Michacl sang,Jam es C.Sung

1 工具胎體中的金剛石的粘結(jié)

金剛石是已知最硬的材料,但它也是最具惰性的物質(zhì)。由于其活性較低,金剛石磨料可順利高效切割其他各種材料。但是,眾所周知,金剛石也難于固著在工具胎體中,所以,金剛石從胎體中脫落曾是工具壽命受到制約與限制的最主要的原因。用于粘結(jié)金剛石磨料的三種類型的材料中,樹脂結(jié)合劑太弱,不能牢固把持住金剛石;陶瓷結(jié)合劑太脆,不能承受沖擊。從另一方面而言,金屬結(jié)合劑可把持住金剛石使之不易變形與脫落。但是,由于僅為機械把持,金剛石磨料必然在胎體中固結(jié)很深。因而,金剛石磨料用于切割的突出高度受到限制。結(jié)果,切割速度低。

金屬磨擦工作對象(巖石)將產(chǎn)生很大的熱量,將使兩種材料都受到損害。

對于單層金剛石工具,常用工藝是電鍍鎳把持金剛石磨料。由于金剛石具有絕緣特性,鎳層在金剛石周圍形成凹地形貌,如圖1。故對金剛石的把持力很小,結(jié)果,金剛石磨料常常脫落而在工具表面形成洞穴。

圖1 電鍍鎳在每顆金剛石周圍形成凹形形貌

從1975年開始,磨料工業(yè)推出單層釬焊金剛石工具,釬焊可在界面形成碳化物的化學(xué)連接(圖2),使金剛石和金屬形成無縫隙連接。由于此強力接合,金剛石晶體可凸出很高,而具有高效切割能力。由于工具與工作對象(巖石)之間磨擦接觸減小,故工作時功率消耗下降。

圖2 釬焊金剛石磨料的成簇密集傾向使釬焊層局部增厚

注意:由于浸潤層急驟爬升,并且太薄,故金剛石在釬焊中把持不牢固。

雖然釬焊的化學(xué)連接很牢固,但其釬焊層通常很薄,因此金剛石可能自基體與附著釬焊層一同碎裂脫落(圖3)。

圖3 在金剛石磨料急劇切割作用下釬焊層自基體碎裂脫落

2 金剛石矩陣排列與厚實支承的釬焊

在釬焊過程中為防止金剛石磨料的成簇聚集,金剛石磨料必須按預(yù)定的模式排列,1997年作者在世界上首次研制推出金剛石釬焊“鉆石陣”(g rid)排列金剛石產(chǎn)品。這類產(chǎn)品包括:繩鋸串珠,成型磨輪和其他產(chǎn)品,于1998年在意大利維羅拉展會上筆者展示了這類工具(圖4)。

金剛石釬焊的特色是在每一顆金剛石周圍釬焊形貌具有厚實的支承。而且還有化學(xué)連接,并且在每一顆金剛石周圍用機械支承使金剛石連接進一步強化,反之,電鍍鎳和燒結(jié)合金不可能形成這種厚實支承的形貌(圖5上)。

燒結(jié)金剛石具有平坦的形貌,同樣也易使金剛石脫落(圖5下),強力固結(jié)的金剛石(釬焊),具有厚實支承的形貌,將不使任何金剛石脫落(圖6)。

圖4 各種不同釬焊金剛石“鉆石陣”排列金剛石工具

圖5 電鍍金剛石具有凹面形貌,不能牢固把持住金剛石(上圖左)

與普通金剛石工具使用時金剛石脫落的不可避免相反,采用“鉆石陣”排列的釬焊金剛石工具不可能發(fā)生金剛石脫落,雖然,若沖擊力過大,金剛石可能被擊碎脫落。由于在界面上形成碳化物和釬焊斜坡,其結(jié)合強度特別大,“鉆石陣”排列的釬焊金剛石和電鍍金剛石工具相比其切割速度會成倍提高,其工具壽命也可成倍延長。

圖6 由釬焊厚實支承的粘結(jié),金剛石的碎裂,在胎體中會留下殘余部分,故其金剛石脫落是不可能的。

3 加工半導(dǎo)體用金剛石拋光墊修整器

金剛石拋光墊修整器是價值最昂貴的金剛石磨料工具,一個典型的金剛石拋光墊修整器是一個直徑約100mm的平直的圓盤(即用于材料拋光)。這是將金剛石磨料(金剛石粒度150μm)釬焊在圓盤表面上。這種工具若用于石材磨拋,可能買價要少于10美元。但是,若用于金剛石拋光墊修整器,則每一件可能價格高于300美元。拋光墊修整器設(shè)計用于修整柔性的聚氨脂拋光墊。它是普通金剛石工具通常碰到的一種不是很硬的材料。拋光墊用于拋光非常貴的半導(dǎo)體晶圓,它裝有集成電路(IC)的柔性層,任何一點金剛石碎屑將導(dǎo)致在晶圓上產(chǎn)生災(zāi)難性的擦傷與劃痕,也不容許有任何金剛石的碎裂。這樣,拋光墊修整器用于由于磨損而導(dǎo)致金剛石的損耗。這和常規(guī)金剛石工具相反,普通金剛石工具允許金剛石碎裂成小片,比較鋒利,并允許其脫落以便露出下層金剛石。

圖7 價值昂貴的金剛石拋光墊修整器(圖左)和價廉的石材磨輪(圖右)的對比

兩種產(chǎn)品都含有金剛石磨料,并按預(yù)定模式將金剛石固定(Dia Grid金剛石“鉆石陣”產(chǎn)品)。拋光墊修整器還進一步鍍覆一層級度為亞微米厚的類金剛石碳膜(DLC.Diamond Like Carbon)以防止拋光液的化學(xué)物對金屬的浸蝕。

拋光墊修整器的金剛石“鉆石陣”設(shè)計使CM P(化學(xué)機械拋光平坦化)的修整性能更為穩(wěn)定。自1999年首次推出后,幾乎所有CM P拋光墊修整器所包括的金剛石都是按預(yù)定模式分布的。

4 金剛石的化學(xué)結(jié)合

釬焊合金含有溶劑(即Ni或Cu),它可溶解活性元素(即C或T i),在熔融過程中,活性元素將向金剛石一方遷移,并與金剛石反應(yīng)形成碳化物(如C r3C2或T iC)。這種反應(yīng)展示了合金在金剛石表面的潤濕現(xiàn)象。毛細管作用力通常拉動向金剛石表面斜面上爬行。而在界面上,強力的碳化物牢固地以原子對原子的方式把持住金剛石。

掃描電鏡圖像,顯示在N i溶質(zhì)中,C r,Si溶質(zhì)原子優(yōu)先向金剛石擴散并在界面上形成碳化物。注意:在金剛石附近C r與Si的互補特性(圖8)。

當(dāng)采用酸浸蝕的方法,將金剛石自釬焊料中脫出,金剛石表面的化學(xué)反應(yīng)是非常明顯的(圖9)。這種反應(yīng)發(fā)生在金剛石和活性溶質(zhì)元素(C r,Si)之間,并形成碳化物,這種碳化物的形成將構(gòu)成對金剛石的強力結(jié)合與粘結(jié)。

圖8 釬焊金剛石掃描電鏡照片

圖9 在釬焊過程中金剛石表面的一半和熔融的焊料發(fā)生反應(yīng)

5 結(jié)合強度與沖擊強度的兼顧

雖然化學(xué)結(jié)合非常牢固,但界面反應(yīng)也可能有損金剛石的完整性能,結(jié)果是金剛石的沖擊強度有所降低。為調(diào)節(jié)與控制界面上碳化物的形成,在熔融的焊料潤濕以前,可在金剛石上鍍覆一薄薄的(10μm)銅鍍層,結(jié)果表明,由熔融釬料在金剛石周圍形成的固著力進一步強化,而不用犧牲其沖擊強度。

圖10顯示的是金剛石和釬料焊接之間界面的結(jié)合強度和鍍覆一薄層銅的過渡中間層獲得金剛石晶體的沖擊強度的優(yōu)化可調(diào)節(jié)與控制碳化物形成的反應(yīng)。在圖中,ABCD是由于活性釬焊粘結(jié)金剛石的結(jié)果。

圖10 鍍銅金剛石釬焊

當(dāng)固結(jié)金剛石的胎體已碎裂,構(gòu)成的界面可控制其破裂的路徑。由于化學(xué)結(jié)合力不夠,裸露的金剛石將會在界面上使胎體分裂。由于焊接反應(yīng)引起的金剛石晶體弱化,熔融焊料包覆的金剛石將會破碎。由于薄的銅的過渡中間層的調(diào)節(jié)作用,熔融釬焊料包覆的金剛石將會撕裂鍍覆層本身的最弱連接帶(圖11)。

圖11 三種不同界面的破壞路徑顯示不同位置的最弱連接帶ABCD顯示活性焊接包覆的金剛石

[1] C.M.Sung,"B razed Beads with a Diamond Grid for Wire Sawing"Industrial Diam on Review,(1998)4/98,134-136.

[2] C.M.Sung,"B razed Diamond Grid:a Revolutionary Design fo r D iam ond Saw s"D iam ond and Related Materials,(1999)Vo l.8,p.1540-1543.

[3] C.M.Sung,Y.L.Pai,"CM P Pad Dresser:A Diamond Grid Solution!"Advances in Abrasive Techno logy,III,N.Yasunaga et al.editors,The Society of G rinding Engineers(SGE)in Japan,(2000)189-196.

[4] C.M.Sung,"CMP Pad Dresser:A Diamond G rid Solution",2001 VLSIM ultileve In terconnection,Specialty Short Course,Advance Chemical-Mechan ical-Planarization Processes,Santa Clara,CA,(2001)181-220.

[5] Sung,C.M.,U.S.Paten ts 6,039,641(Filed:April 4,1997),6,159,286(Filed:November 4,1998),6,193,770(Filed:November 4,1998),6,286,498(Filed:September 20,1999),6,679,243(Filed:August 22,2001)and 7,124,753(Filed:September 27,2002).

[6] Sung,C.M.and Frank S.Lin,U.S.Patent 6,368,198(Filed:A p ril 26,2000),6,884,155(Filed:March 27,2002).