TW201330076A - 鑽石磨料及其電鍍鑽石工具 - Google Patents

Abstract

本發明透過鍍膜方式，在鑽石磨料表面進行改質，鑽石磨料之表面被覆一層導電層，其中具有成分梯度之金屬成份讓鑽石磨料表面具微導電性，且導電層沿著該鑽石磨料之表面朝外部方向具有漸增之導電率，使電鍍時讓電鍍層可更有效包覆鑽石磨料，以提升鑽石磨料與工具基座的附著力。

Description

鑽石磨料及其電鍍鑽石工具

本發明係有關一種鑽石磨料，特別指一種具有微導電特性之鑽石磨料及其電鍍鑽石工具。

目前鑽石工具不論是在3C製造工業、傳統製造工業、航鈦工業或一般研磨使用的領域上均被廣泛地利用，如金屬的切割，工件研磨或鏡面拋光等；而這些鑽石研磨工具大多是以電鍍方式製造。

隨著科技的發展，精密的鑽石磨料研磨工具被大量的應用於高科技產業中，例如半導體科技產業中的化學機械研磨製程(Chemical Mechanical Polishing，CMP)所使用之拋光墊修整器(Pad Conditioner)，即是將鑽石磨料固定、結合於一金屬基盤之上，其結合方式除了習知的硬銲方式外，更有使用電鍍方式進行的技術，若能使鑽石磨料表面帶有適當的導電度，在電鍍過程，金屬鍍層可包覆於鑽石磨料，使得鑽石磨料在研磨的過程中大幅減少掉落的機率。

又如，LED產業中眾所週知的主要材料藍寶石晶圓，在其晶棒長成後需進行切片製程，傳統上是利用鑽石漿配合裸鋼線材來切割，鑽石漿的使用量相當大，故不環保、費時且成本高，所以目前已逐漸由電鍍鑽石線鋸(Precision Diamond wire saw，PWS)所取代；電鍍鑽石線鋸是利用電鍍方式，將鑽石磨料附著一裸鋼線上，利用電鍍鑽石線鋸來切割藍寶石晶圓，可將切割時間由數天縮短到數小時。

在習知的電鍍鑽石工具中，不論是使用埋鍍或是懸浮的方式進行電鍍鑽石工具，其鑽石磨料大多是未經處理，在電鍍的過程中直接將裸料投入，使其逐漸埋入金屬鍍層之中，進而把鑽石磨料固定於研磨工具表面。然而，這種方式無法將鑽石磨料有效地固定於研磨工具表面，故在研磨過程中極有可造成鑽石磨料的脫落，若發生在CMP製程中，會造成晶圓的刮傷；而為了防止鑽石磨料脫落，必須增加電鍍層厚度，提升鍍層對鑽石磨料的包覆程度，則使得鑽石磨料露出鍍層的高度減少，影響到整體的切削能力。

目前市面上雖已有商業化之鑽石磨料表面有金屬鍍層，如鍍鈦或鍍鎳，但這些純金屬鍍層導電度過高，若使用這類表面鍍有金屬的鑽石磨料在電鍍鑽石工具上，由於導電鍍過高，容易造成在施鍍過程中，鑽石磨料結成團，進而影響到鑽石工具的表面精度或外觀等。

本發明在於提供一種鑽石磨料，其表面具有微導電性之導電層，使鑽石磨料在經過電鍍製程時可被電鍍層所包覆，進而提高鑽石磨料與工具表面之附著力。

本發明在於提供一種鑽石磨料，其表面之導電層的導電度會因化學組成濃度梯度而有漸增的特性變化。

本發明實施例提供一種鑽石磨料，其表面具有一導電層，該導電層具有微導電性，其中該導電層由該鑽石磨料之表面朝外部方向具有一漸增的導電率。

本發明實施例提供一種電鍍鑽石工具，包括：一工具基座，該工具基座之表面利用一電鍍層將多個鑽石磨料固定於其上，其中每一該鑽石磨料之表面具有一導電層，該導電層具有微導電性，其中該導電層由該鑽石磨料之表面朝外部方向具有一漸增的導電率。

本發明具有以下有益的效果：本發明之鑽石磨料的表面具有微導電特性，且其導電性具有漸增的變化，故電鍍層可延伸至鑽石磨料的表面而部分地或全部地包覆鑽石磨料，使鑽石磨料與工具基座之間具有較佳的附著力，故可大幅減少鑽石磨料在研磨/切削的過程中掉落的機率；另一方面，鑽石磨料可以散佈的型態固定於工具基座之表面，故對電鍍鑽石工具而言，其表面精度可被有效地掌握，進而提高研磨/切削的作業精度。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

本發明在於提供一種鑽石磨料，其表面經過改質後，使鑽石磨料的表面具有微導電性，使得鑽石磨料在電鍍附著於工具表面的過程中，電鍍金屬可以沿著鑽石磨料表面生長，提升鑽石磨料在工具表面的附著力，且同時保持鑽石工具的表面精度。

本發明提供一種鑽石磨料之表面改質方式，其步驟如下：

步驟一：如圖1，提供鑽石磨料11。在本具體實施例中，鑽石磨料11係為微米(micro)等級或奈米(nano)等級之天然鑽石微粒或人工鑽石微粒，但不以此為限，較佳地，所選用之鑽石磨料11的平均粒徑範圍係介於約1微米(μm)至200微米(μm)。

步驟二：一種鍍膜(coating)方式，使得鑽石磨料11之表面被覆一層導電層12，且在導電層12中具有成分梯度之金屬成份或金屬原子之碳化物/氮化物，使鑽石磨料11之表面具有微導電性，以使導電層12的導電率由鑽石磨料11之表面朝外部方向具有一漸增的特性。在一具體實施例中，本步驟可利用電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)方式，如圖5，將鑽石磨料11置入一可旋轉之腔體31，並以抽氣裝置32配合真空計33將腔體31抽真空，再通入乙炔(C₂H₂)、鈍氣及飽和金屬化合物，利用電漿產生器34產生電漿以在鑽石磨料11之表面鍍上一層導電層12，且其中具有至少一種之金屬成份。前述的金屬成份如硼(B)、鎢(W)等、或過渡金屬元素，如鈦(Ti)、鉻(Cr)、釩(V)、鋯(Zr)等，藉此導電層12可因金屬成份的能隙結構而形成具有微導電性之導電殼(shell)，且可藉由改變金屬成份的濃度使該導電層12由該鑽石磨料11之表面朝外部方向具有一漸增的導電率；舉例來說，可利用四氯化鈦(TiCl₄)使導電層12中具有鈦原子，而其濃度具有由鑽石磨料11之表面朝外部方向具有一漸增的碳或氮之化學成分梯度(compositional gradient)之控制，進而使導電層12的電阻率沿著導電層12遠離鑽石磨料11之方向上具有漸減的特性(即導電率漸增)，例如根據本文之實施例，電阻率在80 mΩ-cm(亳歐姆-公分)與20 mΩ-cm(亳歐姆-公分)之間以漸減的方式呈現。因此，本發明並不限制導電層12中之金屬成份的種類或含量，僅需考慮的是所形成之導電層12的電阻率由內向外具有介於80至20 mΩ-cm之間的漸減特性，以避免後續電鍍製程中鑽石磨料產生堆疊成團的問題。

而在一變化實施例中，此步驟可利用電弧離子鍍(Arc ion plating，AIP)的方式達成，如圖6。例如選用金屬靶材44，如鉻(Cr)靶材利用抽氣裝置43在真空條件下通入乙炔(C₂H₂)、鈍氣(如Ar)，並利用電源供應器41產生電弧放電電漿，將金屬靶材44形成離子化蒸氣，而鑽石磨料11利用偏壓電源產生器42以負偏壓吸引離子加速撞擊並還原沉積於鑽石磨料11之表面，其具體結果如圖4所示，隨著乙炔通入流量的變化(200降至40sccm)，所製作之具有微導電性之導電層12的電阻率約介在80至20 mΩ-cm(亳歐姆-公分)之間，換言之，藉由前述具體之乙炔流量與製程時間的變化配合適當的理論推演，導電層12在最接近鑽石磨料11之表面的低導電區域12A之電阻率約為70至100 mΩ-cm，而導電層12在最遠離鑽石磨料11之表面的高導電區域12B之電阻率約為5至20 mΩ-cm。

值得說明的是，在上述實施例中，當沉積開始時通入較高的乙炔通入量，導電層12中之金屬成份會成為金屬之碳化物，如碳鉻化合物，其化學式為Cr_XC_Y，例如Cr₂₃C₆、Cr₇C₃、Cr₃C₂等等。乙炔通入流量逐漸降低時，導電層12中所具有之金屬(如鉻)含量也隨之提高，因而具有較低的電阻率(即較高的導電度)。同樣地，導電層12中之鎢(W)元素在特定的條件下，可成為碳鎢(WC)化合物；而導電層12中之釩(V)元素在特定的條件下，會成為碳釩(VC)化合物。因此，步驟二中之金屬成分在特定的製程條件下會成為碳-金屬化合物(即金屬碳化物)，如上述碳鉻化合物、碳鎢化合物、碳釩化合物、碳硼化合物等，其均由鑽石磨料11之表面朝外部方向具有一化學成分梯度，使導電層12具有一漸增的導電率，以利後續電鍍製程的進行；另一方面，在一變化實施例中，在特定的條件下，導電層12中之金屬成份亦可能轉變為金屬氮化物。

藉此，經過上述步驟所製作之鑽石磨料11可利用電鍍製程，例如電鍍鎳(Ni)固定於一工具基座21之表面，所述之工具基座21可為不銹鋼材質、鋁合金、鈦合金或合金鋼等金屬材質所製成之研磨墊、切割鋼線等等。如圖2所示，由於本發明之鑽石磨料11之表面具有微導電特性，且具有漸增之導電率特性，故金屬電鍍層22除了與工具基座21之表面直接接觸部份的包覆之外，尚可沿著鑽石磨料11上的具有微導電性之導電層12進行延伸成長而包覆鑽石磨料11，在本實施例中，金屬電鍍層22係部分地包覆鑽石磨料11，而利用鑽石磨料11之表面的微導電特性，使得鑽石磨料11可被金屬電鍍層22”抓牢”而緊密地固定於工具基座21上，以形成一種電鍍鑽石工具，如電鍍鑽石研磨工具、電鍍鑽石切削工具；再者，由於金屬電鍍層22係部分包覆鑽石磨料11，使鑽石磨料11裸露於金屬電鍍層22的部位較多，可有效提升切削能力。

另外，如圖3所示，金屬電鍍層22係全部地包覆鑽石磨料11，使鑽石磨料11更加緊密地固定於工具基座21上。

綜上所述，本發明至少具有以下優點：

1、相較於未經處理之鑽石磨料，本發明之經表面改質鑽石磨料在電鍍時，可以利用較薄的鍍層厚度即可得到良好的附著力，而較薄的鍍層厚度可讓鑽石磨料具有更大的裸露面積，進行有效提升工具的切削、研磨能力及速度。

2、本發明可以用較薄的電鍍層厚度即可達到高附著力，因此可節省電鍍的時間，提高電鍍工具(即上述之電鍍研磨工具、電鍍切削工具)之製作產能。

3、由於本發明之鑽石磨料的表面僅具有微導電特性，故金屬電鍍層不會將鑽石磨料以堆疊成團、成塊的方式附著於工具之表面，而是以一種分散度高、類似於單顆固定的態樣固接於工具之表面，故不影響工具的表面精度。

4、本發明之鑽石磨料的表面具有漸增的導電率，故可更有效地改善後續電鍍的特性。

惟以上所述僅為本發明之較佳實施例，非意欲侷限本發明之專利保護範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之等效變化，均同理皆包含於本發明之權利保護範圍內，合予陳明。

11．．．鑽石磨料

12．．．導電層

12A．．．低導電區域

12B．．．高導電區域

21．．．工具基座

22．．．電鍍層

31．．．腔體

32．．．抽氣裝置

33．．．真空計

34．．．電漿產生器

41．．．電源供應器

42．．．偏壓電源產生器

43．．．抽氣裝置

44．．．金屬靶材

圖1係顯示本發明之鑽石磨料的示意圖。

圖2係顯示本發明之電鍍鑽石工具的示意圖，其中電鍍層係部分地包覆鑽石磨料。

圖3係顯示本發明之另一種電鍍鑽石工具的示意圖，其中電鍍層係全部地包覆鑽石磨料。

圖4係顯示乙炔流量與導電層的電阻率之實驗曲線。

圖5係顯示本發明利用電漿輔助化學氣相沉積方法在鑽石磨料之表面上成型導電層之示意圖。

圖6係顯示本發明利用電弧離子鍍方法在鑽石磨料之表面上成型導電層之示意圖。

11．．．鑽石磨料

12．．．導電層

12A．．．低導電區域

12B．．．高導電區域

Claims (10)

1. 一種鑽石磨料，其表面具有一導電層，該導電層具有微導電性，其中該導電層由該鑽石磨料之表面朝外部方向具有漸增的導電率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之鑽石磨料，其中該導電層中之金屬成份具有化學成份梯度。
3. 如申請專利範圍第2項所述之鑽石磨料，其中所述之金屬成份可為硼、鎢或過渡金屬元素，其中所述之過渡金屬元素可為鈦、鉻、釩、鋯。
4. 如申請專利範圍第1項所述之鑽石磨料，其中該導電層中具有金屬之碳化物或氮化物，所述之金屬碳化物或氮化物由該鑽石磨料之表面朝外部方向具有成分梯度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之鑽石磨料，其中該導電層在最接近該鑽石磨料之表面的電阻率係為70至100mΩ-cm，該導電層在最遠離該鑽石磨料之表面的電阻率係為5至20 mΩ-cm。
6. 一種電鍍鑽石工具，包括：一工具基座，該工具基座之表面利用一電鍍層將多個鑽石磨料固定於其上，其中每一該鑽石磨料之表面具有一導電層，該導電層具有微導電性，其中該導電層由該鑽石磨料之表面朝外部方向具有一漸增的導電率。
7. 如申請專利範圍第6項所述之電鍍鑽石工具，其中該導電層之金屬成份由該鑽石磨料之表面朝外部方向具有成分梯度，所述之金屬成份可為硼、鎢或過渡金屬元素，所述之過渡金屬元素可為鈦、鉻、釩、鋯。
8. 如申請專利範圍第6項所述之電鍍鑽石工具，其中該導電層中具有金屬碳化物或氮化物，所述之金屬碳化物或氮化物由該鑽石磨料之表面朝外部方向具有成分梯度。
9. 如申請專利範圍第6項所述之電鍍鑽石工具，其中該導電層在最接近該鑽石磨料之表面的電阻率係為70至100 mΩ-cm，該導電層在最遠離該鑽石磨料之表面的電阻率係為5至20 mΩ-cm。
10. 如申請專利範圍第6項所述之電鍍鑽石工具，其中該電鍍層係部分地或全部地包覆於該些鑽石磨料。