TWI791028B - 包括可適形塗層之磨料物品及來自其之拋光系統 - Google Patents

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Abstract

本揭露關於包括可適形塗層(例如，親水性塗層)之磨料物品、製造方法、及來自其之拋光系統。本揭露提供一磨料層，其具有一疏水性外表面，該磨料層包括下列中之至少一者：(i)複數個個別鑽石粒子及(ii)複數個具有一可適形鑽石層之經工程設計特徵；一可適形疏水性層，其接觸且至少部分塗佈該複數個個別鑽石粒子及該可適形鑽石層中之至少一者，並且其中該可適形疏水性層包括類鑽石玻璃且形成該疏水性外表面，並且該疏水性外表面的接觸角大於110度。

Description

包括可適形塗層之磨料物品及來自其之拋光系統
本揭露關於具有可適形塗層之磨料物品(例如具有可適形塗層之墊修整器)、製造方法、及來自其之拋光系統。
具有塗層之磨料物品已描述於例如美國專利第5,921,856號；第6,368,198號、及第8,905,823號、以及美國專利公開案第2011/0053479號及第2017/0008143號中。
磨料物品一般係用以研磨各種基材，以從基材本身移除經研磨基材表面的一部分。由於鑽石的獨特性質，包括其高硬度及化學抗性，包括鑽石作為研磨材料(例如，離散的鑽石粒子或鑽石塗層或鑽石層)之磨料物品經常係較佳的。然而，在一些應用中，鑽石粒子或鑽石塗層可能破裂，從而釋放出鑽石碎片，這些碎片會變得游離而刮傷所要拋光的基材。例如，基於鑽石磨料之墊修整器經常用於化學機械平坦化(CMP)應用中。在化學機械平坦化應用中，拋光系統可包括一拋光墊，其經常係基於聚合物的一材料，例如聚胺甲酸酯；一磨料物品，其經設計以研磨該墊，例如一基於鑽石磨料之墊修整器； 所要拋光的一基材，例如一半導體晶圓；及一工作液體，例如含有磨料粒子的拋光漿體，其經設計以拋光/研磨所要拋光的該基材。該基於鑽石磨料之墊修整器一般用以研磨該拋光墊，可以移除釉面及/或將新的拋光墊表面露出，藉以在長期拋光時間內維持該墊的一致拋光性能。拋光墊本身連同工作液體(例如，漿體)係用以拋光基材(例如，半導體晶圓)的表面。已知晶圓缺陷(例如，刮傷)會降低來自給定晶圓的產率並且需要避免。然而，有時在使用期間，來自襯墊修整器的鑽石會破裂並且釋出鑽石的小碎片至拋光系統中。這些小碎片(亦可稱為碎片)可能會嵌入拋光墊中並與基材(例如，半導體晶圓)接觸，從而造成後續會降低晶圓產率的有害刮傷。所需的是一種墊修整器，其可減少及/或消除磨料碎片在例如CMP拋光系統中的不利影響。就此而言，已經開發具有鑽石磨料之磨料物品，其包括獨特的疏水性塗層，即疏水性層。疏水性塗層使得可從磨料物品釋出的鑽石碎片漂浮或懸浮在例如拋光系統的水基漿體中。因此，鑽石碎片在拋光期間可從拋光墊上流出(隨著多餘漿體從墊上流出)，或者在墊清潔步驟期間可從墊上沖洗掉(在該清潔步驟中使用清潔液體例如水來沖洗該墊)，而不是沉降在墊上並且嵌入墊中，在此情況下可能造成晶圓缺陷。
本揭露關於具有獨特疏水性外表面之磨料物品。疏水性外表面會增強磨料碎片(例如，鑽石碎片)漂浮或懸浮在液體中的能力，並且會促進其等從拋光系統中移除的能力，從而導致所要拋光或 研磨的基材中有較少的缺陷。本揭露亦提供製造本揭露之磨料物品之方法。
在一態樣中，本揭露提供一種磨料物品，其包含：一磨料層，其具有一疏水性外表面，該磨料層包括下列中之至少一者：(i)複數個個別鑽石粒子及(ii)複數個具有一可適形鑽石層之經工程設計特徵；以及一可適形疏水性層，其接觸且至少部分塗佈該複數個個別鑽石粒子及該可適形鑽石層中之至少一者，並且其中該可適形疏水性層包括類鑽石玻璃且形成該疏水性外表面，並且該疏水性外表面的接觸角大於110度。該可適形鑽石層可包括類鑽石碳、微晶體鑽石、及奈米晶體鑽石中之至少一者。
在另一實施例中，本揭露提供一種製造一磨料物品之方法，其包含：提供具有一表面的一磨料層，其中該表面包括複數個具有一可適形鑽石層之經工程設計特徵；及沉積一可適形疏水性層，其接觸且至少部分塗佈該可適形鑽石層，藉以形成具有一疏水性外表面的一磨料層；並且其中該可適形疏水性層包括類鑽石玻璃，且該疏水性外表面的接觸角大於110度。
在又另一實施例中，本揭露提供一種製造一磨料物品之方法，其包含：提供具有一表面的一磨料層，其中該表面包括複數個個別鑽石粒子；及 沉積一可適形疏水性層，其接觸且至少部分塗佈該複數個個別鑽石粒子，藉以形成具有一疏水性外表面的一磨料層；並且其中該疏水性層包括類鑽石玻璃，且該疏水性外表面的接觸角大於110度。
在另一實施例中，本揭露提供一種拋光系統，其包含：一拋光墊，其包括一材料；一墊修整器，其具有一磨料層，其中該墊修整器包括至少一根據本揭露的磨料物品。
重複使用說明書及圖式中之參考元件符號，目的是要呈現本揭露相同或類同之特徵或元件。圖式未必按照比例繪製。如本文中所使用，「介於...之間(between)」一詞除非另外指定，否則當應用在數值範圍時，包括範圍的端點。由端點表述的數值範圍包括在該範圍內的所有數字(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4、及5)以及該範圍內的任何範圍。
應理解的是，所屬技術領域中具有通常知識者可擬出許多其他修改及實施例，其等仍屬於本揭露原理之範疇及精神。除非另有具體說明，本文中所用之所有科學及技術用語具有所屬技術領域中所通用的意義。本文所提出的定義是要增進對於本文常用之某些用語的理解，並不是要限制本揭露的範疇。如本說明書與隨附申請專利範圍中所使用，單數形式「一(a,an)」與「該(the)」涵蓋具有複數個指稱物(referent)的實施例，除非上下文另有明確規定。如本說明書及隨附申請專利範圍中所使用，用語「或(or)」通常係以包括「及/或(and/or)」之含義採用，除非上下文另有明確規定。
在此揭露全文中，「經工程設計特徵(engineered feature)」是指具有經機械加工形狀(即，切削以形成該形狀)或模製形狀的三維特徵(具有長度、寬度及高度的形貌特徵)，經工程設計特徵的模製形狀係對應模穴的相反形狀，該形狀在三維特徵從模穴移出之後仍會保留。經工程設計特徵可在尺寸上縮小，此係例如由於燒結生坯(green body)陶瓷以形成陶瓷經工程設計特徵。然而，縮小的三 維特徵仍維持自其形成生坯之模穴的大致形狀，且仍認為是經工程設計特徵。
在此揭露全文中，「微複製(micro-replication)」係指一種製造技術，其中精確定形狀的形貌特徵係藉由在生產工具(例如，模具或壓紋工具)中澆注或模製聚合物(或聚合物前驅物，之後會將其固化以形成聚合物)或陶瓷粉末前驅物來製備，其中該生產工具具有複數個微米大小至毫米大小的形貌特徵，該等形貌特徵係最終所欲特徵的相反形狀。在將聚合物或陶瓷粉末前驅物從生產工具移除之後，一系列形貌特徵係存在於聚合物或生坯陶瓷的表面中。聚合物表面及生坯陶瓷表面的形貌特徵具有與原本生產工具之特徵相反的形狀。
在此揭露全文中，用語「可適形層(conformable layer)」(例如，可適形鑽石層及可適形疏水性層)係指適形於複數個個別鑽石粒子及複數個經工程設計特徵中之至少一者之形貌的層。該層大致上適形於該表面形貌或一表面的形貌，並且不會完全填充該表面形貌而產生平坦表面，例如該塗層不會平坦化磨料層的複數個經工程設計特徵，亦不會平坦化磨料層的複數個個別鑽石粒子。
10‧‧‧磨料層
10a‧‧‧疏水性外表面
15‧‧‧第一基材
20‧‧‧個別鑽石粒子
22‧‧‧經工程設計特徵
22a‧‧‧遠端
22b‧‧‧基部
24‧‧‧可適形鑽石層
30‧‧‧可適形疏水性層
100‧‧‧磨料物品
101‧‧‧磨料物品
200‧‧‧分段的墊修整器
210‧‧‧第二基材
220‧‧‧磨料物品
220a‧‧‧磨料層/研磨層
300‧‧‧拋光系統
310‧‧‧墊修整器
330‧‧‧載體總成
340‧‧‧台板
345‧‧‧驅動總成
350‧‧‧拋光墊
350a‧‧‧拋光表面
360‧‧‧工作液體/拋光溶液
370‧‧‧黏著劑層
1B‧‧‧線
1D‧‧‧線
A‧‧‧箭頭
B‧‧‧箭頭
C‧‧‧箭頭
H‧‧‧高度
L‧‧‧長度
T‧‧‧厚度
W‧‧‧寬度
圖1A係根據本揭露之一例示性實施例之例示性磨料物品之至少一部分的示意俯視圖。
圖1B係根據本揭露之一例示性實施例之圖1A例示性磨料物品通過線1B的示意截面圖。
圖1C係根據本揭露之一例示性實施例之例示性磨料物品之至少一部分的示意俯視圖。
圖1D係根據本揭露之一例示性實施例之圖1C例示性磨料物品通過線1D的示意截面圖。
圖2係根據本揭露之一例示性實施例之分段的墊修整器的示意俯視圖。
圖3係利用根據本揭露之一些實施例之磨料物品之例示性拋光系統的示意圖。
本揭露關於可用於各式不同研磨應用中之磨料物品。本揭露的磨料物品顯示特別有用作為墊修整器或分段的墊修整器之元件，且可用於各式CMP應用中。本揭露的磨料物品具有獨特的疏水性塗層，使得在使用期間可產生之鑽石磨料顆粒的一或多個碎片漂浮或 懸浮在工作液體中，並且可從拋光基材上洗去。此繼而可減少基材缺陷。疏水性表面係經施加至磨料物品之研磨層之一或多個塗層(即，層)的結果。疏水性表面可包括類鑽石玻璃，其相鄰於下列中之至少一者施加且接觸下列中之至少一者：複數個個別鑽石粒子及複數個具有可適形鑽石層之經工程設計特徵。疏水性表面通常可係磨料物品的外表面。
本揭露的磨料物品包括一磨料層，其具有一疏水性外表面，該磨料層包括下列中之至少一者：(i)複數個個別鑽石粒子及(ii)複數個具有一可適形鑽石層之經工程設計特徵；一可適形疏水性層，其接觸且至少部分塗佈該複數個個別鑽石粒子及該可適形鑽石層中之至少一者，並且其中該可適形疏水性層包括類鑽石玻璃且形成該疏水性外表面，並且該疏水性外表面的接觸角大於110度。在一些實施例中，該磨料層(其包括疏水性外表面)包括複數個具有可適形鑽石層之經工程設計特徵。在一些實施例中，該磨料層(具有疏水性外表面)僅包括複數個具有可適形鑽石層之經工程設計特徵。在一些實施例中，該磨料層(具有疏水性外表面)包括複數個個別鑽石粒子。在一些實施例中，該磨料層(具有疏水性外表面)僅包括複數個個別鑽石粒子。該複數個個別鑽石粒子可具有5微米至400微米的平均粒徑。在一些實施例中，該可適形鑽石層包括類鑽石碳、微晶體鑽石、及奈米晶體鑽石中之至少一者。該可適形疏水性層可係可適形塗層，其適形於磨料層上的任何形貌，例如複數個個別鑽石粒子及/或複數個經工程設計特徵，包括可適形鑽石層(如果存在)。該疏水性層的類 鑽石玻璃可包括碳、氧、及矽。在一些實施例中，以類鑽石玻璃中之碳、氧、及矽的總莫耳數計，氧的量係25莫耳百分比至35莫耳百分比。在一些實施例中，以類鑽石玻璃中之碳、氧、及矽的總莫耳數計，矽的量係25莫耳百分比至35莫耳百分比。在一些實施例中，以類鑽石玻璃中之碳、氧、及矽的總莫耳數計，碳的量係35莫耳百分比至45莫耳百分比。
圖1A係根據本揭露之一例示性實施例之例示性磨料物品之至少一部分的示意俯視圖，且圖1B係根據本揭露之一例示性實施例之圖1A例示性磨料物品通過線1B的示意截面圖。圖1A及圖1B顯示磨料物品100(包括磨料層10)的至少一部分。磨料層10具有疏水性外表面10a。磨料層10包括下列中之至少一者：(i)複數個個別鑽石粒子及(ii)複數個具有一可適形鑽石層之經工程設計特徵。在此例示性實施例中，磨料層10包括複數個個別鑽石粒子20。磨料層10進一步包括可適形疏水性層30。可適形疏水性層30接觸且至少部分塗佈複數個個別鑽石粒子20。磨料物品100可進一步包括第一基材15。第一基材15可支撐磨料層10。如圖1A所示，磨料物品100的至少一部分具有等於界定磨料物品100周緣的大圓面積的投影表面積。
複數個個別鑽石粒子之鑽石粒子的大小可經選擇，以視磨料物品的預期應用來達成其所欲特性。在一些實施例中，鑽石粒子具有5至1000微米、20至1000微米、40至1000微米、5至600微米、20至600微米、40至600微米、5至400微米、20至400微米、40至400微米、5至200微米、20至200微米、或甚至40至200微 米的平均粒徑。鑽石粒子的大小偶爾會以「篩目(mesh)」或「等級(grade)」來記述，這兩者均係普遍已知的磨料粒子分級方法。該複數個個別鑽石粒子可具有窄的大小分佈，其中粒子分佈的不均勻度百分比係0至10百分比、0至5百分比、或甚至0至3百分比。不均勻度百分比係鑽石粒子大小分佈之標準差除以該分佈中之鑽石粒子平均大小再乘以100。
在一些實施例中，該複數個個別鑽石粒子的鑽石粒子可包括一或多個塗層，該等塗層可例如改善鑽石粒子對可適形疏水性層的黏著性。任何此類塗層都會被認為是鑽石粒子的一部分。在一些實施例中，鑽石粒子不含一或多個塗層，即鑽石粒子不含塗層。
該複數個無機磨料粒子的面密度沒有特別限制。在一些實施例中，該複數個無機磨料粒子的面密度可係0.5/cm2至1 x 104/cm2、0.5/cm2至1 x 103/cm2、0.5/cm2至1 x 102/cm2、0.5/cm2至1 x 101/cm2、1/cm2至1 x 104/cm2、1/cm2至1 x 103/cm2、1/cm2至1 x 102/cm2、1/cm2至1 x 101/cm2、10/cm2至1 x 104/cm2、10/cm2至1 x 103/cm2、10/cm2至1 x 102/cm2、或甚至10/cm2至1 x 101/cm2。該等無機磨料粒子的面密度可在磨料物品的研磨表面上變化。該等無機磨料粒子可隨機排列或可以圖案(例如，正方形網格陣列或六邊形陣列)排列在研磨表面上。
包括可用於本揭露之磨料物品中之複數個個別鑽石粒子的例示性磨料層包括所屬技術領域中已知的鑽石墊修整器，包括但不限於可以商標名稱3M DIAMOND PAD CONDITONER及3M 3M DIAMOND PAD CONDITONER RING購自3M Company,St.Paul,Minnesota的墊修整器。例如，可使用3M DIAMOND PAD CONDITONER A153L、3M DIAMOND PAD CONDITONER A160系列(例如包括A160、A165、A165P、A166、及A168)、3M DIAMOND PAD CONDITONER A180系列(例如包括A181、A188F、A188H、A188J、A188JH、A188K、及A188L)、3M DIAMOND PAD CONDITONER A270、3M DIAMOND PAD CONDITONER A272、3M DIAMOND PAD CONDITONER A2800系列(例如包括A2810、A2812、A2813、及A2850)、3M DIAMOND PAD CONDITONER A3700、3M DIAMOND PAD CONDITONER A3799、3M DIAMOND PAD CONDITONER A4-55、3M DIAMOND PAD CONDITONER A63、3M DIAMOND PAD CONDITONER A82、3M DIAMOND PAD CONDITONER A92、3M DIAMOND PAD CONDITONER C123、3M DIAMOND PAD CONDITONER H80-AL、3M DIAMOND PAD CONDITONER H91、3M DIAMOND PAD CONDITONER S122、3M DIAMOND PAD CONDITONER S60、3M DIAMOND PAD CONDITONER S82、3M DIAMOND PAD CONDITONER S98、3M DIAMOND PAD CONDITONER RING E187、3M DIAMOND PAD CONDITONER RING E221、3M DIAMOND PAD CONDITONER RING E3910、3M DIAMOND PAD CONDITONER RING E3920、及3M DIAMOND PAD CONDITONER RING E3921。這些材料可進一步包括接觸且至少部分塗佈鑽石墊修整 器之複數個個別鑽石粒子的可適形疏水性層，藉以形成本揭露的磨料層。
圖1C係根據本揭露之一例示性實施例之例示性磨料物品之至少一部分的示意俯視圖，且圖1D係根據本揭露之一例示性實施例之圖1C例示性磨料物品通過線1D的示意截面圖。圖1C及圖1D顯示磨料物品101(包括磨料層10)的至少一部分。磨料層10具有疏水性外表面10a。磨料層10包括下列中之至少一者：(i)複數個個別鑽石粒子及(ii)複數個具有可適形鑽石層之經工程設計特徵。在此例示性實施例中，磨料層10包括複數個具有可適形鑽石層24之經工程設計特徵22。在此例示性實施例中，經工程設計特徵22具有四邊角錐體形狀，其中四邊角錐體的尖端對應於複數個經工程設計特徵的遠端22a及基部22b。三維特徵各具有長度L、寬度W、及高度H。如果個別三維特徵具有不同的長度、寬度、及高度，則長度、寬度、高度的平均值可用以特徵化該複數個三維特徵。磨料層10進一步包括可適形疏水性層30。可適形疏水性層30接觸且至少部分塗佈可適形鑽石層24。磨料物品101可進一步包括第一基材15。第一基材15可支撐磨料層10。第一基材15可與複數個經工程設計特徵22成一整體，第一基材15與複數個經工程設計特徵22具有相同組成(如圖1C中所示)，或者可係分開的層，其包括不同於複數個經工程設計特徵22之組成的組成。第一基材的厚度係T。如圖1C中所示，磨料物品101的至少一部分具有等於界定磨料物品101周緣的大圓面積的投影表面積。
本揭露的磨料物品可包括複數個經工程設計特徵。經工程設計特徵可經定義為具有基部及與基部相對的遠端。複數個經工程設計特徵的面密度並未特別限制。在一些實施例中，複數個經工程設計特徵的面密度可係0.5/cm2至1 x 107/cm2、0.5/cm2至1 x 106/cm2、0.5/cm2至1 x 105/cm2、0.5/cm2至1 x 104/cm2、0.5/cm2至1 x 103/cm2、1/cm2至1 x 107/cm2、1/cm2至1 x 106/cm2、1/cm2至1 x 105/cm2、1/cm2至1 x 104/cm2、1/cm2至1 x 103/cm2、10/cm2至1 x 107/cm2、10/cm2至1 x 106/cm2、10/cm2至1 x 105/cm2、10/cm2至1 x 104/cm2、或甚至10/cm2至1 x 103/cm2。在一些實施例中，個別經工程設計特徵之各者尺寸(例如，長度、寬度、高度、直徑)的至少一者可係1微米至2000微米、1微米至1000微米、1微米至750微米、1微米至500微米、10微米至2000微米、10微米至1000微米、10微米至750微米、10微米至500微米、25微米至2000微米、25微米至1000微米、25微米至750微米、或甚至25微米至500微米。
複數個經工程設計特徵及/或第一基材可包括陶瓷，即複數個經工程設計特徵及/或第一基材可係具有連續陶瓷相的陶瓷。陶瓷可係燒結陶瓷。陶瓷可含有小於5重量百分比、小於3重量百分比、小於2重量百分比、小於1重量百分比、小於0.5重量百分比、或甚至0重量百分比的聚合物。陶瓷可含有小於5重量百分比、小於3重量百分比、小於2重量百分比、小於1重量百分比、小於0.5重量百分比、或甚至0重量百分比的有機材料。陶瓷可係單塊陶瓷。陶瓷沒有特別限制。陶瓷可包括但不限於碳化矽、氮化矽、氧化鋁、氧化 鋯、碳化鎢、及類似者中之至少一者。其中，從強度、硬度、耐磨性、及類似者的觀點來看，可有利地使用碳化矽及氮化矽，而尤其是碳化矽。在一些實施例中，陶瓷係碳化物陶瓷，其含有至少70重量百分比、至少80重量百分比、至少90重量百分比、至少95重量百分比、或甚至至少99重量百分比之碳化物陶瓷。可用的碳化物陶瓷包括但不限於碳化矽、碳化硼、碳化鋯、碳化鈦、及碳化鎢中之至少一者。可使用組合。陶瓷可在不使用碳化物形成劑的情況下製造，並且可實質上不含氧化物燒結助劑。在一個實施例中，陶瓷包括小於約1重量百分比的氧化物燒結助劑。
複數個經工程設計特徵可藉由機械加工、微機械加工、微複製、模製、擠製、射出成型、陶瓷壓製、及類似者中之至少一者來形成，使得該複數個經工程設計特徵製成，並且在自一部分至另一部分且在一部分內係可複製的，而反映出複製一設計的能力。複數個經工程設計特徵可藉由機械技術來形成，包括但不限於傳統機械加工，例如鋸切、銑洞、鑽孔、車削(turning)、及類似者；雷射切割；噴水切割、及類似者。複數個經工程設計特徵可藉由微複製技術來形成，如在所屬技術領域中所已知的。複數個經工程設計特徵可直接形成在第一基材中，或者第一基材及複數個經工程設計特徵可在例如陶瓷壓製或一些其他模製或壓紋技術期間同時形成。
複數個經工程設計特徵的形狀未特別限制，並可包括但不限於：圓柱狀；橢圓柱狀；多角稜柱，例如五角稜柱、六角稜柱、及八角稜柱；角錐形及截頭角錐形，其中角錐形狀可例如包括介於3 至12個之間的側壁；立方形，例如方形立方體或矩形長方體；圓錐形及截頭圓錐形；環形、及類似者。可使用二或更多種不同形狀的組合。複數個經工程設計特徵可係隨機的或呈一圖案，例如正方形陣列、六邊形陣列、及類似者。經工程設計特徵的額外形狀及圖案可見於美國專利申請案公開第2017/0008143號(Minami等人)，該案係以引用方式全文併入本文中。
當使用模製或壓紋來形成複數個經工程設計特徵時，模具或壓紋工具在其表面上具有至少一指定形狀的預定陣列或圖案，其係與陶瓷本體之經工程設計特徵的預定陣列或圖案及(多個)指定形狀相反。該模具可由金屬、陶瓷、陶瓷金屬(cermet)、複合物或聚合材料形成。在一實施例中，該模具係聚合材料，諸如聚丙烯。在另一實施例中，該模具係鎳。由金屬製成的模具可藉由雕刻、微機械加工、或其他機械手段(諸如鑽石切削)或藉由電鑄來製成。一較佳的方法係電鑄。模具可藉由製備正型母版(positive master)來形成，該正型母版具有磨料元件之經工程設計特徵的預定陣列及指定形狀。然後模具係製作而具有與該正型母版相反的表面形貌。正型母版可藉由直接機械加工技術(諸如鑽石切削)來製作，其揭示於美國專利第5,152,917號(Pieper等人)及第6,076,248號(Hoopman等人)中，其等之揭露係以引用方式全文併入本文中。這些技術係進一步描述於美國專利第6,021,559號(Smith)中，其揭露係以引用方式全文併入本文中。模具(包括例如熱塑性塑膠)可藉由複製金屬母版工具來製作。可選地可將熱塑性片材材料連同金屬母版加熱，使得熱塑性材料係藉由將兩 個表面壓在一起而以金屬母版所呈現的表面圖案來壓紋。熱塑性材料亦可係擠製或澆注至金屬母版上，並且接著壓製。製造生產工具及金屬母版的其他合適方法係論述於美國專利第5,435,816號(Spurgeon等人)中，其係以引用方式全文併入本文中。
複數個經工程設計特徵的可適形鑽石層可包括可適形奈米晶體鑽石塗層、可適形微晶體鑽石塗層、及可適形類鑽石碳(DLC)塗層中之至少一者。該可適形鑽石層的厚度沒有特別限制。在一些實施例中，鑽石層的厚度係0.5微米至30微米、1微米至30微米、5微米至30微米、0.5微米至20微米、1微米至20微米、5微米至20微米、0.5微米至15微米、1微米至15微米、或甚至5微米至15微米。該可適形鑽石層可例如係類鑽石碳塗層(DLC)。DLC係非晶形的，並且包括大量由氫穩定化的sp3碳。例如，以DLC之總組成計，碳原子之存在量係40原子百分比至95原子百分比、40原子百分比至98原子百分比、40原子百分比至99原子百分比、50原子百分比至95原子百分比、50原子百分比至98原子百分比、50原子百分比至99原子百分比、60原子百分比至95原子百分比、60原子百分比至98原子、60原子百分比至99原子百分比、或甚至90原子百分比至99原子百分比。鑽石層可使用氣體碳源(諸如甲烷或類似者)或固體碳源(諸如石墨或類似者)並視需要使用氫，藉由習知技術來沉積在表面(例如，複數個經工程設計特徵的表面)上，該習知技術諸如電漿增強化學氣相沉積(PECVD)法、熱線化學氣相沉積(HWCVD)法、離子束、雷射剝蝕、RF電漿、超音波、電弧放電、陰極電弧電漿沉積、及 類似者。在一些實施例中，可藉由HWCVD來製備具有高結晶度的鑽石層。
在一些實施例中，可適形鑽石層可包括一或多個塗層，該等塗層可例如改善可適形鑽石層對可適形疏水性層的黏著性。任何此類塗層都會被認為是可適形鑽石層的一部分。在一些實施例中，可適形鑽石層不含一或多個塗層，即可適形鑽石層不含塗層。
本揭露的可適形疏水性層包括類鑽石玻璃(DLG)。用語「類鑽石玻璃(diamond-like glass,DLG)」係指實質上非晶形或完全非晶的玻璃，其包括碳、矽、及氧，並且可選地包括一或多種選自包括氫、氮、氟、硫、鈦、及銅之群組的額外組分。在某些實施例中，其他元素可存在。在一些實施例中，可適形疏水性層不含氟。在一些實施例中，以DLG組成之莫耳基礎計，DLG包括80百分比至100百分比、90百分比至100百分比、95百分比至100百分比、98百分比至100百分比、或甚至99百分比至100百分比的碳、矽、氧、及氫。在一些實施例中，以DLG組成之莫耳基礎計，DLG包括80百分比至100百分比、90百分比至100百分比、95百分比至100百分比、98百分比至100百分比、或甚至99百分比至100百分比的碳、矽、及氧。在一些實施例中，以類鑽石玻璃中之碳、氧、及矽的總莫耳數計，類鑽石玻璃中之氧的量係25莫耳百分比至35莫耳百分比、30莫耳百分比至35莫耳百分比、或甚至32莫耳百分比至35莫耳百分比。在一些實施例中，以類鑽石玻璃中之碳、氧、及矽的總莫耳數計，類鑽石玻璃中之矽的量係25莫耳百分比至35莫耳百分比、29莫耳百分比至35 莫耳百分比、或甚至32莫耳百分比至35莫耳百分比。在一些實施例中，以類鑽石玻璃中之碳、氧、及矽的總莫耳數計，類鑽石玻璃中之碳的量係35莫耳百分比至45莫耳百分比、37莫耳百分比至45莫耳百分比、或甚至42莫耳百分比至45莫耳百分比。
本揭露的非晶形類鑽石玻璃可含有原子簇集以賦予其短程有序(short-range order)，但基本上不含導致微結晶度或巨結晶度的中程及長程有序，其等可不利地散射具有180nm至800nm波長的輻射。用語「非晶(amorphous)」是指實質上隨機排序的非結晶材料，其沒有x射線繞射峰或具有適度的x射線繞射峰。當原子簇集存在時，其一般發生在相較於光化輻射波長係小的尺寸上。可用的類鑽石玻璃及其製作方法可見於例如美國專利第6,696,157號(David等人)中，該案係以引用方式全文併入本文中。包括類鑽石玻璃的可適形疏水性層可藉由習知技術來形成，包括但不限於物理氣相沉積、化學氣相沉積、電漿增強化學氣相沉積、及原子層沉積。可適形金屬氧化物塗層的厚度沒有特別限制。在一些實施例中，可適形疏水性層的厚度係0.5微米至30微米、1微米至30微米、5微米至30微米、0.5微米至20微米、1微米至20微米、5微米至20微米、0.5微米至15微米、1微米至15微米、或甚至5微米至15微米。
類鑽石玻璃會形成疏水性外表面。在一些實施例中，疏水性外表面的接觸角大於110度、大於115度、大於120度、大於125度、或甚至大於130度。在一些實施例中，疏水性外表面的接觸角小於180度、小於175度、小於170度、小於165度、或甚至小於 160度。接觸角可藉由所屬技術領域中的已知技術來測量。接觸角可藉由本揭露之實例部分中所述的接觸角分析方法來測量。
可適形疏水性層接觸且至少部分塗佈複數個個別鑽石粒子及可適形鑽石層中之至少一者。在一些實施例中，可適形疏水性層覆蓋磨料物品之投影表面積的至少40百分比、至少60百分比、至少80百分比、至少90百分比、至少95百分比、或甚至100百分比。
本揭露的磨料物品可包括第一基材，例如陶瓷基材、金屬基材(例如，不鏽鋼基材)、或聚合物基材(例如，熱固性或熱塑性材料)。所屬技術領域中已知的各種金屬、陶瓷、及聚合材料皆可用於第一基材，耐腐蝕金屬、陶瓷、及聚合基材特別有用。該磨料物品可包括可用於將複數個個別鑽石粒子固著至第一基材的黏合材料。該等鑽石粒子可藉由所屬技術領域中已知的材料來固著至磨料物品的第一基材上，包括但不限於金屬、金屬合金、及熱固性黏著劑中之至少一者。可使用所屬技術領域中已知的技術來將鑽石粒子固著至第一基材。可用的第一基材、用於將鑽石粒子黏合至磨料物品之第一基材之黏合材料、及黏合技術的實例係揭示於美國專利第6,123,612號(Gores)中，該專利係以引用方式全文併入本文中。該陶瓷基材可係單塊陶瓷基材。該單塊陶瓷基材係基本上由其所包含之陶瓷所組成的基材，並且具有整體連續的陶瓷結構，例如整體連續的陶瓷形態。在一些實施例中，複數個經工程設計特徵及第一基材係單塊陶瓷。該陶瓷形態可係單相。單塊陶瓷大致經設計以非常緩慢地磨蝕，較佳地完全不磨蝕，並且不含可自單塊陶瓷釋出的磨料粒子。該聚合基材可係熱 固性材料(例如，酚醛樹脂)或熱塑性材料(例如，聚碳酸酯、聚酯、聚碸)。在一些實施例中，第一基材可與複數個經工程設計特徵成一整體，並且/或者第一基材與複數個經工程設計特徵具有相同的組成。在一些實施例中，第一基材可係與複數個經工程設計特徵分開的層，並且/或者可包括與複數個經工程設計特徵之組成不同的組成。
在另一實施例中，本揭露的該磨料物品係如下製造：提供具有一表面的一磨料層，其中該表面包括複數個個別鑽石粒子；及沉積一可適形疏水性層，其接觸且至少部分塗佈該複數個個別鑽石粒子，藉以形成具有一疏水性外表面的一磨料層；並且其中該可適形疏水性層包括類鑽石玻璃，且該疏水性外表面的接觸角大於110度。
在又另一實施例中，本揭露的磨料物品係如下製造：提供具有一表面的一磨料層，其中該表面包括複數個具有一可適形鑽石層之經工程設計特徵；及沉積一可適形疏水性層，其接觸且至少部分塗佈該可適形鑽石層，藉以形成具有一疏水性外表面的一磨料層；並且其中該可適形疏水性層包括類鑽石玻璃，且該疏水性外表面的接觸角大於110度。
本揭露的磨料物品在作為例如CMP應用中所使用的墊修整器可特別有用。磨料物品可用於全面墊修整器及分段的襯墊修整器兩者。分段的墊修整器包括附接至第二基材之至少一本揭露的磨料 物品，該第二基材通常具有比該磨料物品大的投影表面積。因此，分段的墊修整器表面上存在含有磨料層的區域及不含磨料層的區域。在一些實施例中，全面墊修整器包括根據本揭露之任一者的磨料物品。全面墊修整器的表面積可包括50至100百分比、60至100百分比、70至100百分比、80至100百分比、或甚至90至100百分比的根據本揭露之磨料物品的研磨層。
分段的襯墊修整器包括第二基材及至少一磨料物品，該至少一磨料物品根據本揭露之磨料物品的任一者。該第二基材可包括如先前針對第一基材所述者的材料。圖2顯示本揭露之分段的墊修整器的示意性俯視圖。分段的墊修整器200包括第二基材210及具有磨料層220a的磨料物品220。在此例示性實施例中，分段的墊修整器200包括五個磨料物品220。磨料物品220可係本揭露之磨料物品的任一者。第二基材210沒有特別限制。第二基材210可係硬性材料，例如金屬。第二基材210可係不鏽鋼，例如不鏽鋼板。在一些實施例中，第二基材210具有至少1GPa、至少5GPa、或甚至至少10GPa的彈性模數。磨料物品220可藉由所屬技術領域中已知的任何手段來附接至基材210，例如機械地(利用螺絲或螺栓)或黏著劑(利用環氧黏著劑層)。可能希望使磨料物品220的研磨層220a係實質上平坦的。將磨料物品安裝至基材使得磨料物品的平面研磨表面實質上平坦的方法係揭示於美國專利公開第2015/0224625號(LeHuu等人)中，該案係以引用方式全文併入本文中。
圖3示意繪示根據本揭露之一些實施例之用於利用磨料物品之拋光系統300之一實例。如圖所示，拋光系統300可包括具有拋光表面350a的拋光墊350，以及具有研磨層的墊修整器310。墊修整器包括至少一根據本揭露之磨料物品之任一者的磨料物品，其中墊修整器的磨料層包括至少一磨料物品之可適形疏水性層。系統可進一步包括下列中之一或多者：工作液體360、台板340、墊修整器載體總成330、清潔液體(未圖示)。黏著劑層370可用以將拋光墊350附接至台板340，並且可係拋光系統之部分。拋光墊350上的經拋光基材(未圖示)亦可係拋光系統300之部分。工作液體360可係經設置在拋光墊350之拋光表面350a上的一層溶液。拋光墊350可係所屬技術領域中已知的任何拋光墊。拋光墊350包括一材料，即其係由一材料所製成。拋光墊的材料可包括聚合物，例如熱固性聚合物及熱塑性聚合物中之至少一者。熱固性聚合物及熱塑性聚合物可係聚胺甲酸酯，亦即拋光墊的材料可係聚胺甲酸酯。該工作液體一般係設置在拋光墊的表面上。該工作液體亦可位於墊修整器310與拋光墊350之間的界面處。在拋光系統300操作期間，驅動總成345可旋轉(箭頭A)台板340以移動拋光墊350，以進行拋光操作。拋光墊350及拋光溶液360可分別、或以組合方式來界定以機械及/或化學方式將材料從將拋光的基材之主要表面移除或拋光基材主要表面之拋光環境。為了使用墊修整器310來研磨(即，修整)拋光表面350a，載體總成330可於拋光溶液360存在下抵靠著拋光墊350的拋光表面350a而推動墊修整器310。台板340(因而及拋光墊350)及/或墊修整器載體總成 330接著相對於彼此而移動，以跨拋光墊350之拋光表面350a平移墊修整器310。載體總成330可旋轉(箭頭B)及可選地橫移(箭頭C)。因此，墊修整器310的磨料層將材料自拋光墊350的拋光表面350a移除。應瞭解的是，圖3之拋光系統300僅是可搭配本揭露之磨料物品採用之一個拋光系統實例，且可採用其他的習知拋光系統而不偏離本揭露之範圍。
本揭露之優選擇實施例(select embodiment)包括但不限於下列：
在第一實施例中，本揭露提供一種磨料物品，其包含：一磨料層，其具有一疏水性外表面，該磨料層包括下列中之至少一者：(i)複數個個別鑽石粒子及(ii)複數個具有一可適形鑽石層之經工程設計特徵；一可適形疏水性層，其接觸且至少部分塗佈該複數個個別鑽石粒子及該可適形鑽石層中之至少一者，並且其中該可適形疏水性層包括類鑽石玻璃且形成該疏水性外表面，並且該疏水性外表面的接觸角大於110度，該疏水性外表面的該接觸角可選地可大於120度、125度、或130度。
在第二實施例中，本揭露提供根據第一實施例之磨料物品，其中該可適形鑽石層包括類鑽石碳、微晶體鑽石、及奈米晶體鑽石中之至少一者。
在第三實施例中，本揭露提供根據第一或第二實施例之磨料物品，其中該類鑽石玻璃包括碳、氧、及矽。
在第四實施例中，本揭露提供根據第三實施例之磨料物品，其中以該類鑽石玻璃中之碳、氧、及矽的總莫耳數計，氧的量係25莫耳百分比至35莫耳百分比。
在第五實施例中，本揭露提供根據第三或第四實施例之磨料物品，其中以該類鑽石玻璃中之碳、氧、及矽的總莫耳數計，氧的量係30莫耳百分比至35莫耳百分比。
在第六實施例中，本揭露提供根據第三至第五實施例中任一者之磨料物品，其中以該類鑽石玻璃中之碳、氧、及矽的總莫耳數計，矽的量係25莫耳百分比至35莫耳百分比。
在第七實施例中，本揭露提供根據第三至第六實施例中任一者之磨料物品，其中以該類鑽石玻璃中之碳、氧、及矽的總莫耳數計，碳的量係35莫耳百分比至45莫耳百分比。
在第八實施例中，本揭露提供根據第一至第七實施例中任一者之磨料物品，其中該複數個個別鑽石粒子具有5微米至400微米的平均粒徑。
在第九實施例中，本揭露提供根據第一至第七實施例中任一者之磨料物品，其中該具有一疏水性外表面的磨料層包括複數個具有一可適形鑽石層之經工程設計特徵。
在第十實施例中，本揭露提供根據第一至第九實施例中任一者之磨料物品，其中該具有一疏水性外表面的磨料層包括複數個個別鑽石粒子。
在第十一實施例中，本揭露提供根據第一至第十實施例中任一者之磨料物品，其中該疏水性外表面的該接觸角小於180度、可選地小於175度、小於170度、或小於165度。
在第十二實施例中，本揭露提供一種製造一磨料物品之方法，其包含：提供具有一表面的一磨料層，其中該表面包括複數個具有一可適形鑽石層之經工程設計特徵；及沉積一可適形疏水性層，其接觸且至少部分塗佈該可適形鑽石層，藉以形成具有一疏水性外表面的一磨料層；且其中該可適形疏水性層包括類鑽石玻璃，且該疏水性外表面的接觸角大於120度。
在第十三實施例中，本揭露提供根據第十二實施例之製造一磨料物品之方法，其中該可適形鑽石層包括類鑽石碳、微晶體鑽石、及奈米晶體鑽石中之至少一者。
在第十四實施例中，本揭露提供根據第十二或第十三實施例之製造一磨料物品之方法，其中該類鑽石玻璃包括碳、氧、及矽。
在第十五實施例中，本揭露提供根據第十四實施例之製造一磨料物品之方法，其中以該類鑽石玻璃中之碳、氧、及矽的總莫耳數計，氧的量係25莫耳百分比至35莫耳百分比。
在第十六實施例中，本揭露提供根據第十四或第十五實施例之製造一磨料物品之方法，其中以該類鑽石玻璃中之碳、氧、及矽的總莫耳數計，矽的量係25莫耳百分比至35莫耳百分比。
在第十七實施例中，本揭露提供根據第十四至第十六實施例中任一者之製造一磨料物品之方法，其中以該類鑽石玻璃中之碳、氧、及矽的總莫耳數計，碳的量係35莫耳百分比至45莫耳百分比。
在第十八實施例中，本揭露提供一種製造一磨料物品之方法，其包含：提供具有一表面的一磨料層，其中該表面包括複數個個別鑽石粒子；及沉積一可適形疏水性層，其接觸且至少部分塗佈該複數個個別鑽石粒子，藉以形成具有一疏水性外表面的一磨料層；且其中該可適形疏水性層包括類鑽石玻璃，且該疏水性外表面的接觸角大於110度。
在第十九實施例中，本揭露提供根據第十八實施例之製造一磨料物品之方法，其中該可適形鑽石層包括類鑽石碳、微晶體鑽石、及奈米晶體鑽石中之至少一者。
在第二十實施例中，本揭露提供根據第十八或第十九實施例之製造一磨料物品之方法，其中該類鑽石玻璃可包括碳、氧、及矽。
在第二十一實施例中，本揭露提供根據第二十實施例之製造一磨料物品之方法，其中以該類鑽石玻璃中之碳、氧、及矽的總莫耳數計，氧的量係25莫耳百分比至35莫耳百分比。
在第二十二實施例中，本揭露提供根據第二十或第二十一實施例之製造一磨料物品之方法，其中以該類鑽石玻璃中之碳、氧、及矽的總莫耳數計，矽的量係25莫耳百分比至35莫耳百分比。
在第二十三實施例中，本揭露提供根據第二十至第二十二實施例中任一者之製造一磨料物品之方法，其中以該類鑽石玻璃中之碳、氧、及矽的總莫耳數計，碳的量係35莫耳百分比至45莫耳百分比。
在第二十四實施例中，本揭露提供根據第十八至第二十三實施例中任一者之製造一磨料物品之方法，其中該複數個個別鑽石粒子具有5微米至400微米的平均粒徑。
在第二十五實施例中，本揭露提供根據第十八至第二十四實施例中任一者之製造一磨料物品之方法，其中該疏水性外表面的該接觸角大於120度。
在第二十六實施例中，本揭露提供一種拋光系統，其包含：一拋光墊，其包括一材料；一墊修整器，其具有一磨料層，其中該墊修整器包括至少一根據第一至第十一實施例中任一者之磨料物品。
實例
Figure 107123677-A0202-12-0027-1
製造技術
類鑽石玻璃(DLG)電漿沉積方法：
類鑽石玻璃電漿沉積係藉由將墊修整器(A2813)(其研磨表面上具有複數個無機磨料粒子)放在電漿腔室中來進行。藉由機械泵將空氣從腔室中排出，並且腔室在點引電漿之前達到低於100mTorr的基礎壓力。使用三個步驟以將類鑽石玻璃層沉積在墊修整器的表面上。首先，藉由使用氧氣(50sccm流速)以及300W下之電漿將樣本清潔30秒。接下來，類鑽石玻璃的沉積係藉由在rf功率100至500W下在13.56MHz下使墊修整器的表面暴露於HMDSO/O2或TMS/O2的混合物來進行。電漿導致DLG之a-C：H：Si：O表面的沉積。表1提供所使用之具體氣體及氣體比例。
Figure 107123677-A0202-12-0028-2
測試方法
修整測試方法：
修整係使用具有9吋(23cm)直徑台板的CETR-CP4(可購自Bruker Company)來進行。將9吋(23cm)直徑IC1000墊(可購自Dow Chemical)安裝在台板上，並且將實例墊修整器或比較例墊修整器安裝在CETR-CP4的旋轉轉軸上。修整係分別在93rpm的台板速度及87rpm的轉軸速度下進行。修整器的向下力係6lbs(27N)，並且IC1000墊係藉由墊修整器研磨。在修整期間，去離子水以100mL/min的流速流至台板。
接觸角分析方法：
在測量水(H2O)接觸角(使用水作為潤濕液體)之前，藉由壓縮空氣清潔如下列實例及比較例中所述製備的經塗佈基材樣本以清除雜質粒子。使用去離子水來進行靜態水接觸角測量，該去離子 水係透過液滴形狀分析儀(可以商品編號DSA 100購自Kruss,Hamburg,Germany)上的過濾系統來過濾。所記述的值係在元件上測量的兩液滴測量值的平均。液滴體積係3微升。
實例2至5及比較例1
依照上述類鑽石玻璃(DLG)電漿沉積方法，使用鑽石粒子墊修整器A2813製備實例2至5。比較例1(CE-1)係如收到時原樣使用的A2813墊修整器。具體DLG塗佈條件顯示於下表2。實例2至5及CE-1係使用上述修整測試方法來進行測試。具體修整時間顯示於表2。在修整後，使用上述接觸角分析方法來分析墊修整器的表面。結果顯示於表2。
Figure 107123677-A0202-12-0029-3
實例6至10及比較例1
依照上述類鑽石玻璃(DLG)電漿沉積方法，使用鑽石粒子墊修整器A2813製備實例6至10。比較例1(CE-1)係如收到時原樣使用的A2813墊修整器。具體DLG塗佈條件顯示於下表3。實例6至 10及CE-1係使用上述接觸角分析方法來進行分析。結果顯示於表3。
Figure 107123677-A0202-12-0030-4
實例12及比較例11
依照上述類鑽石玻璃(DLG)電漿沉積方法，使用B5墊修整器製備實例12。比較例11(CE-11)係如收到時原樣使用的B5墊修整器。實例12及CE-11係使用上述接觸角分析方法來進行分析。結果顯示於表4。
Figure 107123677-A0202-12-0030-5
10‧‧‧磨料層
10a‧‧‧疏水性外表面
15‧‧‧第一基材
20‧‧‧個別鑽石粒子
30‧‧‧可適形疏水性層
100‧‧‧磨料物品
1B‧‧‧線

Claims (13)

  1. 一種磨料物品，其包含：一磨料層，其具有一疏水性外表面，該磨料層包括下列中之至少一者：(i)複數個個別鑽石粒子及(ii)複數個具有一可適形鑽石層之經工程設計特徵；及一可適形疏水性層，其接觸且至少部分塗佈該複數個個別鑽石粒子及該可適形鑽石層中之至少一者，並且其中該可適形疏水性層包括類鑽石玻璃且形成該疏水性外表面，並且該疏水性外表面的接觸角大於120度，及其中該疏水性外表面係不含氟。
  2. 如請求項1之磨料物品，其中該可適形鑽石層包括類鑽石碳、微晶體鑽石、及奈米晶體鑽石中之至少一者。
  3. 如請求項1之磨料物品，其中該類鑽石玻璃包括碳、氧、及矽。
  4. 如請求項3之磨料物品，其中以該類鑽石玻璃中之碳、氧、及矽的總莫耳數計，矽的量係25莫耳百分比至35莫耳百分比。
  5. 如請求項3之磨料物品，其中以該類鑽石玻璃中之碳、氧、及矽的總莫耳數計，碳的量係35莫耳百分比至45莫耳百分比。
  6. 如請求項1之磨料物品，其中具有一疏水性外表面之該磨料層包括複數個個別鑽石粒子。
  7. 一種製造一磨料物品之方法，其包含：提供具有一表面的一磨料層，其中該表面包括複數個具有一可適形鑽石層之經工程設計特徵；及沉積一可適形疏水性層，其接觸且至少部分塗佈該可適形鑽石層，藉以形成具有一疏水性外表面的一磨料層；且其中該可適形疏水性層包括類鑽石玻璃，且該疏水性外表面的接觸角大於120度，及其中該疏水性層係不含氟。
  8. 如請求項7之製造一磨料物品之方法，其中該可適形鑽石層包括類鑽石碳、微晶體鑽石、及奈米晶體鑽石中之至少一者。
  9. 如請求項7之製造一磨料物品之方法，其中該類鑽石玻璃包括碳、氧、及矽。
  10. 一種製造一磨料物品之方法，其包含：提供具有一表面的一磨料層，其中該表面包括複數個個別鑽石粒子；及沉積一可適形疏水性層，其接觸且至少部分塗佈該複數個個別鑽石粒子，藉以形成具有一疏水性外表面的一磨料層；且其中該可適形疏水性層包括類鑽石玻璃，且該疏水性外表面的接觸角大於110度，及其中該疏水性層係不含氟。
  11. 如請求項10之製造一磨料物品之方法，其中該可適形鑽石層包括類鑽石碳、微晶體鑽石、及奈米晶體鑽石中之至少一者。
  12. 如請求項10之製造一磨料物品之方法，其中該類鑽石玻璃包括碳、氧、及矽。
  13. 一種拋光系統，其包含：一拋光墊，其包括一材料；一墊修整器，其具有一磨料層，其中該墊修整器包括至少一如請求項1之磨料物品。
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