CN110869206A - 包括可适形涂层的磨料制品和由此形成的抛光系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及包括可适形涂层(例如亲水性涂层)的磨料制品，以及由此形成的抛光系统。本公开提供了一种磨料制品，所述磨料制品包括陶瓷主体，所述陶瓷主体具有研磨表面和相反的第二表面，其中所述陶瓷主体的研磨表面包括多个所设计的特征结构，所述多个所设计的特征结构各自具有基部和与所述基部相反的远侧端部，并且所述陶瓷主体具有至少7.5的莫氏硬度；邻近并适形于所述多个所设计的特征结构的可适形金属氧化物涂层，其中所述可适形金属氧化物涂层包括第一表面；和与所述可适形金属氧化物涂层的所述第一表面接触的可适形极性有机金属涂层，其中所述可适形极性有机金属涂层包含具有至少一种金属和具有至少一个极性官能团的有机部分的化合物。

Description

包括可适形涂层的磨料制品和由此形成的抛光系统
技术领域
本公开涉及具有可适形涂层的磨料制品，例如具有可适形涂层的研磨垫修整器，以及由此形成的抛光系统。
背景技术
具有涂层的磨料制品已描述于例如美国专利5,921,856；6,368,198和8,905,823以及美国专利公布2011/0053479和2017/0008143中。
发明内容
磨料制品通常用于研磨各种基底，以便从基底自身移除经研磨的基底表面的一部分。从基底表面移除的材料通常被称为切屑。磨料制品的一个问题是，切屑可积聚在磨料制品的研磨表面上，从而降低磨料制品的研磨能力。从磨料制品移除切屑通常是困难的，因为其可容易地粘附到磨料制品的研磨表面。
在化学机械平面化(CMP)应用中，抛光系统可包括抛光垫，通常为聚合物基材料，例如聚氨酯；被设计成研磨所述垫的磨料制品，例如研磨垫修整器；被抛光的基底，例如半导体晶片；和工作液体，例如包含磨料颗粒的抛光浆液，其被设计用于抛光/研磨被抛光的基底。在用抛光浆液和抛光垫抛光晶片期间，抛光垫可用来自浆液的浆液颗粒变得光滑，这降低了抛光垫以一致方式抛光晶片的能力。通常使用可包含金刚石颗粒磨料层、陶瓷磨料层或金刚石涂覆的陶瓷磨料层的研磨垫修整器来研磨抛光垫，以便移除釉面和/或暴露新的抛光垫表面，从而在长的抛光时间段内维持垫的一致抛光性能。然而，在使用期间，研磨垫修整器易于切屑积聚，例如，从抛光垫研磨的抛光垫材料和/或来自浆液的磨料颗粒可附着到研磨垫修整器的研磨表面。这种现象降低了研磨垫修整器从抛光垫移除釉面和/或暴露新的抛光垫表面的能力，并最终导致抛光垫自身的抛光性能降低。为了改善这种情况，需要一种研磨垫修整器，其具有降低切屑积聚和/或可容易地清洗切屑的研磨表面。
本公开涉及具有独特的亲水性表面的磨料制品。亲水性表面改善了磨料制品的表面的可润湿性并且可导致由于磨料制品的亲水性表面而增强的防污能力和/或增强的清洁能力。这与现有技术，例如美国专利申请公布2011/0053479(Kim等人)形成对比，该专利表明需要疏水性切割表面来防止切割工具表面(例如，研磨垫修整器表面)的污染。本公开还提供了掺入本公开的磨料制品的抛光系统。
在一个实施方案中，本公开提供了一种磨料制品，该磨料制品包括：
陶瓷主体，所述陶瓷主体具有研磨表面和相反的第二表面，其中所述陶瓷主体的研磨表面包括多个所设计的特征结构，所述多个所设计的特征结构各自具有基部和与所述基部相反的远侧端部，并且所述陶瓷主体具有至少7.5的莫氏硬度和/或至少1300kg/mm2的维氏硬度；
邻近并适形于所述多个所设计的特征结构的可适形金属氧化物涂层，其中所述可适形金属氧化物涂层包括第一表面；以及
与所述可适形金属氧化物涂层的第一表面接触的可适形极性有机金属涂层。在一些实施方案中，可适形极性有机金属涂层包含具有至少一种金属和具有至少一个极性官能团的有机部分的化合物。任选地，可适形极性有机金属涂层中的至少一种金属可为Si、Ti、Zr和Al中的至少一种。陶瓷主体可具有介于4mm至25mm之间的厚度。在一些实施方案中，研磨表面的投影表面积在500mm2至500000mm2之间。
在另一个实施方案中，本公开提供一种抛光系统，该抛光系统包括：
包含材料的抛光垫；
具有研磨表面的研磨垫修整器，其中所述研磨垫修整器包括至少一个根据本公开的磨料制品中的任一者的磨料制品，其中所述研磨垫修整器的研磨表面包括所述至少一个磨料制品的可适形极性有机金属涂层。
附图说明
图1A为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性磨料制品的至少一部分的示意性顶视图。
图1B为根据本公开的一个示例性实施方案的图1A的示例性磨料制品的通过线1B的示意性剖视图。
图2为根据本公开的一个示例性实施方案的分段研磨垫修整器的示意性顶视图。
图3为用于利用根据本公开的一些实施方案的磨料制品的示例性抛光系统的示意图。
在说明书和附图中重复使用的参考符号旨在表示本公开的相同或类似的特征结构或元件。附图可不按比例绘制。如本文所用，应用于数值范围的字词“介于……之间”包括该范围的端值，除非另外指明。通过端点表述的数值范围包括该范围内的所有数字(如1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及该范围内的任何范围。
应当理解，本领域的技术人员可以设计出许多落入本公开原理的范围内及符合本公开原理的实质的其它修改形式和实施方案。除非另外指明，否则本文所使用的所有科学和技术术语具有在本领域中普遍使用的含义。本文提供的定义将有利于理解本文频繁使用的某些术语，并且不意味着限制本公开的范围。本说明书和所附权利要求书中所用的单数形式“一个”、“一种”和“该”涵盖具有多个指代物的实施方案，除非上下文另有清晰的表示。本说明书和所附权利要求书中使用的术语“或”一般以其包括“和/或”的意义被采用，除非上下文另有清晰的表示。
在整个本公开中，“所设计的特征结构”是指具有机加工形状(即切割以形成形状或模制形状)的三维特征结构(具有长度、宽度和高度的形貌特征结构)，所设计的特征结构的模制形状为对应模具腔体的逆形状，所述形状在所设计的特征结构从模具腔体移除之后被保留。所设计的特征结构可由于例如生坯陶瓷的烧结而在尺寸上收缩以形成陶瓷的所设计的特征结构。然而，收缩的所设计的特征结构仍维持由生坯陶瓷形成的模具腔体的大致形状，并且仍然被认为是所设计的特征结构。
在整个本公开中，“微复制”是指如下制造技术：其中通过在生产工具例如模具或压印工具中浇铸或模塑陶瓷粉末前体来制备精确成形的形貌特征结构，其中生产工具具有多个微米尺寸至毫米尺寸的形貌特征结构，所述形貌特征结构为最终所需特征结构的逆形状。在从生产工具移除陶瓷粉末前体时，一系列形貌特征结构存在于生坯陶瓷的表面中。生坯陶瓷表面的形貌特征结构具有与初始生产工具的特征结构相反的形状。
在整个本公开中，短语“可适形涂层”是指涂覆并适形于包括多个所设计的特征结构的研磨表面或具有形貌的表面的涂层。涂层适形于所设计的特征结构或表面形貌，并且一般不完全填充所设计的特征结构或表面的形貌，以产生平坦表面，例如涂层不平坦化多个所设计的特征结构或具有形貌的表面。
在整个本公开中，术语“极性有机金属”是指具有至少一种金属(例如碱金属、碱土金属、过渡金属和半导体金属)和具有至少一个极性官能团的有机部分的化合物。
在整个本公开中，术语“有机金属”是指在有机化合物的碳原子和金属(包括过渡金属和半导体金属)之间含有至少一个键的化合物。
具体实施方式
本公开涉及可用于多种研磨应用中的磨料制品。本公开的磨料制品显示出尤其可用作研磨垫修整器或分段研磨垫修整器的元件，并且可用于多种CMP应用中。本公开的磨料制品显示出与邻近磨料制品的主体的研磨表面定位的亲水性表面相关联的独特防污和/或清洁特性。亲水性表面是施加到磨料制品主体的研磨表面的一个或多个可适形涂层的结果。亲水性表面可与邻近磨料制品的研磨表面施加的极性有机金属涂层相关联。本公开的磨料制品包括陶瓷主体(所述陶瓷主体具有研磨表面，即设计用于研磨基底的表面)和邻近研磨表面的极性有机金属涂层。陶瓷主体可具有至少7.5的莫氏硬度和/或至少1300kg/mm2的维氏硬度。极性有机金属涂层可以是适形于研磨表面上的任何所设计的特征结构或研磨表面上的任何经涂覆的所设计的特征结构的可适形涂层。极性有机金属涂层可包含具有至少一种金属和具有至少一个极性官能团的有机部分的化合物。所述至少一种金属可为Si、Ti、Zr和Al中的至少一种。极性有机金属涂层可包含有机金属化合物。磨料制品还可包括设置在陶瓷主体的研磨表面与极性有机金属涂层之间的金属氧化物涂层。金属氧化物涂层可有利于极性有机金属涂层与磨料制品的陶瓷主体的粘结。金属氧化物涂层也可以是亲水性的，并且有助于磨料制品的最终研磨表面(涂覆后的研磨表面)的亲水性。与例如等离子体涂层相比，金属氧化物涂层还可提高亲水性涂层的耐久性和储存寿命，使得磨料制品能够在较长的时间段内维持其防污特性。金属氧化物可为适形于研磨表面上的任何所设计的特征结构或研磨表面上的任何经涂覆的所设计的特征结构的可适形涂层。磨料制品可包括设置在陶瓷主体的研磨表面与极性有机金属涂层之间的任选的金刚石涂层。磨料制品可包括设置在磨料制品的陶瓷主体的研磨表面与金属氧化物涂层之间的任选的金刚石涂层。金刚石涂层可改善磨料制品的陶瓷主体的研磨表面的耐化学品性、耐磨性和/或强度，从而有利于磨料制品的较长研磨寿命。金刚石涂层可以是适形于研磨表面上的所设计的特征结构(例如，多个所设计的特征结构)或研磨表面上经涂覆的所设计的特征结构的可适形涂层。金刚石涂层的表面可被氧化以有利于结合到极性有机金属涂层或金属氧化物涂层。如果金刚石涂层的表面是氧化的，则氧化表面可被认为是本文的金属氧化物涂层，即使常规上氧化的碳将不被认为是金属氧化物涂层。除了包含氧化的金刚石表面之外，本文术语“金属氧化物”在本领域中具有其常规含义。
本公开的磨料制品包括具有研磨表面和相反的第二表面的陶瓷主体；所述研磨表面包括多个所设计的特征结构。所设计的特征结构可被定义为具有基部和与基部相反的远侧端部。所述磨料制品包括至少一种可适形极性有机金属涂层，并且所述极性有机金属涂层可包含具有至少一种金属和具有至少一个极性官能团的有机部分的化合物。所述至少一种金属可为Si、Ti、Zr和Al中的至少一种。所述极性有机金属涂层邻近所述陶瓷主体的研磨表面。磨料制品还可包括金属氧化物涂层，例如，设置在陶瓷主体的研磨表面与所述至少一种可适形极性有机金属涂层之间的可适形金属氧化物涂层。磨料制品还可包括任选的金刚石涂层，例如，可适形金刚石涂层。在一些实施方案中，金刚石涂层可设置在陶瓷主体的研磨表面与至少一种可适形极性有机金属涂层之间。在一些实施方案中，金刚石涂层可设置在陶瓷主体的研磨表面与金属氧化物涂层之间。也可使用包括所有三种涂层的组合。在一些实施方案中，金刚石涂层的表面可被氧化并且可包含氧。
可适形极性有机金属涂层可包含具有至少一种金属和具有至少一个极性官能团的有机部分的化合物。该有机部分的至少一个极性官能团包括但不限于，羟基、酸(例如羧酸)、伯胺、仲胺、叔胺、甲氧基、乙氧基、丙氧基、酮、阳离子和阴离子官能团中的至少一种。在一些实施方案中，所述至少一个极性官能团包括阳离子官能团和阴离子官能团中的至少一种。在一些实施方案中，所述至少一个极性官能团包括至少一个阳离子官能团和一个阴离子官能团，例如两性离子。在一些实施方案中，可适形极性有机金属涂层可包含具有至少一种金属和具有至少两个极性官能团的有机部分的化合物。在一些实施方案中，所述至少两个极性官能团可以是相同的官能团。在一些实施方案中，所述至少两个极性官能团可以是不同的官能团。在一些实施方案中，可适形极性有机金属涂层可以是有机硅烷，包括但不限于有机氯硅烷、有机硅烷醇和烷氧基硅烷中的至少一种，即具有至少一种金属和具有至少一个极性官能团的有机部分的化合物可以是有机硅烷，包括但不限于有机氯硅烷、有机硅烷醇和烷氧基硅烷中的至少一种。可用的有机硅烷包括但不限于n-三甲氧基甲硅烷基丙基-n,n,n-三甲基氯化铵、n-(三甲氧基甲硅烷基丙基)乙二胺三乙酸三钠盐、羧乙基硅烷三醇二钠盐、3-(三羟基甲硅烷基)-1-丙磺酸和n-(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)葡糖酰胺中的至少一种。可适形极性有机金属涂层还可包括硅酸锂、硅酸钠和硅酸钾中的至少一种。
尤其可用的可适形极性有机金属涂层可包括两性离子型硅烷。两性离子型硅烷为分子内具有异号电荷的中性化合物，如http://goldbook.iupac.org/Z06752.html所述。此类化合物为涂层提供易于清洁的性能。
合适的两性离子型硅烷包括两性离子型磺酸根官能化的硅烷、两性离子型羧酸根官能化的硅烷、两性离子型磷酸根官能化的硅烷、两性离子型膦酸化官能化的硅烷、两性离子型膦酸根官能化的硅烷或它们的组合。在某些实施方案中，两性离子型硅烷为两性离子型磺酸根官能化的硅烷。
在某些实施方案中，用于本公开中的两性离子型硅烷化合物具有下各式(I)，其中：
(R1O)p-Si(Q1)q-W-N+(R2)(R3)-(CH2)m-Zt-
(I)
其中：
每个R1独立地为氢、甲基基团或乙基基团；
每个Q1独立地选自羟基、含有1至4个碳原子的烷基基团和含有1至4个碳原子的烷氧基基团；
每个R2和R3独立地为饱和或不饱和的、直链、支链、或环状的有机基团(优选地具有20个碳原子或更少)，其可任选地与基团W的原子连接在一起形成环；
W为有机连接基团；
Zt-为–SO3 -、–CO2 -、–OPO3 2-、–PO3 2-、–OP(＝O)(R)O-或它们的组合，其中t为1或2，并且R为脂族、芳族、支链、线性、环状或杂环基团(优选地具有20个或更少碳，更优选地R为具有20个或更少碳的脂族基团，并且甚至更优选地R为甲基、乙基、丙基或丁基)；
p和m为1至10(或1至4，或1至3)的整数；
q为0或1；以及
p+q＝3。
在某些实施方案中，式(I)的有机连接基团W可选自饱和或不饱和的、直链、支链或环状的有机基团。连接基团W优选地为亚烷基基团，其可包括羰基基团、氨基甲酸酯基团、脲基团、杂原子(诸如氧、氮和硫)以及它们的组合。合适的连接基团W的示例包括亚烷基基团、亚环烷基基团、烷基取代的亚环烷基基团、羟基取代的亚烷基基团、羟基取代的一氧杂亚烷基基团、具有一氧杂主链取代的二价烃基基团、具有一硫杂主链取代的二价烃基基团、具有一氧-硫杂主链取代的二价烃基基团、具有二氧-硫杂主链取代的二价烃基基团、亚芳基基团、芳基亚烷基基团、烷基亚芳基基团以及取代的烷基亚芳基基团。
式(I)的两性离子化合物的合适示例描述于美国专利No.5,936,703(Miyazaki等人)和国际公布No.WO 2007/146680以及WO 2009/119690中，并且包括以下两性离子官能团(-W-N+(R3)(R4)-(CH2)m-SO3 -)：
Figure BDA0002361028190000081
在某些实施方案中，用于本公开中的两性离子型磺酸根官能化的硅烷化合物具有下式(II)，其中：
(R1O)p-Si(Q1)q-CH2CH2CH2-N+(CH3)2-(CH2)m-SO3 -
(II)
其中：
每个R1独立地为氢、甲基基团或乙基基团；
每个Q1独立地选自羟基、含有1至4个碳原子的烷基基团和含有1至4个碳原子的烷氧基基团；
p和m为1至4的整数；
q为0或1；并且
p+q＝3。
式(II)的两性离子型磺酸根官能化的化合物的合适示例描述于美国专利5,936,703(Miyazaki等人)中，包括例如：
(CH3O)3Si-CH2CH2CH2-N+(CH3)2-CH2CH2CH2-SO3 -；以及
(CH3CH2O)2Si(CH3)-CH2CH2CH2-N+(CH3)2-CH2CH2CH2-SO3 -。
可使用标准技术制得的合适的两性离子型磺酸根官能化的化合物的其它示例包括下列化合物：
Figure BDA0002361028190000091
以及
Figure BDA0002361028190000101
用于本公开中的合适的两性离子型磺酸根官能化的硅烷化合物的优选示例描述于实验部分。特别优选的两性离子型磺酸根官能化的硅烷为：
Figure BDA0002361028190000102
两性离子型羧酸根官能化的硅烷化合物的示例包括：
Figure BDA0002361028190000103
其中每个R独立地为OH或烷氧基，并且n为1-10。
两性离子型磷酸根官能化的硅烷化合物的示例包括：
Figure BDA0002361028190000104
(N,N-二甲基，N-(2-磷酸乙酯乙基)-胺丙基-三甲氧基硅烷(DMPAMS))。
两性离子型膦酸根官能化的硅烷化合物的示例包括：
Figure BDA0002361028190000105
在一些实施方案中，本公开的可适形极性有机金属涂层包含基于即用型组合物的总重量计至少0.0001重量百分比(重量％)、或至少0.001重量％、或至少0.01重量％、或至少0.05重量％的量的两性离子型硅烷化合物。在一些实施方案中，本公开的组合物包含基于即用型组合物的总重量计至多10重量％、或至多5重量％、或至多2重量％的量的两性离子型硅烷化合物。
在一些实施方案中，本公开的可适形极性有机金属涂层包含基于浓缩型组合物的总重量计至少0.0001重量百分比(重量％)、或至少0.001重量％、或至少0.01重量％、或至少0.1重量％、或至少0.5重量％的量的两性离子型硅烷化合物。在一些实施方案中，本公开的组合物包含基于浓缩型组合物的总重量计多至20重量％、或多至15重量％、或多至10重量％的量的两性离子型硅烷化合物。
可适形金属氧化物涂层的金属可包括碱金属、碱土金属、过渡金属和半导体金属中的至少一种。半导体金属包括Si、Ga等。在一些实施方案中，金属氧化物的金属包括Al、Ti、Cr、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、W、Zn、Zr、Ga和Si中的至少一种。可使用各种组合。
在一些实施方案中，磨料制品包括邻近并适形于多个三维特征结构的可适形金属氧化物涂层，例如多个所设计的特征结构，其中可适形金属氧化物涂层包括第一表面；以及与所述可适形金属氧化物涂层的所述第一表面接触的可适形极性有机金属涂层。可适形极性有机金属涂层包含具有至少一种金属和具有至少一个极性官能团的有机部分的化合物。可适形金属氧化物涂层可与磨料制品的陶瓷主体的多个三维特征结构接触。在一些实施方案中，磨料制品的可适形极性有机金属涂层上的水接触角小于30度、小于20度、小于10度、小于5度或甚至小于2度。在一些实施方案中，磨料制品的可适形极性有机金属涂层上的水接触角介于0度至30度之间，介于0度至20度之间，介于0度至10度之间，介于0度至5度之间，或甚至介于0度至1.5度之间。具有至少一种金属和具有至少一个极性官能团的有机部分的化合物可以是有机硅烷，并且可适形极性有机金属涂层可以包括有机硅烷和可适形金属氧化物涂层的金属氧化物的反应产物。在一些实施方案中，金属氧化物的金属可包括Si，可适形极性有机金属涂层的有机硅烷可包括烷氧基硅烷，并且可适形极性有机金属涂层的至少一个极性官能团可包括阳离子官能团和阴离子官能团中的至少一种。磨料制品可包括设置在磨料制品的陶瓷主体的研磨表面与可适形金属氧化物涂层之间的任选的可适形金刚石涂层。
磨料制品的陶瓷主体可具有至少7.5、至少8或甚至至少9的莫氏硬度和/或至少1300kg/mm2、至少1500kg/mm2、至少2000kg/mm2、或甚至至少3000kg/mm2的维氏硬度。在一些实施方案中，陶瓷主体具有介于7.5至10之间、介于8至10之间或甚至介于9和10之间的莫氏硬度和/或介于1300kg/mm2和10000kg/mm2之间、介于1300kg/mm2和4000kg/mm2之间、介于1300kg/mm2和3000kg/mm2之间、介于1500kg/mm2和10000kg/mm2之间、介于1500kg/mm2和4000kg/mm2之间或甚至介于1300kg/mm2和3000kg/mm2之间的维氏硬度。一般来讲，具有高莫氏硬度(至少约7.5)和/或维氏硬度(至少约1300kg/mm2)的磨料制品具有特定的实用性，因为它们能够承受在研磨过程和/或例如CMP应用中存在的通常苛刻的化学环境期间发生的研磨作用。
陶瓷主体可为包含按重量计99％的碳化物陶瓷的碳化物陶瓷主体，任选地，碳化物陶瓷主体可包含按重量计99％的碳化硅陶瓷。陶瓷主体可以是整体陶瓷主体。整体陶瓷主体是基本上由陶瓷组成的主体，所述陶瓷由遍及的连续的陶瓷结构构成并具有遍及的连续的陶瓷结构，例如遍及的连续的陶瓷形态。陶瓷形态可以是单相。整体陶瓷通常被设计成非常缓慢地侵蚀，优选根本不侵蚀，并且不包含可从整体陶瓷释放的磨料颗粒。整体陶瓷不是通常用于磨料领域中的磨料复合物。磨料复合物包括粘结剂(例如聚合物粘结剂)和分散在粘结剂内的多个磨料颗粒。磨料复合物具有至少两相形态，即，连续的粘结剂或基质相以及不连续的磨料颗粒相。粘结剂可被称为“粘结剂基质”或“基质”。与整体陶瓷形成对比的是，磨料复合物，尤其是具有多个三维结构(例如所设计的特征结构)的磨料复合物通过粘结剂的侵蚀而起作用，这导致新磨料颗粒的暴露，而磨损的磨料颗粒从复合物中释放。
在一个实施方案中，本公开提供了一种磨料制品，其包括：具有研磨表面和相反的第二表面的陶瓷主体，其中陶瓷主体的研磨表面包括多个所设计的特征结构，每个所设计的特征结构具有基部和与基部相反的远侧端部，并且陶瓷主体具有至少7.5氏硬度和/或至少130kg/mm2的维氏硬度；
邻近并适形于所述多个所设计的特征结构的可适形金属氧化物涂层，其中所述可适形金属氧化物涂层包括第一表面；以及
与所述可适形金属氧化物涂层的所述第一表面接触的可适形极性有机金属涂层，其中所述可适形极性有机金属涂层包含具有至少一种金属和具有至少一个极性官能团的有机部分的化合物。在一些实施方案中，所述至少一种金属为Si、Ti、Zr和Al中的至少一种。
图1A为根据本公开的一个示例性实施方案的示例性磨料制品的至少一部分的示意性顶视图，并且图1B为根据本公开的一个示例性实施方案的图1A的示例性磨料制品通过线1B的示意性剖视图。图1A和图1B示出了磨料制品100的至少一部分，该磨料制品包括具有研磨表面10a和相反的第二表面10b的陶瓷主体10，其中陶瓷主体的研磨表面10a包括多个所设计的特征结构20，每个所设计的特征结构均具有基部20b和与基部相反的远侧端部20a。如图1A所示，磨料制品100的至少一部分具有与限定磨料制品100的周边的大圆的面积相等的投影表面积。磨料制品100还包括邻近并适形于所述多个所设计的特征结构20的可适形金属氧化物涂层30(其中所述可适形金属氧化物涂层30包括第一表面30a)，以及与所述可适形金属氧化物涂层30的第一表面30a接触的可适形极性有机金属涂层40。可适形极性有机金属涂层40可包含具有至少一种金属(例如Si、Ti、Zr和Al中的至少一种)和具有至少一个极性官能团的有机部分的化合物。磨料制品100可任选地包括设置在陶瓷主体10的研磨表面10a与可适形金属氧化物涂层40之间的可适形金刚石涂层50。金刚石涂层(如果使用的话)可与陶瓷主体10的研磨表面10a接触。在一些实施方案中，金属氧化物涂层30邻近并接触陶瓷主体10的研磨表面10a。在一些实施方案中，金属氧化物涂层30邻近且接触可适形金刚石涂层50。在该示例性实施方案中，多个所设计的特征结构20具有四边形棱锥形状，其中四边形棱锥的顶端对应于多个所设计的特征结构20的远侧端部20a，并且四边形棱锥的基部对应于多个三维特征结构的基部20b。所设计的特征结构各自具有长度L、宽度W和高度H。如果各个所设计的特征结构具有不同的长度、宽度和高度，则长度、宽度和高度的平均值可用于表征多个所设计的特征结构。如果所设计的特征结构的基部具有圆形横截面积，则圆的半径可用于限定所设计的特征结构。
磨料制品的陶瓷主体包括研磨表面。所述研磨表面包括多个所设计的特征结构。
所述多个所设计的特征结构的面密度不受特别限制。在一些实施方案中，所述多个所设计的特征结构的面密度可为0.5/cm2至1×107/cm2，0.5/cm2至1×106/cm2，0.5/cm2至1×105/cm2，0.5/cm2至1×104/cm2，0.5/cm2至1×103/cm2，1/cm2至1×107/cm2，1/cm2至1×106/cm2，1/cm2至1×105/cm2，1/cm2至1×104/cm2，1/cm2至1×103/cm2，10/cm2至1×107/cm2，10/cm2至1×106/cm2，10/cm2至1×105/cm2，10/cm2至1×104/cm2，或甚至10/cm2至1×103/cm2。在一些实施方案中，各个所设计的特征结构中的每一个的尺寸(例如长度、宽度、高度、直径)中的至少一者可为1微米至2000微米，1微米至1000微米，1微米至750微米，1微米至500微米，10微米至2000微米，10微米至1000微米，10微米至750微米，10微米至500微米，25微米至2000微米，25微米至1000微米，25微米至750微米，或甚至25微米至500微米。
陶瓷主体及其对应的多个所设计的特征结构可通过机加工、微机加工、微复制、模塑、挤出、注塑、陶瓷压制等中的至少一种来形成，使得多个所设计的特征结构被加工并且可从部件至部件和在部件内重现，从而反映复制设计的能力。所述多个所设计的特征结构可通过机械技术形成，包括但不限于传统的机加工，例如锯切、镗孔、钻孔、车削等。激光切割；水射流切割等。所述多个所设计的特征结构可通过本领域已知的微复制技术形成。
所述多个所设计的特征结构的形状不受特别限制，并且可包括但不限于；圆柱形；椭圆柱形；多边形棱柱，例如五边形棱柱、六边形棱柱和八边形棱柱；锥形和截棱锥，其中锥形形状可包括例如3至12个侧壁；立方形，例如正方体或长方体；锥形和截头圆锥形；环形等。可使用两种或更多种不同形状的组合。所述多个所设计的特征结构可以是随机的或成图案的，例如正方形阵列、六边形阵列等。所设计的特征结构的附加形状和图案可见于美国专利申请公布2017/0008143(Minami等人)中，该专利全文以引用方式并入本文。
当模塑或压印用于形成多个所设计的特征结构时，模具或压印工具在其表面上具有至少一个指定形状的预定阵列或图案，该预定阵列或图案是陶瓷主体的所设计的特征结构的预定阵列或图案和指定形状的倒转。模具可以由金属、陶瓷、金属陶瓷、复合物或聚合物材料形成。在一个实施方案中，模具是诸如聚丙烯的聚合物材料。在另一个实施方案中，模具是镍。可以通过雕刻、微机械加工或诸如金刚石车削的其它机械方式，或者通过电铸来制造由金属制成的模具。一个优选的方法是电铸。可以通过制备正母模形成模具，所述正母模具有研磨元件的所设计的特征结构的预定阵列和指定形状。然后制造所具有的表面形貌与正母模反向的模具。可以通过直接机加工技术制成正母模，诸如美国专利5,152,917(Pieper等人)和6,076,248(Hoopman等人)中公开的金刚石车削，这些专利的公开内容全文以引用方式并入本文。这些技术进一步描述于美国专利6,021,559(Smith)，该专利的公开内容全文以引用方式并入本文。包括例如热塑性塑料的模具可以通过复制金属母模工具制成。可以任选地与金属母模一起加热热塑性片材料，使得通过将两个表面压在一起在热塑性材料压印有金属母模呈现的表面图案。还可以将热塑性塑料材料挤出或浇注到金属母模上然后按压。制造生产工具和金属母模的其它合适方法在美国专利5,435,816(Spurgeon等人)中有所讨论，该专利全文以引用方式并入本文。
磨料制品的陶瓷主体可包括连续的陶瓷相。陶瓷主体可以是烧结陶瓷主体。在一些实施方案中，陶瓷主体可包含小于5重量％、小于3重量％、小于2重量％、小于1重量％、小于0.5重量％或甚至0重量％的聚合物。陶瓷主体可包含小于5重量％，小于3重量％，小于2重量％，小于1重量％，小于0.5重量％或甚至0重量％的有机材料。陶瓷主体可以是整体陶瓷主体。陶瓷主体的陶瓷不受特别限制，不同的是陶瓷主体应具有至少7.5的莫氏硬度和/或至少1300kg/mm2的维氏硬度。陶瓷可包括但不限于碳化硅、氮化硅、氧化铝、氧化锆、碳化钨等中的至少一种。其中，可从强度、硬度、耐磨性等的角度有利地使用碳化硅和氮化硅，并且尤其是碳化硅。在一些实施方案中，陶瓷为碳化物陶瓷，其包含按重量计至少70％，至少80％，至少90％，至少95％或甚至至少99％的碳化物陶瓷。可用的碳化物陶瓷包括但不限于碳化硅、碳化硼、碳化锆、碳化钛和碳化钨中的至少一种。可使用各种组合。磨料制品的陶瓷主体可在不使用碳化物形成剂的情况下制造，并且可基本上不含氧化物烧结助剂。在一个实施方案中，磨料制品的陶瓷主体包含按重量计小于约1％的氧化物烧结助剂。
陶瓷主体的制造可通过预成形陶瓷的机加工或模制技术，例如，微复制来进行。一种尤其可用的制造技术是陶瓷模压。在该技术中，通常由附聚物(包含陶瓷颗粒、聚合物粘结剂和任选的一种或多种其他添加剂，例如碳源或润滑剂)形成的陶瓷粉末前体设置在模具中，该模具具有所需主体尺寸和表面，该表面具有所需所设计的特征结构的反腔体(包括它们的适当尺寸、形状和图案)。一旦位于模具中，陶瓷粉末前体在高压下被压缩，以使粉末致密化并迫使粉末进入模具腔体中。该方法的该第一步骤产生可从模具移除的模制的生坯陶瓷。然后在高温下烧结生坯陶瓷以移除聚合物粘结剂并进一步使主体致密，从而形成陶瓷主体，即具有多个所设计的特征结构的经烧结的陶瓷主体。在一个实施方案中，在介于300℃和900℃之间的温度范围内的贫氧气氛中，在粘结剂和碳源(如果存在)pyrolization步骤期间加热生坯陶瓷元件，从而形成具有本文研磨表面的陶瓷主体，所述主体的研磨表面包括多个所设计的特征结构。在一个实施方案中，在介于1900℃和约2300℃之间的温度范围内的贫氧气氛中，烧结生坯陶瓷元件，从而形成具有本文研磨表面的陶瓷主体，所述陶瓷主体的研磨表面包括多个所设计的特征结构。陶瓷粉末前体可以是附聚物，例如喷雾干燥的附聚物。陶瓷干燥压制技术公开于美国专利申请公布2017/0008143(Minami等人)中，该专利先前已全文以引用方式并入本文。在施加可适形涂层中的一者或多者之前，陶瓷主体可通过常规技术进行清洁。
磨料制品包括至少一种可适形涂层。所述至少一种可适形涂层包括可适形极性有机金属涂层，其包含具有至少一种金属(例如Si、Ti、Zr和Al中的至少一种)和具有至少一个极性官能团的有机部分的化合物。磨料制品还可包括设置在磨料制品的陶瓷主体的研磨表面与所述至少一种可适形极性有机金属涂层之间的可适形金属氧化物涂层。金属氧化物涂层可与陶瓷主体的研磨表面接触。所述至少一种可适形极性有机金属涂层可与可适形金属氧化物涂层(即，金属氧化物涂层的暴露表面)接触。磨料制品可包括任选的可适形金刚石涂层。金刚石涂层可与磨料制品的陶瓷主体的研磨表面接触。可适形金属氧化物涂层可与金刚石涂层(即，金刚石涂层的暴露表面)接触。如果不存在可适形金属氧化物涂层，则所述至少一种可适形极性有机金属涂层可与可适形金刚石涂层(即，金刚石涂层的暴露表面)接触。可适形金刚石涂层可包括含氧的氧化表面。可使用可适形极性有机金属涂层与可适形金属氧化物涂层或可适形金刚石涂层的组合。可使用所有三种涂层的组合，即，可适形极性有机金属涂层、可适形金属氧化物涂层和可适形金刚石涂层。例如，在一个实施方案中，陶瓷主体的研磨表面可首先涂覆有可适形金属氧化物涂层，例如钻石样玻璃(DLG)。金属氧化物涂层邻近并接触陶瓷主体的研磨表面的多个所设计的特征结构。DLG涂层具有暴露的第一表面，所述暴露的第一表面可涂覆有可适形极性有机金属涂层(所述可适形极性有机金属涂层包含具有至少一种金属和具有至少一个极性官能团的有机部分的化合物)，例如可适形亲水性涂层。可适形极性有机金属涂层邻近并接触金属氧化物涂层的第一表面。在一些实施方案中，金属氧化物涂层可以是金刚石涂层，其中金刚石涂层的表面已被氧化并且包含氧。在另一个实施方案中，陶瓷主体的研磨表面可首先涂覆有可适形金刚石涂层。金刚石涂层邻近并接触陶瓷主体的研磨表面的多个所设计的特征结构。然后可将可适形金属氧化物涂层例如钻石样玻璃(DLG)涂覆在可适形金刚石涂层的暴露表面上。可适形金属氧化物涂层邻近并接触可适形金刚石涂层。然后可将附加的可适形极性有机金属涂层(例如，可适形亲水性涂层)(所述附加的可适形极性有机金属涂层包含具有至少一种金属和具有至少一个极性官能团的有机部分的化合物)涂覆在可适形金属氧化物涂层的暴露表面上。可适形极性有机金属涂层与可适形金属氧化物涂层的暴露表面接触。
可适形金刚石涂层可包括可适形纳米晶金刚石涂层、可适形微晶金刚石涂层和可适形钻石样碳(DLC)涂层中的至少一种。可适形金刚石涂层的厚度不受特别限制。在一些实施方案中，金刚石涂层的厚度为0.5微米至30微米，1微米至30微米，5微米至30微米，0.5微米至20微米，1微米至20微米，5微米至20微米，0.5微米至15微米，1微米至15微米，或甚至5微米至15微米。可适形金刚石涂层可以是例如钻石样碳涂层(DLC)。在一些实施方案中，碳原子以基于DLC的总组成量计40原子％至95原子％，40原子％至98原子％，40原子％至99原子％，50原子％至95原子％，50原子％至98原子％，50原子％至99原子％，60原子％至95原子％，60原子％至98原子％或甚至60原子％至99原子％的量存在。可使用诸如甲烷等的气体碳源或诸如石墨等的固体碳源和氢气(根据需要)，通过诸如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法、热丝化学气相沉积(HWCVD)方法、离子束、激光烧蚀、RF等离子体、超声、电弧放电、阴极电弧等离子体沉积等常规技术，将金刚石涂层沉积在表面，例如陶瓷主体的研磨表面上。在一些实施方案中，可通过HWCVD制备具有高结晶度的金刚石涂层。
可适形金属氧化物涂层包含至少一种金属氧化物，例如氧化铝、氧化钛、氧化铬、氧化镁、氧化锰、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化钨、氧化锌和氧化硅等。可使用金属氧化物的组合，包括合金。可适形金属氧化物涂层的金属可包括过渡金属和半导体金属中的至少一种。金属氧化物的金属可包括Al、Ti、Cr、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、W、Zn和Si中的至少一种。可以使用金属的组合。另外，可适形金属氧化物涂层可以是具有含氧的氧化表面的金刚石涂层。可适形金属氧化物涂层可包括钻石样玻璃(DLG)。术语“钻石样玻璃”(DLG)是指包含碳、硅和氧的基本上或完全无定形的玻璃，并且任选地包含选自包括氢、氮、氟、硫、钛和铜的组的一种或多种附加组分。在某些实施方案中可存在其它元素。在一些实施方案中，金属氧化物涂层不含氟。在一些实施方案中，基于DLG组合物的摩尔基础计，DLG包含80％至100％，90％至100％，95％至100％，98％至100％，或甚至99％至100％的碳、硅、氧和氢。在一些实施方案中，基于DLG组合物的摩尔基础计，DLG包含80％至100％，90％至100％，95％至100％，98％至100％，或甚至99％至100％的碳、硅和氧。本公开的无定形钻石样玻璃涂层可包含原子聚类以给予其短程有序但基本上没有导致微观或宏观结晶度的中程和长程有序，所述微观或宏观结晶度可以不利地分散具有从180nm至800nm波长的辐射。术语“无定形”是指基本上无规排列的没有X射线衍射峰值或具有适度的X射线衍射峰值的非晶材料。当存在原子聚类时，其通常发生在与光化辐射的波长相比较小的维度上。可用的钻石样玻璃涂层及其制备方法可见于例如美国专利6,696,157(David等人)中，该专利全文以引用方式并入本文。金属氧化物涂层可通过常规技术形成，包括但不限于物理气相沉积、化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、反应离子蚀刻和原子层沉积。可适形金属氧化物涂层的厚度不受特别限制。在一些实施方案中，金属氧化物涂层的厚度为0.5微米至30微米，1微米至30微米，5微米至30微米，0.5微米至20微米，1微米至20微米，5微米至20微米，0.5微米至15微米，1微米至15微米，或甚至15微米至15微米。
金属氧化物涂层可充当“接合层”，从而改善陶瓷主体的研磨表面与亲水性涂层(即，可适形极性有机金属涂层)之间的粘附性。金属氧化物涂层也可用作“接合层”，从而改善陶瓷主体的可适形金刚石涂层与可适形极性有机金属涂层之间的粘附性。金属氧化物涂层还可有助于经涂覆的磨料制品的暴露表面的亲水性。
本公开的磨料制品还包括可适形极性有机金属涂层，所述可适形极性有机金属涂层包含具有至少一种金属(例如Si、Ti、Zr和Al中的至少一种)和具有至少一个极性官能团的有机部分的化合物。可适形极性有机金属涂层可以是亲水性涂层。可适形极性有机金属涂层可包含偶联剂和/或偶联剂和例如金属氧化物涂层的金属氧化物表面的反应产物，即具有至少一种金属和具有至少一个极性官能团的有机部分的化合物可为偶联剂和/或偶联剂和例如金属氧化物涂层的金属氧化物表面的反应产物。虽然不希望受理论的约束，但偶联剂(例如烷氧基硅烷)可在存在水分的情况下水解以形成硅烷醇，硅烷醇的羟基基团可进一步通过缩合机理与金属氧化物的表面反应，金属氧化物的表面自身通常将具有羟基基团。缩合反应将导致形成M-O-Si键和水，其中M为金属氧化物表面的金属。可使用本领域已知的偶联剂，包括但不限于硅烷偶联剂、钛酸盐偶联剂、锆酸盐偶联剂和铝酸盐偶联剂中的至少一种。可以使用偶联剂的组合。混合物可包括相同类型的不同偶联剂的混合物，例如两种或更多种不同硅烷偶联剂的混合物，或者两种或更多种不同偶联剂类型的混合物，例如硅烷偶联剂和钛酸盐偶联剂的混合物。可适形极性有机金属涂层可包含有机硅烷，并且由其形成的可适形极性有机金属涂层可包含有机硅烷和可适形金属氧化物涂层的金属氧化物的反应产物，即具有至少一种金属和具有至少一个极性官能团的有机部分的化合物可为有机硅烷，并且由其形成的可适形极性有机金属涂层可包括有机硅烷和可适形金属氧化物涂层的金属氧化物的反应产物。可用的有机硅烷包括但不限于有机氯硅烷、有机硅烷醇和烷氧基硅烷中的至少一种。所述至少一个极性官能团包括但不限于羟基、酸(例如羧酸)、伯胺、仲胺、叔胺、甲氧基、乙氧基、丙氧基、酮、阳离子和阴离子官能团中的至少一种。在一些实施方案中，具有至少一个极性官能团的有机部分可包含至少两个、至少三个、至少四个、至少五个或甚至至少六个极性官能团。在一些实施方案中，具有至少一个极性官能团的有机部分可包含一至三个、一至四个、一至六个、一至八个、一至十个、二至三个、二至四个、二至六个、二至八个或甚至二至十个极性官能团。在一些实施方案中，可适形极性有机金属涂层包含具有至少一种金属(例如Si、Ti、Zr和Al中的至少一种)和具有至少两个极性官能团的有机部分的化合物。如果有机部分包含至少两个极性官能团，则所述至少两个极性官能团可以是相同的官能团，例如均为羟基基团，或者可以是不同官能团的组合，例如两个羟基基团和伯胺基团。在一些实施方案中，所述至少一个极性官能团包括阳离子官能团和阴离子官能团中的至少一种。在一些实施方案中，所述至少一个极性官能团包括阳离子官能团和阴离子官能团，即如前所述的两性离子硅烷。所述至少一个极性官能团提供具有增强的亲水性的缔合的可适形涂层。可适形极性有机金属涂层，即具有至少一种金属和具有至少一个极性官能团的有机部分的化合物可包括硅烷偶联剂、钛酸盐偶联剂、锆酸盐偶联剂和铝酸盐偶联剂中的至少一种，硅烷偶联剂，例如有机硅烷，具有特别的实用性。
可将包含具有至少一种金属和具有至少一个极性官能团的有机部分的化合物的可适形极性有机金属涂层以无溶剂形式施加到基底(例如，可适形金属氧化物涂层)，但优选地由其溶液施加，所述溶液包含挥发性溶剂，例如挥发性有机溶剂。此类溶液可包含基于所述溶液的总重量计0.25重量％至约80重量％，约0.25重量％至约10重量％，或甚至0.25重量％至3重量％的所述化合物，其余可基本上由溶剂或溶剂的混合物组成。通常合适溶剂的示例包括但不限于，水；醇，例如甲醇，乙醇和丙醇；酮，如丙酮和甲基乙基酮；烃，例如己烷、环己烷、甲苯等；醚，例如乙醚和四氢呋喃，以及它们的混合物。如果需要可存在水，以例如水解具有一个或多个可水解官能团的化合物。如果需要也可存在有机酸诸如乙酸，以例如稳定包含硅烷醇的溶液。在涂覆后，将溶剂从溶液中除去，在基底上留下可适形极性有机金属涂层，所述可适形极性有机金属涂层包含具有至少一种金属和具有至少一个极性官能团的有机部分的化合物。在一些实施方案中，可适形极性有机金属可包含基于涂层的重量计30重量％至100重量％，40重量％至100重量％，50重量％至100重量％，60重量％至100重量％，70重量％至100重量％，80重量％至100重量％，90重量％至100重量％，或甚至95重量％至100重量％的具有至少一种金属和具有至少一个极性官能团的有机部分的化合物。可适形极性有机金属涂层还可包含硅酸锂、硅酸钠和硅酸钾中的至少一种。硅酸盐可以基于涂层的重量计1％至70％，1％至60％，1％至50％，1％至40％或甚至1％至30％存在于涂层中。
在一个实施方案中，本公开的磨料制品可如下制造：
提供具有研磨表面和相反的第二表面的陶瓷主体，其中所述陶瓷主体的所述研磨表面包括多个所设计的特征结构，所述多个所设计的特征结构各自具有基部和与所述基部相反的远侧端部，并且所述陶瓷主体具有至少7.5的莫氏硬度和/或至少1300kg/mm2的维氏硬度；
将可适形金属氧化物涂层设置成邻近并适形于所述多个所设计的特征结构，其中所述可适形金属氧化物涂层包括第一表面；
将可适形极性有机金属涂层设置成与所述可适形金属氧化物涂层的所述第一表面接触，其中所述可适形极性有机金属涂层包含具有至少一种金属(例如Si、Ti、Zr和Al中的至少一种)和具有至少一个极性官能团的有机部分的化合物。在一些实施方案中，可适形金属氧化物涂层与陶瓷主体的研磨表面接触。
在另一个实施方案中，本公开的磨料制品如下制造：
提供具有研磨表面和相反的第二表面的陶瓷主体，其中所述陶瓷主体的所述研磨表面包括多个所设计的特征结构，所述多个所设计的特征结构各自具有基部和与所述基部相反的远侧端部，并且所述陶瓷主体具有至少7.5的莫氏硬度和/或至少1300kg/mm2的维氏硬度；
将可适形金刚石涂层设置成邻近并适形于所述多个所设计的特征结构，其中所述可适形金刚石涂层包括暴露表面；
将可适形金属氧化物涂层设置成邻近并接触所述金刚石涂层的所述暴露表面，其中所述可适形金属氧化物涂层包括第一表面；
将可适形极性有机金属涂层设置成与所述可适形金属氧化物涂层的所述第一表面接触，其中所述可适形极性有机金属涂层包含具有至少一种金属(例如Si、Ti、Zr和Al中的至少一种)和具有至少一个极性官能团的有机部分的化合物。在一些实施方案中，可适形金刚石涂层与陶瓷主体的研磨表面接触。
本公开的磨料制品可特别用作研磨垫修整器，以用于例如CMP应用中。磨料制品可用于全面研磨垫修整器和分段研磨垫修整器两者。分段研磨垫修整器包括附接到基底的至少一个研磨元件，该基底一般具有比该元件更大的投影表面积。因此，在分段研磨垫修整器表面上存在包含研磨表面的区域和不包含研磨表面的区域。在一些实施方案中，全面研磨垫修整器包括根据本公开中任一项所述的磨料制品。全面研磨垫修整器的表面积可包括根据本公开的磨料制品的研磨表面的50％至100％，60％至100％，70％至100％，80％至100％或甚至90％至100％。分段研磨垫修整器包括基底和至少一个研磨元件；研磨元件可为根据本公开的磨料制品中的任一者的磨料制品。图2示出了本公开的分段研磨垫修整器的示意性顶视图。分段研磨垫修整器200包括基底210和具有研磨表面220a的研磨元件220。在该示例性实施方案中，分段研磨垫修整器200包括五个研磨元件220。研磨元件220可为本公开的磨料制品中的任一种。基底210不受特别限制。基底210可为刚性材料，例如金属。基底210可为不锈钢，例如不锈钢钢板。在一些实施方案中，基底210具有至少1GPa，至少5GPa或甚至至少10GPa的弹性模量。研磨元件220可通过本领域已知的任何方法，例如机械地(例如利用螺钉或螺栓)或粘合剂(例如，利用环氧树脂粘合剂层)附接到基底210。可能有利的是使研磨元件220的研磨表面220a为基本上平坦的。将研磨元件安装到基底使得研磨元件的平坦研磨表面能够基本上平坦的方法公开于美国专利公布2015/0224625(LeHuu等人)中，该专利全文以引用方式并入本文。
图3示意性地示出根据本公开的一些实施方案的利用磨料制品的抛光系统300的示例。如图所示，抛光系统300可包括具有抛光表面350a的抛光垫350和具有研磨表面的研磨垫修整器310。所述研磨垫修整器包括至少一种根据本公开的磨料制品中的任一者的磨料制品，其中所述研磨垫修整器的研磨表面包括所述至少一种磨料制品的可适形极性有机金属涂层。所述系统还可包括下列中的一者或多者：工作液体360、台板340和研磨垫修整器载体组件330、清洁液体(未示出)。粘合剂层370可用来将抛光垫350附接到台板340并且可以是抛光系统的一部分。抛光垫350上的被抛光的基底(未示出)也可以是抛光系统300的一部分。工作液体360可为设置在抛光垫350的抛光表面350a上的溶液层。抛光垫350可以是本领域中已知的任何抛光垫。抛光垫350包括材料，即其由材料制成。抛光垫的材料可包括聚合物，例如热固性聚合物和热塑性聚合物中的至少一者。热固性聚合物和热塑性聚合物可以是聚氨酯，即抛光垫的材料可以是聚氨酯。工作液体通常设置在抛光垫的表面上。工作液体还可位于研磨垫修整器310与抛光垫350之间的界面处。在抛光系统300的操作期间，驱动组件345可旋转(箭头A)台板340，以移动抛光垫350来执行抛光操作。抛光垫350和抛光液360可单独地或组合来限定抛光环境，该抛光环境以机械方式和/或以化学方式从待抛光的基底的主表面移除材料或抛光待抛光的基底的主表面。为了用研磨垫修整器310研磨，即修整抛光表面350a，载体组件330可在抛光液360的存在下将研磨垫修整器310压在抛光垫350的抛光表面350a上。台板340(且因此抛光垫350)和/或研磨垫修整器载体组件330然后相对于彼此移动，以使研磨垫修整器310在抛光垫350的抛光表面350a上平移。载体组件330可旋转(箭头B)且任选地侧向横移(箭头C)。因此，研磨垫修整器310的磨料层从抛光垫350的抛光表面350a移除材料。应当理解，图3的抛光系统300仅为可结合本公开的磨料制品采用的抛光系统的一个示例，并且可在不脱离本公开的范围的情况下采用其它常规抛光系统。
本公开的所选实施方案包括但不限于以下：
在第一实施方案中，本公开提供了一种磨料制品，所述磨料制品包括：
陶瓷主体，所述陶瓷主体具有研磨表面和相反的第二表面，其中所述陶瓷主体的研磨表面包括多个所设计的特征结构，所述多个所设计的特征结构各自具有基部和与所述基部相反的远侧端部，并且所述陶瓷主体具有至少7.5的莫氏硬度；
邻近并适形于所述多个所设计的特征结构的可适形金属氧化物涂层，其中所述可适形金属氧化物涂层包括第一表面；以及
与所述可适形金属氧化物涂层的所述第一表面接触的可适形极性有机金属涂层，其中所述可适形极性有机金属涂层包含具有至少一种金属和具有至少一个极性官能团的有机部分的化合物。
在第二实施方案中，本公开提供了根据第一实施方案所述的磨料制品，其中所述可适形极性有机金属涂层的所述至少一种金属为Si、Ti、Zr和Al中的至少一种。
在第三实施方案中，本公开提供了根据第一或第二实施方案所述的磨料制品，其中所述至少一个极性官能团包括羟基、酸、伯胺、仲胺、叔胺、甲氧基、乙氧基、丙氧基、酮、阳离子和阴离子官能团中的至少一种。
在第四实施方案中，本公开提供了根据第一至第三实施方案中任一项所述的磨料制品，其中所述至少一个极性官能团包括阳离子官能团和阴离子官能团中的至少一种。
在第五实施方案中，本公开提供了根据第一至第四实施方案中任一项所述的磨料制品，其中所述至少一个极性官能团包括至少一个阳离子官能团和一个阴离子官能团。
在第六实施方案中，本公开提供了根据第一至第五实施方案中任一项所述的磨料制品，其中所述化合物为有机硅烷，并且其中所述可适形极性有机金属涂层包含所述有机硅烷和所述可适形金属氧化物涂层的金属氧化物的反应产物。
在第七实施方案中，本公开提供了根据第六实施方案所述的磨料制品，其中所述有机硅烷包括有机氯硅烷、有机硅烷醇和烷氧基硅烷中的至少一种。
在第八实施方案中，本公开提供了根据第一至第七实施方案中任一项所述的磨料制品，其中所述有机硅烷包括烷氧基硅烷。
在第九实施方案中，本公开提供了根据第一至第七实施方案中任一项所述的磨料制品，其中有机硅烷包括n-三甲氧基甲硅烷基丙基-n,n,n-三甲基氯化铵、n-(三甲氧基甲硅烷基丙基)乙二胺三乙酸三钠盐、羧乙基硅烷三醇二钠盐、3-(三羟基甲硅烷基)-1-丙磺酸和n-(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)葡糖酰胺中的至少一种。
在第十实施方案中，本公开提供了根据第一至第九实施方案中任一项所述的磨料制品，其中所述可适形极性有机金属涂层还包含硅酸锂、硅酸钠和硅酸钾中的至少一种。
在第十一实施方案中，本公开提供了根据第一至第十实施方案中任一项所述的磨料制品，其中所述金属氧化物的金属包括Al、Ti、Cr、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、W、Zn、Zr、Ga和Si中的至少一种。
在第十二实施方案中，本公开提供了根据第五实施方案所述的磨料制品，其中所述金属氧化物的金属包括Si，并且有机硅烷包括烷氧基硅烷。
在第十三实施方案中，本公开提供了根据第一至第十二实施方案中任一项所述的磨料制品，其中所述可适形极性有机金属涂层上的水接触角小于30度。
在第十四实施方案中，本公开提供了根据第一至第十三实施方案中任一项所述的磨料制品，其中所述可适形极性有机金属上的水接触角介于0度至20度之间。
在第十五实施方案中，本公开提供了根据第一至第十四实施方案中任一项所述的磨料制品，还包括设置在所述陶瓷主体的研磨表面与所述可适形金属氧化物涂层之间的可适形金刚石涂层。
在第十六实施方案中，本公开提供了根据第一至第十五实施方案中任一项所述的磨料制品，其中所述陶瓷主体为碳化物陶瓷主体并且包含按重量计99％的碳化物陶瓷。
在第十七实施方案中，本公开提供了根据第十六实施方案所述的磨料制品，其中所述碳化物陶瓷主体包含按重量计99％的碳化硅陶瓷。
在第十八实施方案中，本公开提供了根据第十六或第十七实施方案所述的磨料制品，其中所述陶瓷主体为整体陶瓷主体。
在第十九实施方案中，本公开提供了根据第一至第十八实施方案中任一项所述的磨料制品，其中所述多个所设计的特征结构为精确成形的特征结构。
在第二十实施方案中，本公开提供一种抛光系统，所述抛光系统包括：
包含材料的抛光垫；
具有研磨表面的研磨垫修整器，其中所述研磨垫修整器包括至少一个根据第一至第十九实施方案中任一项所述的磨料制品，其中所述研磨垫修整器的研磨表面包括所述至少一个磨料制品的可适形极性有机金属涂层。
在第二十一实施方案中，本公开提供根据第二十实施方案所述的抛光系统，其中所述抛光垫的材料包括聚氨酯。
在第二十二实施方案中，本公开提供根据第二十或第二十一实施方案所述的抛光系统，其中工作液体为含水工作液体。
在第二十三实施方案中，本公开提供根据第二十至第二十二实施方案中任一项所述的抛光系统，还包括清洁液体。
在第二十四实施方案中，本公开提供根据第二十三实施方案所述的抛光系统，其中所述清洁液体为含水清洁液体。
实施例
Figure BDA0002361028190000261
Figure BDA0002361028190000271
制备涂料溶液
制备溶液A：
将制备溶液A制备为两性离子型硅烷/LSS-75(30/70w/w)在去离子水中的5重量％溶液。
制备溶液B：
将制备溶液B制备为两性离子型硅烷在去离子水中的1.5重量％溶液。
制备溶液C：
将制备溶液C制备为LSS-75在去离子水中的3.5重量％溶液。
制备溶液D：
将制备溶液D制备为SIT8378.3在去离子水中的6.6重量％溶液。3-(三羟基甲硅烷基)-1-丙磺酸的总浓度为2％。
制备溶液E：
将制备溶液E制备为SIC2263在去离子水中的1.9重量％溶液。羧乙基硅烷三醇二钠盐的总浓度为0.5％。
制备溶液F：
将制备溶液F制备为SIT8402在去离子水中的6.1重量％溶液。N-(三甲氧基甲硅烷基丙基)乙二胺三乙酸三钠盐的总浓度为2％。
制备溶液G：
将制备溶液G制备为SIT8189在去离子水中的4.2重量％溶液。N-(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)葡糖酰胺的总浓度为％。
制备溶液H：
将制备溶液H制备为SIT8415在去离子水中的4重量％溶液。N-三甲氧基甲硅烷基丙基-N,N,N-三甲基氯化铵的总浓度为2％。
制造技术
二氧化硅样等离子体沉积方法：
通过将包括具有多个所设计的特征结构的陶瓷研磨元件的研磨垫修整器(B5或B6-M2990)放置在等离子体室中来进行二氧化硅样(可适形金属氧化物涂层)等离子体沉积。通过机械泵将空气从室中抽空，并且在点燃等离子体之前，所述室达到低于100毫托的基础压力。使用三个步骤将二氧化硅样层沉积在研磨垫修整器的陶瓷元件的表面上。首先，通过使用氧气，在rf功率300W下的50sccm持续1分钟来清洁样品。接着，通过将元件的表面暴露于HMDSO/O2的混合物，在rf功率300W下的50sccm/25sccm持续1分钟来进行沉积。最后，通过使用氧气，在rf功率300W下的50sccm持续30秒来氧化二氧化硅样层的表面。
等离子体诱导的氧化方法：
通过将包括具有多个所设计的特征结构的陶瓷研磨元件的研磨垫修整器(B5或B6-M2990研磨垫修整器)置于定制构建的等离子体室中并排空空气以达到低于100毫托的基础压力来进行等离子体诱导的氧化。将该室暴露于在50sccm的流速下的氧气，然后点燃等离子体(RF功率300W持续1分钟)。
溶液涂覆方法：
在上述等离子体处理之后立即将制备溶液(制备溶液A-H)中的一者滴落在研磨垫修整器的经等离子体处理的陶瓷研磨元件的表面上，直至该表面完全被溶液覆盖。将样品在室温下干燥24小时，或在120℃下加热持续30分钟的时间段(除非另外指明)。需注意，每个研磨垫修整器包括五个陶瓷研磨元件，并且各自均可涂覆有不同的制备溶液，以产生每个研磨垫修整器至多五个不同的实施例。
测试方法
修整测试方法：
使用具有9英寸(23cm)直径台板的CETR-CP4(购自布鲁克公司(Bruker Company))进行修整。将9英寸(23cm)直径的IC1000研磨垫(购自陶氏化学公司(Dow Chemical))安装在台板上，并且将实施例研磨垫修整器或比较例研磨垫修整器安装在CETR-CP4的旋转心轴上。分别在93rpm的台板速度和87rpm的心轴速度下进行修整。修整器上的下压力为6lbs(27N，并且IC1000研磨垫被研磨垫修整器磨蚀。在修整期间，去离子水以100mL/min的流速流入台板。
修整后视觉分析方法：
在修整持续30分钟的时间段(除非另外指明)之后，通过光学显微镜检查陶瓷研磨元件的表面以识别研磨垫碎屑积聚，并且以1＝完全不含碎屑和5＝被碎屑严重染污的碎屑评级量表评分，其中在其间增大的积聚碎屑的梯度指定为2、3和4的值。
修整后图像分析方法：
通过在相同的光照下拍摄所有元件的数字照片，来获得研磨垫修整器的陶瓷研磨元件的表面的图像。使用ImageJ软件版本1.46r(Rasband,W.S.,ImageJ，美国马里兰州贝塞斯达软件公司美国国家健康研究所(U.S.National Institutes of Health,Bethesda,Md.,USA)http://imagej.nih.gov/ij/,1997-2012)进行后续图像分析。设置以下阈值并将其应用于每个图像：色调0-255；饱和度，0-255；亮度是可变的范围，以使得研磨垫碎屑更清晰。然后利用柱状图函数来对元件的等效区域上的白色像素的数量进行计数，这与表面上的碎屑量直接相关。然后测定“白色计数％”，其具有与更高量的表面碎屑相关的更高值。然后可在具有各种表面改性的研磨垫修整器陶瓷研磨元件之间进行定量比较。
接触角分析方法：
在测量水(H2O)接触角(使用水作为润湿剂)之前，通过压缩空气以消除杂质颗粒来清洁如以下实施例和比较例中所述制备的经涂覆的基底样品。静态水接触角测量使用去离子水进行，所述去离子水过滤通过下落形状分析仪上的过滤系统(以产品号DSA 100购自德国汉堡的克鲁斯公司(Kruss,Hamburg,Germany))。所报告的值为在元件上测量的两滴的测量值的平均值。液滴体积为3微升。
实施例2-3和比较例1
使用上述二氧化硅样等离子体沉积方法和溶液涂覆方法接着使用下表中记录的制备溶液进行涂覆，使用B5研磨垫修整器，来制备实施例2-3。比较例1为按原样提供的所用的B5研磨垫修整器。针对表1中记录的时间用修整测试方法测试实施例2-3和比较例1。使用修整后视觉分析方法和接触角分析方法评价实施例2-3和比较例1。结果在表1中示出。
表1：
Figure BDA0002361028190000291
Figure BDA0002361028190000301
实施例4-9和比较例1
对于实施例4-9，在用制备溶液涂覆之前，使B5研磨垫修整器经受等离子体诱导的氧化方法。遵循溶液涂覆方法的涂层和所用的具体制备溶液记录在下表2中。比较例1为按原样提供的B5研磨垫修整器。按照修整测试方法对实施例4-9和比较例1进行测试。在修整30分钟后，使用修整后视觉分析方法检查研磨垫修整器的陶瓷研磨元件的表面，以识别研磨垫碎屑。另外，使用修整后图像分析方法分析光学图像。结果在表2中示出。
表2：
Figure BDA0002361028190000302
实施例10-14
使用二氧化硅样等离子体沉积方法和溶液涂覆方法，使用B5研磨垫修整器制备实施例10-14。所用的具体制备溶液记录在下表3中。用上述的修整测试方法测试实施例10-14。在修整30分钟后，使用修整后视觉分析方法检查研磨垫修整器的陶瓷研磨元件的表面，以识别研磨垫碎屑。另外，使用修整后图像分析方法分析光学图像。结果在表3中示出。
表3：
Figure BDA0002361028190000303
实施例16和比较例15
实施例16通过使用制备溶液A使B6-2990研磨垫修整器经受二氧化硅样等离子体沉积方法和溶液涂覆方法来制备，比较例15为按原样提供的B6-2990研磨垫修整器。用上述的修整测试方法测试样品。在下表4中记录的修整时间之后，使用修整后视觉分析方法检查研磨垫修整器的陶瓷研磨元件的表面，以识别研磨垫碎屑。测试实施例16的三个不同的修整时间(1、2和6小时)。该测试在同一研磨垫修整器上累积运行。结果在表4中示出。
表4：
Figure BDA0002361028190000311

Claims (24)

1.一种磨料制品，所述磨料制品包括：
陶瓷主体，所述陶瓷主体具有研磨表面和相反的第二表面，其中所述陶瓷主体的研磨表面包括多个所设计的特征结构，所述多个所设计的特征结构各自具有基部和与所述基部相反的远侧端部，并且所述陶瓷主体具有至少7.5的莫氏硬度；
邻近并适形于所述多个所设计的特征结构的可适形金属氧化物涂层，其中所述可适形金属氧化物涂层包括第一表面；以及
与所述可适形金属氧化物涂层的所述第一表面接触的可适形极性有机金属涂层，其中所述可适形极性有机金属涂层包含具有至少一种金属和具有至少一个极性官能团的有机部分的化合物。
2.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述可适形极性有机金属涂层的所述至少一种金属为Si、Ti、Zr和Al中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述至少一个极性官能团包括羟基、酸、伯胺、仲胺、叔胺、甲氧基、乙氧基、丙氧基、酮、阳离子和阴离子官能团中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述至少一个极性官能团包括阳离子官能团和阴离子官能团中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述至少一个极性官能团包括至少一个阳离子官能团和一个阴离子官能团。
6.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述化合物为有机硅烷，并且其中所述可适形极性有机金属涂层包含所述有机硅烷和所述可适形金属氧化物涂层的金属氧化物的反应产物。
7.根据权利要求6所述的磨料制品，其中所述有机硅烷包括有机氯硅烷、有机硅烷醇和烷氧基硅烷中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述有机硅烷包括烷氧基硅烷。
9.根据权利要求1所述的磨料制品，其中有机硅烷包括n-三甲氧基甲硅烷基丙基-n,n,n-三甲基氯化铵、n-(三甲氧基甲硅烷基丙基)乙二胺三乙酸三钠盐、羧乙基硅烷三醇二钠盐、3-(三羟基甲硅烷基)-1-丙磺酸和n-(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)葡糖酰胺中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述可适形极性有机金属涂层还包含硅酸锂、硅酸钠和硅酸钾中的至少一种。
11.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述金属氧化物的金属包括Al、Ti、Cr、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、W、Zn、Zr、Ga和Si中的至少一种。
12.根据权利要求5所述的磨料制品，其中所述金属氧化物的金属包括Si，并且所述有机硅烷包括烷氧基硅烷。
13.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述可适形极性有机金属涂层上的水接触角小于30度。
14.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述可适形极性有机金属上的水接触角介于0度至20度之间。
15.根据权利要求1所述的磨料制品，还包括设置在所述陶瓷主体的研磨表面与所述可适形金属氧化物涂层之间的可适形金刚石涂层。
16.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述陶瓷主体为碳化物陶瓷主体并且包含按重量计99％的碳化物陶瓷。
17.根据权利要求16所述的磨料制品，其中所述碳化物陶瓷主体包含按重量计99％的碳化硅陶瓷。
18.根据权利要求16所述的磨料制品，其中所述陶瓷主体为整体陶瓷主体。
19.根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述多个所设计的特征结构为精确成形的特征结构。
20.一种抛光系统，所述抛光系统包括：
包含材料的抛光垫；
具有研磨表面的研磨垫修整器，其中所述研磨垫修整器包括至少一个根据权利要求1所述的磨料制品，其中所述研磨垫修整器的研磨表面包括所述至少一个磨料制品的可适形极性有机金属涂层。
21.根据权利要求20所述的抛光系统，其中所述抛光垫的材料包括聚氨酯。
22.根据权利要求20所述的抛光系统，其中工作液体为含水工作液体。
23.根据权利要求20所述的抛光系统，还包括清洁液体。
24.根据权利要求23所述的抛光系统，其中所述清洁液体为含水清洁液体。
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