(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
α化率が６０〜１００％のアルミナ砥粒を含有し、リン化合物を含有しない、ｐＨが１２．５〜１３．５の範囲にあることを特徴とするサファイア研磨用スラリー。
【請求項２】
前記アルミナ砥粒の含有量が０．０１〜５０重量％であることを特徴とする請求項１に記載のサファイア研磨用スラリー。
【請求項３】
前記アルミナ砥粒の平均粒径が０．０５〜１０μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載のサファイア研磨用スラリー。
【請求項４】
研磨速度が、研磨圧３００〜５００ｇ／ｃｍ2、定盤回転数６０〜１００ｒｐｍで研磨した際に、３．３〜９μｍ／ｈｒとなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のサファイア研磨用スラリー。
【請求項５】
電子部品材料または光学部品材料であるサファイアの研磨方法であって、前記サファイアを、請求項１〜４のいずれか１項に記載のサファイア研磨用スラリーを用い、１工程で化学的機械研磨することを特徴とするサファイアの研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は主に電子部品材料、光学部品、時計、電気絶縁性材料、窓材等に使用されるサファイア表面の研磨工程において使用されるサファイア研磨用スラリー、及びサファイアの研磨方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代照明と期待されるＬＥＤの普及に伴い、その基板材料として使用されるサファイアの需要は益々増大している。現在のＬＥＤのほとんどはサファイア基板上に成長させたＧａＮ膜をベースとして製造されており、サファイアをＬＥＤの基板として使用するためには、その表面の研磨加工が必要不可欠な工程である。ところがサファイアは化学的に非常に安定であり、またモース硬度９で極めて硬い素材であることから研磨加工が難しく、加工時間が長くかかり、また、その供給量を増やすには新たな研磨加工設備を導入しなければならないところからコスト高となっている。  さらに、現在サファイアの研磨加工においても使用されているダイヤモンド砥粒が高価であることも、研磨のコストを高めている一因である。ＬＥＤ用のサファイア基板についてもその生産コストを下げることは急務であり、サファイア基板の供給量を増やし、なおかつ製造コストを下げるためには研磨工数の削減、研磨時間の短縮といった改善が望まれている。
ところで、サファイアの研磨は研磨前の状態（例えばＳｉＣでのラップ加工等の一次研磨工程を終えた後の状態）から、更に少なくとも２工程以上の研磨工程が必要である。すなわち、一次研磨を終えたサファイアは仕上げ前の研磨加工として、例えば、ダイヤモンド砥粒と銅や錫等のハード定盤を用いて研磨し、これをコロイダルシリカを含む研磨用スラリーを用いて、さらに化学的作用と機械的作用により表面を平坦化する、化学的機械研磨加工（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：ＣＭＰ）によって最終仕上げ加工するのが一般的である。
サファイアの最終仕上げ研磨加工である前記のコロイダルシリカを含む研磨用スラリーを用いた研磨方法については、例えば、特開２００９−２８８１４号公報に開示のスラリーのｐＨ及びζ電位が調整された、酸化珪素を含むＣＭＰ用研磨液を用いてサファイア基板を研磨する方法等、従来いくつか提案されている。
しかしながら、特開２００９−２８８１４号公報に
記載の方法をはじめとするコロイダルシリカや酸化珪素を用いた従来の研磨方法では研磨速度が未だ不十分であって、仕上げ工程前の研磨工程を省略し、加工時間の短縮や工程数の削減を可能とするまでの十分な研磨速度は得られない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は上記のような状況に鑑みてなされたもので、サファイアの研磨に際し、研磨工数及び研磨時間を短縮しても従来のものと同等以上の研磨速度と平滑面を得ることができるサファイア研磨用の研磨スラリー、及びサファイアの研磨方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明者等は、サファイア基板をＣＭＰによって研磨する際の研磨用スラリーの組成と、該スラリーを用いて研磨した場合の研磨速度、並びに研磨面の特性との関係について鋭意検討した結果、研磨用スラリー中に含有させる砥粒としてコロイダルシリカに代えてアルミナを使用し、該スラリーを特定のｐＨの強アルカリ領域にコントロールし、該スラリーを用いてＣＭＰによる研磨を行った場合、特に研磨速度が著しく向上し、研磨工程の工数が削減できることを見出し、本発明に到った。
（１）本発明のサファイア研磨用スラリーはアルミナ砥粒を含有し、ｐＨ１０．０〜１４．０の範囲にあり、より好ましくは１１．５〜１３．５の範囲にあることを特徴とする。
（２）また、本発明の前記（１）のサファイア研磨用スラリーは、アルミナ砥粒の含有量が０．０１〜５０重量％であり、より好ましくは１〜１５重量％であることを特徴とする。
（３）また、本発明の前記（１）又は（２）のサファイア研磨用スラリーは、アルミナ砥粒の平均粒径が０．０５〜１０μｍであることを特徴とする。
（４）さらにまた、本発明の前記（１）〜（３）のいずれかのサファイア研磨用スラリーは、前記砥粒のアルミナ結晶相のα化率が１〜１００％であることを特徴とする。
（５）本発明のサファイアの研磨方法は、前記（１）〜（４）のいずれかに記載のサファイア研磨用スラリーにより化学的機械研磨することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
アルミナ砥粒をベースとし、そのｐＨを１０．０〜１４．０の強アルカリ域に調整してなる本発明の研磨用スラリー、及びこれを用いたサファイア研磨方法によれば、コロイダルシリカをベースする研磨用スラリーによる従来の仕上げ研磨方法に比べて、より優れた研磨速度でもって従来の方法による研磨の場合と同等の仕上げ研磨面を得ることができるため、仕上げ研磨時間を短縮することが出来る。
また、所望とする表面粗さのサファイアを得るに際し、コロイダルシリカ等を用いる仕上げ工程の前工程を省くことが可能であり、少なくとも２工程以上で行っていた従来のサファイアの研磨工程を１工程で仕上げることができるところから、研磨時間が大幅に短縮され、研磨のためのコストの大幅な削減が達成される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
図１は、アルミナを砥粒として用いた研磨スラリー、及びコロイダルシリカを砥粒として用いた研磨スラリーについて、各スラリーのｐＨと、該スラリーを用いてサファイアを研磨した時の研磨速度との相関を示すグラフである。
図２は、アルミナを砥粒として用いた研磨スラリー中のアルミナ結晶相のα化率と、該スラリーを用いてサファイアを研磨した時の研磨速度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明のサファイア研磨用スラリー（以下、単に本発明の研磨用スラリーともいう）は、アルミナ砥粒を含有し、ｐＨが１０．０〜１４．０の範囲にあることを特徴とするもので、水性溶媒中に砥粒としてアルミナ粒子（アルミナ砥粒）を懸濁させてスラリー化し、そのｐＨを１０．０〜１４．０に調整することによって得ることができる。
アルミナ砥粒を含有するスラリーのｐＨは、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）等のｐＨ調整剤を添加することによって調整される。本発明において用いられるｐＨ調整剤としては、ＫＯＨ、又はＮａＯＨ以外にも、アルミナ砥粒含有スラリー中に添加することによって該スラリーのｐＨを１０．０〜１４．０の強アルカリ域に調整することが可能なアルカリ性の化合物であればＫＯＨ、やＮａＯＨ以外のものであってもよいことは言うまでもない。また、本発明の研磨用スラリー中にはアルミナ砥粒の分散性を良くするためにアニオン界面活性剤等の分散剤を添加しておいてもよい。
図１はアルミナ砥粒を含有する研磨用スラリーを、下記の本発明のサファイアの研磨方法（以下、単に本発明の研磨方法ともいう）で研磨した時の、研磨用スラリーのｐＨと研磨速度（単位時間当たりに研磨、除去された厚み：μｍ／ｈｒ）との関係を調べた結果を示したものである。図１の縦軸は研磨速度（μｍ／ｈｒ）を表わし、横軸は用いた研磨用スラリーのｐＨを表わす。図１において曲線ａは平均粒子径が０．２５μｍのα−アルミナ（アルミナ相のα化率１００％）を２重量％含有する研磨用スラリーを用いた場合について示し、曲線ｂは２０重量％の二酸化珪素を含有するコロイダルシリカを含む研磨用スラリーを用いた場合について示したものである。なお、研磨はいずれもＣＭＰによる研磨装置を用いて、下記実施例１と同様の条件で研磨した。
図１の曲線ａとｂとの比較からわかるように、アルミナ砥粒を用いた場合（曲線ａ）、研磨用スラリーのｐＨが１０を超えると研磨速度は上昇し、１１より大になると研磨速度の上昇が著しくなって、ｐＨがおよそ１２．５を超える強アルカリ領域では研磨速度は飽和する。
これに対して、コロイダルシリカを砥粒とする従来の研磨用スラリーで研磨した場合（曲線ｂ）、アルミナ砥粒を含有する研磨用スラリーを用いて研磨した場合に比べておよそ１／３〜１／５程度の研磨速度しか得られない。さらに、研磨スラリーのｐＨが１０であっても１２．５に変化させても研磨速度に差はなく、アルカリ領域でスラリーのｐＨを高めても研磨速度の向上は認められない。
すなわちサファイア研磨を行うに際し、アルミナ砥粒をベースとする研磨用スラリーを使用することによって、コロイダルシリカを使用した従来のスラリーを用いた場合よりも研磨速度はおよそ５倍速く、仕上げ研磨の時間を１／５に短縮することが可能となる。なお、ｐＨが１３．５より大であっても研磨速度の低下はほとんどないが、ｐＨを調整するためにアルカリ成分を大量に添加する必要があり、コスト高の要因になるとともにアルミナ砥粒が凝集し研磨傷発生の原因になるので好ましくない。
従って、本願発明の研磨用スラリーのｐＨは、１０．０〜１４．０の領域に調整しておくことが好ましく、１１．５〜１３．５とするのがより好ましい。
アルミナ砥粒を含有し、ｐＨが１０．０〜１４．０の範囲に調整された本発明の研磨用スラリーでは、該スラリーに対してアルミナ砥粒をわずか０．０１重量％程度含有させることよって、コロイダルシリカからなる従来の研磨用スラリーで研磨するよりも研磨速度が速くなり、アルミナ砥粒の含有量の増加とともに研磨速度はさらに向上するが、５０重量％以上含有させてもその効果はほとんど変わらない。
したがって、本発明の研磨用スラリーに含有させるアルミナ砥粒の量は研磨速度の点で０．０１重量％以上とし、研磨コストの観点から５０重量％以下とするのが好ましく、特に１〜１５重量％とするのがより好ましい。
また、本発明の研磨用スラリーに含有させるアルミナ砥粒としては、粒子径が０．０５μｍ未満のものだと十分な研磨速度が得られず、１０μｍ以上のものであれば研磨傷の原因となって、仕上げ研磨としては満足な研磨表面が得られない。そのため、本発明の研磨用スラリーに使用されるアルミナ砥粒は、平均粒子径が０．０５〜１０μｍの範囲にあるものが好ましい。
使用されるアルミナ砥粒は、研磨速度をより向上させ得る点から、アルミナの中でも特にアルミナ結晶相のα化率が１％以上であるものが好ましい。スラリーのｐＨを１１以上に調整しても、砥粒としてγ−アルミナ、β−アルミナ等、結晶相がα相以外のアルミナを使用した場合や、アルミナ結晶相のα化率が１％未満であるアルミナを使用した場合にはコロイダルシリカと同等程度の研磨速度しか得られない。
本発明においてアルミナ結晶相のα化率とは、アルミナ砥粒の結晶相の中のα相が占める割合であり、用いたアルミナ砥粒の結晶相のα化率は、粉末Ｘ線回折装置を用いてアルミナ砥粒の回折スペクトルを測定し、以下のようにして下記式（１）から算出した。
Ｓ  ：サンプルの回折スペクトルの２θ＝５５．８°〜５８．９°間におけるピーク積算カウント数、
ＴＳ  ：Ｓの測定に要した時間、
ＢＮ１：２θ＝５５．８°におけるカウント数、
ＢＮ２：２θ＝５８．９°におけるカウント数、及び
ＴＢＮ：ＢＮ１、ＢＮ２の測定に要した時間として、
バックグラウンドノイズ（ＢＮ）＝（ＢＮ１＋ＢＮ２）／２×（ＴＳ／ＴＢＮ）からピークエリア（ＳＰ）＝Ｓ−ＢＮを算出し、これと同様の測定をα化率１００％のサンプルについて測定し、得られたピークエリアをＳ１００とすると、
α化率（％）＝（ＳＰ／Ｓ１００）×１００………（１）
図２は研磨用スラリーに使用した各アルミナ砥粒のα化率と、そのスラリーを用いてサファイアを研磨したときの研磨速度との関係を示したグラフである。用いた各研磨用スラリーにはα化率の異なるアルミナ砥粒をそれぞれ２重量％含有させ、ＫＯＨによってｐＨを１２．５に調整して、図１に示した例の場合と同様にしてサファイアの研磨を行い、その時の研磨速度を測定した。図２における横軸は用いた各研磨用スラリー中のアルミナ砥粒のα化率（％）であり、縦軸は研磨速度である。
図２からわかるように、α化率が１％のアルミナ砥粒を用いた場合、コロイダルシリカを含むスラリーを用いた以外は同様にして研磨した時（図２における左端の棒グラフで示した、コンポール８０の場合）とほぼ同程度の研磨速度であったが、アルミナ砥粒の中のアルミナ結晶相のα化率が増加するとともに研磨速度は向上し、α−アルミナのみからなる場合（図２における右端の棒グラフで示した、α化率が１００％である場合）、研磨速度は最大となった。
これらの結果から、本発明の研磨用スラリーに使用されるアルミナ砥粒としては、従来のコロイダルシリカを用いた研磨用スラリーに比べて研磨速度をより向上させ得る点で、アルミナ結晶相のα化率が１〜１００重量％である（すなわち、少なくともα化率が１重量％であるアルミナ結晶相を含有する）アルミナ砥粒であるのが好ましく、特にα−アルミナのみからなるアルミナ砥粒を用いるのがより好ましい。
なお、予めα−アルミナと、α相以外の結晶相のアルミナとを所定量混合してなるアルミナ砥粒を用いても、前記の算出方法で算出した該砥粒のα化率が１％以上であると、研磨用スラリー中のアルミナ砥粒のα化率と研磨速度との間には図２と類似の相関があることが確認されたところから、本発明において砥粒として使用するアルミナは、それぞれ結晶相の異なるアルミナを予め所定量混合したものを使用することもできる。
本発明のサファイア研磨方法は前記の本発明の研磨用スラリーによってサファイアの表面を化学的機械研磨（ＣＭＰ）することを特徴とするものであり、研磨用スラリーとして前記本発明の研磨用スラリーを用いる以外は従来のサファイア研磨方法と同様である。
すなわち、例えば片面研磨装置に設けられたテンプレートで被研磨物であるサファイアを保持し、該装置に設けられた定盤の上に貼った研磨布、又は研磨パッドに本発明の研磨用スラリーを滴下しながら一緒に相対運動させることで被研磨物であるサファイアの表面の研磨を行う。
研磨装置は両面研磨装置を用いても良く、その場合には該装置に設けられたキャリアで被研磨物であるサファイアを保持し、該装置に設けられた上定盤、及び下定盤に貼った研磨布、又は研磨パッドの間に本発明の研磨スラリーを挿入しながら一緒に相対運動させることで被研磨物であるサファイアの表面の研磨を行う。
【実施例】
【０００８】
次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明の技術的範囲がこれらに限定されるものではない。
実施例１
予め分散処理をした平均粒子径０．２５μｍのα−アルミナ砥粒２重量部を９８重量部の水中に分散させ、液を撹拌しながらこれに水酸化カリウムを添加して分散液のｐＨを１２．５５に調整して、α化率１００％のアルミナ砥粒の含有量が２重量％である実施例１の研磨用スラリーを調製した。
次に、１５インチφの研磨定盤に研磨パッドＳＵＢＡ６００（ニッタ・ハース社製）を貼った片面研磨装置を用いて、テンプレートに被研磨物であるサファイアを装填し、研磨定盤との間に、１０ｍｌ／ｍｉｎの割合で実施例１の研磨用スラリーを供給しながら研磨定盤の回転数６０ｒｐｍ、３００ｇ／ｃｍ２の研磨圧力で６０分間研磨した。
その際、精密天秤（モデルＡＧ２０４  メトラートレド社製）を用いて研磨前と研磨後の重量差を測定しその重量差から研磨された厚みを算出することによって、この研磨された厚みから研磨速度を求めたところ、研磨速度は３．４μｍ／ｈｒであった。
実施例２
α−アルミナ砥粒を分散させたスラリーに水酸化カリウムに代えて水酸化ナトリウムを添加してスラリーのｐＨを１３．２１に調整した以外は実施例１の研磨用スラリーと同様にして実施例２の研磨用スラリーを調製した。
次に、研磨用スラリーとして実施例１の研磨用スラリーに代えて実施例２の研磨用スラリーを用いた以外は実施例１と同様の条件でサファイアの研磨を行い、実施例１と同様にして研磨速度を測定したところ、その時の研磨速度は２．８μｍ／ｈｒであった。
また、ＡＦＭ（キーエンス社製、モデルＶＮ−８０００）を用いて、研磨を終えたサファイアの研磨表面の中心線平均表面粗さ（Ｒａ）を測定したところ、Ｒａは０．４９６ｎｍであった。
比較例１
アルミナ砥粒に代えて粒子径が６２〜８２ｎｍのコロイダルシリカスラリー（コンポール８０、フジミインコーポレーテッド社製）を純水で１：１に希釈調合し、比較例１の研磨用スラリーを調製した。調製されたスラリーのｐＨは１０．２であった。
次に、実施例１の研磨用スラリーに代えて、比較例１の研磨用スラリーを用いた以外は実施例１と同様の条件で研磨速度を求めたところ、その時の研磨速度は０．６μｍ／ｈｒであった。
比較例２
比較例１の研磨用スラリーに水酸化ナトリウムを用いてｐＨを１２．５５に調整し比較例２の研磨用スラリーを調製した。
次に実施例１の研磨用スラリーに代えて、比較例２の研磨用スラリーを用いた以外は実施例１と同様の条件で研磨速度を求めたところ、その時の研磨速度は０．６μｍ／ｈｒであった。
また実施例２と同様にして、このとき研磨されたサファイアの研磨表面の中心線平均表面粗さ（Ｒａ）を測定したところ、Ｒａは０．５０３ｎｍであって、その表面粗さは実施例２の方法、及び条件で研磨されたものとほぼ同レベルであった。
実施例１、２と比較例１、２との比較からわかるように、サファイア研磨に際し、アルミナを砥粒として含む研磨用スラリーを用いた場合（実施例１、２）、研磨面の中心線平均表面粗さ（Ｒａ）にはほとんど差がなかったのに対して、研磨速度はコロイダルシリカを砥粒とする研磨用スラリーを用いた場合（比較例１、２）に比べて大であり、特にｐＨが１２以上の強アルカリ域に調整された研磨用スラリーを用いた場合（実施例１、２と比較例２との比較）では、アルミナ砥粒を用いた場合とコロイダルシリカを用いた場合との研磨速度の差が著しかった。
実施例３
♯２２０のＳｉＣを使用してラップ加工処理しただけのサファイアを、実施例１の研磨用スラリーを用いて実施例１と同じ研磨条件で仕上げ研磨面に到達するまで研磨した。
その間、１５分間隔で研磨により除去されたサファイアの除去量を測定した。その結果を表１に示す。なお、仕上げ研磨面に到達したかどうかの判断は光学式顕微鏡（モデルＢＸ６０Ｍ  オリンパス社製）による目視観察で行った。
【表１】
0005919189.tif 000002
表１に示すように、研磨工程前の状態（ＳｉＣ＃２２０によるラップ加工後）を終えたサファイアを、仕上げ研磨を開始してから仕上げ研磨終了までの総研磨除去量はおよそ２３μｍで、各研磨時間毎の研磨除去量は最初の１５分間を除いて略一定であった。また、研磨所要時間は２．５時間であり、その間の研磨速度は９．２５μｍ／ｈｒであった。
この結果により、研磨工程前の状態（ＳｉＣ＃２２０によるラップ加工後）と仕上げ研磨との間で従来行っていた、ダイヤモンド砥粒を使用した研磨工程を省略し、１工程で仕上げ研磨できることがわかった。
実施例４
実施例１の研磨用スラリー、及び実施例１で使用した研磨装置を用い、研磨圧力をそれぞれ３００ｇ／ｃｍ２、４００ｇ／ｃｍ２、５００ｇ／ｃｍ２とした場合、及び研磨定盤の回転数を６０ｒｐｍ、８０ｒｐｍ、１００ｒｐｍと変化させた時の研磨速度を求めた結果を表２に示す。
【表２】
0005919189.tif 000003
なお表２中、空欄の箇所は本実施例においては確認しなかった研磨条件である。
表２に示すように、研磨速度は定盤回転数、研磨圧力のいずれとの間にも相関関係が認められ、定盤回転数６０ｒｐｍ、研磨圧力３００ｇ／ｃｍ２において３．３μｍ／ｈｒであった研磨速度が、定盤回転数１００ｒｐｍ、研磨圧力５００ｇ／ｃｍ２で研磨すると９μｍ／ｈｒとなり、２．７倍の研磨速度が得られた。
この結果により、定盤回転数、及び研磨圧力を調整することにより、さらなる研磨速度の向上が可能であることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【０００９】
本発明の研磨スラリー、及びこれを用いたサファイアの研磨方法は、ＬＥＤ素子用基板をはじめとする電子部品材料、光学部品、時計、電気絶縁性材料、窓材等に使用されるサファイアの研磨工程に適用することにより、従来のサファイア研磨方法に比べて研磨工数が削減され、研磨時間の短縮が可能になるため、研磨工程の改善による大幅なコストダウンが可能となる。
【図１】
0005919189.tif 000004
【図２】
0005919189.tif 000005