行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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金屬基結合鑽石工具界面反應控制與性能提昇※
※ Enhancing the pr oper ties of metal-bonded diamond tools thr ough ※
※ contr olling the inter facial r eaction ※
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計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫 計畫編號：NSC 90－2216－E－011－049－
執行期間： 90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日
計畫主持人：林舜天 教授 共同主持人：
計畫參與人員：江衍坤、謝公仁
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位： 國立臺灣科技大學 機械工程研究所
中 華 民 國 91 年 10 月 31 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
金屬基結合鑽石工具界面反應控制與性能提昇
Enhancing the pr oper ties of metal-bonded diamond tools thr ough contr olling the inter facial r eaction
計畫編號：NSC 90-2216-E-011-049
執行期限： 90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日 主持人：林舜天 臺灣科技大學機械工程研究所 共同主持人：
計畫參與人員：江衍坤、謝公仁 臺灣科技大學機械工程研究 所
一、中文摘要
等高度與整正方形佈植的鑽石工具已被 廣泛認定為化學機械研磨技術中之新等級工 具。除了幾何結構外，鑽石顆粒與結合金屬 之間的結合力亦主宰了工具應用於化學機械 研磨之特性，兩者之接合界面需要形成一層 界面反應層，而此反應層之晶體成長行為則 決定了鑽石與結合金屬的接合強度，所以必 須研究其晶體成長機制，以便於掌控工具整 體的性質。以活性金屬合金作為鑽石顆粒的 硬銲材料已經被廣泛地使用，然而銲料之成 分變化相當大，粗略分析其中成分可以發現 這些合金主要分為兩大類。其一為活性金屬 微溶於金屬基地中，造成活性金屬元素會偏 析於晶界與鑽石及結合金屬之界面上。其二 為活性金屬元素與結合金屬中某成分共溶或 反應成另一介金屬組織，造成活性金屬除了 偏析在鑽於界面上，亦會以顆粒狀存在於結 合金屬中。這對於過剩之活性金屬元素有緩 衝之效，且結合金屬的機械與化學性能亦將 受其影響。以穿透式電子顯微鏡分析這兩類 結合金屬對於界面反應層的影響，並以實際 測試界面接合強度有助於結合金屬成分之設 計與製程的變化，藉此進行最佳化的設計。
關鍵詞：鑽石工具、矩陣形佈植、硬銲、活
性銲材、界面反應層Abstract
Grid-arrayed diamond tools having diamond grits protruding to the same height
have been widely recognized as the new tools for the grinding of polishing pads used in chemical mechanical planarization of silicon wafers. In addition to the geometrical arrangement of diamond grits, the interfacial bonding strength between the diamond grits and the bonding matrix controls the performance of such tools. An appropriate interfacial reaction layer must develop to enhance the bonding strength, which is dictated by the crystal growth behavior of this interfacial layer. Accordingly, the mechanism of crystal growth of this interfacial layer must be identified and manipulated, in order to optimize the performance of diamond tools.
Vacuum brazing has been widely applied to the bonding of diamond grits to metallic substrates, wherein various alloys have been used as the brazing alloys. However, these alloys can be divided into two groups. The first group consists of alloys containing an active element in which the active element has a very low dissolved concentration in the primary constituents. After brazing, the active element either segregates to the interfaces between the diamond grits and the bonding matrix or to the grain boundaries of the bonding matrix. The second group consists of alloys containing an active element in which the active element can dissolve into or form intermetallic phases with at least one of the primary constituents of the bonding matrix. Not only the interfaces between the diamond grits and the bonding matrix are the sinks for the active element, but also the bonding matrix. The bonding matrix becomes the additional sink for the active element and thus inherits the merit of behaving
1
as a buffer matrix for the excessive active element. The mechanical and chemical properties of tools will be greatly altered. The main goals of this proposed study are to investigate the mechanism of the grain growth of the interfacial layers using transmission electron microscope and to test the interfacial bonding strength when the above mentioned two groups of brazing alloys are used. It is expected that the composition of the brazing alloy and the process variables can be optimized through this study.
Keywords: diamond tool, grid-arrayed
implantation, brazing, active brazing alloy, interfacial reaction layer二、緣由與目的
在機械加工中，鑽石工具一向扮演著移 除極硬材料的角色。從傳統加工中的石材、
超硬材料的切割及研磨，到高科技產業的電 路板鑽孔及切削、矽晶圓(Silicon Wafer) 及 元 件 (Device) 的 切 割 、 化 學 機 械 研 磨 (Chemical Mechanical Polishing, CMP)中 的 研 磨 墊 (Polishing Pad) 的 削 銳 (Conditioning)等領域的應用，鑽石工具使 用的範圍可說是非常的廣泛。
鑽石工具使用的場合主要以鑽石顆粒等 級 、 濃 度 (100% = 4.4carat /cm
3
, 10% = 0.44carat/cm3
)、顆粒大小、結合介質及製 造的方式來決定其使用的特性[2,3]
。由於基 材對鑽石顆粒的抓持力大小會直接影響到工 具的使用壽命，因此近年來工業界對鑽石工 具增加使用年限的研究，已經由鑽石顆粒本 身的機械性質逐漸轉移到鑽石顆粒與基材間 的界面分析。目前全世界已有相當多的學術 及業界研究單位投入了這個領域。鑽石顆粒與基材金屬的結合，大致可以 分為兩種形式。其一為物理性的鍵結接合，
另一則為化學性的鍵結接合
[4]
。物理性接合 的特徵為基材與鑽石顆粒是以物理力的形式 將鑽石顆粒鑲住，並以熱脹冷縮所產生的熱 應力使之接合，或以基材金屬不斷地堆積而 把鑽石顆粒穩固地抓住。另外，化學性鍵結 的接合方式是利用活性金屬與鑽石顆粒的化學反應，在金屬銲材與鑽石顆粒的界面形成 化合物，也就是在顆粒表面生成一層碳化物 的薄膜，藉此薄膜來增強基材與鑽石顆粒間 的接合強度
[4,5,6]
，並以這層碳化物來減輕鑽 石顆粒與基材結構間不相稱的鍵結與熱膨脹 係數等問題[7]
。本實驗所使用之 Cu 10Sn- 15Ti 合金銲料粉末在經過真空硬銲後，將 與鑽石顆粒因擴散而形成碳化鈦之界面反應 層，此碳化物層將與兩側之鑽石和銲材具有 化學性的強大鍵結力，以避免工具在應用時 整顆鑽石被意外拔出(Pull Out)。本研究將對表面單層塗佈鑽石工具之活 性金屬真空硬銲法製作的相關參數，以及鑽 石顆粒與金屬銲料的界面反應層之基本性質 與反應層厚度作一微觀的分析與量測。
三、結果與討論
3.1 硬銲溫度對銲材硬度及微觀結構的影響 本實驗所選用的銲料為以氬氣汽噴造粒 之 銅 、 錫 、 鈦 混 合 粉 末 ， 其 含 量 分 別 為 75:10:15(wt%)，由掃描式電子顯微鏡及粒徑 分析的觀察中可知合金銲料的粉末粒徑大小 多在 5 至 100ìm 之間，而粒徑平均值為 24ìm，呈現出的粉末型態也都為完整的球 型。實驗中將銲料粉末以 19:1(wt.%)的比例 與合成樹脂均勻混合並輥軋成 130ìm 厚的 薄層，其中的合成樹脂依據前導實驗的熱分 析結果得知當溫度達到 180℃時開始有重量 的損失，隨著溫度以每分鐘 10℃的升溫速 率逐漸升高，重量損失的速率也快速地增 加，直到溫度達 282℃時合成樹脂的重量損 失達到百分之百，也就是完全揮發殆盡。
依據對合成樹脂進行熱分析的結果，本 實驗在前段揮發有機黏結劑的升溫方式是先 以每分鐘 10℃的速率升高至 250℃，之後在 250℃持溫 1 小時，使合成樹脂在銲料薄層 表面的揮發速率能與內部樹脂經孔道擴散至 表面的速率達到平衡，以避免脫脂的速率過 快而使銲料層產生空孔與冒泡的缺陷。在脫 脂完全後，同樣施以每分鐘 10℃的升溫速 率加溫至特定的硬銲溫度進行真空硬銲。本 實驗所選擇的硬銲溫度分別為 925、935 及 950℃，並在到達特定硬銲溫度後同樣都持 溫 5 分鐘，待爐冷後取出試片並立刻對銲材
進行硬度的量測，測量結果如表 1 所示。
表 1. 不同硬銲溫度之銲材硬度測試值 硬銲溫度 Hv(kgf/mm2) HRC
925℃ 255.1 23.1 935℃ 238.8 20.1 950℃ 253.6 22.9
鋼質基材硬度值(Hv): 168.5
另外，本實驗也同時對硬銲處理前的金 屬粉末及硬銲處理後的合金銲料層進行 X 光 繞射的結構分析，結果如圖 2 所示。
由 X 光繞射分析可知本實驗所使用的 Cu-10Sn-15Ti 銲料在 高溫硬 銲前 有元 素銅 (Cu) 、 元 素 鈦 (Ti) 以 及 錫 鈦 的 合 金 化 合 物 (Sn
3
Ti5
、Sn5
Ti5
)，而在硬銲處理之後銅(Cu) 及 少 量 的 鈦 (á-Ti) 依 然 是 以 元 素 的 型 態 存 在，但錫鈦的化合物種類就變得更為複雜。除 了 原 本 就 在 於 合 金 粉 末 中 的 Sn
3
Ti5
、 Sn5
Ti5
之外，另外在高溫處理的過程中還形 成了 SnTi2
、Sn5
Ti6
、Sn3
Ti 等新的化合物相 存在於銲料結構之中，以掃描式電子顯微鏡 及金相顯微鏡對硬銲處理後的銲料層作觀 察，發現這些錫鈦的化合物大致是以均勻的 分佈形式遍佈於銲料之中，而銅則是在硬銲 處理過程中不參與錫鈦間的合金反應，皆是 以純銅的型態佔據了大部分的位置並成為銲 料的主體。上述硬銲過程中所發生的化學反應產物 在三種不同硬銲溫度的處理下都是相同的，
這也解釋了當銲料經過 925、935 及 950℃
的硬銲處理後，其硬度值是相差不大的。
圖 2. 硬銲前(上)、後(下)金屬銲料 XRD 圖譜
3.2 不同硬銲溫度對鑽石顆粒突出量的影響 由於所選用的 Cu 10Sn-15Ti 銲料在高溫
[11]
下會逐漸融熔(熔點為 878℃)，而使銲層 上方的鑽石顆粒隨著表面張力與重力的作用 而下沉，因此硬銲的溫度直接決定了鑽石顆 粒的突出量，也就是鑽石工具的切削或排屑 能力的關鍵。本實驗選定了 925、935 及 950℃三種硬 銲溫度進行鑽石顆粒突出量的評估，結果如 圖 3 所示。
(a) (b) (c)
圖 3. 硬銲試片橫斷面(a)925℃(b)935℃(c)950℃硬銲處理
以掃描式電子顯微鏡對每個試片進行 8 個以上的鑽石顆粒斷面觀察後，發現以 925
℃及 935℃進行硬銲處理均可將鑽石顆粒外 露約 1/3 的突出量，而將硬銲溫度提昇至 950℃時，觀察到的鑽石顆粒就有一半以上 會被銲材完全包覆而沒有外露。
3.3 不同硬銲溫度下鑽石顆粒與硬銲金屬之 反應界面層分析
本研究以鈦為銲料中的活性金屬來對鑽 石顆粒進行真空硬銲處理。過程中銲料與鑽 石顆粒的原子會因高溫環境克服移動所需的 活化能而進行擴散，並且會藉由彼此相互間 的擴散而發生化學性的鍵結，亦即在鑽石顆 粒與金屬銲材的界面上形成一層緻密的碳化 物(TiC)薄層。此碳化物薄層形成之後其薄 層本身就會成為兩側原子繼續擴散的一層阻 障，使彼此原子不易再進行擴散
[12,13]
，也正 因這碳化物薄層對原子繼續擴散的阻障效應 (Barrier Effect)，使得在界面上會有大量的鈦 原子堆積，而讓界面上的鈦含量高於其它位 於銲料上的地區。實驗中針對鑽石顆粒與銲材的反應界面 層之化學組成分析，首先是以能量分佈光譜 (EDS)分別對顆粒本身、合金銲材及界面反 應層進行分析，再以同一試片進行五次線掃 描(line-scanning)並取得其平均值，藉此初步 評估反應界面層的厚度。結果如圖 4,5 所 示。
3
(a)(b)
(c)
圖 4. EDS 分析(a)鑽石顆粒(b)合金銲料(c)反應界面層
6 7 8 5 4 3 2 1
Brazing Layer
Substrate Diamond Grit
(a)
(b)
圖 5. 925℃硬銲處理試片線掃描分析(a)量測點示意圖(b) 元素分布曲線圖
表 2. 925℃硬銲處理試片線掃描之各元素含量
1 2 3 4 5 6(界面) 7 8
C 88.
3 81.
7 91.
8 89.
4 85.
5
17.0 1.3 0.8
Cu 3.1 1.4 0.9 0.3 3.0 43.7 68.
5 72.
8 Sn 0.2 0 1.9 0.1 1.1 9.1 7.3 4.0 Ti 1.9 0.9 3.5 0.6 1.8 21.1 16.
3 16.
9 Other 6.6 16.
0
2.0 9.6 8.6 9.1 6.6 5.6
由能量分佈光譜及線掃描(line-scanning) 分析結果可知，鑽石顆粒與銲材間的界面反 應層會有較平均值為多的鈦原子群聚於此，
並且有其中的一部份與鑽石的碳原子形成碳 化鈦薄層，另一部份則是和錫形成複雜的化 合物。依分析結果判斷，此界面反應層的厚 度應在 5ìm 左右。
此外，本實驗也以電子探微儀對鑽石顆 粒與銲材之反應界面層進行元素分佈的分 析，結果如圖 6,7,8 所示。
(a) (b)
(c) (d)
圖 6. 界面反應層之 EPMA 元素分析(硬銲溫度: 925℃)(a) 二次電子影像(b)鈦元素分佈圖(c)碳元素分佈圖(d) 銅元素分佈圖
(a) (b)
(c) (d)
圖 7. 界面反應層之 EPMA 元素分析(硬銲溫度: 935℃) (a) 二次電子影像(b)鈦元素分佈圖(c)碳元素分佈圖(d) 銅元素分佈圖
(a) (b)
(c) (d)
圖 8. 界面反應層之 EPMA 元素分析(硬銲溫度: 950℃) (a) 二次電子影像(b)鈦元素分佈圖(c)碳元素分佈圖(d) 銅元素分佈圖
由圖 6,7,8 之(b)圖所示，在鑽石顆粒與銲 材之反應界面層上，確實如同能量分佈光譜 及元素線掃描分析所顯示之結果，也就是會 有高於平均量的鈦原子會聚集在鑽石顆粒的 周圍，而依據圖 6(b)之影像可得知當硬銲溫 度為 925℃時，碳化物界面層之厚度介於 4 至 5ìm 之間，且為連續的型態存在
[8,10,13]
。當硬銲溫度提升為 935℃時，鈦原子群聚於 鑽石顆粒周圍的現象也是與圖 6(b)相似，可 是由圖 7(b)的影像中發現碳化物界面層的厚 度已經變厚為 8 到 10ìm。此外，碳化物界 面層的厚度隨硬銲溫度升高而增加的現象，
在圖 8(b)的影像中也能再一次地得到證實。
如圖 8(b)所示，當硬銲溫度為 950℃時，碳 化物界面層的厚度更是明顯地增加到 20ìm 以上。但不論硬銲溫度為 925、935 或 950
℃，碳化物界面層均是以連續不中斷的型態 存在於鑽石顆粒的周圍
[14,15]
。另外，根據圖 6,7,8 之(b)、(d)影像所顯 示之界面反應層，鈦原子與銅原子彼此是以 一種相互競爭的存在型態，也就是在鈦原子 明顯群聚的區域銅含量就會明顯減少，相反 地在銅原子大量聚集的區域中鈦含量就會明 顯偏低，並且分析中發現合金銲料中錫元素 的 存 在 位 置 都 與 鈦 元 素 相 似 ， 亦 即 如 同 XRD 分析結果所顯示錫原子不論是在硬銲 處理前後，都是以與鈦結成化合物的型態存 在。
在計畫成果自評部份，請就研究內容與 原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究 成果的學術或應用價值、是否適合在學術期 刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價 值等，作一綜合評估。
四、計劃果自評
本計劃成功的以真空硬銲的方法提升金 屬基所結合鑽石工具之性能，並對其進行一 系列之微觀界面層分析，其結果除已著手申 請專利之外，也非常適合發表在學術期刊 上。
五、參考文獻
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