CN102001058A - 研磨工具及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研磨工具的制作方法，其包括提供一基材；形成一焊片层于基材的一表面上，焊片层具有至少一活化金属及一焊料；将多个超硬研磨颗粒以一图案排列于焊片层上；以及于一真空炉中以真空及加热反应的硬焊方式，使焊片层熔化以附着该些超硬研磨颗粒的图案排列；其中，具有至少一活化金属及焊料的焊片层不包括有机粘结剂。本发明亦提供一种根据前述制作方法所制作的研磨工具。

Description

研磨工具及其制作方法

技术领域

本发明涉及研磨工具及其制作方法，尤指一种使用具有活化金属及焊料而无须使用有机粘结剂的焊片层，以提升超硬研磨颗粒与焊片层间稳定性的研磨工具及其制作方法。

背景技术

近年来，半导体产业因在信息、通讯、民生电子、国防等领域的广泛应用而蓬勃发展，亦使得集成电路技术发展快速增加。而在其中，硅晶圆为其至为重要的脚色，然而，硅晶圆必须要在其表面经过研磨使其平整方可进行后续如芯片制造等工艺，最常用的方式，就是通过化学机械研磨。但在长期研磨过程时，研磨工具所附着的研磨颗粒会因与焊片层的焊料间结合力不足而导致脱落，使得产品的良率无法提升。

传统研磨工具中粘结研磨颗粒的焊料多以金属粉末为其组成，在其粉末中尚须添加有机粘结剂(如PVA或PVB)混成浆料后使用。然而，在后续的工艺中，这些残余混胶仍需使用如真空加热挥发或低温氧化而加以排除。现有在研磨颗粒的移除残余混胶步骤时因混胶挥发、沸腾或焦黑进而导致超硬研磨颗粒位置的移动或翻转，进而导致残余混胶因移除过程而造成残余碳的污染。再者，部分现有技术以在焊片层上预先形成孔洞的方式以防止研磨颗粒的移动或翻转，但，该方式仍使用含有有机粘结剂的浆料，无法避免残余混胶造成残余碳污染等问题。相关专利前案如美国公开专利第2008271384号、美国公开专利第2008053000号、中国台湾专利申请第96116111号等揭露内容。

因此，目前亟需一种无须使用有机粘结剂的焊片层，以便能提升超硬研磨颗粒与焊片层间稳定性的研磨工具及其制作方法。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种研磨工具的制作方法，其使用具有活化金属及焊料而无须使用有机粘结剂的焊片层，以便能提升超硬研磨颗粒与焊片层间稳定性的研磨工具及其制作方法。

本发明的另一目的是提供一种无须使用有机粘结剂等混胶的焊片层，以便能避免现有在研磨工具制作过程中，其在移除残余混胶步骤时因混胶挥发、沸腾或焦黑进而导致超硬研磨颗粒位置的移动或翻转，进而避免残余混胶因移除过程而造成残余碳的污染。

为达成上述目的，本发明研磨工具的制作方法，包括：提供一基材；形成一焊片层于基材的一表面上，焊片层系具有至少一活化金属及一焊料；将多个超硬研磨颗粒以一图案排列于焊片层上；以及于一真空炉中以真空及加热反应的硬焊方式，使焊片层熔化以附着超硬研磨颗粒的图案排列；其中，该具有至少一活化金属及焊料的该焊片层不包括有机粘结剂，且前述多个超硬研磨颗粒以一图案排列种类没有限制，较佳可为一矩阵排列。

本发明亦提供一种根据前述制作方法所制作的研磨工具，其包括一基材；一焊片层，其具有至少一活化金属及一焊料，且形成于基材的一表面上；以及多个超硬研磨颗粒，其以一图案排列于基材及焊片层上；其中，具有至少一活化金属及焊料的焊片层不包括有机粘结剂。

根据本发明，其中基材的材质至少一选自由硼碳化物、硅碳化物、铝氮化物、硼氮化物、硅氮化物、硅氧化物、硼氧化物、碳化钨、钨钢、模具钢材、不锈钢、高硬度合金钢、及高碳钢所组成的群组。此外，亦可依所需，基材亦可为一金属基板。

根据本发明，其中焊片层可由至少一焊片所形成；换句话说，本发明的焊片层可为一层或多层焊片的结构，而当以多层焊片为其结构时，可由点焊方式结合多个焊片以形成多层焊片结构的焊片层。

根据本发明，其中超硬研磨颗粒没有限制，只要可作为研磨及可耐硬焊高温而不会产生变化的材料皆可，较佳为钻石或立方氮化硼。

根据本发明的制作方法，其中于该真空炉中的真空较佳为约10^-3～10^-6torr；反应加热温度没有限制，只要能使焊片层或焊片层中所包含的焊料熔化即可，较佳为约800℃以上。

根据本发明，其中形成于基材上的焊片层的厚度与超硬研磨颗粒的粒径没有限制，只要焊片层的厚度小于超硬研磨颗粒的粒径以露出超硬研磨颗粒即可；根据本发明，焊片层的厚度较佳约为20至120μm间，而超硬研磨颗粒的粒径较佳约为40至250μm(400～60mesh)。

再者，根据本发明，其中焊片层中包含的焊料没有限制，较佳为至少一选自由铜、锡、钛、镍、及铬所组成群组的合金，更可依需要，可包括有硼、硅、或磷于其中。因此，本发明焊片层中包含的焊料较佳具体可为铜-锡-钛、镍-硼-硅-铬、或镍-磷-铬。至于焊片层中包含的至少一活化金属亦没有限制，较佳为过渡金属元素，最佳可为选自由钛、锆、铪、钒、铌、钽、镤、铬、钼、及钨所组成的群组。由此可知，根据本发明，本发明焊片层中包含的至少一活化金属只要可与超硬研磨颗粒形成碳化物的元素即可，只要其于加热反应时还包括有一化合物形成于该些超硬研磨颗粒与该焊料层的接触面。

根据本发明较佳实施态样，若以铜-锡-钛、镍-硼-硅-铬、或镍-磷-铬作为焊料，且至少一活化金属为选自由钛、锆、铪、钒、铌、钽、镤、铬、钼、及钨所组成的群组时，会在加热反应时还包括有一碳化物(如碳化钛或碳化铬)形成于该些超硬研磨颗粒与该焊料层的接触面。其中若以铜-锡-钛作为焊料时，更可因铜本身不溶于超硬研磨颗粒(如钻石)，更不会催化使钻石变成石墨，因此仍可在硬焊过程后维持其颜色及强度。但铜本身会溶解于酸性环境，故可依制作过程中选择性地镀上类钻碳或氮化钽等类似保护层。

因此，根据本发明的研磨工具及其制作方法，可有效地使用具有活化金属及焊料而无须使用有机粘结剂的焊片层，故能避免现有技术在研磨工具制作过程中，其在移除残余混胶步骤时因混胶挥发、沸腾或焦黑进而导致超硬研磨颗粒位置的移动或翻转，进而避免残余混胶因移除过程而造成残余碳的污染以及提升超硬研磨颗粒与焊片层间稳定性。根据本发明研磨工具的制作方法，其可应用于化学机械研磨钻石碟的制作及使用。

具体实施方式

以下，将对本发明作更详细的说明。

由本发明制作方法所得的研磨工具，其包括一基材；一焊片层，其具有至少一活化金属及一焊料，且形成于基材的一表面上；以及多个超硬研磨颗粒，其以一图案排列于基材及焊片层上；其中，具有至少一活化金属及焊料的焊片层不包括有机粘结剂。

实施例1

首先，提供一基材，本实施例的基材用来承载多个超硬研磨颗粒及使该些超硬研磨颗粒附着于基材的焊片层，故该基材的材质可为硼碳化物、硅碳化物、铝氮化物、硼氮化物、硅氮化物、硅氧化物、硼氧化物、碳化钨、钨钢、模具钢材、不锈钢、高硬度合金钢、高碳钢、或其组合所组成，亦可依所需选择使用金属基板。在本实施例中使用金属基板。

的后，选择性地使用一粘着剂以形成一焊片层平铺并固定于基材的一表面上，该焊片层包括有至少一活化金属及一焊料，其中焊片层中的焊料可为铜、锡、钛、镍、或铬等的合金，或亦可选自由前述金属所组成群组的合金；此外，可添加包括有硼、硅、或磷于焊料中。因此，本实施例的焊料具体可为铜-锡-钛、镍-硼-硅-铬、或镍-磷-铬等。至于活化金属，可使用钛、锆、铪、钒、铌、钽、镤、铬、钼、钨、或其组合。

接着，将多个超硬研磨颗粒如钻石，选择性地使用一粘着剂以一图案排列并固定于焊片层上，该图案的排列因需要而可调整，本实施例中选择以一矩阵方式排列以获得较佳研磨效益。

需说明的是，以上两步骤中可选择性的使用粘着剂以暂时固定超硬研磨颗粒、焊片层、及基材，但由于焊片层本质上并不包括有粘着剂，故此选择性的使用粘着剂仍可改善现有中粘着剂会残存于金属基材中而不易挥发等缺点。

形成于基材上的焊片层的厚度与超硬研磨颗粒的粒径没有限制，只要焊片层的厚度小于超硬研磨颗粒的粒径以露出超硬研磨颗粒即可，其中焊片层的厚度较佳约为20至120μm间，而超硬研磨颗粒的粒径较佳约为40至250μm(400～60mesh)。在本实施例中，焊片层的厚度约为100μm，而超硬研磨颗粒的粒径较佳约为200μm。

将前述层状结构置入一真空炉中以真空及加热反应至硬焊方式，使焊片层或焊料产生熔化以附着超硬研磨颗粒的图案排列。由于不同焊料组成的熔点皆不相同，若使用如本发明的铜-锡-钛作为焊料时约需加热至约800℃，若使用镍-硼-硅-铬或镍-磷-铬等作为焊料时约需加热至约1000℃。再，前述使用的至少一活化金属在加热过程中可与钻石颗粒形成碳化物于该些钻石颗粒与焊料层的接触面。

将多个超硬研磨颗粒以一图案排列于焊片层上；以及于一真空炉中以真空及加热反应的硬焊方式，使焊片层熔化以附着超硬研磨颗粒的图案排列；其中，该具有至少一活化金属及焊料的该焊片层不包括有机粘结剂，且前述多个超硬研磨颗粒以一图案排列种类没有限制，较佳可为一矩阵排列。

如前所述，当使用钻石等超硬研磨材料时，由于钻石的化学惰性高，因此在研磨工具的应用上会显得非常稳定。然而，一般金属焊料与钻石的接触角甚大，导致钻石与焊料仍无法有效附着，亦无法润湿钻石，也鉴于此，现有技术中的焊料多以金属粉末为其组成，在其粉末中尚须添加有机粘结剂以粘结钻石。根据本实施例的焊片层包括有至少一活化金属及一焊料，其中焊片层中的焊料可为铜、锡、钛、镍、或铬等的合金，或亦可选自由前述金属所组成群组的合金；此外，可添加包括有硼、硅、或磷于焊料中。因此，本发明的焊料具体可为铜-锡-钛、镍-硼-硅-铬、或镍-磷-铬等。至于活化金属，可使用钛、锆、铪、钒、铌、钽、镤、铬、钼、钨、或其组合。前述的活化金属对于钻石的亲和力大，可使焊料与钻石间于后续工艺中熔化时使焊片层中的元素扩散至钻石表面。以铬作为具体举例来说，但不限于此，该活化金属铬在加热过程中可与钻石颗粒形成碳化铬(Cr₃C₂)于该些钻石颗粒与焊料层的接触面，并降低彼此的接触角及在钻石表面产生优异的润湿性。

实施例2

在本实施例研磨工具的制作方法与实施例1相似，惟在本实施例中先将多个超硬研磨颗粒以一图案排列于基材上，其后再形成一焊片层平铺于多个超硬研磨颗粒上。

根据本实施例研磨工具的制作方法，其亦可达成如实施例1的功效。

实施例3

在本实施例研磨工具的制作方法与实施例1相似，惟在本实施例中的焊片层为多层焊片的结构而非实施例1中单层焊片的结构而不同。换句话说，本实施例中焊片层由一层以上的焊片所形成，通过点焊方式结合多个焊片以形成多层焊片结构的焊片层。本实施例中多层焊片结构的焊片层厚度仍与实施例1相同，必须小于超硬研磨颗粒的粒径以露出超硬研磨颗粒，其中多层焊片结构的焊片层厚度较佳约为20至120μm间，而超硬研磨颗粒的粒径较佳约为40至250μm(400～60mesh)。在本实施例中，多层焊片结构的焊片层厚度约为100μm，而超硬研磨颗粒的粒径较佳约为200μm。

根据本实施例研磨工具的制作方法，其亦可达成如实施例1的功效。

因此，根据实施例研磨工具的制作方法，不仅可有效地使用具有活化金属及焊料而无须使用有机粘结剂的焊片层，故能解决现有使用有机粘结剂作为混胶的焊片层，有效地改善现有在移除残余混胶步骤时因混胶挥发、沸腾或焦黑所造成超硬研磨颗粒位置的移动或翻转，并有效改善残余混胶因移除过程而造成残余碳的污染以及提升超硬研磨颗粒与焊片层间稳定性。此外，本发明的硬焊温度工艺亦可因所使用本发明的焊片层而降低，大幅减少生产成本及其应用。

上述实施例仅为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以申请专利范围所述为准，而非仅限于上述实施例。

Claims (31)

1.一种研磨工具的制作方法，其特征在于包括：

提供一基材；

形成一焊片层于该基材的一表面上，该焊片层具有至少一活化金属及一焊料；

将多个超硬研磨颗粒以一图案排列于该焊片层上；以及

于一真空炉中以真空及加热反应的硬焊方式，使该焊片层熔化以附着该些超硬研磨颗粒的该图案排列；

其中，该具有至少一活化金属及焊料的该焊片层不包括有机粘结剂。

2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，该基材的材质至少为一选自由硼碳化物、硅碳化物、铝氮化物、硼氮化物、硅氮化物、硅氧化物、硼氧化物、碳化钨、模具钢材、钨钢、高硬度合金钢、不锈钢、及高碳钢所组成的群组。

3.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，该基材为一金属基板。

4.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，该焊片层由一层或多层焊片所形成。

5.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于，该多层焊片由点焊方式结合多个焊片以形成该焊片层。

6.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，形成该焊片层的厚度为20至120μm。

7.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，该些超硬研磨颗粒的粒径为40至250μm。

8.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，于该真空炉中的真空为10^-3～10^-6torr，反应加热温度为800℃以上。

9.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，该至少一活化金属为过渡金属元素。

10.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，该至少一活化金属选自由钛、锆、铪、钒、铌、钽、镤、铬、钼、及钨所组成的群组。

11.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，该焊料至少为一选自由铜、锡、钛、镍、及铬所组成群组的合金。

12.如权利要求11所述的制作方法，其特征在于，该焊料包括有硼、硅或磷。

13.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，该焊料为铜-锡-钛、镍-硼-硅-铬或镍-磷-铬。

14.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，于加热反应时还包括有一碳化物形成于该些超硬研磨颗粒与该焊料层的接触面。

15.如权利要求14所述的制作方法，其特征在于，该碳化物为碳化钛或碳化铬。

16.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，该些超硬研磨颗粒为钻石或立方氮化硼。

17.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，该些图案排列为一矩阵。

18.一种研磨工具，其特征在于包括：

一基材；

一焊片层，其具有至少一活化金属及一焊料，且形成于该基材的一表面上；以及

多个超硬研磨颗粒，其以一图案排列于该基材及该焊片层上；

其中，该具有至少一活化金属及焊料的该焊片层不包括有机粘结剂。

19.如权利要求18所述的研磨工具，其特征在于，该焊片层的厚度小于该些超硬研磨颗粒的粒径。

20.如权利要求18所述的研磨工具，其特征在于，该焊片层由一层或多层焊片所形成。

21.如权利要求18所述的研磨工具，其特征在于，该基材的材质至少为一选自由硼碳化物、硅碳化物、铝氮化物、硼氮化物、硅氮化物、硅氧化物、硼氧化物、碳化钨、模具钢材、钨钢、高硬度合金钢、不锈钢、及高碳钢所组成的群组。

22.如权利要求18所述的研磨工具，其特征在于，该基材为一金属基板。

23.如权利要求18所述的研磨工具，其特征在于，该至少一活化金属为过渡金属元素。

24.如权利要求18所述的研磨工具，其特征在于，该至少一活化金属为选自由钛、锆、铪、钒、铌、钽、镤、铬、钼、及钨所组成的群组。

25.如权利要求18所述的研磨工具，其特征在于，该焊料至少一选自由铜、锡、钛、镍、及铬所组成群组的合金。

26.如权利要求25所述的研磨工具，其特征在于，该焊料还包括有硼、硅或磷。

27.如权利要求18所述的研磨工具，其特征在于，该焊料为铜-锡-钛、镍-硼-硅-铬或镍-磷-铬。

28.如权利要求18所述的研磨工具，其特征在于，该些超硬研磨颗粒为钻石或立方氮化硼。

29.如权利要求18所述的研磨工具，其特征在于，还包括有一碳化物形成于该些超硬研磨颗粒与该焊料层的接触面。

30.如权利要求29所述的研磨工具，其特征在于，该碳化物为碳化钛或碳化铬。

31.如权利要求18所述的研磨工具，其特征在于，该研磨工具为一化学机械研磨钻石碟。