CN101327578A - 研磨工具及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种研磨工具的制造方法，其特征在于，该步骤包括：首先，提供一基材，利用机械加工(mechanical process)方法在基材表面形成一规则形状的凹凸部，利用镀膜(coating)方法在凹凸部表面均匀地附着一磨料层，利用成型方法(forming)在磨料层表面均匀地附着一保护层。另外，本发明一种研磨工具，包括：一基材、一磨料层及一保护层，基材表面具有一规则形状的凹凸部，磨料层均匀地附着于凹凸部表面且对应该凹凸部的形状，保护层均匀地附着于磨料层表面且对应该凹凸部的形状，形成一具有耐腐蚀、高耐磨性、高硬度、热稳定性高、耐化学性及规则形状的研磨工具。

Description

研磨工具及其制造方法

技术领域

本发明关于一种研磨工具及其制造方法，尤指一种于基材表面形成有一凹凸部，磨料层及保护层分别地附着在凹凸部表面，形成具有耐腐蚀、高耐磨性、高硬度、热稳定性高、耐化学性及规则形状的研磨工具及其制造方法。

背景技术

目前，研磨工具不论在工业制造、工艺、居家生活使用或艺术创作的领域上，都广泛地为大众使用，并且自从研磨工具发明以来，其已拥有相当一段时间的历史、年代，其运用范围诸如金属切削、板件钻孔、工件研磨或镜面的抛光等等应用。

然而，随着科技化的日新月异发展下，研磨工具原本运用在工业制造上的情况，也随之大量地应用在高科技产品上，举例来说：应用在半导体晶科技产业中，晶圆片为半导体产业中的最核心的材料，用以制造成各种半导体芯片，由于晶圆片的表面必须加以平滑化以制造成芯片，因此，在半导体产业的晶圆制程中，是利用化学机械研磨制程(ChemicalMechanical Polishing，CMP)对晶圆片来进行研磨及抛光作业。在进行该晶圆片的化学机械研磨制程(CMP)的过程中，晶圆片是藉由圆盘封盖且压在旋转的抛光垫(Pad)上，并且注入酸性或碱性的研磨液于该抛光垫上，藉以达到快速抛光及微细研磨的精密加工。

其中在化学机械研磨制程(CMP)中，需利用一研磨工具(所谓的抛光垫修整器(Pad Conditioner))来进行抛光垫修整作业，该抛光垫修整器乃是将钻石颗粒设于圆盘状或圆环状的金属基材的磨粒结合面上，而将该研磨工具用于抛光垫修整也被称为“钻石碟(Diamond Disk)”，该钻石碟的功能是用来使其修整抛光垫表面，提高硅晶圆抛光的效率及平坦化的质量的作业，也可以进行排除CMP制程后积屑的作业。

在习知抛光垫修整器的制造方法中，是藉由金属粉末的固相烧结方式于基材上形成金属结合液层，并且透过将多数颗钻石颗粒以镶嵌或埋入方式设置于该金属结合液层中，藉以将钻石固定于该基材上。然而，此习知的制造方法是利用固相烧结制法以机械或化学力的结合方式，将该钻石颗粒卡持或黏着于基材上，因而仍无法提供有效的固持力或黏着力。因此，习知抛光垫修整器的钻石颗粒有脱落的可能性，致残留于抛光垫上，使得晶圆片在研磨抛光的过程中，刮伤损坏该晶圆片表面，并且钻石分布不均，而大为降低抛光垫的修整效率。

请参阅图1所示，为习知另一种抛光垫修整器1a的制造方法，其藉由合金硬焊方式以将钻石颗粒11a形成于该钻石碟金属基材10a上的焊料层12a中，此方式虽然可提高钻石颗粒11a固定于该钻石碟金属基材10a上的黏着能力，但仍然无法解决该钻石颗粒11a于该钻石碟金属基材10a上排列与分布不均的问题；况且，假若该钻石颗粒11a于该合金硬焊过程中被融熔的焊料层12a聚成堆状，以使得由于钻石颗粒11a的聚集而影响该抛光垫修整器1a的研磨、抛光效率；况且，由于钻石颗粒11a的聚集作用将加厚整个结构厚度，使得研磨时的排屑困难；再者，利用此合金硬焊方式所附着的钻石颗粒11a也无法避免焊料层12a于抛光垫修整的过程中，受到酸性研磨液的侵蚀，而容易导致该钻石颗粒11a脱落的可能性。

请参阅图2所示，为习知另一种抛光垫修整器2a的制造方法，其藉由电镀方式以将钻石颗粒21a镶埋或卡固于该钻石碟金属基材20a上的镍层22a上，然而，此做法所形成的钻石颗粒21a于研磨修整的过程中，极为容易脱落而刮伤晶圆片的表面；再者，该镍层22a于研磨时接触到酸性溶液时，也将加速该钻石颗粒21a的脱落，而造成晶圆片的刮伤。

由上述可知，习知抛光垫修整器具有下列缺点：

(1)、透过上述的方法，钻石颗粒无法有效地黏着固定于钻石碟金属基材上，因此将有脱落以刮伤硅晶圆的问题。

(2)、钻石排列及分布无法均匀、一致，进而无法有效刮除磨研累积的排屑。

(3)、附着钻石颗粒的结合剂容易被酸性研磨液溶蚀，使得固定于基材的钻石颗粒仍然有脱落的可能性。

(4)、在高温烧结过程后，钻石颗粒会因劣化而变脆，并易在抛光垫修整过程中断裂进而造成晶圆的刮伤。

本发明有鉴于习知抛光垫修整器未能达到及符合使用者的需求，进而发展出钻石颗粒均匀分布、结合牢固性强、并且形成具耐腐蚀、高耐磨性、高硬度、热稳定性高及耐化学性的研磨工具及其制造方法。

因此，本发明人有感上述缺失的可改善，且依据多年来从事此方面的相关经验，悉心观察且研究，并配合学理的运用，而提出一种设计合理且有效改善上述缺失的本发明。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种研磨工具及其制造方法，透过基材表面形成凹凸部，在对应于凹凸部的表面上分别附着一磨料层及一保护层，藉以提供使用者不同形状的凹凸部，并利用磨料层及保护层，形成一均匀分布、结合牢固性强且具有耐腐蚀性、高耐磨性、高润滑度、高负荷度、高化学阻隔度特色的研磨工具，藉以提升研磨工具的研磨性能，并且可用于高速、高温、高摩擦的研磨下，而不受温度、摩擦力或酸性溶液侵蚀而发生脱落现象；

本发明的另一目的在于，利用于基材表面以机械加工方法，形成特定良好的规则形状及阵列排列的凹凸部，用以克服习知钻石排列分布不均匀而导致磨研时排屑不良的问题；

本发明的另二目的在于，透过本发明制造方法所形成的研磨工具，可不因为用于黏固钻石颗粒的结合剂发生研磨液溶蚀现象，而发生钻石颗粒脱落的现象；

本发明的另三目的在于，提供使用者在进行晶圆研磨制程时，不须另外测试研磨工具的稳定度，节省测试材料的耗费及成本。

为了达到上述目的，本发明提供一种研磨工具的制造方法，其步骤如下：

提供一基材；藉由机械加工方法，于该基材的表面形成一规则形状的凹凸部；藉由镀膜方法，在该凹凸部的表面均匀地附着一磨料层，且该磨料层对应该凹凸部的形状；藉由成型方法，在该磨料层的表面均匀地附着一保护层，且该保护层对应该凹凸部的形状。

为了达到上述目的，本发明还提供一种研磨工具，其包括：一基材、一磨料层及一保护层。其中基材的表面具有一凹凸部，该磨料层均匀地附着于该凹凸部的表面且对应该凹凸部的形状；该保护层均匀地附着于该磨料层的表面且对应该凹凸部的形状。

藉此，磨料层及保护层可稳固地附着在凹凸部表面上，使磨料层具有良好的研磨特性，并且不因高摩擦力、高温或酸性溶液侵蚀而发生脱落情况，造成晶圆片刮伤、损坏等问题，有助使用者在抛光垫修整过程中，可以不需要另外测试研磨工具上磨料是否黏着固合等问题，以节省工具及材料上的耗费。

为了能更进一步了解本发明为达成预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

附图说明

图1为另一习知方法所形成的抛光垫修整器的示意图。

图2为另二习知方法所形成的抛光垫修整器的示意图。

图3为本发明研磨工具及其制造方法的流程方块图。

图4为本发明研磨工具及其制造方法的结构示意图。

图4A为本发明研磨工具及其制造方法图4中A处的局部视图。

图5为本发明研磨工具及其制造方法另一实施例的结构示意图。

图6为本发明研磨工具及其制造方法中，该研磨工具的立体图。

图7为本发明研磨工具及其制造方法中，该研磨工具另一立体图。

图8为本发明研磨工具及其制造方法中，该研磨工具另一实施例的立体图。

图9为本发明研磨工具及其制造方法中，该研磨工具另一实施例的另一立体图。

主要组件符号说明

一、习知

1a抛光垫修整器

10a钻石碟金属基材        11a钻石颗粒

12a焊料层

2a抛光垫修整器

20a钻石碟金属基材        21a钻石颗粒

22a镍层                  23a凹口

二、本发明

1研磨工具

10基材            100凹凸部

20磨料层          200钻石粉末、钻石微粒

30保护层

具体实施方式

请参阅图3至图9所示，为本发明研磨工具1的制造方法流程图及其相关的结构示意图。

请参阅图3与图4，为该研磨工具1制造方法的流程，其步骤包含：首先，提供一基材10(S101)；接着，藉由一机械加工(mechanical process)方法，在该基材10的表面形成一规则的凹凸部100(S103)；然后，藉由一镀膜方法(coating)，在该凹凸部100的表面均匀地附着一磨料层20(S105)；最后，藉由一成型(forming)方法，在该磨料层20的表面均匀地附着一保护层30(S107)；完成一研磨工具1(S109)。

该磨料层20及保护层30皆对应于该凹凸部100的表面形状来进行附着，该凹凸部100可以透过线切割、雷射加工、薄片砂轮(Dicing saw)、金属射出成型、陶瓷射出成型、压铸、冲压或粉末冶金等其中一型式的机械加工(mechanical process)方法来达成，并且可形成出不同形状或不同尺寸的凹凸部100。

请配合图4A所示，在本发明中，该磨料层20可利用下列其中一方法形成：

方法一：在真空环境下，将微米(micro)或纳米(nano)钻石微粒200(如图4A)透过化学蒸镀(CVD)、物理蒸镀(PVD)或硬焊其中一方式的镀膜加工，均匀地附着在该凹凸部100的表面上，使该磨料层20可稳固地附着于该凹凸部100上；

方法二：透过电镀或非电镀的镀膜加工，将微米或纳米钻石粉末200均匀地形成于该凹凸部100的表面上，使该磨料层20稳固地附着于该凹凸部100上；

方法三：透过化学电镀(chemical electroplating)的镀膜加工，将微米或纳米钻石粉末200与镍、钴、铜或铬等其中的一材质混合，利用所谓复合镀(composite electroplating)方式，形成于该凹凸部100上。

另外，该保护层30为一种塑料(PEEK)材质，该塑料为一种在高温、高压及高摩擦之下，具有高耐磨性、高抗磨损表面、良好的润滑性、抗化学阻隔性、负荷性高及良好的附着性的聚合材质，其中该保护层30可利用涂布(painting)、喷布(spraying)、贴布(pasting)或印刷(printing)等其中一成型(forming)方式，以对应且均匀地附着于该磨料层20表面。在本发明中，该塑料可由铁伏龙(PTFE)或半结晶热塑性材料所组成。当研磨工具1在研磨过程中，该保护层30可提供该研磨工具1保持于高耐磨特性及具有极佳的抗磨损表面，在酸性溶液的酸腐蚀作用下不易造成溶解及侵蚀现象，防止该磨料层20受侵蚀情况产生，于研磨过程产生的高热、高压及高摩擦也得以被该保护层30所吸收，避免磨料层20的研磨能力，藉以能保持该磨料层20的研磨性。

如图4至图9所示，该凹凸部100形状为一规则的锯齿形状，并且该锯齿形状可以为金字塔形状或梯形形状，然而在本发明中，并不局限该凹凸部100形状。该基材10为不锈钢、金属、陶瓷、铝合金、钛合金或合金钢等其中一材质，该陶瓷可为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷或氮化物陶瓷等材质，使得该基材10可用以防止酸性溶液的侵蚀作用，该基材10形状为一圆盘形状或任何其它圆形几何形状。

再者，该凹凸部100可以透过上述的机械加工方法，形成不同阵列排列的方式，如图6及图7所示，其显示该凹凸部100在该基材10上，以同心圆阵列或矩形阵列排列方式的金字塔形状，且该凹凸部100所形成的高度与形状皆相同、一致；如图8及图9所示，同样地，该凹凸部100也可以为同心圆阵列或矩形阵列排列方式的梯形形状，且该凹凸部100所形成的高度与形状皆相同、一致。

本发明还提供一种研磨工具1，请复参阅图4及图5，为该研磨工具1结构示意图。图中可知，该研磨工具1包括有：一基材10、一附着于基材10表面的磨料层20，及一附着于该磨料层20表面的保护层30。

该基材10表面具有一凹凸部100，该磨料层20、及保护层30均匀地附着于该凹凸部100的表面上，并且对应于该凹凸部100的形状，该基材10为不锈钢、金属、陶瓷、铝合金、钛合金或合金钢等材质，该基材10形状为一圆盘形状或者任何圆形的几何形状，该凹凸部100也为一规则的阵列排列。该凹凸部100的形状为一锯齿形状或任何可用于研磨切削的凹凸形状，在本发明中，该锯齿形状为金字塔形状或梯形形状。

在本发明中，该凹凸部100为一藉由线切割加工、雷射加工、薄片砂轮(Dicing saw)加工、金属射出成型、陶瓷射出成型、压铸、冲压或粉末冶金等其中的一机械加(mechanical process)方法形成的凹凸部100。

该磨料层20为一藉由在真空环境下，利用化学蒸镀(CVD)、物理蒸镀(PVD)或硬焊等其中一制程方式所形成的钻石层，该钻石层由复数个微米级或纳米级的钻石微粒200所组成。或者，为一藉由电镀或非电镀方式所形成的钻石层，该钻石层由微米级或纳米级的钻石粉末200所组成。另外，该磨料层20也可以为一藉由化学电镀(Chemicalelectroplating)方式所形成的钻石层，该钻石层由微米级或纳米级的钻石粉末200与镍、钻、铜或铬其中的一材质所混合组成，亦即，该磨料层20是利用所谓复合镀(composite electroplating)方式所形成。

该保护层30为一塑料(PEEK)，该塑料为一种在高温下具有抗化学性、高硬度、高耐磨性、热稳定性高及抗变形度高的材质，其中该保护层30为一藉由涂布(painting)、喷布(spraying)、贴布(pasting)或印刷(printing)等其中一成型(forming)方式，以对应且均匀地附着于该磨料层20表面的保护层30，其中该塑料可由铁伏龙(PTFE)或半结晶热塑性材料组成。如此，该保护层30提供一高耐磨特性及具有极佳的抗磨损表面，在酸性溶液的酸腐蚀作用下不易造成溶解及侵蚀现象，防止该磨料层20侵蚀，该保护层30也可吸收于研磨过程产生的高热、高压及高摩擦。

本发明的研磨工具1可为一应用在化学机械研磨制程(CMP)的抛光垫修整器(Pad Conditioner)，该抛光垫修整器为一钻石碟(DiamondDisk)。

综上所述，本发明研磨工具及其制造方法具有下列优点：

(1)、基材可利用预定的机械加工，使得表面可形成出各式各样的形状的凹凸部，以提供使用者各种研磨作业所产生的不同使用需求。

(2)、耐酸性或碱性溶液腐蚀，不会使钻石粉末脱落而造成晶圆片的刮伤、损坏。

(3)、利用保护层的塑料特性，以提高研磨工具于晶圆片研磨抛光的过程中，仍然可以保持具有高耐磨性及高硬度、耐化学性、抗变形度，藉以提高其研磨性及研磨寿命。

(4)、透过磨料层及保护层的设计，提供使用者在研磨制程时，可不须要另测试研磨工具的稳定度，藉以省略进行研磨工具抛光效能的测试作业，降低研磨工具的测试耗费及晶圆材料耗损成本。

但，以上所述，仅为本发明最佳的一具体实施例的详细说明与图式，而本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以申请专利范围为准，凡合于本发明申请专利范围的精神与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范畴中，任何熟悉该项技艺者在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在本发明的专利范围。

Claims (22)

1、一种研磨工具的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：

(a)、提供一基材；

(b)、藉由一机械加工(mechanical process)方法，于该基材的表面形成一规则形状的凹凸部；

(c)、藉由一镀膜(coating)方法，于该凹凸部的表面上均匀地附着一磨料层，该磨料层对应该凹凸部的形状；以及

(d)、藉由一成型(forming)方法，于该磨料层的表面上均匀地附着一保护层，该保护层对应该凹凸部的形状。

2、如权利要求1所述的研磨工具的制造方法，其特征在于：在该(b)步骤中，该凹凸部是透过线切割、雷射加工、薄片砂轮(Dicing saw)、金属射出成型、陶瓷射出成型、压铸、冲压或粉末冶金的其中一机械加工(mechanical process)方法所形成。

3、如权利要求1所述的研磨工具的制造方法，其特征在于：在该(c)步骤中，该磨料层是在真空环境下，将微米(micro)或纳米(nano)钻石微粒，透过化学蒸镀(CVD)、物理蒸镀(PVD)或硬焊其中一方法形成于该凹凸部上。

4、如权利要求1所述的研磨工具的制造方法，其特征在于：在该(c)步骤中，该磨料层是将微米(micro)或纳米(nano)钻石粉末，透过电镀或非电镀加工形成于该凹凸部上。

5、如权利要求1所述的研磨工具的制造方法，其特征在于：在该(c)步骤中，该磨料层是透过将微米(micro)或纳米(nano)钻石粉末与镍、钴、铜或铬的其中一材质混合，并且透过化学电镀(compositeelectroplating)方式形成于该凹凸部表面。

6、如权利要求1所述的研磨工具的制造方法，其特征在于：该凹凸部形状为一锯齿形状，该锯齿形状为金字塔状或梯形状。

7、如权利要求1所述的研磨工具的制造方法，其特征在于：该基材为一圆盘形状，该凹凸部于该基材上形成一规则阵列，并且该凹凸部具有相同高度与形状。

8、如权利要求1所述的研磨工具的制造方法，其特征在于：该保护层为一塑料(PEEK)，该保护层利用涂布(painting)、喷布(spraying)、贴附(pasting)或印刷(printing)其中一成型(forming)方式对应且均匀地附着于该磨料层表面，该塑料由铁伏龙(PTFE)或半结晶热塑性材料所组成。

9、如权利要求1所述的研磨工具的制造方法，其特征在于：该基材为不锈钢、金属、陶瓷、铝合金、钛合金或合金钢的材质。

10、如权利要求9所述的研磨工具的制造方法，其特征在于：该陶瓷为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷或氮化物陶瓷。

11、如权利要求1所述的研磨工具的制造方法，其特征在于：该研磨工具为一应用于化学机械研磨制程(Chemical Mechanical Polishing，CMP)的抛光垫修整器(Pad Conditioner)，该抛光垫修整器为一钻石碟(Diamond Disk)。

12、一种研磨工具，其特征在于：包括：

一基材，其表面具有一规则形状的凹凸部；

一磨料层，其均匀地附着于该凹凸部的表面上且对应该凹凸部的形状；以及

一保护层，其均匀地附着于该磨料层的表面上且对应该凹凸部的形状。

13、如权利要求12所述的研磨工具，其特征在于：该凹凸部为一藉由线切割、薄片砂轮(Dicing saw)、雷射加工、金属射出成型、陶瓷射出成型、压铸、冲压或粉末冶金其中一机械加工(mechanical process)所形成的凹凸部。

14、如权利要求12所述的研磨工具，其特征在于：该磨料层为一藉由在真空环境下利用化学蒸镀(CVD)、物理蒸镀(PVD)或硬焊其中一制程所形成的磨料层，并且该等钻石为微米(micro)或纳米(nano)钻石微粒。

15、如权利要求12所述的研磨工具，其特征在于：该磨料层为一藉由电镀或非电镀方式所形成的磨料层，并且该等钻石粉末为微米(micro)或纳米(nano)钻石粉末。

16、如权利要求12所述的研磨工具，其特征在于：该磨料层为一藉由将该等钻石粉末与镍、钴、铜或铬的其中一材质，利用化学电镀(Chemical electroplating)方式组成的磨料层，并且该钻石粉末为微米(micro)或纳米(nano)钻石粉末。

17、如权利要求12所述的研磨工具，其特征在于：该凹凸部形状为一锯齿形状，该锯齿形状为一金字塔状或梯形状。

18、如权利要求12所述的研磨工具，其特征在于：该基材为一圆盘状，该凹凸部于该基材表面形成一规则阵列，并且该凹凸具有相同高度与形状。

19、如权利要求12所述的研磨工具，其特征在于：该保护层为一塑料(PEEK)，该保护层为一藉由涂布(painting)、喷布(spraying)、贴涂(pasting)或印刷(printing)其中一成型(forming)方式，以对应且均匀地附着于该磨料层表面上的保护层，该塑料由铁伏龙(PTFE)或半结晶热塑性材料所组成。

20、如权利要求12所述的研磨工具，其特征在于：该基材为不锈钢、金属、陶瓷、铝合金、钛合金或合金钢材质。

21、如权利要求20所述的研磨工具，其特征在于：该陶瓷为氧化物陶瓷、碳化物陶瓷或氮化物陶瓷。

22、如权利要求12所述的研磨工具，其特征在于：该研磨工具为一应用于化学机械研磨制程(Chemical Mechanical Polishing，CMP)的抛光垫修整器(Pad Conditioner)，该抛光垫修整器为一钻石碟(Diamond Disk)。

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