具有表面修饰的超研磨颗粒的超研磨工具及其相关方法

专利名称：具有表面修饰的超研磨颗粒的超研磨工具及其相关方法
技术领域：
本发明主要是关于研磨(abrading) —工件的装置和方法。因此，本发明有关于化学和材料科学领域。
背景技术：
许多工业使用如化学机械抛光(CMP)装置的研磨工具来抛光各种工件，特别是电 脑制造产业大量仰赖CMP制造方法来研磨陶瓷、硅、玻璃、石英及金属的晶片。这种研磨制 造方法通常需要将晶片抵靠在由诸如聚胺基甲酸酯(polyurethane)的耐久性有机物质制 成的旋转研磨垫上。使用含有能够破碎晶片物质的化学品的化学研磨浆以及一定量的研磨 颗粒，以物理性方式侵蚀晶片表面。将研磨浆持续地加至旋转的CMP研磨垫上，且施加在晶 片上的双重力(化学性与机械性)能使晶片得以其所需的方式被研磨。研磨颗粒在整个研磨垫上的分布为达成研磨品质的重要因素。研磨垫的顶部通过 纤维或小孔固持这些颗粒，这些纤维或小孔提供摩擦力，其足以防止这些颗粒因着研磨垫 的旋转运动所产生的离心力而被甩出该研磨垫。因此，尽可能保持研磨垫的顶部的弹性，尽 可能保持纤维直立，且确保具有足够的开孔以容纳新施用的研磨颗粒是相当重要的。然而，在维持研磨垫表面方面会发生的一问题是来自工件、研磨浆及研磨垫修整 器的研磨碎屑的累积。此累积会导致研磨垫顶部“釉化(glazing)”或变硬，而使纤维缠 在一起，因此使研磨垫表面较不能固持研磨浆的研磨颗粒。此等效应显著地降低研磨垫的 总体研磨效能。此外，在许多研磨垫的使用情况下，用来固持研磨浆的孔会被堵塞，且研磨 垫的研磨表面整体的粗糙度下降且变得杂乱。CMP研磨垫修整器可通过“梳理(combing)” 或“切割(cutting)”来恢复研磨垫表面。此制造方法已知为“修整(dressing)”或“调整 (conditioning)”该CMP研磨垫。许多类型的装置及制造方法已经用于此目的。一个这样 的装置为结合具有多个超硬结晶颗粒(诸如钻石颗粒)至金属基材表面的圆盘。超大规模集成电路(ULSI)是一种放置至少一百万个电路元件在单一半导体晶片 上的技术。除了已存在的极大的密度问题外，目前尚有朝向尺寸缩小的倾向，ULSI无论在 尺寸或材料上都变得比以前更为精密。因此，CMP产业需要通过研磨材料与科技的配合以 适应这些进步。例如，CMP研磨压力越低，则在研磨液中的研磨颗粒越小，且必须使用尺寸 及性质不能过度研磨晶片的研磨颗粒。再者，还必须使用能通过较小的研磨颗粒切割抛光 垫上的粗糙部份，且不会过度修整该抛光垫的抛光垫修整器。提供这种研磨垫修整器产生许多问题。第一，超研磨颗粒一定要明显小于那些一 般用于目前已知的修整操作的颗粒。一般而言，超研磨颗粒非常小，以致于传统金属基质常 常不适合用于保留及固定超研磨颗粒；再者，超研磨颗粒的较小尺寸需要颗粒尖端的高度 精确地对准，以一致地修整该修整垫。传统CMP研磨垫修整器可具有大于50 μ m变化的颗 粒尖端高度，而不会危及到修整的效能。然而，如果该修整器需要修整CMP研磨垫，且达成 例如20 μ m或更小的均勻表面粗糙度，则这种改变将会使得修整器无法使用。除了适当地支撑非常小的超研磨颗粒的问题之外，金属在加热过程中会趋于弯曲及皱折，导致当CMP抛光垫修整器的超研磨颗粒尖端容忍范围相当窄小时会产生额外的问 题。当其他基质材料如已知的高分子树脂，无法保存足以适用于CMP抛光垫修整器的数量 程度的超研磨颗粒。因此，目前仍在寻找适合修整应用于半导体尺寸日渐缩小的CMP产业中的CMP研 磨垫的CMP修整器。

发明内容
因此，本发明提供超研磨工具以及制造和使用的相关方法。例如，在一实施方式中 提供一超研磨工具，其具有增进的超研磨颗粒保持度，这种工具包括基质层以及保持在该 基质层并从该基质层突出的多个超研磨颗粒，由此多个超研磨颗粒接触该基质层的表面被 粗糙化，而具有大于约1微米(micron)的RA值。在一些实施方式中，该被粗糙化的表面可 增进多个超研磨颗粒在基质层中的保持度。在另一实施方式中，该多个钻石颗粒被粗糙化 的表面具有从约2微米至约10微米的RA值。各种基质层皆能使用于保持该多个超研磨颗粒。例如在一实施方式中，该基质层 为树脂层。能考虑各种树脂层，非限制性的范例包括胺基树脂(amino resins)、丙烯酸酯树 月旨(acrylate resins)、醇酸丰对月旨(alkydresins)、聚酉旨丰对月旨(polyester resins)、反应性 聚氨酯树脂(reactive urethaneresins)、酚醛树脂(phenolic resins)、酚醛/乳胶树脂 (phenolic/latex resins)、环氧丰对月旨(epoxy resins)、异氛酸丰对月旨(isocyanate resins)、 异氰酸酯树脂(isocyanurate resins)、聚硅氧烷树脂(polysiloxane resins)、反应性 乙烯基_对月旨(reactive vinyl resins)、聚乙烯_对月旨(polyethylene resins)、聚丙烯丰对 月旨(polypropylene resins)、聚苯乙j；希丰对月旨(polystyrene resins)、苯氧基丰对月旨(phenoxy resins)、二蔡嵌苯丰对月旨(perylene resins)、聚pi丰对月旨(polysulfone resins)、丙;I；希月青一丁 二j；希一苯乙j；希丰对月旨(acrylonitrile—butadiene—styrene resins)、丙j；希酸丰对月旨(acrylic resins)、聚碳酸酯树脂(polycarbonate resins)、聚亚酰胺(polyimide resins)及其混合 物。在一特定实施方式中，该树脂层为环氧树脂。在另一特定实施方式中，该树脂层为聚碳 酸酯。在又一特定实施方式中，该树脂层为聚亚酰胺树脂。各种超研磨材料可考虑用于本发明。例如在一实施方式中，该多个超研磨颗粒包 括如钻石、立方氮化硼以及其组合物的材料。在一特定实施方式中，该多个超研磨颗粒为钻石。本发明额外提供制造超研磨工具的方法。例如在一实施方式中提供制造具有增 进的超研磨颗粒保持度的超研磨工具的方法，这种方法包括粗糙化超研磨颗粒的表面至RA 值大于约1微米(micron)；将该多个超研磨颗粒放置在基质前驱物中；以及固化该基质前 驱物成为一基质层，以使得多个超研磨颗粒保持并突出于该基质层，由此，该被粗糙化的多 个超研磨颗粒表面可增进该多个超研磨颗粒于该基质层中的保持度，比粗糙化之前的超研 磨颗粒保持度更佳。任何粗糙化超研磨颗粒表面的技术皆能考虑为本发明的范畴。例如在一实施方式 中，粗糙化这些表面包括氧化这些表面；在另一实施方式中，粗糙化这些表面包括蚀刻这些 表面；在钻石超研磨颗粒的情况中，粗糙化这些表面的一实施方式包括将钻石材料沉积于 该多个超研磨颗粒的表面上。
除此之外，各种超研磨材料皆能考虑使用于本发明各实施方式中的装置和方法。 例如在一实施方式中，这些多个超研磨颗粒包括钻石、立方氮化硼以及其组合物。在另一实 施方式中，该多个超研磨颗粒包括钻石。再者，能够考虑在依照本发明的实施方式的超研磨装置的制造方法中使用各种 “逆浇铸(reverse casting)”法。例如在一实施方式中，设置多个超研磨颗粒于该基质前 驱物中且固化该基质前驱物成为基质层，进一步包括提供具有工作表面的临时基板；提供 一间隔层至该临时基板的工作表面；以及设置该多个超研磨颗粒至少部分于该间隔层中， 以使得该多个超研磨颗粒至少部分从该间隔层相对于该临时基板的一侧突出。该方法额外 包括施加该基质前驱物至该间隔层相对于该临时基板的工作表面的一侧；固化该基质前驱 物成为该基质层；将临时基板从该间隔层移除；以及将该间隔层从该基质层移除。除此之外，能考虑各种提供该间隔层的技术。例如在一实施方式中，提供一间隔层 包括施加该间隔层至该临时基板的工作表面，以及紧压该多个超研磨颗粒至该间隔层中。 在另一实施方式中，施加一间隔层包括沿着该临时基材的工作表面设置多个超研磨颗粒以 及紧压该间隔层至这些多个超研磨颗粒上，以使得该超研磨颗粒至少部分设置于该间隔层 中。因此，本发明仅描述一个初步、广大的概念以及各种的特色，故在接下来的详细 说明中可更进一步地理解，并且在本领域所做的贡献可能会有更佳的领会，而本发明的其 他特征将会从详细说明及其附图和权利要求书中变得更为清晰，也可能在实行本发明时得 知。


图1是依据本发明一实施例埋设于基质层的超研磨颗粒的剖视图。图2是依据本发明一实施例设置于临时基材的超研磨颗粒的剖视图。图3是依据本发明一实施例设置于临时基材的超研磨颗粒的剖视图。图4是依据本发明一实施例设置于临时基材的超研磨颗粒的剖视图。图5是依据本发明一实施例设置于树脂层的超研磨颗粒的剖视图。图6是依据本发明一实施例一组显示钻石颗粒的表面粗糙性的SEM显微照片。图7是依据本发明一实施例一组显示钻石颗粒的表面粗糙性的SEM显微照片。图8是依据本发明一实施例一组显示钻石颗粒的表面粗糙性的SEM显微照片。主要元件符号说明(12)超研磨颗粒(14)基质层
(16)粗糙化的表面(22)间隔层
(24)工作表面(26)临时基材
(28)超研磨颗粒(32)压掣物
(52)树脂材料(54)模具
具体实施例方式定义以下是在本发明的说明及权利要求书中所出现的专有名词的定义。
单数型态字眼如“一”和“该”除非在上下文中清楚明白的指示为单数，不然这些 单数型态的指称亦包括多个对象。因此，举例来说，如“一颗粒”包括一个或多个这种颗粒， 如“该树脂”包括一个或多个这种树脂。在此所述的“树脂(resin) ”是指有机化合物的半固体或固体复合非晶混合物，其 中“树脂层(resin layer) ”是指有机化合物的半固体或固体复合非晶混合物层。在一实施 方式中，该树脂是由一个或多个单体经聚合反应而形成的聚合物或共聚合物。在此所述的“超硬(superhard)，，与“超研磨(superabrasive) ”可互换使用，且是 指维氏硬度(Vicker’s hardness)大约4000Kg/mm2或更大的结晶或多晶材料，或此等材料 的混合物。此等材料可包括但不限于钻石及立方氮化硼(cBN)，以及于所属技术领域中普通 技术人员已知的其他材料。虽然超研磨材料呈现强烈的惰性，因此难以与其形成化学键，但 是已知如铬及钛的特定反应元素能够在特定温度下与超研磨材料起化学反应。在此所述的“颗粒(particle) ”，在结合超研磨材料使用时是指此材料的颗粒形 式。此等颗粒或粒可呈多个种形状(其包括圆形、长椭圆形、正方形、自形等)以及许多特 殊的网目尺寸(mesh size)。如此项技术中已知，“网目(mesh) ”是指每单位面积的孔洞数 目如同美国筛孔一般。在此所述的“Ra值”是指通过尖端以及邻近凹谷的高度差的测量所得的表面粗糙 度的量。再者，“Rmax”是指通过最高的尖端以及最低的凹谷的高度差测量所得的表面粗糙 度的量。在此所述的“自形的(euhedral) ”是指具其特有形状的(idiomorphic)或具有不 可改变的自然形状，其含有自然的结晶面(crystallographicfaces)。在此所述的“基材(substrate) ”是指支撑研磨颗粒的CMP抛光垫调整器的一部 份，而该研磨颗粒可贴附于其上。本发明所用的基材可为任何形状、厚度或材料，其可用足 以让一工具达成所欲达到的目的的方式承载研磨颗粒。基材可为固体材料、粉末材料(加 工后成为固体)或可挠性材料(flexible material) 0典型基材的例子包括但不限制于金 属、金属合金、陶瓷、聚合物及其混合物。在此所述的“金属(metal)”是指一金属或包含两个或多个金属的合金。于所属技 术领域中的普通技术人员能知道各种金属或金属材料，例如铝、铜、铬、铁、钢、不锈钢、钛、 钨、锌、锆、钼等，且包括其合金和化合物。在此所述的“陶瓷(ceramic) ”是指一硬的、通常为晶体且实质上具有抗热性与抗 腐蚀性的材料，其是由非金属材料(有时为金属材料)烧制而成。许多氧化物、氮化物与碳 化物材料被视为陶材已是所属领域的普通技术人员所了解的，包括但不限制在氧化铝、氧 化硅、氮化硼、氮化硅以及碳化硅、氮化钨等。在此所述的“化学键(chemical bond) ”与“化学键结(chemicalbonding) ”可互换 使用，且是指主要通过摩擦力形成在二物体或二层状结构之间的键合(bond interface) 0 在一些情形中，两相结合的物体间的摩擦力可通过二物体间的接触面积扩大或通过其他特 定的几何或物理的迫紧结构(实质上以一物体围绕另一物体)而增加。在此所述的“非晶质硬焊”是指具有非结晶结构的均勻态硬焊组成。此合金实质 上没有共熔相(加热时会产生不一致地熔融)，虽然准确的合金组成难以确认，但这里所用 的非晶质硬焊在一狭窄的温度范围中存在有实质上一致的熔融行为。
在此所述的“合金”是指一金属与一第二金属的固体或液体混合物，该第二金属可 为非金属(如碳)、金属或可增进该金属性质的合金。在此所述的“硬焊合金(braze alloy) ”和“硬焊的合金(brazing alloy)”可相 互替换，其是指金属合金能够以化学键结于超研磨颗粒，并键结于基质支撑材料或基板， 以便实质上连接二者。揭露于此的特别的硬焊合金成份与组成并不限制在随即要提及的 特别的实施例中，而是可以应用在本发明的任何实施例中。在一实施方式中，“硬焊合金 (brazealloy) ”是指含有足够量的反应元素的合金，可在合金与超研磨颗粒之间形成化学 键，该合金可为具有以反应元素作为溶质的金属载体溶剂的固体或液体溶液。在此所述的“硬焊(brazing) ”程序是指在超研磨颗粒的碳原子以及硬焊材料之间 化学键的产生。再者，该“化学键”是指共价键，如碳化物或硼化物键，而非机械的或较微弱 的原子间吸引力，因此，当“硬焊”用于结合超研磨颗粒时，真实的化学键就会形成。然而， 当“硬焊”被用于结合金属与金属键结，该用语是用于更传统的冶金结合的意义。因此硬焊 工具前趋物至一工具本体并不需要碳化物形成物的存在。“实质地”指的是步骤、特性、性质、状态、结构、项目或结果的完全、接近完全的范 围或程度。例如，一个“实质上”被包含的对象是指该目的是完全包含或接近完全包含。而 离绝对完全确实可允许的偏差可在不同情况下依照特定上下文来决定。然而，通常来说接 近完全就如同获得绝对或完整的完全具有相同的总体结果。所用的“实质上地”在当使用 于负面含意亦同等适用，以表示完全或接近完全缺乏步骤、特性、性质、状态、结构、项目或 结果。举例来说，一“实质上没有”颗粒的组成可为完全缺乏颗粒，或者非常近乎完全缺乏 颗粒，而其影响会如同完全缺乏颗粒一样。换句话说，一“实质上没有”一成分或元素的组 成只要没有可测量到的影响，可实际上依然包含这样的物质。“大约”是通过提供一个可在边界值“高一些”或“低一些”的数值，以用于提供一 数值范围的边界值的弹性。这里所述的多个物品、结构元件、组成元素和/或材料，基于方便可出现在一般的 常见列举中，然而这些列举可解释为列举中的单一构件单独或个别地被定义，因此，这样列 举中的单一构件不能视为任何单独基于在一般族群中无相反表示的解释的相同列举中实 际上相等的其他构件。浓度、数量以及其他数值上的资料可是以范围的形式来加以呈现或表示，而需要 了解的是这种范围形式的使用仅基于方便性以及简洁，因此在解释时，应具有相当的弹性， 不仅包括在范围中明确显示出来以作为限制的数值，同时亦可包含所有个别的数值以及在 数值范围中的次范围，如同每一个数值以及次范围被明确地引述出来一般。例如一个数值 范围“约1到约5”应该解释成不仅仅包括明确引述出来的大约1到大约5，同时还包括在 此指定范围内的每一个数值以及次范围，因此，包含在此一数值范围中的每一个数值，例如 2、3及4，或例如1-3,2-4以及3-5等的次范围等，也可以是个别的1、2、3、4和5。此相同原 则适用在仅有引述一数值的最小值或最大值的范围中，再者，这样的阐明应该能应用在无 论是一范围的幅度或所述的特征中。本发明本发明提供超研磨工具，包括其使用和制造的方法。超研磨工具的制造和使用在 一些情形中是有问题的，这是因为超研磨颗粒在工具基质中的保持度，以及与材料在制造这种工具经常所需的高温中运作时产生的内部问题。该发明人发现在基质层中的超研磨颗 粒的保持度能够通过粗糙化该超研磨颗粒接触基质层的至少一表面而有增进的效果。粗糙 化的表面区域越大，超研磨颗粒在基质中的保持率就越大。因此在一实施方式中，超研磨颗 粒接触该基质层的所有区域能被粗糙化。除此之外，在其他实施方式中，此增进的保持度使 得材料能被用于制造这种因高温而无法制造的工具。应该了解的是，粗糙化该超研磨颗粒的表面能具有除了保持度之外的优点，例如， 这种粗糙化的表面能增进该工具在工件上的切割作用。在CMP抛光垫修整器的情形中，粗 糙的超研磨颗粒倾向于更有效地切割该抛光垫，而非使该超研磨颗粒周围的抛光垫变形， 在一些情形中具有平滑的钻石尖端。这些被粗糙化的超研磨颗粒具有小的突出物，其可更 有效地切割软性CMP抛光垫，因此该CMP抛光垫的修整速率是随着超研磨颗粒的表面区域 的增加而增加的。在本发明的一实施方式中提供具有增进超研磨颗粒保持率的超研磨工具，这种工 具包括一基质层以及保持且突出于该基质层的多个超研磨颗粒，该多个超研磨颗粒与基质 层接触的表面被粗糙化而具有大于约1微米(micron)的RA值，这些被粗糙化的表面增进 该多个超研磨颗粒在该基质层中的保持度。重要的是此用语“超研磨工具(superabrasive tool)”不仅是指功能性超研磨工具，亦可为后续要结合于支撑结构的工具前趋物以形成功 能性超研磨工具。图1是显示埋设于一基质层14中的超研磨颗粒12，该超研磨颗粒12具有至少一 粗糙化的表面16，其与该基质层14接触，因此该(这些)粗糙化的表面16比未经如此粗糙 化过程的相对平滑且钝的超研磨材料表面更能提供与基质层14更增进机械键结。各种超研磨材料为所属技术领域中的普通技术人员所知悉，且能了解的是本发明 的范畴包括所有这样的材料。例如一些这种材料包括天然和合成的钻石、立方氮化硼、碳化 硅等。在一特定实施方式中，多个超研磨颗粒包括钻石。除此之外，超研磨颗粒包括各种形 状，可能形状的非限制性范例包括自形、八面体、立方八面体等。在一实施方式中，该超研磨 颗粒为单晶超研磨颗粒。如上所述，各别粗糙化该多个超研磨颗粒至少一部分能增进保持度。一超研磨颗 粒任何数量的面或任何数量的表面区域皆可被粗糙化。例如在一实施方式中，该超研磨颗 粒的至少一面被粗糙化；在另一实施方式中，一超研磨颗粒的所有面皆被粗糙化；在又一 实施方式中，一超研磨颗粒的至少接触基质层的这些面被粗糙化；又于另一实施方式中，一 超研磨颗粒的至少实质上所有与该基质层接触的表面区域被粗糙化。该超研磨颗粒表面被粗糙化的程度不一，在很多情形中是依照特定的超研磨材料 以及用于粗糙化该材料的技术而定。然而在一实施方式中，该超研磨表面能被粗糙化至大 于约1微米(micron)的RA值；在另一实施方式中，该超研磨表面能被粗糙化至从约2微米 (micron)至10微米的RA值。各种技术皆能被考虑以有效地粗糙化一超研磨颗粒，包括氧化、蚀刻或加入超研 磨材料至该超研磨颗粒的表面的技术。很多氧化技术都是可能的，且其应了解任何能够粗 糙化研磨材料的氧化技术皆能可考虑在本发明的范畴中。例如在一实施方式中，该超研磨 颗粒表面能够通过于空气中加热该超研磨颗粒而能够被粗糙化，此技术一个可能的缺点在 于需要在高温(约900°C)且于空气中氧化超研磨料，如钻石。在这种高温中，出现于钻石中的包覆体内的金属触媒会导致钻石逆转变成石墨，因此有可能产生微破裂(microcracks)， 而弱化该晶体的结构。在环境(具有高氧气压力)中氧化该超研磨颗粒能让超研磨料的表 面于较低的温度下产生氧化，而避免晶格的可能弱化。该超研磨颗粒能在其他气体或液体 试剂(如水蒸气、臭氧、等离子体、一氧化碳、氮化钾的熔融盐、氢氧化物、高锰酸盐等)中被 氧化，以减少反应的氧化温度。在另一实施方式中，蚀刻技术能用于粗糙化该超研磨颗粒的表面。例如，能使用触 媒于高压下蚀刻钻石，以转换该钻石面成石墨，由此足以粗糙化该表面。适合的触媒的非限 制性范例包括铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)、猛(Mn)等。在又一实施方式中，一超研磨颗粒能通过将结晶材料添加至超研磨料的表面而被 粗糙化。例如在钻石超研磨颗粒的情况中，碳原子能沉积至该表面以形成粗糙化的“碰撞 (bumps) ”，因此足以增加该表面的RA值。在一特定的实施方式中，钻石能通过于氢气中被 稀释的甲烷的热分解而以CVD沉积，这种沉积能在该超研磨表面上同质磊晶地形成钻石， 而因此强烈地结合于其上；这种沉积不仅能有助于该超研磨颗粒于该基质层的保持度，且 该被粗糙化的沉积钻石还能有助于该工件的研磨。很多基质材料为已知且能用作保持多个超研磨颗粒以供研磨操作的基质层。在一 些实施方式中，一基质层为超研磨颗粒的主要支撑层。在另一实施方式中，能使用一基质层 以结合该超研磨颗粒至作为该工具的主要支撑层的一支撑基材。在任一情况中，该基质材 料能为任何能够保持粗糙化的超研磨颗粒的金属基质或非金属基质。在一些实施方式中， 依照预先决定的图案排列该超研磨粒也可增进保持度，这种排列可将一足够量的基质材料 分配至各超研磨颗粒，以增进保持度。在一实施方式中，该基质材料为金属基质。这种金属基质能提供作为用以将该超 研磨颗粒结合在一起和/或至一支撑基材的硬焊合金。可提供该硬焊合金成为一薄片、粉 末或非晶质硬焊合金的连续性片体。各种使用硬焊合金的技术皆为已知。例如在一实施 方式中，一硬焊合金粉末首先会与一适当的粘结剂(通常为有机的)以及能溶于该粘结剂 的溶质混合，接着此混合物被混合而形成具有适当粘度的浆液或团块。为了避免该粉末于 处理过程中团聚于一起，也可加入适当的湿润剂(如鲱鱼油、磷酸酯)；而后该浆液能以喷 洒或其他方式施加至该支撑基材和/或超研磨颗粒。在另一实施方式中，该浆液能倾倒于 一塑胶刮刀(plastic tape)上，再被牵引到一刀片或整平器的下方。通过调整该刀片和 刮刀之间的间隙，该浆液能够成形(casting)至具有理想厚度的平板，该刮刀成形法(tape casting method)是一种熟知用来以粉末化材料制造薄片的方法，且能够与依据本发明的 实施方式的方法一起有良好的作用。也可提供该硬焊合金作为一片非晶质硬焊合金，该片非晶质硬焊合金可为具有软 性的(flexible)或坚硬的(rigid)，且可依照所想要的工具的轮廓而塑形，该片硬焊合金 也有助于在该工具的表面上均勻分布硬焊材料。该片硬焊合金并无含有粉末或粘结剂，而 是仅为均质的硬焊材料组成。当非晶质硬焊合金实质上无共晶相而使其于加热时会不一致 地熔融，所以已发现于本发明的使用有益。虽然准确的合金组成很难确认，但非晶质硬焊合 晶常常于相对狭窄的温度范围中存在有实质上一致的熔融行为，因此，在硬焊处理的加热 部分，该合金不会形成具有实质量的颗粒或结晶相，亦即经由玻璃化(vitrification)过 程；再者，该非晶质硬焊合晶的熔融行为不同于烧结行为，其需要减少或消灭不会存在于合
10晶的非晶型态的合金材料颗粒之间的孔洞，然而，初始的非晶质硬焊可经由较慢的冷却步 骤于结晶过程中形成非均质相。通常，非晶合晶硅通过液体快速淬火(quench)至固体而避 免部分结晶化以及组成的变异。特别注意的是，在各个于此所揭露的步骤中，该硬焊合晶可 呈现为对应想要的工具片段形状的片体、薄膜或冲压层。在另一实施方式中，粉末的硬焊合金能够与适合的粘结剂以及溶剂混合而形成可 变形的块状体(cake)，接着该块状体能通过具有狭长出口(slit opening)的冲模挤出成 型，在出口的缝隙决定所挤出的平板的厚度，另外，该材料也可从具有可调整的缝隙的二滚 轮之间拉出成型以形成具有正确厚度的片体。在另一实施方式中，该硬焊粉末可直接淋在 钻石颗粒和基材上。为了后续处理(如结合至工具基材)而制造柔软的片体是理想的，因此，也能添加 适合的有机塑化剂以提供理想的特性。供粉末(金属、塑胶或陶瓷)处理的有机试剂的使用对于所属技术领域中的普通 技术人员是熟知的。一般的粘结剂包括聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇缩丁醛树脂(PVB)、聚乙 二醇(PEG)、石蜡(paraffin)、酚醛树脂(phenolic resin)、石蜡乳化剂(wax emulsions) 以及丙烯酸酯树脂(acrylicresin)。一般的粘结剂溶剂包括甲醇、乙醇、丙酮、三氯乙烯、 甲苯等。一般的塑化剂为聚乙二醇、乙二酸二乙酯(diethyl oxalate)、三甘醇揪酸甲酯 (triethylene glycol dihydroabietate)、甘油、辛基邻苯二甲酉旨(octylphthalate)。这 样引入的有机试剂有助于建构金属层，这种有机试剂应在这些金属粉末固化前移除，该粘 结剂移除程序(如通过在气氛控制的锅炉中加热)为所属技术领域中的普通技术人员所熟 知。在一实施方式中，该硬焊合金可实质上无锌、铅以及锡。已知适合用于本发明的 商业化粉末硬焊合金是商标名称为NICR0BRAZ LM(7wt%的铬、3. lwt%的硼、4. 5wt%的硅、 3. 0wt%的铁、最多个0. 06wt%的碳以及平衡用的镍)的商品，由Wall Colmonoy Company, MadisonHeights, Michigan所制造。其他适合的合金包括具有铬、锰、钛以及硅的铜、铝和 镍合金。在一实施方式中，该硬焊合金可包括铬；在其他实施方式中，该硬焊合金可包括铜 和锰的混合物；在另一实施方式中，铬、锰和硅的含量可至少约为5wt% ；在另一实施方式 中，该合金可包括铜和硅的混合物；在又另一实施方式中，该合金可包括铝和硅的混合物； 在进一步的实施方式中，该合金可包括镍和硅的混合物；在另一实施方式中，该合金可包括 铜和钛的混合物。在一实施方式中，该硬焊材料包括至少3wt %的碳化物形成元素，其选自于由铬、 锰、硅、钛以及铝及其合金和混合物所组成的群组。另外，该硬焊材料包括小于1，100°C的初 晶温度(liquidus temperature)以避免在硬焊程序中对钻石的损害。能在足够低的温度 下熔融的非晶质硬焊合金的商业化板体是由Honeywell制造具有NICR0BRAZ LM组成的非 晶质硬焊合金薄片(MBF)。这些薄片板体具有约0.001”的厚度，且通常在约1，010°C和约 1，013 °C之间的温度熔融。在一实施方式中，该硬焊过程可在一控制的气氛中实施，例如在真空状态下，通常 约为10_5托耳、惰性气氛(如氩气(Ar)或氮气(N2))或还原气氛(如氢气(H2))。这种气 氛可增加硬焊合金渗入基质支撑材料中，且因此增进钻石硬焊和基质硬焊结合。本发明的基质层也包括非金属材料。例如在一实施方式中，该基质层为树脂层，很多树脂材料皆为所属技术领域中的普通技术人员所熟知，且在使用于本发明实施例时相当 有用，该树脂层为任何可硬化树脂或具有足够强度以保持本发明被粗糙化的超研磨颗粒的 树脂。使用相对较硬且保持几乎无或完全无翘起的平坦表面的树脂层是有助益的，此让超 研磨工具结合有非常小的超研磨颗粒于其中，以保持这些小超研磨颗粒在一相对的程度且 具有一致的高度。硬化的方法可为任何于所属技术领域中的普通技术人员所熟知能够在树脂材料 中产生相变化而从软曲的状态转换成至少坚硬的状态的方法。硬化能够以下述方法进行， 但不限制在通过将该树脂材料接触以热形式存在的能量、电磁辐射(如紫外线、红外线以 及微波辐射)、粒子撞击(如电子束)、有机催化、无机催化或其他任何所属技术领域中的普 通技术人员所能熟知的硬化方法。在本发明的一实施方式中，该树脂层可为热塑性材料，热 塑性材料能够分别通过冷却和加热而可逆性地硬化和软化。在另一实施方式中，该树脂层 可为热固性材料，热固性材料无法像热塑性材料一样可逆性地硬化和软化。换句话说，一旦 硬化产生，该程序实质上为不可逆的。可用于本发明的实施例的树脂材料包括但不限制在胺基树脂(amino resins), 包含有烷基尿素甲醛树脂(alkylated urea-formaldehyderesins)、三聚氰胺甲醛 树脂(melamine-formaldehyde resins)和烷基苯代三聚氰胺甲醛树脂(alkylated benzoguanamine-formaldehyde resins)；丙炼酸酉旨丰对月旨(acrylate resins)，包含有 丙烯酸乙烯酯(vinyl acrylates)、环氧丙烯酸酯(acrylated印oxies)、丙烯酸胺酯 (acrylated urethanes)、聚酉旨丙;I；希酸酉旨(acrylated polyesters)、丙;I；希酸酉旨(acrylated acrylics)、聚謎丙炼酸酉旨(acrylated polyethers)、聚乙炼謎(vinyl ethers)、丙 烯酸油(acrylated oils)、丙烯酸酯硅(acrylated silicons)、以及相关丙烯酸甲 酉旨(methacrylates)；醇酸树月旨(alkyd resins)，如聚氛酉旨醇酸树月旨(urethane alkyd resins)；聚酉旨丰对月旨(polyester resins)；反应性聚氛酉旨丰对月旨(reactive urethane resins)；酚醛树脂(phenolic resins)，如可熔酚醛树脂和酚多醛少的酚醛树脂 (resoleand novolac resins) ； )IS / 乳月交丰对月旨(phenolic/latex resins)；环氧丰对月旨 (epoxy resins),如双 )环氧树月旨(bisphenol epoxy resins)；异氛酸树月旨(isocyanate resins)；异氛酸酉旨丰对月旨(isocyanurateresins)；聚娃氧烧丰对月旨(polysiloxane resins), 含有烷基烷氧基硅烷(alkylalkoxysilane resins)；反应性乙烯基树脂(reactive vinyl resins)；在Bakelite商标名下出售的树脂，包括聚乙烯树脂(polyethylene resins)；聚 丙烯树脂(polypropyleneresins)、聚苯乙烯树脂(polystyrene resins)、环氧树脂、聚苯 乙;1；希丰对月旨(polystyrene resins)、苯氧基丰对月旨(phenoxy resins)、二蔡嵌苯丰对月旨(perylene resins)、聚 pi 丰对月旨(polysulfone resins)、乙;I；希共聚物丰对月旨(ethylene copolymer resins)、丙烯膽-丁二烯-苯乙烯树月旨(acrylonitrile-butadiene-styrene resins)、 丙烯酸树脂(acrylic resins)以及乙烯基树脂(vinyl resins)；丙烯酸酯树脂(acrylic resins)、聚碳酸酯树脂(polycarbonate resins)及其混合物和组合物。在本发明的一实 施方式中，该树脂层可为环氧树脂。在另一特定实施方式中，该树脂层可为聚亚酰胺树脂 (polyimide resin) 0在又一特定实施方式中，该树脂层可为聚碳酸酯。在又另一实施方式 中，该树脂层可为聚胺基甲酸酯(polyurethane)。很多添加剂能包含在树脂材料中以帮助其使用。例如，额外的交联剂以及填充剂可用于增进树脂层硬化的特性，除此之外，可使用溶剂来改变在未硬化状态的树脂材料的 特性。本发明很多使用的实施方式对于所属技术领域中的普通技术人员在本发明的揭 露下是清楚的。超研磨颗粒可排列至各种形状和尺寸的工具中，包括一维、二维以及三维工 具，工具可合并有单层或多层的超研磨颗粒。一工具于一树脂基质中结合有单层超研磨颗 粒的范例为CMP抛光垫修整器。本发明额外提供制造具有增进超研磨颗粒保持度的超研磨工具的方法。例如在一 实施方式中，这种方法包括粗糙化多个超研磨颗粒的表面至大于约1微米的RA值；将多个 超研磨颗粒放置于一基质前趋物中；以及固化该基质前趋物成为一基质层，使得该多个超 研磨颗粒保持并突出于该基质层，由此，该多个超研磨颗粒的被粗糙化的表面增进该多个 超研磨颗粒于该基质层中的保持度，比粗糙化之前的超研磨颗粒保持度更佳。在一些实施方式中，超研磨颗粒能依照预先决定的图案放置于该基质中，依照预 先决定的图案放置超研磨颗粒可通过在基材上施加点状的胶、通过在基材上产生凹槽以接 受这些颗粒、或通过任何于所属技术领域中的普通技术人员所知的方法而完成。额外的方 法可在美国第6，039，641号专利和第5，380，390号专利中了解，且其合并于此作为参考。除此之外，各种可逆的浇铸方法可用来制造具有一树脂基质的一 CMP抛光垫修整 器。如图2所示，一间隔层22可施加于一临时基材26的工作表面24，该间隔层具有至少 部分设置于其中的超研磨颗粒28，其至少部分突出于相对于临时基材的工作表面的间隔 层。任何将超研磨颗粒设置于一间隔层中的方法以使得该超研磨颗粒突出于一预先决定的 高度可使用于本发明。在一实施方式中，如图3所示，该间隔层22是设置在该临时基材26 的工作表面24上，一固定剂可选择性地施加至该工作表面，以促使该间隔层结合至该临时 基材。超研磨颗粒28沿着该间隔层相对于该工作表面的一侧设置，一固定剂可选择性地施 加于该间隔层以保持该超研磨颗粒实质上沿着该间隔层固定。用于该间隔层表面的固定 剂可为任何于所属技术领域中的普通技术人员所熟知的粘着剂，例如但不限制在聚乙烯醇 (PVA)、聚乙烯醇缩丁醛树脂(PVB)、聚乙二醇(PEG)、石蜡(paraffin)、酚醛树脂(phenolic resin)、石蜡乳化剂(wax emulsions)以及丙烯酸酯树脂(acrylic resin)或其组合物。在 一实施方式中，该固定剂为喷洒式的丙烯酸酯胶。一压掣物32可用于施加力量至该超研磨颗粒28，以令该超研磨颗粒放置于该间 隔层22中，如图2所示。该压掣物可用任何于所属技术领域中的普通技术人员所知能够 施加压力至该超研磨颗粒的材料所建构，范例包括但不限制在金属、木材、塑胶、橡胶、高分 子、玻璃、复合物、陶瓷以及其组合物。依照不同的应用，较软的材料可提供比较硬的材料更 好的优点，例如，若使用不同尺寸的超研磨颗粒，一硬质的压掣物可仅压掣最大的超研磨颗 粒通过该间隔层至该工作表面24。在本发明的一实施方式中，该压掣物是由多个孔性橡胶 所建构。由较软材料(如软性橡胶)所建构的压掣物可稍微符合该超研磨颗粒的形状，因 此能更有效地压掣较小以及较大的超研磨颗粒通过该间隔层至该工作表面。该间隔层可由具有相对均勻厚度的任何软性、可变形的材料所制成。有用材料 的范例包括但不限制在橡胶、塑胶、石蜡、石墨、粘土、胶带、石墨卷材(grafoils)、金属、粉 末以及其组合物。在一实施方式中，该间隔层可为包括金属或其他粉末和粘着剂的轧片 (rolled sheet)。例如，该金属可为不锈钢粉末以及聚乙二醇粘着剂。各种粘着剂都可以使用，其于所属技术领域中的普通技术人员所熟知的，例如但不限制在聚乙烯醇(PVA)、聚 乙烯醇缩丁醛树脂(PVB)、聚乙二醇(PEG)、石蜡(paraffin)、酚醛树脂(phenolic resin)、 石蜡乳化剂(wax emulsions)以及丙烯酸酯树脂(acrylic resin)及其组合物。在另一实施方式中，如图4所示，该超研磨颗粒28可沿着该临时基材26的工作表 面24放置，一粘着剂可选择性地施加于该间隔层以保持该超研磨颗粒实质上沿着该间隔 层固定；接着一间隔层22可施加于该工作表面，以使得该超研磨颗粒变为放置于其中，如 图2所示。一压掣物(32)可用于更有效地结合该具有工作表面之间隔层与该超研磨颗粒。请参看图5所示，一至少部分硬化的树脂材料52可施加至相对于该临时基材26 的工作表面24之间隔层22，一模具54可用于包括在制造方法中未硬化的树脂材料，在硬化 该树脂材料之后，形成一树脂层，结合各个超研磨颗粒的至少一部分。一永久性基材可耦接 于该树脂层以有助于其使用在修整CMP抛光垫。在一实施方式中，该永久性基材可使用一 适当结合剂的方式以耦接于该树脂层，通过粗糙化该永久性基材以及该树脂层之间的接触 表面而增进其结合。在另一实施方式中，该永久基材可结合于该树脂材料，且因此变为耦接 于该树脂层(硬化之后)，该模具和临时基材可接着从该CMP抛光垫修整器而移除。接着该分隔层能够从该树脂层移除，此可通过撕除(peeling)、磨辗(grinding)、 喷砂(sandblasting)、刮(scraping)、摩擦(rubbing)、磨蚀(abrasion)或任何其他于所属 技术领域中的普通技术人员所熟知的方法。该超研磨颗粒从该树脂层突出的距离大约等于 该目前要移除之间隔层的厚度，该树脂层可被酸蚀，以进一步暴露该超研磨颗粒。各种放置超研磨颗粒至该间隔层的方法之间的差异可在移除该间隔层之后看到。 在这些实施方式中，当该超研磨颗粒被压入该间隔层，接近一超研磨颗粒之间隔层材料会 稍微倾向于该临时基材的工作表面；换句话说，围绕个别超研磨颗粒的间隔层材料可稍微 凹陷于该工作表面的相对一侧，因为超研磨颗粒被压入该间隔层中，此凹陷部将会在修整 器制造时填充树脂材料，因此一旦树脂层硬化，该树脂材料溢至(wick up)该超研磨颗粒的 侧边。对于这些间隔层压在该研磨颗粒上的实施方式中，反之亦然。在这些情形中，接近一 超研磨颗粒的间隔层材料会稍微从该临时基材的工作表面偏离，换句话说，围绕各个研磨 颗粒的间隔层材料可稍微凸出于该工作表面的相对边，因为该间隔层会被迫于围绕该研磨 颗粒，此凸出物可在围绕各研磨颗粒的树脂层产生凹陷部，导致未成熟的超研磨颗粒自该 树脂层取出。在这些实施方式中，各种增进保持度的方式可由所属技术领域中的普通技术 人员所使用，例如，该间隔层可在硬化之前加热以减少围绕于超研磨颗粒周围的间隔层突 出物；而且额外的树脂材料可施加于围绕在该超研磨颗粒的树脂层的稍微凹陷部之处。该临时基材可由能够支撑该树脂层且承受在此所述的压迫力量的材料所制成；范 例材料包括玻璃、金属、木材、陶瓷、高分子、橡胶、塑胶等。该临时基材具有一工作表面，以 供该间隔层设置于其上，该工作表面能够为水平的、倾斜的、平坦的、弯曲或任何其他能够 用于制造一 CMP抛光垫修整器的形状。该工作表面可被粗糙化以增进超研磨颗粒的定向。 当一超研磨颗粒被压在非常平滑的临时基板上时，很有可能该超研磨颗粒的一平坦表面能 平行对齐于该临时基板。在一情形中，当该间隔层被移除，该临时基材的平坦表面将从该树 脂层突出，粗糙化该临时基材的表面将产生凸点以及凹处，以帮助超研磨颗粒对齐，使得各 超研磨颗粒的尖端从该树脂层突出。以下范例呈现各种本发明制造涂布的超研磨颗粒以及工具的方法，这种范例仅为描述，但非意欲对本发明作任何限制。范例例 140/50网目的钻石晶体在空气中加热至924°C并持温10分钟，接着，锅炉通过关闭 电源而冷却。图6为一组钻石颗粒在加热前和加热后的SEM显微照片，以显示钻石表面的 粗糙化，左侧一组图为加热前，而右侧一组图为加热后。Ml钻石晶体如例1于纯氧的气氛中加热。图7为一组钻石颗粒在加热前和加热至各 种温度后的SEM显微照片，以显示钻石表面的粗糙化。其中，(A)表示加热前；(B)表示条 件为:950°C ；120分钟；(C)表示条件为900 °C ；120分钟；(D)表示条件为850 °C ；120分钟； (E)表示条件为800°C ；120分钟；(F)表示条件为700°C ；120分钟；(G)表示条件为850°C ； 90分钟；(H)表示条件为800°C ；90分钟；⑴表示条件为700°C ;120分钟；(J)表示条件为 700 V ； 120 分钟例 340/50网目的钻石晶体塞入镍粉中，并加热至不同的温度各约10分钟。图8为显 示钻石颗粒表面的表面蚀刻程度的SEM显微照片。首先在左侧的钻石加热至约700°C，在中 央的钻石加热至约900°C，在右侧的钻石则加热至约1100°C。当然，需要了解的是以上所述的排列皆仅是在描述本发明原则的应用，许多改变 及不同的排列亦可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下被于本领域普通技术人员所 设想出来，而本申请保护范围也涵盖上述的改变和排列。因此，尽管本发明被特定及详述地 描述呈上述最实用和最佳实施例，本领域技术人员可在不偏离本发明的原则和观点的情况 下做许多如尺寸、材料、形状、样式、功能、操作方法、组装和使用等变动。
权利要求
一种超研磨工具，包括一基质层；以及多个超研磨颗粒，其保持在该基质层并突出于该基质层，由此多个超研磨颗粒接触该基质层的表面被粗糙化，而具有大于约1微米的RA值。
2.根据权利要求1项所述的超研磨工具，其中该被粗糙化的多个钻石颗粒表面具有从 约2微米至约10微米的RA值。
3.根据权利要求1项所述的超研磨工具，其中被粗糙化的表面能增进多个超研磨颗粒 于基质层中保持度。
4.根据权利要求1项所述的超研磨工具，其中该基质层为树脂层。
5.根据权利要求4项所述的超研磨工具，其中该树脂层选自以下物质胺基树脂、丙烯 酸酯树脂、醇酸树脂、聚酯树脂、反应性聚氨酯树脂、酚醛树脂、酚醛/乳胶树脂、环氧树脂、 异氰酸树脂、异氰酸酯树脂、聚硅氧烷树脂、反应性乙烯基树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、 聚苯乙烯树脂、苯氧基树脂、二萘嵌苯树脂、聚砜树脂、丙烯腈_ 丁二烯_苯乙烯树脂、丙烯 酸树脂、聚碳酸酯树脂、聚亚酰胺或其混合物。
6.根据权利要求5项所述的超研磨工具，其中该树脂层为环氧树脂。
7.根据权利要求5项所述的超研磨工具，其中该树脂层为聚碳酸酯。
8.根据权利要求5项所述的超研磨工具，其中该树脂层为聚亚酰胺树脂。
9.根据权利要求1项所述的超研磨工具，其中该多个超研磨颗粒选自钻石、立方氮化 硼、碳化硅或其组合物。
10.根据权利要求1项所述的超研磨工具，其中该超研磨工具是一化学机械抛光垫修 整器。
11.一种制造增进超研磨颗粒保持度的超研磨工具的方法，包括粗糙化超研磨颗粒的表面至RA值大于约1微米(micron)；将该复数多个超研磨颗粒放置在基质前驱物中；以及固化该基质前驱物成为一基质层，以使得复数多个超研磨颗粒可保持并突出于该基质 层，藉此由此，该被粗糙化的复数多个超研磨颗粒表面可增进该复数多个超研磨颗粒于该 基质层中的保持度，比粗糙化之前的超研磨颗粒保持度更佳。
12.如申请专利范围第根据权利要求11项所述的方法，其中粗糙化该等这些表面包括 氧化该等这些表面。
13.如申请专利范围第根据权利要求11项所述的方法，其中粗糙化该等这些表面包括 蚀刻该等这些表面。
14.如申请专利范围第根据权利要求11项所述的方法，其中该等这些复数多个超研磨 颗粒系选自于由钻石、立方氮化硼、碳化硅以及或其组合物所组成的群组。
15.如申请专利范围第根据权利要求11项所述的方法，其中该复数多个超研磨颗粒为 钻石。
16.如申请专利范围第根据权利要求15项所述的方法，其中粗糙化该等这些表面尚还 包括将钻石材料沉积于该复数多个超研磨颗粒的表面上。
17.根据权利要求11项所述的方法，其中该多个超研磨颗粒依预先决定的图案排列于该基质层。
18.根据权利要求11项所述的方法，其中设置多个超研磨颗粒于该基质前驱物中且固 化该基质前驱物成为基质层，进一步包括提供具有工作表面的临时基板； 施加一间隔层至该临时基板的工作表面；设置该多个超研磨颗粒至少部分于该间隔层中，以使得该多个超研磨颗粒至少部分从 该间隔层相对于该临时基板的一侧突出；施加该基质前驱物至该间隔层相对于该临时基板的工作表面的一侧； 固化该基质前驱物成为该基质层； 将临时基板从该间隔层移除；以及 将该间隔层从该基质层移除。
19.根据权利要求18项所述的方法，其中施加一间隔层包括 施加该间隔层至该临时基板的工作表面；以及紧压该多个超研磨颗粒至该间隔层中。
20.根据权利要求18项所述的方法，其中施加一间隔层包括 沿着该临时基材的工作表面设置多个超研磨颗粒；以及紧压该间隔层至这些多个超研磨颗粒上，以使得该超研磨颗粒至少部分设置于该间隔 层中。
全文摘要
本发明提供具有表面修饰的超研磨颗粒的超研磨工具及其相关方法。例如，在一实施方式中提供一超研磨工具，其具有增进的超研磨颗粒保持度，这种工具包括基质层以及保持在该基质层并从该基质层突出的多个超研磨颗粒，由此多个超研磨颗粒接触该基质层的表面被粗糙化，而具有大于约1微米(micron)的RA值，且其中该被粗糙化的表面能增进多个超研磨颗粒于基质层中保持度。
文档编号B24D3/00GK101856806SQ20101015645
公开日2010年10月13日 申请日期2010年4月7日 优先权日2009年4月10日
发明者宋健民 申请人:宋健民