專利名稱：磨具及其生產和使用方法
技術領域：
本發明一般涉及具有一定性能指標的磨具，涉及這種磨具的生產方法和使用方法。
背景技術：
一般希望磨具在進行拋光或研磨操作時具有較高的研磨精度。但眾所周知的是，目前的磨具生產方法所提供的磨具雖然結構相同，其性能特征也彼此有所不同。這種差異的部分起因是用來生產磨具的原料的質量和性質不穩定。因此，磨具性能不穩定是這種生產方法的必然結果。除此之外，磨具的生產廠家在制定產品規格時，常常放寬性能差異范圍，從而提高產品合格率。磨具的這些不確定性使得人們難以預知磨具在特定用途中的具體性能，甚至在同一拋光或研磨方法中，用磨具替代結構相同的磨具部件時也是如此。
對于傳統的人工研磨或拋光方法，通常在工件表面上除去了一定量的材料，或者在達到了所需的表面光潔度后，就認為研磨或拋光完成。在加工過程中，隔一段時間進行一次測定，連續多次測定之后，即可確定加工的終點。現在用自動方法代替這種人工研磨/拋光方法的情況越來越普遍，而自動方法要求在對多個工件進行連續加工之前預先設定加工條件，并且希望在將磨具付諸應用之前，生產磨具的方式允許調整加工條件。
由于磨具的生產中存在固有變數，使用磨具的方法往往要求在現有加工線上更換磨具時可以調整加工條件。舉例來說，對這種生產條件的改變包括將磨具加在工件上的壓力、磨具與工件的接觸時間或相對于工件的運動速度(例如厘米/分鐘、轉/分鐘等)。這些研磨加工條件的調整將降低生產率、增加生產成本，因為新加工條件的設定通常只有在新磨具裝入加工線之后才能確定，而且新磨具的性能剛開始是在前一個磨具所設定的加工條件下觀察的。這種調整方法費時又費力，還可能在調整過程中損壞一個或多個工件，因為只有當新磨具的性能在同一加工線上至少經過一次觀察之后，才可以調整研磨加工條件，使之適應新磨具。
雖然需要提高研磨性能的可預測性，但新的或替換的磨具在實際用于研磨加工線之前，仍然需要試用并進行誤差評定。盡管生產廠家已經在他們的磨具上標出了磨粒組成、粒徑等，但研磨領域還未能為磨具的生產開發出一種方法，該方法生產的磨具能標注上使制品的終端用戶可根據它調整磨具初始加工條件的性能指標。
性能指標的創立和使用解決了長期想要解決但未能解決的需求，這個需求就是磨具的終端用戶可根據它提供的方法，在初次使用磨具之前就能調整初始加工條件。
發明概述本發明提供了附有性能指標的磨具。一方面，本發明涉及一種有研磨面的磨具；還涉及附在磨具上的性能指標，該指標從一個方面表征了制品的研磨性能。
附在磨具上的性能指標提供了一種方法，制品的終端用戶用它可以確定要進行研磨操作的磨具的加工條件。該磨具可以是本領域技術人員所知道的各種磨具，性能指標可以任何方式附在磨具上。例如，性能指標可附在制品的研磨面上，可附在其背面或其他非研磨面上，或者附在裝運、展示和/或銷售磨具的包裝上。
性能指標可基于已知外加壓力下磨具以已知運動速度進行一預定時間的磨削時測得的磨削速度。如果基于磨速率，性能指標可表示為磨速率，也可以是磨速率與(a)外加壓力、(b)磨具運動速度或(c)預定時間之一的比率。或者，性能指標也可基于磨具在已知外加壓力和運動速度條件進行預定時間研磨后在表面上測得的表面光潔度。性能指標可附在(例如粘貼在)磨具上，也可以存儲在數據庫中，使磨具具有某種標記，利用此標記可進入數據庫獲得性能指標。這種標記可以具有機讀格式，例如條形碼。
另一方面，本發明提供了生產上述磨具的方法，該方法包括(a)提供具有研磨面的磨具；(b)提供具有可研磨表面的工件；(c)外加已知壓力使研磨面緊貼可研磨表面，以一定速度在預定時間內相對移動磨具和可研磨面，對所述研磨面進行研磨；(d)根據磨具在研磨步驟(c)中的研磨性能，設計一種性能指標；
(e)將性能指標附于磨具上。
另一方面，本發明提供了對工件進行研磨的方法，它包括(a)提供附有性能指標的磨具；(b)利用該性能指標確定用磨具對工件研磨的方法條件；(c)在步驟(b)中確定的方法條件下相對移動磨具和工件。
通過下面結合附圖和權利要求所作的詳細介紹，本領域的技術人員將能更好地理解本發明的眾多特征和優點。
附圖簡述在描述本發明的一些優選實施方式時，將結合各個圖，其中相同的標注數字表示相同的特征
圖1是根據本發明的原理測定性能指標的一種裝置實例的示意圖；圖2是根據本發明的原理測定性能指標的另一種裝置實例的示意圖；圖3是本發明載有性能指標的磨具的俯視圖；圖4是圖3所示磨具的側面圖。
優選實施方式詳述本發明提供了附在磨具上的性能指標。該指標可在初次生產磨具時確定，它為終端用戶等在第一次使用該新磨具之前調整研磨(例如研磨、精研或拋光)方法的初始條件提供方便。在更換磨具時，利用性能指標有助于調整或改變方法條件來獲得穩定的研磨和/或拋光的結果。
本發明的性能指標可用于用各種類型的磨具，即涂敷磨具、表面調理磨具(例如非織造磨具)、精研膜、研磨輪、金屬粘結劑等，表征各種構型的研磨、精研和/或拋光工具(例如環帶狀、墊片狀、盤狀等)。
現在看附圖。圖1簡要示出了研磨性能測試裝置20的一個實例，可用來表征磨具22的性能，根據本發明的方法確定性能指標。裝置20可直接安裝在磨具22的生產線上，這樣磨具22在生產操作中就可以標上性能指標。性能指標以后可由終端用戶用來調節用磨具22進行的拋光或研磨方法的初始條件雖然本發明不受所用磨具類型的限制，但為方便起見，本發明還是就磨具22進行敘述。這種磨具在結構上通常有一個背襯，而研磨面就涂敷在背襯上。研磨面通常包含粘合劑(例如聚合物、陶瓷、金屬等粘合劑)和磨粒，此研磨面可對工件表面進行所需的拋光。磨粒可分散在粘合劑中，可以只在粘合劑部位的外表面上也可以既在粘合劑部位的外表面上又在其內部。磨粒可以是常規硬磨粒和/或較軟的磨粒，包括有機和無機顆粒。磨粒可以是單個粒子形式，也可以是單個粒子分散在次級粘合劑物系中形成的團聚物，或者是包含磨粒和/或團聚物和粘合劑的突起復合體。
硬磨粒有熔凝氧化鋁、熱處理氧化鋁、白熔凝氧化鋁、黑碳化硅、綠碳化硅、二硼化鈦、碳化硼、碳化鎢、碳化鈦、金剛石、立方氮化硼、石榴石、熔凝氧化鋯鋁、溶膠凝膠法磨粒等。常規較軟的無機磨粒的例子有氧化硅、氧化鐵、氧化鉻、氧化鈰、氧化鋯、氧化鈦、硅酸鹽和氧化錫。軟磨粒的其他例子有金屬碳酸鹽(如碳酸鈣(白堊、方解石、泥灰、石灰華、大理石和石灰石)、碳酸鎂鈣、碳酸鈉、碳酸鎂)、氧化硅(如石英、玻璃珠、玻璃泡和玻璃纖維)、硅酸鹽(如滑石、粘土、(蒙脫石)長石、云母、硅酸鈣、原硅酸鈣、硅酸鋁鈉、硅酸鈉)、金屬硫酸鹽(如硫酸鈣、硫酸鋇、硫酸鈉、硫酸鈉鋁、硫酸鋁)、石膏、三水合氧化鋁、石墨、金屬氧化物(如氧化鈣(石灰)、氧化鋁、二氧化鈦)和金屬亞硫酸鹽(亞硫酸鈣)、金屬顆粒(如錫、鉛、銅等)等。
較軟的有機顆粒有塑料磨粒，它由熱塑性材料形成，如聚碳酸酯、聚醚亞酰胺、聚酯、聚乙烯、聚砜、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、聚丙烯、縮醛聚合物、聚氯乙烯、聚氨酯、尼龍和它們的混合物。塑料磨粒也可由交聯聚合物形成。交聯聚合物的例子包括酚醛樹脂、氨基塑料樹脂、聚氨酯樹脂、環氧樹脂、蜜胺甲醛、丙烯酸酯類樹脂、丙烯酸酯化異氰酸酯樹脂、脲-甲醛樹脂、異氰酸酯樹脂、丙烯酸酯化聚氨酯樹脂、丙烯酸酯化環氧樹脂和它們的混合物。這些交聯聚合物制成后，經破碎和過篩，就能得到合適的粒徑和粒徑分布。
其他磨粒和磨粒混合物應該是本領域的技術人員所熟知的，本發明有意涵蓋包含任何磨粒或磨粒混合物的所有磨具。
磨具也可以有織構研磨面，其中可以添加磨粒，也可不加磨粒，磨粒可以在粘合劑中，也可以分散在外表面上。類似地，磨具的研磨面可包含例如聚合材料，該聚合材料包含軟硬片段，其中聚合物的硬片段提供了所需的研磨度性能。這樣的一種磨具見述于美國專利6234875中。
適用于本發明的另一種磨具是對半導體晶片進行化學機器平整化(“CMP”)時用來整理傳統磨漿研磨墊用的整理盤。合適的整理墊包括根據美國專利6123612所述制備的那些。包括精研膜或磨光膜的磨具也可用于本發明。這些制品包括美國專利5897424所述的精研膜產品。另一種合適的磨具可包含類似于美國專利5152917所述的研磨復合體。包含前述研磨復合體的磨具可在不加磨粒的情況下制備。
不管是什么形式，磨具都可以研磨、拋光或以其他方式對工件表面加工，一般通過二者之間的相對運動產生研磨所需的摩擦。圖1或圖2中的測試設備是根據本發明在可重復條件下表征磨具性能指標的裝置簡圖。也有其他方法可以用來表征制品的性能。
如圖1所示，工件30安放在第一承載件，即圖中的臺板36上。磨具22安放在研磨測試裝置20中，是夾持在第二承載件，即圖中的夾具24上。夾具24和磨具22與可轉連桿26相連，磨具22和夾具24在安裝于箱子32中的馬達(未示出)作用下一起旋轉。如前所述，裝置20可作為磨具生產線中的測試站裝置。裝置20用來測定和表征所生產的磨具。這種測定或表征可包括例如測定磨具22在測試工件的表面，如工件30的可研磨表面上的磨速率。其他測定也可作為性能指標的基礎。另一個測定是磨具可為在測試表面上產生的表面情況，可按照工業上的標準測試方法測定。本領域的技術人員還可以在本發明范圍之內設想出其他能提供性能指標的測定內容。此外，在本發明的某些實施方式中，性能指標可以是具體測定結果的實際值(例如磨速率、表面光潔度)，也可以是代表測定結果或從測定結果衍生出來的一個值或符號。
在介紹的實施方式中，磨具22位于夾具24上，夾具24支撐在旋轉連桿26的一頭，旋轉連桿位于夾具24和馬達箱32之間。支撐連桿34位于基座38與馬達箱32之間。馬達箱32可沿連桿34上下滑動，使磨具22可在相對于工件30的第一個位置或脫離位置與相對于工件的第二個位置或接觸位置(如圖所示)之間移動。在這種方式下，磨具22的研磨面28可直接與工件30的表面接觸，從而使磨具22對工件30的表面研磨。臺板36承載著工件30，使工件30與磨具22保持接觸。臺板36也可以圍繞支撐連桿40的軸轉動，該軸可在裝在底座38中的馬達(未示出)驅動下轉動。如前所述，磨具22也可在位于箱子32中的另一個馬達驅動下繞連桿26轉動，這樣工件30和磨具22可在預定壓力下相對轉動，從而對工件30研磨。前述研磨操作完成后，裝置20可恢復到第一位置，即磨具22脫離工件的位置，此時研磨面28不接觸工件30的表面。
當裝置20處于第一位置或脫離位置時，磨具22和工件30均可從裝置20上取下，然后根據需要進行清潔或更換。為了如上所述移動磨具22，馬達箱32可沿連桿34的長度垂直移動，使之離開處于接觸狀態的第二位置。本領域的技術人員應該知道還有其他結構可以使裝置20處于前述第一和第二位置之間，本發明決不受限于圖1所示或這里所討論的具體裝置結構。
在圖1所示的各部分結構中，工件30具有圓環形測試表面，它位于旋轉臺板36上。工件30可以是任何能被磨具22的研磨面28所研磨的材料。適用于工件30的材料可根據已知標準選擇，如市售材料的質量穩定性、其相對價格等等。一種可用的測試材料是聚合物材料，如聚氨酯。
在研磨過程中，通常在磨具22與工件30之間施加液體，提供潤滑作用，并清除磨具作用于工件時產生的碎屑。合適的潤滑劑包括水、含可溶油的水，或本領域技術人員所知道的適用于此工藝的其他合適液體。可另外提供合適的裝置(未示出)，將前述液體輸送到制品22和工件30的界面上。
在操作中，裝置20可用來測定磨具在工件30上的磨速率。或者，該裝置可用于來在工件上產生可用已知方法定量測定的表面光潔度，作為確定性能指標的基礎。通過這種方式確定的性能指標可附在磨具上，供終端用戶使用。當將制品的磨速率與性能指標相聯系時，磨速率通過用磨具22在預定時間內研磨工件表面來測定。在這種測定中，磨具22施加在工件30上的壓力通常保持恒定。
在本發明范圍內，可使用各種方法定量測定磨具的性能。這些方法包括建立和維護初級標準工件和次級工作標準，且/或保留標準磨具，用來定期校準工作標準。也可以采用其他校正方法，如測定研磨比能。一旦確定了性能指標，可將其標記在制品上(例如標記在制品的一面或另一面)，也可以將其置于磨具包裝上，或者用其他方法附在磨具上。
性能指標本身可以就是按上述方法測定的磨具22的磨速率，也可以是由磨速率衍生而來的值。例如，它可以是歸一化于任意標準或過程平均值的磨速率。其表達形式可以是比率或百分數。該指標可用這種比率或百分數的倒數表示，以利于計算所需初始操作條件。指標的數值可以是連續變量的一個單一值，也可以是表明測定值落在相應范圍內的一個離散值。
通過磨具22的表征，終端用戶在已建立的研磨或拋光操作線中裝入新磨具或更換的磨具時，可根據性能指標調整其方法條件和/或設定，從而使新磨具能達到所需性能水平。例如，性能指標可讓用戶預設其方法條件，以獲得所需磨速率、表面光潔度等。根據性能指標，終端用戶可調整研磨或拋光操作的一個條件，如研磨時間(例如此時保持壓力和速度恒定)或磨具22施加在工件上的壓力(例如此時保持研磨速度和預定研磨時間恒定)。也可以綜合調整這些方法參數，以得到所需結果。每個磨具都有自己獨一無二的性能指標，該指標直接附在磨具上。通過這種方法，終端用戶可借助性能指標提供的信息知道該磨具與另一個磨具的性能差異。
研磨方法條件和研磨性能包括研磨或拋光壓力(磨具施加在工件上的壓力)、速度(磨具相對于工件表面的速度)、磨量(從工件上磨掉的材料的總質量)、耗時(研磨或拋光所用時間)和磨速率(單位時間內研磨掉的材料質量)。這些條件和性質可彼此繪成圖線關系。這些圖線一般是直線，y軸截距為(0，0)。由于這種線性關系，與一對磨具相關、基于這種方法條件和/或性能的性能指標可用來預測研磨方法線上磨具之間的相對性能。
性能指標可表示磨具在第一組方法條件“X”下操作使用工件“A”時的磨速率(mg/min)。然后，可通過比較性能指標(例如比率)來確定新舊磨具(例如舊的磨具和替換磨具)的相對性能，以便在現有方法線上采用新磨具以前初次調整方法條件。性能指標可以表達為相對磨速率，例如與標準磨具的磨速率之比，或者與一組相關磨具的磨削速率平均值之比，也可以表達為百分數，或者表達為由已經測定的磨速率推演出來的換算系數，表明為達到標準性能要做什么樣的調整。某些指標形式在使用時只要對一標準操作參數值乘以該指標，就能校正獲得恒定操作性能所需的操作參數。
對于各種研磨方法，宜采用統一的性能指標度量體系。但在某些情況下，可能需要在產品上標記或標貼第二種性能指標。當已知第一種性能指標雖適合第一個研磨方法但不適合第二個研磨方法時，就需要第二種指標。此外，磨具的終端用戶，有些可能喜歡基于一種研磨性質，例如基于加工第一種材料磨削速率的性能指標，而其他終端用戶可能喜歡基于磨具在研磨第二種完全不同的材料時使用壽命的性能指標。在這種情況下，可能需要在磨具上同時標記這兩種指標。
名義上較脆的材料的研磨過程可用Preston方程(I)描述dz/dt＝(K·N·ds)A·dt(I)其中，“z”是去掉的材料的量，“K”是常數，表征磨具與工件之間的相互作用，“N”是法向力，“s”是滑動距離， “t”是時間。“A”可以是磨粒與工件之間的實際接觸面積，也可以是磨粒劃出的凹槽的橫截面積。“A”的這兩個定義彼此等價，均可用于上述方程。應當理解，“A”的定義不同，K的數值也不同。
方程(I)常常變換成方程(II)的形式Z＝K·P·V·t(II)其中，材料的去除量(Z)是常數(K)、壓力(P)和總接觸滑行距離(速度(V)x時間(t))的乘積。因此，壓力減少50％將減少材料去除量50％。或者，減少總接觸滑行距離，例如讓滑行速度或滑行時間減半，也將減少材料去除量50％。類似地，改變壓力、速度和時間中的任何兩個或三個因素，使其在方程(II)中的乘積減少50％，都將減少材料去除量50％。改變磨具所研磨的工件或材料，將改變“K”值，而前述線性比例關系不變。即使在不嚴格遵守Preston方程的研磨方法系統中，假定它符合Preston規律，也能近似地取得在這種方法中更換磨具時所需的方法條件。
兩個磨具在條件“X”下相對于同一工件的性能指標比(和它們的相對性能)與這兩個磨具在條件“Y”下相對于另一個工件的性能指標比，只要這些磨具、工件和條件適合各工件的研磨。因此，如果在條件“X”下磨具“A”比磨具“B”從聚氨酯測試球上也會多磨10％，，則在“Y”條件下制品“A”比制品“B”從銅工件上多磨10％。類似地，只要將在條件“Y”下使用的壓力以110/100之比增大，或者增大10％，就可以使制品“B”研磨銅的速率等于制品“A”的速率。或者，以同樣比例增長研磨時間也能使磨掉的材料量相等。最后，也可以按照前述比例增加磨具在工件上通過的速度。
因為大家都知道壓力、速度和時間之間的關系通常是線性的，可以以線性組合的方式改變任何兩個參數或者全部三個參數，獲得同樣的結果，即磨具“B”在“Y”條件下少磨掉10％。如果在條件“X”下，磨具“C”比磨具“B”從聚氨酯工件上多磨10％，類似的關系同樣適用。如果將此信息應用于在額定條件“Y”下磨銅，則可通過分別將使用條件“Y”以110/90或100/90之比改變，使制品“C”磨銅的速率分別等于磨具“A”或“B”。或者，也可以通過減少壓力(時間、速度或同時改變兩個或三個條件)，使磨具“A”或“B”以可預測方式像磨具“C”一樣進行操作。
為方便起見，指標可以就是磨速率、歸一化磨速率或諸如這兩個測定量任一個的倒數這樣的函數結果。每個磨具都可以配以說明，這些說明可隨所選標記而異。在另一種實施方式中，具有類似性能的磨具可歸到一起，分配一個字母或其他代碼，如A、B、C、D或E。在這種情況下，磨具上的說明可指導使用磨具的終端用戶，將標以“A”的磨具的操作壓力比獲得額定性能的過程平均值提高6％。標記“B”的制品可能需要在比過程平均值高3％的正常壓力下操作。標記“C”的制品可能需要在過程平均壓力下操作。標記“D”的制品可能需要在低于過程平均值3％的正常壓力下操作。最后，標記“E”的制品可能需要在低于過程平均值6％的正常壓力下操作。
在其他實施方式中，特定研磨或拋光系統可能對某個方法參數較不敏感。例如，根根纖維上涂有磨粒的膨松非織造布對金屬制品形成的表面光潔度會對外加壓力不大敏感，因為對此磨具施加的壓力主要是壓縮磨具本身，而不會改變一個個磨粒深入金屬表面的程度。在這種情況下，提供給用戶的說明可能限于對速度和時間參數的校正。在其他實施方式中，磨速率或表面光潔度與壓力、相對速度和時間這三個獨立變量之間的關系可能不完全是線性的，得不到上面所討論的結果。在這些情況中，它們可能呈非線性函數關系。這些函數可能要求在制品上標記一個以上的參數或指標，而且要給用戶提供更復雜的函數，用以計算所需的操作條件。
現在看圖2，它是本發明另一套裝置實例的示意圖。裝置120一般宜用作使用研磨帶122的生產線的一個組成部分。如圖所示，帶122以預定速度在生產工藝中向下移動。輸送輥124既為帶122在裝置120附近提供支承，又使帶122通過裝置120，以便在生產工藝中進一步進行研磨加工。帶122可卷繞到收帶輥(未示出)上，以便存儲起來或送到另一個地方進一步加工。根據本發明，帶122在通過裝置120以后，將標記上一個性能指標。如上面所討論的，該性能指標示明了研磨帶122的研磨性能。因為研磨帶122一般是研磨材料構成的連續片，一般認為研磨帶的性能指標適合用于預定長度的研磨帶。因此，本發明為較長的連續研磨帶構想了計算或確定多個性能的方法。
裝置120在結構上適合在第一位置和第二位置之間移動。在第一位置，帶122接觸工件132的第一端134，如圖2所示。如這里所描述的，裝置120還提供了第二個位置，此時帶122與工件132彼此脫離接觸(未示出)。本領域的技術人員不難理解，帶122與工件132之間的其他相對位置也可能是需要的，因此本發明無意受限于這兩個相對位置。在所示實施方式中，裝置120上具有安裝在連桿128上的頭部126。連桿128連接在樞軸臂130上。在這種結構中，借助連桿128和頭部126在樞軸臂130上的轉動，頭部126的位置可在前述第一和第二位置之間變換。在第一位置，頭部126靠近帶122，工件132的第一端134與帶122的研磨表面接觸。在此位置可以獲得性能指標的一個測定值。在第二位置，頭部126和連桿128在樞軸臂130上轉離帶122。在此第二位置，裝置120就不測定性能指標。
裝置120的頭部126提供了一個測試機構，它將工件132夾持在合適位置，當樞軸臂130和連桿128(定位工具)將頭部126置于第二位置時，工件132的第一端134與帶122的研磨表面接觸。工件132是個棒狀制品，含可研磨的第一端134和在第一端134另一頭的第二端136。當轉動樞軸臂130和桿128使頭部126處于第一位置，從而使頭部靠近帶122時，工件第一端134可處于與研磨帶122不接觸的位置。在此位置，工件132的第一端134直接與帶122的研磨表面接觸，其中工件132的第一端134是可研磨表面。
工件132通過第一夾持工具固定在頭部126中，所述夾持工具包含可逆向旋轉的輸送輥138、140和計量孔或夾持支架148。輥138、140的轉動受伺服馬達142的控制。輥138、140的作用是夾持工件132并將它移向帶122。在頭部提供的固定夾或計量孔148是為了幫助支撐工件132的第一端134。工件132的第二端136沿著第一端134的反向從頭部126伸出。當工件在在帶122與第一端134的界面上受到研磨時，工件132可連續或間斷地通過輸送輥138、140向前移動。在所示實施方式中，輥124的作用是作為第二承載工具，以相對于頭部126的一個預定方向承載帶122。在頭部126上可連接一個電子傳感器，如定、如位置傳感器144，用以檢測頭部126與研磨帶122之間的距離。示意圖中的控制器146是這樣一種工具，它處理來自傳感器144的輸出信號，控制輸送輥138、140的轉動，從而控制工件132的前進距離，從而保持頭部與帶122之間的距離恒定不變。
帶122由一個或多個馬達驅動裝置(未示出)驅動，這些驅動器裝置使研磨帶122相對于工件移動，以便于對工件132進行研磨或拋光。磨速率可這樣計算，即對于帶122的一特定長度，測定工件132長度的變化。其后可按前述方法計算性能指標，然后在裝置120再下游的地方將其標記在適當長度的帶122上。
圖3和4所示為整理墊或整理盤222形式的磨具，可用來整理對硅晶片進行化學機器平整化的常規磨漿墊。整理盤222是一類磨具的實例，它標有本發明的性能指標。盤222包含基底228，它由合適的材料如不銹鋼形成。基底228的厚度為“t”，具有第一主表面224和第二主表面226。第一主表面224是包含許多磨粒230的研磨表面，磨粒至少部分包埋在基體材料或粘合劑232中。第一表面224的周邊是無顆粒區域234。在所示制品22中，性能指標標在第一表面224無顆粒區234的一個區域236中。性能指標可以是終端用戶直接可讀的，也可以機讀形式編碼(例如做成條形碼)。這樣，性能指標可直接編碼，也可以存入數據庫，對此數據庫可用磨具用的標識符例如一個序列號進行查詢，該標識符將測定的性能指標與該磨具關聯。
盡管性能指標在圖中位于制品222的第一表面224上的區域236中，應當理解，性能指標也可以以其他方式附到磨具222上，例如將指標做在第二主表面226上。在諸如整理墊222這樣的磨具上，基底228可具有足夠的厚度，能將指標沿厚度為“t”的側面238做到制品222上。本領域的技術人員可用任何方式將性能指標做到磨具上。根據磨具的性質、用于其結構的材料、不同附著方法的相對費用和將性能指標標記在磨具上所需設備的易得性，一種附著方法可能優于另一種附著方法。此外，本發明的性能指標可以印在磨具上，或以其他方式標記在制品的包裝上，例如將標簽貼在用于裝運的各個包裝上和/或磨具的商業展示板上。應當明確，本發明對將性能指標做到磨具上的具體方法并不限制。
在所討論的實施方式中，性能指標涉及磨具在試驗工件上的磨速率。在這些情況下，力和磨速率在終端用戶所用設備上表現出來的關系應當與它們在測定性能指標的裝置上表現出來的關系大致相同。若終端用戶用于研磨或拋光過程的工件材料不同于測定性能指標時所用的材料，則終端用戶可能需要先校正其設備，先建立例如該性能指標與磨速率之間的關系。然后，提供給終端用戶的每個磨具的性能指標可以與基于前述標準化過程的已知磨速率相匹配。
此外，在生產過程中，可以為幾種不同的工件材料逐一測定性能指標。例如，如果磨具在一種應用中是用在鋼上，而在另一種應用中是用在玻璃上，則磨具生產廠家可為這兩種不同的材料分別提供性能指標，但通常沒有必要這樣，因為一個指標在各種條件下可適用于許多不同的工件材料。
如果磨具是研磨帶的形式，則帶上印的指標通常表示一段帶的平均磨速率(或其他性質)。本領域的技術人員在選擇所用長度時，要考慮所測研磨帶的正常差異和研磨帶的應用。如果平均長度短且帶速快，一般需要更快、自動化更高的測試設備。
性能指標標記在制品上或其包裝上，由于競爭原因，可以編碼。性能指標也可通過一連接數據庫附在工件上。例如，制品或其包裝上可載有序列碼或其他標識符，作為局域或遠程數據庫的查尋根據。查尋過程可以是自動的，由使用磨具的設備讀取制品或制品包裝上的標識符，然后在局域或遠程數據庫中進行查尋，得到磨具的性能指標。較好的是，若該設備可直接讀取性能指標或通過查尋得到它，則不用操作員干預機即可調整壓力、速度或時間中的至少一個條件。
應當理解，本發明的上述實施方式是示例性的，而不包括所有可能的實施方式。例如，用磨速率提供性能指標僅僅是實踐本發明的一種方式。其他性能指標可基于例如在生產方法中的測試設備測定的目標磨具給工件帶來的光潔度來確定。優選實施方式的其他細節將在以下非限制性實施例中介紹。
實施例實施例1一個磨具提供的磨速率比同類磨具在同類研磨應用中的已知平均值高10％，該磨具的性能指標記為1.10。在使用中，將磨具壓向工件的力經計算其與測定平均磨速率所用的力之比為1/1.10或0.91。按照此計算值施加力得到的實際磨速率非常接近代表磨具生產過程中的過程平均值的制品磨速率。
實施例2所用性能指標是磨速率的倒數，稱為調節因子。經測定，磨速率比平均值高10％，因此指標為1/1.10＝0.91，就標在制品上。磨具的用戶將施加的正常力減少到額定力的91％，得到的磨速率非常接近代表磨具生產過程中的過程平均值的制品磨速率。
盡管上述兩個實施例的磨具測定出來的性能相同，但在實施例1中應用的性能指標標記值為1.10，因為計算操作參數時用的是除法，而在實施例2中用的是乘法，得到的性能指標為0.91。也可以用其他指標表示實施例1和2中制品的性能，如“110”和“91”，或“220”和“182”，或者“55”和“45.5”。用于性能指標的數值并不重要，只要能指導用戶如何使用標記就行。
實施例3磨具為工件提供了所需表面光潔度，此時壓力為預定工作壓力，時間比同類磨具在同類研磨應用中已知的平均值少10％。磨具的性能指標記為1.11，并標上去。在使用中，將磨具壓向工件的時間經計算為與用具有過程平均值的磨具獲得的光潔度相同的光潔度所需時間之比1/1.11或0.90(90％)。
實施例4研磨過程利用氣缸中的空氣壓力將磨具壓向工件。空氣壓力近似為提供所需磨速率所需的已知平均值(“額定壓力”)。當細調施加在磨具上的力時，可利用磨具上的性能指標減少不確定性。但眾所周知的是，設備施加了一個所謂的“死”負荷，即在氣缸沒有施加壓力時，設備本身也為工件提供了一個恒定的非零壓力。因此，本實施例所述方法提供了為氣缸提供確定合適壓力參數的方法，此時考慮了在沒有任何氣缸壓力時的非零磨速率。
選取了三個磨具，其每個標有基于磨速率的性能指標，各磨具的磨速率在施加在工件上的壓力分別為額定壓力(例如在本實施例中為“70”)的0.5、1.0和1.5倍時測定。磨速率數據列在表1中。
表1
校正測定的磨速率，以補償磨具由其性能指標所表明的相對劇烈性。具體是將測定的磨速率除以每個磨具的性能指標。計算要考慮所用設備帶來的非零截距(在此情況下為正壓力)，可用來為新磨具確定合適的外加壓力。
用最小二乘方回歸分析確定(1)壓力與(2)磨速率/性能指標(“磨速率/P.I.”，P.I.是性能指標)之比的最佳擬合。線性圖線(斜率-截距形式)由方程(1)定義磨速率/P.I.＝0.0114×壓力+1.2000(1)磨速率由方程(2)給出磨速率＝P.I×(0.00114×壓力+1.2000)(2)為得到2.00的磨速率，壓力根據方程(3)確定壓力＝((2.00/P.I.)-1.200)/0.0114(3)因此，如果新制品上的性能指標為0.85，則要得到2.00的磨速率，所需的空氣壓力根據方程(3)確定，如下壓力＝((2.00/0.85)-1.200)/0.0114；即壓力＝101。
只要在研磨過程的有效壓力范圍內，磨速率與外加壓力的關系近似線性，本實施例所述方法將有助于減少研磨方法的不確定性。
實施例5采用兩種不同的研磨機器。第一種機器(“試驗機器”)是以商品名“507型Coburn Rocket”購于Gerber-Coburn，Muskogee，Oklahoma的改進型拋光機器。此試驗機器用于來確定兩批磨具的磨速率特征。第二種機器(“生產機器”)用作實際研磨方法的代表，說明采用標有基于磨速率的性能指標的磨具，可降低研磨方法的不確定性。
拋光實驗以拋光膜作磨具，在試驗機器上進行。拋光膜以商品名“272L”購于3M公司，St.Paul，Minnesota。拋光膜上包含平均粒徑約為60微米的氧化鋁磨粒。
試驗機器上進行的拋光操作，拋光的是外徑為5cm、內徑為4.44cm、長1.27cm的1018鋼環的端面。將拋光膜切割成10.2cm的研磨盤，然后用雙面膠帶將它粘貼到一扁平鋁板上。以每秒約1滴的速度在拋光表面上加潤滑劑(Castrol Industrial North America，Downers Grove IL生產的5551A Honing油)，然后用133N的力將鋼質工件壓在拋光膜上，總操作時間為1分鐘。磨速率是測定從環上除去的鋼料質量確定的。對第一批磨具的磨速率數據進行歸一化。將歸一化的磨速率作為各磨具的性能指標。磨速率數據列于表2中。
表2
生產機器制造成其基本特征與用于來拋光上述鋼環的試驗機器相同。該機器用一研磨帶(1.27cm寬)拋光鋼環(1018鋼，5cm外徑×1.9cm寬)的外端表面。磨具通過一壓力蹄片(shoe)壓在工件上。磨具的非研磨邊與蹄片之間的摩擦力使磨具相對于蹄片保持靜止。蹄片沿平行于環軸的方向振動，在230次振動/分鐘的條件下的振幅為0.32cm。鋼環夾在桿上，轉速為60rpm。磨具在順時針轉動7秒鐘然后逆時針轉動7秒鐘的時間內，其短長與環保持接觸。用氣缸向磨具提供力，使之壓向鋼環。將經稀釋的潤滑劑加在環與磨具之間，該潤滑劑以商品名“Cimtech 500”購得(Milacron Marketing Co.，Cincinnati，Ohio)，并用水稀釋，使水/潤滑劑重量比為95/5。對磨具的壓力為所加空氣壓力的1.767倍。磨具接觸工件的長度約為3.3cm。磨量通過測定一圈之內從鋼環外徑上去掉的質量(以克為單位)獲得。
試驗了生產機器方法，看第一批標準磨具的磨量是否與空氣壓力成正比。所得數據列于表3。
表3
確認磨量與所加壓力成正比后(由r＝0.974證實)，終端用戶可直接從性能指標計算將來做標記的制品的使用條件。對基于相對速度、研磨或拋光時間，或者基于壓力、速度和時間的混合因素的研磨方法，可做類似計算。
對于磨量歸一化到1.00的磨具，氣缸對生產機器的正常壓力為207kPa。上述207kPa的壓力得到的平均磨量為0.0476克。第二批磨具接下來可用于前述研磨方法的生產機器上。先在保持研磨壓力和其他條件與第一批磨具所用條件相同的情況下，用第二批磨具得到研磨數據。所得數據列于表4。
表4
然后調整壓力，補償第二批磨具的性能指標，在此條件下運行生產機器。此時空氣壓力調整到207×1/1.306＝158kPa。所得研磨數據列于表5。
表5
工藝的所需磨量為0.0476克/生產單程，這是第一批標準磨具的額定性能。如表6所示，用性能指標補償空氣壓力，將整體方法的不確定性由12.2％降低到了4.6％。
表6
應當理解，盡管本發明是結合上述優選實施方式介紹的，但本領域技術人員不難對所述實施方式做出改變或改進，這些改變和改進包括在本發明范圍之內，如以下權利要求所進一步限定的。
權利要求
1.一種磨具，它包含研磨面；附在磨具上的性能指標，該指標從一個方面表征了制品的研磨性能。
2.權利要求1所述磨具，其特征在于磨具包含背襯和與背襯相連的研磨層，研磨層包含許多固定在粘合劑中的磨粒。
3.權利要求2所述磨具，其特征在于磨粒包括金剛石，粘合劑包括至少一種金屬。
4.權利要求3所述磨具，其特征在于背襯包括相反兩個表面一般為平面的不銹鋼基底，磨粒至少部分包埋在粘合劑中，并附著在至少一個一般為平面的表面上。
5.權利要求1所述磨具，其特征在于它還包括裝有磨具的包裝，性能指標就附在包裝上。
6.權利要求1所述磨具，其特征在于性能指標存儲在數據庫中，磨具還包括標記，通過該標記可查尋數據庫，得到性能指標。
7.權利要求1所述磨具，其特征在于所述標記為可機讀形式。
8.權利要求1所述磨具，其特征在于所述標記為字母-數字形式。
9.權利要求1所述磨具，其特征在于所述標記為條形碼。
10.權利要求1所述磨具，其特征在于性能指標基于在磨具表面施加一已知壓力并且磨具在一預定時間內以一預定速度運動的情況下測定的磨速率。
11.權利要求10所述磨具，其特征在于性能指標是磨速率與(a)外加壓力、(b)速度或(c)預定時間中的任一項之比。
12.權利要求1所述磨具，其特征在于性能指標基于測定的表面光潔度，該表面光潔度是磨具以已知外加壓力和速度在預定時間內對表面研磨的結果。
13.權利要求1所述磨具，其特征在于它還包含非研磨表面，性能指標附在此非研磨表面上。
14.權利要求1所述磨具，其特征在于性能指標附在研磨面上。
15.提供權利要求1所述磨具的方法，它包括(a)提供具有研磨面的磨具；(b)提供具有可研磨表面的工件；(c)外加已知壓力使研磨面緊貼可研磨表面，以一定速度在預定時間內相對移動磨具和可研磨表面，對所述可研磨表面進行研磨；(d)根據磨具在研磨步驟(c)中的研磨性能，設計一種性能指標；(e)將性能指標附于磨具上。
16.權利要求15所述方法，其特征在于設計性能指標的步驟(d)包括在完成研磨步驟(c)后確定磨具的磨速率，然后基于磨速率設計性能指標。
17.權利要求16所述方法，其特征在于性能指標是磨速率與(i)外加壓力、(ii)速度或(iii)預定時間中任一項之比。
18.權利要求15所述方法，其特征在于設計性能指標的步驟(d)包括在完成研磨步驟(c)后測定可研磨表面的光潔度，然后基于測定的可研磨表面的光潔度設計性能指標。
19.權利要求15所述方法，其特征在于附上性能指標的步驟(e)是將性能指標附在磨具的研磨面上。
20.權利要求15所述方法，其特征在于磨具還包含一個非研磨面，附上性能指標的步驟(e)是將性能指標附在磨具的非研磨面上。
21.權利要求15所述方法，其特征在于它還包括將磨具裝在包裝中，其中附上性能指標的步驟(e)是將性能指標附在包裝上。
22.權利要求15所述方法，其特征在于附上性能指標的步驟(e)是將性能指標存儲在一數據庫中，并且在磨具上做個標記，通過該標記可查尋數據庫，得到性能指標。
23.權利要求22所述方法，其特征在于所述標記是可機讀形式。
24.權利要求22所述方法，其特征在于所述標記是字母-數字形式。
25.權利要求22所述方法，其特征在于所述標記是條形碼。
26.一種工件進行研磨的方法，它包括(a)提供附有性能指標的磨具；(b)利用該性能指標確定用磨具對工件研磨的方法條件；(c)在步驟(b)中確定的方法條件下相對移動磨具和工件。
27.權利要求26所述磨具，其特征在于性能指標基于在磨具表面施加一已知壓力并且磨具在一預定時間內以一預定速度運動的情況下測定的磨速率。
28.權利要求27所述磨具，其特征在于性能指標是磨速率與(a)外加壓力、(b)速度或(c)預定時間中任一項之比。
29.權利要求26所述磨具，其特征在于性能指標基于測定的表面光潔度，該表面光潔度是磨具以已知外加壓力和速度在預定時間內對表面研磨的結果。
全文摘要
本發明提供了磨具(22，122)和制備與使用此磨具的方法。磨具包有個研磨面(224)和附在磨具上的性能指標，其中所述指標從一個方面表明了制品的研磨性能。在研磨應用中，性能指標可用來確定磨具(22，122)研磨對工件研磨時的初始方法條件。制備磨具的方法包括(a)提供具有研磨面(224)的磨具(22，122)；(b)提供具有可研磨表面的工件(30，132)；(c)外加已知壓力，使研磨面(224)緊貼可研磨表面，以一定速度在預定時間內相對移動磨具(22，122)，對可研磨表面進行研磨；(d)根據磨具在研磨步驟(c)中的研磨性能，設計一種性能指標；(e)將性能指標附于磨具(22，122)上。
文檔編號G06K19/06GK1647103SQ03807901
公開日2005年7月27日 申請日期2003年2月7日 優先權日2002年4月3日
發明者G·M·帕爾姆格林 申請人:3M創新有限公司