由自规避磨粒阵列制造的磨具制造技术

本发明专利技术涉及包含磨粒的磨具，所述磨粒按照不均匀图案定位于阵列中，所述不均匀图案在每个磨粒周围都具有专属区，所述专属区具有大于磨粒所要求粒度范围的最大直径的最小尺寸。本发明专利技术描述了设计这种磨粒自规避阵列和将这种阵列转移至磨具主体的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
开发出一种设计和制造磨具的方法以及由该方法制造的独特磨具。在该方法中，独立磨粒被置于受控的、随机空间阵列中，使这些独立磨粒是非邻近的。在磨具研磨表面上的随机但受控的磨粒阵列能产生最佳的研磨作用，从而提高效率并始终如一地形成平坦的工件表面。
技术介绍
已经发现，各类磨具上均匀、图案化的磨粒排布能改善磨具性能。一种此类磨具，即为精细、精确磨削操作所设计的“经过设计的”或“经过结构化的”涂覆磨具在过去的十年中已经实现了商用化。这些涂覆磨具的典型设计如美国专利A-5014468，A-5304223，A-5833724，A-5863306和6293980B中所述。在这些磨具中，有成形的复合小结构作为单层以规则图案形式重复出现在柔性背衬片的表面上，所述成形的复合小结构例如是三维锥体、金刚石、线条和六棱柱形，所述成形的复合小结构中包含固定在粘结材料之中的大量磨粒。这些磨具已经被应用于自由切削，磨粒复合体之间的敞开的空间可供冷却剂研磨和加速碎屑清除。超级磨具类中具有成形的刚性垫盘或芯体的类似磨具如美国专利6096107中所公开的。磨具被设计成具有以均匀网格图案排布的单层磨粒，所述均匀网格的图案可以是正方形、圆形、矩形、六边形或其它重复的几何图案，这些磨具已经被用于多种精抛光应用中。图案中可以包含分布在单层中的独立磨粒或多个磨粒的颗粒，颗粒之间被空间分隔。特别是在超级磨具中，均匀的磨粒图案被认为能够提供比磨具上磨粒的随机排布所达到的更平坦、更光滑的表面抛光效果。这些磨具如美国专利6537140B1、A-5669943、A-4925457、A-5980678、A-5049165、6368198B1和A-6159087中所公开。因此，已经按照对高成本半成品工件进行均匀研磨所要求的高度精确规范，设计和制造了各种磨具。作为电子工业中这些工件的一个例子，半成品的集成电路必须经过研磨或抛光，除去通过蚀刻或不进行蚀刻选择性沉积在晶片的多个表面层中过量的陶瓷或金属材料(如二氧化硅或其它陶瓷或者玻璃基底材料)。对半成品的集成电路上新形成表面层进行的平面化是通过化学机械平面化(CMP)方法，使用研磨浆料和聚合物垫进行的。所述CMP垫必须连续或定期用磨具进行“修整”。“修整”消除了因为累积碎屑和研磨浆料颗粒被压入垫的抛光表面所引起的垫变硬或磨光现象。“修整”作用在垫的整个表面上必须是均匀的，这样，经过修整的垫才能在晶片的整个表面上对半成品晶片进行平面化。控制修整工具上的磨粒位置，从而在垫的抛光表面上形成能均匀摩擦的图案。磨具两维表面上磨粒的完全随机排布通常被认为是不适用于对CMP垫进行修整。有人建议按照磨具研磨表面上某些确定的均匀网格来对每个磨粒进行定位，通过这种方法来控制CMP修整磨具上的磨粒位置(如参见美国专利6368198B1)。但是均匀网格磨具存在某些局限。例如，均匀网格在磨具运动中引起周期性振动，从而导致该垫上出现波纹或周期性凹槽，或者导致磨具或抛光垫出现不均匀磨损，极端情况下会转移至半成品工件的内表面。日本专利2002-178264中公开一种在磨具基底上的单层中形成磨粒的不均匀网格图案的方法。在制造这些磨具时，首先确定具有均匀、两维图案的虚拟网格，比如一系列的正方形，磨粒将被置于网格中的线的交点处。然后，随机选择网格中的某些交点，从这些交点处转移磨粒，将磨粒移动小于平均磨粒直径三倍的距离。这个方法并没有规定可保证独立磨粒的排布处于沿着x或y轴的数字序列中，从而也无法保证当磨具沿着直线路径擦过工件时，最后形成的磨具表面能产生始终如一的研磨作用，接触区中不存在明显的间隙或差别。这个方法也无法保证每个磨粒周围具有确定的专属区，从而同时存在磨粒密集区域和在磨粒之间的间隙的区域，导致完成的工件表面品质不均匀。本专利技术不存在日本专利2002-178264的这些缺点，利用本专利技术的方法能够制造出在随机但受控的两维阵列中的每个磨粒周围都具有确定专属区的磨具。而且，所制造出的磨具中的磨粒位置具有沿磨具研磨表面的x和/或y轴的随机化数字序列，所以能产生一致的研磨作用，当磨具沿着直线路径擦过工件时，接触区中没有明显间隙或差别。采用通过将单独磨粒置于丝网模板或多孔片的缝隙中排列而成的磨粒均匀网格阵列制造的现有技术磨具(如美国专利A-5620489中所述)局限于这种网格的静态、均匀的结构尺寸。这些丝网和均匀多孔片只能产生具有规则尺寸网格(通常是正方形或金刚石形状的网格)的磨具设计。相反，本专利技术的磨具可以在磨粒之间采用不均匀的、长度各异的间距。由此可以避免周期性振动。没有了丝网模板尺寸，磨具的切割表面可以包含更高浓度的磨粒，可以采用更细的磨粒尺寸，同时仍然对磨粒排布进行控制。对于CMP垫的修整而言，据信磨具上磨粒的浓度越高，则与垫接触的研磨点数量越多，而且从垫的抛光表面清除累积的氧化物碎屑和其它磨光材料的效率越高。因为CMP垫相对较软，所以小尺寸磨粒适用于该应用中，并且可以使用浓度相对更高的更小尺寸的磨粒。此外，在用本专利技术的磨具进行圆周磨削操作时，当磨具以直线方式运动时，在非邻近磨粒的受控、随机阵列中的每个磨粒将遵循工件表面的不同、自规避路径或直线。这一点不同于具有均匀网格磨粒阵列的现有技术磨具的特点是有利的。在均匀网格中，具有网格上相同x或y尺寸的各磨粒将沿着工件表面，以和位于相同x或y尺寸处所有其它磨粒相同的、同样横穿垫的路径或直线。以这种方式，现有技术的均匀网格磨具倾向于在工件表面上形成“沟槽”。本专利技术的磨具在最大程度上减轻了这些问题。以旋转方式而非直线方式工作的磨具表现出不同的情况。对于“平面”或表面磨削工具，磨粒的规则阵列具有多重的旋转对称性(如正方形的均匀网格具有四重旋转对称性，六边形的均匀网格具有六重旋转对称性等)，而本专利技术的磨具只具有一重旋转对称性。因此，本专利技术磨具的重复周期要长得多(如，比正方形均匀网格长4倍)，其净效应是，与具有规则、均匀磨粒阵列的磨具相比，本专利技术的磨具在最大程度上减少了工件上形成的规则图案。除了在周边磨削和CMP垫修整中实现的益处之外，本专利技术的磨具在各种制造过程中也提供了益处。这些过程包括，例如研磨其它电子元件，背磨陶瓷晶片，抛光光学元件，抛光具有塑性变形特征的材料，磨削如钛、因科镍合金、高强度钢、黄铜和紫铜等“长切屑”材料。虽然本专利技术特别适用于制造工作平面上具有单层磨粒的磨具，但是可以将两维磨粒阵列弯曲或成形为中空的三维圆柱形，从而适用于构建成固定于磨具表面的圆柱形三维磨粒阵列的磨具(比如旋转整修工具)。通过将承载有粘结的磨粒阵列的片材卷成卷，磨粒阵列可以从两维片或结构转换成立体的三维结构，从而形成一种螺旋结构，该螺旋结构中的每个磨粒都在z方向上随机地偏离于每个相邻磨粒，并且所有磨粒在x、y和z方向上都是不邻接的。本专利技术还适用于制造许多其它种类的磨具。这些磨具包括，例如表面磨盘，在刚性工具内芯或轮轴周围包含磨粒的轮缘的边磨具，以及在柔性背衬片或膜上包含单层磨粒或磨粒/粘结剂复合体的磨具。专利技术概述本专利技术涉及一种制造每个磨粒周围都具有选定专属区的磨具的方法，所述方法包括以下步骤(a)选择具有确定尺寸和形状的两维平面区域；(b)为所述平面区域选择要求的磨粒尺寸和浓度；(c)随机产生一系列两维坐标值；(d)将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造在每个磨粒周围具有选定的专属区的磨具的方法，所述方法包括以下步骤：　　　　（ａ）选择具有确定尺寸和形状的两维平面区域；　　　　（ｂ）为所述平面区域选择要求的磨粒尺寸和浓度；　　　　（ｃ）随机产生一系列两维坐标值；　　　　（ｄ）将每对随机产生的坐标值限定为与任何相邻坐标值对相差一个最小值（ｋ）的坐标值；　　　　（ｅ）产生有足够数量坐标值对的限定的、随机产生的坐标值阵列，以点的形式绘制在图上，为所选定的两维平面区域产生要求的磨粒浓度和所选定的磨粒尺寸；和　　　　（ｆ）将磨粒居中放置在所述阵列的每个点处。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：RWJ霍尔，JM莫尔特，CA贝特曼，
申请(专利权)人：圣戈本磨料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]