具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的超级研磨工具及其相关方法的具体实施方式、结构、方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。
在揭露与描述本发明前，应当理解的是，本发明并非限制在之后所揭露的特定的构造、制程步骤或是材料，而是可扩大到被那些相关领域中熟习技艺者所了解的均等物。也应了解的是，在此所使用的专门用语仅被用于叙述特定的实施例，而非意图造成限制。
必须注意的是，除非文章中特定指出其他涵义，说明书以及附加的申请专利范围中所使用的冠词「一」及「该」是包含了多个的用法。因此，举例而言，「一研磨颗粒」包含了一个或更多这样的研磨颗粒。
定义
在描述与请求本发明时，会根据下列提出的定义来使用下列专门用语。
文中所使用的「超级研磨颗粒(Superabrasive Particles)」与「超级研磨砾(Superabrasive Grits)」等用词可交替使用，该用词是指自然或是人造的超硬结晶，或者聚晶物质，或者是前述物质的混合，且包含而不限制于钻石、聚晶钻石，立方氮化硼以及聚晶立方氮化硼。此外，「研磨颗粒」、「磨砾」、「钻石」、「聚晶钻石」、「立方氮化硼」以及「立方聚晶氮化硼」等用词，可相互交替使用。
文中所使用的「超硬(Superhard)」以及「超级磨料(Superabrasive)」等用词可相互交替使用，且该用词是指一结晶，或是一聚晶材料，或者前述材料的混合，这类材料的维克氏硬度(Vicker’s Hardness)为大约4000Kg/mm2或是更高。此材料可包含而不受限于钻石以及立方氮化硼，以及本发明所属技术领域具有通常知识者所知晓的材料。虽然超级研磨材料的惰性极高因而难以形成化学键，然而某些反应物，例如铬或是钛等等，能够与超级研磨材料在某些温度下进行化学反应。
文中所使用的「基材」一词是指工具的一部分，例如CMP修整器的一部分，该部分能支撑研磨颗粒，且研磨颗粒是固定在该部分上。本发明所使用的基材可为任意外形、厚度或者是材料，且其能够通过某种方式而支撑研磨颗粒以充分提供一在其用途上的有用工具。基材可为一固体材料、一粉末状且通过处理而固化的材料、或者一弹性材料。基材的范例包含而不限制于金属、金属合金、陶瓷以及其混合物。此外，该基材可包含硬焊合金材料。
文中所使用的「尖锐部位」一词是指结晶体上的狭窄部位，包含而不限制于角落、脊部、边缘、端点、方尖部(Obelisks)以及其他部位。在一方面，该尖锐点可为一边缘。
文中所使用的「工作端」一词是指一颗粒上朝向该CMP研磨垫的端点，且在修整操作期间该端点接触该研磨垫。最常见的状况下，一颗粒的工作端是远离该颗粒所附加的基材。
文中所使用的「无晶硬焊(Amorphous Braze)」一词是指一同质硬焊合金组成物，其具有一非晶结构。此合金大致上不包含共熔相(EutecticPhases)，其加热时会产生不一致的熔融。虽然难以确保精确的合金组成物，文中所使用的无晶硬焊合金应在一狭窄的温度范围内大致上呈现一致的熔融作用。
文中所使用的「合金」一词是指一金属与一第二材料的固态或是液态混合物，其中该第二材料可为非金属(例如碳)、金属或是一合金，并且该第二金属能加强或是增进该金属的特性。
文中所使用的「金属硬焊合金(Metal Brazing Alloy)」、「硬焊合金(Brazing Alloy)」、「硬焊合金(Braze Alloy)」、「硬焊材料(BrazingMaterial)」以及相似的用词等，皆可相互交替使用，且该用词是指一能够与该超级研磨颗粒进行化学键结，并且能够与基质支撑材料或是基材进行化学键结的金属合金，藉此令两者相固定结合。文中所揭露的特定硬焊合金成分以及组成物不限定于其所关连的特定实施例，而是可使用于本发明于文中所揭露的任何实施例。
文中所使用的「硬焊」一词是指在超级研磨颗粒与硬焊层的原子之间所产生的化学键结。此外，「化学键结」一词是指共价键结，例如碳化物、氮化物或是硼化物，而非指机械或是更弱的原子间引力。因此，当「硬焊」一词与超级研磨颗粒相关连时，则形成一真正的化学键结。然而，当「硬焊」一词与金属与金属间的键结相关连时，该用词是指更为传统的冶金学键结。因此，将一超级研磨块硬焊到一工具本体上时，不需要使用碳化物、氮化物或是硼化物形成物。
文中所使用的「金属的」一词是指任何形式的金属、金属合金或是其混合物，且特别包含而不限制于钢、铁以及不锈钢。
文中所使用的「格网(Grid)」一词是指形成多个方形的线条的图形。
文中所使用的「状态(Attitude)」一词是指为一超级研磨颗粒相对一定义表面的位置与配置，例如超级研磨颗粒所设置到的基材，或是其在工作运行期间所要应用的CMP研磨垫。举例而言，一超级研磨颗粒可具有一状态，该状态使该颗粒的一特定部位被定向朝向一CMP研磨垫。
文中所使用的「大致上」一词是指一作用、特征、性质、状态、结构、物品或结果的完全或近乎完全的范围或是程度。举例而言，一物体「大致上」被包覆，其意指被完全地包覆，或者被几乎完全地包覆。其确切可与绝对完全相比所允许的偏差程度，可在某些例子中取决于说明书特定内文。然而，一般而言，接近完全时所得到的结果将如同在绝对且彻底完全时得到的全部结果一般。当「大致上」被使用于描述完全或近乎完全地缺乏一作用、特征、性质、状态、结构、物品或结果时，该使用方式亦是如前述方式而同等地应用的。举例而言，一「大致上不包含」颗粒的组成物，是可完全缺乏颗粒，或是近乎完全缺乏颗粒而到达如同其完全缺乏颗粒的程度。换言之，只要一「大致上不包含」原料或元素的复合物所受到的影响是无法被量测的，该复合物实际上仍可包含这些原料或是元素。
文中所使用「大约」一词是以给予一数值「稍许高于」或是「稍许低于」一数值范围的端点，藉此来提供该数值范围端点的弹性。
文中所使用的多个物件、结构元素、组成元素和/或材料会列于一通用清单中以增进便利性。然而，须分别将这些清单中的各个部分视为互相分离且独立的部分。因此，不应单单只因为一清单内同一群组内的多个部分没有相反的特性，就将清单中其中一独立部分解释为与同一清单中的任何其他部分实质上相同。
浓度、数量以及其他数值资料可以一范围形式表达或呈现。应了解的是，此范围形式仅仅为了方便与简洁而使用，因此该范围形式应该被弹性地解释为不仅包含了被清楚描述以作范围限制的数值，亦包含在该范围中的所有独立数值以及子范围，犹如清楚地引述各独立数值以及子范围一般。举例而言，「大约1到大约5」的数值范围应被解释为不仅仅包含所清楚描述的数值范围，亦应进一步解释为包含在该数值范围中的独立数值以及子范围。因此，此数值范围内包含诸如2，3，以及4等独立数值，包含诸如1-3，2-4以及3-5以及1，2，3，4及5等子范围。此相同的法则适用于仅引述单一数值作为下限或是上限的范围。此外，此解释方式适用于任何幅度的范围以及任何所述的特性。
本发明
本发明提供超级研磨工具，其在一基材上以一薄硬焊层来将定向的超级研磨颗粒固定在该基材上，本发明并提供该超级研磨工具的相关方法。已发现设置在一液态熔融硬焊材料上的超级研磨颗粒会因为毛细现象进行旋转并且下沉到该硬焊材料之中。由于熔融硬焊材料层一般使用于先前技术中，超级研磨颗粒旋转且停止时，多数超级研磨颗粒会以一平坦面朝上。如图1A所示(先前技术)，一超级研磨颗粒12设置在一硬焊层14上，该硬焊层14是设置在一基材上16。图1B(先前技术)显示该超级研磨颗粒12跟随该硬焊层14的液化作用。如图所示，该超级研磨颗粒在该硬焊层中进行旋转。较厚的硬焊层允许钻石颗粒在下沉时进行更大幅旋转。图1C(先前技术)显示该超级研磨颗粒12嵌入该固化的硬焊层14中并且其一表面18被定向为远离该基材16。此一以表面朝上的结构并无法以非常有效率的方式穿刺一工件，例如一CMP研磨垫。
在许多情况下，将该超级研磨颗粒的边缘或是尖端定向于作为工作端时，能够更有效率地穿刺与修整该研磨垫。藉由限制该硬焊层的厚度，能够限制该超级研磨颗粒的旋转。如图2A所示，一超级研磨颗粒22设置在一尚未进行液化的硬焊层24上，且停止时主要以一表面25朝向该硬焊层24。在该硬焊层24液化后，如图2B所示，该超级研磨颗粒22会由前述的停止状态，开始以一非常均匀的方式下沉且旋转，直到被下方的基材26所阻止。图2C显示该硬焊层24的厚度限制该超级研磨颗粒22的旋转，因此，在图2C的例子中，超级研磨颗粒22的一端点28被定向为远离该基材26。因此限制旋转量可有助于将超级研磨颗粒的边缘、端点、或是边缘或端点定向为远离该基材而以作为工具成品。
因此，在本发明一方面，其提供一对超级研磨颗粒的方向进行定向的方法。此一方法可进一步包含：散布多个超级研磨颗粒到一无晶硬焊层上，其中该无晶硬焊层设置在一基材上；熔融该无晶硬焊层以使该多个超级研磨颗粒进行旋转以及下沉进入该无晶硬焊层，其中该无晶硬焊层的厚度足以令该基材停止该多个超级研磨颗粒的旋转与下沉，并使超级研磨颗粒的处于让大致上所有超级研磨颗粒的工作端为尖锐部分的状态；以及冷却该无晶硬焊层以形成一无晶硬焊层。
本发明更提供根据文中所呈现的多种方面的超级研磨工具。在一方面，本发明提供一超级研磨工具，其具有一基材，且在该基材通过一无晶硬焊层而结合有多个超级研磨颗粒，该无晶硬焊层的厚度少于或是等于该多个超级研磨颗粒的平均直径的1/3，且其中大致上所有的超级研磨颗粒具有一状态，该状态是使得该多个超级研磨颗粒的工作端为尖锐部分。
硬焊层的厚度可依据超级研磨颗粒的尺寸以及超级研磨颗粒在特定硬焊层中的旋转特性。根据一般的姆指规则，然而，该无晶硬焊层的厚度可为少于超级研磨颗粒平均直径的1/3。同时，需要以充足的硬焊材料包覆该超级研磨颗粒以在研磨或是修整操作中能维持。虽然最小厚度可根据该工具的不同性质做出改变，该无晶硬焊层可大于该多个超级研磨颗粒的平均直径的1/5。应注意的是，该硬焊层填充有超级研磨颗粒的部分不列入厚度的计算之内，因此，应该从相距该超级研磨颗粒的一充分距离处开始量测厚度以避免将那些被包覆的材料的厚度列入计算。此外，亦可使用一保护层来增进在该薄硬焊层之中保留超级研磨颗粒的保留程度，将于下文中更详述该保护层。
此外，亦应考量该硬焊层的粘性能够影响超级研磨颗粒的旋转与下沉特性。因此，可调整或是预选该硬焊层的粘性以允许超级研磨颗粒能以特定的旋转以及下沉条件达成所要达到的状态。可在该硬焊合金中加入添加物、选择特定的合金成分、以及改变合金在液相中的温度等等来改变粘性。
本发明在各方面可使用各种不同类型的超级研磨颗粒。举例而言，在一方面，此类材料可包含钻石、聚晶钻石、立氮化硼、聚晶立方氮化硼以及其结合。在某些方面，该超级研磨颗粒可包含钻石。在另一方面，该超级研磨颗粒可包含碳化硅、氧化铝、氧化锆、碳化钨以及其结合。
此外，超级研磨颗粒可具有一预设外形。举例而言，研磨颗粒可为自形(Euhedral)或是八面体(Octahedral)或是立方八面体(Cubo-octahedral)。虽然在本发明范畴中，实际上该超级研磨颗粒可具有任何尺寸，在一方面，该超级研磨颗粒的尺寸可为从100到350微米。此外，该超级研磨颗粒可被定向为相对研磨垫朝向各种不同方向，且有主要三种方向或是状态可影响该超级研磨颗粒的切割或是修整行为。前述主要的状态是暴露超级研磨颗粒的尖端、边缘或是表面，使其朝向一即将被修整的CMP研磨垫。
将超级研磨颗粒相对该即将被修整的CMP研磨垫定向于一的特定状态，能创造具有不同粗糙部的研磨垫表面，因此而改变了CMP研磨垫的效能。不同的粗糙部以不同方式维持浆体，也因此根据粗糙部的深度、宽度以及密度等等来对晶圆或是其他工件进行不同的抛光。该CMP研磨垫修整器的超级研磨颗粒可因此根据所要的CMP研磨垫抛光特性来进行定向。举例而言，若是该超级研磨颗粒主要地以一尖端朝向该CMP研磨垫，则该粗糙部会较为狭展且较深。狭窄且深的粗糙部的优势在于使该研磨垫能够较佳地维持抛光浆体，且因此增加对晶圆的抛光速率。然而，增加抛光速率亦会增加该超级研磨颗粒的磨损速率。因此，磨损速率可依据超级研磨颗粒的状态进行改变，且因此，当要设计出一有其预期效能的装置，可考虑各超级研磨颗粒的方向。一般而言，超级研磨颗粒提供更高修整速率的状态(例如对一研磨垫有更深的穿刺性)亦会以高速率磨损颗粒本身。
反之，若该超级研磨颗粒被定向为以一表面朝向该抛光垫，则其造成的粗糙部会以一低速率进行抛光。该超级研磨颗粒一般被认为是更耐用，但是一般无法切割出深且狭窄的粗糙部，而是产生浅且宽广的粗糙部。因此，一超级研磨颗粒的表面部位相较颗粒的尖端部位会以较低的速率修整一CMP研磨垫，但是超级研磨颗粒会以较低的速率进行磨损。
一超级研磨颗粒的边缘部位的修整与磨损的特性是介于表面部位以及尖端部位之间的特性。已考虑若是使用边缘部位来修整一CMP研磨垫，其上的粗糙部并不会如同以尖端部位修整的粗糙部来的一样的深以及窄，但是该粗糙部会具有理想的居中特性。此外，该超级研磨颗粒的边缘部位不会如同尖端部位般以高速率磨损。因此，一个使用超级研磨颗粒所暴露出的边缘部位的一部分或是所有部分的CMP研磨垫修整器能提供多种益处。
此外，颗粒的配置以及用于将超级研磨颗粒以预设配置(例如格网)固定到一基材上的方法与材料可如同美国第6,039,641号专利、第6,286,498号专利、第6,368,198号专利、以及申请人在申请中的美国第10/109,531号专利申请案(其申请日为2002年3月27日)所揭露，这些案件整合于本文之中，整体作为参考。
本发明硬焊合金可以一薄片、粉末或是连续片状的无晶硬焊合金形态提供。本发明有许多提供硬焊合金的方式。举例而言，可先混合一硬焊合金粉末以及一适合的结合剂(通常为有机类)以及一能够溶解该结合剂的溶剂。接着将此混合物与一具有适当粘性的浆体或是类似面团物进行混合。为了避免粉末在制程期间凝结成块，亦可加入一适当的润湿剂(例如鲱鱼油(Menhaden Oil)、磷酸酯等等)。该浆体可倒在一塑胶带上，并且在一刀片或是水平装置下方进行拉伸。藉由调整刀片以及塑胶带之间的间距，可将该浆体铸造为一具有所需厚度的板材。该塑胶带铸造法是用于以粉末材料制造薄片的已知的方法，且亦能在本发明中良好使用。超级研磨颗粒可接着设置在该通过塑胶带铸造的浆体之上。
该硬焊合金亦可以一无晶硬焊合金的薄片形式进行提供。无晶硬焊合金薄片可为弹性或是刚硬，且可基于所需的工具轮廓而有着适当的外形。此硬焊合金薄片亦有助于均匀地分布硬焊材料于该工具的表面上。该硬焊合金薄片不具有粉末或是结合剂，而是仅仅具有同质硬焊之组成物。已知道无晶硬焊合金有益于本发明，且当其进行加热时，大致上不具有会造成不一致熔融的共熔相。虽然难以保证精确的合金组合，本发明所使用的无晶硬焊合金，在一相对狭窄的温度范围之中应展现大致上一致的熔融行为。因此，在硬焊制程中的加热部分中，该合金的大部分不会形成纹理或是晶相(例如通过玻璃化(Vitrification))。此外，该无晶硬焊合金的熔融行为不同于烧结，烧结需要减少或是消除合金材料颗粒之间孔洞，而孔洞并不存在于无晶形式的合金之中。然而，原无晶硬焊材料在通过缓慢冷却制程进行结晶化的期间可形成非同质相。一般而言，无晶合金以快速将液体冷却为固体的方式而形成，藉以避免局部的结晶化以及组成物的改变。明显地，在文中的每一制程，该硬焊合金可呈现为一薄片，薄膜或是其他冲压制造的层结构，这些结构则符合所需的工具部分外形。
或者，可混合一粉末状的硬焊合金以及一适当的结合剂及其溶剂以形成一可变形的块状物。该块状物可接着挤过一个具有狭缝开口的冲模。该开口的间隙决定所挤出板材的厚度。或者，该材料可在两个具有可调间距的滚筒之间进行拉伸以形成具有正确厚度的薄片。
在一方面，该硬焊合金可大致上不包含锌、铅以及锡。其中一个商业上可得的粉末硬焊合金是试用于本发明，其商标名称为NICROBRAZ LM(7wt％铬、3.1wt％硼、4.5wt％硅、3.0wt％铁、0.06wt％碳的混合物，以及其余为镍)。其他适当的合金包含铜、铝以及具有铬、锰、钛与硅的镍合金。在一方面，该硬焊合金可包含铬。在另一方面，该硬焊合金可包含一铜与锰的混合物。在又一方面，该硬焊合金可包含镍或是铜以作为主要成分。在又一方面，铬、锰以及硅的量可为至少大约5重量百分比。在另一方面，该合金可包含铜与硅的混合物。在又一方面，该合金可包含铝与硅的混合物。在又另一方面，该合金可包含镍与硅的混合物。在另一方面，该合金可包含铜与钛的混合物。
较佳状态中，该钻石硬焊材料包含至少3重量百分比的碳化物形成物，其选自铬、锰、硅、钛、铝、其合金以及其混合物。此外，该钻石硬焊材料应具有少于摄氏1100度的液化温度以避免在硬焊制程中损害钻石。一商业上可得且能在充分低的温度下熔融的无晶硬焊合金薄片是由Honeywell公司所制造的无晶硬焊合金薄片(MBF)，其具有NICROBRAZ LM成分。该薄片大约为0.001的厚度，且一般在摄氏1010到1013度之间熔融。
该硬焊制程可在一控制气压执行，例如真空下，通常为10-5托耳(Torr)，在惰性环境(氩气、氮气)或是低压(例如氢气)之中。此气压可增加硬焊合金对于基质支撑材料的渗透，也因此能增强钻石硬焊或是基质硬焊的结合性。
在本发明某些方面，可在该无晶硬焊层上沉积一额外的保护层。如图3所示，一超级研磨颗粒32嵌入于一无晶硬焊层34之中，该无晶硬焊层34停留于一基材36上。一保护层40沉积在该无晶硬焊层34上。此一保护层可对下方的无晶硬焊层提供避免腐蚀的保护性，且可增进超级研磨颗粒在无晶硬焊层中的保留度。
在本发明一方面，该保护层可电沉积在该无晶硬焊层上。可考虑各种材料来作为一保护层，然而，在一方面，可使用镍作为保护层。此外，该保护层的厚度可依据无晶硬焊层的厚度以及工具的工作条件而进行改变。在一方面，然而，该无晶硬焊层以及保护层可具有一附加厚度，该附加厚度小于或是等于该多个超级研磨颗粒的平均直径的3/4。在另一方面，该无晶硬焊层以及该保护层的附加厚度是少于或是等于该多个超级研磨颗粒的平均直径的1/2。
该基材材料可为能够支撑使用中的超级研磨颗粒且能够抵抗硬焊状态的任何材料。因此，在本发明的各方面，该基材可以金属、陶瓷、粉末或是金属粉末来制造。其中一个有用的基材材料是不锈钢。
在本发明另一方面，已发现对大部分或者大致上所有的超级研磨颗粒进行定向，使其边缘，或是在某些方面使尖锐部位作为工作端(例如，在修整操作时朝向研磨垫)，相较具有以任意方向或是其他方向定位超级研磨颗粒的修整器而言，其对于CMP研磨垫的修整速率有着戏剧性的增加。在某些方面，修整速率可增加至少一倍以上。在其他方面，修整速率可大约两倍或是更多。在其他方面，修整速率可大约三倍或是更多。
范例
范例一：
将具150微米尺寸的钻石颗粒胶合在一以镍、铬、硼、硅组成的无晶硬焊合金(Metglass)上，该无晶硬焊合金胶合在一不锈钢基材上。前述组件在真空下加热以使得该钻石颗粒下沉并且旋转到该无晶硬焊合金上且到达一状态，该状态是使一尖锐部位定向于远离该基材。该无晶硬焊层进行冷却以结合该钻石颗粒，且无晶硬焊层厚度少于50微米。该硬焊钻石碟上电沉积有一镍层，该镍层厚度为钻石颗粒平均尺寸的大约一半。为了避免钻石颗粒上的镍过度生长，以盐酸清洗该硬焊钻石以剥除在硬焊过程中以金属蒸气粘附在钻石表面的金属原子。
范例二：
范例二与范例一相同，惟以一金属网(Mesh)事先胶合在该无晶硬焊合金上。钻石颗粒散布于该金属网上时可让钻石以一预设图形进行间距分布。冲洗掉多余的钻石，并且留下依据格网图形分布的钻石。金属网的孔洞大约为钻石尺寸的1/3到1/2，且因此该钻石颗粒可进行定向以使一尖端向下朝向该无晶硬焊层。硬焊之后，金属网完全结合在基材上，且因此能将钻石颗粒支撑固定在网孔内。接着该组件进行如前所述的酸处理以及电沉积处理。
范例三：
范例三与范例二相同，惟以一青铜薄片(铜锡合金)取代无晶硬焊合金，且钻石颗粒镀有钛。在硬焊制程期间，青铜硬焊材料会与在钻石上形成碳化物的钛相融合。相较于具有镍合金的制程温度(摄氏900-1000度)，此制程可在低上许多的温度(例如摄氏700-800度)下执行。钻石结晶的完整性容易在高温下被内部的催化剂(铁、镍)所破坏，此低温可维持钻石结晶的完整性。
在不违背本发明范畴及精神的前提下，本发明所属技术领域具有通常知识者可做出多种修改及不同的配置，且本发明的权利要求则意图涵盖这些修改与不同的配置。因此，当本发明中目前被视为是最实用且较佳的实施例的细节已被揭露如上时，对于本发明所属技术领域具有通常知识者而言，可依据本文中所提出的概念与原则来作出而不受限于多种包含了尺寸、材料、外形、形态、功能、操作方法、组装及使用上的改变。