(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
７０ｎｍ〜１２０ｎｍの範囲内の一次粒度、８０ｎｍ〜１９９ｎｍの範囲内の二次粒度
および少なくとも７．０ｇ／ｃｍ３の密度を有する酸化セリウム粒子を含む微粒子材料。
【請求項２】
前記二次粒度が８０ｎｍ〜１４９ｎｍの範囲内である請求項１に記載の微粒子材料。
【請求項３】
前記二次粒度が１４０ｎｍ〜１４９ｎｍの範囲内である請求項２に記載の微粒子材料。
【請求項４】
前記密度が７．０ｇ／ｃｍ３〜７．２ｇ／ｃｍ３の範囲内である請求項１〜３のいずれか一項に記載の微粒子材料。
【請求項５】
前記酸化セリウム粒子が５ｍ２／ｇ〜１５ｍ２／ｇの範囲内の比表面積を有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の微粒子材料。
【請求項６】
前記酸化セリウム粒子が６ｍ２／ｇ〜１３ｍ２／ｇの範囲内の比表面積を有する請求項
５に記載の微粒子材料。
【請求項７】
前記酸化セリウム粒子の計算二次粒度対前記酸化セリウム粒子の測定二次粒度の比が１．０〜３．０の範囲内である請求項１〜６のいずれか一項に記載の微粒子材料。
【請求項８】
前記比が１．２〜２．１の範囲内である請求項７に記載の微粒子材料。
【請求項９】
前記微粒子材料が１．２８以下の真円度を有する請求項１〜８のいずれか一項に記載の
微粒子材料。
【請求項１０】
前記真円度が１．２４以下である請求項９に記載の微粒子材料。
【請求項１１】
微粒子材料を形成する方法であって、
アルカリ塩基を硝酸セリウム（ＩＩＩ）の水溶液と混合する工程と、
酸化セリウム粒子を形成するために前記混合物を熟成する工程と、
少なくとも５００μＳ／ｃｍのイオン伝導率まで前記混合物を洗浄する工程と、
６５０℃〜１０００℃の範囲内の温度で酸化セリウム粒子を熱処理する工程と、
前記酸化セリウム粒子を８０ｎｍ〜１４９ｎｍの二次粒度になるまで湿式粉砕する工程を含む方法。
【請求項１２】
アルカリ金属イオンを除去するためにイオン交換法を実施する工程を更に含む請求項１
１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、セリア材料およびセリア材料を形成するための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
研磨剤材料は、塊状材料を除去するため、または光沢、膚目および均一性などの生産物の表面特性に影響を及ぼすために種々の産業において用いられている。例えば、金属部品の製造は、表面を磨いてつやを出して均一に平滑な表面にするために研磨剤を用いる。同様に、光学素子の製造は、望ましくない光の回折および散乱を防ぐ欠陥のない表面を作るために研磨剤材料を用いる。更に、半導体の製造は、回路部品の形成に関して欠陥の少ない表面を作るために基材用材料を磨く場合がある。
【０００３】
製造業者は、典型的には、特定の用途のために高い素材除去速度を有する研磨剤材料を求める。しかし、除去速度と磨かれた表面の品質との間に交換条件がしばしば存在する。研磨剤材料の粒子が細かくなるほど、典型的には、表面が平滑になるが、材料除去速度が低くなり得る。より低い材料除去速度は、より遅い生産および高いコストにつながる。他方、研磨剤材料の粒子が大きくなるほど、材料除去速度が高くなるが、磨かれた表面における引掻、窪みおよび他の変形の一因になり得る。
【０００４】
酸化セリウム（ＩＶ）、すなわちセリアは、ＳｉＯ２系組成物の研磨において用いられるセラミック微粒子である。一般に、セリアは、機械的手段によって研磨中にＳｉＯ２を除去する。更に、他の材料と比べたとき、ＳｉＯ２に対するセリアの化学的活性は除去速度を改善する。半導体化学−機械研磨（ＣＭＰ）、フォトマスク研磨またはハードディスク研磨などの電子用途においてセリア系粒子を用いるために、粒子は、磨かれた表面において引掻、窪みまたは他の変形を引き起こさずに高速で研磨するのに十分に研磨性である必要があり、汚れをなくす必要がある。こうした欠陥および汚れは、素子製造技術が機構サイズを縮小し続けるにつれて重要度が高まる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、改善された研磨剤微粒子および改善された研磨剤微粒子から形成された研磨スラリーが望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
特定の実施形態において、微粒子材料は、約７０ｎｍ〜約１２０ｎｍの範囲内の一次粒度および約８０ｎｍ〜約１５０ｎｍの範囲内の二次粒度分布を有する酸化セリウム粒子を含む。
【０００７】
別の実施形態において、微粒子材料は、約７０ｎｍ〜約１２０ｎｍの範囲内の一次粒度および少なくとも約６．６ｇ／ｃｍ３の密度を有する酸化セリウム粒子を含む。
【０００８】
更なる実施形態において、微粒子材料は、約８０ｎｍ〜約１９９ｎｍの範囲内の二次粒度分布および少なくとも約６．６ｇ／ｃｍ３の密度を有する酸化セリウム粒子を含む。
【０００９】
追加の実施形態において、研磨スラリーは微粒子材料を含む。微粒子材料は、約８０ｎｍ〜約１９９ｎｍの範囲内の二次粒度分布および少なくとも約６．６ｇ／ｃｍ３の密度を有する酸化セリウム粒子を含む。
【００１０】
なお別の実施形態において、セリア材料を形成する方法は、アルカリ塩基を硝酸セリウム（ＩＩＩ）の水溶液と混合する工程、酸化セリウム粒子を形成するために混合物を熟成する工程、少なくとも約５００μＳ／ｃｍのイオン伝導率まで混合物を洗浄する工程および６５０℃〜１０００℃の範囲内の温度で酸化セリウム粒子を焼成する工程を含む。
【００１１】
添付図面を参照することにより、本開示は、より良く理解され得るとともに、その多くの特徴および利点は当業者に明らかにされ得る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】異なるプロセスパラメータを用いて産出された粒子の画像を含む。
【図２】異なるプロセスパラメータを用いて産出された粒子の画像を含む。
【図３】異なるプロセスパラメータを用いて産出された粒子の画像を含む。
【図４】異なるプロセスパラメータを用いて産出された粒子の画像を含む。
【図５】異なるプロセスパラメータを用いて産出された粒子の画像を含む。
【図６】異なるプロセスパラメータを用いて産出された粒子の画像を含む。
【図７】異なるプロセスパラメータを用いて産出された粒子の画像を含む。
【図８】異なるプロセスパラメータを用いて産出された粒子の画像を含む。
【図９】異なるプロセスパラメータを用いて産出された粒子の画像を含む。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
特定の実施形態において、研磨スラリー中で用いるための酸化セリウム微粒子を形成する方法は、アルカリ塩基を硝酸セリウムの水溶液と混合する工程、酸化セリウム微粒子を形成するために混合物を熟成する工程、少なくとも約５００μＳ／ｃｍのイオン伝導率を提供するために混合物を洗浄する工程および酸化セリウム粒子を乾燥させ焼成する工程を含む。一例において、アルカリ塩基は水酸化カリウムを含んでよい。更なる例において、イオン伝導率は、少なくとも約１０００μＳ／ｃｍであってよい。焼成は約６５０℃〜約１０００℃の範囲内の温度で実施してよい。
【００１４】
得られた酸化セリウム微粒子は、特に研磨剤用途のために望ましい特性を有し得る。例えば、酸化セリウム微粒子は、約７０ｎｍ〜約１２０ｎｍの範囲内の一次粒度を有してよい。別の例において、酸化セリウム微粒子は、約８０ｎｍ〜約１９９ｎｍの範囲内の二次粒度を有してよい。更に、酸化セリウム微粒子は、少なくとも約６．６ｇ／ｃｍ３の密度を有してよい。
【００１５】
本開示の一実施形態によると、酸化セリウム研磨剤材料は、沈殿プロセスを通して形成される。例えば、セリウム塩を含む溶液に塩基を添加するか、または塩基を含む溶液にセリウム塩を添加してよい。特に、溶液はセリウム塩の水溶液であってよい。セリウム塩の例には、硝酸セリウム、塩化セリウム、水酸化セリウム、炭酸セリウム、硫酸セリウムまたはそれらの組み合わせが挙げられる。特定の実施形態において、セリウム（ＩＩＩ）塩は硝酸セリウムを含む。
【００１６】
種々の塩基を用いてよい一方で、処理は、典型的には、金属水酸化物塩基をセリウム（ＩＩＩ）塩の水溶液と混合することを含む。金属水酸化物塩基は、アルカリ金属から形成された塩基またはアルカリ土類金属から形成された塩基であってよい。特に、金属水酸化物塩基の例には、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）またはそれらの組み合わせが挙げられる。例示的な実施形態において、水酸化カリウムは硝酸セリウムの水溶液と混合される。
【００１７】
一実施形態において、混合物は熟成される。例えば、混合物は、少なくとも８時間、例えば、少なくとも１２時間、少なくとも１６時間または更には少なくとも２４時間にわたり攪拌してよい。熟成は室温で行ってよい。あるいは、熟成は少なくとも８０℃の温度で行ってよい。
【００１８】
更に、混合物は、望ましいイオン伝導率を提供するために洗浄される。イオン伝導率は、典型的には、混合物にイオン伝導率プローブを入れることにより決定される。酸化セリウムを沈殿させるためにアルカリ金属塩基を用いるとき、イオン伝導率は、カリウムイオンなどの残留アルカリ金属イオンのレベルを表すことができる。特に、洗浄は、カリウムイオンの少なくとも１部を維持するために行われる。一実施形態において、混合物は、少なくとも約５００μＳ／ｃｍのイオン伝導率まで洗浄することが可能である。例えば、洗浄後のイオン伝導率は、少なくとも約８００μＳ／ｃｍ、例えば、少なくとも約１０００μＳ／ｃｍ、少なくとも約１１００μＳ／ｃｍ、または更には少なくとも約１４００μＳ／ｃｍであってよい。特に、伝導率は、少なくとも約１５００μＳ／ｃｍであってよいか、または更には２５００μＳ／ｃｍ以上ほどであってよい。一般に、イオン伝導率は、３０００μＳ／ｃｍ以下などの約３５００μＳ／ｃｍ以下である。
【００１９】
更に、混合物は、粉末状の微粒子セリア材料を得るために乾燥させてよい。例えば、混合物は、例えば、噴霧乾燥法、凍結乾燥法または皿乾燥法を用いて乾燥させることが可能である。一般に、乾燥方法を選択することによって異なる凝集特性を達成してよい。例えば、皿乾燥は、ほぼ室温などの低温で行ってよい。あるいは、皿乾燥は、少なくとも約１００℃などのより高い温度で行ってよい。一般に、噴霧乾燥は、少なくとも約２００℃などの１００℃より高い温度で行われる。凍結乾燥は、固体状態にスラリーを凍結し、その後、減圧（約３５０ｍトル）下で１００℃未満にスラリーを加熱することを含み、このプロセスは、より凝集のない粉末を産出するために知られている。
【００２０】
乾燥させた酸化セリウム微粒子は、例えば、結晶成長を促進するとともに微粒子セリア材料の密度を高めるのに十分な温度で焼成プロセスを用いて熱処理される。典型的には、熱処理は、少なくとも約６５０℃の温度で、しかし約１０００℃より高くない温度で行われる。約６５０℃未満の温度で、所望の結晶成長は、典型的にはセリア材料中で起きない一方で、約１０００℃より高い温度で、セリア粒子は角張った形状を示す場合があり、これは研磨欠陥につながる。一実施形態において、焼成温度は、約７００℃〜約８５０℃の範囲内であってよい。例えば、焼成温度は、約７５０℃〜約８２５℃の範囲内であってよい。
【００２１】
一実施形態において、焼成されたセリア材料は、望ましい二次酸化セリウム粒度分布を得るために湿式粉砕される。例えば、焼成されたセリア材料は、水溶液で湿らしてから粉砕してよい。湿式粉砕法は、予めｐＨ調節された脱イオン水にセリア粉末３０重量％までを添加することにより行ってよい。一例において、０．３〜０．４ｍｍの高純度ＺｒＯ２粉砕媒体を粉砕中に用いてよい。スラリーの粉砕時間は、意図された粒度分布によって決定される。
【００２２】
更に、セリア材料は、アルカリ金属イオンなどの金属イオンを除去するためにイオン交換プロセスに供してよい。一例において、イオン交換プロセスは、流動床イオン交換プロセスを含んでよい。あるいは、固定床イオン交換プロセスを用いてよい。セリア材料を濾過または濃縮もしてよい。
【００２３】
特定の実施形態において、セリア材料はスラリー配合物に組み込んでよい。一例において、スラリー配合物は水性スラリー配合物である。あるいは、スラリー配合物は有機系スラリー配合物であってよい。更に、スラリー配合物は、分散剤、殺虫剤および他の添加剤を含んでよい。例えば、スラリー配合物は、ポリアクリレート系添加剤などの低分子量ポリマー添加剤を含んでよい。別の例において、スラリー配合物は、５より高いｐＨ、または少なくとも約７のｐＨなどの望ましいｐＨを有してよい。ｐＨは、例えば、水酸化アンモニウムなどの、アルカリ金属もアルカリ土類金属も含まない塩基を用いて操作してよい。
【００２４】
特に、上述したプロセスは、望ましい特性を有する酸化セリウム（ＩＶ）粒子などの酸化セリウム粒子を提供する。こうした特性は、シリカ表面などの表面を磨くために用いるとき、望ましい表面特性と除去速度の両方をもたらす研磨スラリーを産出することが意外にも見出された。例えば、酸化セリウム粒子は、約７０ｎｍ〜約１２０ｎｍの範囲内の一次粒度を有する。いくつかの実施形態において、酸化セリウム粒子は、約８０ｎｍ〜約１００ｎｍの範囲などの約７０ｎｍ〜約１００ｎｍの範囲内の一次粒度を有する。
【００２５】
本明細書において用いられる一次粒度は、粒子の平均最長寸法または平均長さ寸法を表すために用いられる。例えば、酸化セリウム粒子が球状またはほぼ球状を示すとき、粒度は平均粒径を表すために用いることが可能である。平均粒度は、複数の代表サンプルを取り、代表サンプルの画像において見られた粒度を測定することにより決定することが可能である。こうしたサンプル画像は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）などによる種々の特性分析技術によって撮ってよい。粒度は識別可能な個々の粒子に関連する。
【００２６】
更に、酸化セリウム粒子は、約８０ｎｍ〜約１９９ｎｍの範囲内の二次粒度を有してよい。一実施形態において、二次粒度は、約８０ｎｍ〜約１４９ｎｍなどの約８０ｎｍ〜約１７５ｎｍの範囲内であってよい。特に、二次粒度は、約１４０ｎｍ〜約１４９ｎｍの範囲内であってよい。二次粒度は、Ｈｏｒｉｂａ  ＬＡ−９２０レーザ粒度分析機およびＭａｌｖｅｒｎ  Ｚｅｔａｓｉｚｅｒなどの光散乱技術を用いて測定してよい。
【００２７】
粒度に加えて、セリア材料のモルホロジーは比表面積の観点で更に特性分析してよい。比表面積は、Ｂｒｕｎａｕｅｒ  Ｅｍｍｅｔｔ  Ｔｅｌｌｅｒ（ＢＥＴ）法を用いるガス吸着によって得ることが可能である。本明細書における実施形態によると、セリア材料は、約５ｍ２／ｇ〜約１５ｍ２／ｇの範囲内の比表面積を有する酸化セリウム粒子を含む。一実施形態において、酸化セリウム粒子は、約６ｍ２／ｇ〜約１０ｍ２／ｇなどの約６ｍ２／ｇ〜約１３ｍ２／ｇの範囲内の比表面積を有してよい。
【００２８】
更に、酸化セリウム粒子は、少なくとも約６．６ｇ／ｃｍ３の密度を有してよい。例えば、密度は、少なくとも約７．０ｇ／ｃｍ３であってよい。一実施形態において、酸化セリウム粒子は、約６．６ｇ／ｃｍ３〜約７．２ｇ／ｃｍ３の範囲内の密度を有してよい。
【００２９】
特定の実施形態において、二次粒度は、計算、測定またはそれらの組み合わせを通して決定することが可能である。一般に、二次粒度は、一次粒子の凝集または融合の程度を表す。例えば、二次粒度は、ＢＥＴ比表面積に基づいて計算することが可能である。別の例において、二次粒度は、Ｈｏｒｉｂａ  ＬＡ−９２０レーザ粒度分析機などを用いるレーザ回折を用いて測定することが可能である。特定の状況において、産業は、レーザ散乱技術を通して測定されたサイズ対ＢＥＴ比表面積から計算されたサイズの比の観点でセリア材料を特徴づける。酸化セリウム材料は、２．５以下の比などの３．０未満の比を示し得る。一例において、比は１．２〜２．２などの１．０〜３．０の範囲内である。
【００３０】
更に、セリウム材料は、Ｋｗｏｎら（米国特許第７，０９０，８２１号明細書）により概説された方法によって特性分析してよい。Ｋｗｏｎらにおいて概説された方法により決定したとき、セリア材料は、少なくとも約２．０のα凝集スケールを有してよく、３．０以下のβ凝集スケールを有してよい。
【００３１】
例示的な実施形態において、得られたセリア材料は、多結晶酸化セリウム粒子または単結晶酸化セリウム粒子と多結晶酸化セリウム粒子の混合物を含んでよい。一実施形態において、単結晶酸化セリウム粒子と多結晶酸化セリウム粒子の比は、１：９〜９：１の範囲内である。例えば、比は１：３〜３：１であってよい。あるいは、セリア材料は主として多結晶であってよい。
【００３２】
更に、セリア材料は、チタンなどの不純物を置き換える格子を実質的に含まない。例えば、セリア材料は、酸化セリウム少なくとも９９．０重量％、例えば、酸化セリウム少なくとも約９９．５重量％、更には酸化セリウム９９．９重量％超であってよい。
【００３３】
更に、セリア材料は望ましい粒子モルホロジーを有し得る。例えば、セリア材料の粒子は、ほぼ球状であってよい。「球状」は、立方体を除き約１のアスペクト比（例えば、一位の寸法を次位の最長寸法で除したもの）を有する粒子を表す。特に、セリア材料は、１．２４以下などの１．２８以下の、粒子組のための寸法の平均比として定義される平均真円度を有してよい。例えば、平均真円度は、１．１５以下などの１．２以下であってよい。
【００３４】
上述したセリア材料は、特に研磨スラリーの状況において望ましい特性を示す。特に、上述した方法は、研磨スラリー中で用いられるとき、先行技術のセリア材料に比べて意外な技術的利点を提供する制御された特性を有するセリア材料の形成を可能にする。
【００３５】
典型的には、文献は低密度セリア材料に集中していた。例えば、Ｙｏｓｈｉｄａら（例えば、米国特許第６，３４３，９７６号明細書、米国特許第６，８６３，７００号明細書および米国特許第７，１１５，０２１号明細書を参照）は、焼成炭酸セリウム材料からセリア微粒子を形成する技術を開示している。こうした技術は、典型的には、その使用がＹｏｓｈｉｄａらによって支持されている低密度多孔質材料につながる。他の参照文献がセリア材料の沈殿を開示している（例えば、米国特許第５，９３８，８３７号明細書または米国特許第６，７０６，０８２号明細書を参照）一方で、こうした参照文献は、低密度材料を産出する技術または小粒度材料を産出する技術のいずれかを開示している。
【００３６】
文献の教示に反して、本出願人らは、特定の粒度のより高い密度のセリア材料が改善された研磨スラリーを用意することを発見した。特に、こうした研磨スラリーがシリカ基材を磨くために用いられるとき、研磨スラリーは高い除去速度を提供し、表面仕上が優れた研磨表面も提供する。更に、本出願人らは、特定のイオンの存在下でのセリア材料の焼成、その後の湿式粉砕およびイオン交換を含む特定のプロセス機構の使用が、研磨スラリーの状況において用いられたときに望ましい研磨特性を提供するセリア材料を提供することを発見した。
【実施例】
【００３７】
実施例１
３１．２％硝酸セリウム（ＩＩＩ）の水溶液（２０００３ｇ）を激しい攪拌下で３０％水酸化アンモニウム（ＮＨ４ＯＨ）溶液５０００ｇで滴定する。混合物を室温で洗浄し、９０℃で１８時間にわたり熟成する。最終イオン伝導率は８５００μＳ／ｃｍである。２２０℃の温度でのオートクレーブ処理を通して混合物を熱処理する。得られた酸化セリウム粒子を３．５〜６のｐＨ範囲内で３０重量％までの固体装填率で湿式粉砕し、濾過してセリア材料を得る。セリア材料は、９０ｎｍの二次粒度、７０ｍ２／ｇの比表面積および６．２２ｇ／ｃｍ３の密度を有する酸化セリウム粒子を含む。粒子形状は球状またはほぼ球状であり、１０００Å／分の材料除去速度（ＭＲＲ）で優れた表面仕上をもたらす。
【００３８】
実施例２
３１．２％硝酸セリウム（ＩＩＩ）の水溶液（２０００３ｇ）を激しい攪拌下で３０％水酸化アンモニウム（ＮＨ４ＯＨ）溶液５０００ｇで滴定する。混合物を室温で１８時間にわたり熟成し、約５７０μＳ／ｃｍのイオン伝導率まで洗浄する。混合物を乾燥させ、９００℃の温度で２時間にわたり箱型炉内で焼成することを通して熱処理し、放置して室温に冷やす。得られた酸化セリウム粒子を３．５〜６のｐＨ範囲内で３０重量％までの固体装填率で湿式粉砕し、濾過してセリア材料を得る。セリア材料は、９９ｎｍの二次粒度、３１．７ｍ２／ｇの比表面積および６．８２ｇ／ｃｍ３の密度を有する酸化セリウム粒子を含む。粒子形状は様々であり、４２００Å／分の材料除去速度（ＭＲＲ）で許容できる表面仕上をもたらす。
【００３９】
実施例３
３１．２％硝酸セリウム（ＩＩＩ）の水溶液（２０００３ｇ）を激しい攪拌下で３０％水酸化アンモニウム（ＮＨ４ＯＨ）溶液５０００ｇで滴定する。混合物を室温で１８時間にわたり熟成し、６２００μＳ／ｃｍのイオン伝導率まで洗浄する。混合物を乾燥させ、９００℃の温度で２時間にわたり箱型炉内で焼成することを通して熱処理し、放置して室温に冷やす。得られた酸化セリウム粒子を３．５〜６のｐＨ範囲内で３０重量％までの固体装填率で湿式粉砕し、濾過してセリア材料を得る。セリア材料は、９５ｎｍの二次粒度、３２．５ｍ２／ｇの比表面積および６．８４ｇ／ｃｍ３の密度を有する酸化セリウム粒子を含む。粒子形状は様々であり、４２００Å／分の材料除去速度（ＭＲＲ）で許容できる表面仕上をもたらす。
【００４０】
実施例４
３１．２％硝酸セリウム（ＩＩＩ）の水溶液（２０００３ｇ）を３０％水酸化アンモニウム（ＮＨ４ＯＨ）塩基溶液５０００ｇで滴定する。混合物を室温で１８時間にわたり熟成し、２３，３００μＳ／ｃｍのイオン伝導率まで洗浄する。混合物を乾燥させ、１１００℃の温度で２時間にわたり箱型炉内で焼成することを通して熱処理し、放置して室温に冷やす。得られた酸化セリウム粒子を３．５〜６のｐＨ範囲内で３０重量％までの固体装填率で湿式粉砕し、濾過してセリア材料を得る。セリア材料は、９７ｎｍの二次粒度、３５．７ｍ２／ｇの比表面積および６．７１ｇ／ｃｍ３の密度を有する酸化セリウム粒子を含む。粒子形状は角張っており、４２００Å／分の材料除去速度（ＭＲＲ）で劣った表面仕上をもたらす。
【００４１】
実施例５
硝酸セリウム（ＩＩＩ）の水溶液を２２．５重量％水酸化カリウム（ＫＯＨ）塩基で沈殿させる。混合物を室温で１８時間にわたり熟成する。混合物を４９μＳ／ｃｍのイオン伝導率まで洗浄する。混合物を乾燥させ、８４５℃の温度で２時間にわたり箱型炉内で焼成することを通して熱処理し、放置して室温に冷やす。セリア材料は、９９ｎｍの二次粒度、３１．０ｍ２／ｇの比表面積および６．７８ｇ／ｃｍ３の密度を有する酸化セリウム粒子を含む。粒子形状は様々であり、３７００Å／分の材料除去速度（ＭＲＲ）で許容できる表面仕上をもたらす。
【００４２】
実施例６
硝酸セリウム（ＩＩＩ）の水溶液を２２．５重量％水酸化カリウム（ＫＯＨ）塩基で沈殿させる。混合物を室温で１８時間にわたり熟成する。混合物を１１２０μＳ／ｃｍのイオン伝導率まで洗浄する。混合物を乾燥させ、８００℃の温度で２時間にわたり箱型炉内で焼成することを通して熱処理し、放置して室温に冷やす。得られた酸化セリウム粒子を３．５〜６のｐＨ範囲内で３０重量％までの固体装填率で湿式粉砕し、濾過してセリア材料を得る。セリア材料は、１４３ｎｍの二次粒度、１０．３６ｍ２／ｇの比表面積および７．１３ｇ／ｃｍ３の密度を有する酸化セリウム粒子を含む。粒子形状は球状またはほぼ球状であり、２５００Å／分の材料除去速度（ＭＲＲ）で並の表面仕上をもたらす。
【００４３】
実施例７
硝酸セリウム（ＩＩＩ）の水溶液を２２．５重量％水酸化カリウム（ＫＯＨ）塩基で沈殿させる。混合物を室温で１８時間にわたり熟成する。混合物を１４２８μＳ／ｃｍのイオン伝導率まで洗浄する。混合物を乾燥させ、８００℃の温度で２時間にわたり箱型炉内で焼成することを通して熱処理し、放置して室温に冷やす。得られた酸化セリウム粒子を３．５〜６のｐＨ範囲内で３０重量％までの固体装填率で湿式粉砕する。その後、酸化セリウムを樹脂：セリア比＝２：１で混合床樹脂（カチオン：アニオン比＝１）内でイオン交換を通して処理する。樹脂を分離し、イオン交換から２時間後に廃棄し、酸化セリウム粒子を濾過してセリア材料を得る。セリア材料は、１９７ｎｍの二次粒度、６．８５ｍ２／ｇの比表面積および６．７６ｇ／ｃｍ３の密度を有する酸化セリウム粒子を含む。粒子形状は球状またはほぼ球状であり、４０５０Å／分の材料除去速度（ＭＲＲ）で劣った表面仕上をもたらす。
【００４４】
実施例８
硝酸セリウム（ＩＩＩ）の水溶液を２２．５重量％水酸化カリウム（ＫＯＨ）塩基で沈殿させる。混合物を室温で１８時間にわたり熟成し、１４２８μＳ／ｃｍのイオン伝導率まで洗浄する。混合物を乾燥させ、８００℃の温度で２時間にわたり箱型炉内で焼成することを通して熱処理し、放置して室温に冷やす。得られた酸化セリウム粒子を３．５〜６のｐＨ範囲内で３０重量％までの固体装填率で湿式粉砕する。その後、酸化セリウムを樹脂：セリア比＝２：１で混合床樹脂（カチオン：アニオン比＝１）内でイオン交換を通して処理する。樹脂を分離し、イオン交換から２時間後に廃棄し、酸化セリウム粒子を濾過してセリア材料を得る。セリア材料は、１８６ｎｍの二次粒度、７．１８ｍ２／ｇの比表面積および６．８１ｇ／ｃｍ３の密度を有する酸化セリウム粒子を含む。粒子形状は球状またはほぼ球状であり、４３００Å／分の材料除去速度（ＭＲＲ）で並の表面仕上をもたらす。
【００４５】
実施例９
硝酸セリウム（ＩＩＩ）の水溶液を２２．５重量％水酸化カリウム（ＫＯＨ）塩基で沈殿させる。混合物を１８時間にわたり熟成し、１４２８μＳ／ｃｍのイオン伝導率まで洗浄する。混合物を乾燥させ、８００℃の温度で２時間にわたり箱型炉内で焼成することを通して熱処理し、放置して室温に冷やす。得られた酸化セリウム粒子を３．５〜６のｐＨ範囲内で３０重量％までの固体装填率で湿式粉砕する。その後、酸化セリウムを樹脂：セリア比＝２：１で混合床樹脂（カチオン：アニオン比＝１）内でイオン交換を通して処理する。樹脂を分離し、イオン交換から２時間後に廃棄し、酸化セリウム粒子を濾過してセリア材料を得る。セリア材料は、１６４ｎｍの二次粒度、６．４８ｍ２／ｇの比表面積および６．８３ｇ／ｃｍ３の密度を有する酸化セリウム粒子を含む。粒子形状は球状またはほぼ球状であり、４３００Å／分の材料除去速度（ＭＲＲ）で良好な表面仕上をもたらす。
【００４６】
実施例１０
硝酸セリウム（ＩＩＩ）の水溶液を２２．５重量％水酸化カリウム（ＫＯＨ）塩基で沈殿させる。混合物を室温で１８時間にわたり熟成し、１４２８μＳ／ｃｍのイオン伝導率まで洗浄する。混合物を乾燥させ、８００℃の温度で２時間にわたり箱型炉内で焼成することを通して熱処理し、放置して室温に冷やす。得られた酸化セリウム粒子を３．５〜６のｐＨ範囲内で３０重量％までの固体装填率で湿式粉砕する。その後、酸化セリウムを樹脂：セリア比＝２：１で混合床樹脂（カチオン：アニオン比＝１）内でイオン交換を通して処理する。樹脂を分離し、イオン交換から２時間後に廃棄し、酸化セリウム粒子を濾過してセリア材料を得る。セリア材料は、１４８ｎｍの二次粒度、６．９４ｍ２／ｇの比表面積および７．０４ｇ／ｃｍ３の密度を有する酸化セリウム粒子を含む。粒子形状は球状またはほぼ球状であり、４８００Å／分の材料除去速度（ＭＲＲ）で優れた表面仕上をもたらす。
【００４７】
実施例１１
硝酸セリウム（ＩＩＩ）の水溶液を２２．５重量％水酸化カリウム（ＫＯＨ）塩基で沈殿させる。混合物を室温で１８時間にわたり熟成し、８８７μＳ／ｃｍのイオン伝導率まで洗浄する。混合物を乾燥させ、８００℃の温度で２時間にわたり箱型炉内で焼成することを通して熱処理し、放置して室温に冷やす。得られた酸化セリウム粒子を３．５〜６のｐＨ範囲内で３０重量％までの固体装填率で湿式粉砕する。その後、酸化セリウムを樹脂：セリア比＝２：１で混合床樹脂（カチオン：アニオン比＝１）内でイオン交換を通して処理する。樹脂を分離し、イオン交換から２時間後に廃棄し、酸化セリウム粒子を濾過してセリア材料を得る。セリア材料は、１４６ｎｍの二次粒度、１２．１１ｍ２／ｇの比表面積および７．１４ｇ／ｃｍ３の密度を有する酸化セリウム粒子を含む。粒子形状は球状またはほぼ球状であり、４７００Å／分の材料除去速度（ＭＲＲ）で優れた表面仕上をもたらす。
【００４８】
実施例１２
硝酸セリウム（ＩＩＩ）の水溶液を２２．５重量％水酸化カリウム（ＫＯＨ）塩基で沈殿させる。混合物を室温で１８時間にわたり熟成し、１１２０μＳ／ｃｍのイオン伝導率まで洗浄する。混合物を乾燥させ、８００℃の温度で２時間にわたり箱型炉内で焼成することを通して熱処理し、放置して室温に冷やす。得られた酸化セリウム粒子を３．５〜６のｐＨ範囲内で３０重量％までの固体装填率で湿式粉砕する。その後、酸化セリウムを樹脂：セリア比＝２：１で混合床樹脂（カチオン：アニオン比＝１）内でイオン交換を通して処理する。樹脂を分離し、イオン交換から２時間後に廃棄し、酸化セリウム粒子を濾過してセリア材料を得る。セリア材料は、１４３ｎｍの二次粒度、９．２９ｍ２／ｇの比表面積および７．１１ｇ／ｃｍ３の密度を有する酸化セリウム粒子を含む。粒子形状は球状またはほぼ球状であり、４７００Å／分の材料除去速度（ＭＲＲ）で優れた表面仕上をもたらす。
【００４９】
以下の表１は処理条件のまとめを示している。表２は、形成プロセスから生じる、二次粒度、比表面積、密度、粒子形状および研磨特性などの酸化セリウム粒子の特性を例示している。
【００５０】
【表１】
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【００５１】
【表２】
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【００５２】
研磨性能は、化学機械平面化（ＣＭＰ）法においてサンプルスラリーの試験を通して決定する。化学機械平面化（ＣＭＰ）は、ＩＰＥＣ３７２研磨ツールおよびＫ−溝付ＩＣ１４００研磨パッドを用いて行う。ウェハキャリア速度は、テーブル速度４５ｒｐｍで４０ｒｐｍに設定する。セリアスラリー流速は１２５ｍＬ／分であり、セリアの固体装填率は１．２％である。試験を８インチのＰＥＴＥＯＳウェハ上で６０秒にわたり行う。除去速度をウェハの重量損失に基づいて計算する。
【００５３】
実施例１において例示した通り、酸化セリウムの沈殿および６００℃未満の温度での熱処理は、低い材料除去速度（ＭＲＲ）を有する低密度セリア材料を提供する。しかし、実施例２、３および４において例示した通り、熱処理の温度を上げると、ＭＲＲを向上させるが、磨かれた表面の品質を低下させる。
【００５４】
実施例５〜１２において、酸化セリウムを沈殿させるために水酸化カリウムを用いている。一般に、本出願人らは、水酸化カリウムの使用が水酸化アンモニウムの使用より低い焼成温度を可能にすることを意外にも見出した。更に、本出願人らは、水酸化カリウムが粒子成長および研磨性能に影響を及ぼすことを意外にも見出した。
【００５５】
実施例５において、乾燥および焼成の前に水酸化カリウムのカリウムを低イオン伝導率まで洗浄除去している。得られた材料は妥当なＭＲＲおよび良好な表面品質を示している。実施例６において、乾燥および焼成の前にイオン伝導率を１０００μＳ／ｃｍより上に維持しているが、カリウムイオンは最終微粒子材料中に残っている。得られた材料は、実施例５を基準として低下したＭＲＲを示し、より劣る表面仕上をもたらす。
【００５６】
これに対して、実施例７〜１２は、６５０℃より高い温度での熱処理の前に５００μＳ／ｃｍより高いイオン伝導率を維持し、得られた粉末上でイオン交換を行っている。実施例７〜１２の各々は、実施例５および６を基準として大幅に改善されたＭＲＲを示している。
【００５７】
実施例７〜９が望ましいＭＲＲを示す一方で、これらの実施例のセリア材料は、より低い品質の表面仕上げをもたらしている。これに対して、実施例１０〜１２は、なおより高いＭＲＲを示し、優れた表面仕上を提供している。本出願人らは、表面仕上の差をより小さい二次粒度分布およびより高い密度の結果であるとしている。
【００５８】
実施例１３
特に、本出願人らは、セリア材料において結晶成長を促進するため、および望ましい研磨性能を提供するために、イオン伝導率、焼成温度、湿式粉砕およびイオン交換処理の特定の組み合わせを使用できることを発見した。
【００５９】
例えば、図１、図２および図３は、約７７５℃の焼成温度で処理され、それぞれ１０００μＳ／ｃｍ、１５００μＳ／ｃｍおよび２５００μＳ／ｃｍのイオン伝導率を有する粒子のＳＥＭ画像を例示している。一般に、粒度はイオン伝導率の増加につれて増加する。図１の粒子は約６３．０ｎｍの平均粒度を有し、図２の粒子は約９３．５ｎｍの平均粒度を有し、図３の粒子は約１０３．８ｎｍの平均粒度を有する。平均は、少なくとも５個の代表粒子の平均径に基づいて決定される。
【００６０】
別の例において、図４、図５および図６は、約８００℃の焼成温度で処理され、それぞれ１０００μＳ／ｃｍ、１５００μＳ／ｃｍおよび２５００μＳ／ｃｍのイオン伝導率を有する粒子のＳＥＭ画像を例示している。図４の粒子は約１０２．８ｎｍの平均粒度を有し、図５の粒子は約１１０．０ｎｍの平均粒度を有し、図６の粒子は約１２６．０ｎｍの平均粒度を有する。なお別の例において、図７、図８および図９は、約８２５℃の焼成温度で処理され、それぞれ１０００μＳ／ｃｍ、１５００μＳ／ｃｍおよび２５００μＳ／ｃｍのイオン伝導率を有する粒子のＳＥＭ画像を例示している。図７の粒子は約１１３．８ｎｍの平均粒度を有し、図８の粒子は約１１４．３ｎｍの平均粒度を有し、図９の粒子は約１９６．８ｎｍの平均粒度を有する。
【００６１】
図１〜９において例示された通り、粒子成長を操作して望ましい特性およびモルホロジーの粒子、特に、望ましい性能を示す研磨スラリーを形成するために有用な粒子をもたらすためにイオン伝導率と焼成温度の組み合わせを用いることが可能である。特に、所定の伝導率に関して、焼成温度の５０℃の増加は、平均粒度の少なくとも２０％の増加、例えば、少なくとも５０％または更には８０％ほどもの増加をもたらす。成長指数は、出発温度が７５０℃〜８００℃の範囲内であるとき、温度の５０℃の変化から生じる平均粒度の％変化として定義される。従って、図１〜図９の粒子をもたらす酸化セリウム粉末は、少なくとも約５０または更には少なくとも約８０などの少なくとも約２０の成長指数を有する。所定の焼成温度に関して、イオン伝導率の１５００μＳ／ｃｍの増加は、平均粒度の少なくとも２０％の増加、例えば、少なくとも４０％または更には６０％ほどの増加をもたらし得る。５０℃の増加と１５００μＳ／ｃｍの増加を総合した結果は、粒度の２００％増加を提供し得る。
【００６２】
更に、粒子のモルホロジーは、ほぼ円形である。例えば、図７の粒子は１．１７の平均真円度および１．５の最高真円度を有する。図９において例示した粒子は１．１２の平均真円度および１．４の最高真円度を有する。真円度は、ある寸法対二位最長寸法の平均比である。
【００６３】
一般説明または実施例において上述した作業のすべてが必須であるとは限らないこと、特定の作業の一部が必要でない場合があること、および上述した作業に加えて１つ以上の更なる作業を実施してよいことに留意されたい。なお更に、作業が挙げられた順序は、必ずしも作業が行われる順序ではない。
【００６４】
前述の本明細書において、着想を特定の実施形態に関連して記載してきた。しかし、当業者は、種々の修正および変更を以下の特許請求の範囲に規定された本発明の範囲から逸脱せずに実施できることを理解する。従って、本明細書および図面を限定的な意味でなくあくまで例示として考えるべきであり、すべてのかかる修正は本発明の範囲内に含まれるべく意図されている。
【００６５】
本明細書において用いられる「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語またはそれらの他の一切の変形は、非排他的な包含を含めることを意図している。例えば、特徴のリストを含むプロセス、方法、物品または装置は、こうした特徴のみに必ずしも限定されず、明示的に挙げられなかった他の特徴、またはこうしたプロセス、方法、物品または装置に固有の他の特徴を含んでよい。更に、相反する明示的な記載がないかぎり、「または」は、包含的な「または」を意味し、排他的な「または」を意味しない。例えば、条件ＡまたはＢは、次のいずれか１つによって満たされる。Ａは真（または存在する）であり、且つＢは偽（または存在しない）である。Ａは偽（または存在しない）であり、且つＢは真（または存在する）である。ＡとＢの両方は真（または存在する）である。
【００６６】
また、単数形（「ａ」または「ａｎ」）の使用は、本明細書において記載された要素および構成要素を記載するために用いられる。これは、単に便宜上および本発明の範囲の一般的意味を与えるために行われる。この記載は、１つまたは少なくとも１つを含むべく読まれるべきであり、単数が別段に意図されていることが明白でない限り単数は複数も含む。
【００６７】
利益、他の利点および課題に対する解決策を特定の実施形態に関して上述してきた。しかし、利益、利点、課題に対する解決策、および一切の利益、利点または解決策を思い付かせ得るか、またはより明白にさせ得るいかなる特徴も、いずれかの請求項またはすべての請求項の重要な特徴、必要な特徴または必須の特徴として解釈されるべきではない。
【００６８】
本明細書を読んだ後、当業者は、理解しやすいように別々の実施形態の文脈において本明細書に記載された特定の特徴が、単一の実施形態において組み合わせて提供されてもよいことを理解するであろう。逆に、簡潔のために単一の実施形態の文脈において記載されている本発明の種々の特徴を別々に、またはいかなる副次的な組み合わせにおいて提供してもよい。更に、範囲において指定された値に対する言及は、当該範囲内の各値およびあらゆる値を含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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