(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア表面を研磨する方法であって、
回転研磨パッドと研磨組成物とを用いてサファイア表面を研削することであって、前記研磨組成物が有効量のコロイダルシリカを包含し、
前記コロイダルシリカは、その平均粒子サイズ（ｒ）に対する前記コロイダルシリカの粒子サイズの標準偏差（σ）の比（σ／ｒ）が少なくとも０．３である、粒子サイズ分布を有する、
方法。
【請求項２】
前記コロイダルシリカが前記研磨組成物の１重量％から５０重量％である、請求項１の方法。
【請求項３】
前記コロイダルシリカは、その粒子サイズが５ｎｍから１２０ｎｍの範囲に渡って分布する、請求項１の方法。
【請求項４】
前記比（σ／ｒ）が０．３から０．９である、請求項３の方法。
【請求項５】
前記コロイダルシリカ組成物が、５−５０ｎｍの範囲の粒子サイズのコロイダルシリカを含み、
粒子サイズが５−５０ｎｍの範囲内における１ｎｍ毎のコロイダルシリカの含有率それぞれが、前記研磨組成物に使用される前記コロイダルシリカ粒子の総質量の０．５％−２５．０％の範囲内である、請求項１の方法。
【請求項６】
前記コロイダルシリカが５ｎｍから５０ｎｍの平均粒子サイズを有する、請求項１の方法。
【請求項７】
前記研磨組成物がさらに、アルカリ性物質、無機性研磨粒子、水溶性アルコール、キレート剤、および緩衝剤から成る群から選択される追加構成要素を包含する、請求項１の方法。
【請求項８】
前記研磨組成物のｐＨが６から１０．５である、請求項１の方法。
【請求項９】
前記研磨パッドが５ｐｓｉ（３４ｋＰａ）から２５ｐｓｉ（１７２ｋＰａ）の下向き力で前記サファイア表面に圧接される、請求項１の方法。
【請求項１０】
前記研磨パッドが４０ｒｐｍから１２０ｒｐｍの速度で回転される、請求項１の方法。
【請求項１１】
前記研磨パッドがポリウレタン含浸ポリエステル材料を包含する、請求項１の方法。
【請求項１２】
前記研磨パッドが１％から４０％の圧縮率を有する、請求項１１の方法。
【請求項１３】
前記研磨パッドが５０から６０のショアＤ硬度を有する、請求項１の方法。
【請求項１４】
前記サファイア表面がサファイアＣ面の表面である、請求項１の方法。
【請求項１５】
前記サファイア表面がサファイアＲ面の表面である、請求項１の方法。
【請求項１６】
（ａ）所定の最小粒子サイズの既成シリカゾル粒子を含む第１構成要素を少なくとも一つの撹拌加熱反応器へ供給することと、
（ｂ）ケイ酸を含む第２構成要素を前記反応器に加えることであって、新たにシリカ粒子核が生成される速度より低い速度で前記第２構成要素が前記反応器へ供給されることと、
（ｃ）アルカリ化剤を含む第３構成要素を前記反応器に加えることと、
を包含するプロセスにより前記コロイダルシリカが調製され、
（ｄ）結果的に得られる前記コロイダルシリカの前記最小粒子サイズが前記第１構成要素の前記粒子サイズにより制御され、前記粒子サイズ分布が前記第１構成要素および前記第２構成要素の供給速度の比に依存する、
請求項１の方法。
【請求項１７】
二つ以上のコロイダルシリカ組成物を混合することを包含するプロセスにより前記コロイダルシリカが調製され、前記コロイダルシリカ組成物が、５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０，３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８，３９，４０，４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８，４９，５０，５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８，５９，６０，６１，６２，６３，６４，６５，６６，６７，６８，６９，７０，７１，７２，７３，７４，７５，７６，７７，７８，７９，８０，８１，８２，８３，８４，８５，８６，８７，８８，８９，９０，９１，９２，９３，９４，９５，９６，９７，９８，９９，１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７，１０８，１０９，１１０，１１１，１１２，１１３，１１４，１１５，１１６，１１７，１１８，１１９，または１２０ｎｍの平均粒子サイズを有する、請求項１の方法。
【請求項１８】
サファイア表面を研磨するためのキットであって、
（ａ）１０ｎｍから１２０ｎｍの粒子サイズの範囲を有するコロイダルシリカを包含し、前記コロイダルシリカは、その平均粒子サイズ（ｒ）に対する前記コロイダルシリカの粒子サイズの標準偏差（σ）の比（σ／ｒ）が少なくとも０．３である、粒子サイズ分布を有する研磨組成物と、
（ｂ）ポリエステルで含浸されたポリウレタンを包含して５％から１０％の圧縮率と５０から６０のショアＤ硬度とを有する研磨パッドと、
を包含するキット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１２年８月２４日に提出された米国仮特許出願第６１／６９２，９７４号の非仮出願であり、参照によりその内容が完全に援用される。
【０００２】
本発明は、コロイダルシリカを包含する研磨組成物を使用してサファイア表面を研磨するための組成物、キット、および方法に関するものであり、コロイダルシリカは広範な粒子サイズ分布を有する。
【背景技術】
【０００３】
サファイアは、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）単結晶材料についての総称である。サファイアは、赤外およびマイクロ波システムの窓部、紫外線〜近赤外光のための光透過性窓部、発光ダイオード、ルビーレーザ、レーザダイオード、小型電子集積回路の用途や超伝導化合物および窒化ガリウムの成長のための支持材料などとしての使用には特に有益な材料である。サファイアは、優れた化学的安定性、光透過性、そしてチップ抵抗、耐久性、耐擦傷性、耐放射線性、ヒ化ガリウムの熱膨張係数との良好な一致、および高温での曲げ強度のような望ましい機械的性質を有する。
【０００４】
サファイアウェハは、Ｃ面（０度面または底面とも呼ばれる０００１配向）、Ａ面（９０度サファイアとも呼ばれる１１２０配向）、Ｒ面（Ｃ面から５７．６度の１１０２配向）のように、いくつかの結晶軸線に沿って切削されるのが普通である。半導体、マイクロ波、および圧力トランスデューサの用途で使用されるサファイア基板シリコン材料に特に適したＲ面サファイアは、光学システム、赤外検出器、および発光ダイオードのための窒化ガリウム成長の用途で一般的に使用されるＣ面サファイアよりも、研磨に対する耐性が高い。
【０００５】
サファイアウェハの研磨および切削は、きわめて時間のかかる面倒なプロセスである。たいてい、許容できるような研磨速度を達成するには、ダイヤモンドのような攻撃的（aggressive）研削材が使用されなければならない。このような攻撃的研削材は、表面下および表面の深刻な損傷と汚れとをウェハ表面に付与しうる。一般的なサファイア研磨は、研磨されるサファイアウェハの表面に研削材のスラリーを連続的に塗布し、結果的に得られる研削材コーティング表面を回転研磨パッドで同時に研磨する必要がある。回転研磨パッドは、ウェハの表面上を動かされて、ウェハ表面に対して、一般的には約５から２０ポンド毎平方インチ（ｐｓｉ）（約３４ｋＰａから１３８ｋＰａ）の範囲である一定の下向き力（押し付け力）が維持される。研磨パッドの温度および圧力におけるサファイアとコロイダルシリカとの相互作用により、ケイ酸アルミニウム無水物の類の形成にとってエネルギー的に好ましい化学反応（つまりＡｌ2Ｏ3＋２ＳｉＯ2→Ａｌ2Ｓｉ2Ｏ7・２Ｈ2Ｏ）がもたらされる。これら様々な水和物およびアルミニウム種の硬度は、その下にあるサファイアより低いと想定され、結果的に薄膜が生じ、これは下層の表面に損傷を与えずにコロイダルシリカスラリーによって容易に除去されうる。従来の慣行はまた、研磨温度を上昇させてアルミニウム水和物膜の形成速度および除去速度を高めることに注目している。アルカリ性コロイダルシリカスラリーでの塩濃度の上昇は、ｃおよびｍ面サファイアの両方について除去速度を高めることも分かっている。最終的にＥＤＴＡ誘導体およびエーテルアルコール界面活性剤などのアルミニウムキレート剤を加えると、表面アルミニウム種を結合および剥離して、きれいなウェハ表面にするためにスラリー構成要素を懸濁することにより、研磨性能を向上させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／０１９６８４９号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００９／０１０４８５１号明細書
【特許文献３】特開２００８−０４４０７８号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２００４／０１３２３０６号明細書
【特許文献５】特開２００９−２９７８１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、サファイア研磨におけるこれらの発展のいずれも、他の研削材料で達成可能な一般的に低い研磨速度と、研磨パッドの性質との組み合わせによる粒子サイズおよび分布の影響に関するコンセンサスの欠如ゆえに、研磨性能を完全には解決していない。したがって、サファイア表面の研磨の効率を向上させる組成物、キット、および方法の必要性が残っている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、回転研磨パッドおよび研磨組成物を用いてサファイア表面を研削することを包含するサファイア表面の研磨方法に関連し、研磨組成物は、有効量のコロイダルシリカを包含し、コロイダルシリカは広範な粒子サイズ分布を有する。いくつかの実施形態では、この方法のコロイダルシリカは、研磨組成物の約１重量％から約５０重量％を占めるとともに、約５ｎｍから約１２０ｎｍの粒子サイズ分布を有する。いくつかの実施形態では、コロイダルシリカの平均粒子サイズ（ｒ）に対するコロイダルシリカの粒子サイズの標準偏差（σ）の比は、少なくとも約０．３から約０．９である。いくつかの実施形態において、コロイダルシリカ組成物は、約５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０，３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８，３９，４０，４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８，４９，または５０ｎｍの平均粒子サイズを有し、各サイズは、研磨組成物で使用されるコロイダルシリカ粒子の総質量の０．５％、１．０％、１．５％、２．０％、２．５％、３．０％、３．５％、４．０％、４．５％、５．０％、５．５％、６．０％、６．５％、７．０％、７．５％、８．０％、８．５％、９．０％、９．５％、１０．０％、１０．５％、１１．０％、１１．５％、１２．０％、１２．５％、１３．０％、１３．５％、１４．０％、１４．５％、１５．０％、１５．５％、１６．０％、１６．５％、１７．０％、１７．５％、１８．０％、１８．５％、１９．０％、１９．５％、２０．０％、２０．５％、２１．０％、２１．５％、２２．０％、２２．５％、２３．０％、２３．５％、２４．０％、２４．５％、または２５．０％である。
【０００９】
いくつかの実施形態では、研磨組成物はさらに、アルカリ性物質、無機性研磨粒子、水溶性アルコール、キレート剤、および緩衝剤から成る群から選択される追加構成要素を包含する。いくつかの実施形態では、研磨組成物のｐＨは約６から約１０．５である。いくつかの実施形態では、約５ｐｓｉ（約３４ｋＰａ）から約２５ｐｓｉ（約１７２ｋＰａ）の下向き力で研磨パッドがサファイア表面に圧接され、約４０ｒｐｍから約１２０ｒｐｍの速度で回転される。いくつかの実施形態において、研磨パッドはポリウレタン含浸ポリエステル材料を包含するとともに、約１％から約４０％の圧縮率を有する。いくつかの実施形態において、研磨パッドは約５０から約６０のショアＤ硬度を有しうる。いくつかの実施形態では、サファイア表面はサファイアＣ面表面またはサファイアＲ面表面である。
【００１０】
いくつかの実施形態において、この方法に使用されるコロイダルシリカは、（ａ）所定の最小粒子サイズの既成シリカゾル粒子を含む第１構成要素を少なくとも一つの撹拌加熱反応器に供給することと、（ｂ）ケイ酸を含む第２構成要素を反応器に加えることであって、新たにシリカ粒子の核が生成される速度より低い速度で第２構成要素が反応器へ供給されることと、（ｃ）アルカリ化剤を含む第３構成要素を反応器に加えることとを包含するプロセスにより調製され、（ｄ）結果的に得られるコロイダルシリカの最小粒子サイズが第１構成要素の粒子サイズにより制御されて、広範な粒子サイズ分布が第２構成要素に対する第１構成要素の供給速度の比に依存する。いくつかの実施形態では、二つ以上のコロイダルシリカ組成物を混合することを包含するプロセスによりコロイダルシリカが調製され、コロイダルシリカ組成物は、５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８．１９，２０，２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０，３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８，３９，４０，４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８，４９，５０，５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８，５９，６０，６１，６２，６３，６４，６５，６６，６７，６８，６９，７０，７１，７２，７３，７４，７５，７６，７７，７８，７９，８０，８１，８２，８３，８４，８５，８６，８７，８８，８９，９０，９１，９２，９３，９４，９５，９６，９７，９８，９９，１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７，１０８，１０９，１１０，１１１，１１２，１１３，１１４，１１５，１１６，１１７，１１８，１１９，または１２０ｎｍの平均粒子サイズを有する。
【００１１】
本発明はさらに、サファイア表面を研磨するためのキットに関し、キットは、（ａ）約１０ｎｍから約１２０ｎｍの粒子サイズ分布を有するコロイダルシリカを包含する研磨組成物と、（ｂ）約５％から約１０％の圧縮率と約５０から約６０のショアＤ硬度とを有するポリエステル含浸ポリウレタンを包含する研磨パッドとを包含する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】研磨システムの図である。
【図２】コロイダルシリカ組成物の粒子サイズ分布のグラフである。
【図３】ここで説明されるコロイダルシリカ組成物のＴＥＭ画像を示し、Ａ）組成物１、Ｂ）組成物２、Ｃ）組成物３、Ｄ）組成物４、Ｅ）組成物５である。
【図４】様々な研磨組成物および研磨パッドのためのサファイア表面からの材料除去速度のグラフである。
【図５】研磨時間に応じて変化する材料除去速度および摩擦係数のグラフである。
【図６】Ａ）研磨前のＣ面サファイアウェハ表面についての原子間力顕微鏡の５μｍ×５μｍ×８００ｎｍ表面プロットと、Ｂ）同じウェハについての２０μｍ×２０μｍ×２０００ｎｍ表面プロットとを示す。
【図７】研磨前のＣ面サファイアウェハ表面の原子間力顕微鏡の上面図画像を示す。
【図８】コロイダルシリカ組成物５を用いた研磨の間のＣ面サファイアウェハ表面のＡＦＭ表面プロットを示し、Ａ）２０分、２５μｍ×２５μｍ×２０００ｎｍの表面プロット、Ｂ）１２０分、２５μｍ×２５μｍ×２０００ｎｍの表面プロット、Ｃ）１２０分、１μｍ×１μｍ×５０ｎｍの表面プロットである。
【図９】プロセスＡ条件で組成物２を用いた研磨の後のＣ面サファイアウェハ表面についての原子間力顕微鏡の上面図画像を示す。
【図１０】プロセスＤ条件で組成物２を使用した１８０分の研磨の後のＣ面ウェハについての原子間力顕微鏡の１μｍ×１μｍ×２０ｎｍの表面プロットを示す。
【図１１】表面上の変動性を表す、図１０に示された研磨後ウェハの断面を示す。
【図１２】プロセスＢ条件で組成物６を使用した１８０分の研磨の後のＣ面ウェハについての原子間力顕微鏡の１μｍ×１μｍ×２０ｎｍの表面プロットを示す。
【図１３】表面上の変動性を表す、図１２に示された研磨後ウェハの断面を示す。
【図１４】プロセスＦ条件で組成物２を使用した１８０分の研磨の後のＣ面ウェハについての原子間力顕微鏡の１μｍ×１μｍ×２０ｎｍの表面プロットを示す。
【図１５】表面上の変動性を表す、図１４に示された研磨後ウェハの断面を示す。
【図１６】プロセスＦ条件で組成物６を使用した１８０分の研磨の後のＣ面ウェハについての原子間力顕微鏡１μｍ×１μｍ×２０ｎｍの表面を示す。
【図１７】表面上の変動性を表す、図１６に示された研磨後ウェハの断面を示す。
【図１８】プロセスＤ条件で組成物６を使用した１８０分の研磨の後のＲ面ウェハについての原子間力顕微鏡１μｍ×１μｍ×２０ｎｍの表面を示す。
【図１９】表面の変動性を表す、図１８に示された研磨後ウェハの断面を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、多様な研磨パッドと、広範または多モード粒子サイズ分布を有するコロイダルシリカ組成物の間の、パッド−粒子相互作用の独自な発見に関する。このような相互作用の結果、サファイア表面の効果的かつ効率的な研磨が行われる。広範で明確なコロイダルシリカ粒子の粒子サイズ分布を有する組成物により、サファイア表面の化学的機械的平面化が向上され、また、材料除去速度の上昇とサファイア基板の表面粗度の低下とが同時に伴われる。
【００１４】
本発明は、Ｃ面またはＲ面ウェハのようなサファイア表面を研磨するための組成物、キット、および方法に関する。組成物は水溶性マトリックス（母材）内のコロイダルシリカ粒子を包含する。粒子サイズ分布は広範だが明確であり、約５ｎｍから約１２０ｎｍの範囲に及ぶ。粒子サイズ分布は、平均粒子サイズ（ｒ）に対する粒子サイズ分布の標準偏差（σ）の比を特徴とし、σ／ｒは少なくとも約０．３である。規定の比での指定の粒子サイズの混合を通して、または工学的連続製造プロセスにより、粒子の分布が得られる。
【００１５】
本発明の方法は、狭い粒子サイズ分布を有する従来の研磨スラリーを用いて達成可能な除去速度よりも速やかな、サファイア表面の研磨のための材料除去速度を提供しうる。結果的に得られる研磨後サファイア基板は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、半導体、光学レーザ、および遠距離通信機器を限定的でなく含むいくつかの用途に使用されうる。
【００１６】
１．定義
ここで使用される専門用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とし、限定的であることは意図されていない。明細書および添付請求項で使用される際に、単数形の“ａ”，“ａｎ”，“ｔｈｅ”は、文脈から他の意味が明示されない限り、複数形の引用対象を含む。
【００１７】
絶対的な語と近似的な語のいずれかで示されるいかなる範囲もその両方を内含することが意図されており、ここで使用されるいかなる定義も限定ではなく明瞭化を意図したものである。本発明の広い範囲を規定する数値範囲およびパラメータが近似的であるにもかかわらず、特定の例で規定される数値はできるかぎり正確に述べられる。しかし、いかなる数値も、それぞれの検査測定で見られる標準偏差から必ず生じる一定の誤差を含む。また、ここに開示されるすべての範囲は、ここに包摂されるいかなる、またすべての下位範囲（すべての分数および整数を含む）を内含するものと理解される。
【００１８】
「アスカーＣ」硬度は、アスカーＣ硬度計により測定されるような軟質ゴムおよびスポンジの硬度の測定値を意味する。
【００１９】
「コロイダルシリカ組成物」と、「コロイダル」や「ゾル」などを含む他の同様の語は、分散相と連続相とを有する水性二相系を指す。本発明で使用されるコロイダルシリカ組成物は、連続的または実質上連続的な液体相、一般的には水溶液に分散または懸濁される、固体相を有する。ゆえに、「コロイド」または「シリカゾル」の語は両方の相を内含し、「コロイダル粒子」、「コロイダルシリカ」、「シリカゾル粒子」、または「粒子」は、分散相または固体相を指す。
【００２０】
「材料除去速度」または「ＭＲＲ」は、除去された材料を時間間隔で割った量を指す。ＭＲＲは、所与の基板についての単位時間当たりの質量（例えばｍｇ／分）またはｎｍ／分の単位で述べられる。例えば、サファイアの密度は３．９８ｇ／ｃｍ3であり、ゆえに０．００１グラムの損失は、３インチ（７．６２ｃｍ）ウェハの表面での５５．１ｎｍの均一な損失と同等である。そのため、材料除去速度は以下の変換式により計算されうる。
【数１】
0006273281.tif 000002
【００２１】
ここで使用される「研磨組成物」は、コロイダルシリカ組成物とサファイア表面を研磨するのに使用されうる任意の追加構成要素とを含む組成物を指す。研磨組成物は、分散相としてのコロイダルシリカと、連続相としての水溶液と、アルカリ性物質、他の無機性研磨粒子、水溶性アルコール、キレート剤、緩衝剤、表面活性剤、乳化剤、粘度調整剤、湿潤剤、潤滑剤、石鹸などから選択される任意の追加構成要素とを含みうる。
【００２２】
「二乗平均平方根粗度」、「ＲＭＳ粗度」、または「Ｒq」はここでは互換的に使用され、所与のエリア内でのＺ値の標準偏差を指し、式１により表される。
【数２】
0006273281.tif 000003
【００２３】
上式において、Ｚavgは所与のエリア内での平均Ｚ値であり、ＺiはＺ関心値（点または画素）であり、Ｎは所与のエリア内の点の数である。ゆえに、完全に平らな表面であればＲq＝０である。非ゼロだが低いＲqであれば、表面が粗いがその粗度の一因となった複数のフィーチャ（形状要素）はすべて近似的に対等であることを表すであろう。他方で、高いＲqであればフィーチャ間の変動性が高いことを表すであろう。
【００２４】
「粗度平均」、「中間粗度」、または「Ｒa」はここでは互換的に使用され、中心面からの偏差の算術平均を指し、式２により表される。
【数３】
0006273281.tif 000004
【００２５】
上式において、Ｚcpは中心面のＺ値であり、ＺiはやはりＺ関心値であり、Ｎは所与のエリアの点の数である。
【００２６】
「ショアＣ硬度」は、ショアデュロメータで測定されるような硬質ゴム、半剛性プラスチック、および硬質プラスチックの硬度の測定値である。多様なショア硬度計が、規定のバネ力による針の圧入に対する材料の耐性を測定する。
【００２７】
「ショアＤ硬度」は、ショアデュロメータで測定されるような硬質ゴム、半剛性プラスチック、および硬質プラスチックの硬度の測定値である。多様なショア硬度計が、規定のバネ力による針の圧入に対する材料の耐性を測定する。
【００２８】
「安定状態」は、このｐＨ範囲全体に亘り、沈殿物を含まず効果的に、コロイドの固体相が存在し、媒体に分散されて安定であることを意味する。
【００２９】
「Ｚ値」は、原子間力顕微鏡により決定されるような表面上の所与の点での垂直高さの測定値である。「Ｚ較差」は、画像エリアでの最大フィーチャおよび最小フィーチャ間の高さの差である。
【００３０】
２．サファイア表面を研磨するための組成物およびキット
ここに記載されるのは、研磨組成物および研磨組成物を包含するキットであり、研磨組成物は広範な粒子サイズ分布を有するコロイダルシリカ粒子を包含する。キットはさらに、サファイア表面を研磨するための研磨パッドを包含する。キットは研磨パッドと研磨組成物とを用いてサファイア表面を研削するのに使用されうる。キットは、単峰の狭い粒子サイズ分布（ＰＳＤ）を有するコロイダルシリカ研磨組成物を使用して達成されるものより高いかこれに匹敵する材料除去速度（ＭＲＲ）を得るのに使用されうる。キットは、ＭＲＲの損失を伴わない低濃度の研磨組成物の使用を可能にしうる。キットはまた、サファイア表面を研磨するための指示を包含しうる。
【００３１】
キットは、サファイア表面に使用されるポンド毎平方インチ（ＰＳＩ）圧力およびパッドに応じて、少なくとも約３０ｎｍ／分、３１ｎｍ／分、３２ｎｍ／分、３３ｎｍ／分、３４ｎｍ／分、３５ｎｍ／分、３６ｎｍ／分、３７ｎｍ／分、３８ｎｍ／分、３９ｎｍ／分、４０ｎｍ／分、４１ｎｍ／分、４２ｎｍ／分、４３ｎｍ／分、４４ｎｍ／分、４５ｎｍ／分、４６ｎｍ／分、４７ｎｍ／分、４８ｎｍ／分、４９ｎｍ／分、５０ｎｍ／分、５１ｎｍ／分、５２ｎｍ／分、５３ｎｍ／分、５４ｎｍ／分、５５ｎｍ／分、５６ｎｍ／分、５７ｎｍ／分、５８ｎｍ／分、５９ｎｍ／分、６０ｎｍ／分、６１ｎｍ／分、６２ｎｍ／分、６３ｎｍ／分、６４ｎｍ／分、６５ｎｍ／分、６６ｎｍ／分、６７ｎｍ／分、６８ｎｍ／分、６９ｎｍ／分、または７０ｎｍ／分の材料除去速度（ＭＲＲ）を提供することにより、サファイア表面の最終表面粗度を向上させうる。キットは、４０．０ｎｍ／分、４０．５ｎｍ／分、４１．０ｎｍ／分、４１．５ｎｍ／分、４２．０ｎｍ／分、４２．５ｎｍ／分、４３．０ｎｍ／分、４３．５ｎｍ／分、４４．０ｎｍ／分、４４．５ｎｍ／分、４５．０ｎｍ／分、４５．５ｎｍ／分、４６．０ｎｍ／分、４６．５ｎｍ／分、４７．０ｎｍ／分、４７．５ｎｍ／分、４８．０ｎｍ／分、４８．５ｎｍ／分、４９．０ｎｍ／分、４９．５ｎｍ／分、５０．０ｎｍ／分、５０．５ｎｍ／分、５１．０ｎｍ／分、５１．５ｎｍ／分、５２．０ｎｍ／分、５２．５ｎｍ／分、５３．０ｎｍ／分、５３．５ｎｍ／分、５４．０ｎｍ／分、５４．５ｎｍ／分、５５．０ｎｍ／分、５５．５ｎｍ／分、５６．０ｎｍ／分、５６．５ｎｍ／分、５７．０ｎｍ／分、５７．５ｎｍ／分、５８．０ｎｍ／分，または５８．５ｎｍ／分のサファイア表面からの除去速度であるサファイア表面からの材料除去速度（ＭＲＲ）を達成しうる。
【００３２】
キットは、初期の二乗平均平方根（ＲＭＳ）が最大１ミクロンの状態から、ある時間周期（例えば約１８０分）のサファイア表面の研磨の後に、２．０ｎｍ、１．９ｎｍ、１．８ｎｍ、１．７ｎｍ、１．６ｎｍ、１．５ｎｍ，１．４ｎｍ，１．３ｎｍ、１．２ｎｍ、１．１ｎｍ，１．０ｎｍ，０．９ｎｍ，０．８０ｎｍ，０．７０ｎｍ、０．６０ｎｍ、０．５０ｎｍ、０．４０ｎｍ、０．３０ｎｍ、０．２０ｎｍ，または０．１０ｎｍより小さいか等しいサファイア表面の二乗平均平方根（ＲＭＳ）粗度またはＲqを提供しうる。キットは、ある時間周期（例えば約１８０分）のサファイア表面の研磨の後に、５．０Å、４．９Å、４．８Å、４．７Å、４．６Å、４．５Å、４．４Å、４．３Å、４．２Å、４．１Å、４．０Å、３．９Å、３．８Å、３．７Å、３．６Å、３．５Å、３．４Å、３．３Å、３．２Å、３．１Å、３．０Å、２．９Å、２．８Å、２．７Å、２．６Å、２．５Å、２．４Å、２．３Å、２．２Å、２．１Å、２．０Å、１．９Å、１．８Å、１．７Å、１．６Å、または１．５Åより低いか等しいサファイア表面のＲＭＳ粗度を達成しうる。
【００３３】
キットは、ある時間周期（例えば約１８０分）のサファイア表面の研磨の後に、１．８ｎｍ、１．７ｎｍ，１．６ｎｍ、１．５ｎｍ、１．４ｎｍ、１．３ｎｍ、１．２ｎｍ、１．１ｎｍ、１．０ｎｍ、０．９ｎｍ、０．８０ｎｍ，０．７０ｎｍ，０．６０ｎｍ，０．５０ｎｍ，０．４０ｎｍ，０．３０ｎｍ、または０．２０ｎｍと等しいかこれより小さいサファイア表面の粗度平均またはＲaを提供しうる。キットは、ある時間周期（例えば約１８０分）のサファイア表面の研磨の後に、１４．５Å、４．４Å、４．３Å、４．２Å、４．１Å、４．０Å、３．９Å、３．８Å、３．７Å、３．６Å、３．５Å、３．４Å、３．３Å、３．２Å、３．１Å、３．０Å、２．９Å、２．８Å、２．７Å、２．６Å、２．５Å、２．４Å、２．３Å、２．２Å、２．１Å、２．０Å、１．９Å、１．８Å、１．７Å、１．６Å、または１．５Åのサファイア表面の粗度平均を達成しうる。
【００３４】
キットはまた、研磨プロセスの間に著しい温度上昇を伴わずにサファイア表面の効果的な研磨を可能にしうる。例えば、研磨の間には設定温度から１，２，３，４，５，６，７，８，９，または１０℃未満だけ温度が上昇しうる。
【００３５】
スラリーおよび研磨プラテンの温度を上昇させて制御し周囲温度より上に温度を維持することにより、サファイア表面の効果的な研磨がさらに向上しうる。例えば、研磨中の研磨パッド温度は２５℃から５０℃＋／−３℃を目標としうる。
【００３６】
ａ．研磨組成物
サファイア表面を研磨するためのキットは研磨組成物を包含する。研磨組成物は、広範な粒子サイズ分布を有するコロイダルシリカ粒子を包含する。研磨組成物は、水（例えば脱イオン水）中のコロイダルシリカ粒子の水性スラリーであり、任意の追加構成要素を含みうる。
【００３７】
ｉ．コロイダルシリカ
コロイダルシリカは、細かい非晶質、非多孔性、そして一般的に球形のシリカ（ＳｉＯ２）粒子が液体相に含まれる懸濁液でありうる。コロイダルシリカ粒子は、約５ｎｍから約１２０ｎｍの粒子サイズ分布を有しうる。コロイダルシリカ粒子は、５ｎｍ、１０ｎｍ、１５ｎｍ，２０ｎｍ，２５ｎｍ，３０ｎｍ、３５ｎｍ、４０ｎｍ、４５ｎｍ、５０ｎｍ、５５ｎｍ、６０ｎｍ，６５ｎｍ、７０ｎｍ、７５ｎｍ，８０ｎｍ，８５ｎｍ，９０ｎｍ、９５ｎｍ、１００ｎｍ，１０５ｎｍ，１１０ｎｍ，１１５ｎｍ，または１２０ｎｍの粒子直径を有し、各コロイダルシリカ粒子サイズは、研磨組成物に使用されるコロイダルシリカ粒子の総質量の０．５％、１．０％、１．５％、２．０％、２．５％、３．０％、３．５％、４．０％、４．５％、５．０％、５．５％、６．０％、６．５％、７．０％、７．５％、８．０％、８．５％、９．０％、９．５％、１０．０％、１０．５％、１１．０％、１１．５％、１２．０％、１２．５％、１３．０％、１３．５％、１４．０％、１４．５％、１５．０％、１５．５％、１６．０％、１６．５％、１７．０％、１７．５％、１８．０％、１８．５％、１９．０％、１９．５％、２０．０％、２０．５％、２１．０％、２１．５％、２２．０％、２２．５％、２３．０％、２３．５％、２４．０％、２４．５％、または２５．０％に相当する。
【００３８】
実施形態において、コロイダルシリカ組成物の粒子サイズ分布は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を使用して決定されるような、平均粒子直径ｒに対する分布の標準偏差σの比として定義されうる。このような慣行は、米国特許第６，９１０，９５２号に記載されている。ここに記載される方法およびキットに使用されうるコロイダルシリカ組成物は、少なくとも約０．３０から約０．９０、例えば約０．３０，０．３１，０．３２，０．３３，０．３４，０．３５，０．３６，０．３７，０．３８，０．３９，０．４０，０．４１，０．４２，０．４３，０．４４，０．４５，０．４６，０．４７，０．４８，０．４９，０．５０，０．５１，０．５２，０．５３，０．５４，０．５５，０．５６，０．５７，０．５８，０．５９，０．６０，０．６１，０．６２，０．６３，０．６４，０．６５，０．６６，０．６７，０．６８，０．６９，０．７０，０．７１，０．７２，０．７３，０．７４，０．７５，０．７６，０．７７，０．７８，０．７９，０．８０，０．８１，０．８２，０．８３，０．８４，０．８５，０．８６，０．８７．０．８８，０．８９，または０．９０であるσ／ｒの値を持つ広範な粒子サイズ分布を有しうる。
【００３９】
コロイダルシリカ粒子は、約１０ｎｍから約５０ｎｍ、例えば約２０ｎｍから約４０ｎｍの平均粒子直径ｒを有しうる。例えば、コロイダルシリカ粒子は、約１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８．２９，３０，３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８，３９，４０，４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８，４９，または５０ｎｍの平均粒子サイズを有しうる。
【００４０】
コロイダルシリカ粒子の粒子サイズ分布の標準偏差σは、約１０から約２０、例えば１０，１０．１，１０．２，１０．３，１０．４，１０．５，１０．６，１０．７，１０．８，１０．９，１１．０，１１．１，１１．２，１１．３，１１．４，１１．５，１１．６，１１．７，１１．８，１１．９，１２．０，１２．１．１２．２，１２．３，１２．４，１２．５，１２．６，１２．７，１２．８，１２．９，１３．０，１３．１，１３．２，１３．３，１３．４，１３．５，１３．６，１３．７，１３．８，１３．９，１４．０，１４．１，１４．２，１４．３，１４．４，１４．５，１４．６，１４．７，１４．８，１４．９，１５．０，１５．１，１５．２，１５．３，１５．４，１５．５，１５．６，１５．７，１５．８，１５．９，１６．０，１６．１，１６．２，１６．３，１６．４，１６．５，１６．６，１６．７，１６．８，１６．９，１７．０，１７．１，１７．２，１７．３，１７．４，１７．５，１７．６，１７．７，１７．８，１７．９，１８．０，１８．１，１８．２，１８．３，１８．４，１８．５，１８．６，１８．７，１８．８，１８．９，１９．０，１９．１，１９．２，１９．３，１９．４，１９．５，１９．６，１９．７，１９．８，１９．９，または２０である。
【００４１】
特定のサイズでの各コロイダルシリカ粒子の総質量の百分率は大きく変動し、広範なサイズ分布が存在する。例えば、コロイダルシリカ組成物は、約５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０，３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８，３９，４０，４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８，４９，または５０ｎｍの平均粒子サイズを有し、各サイズの粒子は、研磨組成物に使用されるコロイダルシリカ粒子の総質量の０．５％、１．０％、１．５％、２．０％、２．５％、３．０％、３．５％、４．０％、４．５％、５．０％、５．５％、６．０％、６．５％、７．０％、７．５％、８．０％、８．５％、９．０％、９．５％、１０．０％、１０．５％、１１．０％、１１．５％、１２．０％、１２．５％、１３．０％、１３．５％、１４．０％、１４．５％、１５．０％、１５．５％、１６．０％、１６．５％、１７．０％、１７．５％、１８．０％、１８．５％、１９．０％、１９．５％、または２０．０％でありうる。
【００４２】
ii．液体相
研磨組成物はさらに、スラリーを生成するため液体相を包含する。例えば、液体相は脱イオン水でありうる。液体中のコロイダルシリカのスラリーを形成する前と後のいずれかで、約６．０，６．１，６．２，６．３，６．４，６．５，６．６，６．７，６．８，６．９，７．０，７．１，７．２，７．３，７．４，７．５，７．６，７．７，７．８．７．９，８．０，８．１，８．２，８．３，８．４，８．５，８．６，８．７，８．８，８．９，９．０，９．１，９．２，９．３，９．４，９．５，９．６，９．７，９．８，９．９，１０．０，１０．１，１０．２，１０．３，１０．４，または１０．５にｐＨが調節されうる。ｐＨは、水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどといった塩基を使用して調節されうる。
【００４３】
iii．任意の追加構成要素
実施形態では、研磨組成物はさらに、以下の添加剤のうち一つ以上を含みうる。
【００４４】
Ａ）水酸化ナトリウム、第４アンモニウム塩基およびその塩、モノエタノールアミンなどの水溶性アミン、硝酸塩、塩化物、硫酸塩などを含むアルカリ金属塩のような、アルカリ性物質。
【００４５】
Ｂ）ダイヤモンド、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素等を含む、非酸化物ゾルのような無機性研磨粒子。同様に、アルミナ、ジルコニア、ケイ酸ジルコニウム、ムライト、酸化セリウム、酸化鉄、酸化クロム、酸化チタン、酸化スズなどが加えられうる。同様に、組成物は、水酸化アルミニウム、ベーマイト、またはゲータイトのような水和酸化物を含有しうる。
【００４６】
Ｃ）エタノール、プロパノール、エチレングリコール、ポリプロピレングリコールなどのような水溶性アルコール。
【００４７】
Ｄ）キレート剤、例えば、エチレンジアミン四酢酸、エチレンジアミン、およびメチルホルムアミドなど、キラントを含有する一つ以上のアミンまたはアミドと、シュウ酸またはイミノ二酢酸などの有機酸。
【００４８】
Ｅ）緩衝剤。緩衝組成物は、中性付近からアルカリ性のｐＨ範囲に及ぶように調節されうる。一塩基酸、二塩基酸、および多塩基酸は、水酸化アンモニウムなどの塩基で完全または部分的に脱プロトン化された時に、緩衝液として作用しうる。酸のアンモニウム塩が適当であるが、他のアルカリとカルボン酸のアルカリ土類金属塩とが使用されうる。代表的な例として、例えばモノカルボン酸、ジカルボン酸、トリカルボン酸、ポリカルボン酸を含むカルボン酸の塩が挙げられる。具体的な化合物としては、例えば、マロン酸、シュウ酸、クエン酸、酒石酸、コハク酸、リンゴ酸、アジピン酸、これらの塩、そしてこれらの混合物が挙げられる。スラリーを緩衝しうる窒素含有化合物は、アスパラギン酸、グルタミン酸、ヒスチジン、リシン、アルギニン、オルニチン、システイン、チロシン、カルノシン、ビス（２−ヒドロキシエチル）イミノトリス（ヒドロキシメチル）メタン、トリス（ヒドロキシメチル）アミノメタン、Ｎ−（２−アセトアミド）−２−イミノ二酢酸、１，３−ビス［トリス（ヒドロキシメチル）メチルアミノ］プロパン、トリエタノールアミン、Ｎ−トリス（ヒドロキシメチル）メチルグリシン、Ｎ，Ｎ−ビス（２−ヒドロキシエチル）グリシン、およびグリシンを含む。リン酸水素アンモニウムも、スラリーに使用されうる。
【００４９】
Ｆ）界面活性剤、乳化剤、粘度調整剤、湿潤剤、潤滑剤、石鹸など。一般的な界面活性剤は、非イオン性、陰イオン性、陽イオン性、双性イオン性、両性、ポリ電解質の化合物を含む。例として、有機酸、アルカン硫酸塩、アルカリスルホン酸塩、水酸化物、置換アミン塩、ベタイン、ポリエチレンオキシド、ポリビニルアルコール、ポリビニルアセテート、ポリアクリル酸、ポリビニルピロリドン、ポリエチレンイミン、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウムテトラメチルハロゲン化アンモニウム、セチルトリメチルハロゲン化アンモニウム、ノニルエーテル、そしてこれらの組み合わせが挙げられる。
【００５０】
ｂ．研磨パッド
キットは、サファイア表面を処理するのに研磨組成物とともに使用される研磨パッドをさらに包含する。研磨パッドは、樹脂、あるいは製織または不織材料を包含しうる。例えば、研磨パッドは、ポリウレタンパッド、またはポリエステルフェルトやスエードのようなポリウレタン含浸繊維系材料を含みうる。
【００５１】
研磨パッドは、約１％、１．５％、２．０％、２．５％、３．０％、３．５％、４．０％、４．５％、５．０％、５．５％、６．０％、６．５％、７．０％、７．５％、８．０％、８．５％、９．０％、９．５％、１０．０％、１０．５％、１１．０％、１１．５％、１２．０％、１２．５％、１３．０％、１３．５％、１４．０％、１４．５％、１５．０％、１５．５％、１６．０％、１６．５％、１７．０％、１７．５％、１８．０％、１８．５％、１９．０％、１９．５％、２０．０％、２０．５％、２１．０％、２１．５％、２２．０％、２２．５％、２３．０％、２３．５％、２４．０％、２４．５％、２５．０％、２５．５％、２６．０％、２６．５％、２７．０％、２７．５％、２８．０％、２８．５％、２９．０％、２９．５％、３０．０％、３０．５％、３１．０％、３１．５％、３２．０％、３２．５％、３３．０％、３３．５％、３４．０％、３４．５％、３５．０％、３５．５％、３６．０％、３６．５％、３７．０％、３７．５％、３８．０％、３８．５％、３９．０％、３９．５％、または４０．０％の圧縮率を有しうる。
【００５２】
研磨パッドは、約５０，５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８，５９，６０，６１，６２，６３，６４，６５，６６，６７，６８，６９，７０，７１，７２，７３，７４，７５，７６，７７，７８，７９，８０，８１，８２，８３，８４，８５，８６，８７，８８，８９，９０，９１，９２，９３，９４，９５，９６，９７，９８，９９，または１００のショアＣ硬度を有しうる。
【００５３】
研磨パッドは、約５０，５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８，５９，６０，６１，６２，６３，６４，６５，６６，６７，６８，６９，７０，７１，７２，７３，７４，７５，７６，７７，７８，７９，８０，８１，８２，８３，８４，８５，８６，８７，８８，８９，９０，９１，９２，９３，９４，９５，９６，９７，９８，９９，または１００のショアＤ硬度を有しうる。
【００５４】
研磨パッドは、約５０，５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８，５９，６０，６１，６２，６３，６４，６５，６６，６７，６８，６９，７０，７１，７２，７３，７４，７５，７６，７７，７８，７９，８０，８１，８２，８３，８４，８５，８６，８７，８８，８９，９０，９１，９２，９３，９４，９５，９６，９７，９８，９９，または１００のアスカーＣ硬度を有しうる。
【００５５】
研磨パッドは、約５０，５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８，５９，６０，６１，６２，６３，６４，６５，６６，６７，６８，６９，７０，７１，７２，７３，７４，７５，７６，７７，７８，７９，８０，８１，８２，８３，８４，８５，８６，８７，８８，８９，９０，９１，９２，９３，９４，９５，９６，９７，９８，９９，または１００のＪＩＳ硬度を有しうる。
【００５６】
適当なパッドはＲｏｈｍ＆Ｈａａｓから商品名ＳＵＢＡ（商標）で入手可能である。例えば、ＳＵＢＡ（商標）５００パッドは、比較的低い圧縮率（約１３％）と約５５のショアＤ硬度とを有する。ＳＵＢＡ（商標）６００パッドは、約４％の圧縮率と約８０のアスカーＣ硬度とを有する。ＳＵＢＡ（商標）８００パッドは、約４％の圧縮率と約８２のアスカーＣ硬度とを有する。加えて、Ｒｏｈｍ＆Ｈａａｓから入手可能なＭＨＮおよびＭＨＳパッドは、非常に低い圧縮率（約３％）と約８４のＪＩＳ硬度とを備えるポリウレタンパッドである。
【００５７】
ｃ．他の要素
キットはさらに、追加要素を包含する。例えば、キットは、研磨組成物および／または研磨パッドの使用のための指示も含みうる。キットに含まれる指示は包装材料に貼付されるか、添付書として含まれうる。指示は一般的に文書または印刷物であるが、これらに限定されない。このような指示を保存してエンドユーザに伝えることのできる何らかの媒体が、本開示では想定されている。このような媒体は、電子記憶媒体（例えば磁気ディスク、テープ、カートリッジ、チップ）、光学媒体（例えばＣＤ、ＤＶＤ）などを限定的ではなく含む。ここで使用される際に、「指示」の語は、指示を提供するインターネットサイトのアドレスを含みうる。キットの様々な構成要素は、必要に応じて適当な容器、例えばボトル、広口瓶、小瓶で提供される。
【００５８】
３．サファイア表面を研磨する方法
ここに開示されるのは、上記のキットまたは広範な粒子サイズ分布を有するコロイダルシリカ粒子を包含する組成物を使用してサファイア表面を研磨するための方法でもある。この方法は、回転研磨パッドと研磨組成物とを用いてサファイア表面を研削することを包含し、研磨組成物は有効量のコロイダルシリカを包含し、コロイダルシリカは広範な粒子サイズ分布を有する。
【００５９】
例えば、ここに開示される方法は、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）を必要としうる。ＣＭＰの主な目的は、誘電性堆積物の表面トポグラフィを平滑化してマルチレベル金属被覆を可能にすること、または余分なコーティング材料を除去して象嵌金属ダマシン構造とＳＴＩ用の分離溝とを設けることである。ＣＭＰでの材料除去の機構は完全に理解されているわけではないが、概して、酸化物基板が表面にて化学的に処理されることで比較的脆弱または軟質の薄膜が急速に生成される。この表面膜が次に、化学的と研磨用の両方の構成要素を含有する製剤を使用して、均一な平面状となるまで「丁寧に」研削される。
【００６０】
本発明の方法では、回転キャリアに取り付けられたウェハのようなサファイア表面の表面に研磨組成物が塗布されうる。次に回転研磨パッドを使用してサファイア表面が研削されうる。一般的に、プロセス中にはパッドの研磨表面とサファイア表面の表面との間に、研磨スラリーの少なくとも一部分が載ったままである。研磨パッドは、選択された回転速度でサファイア表面に垂直な回転軸線を中心に回転する平面状の研磨表面を有する。サファイア表面に垂直な選択されたレベルの下向き力により、パッドの回転研磨表面がサファイア表面に押圧される。回転研磨パッドがサファイア表面に押圧された状態でサファイア表面にスラリーを連続的に供給することにより、研磨組成物がサファイア表面に塗布されうる。
【００６１】
回転研磨パッドと研磨スラリーとの複合作用は、狭いサイズ分布のコロイダルシリカ粒子を有する研磨組成物を使用して、同じパッド、同じ回転速度、そして同じ下向き力でサファイア表面を研削することにより達成可能なサファイア除去速度よりも高い速度で、表面からサファイアを除去しうる。
【００６２】
研磨パッドは、約５ｐｓｉ（約３４ｋＰａ）から約２５ｐｓｉ（約１７２ｋＰａ）、例えば約１０ｐｓｉ（約６９ｋＰａ）から約２０ｐｓｉ（約１３８ｋＰａ）または約１２ｐｓｉ（約８３ｋＰａ）から約１６ｐｓｉ（約１１０ｋＰａ）の下向き力でサファイア表面に押圧されうる。例えば、パッドは、約５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４，または２５ｐｓｉ（約３４，４１，４８，５５，６２，６９，７６，８３，９０，９７，１０３，１１０，１１７，１２４，１３１，１３８，１４５，１５２，１５９，１６５，または１７２ｋＰａ）の下向き力でサファイア表面に圧接されうる。研磨パッドは、約４０から約１２０回転毎分（ｒｐｍ）または約６０から８０ｒｐｍの速度で回転されうる。例えば、研磨パッドは、約４０，４５，５０，５５，６０，６５，７０，７５，８０，８５，９０，９５，１００，１０５，１１０，１１５，または１２０ｒｐｍの速度で回転されうる。
【００６３】
この方法では、約１２０分、１２５分、１３０分、１４０分、１４５分、１５０分、１５５分、１６０分、１６５分、１７０分、１７５分、１８０分、１８５分、１９０分、１９５分、２００分、２０５分、２１０分、２１５分、２２０分、または２２５分の間、サファイア表面が研磨されうる。
【００６４】
この方法は、サファイアウェハのＣ面またはＲ面表面を研磨または平面化するのに有益であり、狭い粒子サイズ分布を有するもののように、従来の研削スラリーで達成されるものより著しく高い材料除去速度を提供しうる。除去速度は、狭い粒子サイズ分布を有するスラリーにより得られる除去速度よりも、少なくとも約１０％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％、５０％、５５％、６０％、６５％、７０％、７５％、８０％、８５％、または９０％高い。
【００６５】
この方法は、何らかの研削研磨装置を利用して実行されうる。選択されたパッド回転速度（例えば約２０から約１５０ｒｐｍ）で、選択された下向き力により（例えば約２から約２０ｐｓｉ（約１４から１３８ｋＰａ）の範囲の下向き力により）ウェハの表面に圧接される回転研磨パッドを使用して、回転キャリアに取り付けられたサファイアウェハで研磨が達成されるのが適当であり、ウェハは、選択された回転速度（例えば約２０から約１５０ｒｐｍ）で回転するキャリアに取り付けられる。適当な研磨装置は、ＣＥＴＲ（カナダ、キャンベル）およびＳｐｅｅｄＦａｍ（日本、神奈川）のように様々な製造元から市販されている。例えば、ＣＰ−４  ＣＭＰ検査機器またはＳｐｅｅｄＦａｍ  ＧＰＡＷ３２機器が使用されうる。
【００６６】
この方法は、ポンド毎平方インチ（ＰＳＩ）圧力とサファイア表面に使用されるパッドとに応じて、少なくとも約３０ｎｍ／分、３１ｎｍ／分、３２ｎｍ／分、３３ｎｍ／分、３４ｎｍ／分、３５ｎｍ／分、３６ｎｍ／分、３７ｎｍ／分、３８ｎｍ／分、３９ｎｍ／分、４０ｎｍ／分、４１ｎｍ／分、４２ｎｍ／分、４３ｎｍ／分、４４ｎｍ／分、４５ｎｍ／分、４６ｎｍ／分、４７ｎｍ／分、４８ｎｍ／分、４９ｎｍ／分、５０ｎｍ／分、５１ｎｍ／分、５２ｎｍ／分、５３ｎｍ／分、５４ｎｍ／分、５５ｎｍ／分、５６ｎｍ／分、５７ｎｍ／分、５８ｎｍ／分、５９ｎｍ／分、６０ｎｍ／分、６１ｎｍ／分、６２ｎｍ／分、６３ｎｍ／分、６４ｎｍ／分、６５ｎｍ／分、６６ｎｍ／分、６７ｎｍ／分、６８ｎｍ／分、６９ｎｍ／分、または７０ｎｍ／分の材料除去速度（ＭＲＲ）を提供することにより、サファイア表面の最終表面粗度を向上させうる。この方法は、４０．０ｎｍ／分、４０．５ｎｍ／分、４１．０ｎｍ／分、４１．５ｎｍ／分、４２．０ｎｍ／分、４２．５ｎｍ／分、４３．０ｎｍ／分、４３．５ｎｍ／分、４４．０ｎｍ／分、４４．５ｎｍ／分、４５．０ｎｍ／分、４５．５ｎｍ／分、４６．０ｎｍ／分、４６．５ｎｍ／分、４７．０ｎｍ／分、４７．５ｎｍ／分、４８．０ｎｍ／分、４８．５ｎｍ／分、４９．０ｎｍ／分、４９．５ｎｍ／分、５０．０ｎｍ／分、５０．５ｎｍ／分、５１．０ｎｍ／分、５１．５ｎｍ／分、５２．０ｎｍ／分、５２．５ｎｍ／分、５３．０ｎｍ／分、５３．５ｎｍ／分、５４．０ｎｍ／分、５４．５ｎｍ／分、５５．０ｎｍ／分、５５．５ｎｍ／分、５６．０ｎｍ／分、５６．５ｎｍ／分、５７．０ｎｍ／分、５７．５ｎｍ／分、５８．０ｎｍ／分、または５８．５ｎｍ／分のサファイア表面除去速度であるサファイア表面からの材料除去速度（ＭＲＲ）を達成しうる。
【００６７】
この方法は、最大１ミクロンの初期ＲＭＳから、ある時間周期（例えば約１８０分）のサファイア表面の研磨の後に、２．０ｎｍ、１．９ｎｍ、１．８ｎｍ，１．７ｎｍ，１．６ｎｍ，１．５ｎｍ，１．４ｎｍ，１．３ｎｍ，１．２ｎｍ，１．１ｎｍ、１．０ｎｍ、０．９ｎｍ、０．８０ｎｍ、０．７０ｎｍ，０．６０ｎｍ，０．５０ｎｍ，０．４０ｎｍ，０．３０ｎｍ、０．２０ｎｍ，０．１０ｎｍより小さいか等しいサファイア表面の二乗平均平方根（ＲＭＳ）粗度またはＲqを提供しうる。キットは、ある時間周期（例えば約１８０）のサファイア表面の研磨の後に、５．０Å、４．９Å、４．８Å、４．７Å、４．６Å、４．５Å、４．４Å、４．３Å、４．２Å、４．１Å、４．０Å、３．９Å、３．８Å、３．７Å、３．６Å、３．５Å、３．４Å、３．３Å、３．２Å、３．１Å、３．０Å、２．９Å、２．８Å、２．７Å、２．６Å、２．５Å、２．４Å、２．３Å、２．２Å、２．１Å、２．０Å、１．９Å、１．８Å、１．７Å、１．６Å、または１．５Åより小さいか等しいサファイア表面のＲＭＳ粗度を達成しうる。
【００６８】
この方法は、ある時間周期（例えば約１８０分）のサファイア表面の研磨の後に、１．８ｎｍ，１．７ｎｍ，１．６ｎｍ，１．５ｎｍ，１．４ｎｍ，１．３ｎｍ，１．２ｎｍ，１．１ｎｍ、１．０ｎｍ、０．９ｎｍ、０．８０ｎｍ、０．７０ｎｍ，０．６０ｎｍ，０．５０ｎｍ，０．４０ｎｍ，０．３０ｎｍ、または０．２０ｎｍと等しいか小さいサファイア表面の粗度平均またはＲaを提供しうる。キットは、ある時間周期（例えば約１８０分）のサファイア表面の研磨の後に、４．５Å、４．４Å、４．３Å、４．２Å、４．１Å、４．０Å、３．９Å、３．８Å、３．７Å、３．６Å、３．５Å、３．４Å、３．３Å、３．２Å、３．１Å、３．０Å、２．９Å、２．８Å、２．７Å、２．６Å、２．５Å、２．４Å、２．３Å、２．２Å、２．１Å、２．０Å、１．９Å、１．８Å、１．７Å、１．６Å、または１．５Åというサファイア表面の粗度平均を達成しうる。
【００６９】
この方法はまた、研磨プロセス中に著しい温度上昇を伴わないサファイア表面の効果的な研磨を可能にしうる。例えば、研磨中には０．１，０．２，０．３，０．４，０．５，０．６，０．７，０．８，０．９，１，２，３，４，５，６，７，８，９，または１０℃未満だけ温度が上昇しうる。
【００７０】
研磨時間（例えば、１８０分のようにここに記載の研磨時間）にわたって、摩擦係数（ＣｏＦ）が監視されうる。このような監視から、研磨時間にわたって約０．０５，０．１０，０．１５，０．２０，０．２５，０．３０，０．３５，０．４０，０．４５，または０．５０だけＣｏＦが上昇することが示されうる。
【００７１】
４．広範分布コロイダルシリカ組成物を調製する方法
研磨組成物は、連続的な製造プロセスを通して合成されうる。広範な分布のコロイダルシリカ組成物は、当該技術で周知の任意の適当な手段により準備されうる。いくつかの実施形態では、工学的な連続製造プロセスにより組成物が得られうる。他の実施形態では、規定の比での指定粒子サイズの混合を通して組成物が得られうる。
【００７２】
ａ．工学的連続製造プロセス
適当な工学的連続製造プロセスは、所定の粒子サイズまたは粒子サイズ分布を有する既成のシリカ粒子を用意するステップと、アルカリ剤を用意するステップと、ケイ酸を用意するステップとを含みうる。これらの構成要素は一般的に、反応容器内で新たな核生成が生じるのを妨げるため制御された速度で反応器へ供給される。連続反応器では、定常条件が達成された後には粒子のサイズおよび分布は概ね一定のままである。組成物の粒子サイズ分布は、単一反応器の連続プロセスで正確に制御されうる。既成のコロイダル粒子のみが成長することを保証するため、新しい粒子を形成するための核生成速度より低い速度にケイ酸の供給速度が維持される。
【００７３】
供給速度は、９０℃では１，０００平方メートルの表面積で１時間あたりシリカがＳｉＯ2として１０．０グラムでありうるため、新たな核生成が完全に回避される。この供給速度は温度依存であって、温度が高いほど高い供給速度が可能である。このようにして、所望の粒子サイズ分布を維持して新たな粒子の核生成を回避しながら、コロイダルシリカが所望の粒子サイズまで「成長」できる。各構成要素の供給速度を監視することにより、結果的に得られるコロイダルシリカの増加を最大化させることができ、そのためシリカの生成が最大化されうる。
【００７４】
工学的連続製造プロセスの別の供給構成要素は、既成のコロイダル粒子を含む。一般的に、この構成要素は狭い分布を有するコロイダル粒子を含む。広範な粒子サイズ分布のシリカの形成中に、ケイ酸がこれらの粒子に付着する。そのため使用される既成粒子の粒子サイズは、結果的に得られる広範な分布の生成物の所望の最小粒子サイズであり、生成されるコロイダルシリカ粒子の本質的にすべてが、既成のシリカゾル粒子より大きい。一般的には、結果的に得られるシリカゾルの所望の平均粒子サイズおよび粒子サイズ分布が特定され、これにしたがって既成シリカとケイ酸に対する既成シリカの比とが使用される。既成シリカゾル粒子の粒子サイズの増大は、結果的に得られるコロイダルシリカの最小および平均の粒子サイズを増大させる。
【００７５】
ケイ酸溶液を調製する例示的な方法は、Ｈ+−陽イオン交換樹脂の床（bed）にケイ酸ナトリウム溶液を通過させることである。結果的に得られる脱イオン化ケイ酸溶液はかなり反応性が高い傾向が見られ、重合作用を遅らせるため一般的には低温に保たれる。ケイ酸溶液をアルカリ溶液に添加すると、「供給シリカ」または「ヒール（heel）」を形成する。ヒールまたは供給シリカは、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、ＮＨ4ＯＨなどおよびこれらの組み合わせのようなアルカリ剤を含有する。
【００７６】
一般的に、ケイ酸は４から８％の濃度を有し、約２から４の範囲のｐＨを有する。本発明での使用には、他のシリカ粒子成長技術で使用されうるあらゆるケイ酸が想定されている。任意の適当なタイプのケイ酸溶液が利用されうることと、任意の適当な方法を通してケイ酸が生成されうることとが認識されるべきである。
【００７７】
ケイ酸の供給速度は、新たな核生成が発生する速度より低く維持されるべきである。最高供給速度は、反応器の容積および反応温度に依存する。容積が大きくなるほど、最高供給速度は高くなる。温度が高いほど、最高供給速度は高くなる。既成コロイダル粒子の供給を使用しない一般的な連続システムについては、反応器で新たな粒子が形成される。本発明の方法を通して、最小粒子サイズ境界が維持されうる。
【００７８】
反応器系へのアルカリ剤供給構成要素は一般的に、アルカリ系を維持する塩基材料である。シリカゾル生成に通常使用されるアルカリは、すべて許容可能である。一般的なアルカリ剤は、約８．０から約１２．５の間の（シリカゾル生成に理想的な）ｐＨ範囲を有する。ゲル形成を防止するために、通常は希釈溶液が使用される。適当なアルカリ剤の例としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化アンモニウム、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウムなど、そして以上の組み合わせが挙げられる。
【００７９】
結果的に得られるコロイダルシリカの最小粒子サイズは、既成シリカゾルの粒子サイズにより制御され、広範粒子サイズ分布はケイ酸に対する既成シリカゾルの比に依存する。例えば、既成コロイダルシリカに対するケイ酸の比を上昇させると、分布曲線を幅広にするとともに平均粒子サイズを増大させる。同じ平均粒子サイズを保ちながら分布曲線を狭くするには、大きな既成粒子と、既成コロイダルシリカに対するケイ酸の比の上昇とが使用されうる。
【００８０】
一実施形態では、本発明に使用される反応器は単一のオーバーフローユニットである。一般的に反応温度は４０℃より高く入熱が必要である。最高温度は通常、反応器圧力定格に依存する。１５０℃から２００℃の上端温度が一般的である。しかし、反応器が高圧定格を有する場合には、より高い温度が採用されうる。
【００８１】
他の連続システムのように、このシステムは、定常条件を達成するのに充分なほど長く作動しうる。最初の操作の後で、（同じ生成物が作られると仮定すると）前に作られた生成物が最初の反応器内容物として使用されうる。この実施形態によれば、前の操作で生成されたコロイダルシリカ粒子を反応器に加えることにより、反応器では定常条件が維持される。
【００８２】
したがって、広範な粒子サイズ分布のコロイダルシリカ粒子は、（ａ）所定の最小粒子サイズの既成シリカゾル粒子を含む第１構成要素を少なくとも一つの撹拌加熱反応器へ供給することと、（ｂ）ケイ酸を含む第２構成要素を反応器に加えることであって、新たにシリカ粒子の核が生成される速度よりも低い速度で第２構成要素が反応器に供給されることと、（ｃ）アルカリ化剤を含む第３構成要素を反応器に加えることとを何らかの順序で包含し、（ｄ）結果的に得られるコロイダルシリカの最小粒子サイズが第１構成要素の粒子サイズにより制御され、広範粒子サイズ分布が第２構成要素に対する第１構成要素の供給速度の比に依存する方法により、生成されうる。
【００８３】
いくつかの実施形態では、生成されたコロイダルシリカ粒子の本質的にすべてが第１構成要素の既成シリカゾル粒子より大きい。いくつかの実施形態では、広範粒子サイズ分布の平均粒子サイズは、第１構成要素の平均粒子サイズにより決定される。いくつかの実施形態では、広範粒子サイズ分布の平均粒子サイズは、第１構成要素と第２構成要素との供給速度の比により決定される。いくつかの実施形態では、この比を上昇させると、広範粒子サイズ分布曲線が幅広になる。いくつかの実施形態では、この方法は、広範粒子サイズ分布曲線の平均粒子サイズを増大させることを含む。いくつかの実施形態においてこの方法は、大きな既成シリカゾル粒子を第１構成要素に含めることと第１構成要素と第２構成要素との供給速度比を上昇させることとにより平均生成粒子サイズを変えることなく比較的狭い粒子サイズ分布曲線を作成することを含む。いくつかの実施形態では、反応器は単一のオーバフロー反応器である。いくつかの実施形態では、反応器は一連の反応器である。いくつかの実施形態では、方法は、生成されたコロイダルシリカ粒子を濃縮することを含む。いくつかの実施形態では、方法は、反応中に蒸発を介して濃縮することを含む。いくつかの実施形態では、約４０から約２００℃の範囲の温度に反応器が維持される。いくつかの実施形態では、アルカリ化剤は約８．０から約１２．５のｐＨを維持する。いくつかの実施形態では、生成されたコロイダルシリカを反応器から連続的に除去することにより、反応器は一定の容積に保たれる。いくつかの実施形態では、方法は、連続プロセスとして方法を実行することを含む。いくつかの実施形態では、方法は、反応器の前の操作で生成されたコロイダルシリカ粒子を反応器に加えることにより反応器で定常条件を維持することを含む。
【００８４】
ｂ．混合プロセス
混合プロセスは、所定の粒子サイズまたは粒子サイズ分布を有する既成シリカ粒子を用意するステップと、粒子を混合して広範な粒子サイズ分布を有する組成物を用意するステップとを含みうる。例えば、プロセスは、約５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０，３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８，３９，４０，４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８，４９，５０，５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８，５９，６０，６１，６２，６３，６４，６５，６６，６７，６８，６９，７０，７１，７２，７３，７４，７５，７６，７７，７８，７９，８０，８１，８２，８３，８４，８５，８６，８７，８８，８９，９０，９１，９２，９３，９４，９５，９６，９７，９８，９９，１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７，１０８，１０９，１１０，１１１，１１２，１１３，１１４，１１５，１１６，１１７，１１８，１１９，または１２０ｎｍの平均粒子サイズを有する二つ以上の単峰コロイダルシリカ組成物の選択を必要としうる。二つ以上の組成物が所望の比で混合され、広範な粒子サイズ分布を有する組成物を生成する。
【００８５】
本発明は、ここに記載される様々な実施形態のいくつかまたはすべてにより可能な組み合わせのいずれかおよびすべてを内含する。本出願に引用される特許、特許出願、科学論文、他の参考文献のいずれかおよびすべてが、本明細書で引用される任意の参考文献と共に、参照により全体として援用される。
【００８６】
本発明は多数の態様を有し、そのいくつかが以下の非限定的な例により例示される。
【００８７】
例
一般的な材料および方法
直径３インチのＣ面（０００１）の切削され磨かれた状態のサファイアウェハを、Ｒｏｄｉｔｉ，Ｉｎｃ．およびＧＴ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓから入手した。研磨パッドは、ノースカロライナ州モンローのＥｍｉｎｅｓｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓから購入された。他に記載のない限り、研磨実験は、カリフォルニア州キャンベルのＣＥＴＲにより製造されたＣＰ−４  ＣＭＰ検査機器を使用して実行された。ＳｐｅｅｄＦａｍの３２ＧＰＡＷ機器について、付加的な指定の研磨調査が実施された。研磨プロセスの概要が図１に示されている。
【００８８】
Ｎａｎｏｓｃｏｐｅ  IIIａ制御装置を装備したＶｅｅｃｏ  Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ  Ｇｒｏｕｐ製のＤｉｇｉｔａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ  ３１００顕微鏡を用いて、ＡＦＭ画像が取得された。Ｖｉｓｔａｐｒｏｂｅ  ＣＳＲ−１０エッチングシリコンプローブチップ（長さ２２５μｍ、共振周波数２８ｋＨｚ、公称バネ定数０．１Ｎ／ｍ）と、応用ナノシリコンプローブ（１３ｋＨｚの共振周波数、０．１７Ｎ／ｍの公称バネ定数）のいずれかを使用して、画像が接触モードで収集された。
【００８９】
粗度および他の表面フィーチャについて統計的に重要なデータを取得するため、通常は各サファイアウェハで最少でも５箇所が試験を受け、いくつかの箇所でウェハの中心とともにエッジを評価する。概して、５個の異なる方形画像エリアの試験が行われた。７５μｍ、２５μｍ、５μｍ、１μ、および５００ｎｍ。Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  Ｎａｎｏｓｃｏｐｅ  IIIａRソフトウェアのバージョン５．３１ｒ１を用いて、データが解析された。上面図と表面プロットとが構築され、表面粗度計算が最初の高さデータについて実施された。圧電スキャナと共通する圧電ヒステリシス効果を除去するために、標準的な二次または三次面フィットと平坦化パラメータとで構成されるデータ操作のみ行った。二次面フィットは概して、１ｕｍ〜１０ｕｍのエリアのような小さいエリアの画像に適用され、一方で三次面フィットは広いエリアに適用された。
【００９０】
サファイア表面の粗度はいくつかの異なる手法で評価された。Ｚ較差は、画像エリアでの最大および最小フィーチャ間の高さの差である。埃の付いた完全に平らな表面は高いＺ較差を記録するので、このフィーチャは誤解を招きやすい。しかし、汚れのない比較的粗い表面という状況で検討すると、顕著なフィーチャについての視覚的表示が提供される。
【００９１】
二乗平均平方根（ＲＭＳ）粗度Ｒqは、所与のエリア内でのＺ値の標準偏差であり、式１により表される。
【数４】
0006273281.tif 000005
【００９２】
Ｚavgは所与のエリア内での平均Ｚ値であり、ＺiはＺ関心値（点または画素）であり、Ｎは所与のエリア内での点の数である。ゆえに、完全に平らな表面であればＲq＝０を有するだろう。非ゼロだが低いＲqであれば、表面は粗いが粗度に関与するフィーチャがすべて概ね等しいことを表す。他方で高いＲqは、フィーチャ間に高度な変動性があることを示す。
【００９３】
中間粗度Ｒaは中心面からの偏差の算術平均であり、式２により表される。
【数５】
0006273281.tif 000006
【００９４】
Ｚcpは中心面のＺ値であり、ＺiはやはりＺ関心値であり、Ｎは所与のエリア内の点の数である。等式１では平均の代わりに中心面が使用されるので、中間粗度は実際には中央値に近い。平均値および中央値と同様に、式１により計算される粗度は、データにスパイクを発生させるフィーチャまたは汚れによる歪みの影響をより受けやすいことが予想されるだろう。
【００９５】
サファイアの材料除去速度は、０．０００１ｇまでの測定が可能な解析用上載せはかりを使用した重量測定により決定される。サファイアの密度が３．９８ｇ／ｃｍ3であると分かっているので、０．００１グラムの損失は、３インチ（７．６２ｃｍ）ウェハの表面での５５．１ｎｍの均一な損失に等しい。そのため、材料除去速度は以下の変換式により計算されうる。
【数６】
0006273281.tif 000007
【００９６】
例１
コロイダルシリカスラリーの特徴評価
【００９７】
コロイダルシリカ生成物を脱イオン（ＤＩ）水で希釈して０．１ＭのＮａＯＨでｐＨを１０．２に調節することにより、コロイダルシリカスラリーが調製された。これらの例で使用されたコロイダルシリカスラリーの代表的なデータおよび性質が、表１に挙げられている。粒子サイズ特徴は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ），動的光散乱（ＤＬＳ）、および／またはシアーズ滴定に基づき、およそ３０〜１０５ｎｍのサイズ範囲を持つ。
【００９８】
組成物１は、平均して２５ｎｍ（滴定による）および８５ｎｍ（ＤＬＳによる）の広範な分布のカリウム安定化ゾルを含む。これらの粒子は連続プロセスでカリウムにより成長され限外濾過（ＵＦ）を介して固体が約４０％となるまで濃縮される。このような組成物はＮａｌｃｏ（登録商標）１３１８４として市販されている。
【００９９】
組成物１を調製するため、ｐＨ９．１で固体が３１．１％である１２８６０グラムの上記生成物が、脱イオン水で２０００グラムまで希釈された。次に２５０グラムの０．１ＭのＮａＯＨでｐＨが１０．１に調節された。結果的に得られるスラリーは固体１９．９％と解析された。
【０１００】
組成物２は、多峰分布のナトリウム安定化ゾルから成り、公称粒子サイズはおよそ２５ｎｍで粒子の５０％以上が４０と１２０ｎｍの間である。ＴＥＭによる粒子サイズ測定は、３６ｎｍの平均粒子サイズを示す。この組成物は、およそ２５，５０，８０ｎｍの３種の異なるナトリウム成長（sodium grown）による単峰組成物を混合させたものであり、これらは正しい粒子サイズを得るため混合され、ＵＦを介して固体がおよそ５０％となるまで濃縮された。このような組成物は、Ｎａｌｃｏ（登録商標）１０６０として市販されている。
【０１０１】
組成物２を調製するため、ｐＨ８．７で固体が４９．７％である７６２８グラムの上記生成物が、脱イオン水で１８９３５グラムまで希釈された。次に２５０グラムの０．１ＭのＮａＯＨでｐＨが１０．１に調節された。最終的なスラリーは、固体が１９．８％と解析された。
【０１０２】
組成物３は、平均して３８ｎｍ（滴下による）および８５ｎｍ（ＤＬＳによる）の広範な分布のカリウム安定化ゾルを含む。これらの粒子は連続プロセスでカリウムにより成長されＵＦを介して固体が４０％まで濃縮され、組成物１の粒子に類似した方法で調整される。このような組成物はＮａｌｃｏ（登録商標）ＤＶＳＴＳ０２９として市販されている。
【０１０３】
組成物３を調製するため、ｐＨが９．６５で固体が５０．４％である７５２７グラムの上記生成物が、脱イオン水で１８９４８グラムまで希釈された。次に２０グラムの１．０ＭのＮａＯＨでｐＨが１０．１に調節された。結果的に得られるスラリーは、固体２０．２％と解析された。
【０１０４】
組成物４は、平均８０ｎｍ（ＤＬＳによる）の狭い分布のコロイダルシリカを含む。これらの粒子は商業的に、ナトリウムで成長されてから限外濾過（ＵＦ）を介して固体が４０％まで濃縮される。このような組成物は、Ｎａｌｃｏ（登録商標）２．３２９Ｋとして市販されている。
【０１０５】
組成物４を調製するため、８．２９で固体が４０．４％である９９１９グラムの上記生成物が、脱イオン水で１９６０２グラムまで希釈された。次に２０グラムの１．０ＭのＮａＯＨでｐＨが１０．０に調節された。結果的に得られるスラリーは、固体２０．６％と解析された。
【０１０６】
組成物５は、狭い分布のコロイダルシリカを含む。これらの粒子は、商業的に、ナトリウムで成長されてから限外濾過（ＵＦ）を介して固体４８％まで濃縮される。このような組成物は、Ｎａｌｃｏ（登録商標）２３２９Ｐｌｕｓとして市販されている。
【０１０７】
組成物５を調製するため、ｐＨが９．８９で固体が４７．６％である７９７８グラムの上記生成物が、脱イオン水で１８９４１グラムに希釈された。次に２０グラムの１．０ＭのＮａＯＨでｐＨが１０．５に調節された。結果的に得られるスラリーは、固体２０．１％と解析された。
【０１０８】
組成物６は、多峰分布のナトリウム安定化ゾルから成り、公称粒子サイズはおよそ２２ｎｍであり、粒子の８５％以上が３８ｎｍ未満である。ＴＥＭ粒子サイズ測定は、２２ｎｍの平均粒子サイズを示す。この組成物は、およそ１２，２５，５０，８０，および１００ｎｍの５種の異なるナトリウム成長による単峰分布コロイダルシリカ組成物を混合させたものであり、これらは正しい粒子サイズ分布を得るため混合され、ＵＦを介して固体がおよそ５０％まで濃縮される。
組成物６を調製するため、ｐＨが９．５で固体が４９．７％である７６２８グラムの上記生成物が、脱イオン水で１８９３５グラムまで希釈された。次に２５０グラムの０．１ＭのＮａＯＨでｐＨが１０．１に調節された。最終的なスラリーは、固体１９．８％と解析された。
【０１０９】
【表１】
0006273281.tif 000008
【０１１０】
図２は、組成物の各々についてのＴＥＭ  ＰＳＤを重ねたものを表す。概して、広範ＰＳＤゾルと記されるコロイダルシリカ組成物は非ガウス性であると分かり、ここでは公称粒子サイズとして定義されるモード値と著しく異なる平均粒子サイズを有する。対照的に、単峰分布ゾルは限定されたガウス分布にわたる粒子サイズを有し、モード値と平均粒子サイズ値とは本質的に同等である。広範分布は、米国特許第６，９１０，９５２号に記載の慣行を使用して、この分布のＴＥＭ平均粒子サイズｒと標準偏差σとの間の比の形で説明されうる。この指数を使用すると、調査対象の研磨粒子は二つのグループに明確に分かれる。緊密な単峰のガウス分布と見られるものは結果的にσ／ｒ比が０．１５未満となるのに対して、広範な非ガウス分布は０．４５より大きい比を有する。ＴＥＭ  ＰＳＤヒストグラムをさらに解析すると、単峰分布の粒子サイズとほぼ関連する「ビン（bins）」サイズで数えられる粒子の相対百分率が得られる。ＴＥＭ解析は表２に挙げられている。
【０１１１】
【表２】
0006273281.tif 000009
【０１１２】
図３も、各組成物の代表的なＴＥＭ画像を表している。
【０１１３】
例２
サファイア研磨試験
３種の異なる研磨パッドを使用して研磨試験が実施された。
ＳＵＢＡ（商標）５００：１３％の圧縮率と５５のショアＤ硬度とを備えるポリウレタン含浸ポリエステルフェルトパッド。
ＳＵＢＡ（商標）６００：４％の圧縮率と８０のアスカーＣ硬度とを備えるポリウレタン含浸ポリエステルフェルトパッド。
ＳＵＢＡ（商標）８００：４％の圧縮率と８２のアスカーＣ硬度とを備えるポリウレタン含浸ポリエステルフェルトパッド。
ＭＨＮパッド：３％の圧縮率と８４のＪＩＳ硬度とを備えるポリウレタン樹脂フェルトパッド。
【０１１４】
新品の時または使用のたびに、パッド調整では、ポリウレタン研磨パッドの独立または被覆気泡を開放する。これはウェハへのスラリーの移動を向上させうるとともに、パッド寿命にわたって一貫した研磨表面を提供し、結果的にウェハごとの研磨変動性を低下させる。パッド調整プロセスでは、パッド表面に印加される最小の下向き力により、コンディショニングリングが機器の上のウェハキャリアと交換される。表３は、この研究でパッドを調整するのに使用された調整パラメータをまとめたものである。
【０１１５】
【表３】
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【０１１６】
ＣＰ−４  ＣＭＰ検査機器は、２から４インチのウェハと９インチのプラテンパッドとを収容できる。研磨中に、摩擦力とウェハパッド境界面での摩擦係数（ＣｏＦ）とプラテンパッド温度とがその場で連続的に監視される。この例で使用されるプロセス条件が表４にまとめられている。
【０１１７】
Ｓｐｅｅｄｆａｍ  ＧＰＡＷ  ３２研磨器は、３２インチのプラテンパッドと４個の研磨ヘッドとを有し、各ヘッドが３または８３インチのウェハを収容する取り付けテンプレートを装備する。研磨中に、プラテンパッド温度が監視される。この例で使用されるプロセス条件が表４にまとめられている。
【０１１８】
【表４】
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【０１１９】
操作時間、処理圧力、パッド、コロイダルシリカ研削材、および研削材濃度を変化させながら、すべての操作でプラテン速度を一定に保ってすべてのウェハが研磨された。ＣＥＴＲ  ＣＰ−４システムについては、ウェハキャリア回転が研磨中にモータ駆動されて制御される。Ｓｐｅｅｄｆａｍ  ＧＰＡＷ３２については、ウェハキャリアヘッドはモータ駆動されず、研磨プロセスの摩擦力を受けてウェハが自由回転する。概して、すべての組成物がプレストン則に基づく挙動を示し、材料除去速度（ＭＲＲ）は下向圧力および回転速度の線形関数である。しかし、線の勾配、そのためこれらの変数の各々の影響度は、研磨組成物によって大きく変化する。同様に、ＭＲＲは研磨スラリー中のコロイダルシリカの濃度に大きく依存し、最大粒子の濃度が低下すると、速度低下が大きくなる。業界標準である２０％のＳｉＯ2の固体投入において、調査対象のコロイダルシリカゾルの公称粒子サイズの影響がさらに調べられる。検討目的のため、これらのデータの部分集合がここでまとめられる。
【０１２０】
表５は、共通の処理パラメータでのＣ面サファイア研磨研究用の操作について得られた除去速度をまとめたものである。シリカゾルは脱イオン水でシリカ固体が２０％まで希釈され、ｐＨは９．５より高く調節された。７．１１および１０．００ｐｓｉ（約４９及び６９ｋＰａ）の二つの下向き圧力が、三つのＳＵＢＡ（商標）パッドおよび一つのＭＨ−Ｎパッドについて評価され、すべてのウェハが１８０分間研磨された。比較目的のため、初期検査がＳＵＢＡ５００パッドで行われ、下向き力は１２．００ｐｓｉ（約８３ｋＰａ）まで上昇され、ウェハは２時間のみ研磨された。
【０１２１】
【表５】
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【０１２２】
図４では、データはグラフ上ではコロイダルシリカ研削材の公称粒子サイズの関数である。プロセスＡおよびＤに示されたＳＵＢＡ（商標）５００パッドは最高の除去速度を示し、組成物２，３，６のすべてで、１０ｐｓｉ（約６９ｋＰａ）の下向き圧力では毎分４５ｎｍより高い材料除去速度が結果的に得られた。これは、同一の研磨条件における、より大径な単峰組成物４，５の速度の２倍以上である。ＳＵＢＡ（商標）６００およびＳＵＢＡ（商標）８００パッドを使用する研磨プロセスについてのサファイア除去速度は、コロイダルシリカ粒子サイズまたはＰＳＤにそれほど依存せず、ＭＲＲ値はおよそ２０＋／−５ｎｍ／分である。また、プロセスＢでＳＵＢＡ６００パッドとともに使用される組成物６を除いて、同一の研磨条件及び７．１１ｐｓｉ（約４９ｋＰａ）下向き圧力における、より大径の単峰組成物４および５の速度の２倍以上である毎分４５ｎｍよりも高い材料除去速度が得られる。
【０１２３】
１２．０ｐｓｉ（約８３ｋＰａ）の下向き力でのＳＵＢＡ（商標）５００パッドでの２０分ずつ増える研磨（プロセスＡ）により、文献に記されている２０分研磨速度でのＭＲＲを比較するとともに、除去速度、摩擦係数、および表面仕上げに関して平面化の進行を追跡することができる。図５は、プロセスＡを使用した組成物５の研磨時間に応じて、ＭＲＲの低下と、これに対応するその場のＣｏＦの上昇とを図に示したものである。最初の２０分の研磨周期では、組成物５のＭＲＲは約３４．２ｎｍ／分であることが分かっており、これは好ましいことに、類似の条件で報告された２５〜４０ｎｍ／分の速度に匹敵する。（例えば米国特許出願第２００６／０１９６８４９号と台湾特許出願第２００７／２８７４８４号を参照）。しかし、研磨が進行するにつれて、摩擦係数の上昇とともに除去速度が低下する。平滑化作業を検討するとこれが理解されうる。概して、最初は研削材が表面の凸部を平坦化する。平面化が続くと、粒子、パッド、およびウェハ表面の間の表面接触が増大し、結果的にこの境界面での摩擦が上昇する。しかし、表面全体にわたってはるかに大きな材料塊を除去することにより、深溝が除去されなければならない。従来のＣＭＰプロセスに見られるような相当の表面修正が欠如しているために、除去速度の低下は当然の結果である。１８０分の操作時間を通して温度が２４．０度Ｃ＋／−２度で比較的安定していることに注目することが重要である。
【０１２４】
断面Ｃに記された対応のＡＦＭ表面プロットを見ると、これがさらに理解されうる。２０分の研磨では、図８ａに見られるような表面が生成される。研磨プロセスのこの点で、５０ｕｍ2のエリアから、比較的平滑な広いエリアを表面が有することは明らかであるが、いくつかの粒子が表面に付着して（高さ２５ｎｍｍまでの「尖端」として現れる）、いくつかの深い「のこぎり溝」がまだ残っており、表面のさらなる平面化が必要であることを示唆している。平面化プロセス中にウェハ、パッド、および粒子の間の表面接触が著しく増加すると、４０分の研磨の後に除去速度がかなり低下することに注目すべきである。
【０１２５】
図６は、研磨前に調べられたサファイアウェハの一つの一般的な表面を示す。Ａ）Ｃ面ウェハの５μｍ2×８００ｎｍの表面プロット、ＲＭＳ＝１５０．５ｎｍ、Ｒa＝１１７．１ｎｍ。Ｂ）同じウェハの２０μｍ2×２０００ｎｍの表面プロット、ＲＭＳ＝２０４．３ｎｍ、Ｒa＝１６２．６ｎｍ。大きく尖った表面フィーチャが明白であり、ｚスケールは、これらのフィーチャが数百ナノメートル程度の高さであることを示す。同じ５μｍ2の箇所の上面図が図７に示されている。上面図は色シェーディングにより表面フィーチャの相対高さを示し、最も低いエリアは暗く見え、最も高いエリアは明るい。この未研磨表面の画像Ｚ較差は、（最低点から）二分の一ミクロンほどの高さの尖端を示す。画像全体の粗度はＲa＝１１７ｎｍであり、ナノメートル以下の粗度という最終目標よりもかなり高い。これはサファイアコアからのスライス（のこぎり切断）の後でのウェハ表面であるため、おそらくはのこぎり跡が図６および７に見られる形態の原因である。
【０１２６】
１２．０ｐｓｉ（約８３ｋＰａ）の下向き力でのＳＵＢＡ５００パッドでの２時間の周期の研磨（プロセスＡ）は、図８および９に見られるような表面を生成する。図８は、組成物５による研磨プロセスＡ中のＣ面サファイアのＡＦＭ表面プロットを示す。Ａ）２０分の研磨時間、２５μｍ2×２０００ｎｍの表面プロット、ＲＭＳ＝３５０ｎｍ。Ｂ）１２０分で２５μｍ2×２００ｎｍの表面プロット、ＲＭＳ＝７０ｎｍ。Ｃ）１μｍ2×５０ｎｍの表面プロット、ＲＭＳ＝４．３０ｎｍ、Ｒa＝３．５０ｎｍ。図９は、組成物２を使用した研磨プロセスＡの後のｃ面サファイアウェハのＡＦＭ上面図（１μｍ×１μｍ）と粗度統計とを示す。
【０１２７】
研磨プロセスのこの点で、５０μｍ2エリアから、比較的平滑な広いエリアを表面が有するが、いくつかの粒子が表面に付着していくつかの深い「のこぎり溝」がまだ残っているのは明らかで、表面のさらなる洗浄および平面化が必要とされることを示唆している。平滑の程度が上昇して表面相互作用が増加するにつれて、除去速度は低下する。１２０分では、比較的平面状の広いエリアが存在し、ウェハ全体についての代表的な粗度評価を行いながら、表面の微細なフィーチャを捕捉するには１から１０μｍ2のエリアの分離が理想的である。図８ｃの１μｍ2画像では、深さが＜１０ｎｍ程度の小さな溝のみが観察され、エリアは均質に見え、ナノメートルの表面粗度を含む。
【０１２８】
しかし、ナノメートル以下の粗度という目標は、最終的な表面粗度目標に達するのに長い研磨時間が必要とされることを暗示している。この理由のため、表６に記されているように、他のすべての研磨操作が１８０分まで延長された。セクションＢで特定された除去速度で６０分の研磨時間が追加されると、表面平滑性目標、攻撃的研磨やえぐり取り（gouging）の防止に必要なサファイア除去深さを満たすように、すべてのシリカスラリーが計算された。表に記載された結果から分かるように、７．１１ｐｓｉ(約４９ｋＰａ)の下向き圧力は、使用されるＳＵＢＡパッドに関係なく、小さな公称粒子サイズを持つシリカゾルについての表面仕上げ目標を満たすのには不充分である。
【０１２９】
【表６】
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【０１３０】
１８０分の研磨操作は、ナノメートル以下の表面粗度をより一定して生じることができた。図１０は、プロセスＤ条件での１８０分間の研磨の後のＣ面ウェハ表面を示し、ナノメートル以下の平均粗度が達成されたことを表している。図１１は同じウェハの断面を示し、表面上での変動性を表している。図１２はプロセスＢ条件で組成物６を使用した１８０分間の研磨の後のＣ面ウェハ表面を示し、図１３は同じウェハの断面を示し、表面上での変動性を表している。図１４はプロセスＦ条件で組成物２を使用した１８０分間の研磨の後のＣ面ウェハ表面を示し、図１５は同じウェハの断面を示し、表面上での変動性を表す。図１６はプロセスＦ条件で組成物６を使用した１８０分間の研磨の後のＣ面ウェハを示し、図１７は同じウェハの断面を示し、表面上での変動性を表している。図１８はプロセスＤ条件で組成物６を使用した１８０分間の研磨の後のＲ面ウェハ表面を示し、図１９は同じウェハの断面を示し、表面での変動性を表す。
【０１３１】
組成物６がプロセスＢで１１５オングストロームのＲＭＳと０．９オングストロームのＲａとを達成してから、組成物２がプロセスＤで２．８５オングストロームのＲＭＳと２．０３オングストロームのＲａとを達成してから、組成物３がプロセスＤで４．８９オングストロームのＲＭＳと３．７３オングストロームのＲａとを達成することで、最高の性能が得られた。これらの組成物はまた、断面Ｂに記されているように最高の除去速度を達成し、ＭＲＲ値はそれぞれ４５．２，５１．５，４７．０ｎｍ／ｍｉｎである。
【０１３２】
Ｒ面サファイアウェハは、似たような傾向が観察されたＣ面ウェハと同じ条件で研磨されうる。例えば、Ｒ面ウェハがプロセスＤで固体４０％の組成物４を使用して３時間研磨されると、４３．５ミクロン／分の材料除去速度となり、２．６４オングストロームのＲＭＳと２．１オングストロームのＲａとを達成する。Ｒ面ウェハがプロセスＤで固体４０％の組成物６を使用して３時間研磨されると、４０．６ミクロン／分の材料除去速度となり、２．９２オングストロームのＲＭＳと２．３オングストロームのＲａとを達成する。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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