BRPI0616706A2 - pastas fluidas de polimento e métodos de utilização das mesmas - Google Patents
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Abstract
PASTAS FLUIDAS DE POLIMENTO E MéTODOS DE UTILIZAçãO DAS MESMAS. A presente invenção refere-se a uma pasta fluida de polimento inclui meio líquido e abrasivo particulado. O abrasivo particulado inclui partículas abrasivas macias, partículas abrasivas duras, e partículas de sílica coloidal, onde as partículas abrasivas macias possuem uma dureza Mohs de não mais que 8 e as partículas abrasivas duras possuem uma dureza Mohs de não menos que 8, e onde as partículas abrasivas macias e as partículas abrasivas duras estão presentes em uma razão de peso de não menos que 2:1.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PASTASFLUIDAS DE POLlMENTO E MÉTODOS DE UTILIZAÇÃO DAS MESMAS".
Campo Técnico
A presente invenção refere-se geralmente a pastas fluidas depolimento e métodos de polimento de peças de trabalho ou componentes, eem particular a pastas fluidas de polimento incorporando um meio líquido eum abrasivo particulado e métodos de utilização do mesmo.
Técnica Anterior
Através de uma ampla faixa de indústrias é comum se usinarpeças de trabalho ou componentes, incluindo componentes metálicos e ce-râmicos além de componentes compostos. Uma área industrial madura eintensamente estudada inclui o polimento dos substratos semicondutores porum processo que é conhecido como polimento quimiomecânico (CMP), noqual uma pasta fluida é mecânica e quimicamente ativa para remover os ma-teriais depositados a partir de um substrato semicondutor. Outras áreas datécnica se focalizaram puramente na remoção mecânica, através do uso depastas fluidas abrasivas (também conhecidas como abrasivos livres), con-tendo material abrasivo particulado tal como diamante, além de um hospe-deiro de oxido cerâmico e materiais não óxidos.
Dentre os muitos tipos de componentes cerâmicos e metálicosque são submetidos à usinagem pós-formação, os componentes formadosde materiais cerâmicos duros tal como carbeto de silício representam umdesafio em particular. Tais componentes encontraram uso industrial em umconjunto amplo de aplicações, incluindo componentes de processamentoestrutural, refratário e semicondutores. Devido às restrições de processa-mento associadas com o processamento cerâmico convencional incluindotolerâncias de processo naturais, os componentes cerâmicos tal como oscomponentes de carbeto de silício freqüentemente exigem a usinagem depós-formação na qual os componentes estão em uma forma densificada,mas exigem um acabamento de superfície. De acordo com a dureza doscomponentes cerâmicos típicos, é geralmente trabalhoso, oneroso e demo-rado se efetuar a usinagem de estágio final, que freqüentemente inclui poli-mento.
Em vista do acima exposto, muitas indústrias continuam a bus-car por pastas fluidas de polimento ou abrasivos livres e metodologia de pro-cesso associada com as mesmas que alcance simultaneamente uma altataxa de remoção de material (MRR), além de um acabamento adequada-mente fino, tal como uma baixa aspereza e superfície e um alto grau de pla-neza e paralelismo de superfície. Tais necessidades são particularmenteagudas no contexto de componentes cerâmicos, particularmente incluindocerâmicas duras como notado acima.
Descrição da Invenção
De acordo com um aspecto, uma pasta fluida de polimento éfornecida incluindo um meio líquido e um abrasivo particulado que inclui umacombinação de partículas abrasivas suaves, partículas abrasivas duras, epartículas de sílica coloidal. A partícula abrasiva suave pode ter uma durezaMohs de não mais que 8, e as partículas abrasivas duras podem ter umadureza Mohs de não menos que 8. As partículas abrasivas suaves estãotipicamente presentes em uma maior quantidade do que as partículas abra-sivas duras, tal como a uma razão de peso de 2:1 com relação às partículasabrasivas duras.
De acordo com outra modalidade, uma pasta fluida de polimentoinclui um meio líquido e um abrasivo particulado, incluindo partículas de cé-ria, partículas de diamante, e partículas de sílica coloidal. As partículas decéria formam não menos que 50% em peso do abrasivo particulado.
De acordo com outro aspecto, uma pasta fluida de polimentoinclui um meio líquido e um abrasivo particulado incluindo partículas abrasi-vas macias, partículas abrasivas duras, e partículas de sílica coloidal. Aspartículas estão presentes nas quantidades respectivas de χ % em peso, y% em peso, e ζ % em peso, onde χ + ζ £ 2y.
De acordo com outra modalidade, uma pasta fluida de polimentoinclui um meio líquido e um abrasivo particulado incluindo partículas abrasi-vas macias e duras, e partículas de sílica coloidal. As partículas abrasivasduras possuem uma dureza Mohs maior do que as partículas abrasivas ma-cias, e pelo menos uma das partículas abrasivas macias e duras possui umacarga de superfície positiva, floculando, assim, com as partículas de sílicacoloidal.
De acordo com outro aspecto, um método de polimento de umcomponente cerâmico é fornecido, incluindo o fornecimento de uma das pas-tas fluidas de polimento como descrito acima entre um componente cerâmi-co e a ferramenta de usinagem, e movimentando o componente cerâmico ea ferramenta de usinagem um com relação ao outro para realizar a remoçãode material de uma superfície o componente cerâmico.
Breve Descrição dos Desenhos
As figuras de 1 a 4 ilustram taxas de polimento de várias pastasfluidas em um único cristal SiC.
Modos de Realização da Invenção
De acordo com uma modalidade, uma pasta fluida de polimentoé fornecida incluindo um meio líquido no qual um abrasivo particulado é for-necido. O abrasivo particulado possui geralmente uma estrutura composta,incluindo várias espécies diferentes de partículas abrasivas. Em uma moda-lidade, o abrasivo particulado inclui partículas abrasivas macias, partículasabrasivas duras, e partículas de sílica coloidal. Geralmente, as partículas deabrasivo duras possuem uma dureza Mohs maior do que a dureza Mohs daspartículas abrasivas macias. Por exemplo, a dureza Mohs das partículas a-brasivas duras pode não ser inferior a 8, tal como não inferior a 9, e na ver-dade podem ter uma dureza igual a 10. Em contraste com isso, as partículasabrasivas macias podem ter uma dureza não superior a 8, tal como não su-perior a 7, ou até mesmo não superior a 6. Em uma modalidade particular,as partículas abrasivas macias são principalmente formadas de céria, en-quanto as partículas abrasivas duras são principalmente formadas de dia-mante. Outras partículas abrasivas duras incluem carbeto de boro, carbetode silício, e óxido de alumínio.
As modalidades aqui utilizando céria como o material particuladoabrasivo macio podem ser consideradas como formando uma pasta fluidaCMP que é ativa tanto mecânica quanto quimicamente. Aqui, céria pode agircomo um oxidante durante as operações de polimento para auxiliar na re-moção de material.
Mais freqüentemente, o abrasivo particulado inclui um teor per-ceptivelmente maior de partículas abrasivas macias com relação às partícu-las abrasivas duras, de forma que uma razão de peso de partículas maciaspara duras de não menos que 2:1, tal como não menos que 5:1,10:1, ou atémesmo 15:1. Na verdade, determinadas modalidades possuem uma cargabem alta de partículas abrasivas macias, tal como representado por umarazão de peso de não menos de cerca de 20:1.
As partículas abrasivas macias podem estar presentes como amaior parte dos componentes no abrasivo particulado, formando não menosque 50% em peso do abrasivo particulado. Em outras modalidades, o abra-sivo particulado contém x% em peso de partículas abrasivas macias, y% empeso de partículas abrasivas duras, e z% em peso de partículas de sílicacoloidal, onde χ + ζ > 2y. Por exemplo, determinadas modalidades podematé mesmo ter concentrações maiores de partículas abrasivas macias e par-tículas de sílica coloidal com relação às partículas abrasivas duras, repre-sentadas pela relação χ + ζ > 3y ou mesmo 5y, 8y, 10y ou mesmo £ 12y. Naverdade, determinadas modalidades podem ter até mesmo cargas aindamaiores de partículas abrasivas macias e partículas de sílica coloidal comrelação às partículas abrasivas duras, tal como representado por uma rela-ção χ + ζ > 15y, ou mesmo 20y.
Voltando-se para os parâmetros de composição mais específi-cos de várias pastas fluidas de polimento de acordo com as modalidadesaqui, a pasta fluida pode conter abrasivo particulado, que compreende de 50a 95% em peso de partículas abrasivas macias, 0,5 a 15% em peso de par-tículas abrasivas duras, e 4,5 a 35% em peso de sílica coloidal. Outra moda-lidade exige 70 a 95% em peso de partículas abrasivas macias, 0,5 a 15%em peso de partículas abrasivas duras, e 4,5 a 29,5 de sílica coloidal. Emoutra modalidade adicional, o abrasivo particulado inclui 75 a 95% em pesode partículas abrasivas macias, 0,5 a 10% em peso de partículas abrasivasduras e 4,5 a 24,5% em peso de sílica coloidal.
Voltando-se de forma mais específica a várias partículas quecriam o abrasivo particulado, geralmente as partículas abrasivas duras sãorelativamente finas, possuindo um tamanho de partícula médio de cerca de0,02 μm a 50 μm, tal como 0,05 a 10μm, ou até mesmo com uma faixa maisestreita de 0,05 a 1,0μm. Várias partículas de diamante comercialmente dis-poníveis podem ser utilizadas possuindo tamanhos de partículas médiosdentro das faixas mencionadas aqui. Voltando-se para a partícula abrasivamacia, as partículas podem ter uma morfologia bem fina, possuindo um ta-manho de partícula dentro de uma faixa de cerca de 3 a 800 nm, tal comodentro de uma faixa de cerca de 10 a 300 nm, ou até mesmo 10 a 200 nm.Como notado acima, uma das espécies particulares de partículas abrasivasmacias utilizada aqui é CeO2 (céria ou oxido de cerium).
Voltando-se à sílica coloidal, o termo "coloidal" é utilizado aquipara significar material particulado que é normalmente disperso em um meiolíquido e que permanece disperso por interação ausente de MovimentoBrowniano com outras espécies particuladas. Isso é, como um ingredienteisolado para integração em uma pasta fluida com outras espécies particula-das, a sílica coloidal é geralmente substancialmente livre de aglomeração epode ser substancialmente monodispersa. No entanto, o estado de disper-são da sílica coloidal pode ser alterado no contexto de uma pasta fluidapronta para uso como discutido em maiores detalhes abaixo. Em uma moda-lidade, a sílica coloidal é um material particulado formado a partir de soluçãoformado a partir de um processo sol ou sol-gel para formar partículas de ta-manho diminuto. A sílica coloidal possui geralmente um tamanho de partícu-la médio muito fino, geralmente, submícron e ainda mais tipicamente na fai-xa de 3 a 200 nm, tal como dentro de uma faixa de cerca de 10 a 100 nm, ouaté mesmo 10 a 75 nm.
Tipicamente, a carga de sólidos ou percentual de abrasivo parti-culado na pasta fluida de polimento se encontra dentro de uma faixa de cer-ca de 2 a 50 % em peso, tal como 2 a 35% em peso, ou 5 a 25% em peso. Acarga acima representa o teor total de sólidos dentro da pasta fluida combase no peso total da pasta fluida incluindo ambos os componentes particu-Iados sólidos e os componentes líquidos. A esse respeito, o meio líquido po-de ser água (aquoso), orgânico ou uma combinação de água e espécies or-gânicas. Espécies típicas para o meio líquido incluem água deionizada, gli-cerina, e/ou TEA.
Exemplo
Em um exemplo, a composição de pasta fluida a seguir foi for-mada.
<table>table see original document page 7</column></row><table>
A carga total de sólidos foi de cerca de 0,1322 partes ou 13,22%em peso, feita de 3,4% em peso de diamante, 83% em peso de céria, e13,4% em peso de sílica coloidal. A sílica coloidal tem um tamanho médio departícula sob 100 nm, com sílicas particulares com cerca de 40 nm e cercade 50 nm. A céria tem um tamanho médio de partícula abaixo de 200 nm,cerca de 165 nm. O diamante tem uma partícula média de cerca de 0,10 μιη.
De acordo com outro aspecto da presente invenção, os métodosde usinagem (particularmente incluindo polimento) de um componente ce-râmico são fornecidos. De acordo com um método, uma pasta fluida de po-limento é fornecida entre o componente cerâmico que deve sofrer polimentoe uma ferramenta de usinagem, e um componente cerâmico e a ferramentade usinagem são movidos um com relação ao outro para realizar a remoçãode material de uma superfície do componente cerâmico. Aqui, a ferramentade usinagem pode ser movida com relação a um componente cerâmico es-tacionário, o componente cerâmico podendo ser movido com relação a umaferramenta de usinagem estacionária, ou ambos o componente cerâmico e aferramenta de usinagem podendo ser movidos ou transladados; não obstan-te, em todos os casos, os dois componentes (componente cerâmico e ferra-menta de usinagem) são movidos um com relação ao outro mesmo se umfor mantido estacionário. A pasta fluida de polimento incluindo um meio lí-quido e abrasivo particulado pode ser qualquer uma dentre as várias modali-dades mencionadas acima. Quanto à arquitetura particular da operação depolimento, qualquer um dentre os vários aparelhos de polimento pode serutilizado, comumente disponíveis na técnica. A ferramenta de usinagem po-de ser concretizada como uma parte de polimento, uma pluralidade de par-tes de polimento, ou uma correia contínua, por exemplo. A ferramenta deusinagem é geralmente orientada contra o componente cerâmico com a pas-ta fluida fornecida entre os mesmos. A ferramenta de usinagem pode serconcretizada como um abrasivo fixo, tal como um abrasivo revestido ou a -brasivo unido, apesar de tipicamente a ferramenta de usinagem não ser pro-priamente dita um componente abrasivo, visto que as pastas fluidas comodescrito aqui possuem uma estrutura abrasiva particulada composta particu-larmente trabalhada como já discutido em detalhes acima.
Descobriu-se que de acordo com as várias modalidades da pre-sente invenção, particularmente incluindo um abrasivo particulado compostocomo detalhado aqui, o mesmo fornece um desempenho desejável em ter-mos de taxa de remoção de material e acabamento de superfície. Váriasmodalidades demonstraram taxas de remoção de material não inferiores acerca de 0,5 μηΊ/h, tal como não inferior a cerca de 1,0 μιτι/h, e até mesmonão inferior a 1,25 μιτι/h. Na verdade, testes de polimento específicos forne-ceram uma taxa de remoção de material (MRR) de cerca de 1,5 μητι/h. Adi-cionalmente, os acabamentos de superfície desejáveis foram demonstradosde acordo com as modalidades da presente invenção, possuindo uma aspe-reza de superfície rms não superior a 100 Á, tal como não superior a 50 Á,20 Á e até mesmo não superior a 10 Á. Na verdade, os testes de polimentode acordo com os exemplos aqui mencionados mostraram uma aspereza desuperfície de cerca de 4 a 5 Á rms.
Em contraste, os exemplos comparativos foram criados e nãocontinham todos os três dentre um componente particulado abrasivo (porexemplo, céria), um componente particulado abrasivo duro (por exemplo,diamante), e sílica coloidal. Em cada um desses exemplos comparativos, astaxas de remoção de material foram bem baixas. Por exemplo, uma pastafluida contendo diamante e sílica coloidal, e uma pasta fluida contendo cériae sílica coloidal foram consideradas como apresentando uma taxa de remo-ção de material de uma ordem de magnitude total inferior aos exemplos deacordo com as modalidades apresentadas aqui, geralmente da ordem de 0,2μιη/h, sob condições de processamento idênticas.
Sem desejar estar atado a qualquer teoria em particular, acredi-ta-se que a sílica coloidal como utilizada aqui possui uma carga negativa emsua superfície, causando, assim, floculação leve devido à interação com aspartículas abrasivas macias positivamente carregadas, tal como partículasde céria. A floculação é considerada responsável pela formação de aglome-rados macios que contêm uma distribuição (em uma quantidade menor) departículas abrasivas duras (por exemplo, diamante). Acredita-se que talvezas partículas de diamante sejam expostas ao longo de uma superfície exter-na dos aglomerados, os aglomerados combinando as propriedades de partí-culas macias grandes (para reduzir o número de arranhões) e partículas du-ras (para alcançar uma MRR maior).
Como utilizada aqui, a descrição da floculação para formação deaglomerados é notavelmente distinta da formação de agregados abrasivosduros, tal como os agregados descritos em U.S. 6.081.483. Aqui, o termo"aglomerado", se refere a uma massa de união fraca de partículas, onde ca-da uma das espécies constituintes das partículas é individualmente identifi-cável no aglomerado e não são unidas de maneira forte, em oposição aos25 aglomerados unidos, agregados esses que são constituídos por partículasunidas de forma covalente tipicamente formadas através do tratamento tér-mico, e nos quais uma das espécies não pode mais estar na forma particu-Iada (por exemplo, sílica coloidal formando uma camada de união não parti-culada). De acordo com as modalidades apresentadas aqui, a sílica coloidalpermanece geralmente na forma particulada, apesar de a sílica coloidal po-der ser aglomerada com as outras espécies do particulado abrasivo na pastafluida. Além disso, geralmente as modalidades são essencialmente livres deagregados que contêm as espécies duras (por exemplo, diamante), as espé-cies macias (por exemplo, céria) e a sílica coloidal.
Exemplos Adicionais
Voltando-se às figuras de 1 a 4, várias pastas fluidas 11 -42 fo-ram criadas e avaliadas sob condições de processo idênticas em uma únicapeça de trabalho de carbeto de silício de cristal montada em uma ferramentade polimento Strasbaugh 6CA. Uma descrição das pastas fluidas é fornecidaabaixo na tabela.
<table>table see original document page 10</column></row><table>
Como utilizado acima, CER represente céria, D representa dia-mante, CS1 é um primeiro aditivo com base em sílica coloidal (fornecido naforma de uma suspensão), e CS2 é um segundo aditivo com base em sílicacoloidal (também fornecido na forma de uma suspensão).
A figura 1 ilustra que os aperfeiçoamentos notados nas taxas depolimento podem ser alcançados através da combinação de sílica coloidal,um abrasivo duro (nesse caso, diamante), e um abrasivo macio carregadopositivamente (nesse caso, céria). Vale notar que as taxas de polimento dosistema de três componentes excedem em muito as taxas de polimento daspastas fluidas possuindo apenas um ou dois dos componentes, e a pastafluida 18 mostra que um material carregado negativamente tal como aluminanão é particularmente eficiente em comparação com o uso de um materialcarregado positivamente tal como céria.
A figura 2 ilustra que o ingrediente ativo nas suspensões con-tendo sílica CS1 e CS2 é na verdade sílica. Ver particularmente a pasta flui-da 22 contendo uma suspensão livre de sílica.
A figura 3 ilustra que as maiores concentrações de diamante napasta fluida obtiveram eficiência limitada.
A figura 4 ilustra que o pH mais alto aperfeiçoa as taxas de poli-mento, a uma taxa de polimento perceptivelmente superior com um pH de 12em comparação com um pH de 9.
Embora as modalidades da invenção foram ilustradas e descri-tas com particularidade, a invenção não deve ser limitada aos detalhes ilus-trados, visto que várias modificações e substituições podem ser realizadassem se distanciar de qualquer forma do escopo da presente invenção. Porexemplo, substitutos adicionais ou equivalentes podem ser fornecidos e eta-pas de produção adicionais ou equivalentes podem ser empregadas. Comotal, modificações e equivalências adicionais da invenção descrita aqui po-dem ocorrer aos versados na técnica utilizando não mais do que experimen-tação de rotina, e todas as ditas modificações e equivalências são conside-adas incluídas no escopo da invenção como definido pelas reivindicaçõesem anexo.
Claims (17)
1. Pasta fluida de polimento caracterizada pelo fato de quecompreende:um meio líquido; eum abrasivo particulado compreendendo partículas abrasivasmacias, partículas abrasivas duras e partículas de sílica coloidal, em que aspartículas abrasivas macias possuem uma dureza Mohs não maior do que 8e as partículas abrasivas duras possuem uma dureza Mohs de não menosque 8, e em que as partículas abrasivas macias e as partículas abrasivasduras estão presentes em uma razão de peso de não menos que 2:1 e apasta fluida é pelo menos parcialmente floculada, tendo aglomerados con-tendo as partículas abrasivas macias, abrasivas duras e de sílica coloidal.
2. Pasta fluida de polimento, de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pelo fato de que as partículas abrasivas macias estão pre-sentes em uma quantidade de x% em peso do abrasivo particulado, as partí-culas abrasivas duras estão presentes em uma quantidade de y% em pesodo abrasivo particulado e as partículas de sílica coloidal estão presentes emuma quantidade de z% em peso do abrasivo particulado, e χ + z > 2y.
3. Pasta fluida de polimento, de acordo com a reivindicação 2,caracterizada pelo fato de que χ + z £ 3y.
4. Pasta fluida de polimento, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que as partículas abrasi-vas macias possuem uma dureza Mohs não maior do que 7.
5. Pasta fluida de polimento, de acordo com a reivindicação 4,caracterizada pelo fato de que as partículas abrasivas macias compreen-dem céria.
6. Pasta fluida de polimento, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que as partículas abrasi-vas duras possuem uma dureza Mohs de não menos que 9.
7. Pasta fluida de polimento, de acordo com a reivindicação 6,caracterizada pelo fato de que as partículas abrasivas duras compreendemdiamante.
8. Pasta fluida de polimento, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 7, caracterizada pelo fato de que as partículas abrasivasmacias formam não menos que 50% em peso do abrasivo particulado.
9. Pasta fluida de polimento, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que as partículas abrasi-vas macias e as partículas abrasivas duras estão presentes em uma razãode peso de não menos que 5:1.
10. Pasta fluida de polimento, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 9, caracterizada pelo fato de que o abrasivo particuladocompreende 50 a 95% em peso de partículas abrasivas macias, 0,5 a 15%em peso de partículas abrasivas duras e 4,5 a 35% em peso de sílica coloi-dal.
11. Pasta fluida de polimento, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 10, caracterizada pelo fato de que a pasta fluida com-preende entre 2 e 35% em peso de carga do abrasivo particulado.
12. Pasta fluida de polimento, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 11, caracterizada pelo fato de que a pasta fluida é a-quosa, o meio líquido compreendendo água.
13. Pasta fluida de polimento, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 11, caracterizada pelo fato de que o meio líquido com-preende um líquido orgânico.
14. Método de polimento de um componente cerâmico caracte-rizado pelo fato de que compreende as etapas de:fornecer uma pasta fluida de polimento conforme definida emqualquer uma das reivindicações 1 a 13 entre o componente cerâmico e umaferramenta de usinagem; emovimentar o componente cerâmico e a ferramenta de usina-gem com relação um ao outro para realizar a remoção de material de umasuperfície do componente cerâmico.
15. Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizadopelo fato de que o componente cerâmico compreende um material cerâmicoduro possuindo uma dureza Mohs de não menos que 6, o material cerâmicoduro formando pelo menos a superfície que está sendo polida.
16. Método, de acordo com a reivindicação 14 ou 15, caracteri-zado pelo fato de que a superfície possui uma aspereza de superfície nãomaior do que 100 A rms depois da finalização do polimento.
17. Método, de acordo com a reivindicação 14, 15 ou 16, carac-terizado pelo fato de que o material é removido da superfície a uma taxa denão menos que 0,5 μm/h.
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