CN113563081A - 具有含金刚石颗粒的反应烧结碳化硅的陶瓷衬底 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种复合材料，该复合材料可以包括第一反应烧结碳化硅(第一RB‑SiC)材料的衬底以及结合至该衬底的表面的反应烧结含金刚石碳化硅(RB‑DSiC)层。在一些方面，RB‑DSiC层包括与第二反应烧结碳化硅(第二RB‑SiC)材料结合的金刚石颗粒。金刚石颗粒可以均匀地分布在整个第二RB‑SiC中或仅分布在第二RB‑SiC的表面处。金刚石颗粒可以呈有序图案或无序图案。例如，CMP修整盘可以包括根据实施方式中的一个实施方式的复合材料。

Description

具有含金刚石颗粒的反应烧结碳化硅的陶瓷衬底

相关申请的交叉引用

不适用。

技术领域

本文中所讨论的实施方式涉及支撑具有金刚石颗粒的反应烧结碳化硅层的陶瓷衬底。

背景技术

除非本文另外指出，否则本文中所描述的材料不是相对于本申请的权利要求的现有技术，而且不因包含在本部分而被承认是现有技术。

现代电子设备依赖于在单晶硅(Si)衬底中制造的微型芯片。首先，生长单晶硅的晶锭。然后，该晶锭被用金刚石线锯切成薄的硅晶片(例如，现在，300mm直径；不久的将来，450mm直径)。在此阶段，该硅晶片是厚且粗糙的。接下来的处理步骤涉及将这些晶片抛光至具有非常高的平坦度(例如，边缘水平整体平坦度)和光洁度、以及小的厚度(例如，＜1mm)。硅晶片用于通过利用例如光刻、金属沉积、蚀刻、扩散、离子注入等的工艺来使微米和纳米尺寸的电路沉积来构建微型芯片。化学机械抛光(CMP)的示例性应用是将未加工的硅晶片抛光至具有极高的光洁度和平坦度。

在CMP工艺中，使用机械摩擦和化学反应这两者来进行材料去除。这是使用具有不同磨料/反应性化合物(例如，氧化铝，二氧化铈等)的浆料在抛光垫(例如，由多孔闭孔聚氨酯制成)上进行的。一次可以抛光多于一个的硅晶片；因此，抛光垫的直径可以大于1米。抛光垫安装在刚性衬底上，该刚性衬底关于垂直于衬底的轴线旋转。研磨介质可以以浆料的形式被提供给旋转的抛光垫。硅晶片安装在保持器或“卡盘”上，该保持器或卡盘同样关于与轴线平行的轴线旋转。

随着抛光的继续，抛光垫中的孔或孔隙被来自晶片的磨料和碎屑填满，并且抛光垫形成釉并失去效力。但是，抛光垫仍然具有使用寿命，因为其仅需被不时地重新修整，以打开聚氨酯垫中的闭孔，改善浆料向晶片的传输，并在整个垫的使用寿命中提供一致的抛光表面来实现良好的晶片抛光性能。为了重新修整CMP垫，使用了称为CMP垫修整器的盘，该盘在表面上有突起的金刚石，该表面具有凹入的金属或有机基体以保持突起的金刚石。在这些盘中，通常，使用单层的粗金刚石(例如125微米直径)，并且精细地控制金刚石间距(例如0.5至1mm)和突起。这些含金刚石的修整盘被制造成具有非常高的平坦度。提供良好性能的关键因素包括：金刚石的充分突起(例如，良好的切割能力)、与基体的牢固结合(例如，防止金刚石的损失)、避免切割能力的损失以及防止损害修整的碎屑的形成。

为了节省时间并由此提高效率，经常在晶片抛光/平坦化的同时执行CMP垫修整。然而，这种同时处理的风险是金刚石颗粒从修整盘中的基体中剥落或弹出的风险。松散的金刚石材料会凿碎和破坏正在抛光的硅晶片。

至少那些特征在于结合至金属的金刚石颗粒的CMP垫修整盘已经在过去经历了例如金刚石颗粒损失(例如，分离)的问题。不希望受限于任何特定的理论或解释，金刚石颗粒的损失可能仅由机械结合(例如，相对于化学结合)、金属的化学腐蚀或可能由于因加工期间的热膨胀错配和温度偏移产生的机械应力造成。因此，理想的是提供一种相比于现有设计较不易受金刚石颗粒损失的影响的垫修整盘。

本文中所要求保护的主题不限于解决任何缺点的或仅在例如上述环境的环境中操作的实现方式。而是，该背景技术仅被提供来说明可实践本文中所描述的某些实现方式的一个示例技术领域。

发明内容

提供本发明内容来以简化形式介绍一些理念，这些理念将在下面的实施方式中进行进一步描述。本发明内容不意在指出所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不意在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

本文中所描述的一些示例实施方式总体上涉及一种支撑具有金刚石颗粒的反应烧结碳化硅层的陶瓷衬底。

在示例实施方式中，复合材料可以包括：第一反应烧结碳化硅(第一RB-SiC)材料的衬底；以及结合至第一RB-SiC材料的衬底的表面的反应烧结含金刚石碳化硅(RB-DSiC)层。在一些方面，RB-DSiC层包括金刚石颗粒。例如，CMP修整盘可以包括根据实施方式中的一个实施方式的复合材料。

在另一示例实施方式中，一种形成复合物的方法可以包括：提供第一反应烧结碳化硅(第一RB-SiC)材料的预成型衬底；将具有金刚石颗粒的碳化硅(SiC)膏料施加到预成型衬底的表面上；通过对SiC膏料进行烧制以使SiC膏料被熔融硅(Si)渗透，从而形成结合至预成型衬底的表面的反应烧结含金刚石碳化硅(RB-DSiC)层。

在另一示例实施方式中，一种形成复合物的方法可以包括：提供第一反应烧结碳化硅(第一RB-SiC)材料的预成型衬底；将碳化硅(SiC)膏料施加到预成型衬底的表面上；将金刚石颗粒施加到SiC膏料的表面上或SiC膏料的表面中；将金刚石颗粒压入SiC膏料的表面中；通过对SiC膏料进行烧制以使SiC膏料被熔融硅(Si)渗透，从而形成结合至预成型衬底的表面的反应烧结含金刚石碳化硅(RB-DSiC)层。

本发明的其他特征和优点将在下面的描述中阐述，并且部分地从该描述中将变得明显，或者可以通过本发明的实践而获知。本发明的特征和优点可以通过所附权利要求中特别指出的设备和组合来实现和获得。根据以下描述和所附权利要求书，本发明的这些及其他特征将变得更加明显，或者可以通过以下所述的本发明的实践来获知。

附图说明

为了进一步阐明本发明的上述以及其他优点和特征，将通过参照在附图中图示的本发明的具体实施方式来对本发明进行更具体地描述。应理解的是，这些附图仅描绘了本发明的典型实施方式，因此不应认为是对本发明的范围进行限制。通过使用附图，将以附加的特征和细节来描述和说明本发明。

图1A和图1B分别是俯视图和侧视图，其示出了用于晶片平坦化的CMP设备。

图2A示出了具有衬底的复合物的实施方式，该衬底支撑安装至该衬底的反应烧结碳化硅与金刚石(RB-DSiC)层。

图2B示出了具有衬底的复合物的另一实施方式，该衬底支撑安装在衬底上的RB-DSiC层，其中，金刚石颗粒分布在RB-DSiC层的表面处。

图2C示出了具有衬底的复合物的另一实施方式，该衬底支撑安装在该衬底上的RB-DSiC层，其中，金刚石颗粒从RB-DSiC层的表面突出。

图2D示出了具有衬底的复合物的另一实施方式，该衬底支撑安装在该衬底上的RB-DSiC层，其中，金刚石颗粒从RB-DSiC层的表面突出大约相等的高度。

图2E示出了具有衬底的复合物的另一实施方式，该衬底支撑安装在该衬底上的RB-DSiC层，其中，金刚石颗粒压入RB-DSiC层中大约相等的深度。

图2F示出了RB-DSiC层的表面上的不同金刚石颗粒分布的实施方式。

图3示出了形成图2A的复合物的方法的实施方式。

图4A和图4B示出了形成图2B至图2E中的一者的复合物的方法的实施方式。

图5A和图5B示出了图2A的复合物的结构的显微图像。

图6A示出了筛网的一部分的显微图像，其中，示出了均匀且有序的间隔开的孔口。

图6B示出了在用图6A的筛网筛分之后的粘合片材上的金刚石颗粒的显微图像。

图6C示出了压入SiC膏料中的金刚石颗粒的显微图像。

图6D示出了化学结合至RB-DSiC层的间隔开的金刚石的显微图像。

具体实施方式

现在将参照附图来描述本发明的示例实施方式的各个方面。应理解的是，附图是这些示例实施方式的图形表示和示意性表示，并且不限制本发明，也不必按比例绘制。

总体上，本技术涉及一种复合材料，该复合材料包括反应烧结碳化硅(RB-SiC)衬底(例如，第一RB-SiC材料或第一RB-SiC衬底)，该衬底上具有第二反应烧结碳化硅(第二RB-SiC)材料层。第二RB-SiC材料包括由其保持的金刚石颗粒，并且由于具有保持在第二RB-SiC材料中的金刚石颗粒而被称为反应烧结含金刚石碳化硅(RB-DSiC)层。金刚石颗粒可以均匀地(例如，均一地)或不均匀地(例如，非均一地)在整个第二RB-SiC材料的基体中混合。金刚石颗粒可以分布在整个第二RB-SiC材料的基体中，或者仅保持在基体的表面处。金刚石颗粒可以在基体的表面处为有序图案或者为无序(例如，无规则)图案。因此，衬底上可以包括反应烧结含金刚石碳化硅(RB-DSiC)层，其中，衬底的至少一个表面上包括RB-DSiC层。

用于制备RB-SiC/RB-DSiC复合物的制造方案可以使衬底的表面与RB-DSiC层的成分反应以与其形成键。具有衬底和RB-DSiC层的复合物由于衬底的第一RB-SiC材料与RB-DSiC层的第二RB-SiC材料之间的结合而可以是一体式构件；然而，由于制造方式不同，也可以将衬底的第一RB-SiC材料与RB-DSiC层的第二RB-SiC材料区分开。在能够与RB-DSiC层区分开的衬底与RB-DSiC层之间可以存在接合面，或者衬底可以具有能够与RB-DSiC层的特性区分开的至少一个特性。

尽管复合物可以配置为用于各种用途，但是包括复合物的常见设备是用于修整CMP垫的CMP修整盘。这样，CMP设备可以包括由如本文中所描述的RB-SiC/RB-DSiC复合物形成的CMP修整盘。

图1A和图1B分别是俯视图和侧视图，其示出了用于晶片平坦化的CMP设备100。CMP设备100具有用于提供CMP垫101的CMP垫装置102、用于保持晶片105的晶片保持器装置104、以及具有用于修整CMP垫101的CMP垫修整盘115的CMP垫修整机器106。CMP设备100可以用在CMP处理中，其中，使用机械摩擦和化学反应两者以用于在通过CMP垫101进行的晶片105抛光期间进行材料去除。CMP垫101可以是多孔的闭孔聚氨酯或其他材料。

CMP设备100包括能够向CMP垫101提供浆料103的浆料施加装置108。浆料103可以由液体载体(例如水)中的不同磨料/反应性化合物(例如，氧化铝、二氧化铈等)形成。

CMP设备100包括晶片保持器装置104，晶片保持器装置104构造成使得硅晶片105安装至也关于轴线113旋转的晶片保持器111(例如，“卡盘”)。一次可以抛光多于一个的硅晶片105，因此CMP设备100可以包括多个晶片保持器装置104。另外，在某些情况下，抛光垫101的直径可以大于1米；然而，应认识到的是，该尺寸可以根据被抛光的晶片105的数目来调整。

CMP设备100包括CMP垫装置102，CMP垫装置102具有构造为抛光垫的CMP垫101，CMP垫101安装在关于与衬底107正交的轴线109旋转的刚性衬底107上。浆料103中的研磨介质可以提供给关于轴线109旋转的旋转CMP垫101。轴线109可以平行于轴线113。

CMP垫修整机器106具有由轴117保持的CMP垫修整盘115，轴117安装或者附接至臂119。机器106可以使臂119相对于CMP垫101移动。机器106还可以使轴117绕轴线121旋转，使得盘115具有与CMP垫101的旋转轴线109平行的旋转轴线121。然后，机器106使盘115与旋转的CMP垫101接触并使盘115从CMP垫101的周界至中心或中心附近径向地或线性地或以其他方式或沿任何方向来回地移动。机器106还可以在向臂119施加旋转的同时还使修整盘115旋转。机器106包括液体喷射器110，液体喷射器110构造成用于在修整期间将流体112引至CMP垫101，以帮助移除通过修整盘115去除的碎屑。流体112可以是用于清除由修整盘115去除的碎屑的水或清洁溶液。还可以向流体112吹气，以将颗粒从修整盘115吹走。

CMP垫修整盘115可以包括反应烧结碳化硅(例如，第一RB-SiC)衬底114(例如，陶瓷衬底，比如预成型衬底)和安装在衬底114上的反应烧结含金刚石碳化硅(RB-DSiC)层116。因此，RB-DSiC层116接触CMP垫101的表面。衬底114为RB-DSiC层116提供支撑，并且附接至轴117。

图2A示出了CMP垫修整盘125，其中衬底114支撑安装在衬底114上的反应烧结含金刚石碳化硅(RB-DSiC)层116。RB-DSiC层116可以包括在RB-DSiC层116的形成期间混入第二反应烧结碳化硅(第二RB-SiC)基体122中的金刚石颗粒120。金刚石颗粒120可以是下述各者中的至少一者：位于基体122的表面处、突出穿过基体122的表面、或者嵌入基体122中。嵌入的金刚石颗粒120完全嵌入基体122中，以完全被基体122包围。

图2B示出了CMP垫修整盘135，其中衬底114支撑安装在衬底114上的RB-DSiC层116。RB-DSiC层116可以包括位于第二RB-SiC基体122的表面处的金刚石颗粒120。金刚石颗粒120可以位于基体122的表面处并且突出穿过基体122的表面。在该实施方式中，示出金刚石颗粒120没有完全嵌入基体122中以完全被基体122包围。

图2C示出了CMP垫修整盘145，其中衬底114支撑安装在衬底114上的RB-DSiC层116。RB-DSiC层116可以包括从第二RB-SiC基体122的表面突出的金刚石颗粒120。金刚石颗粒120可以位于基体122的表面中并突出穿过基体122。在该实施方式中，示出金刚石颗粒120没有完全嵌入基体122中以完全被基体122包围。尽管一些金刚石颗粒120可以位于基体122的表面处并且不突出，但是大多数金刚石从基体122的表面突出。

图2A至图2C以及本文中的其他附图示出金刚石颗粒120呈六边形形状，这仅仅是形状的示例。金刚石颗粒120可以呈任何形状，包括锯齿状和大致锯齿状形状，并且包括具有平坦表面的平坦化形状。这样，附图中的金刚石颗粒120可以是具有任何形状的任何类型的金刚石颗粒，无论是加工成包括平坦表面还是未经加工或呈锯齿状。图2A至图2C的实施方式中的任一实施方式的金刚石颗粒120的构型可以与其他实施方式组合。因此，图2B和图2C的基体122可以包括位于基体内的金刚石颗粒120以及从基体的表面突出的金刚石颗粒120。嵌入基体122中的金刚石颗粒的粒度可以与从基体122突出的金刚石颗粒的粒度相同或者比从基体122突出的金刚石颗粒的粒度小。

第二RB-SiC基体122可以具有以不同程度穿过表面突出的金刚石颗粒120。也就是说，每个金刚石颗粒120可以具有在基体122的表面下方的金刚石高度(例如，与表面垂直的Z轴上的颗粒的长度)百分比和突出超出表面的金刚石高度百分比。在一些方面，金刚石颗粒120中的每个金刚石颗粒可以无规则地嵌入基体122中，使得对于每个金刚石120，在基体122的表面下方的金刚石高度百分比是可变的，并且突出超出该表面的金刚石高度百分比是可变的。可以将碳化硅颗粒与金刚石颗粒的膏料混合、然后烧制以获得无规则分布。该方案可以导致图2A的构型。代替百分比，每个金刚石可以具有从表面突出的尺寸或插入到基体122中的尺寸。

在一些实施方式中，金刚石颗粒120在基体122的表面下方的金刚石高度124的长度可以是可变的并且突出超出表面的金刚石高度126的长度是基本上相似的，如图2D中所示。虚线示出了金刚石颗粒120全部从基体122的表面突出大约相同的距离(例如，突出的长度、尺寸)。通过将金刚石颗粒120附连至粘合衬底并在烧成RB-DSiC层之前将金刚石颗粒120压入碳化硅(SiC)浆料中来获得该构型。替代性地，金刚石颗粒120可以散布在SiC膏料的表面上并被压入该表面中。此处，金刚石颗粒120全部从表面突出相同的量或距离(例如，突出的长度、尺寸)。

在一些实施方式中，金刚石颗粒120在基体122的表面下方的金刚石高度129的长度(例如，插入尺寸)可以是相似的并且突出超出表面的金刚石高度127的长度是可变的，如图2E中所示。基体122中的虚线示出金刚石颗粒120全部从基体122的表面嵌入约相同的距离(例如，长度)。可以通过将金刚石颗粒120部分地压入可烧蚀衬底中使得金刚石颗粒120的一些部分从可烧蚀衬底的表面突出并且在烧制之前将碳化硅基体122填充在金刚石的从可烧蚀衬底的表面露出的部分周围来获得该构型。在可烧蚀衬底的表面下方的金刚石高度的尺寸是可变的，并且突出超出可烧蚀衬底的表面的金刚石高度的尺寸是基本相似的。这导致随后嵌入基体122中的金刚石高度的量是基本上相似的。此处，金刚石颗粒120全部以相同的量或距离(例如，插入尺寸)嵌入基体122中。

图2F示出了金刚石颗粒可以：在无规则图案131中具有无规则粒度；在相同图案132中具有无规则粒度；在无规则图案133中具有相同粒度，或者在相同图案134中具有相同粒度；或者具有其他变型。

图3示出了形成可以用作如图2A中所示的CMP垫修整盘125的复合材料的方法300。方法300可以包括在框302处的提供预成型衬底的步骤。预成型衬底可以是陶瓷衬底，比如碳化硅衬底或第一反应烧结碳化硅(第一RB-SiC)衬底。方法300可以包括在框304处的提供碳化硅膏料的步骤，其中，碳化硅膏料包括分布在整个碳化硅膏料中的金刚石颗粒。此处，膏料可以通过将金刚石颗粒混合到碳化硅膏料中来形成，或者膏料可以被预先制备。该膏料可以通过将细的碳化硅颗粒和金刚石颗粒混合到有机结合料中来形成。金刚石颗粒可以显著大于碳化硅颗粒。方法300可以包括在框306处的将膏料施加至陶瓷衬底的表面。然后，方法300可以包括在框308处的下述步骤：对具有膏料的陶瓷衬底进行烧制，以使含金刚石碳化硅膏料与熔融硅进行反应性渗透，使得熔融硅可以在形成复合物的过程中与有机结合料反应。方法300的框308可以被称为对衬底上的硅渗透的含金刚石碳化硅膏料进行烧制。烧制可以导致熔融硅与碳化硅和金刚石反应以产生反应烧结含金刚石碳化硅，该反应烧结含金刚石碳化硅中分布有化学结合的金刚石，以形成反应烧结含金刚石碳化硅(RB-DSiC)层。另外，烧制可以导致RB-DSiC层的第二反应烧结碳化硅(RB-SiC)与陶瓷衬底的第一反应烧结碳化硅(例如，第一RB-SiC)材料结合。这形成了衬底的第一RB-SiC材料与RB-DSiC复合材料的第二RB-SiC材料结合的一体式构件。

图4A示出了形成复合材料的方法400，在方法400中，通过一些改变，复合材料可以用作如图2B中所示的CMP垫修整盘135或图2C的盘145或图2D的盘155。方法400可以包括在框402处的提供预成型衬底的步骤。预成型衬底可以是陶瓷衬底，比如碳化硅衬底或第一RB-SiC衬底。方法400可以包括在框404处的提供粘合片材。粘合片材可以呈任何形式并且可以是具有至少一个粘合表面的平坦材料。粘合片材可以被预制或者制备成包括粘合表面。粘合片材可以包括具有粘合表面的衬底，或者粘合片材可以是起粘合片材作用的蜡衬底。粘合片材的粘合潜能可以被调整以粘至金刚石颗粒。方法400可以包括在框406处的在粘合片材上提供筛网。该筛网可以接触粘合片材或者该筛网可以悬置在粘合片材上方。筛网可以是预制的，或者筛网也可以形成为包括提供扫略的孔口。方法400可以包括在框408处的将金刚石颗粒通过筛网筛分到粘合片材中。金刚石颗粒穿过筛网中的孔口并粘至粘合片材。方法400可以包括在框410处的将筛网从粘合片材移除。方法400可以包括在框412处的将碳化硅膏料——碳化硅膏料可以具有或不具有分布在整个碳化硅膏料中的金刚石膏料——施加至预成型衬底的表面的步骤。尽管在一些实施方式中膏料可以包括混合在膏料中的金刚石颗粒，但是在膏料中没有混合金刚石颗粒的实施方式也是有利的。替代性地，混合到膏料中的金刚石颗粒可以是细颗粒，并且基本上小于嵌入膏料的表面中的颗粒。此处，膏料可以通过利用有机结合料形成碳化硅膏料来形成，或者膏料可以被预先制备。膏料可以通过将细的碳化硅颗粒混合到有机结合料中而形成，膏料中可以加入细金刚石微粒或者不加入细金刚石微粒。附着至粘合片材的金刚石颗粒可以显著大于膏料内的碳化硅颗粒或任何细的金刚石微粒。碳化硅膏料被以任何方式施加至陶瓷衬底的表面。方法400可以包括在框414处的将金刚石颗粒至少部分地压入位于预成型衬底上的碳化硅膏料中的步骤。可以将金刚石颗粒置于碳化硅膏料的表面上，然后可以对粘合片材施加压力，以将金刚石颗粒压入膏料中。从膏料的表面突出的金刚石颗粒的高度百分比可以通过压入来控制。方法400可以包括在框416处的下述步骤：对具有膏料的陶瓷衬底进行烧制，以使含金刚石碳化硅膏料与熔融硅进行反应性渗透，使得熔融硅可以在形成复合物的过程中与有机结合料反应并且可以接触金刚石。方法400的框416可以被称为对硅渗透的含金刚石碳化硅膏料进行烧制。烧制可以导致熔融硅与碳化硅、来自有机结合料的碳、以及金刚石反应，以产生反应烧结碳化硅，该反应烧结碳化硅具有分布在该反应烧结碳化硅中的化学结合的金刚石，以形成RB-DSiC复合材料。另外，烧制可以导致反应烧结碳化硅与陶瓷衬底的碳化硅结合。这形成了衬底与金刚石碳化硅复合材料结合的一体式构件。

方法400可以适于提供如图2E中所示的CMP垫修整盘165。修改的方法可以包括比如在粘合片材是可延展且可变形、比如通过作为蜡时将金刚石颗粒压入粘合片材中的步骤。然后，可以将金刚石颗粒压入碳化硅膏料中，并且可以如所描述的那样执行该方法。

在一些实施方式中，可以省去对金刚石颗粒进行筛分以及将筛网移除的步骤。然后，在撒金刚石颗粒时可以将金刚石颗粒直接沉积在碳化硅膏料的表面上。这允许将金刚石颗粒无规则分布在碳化硅膏料的表面上。然而，也可以使用具有无规则孔口分布的筛网，但是大多数筛网可以制造为具有限定的结构化图案，比如呈行、列、均衡阵列、交错阵列、定向阵列、重复形状或其他形状的形式。因此，可以在碳化硅膏料上形成限定有序图案的金刚石或无规则分布的金刚石。

图4B示出了图4的方法400的示意图。如所示的，粘合片材420与筛网422相关联。此处，尽管粘合片材420定形状为呈正方形，并且筛网422是环形盘，但形状可以根据产品的形状和预期用途而改变。应指出的是，呈环形盘形式的复合物可以呈CMP修整盘的形状。筛网422可以悬置在粘合片材420上方，使得筛网422不粘贴。如所示的，执行将金刚石颗粒424筛分到粘合片材420上的步骤(例如，框408)。然后，通过将筛网从粘合片材420上移除来移除筛网422(例如，框410)。这导致粘合片材420包括粘附合至粘合片材420的金刚石颗粒424。

方法400包括将碳化硅膏料426施加至衬底428(例如，框412)，然后在框413处将带有金刚石颗粒424的粘合片材420施加至位于衬底上的碳化硅膏料426，该步骤可以包括在图4A的方法400中。然后对粘合片材420施加载荷430，以将金刚石颗粒424压入位于衬底428上的碳化硅膏料426中(例如，框414)。一旦将它们插入到碳化硅膏料426中，就可以在框415处通过将粘合片材420从金刚石颗粒424移除来将粘合片材420移除，该步骤可以包括在图4A的方法400中。然后，可以如所描述的那样对具有至少部分地嵌入位于衬底428上的碳化硅膏料426中的金刚石颗粒424的结构进行处理，以使该结构固化。

衬底

这些图示出了将由衬底支撑的RB-DSiC层。该衬底可以是反应烧结碳化硅(RB-SiC)衬底(例如，第一RB-SiC材料)。对于CMP修整应用，衬底将具有平坦的或基本平坦的表面，以用于接纳碳化硅膏料。但是，衬底可以具有任何形状，并且具有平坦表面、凹形表面、凸形表面或它们的组合及其周期变化的表面(例如，波浪形表面)。尽管将CMP修整作为示例描述，但该复合物可以用于多种应用和设备，下面将对其进行更详细地描述。

可以如本领域中已知的那样制备衬底。因此，制备方案的示例可见于：美国专利No.6,995,103；美国专利No.7,658,781；美国专利No.8,474,362；美国专利No.8,741,212；以及美国公开No.2017/0291279，这些美国专利的全部内容通过参引全部并入本文中。

通常，形成衬底的方法可以包括制备SiC与碳的预成型件(例如，碳化硅颗粒与碳材料混合在一起)，并用熔融硅、液态硅或气相硅对混合物进行渗透。碳可以是碳颗粒、纳米管或者来自包含碳原子的有机结合料。这导致硅与碳反应形成SiC，并且由此SiC颗粒与碳材料以及与渗透硅结合以形成复合材料。气相硅渗透可以制备多孔SiC衬底，而液体渗透可以形成致密的Si/SiC衬底。可以改变该过程来调整所得衬底的性能。例如，可以改变SiC颗粒的尺寸，可以改变碳的相对量，可以改变作为碳源的有机结合料的类型，并且可以添加掺杂材料以及进行其他改变。

在示例中，将预成型的SiC颗粒与有机树脂混合并成形(例如，模制)成期望的形状。然后，树脂被热解(例如，烧制)并在约600℃处转化为碳。然后在约1,600℃处于真空下将熔融Si渗透到SiC中。产物是致密的(例如，100％致密)，并且包括SiC基体以及剩余的未反应的Si，其可以被称为RB-SiC或Si/SiC。基本上所有碳通常在制造过程中都被使用。

在一些实施方式中，用于衬底的SiC颗粒的粒度范围可以为约1μm至约300μm、约2μm至约200μm、或约10μm至约100μm、或约25μm至约50μm、或例如约75μm。

碳化硅膏料

可以以与用于衬底的复合物相同的方式制备用于与金刚石颗粒结合的碳化硅(SiC)膏料。然而，结合料可以配置成更加膏状或者以实现状性质所允许的量提供。所述并入的参考文献提供了用于形成SiC膏料的一般方案。

在一些实施方式中，SiC膏料中的SiC颗粒的粒度范围可以为约1μm至约300μm、约2μm至约200μm、或约10μm至约100μm、或约25μm至约50μm、例如约75μm，这可以取决于金刚石粒度。

在一些实施方式中，有机结合料的类型(例如，碳源)可以选自包括下述各者的组：聚合物，比如聚乙烯醇(PVA)、环氧树脂和酚醛树脂；或纳米碳基浆料。

在一些实施方式中，膏料可以包括按体积计0至90％的SiC颗粒和按体积计10％至100％的有机结合料。

金刚石增强的碳化硅

如图2A中所图示并结合图3所描述的，本文中描述的碳化硅(SiC)膏料与有机结合料中的SiC颗粒可以进一步与金刚石颗粒组合。金刚石颗粒可以以各种形状和粒度提供以及被分级成具有一定粒度范围的金刚石颗粒。相对于SiC颗粒和有机结合料，金刚石可以以各种量提供。特别地，美国专利2017/0291279提供了金刚石增强的SiC膏料的示例及制备该金刚石增强的SiC膏料的方法。

金刚石增强的SiC膏料可以如本文中所描述的那样被施加至衬底，并且形成为具有平坦的露出表面。在施加至衬底之后，可以执行硅渗透处理以形成金刚石增强的反应烧结碳化硅(例如，DR-RB-SiC；DR-Si/SiC)。此处，分布在整个碳化硅中的金刚石颗粒将所得材料增强为金刚石增强的DR-RB-SiC材料，金刚石增强的DR-RB-SiC材料是RB-DSiC的一种。另外，RB-DiSC层的第二RB-SiC材料可以是DR-RB-SiC材料。可以在DR-RB-SiC材料中包括其他金刚石颗粒(例如，较大的金刚石颗粒)以形成RB-DSiC层。烧制方案导致衬底中的元素与膏料中的元素反应，以形成具有RB-SiC/DR-RB-SiC接合面的一体式材料。图5A和图5B包括RB-SiC衬底和DR-RB-SiC材料以及接合面的显微组织的SEM显微照片，该照片清楚地示出RB-SiC衬底与DR-RB-SiC材料是可区分的。图5B示出了更高放大倍数的RB-SiC/DR-RB-SiC接合面。如可以看出的，金刚石颗粒通过基于SiC的膏料结合至预成型衬底上，然后用熔融硅对组件进行反应性渗透，以形成在表面处具有金刚石颗粒的完全致密的反应烧结陶瓷结构。如可以看出的，DR-RB-SiC材料形成的层小于1mm厚；但是，该厚度可以根据需要和期望在实用性的范围内变化。示例性的DR-RB-SiC材料层的范围可以为约50μm至约500μm、约100μm至约400μm、或约200μm至约300μm，其中，优选的厚度可以为约250μm。

在一些实施方式中，膏料中的SiC颗粒的粒度范围可以为约1μm至约300μm、约2μm至约200μm、或约10μm至约100μm、或约25μm至约50μm、例如约75μm，这可以取决于金刚石粒度。

在一些实施方式中，膏料中的金刚石颗粒的粒度范围可以为约50μm至约1000μm、约100μm至约800μm、或约200μm至约600μm，其中，优选的厚度可以为约450μm。

在一些实施方式中，膏料可以包括按体积计0至90％的SiC颗粒和按体积计0至90％的金刚石颗粒以及按体积计10％至100％的有机结合料。

碳化硅隔开的金刚石

如图2B-图2E中所示以及如结合图4A-图4B所述，衬底可以支撑RB-DSiC层，该RB-DSiC层具有在表面处的或从表面突出的间隔开的金刚石颗粒。在此，提供衬底，然后在衬底的表面上涂覆碳化硅膏料，然后将金刚石颗粒压入碳化硅膏料的表面中。然后，如本文中所述，该结构被熔融硅渗透，以形成具有RB-DSiC层的衬底，该RB-DSiC层具有在第二RB-SiC材料的表面处的或从第二RB-SiC材料的表面突出的间隔开的金刚石颗粒。用于分布金刚石颗粒并将金刚石颗粒压入碳化硅膏料中的方案可以确定所得产品的表面特征。例如，在压入之前将金刚石颗粒撒在碳化硅层的表面上会导致表面金刚石颗粒的无规则图案或分布。在另一示例中，可以使用筛网将金刚石颗粒筛分到特定位置，以在所得产品的表面上形成金刚石颗粒的有序阵列图案。

图6A示出了筛网的一部分的显微图像，其中，示出了均匀且有序的间隔开的孔口。尽管示出了对准的阵列，但列和行可以交错或以任何其他有序图案排列。该筛网是具有孔口的基板，但是，也可以使用其他类型的筛网。孔口可以通过光刻、机加工、激光切割、编织结构或其他方法形成。

图6B示出了粘合片材上的用图6A的筛网筛分后的金刚石颗粒的显微图像。

图6C示出了压入碳化硅膏料中的金刚石颗粒的显微图像。

图6D示出了化学结合至第二RB-SiC材料以形成RB-DSiC层的间隔开的金刚石的显微图像。

在一些实施方式中，嵌入碳化硅层的表面中的金刚石颗粒的粒度范围可以从大约50μm到大约1000μm。

在一些实施方式中，金刚石颗粒可以间隔开(例如，中心到中心)，其中，间距通常与金刚石的粒度(例如，平均粒度)有关。

另外，应当认识到，DR-RB-SiC还可以包括压入表面中的金刚石，这些金刚石结合了不同实施方式的特性。(例如，图2A与图2B-图2E结合)。

根据本文中所描述的实施方式的金刚石碳化硅复合物可用于改善CMP修整盘的现有技术水平。金刚石颗粒无论是无规则地分布在整个第二RB-SiC基体中还是优先位于第二RB-SiC基体的表面处都通过第二RB-SiC材料结合至衬底。由于反应性熔融硅渗透步骤，具有RB-DSiC基体的衬底在衬底、基体和金刚石组分之间具有化学键，因此有助于防止金刚石剥离。此外，相对于现有的CMP修整盘，RB-DSiC可以具有化学耐蚀性和更高的耐磨性。但是，这些特性在许多物品中也会是有用的。

由于在第二RB-SiC基体与RB-DSiC层中的金刚石颗粒之间存在牢固的化学键，因此可以实现性能的改善。当熔融硅渗透到预成型组件中时，在金刚石(为碳)的表面处发生Si+C至SiC的反应，从而在接合面处产生牢固的SiC键。SiC在高pH和低pH下都是惰性的。因此，修整盘的RB-DSiC层可以适用于碱性环境、中性环境和酸性环境(例如，CMP浆料化学成分)。SiC已经是硬且耐磨的，并且金刚石颗粒提供了改善的硬度和耐磨性。RB-SiC/RB-DSiC修整盘提供了长的产品寿命并且为单个产品提供了多种应用。

在一些实施方式中，在任何实施方式(例如，图2A-图2E)中使用的碳化硅膏料可以用细的金刚石微粒形成。即，金刚石微粒的粒度可以比金刚石颗粒的粒度小得多。例如，金刚石微粒可以是粒度的百分比，例如约1μm至约10μm，约3μm至约8μm，或约4μm至约6μm，或例如约5μm。将细金刚石添加到RB-DSiC层可以进一步提高耐磨性和耐腐蚀性。

在一些实施方式中，在RB-DSiC层的整个表面上，金刚石颗粒的粒度可以大致相同的。即，金刚石可以具有均一的粒度。替代性地，金刚石颗粒的粒度可以变化，例如从表面的一侧到另一侧以梯度变化，或者从外周到中心以梯度变化。可以使用各种金刚石粒度梯度。

在一些实施方式中，金刚石颗粒之间的第二RB-SiC材料的表面可以被粗糙化或以其他方式被纹理化。例如，可以使用各种工艺来使第二RB-SiC材料纹理化。在一些方面，可以在将较大的金刚石颗粒压入表面中之前或之后，将细的金刚石微粒成层在碳化硅膏料的表面上。其他纹理化技术可以包括使用带纹理的粘合片材和使用不同的金刚石颗粒形状。

在一些实施方式中，RB-DSiC层可以具有沉积在其上的金刚石层。该金刚石层可以为产品提供进一步的保护。金刚石层可以通过任何方法沉积，例如通过化学气相沉积(CVD)。RB-DSiC层非常适合于CVD金刚石涂层，因为这两种材料之间具有良好的热膨胀系数匹配，这将提供小的应力。

期望的金刚石粒度，金刚石等级，金刚石间距或其他特征的细节可以如本领域中已知的那样变化。在CMP修整盘行业中，一些细节是众所周知的，以实现提供所需的切割速率和CMP垫的修整的产品。

尽管用于金刚石碳化硅复合物的示例性实用工具包括CMP修整盘，但是该复合结构可以用于其他行业。对于具有金刚石颗粒表面层的金刚石碳化硅复合物还有许多其他可能的应用。这些应用的一些示例包括：工业磨损部件；砂轮；磨石；切割工具；半导体销卡盘(即，间隔开的钻石是具有高耐磨性、低摩擦和出色的热性能的“销”)；以及热管理装置，例如散热部件。

根据前述，复合材料可以包括：第一反应烧结碳化硅(第一RB-SiC)材料的衬底；以及结合至衬底的表面的反应烧结含金刚石碳化硅(RB-DSiC)层。在一些方面，RB-DSiC层包括与第二反应烧结碳化硅(第二RB-SiC)材料结合的金刚石颗粒。在一些方面，金刚石颗粒不是均匀或均一地分布在第二RB-SiC材料的整个基体中。在一些方面，金刚石颗粒均匀地或均一地分布在第二RB-SiC材料的整个基体中。在一些方面，金刚石颗粒分布在第二RB-SiC材料的表面处，并且金刚石颗粒至少部分地嵌入第二RB-SiC材料的基体中并且至少部分地从第二RB-SiC材料的表面突出。在一些方面，金刚石颗粒以有序的图案布置在第二RB-SiC材料的表面上。在一些方面，金刚石颗粒以无序或无规则的图案位于第二RB-SiC材料的表面上。在一些方面，在整个第二RB-SiC材料的基体中分布有金刚石颗粒。在一些方面，与分布在第二RB-SiC材料的表面处的金刚石相比，分布在整个第二RB-SiC材料的基体中的金刚石颗粒具有更小的平均粒度。

在一些实施方式中，衬底的第一RB-SiC材料能够通过以下各者中的至少一者而与RB-DSiC层的第二RB-SiC材料区分开：第一RB-SiC材料与第二RB-SiC材料之间的接合面；第一RB-SiC材料具有第一平均碳化硅(SiC)粒度，其与第二RB-SiC材料的第二平均SiC粒度不同；第一RB-SiC材料具有第一平均SiC颗粒间间隔距离，其与第二RB-SiC材料的SiC粒度的第二平均间隔距离不同；第一RB-SiC材料具有每总单位体积第一平均SiC颗粒体积，其与第二RB-SiC材料的每单位体积第二平均SiC颗粒体积不同；第一RB-SiC材料具有第一SiC颗粒体积百分比，其与第二RB-SiC材料的第二SiC颗粒体积百分比不同；第一RB-SiC材料具有第一SiC基体体积百分比，其与第二RB-SiC材料的第二SiC基体体积百分比不同；或者，第一RB-SiC材料具有第一未反应硅(Si)体积百分比，其与第二RB-SiC材料的第二未反应Si体积百分比不同。

在一些实施方式中，CMP修整盘包括本文所述的复合材料。然而，复合材料可以用于其他类型的装置和设备中。

在一些实施方式中，一种形成复合物的方法可以包括：提供第一反应烧结碳化硅(第一RB-SiC)材料的预成型衬底；将具有金刚石颗粒的碳化硅(SiC)膏料施加到预成型衬底的表面上；通过对SiC膏料进行烧制以使SiC膏料被熔融硅(Si)渗透，从而形成结合至衬底的表面的反应烧结含金刚石碳化硅(RB-DSiC)层，其中，RB-DSiC层包括与第二反应烧结碳化硅(第二RB-SiC)材料结合的金刚石颗粒。在一些方面，该方法可以包括通过将金刚石颗粒与碳化硅颗粒和有机结合料混合来形成SiC膏料。在一些方面，金刚石颗粒大于碳化硅颗粒。在一些方面，该方法可以包括将复合物形成为CMP修整盘或其他类型的装置或设备。

在一些实施方式中，一种形成复合物的方法可以包括：提供第一反应烧结碳化硅(第一RB-SiC)材料的预成型衬底；将碳化硅(SiC)膏料施加到衬底的表面上；将金刚石颗粒施加到SiC膏料的表面上或该表面中；将金刚石颗粒压入SiC膏料的表面中；通过对SiC膏料进行烧制以使SiC膏料被熔融硅(Si)渗透，从而形成熔融Si渗透的SiC膏料并形成结合至衬底的表面的反应烧结含金刚石碳化硅(RB-DSiC)层。在一些方面，RB-DSiC层包括与第二反应烧结碳化硅(第二RB-SiC)材料结合的金刚石颗粒，并且衬底的第一RB-SiC材料结合至RB-DSiC层的第二RB-SiC材料。

在一些实施方式中，前述方法可以进一步包括：提供粘合片材；在粘合片材上提供筛网；通过筛网将金刚石颗粒筛分到粘合片材上；在金刚石粘附至粘合片材的同时将金刚石施加到SiC膏料的表面中；以及在金刚石粘附至粘合片材的同时将金刚石压入SiC膏料的表面中。在一些方面，该方法可以包括：在将金刚石颗粒施加到SiC膏料的表面上或者将金刚石颗粒压入SiC膏料的表面中之前移除筛网膏料；以及/或者从压入SiC膏料中的金刚石颗粒移除粘合片材。在一些方面，该方法可以包括以下各者中的至少一者：将金刚石压入SiC膏料的表面中以具有从第二RB-SiC材料的表面突出的基本类似的金刚石长度；以及将金刚石压入SiC膏料的表面中，以具有嵌入第二RB-SiC材料的基体中的基本类似的金刚石长度。在一些方面，该方法可以包括以下各者中的至少一者：将金刚石压入SiC膏料的表面中，使得金刚石从SiC膏料的表面突出基本类似的长度；或者将金刚石压入SiC膏料的表面中，使得金刚石具有嵌入SiC膏料中的基本类似的金刚石长度。在一些方面，该方法可以包括通过将细金刚石微粒与碳化硅颗粒和有机结合料混合来形成SiC膏料。在一些方面，该方法可以包括将复合物形成为CMP修整盘或其他类型的装置或设备。

除非本文中所描述的特定布置彼此互斥，否则本文中所描述的各种实现方式可以组合以增强系统功能或产生互补功能。同样，实现方式的各个方面可以以独立的布置来实现。因此，以上描述已仅通过示例的方式给出，并且可以在本发明的范围内进行详细地修改。

关于在本文中使用基本上任何复数或单数术语，本领域技术人员可以根据情况或应用将复数转换为单数或将单数转换为复数。为了清楚起见，可以在本文中明确地陈述各种单数/复数变换。除非特别说明，否则单数形式的元件并非意在表示“一个且只有一个”，而是“一个或更多个”。此外，无论在上面的描述中是否明确记载了这种公开，本文中所公开的任何内容都不意在专用于公众。

通常，本文中尤其是所附权利要求(例如，所附权利要求的主体)中使用的术语通常意在作为“开放”术语(例如，术语“包括”应解释为“包括但不限于”，术语“具有”应被解释为“至少具有”，术语“包括”应被解释为“包括但不限于”等)。此外，在使用类似于“A、B和C等中的至少一个”的那些惯用语的情况下，通常，这种构造意图是使本领域技术人员理解该惯用语(例如，“具有A、B和C中的至少一个的系统”将包括但不限于包括单独的A，单独的B，单独的C，A和B一起，A和C一起，B和C一起或A、B和C一起等的系统)。同样，无论在说明书、权利要求书还是在附图中，出现两个或更多个替代性术语的短语应被理解为包括术语中的一个，术语中的任一个或这两个术语。例如，短语“A或B”将被理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。

在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下，本发明可以以其他特定形式来实施。所描述的实施方式在所有方面被认为仅是说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书而不是前面的描述指示。落入权利要求的等同替代的含义和范围内的所有改变均应包含在其范围之内。

本申请涉及于2017年4月6日提交的美国公开No.2017/0291279，其通过引用并入本文。

Claims (20)

1.一种复合材料，包括：

反应烧结碳化硅材料的衬底；以及

结合至所述衬底的表面的反应烧结含金刚石碳化硅层，其中，所述反应烧结含金刚石碳化硅层包括金刚石颗粒。

2.根据权利要求1所述的复合材料，其中，所述金刚石颗粒不是均匀地分布在整个所述反应烧结含金刚石碳化硅层中。

3.根据权利要求1所述的复合材料，其中，所述金刚石颗粒均匀地分布在整个所述反应烧结含金刚石碳化硅层中。

4.根据权利要求1所述的复合材料，其中，所述金刚石颗粒分布在所述反应烧结含金刚石碳化硅层的表面处，所述金刚石颗粒至少部分地嵌入所述反应烧结含金刚石碳化硅层中，并且所述金刚石颗粒从所述反应烧结含金刚石碳化硅层的所述表面至少部分地突出。

5.根据权利要求1所述的复合材料，其中，所述金刚石颗粒以有序图案布置在所述反应烧结含金刚石碳化硅层的表面上。

6.根据权利要求1所述的复合材料，其中，所述金刚石颗粒以无序图案布置在所述反应烧结含金刚石碳化硅层的表面上。

7.根据权利要求1所述的复合材料，其中，所述金刚石颗粒分布在整个所述反应烧结含金刚石碳化硅层中。

8.根据权利要求1所述的复合材料，其中，相比于分布在所述反应烧结含金刚石碳化硅层的表面处的金刚石颗粒，分布在整个所述反应烧结含金刚石碳化硅层中的金刚石颗粒具有更小的平均粒度。

9.根据权利要求1所述的复合材料，其中，所述衬底能够通过以下各者中的至少一者而与所述反应烧结含金刚石碳化硅层区分开：

所述衬底与所述反应烧结含金刚石碳化硅层之间的接合面；

所述衬底具有第一平均碳化硅粒度，所述第一平均碳化硅粒度与所述反应烧结含金刚石碳化硅层的第二平均碳化硅粒度不同；

所述衬底具有第一平均碳化硅颗粒间间隔距离，所述第一平均碳化硅颗粒间间隔距离与所述反应烧结含金刚石碳化硅层的第二平均碳化硅颗粒间间隔距离不同；

所述衬底具有每总单位体积第一平均碳化硅颗粒体积，所述每总单位体积第一平均碳化硅颗粒体积与所述反应烧结含金刚石碳化硅层的每总单位体积第二平均碳化硅颗粒体积不同；

所述衬底具有第一碳化硅颗粒体积百分比，所述第一碳化硅颗粒体积百分比与所述反应烧结含金刚石碳化硅层的第二碳化硅颗粒体积百分比不同；或者

所述衬底具有第一未反应硅体积百分比，所述第一未反应硅体积百分比与所述反应烧结含金刚石碳化硅层的第二未反应硅体积百分比不同。

10.一种包括根据权利要求1所述的复合材料的化学机械抛光修整盘。

11.一种形成复合物的方法，所述方法包括：

提供反应烧结碳化硅材料的预成型衬底；

将具有金刚石颗粒的碳化硅膏料施加到所述预成型衬底的表面上；以及

对所述碳化硅膏料进行烧制，以形成结合至所述预成型衬底的所述表面的所述反应烧结含金刚石碳化硅层。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括通过将金刚石颗粒与碳化硅颗粒和有机结合料混合来形成所述碳化硅膏料。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述金刚石颗粒大于所述碳化硅颗粒。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述有机结合料选自包括以下各者的组：聚乙烯醇、环氧树脂、酚醛树脂、纳米碳基料浆及它们的组合。

15.一种形成复合物的方法，所述方法包括：

提供反应烧结碳化硅材料的预成型衬底；

将碳化硅膏料施加到所述预成型衬底的表面上；

将金刚石颗粒施加到所述碳化硅膏料的表面上；

将所述金刚石颗粒压入所述碳化硅膏料的所述表面中；以及

对所述碳化硅膏料进行烧制，以形成结合至所述预成型衬底的所述表面的反应烧结含金刚石碳化硅层。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：

提供粘合片材；

在所述粘合片材上提供筛网；

通过所述筛网将所述金刚石颗粒筛分到所述粘合片材上；以及

在所述金刚石颗粒粘附至所述粘合片材的同时，将所述金刚石颗粒压入所述碳化硅膏料的所述表面中。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括：

在将所述金刚石颗粒压入所述碳化硅膏料的所述表面中之前移除所述筛网；以及

将所述粘合片材从压入所述碳化硅膏料中的所述金刚石颗粒移除。

18.根据权利要求15所述的方法，还包括以下各者中的至少一者：

将所述金刚石颗粒压入所述碳化硅膏料的所述表面中，使得所述金刚石颗粒从所述碳化硅膏料的表面突出大致相同的长度；或者

将所述金刚石颗粒压入所述碳化硅膏料的所述表面中，使得所述金刚石颗粒具有嵌入所述碳化硅膏料中的大致相同的金刚石长度。

19.根据权利要求15所述的方法，还包括通过将细的金刚石微粒与碳化硅颗粒和有机结合料混合来形成碳化硅膏料。

20.根据权利要求15所述的方法，还包括使所述复合物形成为化学机械抛光修整盘。

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