JP5537437B2 - 混成結合材を有する多機能研磨ツール - Google Patents

Description

本開示は、研磨材技術に関し、より具体的には、例えば、硬質脆性材料の方形切断およびポリッシングなどの複数の機能を同時に発揮するために好適な研磨ツールに関する。

樹脂−金属結合材、または、いわゆる「混成」結合材が超砥粒産業において一般に公知である。ダイアモンドツール用の最初の樹脂結合材はフェノール系ベースのものであった。いくつかの用途については樹脂自体はそのままでは最適ではないことがすぐに見出された。それ故、ツール製造業者は二次充填材を導入して樹脂の特性を変性して、種々の用途におけるツールの性能を向上させた。特に、より脆性で、もろい結合材が要求された場合には炭化ケイ素粉末が導入され、および、より強固で、より強靭な結合材が要求された場合には銅粉末が導入されていた（例えば、銅金属結合材ツールは、古代において、宝石を切削するために天然ダイアモンド粉末と共に用いられていた）。これらの充填材は、多くの従来のフェノール樹脂結合材系において未だ用いられている。

１９７０年代の間に、いくつかの用途において、混成樹脂−金属結合材の特性は性能を増強し得ると考えられていた。より具体的には、ダイアモンドが連続的な金属相中に分布された場合（耐磨耗性および長寿命のため）、および、連続的な樹脂相が微小構造中に組み込まれた場合（低耐磨耗性および快削特性のため）、両方の系の有益性が利用可能であり得る。この技術は、一次構成成分が、ダイアモンド粒またはＣＢＮ粒が堅固に固着されている、コールドプレスされると共に焼結された金属多孔性構造である、Ｒｅｓｉｍｅｔ（登録商標）結合材系において良好に採用されていた。二次結合材構成成分は、金属結合材構造の間隙に完全に含浸される減圧注型樹脂である。結果的に、２つの相互浸透している連続的な金属（青銅）および樹脂（エポキシ）相を備える微小構造がもたらされる。英国特許第１，２７９，４１３号明細書には、このような結合材系の詳細が記載されている。このタイプの混成結合材の典型的な用途は、特に良好な角部保持能が必要とされる場合のカーバイド切削ツールの研削であり、典型的なグリットサイズはメッシュ範囲ＦＥＰＡ Ｄ４６以上（すなわち、３２５メッシュ以上、または４４ミクロン以上）である。

フェノール樹脂は良好な耐熱性を有するが、ポリイミドより良好であり、１９７０代後半にＤｕＰｏｎｔによってこれらのタイプの樹脂が導入された当時、最初の用途の１つはダイアモンドツールであった。米国特許第４，００１，９８１号明細書および米国特許第４，１０７，１２５号明細書には、ポリイミド結合超砥粒ツールが記載されている。フェノール樹脂ツールと同様に、結合材の特性を変性させるために種々の充填材が用いられていると共に、銅および青銅粉末も用いられている。このようなポリイミドベースの結合材は、典型的には、多量の熱が生成される状況で用いられる（すなわち、結合材が高温に耐性でなければならない場合）。主要な用途例は、ドリルおよびエンドミルなどの丸い超硬合金ツールの溝切りである。

さらなる精度および切削品質が要求されるさらに厳格な用途ではこれまで、異なるツール構成および結合材タイプが用いられてきた。例えば、公知であるとおり、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）は、コンピュータおよびゲームコンソール、携帯電話および携帯型情報端末、デジタルカメラおよびビデオレコーダ、ならびに、デジタルメディアプレーヤ（例えば、ＭＰ３プレーヤ）を含む数多くの民生用電子用途において通例用いられる記憶メカニズムである。ＨＤＤ設計は、一般に、スピンドルのまわりを回転する（データがその上に記録される）円形の磁気「プラッタ」を備える。プラッタが回転するに伴って、リードライトヘッドが用いられて、その直下のプラッタ記憶位置の磁化が検出および／または変更される。リードライトヘッド自体は、リードライトヘッドをプラッタ上で一定の「浮上高」に維持させる空力学的形状のブロックである「スライダ」に取り付けられている。このスライダは、リードライトヘッドをプラッタ上のいずれかの記憶位置に移動させるよう作動されるアクチュエータアセンブリ（例えば、モータおよびアーム）に接続されている。スライダ構成部品の製造には、多数の難題が提示される。例えば、ＨＤＤを利用する電子素子の形状因子が低減するに伴って、（ペニー硬貨のサイズの約１／５０〜１／１００であることが可能である）スライダを含むＨＤＤを構成する構成部品のサイズもまた低減される。このように、スライダは相当に正確な寸法に切削されなければならない。このスライダが、欠けおよび過剰な切溝などの問題を生じさせずに切削することが困難である硬質脆性材料（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣ、例えば米国特許第４，４３０，４４０号明細書を参照のこと）から典型的に形成されているという事実が、この製造上の複雑さを悪化させている。

従って、硬質脆性材料を正確な寸法に切削することが可能である新規の研磨ツールに対する要求が継続的に存在している。

本開示の一実施形態は、例えば、ワンパスで硬質脆性材料を方形切断およびポリッシングするために好適な多機能研磨ツールを提供する。このツールは、金属／金属合金および樹脂の混成結合材、ならびに、混成結合材とブレンドされた複数の微細な研磨グリットを含む。この金属合金は、例えば、本質的に、重量基準で、５０／５０の銅および錫から構成され得る青銅であることが可能であると共に、樹脂は、例えば、Ｅ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙ製のＶｅｓｐｅｌ（登録商標）ＳＰ１ポリイミド、Ｓａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｐｌａｓｔｉｃｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製のＭｅｌｄｉｎ７００１（登録商標）ポリイミド、または類似するポリイミドなどのポリイミドであることが可能である。このツールは、実質的に直線状であると共に、２５０ミクロン以下の実質的に均一な厚さを有することが可能である。特定の例示的事例において、このツールは、１Ａ８タイプホイールまたは１Ａ１タイプホイールであると共に、約６５ミクロン以下の厚さ（この開示を考慮すると、他のホイールタイプが明らかであろう）を有することが可能である。特定的な一構成において、このツールは、約１〜５０体積パーセント（体積％）のポリイミドなどの樹脂、約４０〜８５体積％の青銅などの金属／金属合金および約５〜４０体積％の微細な研磨グリットを含む。他のより特定的な構成において、このツールは、約１０〜４０体積％のポリイミドなどの樹脂、約４５〜７５体積％の青銅などの金属／金属合金および約１０〜２５体積％の微細な研磨グリットを含む。他のさらに特定的な構成において、このツールは、約１１．２５体積％のポリイミド、約７０体積％の青銅および約１８．７５体積％の微細な研磨グリットを含み、ここで、構成成分の各々は＋／−２０％の許容誤差を有する。ポリイミドは、例えば、本質的に、約４０ミクロン以下の平均直径を有する粒子から構成され得、および、青銅は、本質的に、約４０ミクロン以下の平均直径を有する粒子から構成され得、および、微細な研磨グリットは、本質的に、５０〜７５濃度のダイアモンドから構成され得ると共に約４０ミクロン以下の平均直径を有し得る。さらに特定的なこのような構成において、青銅は、本質的に、約１０ミクロン以下の平均直径を有する粒子からなる。このツールは多刃構成中に含まれていてもよく、この多刃構成は複数のこのようなツールをガング様の配置で含み得る（異なるツールが独立して形成されると共に、一緒に連結されるか、または、モノリス構造として形成される）。

本開示の他の実施形態は、例えば、硬質脆性材料を方形切断および／またはポリッシングするために好適な研磨ツールを提供する。このツールは、上述のツールと同様に構成されるが、実質的に直線であると共に３０〜１２５ミクロンの範囲の実質的に均一な厚さを有する。

本開示の他の実施形態は、例えば、硬質脆性材料を方形切断および／またはポリッシングするために好適な研磨ツールを提供する。このツールは、金属または金属合金、および、５００℃未満（例えば、約１００℃〜４５０℃の範囲内、またはさらにより具体的には、約１６０℃〜４００℃の範囲内）の加熱撓み温度（例えば、ＡＳＴＭ規格Ｄ６４８によって計測される）または他の類似する加工温度パラメータ（ここで、樹脂は溶融することなく軟化し、一般に、「軟化温度」と称される）を伴う樹脂の混成結合材を含む。金属または金属合金（例えば青銅）は、樹脂の加熱撓み温度または軟化温度で液体相または遷移液相を有すると共に室温で１〜５ＭＰａ．ｍ^０．５の破壊靭性を有する。樹脂（例えばポリイミド）は、約３％〜２５％の範囲内の延性を有することが可能である。このツールは、混成結合材とブレンドされた複数の微細な研磨グリットをさらに含む。種々の代替的な実施形態において、このツールは、実質的に直線状であると共に２５０ミクロン以下の実質的に均一な厚さを有することが可能である。特定の一事例において、このツールは、ワンパスで硬質脆性材料のスライシングおよびポリッシングが可能である多機能ツールである。本明細書において検討されている種々の他の研磨ツールパラメータは、このような代替的な実施形態に等しく適用されることが可能である。

本開示の他の実施形態は、例えば、硬質脆性材料の方形切断および／またはポリッシングに好適な研磨ツールを形成する方法を提供する。この方法は、砥粒、ポリイミドおよび予め合金化された青銅（例えば、約５０重量％の銅および約５０重量％の錫）を含む予め選択された割合の粒状成分を提供するステップを含む。この方法には、粒状成分を混合して実質的に均一な組成物を形成するステップ、実質的に均一な組成物を所望の形状の金型に入れるステップ、および金型を、成形物品を形成するために有効な期間（例えば、５〜３０分間）、約２５〜２００ＭＰａの範囲内の圧力に圧縮するステップが続く。この方法には、成形物品を、青銅を焼結すると共にポリイミドを軟化させるために有効な期間、５００℃未満の温度（例えば、約１００℃〜４５０℃の範囲内、またはさらにより具体的には、約１６０℃〜４００℃の範囲内）に加熱し、これにより、砥粒および焼結された結合材を、実質的に連続的な金属合金相と実質的に連続的なまたは実質的に非連続的なポリイミド相との複合体に組み込むステップ、ならびに、次いで、複合体を冷却して研磨ツールを形成するステップが続く。この方法には、研磨ツールの面をラップ仕上または別の仕上をして、所望の程度の直線度および厚さ（例えば、ツールの対向する面が同時にラップ仕上されて、実質的に均一な約２５０ミクロン以下の厚さがもたらされる両面ラップ仕上）をもたらすステップが続いてもよい。代替的な実施形態において、この方法は、複数のより薄いツールを初期研磨ツールから形成するステップを含み、ここで、より薄いツールの各々は２５０ミクロン以下の実質的に均一な厚さを有し、これにより、多刃研磨ツール（ガング様構成）が提供される。このような一事例において、複数のより薄いツールを初期研磨ツールから形成するステップは放電加工（ＥＤＭ）を用いて達成される。

本明細書に記載の特性および利点は包括的ではなく、特に、図面、明細書および特許請求の範囲を考慮すると、多くの追加の特性および利点が当業者には明らかであろう。しかも、明細書において用いられている言葉は、主に、読み易さおよび説明的目的のために選択されており、本発明の主題の範囲を限定するためには選択されていないことに留意すべきである。

硬質脆性材料を比較的正確な寸法に切削することが可能である研磨ツールおよび技術が開示されている。金属または金属合金（例えば青銅）および樹脂（例えばポリイミド）マトリックスの混成結合材を微細な研磨グリットと一緒に含むこれらのツールは、例えば、鏡面仕上切削用途において採用されることが可能であり、これにより、「１×」または「ワンパス」多機能研磨プロセスが可能となる。数多くのツールタイプおよび用途がこの開示を考慮すると明らかであり、薄い１Ａ８ブレード（単刃または多刃構成）および他のこのような切削ブレードなどの電子装置製造用の研磨製品が包含される。

例示的な一用途において、開示のツールは、リードライトヘッドスライダの鏡面仕上方形切断に用いられることが可能である。典型的には、アルミナ炭化チタン（Ａｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣ）などの硬質脆性材料製のリードライトヘッドスライダは、金属結合材ツールが用いられる方形切断ステップ、および、その後の、樹脂結合ツールが用いられる異なるポリッシングステップを含む２ステッププロセスで製造される。本開示の実施形態に従って構成されたツールは、スライシングおよびポリッシングの両方をワンパスで実施することが可能である（本明細書において「１×プロセス」とも称される）。この開示に鑑みて理解されるであろうとおり、このような実施形態はまた、所望される場合にはマルチパスまたは「２×」プロセスにも用いられ得ることに注意されたい。

さらなる詳細において、この実施形態例のブレードは、アルミナ−炭化チタンなどの硬質脆性材料の方形切断／ポリッシングのために、青銅などの金属／金属合金およびポリイミド樹脂などの樹脂を、微細なダイアモンド研磨グリットと一緒に含む。金属合金は、性質が実質的に連続であるかまたは不連続であることが可能であるが、実質的な連続性が、切溝品質およびツール磨耗に関する一定の性能的有益性を有することが可能であると共に、ポリイミドのプロセス温度で固体または液体相で焼結されることが可能である。加えて、金属合金は、剛性をツールに伝達させることが可能である（すなわち、金属合金とポリイミドとの界面での滑りはない）と共に、その硬度は、加工材料未満であることが可能である。好適なポリイミド（または他の類似する樹脂）は、一般に、低い伸度％および高い熱安定性を有する。この開示を鑑みてさらに理解されるであろうとおり、本開示は、青銅およびポリイミドに限定されることを意図していない。むしろ、青銅は、例えば、樹脂の軟化温度（例えば、ＡＳＴＭ規格Ｄ６４８などにより形成される加熱撓み温度）で液体相または遷移液相を有すると共に室温で１〜５ＭＰａ．ｍ^０．５の破壊靭性を有するいずれかの金属または金属合金によって置き換えられることが可能である。あるいは、ポリイミドは、例えば、５００℃未満の軟化温度（例えば、約１６０℃〜４００℃の範囲内）および約３％〜２５％の範囲内の延性を有するいずれかの樹脂またはポリマーによって置き換えられることが可能である。普通、樹脂および金属合金タイプの特定的な選択は、ツールが製造および耐久性の目的に関して十分に脆性であるが、磨砕応力および取扱応力に耐えるよう十分に延性であるようになされる（すなわち、過剰に硬いツールは破損し易い）。

樹脂の含有量は例えば約１〜５０体積パーセント（体積％）の範囲であり得、一方で、金属／金属合金の含有量は例えば約４０〜８５体積％の範囲であり得る。金属合金は、例えば、重量基準で６０／４０〜４０／６０銅／錫（例えば、５０／５０重量％）の青銅であることが可能である。ダイアモンド含有量（または他の好適な砥粒）は、約４０〜１００濃度の範囲の濃度で、例えば、１０〜３０体積％の範囲であり得る。ダイアモンドグリット粒子は、例えば、直径で４０ミクロン以下、好ましくは、１ミクロン〜１２ミクロンの範囲、およびより好ましくは１ミクロン〜３ミクロンの範囲の平均直径を有し得る。青銅粉末およびポリイミド粒子は、例えば、４０ミクロン以下およびより好ましくは３０ミクロン以下の平均直径を有し得る。実際の組成は、所望の直線度および剛性／延性、ならびに、自己ドレッシング能および許容可能な切溝に沿った欠けの程度（あるとしても）などの要因に応じて異なることとなる。このようなツールは、超小型電子ウェハ構成部品（例えば、シリコンウエハおよびＡｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣスライダ）の製造におけるものなどの、硬質で脆性な工作物に対する１×スライシング／ポリッシングプロセスにおいて良好に機能する。

研磨材がダイアモンドに限定されることは意図されず、ＣＢＮ、溶融アルミナ、焼結アルミナ、炭化ケイ素、またはこれらの混合物などの、本質的にいずれかの好適な研磨材であることが可能である。研磨材の選択は、切削される材料および所望されるツールのコストなどの要因に応じる。公知であるとおり、砥粒は、用いられる特定の研磨材に応じてその性質が異なることとなるコーティングを備えていてもよい。例えば、研磨材がダイアモンドまたはＣＢＮである場合、研磨材上の金属コーティング（例えばニッケル）を用いて磨砕特性を向上させることが可能である。同様に、溶融アルミナの磨砕品質は、細粒が酸化鉄またはγアミノプロピルトリエトキシシランなどのシランでコートされている場合、一定の磨砕または切削用途において高められる。同様に、焼結ゾルゲルおよび種結晶添加ゾルゲルアルミナ研磨材は、シリカコーティングが備えられている場合に磨砕特性の増強を示し、または、いくつかの場合においては、焼結研磨材がシラン処理されている場合に向上がもたらされ得る。利用可能な研磨グリットサイズはまた所望の性能に応じて異なることが可能であり、本開示のいくつかの実施形態によれば、グリットサイズは４０ミクロン以下である。

種々の代替的な実施形態において、本出願のツールは、２５０ミクロン以下、好ましくは１００ミクロン以下、より好ましくは７０ミクロン以下、およびさらにより好ましくは６５ミクロン以下の厚さを有することが可能である。ツールタイプおよびその寸法もまた変更可能であるが（目的の用途に応じて）、このようなツールの一例は、約３０〜１３０ミクロン（例えば、６５ミクロン以下）の厚さ、約５０〜１５０ミリメートル（例えば、１１０ｍｍ）の外径、および約３５〜１３５ｍｍ（例えば、９０ｍｍ）の内径を有するタイプ１Ａ８ホイールである。多機能ブレードの研磨材セクションは、一般にホイールの外径から内径に延在するが、好適な場合には、外径から、内径からいくらかの距離まで延在する部分的な研磨材セクションもまた用いられることが可能である。

このツールは、例えば、粉末ブレンドから、約３００〜４２０℃で製造されることが可能である。このような一実施形態において、金属合金の選択は、このような温度で合金溶融物に存在する相の少なくとも１つが、ツールの向上した焼結性、より良好なダイアモンド固着性、高いツール剛性、および、スライシング／ポリッシングプロセスにおいて生成された熱の抽出路をもたらすようになされる。ポリイミドは、一般に、これらのプロセス温度において融点を有さず、軟化するのみである。高圧を用いて、形成プロセス（例えば、成形）中の高密度化を確実に完了させることが可能である。

１種の市販されている研磨ツールは、コバルト金属、樹脂および微細なダイアモンドグリットからなる。しかしながら、コバルトの使用は、多数の問題を生じさせる可能性がある。具体的には、コバルトベースの製品は、典型的には、きわめて脆性であると共に、取扱中および使用中に破砕する傾向にある。加えて、コバルトの使用は、焼結不足であると共にグリット固着性に劣っている（これは、好適な樹脂に伴うプロセス温度では、コバルトはきわめて良好には流動性ではないためである）構造をもたらす。文脈に応じて、コバルトは、環境にもやさしくない可能性がある。しかも、コバルトの高い剛性は、コバルト−樹脂界面での滑りにより、ツールに伝達されない場合がある。用いられる樹脂タイプおよび充填材の選択、ならびに、プロセス温度などの他の要因もまた、ツール性能に関与する（例えば、樹脂の有益な品質は、過剰に高い温度に供されると劣化する）。

コバルトの使用に関連する細微ではあるが顕著な他の問題は、磁気特性に関連する。特に、コバルトは、容易に磁化される硬質の強磁性材料として知られている。そのため、コバルトベースのブレード中のコバルトは、スライスされたおよびポリッシングされたワークピース（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣスライダ）の磁気特性を狂わせ得ると考えられている。これは、切削の最中にワークピースの表面に付着した残存するコバルト汚染物（例えば、ツールが磨耗するに伴って、コバルトがツールから離散されると共に、そのいくらかがワークピースに張り付くか埋め込まれる）、または、磨砕ゾーンの周囲の局所的な磁界に作用し、次いで、ワークピースに作用するツール中のコバルトの影響の一方による可能性がある。

このような従来のコバルトベースの製品とは対照的に、本開示の実施形態により構成されたツールは、好適な程度の延性を維持することにより取扱および高磨砕力に耐える優れた能力を示すと共に、より深深度の切削での磨砕に用いられることが可能である。加えて、例示的な金属合金は如何なるコバルトも含まず、ポリイミドに伴うプロセス温度で十分に流動性であって優れた焼結性、グリット固着性、剛性および延性をもたらす。しかも、青銅の金属合金は非磁性であって、それ故、磨砕ゾーンの周囲の局所的な磁界に影響せず、または、ワークピース表面を磁性粒子で汚染もしない。米国特許第５，３１３，７４２号明細書、米国特許第６，２００，２０８号明細書および米国特許第６，４８５，５３２号明細書は、硬質脆性材料を切削することが可能である従来の研磨ツールに関連する更なる詳細を提供する。‘７４２号、‘２０８号および‘５３２号特許の各々は、本明細書においてその全体が参照により援用されている。

それ故、このような実施形態に従って構成された研磨ツールは、Ａｌ_２Ｏ_３−ＴｉＣスライダおよび硬質脆性材料から形成される他のこのような構成部品の製造において実施される同時的な１×方形切断およびポリッシング操作において用いられることが可能である。さらに一般的な意味において、このような実施形態に従って構成された研磨ツールは、１×プロセスの実施に用いられることが可能であり、１×プロセスには、伝統的に１つのツールでスライスされるか切削されると共に、互いにポリッシングされる微細な最終工作物に対する切削およびポリッシングの組み合わせが含まれる。このようなツールは、所望される場合には、非１×用途（例えば２×）においても用いられ得る。開示のツールは、向上したツール寿命、より良好なエッジ品質（良好な直角度、および、皆無であるかまたは低い欠け程度）、および従来のツールと比してより良好な仕上げ（スクラッチが皆無であるかより少ない）を提供する。加えて、これらのツールは、ツーインワン（ｔｗｏ−ｉｎ−ｏｎｅ）プロセスを可能とすることにより、時間、労力および電力に関連する製造コストを効果的に削減する。

実施例ツール構成１番
本開示の実施形態による１つの特定の研磨ツール構成において、ツールは、約６５ミクロンの厚さ、約１１０ミリメートルの外径および約９０ｍｍの内径を有するタイプ１Ａ８ホイールであると共に、ブレード組成は以下のとおりである：３１．２５体積パーセントのＶｅｓｐｅｌ（登録商標）ＳＰ１ポリイミド（ここで、粉末粒子は約３０ミクロンの平均直径を有する）、５０体積％の青銅（重量基準で５０／５０の銅および錫であり、粉末粒子は約３０ミクロンの平均直径を有する）、および１８．７５体積％のダイアモンド（７５濃度で、１〜３ミクロンの平均直径を有する）。ダイアモンドは、例えば、１〜３μｍ（−８μｍ）ＲＢ Ａｍｐｌｅｘ（登録商標）ダイアモンド、または１〜２μｍ（−８）ＲＶＭ ＣＳＧ Ｄｉａｍｏｎｄ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ（登録商標）ダイアモンドであることが可能である。他の好適なダイアモンドタイプおよび供給源は、この開示を考慮すると明らかになるであろう。ツール寸法および組成に対する許容誤差は例えば＋／−１０パーセントであり得るが、より緩い許容誤差（例えば、＋／−２０パーセント以上）またはより厳格な許容誤差（例えば、＋／−５パーセント以下）もまた、特定の用途、ならびに、所望される精度および性能に応じて用いられることが可能である。

ツールの薄さは、廃棄される加工材料を減少させ、なお、精密スライシングおよびエッジ品質（直角な面から１５度以内であるかより良好であるような実質的に直角な切溝壁を伴う低切溝損失）を可能とする直線度を有する。直線度とは、アーバーホールの半径からホイールの外半径までの半径のすべてで実質的に均一であるホイールの軸方向の厚さを指す。一実施形態において、この薄い直線状のツール厚は、ツールを６５ミクロンまで両面ラップ仕上することにより達成される。片面ラップ仕上もまた用いられ得るが、ツールをゆがませることがないよう注意しなければならない（例えば、冷却技術を用いて、およびさらなる製造時間を割り当てて）。

この特定の実施例の実施形態において、このツールは、実質的に連続的な金属合金相（予め合金化された青銅）を、実質的に連続的であるか、または、実質的に非連続的であるポリイミド相と共に含む。この１Ａ８ツール設計は、例えば、同時のスライシングおよびポリッシングが所望される１×用途において用いられることが可能である。青銅の実質的に連続的な金属合金相がツールの剛性を向上させる（露出されたツールの高アスペクト比、従って、剛性が切溝の制御に役立つ）と共に、ポリイミドがツール構造にコンプライアンス度を追加し、従って、切削の最中に、ツール面上のダイアモンドは結合材に向かってわずかに押し返され、これにより、とられる切削深度が制限され、それ故、ワークピースにおけるエッジ仕上が向上する。

同様の構成のコバルトベースのポリイミドツールと比したとき、この実施例の多機能ツールは、エッジ直線度およびエッジに近い欠けの厚さに関して同程度の性能を発揮した。しかしながら、この実施形態により構成したツールはコバルトベースのツールより比較的硬く、コバルトベースのツールに比してより低いツール磨耗およびより小さい切溝の両方を示した。加えて、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）分析は、このツールは、コバルトベースのツールによりもたらされた４３Åのワークピースエッジ仕上Ｒａと比して、２７Åのより良好なワークピースエッジ仕上Ｒａをもたらしたことを示した。

表１は、実施例１の実施形態とコバルトベースのツールとの間のこの比較分析の性能パラメータをまとめている。これらのデータは、ワークピースを通したツールの第１の段またはパスに基づいている。追加のパス（段）については、磨耗率における差がさらに明白となった。例えば、１５段（２４スロット）後、コバルトベースのツールに対するツール磨耗は約３６ミクロンであると共に、実施例１の実施形態に対しては約２８ミクロンであった。比較試験は、約１００ｍｍ／分のテーブル速度および９０００ＲＰＭのツール速度で行った。

加えて、実施例１の実施形態のツール速度を９０００ＲＰＭから、例えば１１０００〜１８０００ＲＰＭ（機械の上限に応じて）を増加させたところ、エッジ直線度が向上されると共に、ツールドレッシングの必要性が低減されたことに注目されたい。他方で、中間ツールドレッシング操作（例えば、各段の間または段のサブセット間）の操作が許容される場合には、より遅いツール速度を用いることが可能である。

粒径に関して、特定の要求は一般に存在しない。市販されているサイズの種々のツール構成部品が本明細書に記載のとおり用いられて、許容可能な結果がもたらされている（本明細書に記載もされているとおり）。しかしながら、より小さい粒径の青銅がダイアモンド分布およびツール性能を向上するよう作用し得ると一般的に考えられている。それ故、本明細書に記載のいくつかの実施形態において、１０ミクロン以下の範囲内の青銅粒子が用いられている（例えば、１〜３ミクロンダイアモンドの分布を向上させるため）。しかしながら、この開示を考慮すると理解されるであろうとおり、より大きな青銅粒子（例えば、３０ミクロンの範囲）もまた有効である。

実施例ツール構成２番
本開示の実施形態による他の特定の研磨ツール構成において、ツールは、既述の寸法および以下のとおりのブレード組成を有するタイプ１Ａ８ホイールである：２１．２５体積パーセントのＶｅｓｐｅｌ（登録商標）ＳＰ１ポリイミド（ここで、粉末粒子は約３０ミクロンの平均直径を有する）、６０体積％の青銅（重量基準で５０／５０の銅および錫であり、粉末粒子は約３０ミクロンの平均直径を有する）、および１８．７５体積％のダイアモンド（７５濃度で、１〜２ミクロンの平均直径を有する）。許容誤差に関する既述の考察がここでも等しく適用される。

この実施例の多機能ツールは４２Åのワークピース表面仕上Ｒａをもたらし、他の性能パラメータは実施例１の実施形態と同程度のままであった。

実施例ツール構成３番
本開示の実施形態による他の特定の研磨ツール構成において、ツールは、既述の寸法および以下のとおりのブレード組成を有するタイプ１Ａ８ホイールである：１１．２５体積パーセントのＶｅｓｐｅｌ（登録商標）ＳＰ１ポリイミド（ここで、粉末粒子は約３０ミクロンの平均直径を有する）、７０体積％の青銅（重量基準で５０／５０の銅および錫であり、粉末粒子は約５〜８ミクロンの平均直径を有する）、および１８．７５体積％のダイアモンド（７５濃度で、１〜３ミクロンの平均直径を有する）。許容誤差に関する既述の考察がここでも等しく適用される。

この実施例の多機能ツールは４８Åのワークピース表面仕上Ｒａをもたらし、他の性能パラメータは実施例１の実施形態と同程度のままであった。しかしながら、このツールは、向上した直線度、実施例１の実施形態に比してより良好な進入および離脱形状（スクラッチを伴わない切削進入および離脱）、ならびに、段の間のドレッシング操作の低減をもたらした。

実施例ツール構成４番
本開示の実施形態による他の特定の研磨ツール構成において、ツールは、既述の寸法および以下のとおりのブレード組成を有するタイプ１Ａ８ホイールである：３０．２５体積パーセントのＶｅｓｐｅｌ（登録商標）ＳＰ１ポリイミド（ここで、粉末粒子は約３０ミクロンの平均直径を有する）、５７．２５体積％の青銅（重量基準で５０／５０の銅および錫であり、粉末粒子は、５〜８ミクロンの平均直径を有する）、および１２．５体積％のダイアモンド（５０濃度で、１〜２ミクロンの平均直径を有する）。許容誤差に関する既述の考察がここでも等しく適用される。

この実施例の多機能ツールは、実施例１の実施形態に類似する性能パラメータを示した。

実施例ツール構成５番
本開示の実施形態による他の特定の研磨ツール構成において、ツールは、既述の寸法および以下のとおりのブレード組成を有するタイプ１Ａ８ホイールである：２０．２５体積パーセントのＶｅｓｐｅｌ（登録商標）ＳＰ１ポリイミド（ここで、粉末粒子は約３０ミクロンの平均直径を有する）、６７．２５体積％の青銅（重量基準で５０／５０の銅および錫であり、粉末粒子は、５〜８ミクロンの平均直径を有する）、および１２．５体積％のダイアモンド（５０濃度で、１〜２ミクロンの平均直径を有する）。許容誤差に関する既述の考察がここでも等しく適用される。

この実施例の多機能ツールは、実施例３の実施形態に類似する性能パラメータを示した。

既述の性能試験に追加して、磨耗テストデータを、様々な量の研磨材含有量、ならびに、青銅−ポリイミド比を有する多数のサンプルについて計測して、ツール磨耗に対するこのような偏差の作用を判定した。ダイアモンド濃度（例えば、６０〜７５濃度）の変更に起因したツール磨耗の顕著な変化はなかったが、ツール磨耗の顕著な変化は、青銅含有量の増加により達成することが可能である（例えば、６５体積％〜７０体積％、または７５体積％に対応してツール磨耗が低減した）。

実施例ツール構成６番
本開示の実施形態による他の特定の研磨ツール構成において、ツールは、約６５ミクロンの厚さ、約１１０ミリメートルの外径および約９０ｍｍの内径を有するタイプ１Ａ８ホイールであると共に、ブレード組成は以下のとおりである：２６．５体積パーセントのＭｅｌｄｉｎ７００１（登録商標）ポリイミド（ここで、粉末粒子は約１０ミクロンの平均直径を有する）、５４．８体積％の青銅（重量基準で５０／５０の銅および錫であり、粉末粒子は約８ミクロンの平均直径を有する）、および１８．７体積％のダイアモンド（７５濃度で、１〜２ミクロンの平均直径を有する）。ダイアモンドは、例えば、１〜２μｍ（−８μｍ）１〜２μｍ（−８）ＲＶＭ ＣＳＧ Ｄｉａｍｏｎｄ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ（登録商標）ダイアモンドであることが可能である。ツール寸法および組成に対する許容誤差は例えば＋／−１０パーセントであり得るが、より緩い許容誤差（例えば、＋／−２０パーセント以上）またはより厳格な許容誤差（例えば、＋／−５パーセント以下）もまた、特定の用途、ならびに、所望される精度および性能に応じて用いられることが可能である。これらのツールは、実施例１におけるツールと同様の様式で製造される。

ツールの薄さは、廃棄される加工材料を減少させ、なお、精密スライシングおよびエッジ品質（直角な面から１５度以内であるかより良好であるような実質的に直角な切溝壁を伴う低切溝損失）を可能とする直線度を有する。直線度とは、アーバーホールの半径からホイールの外半径までの半径のすべてで実質的に均一であるホイールの軸方向の厚さを指す。一実施形態において、この薄い直線状のツール厚は、ツールを６５ミクロンまで両面ラップ仕上することにより達成される。片面ラップ仕上もまた用いられ得るが、ツールをゆがませることがないよう注意しなければならない（例えば、特殊な冷却技術を用いて、およびさらなる製造時間を割り当てて）。

この特定の実施例の実施形態において、このツールは、実質的に連続的な金属合金相（予め合金化された青銅）を、実質的に連続的であるか、または、実質的に非連続的であるポリイミド相と共に含む。この１Ａ８ツール設計は、例えば、同時のスライシングおよびポリッシングが所望される１×用途において用いられることが可能である。青銅の実質的に連続的な金属合金相がツールの剛性を向上させる（露出されたツールの高アスペクト比、従って、剛性が切溝の制御に役立つ）と共に、ポリイミドがツール構造にコンプライアンス度を追加し、従って、切削の最中に、ツール面上のダイアモンドは結合材に向かってわずかに押し返され、これにより、とられる切削深度が制限され、それ故、ワークピースにおけるエッジ仕上が向上する。

同様の構成のコバルトベースのポリイミドツールと比したとき、この実施例の多機能ツールは、エッジ直線度およびエッジに近い欠けの厚さに関して同程度の性能を発揮した。

表２は、実施例６の実施形態とコバルトベースのツールとの間のこの比較分析の性能パラメータをまとめている。この実施例において、ツール性能は、定常状態に達するまで十分に切削した後に判定した。ツール磨耗は、例えば、定常状態に達した後３５回にわたる切削により判定される。比較試験は、約１００ｍｍ／分のテーブル速度および９０００ＲＰＭのツール速度で行った。

本明細書に記載の研磨ツールを形成する方法は、以下のステップの１つ以上を含むことが可能である。
（ａ）超砥粒（例えば、１〜２ミクロンの平均直径を有する微細なダイアモンド）、ポリイミド、ならびに、本質的に、約４０〜約６０重量％の銅および約４０〜約６０重量％の錫からなる予め合金化された青銅を含む予め選択された割合の粒状成分を提供するステップ；
（ｂ）粒状成分を混合して、いずれかの好適なブレンド装置（例えば、ダブルコーンタンブラー、ツインシェルＶ形タンブラー、リボンブレンダー、水平ドラムタンブラー、および静置型シェル／インターナルスクリューミキサー）を用いて形成することが可能である、実質的に均一な組成物を形成するステップ；
（ｃ）実質的に均一な組成物を所望の形状の金型に入れるステップ（例えば、１Ａ８ツール）；
（ｄ）金型を、成形物品を形成するために有効な期間、約２５〜２００ＭＰａの範囲内の圧力に圧縮するステップ；
（ｅ）成形物品を、青銅を焼結すると共にポリイミドを軟化させるために有効な期間、５００℃未満の温度（例えば、約１００℃〜４５０℃の範囲内、またはさらにより具体的には、約１６０℃〜４００℃の範囲内）に加熱し、これにより、砥粒および焼結された結合材を、実質的に連続的な金属合金相と実質的に連続的なまたは実質的に非連続的なポリイミド相（例えば、３０体積％以上などのより高含有量のポリイミドは実質的に連続的な相をもたらす傾向にある一方で、３０体積％未満などのより低含有量では実質的に非連続的な相をもたらす傾向にある；しかしながら、いずれの相も許容可能であると共に許容可能な結果がもたらされることに注意されたい）との複合体に組み込むステップ；
（ｆ）複合体を冷却して研磨ツールを形成するステップ；ならびに
（ｇ）ツールの面をラップ仕上して、所望の程度の直線度および厚さをもたらすステップ（例えば、アーバーホールの半径からツールの外半径までの半径のすべてで実質的に均一であるツールの軸方向の厚さ、ここで、最終的な厚さは、例えば、約６５ミクロンである）。このラップ仕上するステップは、直線度がさらに向上するよう、両面ラップ仕上として実施されることが可能である。

研磨グリット（例えば、ダイアモンド）は、一般に、青銅相およびポリイミド相の両方の中に存在するが、主に青銅相中に存在する。ポリイミド相は青銅相より弾性であって、研磨ツールに弾性率を付与し、これは、意図される研磨プロセスによる欠けサイズが低減されるよう、切削エッジ、および、おそらくは、ツールのサイドウォール（ホイール構成を仮定して）上で研磨グリットによってとられる切削深度を制御し、これにより、要求される表面仕上を生成すると考えられている。

本明細書に記載の研磨ツールは、コールドプレスまたはホットプレス技術を用いる高密度化によって生成されることが可能である。時々常圧焼結とも称されるコールドプレスプロセスにおいては、複合体構成成分のブレンドが所望の形状の金型に導入されると共に、高圧が室温で加圧されて、押し固められているがもろい成形物品が得られる。この高圧は、例えば、２５〜２００ＭＰａの範囲であることが可能である。その後、圧力が解放され、成形物品が金型から取り出され、次いで、焼結温度に加熱される。焼結のための加熱は、例えば、不活性ガス雰囲気において、予備焼結成形圧力より低い圧力（例えば、約１００ＭＰａ未満、またはさらにより具体的には、約５０ＭＰａ未満）に成形物品を加圧しながら行うことが可能である。焼結はまた減圧下に行われることも可能である。この低圧焼結の最中、成形物品（例えば、１Ａ８タイプの薄い研磨ホイール）は、焼結の最中におけるその直線度の維持を補助するために、金型中にあるか、および／または、平坦なプレートの間に挟まれていてもよい。ホットプレスプロセスにおいては、典型的にはグラファイト製の金型に粒状結合材組成物のブレンドが入れられ、コールドプレスプロセスと同様に高圧に圧縮される。しかしながら、不活性ガスが利用されると共に、高圧は温度が昇温する間にも保持され、これにより、ツール予成形品が加圧下にある間に高密度化が達成される。

この方法は、単刃または多刃構成を製作するために用いられ得ることに注意されたい。個別に製作されたツールから形成された多刃構成（ガング構成）に関して、ガングの各構成部品ツールに対する好適な許容度の追加の考察が存在する。さらなる詳細において、単刃実施形態における許容誤差は許容可能なほどに高くてもよいが、その一方で、ガング構成におけるこのような高い許容誤差が積み重なって、望ましくない結果をもたらし得る（例えば、所望の精度の不足）。それ故、本開示の一実施形態によれば、ガングに含まれる個別のツールの許容誤差は、いずれかの得られるスタックが許容可能な範囲内におさまるようなものである。ガング化ツールは、例えば、アルミナまたは鋼などの材料製のスペーサによって分離されていてもよい。あるいは、他の実施形態は、より厚いツールからモノリス多刃構造を形成することにより製作される多刃ツールである。より厚いツールは既述の製造ステップ（ａからｆまで、および任意によりｇ）を用いて形成されることが可能であり、初期ツール厚は、これから所望の数の個別のツールの形成を可能とするに十分なものである（例えば、３６００ミクロン以上）。この初期ツール厚内で形成された個別のツールの各々は、例えば、１２５ミクロン（または未満）より薄く、その直径が薄い外側ツールよりも小さい内側構造によって分離されていてもよい。このようなモノリス構造は、効果的に組み込み型のスペーサを個別のツール間に提供し、これにより、許容度の可変要素が低減される。切削用の厚い内側セクションおよび薄い外側セクションを有する、個別のツールのガング化アセンブリが、既に援用されている米国特許第５，３１３，７４２号明細書に記載されている。この原理（厚い内側セクションおよび薄い外側セクション）は、本明細書に記載のとおりモノリス構造に採用されることが可能である。初期のより厚いツールからの個別のツールの形成は、他の好適な加工技術を用いることが可能であるが、例えば、放電加工（ＥＤＭ）によって達成されることが可能である（例えば、ミリング、ワイヤ鋸引き等）。ラップ仕上などの仕上技術を用いて、個別のツールのパラメータ（厚さおよび直線度）をさらに改良することが可能である。

本開示の実施形態の前述の記載は、例示および説明の目的のために提示されている。これは、包括的であること、または、開示の正確な形態に本発明を限定することは意図されていない。この開示を考慮した多くの変更および変形が可能である。例えば、Ｖｅｓｐｅｌ（登録商標）ＳＰ１ポリイミドが使用に許容されると実施形態に記載されているが、金属合金および研磨材と好適に相互作用する品質を有する他の類似するポリイミドまたはポリマーもまた用いられることが可能である。同様に、ホイールタイプも様々であり得る（例えば、１Ａ１、１Ａ８、またはいずれかの比較的薄い研磨ホイール構成）。本発明の範囲はこの詳細な説明によって限定されることはなく、本明細書に添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることが意図されている。

本開示の要約は、単に米国での義務に従うために提供されており、それ自体、特許請求の範囲または意味を解釈または限定するために用いられることはないという理解と共に提示される。加えて、前述の詳細な説明において、種々の特性が、本開示を合理化する目的のために、一緒にグループ化されているか単一の実施形態に記載されている。この開示は、特許請求の範囲に記載の実施形態が、特許請求の範囲の各々において明確に言及されているものよりもさらなる特性を要求するとの意図が反映されていると解釈されるべきではない。むしろ、以下の特許請求の範囲が反映するとおり、本発明の主題は、開示の実施形態のいずれかの特性の一部に向けられ得る。それ故、以下の特許請求の範囲は詳細な説明に組み込まれており、特許請求の範囲の各々は、独立して特許請求の範囲に記載の主題を別個に許容すると共に記載する。

Claims (10)

1. 青銅およびポリイミドの混成結合材であって、青銅は重量基準で、６０／４０〜４０／６０の銅および錫からなり；そして、
   前記混成結合材とブレンドされた複数の微細な研磨グリット；
   を含み、
   ２５０ミクロン以下の実質的に均一な厚さを有し、
   約１〜５０体積パーセント（体積％）のポリイミド、約４０〜８５体積％の青銅および約５〜４０体積％の微細な研磨グリットを含む、
   多機能研磨ツール。
2. 前記ツールが、約１００ミクロン以下の厚さを有する１Ａ８タイプホイールまたは１Ａ１タイプホイールである、請求項１に記載の多機能研磨ツール。
3. ６５ミクロン以下の実質的に均一な厚さを有する、請求項１に記載の多機能研磨ツール。
4. 前記ツールが、約１０〜４０体積％のポリイミド、約４５〜７５体積％の青銅、および約１０〜２５体積％の微細な研磨グリットを含む、請求項１に記載の多機能研磨ツール。
5. 前記ツールが、約１１．２５体積％のポリイミド、約７０体積％の青銅、および約１８．７５体積％の微細な研磨グリットを含み、各構成成分が、＋／−２０％の許容誤差を有する、請求項４に記載の多機能研磨ツール。
6. 前記ポリイミドが、本質的に、約４０ミクロン以下の平均直径を有する粒子からなる、
   請求項１に記載の多機能研磨ツール。
7. 前記青銅が、本質的に、約４０ミクロン以下の平均直径を有する粒子からなる、請求項１に記載の多機能研磨ツール。
8. 前記ダイアモンドが約１〜１２ミクロンの平均直径を有する、請求項１に記載の多機能研磨ツール。
9. 前記ダイアモンドが約１〜３ミクロンの平均直径を有する、請求項８に記載の多機能研磨ツール。
10. 実質的に連続的な青銅相と、実質的に連続的であるか、または、実質的に非連続的であるポリイミド相とをさらに含む請求項１に記載の多機能研磨ツール。