TWI386468B - 加工無機非金屬工件之方法 - Google Patents

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Description

加工無機非金屬工件之方法
本發明大體係針對加工工件之方法，以及在加工操作期間所利用之流體。
廣泛包括研磨、拋光及磨光操作之加工操作普遍用於各種工業中以便獲得所要表面精加工及使組份成形。加工操作普遍用於布署於多種最終用途中之非金屬無機組份(諸如，玻璃、玻璃陶瓷及陶瓷組份)之情況中。舉例而言，玻璃及玻璃陶瓷組份在商業及居住應用中廣泛用作建築材料。又，玻璃材料廣泛用於電子封裝、光學應用，及太陽能應用中，且在照明及建築應用中用作先進材料，且日益用作平板顯示器。
對需要關於玻璃、玻璃陶瓷及陶瓷之應用提出之各種設計要求已進一步提高對於精確加工操作之需求，精確加工操作之理想特徵在於高的材料移除率及受控或最小之歸因於非所要刮痕、坑洞、擦傷或其他表面缺陷機構導致之表面缺陷。
特定言之，在平坦工件製備之情況下，廣泛使用拋光及磨光操作，其結合使用固定研磨劑，其中研磨劑顆粒被固定於適當位置中。本文中，固定研磨劑通常定義為兩種類型之研磨劑組份(黏結研磨劑或塗覆研磨劑組份)中之一種。塗佈研磨劑通常具有研磨劑顆粒所黏結之可撓性襯底，而黏結研磨劑通常由(諸如)藉由形成晶粒間黏結相之 基質黏結在一起的研磨劑顆粒組成。此等固定研磨劑應與其中研磨劑顆粒通常疏鬆、時常處於流體懸浮液(諸如，水性懸浮液)中的游離研磨劑或研磨劑漿料形成對比。固定研磨劑在加工操作期間提供多種優勢，包括潛在改良之平面度及改良之處理控制。然而，在此項技術中，尤其在玻璃、玻璃陶瓷及陶瓷組份之情況下，仍對利用固定研磨劑組份之改良的加工操作繼續存在需要。
根據本發明之第一態樣，提供一種用於加工工件之方法，其中在固定研磨劑組份與工件之間施加流體，且相對於彼此移動該固定研磨劑組份及該工件以自該工件移除材料。根據一特定特徵，工件主要由玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷組合物組成，且該流體包括抗阻塞劑。該抗阻塞劑係由含磷有機化學物質組成。
根據另一實施例，提供一種加工玻璃工件之方法，其中在固定研磨劑組份與該玻璃工件之間提供流體，且該固定研磨劑組份及該玻璃工件相對於彼此並進運動以自該工件移除材料。抗阻塞劑可由具有膦酸酯官能基之有機化學物質組成。
根據本發明之又一態樣，提供一種加工玻璃工件之方法，其中在固定研磨劑組份與玻璃工件之間提供非研磨劑拋光流體，且相對於彼此移動該固定研磨劑組份及該玻璃工件。該拋光流體通常包含抗阻塞劑及潤滑組份，該抗阻塞劑包含具有膦酸鹽官能基之有機化學物質且該潤滑組份 係選自由非離子官能性化學物質、陰離子官能性化學物質、陽離子官能性化學物質及兩性官能性化學物質組成之群。
根據本發明之一態樣，提供一種加工工件之方法，該方法以在固定研磨劑組份與工件之間施加流體開始。一般而言，固定研磨劑組份如上文所述而定義，亦即，一種其中研磨劑顆粒固定於適當位置中，通常固定於相對於彼此之位置中(黏結研磨劑)，或固定於相對於彼此及襯墊構件之位置中(塗佈研磨劑)的組份。固定研磨劑之實際組態可視應用而廣泛變化。舉例而言，塗佈研磨劑可利用紙、布、縫編布、非編織及編織材料、纖維或薄膜襯底，且塗佈研磨劑可採用若干不同幾何形式，包括帶、圓盤、薄片、線間套管、卷筒、磨盤、磨輪及其他幾何組態。另一方面，黏結研磨劑通常呈固體、一體式結構之形式，諸如呈研磨輪、圓柱輪、杯形輪、碟形輪、區段、圓錐體、安裝輪，及點、塊及棒之形式。黏結研磨劑組份之黏結基質可呈玻璃相(諸如，玻璃化黏結)之形式，或者可呈樹脂黏結之形式，或其組合。
此外，在塗佈研磨劑之特定情況下，固定研磨劑可呈工程化研磨劑之形式，其通常具有凸起表面特徵之圖案，諸如呈錐體、隆起、脊，或其他表面特徵之形式。
轉至工件，一般而言，本發明之態樣限於非金屬無機材料，諸如玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷組合物。前述具有明顯玻 璃相之彼等組合物(諸如，玻璃及玻璃陶瓷複合物)係根據本發明之某些實施例加工，且實際上，工件時常可基本上由玻璃組成，亦即，不含有實質上影響其可加工性之其他非非晶系物質。關於玻璃工件，玻璃可為具有二氧化矽微結構骨架之二氧化矽基玻璃。二氧化矽基玻璃之特定種類包括含有顯著含量之B2 O3 ，及視需要之其他氧化物(諸如Na2 O/K2 O及Al2 O3 )的硼矽酸玻璃。其他種類包括鹼石灰玻璃，其含有顯著含量之Na2 O、CaO、MgO及Al2 O3 。
工件之實際幾何組態可變化，諸如呈凸輪廓或凹輪廓之形式，包括管道、光纖及其他組態。通常，工件之至少一個主表面為平坦的，且彼表面可經受如本文所描述之加工操作。工件可呈微影組份之形式，諸如，鹼石灰玻璃或I－line玻璃、融合二氧化矽，及氟化鈣、晶圓空白基板、雷射窗，及其他形式。工件亦可呈(諸如)在商業及居住建築工業中利用之平坦玻璃之形式，且可廣泛包括玻璃陶瓷組合物。其他普通工件包括用於光學設備之玻璃組份，例如，自干涉濾光片變化至平行平面工件及器具玻璃。
固定研磨劑顆粒之組成可在適當材料中變化，包括氧化鋁、鋯、氧化鈰、氧化矽、碳化矽、碳化硼、石榴石、立方氮化硼、金剛石及所用任何其他普通研磨劑。本發明之實施例使用尤其具有侵蝕性之研磨劑，且在此等上下文中證明如同金剛石研磨劑、碳化物研磨劑(諸如，碳化硼(包括立方碳化硼)及碳化矽)以及石榴石之高功效水準。
此外，固定研磨劑顆粒之中值粒徑可為精細的，諸如在 約0.01微米至約1.5微米之範圍內，通常在稍微更窄的範圍內，諸如在約0.1至1.0微米之範圍內，諸如，0.10至0.50微米。在1微米以下之中值粒徑之規格通常表示精細表面精加工係藉由以低材料移除速率執行加工操作來提供之磨光方法。然而，根據其他實施例，固定研磨劑之中值粒徑可更大，超過1微米，諸如大約2至50微米，或2至10微米。在此情況下，通常將加工操作表徵為拋光操作。
根據各種實施例，加工工件之方法繼續在固定研磨劑組份與工件之間施加流體，隨後將固定研磨劑組份與工件相對於彼此並進運動以自工件移除材料。在此態樣中，可保持固定研磨劑固定且並進運動工件，可保持工件固定且並進運動固定研磨劑組份，或者可並進運動固定研磨劑組份與工件。可沿不同路徑執行並進運動，諸如線性並進運動，如在固定工件上並進運動封閉環形塗佈研磨劑帶的情況下，可旋轉並進運動，如在旋轉研磨圓盤或輪的情況下，或可為旋轉及軌道並進運動之組合，如在旋轉固定研磨劑組份的情況下，其中工件或固定研磨劑組份圍繞中心軸環行。
根據一特定特徵，流體含有抗阻塞劑，抗阻塞劑通常包含含磷有機化學物質。含磷有機化學物質可具有選自由以下各物組成之群的官能基：膦酸鹽、磷酸鹽、磷醯胺、膦醯胺、硫代磷酸鹽、硫代膦酸鹽及亞磷酸鹽。根據一特定實施例，該官能基為膦酸鹽。舉例而言，膦酸鹽可選自由以下各物組成之群：甘胺酸-N,N-二(伸甲基膦酸 鹽)(GDMP)、胺基三(伸甲基膦酸鹽)(ATMP)、N-2羥基乙基-N,N-二(伸甲基膦酸)(HEMPA)、乙二胺四(伸甲基膦酸)(EDTMPA)、己二胺四、二伸乙基三胺五、膦酸基甲酸鹽、羥基膦酸基乙酸(HPA)、2-膦酸基丁烷-1,2,4-三甲酸(PBTC)、1-羥基亞乙基-1,1'-二膦酸(HEDP)及其鹽。根據本文所描述之特定操作實施例，抗阻塞劑至少包括HEDP。
根據另一特徵，流體亦可包括潤滑組份，該組份係選自由以下各物組成之群：1)非離子官能性化學物質，包括醇、硫醇、酯、醯胺、胺、胺氧化物或醯亞胺及其衍生物；2)陰離子官能性化學物質，包括磷酸鹽、膦酸鹽、硫酸鹽、磺酸鹽或羧酸鹽及其衍生物；3)陽離子官能性化學物質，諸如，四級胺或胺鹽及其衍生物；及4)兩性官能性化學物質，包括丙酸鹽、甜菜鹼、甘氨酸鹽或磺基甜菜鹼及其衍生物。
通常，潤滑組份係選自非離子及陰離子官能性化學物質，且在非離子官能性化學物質之情況下，可選自由以下各物組成之群：醇、硫醇、酯、醯亞胺、醯胺、醯亞胺及其衍生物。
流體較佳利用水作為載劑溶劑，但可使用其他適當溶劑(諸如，二醇、醇及碳酸酯)。溶劑使用之主要考慮因素為溶劑溶解抗阻塞劑及潤滑組份之能力。溶劑亦經由溶合作用來幫助抗阻塞劑且自固定研磨劑組份運載碎片。抗阻塞劑之特定濃度在0.001% w/w與10% w/w之間，諸如0.1% w/w與1.0% w/w之間(w/w=抗阻塞劑之重量/流體之重量)。 類似地，通常以在0.01% w/w與49% w/w之間的濃度使用潤滑組份。將溶劑濃度視為補足濃度至100% w/w。在一些實施例中，認為溶劑與潤滑組份相同，如使用乙二醇補足濃度至100% w/w之情況下。可用pH值(氫離子濃度之負對數)處於1.0至14.0之範圍內，且對於某些流體，特定pH值範圍在7.0與13.0之間。在流體之pH值超過溶解於水中之抗阻塞劑之pH值的情況下，可使用鹼來獲得所要pH值。為達成本發明之目的，所考慮之鹼為路易斯鹼(Lewis base)，或能夠提供電子密度之任何化學物質。適當鹼之實例包括氫氧化鈉、氨或乙醇胺，但許多其他鹼可接受。較佳鹼為氫氧化鉀。
實例
組合物A 0.175%之1－羥基亞乙基－1,1'－二膦酸(HEDP) 0.125%之氫氧化鉀(KOH) 99.700%之水 pH＝7.0
組合物B 0.175%之1－羥基亞乙基－1,1'－二膦酸(HEDP) 0.185%之氫氧化鉀(KOH) 0.100%之Ucon 50－HB－660 99.540%之水 pH＝11.0
組合物C 0.175%之1－羥基亞乙基－1,1'－二膦酸(HEDP) 0.185%之氫氧化鉀(KOH) 0.200%之Tomah AO－405 99.440%之水 pH＝11.0
組合物D 0.175%之1－羥基亞乙基－1,1'－二膦酸(HEDP) 0.125%之氫氧化鉀(KOH) 0.220%之Acusol 445 99.480%之水 pH＝7.0
測試裝置為配備有固定研磨劑襯墊之生產規模雙面拋光機(Speedfam 16B)。僅用水及冷卻劑作為載劑流體來進行比較性拋光測試，而對應於如上文所描述之本發明實施例的實例併有含磷有機化學物質，特定言之結合上文所述之實例的HEDP。加工係針對各種類型之光學玻璃且目的為在磨光步驟之前快速移除堆疊。
在比較性拋光測試中，在一個或兩個生產循環之後，研磨劑襯墊會載有來自研磨之碎片且會發生兩件事情：1)平面度會惡化；2)由於研磨劑曝露過少而使材料移除顯著減少。相反地，HEDP添加劑改良並保持材料移除效能持續高達一週的研磨。此外，發現HEDP添加在省去潤滑劑僅用水的情況下有效。
根據本文之實施例，申請人已發現在如上文所描述之工 件之特定固定研磨劑加工應用的情況下，利用併有抗阻塞劑之加工流體對加工效能有顯著影響。在加工工業內通常已知在加工操作之情況下利用固定研磨劑，視需要利用流體添加劑來幫助(例如)材料移除及切屑移除。此外，通常應瞭解，在某些加工操作中，需要利用與正經受加工之工件具有化學相互作用之化學物質，以幫助材料移除及視需要幫助工件之平坦化，如在利用疏鬆研磨劑之CMP操作的情況下。相反地，根據本發明之實施例，已發現在固定研磨劑加工操作中，利用如上文所描述之特定抗阻塞劑對防止固定研磨劑的阻塞有顯著影響。
在加工硼矽酸玻璃之特定情況下，已在研磨操作中利用固定金剛石襯墊，諸如，3M Trizact襯墊。然而，在加工期間，此等襯墊時常會載有或阻塞有自工件(基板)移除之材料，有時在僅兩至三個循環內。此阻塞具有顯著負面影響，諸如負面影響工件之平面度。為解決阻塞及負載問題，可用陶瓷組份來修整襯墊(諸如，氧化鋁修整襯墊)以移除阻塞之材料。然而，此等修整襯墊根據其在修整應用之情況下基本上為可消耗品之事實而通常快速磨損且購買成本高。申請人已甚至在組合現有技術潤滑流體(諸如上文所描述之彼等流體，包括(例如)Saberlube 9016)使用時仍注意到此等襯墊之實質阻塞。
已發現在加工操作硼矽酸玻璃之情況下，併入抗阻塞劑大為改良在修整操作之間的加工之持續時間。實際上，發現可操作加工一整週而無需修整，此情形表示在每天相同 數目之循環的情況下，優於現有技術90%的改良。
雖然諸如膦酸鹽官能性化學物質之官能性化學物質已在利用自由研磨劑漿料來幫助材料移除的加工操作的情況下使用，但本發明之態樣在固定研磨劑加工之情況下利用抗阻塞現象。與固定研磨劑加工之此組合顯著改良無機非金屬(諸如玻璃、玻璃陶瓷及陶瓷)工件之可加工性。
雖然已將本發明之實施例說明及描述為基於膦酸鹽之抗阻塞劑及併入其中之組合物，但本發明不希望限於所示細節，此係因為可在不以任何方式悖離本發明之範疇的情況下進行各種修改及取代。舉例而言，可提供額外或等效的取代且可使用額外或等效的生產步驟。因而，對於熟習此項技術者而言可使用不超過常規實驗出現本文所揭示之本發明的進一步修改及等效物，且咸信所有此等修改及等效物在由以下申請專利範圍所界定之本發明的範疇內。

Claims (26)

  1. 一種加工工件之方法，其包含：在固定研磨劑組份與主要由玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷組合物組成之工件之間施加流體，該流體基本上由抗阻塞劑、潤滑組份、鹼及載劑溶劑所組成，其中該抗阻塞劑包含含磷有機化學物質；及使該固定研磨劑組份與該工件相對於彼此並進運動以自該工件移除材料。
  2. 如請求項1之方法，其中該含磷有機化學物質具有選自由膦酸鹽、磷酸鹽、磷醯胺、膦醯胺、硫代磷酸鹽、硫代膦酸鹽及亞磷酸鹽組成之群的官能基。
  3. 如請求項2之方法，其中該官能基包含膦酸鹽。
  4. 如請求項3之方法，其中該膦酸鹽係選自由以下各物組成之群：甘胺酸-N,N-二(伸甲基膦酸鹽)(GDMP)、胺基三(伸甲基膦酸鹽)(ATMP)、N-2羥基乙基-N,N-二(伸甲基膦酸)(HEMPA)、乙二胺四(伸甲基膦酸)(EDTMPA)、己二胺四、二伸乙基三胺五、膦酸基甲酸鹽、羥基膦酸基乙酸(HPA)、2-膦酸基丁烷-1,2,4-三甲酸(PBTC)、1-羥基亞乙基-1,1'-二膦酸(HEDP)及其鹽。
  5. 如請求項4之方法，其中該膦酸鹽包含1-羥基亞乙基-1,1'-二膦酸(HEDP)及其鹽。
  6. 如請求項1之方法，其中該方法包含拋光(lapping)且該固定研磨劑包含具有在約1.5微米至50微米範圍內之中值粒徑之研磨劑顆粒。
  7. 如請求項1之方法，其中該方法包含磨光(polishing)且該固定研磨劑包含具有在約0.01微米至1.5微米範圍內之中值粒徑之研磨劑顆粒。
  8. 如請求項1之方法，其中該流體包含潤滑組份，該潤滑組份係選自由以下各物組成之群：1)非離子官能性化學物質；2)陰離子官能性化學物質；3)陽離子官能性化學物質；及4)兩性官能性化學物質。
  9. 如請求項8之方法，其中該潤滑組份係選自由該等1)非離子官能性化學物質及2)陰離子官能性化學物質組成之群。
  10. 如請求項9之方法，其中該潤滑組份包含非離子官能性化學物質，該非離子官能性化學物質係選自由醇、硫醇、酯、醯胺、胺、胺氧化物或醯亞胺及其衍生物組成之群。
  11. 如請求項1之方法，其中該固定研磨劑組份包含塗佈研磨劑或黏結研磨劑。
  12. 如請求項11之方法，其中該固定研磨劑包含黏結研磨劑，該黏結研磨劑包含經由黏結劑系統黏結在一起之研磨劑顆粒。
  13. 如請求項11之方法，其中該固定研磨劑包含選自由以下各物組成之群的固定研磨劑顆粒：金剛石、碳化硼、立方氮化硼、碳化矽、氮化矽、氧化矽、氧化鋁、氮化鋁、氧化鋯、氧化鈰、氧化鉻、氧化鐵，及其複合物。
  14. 如請求項1之方法，其中該工件基本上由玻璃組成。
  15. 如請求項14之方法，其中該工件基本上由二氧化矽基玻璃組成。
  16. 如請求項1之方法，其中該並進運動包含使該工件保持於一固定位置且相對於該工件並進運動該固定研磨劑。
  17. 如請求項16之方法，其中相對於該工件旋轉該固定研磨劑。
  18. 如請求項1之方法，其中該並進運動包含使該固定研磨劑保持於一固定位置且並進運動該工件。
  19. 如請求項1之方法，其中該抗阻塞劑包含1-羥基亞乙基-1,1'-二膦酸(HEDP)及其鹽。
  20. 如請求項8之方法，其中該非離子官能性化學物質包括醇、硫醇、酯、醯胺、胺、胺氧化物或醯亞胺及其衍生物。
  21. 如請求項8之方法，其中該陰離子官能性化學物質包括磷酸鹽、膦酸鹽、硫酸鹽、磺酸鹽或羧酸鹽及其衍生物。
  22. 如請求項8之方法，其中該陽離子官能性化學物質包括四級胺或胺鹽及其衍生物。
  23. 如請求項8之方法，其中該兩性官能性化學物質包括丙酸鹽、甜菜鹼、甘胺酸鹽或磺基甜菜鹼及其衍生物。
  24. 一種加工玻璃工件之方法，其包含：在固定研磨劑組份與該玻璃工件之間施加流體，該流體基本上由抗阻塞劑、潤滑組份、鹼及載劑溶劑所組成，其中該抗阻塞劑包含具有膦酸鹽官能基之有機化學 物質；及使該固定研磨劑組份與該玻璃工件相對於彼此並進運動以自該工件移除材料。
  25. 如請求項24之方法，其中該玻璃工件基本上由二氧化矽基玻璃組成。
  26. 一種加工玻璃工件之方法，其包含：在固定研磨劑組份與該玻璃工件之間施加非研磨劑拋光流體，該拋光流體基本上由抗阻塞劑、鹼、載劑溶劑及潤滑組份所組成，該抗阻塞劑包含具有膦酸鹽官能基之有機化學物質且該潤滑組份係選自由以下各物組成之群：1)非離子官能性化學物質；2)陰離子官能性化學物質；3)陽離子官能性化學物質；及4)兩性官能性化學物質；及使該固定研磨劑組份與該玻璃工件相對於彼此並進運動以自該工件移除材料。
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