KR0133165B1 - 다이아몬드헤드를 갖는 본딩툴 및 이의제조방법 - Google Patents
다이아몬드헤드를 갖는 본딩툴 및 이의제조방법Info
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Abstract
본딩 툴(40)은 기상 합성 다이아몬드로 이루어진 선단부(45)를 가지며, 여기서 선단면(47)을 형성하는 주요한 다이아몬드 결정면이 (111)면이다. (111)면으로 이루어진 선단면은 경도가 높으며 마모되기 어렵다. 기상 합성 다이아몬드로 주로 구성된 본딩 헤드의 인성을 높이기 위해 본딩 헤드에 다이아몬드의 기상 합성에서 생성되는 비다이아몬드 성분을 함유시킨다. 본딩 헤드에서 선단면을 형성하는 부분은 순도가 높은 다이아몬드로 이루어지고 선단면을 지지하는 부분은 순도가 낮은 다이아몬드로 이루어진다. 선단면은 강성이 높은 반면, 선단면을 지지하는 부분은 인성이 높다. 기상 합성 다이아몬드로 주로 구성된 본딩 선단부에 전기전도성을 부여하기 위해 도우핑된 기상 합성 다이아몬드를 사용한다. 본딩 선단부에서 선단면을 형성하는 부분은 도펀트를 그다지 함유하지 않는 다결정 다이아몬드로 이루어지고, 이러한 부분을 지지하는 부분은 도펀트를 많이 함유한다. 전기전도성을 갖는 선단부는 전기를 통과시킴으로써 가열시킬 수 있다. 기상 합성 다이아몬드를 함유하는 코팅을 본딩 선단부로 하여 사용하는 툴에 있어서, 코팅의 강도 및 공구 기본체에 대한 밀착성을 높이기 위해 금속 또는 세락믹과 기상 합성 다이아몬드로 이루어진 복합체로 코팅을 형성시킨다. 금속 및 세라믹은 열팽창계수가 다이아몬드보다도 공구 기본체에 가깝다. 코팅에 있어서, 선단면에는 다이아몬드를 많이 함유시키는 반면, 공구 기본체와 밀착되는 부분에는 금속 또는 세라믹을 많이 함유시킨다.
Description
제1도는 TAB 방식을 설명하기 위한 모식도이며,
제2도는 본딩 툴의 일반적 형상을 도시한 사시도이며,
제3도는 본 발명에서 비다이아몬드 성분의 함유량을 평가하기 위한 라만 스펙트럼을 도시한 도면이며,
제4a도 및 제 4b도는 실시예 1에서 본딩 툴을 제조하기 위한 공정을 도시한 개략 단면도이며,
제5도는 실시예 1에서 제작된 본딩 툴을 도시한 사시도이며,
제6도는 실시예 2에서 제작된 본딩 툴의 개략을 도시한 단면도이며,
제7a도는 실시예 3에서 제작된 본딩 툴의 주요부분을 도시한 단면도이며,
제7b도는 실시예 3에서 제작된 본딩 툴의 전체를 도시한 사시도이며,
제8도는 실시예 4에서 제작된 본딩 툴의 주요부분을 도시한 단면도이며,
제9도는 실시예 5에서 첨가된 불순물에 대해 이의 농도의 경시적 변화를 도시한 도면이며,
제10도는 실시예 5에서 제작된 본딩 툴의 개략을 도시한 단면도이며,
제11도는 실시예 5의 본딩 툴에서 불순물의 분포를 도시한 도면이며,
제12도는 실시예 6에서 첨가된 불순물의 농도에 대해 경시적 변화를 도시한 도면이며,
제13도는 실시예 6에서 제작된 본딩 툴의 개략을 도시한 단면도이며,
제14도는 실시예 6의 본딩 툴에서 불순물 농도의 분포를 도시한 도면이며,
제15도는 비교실시예 4에서 제작된 본딩 툴의 개략을 도시한 단면도이며,
제16도는 실시예 7에서 본딩 툴을 제조하기 위한 장치를 도시한 모식도이며,
제17a도는 실시예 7에서 제작된 본딩 툴의 주요부분을 도시한 단면도이며,
제17b도는 실시예 7에서 제작된 본딩 툴의 전체를 도시한 측면도이다.
본 발명은 반도체 장치를 실제로 장착하는데 사용되는 TAB(Tape Autonated Bonding) 형태의 본딩 툴 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
TAB 방식에 따른 LSI의 실제 장착은 배선의 피치를 보다 좁게 하고, 또한 LSI가 실제로 장착된 기기를 얇고 경량으로 하는데 대응시킬 수 있으므로, 액정 텔레비젼, 전자수첩, 랩톱형 퍼스널 컴퓨터, 워드 프로세서용의 액정 드라이버용 IC 및 시계와 전자계산기용 IC 등을 중심으로 급속하게 이용되기 시작했다. TAB 방식이란 LSI칩 위에 형성된 다수의 전극과 필름 캐리어 테이프 위의 리드선을 가열된 본딩 툴로 일괄 접합시키는 방법이다. 제1도는 TAB에 따른 LSI 실제 장착을 모식적으로 도시하고 있다. 이러한 방식에서는 LSI칩(1) 위에 70내지 200㎛피치로 설치된 수백개의 전극(Au)(2)과 에칭에 의해 형성된 필름 캐리어 테이프(3) 위의 리드선(4)을 500℃ 내지 600℃로 가열된 본딩 툴(10)로 일괄 접합시킨다. 접합시킬 때에 본딩 툴(10)은 가열된 선다면(10a)에서 리드선(4)을 전극(2)에 압착시킨다. TAB는 와이어 본딩 툴에 비하여 많은 전극을 단시간에 실제로 장착할 수 있다.
제2도는 TAB에 사용되는 일반적인 본딩 툴의 형상을 도시하고 있다. 본딩 툴(20)에서는 본딩을 위해 선단면(20a)을 구성하는 선단 부분이 열팽창되기 어려운 합금으로 이루어진 쉥크(shank)(21)에 지지되어 있다. 본딩 툴에서는 장시간에 걸쳐 고온하에서 반복사용에 견디는 높은 신뢰성이 요구되므로, 특히 선단 부분에서는 내열성 및 내마모성이 우수한 소재를 사용할 필요가 있다.
이러한 요구에 응답하기 위해 종래에는 본딩 툴의 선단에는 합성 또는 천연의 다이아몬드 단결정 및 바인더레스 cBN 소결체 또는 다이아몬드 소결체가 사용되었다. 그러나, 천연의 다이아몬드 단결정은 불순물을 많이 함유하거나 결정 방위가 일정하지 않은 등의 영향으로 성능의 분산이 크고, 또한 사방 7 내지 8㎜ 이상의 대형 크기의 것은 공급이 곤란하다. 합성된 다이아몬드 단결정은 성능이 가장 우수한 소재 중의 하나이지만, 기타 재질과 비교하여 대단히 고가이므로 한정된 용도로 밖에 사용할 수 없다. 바인더레스 cBN 소결체는 다이아몬드를 주성분으로 하는 재질에 대해 내마모성의 점에서 열등하다. 다이아몬드 소결체는 결합재를 함유하므로 고온에서 선단면이 커지는 반면, 균일하게 리드선을 가압할 수 없게 된다는 문제를 갖는다. 따라서, 이상 기재한 재료는 소비자를 반드시 만족시킬 수 있는 것은 아니다.
기상 합성된 다결정 다이아몬드(기상 합성 다이아몬드)는 결합재를 함유하지 않으므로 다이아몬드의 특징을 충분하게 발휘할 수 없다. 또한, 기상 합성 다이아몬드는 치수가 큰 것을 저렴한 동시에 안정되게 공급할 수 있다. 상기한 기상 합성 다이아몬드는 본딩 툴에 적절한 소재로서 최근에 이용되고 있다. 일반적으로, 실용적인 기상 합성 다이아몬드는 메탄 등의 탄화수소와 수소를 주성분으로 하는 원료 가스를 저압하에서 분해 및 여기시키는 화학 증착(CVD)에 의해 제조된다.
본 양도인에 의한 일본국 공개특허공보 제(평)2-224349호에는 Si3N4로 이루어진 소결체, SiC로 이루어진 소결체, A1N으로 이루어진 소결체 또는 Si의 기재 위에 다이아몬드를 증착시키고 다이아몬드 증착된 기재를 금속으로 이루어진 공구 기본체에 납땜하는 것이 개시되어 있다. 이러한 기술에 따르면, 본딩 툴은 기상 합성 다이아몬드로 이루어진 선단부가 상기한 소결체 또는 Si로 이루어진 기재를 통하여 공구 기본체에 접합된다. 또한, 본딩용 선단면은 다이아몬드의 (100) 결정면 및/ 또는 (110) 결정면으로 구성된다.
일본국 공개특허공보 제(소)64-5026호에는 쉥크의 선단부에 기상 합성 다이아몬드를 코팅한 공구가 기재되어 있다. 상세하게는, 쉥크는 스텐레스 재료로 이루어지고 이의 선단부에 CVD에 따라 다이아몬드가 약 5㎛의 두께로 퇴적된다. 상기 공보에는 다이아몬드 코팅의 두께가 10㎛ 이상이면 스텐레스와 다이아몬드 사이의 열팽창율의 차이에 따라 툴에 굴곡이 발생하고 본딩의 수율이 대폭적으로 저하되는 것이 개시되어 있다. 또한, 상기 공보에는 다이아몬드 코팅의 두께가 1㎛이하이면 툴의 내구성이 저하되는 것이 기재되어 있다.
본딩 툴에서 선단면은 보다 평탄한 것이 바람직하다. 그러나, 기상 합성 직후의 다이아몬드 표면은 조잡하므로 이러한 표면을 선단면으로 하고 싶으면 연마가공을 실시하는 것이 필요하다. 따라서, 연마가공을 용이하게 하기 위해 상기한 바와 같이 다이아몬드의 (100) 결정면 및/또는 (110) 결정면이 표면에 거의 평행으로 배향되도록 다이아몬드를 기상 합성시킨다. 그러나, (100)면 또는 (110)면으로 구성된 선단면은 연마의 점에서 바람직한 반면, 본딩 툴의 내마모성의 점에서는 최적이라고 할 수 없다. 따라서, 평탄한 동시에 보다 마모되기 어려운 다이아몬드 선단면을 갖는 본딩 툴이 요망되고 있다.
상기한 종래의 본딩 툴에 있어서, 전자의 공보에는 두께가 5 내지 300㎛인 다이아몬드로 이루어진 선단부가 기재되어 있다. 후자의 공보는 두께가 1 내지 10㎛인 다이아몬드 필름으로 이루어진 선단부를 시사하고 있다. 이들 선단부를 구성하는 다이아몬드는 순도가 높다. 일반적으로, 순도가 높은 다이아몬드는 강성이 높다. 그러나, 선단부를 구성하는 다이아몬드에 관해서 두께방향의 구조나 조성이 본딩 툴의 성능에 어떻게 기여하는지는 아직 충분하게 검토되어 있지 않다.
일반적으로, 본딩 툴에는 일정한 가열형과 펄스 가열형의 두 종류가 공지되어 있다. 공구 기본체 내에 히터를 포함하는 전자의 경우, 히터에서 정상적인 열이 공구 기본체를 통하여 선단부에 전달된다. 후자의 경우, 스텐레스, 인코넬 또는 Mo 등으로 이루어진 기본체를 순간적인 통전에 의해 발열시킨다. 상기한 종래의 다이아몬드 본딩 툴은 일정한 가열형에 적합한 반면, 펄스 가열형에는 그다지 적합하지 않다. 왜냐하면, 다이아몬드 선단면의 가열은 공구 기본체로부터의 열전도에 의한 것이므로 다이아몬드 선단을 갖는 툴은 금속만으로 이루어진 툴보다도 열응답성이 나쁘기 때문이다. 종래의 다이아몬드 툴은 전류 펄스에 응답하여 툴선단면을 소정의 온도까지 가열 및 냉각함에 있어서 금속으로 이루어진 툴보다도 긴 시간을 요한다. 따라서, 1회의 본딩에 요하는 시간을 단축시키는 것이 곤란하다. 상기한 상황으로 펄스 가열에 적합한 다이아몬드 본딩 툴이 요망되고 있다.
쉥크의 선단에 다이아몬드 코팅을 형성시킨 툴은 적은 공정수로 제조할 수 있으며 비용도 저렴하게 제한할 수 있다. 그러나, 쉥크 위에 직접 코팅된 기상 합성 다이아몬드 막은 쉥크에 대한 밀착력이 약하다. 따라서, 종래의 다이아몬드 코팅 툴에서는 사용 도중에 코팅에 대한 박리나 균열의 발생이 일어나기 쉬우며 내구성이 떨어진다. 따라서, 내구성이 보다 우수한 다이아몬드 코팅 툴이 요망되고 있다.
본 발명의 하나의 목적은 종래보다 내마모성이 우수한 본딩 툴을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 하나의 목적은 본딩 툴에 사용되는 기상 합성 다이아몬드에 관하여 이의 구조나 조성에 대해 보다 상세하게 검토하고 보다 높은 성능을 발휘할 수 있도록 개량한 본딩 툴을 제공하는데 있다.
본 발명의 기타 목적은 작동면을 기상 합성 다이아몬드로 구성한 본딩 툴에서 열응답성이 보다 높은 툴을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 코팅으로 형성된 선단을 갖는 본딩 툴에서 코팅에 대한 박리나 균열의 발생이 일어나기 어려우며 내구성이 보다 우수한 툴을 제공하는데 있다.
본 발명의 하나의 국면에 따라, 본딩 툴은 본딩용 선단면을 갖는 동시에 기상 합성된 다이아몬드로 이루어진 본딩 선단부를 구비하고 여기에서 선단면을 구성하는 주요한 다이아몬드 결정면은 (111)면이다. 이러한 툴의 선단면을 형성하는 다이아몬드 부분에서 다결정 다이아몬드의 (111)면이 선단면에 거의 평행으로 배향되어 있다. 선단면이 다이아몬드 중에서 경도가 가장 높은 (111)면으로 우선적으로 점유되어 있으므로 이러한 툴은 종래와 비교하여 본딩 헤드가 마모되기 어렵다.
본 발명의 또 다른 하나의 국면에 따라, (111) 다이아몬드 결정면으로 주로 구성된 선단면을 갖는 본딩 툴을 제조하기 위한 방법이 제공된다. 본 방법에서는 우선 다이아몬드를 퇴적시킬 수 있는 면을 갖는 기재를 준비한다. 상기 면에 대해 거의 평행으로 (111)면이 배향되도록 기상 합성에 따라 상기한 면 위에 다이아몬드를 퇴적시킨 다음, 그 위에 (111)면보다 경도가 낮은 결정면이 배향되도록 다이아몬드 층을 퇴적시킨다. 다이아몬드 층을 선단면으로 하여 기재를 후부(後部) 기본체에 납땜한 다음, 경도가 낮은 다이아몬드 층을 경면(鏡面) 연마함으로써 제거하여 (111)면을 노출시킨다.
본 발명의 기타 국면에 따라, (111) 다이아몬드 결정면으로 주로 구성된 선단면을 갖는 본딩 툴을 제조하기 위한 방법이 제공된다. 본 방법에서는 우선 다이아몬드를 퇴적시킬 수 있는 경면가공된 면을 갖는 기계를 준비한다. 이어서, 기재면에 대해 거의 평행으로 (111)면이 배향되도록 기상 합성에 따라 면 위에 다이아몬드를 퇴적시킨다. 다이아몬드가 퇴적된 기재를 분리 또는 제거한 다음, 수득된 다이아몬드 재료로 기재에 접촉시킨 면의 쪽을 선단면으로 하여 다이아몬드 재료를 공구 기본체에 납땜한다.
본 발명의 또 다른 국면에 따라, 본딩 툴은 본딩용 선단면을 갖는 동시에 기상 합성된 다이아몬드 및 다이아몬드의 기상 합성으로 생성된 비다이아몬드 성분으로 이루어진 본딩 선단부를 구비하고 여기에서 본딩 선단부는 선단면을 형성하는 부분과 이러한 부분에 접하는 동시에 이러한 부분보다도 비다이아몬드 성분을 많이 함유하는 부분을 포함한다. 비다이아몬드 성분으로서 무정형 카본, 흑연 또는 광택 카본 등을 열거할 수 있다. 비다이아몬드 성분을 보다 많이 함유하는 부분은 선단면을 구성하는 다이아몬드보다도 점성이 강하고 인성이 보다 높다. 이러한 툴에서 선단면은 인성이 높은 재료로 지지된다.
본 발명의 또 다른 국면에 따라, 본딩 툴은 전기전도성을 갖는 동시에 기상 합성된 다결정 다이아몬드 및 도펀트로 이루어진 본딩 선단부를 구비하고 여기에서 본딩 선단부는 본딩용 선단면을 형성하는 부분 및 이러한 부분과 접하는 동시에 이러한 부분보다도 도펀트를 많이 함유하는 부분을 포함한다. 이러한 툴에서 불순물로서는, 예를 들면, B, Al, P, Sb, Si, Li, S, Se, Cl, N, W, Ta, Re 또는 Cr 등의 원소를 사용할 수 있다. 이들 불순물은 다이아몬드의 기상 합성에서 도우핑시킬 수 있다. 선단부는 불순물의 첨가에 의해 전기 전도성을 가지므로 선단부에 직접 전류를 통과시키고 이의 저항으로써 발열시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 국면에 따라, 불순물이 첨가된 기상 합성 다이아몬드로 이루어진 선단부룰 갖는 본딩 툴을 제조하기 위한 방법이 제공된다. 본 방법에서는 우선 다이아몬드를 퇴적시킬 수 있는 면을 갖는 기재를 준비한 다음, 당해 면위에 도우핑을 실시하면서 기상 합성에 따라 다이아몬드를 퇴적시킨다. 이어서, 도우핑에 따른 불순물의 공급을 억제하여 기상 합성에 의해 다시 다이아몬드를 퇴적시킨다. 이어서, 퇴적된 다이아몬드를
선단부로 하여 공구 기본체에 납땜한 다음, 연마가공함으로써 평탄한 선단면을 형성시킨다.
본 발명의 또 다른 국면에 따라, 불순물이 첨가된 기상 합성 다이아몬드로 이루어진 선단부를 갖는 본딩 툴을 제조하기 위한 방법이 제공된다. 본 방법에서는 우선 다이아몬드를 퇴적 시킬 수 있는 경면가공된 면을 갖는 기재를 준비한다. 이어서, 당해 면 위에 도우핑을 실시하면서 기상 합성에 따라 다이아몬드를 퇴적시킨 다음, 기재를 분리 또는 제거하여 다이아몬드 재료를 수득한다 이어서, 다이아몬드 재료에서 기재에 접촉된 면의 쪽을 선단면으로 하여 다이아몬드 재료를 공구 기본체에 납땜한다. 본 방법에서는 도우핑으로 기상 합성을 개시하고 나서 소정 기간의 불순물 공급량이 이후의 불순물 공급량보다도 적게 한다.
본 발명의 또 다른 국면에 따라, 본딩 툴은 공구 기본체를 부분적으로 코팅하는 동시에 기상 합성된 다이아몬드 및 열팽창계수가 다이아몬드보다도 기본체에 가까운 금속 및 세라믹 중의 적어도 하나로 이루어진 본딩 선단부를 구비하고, 여기에서 본딩 선단부는 본딩용 선단면을 형성하는 부분과 기본체에 대한 밀착에 관여하는 부분간의 다이아몬드 함량이 상이하며 선단면을 형성하는 부분은 다결정 다이아몬드로 이루어지고 동시에 기본체와의 밀착에 관여하는 부분은 다이아몬드의 함유량이 감소되고 또한 금속 및 세라믹 중의 적어도 하나의 함유량이 증가한다.
이러한 공구의 선단부를 구성하는 코팅에서, 선단면을 구성하는 부분은 내열성, 내마모성 및 내결손성이 우수한 반면, 선단면을 지지하는 동시에 공구 기본체에 대한 밀착에 관여하는 부분은 금속 또는 세라믹 첨가용으로 다이아몬드보다도 기본체에 강력하게 밀착시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 국면에 따라, 기상 합성된 다이아몬드와 금속 또는 세라믹이 혼합된 선단부를 갖는 본딩 툴을 제조하기 위한 방법이 제공된다. 이러한 방법에서 우선 코팅해야할 면을 갖는 공구 기본체를 준비한 다음, 상기한 면 위에 열팽창계수가 다이아몬드보다도 기본체의 것에 가까운 금속 및 세라믹 중의 적어도 하나의 분말을 공급하면서 기상 합성에 따라 다이아몬드를 퇴적시킨다. 이어서, 금속 및 세라믹의 공급을 정지시켜 기상 합성에 따른 다이아몬드의 퇴적만을 속행시킨다. 일련의 기상 합성단계에 따라 본딩 선단부로서 코팅된 툴을 제조할 수 있다.
본 발명에서 다이아몬드는 각종 기상법에 따라 합성시킬 수 있다. 예를 들면, 기상법은 열전자 방사나 플라즈마 방전을 이용하여 원료 가스를 분해 및 여기시키는 CVD 및 연소 불꽃을 사용한 CVD 등을 포함시킬 수 있다. CVD에 사용되는 원료 가스로는, 예를 들면, 메탄, 에탄, 프로판 등의 탄화수소, 메탄올, 에탄올 등의 알콜 또는 에스테르 등의 유기 탄소 화합물 및 수소를 주성분으로 하여 혼합된 가스를 사용할 수 있다. 이들 이외에 아르곤 등의 불활성 가스나 산소, 일산화탄소, 물 등이 다이아몬드의 합성반응이나 이의 특성을 저해하지 않는 범위에서 원료 중에 함유될 수 있다.
(111) 다이아몬드 결정면으로 주로 구성된 선단면을 갖는 본딩 툴에서 선단면으로부터 약 10㎛ 이상의 깊이까지의 다이아몬드는 선단면에 거의 평행으로 배향된 (111)면을 주요면으로 갖는 것이 바람직하다. 선단면 및 이의 부근(예: 선단면으로부터 약10㎛의 깊이까지)에서 (111)면 이외의 결정면의 혼입은 가능한 한 억제하는 것이 바람직하다. 예를 들면, X선 해석에 따른 (111)면의 강도를 100으로 할 때, (220)면, (311)면, (400)면 및 (331)면의 강도는 각각 약 80 이하가 바람직하며, 약 10 이하가 보다 바람직하다(예: 2θ-θ법에 따라 CuKα1을 사용하는 경우에는, λ는 1.54050Å이다). 또한, 선단면을 구성하는 기상 합성 다이아몬드에서 (111)면의 배향성 지표로서 선단면에서 X선을 입사시켜 수득되는 (111)면의 로킹 커브의 FWHM값(Full Width at Half Maximum Intensity)이 약 20°이내인 것이 보다 바람직하다. 또한, (220)면의 로킹 커브의 FWHM은 약 20°이상인 것이 바람직하다. 상기의 특징을 갖는 본딩 툴에서 선단면은 연마가공되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 선단면에서 표면 조도 Rmax는 약 0.1㎛이하로 하는 것이 바람직하다. 다이아몬드 중에서 경도가 가장 높은 (111)면으로 주로 구성된 선단면은 종래의 (100)면 및 (110)면보다도 마모되기 어려우므로 이러한 툴은 종래보다 내마모성이 우수하다. 또한, 선단부를 형성하는 다이아몬드의 두께는 약 5㎛ 내지 3㎜이며, 바람직하게는 약 5 내지 300㎛로 할 수 있다.
(111)면은 연마하기 어려우므로 (111)면으로 이루어진 실용적으로 평탄한 선단면을 수득하기 위해서는 상당히 연구할 필요가 있다. (111)면으로 주로 구성된 선단면을 갖는 실용적인 툴은 본 발명에 따른 두 가지 방법에 따라 처음으로 실현시킬 수 있었다.
하나의 방법으로는 우선 다이아몬드를 퇴적시킬 수 있는 면을 갖는 기재를 준비한다. 기재로는, 예를 들면, Si3N4를 주성분으로 하는 소결체, SiC를 주성분으로 하는 소결체, AlN을 주성분으로 하는 소결체 및 Si와 이들의 복합체로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 재료가 바람직하게 사용된다. 이와 같은 기재는 다이아몬드와의 밀착성에 있어서 특히 우수하다. 이어서, 기재면에 대해 평행으로 (111)면이 배향되도록 기상 합성함으로써 기재면 위에 다이아몬드가 퇴적된다. (111)면은 상기한 CVD에서 통상적으로 카본 농도를 낮춤으로써(예: 수소 가스에 대해) 형성시킬 수 있다. 퇴적된 다이아몬드의 두께는 약 5㎛ 내지 3㎜이며, 바람직하게는 약 5 내지 300㎛로 할 수 있다. 이어서, 기상 합성된 다이아몬드 위에 (111)면보다 경도가 낮은 결정면이 배향되도록 다이아몬드 층을 다시 퇴적시킨다.
(111)면보다 경도가 낮은 결정면은 상기한 바와 같은 CVD에서 통상적으로 카본 농도를 상승시킴으로써(예: 수소 가스에 대해) 형성시킬 수 있다. 경도가 낮은 결정면은, 예를 들면, (220)면이 바람직하다. 경도가 낮은 다이아몬드는, 예를 들면, 약 50㎛ 이하, 바람직하게는 약 10㎛ 정도의 두께로 형성된다. 이어서, 다이아몬드가 퇴적된 기재를 공구 기본체에 납땜한다. 납땜은 주기율표의 IVa족, IVb족, Va족, Vb족, VIa족, VIb족, VIIa족 및 VIIb족에 함유된 금속 및 이들 화합물 중의 하나로 이루어진 금속화 층을 통하여 실시하는 것이 바람직하다. 이어서, 경도가 낮은 다이아몬드 층은 경면연마에 의해 제거하여 (111)면을 노출시킨다. 연마로써 수득된 선단면의 면 조도는, 예를 들면, Rmax약 0.1㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 경면 연마 후에 수득된 선단면 및 이의 부근(예: 선단면으로부터 약 10㎛의 깊이까지)에서 (111)면 이외의 결정면의 혼입은 가능한 한 억제하는 것이 바람직하다. 예를 들면, X선 해석에 따른 (111)면의 강도를 100으로 하는 경우, (220)면, (311)면, (400)면 및 (331)면의 강도는 각각 약 80 이하가 바람직하며, 약 10 이하가 보다 바람직하다. 경도가 낮은 다이아몬드 층을 제거하여 (111)면을 노출시키면 평탄도가 높으며 또한 (111)면으로 주로 구성되는 선단면을 제공할 수 있다.
또 하나의 방법으로는 우선 다이아몬드를 퇴적시킬 수 있는 경면가공된 면을 갖는 기재를 준비한다. 기재의 표면은 약 10㎛ 이하의 면 조도, Rmax, 바람직하게는 약 0.2㎛ 이하의 Rmax를 갖도록 바람직하게 경면가공한다. 기재에는, 예를 들면, Si 및 Mo 등이 바람직하게 사용된다. 이어서, 다이아몬드가 퇴적된 기재를 분리 또는 제거하여 다이아몬드 재료를 수득한다. Si 또는 Mo로 이루어진 기재는 기계가공 또는 화학적 처리로써 기재 위에 퇴적된 다이아몬드로부터 분리 또는 제거할 수 있다. 수득된 다이아몬드 재료는 공구 기본체에 납땜시킨다. 납땜할 때에 기재와 접촉된 다이아몬드 면측, 즉 결정 성장 개시면 측을 선단면측으로 한다. 따라서, 이의 면측과 대향하는 면측, 즉 결정 성장의 종료면 측이 통상적으로 납땜면으로 된다. 납땜면에는 상기한 바와 같은 금속화 층이 납땜에 앞서 형성되는 것이 바람직하다. 납땜은 금속화 층을 통하여 효과적으로 실시할 수 있다. 이러한 방법에서는 기재를 분리 또는 제거하여 수득된 다이아몬드 재료에서 기재와 접촉된 면은 경면으로 된다. 이러한 면은 연마 가공을 할 필요가 없으며, 필요가 있어도 간단한 연마가공으로 충분하다. 또한, 기재면과 평행하게 (111)면이 배향되도록 기상 합성을 실시하므로 다이아몬드 재료에서 기재와 접촉된 면은 거의 (111)면으로 점유되어 있다. 따라서, 기재와 접촉된 면이 선단면으로 되도록 다이아몬드 재료를 기본체로 납땜하면 종래보다 내마모성이 우수한 툴을 수득할 수 있다. 상기 한 두 가지 방법에 따르면, 평탄한 동시에 (111)면으로 주로 구성된 선단면을 구비한 실용적인 본딩 툴을 제공할 수 있다.
무정형 카본, 흑연 또는 광택 카본 등의 비다이아몬드 성분을 선단부에 함유시킨 본딩 툴에서, 비다이아몬드 성분의 함유량은, 예를 들면, 라만 분광분석에 따라 하기와 같이 평가할 수 있다. 제3도를 참조하여 라만 분광분석에 따라 제 3 도에 도시한 라만 스펙트럼이 수득된다고 한다. 이러한 스펙트럼에서 피크 A는 (약 1332㎝-1 전후에 나타난다) 다이아몬드에 따른 것이며 피크 B는 비다이아몬드 성분(예: 무정형 카본)에 따른 것이다. 우선, 이와 같은 스펙트럼에 대해 백그라운드선 L을 긋는다. 다음에 백그라운드선 L을 기준으로 하여 피크 B에 의한 극소점 Q를 결정한다. 그리고, 점 Q로부터 피크 A의 완만한 경사(1050 내지 1150㎝-1) 부근에 접선 M을 긋는다. 이어서, 다이아몬드의 피크 A로부터 X축에 내린 수선 AA'와 접선 M과의 교점을 C라 하면, A와 C 사이의 거리(m)가 다이아몬드의 피크 강도(Id)로 된다. 한편, 비다이아몬드 성분의 피크 B로부터 X축에 내린 수선 BB'와 접선 L과의 교점을 D라 하면, B와 D 사이의 거리(ℓ)가 비다이아몬드 성분의 피크 강도(Ii)로 된다. 이러한 거리 ℓ,m으로 나타낸 피크 강도 Ii와 Id의 비 Ii/Id로써 비다이아몬드 성분의 함유량을 상대적으로 평가할 수 있다. 즉, Ii/Id가 보다 작으면 비다이아몬드 성분이 적어지고 순도가 높은 다이아몬드로 된다. Ii/Id가 커질수록 비다이아몬드 성분이 많으며 순도가 낮은 다이아몬드로 된다. 따라서, 본 발명에 따른 본딩 툴은 선단면을 구성하는 기상 합성 다이아몬드의 Ii/Id가 여기에 계속해서 형성되는 다이아몬드의 Ii/Id 보다도 작아지도록 기상 합성 다이아몬드를 구성시킨다. 본 발명에서 선단면을 구성하는 기상 합성 다이아몬드의 Ii/Id는, 예를 들면, 약 0.6 미만이 양호하며 약 0.2 미만이 보다 바람직 하다. 한편, 여기에 연결되는 공구 기본체측의 다이아몬드는 비다이아몬드 성분을 전자보다 많이 함유하고 Ii/Id가 전자보다 커다란 값인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서 비다이아몬드 성분의 함유량은 라만 분광분석에서 다이아몬드 피크의 FWHM(Full Width at Half Maximum)으로써 평가할 수 있다. 일반적으로, 다이아몬드의 순도가 높은 결정이 완전할수록 피크는 높아지고 FWHM은 작아지다. 본 발명에 따른 본딩 툴은 선단면을 구성하는 기상 합성 다이아몬드의 FWHM이 여기에 계속해서 형성되는 다이아몬드의 FWHM보다도 작아지도록 구성시킨다. 라만 분광분석에서 선단면을 구성하는 기상 합성 다이아몬드의 FWHM은, 예를 들면, 약 10㎝-1미만이 바람직하다. 한편, 여기에 계속된 비다이아몬드 성분을 많이 함유하는 기상 합성 다이아몬드의 FWHM은 전자보다 큰 값이 바람직하다. 이러한 툴에서 선단면을 형성하는 순도가 높은 다이아몬드의 두께는, 예를 들면, 다이아몬드 전체 두께의 약 5% 내지 80%로 하는 것이 바람직하다. 한편, 순도가 높은 다이아몬드에 연속하여 설치되고 비다이아몬드 성분을 함유하는 기상 합성 다이아몬드의 두께는, 예를 들면, 다이아몬드 전체 두께의 약 20% 내지 95%로 하는 것이 바람직하다. 다이아몬드 전체의 두께는, 예를 들면, 약 5 내지 3000㎛로 할 수 있다. 이러한 툴에서 기상 합성 다이아몬드는, 예를 들면, Si3N4, SiC 또는 AlN을 주성분으로 하는 소결체 또는 Si로 이루어진 기재 위에 형성시킬 수 있다. 다이아몬드가 퇴적된 기재는 공구 기본체에 납땜시킨다. 납땜은 상기한 금속화 층을 통하여 효과적으로 실시할 수 있다. 한편, 순도가 높은 기상 합성 다이아몬드와 비다이아몬드 성분을 함유하는 기상 합성 다이아몬드로 이루어진 선단부 재료를 공구 기본체에 직접 납땜시킬 수 있다. 납땜은 선단부 재료에 형성 금속화 층을 통하여 효과적으로 실시할 수 있다. 이러한 본딩 툴에서 본딩 선단면은 연마가공시키는 것이 바람직하다. 선단면의 표면 조도 Rmax는, 예를 들면, 약 0.1㎛ 이하가 바람직하다. 종래에 본딩 툴에 사용되던 순도가 높은 기상 합성 다이아몬드는 강성이 높은 반면, 인성에 대해서는 반드시 우수하다고 할 수 없다. 즉, 전체에 걸쳐 균일한 조건으로 합성된 순도가 높은 기상 합성 다이아몬드는 외력에 대해 비교적 결손되기 쉽다. 이러한 본딩 툴은 이와 같은 결점을 보충하기 위해 창출된 것이다. 이러한 툴에서 비다이아몬드 성분을 선단면보다 많이 함유하는 기상 합성 다이아몬드는 선단면을 구성하는 다이아몬드 보다도 점도가 강하며 인성이 보다 높다. 이러한 인성이 높은 기상 합성 다이아몬드에 의해 선단면이 지지되므로 선단면의 다이아몬드는 인성이 보강되며 결손되기 어려워진다. 이와 같은 구조는 선단면을 구성하는 비교적 순도가 높은 다이아몬드의 높은 강성을 유지하면서 인성을 보강시킨다. 따라서, 본딩 툴의 선단부는 내마모성이 우수할 뿐만 아니라 결손되기 어렵다.
도우핑에 따라 선단부가 전기전도성을 갖는 본딩 툴의 경우는, 불순물로는, 예를 들면, B, Al, P, Sb, Si, Li, S, Se, Cl, N, W, Ta, Re 또는 Cr 등을 사용할 수 있다. 다이아몬드의 기상 합성에서 원료 가스 속에 불순물 가스 또는 불순물을 함유하는 가스를 적당량 첨가함으로써 도우핑된 기상 합성 다이아몬드를 형성시킬 수 있다. 또한, 공지된 확산법이나 이온 주입을 이용하여 미리 증착된 다이아몬드에 불순물을 첨가시킬 수 있다. 불순물이 첨가된 다결정 다이아몬드는 첨가된 불순물의 종류에 따라 전기전도성의 정도는 상이하지만 동일한 불순물에서는 함유량이 많을수록 전기전도성도 높아진다. 단, 이러한 툴에서 전기전도성을 갖는 다결정 다이아몬드의 바람직한 비저항율은 10-5내지 105Ω·㎝의 범위이고 10-3내지 103Ω·㎝의 범위가 보다 바람직하다. 비저항율이 105Ω·㎝보다도 크면, 직접 전기를 통하여 소정의 온도까지 저항 가열시키는 것이 곤란해진다. 비저항율이 10-5Ω·㎝보다 작은 경우에는 전기 통과가 간단한 반면, 다이아몬드의 강도가 저하된다. 불순물에 관해서는 다이아몬드가 3.56672Å의 격자 정수에서 원자간 거리가 대단히 짧으므로 원자 반경이 작은 것이 바람직하다. 금속 원소는 다결정 다이아몬드의 내마모성이나 실용상의 평탄도에 크게 영향을 미친다. 금속 원소는 원자 반경이 큰 것이 많으므로 다이아몬드의 격자 사이 또는 치환형으로 해서는 들어가기 어려우며 다이아몬드의 입자 경계에 편석되어 결정성을 저하시킨다. 따라서, 금속 원소의 첨가량은 적은 편이 바람직하다. 상기한 관점에서 불순물로서 보론(B)이 특히 바람직하다.
다결정 다이아몬드의 탄소에 대한 불순물의 농도는 불순물의 종류에 따라 상이하지만, 다결정 다이아몬드의 결정성을 유지시킨 그대로 우수한 내마모성 및 평탄도를 구비하는 선단면을 형성시킬 수 있는 동시에 전기 통과에 따라 가열될 수 있는 정도의 전기전도성을 부여할 수 있는 범위로 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 붕소를 불순물로서 사용하는 경우, 탄소에 대한 붕소의 농도는 약 0.1 내지 50000ppm의 범위가 바람직하다. 약 0.1ppm 미만에서는 비저항율이 너무 높아서 전기 통과에 따른 가열을 할 수 없게 된다. 약 50000ppm을 초과하면 다이아몬드의 결정성이 약화되며 저압 기상 합성에서 흑연이나 무정형 카본 등이 동시에 석출된다. 이러한 툴에서 선단면을 형성하는 동시에 불순물 농도가 낮은 부분의 두께는, 예를 들면, 다이아몬드 전체 두께의 약 2 내지 80%가 바람직하며, 약 5 내지 30%가 보다 바람직하다. 다른 부분보다도 불순물 농도가 낮은 부분은 불순물을 전혀 함유하지 않는 상태일 수 있다. 또한, 불순물의 농도 분포는 다이아몬드의 단면에서 연속적으로 변화될 수 있거나 단계적으로 변화시킬 수 있다. 불순물 농도를 연속적으로 변화시키는 경우, 불순물의 농도는 선단면을 0으로 하여 선단면에서 멀수록 증가시킬 수 있다. 툴의 선단면은 보다 평탄한 것이 바람직하며 선단면의 면 조도에 관해서, 예를 들면, Rmax를 약 0.1㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 선단부를 구성하는 다이아몬드는 두께가 약 5 내지 3000㎛일 수 있다. 불순물이 첨가된 다결정 다이아몬드는 전기를 통과시킴으로써 발열시킬 수 있다. 선단부의 다이아몬드는 이의 두께가 10㎛ 내지 수백 ㎛ 정도이며 열용량이 작고 또한 10W/cm·℃ 이상으로 열전도율이 크다. 따라서, 다이아몬드로 구성된 선단부만을 전기 통과시킴으로써 발열시키면 선단면을 종래보다 짧은 시간에 소정의 온도까지 상승시킬 수 있다. 한편, 전기 통과를 정지시키면 다이아몬드의 온도를 신속하게 낮출 수 있다. 선단부가 전기전도성을 갖는 다이아몬드로 이루어진 본딩 툴은 전기 통과에 대한 열응답성이 우수하며 종래보다 짧은 시간으로 작동면을 가열/냉각시킬 수 있다. 이러한 툴은 펄스 가열형에서 종래보다 1회의 본딩에 요하는 시간을 단축시킬 수 있으며 본딩의 생산 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 이러한 툴은 선단면을 구성하는 부분의 불순물 농도가 다른 부분보다 낮게 억제된다. 따라서, 선단면을 형성하는 부분의 강도는 높으며 내마모성이 우수하다. 또한, 불순물 농도를 낮게 억제함으로써 선단면의 고온에서의 평탄도도 유지된다. 또한, 선단면은 기타 부분보다도 전기전도성이 낮으며 전기를 통과시킴으로써 당해 부분을 직접 발열시키는 것이 곤란해지지만, 다이아몬드의 열전도율은 높기 때문에 불순물 농도가 높은 부분의 발열에 의해 우수한 열응답성으로써 선단면의 온도를 제어시킬 수 있다. 이러한 툴은 열응답성이 우수한 동시에 선단면의 강도 및 평탄도가 높으며 내구성이 우수하다.
하기의 두 가지 방법에 따라, 전기전도성의 선단을 갖는 본딩 툴을 제조할 수 있다. 한 가지 방법으로는 우선 다이아몬드를 퇴적시킬 수 있는 면을 갖는 기재를 준비한다. 기재에는 Si3N4, SiC 또는 AlN을 주성분으로 하는 소결체 및 Si 또는 이들의 복합체로 이루어진 재료가 바람직하게 사용된다. 이와 같은 재료는 특히 다이아몬드에 대해 밀착성이 우수하다. 다음에 기재면 위에 도우핑을 실시하면서 기상 합성에 따라 다이아몬드를 퇴적시킨 다음, 도우핑할 때에 불순물의 공급을 억제하여 기상 합성시킴으로써 다이아몬드를 다시 퇴적시킨다. 최종적으로, 다이아몬드는 예를 들면, 약 5 내지 500㎛의 두께로 퇴적된다. 불순물로서 상기한 각종 원소를 사용할 수 있으며, 특히 붕소를 바람직하게 사용할 수 있다. 상기한 CVD에서 원료 가스 속에 불순물을 적당량 첨가함으로써 다이아몬드 속에 도우핑을 실시할 수 있다. 또한, 공지된 확산법이나 이온 주입을 사용하여 미리 퇴적된 다이아몬드에 불순물을 첨가할 수 있다. 또한, 공지된 확산법이나 이온 주입을 사용하여 미리 퇴적된 다이아몬드에 불순물을 첨가할 수 있다. 첨가된 불순물의 양은 연속적으로 감소시킬 수 있으며 단계적으로 감소시켜도 좋다. 이어서, 도우핑된 다이아몬드를 갖는 기재는 공구 기본체에 납땜된다. 이어서, 선단면을 연마가공함으로써 평탄하게 되면 상기한 바와 같이 펄스 가열형에 적합한 본딩 툴을 수득할 수 있다. 연마가공함으로써 수득된 선단면의 면 조도는 Rmax를 약 0.1㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
또 다른 하나의 방법에서는 우선 다이아몬드를 퇴적시킬 수 있는 경면가공된 면을 갖는 기재를 준비한다. 기재로는 Si 및 Mo 등이 바람직하게 사용된다. 기재의 표면은 면 조도 Rmax에 대해 약 1㎛ 이하, 바람직하게는 약 0.2㎛ 이하가 되도록 경면가공할 수 있다. 다음에, 기재면 위에 도우핑을 실시하면서 기상 합성에 따라 다이아몬드를 퇴적시킨다. 다이아몬드는, 예를 들면, 약 200 내지 3000㎛의 두께로 퇴적시킨다. 도우핑에서 기상 합성을 개시하고 나서 소정 기간의 불순물 공급량은 그 이후에 불순물 공급량보다 적게 한다. 기상 합성을 종료시킨 다음, 기재를 분리 또는 제거하여 다이아몬드 재료를 수득한다. 이어서, 다이아몬드 재료로 기재에 접촉된 면측을 선단면으로 하여 다이아몬드 재료를 공구 기본체에 납땜 한다. 납땜할 때에 기재와 접촉된 다이아몬드 면측, 즉 결정 개시면측이 선단면측으로 된다. 따라서, 이러한 면측과 대향하는 면측, 즉 결정 성장의 종료면측이 통상적으로 납땜 면으로 된다. 납땜 면에는 상기한 바와 같은 금속화 층이 납땜에 앞서 형성되는 것이 바람직하다. 납땜은 금속화 층을 통하여 효과적으로 실시할 수 있다. 이러한 방법에서는 경면 가공된 기재 위에 다이아몬드를 퇴적시키기 위해 기재를 분리 또는 제거하여 수득된 다이아몬드 재료는 기재와 접촉된 측에 경면을 갖는다. 이러한 면은 연마가공을 실시할 필요가 없거나, 필요해도 간단한 연마가공으로 충분하다. 또한, 기상 합성에서 초기의 불순물 첨가량은 그 이후의 첨가량보다 적게 억제되므로 다이아몬드 재료에서 기재와 접촉된 면을 구성하는 부분은 상기한 바와 같이 강도가 강하며 내마모성이 우수하다. 이러한 면이 선단면으로 되도록 다이아몬드 재료를 기본체에 납땜하면 열응답성이 우수하고 내마모성 및 평탄도가 우수한 선단면을 갖는 툴을 제공할 수 있다.
공구 기본체와의 밀착성이 높아진 코팅을 갖는 본팅 툴에 있어서, 코팅에 함유되는 금속으로서는, 예를 들면, Mo, W, Cr, Co, Ni 또는 Fe 등을 사용할 수 있으며, 세라믹으로서는, 예를 들면, SiC, Si3N4, WC 또는 BN 등을 사용할 수 있다. 공구 기본체와의 밀착에 관여하는 부분에 함유되는 재료는 금속 및 세라믹 중에서 다이아몬드와의 밀착성과 공구 기본체와의 밀착성 및 열팽창계수를 고려하여 적당한 것이 선택되거나 또는 조합되는 것이 바람직하다. 기상 합성 다이아몬드와의 밀착성에 관해서는 SiC, Si3N4, WC, BN, Mo 및 W가 보다 바람직하며, 다이아몬드와의 밀착성은 SiC, Si3N4, WC, BN, Mo, W의 순으로 우수하다. 한편, 공구 기본체와의 밀착성에 관하여는 Mo, W, Cr, Co, Ni 및 Fe가 보다 바람직하다. 이상과 같은 점에 입각하여, 예를 들면, 코팅에 있어서 공구 기본체에 더 가까운 부분에는 공구재료와의 밀착성이 우수한 Mo, W, Cr, Co, Ni 또는 Fe를 많이 함유시키는 한편, 코팅에 있어서 다이아몬드를 더 많이 함유하는 부분과 접촉하는 부분에는 SiC, Si3N4, WC, BN, Mo 또는 W를 많이 존재시킬 수 있다. 이 공구에 있어서, 기상 합성 다이아몬드를 함유하는 코팅의 두께는, 예를 들면, 약 5 내지 10000㎛로 할 수 있으며, 약 200 내지 1000㎛가 보다 바람직하다. 코팅에 있어서 기상 합성 다이아몬드로 이루어지며, 또한 툴 선단면을 형성하는 부분의 두께는 코팅 전체 두께의 약 5 내지 95%로 할 수 있으며 20% 내지 60%가 보다 바람직하다. 한편, 공구 기본체와의 밀착에 관여하는 동시에 금속 또는 세라믹을 함유하는 부분의 두께는 코팅 전체 두께의 약 5 내지 95%가 바람직하고, 약 40 내지 80%가 보다 바람직하다. 코팅은, 예를 들면 약 20%의 체적율의 금속 또는 세라믹을 함유할 수 있다.
기상 합성 다이아몬드 및 금속 또는 세라믹을 함유하는 코팅을 선단부로 갖는 본팅 툴은 다음과 같이 제조할 수 있다. 우선 코팅할 면을 갖는 공구 기본체를 준비한다. 공구 기본체를 구성하는 재료로서는, 예를 들면 Mo, W, Fe-Ni 합금(예: 인바), Fe-Ni-Co 합금(예: 슈퍼 인바), Fe-Co-Cr 합금(예: 스텐레스 인바), Fe-Pt 합금, Fe-Pd합금, 코발(Ni 29%, Co 17%, Fe 잔부), Cu-W 합금, WC-Co 합금, WC-TiC-Co 합금, W-Ni 합금 및 스텐레스 강 등을 사용할 수 있다. 다음에 공구 기본체의 면 위에 열팽창계수가 다이아몬드보다 공구 기본체의 것에 가까운 금속 및 세라믹 중의 적어도 어느 하나의 분말을 공급하면서 기상 합성으로 다이아몬드를 퇴적시킨다. 금속 또는 세라믹 분말은 입자 직경이 약 0.1 내지 300㎛일 수 있으며, 바람직하게는 약 0.2 내지 60㎛일 수 있다. 이러한 분말은 다이아몬드의 기상 합성에 사용하는 원료 가스의 흐름에 공급함으로써 공구 기본체 위에 다이아몬드와 함께 밀착시킬 수 있다. 이러한 경우에 분말은 일단 완전히 용융될 수 있으며 반용융되어도 양호하고 또한 전혀 용융되지 않아도 된다. 분말상태는 기상합성에서의 고온 플라즈마 제트가 온도 분포를 갖고 있으므로 온도 분포의 어느 위치에 분말을 공급하는가에 따라 쉽게 조절할 수 있다. 또한, 분말의 크기에 따라 열 용량이 다르므로 크기를 변경함으로써 마찬가지로 제어할 수 있다. 분말을 공급하면서 실시하는 다이아몬드 피막 형성은, 예를 들면, 공지된 CVD에 따라 실시할 수 있으나, 고온 플라즈마 CVD를 사용한 용융분사공정에 따라 실시하는 것이 보다 바람직하다. 이러한 공정에 따라, 금속 또는 세라믹과 다이아몬드가 혼재하는 층이 형성된다. 이러한 층은 공구 기본체와의 밀착성이 우수하고, 또한 다이아몬드와 공구 기본체와의 열팽창계수의 차이를 완화시킨다. 분말이 용융되지 않는 조건으로 분말을 공급하는 경우에는 분말 입자를 핵으로 하여 다이아몬드를 성장시킬 수도 있다. 이러한 경우에 다이아몬드와 분말과의 혼합층에 있어서 다이아몬드가 바인더가 되어 양자의 밀착성도 대단히 양호하다. 이어서, 금속 및 세라믹의 공급을 정지하고 다이아몬드만을 증착한다. 적당한 두께로 다이아몬드가 퇴적된 다음, 코팅의 형성이 완료된다. 다이아몬드로 이루어진 부분은 내열성, 내마모성 및 내결손성이 우수한 선단면을 형성할 수 있다. 상술한 일련의 공정으로 복합층과 다이아몬드층이 일체가 된 코팅을 형성할 수 있다. 코팅은 공구 기본체에 강하게 밀착됨과 동시에 우수한 내구성을 갖는다. 상기한 공정은 공구 기본체의 곡면 위에 코팅을 강하게 밀착시킨 툴을 형성시키는 경우에도 유용하다. 또한, 상기한 일련의 공정은 연속적으로 수행할 수 있다. 예를 들면, 공구 기본체를 CVD 장치에 세트한 다음, 다이아몬드를 퇴적시키면서 분말의 공급시간을 적당하게 설정하는 것만으로 본딩의 동작면을 구성하는 코팅을 공구 기본체에 강하게 밀착시킨 본딩 툴을 완성시킬 수 있다. 이러한 공정은 간단한 공정에서는 비용이 저렴하며 내구성이 우수한 본딩 툴을 제조할 수 있다.
다이아몬드와 금속 또는 세라믹을 함유하는 코팅에 있어서 선단면을 형성하는 부분은 기상 합성 다이아몬드로 이루어지며 내열성, 내마모성 및 내결손성이 우수하다. 이러한 부분은 금속 또는 세라믹과 다이아몬드가 혼재하는 부분을 통하여 공구 기본체에 접착된다. 혼합부분은 다이아몬드 단독보다 강하게 공구 기본체에 밀착된다. 또한, 혼합부분에 함유되는 기상 합성 다이아몬드는 선단면을 구성하는 다이아몬드와 일체적으로 형성되어 있다. 또한, 함유되는 금속 및 세라믹은 다이아몬드보다 공구 기본체에 가까운 열팽창계수를 가지므로 금속 또는 세라믹을 포함하며 공구 기본체와 밀착되는 부분은 사용할 때에 열팽창계수의 차이에 기인하여 발생되는 내부 응력이 종래의 다이아몬드 코팅 공구보다 작다. 금속 또는 세라믹을 함유하는 코팅 구조는 코팅의 박리를 방지하는 역할을 하고 있다. 또한, 금속 또는 세라믹을 함유하는 부분은 선단면을 구성하는 다이아몬드와 공구 기본체와의 열팽창계수의 차이를 완화시키는 역할도 하고 있다. 이러한 완화작용으로 인해 사용시에 반복되는 열 쇼크 때문에 코팅이 박리되거나 코팅에 균열이 발생되거나 하는 것이 방지된다. 또한, 금속 또는 세라믹을 함유하는 부분은 피막의 인성을 향상시킨다. 본팅 툴은 보다 우수한 내마모성 및 내결손성을 가지며 공구 기본체에 보다 튼튼하게 밀착된 피막을 갖고 있다. 이러한 공구는 종래의 다이아몬드 코팅 공구보다 우수한 내구성을 갖는다.
[실시예1]
한변이 20㎜이고 두께가 5㎜인 SiC 소결체로 이루어진 기재를 준비한다.
필라멘트에 직경이 0.5㎜이고 길이가 100㎜인 텅스텐 선을 사용한 공지의 열 필라멘트 CVD법에 의해 아래 조건으로 SiC 기재 위에 두께가 약 100㎛인 다이아몬드를 퇴적시킨다.
원료 가스(유량) : CH4/H2= 1%, 총 유량 1000cc/분
가스 압력 : 80 Torr
필라멘트 온도 : 2200℃
필라멘트와 기판 사이의 거리 : 5㎜
기판 온도 : 920℃
형서된 다이아몬드에 대하여 X선 분석을 실시한 결과, (111)면의 (220)면에 대한 피크 강도비[Ⅰ(111)/Ⅰ(220)]는 약 20이며 (111)면에 대하여 강한 배향성이 수득되었음을 알 수 있다. 또한, (111)면의 로킹 커브에서의 FWHM 값을 구한 결과, 약 6이다. 한편, (220)면의 로킹 커브에서의 FWHM값은 약 14이다.
게속하여 아래 조건에 따른 열 필라멘트 CVD를 실시하고, 형성된 다결정 다이아몬드 위에 다시 다이몬드 층을 약 40㎛의 두께로 퇴적시킨다.
원료가스(유량) : CH4/H2= 80%, 총 유량 1000cc/분
가스 압력 : 80Torr
필라멘트 온도 : 2400℃
필라멘트와 기판 사이의 거리 : 5㎜
기판 온도 : 920℃
박막 X선 분석 결과, 새롭게 형성된 다이아몬드 층의 Ⅰ(111)/Ⅰ(220)은 약 0.4이며 기재면과 거의 평행으로 (220)면이 배향되어 있음이 명백해진다.
이어서, 이렇게 하여 합성 조건이 상이한 다이아몬드를 2층 증착시킨 SiC 기재면에 그대로 Ti 및 Ni를 각각 약 2㎛씩 증착하여 금속화 층을 형성한 후에 이러한 금속화 층을 통하여 스텐레스제 쉥크에 은납을 사용하여 SiC 기재를 진공 납땜한다. 납땜 직후의 본딩 툴에 관하여 이의 주요부를 제 4a도에 도시한다. 본딩 툴(40)에서 스텐레스제 쉥크(41)위에는 납땜층(42), 금속화 층(43)을 통하여 SiC 기재(44)가 설치된다. 또한, 기재(44) 위에는 두께가 약 100㎛인 (111)면 배향 다이아몬드(45)와 두께가 약 40㎛인 (220)면 배향 다이아몬드 층(46)이 순차적으로 퇴적되어 있다. 이어서, 제 4a도에 도시된 (220)면 배향 다이아몬드 층(46)을 랩 처리로 제거한다. 이러한 경면가공에 의해 먼저 형성된 다이아몬드의 (111)면을 노출시킴과 동시에 면 조도 Rmax가 약 0.1㎛인 경면을 수득할 수 있다. 또한 수득된 선단면에 대해 X선 분석을 실시한 바, Ⅰ(111)/Ⅰ(220)은 약 15이며 선단면을 구성하는 주요 다이아몬드 결정면은 (111)면 이다. 이렇게 수득된 본딩 툴의 주요부를 제4b도에 도시한다. 본딩 툴(40)에서 쉥크(41)에 납땜처리된 SiC 기재(44) 위에는 (111)면 배향 다이아몬드(45)가 설치된다. 이러한 툴의 선단면(47)은 평탄하게 되어 있음과 동시에 이의 대부분이 (111)면으로 구성된다. 또한, 본딩 툴 전체의 형상은 제5도에 도시한 바와 같으며, 쉥크(41) 위에 SiC 기재(44)를 통해 기상 합성 다이아몬드(45)가 설치되어 있다. 상기한 바와 같이, 압착용 선단면(47)은 이의 대부분이 (111)면으로 구성된다. 이상과 같이 구성되는 본딩 툴의 내구성 시험을 본딩 장치에 실제로 장착하여 실시한 바, 200만회의 사용에 견딘다.
[실시예 2]
Rmax가 약 0.2㎛ 이하로 되도록 경면가공한 Si 기재를 사용하여 실시예 1과 같은 텅스텐 필라멘트를 사용한 열 필라멘트 CVD에 의해 아래의 조건으로 Si 경면 위에 두께가 약 40㎛인 다결정 다이아몬드를 형성시킨다.
원료가스(유량) : CH4/H2= 1%, O2/CH4 = 20%,
총 유량 1000cc/분
가스 압력 : 60 Torr
필라멘트 온도 : 2200℃
필라멘트와 기판 사이의 거리 : 7㎜
기판 온도 : 880℃
계속하여 아래 조건에 따른 열 필라멘트 CVD를 실시하고, 형성된 다결정 다이아몬드 위에 다시 다이아몬드를 약 310㎛의 두께로 퇴적시킨다.
원료가스(유량) : CH4/H2 = 12%, CO2/CH4= 10%,
총 유량 1000cc/분
가스 압력 : 120 Torr
필라멘트 온도 : 2400℃
필라멘트와 기판 사이의 거리 : 5㎜
기판 온도 : 920℃
최초에 형성된 다이아몬드의 X선 분석에서 Ⅰ(111)/Ⅰ(220)은 약 40이며 최초의 다이아몬드 형성에서는 기재면과 평행하게 (111)면이 강하게 배향되어 있음을 알 수 있다. 한편, 나중에 형성한 다이아몬드 층에서는 Ⅰ(111)/Ⅰ(220)은 약 0.01이며 기재면과 평행하게 (220)면이 강하게 배향되어 있음이 명백해진다.
다음에 이렇게 하여 합성 조건이 상이한 다이아몬드를 2층 증착시킨 Si 기재를 질화불소로 용해 제거하여 다이아몬드 재료를 수득한다. 수득된 다이아몬드 재료에 있어서, 결정 성장 종료면에 두께 약 1㎛로 Ti, 두께 약 2㎛로 Ni를 순차적으로 적층한 후에, 이러한 금속화 층이 형성된 면을 접합면으로 하여 스텐레스제 쉥크에 은납을 사용하여 다이아몬드 재료를 진공 납땜한다. 납땜 후에 수득된 선단면의 Rmax는 약 0.1㎛이다. 수득된 공구에 대하여 이의 주요부를 제6도에 도시한다. 본딩 툴(60)에 있어서, 스텐레스제 쉥크(61) 위에는 납땜층(62), 금속화 층(63)을 통하여 다이아몬드 재료(65)가 설치된다. 또한, 다이아몬드 재료(65)는 이의 선단면(67)으로부터 약 40㎛의 깊이까지의 부분 D1은 (111)면이 배합된 다이아몬드로 점유되며, 깊이 약 40㎛부터깊이 약 350㎛까지의 부분 D2는 (220)면이 배향된 다이아몬드로 점유된다. 이상과 같이 구성되는 본딩 툴의 내구성 시험을 본딩 장치에 실제 장착하여 실시한 바, 300만회의 사용에 견딘다.
[비교실시예 1]
한편, 실시예 1가 동일한 SiC 기재를 사용하여 상기한 열 필라멘트 CVD에 의해 아래 조건으로 기재 위에 두께가 약 100㎛인 다결정 다이아몬드를 형성시킨다.
원료가스(유량) : CH4/H2= 2.5%, 총 유량 1000cc/분
가스 압력 : 80Torr
필라멘트 온도 : 2100℃
필라멘트와 기판 사이의 거리 : 6㎜
기판 온도 : 900℃
계속하여, 아래 조건의 열 필라멘트 CVD를 실시하고, 형성된 다결정 다이아몬드 위에 다시 다이아몬드를 약 40㎛로 퇴적시킨다.
원료가스(유량) : CH4/H2= 3.5%
가스 압력 : 80 Torr
필라멘트 온도 : 2100℃
필라멘트와 기판 사이의 거리 : 6㎜
기판 온도 : 920℃
최초에 형성시킨 다이아몬드의 X선 분석에서 Ⅰ(111)/Ⅰ(220)은 약 0.10이며, 나중에 형성된 다이아몬드에서는 Ⅰ(111)/Ⅰ(220)은 약 0.05이다. 따라서, 형성된 다이아몬드는 모두(220)면이 강하게 배향되어 있다.
이렇게 하여 합성 조건이 상이한 다이아몬드를 2층 증착시킨 SiC 기재면에 두께 약 1㎛로 Ti를, 두께 약 2㎛로 Ni를 순차적으로 적층한 후에 이러한 금속화 층이 형성된 면을 접합면으로 하여 스텐레스제 쉥크에 은납을 사용하여 기재를 진공 납땜한다. 다음에 다이아몬드면을 더욱 연마가공하여 먼저 형성된 다이아몬드의 면을 내고 선단면의 면 조도 Rmax가 약 0.1㎛인 본딩 툴을 형성한다. 이상과 같이 구성되는 본딩 툴의 내구성 시험을 본딩장치에 실제로 장착하여 실시한 바, 5만회의 사용으로 압착면측 다이아몬드의 SiC 기재에 균열이 발생된다.
[실시예 3]
25mm □, 두께 5mm인 SiC 소결체로 이루어지는 기재를 준비한다.
열 전자 방사 재료에 직경 0.5mm, 길이 100mm인 연속 텅스텐 필라멘트를 사용한 공지의 열 필라멘트 CVD에 의해 아래 조건으로 SiC 기재 위에 두께가 약 200㎛인 다이아몬드를 퇴적시킨다.
원료가스(유량) : CH4/H2= 3%, 총 유량 2000cc/분
가스 압력 : 80 Torr
필라멘트 온도 : 2250℃
필라멘트와 기판 사이의 거리 : 5㎜
기판 온도 : 930℃
이렇게 수득된 기상 합성 다이아몬드에 대하여, 라만 분광분석으로 상술한 Ii/Id를 구한 다, 약 0.5이다. 또한, 다이아몬드의 피크에 대하여 FWHM은 약 14㎝-1이다.
이어서, 원료 가스의 조건만을 CH4/H2= 3%에서 CH4/H2= 0.5%로 바꾸고 연속적으로 이 다이아몬드 위에 두께가 약 50㎛인 다이아몬드를 증착시킨다. 라만 분광분석으로 새로이 증착시킨 다이아몬드의 Ii/Id룰 구한 바, 0.05이다. 또한, 다이아몬드의 피크에 대하여 FWHM은 약 5.5㎝-1이다.
이어서, 이와 같이 하여 합성 조건이 상이한 다이아몬드를 2층 증착시킨 SiC 기재면의 SiC측에 Ti 및 Ni를 각각 약 2㎛씩 증착하여 금속화 층을 형성한 후에 이러한 금속화 층을 통하여 스텐레스 층의 쉥크에 은납을 사용하여 SiC 기재를 진공 납땜한다.
이어서, 다이아몬드면을 다시 연마가공하여 면 조도 Rmax 0.1㎛인 본딩 툴을 제작한다. 이렇게 수득된 본딩 툴을 제7a도 및 제7b도에 도시한다. 제7a도에 도시한 바와 같이, 본딩 툴(70)에서 스텐레스제 쉥크(71) 위에는 납땜층(72), 금속화 층(73)을 통하여 SiC 기재(74)가 설치된다. 또한, 기재(74) 위에는 두께 약 200㎛인 조 다이아몬드 층(75a)과 두께가 약 50㎛인 고순도 다이아몬드 층(75b)이 순차적으로 퇴적되어 있다. 또한, 본딩 툴 전체의 형상은 제7b도에 도시한 바와 같으며, 쉥크(71) 위에 SiC 기재(74)를 통하여 기상 합성 다이아몬드(75)가 설치되어 있다. 상술한 바와 같이, 압착용 선단면(77)은 고순도 다이아몬드로 구성된다. 이상과 같이 구성되는 본딩 툴의 내구성 시험을 본딩 장치에 실제로 장착하여 실시한 바, 300만회의 사용에 견딘다.
[비교 실시예 2]
한편 실시예 3과 동일한 SiC 기재를 사용항 다음 조건으로 조성이 거의 균일한 두께 약 300㎛의 다이아몬드를 퇴적시킨다.
원료가스 : CH4/H2= 3%, 총 유량 1500cc/분
가스 압력 : 60 Torr
필라멘트 온도 : 2100℃
필라멘트와 기판 사이의 거리 : 5㎜
기판 온도 : 930℃
수득된 기상 합성 다이아몬드에 관하여 라만 분광 분석으로 구한 Ii/Id는 약 1.2이며 다이아몬드의 피크의 FWHM은 약 15.2cm-1이다.
이어서, 기재를 실시예 3과 동일하게 금속화 처리한 후에 스텐레스제 쉥크에 납땜하여 본딩 툴을 제작한다. 수득된 툴의 내구성 시험을 본딩 장치에 실제로 장착하여 실시한 바, 5만회 사용으로 압착면측의 다이아몬드와 SiC 기재에 균열이 발생된다.
[실시예 4]
Rmax 약 0.2㎛ 이하가 되도록 경면 가공한 25mm □, 두께 5mm인 Si 기재를 준비한다. 필라멘트에 직경이 0.5mm이고 길이가 100mm인 텅스텐을 사용한 공지의 열 필라멘트 CVD에 의해 아래의 조건으로 Si 경면 위에 두께가 약 50㎛인 다결정 다이아몬드를 퇴적시킨다.
원료가스 : CH4/H2= 0.8%, 총 유량 2000cc/분
가스 압력 : 80 Torr
필라멘트 온도 : 2200℃
필라멘트와 기판 사이의 거리 : 5㎜
기판 온도 : 920℃
이러한 조건으로 형성된 다이아몬드의 라만 분광분석에 의한 Ii/Id는 약 0.1이고 FWHM은 약 5.4cm-1이다.
다음에, 원료 가스의 조건만을 CH4/H2= 0.8%에서 CH4/H2= 3.4%로 바꾸고 계속하여 다이아몬드의 증착을 실시하여 두께가 약 200㎛인 다이아몬드를 퇴적시킨다. 새로이 퇴적시킨 다이아몬드의 Ii/Id는 약 0.34이고 FWHM은 약 12.8cm-1이다.
이후에, 불화질산으로 Si 재료를 용해 제거하여 다이아몬드 재료를 수득한다. 수득된 다이아몬드 재료로 기상 성장이 종료면 면에 Ti 및 Ni를 약 2㎛의 두께로 각각 증착시켜서 금속화 처리를 실시한 후에 이러한 금속화 층을 통하여 스텐레스제 쉥크제 다이아몬드 재료를 은납을 사용하여 진공 납땜한다. 다이아몬드 제료로 Si 기재에 접촉하고 있는 면은 툴의 선단면이 된다. 이렇게 수득된 본딩 툴을 제 8 도에 도시한다. 제 8 도에 도시한 바와 같이, 본딩 툴(80)에서 스텐레스제 쉥크(81) 위에는 납땜층(82), 금속화 층(83)을 통하여 다이아몬드 재료(85)가 설치된다. 또한, 다이아몬드 재료(85)는 선단면(87)을 구성하는 고순도 다이아몬드 층(85b)이 비다이아몬드 성분을 많이 함유하는 조 다이아몬드 층(85a)에 지지된 구조를 갖고 있다. 이상과 같이 구성되는 본딩 툴의 내구성 시험을 본딩 장치에 실제로 장착하여 실시한 바, 350만회의 사용에 견딘다.
[비교실시예 3]
한편, 실시예 4에서와 같은 Si 기재를 사용하여 다음 조건으로 조성이 거의 균일한 두께 약 400㎛의 다이아몬드를 퇴적시킨다.
원료가스 : CH4/H2= 2%, 총 유량 3000cc/분
가스 압력 : 50 Torr
필라멘트 온도 : 2200℃
필라멘트와 기판 사이의 거리 : 5㎜
기판 온도 : 930℃
수득된 기상 합성 다이아몬드에 대하여 라만 분광 분석으로 Ii/Id는 약 1.5이며 다이아몬드 피크의 FWHM은 약 18.2cm-1이다.
이어서, 기재를 실시예 4와 마찬가지로 불화질산으로 제거한 후에 다이아몬드 재료에 금속화 처리하고 스텐레스제 쉥크에 납땜하여 본딩 툴을 제작한다. 수득된 툴의 내구성 시험을 본딩 장치에 실제로 장착하여 실시한 바, 6만회의 사용으로 압착면측의 다이아몬드에 균열이 발생된다.
[실시예 5]
길이 25㎜, 폭 1.3㎜, 두께가 2㎜인 SiC 소결체로 이루어지는 기재를 준비한다.
필라멘트에 직경이 0.5㎜이고 길이가 100㎜인 텅스텐 선을 사용한 공지의 열 필라멘트 CVD법에 의해 아래 조건으로 SiC 기재 위에 두께 약 200㎛인 다이아몬드를 도우핑을 실시하면서 퇴적시켜 간다.
원료가스 : CH4/H2= 1.5%, 총 유량 1000sccm
가스 압력 : 80 Torr
불순물 가스 : B2H6
불순물 농도 범위 : B/C = 0 내지 700ppm
필라멘트 온도 : 2200℃
필라멘트와 기판 사이의 거리 : 5㎜
기판 온도 : 920℃
상기한 조건으로 불순물의 농도(원료 가스의 탄소에 대한 붕소의 농도)는 기상 합성 시작부터 종료 사이에 제9도에 도시한 바와 같이 700에서 Oppm까지 지수함수적으로 감소된다.
이어서, 이와같이 하여 불순물을 첨가하면서 다이아몬드를 증착시킨 SiC 기재 표면에 Ti 및 Ni를 각각 약 2㎛씩 증착하여 금속화 층을 형성화 후에 이러한 금속화 층을 통하여 Mo제 쉥크에 은납을 사용하여 SiC 기재를 진공 납땜한다. 이어서, 면 조도 Rmax 약 0.1㎛인 경면이 되도록 기상 합성한 다이아몬드의 표면을 랩 처리한다. 이렇게 수득된 본딩 툴의 주요부를 제10도에 도시한다. 본딩 툴(100)에 있어서, Mo제 쉥크(101) 위에는 납땜층(102), 금속화 층(103)을 통하여 SiC 기재(104)가 설치된다. 또한, 기재(104) 위에는 두께가 약 200㎛인 다이아몬드(105)가 퇴적되어 있다. 또한, 다이아몬드로 이루어진 선단면(107)은 면 조도 Rmax 약 0.1㎛인 경면으로 되어 있다. 한편, 다이아몬드(105)에서 탄소에 대한 붕소의 농도(B/C)는 제11도에 도시한 바와 같이 연속적으로 변화되어 있다. 도면에 나타낸 바와 같이, B/C는 선단면에서 Oppm이고 SiC 기재와의 접합부에서는 100ppm이다. B/C는 다이아몬드(105)에 있어서 0부터 100ppm에 이르기까지 지수함수적으로 증가하고 있다.
[실시예 6]
Rmax가 약 02.㎛ 이하가 되도록 경면가공한 Si 기재를 사용하여, 실시예 5와 같은 텅스텐 필라멘트를 사용한 열 필라멘트 CVD법에 의해 Si 경면 위에 두께가 약 230㎛인 다결정 다이아몬드를 도우핑을 실시하면서 형성시킨다. 형성조건은 아래와 같다.
원료가스 : CH4/H2= 1%, 총 유량 3000cc/분
가스 압력 : 80 Torr
불순물 가스 : B2H6
불순물 농도 범위 : 0 내지 1000ppm
필라멘트 온도 : 2180℃
필라멘트와 기판 사이의 거리 : 7㎜
기판 온도 : 860℃
상기한 조건에서 원료 가스 중에 첨가시키는 불순물 가스의 농도는 기상 합성으로부터 종료 사이에 제12도에 도시한 바와 같이 지수함수적으로 증가시킨다.
이어서, 다이아몬드를 증착시킨 Si 기재를 불화질산으로 용해 제거하여 다이아몬드 제료를 수득한다. 수득된 다이아몬드 재료에 있어서, 결정 성장의 종료면에 두께 약 1㎛로 Ti를, 두께 약 2㎛로 Ni를 순차적으로 적층한 후에 이러한 금속화 층이 형성된 면을 접합면으로 하여 인바 합금제 쉥크에 은납을 사용하여 상기한 다이아몬드 재료를 진공 납땜한다. 납땜 후에 수득된 선단면의 Rmax는 약 0.1㎛이다. 수득된 공구에 대하여 이의 주요부를 제13도에 도시한다. 본딩 툴(130)에서 인바 합금제 쉥크(131) 위에는 납땜층(132), 금속화 층(133)을 통하여 다이아몬드 재료(135)가 설치된다. 또한, 다이아몬드 재료(135)에서 이의 선단면(137)으로부터 접합면(138)에 이르기까지의 불순물 농도(B/C)의 분포는 제14도에 도시한 바와 같다.
[비교실시예 4]
실시예 5와 동일한 SiC 기재를 사용하여 상기한 열 필라멘트CVD에 의해 아래 조건으로 기재 위에 두께 약 200㎛인 다결정 다이아몬드를 도우핑하면서 형성시킨다.
원료가스 : CH4/H2= 2%, 총 유량 1000cc/분
가스 압력 : 60 Torr
불순물 가스 : B2H6
불순물 농도 범위 : 8000ppm
필라멘트 온도 : 2400℃
필라멘트와 기판 사이의 거리 : 10㎜
기판 온도 : 930℃
상기한 조건에서 불순물은 기상 합성의 개시부터 종료까지 일정량으로 첨가된다.
이와 같이 다이아몬드를 증착시킨 SiC 기재 표면에 두께 약 1㎛로 Ti를, 두께 약 2㎛으로 Ni를 순차적으로 적층한 후에, 이러한 금속화 층이 형성된 면을 접합면으로 하여 Mo제 쉥크에 은납을 사용하여 기재를 진공 납땜한다. 이어서, 다이아몬드 면을 연마가공하여 선단면의 Rmax가 약 0.1㎛인 본딩 툴을 제작한다. 이렇게 수득된 본딩 툴을 제 15도에 도시한다. 본딩 툴(150)에서 쉥크(151)위에는 납땜층(152), 금속화 층(153)을 통하여 SiC 기재(154)가 설치된다. 또한, 기재(154) 위에는 두께가 200㎛이고 전체에 걸쳐 균일한 농도로 붕소를 함유하는 다이아몬드(155)가 설치되어 있다.
[비교실시예 5]
한편, 상기 본딩 툴과 치수와 형상이 동일한 Mo로 이루어지는 본딩 툴을 준비한다. 실시예 5와 6 및 비교실시예 4에 있어서, 다이아몬드에 전기를 통과시켜 이의 선단면이 400℃에 도달할 때까지의 시간을 측정한다. 또한, 비교실시예 5에서는 Mo 쉥크에 전기를 통과시켜 선단면이 400℃에 도달할 때까지의 시간을 측정한다.
이어서, 실시예 및 비교실시예의 각 공구에 대하여 공냉에 의해 선단면이 420℃에서 200℃로 저하될 때까지의 시간을 구한다. 또한, 선단면을 420℃에 도달시키기 위하여 소정 시간 동안 전기를 통과시켜 발열시켰을 때의 선단면 온도의 변동성을 관찰한다. 상기한 결과를 표1에 기재한다. 또한, 선단면의 온도는 적외선 온도계를 사용하여 측정한다.
또한, 상기 실시에 및 비교실시예의 본딩 툴에 대하여 내구성 시험을 본딩 장치에 실제로 장착하여 실시한 바, 표2에 기재한 바와 같다. 내구성 시험에서 선단면의 온도는 420℃이고 압착시간은 0.2초이며 핀 수 1000개의 IC를 반복하여 본딩한다.
표 1 및 표 2의 결과로부터, 본 발명에 따른 본딩 툴은 종래의 본딩 툴에 비하여 열응답성이 양호하고, 또한 내구성이 우수함을 알 수 있다. 한편, 다이아몬드 내에 균일하게 붕소를 첨가한 비교실시예 4의 본딩 툴은 열응답성이 우수하지만 내마모성과 내구성이 떨어진다.
[실시예 7]
제16도는 본 발명의 본딩 툴을 제조함에 있어서 공구 기본체 위에 피막을 형성하기 위한 장치를 도시하고 있다.
도면을 참조하면서 본 발명에 따른 툴의 제조방법에 관해 아래에 설명한다.
제16도에 도시한 장치는 고온 플라즈마 CVD를 실시하기 위한 것이며, 배기구(165)에서 배기 가능한 진공 챔버(161) 속에 방전용 음극(162)과 양극(163)이 설치된다. 음극(162)과 양극(163) 사이에는 전원(164)으로 직류 전압이 인가된다.
다이아몬드 합성을 위한 원료 가스는 도면에서 화살표로 나타낸 것처럼 상기한 전극 사이를 통하여 공급되고 이러한 공급구(166)에서의 방전에 의해 분해 및 여기되어 플라즈마를 생성하도록 되어 있다. 또한, 이러한 플라즈마 생성으로부터 다이아몬드 형성에 이르는 일련의 조작에 있어서 진공 챔버(161) 속은 저압으로 되어 있다. 생성된 플라즈마는 이의 이동 방향으로 설치되고 홀더(167)에 세팅된 쉥크(168)의 면에 대하여 다이아몬드를 성장시킨다. 다이아몬드 성장과 동시에 배관(169)을 통하여 금속 또는 세라믹의 미세분말을 쉥크(168) 위에 공급하면 쉥크면 위에 금속 또는 세라믹과 다이아몬드가 혼재하는 층이 형성된다. 이때에 분말의 공급위치를 조절하여 분말을 용융, 반용융 및 미용융의 어느 상태로도 기재 표면에 공급할 수 있다. 이러한 층이 적당한 두께가 되면 금속이나 세라믹의 공급을 중지하고 다이아몬드의 증착을 더욱 속행시켜서 다이아몬드 층을 적당한 두께로 퇴적시킨다. 이상과 같이 하여, 선단면은 적어도 다이아몬드로 구성되고 쉥크와의 밀착 부분은 금속 또는 세라믹과 다이아몬드가 혼재하는 피막이 형성된다.
상기한 장치를 사용하여 공지된 고온 플라즈마 CVD법에 따라 Mo로 이루어져는 쉥크 위에 우선 다이아몬드 복합층을 약 100㎛의 두께로 형성시킨다. 형성조건은 아래와 같다.
원료가스(유량) : CH/H= 2%, Ar/H2 = 100%, 총 유량 3000cc/분
압력 : 150 Torr
기판 온도 : 900℃
방전 전압 : 60V
방전 전류 : 60A
공급 분말 : 입자의 직경 20 내지 30㎛인 SiC 및 Mo
분말 공급량 : 1g/분, 총량 30g
이때, Mo는 용융되는 조건으로, SiC는 미용융되는 조건으로 분말을 공급한다.
이어서, 상기 조건 중의 분말 공급만을 정지하고 약 200㎛의 두께로 다이아몬드를 퇴적시킨다. 이어서, 피막을 코팅한 쉥크를 장치에서 꺼내어 선단 다이아몬드면을 랩 처리하여 Rmax가 약 0.1인 선단면을 형성한다.
이렇게 제작된 툴의 주요부는 제17a도에 도시된 바와 같으며, 본딩 툴(170)에 있어서 쉥크(171) 위에 SiC 및 Mo를 함유하는 다이아몬드 복합층(172) 및 다이아몬드 층(173)이 순차적으로 퇴적된 피막(174)이 형성되어 있다. 또한, 본딩 툴(170) 전체의 형상은 제17b도에 도시된 바와 같으며, Mo로 이루어지는 일체물인 쉥크(171)의 선단에 피막(174)이 형성되어 있다. 이상과 같이 구성되는 본딩 툴의 내구성 시험을 본딩 장치에 실제 장착하여 실시한 바, 120만회의 사용에 견딘다.
[비교실시예 6]
한편, 상기 실시예와 동일한 장치를 사용하여 동일한 재질의 쉥크 위에 분말을 공급하지 않고 다음 조건으로 다이아몬드 피막을 형성시킨다.
원료가스(유량) : CH/H= 3%, Ar/H= 100%, 총 유량 3000cc/분
압력 : 200 Torr
기판 온도 : 880℃
방전 전압 : 70V
방전 전류 : 62A
이상의 조건으로 약 150㎛의 다이아몬드 피막을 쉥크 위에 형성하려고 했으나 코팅 종료후 형성된 다이아몬드막이 Mo로 이루어진 쉥크 재료로부터 박리되고 말았다.
공구 기본체를 구성하는 재료는 상기한 실시예에서 사용된 것 이외에, 예를 들면, W, 기타 Fe-Ni 합금, Fe-Ni-Co 합금(예: 슈퍼 인바), Fe-Co-Cr 합금(예: 스텐레스 인바), Fe-Pt 합금, Fe-Pd 합금, 코발(Ni 29%, Co 17%, Fe 나머지), Cu-W 합금, WC-Co 합금, WC-TiC-Co, W-Ni 합금 등을 사용할 수 있다.
Claims (26)
- 본딩 툴(40)에 있어서, 본딩용 선단면(47)을 갖는 동시에 기상 합성된 다결정 다이아몬드로 이루어진 본딩 선단부(45)와 당해 본딩 선단부(45)를 유지시키는 기본체(41)를 구비하고, 선단면(47)을 형성하는 주요한 다이아몬드 결정면이 (111)면인 본딩 툴,
- 제1항에 있어서, 본딩 선단부(45)에서 선단면(47)으로부터 약 10㎛ 이상의 깊이까지는 (111)면이 선단면(47)에 거의 평행하게 배향되어 있는 본딩 툴.
- 제2항에 있어서, 선단면(47)으로부터 약 10㎛ 깊이까지의 부분에서 X선 회절에 의한 (111)면의 강도를 100으로 할 때, (220)면, (311)면, (400)면 및 (331)면의 강도가 각각 약 80 이하인 본딩 툴.
- 제1항에 있어서, 본딩 선단부(45)에 선단면(47)으로부터 X선을 입사하여 수득한 (111)면의 로킹 커브의 FWHM값이 약 20°이내인 본딩 툴.
- 제1항에 있어서, 본딩 선단부(45)에 선단면(47)으로부터 X선을 입사하여 수득한(220)면의 로킹 커브의 FWHM값이 약 20°이상인 본딩 툴.
- 제1항에 있어서, 본딩 선단부(45)가 Si3N4를 주성분으로 하는 소결체, SiC를 주성분으로 하는 소결체, AlN을 주성분으로 하는 소결체 및 Si로 이루어진 그룹 중에서 선택된 재료로 이루어진 기재(44)를 통하여 기본체(41)에 연결되는 본딩 툴.
- 제1항에 있어서, 선단부(65)가 기본체(61)에 접착되는 본딩 툴.
- 제1항에 있어서, 선단면의 표면 조도 Rmax가 약 0.1㎛ 이하인 본딩 툴.
- 본딩 툴(70)에 있어서, 본딩용 선단면(77)을 갖는 동시에 기상 합성된 다결정 다이아몬드와 다이아몬드의 기상 합성에서 생성된 비다이아몬드 성분으로 이루어진 본딩 선단부(75)와 당해 본딩 선단부(75)를 유지시키는 기본체(71)를 구비하고, 본딩 선단부(75)가 선단면(77)을 형성하는 제 1 부분(75b) 및 제 1 부분과 접하는 동시에 비다이아몬드 성분을 제 1 부분보다도 많이 함유하는 제 2 부분(75a)을 포함하고 선단부의 표면 조도 Rmax가 약 0.1㎛ 이하인 본딩 툴.
- 본딩 툴(100)에 있어서, 전기전도성을 갖는 동시에 기상 합성된 다결정 다이아몬드와 도펀트로 이루어진 본딩 선단부(105)와 당해 본딩 선단부를 유지시키는 기본체(101)를 구비하고, 본딩 선단부(105)가 본딩용 선단면(107)을 형성하는 제 3 부분 및 제 3 부분과 접하는 동시에 도펀트를 제 3 부분보다 많이 함유하는 제 4 부분을 포함하는 본딩 툴.
- 제10항에 있어서, 선단부(105)가 Si3N4를 주성분으로 하는 소결체, SiC를 주성분으로 하는 소결체, AlN을 주성분으로 하는 소결체 및 Si로 이루어진 그룹 중에서 선택된 재료로 이루어진 기재(104)를 통하여 기본체(101)에 연결되는 본딩 툴.
- 제10항에 있어서, 선단부(135)가 기본체(131)에 접착되는 본딩 툴.
- 제10항에 있어서, 선단면의 표면 조도 Rmax가 약 0.1㎛ 이하인 본딩 툴.
- 제10항에 있어서, 도펀트가 B, Al, P, Sb, Si, Li, S, Se, Cl, N, W, Ta, Re 및 Cr로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 본딩 툴.
- 제14항에 있어서, 보론이 약 0.1 내지 5000ppm의 농도 범위로 도우핑 되는 본딩 툴.
- 본딩 툴(170)에 있어서, 기본체(171) 및 당해 기본체(171)를 부분적으로 코팅하는 동시에 기상 합성된 다결정 다이아몬드 및 열팽창계수가 다결정 다이아몬드보다 기본체에 가까운 금속과 세라믹 중의 하나 이상으로 이루어진 본딩 선단부(174)를 구비하고, 본딩 선단부(174)는 본딩용 선단면을 형성하는 부분(173)과 기본체(171)에 대한 밀착에 관여하는 부분(172)간의 다이아몬드 함량이 상이하며, 선단면을 형성하는 부분(173)은 다결정 다이아몬드로 이루어지고, 기본체(171)와의 밀착에 관여하는 부분(172)은 다결정 다이아몬드의 함유량이 감소되는 동시에 금속과 세라믹 중의 하나 이상의 함유량이 증가하는 본딩 툴.
- 제16항에 있어서, 금속이 Mo, W, Cr, CO, Ni 및 Fe로 이루어진 그룹 중에서 선택되고, 세라믹이 SiC, Si3N4, WC 및 BN으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 본딩 툴.
- 제 17 항에 있어서, 기본체(171)와의 밀착에 관여하는 부분(172)이 금속을 기타 부분보다도 많이 함유하는 부분과 세라믹을 기타 부분보다도 많이 함유하는 부분을 포함하고, 전자의 부분은 후자의 부분보다도 기본체(171)에 가까운 본딩 툴.
- 제16항에 있어서, 기본체(171)가 Mo, W, Fe-Ni 합금, Fe-Ni-Co 합금, Fe-Co-Cr 합금, Fe-Pt 합금, Fe-Pd 합금, Cu-W 합금, WC-Co 합금, WC-TiC-Co 합금, W-Ni 합금 및 스텐레스 강으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 재료로 이루어지는 본딩 툴.
- 제16항에 있어서, 기재(171)와의 밀착에 관여하는 부분(172)의 두께가 선단부(174)의 두께의 약 40 내지 80%인 본딩 툴.
- 제16항에 있어서, 선단면의 표면 조도 Rmax가 약 0.1㎛ 이하인 본딩 툴.
- 본딩 툴(40)의 제조방법에 있어서, 다이아몬드를 퇴적시킬 수 있는 면을 갖는 기재(44)를 준비하는 공정, 당해 면에 대해 거의 평행으로 (111)면이 배향되도록 기상 합성에 따라 당해 면 위에 다이아몬드(45)를 퇴적시키는 공정, 다이아몬드 위에 (111)면보다 경도가 낮은 결정면이 배향되는 다이아몬드 층(46)을 퇴적시키는 공정, 경도가 낮은 다이아몬드 층(46)을 선단면측으로 하여 기재(44)를 공구 기본체(41)에 납땜하는 공정 및 경도가 낮은 다이아몬드 층(46)을 경면연마에 의해 제거하고 (111)면을 노출시키는 공정을 포함하는 방법.
- 본딩 툴(60)의 제조방법에 있어서, 다이아몬드를 퇴적시킬 수 있는 경면가공된 면을 갖는 기재를 준비하는 공정, 당해 면에 대해 거의 평행하게 (111)면이 배향되도록 기상 합성에 의해 당해 면 위에 다이아몬드를 퇴적시키는 공정, 다이아몬드가 퇴적된 기재를 분리 또는 제거하여 다이아모드 재료(65)를 수득하는 공정 및 다이아몬드 재료(65)에서 기재에 접촉된 면측을 선단면(67)으로 하여 다이아몬드 재료(65)를 공구 기본체(61)에 납땜하는 공정을 포함하는 방법.
- 본딩 툴(100)의 제조방법에 있어서, 다이아몬드를 퇴적시킬 수 있는 면을 갖는 기재(104)를 준비하는 공정, 당해 면 위에 도우핑을 실시하면서 기상 합성에 의해 다이아몬드를 퇴적시키는 공정, 도우핑에서 불순물의 공급을 억제하여 기상 합성에 의해 다시 다이아몬드를 퇴적시키는 공정, 퇴적된 다이아몬드를 선단부(105)로 하여 기재(104)를 공구 기본체(101)에 납땜하는 공정 및 연마에 의해 평탄하게된 선단면(107)을 조제하는 공정을 포함하는 방법.
- 내용없음
- 본딩 툴(170)의 제조방법에 있어서, 코팅해야 할 면을 갖는 공구 기본체(171)를 준비하는 공정, 당해 면 위에 열팽창계수가 다이아몬드보다도 공구 기본체(171)에 가까운 금속 및 세라믹 중의 하나 이상의 분말을 공급하면서 기상 합성에 의해 다이아몬드를 퇴적시키는 공정 및 금속과 세라믹의 공급을 정지시켜 기상 합성에의한 다이아몬드의 퇴적만을 속행시키고 코팅(174)의 형성을 완료시키는 공정을 포함하는 방법.
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