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Die
Erfindung betrifft allgemein Polierkissen wie in der Präambel zu
Anspruch 1 aufgeführt.
Ein Beispiel für
ein solches Polierkissen ist in WO 98/45087-A offengelegt. Anwendungen,
die sich besonders zur Verwendung der gegenwärtigen Erfindung eignen, schließen das
Polieren/flächig
bearbeiten von Substraten wie Silikon, Silikondioxid, Wolfram und
Kupfer ein, die in der Herstellung integrierter Schaltkreise zum
Einsatz kommen.
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US
Patent Nr. 5,569,062 beschreibt ein Schneidemittel zum Abschaben
der Oberfläche
eines Polierkissens während
des Poliervorgangs. US Patent Nr. 5,081,051 beschreibt eine längliche
Klinge mit gezahnter Schneidekante, die gegen eine Kissenoberfläche gepresst
wird und dadurch in Umfangsrichtung verlaufende Rillen in die Kissenoberfläche schneidet.
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US
Patent Nr. 5,990,010 beschreibt einen Mechanismus oder eine Vorrichtung
zum Konditionieren eines Polierkissens. Diese Vorrichtung dient
zur Erzeugung einer Mikrotextur und zu deren Wiederherstellung während der
Verwendung des Polierkissens.
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In
Poliervorgängen
für Halbleiter-Wafer
unterscheidet man zwischen dem anfänglichen Konditionieren des
Polierkissens (auch als "Einlaufen" bezeichnet) und
dem Konditionieren während
des Arbeitsganges, eines bereits konditionierten Polierkissens.
Das Konditionieren während
des Arbeitsvorganges kann gleichzeitig mit dem Polieren oder intermittierend
an einer Poliervorrichtung zwischen den Polierzyklen erfolgen. Allgemein lässt sich
die anfängliche "Anlaufzeit" eines Polierkissens
beschreiben als die kumulierte Polierzeit, die erforderlich ist,
bis die Rate der Entfernung von Substrat- (oder Werkstück-) Material
mit dem betreffenden Polierkissen auf einen stabilen, konstanten
Zustand eingefahren ist. Das Konditionieren der Polierkissen begegnet den
Problemen, die mit der "Anlaufzeit" verbunden sind.
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Bei
der herkömmlichen
Waferproduktion lassen sich die chemisch-mechanischen Polierbedingungen für die nachfolgende
Waferproduktion nach den Ergebnissen der Wafer aus der ersten Produktion
einstellen. Ein "erster-Wafer-Effekt" tritt jedoch auf,
wenn eine neue Waferpartie mit einem Polierkissen poliert wird,
das für
eine gewisse Zeit nicht benützt
wurde oder wenn ein neues (vorher nicht benütztes) Polierkissen eingesetzt wird.
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Der
Effekt des ersten Wafers bezieht sich auf einen Unterschied in den
Polierergebnissen, die für
den ersten Wafer erzielt werden im Vergleich zu den Polierergebnissen
der Wafer aus der nachfolgenden Produktion. Man glaubt, dass dieser
Effekt darauf zurückzuführen ist,
dass der erste Wafer auf andere Polierbedingungen trifft. Ein Näherungsweg
zur Reduzierung des "erster-Wafer-Effektes" ist die Verwendung
eines Wafer-Rohlings zum Konditionieren. Nachdem mit solchen Wafern über einen
bestimmten Zeitraum konditioniert wurde, wird der erste Produktionswafer
im Waferhalter eingesetzt und poliert. Dieses Verfahren der Konditionierung
an der Maschine ist nicht nur mühsam
wegen des aufeinanderfolgenden Ladens und Entladens getrennter Kassetten
mit Konditionierungs-Wafern und Produktionswafern, sondern es führt wegen
der mit dem Konditionieren verbundenen Maschinenstandzeiten auch
zu höheren
Produktionskosten.
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Die
Mikrotextur umfasst Mikrovertiefungen und Mikroerhebungen. Die Mikroerhebungen
haben im typischen Fall eine Höhe
von weniger als 50 Mikron, wobei eine Höhe von weniger als 10 Mikron
mehr zu bevorzugen ist. Die Mikrovertiefungen haben eine durchschnittliche
Tiefe von weniger als 50 Mikron, wobei eine Tiefe von weniger als
10 Mikron mehr zu bevorzugen ist. Die Makrotextur umfasst sowohl
Makrorillen, als auch Mikrorillen.
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Probleme
im Zusammenhang mit dem Konditionieren im Prozess können sich
aus der Notwendigkeit ergeben, die Häufigkeit und Dauer der Konditionierungsbehandlung
zwischen Polierdurchgängen
in der Produktion zu bestimmen. Das kann wegen der mit dieser Technik
entstehenden Schwankung der Oberflächentextur zu weiteren Schwankungen
und zur Unvorhersehbarkeit führen.
Zusätzlich
befasst sich die Konditionierung im Prozess oft nicht mit Problemen,
die bei der anfänglichen
Einlaufzeit von Polierkissen im Herstellungszustand, zum Beispiel
bei einem aus Polyurethan hergestellten Polierkissen, entstehen.
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Beim
Anlaufen eines Polierprozesses neigen neue Polierkissen dazu, ein
charakteristisches "Einlaufverhalten" zu zeigen, das sich
im typischen Fall in einer niedrigen Anfangsrate der Materialentfernung,
gefolgt von einem Anstieg in der Materialentfernungsrate und schließlich einer
Stabilisierung zu einem gleichförmigen Zustand
mit einem Polierwerkzeug manifestiert. Die Einlaufzeit kann zwischen
10 Minuten und mehr als einer Stunde dauern und sie stellt industrieweit
einen zunehmend signifikanter werdenden Verlust an Effizienz der Ausrüstung dar.
Es wurde beobachtet, dass ausgeformte Kissen mit glatter Oberfläche oft
eine unerwünscht lange
und/oder von Kissen zu Kissen oder von Partie zu Partie unregelmäßige Einlaufzeit
aufweisen. Andererseits kann ein Polierkissen, das Überkonditioniert
wurde, eine anfangs hohe, unstabile Entfernungsrate aufweisen, bevor
es sich auf einen stabilen Wert einläuft. Diese Abweichung trägt ebenfalls
dazu bei, dass die Einlaufzeit länger
dauert, als erwünscht.
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Es
wäre wünschenswert,
ein Polierkissen vorzusehen, das im Herstellungszustand eine kürzere und/oder
gleichmäßigere Einlaufzeit
hat, mit einer besseren Vorhersagbarkeit der Materialentfernungsrate und/oder
einer höheren
Materialentfernungsrate im stabilen Zustand, im Vergleich zu den
Polierkissen nach dem Stand der Technik im Herstellungszustand.
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Für eine angemessene
Leistung des Polierkissens ist eine Textur in einem gewissen Ausmaß erforderlich.
Diese Oberflächentextur,
die aus Spitzen (oder Erhebungen) und Tälern (oder Vertiefungen) besteht, begünstigt den
Po liervorgang oft in der folgenden Weise: 1) die Täler wirken
als Reservoir für "Pfützen" des Polierschlamms,
so dass eine konstante Zufuhr des Polierschlamms für den Kontakt
mit der Oberfläche
des zu polierenden Substrats verfügbar ist; 2) die Spitzen kommen
in direkten Kontakt mit der Substratoberfläche und bewirken eine "Abnützung durch
Abrieb zwischen zwei Körpern" und/oder in Verbindung
mit den Partikeln des Polierschlamms eine "Abnützung
durch Abrieb zwischen drei Körpern"; und 3) die mit
der Scherwirkung auf den Polierschlamm zusammenwirkende Oberflächentextur
verursacht Wirbelströmungen
im Polierschlamm, die eine Abnützung
der Substratoberfläche
durch Erosion hervorrufen.
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Es
ist gängige
Praxis, eine einzige Zahl (eine "Ra"-Zahl) für die Charakterisierung
der Oberflächenrauheit
zu verwenden. Ra beschreibt die mittlere Abweichung der Polierkissenfläche vom
Mittelwert des Quotienten Amplitude/-Höhe
der Oberflächenmerkmale.
Weil zwei stark unterschiedliche Oberflächen den gleichen Ra-Wert haben
könnten,
sind zur besseren quantitativen Beurteilung der Mikrotextur der
Polierfläche
weitere Parameter notwendig. Einige zusätzliche brauchbare Parameter
sind: mittlere Rautiefe Spitze zum Grund ("Rtm");
Spitzendichte ("RSA");
Kernrautiefe ("Rk"); reduzierte Spitzenhöhe ("Rpk"); und reduzierte
Grundhöhe ("Rvk").
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Die
Spitzendichte gibt an, wie viele Spitzen (Erhebungen) für den Kontakt
mit der Oberfläche
des zu polierenden Substrats verfügbar sind. Bei einer gegebenen
auf das Polierkissen wirkenden Kraft (der Druck, mit dem das Substrat
mit der Polierschicht des Polierkissens in Berührung gebracht wird) ergeben
sich bei einer niedrigeren Spitzendichte weniger Kontaktpunkte und
damit übt
jeder Kontaktpunkt einen stärkeren
Druck auf die Substratoberfläche
aus. Im Gegensatz dazu bedeutet eine höhere Spitzendichte zahlreiche
Kontaktpunkte mit nahezu gleichförmiger
Druckausübung
auf die Substratfläche.
Die Spitzendichte ist gekennzeichnet durch den Oberflächenquotienten
("RSA"), der definiert
ist als [Oberfläche/(Normalfläche – 1)], wobei
Oberfläche
die gemessene Oberfläche
und Normalfläche
die auf eine Lotebene projizierte Fläche ist.
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Die
mittlere Rautiefe Spitze zum Grund ("Rtm")
ist ein Maß für die relative
Anzahl von Spitzen und Tälern.
Die Rautiefe Spitze zum Grund kennzeichnet sowohl die Höhe der Spitzen,
als auch die Tiefe der Täler in
der Oberflächentextur.
Die Dicke der Polierschlammschicht (und/oder Tiefe einer lokalen
Polierschlammpfütze)
beeinflusst die Dynamik des Polierschlamms und die Partikelströmung im
Schlamm, das heißt,
ob es sich um eine laminare oder turbulente Strömung handelt, die Aggressivität der Turbulenz
und die Art der Wirbelströmungen.
Die Dynamik der Polierschlammströmung
ist wichtig, denn sie steht in Beziehung zum Mechanismus der "Erosionsabnützung" beim Poliervorgang.
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Die
Talgröße, beziehungsweise
Grundhöhe
gibt Aufschluss über
die Fähigkeit
der Fläche, "Polierschlammpfützen" zu bilden und über die örtlich für den Poliervorgang
verfügbare
Schlamm-Menge. Wenn ein relativ großer Wafer (200 bis 300 mm Durchmesser) über ein
Polierkissen geführt
wird, ist es wichtig, dass der Polierschlamm an allen Stellen unter
dem Wafer verfügbar
ist, um einen gleichförmigen
Poliervorgang sicherzustellen. Hätte
das Polierkissen keine solche Oberflächengestaltung, dann wäre es schwierig,
den Polierschlamm in die inneren Waferbereiche eindringen zu lassen.
In diesem Fall würde
die Kontaktfläche
zwischen Polierkissen und Wafer zu wenig Polierschlamm erhalten.
Aus diesem Grund werden Polierkissen mit Rillen oder Perforationen
versehen. Makroskopische Merkmale, wie Rillen, ermöglichen
eine Strömung
des Polierschlamms zwischen der Polierschicht des Polierkissens
und dem Wafer. Konzentrieren wir uns auf kleinere Dimensionen an
einem Polierkissen, im Bereich von 0,5 bis 25 mm (das heißt, die
Stegfläche
zwischen den Rillen oder Perforationen): ist die Oberfläche dieser
Stegflächen
zu glatt (analog zu einem Polierkissen größerer Abmessungen ohne diese
Merkmale der Oberflächengestaltung),
dann kann ebenfalls zu wenig Polierschlamm auf die örtlichen
Kontaktflächen
zwischen Polierkissen und Wafer gelangen. Deshalb ist es wichtig, eine
Oberflächentextur
im kleineren Maßstab
(das heißt,
eine Mikrotextur) zu schaffen, die fähig ist, den Polierschlamm örtlich in
diese Mikrotextur aufzunehmen.
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Schließlich ist
die Konfiguration der Spitze außer
den vorstehend genannten Gründen
wichtig, weil sie die Steifheit der Spitze beeinflusst. Eine große, schmale
Spitze ist flexibler als eine breitere Spitze. Die relative Steifheit
der Spitze hat Einfluss auf die Abriebkomponente der Abnützung beim
Poliervorgang. Größe und Form
der Spitzen und Täler
sind in ihrem Zusammenwirken gekennzeichnet durch Rpk (reduzierte
Spitzenhöhe),
Rvk (reduzierte Grundtiefe) und Rk (Kernrautiefe). Diese drei Werte erhält man aus
der in 1 dargestellten Kurve des Auflagebereichsquotienten.
Der Auflagebereichsquotient wird in Studien der Tribologie verwendet.
Näheres
findet sich in "Tribology:
Friction and Wear of Engineering Materials, (Reibung und Abnützung von
technischen Werkstoffen) I.M. Hutchings, Seite 10, 1992. Der betreffende
Text aus diesem Textbuch wird hier zur leichteren Bezugnahme wiedergegeben: "Die Kurve des Auflagebereichsquotienten
ist zu verstehen als eine gedachte Gerade, die das Profil der zu
untersuchenden Oberfläche
darstellt. Wenn die Ebene diese Oberfläche zum ersten Mal an einem
Punkt berührt,
ist der Auflagebereichsquotient (definiert als der Quotient aus
der Kontaktlänge
zur gesamten Länge
des Profils) Null. Wird die Gerade weiter abwärts bewegt, dann wird die Länge, über die
sie das Profil schneidet, größer und
damit wird auch der Auflagebereichsquotient größer. Schließlich, wenn die Gerade den
Grund des tiefsten Tales im Oberflächenprofil erreicht, steigt
der Auflagebereichsquotient auf 100% an. Die Kurve des Auflagebereichsquotienten
ist eine graphische Darstellung des Auflagebereichsquotienten gegen
die Oberflächenhöhe, wie
in 1 gezeigt.
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Die
gegenwärtige
Erfindung sieht ein Polierkissen mit den Merkmalen von Anspruch
1 vor. In einer Ausführungsform
sieht die gegenwärtige
Erfindung ein homogenes oder nichthomogenes Polierkissen aus Polymermaterial
vor, das vor der Verwendung konditioniert wird und das im Vergleich
zu vielen Polierkissen aus Polymermaterial nach dem Stand der Technik
im Herstellungszustand allgemein eine kürzere Einlaufzeit aufweist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sieht die gegenwärtige
Erfindung eine im Vergleich zu vielen Polierkissen nach dem Stand
der Technik verbesserte Einlaufzeit und Materialentfernungsrate
vor.
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Die
folgenden Zeichnungen sind zur Veranschaulichung der gegenwärtigen Erfindung
vorgesehen. Die Erfindung ist aber nicht auf die spezifischen offengelegten
Ausführungsformen
begrenzt.
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1 zeigt
die Kurve des Auflagebereichsquotienten.
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2 ist
eine schematische Darstellung eines Einstahl-Schneidewerkzeugs zur
Erzeugung einer erfindungsgemäßen Mikrotextur.
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3 ist
eine von einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommene Abbildung
der Arbeitsfläche
eines homogenen, nichtporigen Polierkissens ohne Mikrotextur im
Herstellungszustand bei 200facher Vergrößerung.
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4 ist
eine von einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommene Abbildung
der Oberfläche
eines Polierkissens, das eine Mikrotextur aufweist, die unter Verwendung
eines speziell gefertigten Einstahl-Schneidewerkzeugs auf einer
Drehbank erzielt wurde, im Herstellungszustand bei 200facher Vergrößerung.
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5 ist
eine von einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommene Abbildung
der Oberfläche
eines Polierkissens, das eine Mikrotextur aufweist, die unter Verwendung
eines Vielpunkt-Schneidewerkzeugs (Diamantschleifscheibe) auf einer
Drehbank erzielt wurde, im Herstellungszustand bei 200-facher Vergrößerung.
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6 ist
eine graphische Darstellung der Materialentfernungsrate (Y-Achse)
in Angström
pro Minute gegen die kumulierte Polierzeit (X-Achse) für eine Waferoxidschicht
bei einem unbehandelten Polierkissen im Herstellungszustand und
bei einem erfindungsgemäßen Polierkissen
im Herstellungszustand.
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Die
bevorzugten erfindungsgemäßen Polierkissen
bestehen aus einem massiven thermoplastischen oder hitzehärtbaren
Polymer. Das Polymer kann aus einer Anzahl von Werkstoffen ausgewählt werden,
einschließlich
von Polyurethan, Polyureaurethan, Polycarbonat, Polyamid, Polyacrylat,
Polyester und/oder dergleichen. Polierkissen aus Polyester enthalten
einen Homopolyester, einen Copolyester, eine Mischung oder einen
Verschnitt aus Polyester oder einen Polyesterverschnitt mit einem
oder mehreren anderen Polymeren als Polyester. Die typische Polyesterherstellung
erfolgt durch direkte Veresterung einer Dicarbonsäure, wie etwa
Terephthalsäure
(TA) mit Glykol, wie etwa Äthylenglykol
(EG) (primäre
Veresterung bis zu einem Polymerisationsgrad (DP) von 2 bis 3),
gefolgt von einer Schmelze oder Polymerisation im Festzustand auf
einen kommerziell verwendbaren Polymerisationsgrad (70 oder höher). Polyester
auf Phthalatbasis sind lineare und cyclische Polyalkylenterephthalate,
insbesondere Polyäthylenterephthalat
(PET), Polypropylenterephthalat (PPT), Polybutylenterephthalat (PBT),
Polyäthylen-1,4-cyclohexylen-dimethylenterephthalat
(PETG), Polytrimethylenterephthalat (PTT), Polyamid-Block-PET, sowie
weitere Versionen, zum Beispiel statistische Copolymere oder Block-Copolymere
davon, die eine oder mehrere der vorstehenden Komponenten aufweisen.
Bei den Copolymeren handelt es sich allgemein um Copolymere, die
weiche Segmente, wie zum Beispiel Polybutylenterephthalat (PBT)
und harte Segmente, wie zum Beispiel Polytetramethylenätherglykolterephthalat
enthalten. Die Polyester auf Phthalatbasis und Copolyester sind
im handelsüblichen
Maßstab
zu beziehen bei duPont de Nemours, Inc., Wilmington, Delaware, USA,
unter den Warenzeichen Trevira®, Hytrel® und
Riteflex®.
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Beim
Reaktions-Spritzgießverfahren
oder "RIM", das dem Fachmann
bekannt ist, wird allgemein ein reaktionsfähiger Vorläufer in flüssiger (oder halbflüssiger)
Form gemischt und dann rasch in die Form eingespritzt. Sobald die
Form gefüllt
ist, erfolgt eine chemische Reaktion dieses Vormaterials, die eine
Verfestigung des fertigen Formartikels bewirkt. Diese Art der Spritzgussausformung
kann vorteilhaft sein, weil eine Feinabstimmung der physikalischen
Eigenschaften durch entsprechende Einstellung der Reaktionschemie
möglich ist.
Zusätzlich
kommen beim Reaktions-Spritzgießverfahren
all gemein Vormaterialien mit niedrigerer Viskosität zum Einsatz
als beim Spritzgießen
von Thermoplasten, wodurch sich Formen mit hohem Seitenverhältnis leichter
füllen
lassen.
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Urethanvorpolymere
sind brauchbare Vorläufer
zum Einsatz in der Reaktionschemie im erfindungsgemäßen Reaktions-Spritzgießverfahren.
Der Begriff "Vorpolymere" ist zu verstehen
als Vorläufer
des polymerisierten Endproduktes, einschließlich von Oligomeren und Monomeren.
Viele solche Vorpolymere sind wohlbekannt und im kommerziellen Maßstab verfügbar. Urethanvorpolymere
enthalten allgemein reaktionsfähige
Anteile an den Enden der Vorpolymerketten. Ein gewöhnlicher
reaktionsfähiger
Anteil für
ein Urethanvorpolymer ist Isocyanat. Kommerziell verfügbare Isocyanatvorpolymere
schließen
Diisocyanatvorpolymere und Triisocyanatvorpolymere ein. Beispiele
von Diisocyanatpolymeren schließen
Toluoldiisocyanat und Methylendiisocyanat ein. Das Isocyanatvorpolymer
hat vorzugsweise eine mittlere Isocyanat-Funktionalität von mindestens zwei.
Eine mittlere Isocyanat-Funktionalität von mehr als 4 ist allgemein
nicht zu bevorzugen, weil die Verarbeitung abhängig von der Formausrüstung und
dem angewandten Verfahren schwierig werden kann.
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Das
Isocyanatvorpolymer wird allgemein mit einem zweiten Vorpolymer,
das einen mit Isocyanat reaktionsfähigen Anteil enthält, zur
Reaktion gebracht. Vorzugsweise enthält das zweite Vorpolymer im
Durchschnitt mindestens zwei mit Isocyanat reaktionsfähige Anteile.
Mit Isocyanat reaktionsfähige
Anteile schließen Amine,
insbesondere primäre
und sekundäre
Amine und Polyole ein. Bevorzugte Vorpolymere schließen Diamine,
Diole und Amine mit Hydroxy-Funktionalität ein. Zusätzlich können Partikel mit Abriebwirkung
in das Material für
das Polierkissen aufgenommen werden. Ein Polierkissen, in das Abriebmittel
aufgenommen wurden, kann zum Polieren spezifischer Substrate in
Verbindung mit einer scheuermittelfreien Polierflüssigkeit
eingesetzt werden.
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Jedes
Verfahren der Polymerchemie könnte
bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Polierkissen zum Einsatz
kommen, insbesondere, wenn das Endprodukt die folgenden Eigenschaften
aufweist: eine Dichte von mehr als 0,5 g/cm3,
wobei mehr als 0,7 g/cm3 mehr zu bevorzugen
ist und wobei mehr als annähernd
0,9 g/cm3 noch mehr zu bevorzugen ist; eine
kritische Oberflächenspannung
von mehr als oder gleich 34 MilliNewton pro Meter, ein Zugmodul
von 0,02 bis 5 Giga-Pascal; eine Härte von 25 bis 80 nach Shore
D; eine Streckspannung von 300 bis 6000 psi (21 bis 420 kg/cm2); eine Zugfestigkeit von 500 bis 15000
psi (35 bis 1055 kg/cm2) und eine Bruchdehnung
von bis zu 500%. Diese Eigenschaften sind für eine Anzahl von Materialien, die
sich für
das Spritzgussverfahren und für
Verfahren ähnlicher
Art eignen, möglich,
wie zum Beispiel für
Polycarbonat, Polysulfon, Nylon, Äthylencopolymer, Polyäther, Polyester,
Polyäther-Polyester-Copolymere, Acrylpolymer,
Polymethylmethacrylat, Polyvinylchlorid, Polyäthylencopolymere, Polyäthylenimin,
Polyurethan, Polyäthersulfon,
Polyätherimid,
Polyketon und dergleichen, einschließlich von deren photochemisch
reaktionsfähigen
Derivaten.
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Oft
ist ein Katalysator erforderlich, um die Dauer der Polymerisationsreaktion,
insbesondere die Gelierzeit und die Entformungszeit zu verkürzen. Wenn
die Reaktion allerdings zu schnell abläuft, kann sich das Material
vor dem vollständigen
Füllen
der Form verfestigen oder gelieren. Die Gelierzeit liegt vorzugsweise
im Bereich von etwa einer halben Sekunde bis zu 60 Minuten, wobei
ein Bereich von etwa 1 Sekunde bis etwa 10 Minuten mehr zu bevorzugen
ist und wobei der Bereich von etwa 2 Sekunden bis 5 Minuten noch
mehr zu bevorzugen ist.
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Bevorzugte
Katalysatoren sind frei von Übergangsmetallen,
insbesondere frei von Zink, Kupfer, Nickel, Kobalt, Wolfram, Chrom,
Mangan, Eisen, Zinn oder Blei. Der zur Verwendung mit einem Urethanvorpolymersystem
am meisten zu bevorzugende Katalysator enthält ein tertiäres Amin,
wie zum Beispiel Diazo-Bicyclooctan. Weitere brauchbare Katalysatoren
schließen
organische Säuren,
primäre
Amine und sekundäre
Amine ein, abhängig
von dem gewählten
Verfahren der chemischen Reaktion.
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Beispiele
für Polymere,
die eine angemessene Oberflächenspannung
aufweisen und in der Polierschicht des Polierkissens und/oder der
Polierkissenmatrix verwendbar sind:
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Das
Material für
das Polierkissen ist im typischen Fall hydrophil und ergibt eine
kritische Oberflächenspannung
größer oder
gleich 34 MilliNewton pro Meter, wobei größer oder gleich 37 MilliNewton
pro Meter mehr zu bevorzugen sind und größer oder gleich 40 MilliNewton
pro Meter noch mehr zu bevorzugen sind. Die kritische Oberflächenspannung
definiert die Benetzbarkeit einer festen Oberfläche als die niedrigste Oberflächenspannung
bei der eine Flüssigkeit
noch einen Kontaktwinkel von mehr als Null Grad aufweisen kann.
Deshalb lassen sich Polymere mit höherer kritischer Oberflächenspannung
leichter benetzen, sie sind hydrophiler.
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In
einer Ausführungsform
wird die Matrix des Polierkissens aus den folgenden Polymerklassen
abgeleitet:
- 1. acryliertes Urethan
- 2. acryliertes Epoxid
- 3. äthylenisch
ungesättigte
organische Verbindung mit einer Carboxyl-, Benzyl- oder Amid-Funktionalität
- 4. Aminoplastderivat mit einer ungesättigten Carbonylseitengruppe
- 5. Isocyanuratderivat mit mindestens einer Acrylatseitengruppe
- 6. Vinyläther
- 7. Urethan
- 8. Urea-Urethan
- 9. Polyacrylamid
- 10. Äthylen/Ester-Copolymer
oder ein Säurederivat
davon
- 11. Polyvinylalkohol
- 12. Polymethylmethacrylat
- 13. Polysulfon
- 14. Polyamide
- 15. Polycarbonat
- 16. Polyvinylchlorid
- 17. Expoxid
- 18. ein Copolymer von einem der vorstehenden Polymere oder
- 19. eine Kombination davon
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Für Polierkissen
brauchbare Materialien sind Polyurethan, Polycarbonat, Polyamid,
Polysulfon, Polyvinylchlorid, Polyacrylat, Polymethacrylat, Polyvinylalkohol,
Polyester- oder Polyacrylamidanteile. In einem Polierkissen aus
mehreren Schichten kann eine oder können mehrere Grundschichten
vorgesehen werden und diese Grundschichten können entweder porös oder nichtporös sein,
integriert in einen nichtporösen
Oberflächenabschnitt.
Im typischen Fall weist eine poröse
Schicht eine Faserverstärkung
auf. Die Grundschichten) könnte(n)
aus einem Polymer der gleichen Klasse hergestellt sein, wie das
Polymer der Oberflächenschicht. Das
Polymer der Grundschicht könnte
im Vergleich zum Material der Oberflächenschicht einen hö heren oder niedrigeren
Biegemodul aufweisen. Das Polymer der Oberflächenschicht könnte auch
aus einer anderen Klasse stammen, als das Polymer der Grundschicht
und einen Biegemodul haben, der mindestens 10% höher ist, als der Biegemodul
der Grundschicht oder der Verbund aus den Grundschichten, falls
mehrere Grundschichten vorgesehen sind. Ein Polierkissen aus mehreren
Schichten oder aus einer Polymerschicht kann zur Erhöhung der
Leistung mit einem Grundkissen versehen werden. Im typischen Fall
werden solche Grundkissen oder Unterkissen aus verschäumten Platten
oder Filzen hergestellt, die mit Polymermaterial imprägniert sind.
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In
einer Ausführungsform
kann die Polierschicht des Polierkissens 1. eine Vielzahl von starren
Bereichen aufweisen, die beim Poliervorgang dem plastischen Fließen widerstehen
und 2. eine Vielzahl von weniger starren Bereichen, die dem plastischen
Fließen
beim Poliervorgang weniger Widerstand entgegensetzen. Eine solche
Kombination von Eigenschaften sieht einen dualen Mechanismus vor,
der sich beim Polieren von Silikon und Metall als besonders vorteilhaft
erwiesen hat. Die harten Bereiche haben die Tendenz, ein hartes
Andrücken
der Erhebungen in der Polierschicht an die zu polierende Substratoberfläche zu bewirken,
während die
weichen Bereiche dazu neigen, die Wechselwirkung des Poliervorgangs
zwischen den Erhebungen in der Polierschicht und der zur polierenden
Substratoberfläche
zu verbessern.
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Andere
Polymere mit harten und weichen Segmenten könnten ebenfalls geeignet sein,
einschließlich von Äthylencopolymer,
Copolyester, Blockcopolymere, Polysulfoncopolymere und Acrylcopolymere.
Harte und weiche Bereiche innerhalb des Polierkissenmaterials können auch
geschaffen werden durch: 1.harte (Benzolringe enthaltende) und weiche
(Äthylen
enthaltende) Segmente längs
der Polymerhauptkette; 2. durch kristalline Bereiche und nichtkristalline
Bereiche innerhalb des Polierkissenmaterials; 3. durch das Legieren
eines harten (Polysulfon-)Materials mit einem weichen (Äthylencopolymer,
Acrylcopolymer) Polymer oder 4. durch Kombination eines Polymers
mit einem organischen oder anorganischen Füllstoff. Solche Zusam mensetzungen
schließen
Copolymere, Polymerverschnitte, die Polymernetze gegenseitig durchdringen
und dergleichen ein.
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In
einer anderen Ausführungsform
kann die Polierkissenschicht gefüllt
oder nicht gefüllt
verwendet werden, um das Hohlraumvolumen oder den Prozentsatz an
Porosität
zu steuern. Bevorzugte Füllstoffe
schließen
Abrieb verursachende Partikel, Gase, Flüssigkeiten, alle allgemein
in der Polymerchemie verwendeten Füllstoffe und anorganisches
Material (zum Beispiel Calciumcarbonat) ein, vorausgesetzt, dass
sie sich nicht nachteilig auf die Polierleistung auswirken, sind
aber nicht auf diese begrenzt. Bevorzugte Abrieb verursachende Partikel
schließen
Aluminiumoxid, Cerdioxid, Silicium, Titanium, Germanium, Diamant,
Silikoncarbid oder Mischungen davon ein, ohne darauf begrenzt zu
sein, entweder allein oder verteilt in einer zerreibbaren Matrix, die
von der kontinuierlichen Phase des Polierkissenmaterials getrennt
ist. Für
ein Polierkissen auf Polyurethanbasis wird der Hohlraumvolumenbruchteil Φ nach folgender
Formel berechnet: Φ = (σPU – σIC)/( σPU – σf)dabei
ist
- σPU
- = Dichte des Gemisches
aus Polyurethan und Füllstoff,
g/cm3
- σIC
- = Dichte des porösen Polyurethanstandards,
g/cm3
- σf
- = Dichte des Füllstoffmaterials,
g/cm3
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Polierkissen
können
in jeder gewünschten
Anfangsdicke ausgeformt oder aus einem in vorbestimmter größerer Dicke
ausgeformten Abschnitt herausgearbeitet oder herausgeschnitten werden.
Nach einer Ausführungsform
werden die Polierkissen in einer Dicke ausgeformt, die keine weitere
Reduzierung der Gesamtabmessung erfordert, bis auf einen geringen
Verlust in der Oberfläche
durch das Vortexturieren. Die erfindungsgemäßen Polierkissen können nach
jedem von einer ganzen Anzahl von Polymerverarbeitungsverfahren
hergestellt werden, wie zum Beispiel, aber nicht begrenzt auf Gießen, Formpressen,
Spritzgussausformung (einschließlich
Reaktions-Spritzguss), Extrudieren, Bahnenbeschichtung, Photopolymerisation,
Drucken (einschließlich
Tintenstrahldruck und Siebdruck), Sintern und dergleichen.
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In
einer Ausführungsform
enthält
das erfindungsgemäße Polierkissen
eine Schicht, die wiederum zusammengesetzt ist aus einer oberen
Schicht und einer unteren Schicht. Die obere, aus Polymermaterial
bestehende Schicht kann durch Drucken oder Photoabbildung auf der
unteren Schicht angebracht werden. Die untere Schicht könnte aus
einem anorganischen Material (zum Beispiel Keramikmaterial) hergestellt
werden. Die obere Schicht kann durch chemisches Ätzen, Sintern, Furchung, etc.
mit einer Mikrotextur und Makrotextur versehen werden.
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Wie
vorher erwähnt,
kann das erfindungsgemäße Polierkissen
auch durch Hochdrucksintern thermoplastischer Polymerpulver, vorzugsweise
bei einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt des Polymers, hergestellt
werden. Das Sintern erfolgt vorzugsweise in einer präzise konfigurierten
Form, um ein nicht verdichtetes, poröses Material mit gleichförmiger,
kontinuierlich offenporigen Oberfläche zu erhalten. Thermoplastische
Polymere sind allgemein viskoelastisch und ihr Verhalten hinsichtlich
Temperatur/Viskosität
kann komplex sein. Das Polymerverhalten lässt sich über einen breiten Temperaturbereich
in drei Grundbereiche klassifizieren. Bei niedrigen Temperaturen
zeigen die Polymere das Verhalten von glasartigen, spröden Festkörpern mit
vorwiegend elastischem Charakter. Die obere Temperaturgrenze für diesen
Bereich wird oft als Glasübergangstemperatur
oder "Tg" bezeichnet. Oberhalb
von Tg, aber unterhalb des Polymerschmelzpunktes werden viskose
Merkmale signifikant und die Polymere zeigen sowohl viskose, als
auch elastische Effekte. In diesem Bereich kann das Polymer bei
Spannungsbeanspruchung beachtliche Verformungen erfahren. Allerdings
tritt nach der Spannungsrelaxation eventuell wegen der dauernden
Bewegung und Neuanordnung der Molekularstruktur des Polymers keine
vollständige
Erholung ein. Oberhalb des Schmelzpunktes neigt das Polymer auch zum
Verhalten einer viskosen Flüssigkeit,
die bei Anwendung einer Spannung allgemein eine bleibende Verformung
erfährt.
Oberhalb des Polymerschmelzpunktes macht ei ne rasche Sinterung aus
dem flüssigen
Zustand den Sinterprozess schwer kontrollierbar, insbesondere, weil
eine präzise
gesteuerte und gleichförmige Porenstruktur
erwünscht
ist. Dazu besteht oberhalb des Schmelzpunktes eine Tendenz zu Schwankungen
in der Sintergeschwindigkeit durch Temperaturgradienten und dies
kann im fertigen Artikel eine nichtgleichförmige Porenstruktur verursachen.
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Das
Polierkissen kann durch Press-Sintern von Pulver des thermoplastischen
Polymers bei einer Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur, aber nicht über den
Schmelzpunkt des Polymers hinaus hergestellt werden. Das Sinterverfahren
wird bei einem Druck von mehr als 7 kg/cm2 in
einer Form mit den erwünschten
Endabmessungen des Polierkissens durchgeführt. In einer Ausführungsform
wird ein Gemisch aus zwei Pulvern verwendet, wobei ein Polymer einen
niedrigeren Schmelzpunkt hat als das andere. Erfolgt die Drucksinterung
bei einer Temperatur, die den Schmelzpunkt des niedriger schmelzenden
Polymers nicht überschreitet,
führt die
höhere
Steifheit, die durch Aufnahme des höher schmelzenden Polymers erzielt
wird, zu einer besseren mechanischen Festigkeit des gesinterten
Produkts. Weitere Details finden sich im US Patent Nr. 6,017,265,
das durch diesen Hinweis hierin aufgenommen wird. Sinterbedingungen
und Formoberfläche können so
kontrolliert werden, dass man die gewünschte Mikrotextur auf der
Oberfläche
des Polierkissens erhält.
-
In
einer Ausführungsform
des Polierkissens hat die Polieroberfläche sowohl eine Makrotextur,
als auch eine Mikrotextur. Die Maktrotextur kann entweder aus Perforationen
durch die Dicke des Polierkissens hindurch oder aus Rillenanordnungen
in der Oberfläche
bestehen. Solche Anordnungen von Rillen in der Oberfläche können, ohne
darauf begrenzt zu sein, konzentrische oder spiralförmige Rillen
sein, schraffierte Muster als X-Y-Gitter quer über die Kissenoberfläche, andere
regelmäßige Anordnungen,
wie Sechsecke, Dreiecke und reifenprofilartige Muster, oder unregelmäßige, zum
Beispiel fraktale Anordnungen oder Kombinationen davon. Das Rillenprofil
kann rechtwinkelig sein, mit geraden Seitenwänden oder einem V- oder U-förmigen,
drei eckigen, sägezahnförmigen Rillenquerschnitt,
etc. Ferner kann das geometrische Zentrum von kreisförmigen Anordnungen
mit dem geometrischen Zentrum des Kissens übereinstimmen oder versetzt
sein. Die Rillenanordnung kann sich auch über die Oberfläche des
Polierkissens hin ändern.
Die Wahl der Anordnung hängt
von dem zu polierenden Material und vom Poliermaschinentyp ab, denn
verschiedene Poliergeräte
verwenden Polierkissen von verschiedener Größe und Form (das heißt kreisförmig oder
mit Band). Die Rillenanordnung kann spezifischen Anwendungen angepasst
werden. Im typischen Fall liegt eine Anordnung von einer oder mehreren
Rillen vor. Ferner können
Rillen auf einem Polierkissen in Zufallsverteilung oder nach spezifischen
Mustern oder Gestaltungen vorgesehen werden, wie vorstehend beschrieben.
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Typische
Rillen haben eine Tiefe im Bereich von annähernd 0,075 bis annähernd 3
mm (wobei ein Bereich von ca. 0,3 mm bis ca. 1,3 mm mehr zu bevorzugen
ist und ein Bereich von ca. 0,4 mm bis 1 mm am meisten zu bevorzugen
ist), eine Breite im Bereich von ca. 0,125 mm bis ca. 150 mm (wobei
ein Bereich von ca. 0,75 bis ca. 5 mm mehr zu bevorzugen ist und
ein Bereich von ca. 1 mm bis ca. 2 mm am meisten zu bevorzugen ist)
und eine Rillensteigung im Bereich von ca. 0,5 mm bis ca. 150 mm
(wobei ein Bereich von ca. 3 mm bis ca. 15 mm mehr zu bevorzugen
ist und ein Bereich von ca. 10 mm bis ca. 15 mm am meisten zu bevorzugen
ist). Die untere Grenze für
die Rillensteigung liegt bei ca. 0,5 mm. Unterhalb dieser Grenze
wird die Rillenherstellung schwierig und zeitraubend. Zusätzlich vermindert
sich unter einer Rillensteigung von 0,5 mm die strukturelle Integrität der Oberflächenerhebungen
zwischen den Rillen (Stegfläche),
mit einer Tendenz zur Ablenkung oder Verformung beim Anbringen der
Mikrotextur.
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Die
Merkmale der Makrotextur (oder Rillen) werden vorzugsweise im Formhohlraum
ausgeformt, durch ein vorbestimmtes Muster, das an der Innenfläche der
Form eingearbeitet wird. Alternativ können die gewünschten
Merkmale der Makrotextur auch in ein Polierkissen im ausgeformten
oder zugeschnittenen Zustand eingeätzt oder geschnitten werden
(unter Verwendung einer Drehbank oder Fräsmaschine), zur Ausbildung
des gewählten
Rillenmusters. Alternativ können
auch Verfahren wie chemisches Ätzen
in Verbindung mit Fotoabbildungen zur Ausbildung der Rillen verwendet
werden. Die Rillen in der nach Wunsch gestalteten Textur sind im
typischen Fall im Herstellungsstadium zur Ausbildung der erfindungsgemäßen Mikrostruktur
im Polierkissen vorhanden.
-
Eine
Oberflächentextur
kann den Polierkissen während
des Ausformungsvorgangs vermittelt werden. So lässt sich zum Beispiel eine
Textur in eine Beschichtung auf einer im übrigen glatten Forminnenfläche oder durch
Modifizierung der Formfläche
erzielen.
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Die
Modifizierung der Formflächen
kann durch nachstehende Mittel erfolgen:
- 1.
Mikrobearbeitung der Formfläche
durch Sandstrahlen, wobei das verwendete Material Sand, Glasperlen, etc.
enthält.
Die Korngröße wird
spezifisch so gewählt,
dass die erwünschte
Textur entsteht. Die bevorzugte Korngröße liegt vorzugsweise im Bereich
von 1 bis 500 Mikron, wobei der Bereich von 10 bis 100 Mikron mehr
zu bevorzugen ist.
- 2. Mirkobearbeitung der Formfläche mit Drehbank, Fräsmaschine
und dergleichen. Die Form kann auch beschichtet werden, um sicherzustellen,
dass der Polierfläche
des Polierkissens die erwünschte
Textur vermittelt wird. Um dies zu erreichen, stehen verschiedene
Verfahren zur Verfügung,
wie folgt:
1. Mehrfache Aufbringung einer homogenen Beschichtung
zum Aufbau von Mikrostrukturen auf der Formoberfläche.
2.
Mehrkomponenten-Beschichtung mit Partikeln zur Erzeugung der gewünschten
Strukturen auf der Formoberfläche.
3.
Mehrstufiger Beschichtungsvorgang, wobei nach einer Anfangsbeschichtung,
die Partikel zur Erzeugung der gewünschten Struktur enthält, eine
konforme Beschichtung folgt, die als Formtrennmittel dient.
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Es
ist mehr zu bevorzugen, dass die erfindungsgemäße Mikrotextur der Oberfläche durch
direkte Bearbeitung der Polierkissenfläche erzeugt wird. Im Zusammenhang
mit dieser Erfindung bezieht sich der Begriff Schneidewerkzeug auf
alle mechanischen Mittel, wie Schneiden oder Verformen, chemische
Mittel, wie Ätzen, Strahlverfahren,
wie Abtragung mit dem Laser oder eine Kombination davon. Somit bezieht
sich der Begriff Schneiden auf die Entfernung von Material von der
Oberfläche
mit jedem Mittel, einschließlich,
aber nicht begrenzt auf die direkte Anwendung von Klingen, Drehwerkzeugen,
Fräsköpfen, Außenkonturfräsen, Feilen, Raspeln,
Drahtbürsten
(Scheiben oder Tassenscheiben) Schleifsteine oder Werkzeuge aus
Metall, Keramik, Polymer, Tuch, oder Papier, die mit einem Abrieb
verursachenden Material imprägniert
sind (Diamantpartikel, Silikoncarbidpartikel, Korundpartikel, Quarzpartikel
oder dergleichen). Der Begriff Schneiden bezieht sich auch auf die
Entfernung von Material von der zu bearbeitenden Oberfläche durch
auf der Oberfläche
aufprallende Substanzen, einschließlich, aber nicht begrenzt
auf die Strahlbearbeitung mit Sand, Glasperlen, Schrot, Hochdruckflüssigkeiten
oder Medien (wie zum Beispiel Wasser, Öl, Luft) oder Kombinationen
davon. Der Begriff plastische Verformung bezieht sich auf Änderungen
an einer Oberfläche
durch Mittel, die mit einer wesentlichen Entfernung von Material
verbunden sein können
oder nicht, einschließlich,
aber nicht begrenzt auf Prägen,
Kalandern oder Furchen.
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Bevorzugte
Verfahren zu mechanischen Änderungen
der Oberfläche
eines Polierkissens aus Polymer verwenden:
- (1)
ein Einstahlwerkzeug (wie zum Beispiel ein Drehwerkzeug, Fräskopf oder
dergleichen): es ist zu beachten, dass Drehwerkzeuge mit mehreren
Zähnen,
Fräsköpfe mit
mehreren Messern und dergleichen im Zusammenhang mit der gegenwärtigen Erfindung
als Einstahlwerkzeuge betrachtet werden, weil sie eine kleine, feste
Anzahl von Berührungspunkten
mit der zu bearbeitenden Oberfläche
haben).
- (2) ein Mehrpunktwerkzeug (wie etwa eine Drahtbürste (Scheibe
oder Tassenscheibe), ein Material, in dessen Oberfläche ein
Abrieb verursachen des Material aufgenommen ist, Schleifstein, Raspel,
Schleifband und dergleichen): (es ist zu beachten, dass ein Mehrpunktwerkzeug
im Zusammenhang mit der gegenwärtigen
Erfindung zahlreiche Berührungspunkte
mit der zu ändernden
Oberfläche
hat).
- (3) eine Kombination von (1) und (2) entweder gleichzeitig oder
aufeinander folgend
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Es
wird davon ausgegangen, dass die nach obigen Verfahren ausgebildete
Mikrotextur durch eine Kombination von (a) einer Entfernung von
Material (Schneiden, Aufreissen der Oberfläche oder Furchen) und (b) plastische
Verformung der Oberfläche,
entweder von einer Materialentfernung begleitet (zum Beispiel Furchen)
oder nicht (zum Beispiel Prägen)
entsteht. Bei allen diesen Verfahren ist es von kritischer Bedeutung, dass
mindestens 2 um Tiefe von der Oberfläche des Polierkissens entfernt
oder geändert
werden, um die Mikrotextur zu schaffen.
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In
einer Ausführungsform
verwendet die nach dem Verfahren (1) gebildete Mikrotextur ein speziell
gefertigtes Einstahl-Schneidewerkzeug mit hoher Drehzahl. 2 ist
eine schematische Darstellung eines speziell gefertigten Einstahl-Schneidewerkzeuges
mit hoher Drehzahl. Die Schneide des Werkzeugs ist bogenförmig gestaltet,
mit einem bevorzugten Radius zwischen 0,2 mm und 500 mm. Eine spezifische
Mikrotextur erhält
man durch Variieren des Spanwinkels und des Anstellwinkels.: bevorzugte
Spanwinkel liegen zwischen 0° und
60° und
bevorzugte Anstellwinkel liegen zwischen 0° und 60°. In einer bevorzugten Ausführungsform
wird das Schneidewerkzeug linear über die Oberfläche des
Kissens bewegt, während
man das Kissen rotieren lässt.
Die Höhe
h von der Spitze zum Grund wird gesteuert durch eine Kombination
aus dem Radius r des Werkzeugs und der Vorschubgeschwindigkeit des
Werkzeugs über
das rotierende Kissen FR (FR ist festgelegt durch die Entfernung,
die pro Umdrehung des Polierkissens zurückgelegt wird).
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-
Mit
diesem Verfahren erhält
man eine vorwiegend gefurchte Textur. Die Furchen können konzentrische Kreise,
einzelne Spiralen oder überlappende
Spiralen sein und das Muster kann entweder auf dem Polierkissen
zentriert oder nicht zentriert sein oder eine beliebige Kombination
davon. Die Textur kann Furchen gleicher Tiefe oder unterschiedlicher
Tiefe aufweisen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
verwendet die nach dem Verfahren (2) gebildete Mikrotextur ein scheibenförmiges,
mit Diamanten bestücktes
Vielpunkt-Abriebwerkzeug. Das in 2 abgebildete
Schneidewerkzeug kann so ausgebildet werden, dass es eine Vielpunkt-Abriebfläche aufweist,
die blockförmige
Diamantsplitter in einem Größenbereich
enthält,
der einer Siebgröße von 40
bis 400 mesh entspricht, wobei die Abrieb bewirkende Fläche ein
1 cm breiter Ring mit einem Außendurchmesser
von 10 cm ist. Diamantbestückte
Werkzeuge können
speziell bei Mandall Armor Design and Mfg., Inc. in Phoenix, Arizona,
bestellt werden.
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Abhängig von
Größe und Verteilung
der Abriebpartikel, von der Oberflächentemperatur des Polierkissens
und der Eigenhärte
des Polymermaterials hängt
die Erzielung einer definierten Mikrotextur auch von der Geschwindigkeit
des Werkzeugs relativ zur Oberfläche
des vorzubehandelnden Polierkissens und vom Druck ab, mit dem das
Werkzeug auf das Polierkissen gepresst wird. In einer Ausführungsform
ist ein konstantes Verhältnis
von 0 zu 100 für
die Geschwindigkeit Werkzeug zur Oberfläche des Polierkissens vorgesehen.
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Vor
der Anwendung eines Verfahrens der Oberflächenbehandlung ist die Oberfläche eines
aus Polymer geformten Polierkissens nach dem Stand der Technik im
Herstellungszustand im Wesentlichen glatt und ohne eine Mikrotextur,
wie in 3 gezeigt. Die nach dem Verfahren (1) geschaffene
Oberflächentextur
enthält eine
gleichförmige
und gut definierte Anordnung von Spitzen (hier auch als Erhebungen
bezeichnet) und Tälern
(hier auch als Vertiefungen bezeichnet) über die ganze Polierfläche, wie
in 4 gezeigt.
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Die
nach dem Verfahren (2) geschaffene Oberflächentextur enthält eine
statistisch gleichförmige
Verteilung zufällig
geformter und bemessener Spitzen und Täler über die ganze Polierfläche, wie
in 5 gezeigt.
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Die
Mikrotextur wird gleichförmig
auf der Oberfläche
(oder Polierschicht) des Polierkissens und über diese ganze Oberfläche hin
geformt. Die Oberfläche
der Polierkissen im Herstellungszustand mit einer geeigneten Mikrotextur,
die eine verbesserte Einlaufzeit ergibt, ist gekennzeichnet wie
folgt:
Arithmetischer Mittelwert der Oberflächenrautiefe Ra von 0,01 μm bis 25 μm;
mittlere
Rautiefe Spitze zum Grund, Rtm, von 2 μm bis 40 μm;
Kernrautiefe, Rk, von
1 bis 10;
reduzierte Spitzenhöhe, Rpk, von 0,1 bis 5;
reduzierte
Grundhöhe,
Rvk, von 0,1 bis 10; und
Spitzendichte; ausgedrückt als
Flächenquotient
RSA, ([Oberfläche/(Fläche – 1)]), 0,001 bis 2,0.
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Polierkissen
mit einer erfindungsgemäß erzeugten
Mikrotextur können
zum Polieren mit herkömmlichen,
abriebmittelhaltigen oder auch abriebmittelfreien Polierschlämmen verwendet
werden. Der Begriff Poliermittel umfasst hierin verschiedene Arten
von Polierschlämmen.
Abriebmittelfreie Schlämme
werden auch als reaktionsfähige
Schlämme
bezeichnet. Bevorzugte Abriebpartikel schließen folgendes ein, ohne darauf
begrenzt zu sein: Aluminiumoxid, Cerdioxid, Solicium, Titanium,
Germanium, Diamant, Solikoncarbid oder Gemische davon. Die reaktionsfähigen Flüssigkeiten
können
auch Oxidationsmittel, Chemikalien zur Verbesserung der Löslichkeit
des zu polierenden Substrats (einschließlich von Geliermitteln oder
komplexbildenden Substanzen) und oberflächenaktive Substanzen enthalten.
Schlämme,
die Abriebstoffe enthalten, sind auch mit Zusätzen wie organischen Polymeren
versehen, die Abriebpartikel in der Schwebe halten.
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Ein
Problem beim chemisch-mechanischen Polieren ist es, festzustellen,
wann das Substrat (zum Beispiel ein Wafer) bis zum erwünschten
Grad geglättet
ist. Herkömmliche
Verfahren zur Bestimmung des Endpunktes des Poliervorgangs erfordern
das Anhalten des Poliervorgangs und das Entfernen des Wafers aus dem
Poliergerät,
um die Abmessungsmerkmale bestimmen zu können. Das Anhalten des Vorgangs
beeinträchtigt
die Geschwindigkeit der Waferproduktion. Wenn sich ferner herausstellt,
dass eine kritische Waferabmessung unter dem vorgeschriebenen Minimum
liegt, kann der Wafer unbrauchbar sein, was zu einem höheren Anfallen
von Ausschuss und zu höheren
Produktionskosten führt.
Die Bestimmung des Endpunktes für
den Poliervorgang ist deshalb ein kritischer Faktor beim chemisch-mechanischen
Polieren.
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Das
zur Herstellung der erfindungsgemäßen Polierkissen verwendete
Polymermaterial kann einen Bereich aufweisen, in dem das Polymermaterial
lichtundurchlässig
ist und einen benachbarten Bereich, in dem das Polymermaterial transparent
ist. Der transparente Bereich des Polierkissens ist durchlässig genug,
dass ein auftreffender Strahl für
die Endpunktbestimmung des Poliervorgangs durch das Polierkissen
durchdringen kann.
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Polymertypen,
die sich zur Herstellung eines Polierkissens mit einem integrierten
Fenster für
die Endpunktbestimmung eignen, schließen Polyurethan, Acryl, Polycarbonat,
Nylon und Polyester ein und ein transparentes Fenster kann mit Polyvinylchlorid,
Polyvinylidenfluorid, Polyäthersulfon,
Polystyrol, Polyäthylen
und Polytetrafluoroäthylen
hergestellt werden.
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Transparente
und lichtundurchlässige
Bereiche im gleichen Polierkissen lassen sich entweder durch ein
einziges halbkristallines thermoplastisches Material, einen Verschnitt
thermoplastischer Stoffe und/oder ein reaktionsfähiges hitzehärtbares
Material erzielen. Ein Verfahren für die Herstellung solcher Polierkissen
ist die Ausformung, unter Verwendung eines fließfähigen transparenten Polymermaterials.
Eine rasche Abkühlung des
fließfähigen Polymermaterials
ergibt ein gehärtetes,
transparentes Polymermaterial. Eine langsame Abkühlung des fließfähigen Polymermaterials
ergibt ein lichtundurchlässiges
Polymermaterial. Halbkristalline thermoplastische Polymere sind
allgemein im flüssigen
Zustand transparent, sie werden aber nach dem Aushärten lichtundurchlässig, weil
sie sowohl kristalline, als auch amorphe Phasen aufweisen und weil
die kristalline Phase eine Lichtstreuung bewirkt, die das Polymer
lichtundurchlässig
macht. Die Kristallisierung erfolgt bei Temperaturen zwischen der
Schmelztemperatur (Tmelt) und der Glasübergangstemperatur
(Tg) des Polymers, das ist die obere und
die untere Kristallisationstemperatur. Wird ein halbkristallines
Polymer aus einer Temperatur oberhalb Tmelt rasch
auf eine Temperatur unter Tg abgekühlt, kann
die Kristallisierung auf einem Minimum gehalten werden und das Polymer
bleibt amorph und transparent. Alternativ kann die Kristallisation
durch rasches Abkühlen
so gesteuert werden, dass der resultierende Kristallit zu klein
bleibt, um Licht zu streuen, wodurch das Polymer transparent bleibt.
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Ein
weiterer Typ von Polymermaterial zur Herstellung des Polierkissens
umfasst die Herstellung eines Verschnittes aus zwei thermoplastischen
Polymeren. Hier ist es ebenfalls wieder möglich, die Lichtundurchlässigkeit
durch Steuerung der Abkühlungsgeschwindigkeit
in verschiedenen Bereichen der Form zu steuern. Polymerverschnitte
haben im typischen Fall Temperaturbereiche, in denen sie entweder
mischbar (einphasig und transparent) oder nicht mischbar (unverträglich und
lichtundurchlässig)
sind. Ein Beispiel für
ein solches System sind Verschnitte von Poly(phenylenoxid) und Polystyrol.
Diese beiden Polymere sind bei erhöhten Temperaturen vollständig mischbar.
Eine langsame Abkühlung
des Verschnittes lässt
eine Phasentrennung zu und es entwickelt sich Lichtundurchlässigkeit.
Eine rasche Abkühlung
friert dagegen die einphasige Struktur ein. Mit transparent ist
gemeint, dass das Polymermaterial einen Transmissionsgrad in der
Größenordnung
von 20% oder mehr für
einen einfallenden Lichtstrahl mit einer Wellenlänge im Bereich zwischen infrarot
und ultraviolett hat, zumindest, wenn der Einfallwinkel im Wesentlichen
senkrecht zur Oberfläche
des Polierkissens ist. Es muss erwähnt werden, dass der transparente
Bereich nicht vollkommen lichtdurchlässig zu sein braucht und dass
eine gewisse Streuung des einfallenden Lichtes, insbesondere durch
die Oberflächenbehandlung des
transparenten Bereichs annehmbar ist.
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Ein
weiterer geeigneter Typ von Polymermaterial ist ein reaktionsfähiges hitzehärtbares
Polymer, das phasengetrennte Mikrobereiche bildet. Zu diesen Polymeren
gehört
ein Polyol und ein Polydiamin, die gemischt und mit einem Isocyanat
zur Reaktion gebracht werden.
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Ein
Polierkissen, das als Artikel in einem Stück mit einem integrierten transparenten
Fenster ausgeformt wird, reduziert die Herstellungsschritte und
die damit verbundenen Kosten. Die Möglichkeit, dass Polierschlamm
um das Fenster herum durchsickert, ist eliminiert. Das Fenster ist
coplanar mit der Polierfläche,
so dass die Fensterfläche
mit poliert werden kann. Weil das Fenster nach der gleichen Polymerrezeptur
hergestellt ist, wie der Rest des Polierkissens, hat das Fenster
die gleichen physikalischen Eigenschaften wie das Polierkissen.
Deshalb hat das Fenster die gleichen Merkmale für das Konditionieren und Polieren
und die gleiche hydrolytische Stabilität, wie das Polierkissen. Ferner
wird hinsichtlich der Wärmeausdehnung
eine Fehlanpassung zwischen dem Polierkissen und dem Fenster vermieden.
Weitere Details finden sich im US Patent Nr. 5,605,760, das durch
diesen Hinweis hierin aufgenommen wird.
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Das
erfindungsgemäße Polierkissen
kann zum Polieren der Oberfläche
eines Substrats (Werkstück) verwendet
werden. Für
den Einsatz zum Polieren wird das Kissen an einer Poliervorrichtung
montiert, die mit einer Haltevorrichtung versehen ist, in der das
Werkstück
montiert und festgehalten wird. Ein getrenntes Mittel ist vorgesehen,
um das Polierkissen wie beschrieben an der Poliervorrichtung festzuhalten.
Ein Antriebmittel ist vorgesehen, um Werkstück und/oder Polierkissen relativ
zu einander zu bewegen, zusammen mit einem Mittel für die Anwendung
und Aufrechterhaltung eines Anpressdrucks auf das Werkstück, das
festgehalten und gegen das Polierkissen gedrückt wird. Das Mittel zum Montieren
des Werkstücks
schließt,
ohne darauf begrenzt zu sein, eine Klemme, einen Klemmensatz, einen
Montagerahmen zur Befestigung am Werkstück und die Poliervorichtung
ein, eine mit Perforationen versehene Platte, die an eine Saugpumpe
angeschlossen ist, um das Polierkissen festzuhalten oder eine Haftmittelschicht
zum Festhalten des Po lierkissens auf der Platte und des Werkstücks auf
dem Träger.
Der Poliervorgang schließt
die Anwendung einer Vorbelastung auf das zu polierende Substrat
gegen die Polierfläche
des Polierkissens und die Anwendung einer Polierflüssigkeit
mit oder ohne Abrieb verursachende Partikel und andere Chemikalien
(komplexbildende Substanzen, oberflächenaktive Substanzen) zwischen
dem Artikel und dem Polierkissen ein. Das Polieren wird durch seitliche
Bewegung des Substrats relativ zum Polierkissen bewirkt. Die Bewegung
kann linear oder kreisförmig
oder eine Kombination davon sein. Die anfangs auf der Oberfläche des
Polierkissens erzeugte Mikrotextur kann bei Bedarf während der
Verwendung des Polierkissens durch mechanische Mittel zur Ausbildung
einer Mikrotextur, die an der Poliervorrichtung montiert sind, wiederhergestellt
werden. Das mechanische Mittel hierzu ist im typischen Fall eine
Konditionierscheibe mit einer Körnung
von 100 grit, die von der Firma Abrasive Technology, Inc. bezogen
werden kann. Der Schritt einer Erneuerung der Mikrotextur erfolgt
vorzugsweise in Intervallen während
des Polierverfahrens, entweder während
der Phase der Andrückung
des Substrats an das Polierkissen oder, was mehr zu bevorzugen ist,
während
der Intervalle, in denen das Substrat vom Polierkissen abgenommen
wird. Eine geeignete Poliervorrichtung, die mit einem Mittel zur
Erneuerung der Mikrotextur auf der Kissenoberfläche ausgestattet ist, ist in
US Patent 5,990,010 offengelegt. Der Poliervorgang kann beendet werden,
wenn das Substrat den erwünschten
Grad der Ebenflächigkeit
erreicht hat, was durch die Endpunktbestimmung über das eingearbeitete Fenster
im erfindungsgemäßen Polierkissen
festgestellt wird.
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Beispiel 1 – Polierkissen
nach dem Stand der Technik
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Ein
nach dem Beispiel 1 von US Patent Nr. 6,022,268 hergestelltes Polierkissen
von 24 Zoll (ca. 61 cm) Durchmesser und 0,052 Zoll (ca. 1,3 mm)
Dicke wurde geprüft.
Das ist ein repräsentatives
Beispiel für
ein nicht konditioniertes, aus massivem Polymermaterial hergestelltes
Polierkissen nach dem Stand der Technik im Herstellungszustand.
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Das
Polierkissen enthielt eine eingeformte Makrotextur aus konzentrischen
Rillen mit einer Tiefe von 0,38 mm, einer Rillenbreite von 0,25
mm und einer Stegbreite (die zwischen den Rillen vorstehende Oberfläche des
Polierkissens) von 0,51 mm. Das Polierkissen wurde zum Polieren
einer Serie von Thermo-oxid (TOX-Silikonwafern auf einer AMAT Mirra
Poliermaschine verwendet (geliefert von Applied Materials, Inc.),
unter Verwendung von ILD 1300 als Polierschlamm. ILD 1300 ist ein
kolloidaler Silicium-Polierschlamm, der von der Rode, Inc., Newark,
Delaware, zu beziehen ist.
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Die
Polierbedingungen waren: 4 psi (0,28 kg/cm2)
Druck, Plattendrehzahl 93 U/min, Trägerdrehzahl 87 U/min und eine
Fließgeschwindigkeit
des Polierschlamms von 150 ml/min. Die Geschwindigkeit der Materialentfernung
wurde beim Polieren angezeigt und ist in 6 gegen
die kumulierte Polierzeit dargestellt. Die Geschwindigkeit der Materialentfernung
lag anfangs bei ca. 1500 Angström
pro Minute und sie erreichte nach einer Polierzeit von 40 Minuten
einen konstanten Wert von 2000 Angström pro Minute.
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Beispiel 2 – das erfindungsgemäße Polierkissen
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Ein
Polierkissen nach dem Stand der Technik, das mit dem von Beispiel
1 identisch war, wurde zur Erzeugung einer Mikrotextur auf der Oberfläche weiter
bearbeitet. Die Mikrotextur wurde unter Verwendung einer Drehbank
Ikegai Modell AX4ON und dem an einem Standardwerkzeughalter montierten
Drehwerkzeug aus Schnelldrehstahl erzeugt, mit einem Endradius senkrecht
zur Richtung der Schneidefläche
von 0,5 mm, einem Spanwinkel von 15° und einem Anstellwinkel von
5°. Das
Werkzeug wurde an der Oberfläche
des Polierkissens mit einer Schnitt-Tiefe von 0,013 mm angesetzt
und in einem Durchgang geradlinig am Äquator über die Oberfläche des
Polierkissens geführt.
Der Drehzahlregler stellte die Drehzahl des Polierkissens auf einen
konstanten Vorschub des Werkzeugs von 6 Meter pro Minute relativ
zum Polierkissen (in Azimutrichtung) ein. Der Schnittabfall wurde
mit einem naß/-trocken-Sauger 3,5
PS Sears Craftsman entfernt.
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Die
Mikrotextur auf der zwischen den Rillen der Makrotextur vorstehenden Oberfläche wurde
nach Vorbehandlung des Polierkissens mit einem Weißlichtinterferometer
ZYGO New View 5000, mit einer 10X-Objektivlinse, 1X-Zoom und 200facher
Vergrößerung gemessen.
Die Scanfläche
der Polierkissenprobe war 250 mm2 groß (500 μm × 500 μm).
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Die
Oberfläche
des Polierkissens aus diesem Beispiel hatte folgende Merkmale:
Arithmetischer
Mittelwert der Oberflächenrautiefe,
Ra, 1,6 μm;
mittlere
Rautiefe Spitze zum Grund, Rtm, 6,3 μm;
Kernrautiefe, Rk, 2,7 μm;
reduzierte
Spitzenhöhe,
Rpk, 0,97 μm;
reduzierte
Grundhöhe,
Rvk, 1,8 μm;
und
Spitzendichte, ausgedrückt
als Flächenquotient
RSA ([Oberfläche/(Fläche-1)]), 0,023.
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Die
Polierbedingungen für
diesen Versuch waren identisch mit denen aus Beispiel 1. Die Materialentfernungsrate
wurde ebenfalls wieder während
des Poliervorgangs abhängig
von der Polierzeit angezeigt. Wie in 6 gezeigt,
lag die Materialentfernungsrate anfangs bei 1430 Angström pro Minute
und erreichte nach einer kumulierten Polierzeit von 20 Minuten einen
konstanten Wert von 2000 Angström
pro Minute. Somit erzielte das erfindungsgemäße Polierkissen eine Verkürzung der
Einlaufzeit um 50%, das heißt
50% Verminderung der Polierzeit bis zum Erreichen einer stabilen
Materialentfernungsrate.
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Beispiel 3 – das erfindungsgemäße Polierkissen
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Ein
Polierkissen nach dem Stand der Technik, das mit dem von Beispiel
1 identisch war, wurde zur Erzeugung einer Mikrotextur auf der Oberfläche weiter
bearbeitet. Für
diesen Versuch wurde eine Drehbank Ikegai Modell AX4ON verwendet.
Die Mikrotextur wurde unter Verwendung einer Scheibe von 10,16 cm
Durchmesser aus rostfreiem Stahl erzeugt, wobei der äußere Rand
der Scheibe von 1 cm Breite mit Diamant in einer Korngröße besetzt
war, die einer Maschenweite von 80/100 entspricht, montiert an einem
getrennt beweglichen Rotations-Spannfutter, das funktional mit einem
Druck luftzylinder verbunden war. Die Anordnung von Drehbank und
Scheibe war mit einem computergesteuerten Drehzahlregler gekoppelt,
der auf ein konstantes Geschwindigkeitsverhältnis von 2,5 zu 1 zwischen
Werkzeug und Polierscheibe eingestellt war. Das Werkzeug wurde mit
einem konstanten Druck von 138 kPa an die Oberfläche des Polierkissens angedrückt und
in einem geradlinigen Durchgang längs des Äquators über die Oberfläche des
Polierkissens geführt.
Der Drehzahlregler stellte die Drehzahl des Polierkissens kontinuierlich
nach und kompensierte damit die zur Mitte des Kissens hin langsamer
werdende Geschwindigkeit und die von der Mitte des Kissens nach
außen
schneller werdende Geschwindigkeit, so das ein konstantes Verhältnis eingehalten
wurde. Als Kühlmittel
wurde ein Raumluftstrom auf die rotierende Scheibe gelenkt. Der
Schnittabfall wurde mit einem naß/-trocken-Sauger 3,5 PS Sears Craftsman entfernt.
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Die
Mikrotextur auf der zwischen den Rillen der Makrotextur vorstehenden
Oberfläche
wurde nach Vorbehandlung des Polierkissens mit einem Weißlichtinterferometer
ZYGO New View 5000, mit einer 10X-Objektivlinse, 1X-Zoom und 200facher
Vergrößerung gemessen.
Die Scanfläche
der Polierkissenprobe war 250 mm2 groß (500 μm × 500 μm).
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Die
Oberfläche
dieses erfindungsgemäßen Polierkissens
hatte die folgenden Merkmale:
Arithmetischer Mittelwert der
Oberflächenrautiefe,
Ra, 1,9 μm;
mittlere
Rautiefe Spitze zum Grund, Rtm, 17,1 μm;
Kernrautiefe, Rk, 4,2 μm;
reduzierte
Spitzenhöhe,
Rpk, 2,9 μm;
reduzierte
Grundhöhe,
Rvk, 3,6 μm;
und
Spitzendichte, ausgedrückt
als Flächenquotient
RSA ([Oberfläche/(Fläche – 1)]), 0,265.
