TWI636854B - 研磨工具及其製造方法 - Google Patents

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TWI636854B TW106119428A TW106119428A TWI636854B TW I636854 B TWI636854 B TW I636854B TW 106119428 A TW106119428 A TW 106119428A TW 106119428 A TW106119428 A TW 106119428A TW I636854 B TWI636854 B TW I636854B
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Abstract

提供研磨工具及其製造方法，研磨工具包括一基板及複數個研磨顆粒。基板具有第一表面及第二表面，基板中形成有複數個通孔，各該複數個通孔貫穿該基板並在該第一表面及該第二表面分別形成第一開口及第二開口，該第二開口比該第一開口大。研磨顆粒分別設置於通孔中並藉由一黏膠體與與基板相固接，研磨顆粒的尖端分別突出於基板的第一表面，研磨顆粒其餘部分被黏膠體完全包覆於基板的通孔中。各第一開口的尺寸小於研磨顆粒，使研磨顆粒能夠受支撑於基板的通孔中。

Description

研磨工具及其製造方法
本發明是有關於一種研磨工具，且特別是有關於一種在基板中形成有複數個通孔用以設置研磨顆粒的研磨工具及其製造方法。
研磨工具已被廣泛使用於材料的切削、研磨、拋光和磨光等多種應用領域當中。在如石材加工業或精密磨削工業中，透過堅硬的研磨顆粒優異的耐磨性能使切割、磨削等加工程序之效率提升，並使這類加工行業的成本降低。
化學機械研磨（Chemical Mechanical Polishing，CMP）係為各種產業中最常見的研磨製程。利用CMP製程可研磨各種物品的表面，包括陶瓷、矽、玻璃、石英、或金屬的晶片等。此外，隨著積體電路發展迅速，因CMP可達到大面積平坦之目的，故為半導體製程中常見的晶圓平坦化技術之一。
在半導體的CMP製程中，係利用研磨墊（Pad）對晶圓或是其他半導體元件接觸，並視需要搭配研磨液（Slurry）使用，使研磨墊透過化學反應與物理機械力以移除晶圓表面之雜質或不平坦結構。當研磨墊使用一段時間後，由於研磨過程中所產生之研磨屑積滯於研磨墊之表面，造成研磨效果及效率降低。因此，可利用研磨工具（如：修整器）對研磨墊表面磨修，使研磨墊之表面再度粗糙化，並維持在最佳的研磨狀態。
為了提高研磨工具的切削率（cutting rate），通常係藉由提高研磨顆粒之排列密度或對研磨顆粒經加工處理增加其銳利度來達到目的。若是提高研磨顆粒之排列密度，隨著所使用的研磨顆粒數量增加，則會相對地造成研磨工具之製造成本提高。
如圖1所示，在先前的修整器1製法當中，將研磨顆粒11放置在外模14中，並搭配網版13控制研磨顆粒11的排列和高度，再灌入黏著劑或樹脂12，使研磨顆粒11固定在黏著劑或樹脂12上。之後，施以複雜的加壓和抽真空製程來改善黏著劑或樹脂12中產生氣泡的問題，等黏著劑或樹脂12固化後，再將修整器1倒置移出，成為圖2所示狀態。不過這種只用黏著劑或樹脂12固定研磨顆粒11的固定方式並不穩當，在修整器1使用過程中，黏著劑或樹脂12受研磨液酸性腐蝕等因素，常會造成研磨顆粒11掉落，而對研磨墊之表面產生劇烈的損傷。
因此，如何加強研磨顆粒的固定穩定度，減少研磨顆粒掉落的風險，並且在製作過程中無須實施複雜的加壓和抽真空製程，減少氣泡的數量與大小，並可精準控制研磨顆粒的排列和高度，實屬當前重要研發課題之一。
本發明內容之一目的是在提供一種研磨工具及其製成方法，使用包括有複數個通孔的基板，控制通孔在基板表面的開口的尺寸小於研磨顆粒，使研磨顆粒能夠受支撑於通孔中而不致掉落。
本發明內容之另一目的是在提供一種研磨工具及其製造方法，其在基板的兩個相對表面設有不同大小的第一開口及第二開口，經由較寬的第二開口置入研磨顆粒後灌入黏膠體，使黏膠體往比較窄的第一開口逐步實質填滿通孔中的間隙，減少其中產生氣泡的機會。
本發明內容之又一目的是在提供一種研磨工具及其製造方法，配合將載有研磨顆粒的基板與一固定模具接觸，使每個研磨顆粒的尖端突出於基板並分別抵止於固定模具中所對應的定位凹槽中，藉著定位凹槽的深度精確調整研磨顆粒的尖端突出於基板的高度。
本發明內容之一技術態樣是在提供一種研磨工具，包括一基板及複數個研磨顆粒。基板具有第一表面及第二表面，且基板中形成有複數個通孔，各該通孔貫穿基板並在第一表面及第二表面分別形成第一開口及第二開口，第二開口比第一開口大。研磨顆粒分別設置於通孔中並藉由一黏膠體與基板相固接，研磨顆粒的尖端分別突出於基板的第一表面，研磨顆粒其餘部分則被此些黏膠體完全包覆於基板的通孔中，且各通孔的第一開口的尺寸小於研磨顆粒，使研磨顆粒能夠受支撑於通孔中。
本發明內容之另一技術態樣是在提供一種研磨工具之製造方法，包括：提供一包括複數個通孔的基板，基板的兩個相對側分別具有一第一表面和一第二表面，通孔貫穿基板並在第一表面、第二表面分別形成第一開口及第二開口，第二開口比該第一開口大；將複數個研磨顆粒自基板的第二表面分別置入基板的通孔中，使研磨顆粒分別通過通孔的各第一開口突出於基板的第一表面，其中，各通孔的第一開口的尺寸小於研磨顆粒，使研磨顆粒能夠受支撑於通孔中；提供一個具有複數個定位凹槽的固定模具；將基板的第一表面與固定模具相接觸，使各研磨顆粒的尖端分別突出於基板並分別抵止於固定模具的定位凹槽中；及自各第二開口將一黏膠體分別注入通孔，使研磨顆粒在通孔中的部分被此些黏膠體完全包覆，從而固定研磨顆粒於通孔中。
藉由上述技術方案，可達到相當的技術進步，並具有産業上的廣泛利用價值，其優點係能提供研磨顆粒與基板之間固定穩定度高、研磨工具剛性強、化性穩定、無須實施複雜製程即可使黏膠體內部較少氣泡、研磨顆粒在研磨工具使用過程中不易脫落及/或精確調整研磨顆粒的尖端突出於基板的高度的效果。
圖3繪示本發明一實施例所提供的研磨工具2之俯視圖，圖4則繪示研磨工具2之剖視圖。參閱圖3和圖4，研磨工具2包含一基板21及複數個固定於基板21的研磨顆粒22。基板21為一體形成的硬質單一體。基板21之材料為剛性強、化學活性穩定的材料，例如為不銹鋼基板、陶瓷基板等，在此以不鏽鋼基板為例，如此可減緩基板21在研磨工具2使用過程中受研磨液酸鹼性、化學活性等因素的不利影響。基板21之尺寸並無限制，在此示例為4英吋，其厚度可為2~3mm。基板21的相對兩側分別具有兩個表面211、212，其中，表面211為研磨工具2之工作表面，表面212為研磨工具2之底面，而研磨顆粒22可分佈並部分突出於基板21的表面211。
研磨顆粒22例如為鑽石、立方氮化硼、氧化鋁、碳化矽等高硬度性質之材質。研磨顆粒22之外型無須限制，較佳為六八面體，且研磨顆粒22之粒徑值為依研磨工具2之功能可選的較適尺寸，例如平均為20至30英制篩目（US mesh），亦即用以篩選研磨顆粒22之篩網上每平方英吋中具有20至30個篩目，研磨顆粒22的一平均最大寬度可介在800~1000µm之間。研磨顆粒22的數量較佳為60~300顆，然不限於此。
參閱圖4，基板21中還設有複數個通孔213。研磨顆粒22分別設置於通孔213中，並分別經由一黏膠體216固定於基板21，使研磨顆粒22的尖端221突出於基板21的表面211，研磨顆粒22的其餘部分則被黏膠體216完全包覆於基板21之通孔213中。換言者，研磨顆粒22會突出於基板21的表面211，但不會突出於基板21的表面212。
各通孔213貫穿基板21，並在表面212、211分別形成兩個開口212A、211A。開口212A、211A例如為圓形狀，且開口212A比開口211A大。況且，開口211A的尺寸小於研磨顆粒22。例如，開口211A的內徑可小於研磨顆粒22的尺寸，如研磨顆粒22的平均尺寸、平均最大寬度等。依據一些實施例，開口212A可介於1~2mm之間，例如以1mm為例，開口211A則可介於0.4~0.75mm之間，例如以750µm為例。依據一實施例，開口211A與開口212A之尺寸比例可介於0.2~0.75，例如介於0.4~0.375之間。藉由這樣尺寸的巧妙設計，可以利用較小的開口211A卡合置於其內的研磨顆粒22，使研磨顆粒22能夠受支撑於通孔213中，從而降低研磨工具2使用過程中面臨研磨顆粒22脫落的風險。研磨顆粒22設置於通孔213後即可通過開口211A突出於基板21的表面211。
在本實施例中，各通孔213可包括兩個彼此相連通且具有不同大小的通孔部215、214。通孔部215例如具有圓筒形狀，而另一通孔部214例如具有截錐形狀。通孔部215在表面212形成開口212A，且通孔部215之側壁與表面212之間呈現一內部角度，此內部角度可為直角。通孔部214在表面211形成開口211A，且通孔部214之側壁與表面211之間呈現另一內部角度，此內部角度可為銳角，舉例來說，此內部角度可介於70~89度之間。通孔部215的內徑較通孔部214來得寬，如此從通孔部215往通孔部214注入此些黏膠體216時，較易實質填滿通孔213中的間隙，可減少氣泡產生的機會。較佳地，各研磨顆粒22被包覆於基板21的通孔213中的部分與黏膠體216相接觸，提升研磨顆粒22與基板21間的固接可靠度。黏膠體216例如為環氧樹脂、酚醛樹脂、聚酯樹脂、聚醯胺樹脂、聚亞醯胺樹脂、聚碳酸樹脂或其混合。
圖5為顯示本發明另一實施例所提供之研磨工具3之剖視圖。研磨工具3包括一基板21、複數個固定於基板21的研磨顆粒22及一底座基板31。底座基板31可有助於增加研磨工具3的剛性。基板21及研磨顆粒22可如同前述之實施例，然本實施例並不限於此。基板21的相對兩側分別具有兩個表面211、212，且基板21中設有複數個通孔213。研磨顆粒22分別設置通孔213中，且經由黏膠體216與基板21相固接，使研磨顆粒22的尖端221突出於基板21的表面211，研磨顆粒22的其餘部分則被黏膠體216完全包覆於基板21的通孔213中。底座基板31之一面形成有一凹槽311，基板21可容置於凹槽311中並與底座基板31相固接。值得一題，底座基板31中可形成複數個凹槽311，而複數個基板21可分別容置於底座基板31的凹槽311中。
圖6為顯示本發明另一實施例所提供之研磨工具4的剖視圖。研磨工具4包括一基板41及複數個固定於基板41的研磨顆粒22。
基板41可為一體形成的單一體。基板41為剛性強、化學活性穩定的材料，例如不銹鋼基板、陶瓷基板等，在此以不鏽鋼基板為例，如此可減緩基板41在研磨工具2使用過程中受研磨液酸鹼性、化學活性等因素的不利影響。基板41之尺寸並無限制，在此示例為4英吋。相較於圖4的基板21，基板41更厚實，以增加研磨工具4的剛性。舉例來說，基板41的厚度可為5~6.35mm。基板41的兩個相對側分別具有兩個表面411、412，且基板41中設有複數個通孔413。研磨顆粒22分別設置於通孔413中，且經由黏膠體416與基板41相固接，使研磨顆粒22的尖端421突出於基板41的表面411，研磨顆粒22的其餘部分則被黏膠體416完全包覆於基板41的通孔413中。換言者，研磨顆粒22會突出於基板41的表面411，但不會突出於基板41的表面412。
各通孔413皆貫穿基板41，並在兩個表面412、411分別形成兩個開口412A、411A。開口412A、411A例如為圓形狀，且開口412A比開口411A大。況且，開口411A的尺寸小於研磨顆粒22。例如，開口411A的內徑可小於研磨顆粒22的尺寸，如研磨顆粒22的平均尺寸、平均最大寬度等。依據一些實施例，開口412A可介於1~2mm之間，例如以2mm為例，開口411A則可介於0.4~0.75mm之間，例如以750µm為例。藉由這樣尺寸的設計，可以利用較小的開口411A卡合置於其內的研磨顆粒22，使研磨顆粒22能夠受支撑於通孔413中，從而降低研磨工具4使用過程中面臨研磨顆粒22脫落的風險。研磨顆粒22設置於通孔413後即可通過開口411A突出於基板41的表面411。
在本實施例中，通孔413包括三個彼此相連通的通孔部415、417、414，通孔部417介於兩個通孔部415、414之間，且通孔部417與兩個通孔部415、414相連通。通孔部415在表面412形成開口412A，通孔部414在表面411形成另一開口411A。通孔部415例如為圓筒形狀，其側壁與表面412之間呈現一內部角度，此內部角度為直角。通孔部417也可以為圓筒形狀，其內徑維持等徑寬，在此徑寬以1mm為例。通孔部414可為截錐形狀，其側壁與表面411之間呈現另一內部角度，此內部角度可為銳角，舉例來說，此內部角度可限於70~89度之間。通孔部415的內徑較通孔部417來得寬，且通孔部417又較通孔部414來得寬，如此從通孔部415往通孔部417、414注入黏膠體416時，較易填滿通孔413中的間隙，可減少氣泡產生的機會。較佳地，各研磨顆粒22被包覆於基板41中的通孔413的部分皆與黏膠體416接觸，提升磨顆粒22與基板41間的固接可靠度。
圖7繪示本發明一實施例製成研磨工具之方法的流程圖，圖8-11繪示依據本發明一實施例製造研磨工具過程中的不同階段之示意圖。參閱圖7及圖8，在步驟S110，首先提供一個包括通孔213的基板21，且各通孔213分別通過開口212A、211A貫穿表面212、211，開口212A比開口211A大。依據本發明一實施例，可先在一無通孔的基板中形成通孔213，如：利用工具機對於基板21進行鑽孔，以形成基板21中的通孔213和開口212A、211A。舉例而言，可在基板22中先形成較大的通孔部215，再形成與通孔部215相連通的通孔部214，通孔部215在表面212形成開口212A，通孔部214則在表面211形成開口211A。在其他實施例中，具有通孔213的基板21亦可以其他方式製作，如一例為：以粉末冶金的方式直接形成包括通孔213的基板21。舉例來說，以壓製和燒結等製程將金屬粉末形成基板21。請注意本發明並不限於此，亦可以其他工藝製作基板或形成其中的通孔。
值得一提，若以圖6所示的研磨工具4為例，步驟S110可在基板41中先形成通孔部415，接著形成與通孔部415彼此相連通的通孔部417，再形成與通孔部415、417連通的通孔部414，其中，通孔部415在表面412形成開口412A，而通孔部414在表面411形成開口411A。
接著，請一併參閱圖7與圖9，執行步驟S120，將複數個研磨顆粒22自基板21的表面212上的開口212A分別置入基板21的通孔213中，而因開口211A的尺寸小於研磨顆粒22，使研磨顆粒22可受支撐於通孔213的通孔部214中。
接著，請一併參閱圖7與圖10，在步驟S130中，將載有研磨顆粒22的基板21的表面211與固定模具5相接觸，使研磨顆粒22的尖端221通過開口211A突出於基板21並分別抵止於固定模具5中的複數個定位凹槽51中，且研磨顆粒22其餘部分係完全被包覆於基板21中。藉由定位凹槽51的深度可精確調整研磨顆粒22的尖端221突出於基板21的高度，舉例來說，前述深度可介在0.01~0.3mm之間，使研磨顆粒22均以實質相同的高度（如：100微米）突出於基板21之表面211，使研磨工具2可對於受研磨體進行均勻地研磨，如：研磨工具2可作為一修整器。
接著，請一併參閱圖7與圖11，在步驟S140中，利用出膠管6將黏膠體216由開口212A注入通孔213，使研磨顆粒22分別固定於基板21的通孔213中。較佳地，可控制黏膠體216自開口212A注入通孔213的量，使黏膠體216實質填滿通孔213的間隙，並包覆研磨顆粒22未露出基板21的部分。黏膠體216可為環氧樹脂、酚醛樹脂、聚酯樹脂、聚醯胺樹脂、聚亞醯胺樹脂、聚碳酸樹脂或其混合。
值得一提，若以圖5所示的研磨工具3為例，請一併參考圖5，可在步驟S140之後增加一步驟，將基板21與底座基板31相固接，底座基板31其中一面形成一凹槽311容置基板21。
綜上所述，本發明能提供研磨顆粒與基板之間固定穩定度高、研磨工具剛性強、化性穩定、無須實施複雜製程即可使黏膠體內部較少氣泡、研磨顆粒在研磨工具使用過程中不易脫落及/或精確調整研磨顆粒的尖端突出於基板的高度的效果。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1、2、3、4‧‧‧研磨工具
5‧‧‧固定模具
51‧‧‧定位凹槽
6‧‧‧出膠管
21、41‧‧‧基板
211、411‧‧‧表面
211A、212A、411A、412A‧‧‧開口
212、412‧‧‧表面
213、413‧‧‧通孔
214、215、414、415、417‧‧‧通孔部
216、416‧‧‧黏膠體
22‧‧‧研磨顆粒
221‧‧‧尖端
31‧‧‧底座基板
311‧‧‧凹槽
S110、S120、S130、S140‧‧‧步驟
圖1繪示先前的修整器製造過程中的狀態示意圖。
圖2繪示先前的修整器之剖面結構的示意圖。
圖3繪示依據本發明一實施例所提供之研磨工具的俯視圖。
圖4繪示依據本發明一實施例所提供之研磨工具之剖視圖。
圖5繪示依據本發明另一實施例所提供之研磨工具之剖視圖。
圖6繪示依據本發明又一實施例所提供之研磨工具之剖視圖。
圖7繪示依據本發明一實施例製成研磨工具之方法的流程圖。
圖8至圖11分別繪示依據本發明一實施例製成研磨工具過程中的不同階段的示意圖。

Claims (18)

  1. 一種研磨工具，包括：一基板，具有第一表面及第二表面，且該基板中形成有複數個通孔，各該複數個通孔貫穿該基板並在該第一表面及該第二表面分別形成第一開口及第二開口，該第二開口比該第一開口大；及複數個研磨顆粒，分別設置於該複數個通孔中並藉由一黏膠體與該基板相固接，該複數個研磨顆粒的尖端分別突出於該基板的該第一表面，該複數個研磨顆粒其餘部分則被該些黏膠體完全包覆於該基板的該複數個通孔中，使該複數個研磨顆粒不突出於該基板的該第二表面；其中，各該複數個通孔的該第一開口的尺寸小於各該複數個研磨顆粒，使該複數個研磨顆粒能夠受支撐於該複數個通孔中，各該複數個通孔包括至少兩個彼此相連通的第一通孔部及第二通孔部，該第一通孔部在該第一表面形成該第一開口，該第二通孔部在該第二表面形成該第二開口，各該複數個通孔在該第一通孔部及該第二通孔部之間還包括第三通孔部，且該第三通孔部分別與該第一通孔部及該第二通孔部相連通。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之研磨工具，其中，該第一通孔部之側壁與該第一表面之間呈現一內部角度，該內部角度為銳角。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之研磨工具，其中，該內部角度介於70~89度之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之研磨工具，其中，該第二通孔部之側壁與該第二表面之間呈現一內部角度，該內部角度為直角。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之研磨工具，其中，該第一開口介於0.4~0.75mm之間，該第二開口介於1~2mm之間。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之研磨工具，其中，該基板為一體形成的硬質單一體。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之研磨工具，其中，該基板為金屬基板或陶瓷基板。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之研磨工具，其中，該複數個研磨顆粒為鑽石、立方氮化硼、氧化鋁、碳化矽等高硬度性質之材質。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之研磨工具，其中，該複數個研磨顆粒為六八面體，該複數個研磨顆粒的平均最大寬度介於800~1000μm之間。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之研磨工具，更包括一底座基板，該底座基板之一面形成一凹槽，該基板容置於該凹槽並與該底座基板相固接。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之研磨工具，其中，該些黏膠體可為環氧樹脂、酚醛樹脂、聚酯樹脂、聚醯胺樹脂、聚亞醯胺樹脂、聚碳酸樹脂或其混合。
  12. 一種研磨工具之製造方法，包括：提供一包括複數個通孔的基板，該基板的兩個相對側分別具有一第一表面和一第二表面，該複數個通孔貫穿該基板並在該第一表面、該第二表面分別形成第一開口及第二開口，該第二開口比該第一開口大；將複數個研磨顆粒自該基板的該第二表面分別置入該基板的該複數個通孔中，使該複數個研磨顆粒分別通過該複數個通孔的各該第一開口突出於該基板的該第一表面，其中，各該複數個通孔的該第一開口的尺寸小於各該複數個研磨顆粒，使該複數個研磨顆粒能夠受支撐於該複數個通孔中；提供一個具有複數個定位凹槽的固定模具；將該基板的該第一表面與該固定模具相接觸，使各該複數個研磨顆粒的尖端分別突出於該基板並分別抵止於該固定模具的該複數個定位凹槽中；及自各該第二開口將一黏膠體分別注入該複數個通孔，使該複數個研磨顆粒在該複數個通孔中的部分被該些黏膠體完全包覆，從而固定該複數個研磨顆粒於該複數個通孔中。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之製造方法，更包括：將該基板與一底座基板相固接，該底座基板之一面形成一凹槽，該基板容置於該凹槽中。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之製造方法，其中，藉著該複數個定位凹槽的深度精確調整該複數個研磨顆粒的尖端突出於該基板的高度。
  15. 如申請專利範圍第12項所述之製造方法，其中，該提供一包括複數個通孔的基板的步驟包括：在該基板中形成複數個通孔，其係利用一工具機對於該基板進行鑽孔，從而在該基板中形成兩個彼此相連通的第一通孔部及第二通孔部，該第一通孔部為截錐形狀並在該第一表面形成該第一開口，且該第二通孔部為圓筒形狀並在該第二表面形成該第二開口。
  16. 如申請專利範圍第12項所述之製造方法，其中，該提供一包括複數個通孔的基板的步驟包括：在該基板中形成複數個通孔，其係利用一工具機對於該基板進行鑽孔，從而在該基板中形成三個彼此相連通的第一通孔部、第二通孔部及第三通孔部，該第一通孔部為截錐形狀並在該第一表面形成該第一開口，該第二通孔部在該第二表面形成該第二開口，而該第三通孔部介於該第一通孔部和該第二通孔部之間。
  17. 如申請專利範圍第12項所述之研磨工具，其中，該基板為一體形成的硬質單一體。
  18. 如申請專利範圍第12項所述之研磨工具，其中，該基板為金屬基板或陶瓷基板。
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