JP5274647B2 - 高空隙率研摩材物品およびその製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、高空隙率研磨材物品およびこのような高空隙率研摩材物品を製造する方法に関する。

研摩材物品は、例えば、ラッピング、研摩、または研磨することによって、加工物を機械加工するために、様々な産業で用いられている。研摩材物品を用いる機械加工は、光学産業、自動車車体修理産業から半導体製造産業の広い産業範囲にわたっている。これらの例のそれぞれにおいて、研摩材は、粉塊物を除去し、または製品もしくは加工物の表面特性に影響を与えるために使用される。

特定の例において、半導体産業では、裏面研削として知られる、半導体ウェーハの裏面から粉塊物を除去するために研摩材物品が使用される。裏面研削にはしばしば、粉塊物除去を行う粗研削、その後の表面下損傷を減少させ、例えば、５０から５００オングストロームの範囲内であり得る滑らかな表面仕上げを与えるための１つ以上の細研削工程を含む複数の機械加工工程が含まれる。このような処理は、半導体ウェーハの前面にプリントされた回路の基板により一貫した電気特性をもたらすと考えられる。さらに、ウェーハによる電気接続の形成に依存する技術の到来で、裏面平坦化、粉塊物除去、および表面品質は、ますます重要になってきている。

しかし、粉塊物除去速度および半導体ウェーハの裏面の表面品質は、とりわけ、機械加工で使用される研摩材物品のグリットサイズだけでなく、研摩材物品の構造にも依存している。特に、取り除かれた砥粒、ならびに研摩材物品およびウェーハ間の削りくずを捕捉する研摩材物品は、ウェーハの表面に引っかき傷を生じることが多い。その結果、ウェーハの裏面の表面品質は研摩後に不良であり、これは、電気特性、およびウェーハの前面に形成された回路に影響を与え得る。

したがって、改善された研摩材物品が望ましい。

特定の実施形態において、研摩材物品は、ポリマーマトリックスおよびそのポリマーマトリックス内に分散した砥粒を含む。このポリマーマトリックスは、少なくとも１つの二重結合を含むモノマーから重合させる。研摩材物品は、少なくとも５０％、例えば、すくなくとも６５％の空隙容積を有する。特定の例では、砥粒は、０．１μｍから１００μｍ、例えば、０．１μｍから１０μｍの平均粒径を有する。別の特定の例では、砥粒は、シリカ、アルミナ、ジルコニア、ジルコニア／アルミナ酸化物、炭化ケイ素、ガーネット、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、窒化ケイ素、セリア、二酸化チタン、二ホウ化チタン、炭化ホウ素、酸化チタン、炭化タングステン、炭化チタン、酸化鉄、クロミア、フリント、およびエメリーからなる群から選択される。例えば、砥粒は、立方晶窒化ホウ素、硬質炭素質物質およびそれらの混合物からなる群から選択される超砥粒であり得る。さらなる例では、砥粒は、少なくとも８のモース硬度を有する。特定の例では、研摩材物品は、１０重量％を超える砥粒を含む。別の特定の例では、研摩材物品は、２容積％から３０容積％の砥粒を含む。例示的な場合では、ポリマーマトリックスは、ビニル、アクリレート、メタクリレート、共役ジオレフィン、アレン、およびハロゲン化オレフィンのモノマーからなる群から選択されるモノマーから形成されるポリマーを含む。別の例では、ポリマーマトリックスは、開放セル構造、例えば、細孔およびスロート構造を有する開放セル構造を有する。さらに、研摩材物品は、少なくとも２．０ｍ^２／ｇ、例えば、少なくとも３．０ｍ^２／ｇの表面積を有し得る。

別の例示的な実施形態において、研摩材物品を形成する方法は、ポリマー前駆体および砥粒を混合して、第１の液体成分を形成する工程、第１の液体成分と第２の液体成分とから乳濁液を形成する工程、ならびに第１の液体成分のポリマー前駆体を硬化させる工程を含む。第２の液体成分は、第１の液体成分と実質的に不混和性である。ポリマー前駆体は、少なくとも１つの二重結合を含むモノマーを含む。一例では、ポリマー前駆体および砥粒を混合する工程は、乳化剤をポリマー前駆体および砥粒と混合する工程を含む。さらなる例では、ポリマー前駆体および砥粒を混合する工程は、安定化剤を混合する工程を含む。特定の例では、硬化工程は、その乳濁液を化学線または熱エネルギーに曝露する工程を含む。別の特定の例では、乳濁液を形成する工程は、少なくとも６５容積％の第２の液体成分と一緒に乳濁液を形成する工程を含む。さらなる例では、この方法は、砥粒をカップリング剤で処理する工程をさらに含む。特定の例では、カップリング剤は疎水性である。さらなる特定の例では、ポリマー前駆体は熱的に硬化可能である。別の特定の例では、ポリマー前駆体は、フリーラジカル重合によって重合可能である。特に、第１の液体成分は疎水性であり得る。一例では、ポリマー前駆体および砥粒を混合する工程は、少なくとも１０重量％の砥粒を混合する工程を含む。さらなる例では、砥粒は０．５μｍから６μｍの平均粒径を有する。

さらなる例示的な実施形態において、物品を研磨する方法は、研摩材物品をその物品の表面に適用し、その物品の表面を研摩する工程を含む。研摩材物品は、ポリマーマトリックス、およびそのポリマーマトリックス内に分散した砥粒を含む。ポリマーマトリックスは、少なくとも１つの二重結合を含むモノマーから重合させる。研摩材物品は、少なくとも５０容積％、例えば、少なくとも６５容積％の空隙容積を有する。一例では、研摩材物品は、１０重量％を超える砥粒を含む。

本開示は、添付の図面を参照することによって、より良く理解することができ、その多くの特徴および利点が当業者に明らかにされ得る。

細孔およびスロート構造を示す開放セル構造の説明図を含む。 試料の磨耗率を示すグラフを含む。 試料の磨耗率を示すグラフを含む。

異なる図面中の同じ参照記号の使用は、類似または同一の事項を示す。

特定の実施形態において、研摩材物品は、ポリマーマトリックスおよびそのポリマーマトリックス内に分散した砥粒を含む。研摩材物品は、少なくとも５０容積％の空隙容積を有する。特定の例では、研摩材物品は、その空隙空間が細孔およびスロート構造（ｔｈｒｏａｔ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）を示す開放セル構造を有する。一例では、砥粒は、少なくとも０．５μｍの平均粒径を有する。さらなる例では、砥粒は、少なくとも８のモース硬度を有し得、および超砥粒を含み得る。

さらなる例示的な実施形態において、研摩材物品は、中から高程度の界面ポリマー乳濁液を用いて形成され得る。例えば、乳濁液は、第１の液体成分および第２の液体成分から形成することができ、第２の液体成分は、第１の液体成分と不混和性である。この実施形態において、第１の液体成分は、不連続の第２の液体成分を囲む連続相を形成する。一例では、第１の液体成分は、ポリマー前駆体および砥粒を含む。乳濁液が形成されるとすぐに、第１の液体成分のポリマー前駆体由来のコポリマーは、例えば、放射線硬化または熱硬化によってさらに重合し、砥粒が分散されるポリマーマトリックスを形成する。一例では、ポリマー前駆体は、フリーラジカル機構によって硬化可能である。第２の液体成分に対して用いられる第１の液体成分の量に依存して、ポリマー前駆体の重合から生じるポリマーマトリックスは、細孔およびスロート構造を示す開放セルフォームを形成する。

さらなる例示的な実施形態において、研摩材物品は、加工物の表面を研摩するために用いられる。ここで、研摩材物品は、ポリマーマトリックスから形成され、砥粒はこのポリマーマトリックス内に分散される。研摩材物品は、少なくとも５０容積％の空隙容積を有する。研摩材物品は、加工物の表面と接触しており、加工物および研摩材物品の少なくとも一方は、互いに対して移動させる。さらに、冷却液を研摩材物品の表面に適用することができ、研摩材物品と加工物の間を流れ得る。冷却液は、研摩材物品を通って流れるように展開させることができ、または削りくずは、研摩材物品を通して引き出すことができる。

例示的な実施形態において、第１および第２の液体成分は、互いに不混和性である。一例では、第１の液体成分は疎水性であるが、第２の液体成分は親水性であるかまたは水系溶液から形成される。あるいは、第１の液体成分は、親水性ポリマー成分を含む水系溶液であり得るが、第２の液体成分は油系疎水性成分である。あるいは、第１および第２の液体成分は両方、実質的に不混和性の相を形成する油系成分であり得る。前述の例では、第１の液体成分は、乳濁液からなる連続相を形成し、第１の液体成分は、固体ポリマーマトリックスを形成するために重合させるポリマー前駆体を含む。

乳濁液を形成する場合、第１の液体成分は、３％から５０容積％、例えば、約５０容積％以下の量で存在し得る。例えば、第１の液体成分は、約４０容積％以下、例えば、３５容積％以下、約３０容積％以下、またはさらに約２５容積％以下の量で存在し得る。他方、第２の液体成分は、５０容積％から９８容積％、例えば、少なくとも５０容積％、少なくとも６０容積％、少なくとも６５容積％、少なくとも７０容積％、またはさらに７５容積％と同程度以上の量で存在し得る。

１つの実施形態において、第１の液体成分は、ポリマー前駆体および砥粒を含む。さらに、第１の液体成分は、添加剤、例えば、触媒、架橋剤、乳化剤、乳濁液安定剤、カップリング剤、またはそれらの組合せを含み得る。

ポリマー前駆体は、モノマーであっても、プレポリマーであってもよい。例えば、ポリマー前駆体は、重合して、ホモポリマーまたはコポリマーを形成し得るモノマーを含み得る。別の例では、ポリマー前駆体は、さらに反応してポリマーマトリックスを形成し得る官能基を含む、プレポリマーなどのポリマー成分を含む。一例では、このような官能基は、互いに反応するか、または鎖延長剤もしくは架橋剤と反応する。特定の例では、ポリマー前駆体は、少なくとも１つの二重結合を含むモノマーを含む。

一例では、ポリマー前駆体は、ラジカル重合工程によって重合する。別の例では、ポリマー前駆体は、カチオン重合工程によって重合する。さらに、重合を開始するために用いられる重合系および触媒系に依存して、重合前駆体は、化学線または熱処理を用いて重合させ得る。

特に、ポリマー前駆体および他の添加剤の性質は、第１の液体成分が疎水性または親水性成分であるかどうかに依存する。第１の液体成分が疎水相を形成する場合、ポリマー前駆体は一般に、疎水性であり、水相に低い溶解性を示す。

疎水性の第１の液体成分に有用なポリマー前駆体の例には、モノアルケニルアレーンモノマーなどの重合性ビニル基を有するモノマー、例えば、α−メチルスチレン、クロロメチルスチレン、ビニルエチルベンゼン、もしくはビニルトルエン；アクリレートもしくはメタクリレートエステル、例えば、２−エチルヘキシルアクリレート、ｎ−ブチルアクリレート、イソブチルアクリレート、ｔ−ブチルアクリレート、ヘキシルアクリレート、ｎ−ブチルメタクリレート、ラウリルメタクリレート、もしくはイソデシルメタクリレート；共役ジオレフィン、例えば、ブタジエン、イソプレン、もしくはピペリレン；アレン、例えば、アレン、メチルアレン、もしくはクロロアレン；ハロゲン化オレフィン、例えば、塩化ビニル、フッ化ビニル、もしくはポリフルオロ−オレフィン；またはそれらの組合せが含まれる。特定の例では、ポリマー前駆体はスチレンである。いずれの場合にも、ポリマー前駆体は水に低い溶解性を有し、より好ましくは水に不溶性である。場合によって、第１の液体成分は、２種以上のポリマー前駆体を含み得、これらのモノマーは、例えば、上記モノマーの列挙から選択され得、その重合反応後にコポリマーを形成し得る。

ポリマー前駆体に加えて、疎水性の第１の液体成分は架橋剤を含み得る。例示的な架橋剤は、ポリマー前駆体と反応することができる多官能不飽和モノマーを含む。このような架橋剤は、少なくとも２個の官能基、例えば、ビニル基、アクリレート基またはメタクリレート基を含み得る。この架橋剤には、例えば、二官能不飽和架橋モノマー、例えば、ジビニルベンゼン、ジエチレングリコールジメタクリレート、１，３−ブタンジオールジメタクリレート、もしくはアリルメタクリレート；または三官能、四官能もしくは五官能不飽和架橋モノマー、例えば、トリメチロールプロパントリメタクリレート、ペンタエリトリトールテトラメタクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリトリトールテトラ−アクリレート、グルコースペンタアクリレート、グルコースジエチルメルカプタルペンタアクリレート、もしくはソルビタントリアクリレート；多官能不飽和架橋モノマー、例えば、ポリアクリレート（例えば、スクロースペル（メト）アクリレートまたはセルロース（メト）アクリレート）；またはそれらの組合せが含まれ得る。特定の例では、架橋剤はジビニルベンゼンを含む。別の例では、架橋剤は、１，４−ブタンジオールジメタクリレートを含む。さらに、架橋剤のポリマー前駆体に対する相対量は、ポリマー前駆体の量に基づいて、約０．５重量％から約７０重量％の範囲、例えば、約２重量％から約４０重量％の範囲、またはさらに約５重量％から約２０重量％の範囲であり得る。さらに、疎水性の第１の液体成分は、乳化剤を含み得る。

さらに、疎水性の第１の液体成分は、乳濁液安定剤を含み得る。例示的な安定剤は、疎水性の第１の液体成分などの、油相に可溶性の界面活性剤を含む。このような界面活性剤の適切性は、界面活性の親水性−親油性バランス（ＨＬＢ値）によって決定され得る。通常、適切な界面活性剤は、高い内相乳濁液を適切に安定化させるために内相（例えば、油中水型乳濁液の水相）に非常に限られた溶解性を有し、転相が自然に起こるのを防止する。特定の例では、界面活性剤は、２から６の範囲、例えば、約４のＨＬＢ値を有し得る。界面活性剤は、非イオン性、カチオン性、アニオン性、または両性であり得る。界面活性剤の例には、ソルビタン脂肪酸エステル、ポリグリセロール脂肪酸エステル、またはポリオキシエチレン脂肪酸もしくはエステル、あるいはそれらの組合せが含まれ得る。ソルビタン脂肪酸エステルの例には、ソルビタンモノラウレート（ＳＰＡＮ（登録商標）２０として入手できる）、ソルビタンモノオレエート（ＳＰＡＮ（登録商標）８０）、ソルビタンモノオレエート（ＳＰＡＮ（登録商標）８０）とソルビタントリオレエート（ＳＰＡＮ（登録商標）８５）との組合せ、またはそれらの組合せが含まれる。別の適切な界面活性剤には、「ＴＲＩＯＤＡＮ（登録商標）２０」（これは、Ｇｒｉｎｄｓｔｅｄ（登録商標）から入手できるポリグリセロールエステルである）、または「ＥＭＳＯＲＢ（商標）２５２」（これは、Ｈｅｎｋｅｌ（登録商標）から入手できるソルビタンセスキオレートである）が含まれる。

一例では、界面活性剤は、存在するポリマー前駆体の量に基づいて、約１重量％から約５０重量％の範囲、例えば、約５重量％から約４０重量％の範囲、約１５重量％から約４０重量％の範囲、約２０重量％から約３５重量％の範囲、またはさらに約２５重量％から約３３重量％の範囲の量で乳濁液中に存在する。

さらに、第１の液体成分は、触媒または開始剤を含み得る。ポリマー前駆体の反応性に依存して、触媒はフリーラジカル開始剤であっても、またはカチオン性触媒であってもよい。さらに、触媒は、放射線によって活性化されても、または熱処理によって活性化されてもよい。

重合反応の開始は、重合性モノマー組成物を含む乳濁液を単に加熱することによって、あるいはＵＶ線または他の電磁放射線もしくは化学線による照射によって行われ得る。一例では、重合反応の開始は、乳濁液を加熱し、乳濁液中に存在する開始剤前駆体から、重合開始剤種、例えば、フリーラジカル開始剤を形成する工程を含む。油溶性開始剤の例には、アゾ化合物、例えば、アゾビスイソブチロニトリル；ペルオキシド（ベンゾイルペルオキシド、メチルエチルケトンペルオキシドなど）、アルキルペルオキシカーボネート（ジ−２−エチルヘキシルペルオキシ−ジカーボネートまたはジ（ｓｅｃ−ブチル）ペルオキシジカーボネートなど）、もしくはアルキルペルオキシカルボキシレート（１−ブチルペルオキシイソブチレート、２，５−ジメチル−２，５−ビス（２，３−エチルヘキサノイルペルオキシ）ヘキサン、またはｔ−ブチルペルオクトエートなど）；またはそれらの混合物が含まれる。例示的なアルキルペルオキシカーボネートは、１位で分岐しており、例示的なアルキルペルオキシカルボキシレートは、α位または１位で分岐している。

一実施形態によれば、ポリマー前駆体は、疎水性の第１の液体成分中にあるが、疎水（例えば、油）相および水相の両方、または水相単独における開始剤前駆体の存在は、重合反応のより急速な完了を確実にすることが望ましいことも得る。したがって、開始剤前駆体の例には、油溶性開始剤前駆体および水溶性開始剤前駆体が含まれる。水溶性開始剤の例には、過硫酸塩（過硫酸カリウムまたはナトリウムなど）、レドックスカプラー開始剤系（ピロ亜硫酸ナトリウムと一緒の過硫酸アンモニウムなど）、またはそれらの組合せが含まれ得る。特に、開始剤前駆体には、過硫酸カリウム、ＡＩＢＮ（アゾビスイソブチロニトリル）、または例えば、過硫酸アンモニウムおよびピロ亜硫酸ナトリウムを含むレドックスカプラー開始剤系の１種以上が含まれる。開始剤前駆体は、油相（例えば、ＡＩＢＮ）もしくは水相（例えば、過硫酸カリウムまたは水性レドックスカップリング系）、または両方（例えば、油相中のＡＩＢＮおよび水相中の過硫酸カリウム）の一部を形成し得る。

一方、第１の液体成分は、親水性であっても、水溶液中で形成されてもよい。例示的なポリマー前駆体は、親水性官能基を含む。例えば、親水性または水性の第１の液体成分における使用のためのポリマー成分には、不飽和スルホン酸を有するビニルモノマー、例えば、アクリルアミドメチルプロパンスルホン酸、アリルスルホン酸、またはそれらの組合せが含まれる。不飽和アミノ基を有する例示的なビニルモノマーは、ジメチルアミノエチルメタクリレートである。不飽和カルボキシル基を有する例示的なビニルモノマーには、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、またはフマル酸が含まれ、不飽和カルボキシレート基を有する適切なビニルモノマーの例には、アクリレート、メタクリレート、ヒドロキシエチルメタクリレート、ジエチルアミノエチルメタクリレート、ヒドロキシエチルアクリレート、ジエチルアミノエチルアクリレート、マレート、フマレート、メトキシポリエチレングリコールメタクリレート、フェノキシポリエチレングリコールメタクリレート、またはそれらの組合せが含まれる。

ポリマー前駆体は、不飽和カルボン酸の水溶性塩も含み得る。例えば、水溶性塩には、アクリル酸、メタクリル酸、アクリルメタクリル酸、またはそれらの組合せのアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、またはアンモニウム塩が含まれ得る。適切な親水性モノマーの別の例には、ビニルピリジン、ビニルピロリドン、アクリルアミド、メタクリルアミド、Ｎ−メチルメタクリルアミド、Ｎ−アクリロイルモルホリン、Ｎ−ビニル−Ｎ−メタアセトアミド、それらの誘導体、またはそれらの組合せが含まれる。

特定の例では、第１の液体成分は、乳濁液の約０．５重量％から約３０重量％の範囲、例えば、約５重量％から約２０重量％の範囲の量のポリマー前駆体を含む。一例では、ポリマー前駆体は、少なくとも１個の二重結合および親水性官能基を有するモノマーを含む。

さらに、親水性の第１の液体成分は、架橋剤を含み得る。一般に、架橋剤は、親水性である、または乳濁液のモノマー成分に少なくとも部分的に可溶性である、多種多様な多官能モノマーから選択され得る。モノマー成分に少なくとも部分的に可溶性である架橋剤に関して、混合物を２つの相に分離させる場合、親水性モノマーおよび油不連続相の５０：５０混合物に溶解した架橋剤の少なくとも５０％は、親水性モノマー相中に分配する。

例示的な架橋剤には、ポリアリル化合物、例えば、Ｎ，Ｎ’−ジアリルアクリルアミド、ジアリルアミン、ジアリルメタクリルアミド、ジアリルアミンジアリルメタクリルアミド、ジアリルフタレート、ジアリルマレート、ジアリルホスフェート、ジアリルテレフタレート、Ｎ，Ｎ’−ジアリルタルタルジアミド、トリアリルシトレート、トリアリルシアヌレート、またはトリアリルホスフェートなど；ポリビニル化合物、例えば、ジビニルベンゼン、ジビニルスルホン、エチレングリコールジビニルエーテル（例えば、ジエチレングリコールジビニルエーテル）、Ｎ、Ｎ’−メチレン−ビス−アクリルアミド、ピペラジンジアクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ジヒドロキシ−エチレン−ビス−アクリルアミド、エチレングリコールアクリレート（例えば、エチレングリコールジ−、トリ−、またはテトラ−アクリレート）、エチレングリコールメタクリレート（例えば、エチレングリコールジ−、トリ−、またはテトラ−メタクリレート）、またはグリセリントリメタクリレート；ヒドロキシビニル化合物、例えば、ヒドロキシエチルアクリレート、または２−ヒドロキシエチルメタクリレート；カルシウム、マグネシウム、亜鉛、もしくはアルミニウムなどの多価イオンを生成する無機塩または有機塩；あるいはそれらの組合せが含まれる。Ｎ，Ｎ’−ビス−アクリリルシスタミンなども、親水性ポリマーの生成における使用に適切である。特に、架橋剤は、Ｎ，Ｎ’−メチレン−ビス−アクリルアミド、ジビニルスルホン、ジエチレングリコールジビニルエーテル、エチレングリコールジアクリレート、またはそれらの組合せであり得る。

一例では、第１の液体成分は、乳濁液の約０．００５重量％から約３０重量％の範囲、例えば、約１重量％から約１０重量％の範囲の量で架橋剤を含む。

さらに、親水性の第１の液体成分は、乳化剤を含み得る。例示的な乳化剤は、疎水性環状頭部および親水性尾部を含む。例示的な疎水性環状頭部は、約３から約７個の炭素原子を含むことができ、分子の疎水性端末で十分な剛性を与え、乳濁液が反転する傾向（すなわち、油非連続相が連続相になる傾向）を減少させるように選択される。例えば、頭部は、多数の疎水性基、例えば、アルキル、環状炭化水素基、もしくは芳香族基、またはそれらの組合せなどと一緒の環状基であり得る。好ましくは、頭部は、親水性基、例えば、酸素、窒素、および硫黄を含むイオン性基などを含まない。特に、頭部は、炭素および水素原子からなる。

乳化剤の例には、糖脂肪酸エステル、例えば、ジステアレート、アルキルアリールポリエーテルアルコール、またはそれらの組合せが含まれる。さらなる例では、親水性ポリマーの生成における使用に適切なアルキルアリールポリエーテルアルコール調製物は、約１４以上の、エーテル側鎖当たりエチレンオキシド単位の平均数を有する。例示的な乳化剤は、Ｔｒｉｔｏｎ（商標）Ｘという商品名で販売されている。

一例では、第１の液体成分は、乳濁液の約１重量％から約３０重量％の範囲、例えば、約１重量％から約２０重量％の範囲、またはさらに約１重量％から約５重量％の範囲の量で乳化剤を含む。

さらに、第１の液体成分は安定剤を含み得る。安定剤は、親水性モノマー相に可溶性であり、および乳濁液の油非連続相との界面を安定化させるために十分に疎水性であるフィルム形成性化合物であり得る。適切な安定剤は、相対的に強いポリマー鎖の絡み合いにより連続フィルムを形成することによって作用する。この点で有用な安定剤は、乳濁液の親水性モノマー相と油相との間の界面のためのポリマーフィルムフォーマーを含む。例示的な安定剤には、セルロース誘導体のポリマー、ポリアクリレート（例えば、ポリアクリル酸またはポリメタクリル酸）、ポリアルキレングリコール（例えば、ポリエチレングリコール）、部分的に加水分解されたポリビニルアルコール（例えば、約７０〜８０％未満の加水分解ＰＶＡ）、別のポリオール、グアールガム、寒天ガム、またはそれらの組合せが含まれる。エチレン性不飽和モノマーのコポリマー、例えば、マレインポリブタジエン、マレインポリエチレン、マレインポリα−オレフィン、またはそれらの組合せも安定剤としての使用に適切である。例えば、セルロース誘導体には、メチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、他のセルロースエーテル、セルロースエステル（セルロースアセテート、セルロースブチレート、またはセルロースアセテートブチレートなど、またはそれらの組合せが含まれる。特に、安定剤は、メチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ＰＶＡ、またはそれらの組合せであり得る。特に、第１の液体成分は、乳濁液の約０．００１重量％から約２重量％の範囲、例えば、約０．００１重量％から約１重量％の範囲、またはさらに乳濁液の約０．００１重量％から約０．７重量％の範囲の量で安定剤を含み得る。

ポリマー前駆体に加えて、第１の液体成分は、砥粒を含み得る。例示的な砥粒には、金属もしくは半金属酸化物、窒化物、または炭化物が含まれ得る。あるいは、砥粒には、無機炭素質粒子、例えば、ダイヤモンドが含まれ得る。砥粒の例には、シリカ、アルミナ（溶融または焼結）、ジルコニア、ジルコニア／アルミナ酸化物、炭化ケイ素、ガーネット、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、窒化ケイ素、セリア、二酸化チタン、二ホウ化チタン、炭化ホウ素、酸化チタン、炭化タングステン、炭化チタン、酸化鉄、クロミア、フリント、エメリー、またはそれらの組合せが含まれる。例えば、砥粒は、シリカ、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化ホウ素、ガーネット、ダイヤモンド、共溶融アルミナジルコニア、セリア、二ホウ化チタン、炭化ホウ素、フリント、エメリー、窒化アルミナ、硬質炭素質物質、またはそれらのブレンドからなる群から選択され得る。特定の実施形態は、α−アルミナから主として構成される高密度砥粒を用いて創出された。特定の例では、砥粒は、少なくとも８、例えば、少なくとも８．５、またはさらに少なくとも９のモース硬度を有する。一例では、砥粒は、炭化ケイ素である。さらなる例では、砥粒は、超砥粒、例えば、硬質炭素質物質、立方晶窒化ホウ素、または任意のそれらの組合せから選択され得る。例えば、硬質炭素質物質には、ダイヤモンド、ダイヤモンド・ナノロッド凝集体、または任意のそれらの組合せが含まれる。特定の実施形態において、砥粒にはダイヤモンドが含まれる。砥粒は、特定の形状も有し得る。このような形状の例には、棒状、三角形、ピラミッド、円錐状、中実球、または中空球が含まれる。あるいは、砥粒は、任意に形作られ得る。特定の例では、砥粒は、角張ったエッジ、または角張ったエッジを形成する割れ目を有する。

一般に、砥粒は、約０．１μｍから約１００μｍの範囲の平均粒径を有する。例えば、砥粒は、約０．１μｍから約１０μｍ、例えば、約０．１μｍから約６μｍ、約０．５μｍから約６μｍ、またはさらに約１μｍから約３μｍの範囲の平均粒径を有し得る。さらに、砥粒は、５００ｎｍを超える、例えば、少なくとも約１μｍの平均粒径を有し得る。さらに、砥粒は、約６μｍ以下、例えば、約３μｍ以下の平均粒径を有し得る。

第１の液体成分は、研摩材物品の総容積に基づいて、約２容積％から約３０容積％の範囲で砥粒を含む研摩材物品をもたらす量で砥粒を含み得る。例えば、得られた研摩材物品は、研摩材物品の総容積に基づいて、４容積％から２６容積％、例えば、１０容積％から２５容積％の量で砥粒を含み得る。一例では、第１の液体成分は、約５容積％から約８０容積％の範囲、例えば、約１０容積％から約７５容積％の範囲、またはさらに約２０容積％から約６０容積％の範囲で砥粒を含む。特定の例では、第１の液体成分は、最終研摩材物品の少なくとも１０重量％を形成する量で砥粒を含む。例えば、最終研摩材物品は、１０重量％を超える砥粒、例えば、少なくとも約１５重量％の砥粒またはさらに約２０重量％と同程度もしくはそれを超える砥粒を含み得る。

さらに、第１の液体成分は、強化充填剤を含み得る。例示的な強化充填剤には、シリカ、酸化亜鉛、チタニア、アルミナ、ジルコニア、バナジア、クロミア、酸化鉄、酸化アンチモン、酸化スズ、他のコロイド状金属酸化物、またはそれらの組合せが含まれる。強化充填剤は、研摩材物品の総重量に基づいて、約１０重量％以下、例えば、約５重量％以下の量で含み得る。特定の例では、強化充填剤は、２５ｎｍから５００ｎｍ、例えば、約０．５μｍ以下、約３００ｎｍ以下の範囲、特に、約３０ｎｍから約２５０ｎｍの範囲の平均粒径を有する。

砥粒または場合による強化充填剤は、第１の液体成分内の分散を容易にするために表面処理剤またはカップリング剤で処理され得る。例えば、カップリング剤または表面剤は、第１の液体成分中に、この液体成分内の砥粒の分散を容易にするために含まれ得る。さらに、カップリング剤または表面剤は、ポリマー前駆体と反応して、第１の液体成分から形成されたポリマーマトリックス内の砥粒と結合し得る。カップリング剤の性質は、砥粒の性質ならびに第１の液体成分およびポリマー前駆体の性質に依存する。ポリマー成分が疎水性成分を含む場合、カップリング剤は、ポリマー前駆体と混和性またはポリマー前駆体に反応性である疎水性末端を含み得る。あるいは、ポリマー成分が疎水性である場合、カップリング剤は、極性および親水性である官能基を含み得る。例えば、ポリマー前駆体反応性基には、アクリレート、メタクリレート、ヒドロキシシラン、ヒドロシラン、エポキシ、もしくはビニル基、またはこれらの組合せが含まれ得る。さらに、カップリング剤は、砥粒の官能基と反応するように配置された官能基を含み得る。特定の金属酸化物は、官能基、例えば、カルボン酸、ホスホン酸、スルホン酸、またはこれらの組合せと反応性であり得る水酸化物表面基を含む傾向がある。あるいは、砥粒は、無機炭素質化合物、例えば、ダイヤモンドを含み得る。カップリング剤は、ダイヤモンド粒子の表面と相互作用するように配置されたおよびダイヤモンド粒子の表面に結合し得る官能基を含み得る。

例示的なカップリング剤は、反応性モノマーと重合することができるシラン処理剤を含む。一例のシラン処理剤には、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシランまたはγ−グリシドキシプロピルトリメトキシシランが含まれる。砥粒の極性または疎水性を変性するために用いられるさらなる表面剤には、例えば、イソオクチルトリメトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、ｎ−オクタデシルトリメトキシシラン、３−シアノプロピルトリメトキシシラン、３−アミノプロピルトリメトキシシラン、または任意のそれらの組合せが含まれる。

親水性の非反応性表面処理剤には、２−［２−（２−メトキシ）エトキシ］エトキシ酢酸（ＭＥＥＡＡ）、モノ（ポリエチレングリコール）スクシネート、モノ（ポリエチレングリコール）マレエート、またはそれらの組合せが含まれる。表面処理に適した親水性および反応性酸の例には、２−ヒドロキシメチル−２−［（Ｎ−メタクリロキシエチル）カルバモイルメチル］プロピオン酸（ＰＡＭＡ）、モノ（アクリルオキシポリエチレングリコール）スクシネート、モノ（アクリルオキシポリエチレングリコール）マレエート、またはそれらの組合せが含まれる。別の適切な反応性酸には、２，２−ビス［（Ｎ−メタクリロキシエチル）カルバモイルメチル］プロピオン酸（ＰＤＭＡ）、アクリル酸、メタクリル酸、βカルボキシエチルアクリレート、モノ−２−（メタクリロキシ）エチルスクシネート、またはモノ−２−（メタクリロキシ）エチルマレエートが含まれる。表面処理に有用なさらなる酸混合物には、脂肪族カルボン酸、例えば、オレイン酸、ステアリン酸、もしくはオクタン酸など；芳香族非反応性酸、例えば、メトキシフェニル酢酸もしくは３，４，５トリエトキシ安息香酸、イタコン酸、トルエンスルホン酸、エチレングリコールメタクリレートホスフェート；それらの塩；またはそれらのブレンドが含まれ得る。

第１の液体成分の性質に依存して、第２の液体成分は、第１の液体成分と不混和性であり、および疎水性であっても親水性であってもよい。例えば、第１の液体成分が親水性である場合、第２の液体成分は、疎水性であり得る。例示的な疎水性の第２の液体成分は、油系液体、例えば、直鎖もしくは分岐のアルカン、例えば、ヘキサン、オクタン、デカン、ドデカン、もしくはそれらの混合物；長鎖脂肪酸；芳香族炭化水素、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン、もしくはそれらの組合せ；エーテル、例えば、ジエチルエーテル；エステル、例えば、酢酸エチル；シリコーン油；またはそれらの組合せが含まれる。さらに、第２の液体成分は、乳化剤または安定剤を含み得る。

あるいは、第１の液体成分が疎水性である場合、第２の液体成分は、第１の液体成分と不混和性である、水系溶液であっても、有機成分、例えば、極性有機成分であってもよい。例えば、第２の液体成分は、水溶液、例えば、食塩水；短鎖アルコール、例えば、エタノール、ブタノール、メタノール、イソプロパノール、プロパノール、もしくはそれらの組合せ；グリセロール；またはそれらの混合物であり得る。さらに、第２の液体成分は、乳化剤または安定剤を含み得る。

特に、第２の液体成分は、誘電率に基づいて選択され得る。例えば、第１の液体成分が親水性である場合、第２の液体成分は、１５未満の誘電率を有することができ、第１の液体成分が疎水性である場合、第２の液体成分は、１５を超える誘電率を有することができる。

さらに、第２の液体成分は、増粘剤を含み得る。第１の液体成分の性質に依存して、増粘剤は、セルロース系増粘剤、タンパク質系増粘剤、無機増粘剤、またはそれらの組合せであり得る。

特定の実施形態において、研摩材物品は、ポリマー前駆体および砥粒を混合して、第１の液体成分を形成することによって調製される。さらに、触媒もしくは開始剤、架橋剤、カップリング剤、乳化剤、または安定化剤が、第１の液体成分に添加され得る。第１の液体成分は、第１の液体成分と不混和性である第２の液体成分で乳化される。第２の液体成分も、乳化剤または安定剤を含み得る。乳濁液は、ポリマー前駆体の重合を容易にするために処理される。例えば、ポリマー前駆体は、放射線への曝露または熱処理によって硬化され得る。硬化後に、第２の液体成分は除去される。通常、得られた、分散砥粒と一緒のポリマーマトリックスは、細孔およびスロート構造を示す開放セル構造を有する。例えば、図１は、細孔およびスロート構造を示す開放セル構造の説明図を含む。特に、開放セル構造は、互いにつながった細孔を含む。細孔およびスロート構造は、第２の液体成分の液滴がきわめて近接して位置する場合に形成される。ポリマーマトリックスは、第２の液体成分の液体がきわめて近接している領域でスロートを形成する。

特定の例では、研摩材物品の空隙容積は、５０容積％から９８容積％、例えば、少なくとも約５０容積％の範囲である。例えば、研摩材物品の空隙容積は、少なくとも約６０容積％、例えば、少なくとも約６５容積％、少なくとも約７０容積％、またはさらに７５容積％程度以上であり得る。空隙容積は一般に、９８容積％以下、例えば、９６容積％以下である。ポリマーマトリックスに分散した砥粒と一緒のポリマーマトリックスは、研摩材物品の容積で、５０％以下、例えば、研摩材物品の４０％以下、３５％以下、３０％以下またはさらに２５％程度もしくはそれ未満を形成する。

さらに、研摩材物品は、少なくとも２．０ｍ^２／ｇの比表面積を有する。例えば、研摩材物品は、少なくとも３．０ｍ^２／ｇ、例えば、少なくとも３．５ｍ^２／ｇの比表面積を有し得る。

実施例１
ポリマー相内に分散されたダイヤモンド研摩材粒子を有する試料を調製する。この試料は、有機相ポリマーおよび水の内相を２０：８０有機：水の比で用いて調製する。有機相は、５ｍｌのポリ（エチレングリコール）ジメタクリレート（ＰＥＧＤＭＡ）をコベット（ｃｏｖｅｔ）中５ｍｌのスチレンに添加することによって調製する。この混合物にオレイン酸で湿らせたチタニア（＜１μｍ）を０．３ｇの量で添加し、この混合物にダイヤモンド粒（１〜２μｍ）を０．５ｇの量で添加する。混合物の入ったコベットを氷の入ったガラスビーカーに入れる。混合物を５０ＲＰＭの速度で１５分間撹拌する。

混合物をコベットから三つ口フラスコに移す。この三つ口フラスコに、ＡＩＢＮ開始剤を０．１５ｇの量で添加する。この混合物を５００ＲＰＭで２分間撹拌する。

ピペットを用いて水相を三つ口フラスコに滴下する。水相は、１０ｇのＣａＣｌ_２・２Ｈ_２Ｏを２５０ｍｌのＨ_２Ｏに添加することにより調製した溶液である。水相をこのフラスコに添加後に、撹拌速度を６００ＲＰＭに増加する。この乳濁液をプラスチックチューブに注ぎ入れ、７０℃で２４時間処理して、ポリマー成分を重合させる。

実施例２
ポリマー相内に分散されたダイヤモンド研磨材を有する試料を調製する。試料は、有機相ポリマーと水の内相を４０：６０の有機：水の比で用いて調製する。水相は、２０ｇのＣａＣｌ_２・２Ｈ_２Ｏを２５０ｍｌＨ_２Ｏに添加することによって調製する。

有機相は、４ｍｌのＨｙｐｅｒｍｅｒ、０．２ｇのＡＩＢＮ開始剤、および８ｍｌのスチレンをビーカーに添加することによって調製し、撹拌して第１の混合物を形成する。８ｍｌのポリ（エチレングリコール）ジメタクリレート（ＰＥＧＤＭＡ）を、０．８ｇのダイヤモンド粒子（１〜２μｍ）の入ったコベットに添加する。コベットを氷の入ったガラスビーカーに入れ、５０ＲＰＭで１５分間撹拌して、第２の混合物を形成する。第１の混合物および第２の混合物を三つ口フラスコに添加し、５０ＲＰＭで撹拌する。ピペットを用いて水相をこの三つ口フラスコに滴下する。撹拌速度を６００ＲＰＭに増加させる。

この乳濁液をプラスチックチューブに注ぎ入れ、乳濁液を７０℃で２４時間処理し、ポリマー成分を重合させる。

実施例３
表１に特定されたポリマー成分および微粒子（＜１μｍ）を表１に特定された空隙率を形成する量で用いて、試料を実施例２の方法と同様に調製する。ポリマー成分および微粒子は油相を形成する。実施例２に関して記載した水相を、特定された空隙率を生じる比率で用いる。

実施例４
上記のものを含む試料を、耐摩耗性を測定するために以下の方法を用いて試験する。さらに、Ｓａｉｎｔ−Ｇｏｂａｉｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手できる、ＢＸＬ６５５０およびＢＸＬ６２３Ｄと表示される２種の市販製品を試験する。試料を炭化ケイ素研摩紙で攻撃的に研削して、物質の（重量）損失および線損失を評価する。

試験方法は、実施例１、実施例２、または実施例３の試料１−１２に対応する、１．２５インチ×１．２５インチの試料をアルミニウム製試料ホルダーに入れることを含む。試料ホルダーを清浄にし、両面テープを試料ホルダーの表面全体に設置する。試料を両面テープ上に置き、試料ホルダーに押し込む。

６００グリットの炭化ケイ素紙を、Ｓｔｒｕｅｒｓ Ｒｏｔｏｐｏｌ−３１回転テーブル上に置く。アルミニウム製試料ホルダーを、Ｓｔｒｕｅｒｓ Ｒｏｔｏｆｏｒｃｅ−４回転ヘッド中に入れ、炭化ケイ素紙と接触するように調整する。１５０ＲＰＭの速度で、ヘッドを時計回りに回転させ、テーブルを反時計周りに回転させる。試料を５Ｎまたは１０Ｎの力で１０秒間研摩する。

耐摩耗性を測定するために、試料の重量損失を研摩前後で試料を秤量することによって測定する。さらに、厚さの減少を研摩前後で測定する。

図２および図３で例証したように、実施例２の試料の磨耗率は、ＢＸ６２３Ｄ製品のものと同じオーダーの重量損失および線損失（ｌｉｎｅａｒ ｌｏｓｓ）を示す。同様に、実施例３の試料１、２、３、および４は、同程度の、重量損失および線損失を示す。

一般説明または実施例における上記活性の全てが必要であるとは限らないこと、特定の活性の一部が必要でないことがあり得ること、および１つ以上のさらなる活性が記載されたものに加えて成され得ることに留意されたい。なおさらに、活性が列挙される順序は、必ずしもそれらが成される順序ではない。

前述の明細書において、概念は特定の実施形態に関連して説明してきた。しかし、当業者は、様々な変更および変化が、以下の特許請求の範囲で示されるとおりの本発明の範囲から逸脱することなく成され得ることを理解する。したがって、明細書および図面は、制限的な意味よりはむしろ例証的な意味で考えられるべきであり、このような変更の全ては、本発明の範囲内に含まれることが意図される。

本明細書で用いられる場合、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」または任意のこれらの変形は、非排他的な包含に及ぶことが意図される。例えば、特徴の列挙からなる工程、方法、物品、または装置は、必ずしもそれらの特徴のみに限定されず、明示的に列挙されないまたはこのような工程、方法、物品、または装置に固有でない他の特徴も含み得る。さらに、別に明示的に記載されない限り、「または（ｏｒ）」は、包含的な「または」をいい、排他的な「または」をいわない。例えば、条件ＡまたはＢは、以下のいずれか一つで満たされる：Ａは真であり（または存在しており）およびＢは偽である（または存在していない。）、Ａは偽であり（または存在しておらず）およびＢは真である（または存在している。）、ならびにＡおよびＢの両方が真である（または存在している。）。

また、「一つ（ａ）」または「一つ（ａｎ）」の使用は、本明細書で記載された要素および成分を記述するために用いられる。これは単に便宜上、および本発明の範囲の一般的意味を与えるために行われる。この記述は、１つまたは少なくとも１つを含むと読まれるべきであり、別に意味されることが明らかでない限り、単数形は複数形も含む。

利益、他の利点、および問題への解決策は、特定の実施形態に関して上記した。しかし、利益、利点、問題への解決策、および任意の利益、利点、または解決策を生じさせ、もしくはより顕著にさせ得る任意の特徴は、任意または全ての特許請求の範囲の決定的な、必要な、または必須の特徴と解釈されるべきではない。

本明細書を読んだ後に、当業者は、ある種の特徴は、明確にするために、本明細書で別個の実施形態の文脈で説明され、また単一の実施形態において組み合せて与えられ得ることを理解する。逆に、単一の実施形態の文脈で説明される様々な特徴は、簡単にするために、別個にまたは任意のサブコンビネーションでも与えられ得る。さらに、範囲で記載された値への言及は、その範囲内のそれぞれのおよびあらゆる値を含む。

Claims (15)

1. 研摩材物品を形成する方法であって、
   少なくとも１つの二重結合を有するモノマーを含むポリマー前駆体、および砥粒を混合して、第１の液体成分を形成する工程；
   前記第１の液体成分および第２の液体成分から乳濁液を形成する工程であって、前記第２の液体成分が前記第１の液体成分と実質的に不混和性である工程；および
   前記第１の液体成分の前記ポリマー前駆体を硬化させ、次いで、第２の液体成分を除去し、それにより、前記モノマーから重合したポリマーマトリックスを形成する工程
   を含む、方法。
2. 前記砥粒をカップリング剤で処理する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記カップリング剤が疎水性である、請求項２に記載の方法。
4. 前記ポリマー前駆体が熱的に硬化可能である、請求項１に記載の方法。
5. 前記ポリマー前駆体が、フリーラジカル重合によって重合可能である、請求項１に記載の方法。
6. 前記第１の液体成分が疎水性である、請求項１、４、および５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記ポリマー前駆体および前記砥粒を混合する工程が、少なくとも１０重量％の砥粒を混合する工程を含む、請求項１、４、および５のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記砥粒が、０．５μｍから６μｍの平均粒径を有する、請求項１、４、および５のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記ポリマー前駆体および前記砥粒を混合する工程が、ポリマー前駆体および砥粒と一緒に乳化剤を混合する工程を含む、請求項１、４、および５のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記ポリマー前駆体および前記砥粒を混合する工程が、ポリマー前駆体および砥粒と一緒に安定化剤を混合する工程を含む、請求項１、４、および５のいずれか一項に記載の方法。
11. 硬化させる工程が、前記乳濁液を化学線または熱エネルギーに曝露する工程を含む、請求項１、４、および５のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記乳濁液を形成する工程が、少なくとも６５容積％の第２の液体成分を有する乳濁液を形成する工程を含む、請求項１、４、および５のいずれか一項に記載の方法。
13. 研摩材物品であって、
    少なくとも１つの二重結合を含むモノマーから重合したポリマーマトリックス、および
    前記ポリマーマトリックス内に分散した砥粒
    を含み、少なくとも５０容積％の空隙容積を有する、研摩材物品。
14. 前記空隙容積が、少なくとも６５％である、請求項１３に記載の研摩材物品。
15. 前記砥粒が、０．１μｍから１００μｍの平均粒径を有する、請求項１３に記載の研摩材物品。

Images