(57)【要約】被研磨物の表面を短時間で精度よく研磨できる研磨スラリーを提供する。研磨粒子を分散液中に分散させた研磨スラリーであって、研磨粒子として、平均粒径０．１〜２０μｍの範囲にある第一の粒子１１、及び金属酸化物の膜１３を介して、第一の粒子１１の表面に複数固定した、平均粒径０．００１〜０．５μｍの範囲にあり、第一の粒子１１よりも小さい第二の粒子１２から構成される複合粒子１０、１０′が使用される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨粒子と、該研磨粒子を分散させる分散液とから成る研磨スラリーであって、
前記研磨粒子として、
平均粒径０．１〜２０μｍの範囲にある第一の粒子、及び
金属酸化物の膜を介して、前記第一の粒子の表面に複数固定した、平均粒径０．００１〜０．５μｍの範囲にあり、前記第一の粒子よりも小さい第二の粒子、から成る複合粒子が使用される、
ところの研磨スラリー。
【請求項２】
前記第一の粒子として、弾性粒子が使用される、請求項１の研磨スラリー。
【請求項３】
前記弾性粒子として、ポリウレタン系、ポリアミド系、ポリオレフィン系、ポリイミド系、ポリエステル系又はポリアクリル系の樹脂からなるポリマー粒子から選択される一種又は二種以上の粒子が使用される、請求項２の研磨スラリー。
【請求項４】
前記ポリマー粒子として、ウレタン、ナイロン、ポリオレフィン、ポリイミド、ポリエステル又はアクリルからなる粒子から選択される一種又は二種以上の球状の粒子が使用される、請求項３の研磨スラリー。
【請求項５】
前記第二の粒子として、硬質粒子が使用される、請求項１の研磨スラリー。
【請求項６】
前記硬質粒子として、シリカ、アルミナ、ダイヤモンド、酸化セリウム、セラミックス又はガラスからなる粒子から選択される一種又は二種以上の粒子が使用される、請求項５の研磨スラリー。
【請求項７】
前記第一の粒子として、シリコン粒子が使用され、前記第二の粒子として、シリカ粒子が使用される、請求項１の研磨スラリー。
【請求項８】
平均粒径０．００１〜０．５μｍの範囲にあり、前記第一の粒子よりも小さい第三の粒子からさらに成り、前記複合粒子と前記第三の粒子とが前記分散液中に分散される、請求項１の研磨スラリー。
【請求項９】
前記第三の粒子として、硬質粒子が使用され、前記硬質粒子として、シリカ、アルミナ、ダイヤモンド、酸化セリウム、セラミックス又はガラスからなる粒子から選択される一種又は二種以上の粒子が使用される、請求項８の研磨スラリー。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、金属製又は非金属製の被研磨物の表面を研磨するために用いられる研磨スラリーに関するものである。
背景技術
金属製又は非金属製の被研磨物の表面の研磨には、遊離砥粒による研磨が広く利用されている。遊離砥粒による研磨は、一般に、研磨テープを使用するテープ研磨と、研磨パッドを使用するパッド研磨に大別される。
テープ研磨は、被研磨物の表面に研磨スラリーを供給し、この上に研磨テープを押し付け、走行させることによって行われる。
また、パッド研磨は、表面に研磨パッドを貼り付けた定盤を回転させ、研磨パッドの表面に研磨スラリーを供給し、この上に被研磨物の表面を押し付けることによって行われる。
これら研磨に使用される研磨テープや研磨パッドは、織布、不織布又は発泡体からなる多孔質のシートをテープ状又はパッド状にカットしたものである。
研磨スラリーは、水、又はグリコール類、アルコール類などを含有した水ベースの水溶液からなる分散液中に研磨粒子を分散したものであり、研磨粒子として、シリカ、アルミナ、ダイヤモンド、酸化セリウム、セラミックス又はガラスなどの硬質粒子が使用される。
上記した二つの研磨技術の他、近年、研磨パッドを使用せずに、定盤の表面に研磨スラリーを直接供給し、この上に被研磨物を押し付け、定盤と被研磨物とを相対的に移動させて被研磨物の表面の研磨を行う画期的な研磨技術が開発された（表題“パッドレス研磨の試み”、２０００年度砥粒加工学会予稿集、第４８〜４８頁、平成１２年９月１２〜１４日学会発表、東京大学生産技術研究所、盧毅申、谷泰弘、柳原聖、共著を参照）。この研磨技術は、研磨スラリーに、ミクロンサイズの弾性粒子と、これよりも小さい硬質粒子とを混入し、研磨中、弾性粒子に仮付着した硬質粒子によって基板表面を研磨するものであり、研磨スラリー中の各弾性粒子が研磨パッドとして機能するので、研磨パッドを不要とした。このことから、この研磨技術は“パッドレス研磨”又は“パッドレスポリッシング”と呼ばれる。ここで、パッドレス研磨では、硬質粒子は、静電気力、ファンデルワールス力又は定盤と被研磨物との相対移動に起因する機械的な力によって、弾性粒子に付着したり、弾性粒子から離れたり、また弾性粒子から離れた硬質粒子が再び弾性粒子に付着したりする。このように硬質粒子が弾性粒子から離れ得る状態を“仮付着”という。
上記したいずれの研磨技術においても、磁気ハードディスク基板、半導体ウエハ、液晶ガラス基板などのように高い平滑性や平坦性が要求される被研磨物の研磨には、非常に小さい研磨粒子（平均粒径０．００１〜０．５μｍ）を使用した研磨スラリーが使用されている。
これは、研磨スラリーに使用される研磨粒子の大きさを小さくすると、被研磨物の表面に作用する単位面積当たりの粒子の数が多くなるので、被研磨物の表面を精度よく研磨できる、と考えられているからである。
しかし、研磨スラリーに使用される研磨粒子の大きさを小さくすると、個々の研磨粒子の研削量が低下し、研磨に時間がかかり、スループットが低下する、という問題がある。このため、研磨スラリーに使用される研磨粒子の粒径を“単に”小さくするたけでは、被研磨物の表面を短時間で精度よく研磨することができないのが現状である。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、したがって、本発明の目的は、被研磨物の表面を短時間で精度よく研磨することができる研磨スラリーを提供することである。
発明の概要
本発明は、研磨粒子を分散液に分散させた研磨スラリーである。
上記目的を達成するため、研磨粒子として、金属酸化物の膜を介して、第一の粒子の表面に、第一の粒子よりも小さい第二の粒子を複数固定した複合粒子が使用される。
第一の粒子の平均粒径は、０．１〜２０μｍの範囲にあり、第二の粒子の平均粒径は、０．００１〜０．５μｍの範囲にある。
第一の粒子として、弾性粒子が使用される。
第一の粒子として使用される弾性粒子として、ポリウレタン系、ポリアミド系、ポリオレフィン系、ポリイミド系、ポリエステル系又はポリアクリル系の樹脂からなるポリマー粒子から選択される一種又は二種以上の粒子が使用される。好適に、球状のシリコン粒子が使用される。
第二の粒子として、硬質粒子が使用され、この硬質粒子として、シリカ、アルミナ、ダイヤモンド、酸化セリウム、セラミックス又はガラスからなる粒子から選択される一種又は二種以上の粒子が使用される。好適に、シリカ粒子が使用される。
金属酸化物の膜は、好適に、テトラアルコキシシランを酸で加水分解した金属酸化物の溶液中で第一の粒子又は第二の粒子の表面に形成される。
本発明の研磨スラリーは、第三の粒子をさらに含有してもよく、複合粒子と第三の粒子とが分散液中に分散される。
第三の粒子として、上記の第二の粒子と同様に、硬質粒子が使用される。この硬質粒子として、シリカ、アルミナ、ダイヤモンド、酸化セリウム、セラミックス又はガラスからなる粒子から選択される一種又は二種以上の粒子が使用される。第三の粒子の平均粒径は、０．００１〜０．５μｍの範囲にある。第三の粒子の大きさと種類は、第二の粒子と同一であってもよいし、異なってもよい。第三の粒子として、好適に、球状のシリカ粒子が使用される。
発明の研磨スラリーを使用して被研磨物を研磨すると、第一の粒子の表面に固定した複数の小さい第二の粒子が被研磨物の表面に作用するので、被研磨物の表面が、高い研削力（すなわち、短時間）で精度よく研磨される。
ここで、本発明の研磨スラリーの複合粒子の第一の粒子として弾性粒子が使用されると、個々の弾性粒子が研磨パッドとして機能し、弾性粒子の表面に固定した複数の小さい第二の粒子が被研磨物の表面に弾力的に作用するので、被研磨物の表面が、高い研削力で精度よく研磨される。
本発明の研磨スラリーに第三の粒子をさらに使用すると、研磨中、第三の粒子が、複合粒子の表面に仮付着し、複合粒子の表面に仮付着した第三の粒子が、第二の粒子とともに被研磨物の表面に作用するので、被研磨物の表面が、高い研削力で精度よく研磨される。
本発明を実施するための最良の形態
＜研磨スラリー＞  本発明の研磨スラリーは、研磨粒子と、この研磨粒子を分散させる分散液とから構成される。
本発明の研磨スラリーに使用される研磨粒子として、図１（ａ）及び（ｂ）に示される複合粒子１０、１０′が使用される。
複合粒子１０、１０′は、図１（ａ）及び（ｂ）に示されるように、金属酸化物の膜１３を介して、第一の粒子１１の表面に、第一の粒子１１よりも小さい第二の粒子１２を複数固定したものである。
第二の粒子１２は、図１（ａ）に示されるように、第一の粒子１１の表面に形成した金属酸化物の膜１３を介して、第一の粒子１１の表面に複数固定されてもよいし、また、第二の粒子１２の表面に形成した金属酸化物の膜１３を介して、第一の粒子１１の表面に複数固定されてもよい。
第一の粒子１１として、平均粒径０．１〜２０μｍの範囲にある弾性粒子が使用される。
第一の粒子１１として使用される弾性粒子として、ポリウレタン系、ポリアミド系、ポリオレフィン系、ポリイミド系、ポリエステル系又はポリアクリル系の樹脂からなるポリマー粒子から選択される一種又は二種以上の粒子が使用される。この弾性粒子の形状は特に限定されるものではないが、極端な突起や凹みのないほぼ球状の粒子が使用される。好適に、アクリル−スチレン、ナイロン又はシリコンからなる球状ポリマー粒子が使用される。より好適に、球状のシリコン粒子が使用される。
第二の粒子１２として、平均粒径０．００１〜０．５μｍの範囲にある硬質粒子が使用され、この硬質粒子として、シリカ、アルミナ、ダイヤモンド、酸化セリウム、セラミックス又はガラスなどからなる粒子から選択される一種又は二種以上の粒子が使用される。好適に、シリカ粒子が使用される。第二の粒子の形状は特に限定されるものではないが、極端な突起のないほぼ球状の粒子が使用される。
このような複合粒子１０（又は１０′）は、金属酸化物の溶液（ゾル）中に第一の粒子１１（又は第二の粒子１２）を分散させ、これに、第二の粒子１２（又は第一の粒子１１）を分散した水溶液を加えて、個々の第一の粒子１１（又は第二の粒子１２）の表面に金属酸化物の膜（ゲル膜）１３を形成し、金属酸化物の膜（ゲル膜）１３を介して、第二の粒子１２を第一の粒子１１の表面に複数固定した後、ろ過、洗浄後、乾燥することによって製造される。金属酸化物の膜（ゲル膜）１３を介して第二の粒子１２を第一の粒子１１の表面に強固に固定するために、さらに焼成してもよい。
このようにゾル中に分散した粒子の表面にゲル膜を形成し、このゲル膜を介して、他の粒子を固定する方法を「ゾルゲル法」という。ここで、第一の粒子１１の表面に官能基（−ＣＯＯＨ又は−ＯＨ）を導入することによって、ゾルゲル法による第一の粒子１１の表面への第二の粒子１２の付着を向上できる。
複合粒子１０、１０′の製造に使用される金属酸化物の溶液として、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシランなどのテトラアルコキシシランを酸で加水分解したものが使用される。ここで、四塩化珪素を酸で加水分解したものや珪酸ナトリウム水溶液も使用し得る。しかし、四塩化珪素を酸で加水分解すると塩化水素ガスが発生し、また珪酸ナトリウム水溶液の場合、これが強アルカリであるため、ゾルが非常に不安定であり、ゲル化し易く、氷点下の環境で扱う必要がある。このことから、金属酸化物の溶液として、好適に、上記したテトラアルコキシシランを酸で加水分解したものが使用される。
好適に、第一の粒子１１として、シリコン粒子が使用され、第二の粒子１２として、シリカ粒子が使用される。この場合、メチルトリメトキシシランの水溶液にアルカリを添加し、加水分解することにより、シリコン粒子をアルカリ性の水溶液中に生成し（例えば、特開平６−２４８０８１を参照）、これと、金属酸化物の溶液（ゾル）中にシリカ粒子を分散させたものとを混合することによって、金属酸化物の膜を介して、シリコン粒子の表面にシリカ粒子を複数固定した複合粒子が製造される。
＜製造方法＞  研磨スラリーは、上記の複合粒子１０、１０′を分散液中に分散させることによって製造される。
分散液は、水、又はグリコール類、アルコール類などを含有する水ベースの水溶液である。ここで、分散液は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を行うため、被研磨物の表面と化学的に反応する添加剤を含有してもよい。このような添加剤は、被研磨物の表面を構成する材料に従って適宜に選定できる。例えば、被研磨物の表面を構成する材料がＳｉＯ２である場合、水酸化カリウム、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド、フッ酸、フッ化物などが使用される。被研磨物の表面がＷ（タングステン）である場合、硝酸鉄、ヨウ素酸カリウムなどが使用される。被研磨物の表面がＣｕである場合、グリシン、キナルジン酸、過酸化水素、ベンゾトリアゾールなどが使用される。
本発明の研磨スラリーは、上記の複合粒子１０、１０′に加え、第一の粒子１１よりも小さい第三の粒子をさらに含有してもよく、複合粒子１０、１０′と第三の粒子とが分散液中に分散される。
第三の粒子として、上記の第二の粒子１２と同様に、平均粒径０．００１〜０．５μｍの範囲にある硬質粒子が使用され、この硬質粒子として、シリカ、アルミナ、ダイヤモンド、酸化セリウム、セラミックス又はガラスなどからなる粒子から選択される一種又は二種以上の粒子が使用される。第三の粒子の形状は特に限定されるものではないが、極端な突起のないほぼ球状の粒子が使用される。好適に、球状のシリカ粒子が使用される。第三の粒子の大きさと種類は、それぞれ、第二の粒子１２と同一であってもよいし、異なってもよい。
＜研磨方法＞  本発明の研磨スラリーを使用して、磁気ハードディスク基板、半導体ウエハなどのような基板の表面を研磨する。
テープ研磨：  図２に示されるように、基板２０を取り付けたチャック２１を矢印Ｒの方向に回転させ、ノズル２２を通じて、本発明の研磨スラリーを基板２０の表面に供給し、この上に、コンタクトローラ２３を介して、研磨テープ２６を押し付けながら、矢印Ｔの方向に走行させることによって、基板２０の表面を研磨する。研磨テープ２６として、織布、不織布、発泡体からなる多孔質のテープが使用され得る。また、研磨テープ２６として、研磨粒子を樹脂バインダーで固定した研磨層を有するものを使用してもよい。
パッド研磨：  図３に示されるように、表面に研磨パッド２７を張り付けた定盤２４を回転させ、ノズル２２を通じて、本発明の研磨スラリーを定盤２４上の研磨パッド２７の表面に供給し、この上に、チャック２１に保持した基板２０を矢印ｒの方向に回転させながら押し付けることによって、基板２０の表面を研磨する。研磨パッド２７として、織布、不織布、発泡体からなる多孔質のパッドが使用され得る。また、研磨パッド２７として、研磨粒子を樹脂バインダーで固定した研磨層を有するものを使用してもよい。
パッドレス研磨：  パッドレス研磨では、研磨スラリーの複合粒子１０、１０′の第一の粒子１１として、弾性粒子１１′が使用される。図４（ａ）及び（ｂ）に示されるように、表面に複合粒子１０、１０′を保持する凹部２８を設けた定盤２５を矢印Ｒの方向に回転させ、この定盤２５の表面に、ノズル２２を通じて、本発明の研磨スラリーを供給し、この上に、チャック２１に保持した基板２０を矢印ｒの方向に回転させながら押し付けることによって、基板２０の表面を研磨する。個々の複合粒子１０、１０′の弾性粒子１１′が、弾力性のある研磨パッドとして機能する。図示の例では、研磨スラリーは、第三の粒子１４をさらに含有し、研磨中、第三の粒子１４は、複合粒子１０、１０′の表面に仮保持され、複合粒子１０、１０′の表面に仮保持された第三の粒子１４が、基板２０の表面に弾力的に作用する。
＜実施例＞  研磨スラリーを製造した。
複合粒子の製造：  ｐＨ５．０〜５．５のイオン交換水６００ｇを６０℃に加温し、メチルトリメトキシシラン１９８ｇを加え、２００ｒｐｍで３０分間攪拌した後、０．１Ｎ−ＮａＯＨ水溶液４．０ｍｌを加え、５分間攪拌した後、３０分間静置した。これにより、白濁、沈降した第一の粒子としての平均粒径５．４μｍのシリコン粒子が生成され、シリコン粒子分散液が調製された。
ｐＨ４．０のイオン交換水１０．０ｇを６０℃に加温し、テトラメトキシシラン９．９ｇを加え、２００ｒｐｍで攪拌し加水分解後、これに、第二の粒子として平均粒径３０ｎｍのシリカ粒子１．２ｇを水中に分散させたスラリー４０ｇを加え、５分間攪拌してシリカ粒子分散液を調製し、３０分間静置した。
次に、このシリカ粒子分散液を上記のシリコン粒子分散液に加え、６０℃、２００ｒｐｍで１時間攪拌した後、中和、吸引ろ過、水洗、メタノール洗を行い、エバポレーターを用いて乾燥後、３００℃で２時間焼結し、白色粉末を得た。
この白色粉末が、実施例の研磨スラリーに使用する複合粒子であり、その平均粒径は５．３μｍであった。ここで、シリカ粒子をシリコン粒子の表面に付着した複合粒子（上記の白色粉末の粒子）の平均粒径が、複合粒子を製造する前のシリコン粒子の大きさ（平均粒径５．４μｍ）よりも小さくなっているが、これは、３００℃で燒結したためであり、より高温（例えば、５００℃）で燒結すると、複合粒子の製造前後におけるシリコン粒子の大きさの差はより顕著となる。
実施例の研磨スラリーに使用する複合粒子は、図１（ｂ）に符号１０′で示す複合粒子に対応するものであり、シリカ粒子の表面に形成されたゲル膜を介して、シリコン粒子の表面に複数のシリカ粒子を固定したものである。
研磨スラリーの製造：  実施例の研磨スラリーは、上記の複合粒子３重量％と平均粒径０．０３μｍのシリカ粒子５重量％とを純水９２重量％に加え、攪拌することによって製造された。
＜研磨試験＞  上記実施例の研磨スラリーを使用して、４インチのシリコンウエハの表面を研磨し、研磨後の表面粗さ（Ｒａ）、うねり（Ｗａ）及びスクラッチの有無について調べた。
試験１：  図４（ａ）に示すような研磨装置を使用して、パッドレス研磨を行った。定盤（定盤径：３８０ｍｍφ）として、スレンレス鋼の円盤上にタングステンカーバイドを溶射し、この表面全体を任意方向にサンドブラストで研磨したものを使用した。定盤の表面の表面粗さは３．０μｍであった。
研磨は、下記の表１に示す条件で行われた。試験１の結果は、下記の表２に示すとおりであった。
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試験２：  図３に示すような研磨装置を使用して、パッド研磨を行った。定盤（定盤径：３８０ｍｍφ）の表面には、発泡体からなる研磨パッド（商品名：ＳＵＢＡ４００、ＲＯＤＥＬ社）が張り付けられた。
研磨は、上記の表１に示す条件で行われた。試験２の結果は、下記の表２に示すとおりであった。
＜試験結果＞  上記試験１及び２の結果を下記の表２に示す。下記の表２に示されるように、本発明の研磨スラリーを使用すると、シリコンウエハの表面が、スクラッチのない、鏡面に研磨される。
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【図面の簡単な説明】
図１（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本発明の研磨スラリーに使用される研磨粒子の部分断面図である。
図２は、テープ研磨に用いられる研磨装置を示す。
図３は、パッド研磨に用いられる研磨装置を示す。
図４（ａ）は、パッドレス研磨に用いられる研磨装置を示し、図４（ｂ）は、図４（ａ）の符号ｂで囲った部分の拡大図である。
【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
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【図２】
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【図３】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【国際調査報告】
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