(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板を機械加工する方法であって、
基板と工作機械との間に、スラリーを供給するステップ、前記基板は、アルミニウムを含み、前記基板は、酸化アルミニウム、アルミン酸イットリア、アルミノシリケート、アルミナ−チタンカーバイド、酸窒化アルミニウム、窒化アルミニウム、及びアルミニウム含有のガーネット類及びスピネル類からなる群より選択される１種のアルミニウム化合物を含み、前記スラリーは、研磨剤とリン化合物を含む添加剤とを含み、前記リン化合物が、ヒドロキシホスホノ酢酸であり、そして
前記工作機械に対して前記基板を動かすステップ、
を含む、前記方法。
【請求項２】
セラミック基板を機械加工する方法であって、
基板と工作機械との間に、スラリーを供給するステップ、前記基板は、アルミニウムを含み、前記スラリーは、研磨剤と有機リン化合物を含む添加剤とを含み、そして
前記工作機械に対して前記基板を動かすステップ、
ここで、前記基板が、基板速度が３．４ｍ／秒超におけるＭＲＲａｄｄ／ＭＲＲｃｏｎ比が１．８以上となるように機械加工され、ＭＲＲａｄｄは、前記研磨剤及び前記添加剤を含む前記スラリーを用いた前記基板の研磨の材料除去速度であり、そしてＭＲＲｃｏｎは、前記添加剤を含まない対照スラリーを用いて同一のプロセス条件下での材料除去速度である、
を含む方法。
【請求項３】
前記研磨剤がアルミナを含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記研磨剤が、シリカ、ジルコニア、炭化ケイ素、炭化ホウ素、及びダイヤモンドから成る群から選択される、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項５】
前記基板が、酸化アルミニウムを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記基板が、酸化アルミニウムの単結晶を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記基板が、アルミン酸イットリア、アルミノシリケート、アルミナ−チタンカーバイド、酸窒化アルミニウム、又はアルミニウム含有ガーネット若しくはスピネルを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記基板が、窒化アルミニウムを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項９】
前記スラリーが、８以上のｐＨを有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記基板を、基板速度が３．４ｍ／秒超におけるＭＲＲａｄｄ／ＭＲＲｃｏｎ比が１．８以上となるように機械加工し、ここでＭＲＲａｄｄは、前記研磨剤及び前記添加剤を含む前記スラリーを用いた前記基板の研磨の材料除去速度であり、そしてＭＲＲｃｏｎは、前記添加剤を含まない対照スラリーを用いて同一のプロセス条件下での材料除去速度である、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、セラミック基板類の機械加工、特に、基板類の研磨に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械加工、特に基板の研磨は、超小型電子素子を含む種々の素子の形成に広く用いられている。例えば、集積回路の素子を形成するためのウェーハ加工の際、層を取り除いて、該ウェーハを平坦化するために、ウェーハは、化学機械研磨（ＣＭＰ）を受ける。磁気抵抗（ＭＲ）ヘッドの製造分野では、アルミニウム合金の基板を研磨してジグを形成し、そしてハードディスクドライブ（ＨＤＤ）用の読込み／書込みヘッドの空気ベアリング表面を研磨して、平坦化する。
【０００３】
機械加工に関連して、ラッピング操作並びに研磨操作において、一般的に研磨用スラリーが用いられる。一般的に、ラッピングは、かなり大きな研磨剤粒子（例えば、２〜１０μｍ）を用いた加工を意味し、そして高い材料除去速度を連想させる。一方、研磨は、一般的により小さな研磨剤粒子に特徴があり、相当ゆっくりとした材料除去速度、及び優れた表面仕上げをもたらす。典型的には、研磨操作の目的のひとつは、相対的に低表面粗度を有し、該基板表面の暴露表面に沿った材料のスクラッチ、「オレンジピール」及び「プルアウト」等の欠陥を含まない平面を提供することである。さらに、複数層の研磨材料（ＨＤＤ記録ヘッドの場合の様に硬いセラミック部分及び柔らかい伝導性層）を有する基板に関しては、該基板の軟らかい材料を選択的に研磨することを防ぐように、異なる材料の間で、一致した材料除去速度を有する研磨操作を行うことも、重要である。
研磨速度を増加させ、材料除去選択性を減少させ、そして欠陥を減少させる努力において、化学反応処理と基板材料の機械的除去（研磨等）とを併用するように、研磨技術を進化させてきた。そのような処理は、上述のように、化学機械研磨、ＣＭＰとして当業界で記述されている。ＣＭＰ処理及びそのような化学的成分と機械的成分とを含むスラリーの改良が、半導体プロセス等の一定の分野で、顕著に研究されてきている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記操作を実施するための改良された機械加工操作及びスラリー、特にアルミニウム含有セラミック（アルミナ、アルミナ複合体類、セラミック類を含む非酸化アルミニウム等）を研磨することを目的とする操作及びスラリーに対する必要性が、当業界に存在し続けている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様に従って、アルミニウムを含むセラミック基板を機械加工する方法が提供されている。第１に、該基板及び工作機械との間にスラリーを供給し、該工作機械に対して該基板を相対的に動かす。該スラリーは、研磨剤とリン化合物を含む添加剤とを含む。該研磨剤は、アルミナ研磨剤を含むことができる。
【０００６】
本発明の他の態様に従い、アルミニウムを含むセラミック基板を機械加工するための方法が提供されており、該方法では、研磨剤とリン化合物を含む添加剤とを含むスラリーを供給すること、スラリーが工作機械及び基板との間に供給されるように、該基板を該工作機械に接触させること、そして約２．０ｍ／秒以上の速度において該工作機械に対して該基板を動かすように、該基板及び該工作機械のうち少なくとも一方を動かすこととなる。
【０００７】
本発明のさらに別の態様に従って、セラミック基板を研磨するための方法が提供されており、該方法では、該セラミック基板と工作機械との間にスラリーを供給し、該スラリーは、研磨剤及び材料除去添加剤を含み、そしてＭＲＲadd／ＭＲＲcon比が１．２以上で、該基板を研磨する。これに関連して、ＭＲＲaddは、該研磨剤及び該材料除去添加剤を含む上述の該スラリーを用いて該基板を研磨する該材料除去速度を表し、一方、ＭＲＲconは、該材料除去添加剤を含まない対照スラリー（すなわち、該材料除去添加剤を添加していないスラリー）を用いた同一プロセス条件下での該材料除去速度を表している。該対照スラリーは、他の点では、研磨剤及び材料除去添加剤を含む上述のスラリーと概ね同一である。
他の実施形態では、液体媒体と、該液体媒体中に分散された研磨剤と、リン化合物を含む添加剤とを含む研磨用スラリーが必要となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
添付の図面を参照することによって、本発明がさらに理解され、そしてその多くの目的、特徴、及び優位性が、当業者に明らかになるであろう。
【図１】図１は、本発明の実施形態に従って用いられる研磨構造体の概略図を具体的に説明するものである。
【図２】図２は、種々の例に従う材料除去速度について、研磨速度の有効性を具体的に説明するものである。
【図３】図３は、種々の例に従う材料除去速度について、ｐＨの影響を具体的に説明するものである。
【０００９】
【図４】図４は、種々の例に従う材料除去速度（ＭＲＲ）について、アルミナスラリーへのホスフェートベース添加剤の影響を具体的に説明するものである。
【図５】図５は、材料除去速度について、特定のホスフェート添加剤の濃度の影響を具体的に説明するものである。  種々の図面中の同一の参照記号の使用は、同様又は同一のものを示している。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の一態様に従って、セラミック基板を機械加工する方法が提供されている。該セラミック基板は、要素としてのアルミニウムを含み、酸化アルミニウム及び非酸化物セラミック材料が含まれる。該方法に従って、該基板及び工作機械の間にスラリーを供給し、そして該工作機械に対して該基板を動かし、機械加工操作を実施する。この実施形態の特定の特徴に従って、該スラリーは、アルミナ研磨剤及びリン化合物を含む添加剤を含む。
【００１１】
一般的に、該スラリーは、化学機械研磨（ＣＭＰ）スラリーの範疇に分類される。該アルミナ研磨剤は、効果的な機械的成分を提供し、そして該リン化合物は、化学的に活性な成分であり、研磨等の機械加工操作に助力することとなる。
【００１２】
該アルミナ研磨剤に注目すると、粒子サイズ中央値は、約０．０５μｍ〜１．５μｍの範囲内にあることができる。典型的には、該粒子サイズ中央値は、若干狭い範囲内（約０．１〜約１．０μｍ、約０．１０〜約０．５０μｍ等）にある。１．０μｍ未満の粒子サイズ中央値の規格は、一般的に、研磨プロセスの規格を表しており、相当ゆっくりとした材料除去速度で機械加工操作を実施することで、上質な表面仕上げを提供する。約１μｍ超の粒子サイズ中央値（２〜５μｍのオーダー等）では、概して、該機械加工操作は、ラッピング操作として特徴付けられている。
【００１３】
上述のように、該セラミック基板は、一般的に、該要素としてのアルミニウムを含む。該基板の特定組成は、酸化アルミニウム（アルミナ）又は酸化アルミニウム含有組成物のように変わってもよい。上記組成物は、一般的に、他の成分を１種以上含み、そして上記成分例には、アルミン酸イットリア、アルミノシリケート、アルミナ−チタンカーバイド（ＡｌＴｉＣ）、酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）、及びアルミニウム含有のガーネット類及びスピネル類が含まれる。該基板は、多結晶又は単結晶であってもよい。アルミナの場合では、単結晶材料は、サファイアとして知られている。この点では、該サファイアを、該材料の共通の結晶表面（ｃ面、ａ面、又はｒ面等）のひとつに沿って、機械加工する（研磨等）ことができる。酸化アルミニウムベース材料に加えて、該セラミック基板は、非酸化アルミニウム材料（窒化アルミニウム等）の形状をなすことができる。
【００１４】
本発明の実施形態に従って、該リン化合物は酸素を含み、該酸素が、リン元素に結合されている。この種の材料は、オキソリン材料として知られている。好ましくは、該オキソリン化合物は、１価，３価又は５価の状態のリンを含み、具体的な実施形態では、リンが５価の状態にある酸化リン化合物を用いることによって、効果的な機械加工を実施している。
【００１５】
ある実施形態では、該リンは、酸素に加えて炭素に結合されていてもよく、一般的にホスホネート類として知られる有機リン化合物類を形成することとなる。リン化合物類の他の群には、ホスフェート類、ピロホスフェート類、ヒポホスフェート類、サブホスフェート（ｓｕｂｐｈｏｓｐｈａｔｅ）類、ホスファイト類、ピロホスファイト類、ヒポホスファイト類及びホスホニウム化合物類が含まれる。当該リン化合物の特定の種には、リン酸カリウム、ヘキサメタリン酸ナトリウム、ヒドロキシホスホノ酢酸（Ｂｅｌｃｏｒ５７５）及びアミノトリ（メチレンホスホン酸）（Ｍａｙｏｑｕｅｓｔ１３２０）が含まれる。
【００１６】
典型的には、該研磨剤成分と該リン化合物を含む該添加物とを含む該スラリーは、水を含む、すなわち水性である。該スラリーは、約８超のｐＨ、例えば、約８．５超のｐＨを有することができる。該ｐＨは、最大約１１の値の範囲にわたることができる。しかし、好適な範囲は、約９〜約９．５等の若干狭い範囲内にあることができる。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態に従う研磨装置の基本的構造体の概略図を具体的に説明するものである。装置１は、工作機械を含み、この場合には、該工作機械は、研磨パッド１０と定盤とによって形成されており、該定盤が、該研磨パッドを支持している。該定盤及び研磨パッドは、本質的に同一直径である。該定盤は、矢印で具体的に表現されるような回転方向に沿って、中心軸の周囲を回転できる。テンプレート１２は、それぞれが、基板１４を受け、複数の円形凹みを有しており、該基板１４は、該研磨パッド１０と該テンプレート１２との間にはさまれている。該基板１４を携える該テンプレート１２は、その中心軸の周囲を回転する。ｒpは、該研磨パッドの回転中心から該テンプレート１２の中心までの半径を表し、一方ｒtは、個々の基板から該テンプレートの回転中心までの半径を表している。装置１の配置は、研磨操作において一般的に用いられる配置であるが、別の配置を利用することができる。特定の場合では、該研磨パッドに対する基板の正味の速度又はスピードは、下記式に従って計算される。すなわち、回転している定盤及びテンプレートの速度に対する一般式は、
（２・π・ｒ（インチ）×ｒｐｍ）／６０×３９．９７＝Ｖ（メートル／秒）、ここで、
（（２・π・ｒp・ｒｐｍ）／６０×３９．３７）＋（（２・π・ｒt・ｒｐｍ）／６０×３９．３７）＝Ｖ
で与えられる。
【００１８】
それぞれの該定盤／研磨パッドアセンブリと、該テンプレート１２との回転速度を決定するために計算を行った。該定盤アセンブリに対する該基板１４の線速度（正味）を近似するため、該テンプレート１４の半分の速度を、該定盤アセンブリの速度に加えた。得られた正味の速度は、実際には、研磨サイクルの間、該定盤に対して得られた該基板の平均速度を表している。この点では、該基板の実際の速度は、該基板の回転位置に従って変わることに留意すべきである。例えば、該定盤の回転スピードが、該テンプレートの回転スピードと同一であると仮定すると、９時の位置では、該基板の瞬間速度は、０となることであろう。一方、３時の位置では、該基板は、最高速度に達することになるであろう。本発明の実施形態に従って、該定盤アセンブリに対する該基板の速度（正味）は、約２．０ｍ／ｓ以上である。他の実施形態では、例えば、約２．３ｍ／ｓ以上、約２．５ｍ／ｓ以上、及び約３．０ｍ／ｓ以上の高速で作動させる。該基板の実際の相対速度は、該スラリー中のリン含有化合物の添加剤の添加効果を最大化するように選択される。この点では、ある最小速度において、リン添加剤を含む該スラリーから基板に作用する化学的かつ機械的研磨メカニズムが、そのような添加剤を含まないスラリーよりも、優れた結果を実証することが見出された。
【００１９】
該スラリーに注目すると、リン添加剤は、該スラリー中に約０．０５〜約５質量％、約０．１０〜約３．０％の濃度で存在することができる。特定の実施形態では、０．１０％〜約１．０質量％のオーダー等の若干狭い範囲内の濃度を利用する。この点では、前述の百分率は、該スラリーの総質量％に対するリンベース化合物に関するものである。この点では、そのような化合物は、希釈形態（１０％溶液等）中で提供されることが典型的である。前述の質量％範囲は、典型的には、希釈形態における一又は複数の該リン化合物に関するものであり、該添加剤の総質量％に関するものではない。さらに、該スラリー中の固形物の添加量は、特定の適用及び下記の機械加工操作によって変わりうるものである。例えば、該固形物を、約２〜約３０質量％、約２〜約２０質量％等の範囲内で、添加できる。ある実施態様では、約２〜約１０質量％等の狭い範囲内で固形物を添加する。
【００２０】
本発明の実施形態に従って、リンベース添加剤を含まないスラリーよりも、材料除去速度（ＭＲＲ）が大きく改善されることが見出された。実施形態のひとつに従うと、ＭＲＲadd／ＭＲＲcon比は、約１．２以上である。この点では、ＭＲＲaddは、研磨剤と該リン化合物を含む該添加剤とを含むスラリーを用いて該基板を研磨する材料除去速度であり、一方、ＭＲＲconは、対照スラリー（該対照スラリーは、本質的に上述のスラリーと同一であるが、該リン化合物含有添加剤を含まない）を用いた同一のプロセス条件下での材料除去速度である。特定の実施形態では、約１．５以上、又はさらに約１．８以上の、さらに優れた材料除去速度比を明らかにした。いくつかの例では、約２より大きいＭＲＲ比が説明され、アルミナ研磨剤のみを含み、リン化合物添加剤を含まないスラリーに対して、２倍の除去速度を示している。
【００２１】
本発明の他の実施形態に従って、アルミニウム含有基板を機械加工する方法が提供され、研磨剤及び添加剤を含むスラリーを、基板と装置用具との間に供給し、そして該工作機械内の該基板のうち少なくともひとつを、該基板が該工作機械に対して約２．０ｍ／ｓ以上の速度で動くように動かす。上述のように、該添加剤は、リン化合物を含む。該基板が静止し、該工作機械が動くか、又は該工作機械が固定されたままで該基板が動くか、又は該工作機械及び該基板の両方が動くことができる。典型的には、運動は、図１に関連して上述したように、回転運動である。
【実施例】
【００２２】
［例１］
特定の例を開始するにあたり、本発明の実施形態に従う複数のスラリーと、対照スラリーとを調製し、図１に具体的に説明されている該研磨装置を利用して試験を行った。Ｒｏｄｅｌ製Ｓｕｂａ  Ｈ２研磨パッドを備え、具体的に説明されるような片面研磨装置上で該試験を実施した。研磨圧は、９ｐｓｉであった。
【００２３】
第１に、水溶液中に供給された３質量％のホスフェート添加剤溶液を有するスラリーを用意し、６質量％のアルミナ粒子を添加した。この点では、該３質量％の添加剤溶液は、１０％のホスフェートを含む溶液であり、その結果、０．３質量％の該ホスフェート添加剤を該スラリー中に添加することとなる。特定の該ホスフェート添加剤は、ヒドロキシルホスホン酸であり、Ｂｅｌｃｏｒ(商標)５７５として、購入することができる。この材料は、ＨＰＡとも称されている。用いられる特定のアルミナ微粒子は、９２４０．２ｍｉｃの名称で、Ｓａｉｎｔ  Ｇｏｂａｉｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｅｎから購入できる粉末である。該研磨剤成分を形成する該粉末は、約０．２μｍの粒子サイズ中央値を有し、６質量％の固体添加量で該スラリーに添加した。該スラリーは、約１０．２のｐＨである。
【００２４】
第２のスラリーを、該第１のスラリーと同様に調製したが、ホスフェート添加剤を添加しなかった。該スラリーを用いて、ｃ面に沿って、アルミナ基板（すなわちサファイア基板）を研磨した。何点かの試料を様々な速度（図１に関連して、上述のように計算）で研磨した。１．１８，２．３０，３．３９，及び４．４４ｍ／ｓの速度でデータを取得した。当該結果を下記の表１及び図２に示す。
【００２５】
【表１】
0005486473.tif 000002
【００２６】
図２及び表１は、該定盤アセンブリに対する該基板の研磨速度（正味）と、該材料除去速度（ＭＲＲ）のデータとをまとめたものである。該データによって実証されるように、この特定実施形態では、３．４超の正味の基板速度において、ホスフェートベース添加剤を含む該試料が、明らかに材料除去特性に優れることを実証することが示されている。
【００２７】
［例２］
ＫＯＨを添加することによってｐＨを変化させることを除いて、例１と本質的に同じ様式で、スラリーを調製した。この点では、該アルミナ微粒子研磨剤の添加によって、もともとのｐＨが１０．２であり、該ＫＯＨは、試験用のｐＨを変更する（下げる）ために利用する点に留意すべきである。該結果を表２及び図３に示す。
【００２８】
【表２】
0005486473.tif 000003
【００２９】
ｐＨが増すにつれて、優れた結果が、実証されたことは明らかである。本発明の実施形態に従うアルミナ／ホスフェートスラリーに関して、該ｐＨは、約８超、約８．５超であることが好ましい。
【００３０】
［例３］
次に、スラリーを例１と同じ様式で調製し、ａ面サファイア、ｒ面サファイア及びｃ面サファイア、並びに窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、並びに酸窒化アルミニウム（ＡＩＯＮ）を含む種々の基板を研磨するために用いた。該結果を、下記の表３及び図４に示す。該リン添加剤の利用は、試験された全てのアルミニウム含有セラミック材料に対して研磨操作を改良するのに効果的であったことは明らかである。
【００３１】
【表３】
0005486473.tif 000004
【００３２】
［例４］
次に、スラリーを、例１と同じ様式で調製し、そしてＨＰＡ濃度を変化させ、リンベース添加剤の種々の濃度の影響を調べた。ｃ面サファイア上で種々のスラリーの材料除去評価を行った。該結果を、下記の図５及び表４に示す。上述の通り、ＭＲＲは、材料除去速度（μｍ／時間）を表す。ＷＲＲは、除去質量（ｇ／時間）を表している。ＭＲＲは、０．０３質量％の添加剤溶液（０．００３質量％のＨＰＡ添加剤）から３．０質量％の添加剤溶液（０．３質量％のＨＰＡ添加剤）にかけて増加し、高濃度のＨＰＡにおいて若干減少したことが明らかである。
【００３３】
【表４】
0005486473.tif 000005
【００３４】
［例５］
種々のリン化合物を含む多数のスラリーを調製し、ｃ面サファイア上で試験した。該ＨＰＡ添加剤を、上述のように、３０００ｐｐｍ（０．３質量％のＨＰＡ、１０％溶液を３．０質量％）の添加濃度で供給した。該結果を、下記の表５に示し、ＭＲＲ（μｍ／時間）にまとめた。
【００３５】
【表５】
0005486473.tif 000006
【００３６】
Ｂｅｌｃｏｒ（商標）５７５は、ヒドロキシホスホノ酢酸である。Ｄｅｑｕｅｓｔ２０１０は、ヒドロキシエチリジンジホスホン酸である。Ｍａｙｏｑｕｅｓｔ１３２０は、アミノトリメチレンホスホン酸である。Ｍａｙｏｑｕｅｓｔ１６３５は、ヘキサカリウムヘキサメチレンジアミンテトラ（メチレンホスホン酸）である。Ｍａｙｏｑｕｅｓｔ２１００は、２−ホスホノブタン−１，２，４−トリカルボン酸である。ＳＨＭＰは、ヘキサメタリン酸ナトリウムである。Ｒｈｏｄａｆａｃ  ＢＰ−７６９は、エトキシル化フェノールのホスフェートアシッドエステルである。Ｂｅｌｃｏｒ(商標)５７５（ヒドロキシホスホノ酢酸）スラリーと、Ｍａｙｏｑｕｅｓｔ１３２０（アミノトリメチレンホスホン酸）スラリーとは、優れた結果を示し、多くのスラリーが、アルミナ単独よりも優れた除去特性を実証した。
【００３７】
アルミナベース研磨スラリーに基づく実施形態を含む種々の実施形態上の上述のものに焦点が合わされているが、他の研磨剤材料（シリカ、ジルコニア、炭化ケイ素、炭化ホウ素、ダイヤモンド等）を用い、優れた結果を得ることができる。さらに、リンベース化合物を含むジルコニアベーススラリーが、特に良好な研磨特性（すなわち、アルミナ基板上でシリカ単体よりも、３０〜５０％の改良された材料除去速度）を実証した。
【図１】
0005486473.tif 000007
【図２】
0005486473.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
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