のない仕上げに表面を研削することができる。

各砥粒の周りの排他的なゾーンのサイズは砥粒ごとに異なり、同じ値である必要はない（即ち、隣接砥粒の中心点の間の距離を規定する最小値（ｋ）は定数であってもよいし又は変数であってもよい）。排他的なゾーンを作成するために、最小値（ｋ）は、砥粒の所望のサイズ範囲の最大直径よりも大きくなければならない。好ましい実施態様においては、最小値（ｋ）は、砥粒の最大直径の少なくとも１．５倍である。最小値（ｋ）は、砥粒と砥粒の如何なる表面接触も避け、砥粒及び工具表面から研削屑の除去を可能にするのに十分大きなサイズの流路を砥粒間に与えるものでなければならない。排他的なゾーンの大きさは、研削操作の性質、隣接する砥粒間により大きな流路を有する工具を必要とする大きなチップが生じる被削材、及び微細なチップが生じる被削材よりも大きい排他的なゾーンの大きさによって決定される。

［自己回避配置のグラフを用いた研磨工具の作製］
制御されたランダムな点の２次元配置は、種々の技術及び装置によって工具基材又は砥粒を配置するためのテンプレートに移すことができる。これらには、例えば、物体を配向及び配置するための自動ロボットシステム、テンプレート又はダイを作製するためのレーザー切断又はフォトレジスト化学エッチングへのグラフィック画像（例えば、ＣＡＤ青写真）転写、工具基材に配置を直接適用するためのレーザー又はフォトレジスト装置、自動接着剤ドット分配装置、機械パンチ装置などがある。

本明細書で用いられる場合には、「工具基材」とは、その上に砥粒の配置が接着される機械的な支持体、コア又はリムを指す。工具基材は、種々の硬質工具予備成形物及び軟質支持体から選択することができる。硬質工具予備成形物である基材は、好ましくは回転対称の１つの軸を有する幾何学的形状を含む。この幾何学的形状は単純なものであってもよいし又は複雑なものであってもよく、回転軸に沿って組み立てられる種々の幾何学的形状を含むことができる。研磨工具のこれらのカテゴリーにおいて、硬質工具予備成形物の好ましい幾何学的形状又は形態は、ディスク、リム、リング、円筒、裁頭円錐形（frustoconical）及びそれらの形状の組み合わせを含む。これらの硬質工具予備成形物は、鋼、アルミニウム、タングステン又は他の金属、金属合金、及びこれらの材料と例えばセラミック又はポリマー材料の複合体、並びに研磨工具の構成で使用するのに十分な寸法安定性を有する他の材料から構成することができる。

軟質支持体の基材は、フィルム、箔、織物、不織シート、ウェブ、スクリーン、穿孔シート、積層体、及びそれらの組み合わせ、並びに研磨工具の作製分野で公知の他の任意のタイプの支持体を含む。軟質支持体は、ベルト、ディスク、シート、パッド、ロール、リボン又は他の形状の形態、例えば、被覆研磨剤（サンドペーパー）工具で使用されるものであることができる。これらの軟質支持体は、軟質ペーパー、ポリマー若しくは金属シート、箔、又は積層体から構成することができる。

砥粒配置は、例えば、結合又は被覆研磨工具の製造において知られる種々の研磨剤結合材料によって工具基材に接着させることができる。好ましい研磨剤結合材料は、接着材料、ろう付け材料、電気めっき材料、電磁材料、静電材料、ガラス化材料、金属粉末結合材料、ポリマー材料、樹脂材料、及びそれらの組み合わせを含む。

好ましい実施態様においては、非連続な点の配置は、砥粒が基材上に直接結合されるように工具基材上に適用又はインプリントすることができる。基材への配置の直接的な移動は、接着剤の液滴又は金属ろう付けペーストの液滴の配置を基材上に置き、次いで砥粒を各液滴の中心に置くことにより実施することができる。他の技術においては、ロボットアームを使用して砥粒の配置を選び取ることができ、個々の砥粒が配置の各点に保持され、その場合、ロボットアームは、接着剤又は金属ろう付けペーストの表面層で予備被覆した工具表面に砥粒の配置を置くことができる。各砥粒の中心を配置の各点に恒久的に固定するようアセンブリがさらに処理されるまで、接着剤又は金属ろう付けペーストが砥粒の位置に一時的に固定する。

この目的のために好適な接着剤としては、例えば、エポキシ、ポリウレタン、ポリイミド、アクリレート組成物、並びにそれらの改質物及び組み合わせが挙げられる。好ましい接着剤は非ニュートン性（剪断減粘性）を有し、液滴又はコーティングを配置する際に十分な流れを可能にするが、砥粒配置の位置における正確さを維持するよう流れを抑制する。接着剤の開放時間特性は、残りの製造工程のタイミングと合うよう選択することができる。急速硬化性接着剤（例えば、ＵＶ照射硬化による）がほとんどの製造操作に関して好ましい。

好ましい実施態様においては、ドイツ、ノルデルシュタット（Nordestedt）のＭｉｃｒｏｄｒｏｐ ＧｍｂＨから入手できるＭｉｃｒｏｄｒｏｐ（登録商標）装置が、接着剤の液滴の配置を工具基材の表面に堆積させるのに使用できる。

工具基材の表面は、配置の点に砥粒を直接配置するのを助けるためにへこませるか又は印をつけることができる。

工具基材上への配置の直接的な配列に代わるものとして、配置はテンプレートに移すか又はインプリントすることができ、砥粒はテンプレート上の点の配置に接着させることができる。砥粒は、恒久的又は一時的な手段によってテンプレートに接着させることができる。テンプレートは、配置上に配向された砥粒のホルダーとして又は最終的な研磨工具アセンブリ中の砥粒の恒久的な配向のための手段として機能する。

好ましい方法においては、テンプレートは、所望の配置に対応するくぼみ又は穿孔の配置を刻まれ、一時接着剤、真空の適用、電磁力、静電気力、他の手段又は一連の手段の組み合わせにより、砥粒がテンプレートに一時的に貼り付けられる。砥粒の配置は、テンプレートから取り外して工具基材の表面に移すことができ、次いでテンプレートが取り除かれ、一方で、砥粒の所望のパターンが基材上に作り出されるように、砥粒が配置の選択された点の中心にあることを確実にする。

第２の実施態様においては、位置決め用接着剤（例えば、水溶性接着剤）の所望の点配置を（マスク又は微小液滴の配置によって）テンプレート上に作り出すことができ、次いで砥粒を位置決め用接着剤の各点の中心に置くことができる。次いで、テンプレートが結合材料（例えば、不水溶性接着剤）で被覆された工具基材上に置かれ、砥粒がテンプレートから放出される。有機材料から作製されたテンプレートの場合には、アセンブリを熱処理して（例えば、７００〜９５０℃）、砥粒を基材に接着するのに使用される金属接着剤をろう付け又は焼結させ、それによりテンプレートと位置決め用接着剤が熱崩壊によって除去される。

別の好ましい実施態様においては、テンプレートに接着される砥粒の配置をテンプレートに対してプレスし、高さに従って砥粒の配置を均一に調整し、次いで、結合した砥粒の先端が工具基材から実質的に均一な高さになるように、配置を工具基材に結合することができる。この方法を実施するのに好適な技術は当技術分野で公知であり、例えば、米国特許第６，１５９，０８７号明細書、同第６，１５９，２８６号明細書、及び同第６，３６８，１９８号明細書において記載されており、これらの文献の内容はその参照により本明細書に含まれる。

他の実施態様においては、砥粒はテンプレートに恒久的に貼り付けられ、砥粒／テンプレートアセンブリは、接着結合、ろう付け結合、電気めっき結合又は他の手段によって工具基材上に取り付けられる。この方法を実施するのに好適な技術は当技術分野で公知であり、例えば、米国特許第４，９２５，４５７号明細書、同第５，１３１，９２４号明細書、同第５，８１７，２０４号明細書、同第５，９８０，６７８号明細書、同第６，１５９，２８６号明細書、同第６，２８６，４９８号明細書、及び同第６，３６８，１９８号明細書において記載されており、これらの文献の内容はその参照により本明細書に含まれる。

本発明の自己回避砥粒配置によって作製された研磨工具を組み立てるための他の好適な技術は、米国特許第５，３８０，３９０号明細書及び同第５，６２０，４８９号明細書において記載されており、これらの文献の内容はその参照により本明細書に含まれる。

制御されたランダムな空間的配置で配置された非連続な砥粒を含む研磨工具を作製するための上記の方法は、多くのカテゴリーの研磨工具の製造で使用することができる。これらの工具には、ＣＭＰパッドのためのドレッシング又はコンディショニング工具、電子部品を裏面研削するための工具、眼科プロセス、例えば、レンズの表面及び縁の仕上げのための研削及び研磨工具、砥石車の作用面を磨き直すための回転ドレッサー及びブレードドレッサー、研磨摩砕工具、複雑な幾何学的形状の超研磨工具（例えば、高速クリープフィード研削のための電気めっきＣＢＮ砥石車）、研削工具を詰まらせる微細な容易に圧縮される廃棄物粒子を生成する傾向のある「ショートチッピング」材料、例えばＳｉ₃Ｎ₄の粗研削のための研削工具、及び研削工具の面を汚すゴム状チップを形成する傾向のある「ロングチッピング」材料、例えば、チタン、インコネル合金、高張力鋼、真鍮及び銅を仕上げるのに用いられる研削工具がある。

このような工具は、当技術分野で公知の任意の砥粒、例えば、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）、亜酸化ホウ素、種々のアルミナ粒、例えば、溶融アルミナ、焼結アルミナ、場合により改質剤を添加した種結晶添加又は種結晶無添加の焼結ゾルゲルアルミナ、アルミナ−ジルコニウム粒、酸窒化アルミナ粒、炭化ケイ素、炭化タングステン、並びにそれらの改質物及び組み合わせを含む砥粒によって作製することができる。

本明細書で用いられる場合には、「砥粒」とは、個々の研磨グリット、切断点、複数の研磨グリットを含む複合体、及びそれらの組み合わせを指す。研磨工具を作製するのに使用される任意の結合剤が、工具基材又はテンプレートに砥粒の配置を結合するのに使用できる。例えば、好適な金属結合剤としては、青銅、ニッケル、タングステン、コバルト、鉄、銅、銀、銀、合金及びそれらの組み合わせが挙げられる。金属結合剤は、ろう付け、電気めっき層、焼結金属圧縮粉若しくはマトリックス、はんだ又はそれらの組み合わせの形態であることができ、任意選択の添加剤、例えば、二次溶浸材、硬質充填剤粒子、及び製造又は性能を向上させるための他の添加剤をともに含む。好適な樹脂又は有機結合剤としては、エポキシ、フェノール、ポリイミド、他の材料、並びに研磨工具を作製するための結合及び被覆砥粒の分野で使用される材料の組み合わせが挙げられる。ガラス化結合材、例えば、ガラス前駆体混合物、粉末ガラスフリット、セラミック粉末、及びそれらの組み合わせは、接着剤バインダー材料と組み合わせて使用することができる。この混合物はコーティングとして工具基材上に適用することができるか又は、例えば、ＪＰ９９２０１５２４において記載されているように液滴のマトリックスとして基材上に印刷することができ、この文献の内容はその参照により本明細書に含まれる。

［例１］
まず、ディスク形状の鋼基材（直径４インチの円形プレート；厚さ０．３インチ）をろう付けペーストで被覆することにより、自己回避砥粒配置を有するＣＭＰパッドコンディショニング工具を作製する。ろう付けペーストは、硬ろう合金粉末（ウォール・コルモノイ社から得られるＬＭ Ｎｉｃｒｏｂｒａｚ（登録商標））と、８５ｗｔ％のバインダー及び１５ｗｔ％のトリプロピレングリコールからなる水ベースの不堅牢有機バインダー（ビッタ社から得られるＶｉｔｔａ Ｂｒａｚｅ−Ｇｅｌバインダー）とを含有する。ろう付けペーストは、３０ｖｏｌ％のバインダーと７０ｖｏｌ％の金属粉末を含有する。ろう付けペーストは、ドクターブレードによって０．００８インチの均一な厚さでディスク上に被覆される。

ダイヤモンド砥粒（１００／２００メッシュ、ＦＥＰＡサイズＤ１５１、ＭＢＧ６６０、オハイオ州、ワージントンのＧＥ社から得られたダイヤモンド）を１５１／１３９μｍの平均直径にスクリーニングする。図４に示される自己回避配置パターンを有する４インチディスク形状の鋼テンプレートを備えたピックアップアームに真空を適用する。パターンは、砥粒の平均直径よりも４０〜５０％小さいサイズの穿孔の配置として存在する。ピックアップアーム上に取り付けたテンプレートをダイヤモンド粒の上に置き、真空を適用してダイヤモンド粒を各穿孔に接着させ、余分な粒をブラシでテンプレート表面から払い落とし、各穿孔に１つのダイヤモンドのみを残し、ダイヤモンドを有するテンプレートをろう付け被覆の工具基材上に置く。各ダイヤモンドがろう付けペーストの表面と接触した後、ペーストがまだ湿っている間に真空を開放し、それによりダイヤモンド配置をろう付けペースト上に移す。ペーストは一時的にダイヤモンド配置に結合し、更なる処理のために所定の位置に砥粒を固定する。次いで、組み立てた工具を室温で乾燥させ、真空オーブン中約９８０〜１０６０℃の温度で３０分間ろう付けし、ダイヤモンド配置を基材に恒久的に結合させる。

［例２］
図３に示される自己回避配置パターンに従ったダイヤモンド砥粒単一層の擬似ランダム分布を有する眼科用粗研削操作のためのダイヤモンド砥石（タイプ１Ａ１砥石；１００ｍｍ直径、２０ｍｍ厚さ、２５ｍｍ穴）を以下のようにして製造する。２つの方法の１つを工具基材（予備成形物）上に配置を移すのに使用する。

［方法Ａ］
図３の砥粒配置のインプリントを用いて、平均粒径よりも最大１．５倍大きい直径の穴を粘着性マスキングテープ（水溶性）中にフォトレジスト技術によって作成し、次いで、接着剤（水不溶性）で被覆されたディスク形状のステンレス鋼工具予備成形物の作用表面にテープを貼り付け、水不溶性の接着剤がマスクの穴により露出するようにする。ダイヤモンド砥粒（ＦＥＰＡ Ｄ２５１；６０／７０ＵＳメッシュのグリットサイズ；平均直径２５０μｍ；オハイオ州、ワージントンのＧＥ社から得られたダイヤモンド）をマスキングテープの穴に置き、予備成形物上の露出した水不溶性接着剤コーティングにより接着させる。次いでマスキングテープを予備成形物から洗い流す。

コアをステンレス鋼シャフトの上に取り付けて電気的に接触させる。陰極を脱脂後、アセンブリを電解質めっき浴（硫酸ニッケルを含有するワット電解液）に浸す。付着した砥粒直径の１０〜１５％の平均厚さに金属層を電解堆積させる。次いでアセンブリをタンクから取り出し、第２の電気めっき工程において、平均粒子サイズの５０〜６０％の総ニッケル堆積厚さを適用する。アセンブリをすすぎ、砥粒の擬似ランダム分布の単一層を有するめっき工具をステンレス鋼シャフトから取り外す。

［方法Ｂ］
図３に示される座標の組の値を、ディスク形状の工具予備成形物上に接着剤の微小液滴の配置の形態で直接移す。工具予備成形物を、欧州特許出願公開第１２０８９４５号明細書において記載されているマイクロドージングシステムにより接着剤の液滴（ＵＶ硬化の改質アクリレート組成物）を正確に配置するよう設計された回転軸を備えた位置決めテーブル（ドイツ、ノルデルシュタット（Nordestedt）のＭｉｃｒｏｄｒｏｐ ＧｍｂＨから得られるミクロドロップ装置）の上に置く。各接着剤の液滴は、ダイヤモンド砥粒の平均直径（２５０μｍ）よりも直径が小さい。ダイヤモンド粒の中心を接着剤の各液滴上に配置して接着剤を硬化させ、ダイヤモンド粒の配置を予備成形物に付着させた後、工具予備成形物をステンレス鋼シャフトの上に取り付けて電気的に接触させる。陰極を脱脂後、アセンブリを電解質めっき浴（硫酸ニッケルを含有するワット電解液）に浸し、付着した砥粒直径の６０％の平均厚さで金属層を堆積させる。次いでアセンブリをタンクから取り出してすすぎ、図３に示される配置に配置された砥粒の単一層を有する電気めっき工具をステンレス鋼シャフトから取り外す。

ランダムに作成されたｘ，ｙ座標値に対応しかつｘ軸とｙ軸に沿って不規則な分布を示す従来技術による工具の砥粒分布のグラフの図である。 ｘ，ｙ座標値の均一なグリッドに対応しかつｘ軸とｙ軸に沿って連続する座標値間に規則的なギャップを示す従来技術による工具の砥粒分布のグラフの図である。 各対のランダムに作成された座標値が最も近い座標値の対と規定の最小量（ｋ）だけ異なり、グラフ上の各点の周りに排他的なゾーンを作り出すよう制限されたｘ，ｙ座標値のランダム配置を示す本発明による砥粒配置のグラフの図である。 軸上の各座標値が隣の座標値と一定量だけ異なる数字配列にｘ軸とｙ軸に沿って制限された配置を示す本発明による砥粒配置のグラフの図である。さらに座標値の対を切り離し、この対をランダムに再構築してそれぞれのランダムに再構築された対の座標値が最も近い対の座標値と規定の最小量だけ離れるようにすることで配置が制限される。 リング形状の平面領域においてｒ、θ極座標を用いてプロットされた本発明による砥粒配置のグラフの図である。

Claims (32)

1. 各砥粒の周りに選択された排他的なゾーンを有する研磨工具の製造方法であって、
   （ａ）規定されたサイズ及び形状を有する２次元平面領域を選択する工程；
   （ｂ）該平面領域に関して所望の砥粒のグリットサイズ及び濃度を選択する工程；
   （ｃ）２次元座標値をランダムに作成する工程；
   （ｄ）各対のランダムに作成された座標値を、任意の隣接する座標値の対と最小値（ｋ）だけ離れた座標値に制限する工程；
   （ｅ）グラフ上の点としてプロットされた十分な対を有する制限されランダムに作成された座標値の配置を作成し、選択された２次元平面領域に関して所望の砥粒濃度と選択された砥粒グリットサイズを得る工程；及び
   （ｆ）該配置上の各点の中心に砥粒を置く工程
   を含む、方法。
2. 各砥粒の周りに選択された排他的なゾーンを有する研磨工具の製造方法であって、
   （ａ）規定されたサイズ及び形状を有する２次元平面領域を選択する工程；
   （ｂ）該平面領域に関して所望の砥粒のグリットサイズ及び濃度を選択する工程；
   （ｃ）少なくとも１つの軸に沿った座標値が、各座標値が隣の座標値と一定量だけ異なる数字配列に制限されるよう座標値の対（ｘ₁，ｙ₁）を選択する工程；
   （ｄ）それぞれの選択された座標値の対（ｘ₁，ｙ₁）を切り離し、選択されたｘ値の組と選択されたｙ値の組を得る工程；
   （ｅ）ｘ値とｙ値の組からランダムな座標値の対（ｘ，ｙ）をランダムに選択する工程であって、各対が任意の隣接する座標値の対の座標値と最小値（ｋ）だけ離れた座標値を有する工程；
   （ｆ）グラフ上の点としてプロットされた十分な対を有するランダムに選択された座標値の対の配置を作成し、選択された２次元平面領域に関して所望の砥粒濃度と選択された砥粒グリットサイズを得る工程；及び
   （ｇ）該配置上の各点の中心に砥粒を置く工程
   を含む、方法。
3. 砥粒の前記配置を研磨剤結合材料によって結合させて該配置の各点に砥粒を固定する工程をさらに含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 砥粒の前記配置を基材に結合させて研磨工具を形成する工程をさらに含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記基材が、硬質工具予備成形物、軟質支持体、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項４に記載の方法。
6. 前記硬質工具予備成形物が、回転対称の１つの軸を有する幾何学的形状を含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記硬質工具予備成形物の幾何学的形状が、ディスク、リム、リング、円筒、裁頭円錐形（frustoconical）及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項５に記載の方法。
8. 前記軟質支持体が、フィルム、箔、織物、不織シート、ウェブ、スクリーン、穿孔シート、積層体、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項５に記載の方法。
9. 前記軟質支持体が、ベルト、ディスク、シート、パッド、ロール、及びリボンからなる群より選択された形態に変換される、請求項５に記載の方法。
10. （ａ）グラフ上の点としてプロットされた、制限されランダムに作成された座標値の配置を工具基材上にインプリントする工程；及び
    （ｂ）該工具基材上の該配置の各点に研磨剤結合材料によって砥粒を固定する工程
    を含む、請求項３に記載の方法。
11. （ａ）グラフ上の点としてプロットされた、制限されランダムに作成された座標値の配置をテンプレート上にインプリントする工程；
    （ｂ）該テンプレート上の該配置の各点に砥粒を固定して砥粒配置を形成する工程；
    （ｃ）該砥粒配置を工具基材上に移す工程；及び
    （ｄ）該砥粒配置を研磨剤結合材料によって該工具基材に接着させる工程
    を含む、請求項３に記載の方法。
12. 前記工具基材から前記テンプレートを取り外す工程をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記砥粒配置を有するテンプレートを前記工具基材に結合させて研磨工具を形成する工程をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記研磨剤結合材料が、接着材料、ろう付け材料、電気めっき材料、電磁材料、静電材料、ガラス化材料、金属粉末結合材料、ポリマー材料、樹脂材料、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項３に記載の方法。
15. 前記配置がデカルト座標（ｘ，ｙ）の組によって規定される、請求項１又は２に記載の方法。
16. 前記配置が極座標（ｒ，θ）の組によって規定される、請求項１又は２に記載の方法。
17. 前記配置がさらにデカルト座標（ｘ，ｙ）の組によって規定される、請求項１６に記載の方法。
18. 前記最小値（ｋ）が前記砥粒の最大直径よりも大きい、請求項１又は２に記載の方法。
19. 前記最小値（ｋ）が前記砥粒の最大直径の少なくとも１．５倍である、請求項１８に記載の方法。
20. 砥粒配置を同心のロールに巻くことにより、砥粒配置を２次元構造から３次元構造に変換する工程をさらに含む、請求項３に記載の方法。
21. 前記砥粒が、個々の研磨グリット、切断点、複数の研磨グリットを含む複合体、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項１又は２に記載の方法。
22. 砥粒、結合剤及び基材を含み、該砥粒が選択された最大直径と選択されたサイズ範囲を有し、該砥粒が該結合剤によって該基材に単一層配置において接着された研磨工具であって、
    （ａ）該砥粒が、各砥粒の周りに排他的なゾーンを有する不均一なパターンに従った配置に配向され、そして
    （ｂ）それぞれの排他的なゾーンが、所望の砥粒グリットサイズの最大直径を超える最小直径を有することを特徴とする、研磨工具。
23. 各点が前記砥粒の最大直径の少なくとも１．５倍である最小値（ｋ）だけ他の各点から離れるように、２次元平面上のランダムに選択された点を制限することによって規定される配置上の点に各砥粒が配置された、請求項２２に記載の研磨工具。
24. （ａ）少なくとも１つの軸に沿った座標値が、各座標値が隣の座標値と一定量だけ異なる数字配列に制限されるよう座標値の対（ｘ₁，ｙ₁）を制限すること；
    （ｂ）それぞれの選択された座標値の対（ｘ₁，ｙ₁）を切り離し、選択されたｘ値の組と選択されたｙ値の組を得ること；
    （ｃ）ｘ値とｙ値の組からランダムな座標値の対（ｘ，ｙ）をランダムに選択する工程であって、各対が任意の隣接する座標値の対の座標値と最小値（ｋ）だけ離れた座標値を有すること；及び
    （ｄ）グラフ上の点としてプロットされた十分な対を有するランダムに選択された座標値の対の配置を作成し、各砥粒の周りに排他的なゾーンを得ること
    によって規定される配置上の点に各砥粒が配置された、請求項２２に記載の研磨工具。
25. 前記基材が、硬質工具予備成形物、軟質支持体、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項２２に記載の研磨工具。
26. 前記硬質工具予備成形物が、回転対称の１つの軸を有する幾何学的形状を含む、請求項２５に記載の研磨工具。
27. 前記硬質工具予備成形物の幾何学的形状が、ディスク、リム、リング、円筒、裁頭円錐形（frustoconical）及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項２６に記載の研磨工具。
28. 前記軟質支持体が、フィルム、箔、織物、不織シート、ウェブ、スクリーン、穿孔シート、積層体、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項２５に記載の研磨工具。
29. 前記軟質支持体が、ベルト、ディスク、シート、パッド、ロール、及びリボンからなる群より選択された形態に変換される、請求項２８に記載の研磨工具。
30. 前記結合剤が、接着材料、ろう付け材料、電気めっき材料、電磁材料、静電材料、ガラス化材料、金属粉末結合材料、ポリマー材料、樹脂材料、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項２２に記載の研磨工具。
31. 砥粒配置を同心のロールに巻くことにより、砥粒配置を２次元構造から３次元構造に変換することをさらに含む、請求項２３に記載の研磨工具。
32. 前記砥粒が、個々の研磨グリット、切断点、複数の研磨グリットを含む複合体、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項２２に記載の研磨工具。

Images