TWI784027B - 包括可適形塗層之磨料物品及來自其之拋光系統 - Google Patents

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，以及來自其之拋光系統。本揭露提供一種磨料物品，其包括一陶瓷本體，該陶瓷本體具有一研磨表面及一相對第二表面，其中該陶瓷本體的該研磨表面包括複數個經工程設計特徵，該複數個經工程設計特徵各具有一基部及與該基部相對的一遠端，且該陶瓷本體具有至少7.5的莫氏硬度；一可適形金屬氧化物塗層，其相鄰於且適形於該複數個經工程設計特徵，其中該可適形金屬氧化物塗層包括一第一表面；及一可適形極性有機金屬塗層，其與該可適形金屬氧化物塗層的該第一表面接觸，其中該可適形極性有機金屬塗層包括具有至少一金屬及具有至少一極性官能基之一有機部分的一化學化合物。

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)，以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。從基材表面移除的材料一般稱為切屑(swarf)。磨料物品的一個問題是，切屑可積聚在磨料物品的研磨表面上，而降低磨料物品的研磨能力。從磨料物品移除切屑經常是困難的，此係因為其可易於黏附至磨料物品的研磨表面。

在化學機械平坦化(CMP)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。在以該拋光漿體及該拋光墊來拋光該晶圓的期間，該拋光墊可由於來自漿體的漿體粒子而變得釉化(glazed)，這降低該拋光墊以一致方式拋光該晶圓的能力。可含有一鑽石粒子研磨層、一陶瓷研磨層、或經鑽石塗佈的一陶瓷研磨層的墊修整器係常用以研磨該拋光墊以移除該釉及/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。然而，在使用期間，該墊修整器易於發生切屑積聚，例如自該拋光墊研磨的拋光墊材料及/或來自該漿體的磨料粒子可黏附至該墊修整器的該研磨表面。此現象降低該墊修整器從該拋光墊移除該釉及/或將新的拋光墊表面露出的能力，並最終導致該拋光墊本身的拋光性能降低。為了改善此情況，需要具有一研磨表面的一墊修整器，其減少切屑積聚及/或可輕易清除切屑。

本揭露關於具有一獨特親水性表面之磨料物品。該親水性表面改善該磨料物品表面的可濕性，並且可導致增強的抗污垢能力及/或增強的清潔能力，此係由於該磨料物品的該親水性表面。此與先前技術(例如美國專利公開申請案第2011/0053479號(Kim等人))對比，其建議需要疏水性切削表面以防止一切削工具表面(例如，一墊修整器表面)的污染。本揭露亦提供結合本揭露之該磨料物品的拋光系統。

在一態樣中，本揭露提供及磨料物品，其包含：一陶瓷本體，其具有一研磨表面及一相對第二表面，其中該陶瓷本體的該研磨表面包括複數個經工程設計特徵，該複數個經工程設計 特徵各具有一基部及與該基部相對的一遠端，且該陶瓷本體具有至少7.5的莫氏硬度(Mohs hardness)及/或至少1300kg/mm²的維氏硬度(Vickers hardness)；一可適形金屬氧化物塗層，其相鄰於且適形於該複數個經工程設計特徵，其中該可適形金屬氧化物塗層包括一第一表面；及一可適形極性有機金屬塗層，其與該可適形金屬氧化物塗層的該第一表面接觸。在一些實施例中，該可適形極性有機金屬塗層包括具有至少一金屬及具有至少一極性官能基之一有機部分(organic moiety)的一化學化合物。可選地，該可適形極性有機金屬塗層的該至少一金屬可係Si、Ti、Zr、及Al中之至少一者。該陶瓷本體可具有介於4mm至25mm之間的厚度。在一些實施例中，該研磨表面的該投影表面積介於500mm²至500000mm²之間。

在又另一實施例中，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，其具有一研磨表面，其中該墊修整器包括至少一根據本揭露之該等模料物品之任一者的磨料物品，其中該墊修整器的該研磨表面包括該至少一個磨料物品之該可適形極性有機金屬塗層。

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。本說明書與隨附申請專利範圍中所使用的單數形式「一(a,an)」與「該(the)」均包括複數指涉物(referents)，除非上下文中明顯地指示其他情形。本說明書及隨附申請專利範圍中所使用的用語「或(or)」之本義用法一般包括「及/或(and/or)」，除非上下文中明顯地指示其他情形。

在此揭露全文中，「經工程設計特徵(engineered features)」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，該形狀係在經工程設計特徵從模穴移除之後保留。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，縮小的經工程設計特徵仍維持自其形成生坯陶瓷之模穴的大致形狀，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)中澆注或模製陶瓷粉末前驅物來製備，其中該生產工具具有複數個微米尺寸至毫米尺寸的形貌特徵，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生坯陶瓷的表面中。生坯陶瓷表面的形貌特徵具有與原本生產工具的特徵相反的形狀。

在此揭露全文中，用語「可適形塗層(conformable coating)」係指塗佈且適形於包括複數個經工程設計特徵之研磨表面或具有形貌之表面的塗層。該塗層適形於經工程設計特徵或表面形貌，且大致上不完全填充在經工程設計特徵或表面的形貌中以產生平坦表面，例如該塗層不將該複數個經工程設計特徵或具有形貌之表面平坦化。

在此揭露全文中，用語「極性有機金屬(polar organic-metallic)」意指具有至少一金屬(例如，鹼金屬、鹼土金屬、過渡金屬、及半導體金屬)及具有至少一極性官能基之有機部分的化學化合物。

在此揭露全文中，用語「有機金屬(organometallic)」意指含有在有機化合物之碳原子與金屬(包括過渡金屬及半導體金屬)之間的至少一鍵結之化學化合物。

10‧‧‧陶瓷本體

10a‧‧‧研磨表面

10b‧‧‧相對第二表面

20‧‧‧經工程設計特徵

20a‧‧‧遠端

20b‧‧‧基部

30‧‧‧金屬氧化物塗層

30a‧‧‧第一表面

40‧‧‧可適形極性有機金屬塗層/可適形金屬氧化物塗層

50‧‧‧可適形鑽石塗層

100‧‧‧磨料物品

200‧‧‧墊修整器

210‧‧‧基材

220‧‧‧磨料元件

220a‧‧‧研磨表面

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

A‧‧‧箭頭

B‧‧‧箭頭

C‧‧‧箭頭

1B‧‧‧線

L‧‧‧長度

H‧‧‧高度

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。本揭露的磨料物品顯示與位於相鄰於磨料物品本體之研磨表面之親水性表面相關聯的獨特抗污垢及/或清潔特性。親水性表面係經施加至磨料物品本體之研磨表面之一或多個可適形塗層的結果。親水性表面可與相鄰於磨料物品之研磨表面施加之極性有機金屬塗層相關聯。本揭露的磨料物品包括陶瓷本體(其具有研磨表面，即經設計用於研磨一基材的表面)、以及相鄰於研磨表面的極性有機金屬塗層。陶瓷本體可具有至少7.5的莫氏硬度及/或至少1300kg/mm²的維氏硬度。極性有機金屬塗層可係可適形塗層，其適形於研磨表面上的任何經工程設計特徵或研磨表面上的任何塗佈經工程設計特徵。極性有機金屬塗層可包括具有至少一金屬及具有至少一極性官能基之有機部分的化學化合物。該至少一金屬可係Si、Ti、Zr、及Al中之至少一者。該極性有機金屬塗層可包括有機金屬化合 物。該磨料物品可進一步包括經設置在陶瓷本體之研磨表面與極性有機金屬塗層之間的金屬氧化物塗層。該金屬氧化物塗層可促進極性有機金屬塗層對磨料物品之陶瓷本體的接合。金屬氧化物塗層亦可係親水性的並且促成磨料物品之最終研磨表面(塗佈後的研磨表面)的親水性本質。相較於例如電漿塗層，該金屬氧化物塗層亦可增加親水性塗層的耐久性及儲存壽命，使得磨料物品能夠在較長時間內維持其抗污垢特性。該金屬氧化物可係可適形塗層，其適形於研磨表面上的任何經工程設計特徵或研磨表面上的任何塗佈經工程設計特徵。該磨料物品可進一步包括經設置在陶瓷本體之研磨表面與極性有機金屬塗層之間的可選鑽石塗層。該磨料物品可包括經設置在磨料物品之陶瓷本體之研磨表面與金屬氧化物塗層之間的可選鑽石塗層。該鑽石塗層可改善磨料物品之陶瓷本體之研磨表面的化學抗性、耐磨性、及/或強度，而促進磨料物品之較長研磨壽命。該鑽石塗層可係可適形塗層，其適形於研磨表面上的經工程設計特徵(例如，複數個經工程設計特徵)或研磨表面上的塗佈經工程設計特徵。該鑽石塗層的表面可經氧化以促進接合至極性有機金屬塗層或金屬氧化物塗層。如果鑽石塗層的表面係經氧化，則可將經氧化的表面視為本文中的金屬氧化物塗層，即使習知上不將經氧化的碳視為金屬氧化物塗層。除了包含經氧化的鑽石表面之外，用語「金屬氧化物(metal oxide)」在本文中具有其習知意義。

本揭露的磨料物品包括陶瓷本體，其具有研磨表面及相對第二表面；研磨表面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。磨料物品包括至少一可適形極性有機金屬塗層，且該極性有機金屬塗層可包括具有至少一金屬及具有至少一極性官能基之有機部分的化學化合物。該至少一金屬可係Si、Ti、Zr、及Al中之至少一者。該極性有機金屬塗層係相鄰於陶瓷本體之研磨表面。該磨料物品可進一步包括金屬氧化物塗層(例如，可適形金屬氧化物塗層)，其經設置在陶瓷本體之研磨表面與至少一可適形極性有機金屬塗層之間。該磨料物品可進一步包括可選的鑽石塗層，例如可適形鑽石塗層。在一些實施例中，該鑽石塗層可經設置在陶瓷本體之研磨表面與至少一可適形極性有機金屬塗層之間。在一些實施例中，該鑽石塗層可經設置在陶瓷本體之研磨表面與金屬氧化物塗層之間。亦可使用包括所有三種塗層的組合。在一些實施例中，該鑽石塗層的表面可經氧化並且可包括氧氣。

該可適形極性有機金屬塗層可包括具有至少一金屬及具有至少一極性官能基之有機部分的化學化合物。該有機部分之至少一極性官能基包括但不限於下列中之至少一者：羥基、酸(例如，羧酸)、一級胺、二級胺、三級胺、甲氧基、乙氧基、丙氧基、酮、陽離子官能基、及陰離子官能基。在一些實施例中，該至少一極性官能基包括陽離子官能基及陰離子官能基中之至少一者。在一些實施例中，該至少一極性官能基包括至少一陽離子官能基及一陰離子官能基，例如兩性離子。在一些實施例中，該可適形極性有機金屬塗層可包括具有至少一金屬及具有至少兩個極性官能基之有機部分的化學化合物。在一些實施例中，該至少兩個極性官能基可係相同的官能基。 在一些實施例中，該至少兩個極性官能基可係不同的官能基。在一些實施例中，該可適形極性有機金屬塗層可係有機矽烷(其包括但不限於有機氯矽烷、有機矽醇、及烷氧基矽烷中之至少一者)，亦即具有至少一金屬及具有至少一極性官能基之有機部分的化學化合物可係有機矽烷(其包括但不限於有機氯矽烷、有機矽醇、烷氧基矽烷中之至少一者)。可用的有機矽烷包括但不限於下列中之至少一者：n-三甲氧基矽基丙基-n,n,n-三甲基氯化銨(n-trimethoxysilylpropyl-n,n,n-trimethylammonium chloride)、n-(三甲氧基矽基丙基)乙二胺三乙酸三鈉鹽(n-(trimethoxysilylpropyl)ethylenediaminetriacetate trisodium salt)、羧基乙基矽烷三醇二鈉鹽(carboxyethylsilanetriol disodium salt)、3-(三羥基矽基)-1-丙磺酸(3-(trihydroxysilyl)-1-propanesulfonic acid)、及n-(3-三乙氧基矽基丙基)葡萄糖醯胺(n-(3-triethoxysilylpropyl)gluconamide)該可適形極性有機金屬塗層可進一步包括矽酸鋰、矽酸鈉、及矽酸鉀中之至少一者。

特別可用的可適形極性有機金屬塗層可包括兩性離子矽烷。兩性離子矽烷為分子內具有相反符號電荷之中性化合物，如http：//goldbook.iupac.org/Z06752.html中所述。此等化合物對塗層提供易於清潔之效能。

合適的兩性離子矽烷包括兩性離子磺酸鹽官能性矽烷、兩性離子羧酸鹽官能性矽烷、兩性離子磷酸鹽官能性矽烷、兩性離子膦酸官能性矽烷、兩性離子膦酸鹽官能性矽烷、或其組合。在某些實施例中，該兩性離子矽烷為兩性離子磺酸鹽官能性矽烷。

在某些實施例中，本揭露中所使用的兩性離子矽烷化合物具有以下式(I)，其中：(R¹O)_p-Si(Q¹)_q-W-N⁺(R²)(R³)-(CH₂)_m-Z^t- (I)其中：各R¹係獨立地為氫、甲基、或乙基；各Q₁係獨立地選自羥基、含有1至4個碳原子之烷基、及含有1至4個碳原子之烷氧基；各R²及R³係獨立地為一飽和或不飽和、直鏈、支鏈、或環狀有機基團(較佳地具有20個或更少碳原子)，該R²及R³可連接在一起、可選地與基團W之原子連接在一起，以形成一環；W為有機鍵聯基；Z^t-為-SO₃ ^-、-CO₂ ^-、-OPO₃ ^2-、-PO₃ ^2-、-OP(=O)(R)O^-、或其組合，其中t為1或2，且R為脂族、芳族、支鏈、直鏈、環狀或雜環基團(較佳地具有20個或更少碳原子，更佳地R係具有20個或更少碳原子之脂族基團，且甚至更佳地R係甲基、乙基、丙基、或丁基)；p及m為1至10(或1至4，或1至3)之整數；q係0或1；及p+q=3。

在某些實施例中，式(I)之有機鍵聯基團W可選自飽和或不飽和、直鏈、支鏈、或環狀有機基團。鍵聯基團W較佳地為伸烷 基，該伸烷基可包括羰基、胺甲酸酯基、脲基、雜原子(例如氧、氮及硫)、及其組合。合適之鍵聯基團W的實例包括伸烷基、環伸烷基、烷基取代的環伸烷基、羥基取代的伸烷基、羥基取代的單氧雜伸烷基、具有單氧主鏈取代的二價烴基、具有單硫主鏈取代的二價烴基、具有單氧-硫主鏈取代的二價烴基、具有二氧-硫主鏈取代的二價烴基、伸芳基、芳基伸烷基、烷基伸芳基及經取代的烷基伸芳基。

式(I)之兩性離子化合物的合適實例係描述於美國專利第5,936,703號(Miyazaki等人)及國際公開案第WO 2007/146680號及第WO 2009/119690號中，並包括下列兩性離子官能基團(-W-N⁺(R³)(R⁴)-(CH₂)_m-SO₃ ^-)：

在某些實施例中，本揭露中所使用的兩性離子磺酸鹽官能性矽烷化合物具有下列式(II)，其中：(R¹O)_p-Si(Q¹)_q-CH₂CH₂CH₂-N⁺(CH₃)₂-(CH₂)_m-SO₃ ^- (II)其中：各R¹係獨立地為氫、甲基、或乙基；各Q¹係獨立地選自羥基、含有1至4個碳原子之烷基及含有1至4個碳原子之烷氧基；p及m為1至4之整數； q係0或1；及p+q=3。

式(II)之兩性離子磺酸鹽官能性化合物的合適實例係描述於美國專利第5,936,703號(Miyazaki等人)中，包括例如：(CH₃O)₃Si-CH₂CH₂CH₂-N⁺(CH₃)₂-CH₂CH₂CH₂-SO₃ ^-；及(CH₃CH₂O)₂Si(CH₃)-CH₂CH₂CH₂-N⁺(CH₃)₂-CH₂CH₂CH₂-SO₃ ^-。

可使用標準技術製備之合適的兩性離子磺酸鹽官能性化合物的其他實例包括以下：

用於本揭露之合適兩性離子磺酸鹽官能性矽烷化合物之較佳實例係描述於實驗部分。特別較佳的兩性離子磺酸鹽官能性矽烷為：

兩性離子羧酸鹽官能性矽烷化合物之實例包括

其中各R獨立地為OH或烷氧基，且n為1至10。

兩性離子磷酸鹽官能性矽烷化合物之實例包括：

(N,N-二甲基，N-(2-乙基磷酸乙基)-胺基丙基-三甲氧基矽烷(DMPAMS))。

兩性離子膦酸鹽官能性矽烷化合物之實例包括：

在一些實施例中，以可即用組成物之總重量計，本揭露之可適形極性有機金屬塗層包括呈至少0.0001重量百分比(wt-%)、或至少0.001wt-%、或至少0.01wt-%、或至少0.05wt-%之量的兩性離子矽烷化合物。在一些實施例中，以可即用組成物之總重量計，本揭露之組成物包括呈至多10wt-%、或至多5wt-%、或至多2wt-%之量的兩性離子矽烷化合物。

在一些實施例中，以濃縮組成物之總重量計，本揭露之可適形極性有機金屬塗層包括呈至少0.0001重量百分比(wt-%)、或至少0.001wt-%、或至少0.01wt-%、或至少0.1wt-%、或至少0.5wt-%之量的兩性離子矽烷化合物。在一些實施例中，以濃縮組成物之總重量計，本揭露之組成物包括呈至多20wt-%、或至多15wt-%、或至多10wt-%之量的兩性離子矽烷化合物。

該可適形金屬氧化物塗層的金屬可包括鹼金屬、鹼土金屬、過渡金屬、及半導體金屬中之至少一者。半導體金屬包括Si、Ga、及類似者。在一些實施例中，該金屬氧化物的金屬包括Al、Ti、Cr、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、W、Zn、Zr、Ga、及Si中之至少一者。可使用組合。

在一些實施例中，該磨料物品包括可適形金屬氧化物塗層，其相鄰於且適形於複數個三維特徵(例如複數個經工程設計特 徵)，其中該可適形金屬氧化物塗層包括第一表面；及可適形極性有機金屬塗層，其與該可適形金屬氧化物塗層的該第一表面接觸。該可適形極性有機金屬塗層包括具有至少一金屬及具有至少一極性官能基之有機部分的化學化合物。該可適形金屬氧化物塗層可與該磨料物品之陶瓷本體的該複數個三維特徵接觸。在一些實施例中，該磨料物品之可適形極性有機金屬塗層上的水接觸角小於30度、小於20度、小於10度、小於5度、或甚至小於2度。在一些實施例中，該磨料物品之可適形極性有機金屬塗層上的水接觸角介於0至30度之間、介於0至20度之間、介於0至10度之間、介於0至5度之間、或甚至介於0至1.5度之間。具有至少一金屬及具有至少一極性官能基之有機部分的化學化合物可係有機矽烷，且該可適形極性有機金屬塗層可包括有機矽烷與可適形金屬氧化物塗層之金屬氧化物的反應產物。在一些實施例中，該金屬氧化物的金屬可包括Si，該可適形極性有機金屬塗層的有機矽烷可包括烷氧基矽烷，且該可適形極性有機金屬塗層的至少一極性官能基可包括陽離子官能基及陰離子官能基中之至少一者。該磨料物品可包括經設置在磨料物品之陶瓷本體的研磨表面與可適形金屬氧化物塗層之間的(可選的)可適形鑽石塗層。

該磨料物品之陶瓷本體可具有至少7.5、至少8、或甚至至少9的莫氏硬度，及/或具有至少1300kg/mm²、至少1500kg/mm²、至少2000kg/mm²、或甚至至少3000kg/mm²的維氏硬度。在一些實施例中，該陶瓷本體具有介於7.5至10之間、介於8至10之間、或甚至介於9與10之間的莫氏硬度，及/或具有介於1300 kg/mm²與10000kg/mm²之間、介於1300kg/mm²與4000kg/mm²之間、介於1300kg/mm²與3000kg/mm²之間、介於1500kg/mm²與10000kg/mm²之間、介於1500kg/mm²與4000kg/mm²之間、或甚至介於1300kg/mm²與3000kg/mm²之間的維氏硬度。一般而言，具有高莫氏硬度(至少約7.5)及/或維氏硬度(至少約1300kg/mm²)的磨料物品特別有用，此係因為其等能夠耐受研磨期間發生的研磨動作及/或在例如CMP應用中所發現經常是嚴苛的化學環境。

陶瓷本體可係包括99重量%碳化物陶瓷的碳化物陶瓷本體，該碳化物陶瓷本體可選地可包括99重量%碳化矽陶瓷。該陶瓷本體可係單塊陶瓷本體。單塊陶瓷本體係基本上由其所包含之陶瓷所組成的本體，並且具有整體連續的陶瓷結構，例如整體連續的陶瓷形態。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。單塊陶瓷不是經常用於磨料領域中的磨料複合物。磨料複合物包括黏合劑(例如聚合黏合劑)及分散在黏合劑內的複數個磨料粒子。磨料複合物具有至少兩個相形態，連續黏合劑或基質相及不連續磨料粒子相。該黏合劑可稱為「黏合劑基質」或「基質」。對比於單塊陶瓷，磨料複合物(特別是具有複數個三維結構(例如，經工程設計特徵)的一者)藉由導致新鮮磨料粒子露出之黏合劑的磨蝕來作用，而磨損的磨料粒子從該複合物中釋出。

在一個實施例中，本揭露提供一種磨料物品，其包含：一陶瓷本體，其具有一研磨表面及一相對第二表面，其中該陶瓷本體 的該研磨表面包括複數個經工程設計特徵，該複數個經工程設計特徵各具有一基部及與該基部相對的一遠端，且該陶瓷本體具有至少7.5的莫氏硬度及/或至少1300kg/mm²的維氏硬度；一可適形金屬氧化物塗層，其相鄰於且適形於該複數個經工程設計特徵，其中該可適形金屬氧化物塗層包括一第一表面；及一可適形極性有機金屬塗層，其與該可適形金屬氧化物塗層的該第一表面接觸，其中該可適形極性有機金屬塗層包括具有至少一金屬及具有至少一極性官能基之一有機部分的一化學化合物。在一些實施例中，該至少一金屬可係Si、Ti、Zr、及Al中之至少一者。

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的至少一部分，該磨料物品包括陶瓷本體10，其具有研磨表面10a及相對第二表面10b，其中陶瓷本體的研磨表面10a包括複數個經工程設計特徵20，其等各具有基部20b及與該基部相對的遠端20a。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。磨料物品100進一步包括相鄰於且適形於複數個經工程設計特徵20的可適形金屬氧化物塗層30(其中可適形金屬氧化物塗層30包括第一表面30a)、及與可適形金屬氧化物塗層30的第一表面30a接觸的可適形極性有機金屬塗層40。可適形極性有機金屬塗層40可包括具有至少一金屬(例如，Si、Ti、Zr、及Al中之至少一者)及具有至少一極性官能基之有機部分的 化學化合物。磨料物品100可選地可包括可適形鑽石塗層50，其設置在陶瓷本體10的研磨表面10a與可適形金屬氧化物塗層40之間。鑽石塗層(如有使用)可與陶瓷本體10的研磨表面10a接觸。在一些實施例中，金屬氧化物塗層30係相鄰於且接觸陶瓷本體10的研磨表面10a。在一些實施例中，金屬氧化物塗層30係相鄰於且接觸可適形鑽石塗層50。在此例示性實施例中，複數個經工程設計特徵20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20的遠端20a，且四邊角錐體的基部對應於複數個三維特徵的基部20b。經工程設計特徵各具有長度L、寬度W、及高度H。如果個別經工程設計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經工程設計特徵。如果經工程設計特徵的基部具有圓形截面積，則圓的半徑可用以界定經工程設計特徵。

該磨料物品的陶瓷本體包括研磨表面。該研磨表面包括複數個經工程設計特徵。

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1×10⁷/cm²、0.5/cm²至1×10⁶/cm²、0.5/cm²至1×10⁵/cm²、0.5/cm²至1×10⁴/cm²、0.5/cm²至1×10³/cm²、1/cm²至1×10⁷/cm²、1/cm²至1×10⁶/cm²、1/cm²至1×10⁵/cm²、1/cm²至1×10⁴/cm²、1/cm²至1×10³/cm²、10/cm²至1×10⁷/cm²、10/cm²至1×10⁶/cm²、10/cm²至1×10⁵/cm²、10/cm²至1×10⁴/cm²、或甚至10/cm²至1×10³/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。

陶瓷本體及其對應的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。

磨料物品的陶瓷本體可包括連續陶瓷相。陶瓷本體可係燒結陶瓷本體。陶瓷本體可含有小於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。陶瓷本體可含有小於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。陶瓷本體可係單塊陶瓷本體。陶瓷本體的陶瓷沒有特別限制，除了陶瓷本體應具有至少7.5的莫氏硬度及/或至少1300kg/mm²的維氏硬度之外。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。磨料物品的陶瓷本體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。在一實施例中，磨料物品的陶瓷本體包括小於約1重量百分比的氧化物燒結助劑。

陶瓷本體的製造可藉由機械加工預形成的陶瓷或模製技術(例如，微複製)來進行。一種特別有用的製造技術是陶瓷模壓(ceramic die pressing)。在此技術中，陶瓷粉末前驅物(一般由黏聚物形成，其包括陶瓷粒子、聚合黏合劑、及可選的一或多種其他添加劑，例如碳源或潤滑劑)係設置在模具中，該模具具有所欲的本體尺寸及具有所欲經工程設計特徵(包括其等之適當尺寸、形狀、及圖 案)之相反模穴的表面。一旦在模具中，陶瓷粉末前驅物係在高壓下壓製，以緻密化粉末並迫使粉末進入模穴中。該程序的第一步驟產生可從模具移除的模製生坯陶瓷。然後生坯陶瓷係在升溫下燒結以移除聚合黏合劑並進一步緻密化本體，從而形成陶瓷本體，即具有複數個經工程設計特徵的燒結陶瓷本體。在一實施例中，生坯陶瓷元件在黏合劑及碳源(如果存在)熱解步驟期間係在氧氣不足氛圍中在介於300℃與900℃之間的溫度範圍內加熱，而形成具有本文中之研磨表面的陶瓷本體，本體之研磨表面包括複數個經工程設計特徵。在一實施例中，生坯陶瓷元件係在氧氣不足氛圍中在介於1900℃與約2300℃之間的溫度範圍內燒結，而形成具有本文中之研磨表面的陶瓷本體，陶瓷本體之研磨表面包括複數個經工程設計特徵。陶瓷粉末前驅物可係黏聚物，例如噴霧乾燥黏聚物。陶瓷乾式壓製技術係揭示於美國專利申請案公開第2017/0008143號(Minami等人)，其先前已以引用方式全文併入本文中。在施加可適形塗層之一或多者之前，陶瓷本體可先藉由習知技術來清潔。

磨料物品包括至少一可適形塗層。該至少一可適形塗層包括可適形極性有機金屬塗層，其包括具有至少一金屬(例如，Si、Ti、Zr、及Al中之至少一者)及具有至少一極性官能基之有機部分的化學化合物。磨料物品可進一步包括經設置在磨料物品之陶瓷本體的研磨表面與至少一可適形極性有機金屬塗層之間的可適形金屬氧化物塗層。該金屬氧化物塗層可與陶瓷本體的研磨表面接觸。該至少一可適形極性有機金屬塗層可與可適形金屬氧化物塗層(即，金屬氧化物 塗層的暴露表面)接觸。該磨料物品可包括可選的可適形鑽石塗層。該鑽石塗層可與磨料物品之陶瓷本體的研磨表面接觸。可適形金屬氧化物塗層可與鑽石塗層(即鑽石塗層的暴露表面)接觸。如果可適形金屬氧化物塗層不存在，則該至少一可適形極性有機金屬塗層可與可適形鑽石塗層(即，鑽石塗層的暴露表面)接觸。該可適形鑽石塗層可包括含有氧的氧化表面。可使用可適形極性有機金屬塗層與可適形金屬氧化物塗層或可適形鑽石塗層的組合。可使用所有三種塗層的組合，即可適形極性有機金屬塗層、可適形金屬氧化物塗層、及可適形鑽石塗層。例如，在一實施例中，陶瓷本體的研磨表面可先以可適形金屬氧化物塗層(例如，類鑽石玻璃(diamond like glass,DLG))塗佈。該金屬氧化物塗層係相鄰於且接觸陶瓷本體之研磨表面的複數個經工程設計特徵。DLG塗層具有暴露的第一表面，該第一表面可以可適形極性有機金屬塗層塗佈，該可適形極性有機金屬塗層包括具有至少一金屬及具有至少一極性官能基之有機部分的化學化合物，例如可適形親水性塗層。可適形極性有機金屬塗層係相鄰於且接觸金屬氧化物塗層的第一表面。在一些實施例中，該金屬氧化物塗層可係鑽石塗層，其中鑽石塗層的表面已經氧化且含有氧。在另一實施例中，陶瓷本體的研磨表面可先以可適形鑽石塗層塗佈。鑽石塗層係相鄰於且接觸陶瓷本體之研磨表面的複數個經工程設計特徵。然後可將可適形金屬氧化物塗層(例如，類鑽石玻璃(DLG))塗佈在可適形鑽石塗層的暴露表面上。可適形金屬氧化物塗層係相鄰於且接觸可適形鑽石塗層。然後可將額外的可適形極性有機金屬塗層(例如，可適形親水性 塗層，其包括具有至少一金屬及具有至少一極性官能基之有機部分的化學化合物)塗佈在可適形金屬氧化物塗層的暴露表面上。該可適形極性有機金屬塗層係與可適形金屬氧化物塗層的暴露表面接觸。

該可適形鑽石塗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。該可適形鑽石塗層的厚度沒有特別限制。在一些實施例中，鑽石塗層的厚度係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。該可適形鑽石塗層可例如係類鑽石碳塗層(DLC)。在一些實施例中，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原子自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原子自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、或甚至60原子百分比至99原子百分比。鑽石塗層可使用氣體碳源(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，陶瓷本體的研磨表面)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塗層。

可適形金屬氧化物塗層包括至少一金屬氧化物，例如氧化鋁、氧化鈦、氧化鉻、氧化鎂、氧化錳、氧化鐵、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅、氧化鎢、氧化鋅、和氧化矽、及類似者。可使用金屬氧化物的組合，包括合金。可適形金屬氧化物塗層的金屬可包括過渡金屬及半導體金屬中之至少一者。金屬氧化物的金屬可包括Al、Ti、Cr、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、W、Zn、及Si中之至少一者。可使用該等金屬的組合。此外，可適形金屬氧化物塗層可係具有含氧之氧化表面的鑽石塗層。可適形金屬氧化物塗層可包括類鑽石玻璃(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，金屬氧化物塗層不含氟。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。本揭露的非晶類鑽石玻璃塗層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。可用的類鑽石玻璃塗層及其製作方法可見於例如美國專利第6,696,157號(David等人)中，該案係以引用方式併入本文中。金屬氧化物塗層可藉由習知技術(其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(PECVD)、反應性離子蝕刻、及原子層沉積)來形成。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，金屬氧化物塗層的厚度係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。

金屬氧化物塗層可作為「連結層」，而改善陶瓷本體之研磨表面與親水性塗層(即，可適形極性有機金屬塗層)之間的黏著性。金屬氧化物塗層亦可作為「連結層」，而改善陶瓷本體之可適形鑽石塗層與可適形極性有機金屬塗層之間的黏著性。金屬氧化物塗層亦可促成經塗佈磨料物品之暴露表面的親水性本質。

本揭露的磨料物品亦包括可適形極性有機金屬塗層，其包括具有至少一金屬(例如，Si、Ti、Zr、及Al中之至少一者)及具有至少一極性官能基之有機部分的化學化合物。可適形極性有機金屬塗層可係親水性塗層。可適形極性有機金屬塗層可包括偶合劑及/或偶合劑與例如金屬氧化物塗層之金屬氧化物表面的反應產物，亦即具有至少一金屬及具有至少一極性官能基之有機部分的化學化合物可係偶合劑及/或偶合劑與例如金屬氧化物塗層之金屬氧化物表面的反應產 物。雖然不希望受理論束縛，偶合劑(例如烷氧基矽烷)可於水分存在下水解以形成矽醇，矽醇的羥基可進一步透過縮合機制而與金屬氧化物的表面反應，而該金屬氧化物本身一般會具有羥基。縮合反應將導致M-O-Si鍵聯及水形成，其中M係金屬氧化物表面的金屬。可使用所屬技術領域中已知的偶合劑，其包括但不限於矽烷偶合劑、鈦酸鹽偶合劑、鋯酸鹽偶合劑、及鋁酸鹽偶合劑中之至少一者。可使用偶合劑的組合。混合物可包括相同類型之不同偶合劑的混合物(例如二或多個不同矽烷偶合劑的混合物)或二或多個不同偶合劑類型的混合物(例如矽烷偶合劑與鈦酸鹽偶合劑的混合物)。可適形極性有機金屬塗層可包括有機矽烷，且來自其之可適形極性有機金屬塗層可包括有機矽烷與可適形金屬氧化物塗層之金屬氧化物的反應產物，亦即具有至少一金屬及具有至少一極性官能基之有機部分的化學化合物可係有機矽烷，且來自其之可適形極性有機金屬塗層可包括有機矽烷與可適形金屬氧化物塗層之金屬氧化物的反應產物。可用的有機矽烷包括但不限於有機氯矽烷、有機矽醇、及烷氧基矽烷中之至少一者。至少一極性官能基包括但不限於下列中之至少一者：羥基、酸(例如，羧酸)、一級胺、二級胺、三級胺、甲氧基、乙氧基、丙氧基、酮、陽離子官能基、及陰離子官能基。在一些實施例中，具有至少一極性官能基的有機部分可包括至少兩個、至少三個、至少四個、至少五個、或甚至至少六個極性官能基。在一些實施例中，具有至少一極性官能基的有機部分可包括一至三個、一至四個、一至六個、一至八個、一至十個、二至三個、二至四個、二至六個、二至八個、或甚至二至十 個極性官能基。在一些實施例中，可適形極性有機金屬塗層包括具有至少一金屬(例如，Si、Ti、Zr、及Al中之至少一者)及具有至少兩個極性官能基之有機部分的化學化合物。如果有機部分包括至少兩個極性官能基，則該至少兩個極性官能基可係相同的官能基(例如，全部羥基)，或者可係不同官能基的組合(例如，兩個羥基與一個一級胺基)。在一些實施例中，該至少一極性官能基包括陽離子官能基及陰離子官能基中之至少一者。在一些實施例中，該至少一極性官能基包括陽離子官能基及陰離子官能基，即如前所述的兩性離子矽烷。該至少一極性官能基提供具有增強親水性的相關聯可適形塗層。可適形極性有機金屬塗層(即，具有至少一金屬及具有至少一極性官能基之有機部分的化學化合物)可包括矽烷偶合劑、鈦酸鹽偶合劑、鋯酸鹽偶合劑、及鋁酸鹽偶合劑中之至少一者；矽烷偶合劑(例如，有機矽烷)特別有用。

可將可適形極性有機金屬塗層(其包括具有至少一金屬及具有至少一極性官能基之有機部分的化學化合物)施加至基材(例如，可適形金屬氧化物塗層)，但較佳的是由其溶液施加，該溶液包含揮發性溶劑，例如揮發性有機溶劑。以此溶液的總重量計，此溶液可包含0.25重量百分比至約80重量百分比、約0.25重量百分比至約10重量百分比、或甚至0.25重量百分比至3重量百分比的化學化合物，其餘部分可基本上由一溶劑或溶劑混合物所組成。通常合適的溶劑實例包括但不限於水；醇，例如甲醇、乙醇、及丙醇；酮，例如丙酮及甲基乙基酮；烴，例如己烷、環己烷、甲苯、及類似者；醚，例 如二乙醚和四氫呋喃及其混合物。例如，如果需要，水可存在，以水解具有一或多個可水解官能基的化合物。例如，如果需要，有機酸(諸如乙酸)亦可存在，以穩定化含有矽醇的溶液。在塗佈之後，將溶劑從溶液中移除，而留下可適形極性有機金屬塗層(包括具有至少一金屬及具有至少一極性官能基之有機部分的化學化合物)在基材上。在一些實施例中，以塗層之重量計，可適形極性有機金屬可含有30重量百分比至100重量百分比、40至100重量百分比、50至100重量百分比、60至100重量百分比、70至100重量百分比、80至100重量百分比、90至100重量百分比、或甚至95至100重量百分比的具有至少一金屬及具有至少一極性官能基之有機部分的化學化合物。可適形極性有機金屬塗層可進一步包括矽酸鋰、矽酸鈉、及矽酸鉀中之至少一者。以塗層之重量計，矽酸鹽可以1至70百分比、1至60百分比、1至50百分比、1至40百分比、或甚至1至30百分比存在於塗層中。

在一實施例中，本揭露的磨料物品可係如下製造：提供一陶瓷本體，其具有一研磨表面及一相對第二表面，其中該陶瓷本體的該研磨表面包括複數個經工程設計特徵，該複數個經工程設計特徵各具有一基部及與該基部相對的一遠端，且該陶瓷本體具有至少7.5的莫氏硬度及/或至少1300kg/mm²的維氏硬度；設置一可適形金屬氧化物塗層，其相鄰於且適形於該複數個經工程設計特徵，其中該可適形金屬氧化物塗層包括一第一表面； 設置一可適形極性有機金屬塗層，其與該可適形金屬氧化物塗層的該第一表面接觸，其中該可適形極性有機金屬塗層包括具有至少一金屬(例如，Si、Ti、Zr、及Al中之至少一者)及具有至少一極性官能基之有機部分的一化學化合物。在一些實施例中，該可適形金屬氧化物塗層係與該陶瓷本體的該研磨表面接觸。

在另一實施例中，本揭露的該磨料物品係如下製造：提供一陶瓷本體，其具有一研磨表面及一相對第二表面，其中該陶瓷本體的該研磨表面包括複數個經工程設計特徵，該複數個經工程設計特徵各具有一基部及與該基部相對的一遠端，且該陶瓷本體具有至少7.5的莫氏硬度及/或至少1300kg/mm²的維氏硬度；設置一可適形鑽石塗層，其相鄰於且適形於該複數個經工程設計特徵，其中該可適形鑽石塗層包括一暴露表面；設置一可適形金屬氧化物塗層，其相鄰於且接觸該鑽石塗層的該暴露表面，其中該可適形金屬氧化物塗層包括一第一表面；設置可適形極性有機金屬塗層，其與該可適形金屬氧化物塗層的該第一表面接觸，其中該可適形極性有機金屬塗層包括具有至少一金屬(例如，Si、Ti、Zr、及Al中之至少一者)及具有至少一極性官能基之有機部分的一化學化合物。在一些實施例中，該可適形鑽石塗層係與該陶瓷本體的該研磨表面接觸。

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基材的至少一磨料元件，基材通 常具有比該元件大的投影表面積。因此，分段的墊修整器表面上存在含有研磨表面的區域及不含研磨表面的區域。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表面。分段的墊修整器包括基材及至少一磨料元件；該磨料元件可係根據本揭露之該等磨料物品之任一者的磨料物品。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包括基材210及具有研磨表面220a的磨料元件220。在此例示性實施例中，分段的墊修整器200包括五個磨料元件220。磨料元件220可係本揭露之該等磨料物品之任一者。基材210沒有特別限制。基材210可係硬性材料，例如金屬。基材210可係不鏽鋼，例如不鏽鋼板。在一些實施例中，基材210具有至少1GPa、至少5GPa、或甚至至少10GPa的彈性模數。磨料元件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(例如，利用螺絲或螺栓)或黏著劑(例如，利用環氧黏著劑層)。可能希望使磨料元件220的研磨表面220a係實質上平坦的。將研磨元件安裝至基材使得研磨元件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，以及具有研磨表面的墊修整器310。墊 修整器包括至少一根據本揭露之該等磨料物品之任一者的磨料物品，其中墊修整器的研磨表面包括至少一磨料物品之可適形極性有機金屬塗層。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。該工作溶液亦可位於墊修整器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存在下扺靠著拋光墊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的研磨層將材料自拋光 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 embodiments)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：一陶瓷本體，其具有一研磨表面及一相對第二表面，其中該陶瓷本體的該研磨表面包括複數個經工程設計特徵，該複數個經工程設計特徵各具有一基部及與該基部相對的一遠端，且該陶瓷本體具有至少7.5的莫氏硬度；一可適形金屬氧化物塗層，其相鄰於且適形於該複數個經工程設計特徵，其中該可適形金屬氧化物塗層包括一第一表面；及一可適形極性有機金屬塗層，其與該可適形金屬氧化物塗層的該第一表面接觸，其中該可適形極性有機金屬塗層包括具有至少一金屬及具有至少一極性官能基之一有機部分的一化學化合物。

在第二實施例中，本揭露提供根據第一實施例之磨料物品，其中該可適形極性有機金屬塗層的該至少一種金屬係Si、Ti、Zr、及Al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，其中該至少一極性官能基包括下列中之至少一者：羥基、酸、一級胺、二級胺、三級胺、甲氧基、乙氧基、丙氧基、酮、陽離子官能基、及陰離子官能基。

在第四實施例中，本揭露提供根據第一至第三實施例中任一者之磨料物品，其中該至少一極性官能基包括陽離子官能基及陰離子官能基中之至少一者。

在第五實施例中，本揭露提供根據第一至第四實施例中任一者之磨料物品，其中該至少一極性官能基包括至少一陽離子官能基及一陰離子官能基。

在第六實施例中，本揭露提供根據第一至第五實施例中任一者之磨料物品，其中該化學化合物係有機矽烷，並且其中該可適形極性有機金屬塗層包括該有機矽烷與該可適形金屬氧化物塗層之該金屬氧化物的反應產物。

在第七實施例中，本揭露提供根據第六實施例之磨料物品，其中該有機矽烷包括有機氯矽烷、有機矽醇、及烷氧基矽烷中之至少一者。

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，其中該有機矽烷包括烷氧基矽烷。

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，其中有機矽烷包括下列中之至少一者：n-三甲氧基矽基丙基-n,n,n-三甲基氯化銨、n-(三甲氧基矽基丙基)乙二胺三乙酸三鈉鹽、羧基乙基矽烷三醇二鈉鹽、3-(三羥基矽基)-1-丙磺酸、及n-(3-三乙氧基矽基丙基)葡萄糖醯胺。

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，其中該可適形極性有機金屬塗層進一步包括矽酸鋰、矽酸鈉、及矽酸鉀中之至少一者。

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，其中該金屬氧化物的該金屬包括Al、Ti、Cr、Mg、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、W、Zn、Zr、Ga、及Si中之至少一者。

在第十二實施例中，本揭露提供根據第五實施例之磨料物品，其中該金屬氧化物的該金屬包括Si，且該有機矽烷包括烷氧基矽烷。

在第十三實施例中，本揭露提供根據第一至第十二實施例中任一者之磨料物品，其中該可適形極性有機金屬塗層上的該水接觸角小於30度。

在第十四實施例中，本揭露提供根據第一至第十三實施例中任一者之磨料物品，其中該可適形極性有機金屬上的該水接觸角介於0度至20度之間。

在第十五實施例中，本揭露提供根據第一至第十四實施例中任一者之磨料物品，其進一步包含經設置在該陶瓷本體的該研磨表面與該可適形金屬氧化物塗層之間的一可適形鑽石塗層。

在第十六實施例中，本揭露提供根據第一至第十五實施例中任一者之磨料物品，其中該陶瓷本體係碳化物陶瓷本體，並且包括99重量%的碳化物陶瓷。

在第十七實施例中，本揭露提供根據第十六實施例之磨料物品，其中該碳化物陶瓷本體包括99重量%的碳化矽陶瓷。

在第十八實施例中，本揭露提供根據第十六或第十七實施例之磨料物品，其中該陶瓷本體係一單塊陶瓷本體。

在第十九實施例中，本揭露提供根據第一至第十八實施例中任一者之磨料物品，其中該複數個經工程設計特徵係精確定形狀的特徵。

在第二十實施例中，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，其具有一研磨表面，其中該墊修整器包括至少一根據第一至第十九實施例中任一者之磨料物品，其中該墊修整器的該研磨表面包括該至少一磨料物品之該可適形極性有機金屬塗層。

第二十一實施例中，本揭露提供根據第二十實施例之拋光系統，其中該拋光墊之該材料係聚胺甲酸酯。

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拋光系統，其中該工作液體係水性工作液體。

在第二十三實施例中，本揭露提供一種拋光系統，其根據第二十至第二十二實施例中任一者之拋光系統，其進一步包含一清潔液體。

在第二十四實施例中，本揭露提供根據第二十三實施例之拋光系統，其中該清潔液體係水性清潔液體。

實例

製備塗佈溶液 製備溶液A：

製備溶液A係製備為於去離子水中之兩性離子矽烷/LSS-75(30/70 w/w)的5wt.%溶液。

製備溶液B：

製備溶液B係製備為於去離子水中之兩性離子矽烷的1.5wt.%溶液。

製備溶液C：

製備溶液C係製備為於去離子水中之LSS-75的3.5wt.%溶液。

製備溶液D：

製備溶液D係製備為於去離子水中之SIT8378.3的6.6wt.%溶液。3-(三羥基矽基)-1-丙磺酸之總濃度係2%。

製備溶液E：

製備溶液E係製備為於去離子水中之SIC2263的1.9wt-%溶液。羧基乙基矽烷三醇二鈉鹽之總濃度係0.5%。

製備溶液F：

製備溶液F係製備為於去離子水中之SIT8402的6.1wt.%溶液。N-(三甲氧基矽基丙基)乙二胺三乙酸三鈉鹽之總濃度係2%。

製備溶液G：

製備溶液G係製備為於去離子水中之SIT8189的4.2wt.%溶液。N-(3-三乙氧基矽基丙基)葡萄糖醯胺之總濃度係2%。

製備溶液H：

製備溶液H係製備為於去離子水中之SIT8415的4wt.%溶液。N-三甲氧基矽基丙基-N,N,N-三甲基氯化銨之總濃度係2%。

製造技術 類二氧化矽電漿沉積方法：

類二氧化矽(可適形金屬氧化物塗層)電漿沉積係藉由將墊修整器(B5或B6-M2990)放置在電漿腔室中來進行，該墊修整器包括具有複數個經工程設計特徵之陶瓷研磨元件。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二氧化矽層沉積在墊修整器的陶瓷元件表面上。首先，藉由使用氧氣(50sccm)並且在rf功率300W下將樣本清潔達1分鐘。接著，藉由將元件的表面在rf功率300W下暴露至HMDSO/O2 50sccm/25sccm的混合物達1分鐘來進行沉積。最後，藉由使用氧氣(50sccm)並且在rf功率300W下將類二氧化矽層的表面氧化達30秒。

電漿誘導氧化方法：

電漿誘導氧化係藉由將墊修整器(B5或B6-M2990)放置在訂製的電漿腔室中並且將空氣排出以達到低於100mTorr的基礎壓力來進行，該墊修整器包括具有複數個經工程設計特徵之陶瓷研磨元件。將腔室暴露於50sccm流速的氧氣中，接著點引電漿(RF功率300W達1分鐘)。

溶液塗佈方法：

在上述電漿程序之後，立即將製備溶液(製備溶液A至H)中之一者滴注在墊修整器之經電漿處理陶瓷研磨元件的表面上，直到表面由該溶液完全覆蓋。將樣本在室溫下乾燥達24小時，或在120℃下加熱30分鐘的期間(除非另有指示)。注意到，各襯墊修整器包括五個陶瓷磨料元件，並且各可經塗佈有不同的製備溶液，以對每個墊修整器產生至多五個不同的實例。

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(27 N)，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。

修整後目視分析方法：

在30分鐘期間(除非另有指明)的修整後，藉由光學顯微鏡來檢查陶瓷研磨元件的表面，以識別墊碎屑堆積，並且依照下列碎屑評級量表來評分：1=完全不含碎屑，而5=嚴重碎屑髒污，並且以在其間增加之所堆積碎屑的梯度，指定為2、3、及4的值。

修整後影像分析方法：

墊修整器之陶瓷研磨元件的表面影像係藉由在相同照明下拍攝所有元件的數位相片來獲得。後續的影像分析係使用ImageJ軟體版本1.46r(Rasband,W.S.,ImageJ,U.S.National Institutes of Health,Bethesda,Md.,USA,http：//imagej.nih.gov/ij/,1997-2012)來進行。設定下列臨限值並施加至各影像：色調，0至255；飽和，0至255；亮度是可變範圍以讓墊碎屑更加清楚。接著利用直方圖(Histogram)功能來計數元件之等效區域上的白色像素的數目，其與該表面上的碎屑數量直接相關。接著判定「白色計數%」，其中較高的值與較高數量的表面碎屑相關聯。然後可在具有各種表面改質的墊修整器陶瓷研磨元件之間進行定量比較。

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3及比較例1

實例2至3係使用B5墊修整器並使用類二氧化矽電漿沉積方法及溶液塗佈方法來製備，如上述接著使用下表中所記載之製備溶液來塗佈。比較例1係如供應時使用的B5墊修整器。實例2至3及比較例1係以修整測試方法測試達表1中所記載的時間。實例2至3、及比較例1係使用修整後目視分析方法及接觸角分析方法來進行評估。結果顯示於表1。

實例4至9及比較例1

針對實例4至9，在以製備溶液塗佈前，B5墊修整器經受電漿誘導氧化方法。塗佈依循溶液塗佈方法，並且所使用的具體製 備溶液係記載於下表2中。比較例1係如供應的B5墊修整器。實例4至9及比較例1係以修整測試方法來進行測試。在30min的修整之後，使用修整後目視分析方法來檢查墊修整器的陶瓷研磨元件表面以識別墊碎屑。此外，使用修整後影像分析方法來分析光學影像。結果顯示於表2。

實例10至14

實例10至14係使用B5墊修整器並使用類二氧化矽電漿沉積方法及溶液塗佈方法來製備。所使用的具體製備溶液係記載於下表3中。實例10至14係以上述記載的修整測試方法來進行測試。在30min的修整之後，使用修整後目視分析方法來檢查墊修整器的陶瓷研磨元件表面以識別墊碎屑。此外，使用修整後影像分析方法來分析光學影像。結果顯示於表3。

實例16及比較例15

實例16係藉由將B6-2990墊修整器經受類二氧化矽電漿沉積方法及溶液塗佈方法並使用製備溶液A來製備。比較例15係如供應的B6-2990墊修整器。樣本係以上述記載的修整測試方法來進行測試。在下表4中所記載的修整時間之後，使用修整後目視分析方法來檢查墊修整器的陶瓷研磨元件表面以識別墊碎屑。實例16係測試達三個不同的修整時間(1、2、及6小時)。測試係在相同的墊修整器上累積進行。結果顯示於表4。

10‧‧‧陶瓷本體

10a‧‧‧研磨表面

10b‧‧‧相對第二表面

20‧‧‧經工程設計特徵

20a‧‧‧遠端

20b‧‧‧基部

30‧‧‧金屬氧化物塗層

30a‧‧‧第一表面

40‧‧‧可適形極性有機金屬塗層/可適形金屬氧化物塗層

50‧‧‧可適形鑽石塗層

100‧‧‧磨料物品

H‧‧‧高度

Claims (15)

1. 一種磨料物品，其包含：一陶瓷本體，其具有一研磨表面及一相對第二表面，其中該陶瓷本體的該研磨表面包括複數個經工程設計特徵，該複數個經工程設計特徵各具有一基部及與該基部相對的一遠端，且該陶瓷本體具有至少7.5的莫氏硬度；一可適形金屬氧化物塗層，其相鄰於且適形於該複數個經工程設計特徵，其中該可適形金屬氧化物塗層包括一第一表面；及一可適形極性有機金屬塗層，其與該可適形金屬氧化物塗層的該第一表面接觸，其中該可適形極性有機金屬塗層包括具有至少一金屬及具有至少一極性官能基之一有機部分的一化學化合物。
2. 如請求項1之磨料物品，其中該可適形極性有機金屬塗層的該至少一金屬係Si、Ti、Zr、及Al中之至少一者。
3. 如請求項1之磨料物品，其中該至少一極性官能基包括至少一陽離子官能基及一陰離子官能基。
4. 如請求項1之磨料物品，其中該化學化合物係有機矽烷，且其中該可適形極性有機金屬塗層包括該有機矽烷與該可適形金屬氧化物塗層之該金屬氧化物的反應產物。
5. 如請求項4之磨料物品，其中該有機矽烷包括有機氯矽烷、有機矽醇、及烷氧基矽烷中之至少一者。
6. 如請求項4之磨料物品，其中該有機矽烷包括烷氧基矽烷。
7. 如請求項4之磨料物品，其中有機矽烷包括下列中之至少一者：n-三甲氧基矽基丙基-n,n,n-三甲基氯化銨、n-(三甲氧基矽 基丙基)乙二胺三乙酸三鈉鹽、羧基乙基矽烷三醇二鈉鹽、3-(三羥基矽基)-1-丙磺酸、及n-(3-三乙氧基矽基丙基)葡萄糖醯胺。
8. 如請求項1之磨料物品，其中該可適形極性有機金屬塗層進一步包括矽酸鋰、矽酸鈉、及矽酸鉀中之至少一者。
9. 如請求項1之磨料物品，其中該可適形極性有機金屬上的水接觸角係介於0度至20度之間。
10. 如請求項1之磨料物品，其進一步包含設置在該陶瓷本體之該研磨表面與該可適形金屬氧化物塗層之間的一可適形鑽石塗層。
11. 如請求項1之磨料物品，其中該陶瓷本體係碳化物陶瓷本體，並且包括99重量%的碳化物陶瓷。
12. 如請求項11之磨料物品，其中該碳化物陶瓷本體包括99重量%的碳化矽陶瓷。
13. 如請求項11之磨料物品，其中該陶瓷本體係一單塊陶瓷本體。
14. 一種拋光系統，其包含：一拋光墊，其包括一材料；一墊修整器，其具有一研磨表面，其中該墊修整器包括至少一如請求項1之磨料物品，其中該墊修整器的該研磨表面包括該至少一磨料物品之該可適形極性有機金屬塗層。
15. 如請求項14之拋光系統，其中該拋光墊之該材料包括聚胺甲酸酯。

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