專利名稱：硬質(zhì)和/或脆性材料的研磨加工的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磨料技術(shù)，并且更具體地及研磨工具以及用于加工硬質(zhì)的和/或脆性 材料諸如用于電子工業(yè)中的半導(dǎo)體晶片的技術(shù)。
背景技術(shù)：
使用有孔隙的研磨工具來改進(jìn)機(jī)械的研磨過程是普遍熟知的。研磨工具的孔隙典 型地提供了研磨流體諸如冷卻劑和潤滑劑的方法，它們傾向于促進(jìn)更有效的切割、將冶金 學(xué)的損傷(例如，表面燒痕)最小化、并且將工具壽命最大化?？紫哆€允許清除從研磨的工 件上所去除的材料(例如，碎片或切屑)，這是重要的，尤其當(dāng)被研磨的工件是相對柔軟的 或當(dāng)要求表面光潔度需求時(shí)(例如像當(dāng)背面研磨碳化硅晶片的情況)。制造具有孔隙性的研磨工具的技術(shù)總體上可以歸為以下兩個(gè)類別中的一個(gè)。在 第一類別中，孔隙結(jié)構(gòu)是通過向該磨料物品中加入包括介質(zhì)的有機(jī)的孔隙而產(chǎn)生的，這些 介質(zhì)是諸如適當(dāng)尺度的被磨碎的核桃殼或塑料小球。這些介質(zhì)是犧牲性的，因?yàn)樗鼈円?旦燒制即熱分解，在固化的研磨工具中留下空隙或“孔隙”。這個(gè)分類的實(shí)例在us專利號 5，221，294以及5，429，648中進(jìn)行了討論。在第二個(gè)分類中，孔隙結(jié)構(gòu)可以通過向磨料物品 中加入閉孔材料而產(chǎn)生，諸如空心氧化鋁(bubble alumina)。不像犧牲性介質(zhì)，這種類型的 介質(zhì)幸免于燒制過程，并且保留在被固化的研磨工具中以形成孔隙。這個(gè)類別的實(shí)例在US 專利號5，203，886中進(jìn)行了討論。US專利號5，221，294,5, 429，648、以及5，203，886的每 個(gè)通過引用以其整體結(jié)合在此。在一個(gè)可替代的方法中，孔隙性可以通過使用具有例如5 1或更大的長比直 徑的長徑比的似纖維的磨料顆粒而在磨料物品之中得到。這個(gè)方法的實(shí)例在us專利號 5，738，696和5，738，697中討論，它們中的每個(gè)通過引用以其整體結(jié)合在此。這些延長的磨 料顆粒的差的填充特征產(chǎn)生了包括提高的孔隙性以及滲透性并且適合用于相對高性能的 研磨的一種磨料物品。在另一個(gè)可替代的方法中，孔隙性可以通過一種填充劑(例如食鹽) 的浙濾而在磨料物品之中產(chǎn)生。這個(gè)方法的實(shí)例在US專利號6，685，755和6，755，729中 討論，它們中的每個(gè)通過引用以其整體結(jié)合在此。隨著對產(chǎn)品中的部件諸如發(fā)動(dòng)機(jī)、耐火設(shè)備、以及電子器件(例如，硅和碳化硅晶 片、磁頭、以及顯示窗口)精度的市場要求的增長，對改進(jìn)的研磨工具用于陶瓷以及其他相 對硬質(zhì)和/脆性材料的細(xì)微精度的研磨以及拋光的需要也已經(jīng)增長了。因此，存在著對于 改進(jìn)的磨料物品以及研磨工具并且特別是包括一個(gè)相對高的程度的孔隙性的那些的一種需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案提供了一種復(fù)合物，它可以用于將一個(gè)工件(例如像碳化 硅晶片、藍(lán)寶石、或其他如此硬質(zhì)材料)研磨加工至希望的表面光潔度。該復(fù)合物包括多個(gè) 磨料顆粒以及一種金屬粘合劑，該金屬粘合劑與磨料顆粒一起熱加工以形成一種復(fù)合物。 該金屬粘合劑包括至少一種起始粉末組分，該組分具有與這些磨料顆粒的平均粒徑相比最 多大15倍的平均顆粒。在其他構(gòu)型中，該金屬粘合劑中的至少一種起始粉末組分具有更小 的平均粒徑(例如，其中起始粉末的尺寸比上磨料尺寸的范圍從10 1至2 1，或甚至更 小，諸如其中起始粉末尺寸比磨料尺寸更小的情況)。該復(fù)合物具有從大約0. 25至40體積 百分比的磨料顆粒、從大約10至60百分比的金屬粘合劑、以及從大約40至90體積百分比 的總的孔隙性。該總的孔隙性包括固有孔隙、封閉孔隙、以及連通孔隙。希望的工件的表面 光潔度為500埃或更小，Ra(例如，對于一個(gè)碳化硅工件30?；蚋。琑a，或?qū)τ谝粋€(gè)藍(lán)寶 石工件200埃或更小，Ra)。該金屬粘合劑可包括，例如，鎳、鈷、銀、鐵、錫、鋅、鎢、鉬、鋁、銅、 以及鈦中的一種或多種。該金屬粘合劑可以進(jìn)一步包括硼、硅、磷、石墨、六方氮化硼、二硫 化鉬、二硫化鎢、以及氧化鋁中的一種或多種。在一個(gè)特別的實(shí)施方案中，該金屬粘合劑是 一種鎳-錫-青銅系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括從大約25至60重量百分比的鎳、從大約20至60重量 百分比的錫、以及從大約20至60重量百分比的青銅。在一種這樣的情況下，該青銅具有按 重量百分比計(jì)從大約95 5至40 60的銅-錫比。該復(fù)合物可以例如形成磨料輪緣的至 少一部分，該輪緣被操作性地連接至一個(gè)內(nèi)芯上(例如，通過一種熱穩(wěn)定的粘合劑)。在一 種具體的這樣的情況下，該內(nèi)芯具有一個(gè)圓周長和2. 4MPa-cm3/g的最小比強(qiáng)度以及0. 5g/ cm3至8. Og/cm3的內(nèi)芯密度。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案提供了一種用于將一個(gè)堅(jiān)硬材料的工件研磨加工至希 望的表面光潔度的方法。該方法包括將工件安裝在能夠協(xié)助研磨加工的一臺機(jī)器上，并且 將一個(gè)研磨工具操作性地連接在該機(jī)器上。該工具包括一種復(fù)合物，該復(fù)合物具有與多個(gè) 磨料顆粒熱加工在一起的一種金屬粘合劑，這些磨料顆粒具有在0. 01至100微米范圍內(nèi)的 平均粒徑。該金屬粘合劑包括至少一種起始粉末組分，該組分具有與這些磨料顆粒的平均 粒徑相比大最多15倍的平均顆粒。該復(fù)合物包括從大約0. 25至40體積百分比的磨料顆 粒、從大約10至60百分比的金屬粘合劑、以及從大約40至90體積百分比的總的孔隙性。 該總的孔隙性包括固有孔隙、封閉孔隙、以及連通孔隙。該方法繼續(xù)使該研磨工具與該工件 的一個(gè)表面相接觸直到獲得工件的希望的表面光潔度，其中所希望的表面光潔度為500埃 或更小，Ra。注意，使研磨工具與工件的一個(gè)表面相接觸可以包括使該研磨工具朝該工件移 動(dòng)和/或使該工件朝該磨料移動(dòng)。在一種具體情況下，該工件包括一種半導(dǎo)體晶片(例如， 碳化硅)并且研磨加工包括拋光和/或背面研磨該晶片。在另一種具體的情況下，該工件 是一種單晶碳化硅晶片并且所希望的表面光潔度是在15至25埃范圍內(nèi)，Ra。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案提供了 一種用于制造一種復(fù)合物的方法，該組合物可以 用于將一個(gè)工件研磨加工至希望的表面光潔度。該方法包括提供多個(gè)磨料顆粒、并且將一 種金屬粘合劑與這些磨料顆粒一起熱加工以形成一種復(fù)合物。該金屬粘合劑包括至少一種 起始粉末組分，該組分具有與這些磨料顆粒的平均粒徑相比最多大15倍的平均粒徑。該復(fù) 合物具有從大約0. 25至40體積百分比的磨料顆粒、從大約10至60百分比的金屬粘合劑、 以及從大約40至90體積百分比的總的孔隙性。該總的孔隙性包括固有孔隙、封閉孔隙、以及連通孔隙。這些顆粒具有在0.01至100微米范圍內(nèi)的平均粒徑。在一種具體情況下，該 金屬粘合劑是一種鎳-錫-青銅系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括從大約25至60重量百分比的鎳、從大約 20至60重量百分比的錫、以及從大約20至60重量百分比的青銅，其中該青銅具有按重量 百分比計(jì)從大約95 5至40 60的銅-錫比。在一種這樣的情況下，該方法包括使鎳粉 與多個(gè)磨料共混以形成一種混合物，將鋅粉共混進(jìn)該混合物之中；并且將青銅粉共混進(jìn)包 括該鋅粉末的混合物之中。將該青銅粉共混進(jìn)該混合物之中可以進(jìn)一步包括以下各項(xiàng)中的 至少一項(xiàng)將空心玻璃球共混進(jìn)該混合物之中，將犧牲性孔_誘導(dǎo)物材料共混進(jìn)該混合物 之中，以及將一種彌散體共混進(jìn)該混合物之中。在一種這樣的情況下，該彌散體包括多個(gè) 立方體型的顆粒(盡管同樣可以使用或者規(guī)則的或者不規(guī)則的其他形狀)。在另一種這樣 的情況下，將一種金屬粘合劑與這些磨料顆粒一起進(jìn)行熱加工包括將該混合物進(jìn)行熱加工 (例如，燒結(jié)、熱壓、以及熱壓印)以形成一種磨料物品。其他適當(dāng)?shù)某尚头椒?例如像流 延，以形成生坯帶(green tape)磨料物品并且然后燒結(jié)生坯帶物品、或注塑模制一個(gè)生坯 物品并且然后燒結(jié)該生坯物品)根據(jù)本披露將是清楚的。熱加工之后，該方法可以包括將 該磨料物品浸沒在一種溶劑中以浙濾出該彌散體，由此在該磨料物品之中留下連通孔隙。 連通孔隙可以用例如具有熔點(diǎn)的一種彌散體來誘導(dǎo)，其中該復(fù)合物在低于該彌散體的熔點(diǎn) 的溫度下被熱加工。封閉孔隙可以用例如具有軟化點(diǎn)以及熔點(diǎn)的一種空心填充劑來誘導(dǎo)， 其中該復(fù)合物在低于該空心填充劑的軟化點(diǎn)或熔點(diǎn)中的至少一個(gè)的溫度下被熱加工。封閉 孔隙可以用例如具有降解溫度的一種造孔添加劑來誘導(dǎo)，其中該復(fù)合物在高于該造孔添加 劑的降解溫度的溫度下被熱加工。該方法可以包括將該復(fù)合物操作性地連接(例如，通過 一種熱穩(wěn)定的粘合劑)在一個(gè)內(nèi)芯上以形成一個(gè)工具的磨料輪緣的至少一部分。在一種具 體的這樣情況下，該內(nèi)芯具有一個(gè)圓周長和例如2. 4MPa-cm3/g的最小比強(qiáng)度以及0. 5g/cm3 至8. Og/cm3的內(nèi)芯密度。在此描述的特征和優(yōu)點(diǎn)不是概括所有的，具體地講，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將通 過閱讀附圖、說明書以及權(quán)利要求書而清楚許多另外的特征和優(yōu)點(diǎn)。此外，應(yīng)指出在本說明 書中使用的語言主要是為可讀性和指導(dǎo)性目的而進(jìn)行選擇的，而不是為了限制本發(fā)明主題 的范圍。


圖la-c各自展示了依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的一種金屬粘合劑中青銅的量與 該粘合劑的特性之間的各種關(guān)系，這些特性是密度、孔隙性、以及硬度。圖2a和2b是依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的一種熱壓的鎳-錫-青銅粘合劑系統(tǒng) 的SEM照片，展示了不具有或具有最小孔隙性的密集結(jié)構(gòu)。圖3a和3b是依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的一種鎳-錫-青銅粘合劑系統(tǒng)的斷裂 面的SEM照片，展示了具有產(chǎn)生自玻璃球的封閉孔隙性、連同產(chǎn)生自浙濾鹽的連通孔隙性 的一種有孔隙的結(jié)構(gòu)。圖4a和4b是依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的一種鎳-錫-青銅粘合劑系統(tǒng)的拋光 面的SEM照片，展示了具有產(chǎn)生自玻璃球的封閉孔隙性、固有孔隙性、連同產(chǎn)生自浙濾鹽的 連通孔隙性的一種有孔隙的結(jié)構(gòu)。圖5證明了用依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案配置的一種輪的研磨顯著降低了該工件的表面粗糙度(Ra)。圖6展示了依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的一種鎳-錫-青銅粘合劑中的總的孔隙 性與該粘合劑的耐磨損性之間的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式披露了用于生產(chǎn)具有高度開放的結(jié)構(gòu)(例如，40%至80%的孔隙性)以及均勻 的磨料砂礫分布的磨料物品的技術(shù)。在這樣一些實(shí)施方案中，這些磨料物品是使用一種金 屬基質(zhì)制造的，并且在加工期間具有優(yōu)異的抗氧化性，該金屬基質(zhì)包括細(xì)的鎳、錫、青銅以 及磨料。產(chǎn)生的磨料物品是在高性能的研磨操作中有用的，諸如將硅、氧化鋁碳化鈦、以及 碳化硅晶片(典型地用于制造電子部件)背面研磨至非常精細(xì)的表面光潔度值。在更概 括的意義上，產(chǎn)生的磨料物品可以去除原料并且在具有硬度值(例如，范圍從大約500HV 至3200HV)的材料上產(chǎn)生鏡面光潔度。此類工件材料的斷裂韌性的范圍典型地從大約 0. 6MPa. m至20MPa. m?？梢允褂帽景l(fā)明的實(shí)施方案研磨或另外研磨加工至合適的表面光潔 度的工件材料的實(shí)例包括氧化物、碳化物、硅化物、硼化物、氧氮化合物，等等(例如像碳化 硅、二硼化鈦、碳化硼、藍(lán)寶石、玻璃、石英、砷化鎵、鎵、氮化物、以及元素硅)。注意，可獲得 的表面光潔度將取決于工件材料。鍵如之前所說明的，具有高度開放的結(jié)構(gòu)的磨料結(jié)構(gòu)可以使用多種技術(shù)來產(chǎn)生，包 括填充劑諸如食鹽的浙濾(參見之前結(jié)合的us專利號6，755，729)。此類結(jié)構(gòu)可以包括例 如一種基于銅-錫的粘合劑系統(tǒng)與包埋在該粘合劑之中的希望尺寸的磨料砂礫。使用一種 銅_錫粘合劑系統(tǒng)使之能夠在大大低于該填充劑熔點(diǎn)的溫度下加工此類結(jié)構(gòu)。例如，在比 食鹽的熔點(diǎn)更低的溫度下的基于銅-錫的粘合劑系統(tǒng)。所使用的銅粉的典型尺寸是大約44 微米(-325篩目)。這樣一個(gè)尺寸允許銅的低氧化并且確保了一種相對好的砂礫分布。然而，為了生產(chǎn)超精細(xì)的表面光潔度，該磨料砂礫的平均尺寸被降低為10微米以 下。當(dāng)這些磨料顆粒被降低至這樣細(xì)微的尺寸，它們傾向于在與粗的44微米的銅一起使用 時(shí)更容易附聚。這產(chǎn)生了差的砂礫分布并且不能在工件上產(chǎn)生超精細(xì)的表面。改進(jìn)該磨料砂礫分布的一種方法是降低所使用的銅的尺寸。然而，因?yàn)殂~的尺度 被減小了，其表面積比體積的比率增加，導(dǎo)致快速的氧化。這種氧化隨后導(dǎo)致了在每個(gè)銅顆 粒的表面上一個(gè)氧化層的形成以及它與錫的差的燒結(jié)能力。這樣一種粘合劑的砂礫保持能 力也大大下降，導(dǎo)致質(zhì)量差且不一致的產(chǎn)品。減小這種情況的一種方法是選擇甚至處于細(xì) 微的尺寸也具有減小的氧化趨勢的金屬以及合金。例如，細(xì)微的鎳(例如，5微米以下)代替銅的替換將維持低水平的氧化以及優(yōu)異 的至錫的燒結(jié)能力。雖然鎳本身要求超過1000C的加工溫度，但是錫的加入將該加工溫度 降低至1000C以下并且使用于研磨磨輪中的粘合劑變脆。假如使用具有相對低的熔點(diǎn)的彌 散體，諸如氯化鈉(食鹽，它具有大約800C的熔點(diǎn))來產(chǎn)生這些開放的結(jié)構(gòu)，則可能需要加 工溫度的進(jìn)一步降低。加工溫度的這種降低可以實(shí)現(xiàn)，并且依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，通 過加入一種材料，諸如青銅(例如，按重量計(jì)50/50的銅-錫合金)。近似全密度可以通過 在低如750C的溫度下熱壓(或其他適當(dāng)?shù)募庸?一種復(fù)合物來獲得，該復(fù)合物由按重量計(jì) 35/35/30的細(xì)鎳、錫、以及50/50的青銅合金構(gòu)成。
依照本發(fā)明的這樣一個(gè)實(shí)施方案，制造這樣一種鎳-錫-青銅粘合劑包括首先形 成該青銅合金(例如，通過結(jié)合銅以及錫)，并且其次使該青銅的粉末與適當(dāng)量值的鎳和錫 相混合。注意，一種可商購的青銅合金可以在此使用。包括相同百分比的鎳、錫、以及銅的 一種元素的復(fù)合物(即，立即使作為元素的粉末的所有組分相混合)產(chǎn)生了不同的性能性 質(zhì)并且可能不適合用于所有應(yīng)用中。例如，一種元素的復(fù)合物產(chǎn)生了比鎳、錫、以及青銅合 金復(fù)合物更硬的一種金屬粘合劑。如將在接下來討論的，在研磨應(yīng)用中，該粘合劑的硬度、 結(jié)合該粘合劑的孔隙性(固有的、封閉的、和/或連通的孔隙性)，直接影響產(chǎn)生的研磨工 具在使用期間如何斷裂以及該工具的自我修整的能力，連同工件上產(chǎn)生的表面光潔度的質(zhì) 量。找到此類變量對于一個(gè)給定應(yīng)用的適當(dāng)?shù)钠胶馔ǔＪ且粋€(gè)不平凡的工作。在一個(gè)晶片 研磨或拋光應(yīng)用中(諸如背面研磨碳化硅晶片)，與一種元素的復(fù)合物相關(guān)聯(lián)的過度的硬 度可能提供低于所希望的結(jié)果。在此類情況下，可以有效地使用一種鎳、錫、以及青銅合金 的復(fù)合物。在一個(gè)示例性的研磨應(yīng)用中，這時(shí)這樣一種鎳、錫、以及青銅合金復(fù)合物與細(xì)如1 至2微米(或甚至更細(xì))的磨料砂礫以及一種足夠量值的鹽(例如，按體積計(jì)超過50%)相 混合。將該混合物熱壓以壓實(shí)磨料結(jié)構(gòu)。鹽從燒結(jié)的結(jié)構(gòu)中的浙濾提供了一種磨料物品，它 具有受控的連通孔隙性并且是很好地適合用于研磨材料，諸如半導(dǎo)體晶片。另外的封閉孔 隙性可以通過引入空心的微球體、諸如玻璃或陶瓷或金屬球體而在該磨料結(jié)構(gòu)中獲得。也 可以使用在加工期間從該工具中燒掉的犧牲性孔誘導(dǎo)物，諸如壓碎的核桃殼或塑料小球?？商娲兀?xì)鎳和錫(50/50)的、不具有青銅合金的相同復(fù)合物，提供了一種更固 有地有孔隙的結(jié)構(gòu)(例如，高達(dá)大約22%有空隙的)，而沒有加入任何鹽或其他彌散體孔誘 導(dǎo)物。根據(jù)本發(fā)明將懂得，在給定的加工參數(shù)下(特別是溫度和壓力)，可以增加該青銅合 金的含量或另外進(jìn)行操作以控制這一固有孔隙性(即，鎳-錫粘合劑系統(tǒng)中的青銅合金越 多，固有孔隙性越小；鎳“錫粘合劑系統(tǒng)中的青銅合金越少，固有孔隙性越大)。因此，產(chǎn)生的磨料物品中的孔隙性可以是固有孔隙性(例如，基于為該粘合劑系 統(tǒng)選擇的組分/復(fù)合物以及加工參數(shù)諸如溫度和壓力是受控的)、封閉孔隙性(例如，通過 使用幸免于燒制過程的持續(xù)的孔隙誘導(dǎo)物和/或犧牲性孔隙誘導(dǎo)物而受控的)和/或連通 孔隙性(例如，通過使用可濾去的彌散體諸如鹽是受控的)。注意，該固有孔隙性不僅僅是 偶然的或偶然事件的作用，而是有效地以一種受控的方式提供，基于所選擇的粘合劑組分 以及加工參數(shù)。可以細(xì)微地調(diào)整固有的、封閉的、以及連通的孔隙性的組合來滿足給定應(yīng)用 的性能指標(biāo)。另外注意其他材料可以代替鎳和/或錫，例如像，鈷、銀、鐵、錫、鋅、鎢、鉬、鋁、銅、 以及鈦；并且有時(shí)候加入少量的硼、硅和/或磷。在任何情況下，產(chǎn)生的磨料復(fù)合物可以是 例如熱壓的、燒結(jié)的、熱壓印的、或用適當(dāng)?shù)姆勰┮苯饘W(xué)方法另外加工的，以形成有確定了 大小和形狀的磨料物品，用于不同的應(yīng)用中，包括半導(dǎo)體材料的加工。磨料物品結(jié)構(gòu)和復(fù)合物依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案構(gòu)造的一種磨料物品可以采取任何數(shù)目的形式，取決 于的以下因素諸如即將到來的應(yīng)用以及所希望的生產(chǎn)成本。在此描述的不同的實(shí)施方案是 適合用于例如堅(jiān)硬質(zhì)或脆性材料的研磨加工中、并且特別用于諸如背面研磨硅、氧化鋁碳 化鈦、以及碳化硅半導(dǎo)體晶片的操作中。另一個(gè)示例性應(yīng)用可以是磨料珩磨工具，它們可以用于硬質(zhì)和/或脆性材料的研磨以及拋光。根據(jù)本披露其他這樣的應(yīng)用將是清楚的。在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，提供了用于研磨輪的一種磨料物品，其中該物品可以 是一整個(gè)輪的一個(gè)區(qū)段或其他離散的部分。可替代地，該磨料物品可以是一種整體的輪設(shè) 計(jì)。該磨料物品包括一種復(fù)合物，該復(fù)合物包括多個(gè)磨料顆粒以及一起燒結(jié)的一種金屬粘 合劑(若希望的話，也可以使用其他適當(dāng)?shù)姆勰┮苯饘W(xué)方法，諸如熱壓、熱壓印、以及注塑 模制)。另外，該復(fù)合物包括在其中布置的固有的、封閉的、以及連通孔隙的組合。在這個(gè)示 例性的實(shí)施方案中，該復(fù)合物包括從大約0. 25至40體積百分比的磨料顆粒、從大約10至 60百分比的金屬粘合劑、以及從大約40至90體積百分比的總孔隙性(它可以包括固有的、 封閉的、和/或連通孔隙)。這些磨料顆?？梢允抢纾壞チ项w粒諸如金剛石和/或立方氮化硼?？商娲?地，或除此以外，這些磨料顆粒可以是例如，氧化鋁、碳化硅、碳化硼、和/或氧化鋯(根據(jù)本 披露其他適當(dāng)?shù)哪チ项w粒將是清楚的)。這些顆粒的大小將取決于具體應(yīng)用及其不同的性 能指標(biāo)(例如，希望的去除率以及表面光潔度)，但是在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，這些磨料 顆粒具有在0. 01至300微米范圍內(nèi)的平均粒徑。在其他實(shí)施方案中，該平均粒徑是100微 米或更小。在其他實(shí)施方案中，該平均粒徑是5微米或更小。相應(yīng)的孔類型的體積可能改變，如根據(jù)本披露將理解的。在一個(gè)實(shí)施方案中，連通 孔隙的體積是在50%至80%的范圍內(nèi)，封閉孔隙的體積是在0.01%至90%的范圍內(nèi)，并且 固有孔隙的體積是在0.01%至20%的范圍內(nèi)。這些孔隙的大小同樣可以改變。例如，并且 依照一個(gè)實(shí)施方案，連通孔隙的平均尺寸是在40至400微米的范圍內(nèi)，封閉孔隙的平均尺 寸是在5至400微米的范圍內(nèi)，并且固有孔隙的平均尺寸是40微米以下。在一種具體的情 況下，對于高于64%的孔隙性所要求的更高填充效率，該孔的尺寸分布為7 1。例如，假設(shè) 在一種粘合劑中使用具有一個(gè)大小的球狀的鹽顆粒。從幾何形狀來看，用此類球體能獲得 的最佳填充密度是按體積計(jì)64%。剩余的體積被開放空間所占據(jù)。假如鹽顆粒之間的空間 填充有金屬粘合劑和金剛石，在該鹽被浙濾出之后可獲得的最大的孔隙性水平為64%。為 了提高該孔隙性水平，可以用更小尺寸的鹽顆粒來填充鹽顆粒之間的空間?？梢赃m合該空 間的鹽顆粒的最大尺寸(直徑)是原來的鹽顆粒的直徑的七分之一。這種類型的填充可以 用越來越小的鹽顆粒來繼續(xù)以由此將該填充效率(或在該示例性情況下，浙濾之后的孔) 提高至一個(gè)高的值。然而，注意，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)的固有強(qiáng)度必須適合用于給定的應(yīng)用。如之前討論的，該固有孔隙性可以通過例如與鎳和錫聯(lián)合使用的一定量值的青銅 來提供并且控制。總體來說，青銅的量越大，固有孔隙的體積越低并且產(chǎn)生的磨料物品越致 密。同樣地，青銅的量越小，固有孔隙的體積越大并且產(chǎn)生的磨料物品是越固有多孔的。圖 la-c中示出了分別依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的金屬粘合劑中青銅的量與該粘合劑的特 性之間的不同關(guān)系，這些特性包括密度、孔隙性、以及硬度。在這個(gè)具體的實(shí)例中，該青銅是 按重量計(jì)50 50的銅-錫合金并且鎳比錫的比率為按重量計(jì)50 50，其中該青銅是按體 積計(jì)大約25%并且鎳和錫的體積為大約75%。封閉孔隙可以例如通過使用持續(xù)的空心孔的誘導(dǎo)物諸如玻璃或陶瓷或金屬球體， 和/或犧牲性孔的誘導(dǎo)物諸如碳酸鈣、壓碎的核桃殼、塑料或聚合物小球、熱塑性粘合劑、 以及蠟來提供并且控制。關(guān)于使用持續(xù)性孔隙誘導(dǎo)物來提供封閉孔隙性的另外的細(xì)節(jié)在之 前結(jié)合的US專利號5，203，886中提供。關(guān)于使用犧牲性孔隙誘導(dǎo)物來提供封閉孔隙性的另外的細(xì)節(jié)在之前結(jié)合的US專利號5，221，294以及5，429，648中提供。
連通孔隙性可以例如通過使用可浙濾的彌散體諸如氯化鈉(熔點(diǎn)為大約800C)、 硅酸鋁鈉(熔點(diǎn)為大約1650C)、硫酸鎂(熔點(diǎn)為大約1124C)、磷酸鉀(熔點(diǎn)1340C)、硅酸鉀 (熔點(diǎn)為大約976C)、偏硅酸鈉(熔點(diǎn)為大約1088C)、或它們的混合物來提供并且控制。關(guān)于 使用彌散體來提供連通孔隙性的另外細(xì)節(jié)在之前結(jié)合的US專利號6，685，755和6，755，729 中提供。在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，連通孔隙性是通過在燒結(jié)該復(fù)合物之前向這些磨料顆 粒和金屬粘合劑中加入一種彌散體、并且然后將所述燒結(jié)的復(fù)合物浸沒在一種溶劑中以溶 解該彌散體而形成的。例如，該彌散體可以是氯化鈉，并且該溶劑可以是水，且特別地，是沸 水。其他實(shí)施方案可以采用冷水作為溶劑。在任何這樣的情況下，產(chǎn)生的磨料顆粒是基本 上不含有彌散體顆粒。圖2a和2b是不具有誘導(dǎo)孔隙性的一種鎳-錫-青銅粘合劑系統(tǒng)的熱壓粘合劑的 SEM照片?？梢钥吹?，細(xì)微的金剛石顆粒均勻地分布在細(xì)微的鎳顆粒的邊界處。該粘合劑看 起來是致密的并且除了少量的固有孔隙性，沒有孔隙性的跡象。圖3a和3b是依照本發(fā)明 的一個(gè)實(shí)施方案一種鎳/錫/青銅/金剛石輪區(qū)段的斷裂表面的SEM照片，其中連通孔隙 性是經(jīng)由后燒制浙濾方法通過鹽的去除而產(chǎn)生的，并且封閉孔隙性是與存在于該金屬粘合 劑之中的玻璃球一起產(chǎn)生的。圖4a和4b是依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的一種鎳/錫/青 銅/金剛石輪的區(qū)段的SEM照片，展示了具有產(chǎn)生自玻璃球的封閉孔隙性、產(chǎn)生自對該粘合 劑體系以及加工參數(shù)(在這種情況下包括預(yù)合金青銅的使用)選擇的組分/復(fù)合物的固有 孔隙性、連同來自浙濾鹽的連通孔隙性的一種有孔的結(jié)構(gòu)。如根據(jù)本披露將清楚，依照本發(fā) 明的不同實(shí)施方案，這些孔隙性類型(固有的、封閉的、以及連通的)的每種都可以以任意 組合用于單獨(dú)的磨料產(chǎn)品中。依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案構(gòu)成該金屬粘合劑的這些組分是處于粉末形式(或 至少該金屬粘合劑組分的一些子集)。在一種這樣的示例性情況下，金屬粘合劑中的起始 粉末具有比這些磨料顆粒的平均粒徑最多大15倍的平均粒徑。在另一種這樣的示例性情 況下，金屬粘合劑中的起始粉末具有比這些磨料顆粒的平均粒徑最多大10倍的平均粒徑。 在另一種這樣的示例性情況下，金屬粘合劑中的起始粉末具有比這些磨料顆粒的平均粒徑 最多大2倍的平均粒徑。在另一種這樣的示例性情況下，金屬粘合劑中的起始粉末具有等 于或小于這些磨料顆粒的平均顆粒的平均粒徑(例如，分別為大約1 1至0. 1 1的比 率)。該金屬粘合劑的組分可以包括，例如金屬以及合金粉末中的任何一種或組合，諸 如鎳、鈷、銀、鐵、錫、鋅、鎢、鉬、鋁、銅、以及鈦中的一種或多種。該金屬粘合劑可以進(jìn)一步包 括少量加入的硼、硅、和/或磷、石墨、六方氮化硼、二硫化鉬、二硫化鎢、以及氧化鋁。在一 個(gè)具體的實(shí)施方案中，該金屬粘合劑基質(zhì)包括從大約25至60重量百分比的鎳、從大約20 至60重量百分比的錫、以及從大約20至60重量百分比的青銅合金。該青銅包括，例如可 以按重量百分比計(jì)從大約95 5至40 60改變的銅-錫比。如之前說明的，該復(fù)合物能以多種方式進(jìn)行加工，包括燒結(jié)、熱壓、熱壓印、注塑模 制、或另外用適當(dāng)?shù)姆勰┮苯饘W(xué)方法加工。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，連通孔隙性是通過使 用一種彌散體(例如，氯化鈉)來誘導(dǎo)的，并且該復(fù)合物在低于該彌散體的熔點(diǎn)的溫度下是 可燒結(jié)的?？商娲?，或除此之外，封閉孔隙性是通過使用殘留在最終物品中的造孔添加齊U、諸如一種空心填充劑(例如，玻璃球)來誘導(dǎo)的，并且該復(fù)合物在低于這些添加劑的軟化點(diǎn)或熔點(diǎn)的溫度下是可燒結(jié)的?？商娲兀虺酥?，封閉孔隙性是通過在該物品的加 工期間燒掉的的造孔添加劑、諸如壓碎的胡桃殼來誘導(dǎo)的，并且該復(fù)合物在高于這些添加 劑的降解溫度的溫度下是可燒結(jié)的。如之前說明的，或者整體的或者分段的研磨輪都可以依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案 進(jìn)行制造。在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，提供了一個(gè)分段的研磨輪。該輪包括一個(gè)內(nèi)芯以及一 個(gè)磨料輪緣，該輪緣包括多個(gè)磨料物品或區(qū)段。一種熱穩(wěn)定的粘合劑，諸如一種環(huán)氧磨料粘 合劑、一種冶金學(xué)粘合劑、一種機(jī)械的粘合劑、一種擴(kuò)散粘合劑、或其他合適的粘合劑(或 它們的組合)被用在該內(nèi)芯與每個(gè)區(qū)段之間來保證這些區(qū)段在該內(nèi)芯附近的位置。每個(gè)區(qū) 段包括如在此描述的一種復(fù)合物。在一個(gè)具體的實(shí)施方案中，該復(fù)合物包括多個(gè)磨料顆粒 以及一種一起燒結(jié)的金屬粘合劑基質(zhì)，其中該聚合物具有多個(gè)布置在其中的連通孔隙，并 且包含從大約40至90體積百分比的總的孔隙性。盡管具體的結(jié)構(gòu)以及性能參數(shù)將從一個(gè)實(shí)施方案至下一個(gè)變化，在一個(gè)這樣的實(shí) 例中，該內(nèi)芯具有一個(gè)圓周長和2. 4MPa-cm7g的最小比強(qiáng)度以及0. 5g/cm3至8. Og/cm3的內(nèi) 芯密度。具有三組類型的孔隙性的金屬粘合劑具有在IMPa. m1/2至6MPa. m1/2范圍內(nèi)的平面 應(yīng)變斷裂韌性、在80至800范圍內(nèi)的維氏硬度數(shù)、在30GPa至300GPa范圍內(nèi)的楊氏模量、 以及在2克/cc至12克/cc的密度。另外，當(dāng)在一個(gè)磨損試驗(yàn)中使用5牛頓的負(fù)荷時(shí)(如 將在實(shí)例7中詳細(xì)說明的)，該復(fù)合物具有在5mm3至400mm3范圍內(nèi)的磨損體積。依照本發(fā)明的不同實(shí)施方案配置的示例性研磨輪是利用現(xiàn)在將說明的材料和方 法制成2A2TS型金屬粘合的輪的形式。根據(jù)本披露，許多的其他實(shí)施方案將是清楚的，并且 本發(fā)明并非旨在局限于任何一個(gè)具體的實(shí)施方案。實(shí)例 1使由鎳、錫以及青銅組成一種粉末金屬合金與細(xì)的金剛石、鹽、以及空心玻璃球相 混合。更詳細(xì)地,使60. 93克的鎳粉末(作為123 Nickel獲得自AcuPowder International LLC, Union, NJ)與 60. 93 克的錫(作為 115Tin 也獲得自 AcuPowder International LLC, Union, NJ)以及 1. 56 克的金剛石(作為 RVM-CSG 1-2 微米獲得自 Diamond Innovations, fforthington,0H)在一個(gè)Turbula 混合器中進(jìn)行共混。然后，向該混合物中加入52. 22克 的篩至-635U. S.篩目的青銅粉末(作為M3590粉末獲得自United StatesBronze Powders, Maryvilie, TN)連同 2.62 克空心玻璃球(獲得自 Ε· V. Roberts Inc，Carson，CA)以及 91. 95 克的鹽(作為金剛石晶體非碘化的鹽獲得自Shaw，s Supermarkets，Inc，Worcester，MA并 且大小確定為-70/+80U. S.篩目)，并且再次Turbula 混合以提供一個(gè)均勻的共混物。產(chǎn) 生的混合物包括按體積計(jì)29. 8%的金屬粘合劑、59. 6%的鹽、以及9. 9%的玻璃球。然后將 產(chǎn)生的混合物置于一個(gè)石墨盤模具中，整平并在750C下在22Mpa(3200psi)下熱壓10分 鐘。緊接著冷卻，將產(chǎn)生的磨料盤浸在冷水中使存在的鹽浙濾出，從而留下一種連通的、有 孔隙的結(jié)構(gòu)。加工的性質(zhì)以及該組分混合物在結(jié)構(gòu)中留下固有孔隙性，并且空心玻璃球也 提供了封閉的孔隙性。然后將該盤切成所希望形狀、尺度以及耐受性的片段來匹配一個(gè)機(jī)械加工的鋁的 內(nèi)芯的圓周。這些區(qū)度具有一個(gè)弧形的輪廓，該弧形輪廓具有127毫米(5英寸)曲率的外 部半徑以及124毫米(4. 9英寸曲率的內(nèi)部半徑。)使用這些區(qū)段來構(gòu)造一個(gè)2A2TS型號的面研磨式研磨輪。這一具體實(shí)施方案的研磨輪使用了十六個(gè)粘合在該鋁的內(nèi)芯上對稱隔 開的區(qū)段，產(chǎn)生了具有大約282毫米(11. 1英寸)的外部直徑以及一個(gè)開縫輪緣的研磨輪。 這些區(qū)段自該鋁的內(nèi)芯突出大約5毫米(0.196英寸)的距離。該磨料區(qū)段和該鋁的內(nèi)芯 用一種環(huán)氧樹脂/固化劑粘接劑系統(tǒng)(Epotek NDT 353粘合劑，獲得自Epotek，MA)進(jìn)行組 裝。然后將這些區(qū)段機(jī)械加工為距鋁的內(nèi)芯相同的高度。然后平衡該輪并測試速度以便使 用。測試了根據(jù)實(shí)例1制造的金屬粘合的斷節(jié)輪(“實(shí)例1磨輪”)對單晶碳化硅晶 片的最終背面研磨性能。出于比較目的，在相同的工件材料上，使用相同的研磨條件，也 試驗(yàn)了代替實(shí)例1磨輪的用一種可商購的系統(tǒng)制成的具有1至2微米的砂礫尺寸以及銅 /錫/磷粘合劑中2. 5的濃度的標(biāo)準(zhǔn)磨輪(砂礫規(guī)格Polish#l-24-XL073，獲得自Saint Gobain Abrasives，Inc，Worcester，ΜΑ)。另外，注意使用一種可商購的研磨輪(磨輪規(guī)格 FINE#4-17-XL073，獲得自Saint Gobain Abrasives, Inc)用于粗研磨來去除SiC晶片表面 上粗的且相對大的缺陷。所使用的研磨機(jī)器具有兩個(gè)轉(zhuǎn)軸來容納一個(gè)粗研磨輪，跟著是一 個(gè)細(xì)的磨輪。研磨試驗(yàn)條件，包括研磨機(jī)器型號、砂輪規(guī)格及尺寸、以及研磨模式，如表1中 所示。 表1 研磨測試條件對于粗磨輪其修整和修飾操作條件在表2中示出。已知，修整和修飾操作條件是 指磨輪在其使用之前、并且在這種具體情況下、在其在表1中說明的研磨測試條件下的使 用之前的準(zhǔn)備。這些條件包括修整墊類型、輪速、工件速度、去除材料、進(jìn)料速率、以及停止 時(shí)間(dwell) ο 表2 修整和修飾操作，粗磨輪對于細(xì)磨輪，修整和修飾操作條件在表3中示出。正如粗磨輪一樣，這些條件包括 修整墊類型、輪速、工件速度、去除材料、進(jìn)料速率、以及停止時(shí)間。 表3 修整和修飾操作，細(xì)磨輪粗研磨方法的細(xì)節(jié)，包括輪速、冷卻劑類型以及流量、去除材料、進(jìn)料速率、工件速 度、以及停止時(shí)間，在表4中指明?？梢钥吹剑ぜ牧鲜?6. 2mm直徑(3英寸)的單晶碳 化硅(SiC)晶片，其中每個(gè)晶片具有434微米(0.017英寸)的起始厚度。 表4 粗研磨過程在該粗研磨過程之后進(jìn)行表5中指明的細(xì)研磨過程?？梢钥吹剑撦喫俑觳⑶?該進(jìn)料速率更慢。相對于粗研磨，在細(xì)研磨過程中去除的材料更少，并且停止時(shí)間為5轉(zhuǎn)。 該細(xì)研磨的起始厚度是350微米(0. 0138英寸)。
表5:細(xì)研磨過程標(biāo)準(zhǔn)磨輪以及依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案配置的實(shí)例1磨輪具有相同水平的總 的孔隙性、砂礫尺寸、砂礫類型、以及磨料濃度。該標(biāo)準(zhǔn)磨輪不能夠研磨并且不去除任何原 料。當(dāng)相同的粘合劑與2至4微米的金剛石一起使用時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)磨輪能夠以0. 05微米每秒 的材料去除速率、251bs的研磨力，將該單晶SiC晶片表面研磨至40至50埃，Ra之間的表 面光潔度。這樣的結(jié)果表明僅僅簡單地減小磨料砂礫尺寸而不專門調(diào)整該粘合劑在碳化硅 表面不會產(chǎn)生出精細(xì)的表面光潔度以及原料去除。表1中指明的研磨測試的結(jié)果在表6中示出。使用實(shí)例1磨輪細(xì)微研磨了十二個(gè) 晶片?？梢钥吹剑瑢?shí)例1的磨輪展示了相對穩(wěn)定的峰值法向力。每個(gè)磨輪也要求近似相同 的峰值法向力。這種類型的研磨性能是高度希望的，例如，在背面研磨SiC晶片中，因?yàn)檫@ 些相對低的力穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)將對工件的熱以及機(jī)械損害最小化。
表6 研磨測試結(jié)果此外，依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案配置的實(shí)例1磨輪提供了表6中說明的高度希 望的研磨性能，對于至少十五個(gè)晶片無需要磨輪的修整。另外，實(shí)例1磨輪顯著地降低了 表面粗糙度，如圖 5 中所示(通過 ZygoCorporation，Middlefield, Connecticut 的一臺 Zygo 白光干涉儀測量)。用實(shí)例1磨輪的研磨始終如一地將平均表面粗糙度(Ra)從大于 100埃的起始值減小至15至30埃Ra。注意在圖5的右下側(cè)畫圈的部分顯示所得到的實(shí)際 表面光潔度包括16、17、以及22埃Ra?？偟膩碚f，實(shí)例1磨輪在堅(jiān)硬質(zhì)、脆性碳化硅晶片上 提供了令人希望的研磨性能。能夠得到30埃以及更小的表面光潔度Ra值，它們是相對高 于用常規(guī)的工具可獲得的表面光潔度(40埃的Ra以及更大)。在比Strasbaugh機(jī)器具有更高剛度的另一臺機(jī)器上也測試了相同的實(shí)例1磨輪 的單晶碳化硅晶片的最終背面研磨性能。正如之前的測試一樣，使用一種可商購的研磨輪 (磨輪規(guī)格FINE#4-17-XL073，獲得自Saint GobainAbrasives, Inc)用于粗研磨來去除SiC 晶片表面上粗的且相對大的缺陷。對于這一具體的研磨測試所采用的機(jī)器具有一個(gè)轉(zhuǎn)軸， 它用來固定粗的以及細(xì)的磨輪兩者。研磨測試條件在表7中示出。 表7:研磨測試條件在DCM機(jī)器上的粗研磨過程的細(xì)節(jié)，包括輪速、冷卻劑類型以及流速、去除材料、 進(jìn)料速率、工件速度、以及停止時(shí)間，在表8中指明。正如之前在Strasbaugh機(jī)器上的研磨 測試一樣，工件材料是76. 2mm直徑(3英寸)的單晶碳化硅(SiC)晶片，其中每個(gè)晶片具有 434微米(0. 017英寸)的起始厚度。 表8 粗研磨過程在該粗研磨過程之后進(jìn)行表9中指明的在DCM機(jī)器上的細(xì)研磨過程。輪速更快并 且該進(jìn)料速率更慢。在這種情況下，注意在細(xì)研磨過程中去除的材料相對于粗研磨是更大 的。該細(xì)研磨的起始厚度是350微米(0. 0138英寸)。
表9:細(xì)研磨過程實(shí)例1磨輪展示了相對低的為最大負(fù)荷的24%的轉(zhuǎn)軸功率。實(shí)例1磨輪在DCM 機(jī)器上的研磨結(jié)果與實(shí)例1磨輪在Strasbaugh機(jī)器上的結(jié)果是相似的。然而，因?yàn)槭褂昧?一臺更高剛度的DCM機(jī)器，該磨輪磨損是更高的(在去除140微米的晶片中是大約200微 米)。得到了 78至159埃的表面光潔度Ra。相對于設(shè)定的切削深度而言，在高剛度機(jī)器上 的實(shí)際深度大于在一臺低剛度的機(jī)器諸如Strasbaugh 7AF上得到的深度。另外，冷卻劑在 高振動(dòng)下在DCM上的再循環(huán)也可以影響該表面光潔度。因此，研磨機(jī)器的特性，諸如它的轉(zhuǎn) 軸剛度，也可以在獲得所希望的性能諸如目標(biāo)的原料去除以及表面光潔度中考慮進(jìn)來。實(shí)例2 實(shí)例2涉及依照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的一個(gè)示例性研磨磨輪。具體地說，實(shí) 例2的磨輪與實(shí)例1中描述的磨輪是相似的，除了在該粘合劑中沒有玻璃球。大約71%的 鹽被引入該磨輪中，它在使用之前浙濾出來。為生產(chǎn)實(shí)例2的磨輪所要求的不同組分的量 包括58. 89克的鎳、58. 89克的錫、50. 48克的青銅、108. 81克的鹽、以及1. 56克的金剛石。測試了根據(jù)實(shí)例2使用實(shí)例1中描述的方法制造的金屬粘合的斷節(jié)的磨輪(“實(shí) 例2磨輪”)的碳化硅晶片的最終背面研磨性能。如之前參照實(shí)例1磨輪描述的，進(jìn)行了初 始粗研磨，來去除該SiC晶片表面上粗的且相對大的缺陷。這些研磨條件如之前參照表1 至5所描述的。實(shí)例2磨輪的研磨結(jié)果與實(shí)例1磨輪的是相似的(表6)。然而，依照實(shí)例 2磨輪的更高水平的鹽在制造中產(chǎn)生了較低的產(chǎn)量問題。更詳細(xì)地，回想起實(shí)例1磨輪具有 按體積計(jì)大約60%的鹽(其在使用之前浙濾出來)以及按體積計(jì)大約10%的空心玻璃球 用于總的70%的孔隙性。另一方面，實(shí)例2磨輪具有浙濾出的大約71%的鹽并且沒有玻璃 球。認(rèn)為兩個(gè)磨輪都具有幾乎相同的量的孔隙性。它們的研磨性能(例如，對于給定量值 的去除原料的示例性磨輪磨損、法向研磨力、以及碳化硅上的表面光潔度)在誤差界限內(nèi) 是幾乎相等的。然而，包含71%的鹽的實(shí)例2磨輪是相對更難制造的并且產(chǎn)生了必須被更 換的偶然破碎的磨輪片段。因此，如實(shí)例2磨輪的這樣一種產(chǎn)品是技術(shù)上可行的，但因?yàn)檫@種產(chǎn)量問題可能不適合于所有應(yīng)用。實(shí)例3 實(shí)例3涉及依照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的一個(gè)示例性研磨磨輪。具體來說，實(shí) 例3的磨輪與實(shí)例1中描述的磨輪是相似的，除了使用了一種不同類型的鹽。所使用的鹽 是單晶的且立方體的(作為Purex細(xì)微制備的鹽，獲得自Morton Salt Co. Inc，Chicago, IL并且大小確定為-70/+80U. S.篩目)，與實(shí)例1中所使用的多晶的且不規(guī)則形狀的鹽形 成對比(作為金剛石晶體非碘化的鹽，獲得自Shaw，s Supermarkets, Inc, Worcester, MA 并且尺寸為-70/+80U. S.篩目)。為生產(chǎn)實(shí)例3的磨輪所要求的不同組分的量包括60. 93 克的鎳、60. 93克的錫、52. 22克的青銅、91. 95克的鹽、2. 62克的玻璃球、以及1. 56克的金 剛石。測試了根據(jù)實(shí)例3使用實(shí)例1中描述的方法制造的金屬粘合的斷節(jié)的磨輪(“實(shí) 例3磨輪”)的碳化硅晶片的最終背面研磨性能。如之前參照實(shí)例1磨輪描述的，進(jìn)行了初 始粗研磨，來去除該SiC晶片表面上粗的且相對大的缺陷。這些研磨條件如之前參照表1 至5所描述的。實(shí)例3磨輪的研磨結(jié)果與實(shí)例1磨輪的是相似的(表6)。然而，依照實(shí)例 3立方體鹽的使用產(chǎn)生了比實(shí)例1磨輪低大約2倍的磨輪磨損。實(shí)例4 實(shí)例4涉及依照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的一個(gè)示例性研磨磨輪。具體來說，實(shí) 例4的磨輪與實(shí)例1中描述的磨輪是相似的，除了在該磨輪中引入了更大體積的孔隙性。該 磨輪具有大約75vol %的孔隙誘導(dǎo)物(鹽+玻璃球)，與實(shí)例1磨輪中產(chǎn)生的70vol %的孔隙 誘導(dǎo)物(鹽+玻璃球)形成對比。為生產(chǎn)實(shí)例4的磨輪所要求的不同組分的量包括50. 79 克的鎳、50. 79克的錫、43. 53克的青銅、91. 94克的鹽、3. 93克的玻璃球、以及1. 56克的金 剛石。測試了根據(jù)實(shí)例4使用實(shí)例1中描述的方法制造的金屬粘合的斷節(jié)的磨輪(“實(shí) 例4磨輪”)的碳化硅晶片的最終背面研磨性能。如之前參照實(shí)例1磨輪描述的，進(jìn)行了初 始粗研磨，來去除該SiC晶片表面上粗的且相對大的缺陷。這些研磨條件如之前參照表1 至5所描述的，除了該SiC工件材料的直徑為100mm(4英寸)而不是75mm(3英寸)。為這 個(gè)工件材料選擇了一個(gè)高孔隙性的磨輪，這樣來降低該磨輪與該工件之間的接觸面積。這 不僅幫助減小力，而且加快了金剛石的脫離，在一個(gè)更大的工件上它將更快地變鈍。實(shí)例4 磨輪研磨結(jié)果與實(shí)例1磨輪的是相似的(表6)。然而，依照實(shí)例4的磨輪的磨輪磨損是實(shí) 例1磨輪的兩倍。這可以歸因于以下事實(shí)實(shí)例4磨輪具有更高水平的孔隙性，并且它是用 來研磨一個(gè)更大的晶片。研磨中的力為lllbs。圖6展示了依照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的 一種鎳_錫-青銅粘合劑中的總的孔隙性與該粘合劑的耐磨損性之間的關(guān)系。可以看到， 磨輪磨損隨著總的孔隙性的體積百分比的增加而增加。不管該總的孔隙性包括單獨(dú)由鹽誘 導(dǎo)的、還是由鹽以及玻璃球兩者誘導(dǎo)的，都是這種情況。實(shí)例5 實(shí)例5涉及依照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的一個(gè)示例性研磨磨輪。具體來說，實(shí) 例5的磨輪與實(shí)例1中描述的磨輪是相似的，除了使用了一種不同類型的鎳粉。在實(shí)例5 的實(shí)例中使用的鎳粉相對于實(shí)例1磨輪中使用的鎳粉在尺寸上細(xì)得多(作為特細(xì)鎳粉型號 110，獲得自Novamet SpecialtyProducts,ffyckoff,NJ)。該鎳粉粒徑是在1至2微米范圍
19內(nèi)，這顯著地細(xì)于實(shí)例1磨輪中使用的123鎳粉(3. 5至4. 5微米)。為生產(chǎn)實(shí)例5的磨輪 所要求的不同組分的量包括60. 93克的鎳、60. 93克的錫、52. 22克的青銅、91. 95克的鹽、 2. 62克的玻璃球、以及1. 56克的金剛石。測試了根據(jù)實(shí)例5使用實(shí)例1中描述的方法制造的金屬粘合的斷節(jié)的磨輪(“實(shí) 例5磨輪”)的碳化硅晶片的最終背面研磨性能。如之前參照實(shí)例1磨輪描述的，進(jìn)行了初 始粗研磨，來去除該SiC晶片表面上粗的且相對大的缺陷。這些研磨條件如之前參照表1 至5所描述的。實(shí)例5磨輪的研磨結(jié)果與實(shí)例1磨輪的是相似的(表6)。然而，因?yàn)樵趯?shí) 例5磨輪中使用了更細(xì)的鎳粉，該磨輪壽命比實(shí)例1磨輪的長大約50% (例如，因?yàn)楦玫?燒結(jié)以及用細(xì)Ni粉獲得的金剛石分布)實(shí)例6 實(shí)例6涉及依照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的一個(gè)示例性研磨磨輪。具體來說， 實(shí)例6的磨輪與實(shí)例1中描述的磨輪是相似的，除了使用了不同尺寸的金剛石和鹽。使 用了一種相對粗糙的的金剛石(作為RVM-CSG 6-12微米，獲得自Diamond Innovations, fforthington, OH)。該鹽尺寸為-80/+100US篩目，與實(shí)例1磨輪中使用大小確定 為-70/+80U.S.篩目的鹽形成對比。該實(shí)例6磨輪具有大約75體積％的孔誘導(dǎo)物(鹽+ 玻璃球)，與實(shí)例1磨輪中產(chǎn)生的70體積％的孔誘導(dǎo)物(鹽+玻璃球)形成對比。另外，使 用更高的金剛石濃度(濃度為5)。為生產(chǎn)實(shí)例6的磨輪所要求的不同組分的量包括50. 47 克的鎳、50. 47克的錫、43. 26克的青銅、91. 36克的鹽、3. 90克的玻璃球、以及3. 13克的金 剛石。測試了根據(jù)實(shí)例6使用實(shí)例1中描述的方法制造的金屬粘合的斷節(jié)的磨輪(“實(shí) 例6磨輪”)的碳化硅晶片的最終背面研磨性能。如之前參照實(shí)例1磨輪描述的，進(jìn)行了初 始粗研磨，來去除該SiC晶片表面上粗的且相對大的缺陷。這些研磨條件如之前參照表1 至5所描述的。實(shí)例6磨輪的研磨結(jié)果與實(shí)例1磨輪的是相似的(表6)。然而，因?yàn)樵趯?shí) 例7的磨輪中使用了更細(xì)的鹽，該磨輪的壽命略微降低(降低大約5%至15%)。然而，注 意，更高的金剛石濃度趨向于延長磨輪壽命。因此，假如一種更細(xì)的鹽或其他彌散體是令人 希望的，一種更高的磨料濃度可以與那種更細(xì)彌散體聯(lián)合使用，來保持磨輪壽命相對穩(wěn)定。實(shí)例7 實(shí)例7涉及依照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案的一個(gè)示例性研磨磨輪。具體來說，實(shí) 例7的磨輪(“實(shí)例7磨輪”)是用包括重量比為35/35/30的鎳、錫、以及青銅的一種復(fù)合 物制成，并且與用包括重量比為35/50/15的元素鎳、錫以及銅的一種復(fù)合物制成的磨輪作 比較。在實(shí)例7中使用的青銅是50/50重量比的銅和錫，所以實(shí)例7磨輪復(fù)合物以及對比 的磨輪的元素復(fù)合物兩者都具有相同水平的鎳、錫以及銅。為生產(chǎn)實(shí)例7的磨輪所要求的 不同組分的量包括69. 70克的鎳、99. 57克的錫、29. 87克的銅、91. 94克的鹽、1. 31克的玻 璃球、以及1.56克的金剛石。為了測定這些不同粘合劑復(fù)合物的相對耐久性，使用一種磨損測試。更詳細(xì)地，該 磨損測試基本上包括選取一種已知截面面積的粘合劑樣品并且使其以已知負(fù)荷以及給定 的時(shí)間長度研磨一種碳化硅砂礫填充的表面。測量了該粘合劑復(fù)合物的體積損失并用來將 不同樣品分級。取決于尺寸以及數(shù)量，這些粘合劑還可以包括金剛石砂礫，它們使得該磨損 測試更接近地模擬研磨。
在實(shí)例7磨輪的情況下，該磨損測試包括制造尺寸 6. 25x6. 25x6. 25mm (0. 25x0. 25x0. 25英寸)的粘合劑復(fù)合物并且使用雙組分的環(huán)氧樹脂使 其連接在直徑37. 5mm(1.25英寸)且40mm(1.6英寸)長的一個(gè)樣品保持物上并將其固化。 將固化的粘合劑-保持物復(fù)合物插入一個(gè)樣品載體中并用螺釘固定。然后將該樣品支架安 裝在一個(gè)拋光機(jī)器上，諸如StruersRotoForceL將預(yù)切成254mm(10英寸)直徑的一個(gè)涂 覆的磨料片諸如Buehler Carbimet Special Silicon Carbide放置在選擇的工作臺上并 保持在位。當(dāng)該樣品支架以順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，該工作臺在逆時(shí)針方向以150rpm旋轉(zhuǎn)。以 已知的預(yù)設(shè)負(fù)荷將該樣品以及粘合劑復(fù)合物與涂覆的磨料片接觸持續(xù)5秒。測量了該粘合 劑樣品的磨損并用來確定相對耐久性。因?yàn)樵氐姆勰┍阮A(yù)合金的材料更好燒結(jié)(由于在 后者的表面上一個(gè)薄的氧化物層的存在)，依照實(shí)例7磨輪包含35/35/30的鎳、錫、以及青 銅的樣品比用元素的粉末制成的樣品在它們制成的條件下多磨損4倍。為了解說和描述的目的已經(jīng)給出了以上對本發(fā)明的實(shí)施方案的說明。它并不旨在 是窮盡性的或者將本發(fā)明限制在所披露的確切形式上。根據(jù)本披露可進(jìn)行許多修改和變 化。此處的意圖是使本發(fā)明的范圍不受本詳細(xì)說明的限制，而是受所附的權(quán)利要求書的限 制。
2權(quán)利要求
一種用于將堅(jiān)硬材料的工件研磨加工至希望的表面光潔度的復(fù)合物，該復(fù)合物包括多個(gè)磨料顆粒，這些顆粒具有在0.01至100微米范圍內(nèi)的平均粒徑；以及一種金屬粘合劑，該金屬粘合劑包括具有與這些磨料顆粒的平均粒徑相比大最多15倍的平均顆粒的至少一種起始組分，并且已經(jīng)與這些磨料顆粒一起進(jìn)行了熱加工以形成一種復(fù)合物，該復(fù)合物具有從0.25至40體積百分比的磨料顆粒、從10至60百分比的金屬粘合劑、以及從40至90體積百分比的總的孔隙性，并且該總的孔隙性包括固有孔隙、封閉孔隙、以及連通孔隙；其中該工件的希望的表面光潔度為500?；蚋?，Ra。
2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合物，其中，該工件是一種單晶碳化硅晶片并且希望的表面 光潔度為30?；蚋?，Ra。
3.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合物，其中，該工件是藍(lán)寶石并且希望的表面光潔度為200埃 或更少，Ra。
4.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合物，其中，這些磨料顆粒包括金剛石、立方氮化硼、氧化鋁、 碳化硅、碳化硼、以及氧化鋯中的至少一種。
5.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合物，其中，該金屬粘合劑具有在IMPa.m1/2至6MPa. m1/2范圍 內(nèi)的平面應(yīng)變斷裂韌性、在200至600范圍內(nèi)的維氏硬度數(shù)、在30GPa至300GPa范圍內(nèi)的 楊氏模量、以及在2克/cc至7克/cc范圍內(nèi)的密度。
6.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合物，其中，當(dāng)使用5牛頓的負(fù)荷時(shí)，該金屬粘合劑具有在 5mm3至400mm3范圍內(nèi)的磨損體積。
7.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合物，其中，該金屬粘合劑中的至少一種起始粉末組分具有 與這些磨料顆粒的平均顆粒相比最多大10倍的平均粒徑。
8.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合物，其中，該金屬粘合劑中的至少一種起始粉末組分具有 與這些磨料顆粒的平均粒徑相比最多大2倍的平均粒徑。
9.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合物，其中，該金屬粘合劑中的至少一種起始粉末組分具有 比這些磨料顆粒的平均顆粒更小的一個(gè)平均粒徑。
10.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合物，其中，連通孔隙的體積百分比是在50至80的范圍內(nèi)， 封閉孔隙的體積百分比是在0. 01至90的范圍內(nèi)，并且固有孔隙的體積百分比是在0. 01至 20的范圍內(nèi)。
11.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合物，其中，這些連通孔隙具有在40至400微米范圍內(nèi)的 平均孔徑，這些封閉孔隙具有在5至400微米范圍內(nèi)的平均孔徑，并且這些固有孔隙具有40 微米以下的平均孔徑。
12.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合物，其中，該金屬粘合劑包括鎳、鈷、銀、鐵、錫、鋅、鎢、鉬、 鋁、銅、以及鈦中的一種或多種。
13.如權(quán)利要求12所述的復(fù)合物，其中，該金屬粘合劑進(jìn)一步包括硼、硅、磷、石墨、六 方氮化硼、二硫化鉬、二硫化鎢、以及氧化鋁中的一種或多種。
14.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合物，其中，該金屬粘合劑是一種鎳-錫-青銅系統(tǒng)，該系統(tǒng) 包括從大約25至60重量百分比的鎳、從大約20至60重量百分比的錫、以及從大約20至 60重量百分比的青銅，其中該青銅具有按重量百分比計(jì)從大約95 5至40 60的銅-錫比。
15.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合物，其中，該復(fù)合物形成了一個(gè)磨料輪緣的至少一部分， 該輪緣通過一種熱穩(wěn)定的粘合劑被被操作性地連接至一個(gè)內(nèi)芯上。
16.如權(quán)利要求15所述的復(fù)合物，其中，該內(nèi)芯具有一個(gè)圓周長和2.4MPa-cm3/g的一 個(gè)最小比強(qiáng)度以及0. 5g/cm3至8. Og/cm3的一個(gè)內(nèi)芯密度。
17.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合物，其中，該工件是一種半導(dǎo)體晶片。
18.用于將一個(gè)工件研磨加工至希望的表面光潔度的一種方法，該方法包括將該工件安裝在能夠協(xié)助研磨加工的一臺機(jī)器上；將一個(gè)研磨工具操作性地連接至該機(jī)器，該工具包括一種復(fù)合物，該復(fù)合物具有與多 個(gè)磨料顆粒一起熱加工的一種金屬粘合劑，這些磨料顆粒具有在0. 01至100微米范圍鎳的 一個(gè)平均粒徑，該金屬粘合劑包括具有與這些磨料顆粒的平均顆粒相比最多大15倍的平 均粒徑的至少一種起始組分，其中該復(fù)合物包括從大約0. 25至40體積百分比的磨料顆粒、 從大約10至60百分比的金屬粘合劑、以及從大約40至90體積百分比的總的孔隙性，并且 該總的孔隙性包括固有孔隙、封閉孔隙、以及連通孔隙；并且。使該研磨工具與該工件的一個(gè)表面相接觸直到獲得該工件的希望的表面光潔度，其中 希望的表面光潔度為500?；蚋。琑a。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，該工件包括一種晶片并且研磨加工包括拋光以 及背面研磨該晶片中的至少一種。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，這些磨料顆粒是選自下組，其構(gòu)成為金剛石、立 方氮化硼、氧化鋁、碳化硅、碳化硼、以及氧化鋯。
21.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，該工件是一種單晶碳化硅晶片并且所希望的表 面光潔度是在15至25埃范圍內(nèi)，Ra。
22.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，該工件是一種單晶碳化硅晶片并且希望的表面 光潔度為30埃或更少，Ra。
23.如權(quán)利要求18所述的復(fù)合物，其中，該工件是藍(lán)寶石并且希望的表面光潔度為200 ?；蚋?，Ra。
24.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，該金屬粘合劑包括鎳、鈷、銀、鐵、錫、鋅、鎢、鉬、 鋁、銅、鈦、硅、磷、石墨、六方氮化硼、二硫化鉬、二硫化鎢、以及氧化鋁中的一種或多種。
25.如權(quán)利要求18所述的方法，其中，該金屬粘合劑是一種鎳-錫-青銅系統(tǒng)，該系統(tǒng) 包括從大約25至60重量百分比的鎳、從大約20至60重量百分比的錫、以及從大約20至 60重量百分比的青銅，其中該青銅具有按重量百分比計(jì)從大約95 5至40 60的銅-錫 比。
26.制造一種將工件研磨加工至所希望的表面光潔度的復(fù)合物的一種方法，該方法包括提供多個(gè)磨料顆粒，這些顆粒具有在0. 01至100微米范圍內(nèi)的一個(gè)平均粒徑；并且與這些磨料顆粒一起熱加工一種金屬粘合劑以形成一種復(fù)合物，該金屬粘合劑包括至 少一種具有比這些磨料顆粒的平均顆粒大最多15倍的平均粒徑的起始組分，其中該復(fù)合 物具有從大約0. 25至25體積百分比的磨料顆粒、從大約10至60百分比的金屬粘合劑、以 及從大約40至90體積百分比的總的孔隙性，并且該總的孔隙性包括固有孔隙、封閉孔隙、以及連通孔隙。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中，該金屬粘合劑是一種鎳-錫-青銅系統(tǒng)，該系統(tǒng) 包括從大約25至60重量百分比的鎳、從大約20至60重量百分比的錫、以及從大約20至 60重量百分比的青銅，其中該青銅具有按重量百分比計(jì)從大約95 5至40 60的銅-錫 比，該方法進(jìn)一步包括使鎳粉與多個(gè)磨料顆粒共混以形成一個(gè)混合物；將錫粉共混進(jìn)該混合物之中；并且將青銅粉共混進(jìn)包括該錫粉的混合物之中。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，將該青銅粉共混進(jìn)該混合物之中進(jìn)一步包括以 下各項(xiàng)中的至少一項(xiàng)將空心玻璃球共混進(jìn)該混合物之中；將犧牲性空隙誘導(dǎo)物材料共混進(jìn)該混合物中；并且將一種彌散體共混進(jìn)該混合物中。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其中，將一種金屬粘合劑與這些磨料顆粒一起進(jìn)行熱 加工包括將該混合物進(jìn)行熱加工以形成一種磨料物品，該方法進(jìn)一步包括將該磨料物品浸沒在一種溶劑中以浙濾出該彌散體，由此在該磨料物品之中留下連通 孔隙。
30.如權(quán)利要求28所述的方法，其中，該彌散體包括多個(gè)立方體形狀的顆粒。
全文摘要
在此披露了具有高度開放的(有孔的)結(jié)構(gòu)以及均勻的磨料砂礫分布的磨料物品。這些磨料物品是使用一種金屬基質(zhì)來制造的并且該開放的結(jié)構(gòu)是用一種孔隙性方案來控制的，該方案包括連通孔隙性(例如，通過瀝濾彌散體形成的)、封閉的孔隙性(例如，通過加入空心的微球體和/或犧牲性造孔添加劑而誘導(dǎo)的)、和/或固有的孔隙性(例如，通過選擇基質(zhì)組分來提供所希望的致密度而控制的)。在一些情況下，為了用填充劑和磨料實(shí)現(xiàn)接近全密度的金屬粘合劑，制造過程的溫度是低于所使用的填充劑的熔點(diǎn)，盡管同樣可以使用犧牲性填充劑。這些磨料物品在高性能的切削及研磨操作中是有用的，諸如將硅、氧化鋁碳化鈦、以及碳化硅的晶片背面研磨至非常細(xì)的表面光潔度值。在此還披露了使用以及制造的技術(shù)。
文檔編號B24D18/00GK101861231SQ200880116115
公開日2010年10月13日 申請日期2008年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月1日
發(fā)明者P·瓦利亞, S·拉曼斯 申請人:圣戈班磨料磨具有限公司;法國圣戈班磨料磨具公司