DE602004008880T2

DE602004008880T2 - Polierartikel für elektro-chemisches-mechanisches polieren

Info

Publication number: DE602004008880T2
Application number: DE602004008880T
Authority: DE
Inventors: Michael H. Chelsmford BUNYAN; Thomas A. Lexington CLEMENT; John J. Westford HANNAFIN; Marc E. Winthrop LAROSSE; Kent M. Moreland Hills YOUNG
Original assignee: Parker Hannifin Corp
Current assignee: Parker Hannifin Corp
Priority date: 2003-02-18
Filing date: 2004-01-21
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2024-01-22
Also published as: EP1594656B1; DE602004008880D1; EP1594656A1; WO2004073926A1; US20040159558A1; US7141155B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im breiten Sinne Poliergegenstände, wie Kissen für das elektrochemisch-mechanische Polieren (ECMP), und spezieller solche Gegenstände, die aus einer Lage aus einer elektrisch leitfähigen Zusammensetzung, formuliert als ein Gemisch aus einem polymeren Bindemittel und einem elektrisch leitfähigen Füllstoff, gebildet sind.
In der allgemeinen Massenproduktion von Halbleitereinrichtungen können Hunderte von identischen Leiterbahnmustern von "integrierten" Schaltkreisen (IC) in mehreren Lagen auf einem Halbleiterscheibenmaterial hergestellt werden, welches wiederum zu Hunderten von Plättchen oder Chips geschnitten wird. Innerhalb jeder der Plättchenlagen können die Leiterbahnmuster, die aus einem leitfähigen Material, wie z. B. Kupfer, Aluminium, Titan, Tantal, Eisen, Silber, Gold, gebildet sind, ein leitfähig dotiertes Halbleitermaterial oder dergleichen durch ein isolierendes Material von der nächsten Lage isoliert werden.
Die Herstellung der IC-Leiterbahnmuster auf der Scheibe kann somit die Abscheidung und Entfernung von mehreren Lagen leitender, halbleitender und/oder dielektrischer Materialien umfassen. Da die Lagen aus diesen Materialien jeweils sequentiell abgeschieden und entfernt werden, kann die Oberfläche der Scheibe relativ uneben werden. Um die Genauigkeit der Abscheidungs- und Entfernungsvorgänge und letztlich die Leistungsfähigkeit der Halbleitereinrichtung sicherzustellen, ist es notwendig, die Lagen zu einer glatten Oberflächentopographie oder, wie es umgangssprachlich bezeichnet wird, zu einem hohen Maß an Ebenheit zu polieren, wobei die Begriffe "polieren" und "ebnen" oft austauschbar verwendet werden, wie es auch hier der Fall ist. In dieser Hinsicht kann eine relativ rauhe Oberflächentopographie sich als ein Tiefenschärfeproblem manifestieren, was zu einer schlechten Auflösung der Muster von anschließend abgeschiedenen Lagen und im Extremfall zu einem Kurzschließen der Einrichtung führt. Da die Schaltkreisdichten in Halbleiterplättchen kontinuierlich zunehmen, werden solche Defekte zunehmend inakzeptabel und können den Schaltkreis entweder funktionsunfähig machen oder seine Leistungsfähigkeit suboptimal machen.
Um das relativ hohe Maß an Ebenheit zu erzielen, welches für die Herstellung von im wesentlichen defektfreien IC-Plättchen erforderlich ist, wird routinemäßig ein chemisch-mechanisches Polier-(CMP-)Verfahren praktiziert. Ein solches Verfahren umfaßt das chemische Ätzen der Oberfläche der Scheibe in Kombination mit mechanischem Polieren oder Schleifen. Dieser kombinierte chemische und mechanische Vorgang gestattet das kontrollierte Entfernen von Material und das Polieren, d. h. Ebnen, der Scheibe.
Im Betrieb wird CMP im wesentlichen bewerkstelligt durch Halten der Halbleiterscheibe gegen eine rotierende Polieroberfläche oder sonstiges Bewegen der Scheibe relativ zu der Polieroberfläche unter kontrollierten Bedingungen von Temperatur, Druck und chemischer Zusammensetzung. Die Polieroberfläche, die ein ebenes Kissen sein kann, welches aus einem relativ weichen und porösen Material, wie geblasenem Polyurethan, gebildet sein kann, wird mit einer chemisch reaktiven und abrasiven wäßrigen Aufschlämmung angefeuchtet. Die wäßrige Aufschlämmung, die entweder sauer oder basisch sein kann, umfaßt typischerweise abrasive Teilchen, ein reaktives chemisches Mittel, wie ein Übergangsmetall-chelatisiertes Salz oder ein Oxidationsmittel, und Adjuvanzien, wie Lösungsmittel, Puffer und Passivierungsmittel. In der Aufschlämmung stellt das Salz oder das andere Mittel die chemische Ätzwirkung bereit, und die abrasiven Teilchen in Zusammenwirkung mit dem Polierkissen stellen die mechanische Polierwirkung bereit.
Ein abrasives Mittel kann auch in das Kissen selbst aufgenommen werden; solche Kissen werden als Kissen mit "fixiertem Abriebmittel" bezeichnet. Wenn sie zusammen mit diesen Kissen mit fixiertem Abriebmittel verwendet wird, kann die Aufschlämmung ein zusätzliches abrasives Mittel bereitstellen, oder alternativ kann die Aufschlämmung, wenn das Abriebmittel nur durch das Kissen bereitgestellt wird, statt dessen als von Abriebmittel im wesentlichen freie Lösung bereitgestellt werden. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung können die Begriffe "Aufschlämmung" und "Lösung" jedoch austauschbar verwendet werden, wenn es nicht anders angegeben ist.
Das grundlegende CMP-Verfahren wird weiter beschrieben in den Artikeln Derbyshire, K., "Making CMP Work", Semiconductor Magazine, S. 40–53, Juli 2002, "The Semiconductor Equipment Business", Prismark Partners LLC, Cold Spring Harbor, NY, März 2002, und "CMP", Prismark Partners, LLC, Cold Spring Harbor, NY, November 2000, und in den folgenden US-Patenten Nr.: 5,709,593 ; 5,707,274 ; 5,705,435 ; 5,700,383 ; 5,665,201 ; 5,658,185 ; 5,655,954 ; 5,650,039 ; 5,645,682 ; 5,643,406 ; 5,643,053 ; 5,637,185 ; 5,618,227 ; 5,607,718 ; 5,607,341 ; 5,597,443 ; 5,407,526 ; 5,395,801 ; 5,314,843 ; 5,232,875 und 5,084,071 . Polierkissen werden weiter beschrieben in den folgenden Literaturstellen: US-Patente Nr.: 3,760,637 ; 4,198,739 ; 4,462,188 ; 4,588,421 ; 4,728,552 ; 4,752,628 ; 4,841,680 ; 4,927,432 ; 4,959,113 ; 4,964,919 ; 5,230,833 ; 5,257,478 ; 5,264,010 ; 5,329,734 ; 5,382,272 ; 5,389,352 ; 5,476,606 ; 5,480,476 ; 5,487,697 ; 5,489,233 ; 5,534,053 ; 5,578,362 ; 5,605,760 ; 5,624,303 ; 5,645,474 ; 5,664,989 ; 5,693,239 ; 5,707,492 ; 5,738,567 ; 5,738,800 ; 5,769,689 ; 5,770,103 ; 5,795,218 ; 5,823,855 ; 5,860,848 ; 5,876,266 ; 5,879,222 ; 5,882,251 ; 5,900,164 ; 5,913,713 ; 5,932,486 ; 5,938,801 ; 5,976,000 ; 5,989,470 ; 6,001,269 ; 6,017,265 ; 6,019,666 ; 6,022,264 ; 6,022,268 ; 6,030,899 ; 6,036,579 ; 6,042,741 ; 6,054,017 ; 6,062,968 ; 6,609,080 ; 6,071,178 ; 6,074,546 ; 6,093,649 ; 6,095,902 ; 6,099,394 ; 6,099,954 ; 6,106,754 ; 6,117,000 ; 6,120,366 ; 6,126,532 ; 6,132,647 ; 6,143,662 ; 6,174,227 ; 6,159,088 ; 6,165,904 ; 6,168,508 ; 6,171,181 ; 6,179,950 ; 6,210,254 ; 6,210,525 ; 6,217,418 ; 6,217,434 ; 6,218,305 ; 6,231,434 ; 6,238,271 ; 6,241,586 ; 6,245,679 ; 6,261,168 ; 6,267,659 ; 6,277,015 ; 6,284,114 ; 6,287,174 ; 6,287,185 ; 6,293,852 ; 6,294,473 ; 6,315,645 ; 6,315,857 ; 6,319,370 ; 6,325,703 ; 6,332,832 ; 6,346,032 ; 6,354,915 ; 6,358,130 ; 6,358,854 ; 6,364,749 und 6,375,559 , US-Patentanmeldungen Nr. 2001/0000497, 2001/0024878, 2001/0031610, 2001/0031615 und 2002/0028646, europäische Patente Nr. 0,919,330 und 1,112,816 , internationale Anmeldungen Nr. WO 98/47662 , WO 00/02707 , WO 00/71297 , WO01/19567 , WO01/24969 , WO01/49449 und WO 02/13248 und Patent Abstracts of Japan Nr. 0728944 , 11055246 , 10055684 , 2000134529 , 09305885 , 09305884 , 11040226 , 2000153142 , 11111126 , 10084230 , 09246709 , 09265998 , 10242900 , 10294459 , 11159839 , 1159841 , 11241636 und 11281153 .
In 1, die nun betrachtet wird, werden bei 10 ein repräsentatives CMP-Verfahren und eine -Vorrichtung schematisch veranschaulicht. Die Vorrichtung 10, die als ein "Rotations"-Typ veranschaulicht ist, beinhaltet einen Träger 12 für Scheiben zum Halten einer Halbleiterscheibe oder eines anderen Werkstücks 14. Ein Polierkissen 16 ist zwischen dem Träger 12 für Scheiben und der Scheibe 14 angeordnet, wobei die Scheibe durch einen Unterdruck, durch Reibung oder durch ein Klebemittel an das Kissen gehalten wird. Der Träger 12 für Scheiben wird so bereitgestellt, daß er durch einen Antriebsmotor 18 in der bei 20 gezeigten Richtung kontinuierlich gedreht wird, und kann zusätzlich in den bei 22 gezeigten Richtungen in Querrichtung hin- und herbewegt werden. In dieser Hinsicht sollen die kombinierten Rotations- und querverlaufenden Bewegungen der Scheibe 14 die Schwankungen in der Materialentfernungsgeschwindigkeit auf der Arbeitsoberfläche 23 der Scheibe 14 reduzieren.
Die Vorrichtung 10 beinhaltet zusätzlich eine Platte 24, welche in der bei 26 gezeigten Richtung gedreht wird und auf der ein Polierkissen 28 angebracht ist. Im Vergleich zu der Scheibe 14 wird die Platte 24 so bereitgestellt, daß sie eine relativ große Oberfläche aufweist, um die translationale Bewegung der Scheibe auf dem Träger 12 über die Oberfläche des Polierkissens 28 aufzunehmen.
Ein Zuführrohr 30 ist oberhalb der Platte 26 montiert, um einen Strom von Polieraufschlämmung, gezeigt bei 32, zuzuführen, die auf die Oberfläche des Kissens 28 aus einer Düse oder einem anderen Auslaß 34 des Rohrs 30 aufgetropft oder in anderer Weise aufdosiert wird. Die Aufschlämmung 32 kann aus einem Tank oder Reservoir (nicht gezeigt) durch Eigengewicht zugeführt oder auf andere Weise durch das Zuführrohr 30 gepumpt werden. Alternativ kann in einer "Orbital"-Variante der Vorrichtung 10 (nicht gezeigt) die Aufschlämmung 32 von unterhalb der Platte 26 so zugeführt werden, daß sie von der Unterseite des Polierkissens 28 und durch Löcher, die in dem Kissen 28 gebildet sein können, nach oben strömt. Die Vorrichtung 10 kann auch in Form eines Banddurchlaufs bereitgestellt werden.
Das Ebnen der Oberflächen der auf der Scheibe abgeschiedenen Metalllagen wird zunehmend durch die Verwendung einer elektrolytischen Polieraufschlämmung oder -lösung mittels eines Verfahrens, das als elektrochemisch-mechanische Planarisierung (ECMP) bekannt ist, unterstützt. In 1, auf die weiterhin Bezug genommen wird, sind eine auf der Scheibe 14 abgeschiedene Metalllage, die für Zwecke der vorliegenden Beschreibung als die Arbeitsoberfläche 23 angesehen werden kann, die elektrolytische Aufschlämmung oder Lösung 32 und eine Kathodenelektrode 40, die mit dem Kissen 28 gekoppelt oder auf andere Weise mit ihm in Kontakt ist, an eine Spannungsquelle 42 angeschlossen, um einen elektrochemischen Kreislauf oder eine Zelle, gezeigt bei 44, zu schließen. Mit einer zwischen der Kathode 40 und der Oberfläche 23 angelegten Vorspannung kann Material in Form von Metallionen durch die disassoziierende Oxidation von der Oberfläche 23, die in dem Schaltkreis 44 als Anode dient, entfernt werden. Diese Ionen, die sich in der Aufschlämmung 32 lösen oder auf andere Weise darin aufgenommen werden, können sich dann entweder an der Kathode 40 abscheiden oder sie können mit der Aufschlämmung abgewaschen werden. Die Geschwindigkeit, mit der das Material entfernt wird, wird im allgemeinen durch die Steuerung solcher Systemparameter wie der Konzentration an Elektrolyt in der Aufschlämmung 32 und der durch die Quelle 42 angelegten Spannung bestimmt. Das ECMP-Verfahren wird in den folgenden Literaturstellen weiter beschrieben: US-Patente Nr. 6,482,307 ; 6,379,223 ; 6,368,190 ; 6,299,741 ; 5,911,619 und 5,807,165 ; US 2002/0102853 , WO 02/085570 , 02/075804 , 02/084714 , 01/71796 , und 01/63018 und EP 1,103,346 .
Es wurde jedoch beobachtet, daß konventionelle Polierkissen, die typischerweise aus elektrisch nichtleitenden Materialien gebildet sind, wenn sie in ECMP-Werkzeugen oder -Systemen verwendet werden, das Anlegen der Vorspannung an der Arbeitsoberfläche stören können. Das Ergebnis ist ein uneinheitliches oder schwankendes Inlösunggehen von Material von der Arbeitsoberfläche. Dementsprechend wird angenommen, daß verbesserte leitfähige Polierkissen in der Halbleiter herstellenden Industrie gut aufgenommen würden. Besonders wünschenswert wäre ein Kissen, welches eine verbesserte Nutzdauer zeigt, wenn es in ECMP-Werkzeugen oder -Systemen verwendet wird.
Die US 2002/0119286 beschreibt einen Herstellungsgegenstand und eine Vorrichtung zum Ebnen einer Substratoberfläche. Der Poliergegenstand umfaßt einen Körper mit wenigstens einer teilweise leitfähigen Oberfläche, der dafür ausgestaltet ist, das Substrat zu polieren, und eine Montageoberfläche. Ein weiterer Poliergegenstand, der in diesem Dokument zum Polieren eines Substrats beschrieben wird, umfaßt einen Körper mit einer Polieroberfläche und einem darin angebrachten leitfähigen Element. Ein in diesem Dokument beschriebenes leitfähiges Poliermaterial umfaßt leitfähige Polymere. Dieses Dokument beschreibt das Zurverfügungstellen eines leitfähigen Poliermaterials als eine Polierlage, die auf einem gewöhnlichen dielektrischen Poliermaterial als eine Stützlage angeordnet ist. Dieses Dokument beschreibt auch leitfähige Poliermaterialien, die leitfähige Füllstoffe oder leitfähige Dotiermaterialien, die in einem Bindematerial eingebracht sind, umfassen.
EP-A-1 361 023 stellt ein Teil des Standes der Technik gemäß Artikel 54(3) EPÜ dar. EP-A-1 361 023 beschreibt einen Herstellungsgegenstand, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ebnen einer Substratoberfläche. Es wird ein Herstellungsgegenstand zum Polieren eines Substrates zur Verfügung gestellt, einschließlich eines Poliergegenstandes mit einem Körper, der wenigstens einen Teil von mit einem leitfähigen Material beschichteten Fasern, leitfähige Füllstoffe oder Kombinationen davon umfaßt, und an das Polieren eines Substrates angepaßt ist. Ein weiterer Poliergegenstand, der in diesem Dokument beschrieben ist, umfaßt einen Körper mit einer Oberfläche, die an das Polieren des Substrates angepaßt ist und wenigstens einem leitfähigen Element, das in die Polieroberfläche eingebettet ist, wobei das leitfähige Element dielektrische oder leitfähige Fasern umfaßt, die mit einem leitfähigen Material, leitfähigen Füllstoffen oder Kombinationen davon beschichtet sind.
UMFASSENDE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gesichtspunkte der Erfindung werden in den beigefügten Ansprüchen definiert.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können Poliergegenstände, wie Kissen, zum elektrochemisch-mechanischen Polieren (ECMP) zur Verfügung gestellt werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können Gegenstände zur Verfügung gestellt werden, die aus einer Schicht einer elektrisch leitenden Zusammensetzung gebildet sind, die als Beimischung eines polymeren Bestandteils, der eine kontinuierliche Phase in der Schicht bildet, und eines Bestandteils eines elektrisch leitfähigen Füllstoffes, der eine diskrete Phase innerhalb der kontinuierlichen Phase bildet, formuliert ist. Zweckmäßigerweise können gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zur Verfügung gestellte Kissen allgemein stabile physikalische und elektrische Eigenschaften aufweisen und zusätzlich eine gesteigerte Verschleißfestigkeit und eine verbesserte Lebensdauer haben.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Zusammensetzung so formuliert, daß sie eine Überspannung für die Aktivierung der Reduktion von Wasser oder einer anderen elektrochemischen Reaktion in der elektrochemischen Zelle oder dem Kreislauf aufweist. Das bedeutet, wenn die Schicht des Kissens oder anders geformten Gegenstandes elektrisch mit einer Scheibe oder anderen Werkstück verbunden ist, und wenn eine elektrische Vorspannung zwischen dem Werkstück und dem Kissen angelegt ist und die Vorspannung in der Lage ist, eine elektrochemische Reaktion zu aktivieren, zeigt die Zusammensetzung eine Überspannung für die Aktivierung der Reaktion, so daß die Spannung dafür bevorzugt größer ist als die Vorspannung.
Wie z. B. in den US-Patenten Nr. 5,882,723 ; 4,882,024 und 4,765,874 weiter beschrieben, ist es bekannt, daß die tatsächliche Spannung oder das zum Aktivieren der Hydrolysereaktion erforderliche Potential bei der Elektrolyse oder bei elektrochemischen Abscheideverfahren, wie ECMP, die z. B. unter Bildung von Sauerstoff an einer der Elektroden und Wasserstoff an der anderen durchgeführt werden, größer ist als die theoretische Spannung, die basierend auf thermodynamischen Daten berechnet werden kann. Der Unterschied zwischen der höheren und der theoretischen Spannung, der häufig "Überspannung" oder "Konzentrationspolarisation" genannt wird, muß zum Überwinden der zahlreichen Eigenwiderstände innerhalb der gegebenen elektrochemischen Zelle angelegt werden. Am häufigsten sind Elektroden, die eine geringe Überspannung aufweisen, erwünscht, da bekannt ist, daß eine Reduktion der Menge der angelegten Überspannung eine signifikante Ersparnis der Energiekosten, die mit dem Betreiben der Zelle in Verbindung gebracht werden, darstellt.
Bei der vorliegenden Erfindung wurde jedoch herausgefunden, daß Polierkissen, die aus einem Material, das eine relativ hohe Überspannung aufweist, gebildet sind, am meisten erwünscht sind für ECMP-Verfahren. In dieser Hinsicht wird angenommen, daß der Stromfluß durch das Kissen unter der angelegten Vorspannung sich bis zur Bildung von z. B. Wasserstoff- und Sauerstoffgas fortsetzt, abhängig von der Zusammensetzung der verwendeten Elektrolytlösung, und durch die stufenweise Zersetzung des Kissenmaterials begleitet wird. Tritt z. B. die Bildung von Sauerstoff an der kathodischen Elektrode, die mit dem Kissen verbunden ist, auf, wird gemutmaßt, daß die Zersetzung des Kissenmaterials zu dem Stromfluß, der die Sauerstoffbildungsreaktion aktiviert, in Beziehung steht, und daß die Reduzierung des Stromes zu weniger Abbau des Kissenmaterials, gleichmäßigeren physikalischen und elektrischen Eigenschaften und einer Steigerung der Lebensdauer führen wird. In Bezug auf den Spannungsfluß verringert das Wachstum der Sauerstoffblasen an der Oberfläche der Elektrode und des Kissens den Bereich davon, der mit der Elektrolytlösung in Kontakt ist, wodurch ein Ansteigen der Stromdichte verursacht wird. Es wird angenommen, daß dieser Anstieg der Stromdichte bei einem festgelegten Strom, der durch einen kleineren Oberflächenbereich fließt, die Zersetzung des Kissenmaterials steigert. Empirische Beobachtungen haben bestätigt, daß die stabileren Kissenmaterialien eine höhere Überspannung für die Bildung von Sauerstoff haben. Es wird z. B. angenommen, daß mit dem theoretischen thermodynamischen Potentialunterschied, der zum Hydrolisieren von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff erforderlich ist, der als ungefähr 1,23 Volt gegenüber der normalen oder Standardwasserstoffelektrode angegeben wird, Materialien oder genauer die elektrisch leitenden Füllstoffe in diesen Materialien, die eine Überspannung, wie z. B. wenigstens ungefähr 1 Volt haben, d. h. ein Potential für die Elektrolyse von Wasser von wenigstens ungefähr 2,25 Volt, die Stabilität, die für viele Anwendungen von ECMP-Kissen erforderlich wäre, aufweisen würden.
Ausführungsformen der Erfindung umfassen dementsprechend den Gegenstand, das System und das Verfahren, den Besitz der Zusammensetzung, Kombination von Elementen und Zusammenstellen von Teilen und Stufen, die in der folgenden ausführlichen Offenbarung beispielhaft angezeigt sind. Vorteile von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen elektrisch leitende Polierkissen und anders geformte Gegenstände zum elektrochemischmechanischen Polieren (ECMP), die stabile physikalische und elektrische Eigenschaften bei gesteigerter Verschleißfestigkeit und verbesserter Lebensdauer bieten. Obwohl die Polierkissen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein gewisses Polieren oder Ebnen zur Verfügung stellen, wenn sie ohne Vorspannung benutzt werden, können die Kissen überdies zweckmäßigerweise eine große, z. B. 2X oder mehr Verbesserung der Polier- oder Ebnungsgeschwindigkeit aufweisen, wenn sie mit einer Vorspannung verwendet werden. Tatsächlich wurde beobachtet, daß für eine bessere Leistung mit Vorspannung das Kissen, wie hier beschrieben, formuliert werden kann, so daß seine Non-Basis-Ebnungsgeschwindigkeit verhältnismäßig gering ist.
Diese und andere Vorteile werden dem Fachmann in dem Bereich, basierend auf der hierin enthaltenen Offenbarung, leicht ersichtlich sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Für ein vollständigeres Verständnis der Art und der Ziele der Erfindung sollte zu der folgenden ausführlichen Beschreibung, die in Bezug mit den begleitenden Figuren genommen wurde, ein Bezug geboten werden, wobei:
1 eine schematische Ansicht eines typischen Verfahrens für das CMP einer Scheibe und wie sie für das ECMP einer solchen Scheibe verändert wurde, ist;
2 eine isometrische Ansicht eines typischen Polierkissens gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine vergrößerte Schnittzeichnung des Polierkissens von 2 durch die Linien 3-3 von 2 ist; und
4 ein empirisch erhaltenes Diagramm, das standardisierte Strom-Spannungs-Kurven darstellt, bei denen die Überspannung von typischen Füllstoffen für die Zusammensetzungen der Poliergegenstände der vorliegenden Erfindung verglichen wird, ist.
Die Figuren werden weiter im Zusammenhang mit der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung beschrieben.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bestimmte Fachausdrücke können in der folgenden Beschreibung eher zum Zweck der Einfachheit als zur Beschränkung verwendet werden. Zum Beispiel geben die Begriffe "vorwärts" und "rückwärts", "vorne" und "hinten", "rechts" und "links", "obere(s,r)" und "untere(s,r)", "oben" und "unten" und "rechts" und "links" Richtungen in den Zeichnungen an, auf die Bezug genommen wird, wobei die Begriffe "einwärts", "inwendig", "innere(s,r)" oder "innen" und "auswärts", "außen befindlich", "äußere(s,r)" oder "außen" sich jeweils auf Richtungen auf die Mitte oder von der Mitte des Elementes, auf das Bezug genommen wird, beziehen, die Begriffe "radial" oder "vertikal" und "axial" oder "horizontal" sich jeweils auf Richtungen oder Ebenen beziehen, die rechtwinklig oder parallel zu der zentralen Längsachse des Elementes sind, auf das Bezug ge nommen wird. Ein Fachbegriff oder ähnliche Bedeutung, der nicht den oben spezifisch erwähnten Wörtern entspricht, soll ebenfalls eher zum Zweck der Einfachheit als in irgendeinem begrenzenden Sinn angesehen werden.
In den Figuren kann auf Elemente, die eine alphanumerische Benennung haben, gemeinsam oder als Alternative Bezug genommen werden, wie es aus dem Kontext allein durch den numerischen Teil der Benennung ersichtlich ist. Weiterhin können die Bestandteile von zahlreichen Elementen in den Figuren mit getrennten Bezugsziffern benannt werden, die so verstanden sein sollen, daß sie nur auf den Bestandteil des Elementes und nicht das Element als Ganzes Bezug nehmen. Allgemeine Bezüge zusammen mit Bezügen auf Abstände, Oberflächen, Dimensionen und Abgrenzungen können mit Pfeilen oder Unterstrichen bezeichnet werden.
Für die anschaulichen Zwecke des folgenden Diskurses wird der Poliergegenstand der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit dessen Gestaltung als ein Kissen zur Verwendung in dem Gerät 10 aus 1 beschrieben. Es wird jedoch ersichtlich, daß Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung, die in anderen Gestalten und in anderen Formen als Kissen, wie Rollen, Bahnen oder Gürtel, zur Verfügung gestellt werden können, in anderen Geräten oder Systemen verwendet werden können. Solche alternativen Gestalten und Formen davon können als ausdrücklich innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung angesehen werden.
Wenn dann auf die Figuren Bezug genommen wird, wobei übereinstimmende Bezugskennzeichen zum Bezeichnen von übereinstimmenden Elementen überall in den mehreren Ansichten verwendet werden, wobei auf äquivalente Elemente mit primären oder sequentiellen alphanumerischen Bezeichnungen Bezug genommen wird, wird ein typischer Poliergegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein bei 50 perspektivisch in 2 und im Querschnitt in 3 gezeigt. Mit einer nochmaligen kurzzeitigen Bezugnahme auf 1, kann Gegenstand 50, wie verwendet, zum Beispiel als das Kissen 16 in dem Gerät 10, elektrisch an die kathodische Elektrode 40 gekoppelt sein und kann weiter elektrisch mit der Oberfläche 23 über die Elektrolytlösung 32, die nicht-abrasiv sein kann, und/oder über direkten Kontakt damit verbunden sein, um die elektrochemische Zelle 44 zu vervollständigen. Mit einer zusätzlichen Bezugnahme auf 2 und 3 wird Gegenstand 50 in dieser Beziehung mit einer im allgemeinen ebnen Polier-, oder anderen Bearbeitungsoberfläche 52 zur Verfügung gestellt, die in direktem physischen Kontakt gegen die Oberfläche 23 des Werkstückes angeordnet sein kann (1), und einer gegenüberliegenden Oberfläche 54, die auf der Platte 24 des Gerätes 10 erhalten sein kann (1).
Es wird nun wieder auf 2 und 3 Bezug genommen, wobei Gegenstand 50, der für viele Anwendungen eine Gesamtdicke von zwischen ungefähr 2–40 mils (0,05–1 mm) haben kann, auf die bei "T" in der Schnittzeichnung von 2 Bezug genommen wird, und kann in der Form von oder wie geformt aus einer Platte, Rolle, Band, ausgestanztem Teil oder ähnlichem zur Verfügung gestellt werden. In einer Grundkonstruktion wird Gegenstand 50 aus einer Schicht 60 einer elektrisch leitfähigen Zusammensetzung, die gemäß den Regeln der vorliegenden Erfindung formuliert ist, und in der geschilderten Ausführungsform einer Trägerbahn oder -schicht 62, die die Schicht 60 unterstützt, gebildet. Es sollte jedoch verstanden werden, daß Träger 62 optional ist, und daß Gegenstand 50 daher im wesentlichen nur aus der Schicht 60 oder mit einer oder mehreren Schichten laminiert, wie einer Schaumschicht oder anderen Verstärkungen, die nicht der Träger 62, wie gezeigt ist, oder zusätzlich zu dem Träger 62, bestehen kann.
In der geschilderten Ausführungsform kann Träger 62 als ein Film eines Kunststoffs oder anderen Polymermaterials, ein Gewebe oder Filz, z. B. genäht, Gewebe, Tuch, Gespinst oder Matte oder eine Aluminium- oder andere Metallfolie, -blende oder -streckgitter zur Verfügung gestellt werden. Ein solcher Träger 62 kann die physikalische Stärke des Gegenstandes 50 zur besseren Vereinfachung der Handhabung davon sowie das Ausstanzen oder andere Endbearbeitungen verbessern. Der Träger wird eine Dicke von zwischen ungefähr 0,5–10 mils (12,5–125 μm) haben.
Für viele Anwendungen kann es bevorzugt sein, daß der Träger 62 elektrisch leitend gemacht wird, wie z. B. auf einen spezifischen Widerstand der Oberfläche von ungefähr 0,1 Ω/sq. oder weniger. In dieser Beziehung kann der Träger als ein metallisierter Kunststofffilm, eine Metallfolie oder bevorzugt ein elektrisch leitfähiges Netz, das ein Gewebe, Tuch, Gespinst, Matte, Blende oder eine andere Bahn oder andere Schicht sein kann, die Gewebe, Filz, z. B. genäht, gestrickt, gestreckt, gerollt, zusammengepreßt oder auf andere Weise geformt sein kann. Ein solches Netz kann elektrisch leitend gemacht werden, indem es aus Drähten, Monofilamenten, Garnen, Bündeln oder anderen Fasern oder Materialien, die von Natur aus elektrisch leitend sind, oder alternativ, die nichtleitend sind aber mit Hilfe von einer angewendeten Beschichtung, Metallüberzug, Metallaufdampfen oder anderen Behandlungen eines elektrisch leitenden Materials leitfähig gemacht werden, besteht. Wenn der Träger 62 als elektrisch leitend zur Verfügung gestellt wird, kann er zum Verbinden des Gegenstandes 50 mit der Elektrode 40 verwendet werden (1), z. B. durch Bereitstellen von Kontakten zwischen dem Träger und der Elektrode.
Typische Materialien für den Träger 62, die von sich aus elektrisch leitfähig sind, umfassen Metalle, wie Kupfer, Nickel, Silber, Aluminium, Stahl, Zinn und Bronze, Legierungen davon, wie die Nickel-Kupfer-Legierung Monel, Nichtmetalle, wie Kohlenstoff, Graphit und von sich aus leitfähige Polymere, und plattierte oder verkleidete Drähte oder andere Fasern, wie eine oder mehrere von Kupfer, Nickel, Silber, Aluminium, Stahl, Zinn, Bronze oder einer Legierung davon, die mit einer oder mehreren von Kupfer, Nickel, Silber, Aluminium, Stahl, Zinn, Bronze oder einer Legierung davon beschichtet sind, z. B. versilbertes Kupfer, nickelkaschiertes Kupfer, Ferrex^® (Parker Chomerics, Wobum, MA), verzinnter kupferkaschierter Stahl, zinnkaschiertes Kupfer und verzinnte Phosphorbronze. Typische nichtleitende Fasern umfassen Baumwolle, Wolle, Seide, Zellulose, Polyester, Polyamid, Nylon und Polyimid-Monofilamente oder Garne, die plattiert, kaschiert oder auf anderer Weise mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet sind, das ein Metall, wie Kupfer, Nickel, Silber, Aluminium, Zinn oder eine Legierung oder Zusammenstellung davon, oder ein Nicht-Metall, wie Kohlenstoff, Graphit oder ein leitfähiges Polymer davon, sein kann. Wie bekannt ist, kann das Plattieren oder Kaschieren oder auf andere Weise Beschichten auf einzelne Faserstränge oder die Oberfläche des Stoffes nach dem Weben, Stricken oder anderen Herstellung angewendet werden. Zusammenstellungen, wie eine oder mehrere der vorgenannten leitfähigen Fasern, eine oder mehrere der vorgenannten beschichteten nichtleitenden Fasern und eine oder mehrere der vorgenannten leitfähigen Fasern und eine oder mehrere der vorgenannten beschichteten nichtleitenden Fasern können auch verwendet werden.
Soweit Stoffe und Tuche eine besondere Anwendung finden können, kann ein bevorzugter Aufbau des Stoffes für Träger 62 ein Filz, 9 mil (0,23 mm) dick, 2,6 oz/yd² (87 g/m²) Gewicht, kupferplattiertes Pin Bonded Nylon (PBN) und zwischen ungefähr 0,5–10 Gew.-% der Kupferplattierung, basierend auf dem Gesamtgewicht des Stoffes, sein. Wie in 3 erkannt werden kann, kann die Schicht 60 im Fall von Stoffen, Tuchen, Blenden oder anderen Netzen oder Materialien mit wenigstens einem gewissen Maß an Porosität teilweise oder, wie gezeigt, im wesentlichen vollständig den Träger 62 durch die Oberfläche 54 des Gegenstandes 50 imprägnieren. Die Schicht 60 kann auf dem Träger 62 beschichtet, daran gebunden oder auf andere Weise mit ihm verbunden sein oder darin eingearbeitet sein und mit einer Bahn oder anderen Schicht des Trägers 62 eingebaut sein, um, wie gezeigt, die flächenförmige Struktur des Gegenstandes 50 zur Verfügung zu stellen.
Die elektrisch leitfähige Zusammensetzung der ersten Schicht 20 kann gemäß den Regeln der vorliegenden Erfindung als eine Abmischung oder andere Beimischung eines Harzes oder einer anderen polymeren Komponente und eines elektrisch leitenden teilchenförmigen Füllstoffes formuliert sein. Die polymere Komponente, die selbst eine Abmischung oder andere Beimischung sein kann, kann ein Thermoplast oder Duroplast sein, und kann spezifisch in Abhängigkeit von einem oder mehreren der Folgenden ausgewählt wenden: Betriebstemperatur, Härte, chemische Verträglichkeit, Elastizität, Geschmeidigkeit, Ablenkung durch Druck, Druckverformung, Flexibilität, Fähigkeit zur Erholung nach Verformung, Modul, Zugfestigkeit, Dehnung, Kraftbruch, Entflammbarkeit oder andere chemische oder physikalische Eigenschaften, wobei insbesondere einer Härte von zwischen ungefähr 15–75 Shore D als bevorzugt für viele Anwendungen angesehen wird. Abhängig von der Anwendung können geeignete Materialien, insbesondere Polyurethane sowie Silikone, Fluorsilikone, Polykarbonate, Ethylenvinylacetate (EVA), Acrylnitril-Butadien-Styrole (ABS), Polysulfone, Acryle, Polyvinylchloride (PVC), Polyphenylenether, Polystorole, Polyamide, Nylon, Polyolefine, Poly(etheretherketone), Polyimide, Polyetherimide, Polybutylenterephthalate, Polyethylenterephthalate, Fluorpolymere, Polyester, Acetate, Flüssigkristallpolymere, Polymethylacrylate, Polyphenylenoxide, Polystyrole, Epoxidharze, Phenole, Chlorsulfonate, Polybutadiene, Buna-N, Butyle, Neoprene, Nitrile, Polyisoprene, Naturkautschuke und copolymere Kautschuke, wie Styrol-Isopren-Styrole (SIS), Styrol-Butadien-Styrole (SBS), Ethylen-Propylene (EPR), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuke (EPDM), Nitril-Butadiene (NBR) und Styrol-Butadiene (SBR) und Copolymere und Abmischungen davon umfassen. In dem Fall von Polyurethanen kann das Polyurethan ein thermoplastisches Polyurethan (TPU) oder ein duroplastisches sein, und kann auf einer Urethan-Verknüpfungsreaktion zwischen einem Diisocyanat, wie Diphenylmethandiisocyanat (MDI), Tolidindiisocyanat (TDI) oder p-Phenylendiisocyanat (PPDI) und einem Polyol, das ein Polyether, Polyester oder anderes auf Harz basierendes sein kann, basieren. Jedes der vorhergehenden Materialien kann unaufgeschäumt oder, sofern durch die Anwendung erforderlich, geblasen oder auf andere Weise chemisch oder physikalisch zu einem Schaum mit offenen oder geschlossenen Zellen verarbeitet benutzt werden.
Wie bei 70 in der Schnittzeichnung von 3 Bezug genommen wird, bildet die polymere Komponente im allgemeinen ein Bindemittel oder eine andere kontinuierliche oder Matrixphase innerhalb der Zusammensetzung, in welche der elektrisch leitfähige teilchenförmige Füllstoff, auf den bei 72 Bezug genommen wird, als eine diskrete Phase verteilt wird. Der Füllstoff ist in dem Bindemittel in einem ausreichenden Verhältnis umfaßt, daß der gewünschte Grad an elektrischer Leitfähigkeit für die geplante Anmeldung zur Verfügung gestellt wird. Für die meisten Anwendungen würde ein spezifischer Massen- oder Volumenwiderstand von nicht mehr als 1 Ω-cm und/oder ein spezifischer Oberflächenwiderstand von nicht mehr als ungefähr 2 Ω/sq. als annehmbar angesehen werden und würde in eine Füllstoffbeladung, die im allgemeinen zwischen ungefähr 25–95 Gew.-% liegt, basierend auf dem Gesamtvolumen bzw. -gewicht der Zusammensetzung, umgesetzt werden.
In Abhängigkeit von der Anwendung und insbesondere dem Material der Schicht 23 (1), die poliert wird, kann die Größe und Form des Füllstoffs kritisch oder unkritisch sein. Im allgemeinen kann jedoch der Füllstoff jede Form oder Mischung an Formen haben und wird hier im breiten Sinne als "teilchenförmig" bezeichnet, was so verstanden werden soll, daß massive und hohle Kugeln und Mikrokügelchen, elastomere Ballons, Flocken, Plättchen, Fasern, Stäbe, unregelmäßig geformte Partikel, Fasern, die zerhackt, zermalen oder Whisker sein können, und insbesondere Pulver, umfaßt sind. Für viele Anwendungen wird die Partikelgröße oder -verteilung des Füllstoffs üblicherweise zwischen ungefähr 0,01–10 mil (0,25–250 μm) schwanken, was ein Durchmesser, kalkulatorischer Durchmesser, Länge oder eine andere Dimension des Teilchens sein kann.
Geeignete elektrisch leitfähige Füllstoffe umfassen: Nichtmetalle, wie Kohlenstoff oder Graphit, edle und unedle Metalle, wie Nickel, Kupfer, Zinn, Aluminium und Nickel, edelmetallplat tierte Edel- oder Unedelmetalle, wie gold- oder silberplattiertes Kupfer, Nickel, Aluminium, Zinn oder Gold, unedelmetallplattierte Edel- und Unedelmetalle, wie zinn- oder nickelplattiertes Kupfer, Silber, Wismut, Indium oder Blei, und edel- oder unedelmetallplattierte Nichtmetalle, wie gold-, silber- und/oder nickelplattiertes oder -kaschiertes Graphit, d. h. goldplattiertes nickelkaschiertes Graphit, Glas, Keramik, Kunststoff, Elastomere oder Glimmer und Mischungen davon. Der elektrisch leitfähige Füllstoff kann spezifisch in Abhängigkeit von einem oder mehreren der Folgenden gewählt werden: Leitfähigkeit, Schlüpfrigkeit, Harzerfordernis, Härte, chemische Verträglichkeit, wie mit der polymeren Komponente und/oder dem Material der Werkstückoberfläche 23 (1), und Kosten.
Insbesondere im Fall der Schicht 23 (1), die aus Kupfer, Zinn oder Graphitpulvern oder anderen Teilchen oder einer Mischung daraus gebildet ist, kann bevorzugt sein. In dieser Hinsicht kann es, zumindest im Fall der bearbeitenden Oberfläche 52 des Gegenstandes 50, die in polierendem Kontakt zu der Werkstückoberfläche 23 (1) der Scheibe ist, bevorzugt sein, daß das Material des Füllstoffs 72 als weicheres oder zumindest nicht nennenswert härteres Material als das Material der Werkstückoberfläche 23 zur Verfügung gestellt wird, um jede Möglichkeit des Verkratzens oder auf andere Weise Beschädigens der Werkstückoberfläche zu minimieren. Als Beispiel kann das Kupfer der Werkstückoberfläche 23 eine Moh-Härte von zwischen ungefähr 2,5–3 haben, wobei die Zinn- und Graphit-Füllstoffteilchen eine Moh-Härte von zwischen ungefähr 1,5–1,8 für Zinn und zwischen ungefähr 0,5–1 für Graphit haben.
Zusätzliche Füllstoffe und Zusatzstoffe können in der Formulierung der Zusammensetzung in Abhängigkeit von den Erfordernissen der bestimmten vorgesehenen Anwendung einbezogen werden. Solche Füllstoffe und Zusatzstoffe, die funktionell oder inert sein können, können keramisches Material oder andere fixierte abrasive Teilchen, Benetzungsmittel und oberflächenaktive Substanzen, Pigmente, Dispersionsmittel, Farbstoffe und andere färbende Stoffe, Deckmittel, Schaumerzeugungsmittel oder Schaumverhinderer, antistatische Mittel, Haftvermittler, wie Titanate, kettenverlängernde Öle, Klebrigmacher, strömungsverändernde Mittel, Pigmente, Schmierstoffe, wie Molybdändisulfid (MoS₂), Silane und Peroxide, wie Varox^® (R. T. Vanderbilt Co., Inc., Norwalk, CT), Dibenzylperoxid, Dicumylperoxid oder andere organische oder anorganische Peroxide, filmverstärkende Polymere oder andere Mittel, Stabilisierungsmittel, Emulgatoren, Antioxidantien, Verdickungsmittel und/oder Flammverzögerungsmittel und andere Füllstoffe, wie Aluminiumtrihydrat, Antimontrioxid, Metalloxide und -salze, eingelagerte Graphitteilchen, Phosphatester, Decabromdiphenyloxid, Borste, Phosphate, halogenierte Verbindungen, Glas, Kieselerde, die geräuchert oder kristallin sein kann, Silikate, Glimmer und Glas oder polymere Mikrokügelchen sein. Üblicherweise sind diese Füllstoffe und Zusatzstoffe mit der Formulierung abgemischt oder auf andere Weise beigemischt und können zwischen ungefähr 0,05–80% oder mehr des gesamten Volumens davon umfassen.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann die Beimischung der Zusammensetzung zusätzlich eine Harz-Füllstoffkomponente enthalten. Unter nochmaliger Bezugnahme auf die morphologisch etwas stilisierte, d. h. mikrofotografische Darstellung des Gegenstandes 50, die in 3 gezeigt ist, bildet der Harz-Füllstoff eine zweite feinverteilte Phase innerhalb der kontinuierlichen Phase 70, die als diskrete Bereiche existieren, wobei auf einen von diesen bei 74 Bezug genommen wird, aber durch die Abwesenheit oder wesentlicher Abwesenheit von elektrisch leitfähigen Füllstoffteilchen 72 oder anderen Füllstoffen, die als wesentliche Abriebmittel gegen die Werkstückoberfläche 23 (1) der Scheibe wirken könnten, unterscheidbar von der Phase 70. Die Bereiche 74 haben eine hauptsächliche diametrische oder andere Ausdehnung, auf die bei "d" in 3 Bezug genommen wird, zwischen ungefähr 0,08–2 mils (2–50 μm) und hängen von dem Grad der Verteilung innerhalb der Matrixphase 70 und der Partikelgröße der Beladung von Bestandteilen ab, solche Bereiche 74 können aus einzelnen Harzteilchen oder Anhäufungen solcher Teilchen gebildet werden. Der Begriff "diskrete Bereiche", wie er hier verwendet wird, sollte als Bezugnahme auf beide dieser Bereiche entweder als Teilchen oder auf Anhäufungen davon verstanden werden.
Die Harz-Füllstoffkomponente, die wie die polymere Komponente eine Abmischung oder andere Beimischung sein kann, kann ein Thermoplast oder Duroplast sein und kann auch spezifisch in Abhängigkeit von einem oder mehreren der Folgenden gewählt werden: Betriebstemperatur, Härte, chemische Verträglichkeit, Elastizität, Geschmeidigkeit, Ablenkung auch Druck, Druckverformung, Flexibilität, Fähigkeit zur Erholung nach Verformung, Modul, Zugfestigkeit, Dehnung, Kraftbruch, Entflammbarkeit oder andere chemische oder physikalische Eigenschaften, wobei insbesondere eine Härte von zwischen ungefähr 15–75 Shore D als bevorzugt für viele Anwendungen angesehen wird. In Abhängigkeit von der Anwendung können die Harz-Füllstoffkomponente und die polymere Komponente von gleicher Zusammensetzung oder unterschiedlicher Zusammensetzungen sein. Geeignete Materialien für die Harz-Füllstoffkomponente können daher insbesondere Polyurethane umfassen sowie Silikone, Fluorsilikone, Polykarbonate, Ethylenvinylacetate (EVA), Acrylnitril-Butadien-Styrole (ABS), Polysulfone, Acrylharze, Polyvinylchloride (PVC), Polyphenylenether, Polystorole, Polyamide, Nylon, Polyolefine, Poly(etheretherketone), Polyimide, Polyetherimide, Polybutylenterephthalate, Polyethylenterephthalate, Fluorpolymere, Polyester, Acetale, Flüssigkristallpolymere, Polymethacrylate, Polyphenylenoxide, Polystyrole, Epoxidharze, Phenole, Chlorsulfonate, Polybutadiene, Buna-N, Butyle, Neoprene, Nitrile, Polyisoprene, Naturkautschuke und copolymere Kautschuke, wie Styrol-Isopren-Styrole (SIS), Styrol-Butadien-Styrole (SBS), Ethylen-Propylene (EPR), Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuke (EPDM), Nitril-Butadiene (NBR) und Styrol-Butadiene (SBR) und Copolymere und Abmischungen davon. Diese Materialien können bei tiefen Temperaturen zerkleinert oder auf andere Weise gemahlen oder verarbeitet werden, um netzartige oder andere Partikel zu bilden.
Wie nochmals in Bezug auf 3 erkannt werden kann, können die Bereiche 74 der Harz-Füllstoffkomponente einen Teil der Polieroberfläche 52 umfassen, z. B. durch das Aufweisen einer Dicke, auf die bei "t" Bezug genommen wird, für den Bereich, auf den bei 74 Bezug genommen wird, oder eine andere Dimension, so daß sich die Bereiche durch die Dicke der Schicht 60 erstrecken oder z. B. durch das Bereitgestelltsein, wie durch die Bereiche, auf die im allgemeinen bei 74' Bezug genommen wird, gezeigt ist, indem sie überall in dem Dickenmaß der Schicht 60 verteilt sind, so daß sie exponiert werden, während die Oberfläche 52 abgenutzt oder geschliffen wird. Da sie einen Teil der Polieroberfläche 52 bilden, können die Bereiche der Harz-Füllstoffkomponente die Eigenschaften, wie Reibungskoeffizient oder Härte, davon so beeinflussen, daß sie das Polieren der Werkstückoberfläche unterstützen. Zusätzlich können die Bereiche 74, indem sie als ein Füllstoff wirken, die Leitfähigkeit der elektrischen Zusammensetzung durch Vergrößern des Ausmaßes des Teilchen-Teilchen-Kontakts des elektrisch leitenden Füllstoffs verbessern, um eine höhere Leitfähigkeit für ein gegebenes Ladungsniveau zu erzielen. Die Bereiche 74 können auch die Minimierung der Kissenabnutzung durch eine Funktion als abriebfeste Anschläge innerhalb der Schicht 60 unterstützen.
Bei der Herstellung wirtschaftlicher Mengen des Gegenstandes 50 können die polymeren und elektrisch leitenden Füllstoffkomponenten der elektrisch leitenden Zusammensetzung der Schicht 60 zusammen mit jeglichen zusätzlichen Füllstoffen und Zusatzstoffen, wie der Harz-Füllstoffkomponente, unter allgemeinen Bedingungen hoher Scherkräfte und optional Temperatur in einer Walzmühle oder anderem Mischer vermischt werden. Danach kann eine Schicht 60 der Zusammensetzung auf den Träger 62 oder auf eine Trennbahn oder ein anderes Substrat in Abwesenheit eines Trägers in üblicher Weise aufgetragen werden, wie z. B. durch Sprühen, Messerstreichverfahren, Walzbeschichten, Gießen, Trommelbeschichten, Eintauchen, Dispensieren, Extrudieren, Siebdruck oder andere direkte Verfahren oder durch einen Transfer oder ein anderes indirektes Verfahren. Nach dem Überziehen kann die entstehende Schicht 60 gehärtet, verfestigt oder auf andere Weise ausgehärtet werden, wie durch ein chemisches Quervernetzen oder eine andere Reaktion, oder durch ein physikalisches Verfahren, wie Trocknen oder Kühlen, um einen anhaftenden Film, Beschichtung oder anderen Rest oder Ablagerung auf der Schicht 60 auf dem Substrat zu bilden.
Schließlich sind unter Bezugnahme auf 4 die Überspannungskurven zahlreicher typischer Materialien der elektrisch leitfähigen Füllstoffkomponente graphisch als Diagramme des Stroms gegen die Spannung dargestellt. Die Kurven von 4 können empirisch erhalten werden, beispielsweise mit einer elektrochemischen Zelle, die gegen eine Standardkalomelelektrode (SCE) als die Anode gemessen wird. In 4 sind Kurven für Kupfer (Cu), Graphit (Gr) und Zinn (Sn) über den ersten Quadranten gezeigt, wobei die Oxidation entlang der x-Achse zunimmt. Wie man erkennen kann, sind die Kurven für Gr und Sn gegenüber der Cu-Kurve ins Po sitive verschoben und gibt höhere Sauerstoffüberspannungen an, d. h. die Cu-Elektrode entwickelt Sauerstoff bei weniger positiven Potentialen als die Gr- und Sn-Elektroden. Aus diesen Daten kann geschlossen werden, daß eine mit Graphit oder Zinn gefüllte Zusammensetzung, wenn sie hier in den Poliergegenständen verwendet wird, stabiler sein würde als eine mit Kupfer gefüllte Zusammensetzung. Die Begriffe "Überspannung" und "Konzentrationspolarisation", wie sie hier verwendet werden, können austauschbar in Bezug auf die Zusammensetzung und/oder den Füllstoff in der Zusammensetzung verwendet werden.

Claims

Poliergegenstand für das elektrochemisch-mechanische Polieren (ECMP) eines Werkstücks, wobei der Gegenstand eine elektrisch leitfähige Zusammensetzung, die in einer Schicht ausgebildet ist, umfaßt, wobei die Zusammensetzung eine Beimischung umfaßt, welche folgendes beinhaltet: (a) eine polymere Komponente, die in der Schicht eine kontinuierliche Phase bildet, und (b) eine elektrisch leitfähige Füllstoffkomponente, die eine erste diskrete Phase innerhalb der kontinuierlichen Phase bildet, wobei, wenn das Werkstück und die Schicht elektrisch miteinander verbunden sind und eine elektrische Vorspannung zwischen dem Werkstück und der Schicht angelegt wird, die Vorspannung eine elektrochemische Reaktion aktivieren kann, wobei die Zusammensetzung ein Überpotential von wenigstens etwa 1 V für die Aktivierung der Reaktion größer als die Vorspannung aufweist.
Poliergegenstand nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitfähige Füllstoffkomponente aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Graphitteilchen, Metallteilchen, metallbeschichteten Metallteilchen, metallbeschichteten Nicht-Metallteilchen und Gemischen davon.
Poliergegenstand nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitfähige Füllstoffkomponente Graphitteilchen umfaßt.
Poliergegenstand nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitfähige Füllstoffkomponente Zinnteilchen umfaßt.
Poliergegenstand nach Anspruch 1, wobei die polymere Komponente ein Urethanpolymer oder -copolymer umfaßt.
Poliergegenstand nach Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung zwischen etwa 25–95%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Komponenten (a) und (b), der elektrisch leitfähigen Füllstoffkomponente umfaßt.
Poliergegenstand nach Anspruch 1, wobei die elektrisch leitfähige Füllstoffkomponente Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von zwischen etwa 0,01–10 mil (0,25–250 μm) umfaßt.
Poliergegenstand nach Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung einen elektrischen Volumenwiderstand von nicht mehr als etwa 1 Ω-cm hat.
Poliergegenstand nach Anspruch 1, wobei die Beimischung weiterhin folgendes umfaßt: (c) eine Harz-Füllstoffkomponente, die eine zweite diskrete Phase innerhalb der kontinuierlichen Phase bildet, wobei die zweite diskrete Phase im wesentlichen frei von der elektrisch leitfähigen Füllstoffkomponente ist.
Poliergegenstand nach Anspruch 9, wobei die Zusammensetzung zwischen etwa 1–10%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Komponenten (a), (b) und (c), der Harz-Füllstoffkomponente umfaßt.
Poliergegenstand nach Anspruch 9, wobei die Harz-Füllstoffkomponente Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von zwischen etwa 0,08–2 mil (2–50 μm) umfaßt.
Poliergegenstand nach Anspruch 9, wobei die Harz-Füllstoffkomponente Teilchen von einem oder mehreren thermoplastischen Harzen umfaßt.
Poliergegenstand nach Anspruch 1, wobei der Gegenstand weiterhin einen Träger umfaßt und die Schicht aus der elektrisch leitfähigen Zusammensetzung auf diesem Träger getragen wird.
Poliergegenstand nach Anspruch 13, wobei der Träger eine Bahn aus einem elektrisch leitfähigen Netz umfaßt.
Elektrochemisch-mechanisches Polier-(ECMP-)System zum Bearbeiten eines Werkstücks, wobei das System folgendes umfaßt: einen Poliergegenstand, der elektrisch mit dem Werkstück verbunden ist, wobei der Gegenstand eine elektrisch leitfähige Zusammensetzung umfaßt, welche in einer Schicht ausgebildet ist, wobei die Zusammensetzung eine Beimischung umfaßt, welche folgendes beinhaltet: (a) eine polymere Komponente, die eine kontinuierliche Phase in der Schicht bildet, und (b) eine elektrisch leitfähige Füllstoffkomponente, die eine erste diskrete Phase innerhalb der kontinuierlichen Phase bildet, ein Werkstück, welches elektrisch mit der Schicht verbunden ist, und eine elektrische Vorspannung, die zwischen dem Werkstück und der Schicht angelegt wird, wobei, wenn die elektrische Vorspannung, die zwischen dem Werkstück und der Schicht angelegt ist, eine elektrochemische Reaktion aktivieren kann, die Zusammensetzung eine Überspannung von wenigstens etwa 1 V für die Aktivierung der Reaktion größer als die Vorspannung aufweist.
ECMP-System nach Anspruch 15, wobei die Schicht eine Bearbeitungsoberfläche hat und das Werkstück eine Werkstückoberfläche hat, die in Richtung gegen die Bearbeitungsoberfläche der Schicht angeordnet ist.
ECMP-System nach Anspruch 15, wobei die elektrisch leitfähige Füllstoffkomponente aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Graphitteilchen, Metallteilchen, metallbeschichteten Metallteilchen, metallbeschichteten Nicht-Metallteilchen und Gemischen davon.
ECMP-System nach Anspruch 15, wobei die elektrisch leitfähige Füllstoffkomponente Graphitteilchen umfaßt.
ECMP-System nach Anspruch 15, wobei die elektrisch leitfähige Füllstoffkomponente Zinnteilchen umfaßt.
ECMP-System nach Anspruch 15, wobei die polymere Komponente ein Urethanpolymer oder -copolymer umfaßt.
ECMP-System nach Anspruch 15, wobei die Zusammensetzung zwischen etwa 25–95%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Komponenten (a) und (b), der elektrisch leitfähigen Füllstoffkomponente umfaßt.
ECMP-System nach Anspruch 15, wobei die elektrisch leitfähige Füllstoffkomponente Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von zwischen etwa 0,01–10 mil (0,25–250 μm) umfaßt.
ECMP-System nach Anspruch 15, wobei die Zusammensetzung einen elektrischen Volumenwiderstand von nicht mehr als etwa 1 Ω-cm hat.
ECMP-System nach Anspruch 15, wobei die Beimischung weiterhin folgendes umfaßt: (c) eine Harz-Füllstoffkomponente, die eine zweite diskrete Phase innerhalb der kontinuierlichen Phase bildet, wobei die zweite diskrete Phase im wesentlichen frei von der elektrisch leitfähigen Füllstoffkomponente ist.
ECMP-System nach Anspruch 24, wobei die Zusammensetzung zwischen etwa 1–10%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Komponenten (a), (b) und (c), der Harz-Füllstoffkomponente umfaßt.
ECMP-System nach Anspruch 24, wobei die Harz-Füllstoffkomponente Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von zwischen etwa 0,08–2 mil (2–50 μm) umfaßt.
ECMP-System nach Anspruch 24, wobei die Harz-Füllstoffkomponente Teilchen von einem oder mehreren thermoplastischen Harzen umfaßt.
ECMP-System nach Anspruch 15, wobei der Gegenstand weiterhin einen Träger umfaßt und die Schicht aus der elektrisch leitfähigen Zusammensetzung auf dem Träger getragen wird.
ECMP-System nach Anspruch 28, wobei der Träger eine Bahn aus einem elektrisch leitfähigen Netz umfaßt.
Elektrochemisch-mechanisches Polier-(ECMP-)Verfahren zum Bearbeiten der Oberfläche eines Werkstücks, wobei das Verfahren die folgenden Stufen umfaßt: (a) Bereitstellen eines Poliergegenstands, wobei der Gegenstand eine elektrisch leitfähige Zusammensetzung, die in einer Schicht mit einer Bearbeitungsoberfläche ausgebildet ist, umfaßt, wobei die Zusammensetzung eine Beimischung umfaßt, welche folgendes beinhaltet: (I) eine polymere Komponente, die eine kontinuierliche Phase in der Schicht bildet, und (II) eine elektrisch leitfähige Füllstoffkomponente, die eine erste diskrete Phase innerhalb der kontinuierlichen Phase bildet, (b) elektrisches Verbinden der Schicht aus Stufe (a) mit dem Werkstück und (c) Anlegen einer elektrischen Vorspannung zwischen dem Werkstück und der Schicht, wobei die Vorspannung eine elektrochemische Reaktion aktivieren kann und die Zusammensetzung aus der Schicht eine Überspannung von wenigstens etwa 1 V für die Aktivierung der Reaktion aufweist, die größer als die Vorspannung ist, wobei die Schicht aus Stufe (a) eine Bearbeitungsoberfläche hat und wobei das Verfahren weiterhin im Anschluß an die Stufe (a) die folgende zusätzliche Stufe umfaßt: Anordnen der Oberfläche des Werkstücks in Richtung gegen die Bearbeitungsoberfläche der Schicht.
ECMP-Verfahren nach Anspruch 30, wobei die elektrisch leitfähige Füllstoffkomponente aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Graphitteilchen, Metallteilchen, metallbeschichteten Metallteilchen, metallbeschichteten Nicht-Metallteilchen und Gemischen davon.
ECMP-Verfahren nach Anspruch 30, wobei die elektrisch leitfähige Füllstoffkomponente Graphitteilchen umfaßt.
ECMP-Verfahren nach Anspruch 30, wobei die elektrisch leitfähige Füllstoffkomponente Zinnteilchen umfaßt.
ECMP-Verfahren nach Anspruch 30, wobei die polymere Komponente ein Urethanpolymer oder -copolymer umfaßt.
ECMP-Verfahren nach Anspruch 30, wobei die Zusammensetzung zwischen etwa 25–95%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Komponenten (I) und (II), der elektrisch leitfähigen Füllstoffkomponente umfaßt.
ECMP-Verfahren nach Anspruch 30, wobei die elektrisch leitfähige Füllstoffkomponente Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von zwischen etwa 0,01–10 mil (0,25–250 μm) umfaßt.
ECMP-Verfahren nach Anspruch 30, wobei die Zusammensetzung einen elektrischen Volumenwiderstand von nicht mehr als etwa 1 Ω-cm hat.
ECMP-Verfahren nach Anspruch 30, wobei die Beimischung weiterhin folgendes umfaßt: (III) eine Harz-Füllstoffkomponente, die eine zweite diskrete Phase innerhalb der kontinuierlichen Phase bildet, wobei die zweite diskrete Phase im wesentlichen frei von der elektrisch leitfähigen Füllstoffkomponente ist.
ECMP-Verfahren nach Anspruch 38, wobei die Zusammensetzung zwischen etwa 1–10%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Komponenten (I), (II) und (III), der Harz-Füllstoffkomponente umfaßt.
ECMP-Verfahren nach Anspruch 38, wobei die Harz-Füllstoffkomponente Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von zwischen etwa 0,08–2 mil (2–50 μm) umfaßt.
ECMP-Verfahren nach Anspruch 38, wobei die Harz-Füllstoffkomponente Teilchen von einem oder mehreren thermoplastischen Harzen umfaßt.
ECMP-Verfahren nach Anspruch 30, wobei der Gegenstand weiterhin einen Träger umfaßt, wobei die Schicht der elektrisch leitfähigen Zusammensetzung auf dem Träger getragen wird.
ECMP-Verfahren nach Anspruch 42, wobei der Träger eine Bahn aus einem elektrisch leitfähigen Netz umfaßt.