JP6916634B2 - Abrasive grains for polishing - Google Patents
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Description
本発明は、サファイア、炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）等の被研磨材の表面を研磨するために使用される研磨用砥粒に関する。 The present invention relates to abrasive grains used for polishing the surface of a material to be polished such as sapphire, silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN).
近年、多機能化と高性能化を目指し、新しい半導体デバイスが次々と提案されている。これらの提案に応えるように、シリコン（Ｓｉ）基板以外の新たな材料が使用されるようになった。特に、サファイアやパワーデバイス用ＳｉＣや、発光ダイオード（ＬＥＤ）用ＧａＮ等の基板が脚光を浴びている。今後、更なる高性能化を図り、量産ができるような低コスト化を目的として、基板の新しい加工方法の開発が切望されている。 In recent years, new semiconductor devices have been proposed one after another with the aim of increasing functionality and performance. In response to these proposals, new materials other than silicon (Si) substrates have been used. In particular, substrates such as SiC for sapphire and power devices and GaN for light emitting diodes (LEDs) are in the limelight. In the future, the development of a new processing method for substrates is eagerly desired for the purpose of further improving the performance and reducing the cost so that mass production can be performed.
半導体デバイスの製造工程では、基板（Semiconductor substrate）の表面を平坦にするために、研磨処理（polishing process）が行われる。従来採用されている一つの方法は、被研磨材の基板を、ダイヤモンド砥粒を含んだ油性スラリーを使用して研磨する方法である。被研磨材の基板の表面が、ダイヤモンド砥粒により機械的に削られる。ダイヤモンド砥粒は炭化ケイ素の基板よりも硬度が高い。この方法は、研磨速度が速く、短時間で目標とする研磨量に達することができる方法である。しかしながら、被研磨材の基板の表面に深く大きな傷を発生させることがある。従って、高品位な研磨面を得ることが難しい。しかも、油性スラリーが、研磨処理の熱で変質するので、ダイヤモンド砥粒が凝集する。その結果、高価なダイヤモンド砥粒を再利用できなくなるという問題があった。 In the process of manufacturing a semiconductor device, a polishing process is performed in order to flatten the surface of the semiconductor substrate. One method conventionally adopted is a method of polishing a substrate of a material to be polished using an oil-based slurry containing diamond abrasive grains. The surface of the substrate of the material to be polished is mechanically ground by diamond abrasive grains. Diamond abrasive grains are harder than silicon carbide substrates. This method has a high polishing rate and can reach a target polishing amount in a short time. However, it may cause deep and large scratches on the surface of the substrate of the material to be polished. Therefore, it is difficult to obtain a high-quality polished surface. Moreover, since the oil-based slurry is denatured by the heat of the polishing process, the diamond abrasive grains are aggregated. As a result, there is a problem that expensive diamond abrasive grains cannot be reused.
上記の問題を解決するために、メカノケミカル効果を生じさせる研磨方法を採用した技術が紹介されている（特許文献１）。メカノケミカル研磨では、被研磨材の表面を変質させて、被研磨材よりも柔らかい研磨砥粒で研磨する。従って、被研磨材の表面に大きな傷を発生させない。また、炭化ケイ素の研磨材として、酸化剤を使用し、研磨レート(removal rate）を向上させる技術も紹介されている（特許文献２）（特許文献３）（特許文献４）。さらに、本発明者等は、メカノケミカル効果を生じさせる複数種類の砥粒をメカニカルアロイ法により粒子状に一体化させた研磨用砥粒を用いて、研磨レートを格段に向上させる技術を紹介した（特許文献５）（特許文献６）（特許文献７）。 In order to solve the above problems, a technique that employs a polishing method that produces a mechanochemical effect has been introduced (Patent Document 1). In mechanochemical polishing, the surface of the material to be polished is altered and polished with abrasive grains that are softer than the material to be polished. Therefore, no large scratches are generated on the surface of the material to be polished. Further, a technique for improving the removal rate by using an oxidizing agent as an abrasive for silicon carbide has also been introduced (Patent Document 2) (Patent Document 3) (Patent Document 4). Furthermore, the present inventors have introduced a technique for dramatically improving the polishing rate by using polishing abrasive grains in which a plurality of types of abrasive grains that produce a mechanochemical effect are integrated into particles by a mechanical alloy method. (Patent Document 5) (Patent Document 6) (Patent Document 7).
特許文献１に示された乾式研磨法(Dry polishing）は、被研磨材(object material）と研磨用砥粒（abrasive particle）との間で高い摩擦熱を発生させて、メカノケミカル研磨(mechanochemical polishing）を促進して、研磨速度(removal rate）の向上を図っている。しかし、高い温度にさらされた研磨用砥粒と研磨屑とが研磨装置の内部に付着するので、装置の洗浄に時間がかかる。従って、生産性が悪いという問題点があった。
The dry polishing method shown in
一方、特許文献２や特許文献３に示された湿式研磨法(Wet polishing）は、過酸化水素等の酸化剤を研磨スラリーに添加して被研磨材の表面を酸化させて、研磨レートの向上を図っている。しかし、酸化剤が含まれるスラリーは、作業環境を悪化させ、廃液処理のコストを増大させる。さらに、酸化剤は研磨装置を腐食させることがある。特許文献４に示された湿式研磨法は、強アルカリ性スラリーを使用してメカノケミカル研磨を促進して、研磨速度の向上を図っている。しかし、ｐＨ１０〜１４といった強アルカリ性のスラリーは、作業環境を悪化させ、廃液処理のコストを増大させる。また、いずれの場合も、研磨処理中に、スラリーの特性が変化しやすいので、監視と調整が不可欠で、研磨工程の自動化が難しいという問題があった。即ち、従来知られた方法では、高い耐食性を持つＳｉＣやＧａＮを実用的な研磨レートで高品位に研磨することができない。
On the other hand, in the wet polishing method shown in
特許文献５、６、７では、上記の課題を解決するために、メカニカルアロイ法により複数種類の成分を相互に直接結合させて粒子状に一体化させた研磨用砥粒を紹介している。研磨用砥粒を構成する複数種類の成分は、それぞれ個々の成分の物質固有の性質をそのまま保持している。この研磨用砥粒により、それぞれの成分が連鎖的に作用して研磨を促進し、従来存在した課題を解決することに成功した。ここで、本発明では、この研磨用砥粒をさらに進化させて、研磨レートの一層の向上を図った研磨用砥粒を提供することを目的とする。
In order to solve the above problems,
以下の構成はそれぞれ上記の課題を解決するための手段である。 The following configurations are means for solving the above problems, respectively.
＜構成１＞
サファイアを湿式研磨するための砥粒であって、
モース硬度が７以上９以下の粒子状の第１の研磨剤と、
上記被研磨材に対してメカノケミカルな作用を有する粒子状の第２の研磨剤と、
スラリーのために使用する純水に対して難溶性のものであって、アルカリ金属塩またはアルカリ土類金属塩からなる粒子状の摩擦熱反応剤と、
平均粒径が１μｍ以下のダイヤモンド粒子の混合物とが、
それぞれ個々の成分の物質固有の性質を保持したまま、メカニカルアロイング処理によって相互に直接結合して全体として粒子状に一体化されており、
上記摩擦熱反応剤は、ＣａＣＯ3、ＳｒＣＯ3、ＭｇＣＯ3、ＢａＣＯ3、Ｌｉ2ＣＯ3、Ｃａ3（ＰＯ4）2、Ｌｉ3ＰＯ4及びＡｌＫ（ＳＯ4）2の群の中から選択された、一種または２種以上の材料であって、上記一体化された粒子の５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占め、
上記ダイヤモンド粒子が、上記一体化された粒子の０．０１重量パーセント以上１０重量パーセント以下を占めることを特徴とする研磨用砥粒。
<
Abrasive grains for wet polishing sapphire
A particulate first abrasive with a Mohs hardness of 7 or more and 9 or less,
A particulate second abrasive that has a mechanochemical effect on the material to be polished, and
A particulate frictional thermal reactant that is sparingly soluble in the pure water used for the slurry and is composed of an alkali metal salt or an alkaline earth metal salt.
A mixture of diamond particles with an average particle size of 1 μm or less
While retaining the material-specific properties of each component, they are directly bonded to each other by mechanical alloying treatment and integrated into particles as a whole.
The above frictional heat reactant is selected from the group of CaCO 3 , SrCO 3 , MgCO 3 , BaCO 3 , Li 2 CO 3 , Ca 3 (PO 4 ) 2 , Li 3 PO 4 and AlK (SO 4 ) 2. In addition, one or more kinds of materials occupy 5% by weight or more and 95% by weight or less of the integrated particles.
Abrasive abrasive grains for polishing, wherein the diamond particles occupy 0.01% by weight or more and 10% by weight or less of the integrated particles.
＜構成２＞
上記第１の研磨剤は、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＳｉＯ4またはＺｒＯ2であって、上記一体化された粒子の５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占める構成１に記載の研磨用砥粒。
<
The polishing abrasive grain according to the
＜構成３＞
上記第２の研磨剤は、Ｃｒ2Ｏ3、Ｆｅ2Ｏ3、ＳｉＯ2の群の中から選択された、一種または２種以上の材料であって、上記一体化された粒子の５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占める構成１に記載の研磨用砥粒。
<
The second abrasive is one or more materials selected from the group Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , and SiO 2 and is 5 weight percent of the integrated particles. The abrasive grain for polishing according to
＜構成４＞
上記第２の研磨剤としてＳｉＯ2を選択したとき、上記第１の研磨剤として、ＳｉＯ2よりもモース硬度が大きいものが選択される構成１に記載の研磨用砥粒。
<
The abrasive grain for polishing according to
＜構成５＞
サファイアを湿式研磨するための砥粒であって、
モース硬度が７以上９以下の粒子状の第１の研磨剤と、
上記被研磨材に対してメカノケミカルな作用を有する粒子状の第２の研磨剤と、
スラリーのために使用する純水に対して難溶性のものであって、アルカリ金属塩またはアルカリ土類金属塩からなる粒子状の摩擦熱反応剤と、
平均粒径が１μｍ以下のダイヤモンド粒子の混合物とが、
それぞれ個々の成分の物質固有の性質を保持したまま、メカニカルアロイング処理によって相互に直接結合して全体として粒子状に一体化されており、
上記第１の研磨剤は、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＳｉＯ4またはＺｒＯ2であって、
上記第２の研磨剤は、Ｃｒ2Ｏ3、Ｆｅ2Ｏ3、ＳｉＯ2の群の中から選択された、一種または２種以上の材料であって、
上記摩擦熱反応剤は、ＣａＣＯ3、ＳｒＣＯ3、ＭｇＣＯ3、ＢａＣＯ3、Ｌｉ2ＣＯ3、Ｃａ3（ＰＯ4）2、Ｌｉ3ＰＯ4及びＡｌＫ（ＳＯ4）2の群の中から選択された、一種または２種以上の材料であって、
上記ダイヤモンド粒子が、上記一体化された粒子の０．０１重量パーセント以上１０重量パーセント以下を占めることを特徴とする研磨用砥粒。
<
Abrasive grains for wet polishing sapphire
A particulate first abrasive with a Mohs hardness of 7 or more and 9 or less,
A particulate second abrasive that has a mechanochemical effect on the material to be polished, and
A particulate frictional thermal reactant that is sparingly soluble in the pure water used for the slurry and is composed of an alkali metal salt or an alkaline earth metal salt.
A mixture of diamond particles with an average particle size of 1 μm or less
While retaining the material-specific properties of each component, they are directly bonded to each other by mechanical alloying treatment and integrated into particles as a whole.
The first abrasive is Al 2 O 3 , ZrSiO 4 or ZrO 2 .
The second abrasive is one or more materials selected from the group of Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , and SiO 2.
The frictional heat reactant is selected from the group of CaCO 3 , SrCO 3 , MgCO 3 , BaCO 3 , Li 2 CO 3 , Ca 3 (PO 4 ) 2 , Li 3 PO 4 and AlK (SO 4 ) 2. Also, one or more materials
Abrasive abrasive grains for polishing, wherein the diamond particles occupy 0.01% by weight or more and 10% by weight or less of the integrated particles.
＜構成６＞
構成１または５に記載の第１の研磨剤と第２の研磨剤と摩擦熱反応剤とを、メカニカルアロイ法により結合させて平均粒径０．０５μｍ以上１００μｍ以下の粒子状に一体化させた研磨用砥粒。
<Structure 6>
The first abrasive, the second abrasive, and the frictional heat reactant according to the
＜構成７＞
炭化ケイ素または窒化ガリウムを被研磨材とする砥粒であって、上記被研磨材に対して化学的研磨作用を発揮する成分と、上記被研磨材を研磨する際に発生する摩擦熱に反応して上記の化学的研磨作用を促進する反応促進剤と、
平均粒径が１μｍ以下のダイヤモンド粒子の混合物とが、
それぞれ個々の成分の物質固有の性質を保持したまま、メカニカルアロイング処理によって相互に直接結合して全体として粒子状に一体化されており、
上記化学的研磨作用を発揮する成分が、Ｚｒを除く周期表上第３族から第１１族までの間に存在する遷移金属元素若しくは周期表上第１２族元素（亜鉛族元素）の、酸化物または複酸化物であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占めるかもしくは、
上記化学的研磨作用を発揮する成分がＭｎＯ2であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占め、
上記反応促進剤が、純水に対して難溶性のもので、かつ、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、ホウ素化合物またはハロゲン化合物であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占めるかもしくは、
上記反応促進剤がＣａＣＯ3であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占め、
上記ダイヤモンド粒子が、上記一体化された粒子の０．０１重量パーセント以上１０重量パーセント以下を占めることを特徴とする研磨用砥粒。
<
Abrasive grains using silicon carbide or gallium nitride as the material to be polished, which reacts with the component that exerts a chemical polishing action on the material to be polished and the frictional heat generated when the material to be polished is polished. With the reaction accelerator that promotes the above-mentioned chemical polishing action,
A mixture of diamond particles with an average particle size of 1 μm or less
While retaining the material-specific properties of each component, they are directly bonded to each other by mechanical alloying treatment and integrated into particles as a whole.
The component that exerts the chemical polishing action is an oxide of a transition metal element or a
The component that exerts the chemical polishing action is MnO 2 , which accounts for 5% by weight or more and 95% by weight or less with respect to the total weight of the abrasive grains for polishing.
The reaction accelerator is sparingly soluble in pure water and is an alkali metal salt, an alkaline earth metal salt, a boron compound or a halogen compound, and is 5 weights based on the total weight of the abrasive grains for polishing. Occupies more than a percentage and less than 95 weight percent, or
The reaction accelerator is CaCO 3 , which accounts for 5% by weight or more and 95% by weight or less with respect to the total weight of the abrasive grains for polishing.
Abrasive abrasive grains for polishing, wherein the diamond particles occupy 0.01% by weight or more and 10% by weight or less of the integrated particles.
＜構成８＞
炭化ケイ素または窒化ガリウムを被研磨材とする砥粒であって、上記被研磨材に対して機械的研磨作用を発揮する成分と、上記被研磨材に対して化学的研磨作用を発揮する成分と、
平均粒径が１μｍ以下のダイヤモンド粒子の混合物とが、それぞれ個々の成分の物質固有の性質を保持したまま、メカニカルアロイング処理によって相互に直接結合して全体として粒子状に一体化されており、
上記機械的研磨作用を発揮する成分が、ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＳｉＯ4、ＺｒＯ2またはこれら以外のケイ酸塩化合物であって、新モース硬度が９以上１３以下のもので、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占めるかもしくは、
上記機械的研磨作用を発揮する成分が、タルク、雲母またはこれら以外のケイ酸塩化合物であって、新モース硬度が９未満のもので、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占め、
上記化学的研磨作用を発揮する成分が、Ｚｒを除く周期表上第３族から第１１族までの間に存在する遷移金属元素若しくは周期表上第１２族元素（亜鉛族元素）の、酸化物または複酸化物であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占めるかもしくは、
上記化学的研磨作用を発揮する成分がＭｎＯ2であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占め、
上記ダイヤモンド粒子が、上記一体化された粒子の０．０１重量パーセント以上１０重量パーセント以下を占めることを特徴とする研磨用砥粒。
<
Abrasive grains using silicon carbide or gallium nitride as the material to be polished, and a component that exerts a mechanical polishing action on the material to be polished and a component that exerts a chemical polishing action on the material to be polished. ,
A mixture of diamond particles having an average particle size of 1 μm or less is directly bonded to each other by mechanical alloying treatment while maintaining the substance-specific properties of each component, and is integrated into particles as a whole.
The components that exert the mechanical polishing action are SiC, Al 2 O 3 , ZrSiO 4 , ZrO 2 or other silicate compounds having a new Mohs hardness of 9 or more and 13 or less, and are used for polishing. It accounts for 5% by weight or more and 95% by weight or less with respect to the total weight of the grains, or
The component that exerts the mechanical polishing action is talc, mica, or a silicate compound other than these, having a new Mohs hardness of less than 9, and 5% by weight or more based on the total weight of the abrasive grains for polishing. Occupies less than 95 weight percent,
The component that exerts the chemical polishing action is an oxide of a transition metal element or a
The component that exerts the chemical polishing action is MnO 2 , which accounts for 5% by weight or more and 95% by weight or less with respect to the total weight of the abrasive grains for polishing.
Abrasive abrasive grains for polishing, wherein the diamond particles occupy 0.01% by weight or more and 10% by weight or less of the integrated particles.
＜構成９＞
炭化ケイ素または窒化ガリウムを被研磨材とする砥粒であって、上記被研磨材に対して機械的研磨作用を発揮する成分と、上記被研磨材に対して化学的研磨作用を発揮する成分と、上記被研磨材を研磨する際に発生する摩擦熱に反応して上記化学的研磨作用を促進する反応促進剤とを含む成分と、
平均粒径が１μｍ以下のダイヤモンド粒子の混合物とが、それぞれ個々の成分の物質固有の性質を保持したまま、メカニカルアロイング処理によって相互に直接結合して全体として粒子状に一体化されており、
上記機械的研磨作用を発揮する成分が、ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＳｉＯ4、ＺｒＯ2またはこれら以外のケイ酸塩化合物であって、新モース硬度が９以上１３以下のもので、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占めるかもしくは、
上記機械的研磨作用を発揮する成分が、タルク、雲母またはこれら以外のケイ酸塩化合物であって、新モース硬度が９未満のもので、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占め、
上記化学的研磨作用を発揮する成分が、Ｚｒを除く周期表上第３族から第１１族までの間に存在する遷移金属元素若しくは周期表上第１２族元素（亜鉛族元素）の、酸化物または複酸化物であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占めるかもしくは、
上記化学的研磨作用を発揮する成分がＭｎＯ2であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占め、
上記反応促進剤が、純水に対して難溶性のもので、かつ、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、ホウ素化合物またはハロゲン化合物であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占めるかもしくは、
上記反応促進剤がＣａＣＯ3であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占め、
上記ダイヤモンド粒子が、上記一体化された粒子の０．０１重量パーセント以上１０重量パーセント以下を占めることを特徴とする研磨用砥粒。
<
Abrasive grains using silicon carbide or gallium nitride as an abrasive, and a component that exerts a mechanical polishing action on the material to be polished and a component that exerts a chemical polishing action on the material to be polished. , A component containing a reaction accelerator that promotes the chemical polishing action in response to frictional heat generated when the material to be polished is polished, and
A mixture of diamond particles having an average particle size of 1 μm or less is directly bonded to each other by mechanical alloying treatment while maintaining the substance-specific properties of each component, and is integrated into particles as a whole.
The components that exert the mechanical polishing action are SiC, Al 2 O 3 , ZrSiO 4 , ZrO 2 or other silicate compounds having a new Mohs hardness of 9 or more and 13 or less, and are used for polishing. It accounts for 5% by weight or more and 95% by weight or less with respect to the total weight of the grains, or
The component that exerts the mechanical polishing action is talc, mica, or a silicate compound other than these, having a new Mohs hardness of less than 9, and 5% by weight or more based on the total weight of the abrasive grains for polishing. Occupies less than 95 weight percent,
The component that exerts the chemical polishing action is an oxide of a transition metal element or a
The component that exerts the chemical polishing action is MnO 2 , which accounts for 5% by weight or more and 95% by weight or less with respect to the total weight of the abrasive grains for polishing.
The reaction accelerator is sparingly soluble in pure water and is an alkali metal salt, an alkaline earth metal salt, a boron compound or a halogen compound, and is 5 weights based on the total weight of the abrasive grains for polishing. Occupies more than a percentage and less than 95 weight percent, or
The reaction accelerator is CaCO 3 , which accounts for 5% by weight or more and 95% by weight or less with respect to the total weight of the abrasive grains for polishing.
Abrasive abrasive grains for polishing, wherein the diamond particles occupy 0.01% by weight or more and 10% by weight or less of the integrated particles.
＜構成１０＞
炭化ケイ素または窒化ガリウムを被研磨材とする砥粒であって、
研磨処理時に発生する摩擦熱により反応して被研磨材の研磨面との置換反応もしくは酸化反応を生じる成分と、研磨時に発生する摩擦熱によって研磨面との上記反応を促進する成分と、上記反応により変質した被研磨材の研磨面を機械的に除去する成分と、平均粒径が１μｍ以下のダイヤモンド粒子の混合物とが、それぞれ個々の成分の物質固有の性質を保持したまま、メカニカルアロイング処理によって相互に直接結合して全体として粒子状に一体化されており、
上記研磨面を機械的に除去する成分が、ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＳｉＯ4、ＺｒＯ2またはこれら以外のケイ酸塩化合物であって、新モース硬度が９以上１３以下のもので、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占めるかもしくは、
上記研磨面を機械的に除去する成分が、タルク、雲母またはこれら以外のケイ酸塩化合物であって、新モース硬度が９未満のもので、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占め、
上記被研磨材の研磨面との置換反応もしくは酸化反応を生じる成分は、Ｚｒを除く周期表上第３族から第１１族までの間に存在する遷移金属元素若しくは周期表上第１２族元素（亜鉛族元素）の、酸化物または複酸化物であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占めるかもしくは、
上記被研磨材の研磨面との置換反応もしくは酸化反応を生じる成分はＭｎＯ2であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占め、
上記反応を促進する成分が、純水に対して難溶性のもので、かつ、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、ホウ素化合物またはハロゲン化合物であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占めるかもしくは、
上記反応を促進する成分がＣａＣＯ3であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占め、
上記ダイヤモンド粒子が、上記一体化された粒子の０．０１重量パーセント以上１０重量パーセント以下を占めることを特徴とする研磨用砥粒。
<
Abrasive grains using silicon carbide or gallium nitride as the material to be polished.
A component that reacts with the frictional heat generated during the polishing process to cause a substitution reaction or an oxidation reaction with the polished surface of the material to be polished, a component that promotes the above reaction with the polished surface by the frictional heat generated during the polishing, and the above reaction. A component that mechanically removes the polished surface of the material to be polished and a mixture of diamond particles with an average particle size of 1 μm or less are subjected to mechanical aloing treatment while maintaining the material-specific properties of each component. They are directly bonded to each other and integrated into particles as a whole.
The component that mechanically removes the polished surface is SiC, Al 2 O 3 , ZrSiO 4 , ZrO 2 or a silicate compound other than these, which has a new Mohs hardness of 9 or more and 13 or less, and is used for polishing. It accounts for 5% by weight or more and 95% by weight or less with respect to the total weight of the abrasive grains, or
The component that mechanically removes the polished surface is talc, mica, or a silicate compound other than these, which has a new Mohs hardness of less than 9, and is 5% by weight based on the total weight of the abrasive grains. Occupies more than 95 weight percent and
The components that cause a substitution reaction or oxidation reaction with the polished surface of the material to be polished are transition metal elements existing between
The component that causes a substitution reaction or an oxidation reaction with the polished surface of the material to be polished is MnO 2 , which accounts for 5% by weight or more and 95% by weight or less with respect to the total weight of the abrasive grains for polishing.
The component that promotes the reaction is a component that is sparingly soluble in pure water and is an alkali metal salt, an alkaline earth metal salt, a boron compound or a halogen compound, and is based on the total weight of the abrasive grains for polishing. Occupies 5 to 95 weight percent or
The component that promotes the reaction is CaCO 3 , which accounts for 5% by weight or more and 95% by weight or less with respect to the total weight of the abrasive grains for polishing.
Abrasive abrasive grains for polishing, wherein the diamond particles occupy 0.01% by weight or more and 10% by weight or less of the integrated particles.
＜構成１１＞
炭化ケイ素または窒化ガリウムの湿式研磨のために、スラリー中に分散させて使用されるものであって、平均粒径が０．０５μｍ以上１００μｍ以下の粒子状に一体化された構成１乃至４のいずれかに記載の研磨用砥粒。
<
Any of the
＜構成１２＞
混合されたいずれの成分も、その一部が研磨用砥粒の外表面に露出している構成１乃至４のいずれかに記載の研磨用砥粒。
<
The polishing abrasive grain according to any one of
＜構成１３＞
上記ダイヤモンド粒子の平均粒径と上記一体化された粒子の平均粒径の比が、１対１００から１対６の範囲であることを特徴とする構成家１、構成５、または構成７乃至１０のいずれかに記載の研磨用砥粒
<
Constituent 1,
＜構成１４＞
上記ダイヤモンド粒子の平均粒径が０．２μｍ以下であることを特徴とする構成１、構成５または構成７乃至１０のいずれかに記載の研磨用砥粒
<
The abrasive grain for polishing according to any one of
本発明の研磨用砥粒は、複数種類の成分（component）が、メカニカルアロイング処理によって相互に直接結合され、粒子状に一体化されている。各成分間の結合エネルギが大きいので、研磨処理中に研磨用砥粒が分解することがない。被研磨材に対して化学的研磨作用を発揮する成分によって、メカノケミカル効果を生じさせ、被研磨材よりモース硬度の低い研磨用砥粒でも高い研磨レートで研磨できる。反応促進剤は、研磨用砥粒の外表面と被研磨材との摩擦により発生する熱で反応し、化学的研磨作用を促進する。化学的研磨作用が促進されれば、研磨レートをさらに向上させることができる。
複数種類の成分が、それぞれ個々の成分の物質固有の性質を保持したまま結合しているので、それぞれの成分が連鎖的に作用して研磨を促進する。複数種類の成分が、相互に直接結合して全体として粒子状に一体化されているので、各研磨用砥粒がそれぞれの機能を連鎖的に発揮する。
機械的研磨作用を発揮する成分の硬度が相対的に高いものを使用すると、高速研磨が可能である。機械的研磨作用を発揮する成分の硬度が相対的に低いものを使用すると、高品質の研磨が可能になる。
純水中に上記の研磨用砥粒を分散させたスラリーは、ほぼ無害である。研磨作業場の環境に影響を与えないし、廃液処理も簡単である。しかも、研磨中に砥粒を構成する成分の消費が僅かなので、繰り返し使用することができ、経済的である。
水等のスラリーを用いた湿式研磨では熱エネルギが発散してしまい、一般には化学的研磨作用が十分に発揮されない。これに対して、複数種類の成分が粒子状に一体化された研磨用砥粒は、湿式研磨でも熱エネルギを有効に利用して、化学的研磨作用を十分に発揮することができる。この研磨用砥粒は、一部の成分により被研磨材の表面を化学的に変質させた直後に別の成分がこの変質した部分に接して傷を付けて剥がれやすくするような働きをするので、研磨レートが向上する。以上は特許文献４〜６により紹介された効果であるが、この研磨用砥粒に微小なダイヤモンド粒子を混入させると、さらに格段に研磨レートを向上させる効果がある。しかも、従来は実用的な研磨ができなかった硬い材料の高品質な研磨が可能になる。
In the abrasive grains of the present invention, a plurality of types of components are directly bonded to each other by mechanical alloying treatment and integrated into particles. Since the binding energy between each component is large, the abrasive grains for polishing do not decompose during the polishing process. A component that exerts a chemical polishing action on the material to be polished produces a mechanochemical effect, and even abrasive grains having a lower Mohs hardness than the material to be polished can be polished at a high polishing rate. The reaction accelerator reacts with the heat generated by the friction between the outer surface of the abrasive grains for polishing and the material to be polished, and promotes the chemical polishing action. If the chemical polishing action is promoted, the polishing rate can be further improved.
Since a plurality of types of components are bonded while maintaining the substance-specific properties of each component, each component acts in a chain to promote polishing. Since a plurality of types of components are directly bonded to each other and integrated into particles as a whole, each polishing abrasive grain exerts its respective function in a chained manner.
High-speed polishing is possible by using a component having a relatively high hardness that exerts a mechanical polishing action. High-quality polishing is possible by using a component that exerts a mechanical polishing action and has a relatively low hardness.
The slurry in which the above-mentioned abrasive grains for polishing are dispersed in pure water is almost harmless. It does not affect the environment of the polishing workshop and is easy to dispose of waste liquid. Moreover, since the consumption of the components constituting the abrasive grains is small during polishing, it can be used repeatedly and is economical.
In wet polishing using a slurry such as water, heat energy is dissipated, and in general, the chemical polishing action is not sufficiently exhibited. On the other hand, polishing abrasive grains in which a plurality of types of components are integrated into particles can effectively utilize thermal energy even in wet polishing and can sufficiently exert a chemical polishing action. This abrasive grain for polishing works so that immediately after the surface of the material to be polished is chemically altered by some components, another component comes into contact with the altered portion to scratch and easily peel off. , The polishing rate is improved. The above are the effects introduced in
図１は、本発明の研磨用砥粒の概略構造を示す外観図である。
本発明の研磨用砥粒１０はサフアィアや、炭化ケイ素や窒化ガリウム等の各種材料を研磨するために使用される。本発明の研磨用砥粒１０は、例えば、図１FigAに示すように、第１の成分１２と第２の成分１３と反応促進剤１４と、超微粒子状のダイヤモンド粒子９とが、それぞれ個々の成分の物質固有の性質を保持したまま、メカニカルアロイング処理によって相互に直接結合されたものである。第１の成分１２は、被研磨材に対して機械的研磨作用を発揮する成分である。第２の成分１３は、被研磨材に対して化学的研磨作用を発揮する成分である。反応促進剤１４は、被研磨材を研磨する際に発生する摩擦熱に反応して上記化学的研磨作用を促進する成分である。この研磨用砥粒１０は、これらの成分を粒子状に一体化したものである。
FIG. 1 is an external view showing a schematic structure of the abrasive grains for polishing of the present invention.
The polishing
このほかに、図１Fig1Bに示すように、第２の成分１３と第３の成分１４と微少なダイヤモンド粒子９とからなる研磨用砥粒１１も後で実施例として説明する。さらに、各種の組み合わせが可能である。化学的研磨作用には、被研磨材の表面にメカノケミカル効果を生じさせて、変質させる作用が含まれる。また、化学的研磨作用には、研磨処理時に発生する摩擦熱により反応して被研磨材の研磨面を酸化させる作用も含まれる。これらの作用により、被研磨材の表面を、完全な状態の被研磨材の硬度以下の硬度に変質させて研磨することが可能になる。
In addition, as shown in FIG. 1B, a polishing
研磨処理時に発生する摩擦熱により反応して被研磨材の研磨面を酸化させる第２の成分と、研磨時に発生する摩擦熱によって研磨面の酸化作用を促進する第３の成分の２成分を組み合わせても十分な実用性がある。 A combination of two components, a second component that reacts with the frictional heat generated during the polishing process to oxidize the polished surface of the material to be polished, and a third component that promotes the oxidizing action of the polished surface with the frictional heat generated during the polishing process. But it is practical enough.
上記の複数の成分が直接結合されているというのは、複数の成分以外の材料を使用して結合させていないという意味である。接着剤等の結合材料を使用しないで結合しているという意味である。メカニカルアロイング処理によって複数の成分を結合させると、図１Fig1Cに示すように、境界部分に非晶質層１５が形成される。各成分は、この非晶質層１５を介して、一体に結合する。各無機化合物成分は、メカニカルアロイング処理により結晶表面に生じた、非晶質層１５の持つ化学的活性により結合している。この結合力により、研磨前も、研磨中も各無機化合物成分が容易に分離しない。従って、研磨用砥粒の、被研磨材に接触した部分で、各無機化合物成分の特性が連鎖的に発揮される。しかも、Fig1Cに示すように、第２の成分や第３の成分の結晶表面の各所に形成された非晶質層１５は、これらの化学的研磨作用を高める効果もある。なお、超微粒子状のダイヤモンド粒子９は非晶質層を形成することなく、他の成分の境界に挟み込まれて一体化されているものと推察される。
The fact that the above-mentioned plurality of components are directly bonded means that they are not bonded using a material other than the plurality of components. It means that they are bonded without using a bonding material such as an adhesive. When a plurality of components are combined by the mechanical alloying treatment, an
粒子状に一体化されているというのは、砥粒としての用途に適するサイズと形状に選定されているという意味である。炭化ケイ素または窒化ガリウム基板のラッピング用として求められる表面粗さが０．０１μｍ以下のとき、研磨用砥粒は、平均粒径が１０μｍ以下に選定されるとよい。湿式研磨に使用する場合には、本発明の研磨用砥粒は、平均粒径０．０５μｍ以上１００μｍ以下の粒子状に製造することが好ましい。研磨パッドや砥石に固定してこの研磨用砥粒を使用する場合には、さらに大きな粒径のものも使用できる。従って、本発明の研磨用砥粒は、様々な面粗さの要求に応えることができる。なお、超微粒子状のダイヤモンド粒子９は、平均粒径が１μｍ以下のものが好ましい。被研磨材の研磨面に接したときに深い傷を生じさせないためである。
The fact that they are integrated in the form of particles means that they are selected in a size and shape suitable for use as abrasive grains. When the surface roughness required for wrapping a silicon carbide or gallium nitride substrate is 0.01 μm or less, the abrasive grains for polishing may be selected to have an average particle size of 10 μm or less. When used for wet polishing, the polishing abrasive grains of the present invention are preferably produced in the form of particles having an average particle size of 0.05 μm or more and 100 μm or less. When the abrasive grains for polishing are used by fixing them to a polishing pad or a grindstone, those having a larger particle size can also be used. Therefore, the abrasive grains for polishing of the present invention can meet the requirements of various surface roughness. The
平均粒径が１μｍ以下の超微粒子状のダイヤモンド粒子９は、それだけでは半導体の研磨に適さない。しかしながら、これを上記の研磨用砥粒に混入すると、後で説明するように、研磨レートが著しく向上した。本発明の研磨用砥粒は、被研磨材の表面を変質させた後に、その変質部分を削り取るが、超微粒子状のダイヤモンド粒子９が変質部分に傷を付けて、削り取る効果を促進すると考えられる。
ダイヤモンド粒子の平均粒径と上記一体化された研磨用砥粒の粒子の平均粒径の比は、１対１００から１対６の範囲が好ましい。図１６以下でデータを使用して説明するように、研磨用砥粒に対して平均粒径が１対６を越える大きなダイヤモンド粒子９は、研磨用砥粒中に適切に分散せず、研磨レート向上の効果が少なくなる。研磨用砥粒に対しての平均粒径が１対１００に満たない微小なダイヤモンド粒子９はもはや研磨レート促進に寄与せず、実際には微小すぎて取扱い難い。
The ratio of the average particle size of the diamond particles to the average particle size of the integrated abrasive grains is preferably in the range of 1: 100 to 1: 6. As will be described using the data in FIG. 16 and below, the
ダイヤモンド粒子９は、一体化された研磨用砥粒の０．０１重量パーセント以上１０重量パーセント以下ほど混入することが好ましい。。研磨用砥粒を構成する各成分が有効に働くためには、研磨用砥粒に表面に微量にダイヤモンド粒子９が露出しているだけでよい。混入量が１０重量パーセント以上では他の成分の作用が低下して研磨レートの向上が妨げられる。混入量が０．０１重量パーセントに満たないと、研磨用砥粒の表面に露出するダイヤモンド粒子９が少なすぎて、本来の効果が得られない。しかも、コスト的に高価なダイヤモンド粒子が微量で効果を上げられるといのは、研磨用砥粒の製造コストを十分に低く抑えることができるという効果がある。
The
以上のような基準で選択したダイヤモンド粒子９を適量研磨用砥粒に混入すると、図１６を用いて説明するように、特許文献４〜６で紹介した研磨用砥粒よりもさらにこ高品質な研磨面を高い研磨レートで研磨することか可能になった。これにより、ＳｉＣを実用的な研磨レートで研磨できるようになる。また、サファイアＲ面についても同様の効果があることかわかった。そして、従来は実用的な研磨ができなかったＧａＮ等の高品質な研磨が可能になった。
When an appropriate amount of
研磨用砥粒は一体化した塊状のものであればよい。研磨用砥粒の外形は円形でなくてもよい。複数種類の成分は、メカニカルアロイング処理により結合されている。これにより、複数種類の成分が、個々の成分の物質固有の性質を保持した状態で結合されている。複数種類の成分を結合させたのは、各成分の物質固有の性質を組み合わせて、被研磨材を研磨するためである。いずれの場合でも、本発明の研磨用砥粒は、湿式研磨を行う場合には、酸やアルカリあるいは酸化剤等を含んだケミカルスラリーを使用しない。中性の水に研磨用砥粒を分散して使用することができるという特徴を有する。 The abrasive grains for polishing may be an integrated lump. The outer shape of the abrasive grains for polishing does not have to be circular. A plurality of kinds of components are combined by a mechanical alloying treatment. As a result, a plurality of types of components are combined while retaining the substance-specific properties of the individual components. The reason why a plurality of types of components are combined is to combine the material-specific properties of each component to polish the material to be polished. In any case, the polishing abrasive grains of the present invention do not use a chemical slurry containing an acid, an alkali, an oxidizing agent, or the like when performing wet polishing. It has a feature that abrasive grains for polishing can be dispersed and used in neutral water.
［メカニカルアロイング処理］
メカニカルアロイング処理では、まず、第１の成分１２の粉末と第２の成分１３の粉末と反応促進剤１４の粉末とを混合して、砕く、摩擦する、圧縮する、引っ張る、叩く、曲げるまたは衝突させるといった機械的衝撃を繰り返し加える。どの種類の衝撃を与えてもよい。複数種類の衝撃が組み合わされてもよい。これらの機械的衝撃により粉末が砕かれて、一様に混ざり合う。その後、これらの粉末が一体化して粒子状に固まる現象が生じる。各成分は、それぞれ個々の成分の物質固有の性質を保持したまま、相互に直接結合して全体として粒子状に一体化される。各成分は非晶質層を介して、一体に結合される。
[Mechanical alloying process]
In the mechanical alloying treatment, first, the powder of the
以下、図１５までは、本発明の基礎となった特許文献７による研磨用砥粒の構造と作用について説明し、図１６以下で本発明の超微粒子状のダイヤモンド粒子９を混在させた研磨用砥粒の性質と研磨レート向上の効果を説明する。
Hereinafter, up to FIG. 15, the structure and operation of the abrasive grains for polishing according to
［第１の成分の作用］
第１の成分は、被研磨材に対して機械的研磨作用を発揮する。第１の成分１２の新モース硬度（修正モース硬度）は、被研磨材の硬さに従って選択される。例えば、被研磨材が炭化ケイ素または窒化ガリウムの場合には、新モース硬度が７以上１３以下である新モース硬度が７以上としたのは、複合粒子が炭化ケイ素または窒化ガリウムを機械的に高速研磨するために必要な最小限の固さを備えるためである。新モース硬度が１３以下としたのは、炭化ケイ素または窒化ガリウムの硬度以下の粒子を使用して、炭化ケイ素または窒化ガリウムの表面に大きな傷を付けずに研磨をするためである。第１の成分１２には、ケイ酸化合物が適する。例えば、ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＳｉＯ4、ＺｒＯ2、タルク、または雲母が適する。これら以外のケイ酸塩化合物も適用できる。高い研磨レートを得る場合には、ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＳｉＯ4またはＺｒＯ2であって、新モース硬度が９以上１３以下のものが適する。一方、高品質な研磨面を得る場合には、より柔らかいタルク、または雲母が適する。即ち、ケイ酸塩化合物であって、新モース硬度が９未満のものが適する。なお、新モース硬度が９のサファイアを研磨する場合には、研磨用砥粒の新モース硬度が７以上９以下が適する。
[Action of the first component]
The first component exerts a mechanical polishing action on the material to be polished. The new Mohs hardness (corrected Mohs hardness) of the
第１の成分１２は、上記一体化された粒子の全重量を１００としたとき、５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占めることが好ましい。第１の成分１２の配合割合が５パーセントに満たないと、研磨用砥粒の硬度が不足することがある。また、第１の成分１２の配合割合が９５パーセントを越えると、第２の成分が不足して、化学的研磨作用による研磨レートの向上が不十分になることがある。
The
［第２の成分の作用］
第２の成分１３は、被研磨材に対してメカノケミカル効果を生じさせる。被研磨材に対してメカノケミカル効果を生じさせるというのは、少なくとも被研磨材の表面の分子や原子間の結合を切ったり、酸化させたり、一部の分子や原子を他の分子や原子と置き換えたりする作用をすることをいう。こうして被研磨材の表面を化学的に変質させることにより、被研磨材と同等かそれよりも柔らかい砥粒で、変質させた部分を剥ぎ取ることを可能にする。これにより、被研磨材の表面が平坦化される。被研磨材の表面に近い部分だけが剥ぎ取られるので、被研磨材の表面に深い大きな傷を発生させない。この第２の成分の作用により、これまで得られなかった高い研磨レート（removal rate 単位時間当たりの研磨量）で研磨処理をすることができるようになった。
[Action of the second component]
The
炭化ケイ素または窒化ガリウムが被研磨材の場合には、第２の成分１３として、Ｃｒ2Ｏ3、Ｆｅ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＺｎＯ、ＮｉＯ、ＳｎＯ2、Ｓｂ2Ｏ3、ＣｕＯ、Ｃｏ3Ｏ4、ＣｅＯ2、Ｐｒ6Ｏ11、ＭｎＯ2の群の中から選択された、一種または２種以上の酸化物を選択して使用することが好ましい。第２の成分は、Ｚｒを除く周期表上第３族から第１１族までの間に存在する遷移金属元素若しくは周期表上第１２族元素（亜鉛族元素）の、酸化物または複酸化物である。複酸化物（multiple oxide）は、これらの酸化物のいずれか２種以上が固溶したものである。
When silicon carbide or gallium nitride is the material to be polished, Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , TiO 2 , ZnO, NiO, SnO 2 , Sb 2 O 3 , CuO, Co 3 are used as the second component 13. It is preferable to select and use one or more oxides selected from the group of O 4 , CeO 2 , Pr 6 O 11 , and MnO 2. The second component is an oxide or compound oxide of a transition metal element existing between
第２の成分１３として選択される材料には、炭化ケイ素または窒化ガリウムを高温で酸化させやすい物質が含まれる。上記の例で列挙した第２の成分１３は、いずれも、酸化物である、特にＭｎＯ2は固体酸化剤として良く知られており、電解法によって製造された活性の強い二酸化マンガンが適する。二酸化マンガンは、研磨処理時に発生する摩擦熱により反応して炭化ケイ素のＣ面を酸化し、Ｓｉ面と固相反応する。酸化した研磨面は、炭化ケイ素と同等以下のモース硬度の成分で効率よく機械的に除去することができる。
The material selected as the
サファイアを被研磨材とする場合には、サファイアのアルミニウムイオン（Ａｌ3 +）と同形置換が起こりやすい材料が好ましい。この材料は、イオン半径がアルミニウム（Ａｌ）と近似する物質である。一方、シリカ（ＳｉＯ2）は、シロキサンの脱水時に生じる置換を生じさせる。この化学反応により、被研磨材（サファイア）の表面が変質して、被研磨材と同等以下の硬度の第１の研磨剤で効率よく研磨が可能になる。なお、第２の成分１３は、上記一体化された粒子の全重量を１００としたとき、５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占めることが好ましい。第２の成分１３の配合割合が５パーセントに満たないと、化学的研磨作用が不足して、十分高い研磨レートを維持できないことがある。また、第２の成分１３の配合割合が９５パーセントを越えると、全体として研磨用砥粒の硬度が不足することがある。
When the material to be polished is a sapphire, aluminum ions (Al 3 +) and occurs isomorphous replacement material susceptible of sapphire is preferred. This material is a substance whose ionic radius is close to that of aluminum (Al). Silica (SiO 2 ), on the other hand, causes the substitutions that occur during dehydration of the siloxane. Due to this chemical reaction, the surface of the material to be polished (sapphire) is denatured, and it becomes possible to efficiently polish with the first abrasive having a hardness equal to or lower than that of the material to be polished. The
［ダイヤモンド粒子の作用］
なお、超微粒子状のダイヤモンド粒子９は、後で説明するように、被研磨材の変質させた部分を剥ぎ取る作用を格段に促進する。しかも、超微粒子状でかつ、研磨用砥粒中に微量に含まれているだけなので、研磨された被研磨材の表面に新たな深い傷を発生させるようなことがない。結果として、研磨レートを大きく向上させて、生産性を高めることができる。
[Action of diamond particles]
The
［反応促進剤の作用］
反応促進剤１４は、スラリーとして使用する純水に対して難溶性のものであって、アルカリ金属塩またはアルカリ土類金属塩からなる。反応促進剤１４は液体ではなく、固体である。反応促進剤１４が固体であれば、機械的エネルギによって第１の成分１２や第２の成分１３と一体化処理して、研磨用砥粒を得ることができる。これに対して、反応促進剤１４が液体である場合、または水に溶解し易い材料である場合には、スラリー中で研磨用砥粒が分解する。さらに、廃液が環境に悪影響を及ぼす。
[Action of reaction accelerator]
The
反応促進剤１４は、ＣａＣＯ3、ＳｒＣＯ3、ＭｇＣＯ3、ＢａＣＯ3、ＬｉＣＯ3、Ｃａ3（ＰＯ4）2、Ｌｉ3ＰＯ4、ＡｌＫ（ＳＯ4）2の群の中から選択された、一種または２種以上の材料であることが好ましい。純水に対して難溶性のもので、かつ、アルカリ金属塩またはアルカリ土類金属塩が適する。いずれの材料も、研磨時に発生する摩擦熱によって、第２の成分１３の研磨機能を促進することができる。このほかに、ＣａＦ2、Ｎａ３ＡｌＦ６、Ｎａ２Ｂ4Ｏ７、ＡｇＣｌ、ＡｇＢｒ、Ａｇｌ等の大気中で安定な純水に対して難溶性の無機化合物が適する。
The
なお、具体的には、反応促進剤１４として選択される材料は、ＬｉＣＯ3とＡｌＫ（ＳＯ4）2を除いて、純水に対する溶解度が０．１以下である。即ち、摂氏２５度の１００グラムの純水に対して溶解する量が、０．１グラム以下である。一方、純水に対するＬｉＣＯ3の溶解度は１．３３、ＡｌＫ（ＳＯ4）2の溶解度は６．７４であって、他の材料に比べると大きい。しかしながら、研磨用砥粒として使用した場合に、いずれも、研磨中に分離して純水に多量に溶解することはない。即ち、メカニカルアログイング処理により一体化することによって、反応促進剤を、純水に溶解し難くさせている。従って、研磨用砥粒をスラリーとともに循環させて、繰り返し研磨に使用することができた。本明細書において、難溶性とは、摂氏２５度の１００グラムの純水に対して溶解する量が、７グラム以下のものを指す。
Specifically, the material selected as the
反応促進剤１４は、一体化された粒子の全重量を１００としたとき、５重量パーセント以上９５パーセント以下を占めることが好ましい。反応促進剤１４の配合割合が５重量パーセントに満たないと、第２の成分１３の研磨機能を促進する効果が不十分になることがある。反応促進剤１４の配合割合が９５重量パーセントを越えると、第２の成分１３の量が不足してしまうことがある。
The
例えば反応促進剤として、リチウム炭酸塩、アルカリ土類炭酸塩を選択した場合を考える。特許文献４〜６の研磨用砥粒により湿式研磨を行うと、被研磨材に研磨用砥粒が擦り付けられて、局所的に摩擦熱が発生する。その結果、リチウム炭酸塩、アルカリ土類炭酸塩から二酸化炭素が離脱する。ここで生じた酸化リチウムや酸化アルカリ土類は、瞬間的に水分と反応し、高い水和熱を発生するとともに、強アルカリ性物質である水酸化リチウムや水酸化アルカリ土類が生成される。
For example, consider the case where lithium carbonate or alkaline earth carbonate is selected as the reaction accelerator. When wet polishing is performed with the abrasive grains of
被研磨材表面の、研磨用砥粒と接する微小領域でこの現象が生じる。研磨用砥粒にメカノケミカル効果を生じさせる成分と、被研磨材に対して機械的研磨作用を発揮する成分が含まれているから、連鎖的にメカノケミカル効果が促進され、その部分が効率的に削り取られる。 This phenomenon occurs in a minute region on the surface of the material to be polished that is in contact with abrasive grains for polishing. Since the abrasive grains for polishing contain a component that causes a mechanochemical effect and a component that exerts a mechanical polishing action on the material to be polished, the mechanochemical effect is promoted in a chain reaction, and that part is efficient. It is scraped off.
反応促進剤として、ミョウバン、すなわちＡｌＫ（ＳＯ４）２を選択した場合には、ま摩擦熱の作用により、被研磨材表面付近に酸性の領域を形成して、メカノケミカル効果を促進する。 When alum, that is, AlK (SO4) 2, is selected as the reaction accelerator, an acidic region is formed near the surface of the material to be polished by the action of frictional heat to promote the mechanochemical effect.
反応促進剤として、フッ素化合物やハロゲン化合物を選択した場合には、以下の反応が生じているものと考えられる。
Ｓｉ系の被研磨材の表面付近では、原子が共有結合先を失い、ダングリングボンドと呼ばれる状態になっている。ダングリングボンド上の電子は不安定なため化学的に活性である。被研磨材の表面に研磨用砥粒が擦り付けられると、摩擦熱によりフッ素イオンが発生する。その結果、ダングリングボンドとフッ素とが結合する。電気陰性度の強いフッ素原子は、被研磨材の表面の結晶構造を歪ませる。これにより、被研磨材の表面でのメカノケミカル効果が促進される。
When a fluorine compound or a halogen compound is selected as the reaction accelerator, it is considered that the following reaction occurs.
In the vicinity of the surface of the Si-based material to be polished, the atoms lose their covalent bond destination and are in a state called a dangling bond. The electrons on the dangling bond are unstable and therefore chemically active. When abrasive grains for polishing are rubbed against the surface of the material to be polished, fluorine ions are generated by frictional heat. As a result, the dangling bond and fluorine are bonded. Fluorine atoms with strong electronegativity distort the crystal structure on the surface of the material to be polished. This promotes the mechanochemical effect on the surface of the material to be polished.
［研磨装置］
図２は、研磨用砥粒を使用する研磨装置の一例を示す概略斜視図である。
研磨定盤２０は矢印３２の方向に回転駆動される。研磨定盤２０の上面は研磨パッド２２により覆われている。保持装置２４は被研磨材２６（炭化ケイ素基板や窒化ガリウム基板）を研磨パッド２２に押しつけて支持するための装置である。注液器２８から矢印３０の方向に、スラリーとともに研磨用砥粒が供給される。研磨パッド２２の表面に押しつけられた被研磨材２６は、研磨用砥粒に接触して研磨される。スラリーと研磨用砥粒は研磨処理中に連続して定量ずつ供給される。
[Abrasive device]
FIG. 2 is a schematic perspective view showing an example of a polishing apparatus using abrasive grains for polishing.
The polishing
研磨用砥粒は、例えば、サファィア基板や、パワーデバイス用の炭化ケイ素または窒化ガリウム基板のポリシング処理（polishing process）に使用できる。サファイア基板は新モース硬度が９である。炭化ケイ素基板や窒化ガリウム基板は新モース硬度が１３である。ポリシング処理では、例えば、炭化ケイ素または窒化ガリウム基板の表面荒さが０．０１０μｍ以下に達するまで研磨する。純水中に、研磨用砥粒を分散させた懸濁液を、研磨面に供給して研磨処理を行うことができる。スラリー用として、中性の水を使用することができる。この水には、研磨用砥粒を分散させるために、界面活性剤やキレート剤を添加して構わない。中性の水に特許文献４〜６の研磨用砥粒を分散させて生成した懸濁液は、後で説明するように、摂氏２５度におけるｐＨは４以上１１以下である。即ち、スラリーを弱酸性か弱アルカリ性の範囲に収めることができる。
Abrasive grains for polishing can be used, for example, in a polishing process of a silicon carbide or gallium nitride substrate for a sapphire substrate or a power device. The sapphire substrate has a new Mohs hardness of 9. The silicon carbide substrate and the gallium nitride substrate have a new Mohs hardness of 13. In the polishing treatment, for example, the silicon carbide or gallium nitride substrate is polished until the surface roughness reaches 0.010 μm or less. A suspension in which abrasive grains for polishing are dispersed in pure water can be supplied to the polishing surface for polishing treatment. Neutral water can be used for the slurry. A surfactant or a chelating agent may be added to the water in order to disperse the abrasive grains for polishing. The suspension produced by dispersing the abrasive grains of
一般に、上記の各種基板は、始めに形状を整えるように両面研磨をする。これを粗加工という。その後、粗加工で生じた傷を低減するための中間加工を行う。最後に、原子レベルの平坦度まで表面を研磨する仕上げ加工を行う。従来は、粗加工の工程で、炭化ケイ素または窒化ガリウム基板の研磨にダイヤモンド砥粒を使用している。しかし、ダイヤモンド砥粒が炭化ケイ素または窒化ガリウム基板よりもビッカース硬度が高いので、研磨痕（saw mark）と呼ぶ、表面から深い部分に達するダメージを付けてしまう。この研磨痕を修復するために、その後長時間の中間加工が必要であった。粗加工にダイヤモンド砥粒を使用するのは研磨レートを可能な限り向上させるためである。 In general, the above-mentioned various substrates are first double-sided polished so as to adjust the shape. This is called roughing. After that, intermediate processing is performed to reduce scratches caused by rough processing. Finally, a finishing process is performed to polish the surface to atomic level flatness. Conventionally, diamond abrasive grains are used for polishing a silicon carbide or gallium nitride substrate in the roughing process. However, since diamond abrasive grains have a higher Vickers hardness than silicon carbide or gallium nitride substrates, they cause damage that reaches deep from the surface, which is called a saw mark. After that, a long time of intermediate processing was required to repair the polishing marks. Diamond abrasive grains are used for roughing in order to improve the polishing rate as much as possible.
上記の研磨痕の発生を抑制するために、微細なダイヤモンド砥粒を使用する方法がある。しかし、メカニカルな研磨を行う場合には、砥粒粒径が小さくなるにつれて研磨レートが低くなる、また、砥粒粒径が小さくなるにつれて、ダイヤモンド砥粒を使用する場合のコストが高くなるという問題がある。従って、研磨処理の速度を高め、かつ、ダメージの発生を防ぐ方法は未だ確立されていなかった。 In order to suppress the occurrence of the above-mentioned polishing marks, there is a method of using fine diamond abrasive grains. However, in the case of mechanical polishing, there is a problem that the polishing rate decreases as the grain size of the abrasive grains decreases, and the cost of using diamond abrasive grains increases as the grain size of the abrasive grains decreases. There is. Therefore, a method for increasing the speed of the polishing process and preventing the occurrence of damage has not yet been established.
既知の研磨用砥粒は、この問題を解決している。既知の研磨用砥粒を使用すれば、十分高い研磨レートが得られるため、粗加工と中間加工を一気に行うことを可能にする。既知の研磨用砥粒は、炭化ケイ素や窒化ガリウム基板と同程度かこれよりも柔らかい成分３を使用して研磨することができる。
Known abrasive grains solve this problem. If known abrasive grains for polishing are used, a sufficiently high polishing rate can be obtained, which makes it possible to perform roughing and intermediate processing at once. Known abrasive grains can be polished using a
上記のポリシング処理工程では、例えば、１００ミリリットルの純水に、研磨用砥粒を１５重量パーセントの濃度で分散させた研磨用スラリーを使用する。摂氏２５度における上記スラリーのｐＨは４以上１１以下である。実験によれば、４時間研磨処理後の廃液はほぼｐＨ８程度であった。廃液のｐＨは５以上９以下が最も望ましく、ＬｉＣＯ3とＣａ3（ＰＯ4）2以外の材料を使用したときはこの範囲内であった。ＬｉＣＯ3とＣａ3（ＰＯ4）2を反応促進剤に使用した場合には、ｐＨ１０〜１１程度であった。いずれも、弱酸性〜弱アルカリ性の範囲内であり、作業環境への悪影響を抑えることができる。同時に、廃液処理が簡便になる。 In the above polishing treatment step, for example, a polishing slurry in which polishing abrasive grains are dispersed in 100 ml of pure water at a concentration of 15% by weight is used. The pH of the slurry at 25 degrees Celsius is 4 or more and 11 or less. According to the experiment, the waste liquid after the polishing treatment for 4 hours had a pH of about 8. The pH of the waste liquid was most preferably 5 or more and 9 or less, and was within this range when materials other than LiCO 3 and Ca 3 (PO 4 ) 2 were used. When LiCO 3 and Ca 3 (PO 4 ) 2 were used as reaction accelerators, the pH was about 10 to 11. All of them are in the range of weakly acidic to weakly alkaline, and can suppress adverse effects on the working environment. At the same time, waste liquid treatment becomes simple.
上記のスラリーは、純水１００に対して、研磨用砥粒を５重量パーセント以上含有させて、研磨用砥粒のみかけ比容（静置法）が０．５ｍｌ／ｇ以上２００ｍｌ／ｇ以下となるように調整することが好ましい。みかけ比容（静置法）が０．５ｍｌ／ｇに満たないと研磨用砥粒の各成分が分離してしまう。みかけ比容（静置法）が２００ｍｌ／ｇを越えても研磨レートの向上はなく、研磨用砥粒がスラリー中で過剰になり沈降が激しくなる。 The above slurry contains 5% by weight or more of abrasive grains for polishing with respect to 100 pure water, and the apparent specific volume (standing method) of the abrasive grains for polishing is 0.5 ml / g or more and 200 ml / g or less. It is preferable to adjust so as to be. If the apparent specific volume (standing method) is less than 0.5 ml / g, each component of the abrasive grains for polishing will separate. Even if the apparent specific volume (standing method) exceeds 200 ml / g, the polishing rate does not improve, and the abrasive grains for polishing become excessive in the slurry and settling becomes intense.
図２に示した装置において、被研磨材２６を研磨パッド２２表面に向かって弾力を用いて押しつけるようにすると、研磨パッド２２の表面に分散した研磨用砥粒と被研磨材２６との間で摩擦熱が発生し易い。従って、例えば、保持装置２４を弾力のあるゴム板等で構成することが好ましい。研磨パッド２２は、合成繊維、ガラス繊維、天然繊維、合成樹脂、天然樹脂等により構成されるものが好ましい。保持装置２４が被研磨材２６に対して適度な弾力を与えることにより、効果的に摩擦熱を発生させて高い研磨レートを実現することができる。研磨用砥粒と被研磨材との間に、反応促進剤による化学反応が生じる温度以上に摩擦熱を発生させるとよい。
In the apparatus shown in FIG. 2, when the material 26 to be polished is elastically pressed against the surface of the
また、研磨装置を起動した当初は、摩擦熱の蓄積が無いため、被研磨材２６の研磨面の温度上昇が不十分になる。そのために研磨レートが低くなる。この場合は、スラリーの温度を適温に調整する装置を設けるとよい。また、特許文献４〜６の研磨用砥粒は乾式研磨にも使用できる。例えば、基材が、研磨用のパッドである場合には、パッドの表面に適切な密度で研磨用砥粒を分散させて固定して、研磨部材を得る。樹脂や繊維に研磨用砥粒を分散させて固定したものを使用できる。基材がプラスチック成型品である場合には、研磨用砥粒と固化前のプラスチックとを混ぜ合わせてから、所定の方法で硬化させて、研磨部材を得る。また、テープ状の基材に分散させて固定したものでもよい。この研磨部材は、乾式研磨に適するが、研磨処理中に研磨面に純水を供給して、湿式研磨をすることもできる。
Further, since the frictional heat is not accumulated at the initial stage when the polishing apparatus is started, the temperature rise of the polished surface of the material 26 to be polished becomes insufficient. Therefore, the polishing rate becomes low. In this case, it is advisable to provide a device for adjusting the temperature of the slurry to an appropriate temperature. Further, the polishing abrasive grains of
［従来技術との比較］
図３は従来のメカノケミカル研磨方法の説明図である。
これらは、いずれも比較例として列挙したものである。ＦＩＧ３Ａに示した砥粒は、複数種類の研磨剤を混合したものである。Ａ研磨材１６とＢ研磨材１８とを混合してスラリーとともに研磨装置に供給する。Ｂ研磨材１８はＡ研磨材１６の研磨作用を促進する機能を持つ。この場合、一般には、Ａ研磨材１６とＢ研磨材１８の比重が相違するので、ＦＩＧ３Ｂに示すように、両者がスラリー内で分離してしまう。
[Comparison with conventional technology]
FIG. 3 is an explanatory diagram of a conventional mechanochemical polishing method.
These are all listed as comparative examples. The abrasive grains shown in FIG3A are a mixture of a plurality of types of abrasives. The
ＦＩＧ３Ｃは、Ａ研磨材１６の研磨作用を促進するスラリー１７を使用した例を示す。この方法は上記の問題を解決しているので、近年広く採用されている。しかしながら、スラリー１７には強アルカリ性のものや、酸化剤等が使用され、腐食性の強い溶液になるため、作業環境を悪くする。さらに、研磨処理後の廃液の処理費用が多額になる。
FIG. 3C shows an example in which a
ＦＩＧ３Ｄは、Ａ研磨材１６を高分子材料１９の表面に固定した例を示す。この研磨用砥粒は、硬脆材料のラッピング工程に適するような平均粒度のものを得難い。即ち、サイズが大きいものしか得られない。また、全体として比重が軽くなり、研磨装置から押し流されてしまう。既知の研磨用砥粒は比重が重いので、研磨装置のパッド上面に長く滞留し、研磨レートを向上させる。
FIG. 3D shows an example in which the A abrasive 16 is fixed to the surface of the
［研磨用砥粒の構造と作用］
図４ Fig4Aと Fig4Bは既知の研磨用砥粒の微鏡写真で、Fig4A以下はその研磨作用の説明図である。
Fig4Aは実施例１の研磨用砥粒を示す顕微鏡写真である。一体化処理直後のもので、大小様々なサイズの研磨用砥粒が混在している。平均粒径が５〜６μｍで粒径１μｍ程度のものも混在している。Fig4Bはその部分拡大図である。外径が約６μｍの１個の研磨用砥粒を撮影したものである。予め粉砕された３種類の成分が混在し、互いに強く連結一体化されている。３種類の成分は、いずれも、本来備える固有の物理的化学的性質を保持したまま粒子状に一体化されている。実施例の研磨用砥粒は、研磨処理に使用された後も、分離しない程度の力で一体化されている。例えば、炭化ケイ素基板を４時間研磨した後に回収した研磨用砥粒の表面状態も、この写真とあまり区別できない程度であった。超微粒子状のダイヤモンド粒子９は微少であり微量のため写真には明瞭に現れない。
[Structure and action of abrasive grains for polishing]
Fig. 4 Fig. 4A and Fig. 4B are microscopic photographs of known abrasive grains for polishing, and Fig. 4A and below are explanatory views of the polishing action.
FIG. 4A is a photomicrograph showing the abrasive grains for polishing of Example 1. Immediately after the integration process, abrasive grains of various sizes are mixed. Some have an average particle size of 5 to 6 μm and a particle size of about 1 μm. Fig. 4B is a partially enlarged view. This is a photograph of one abrasive grain having an outer diameter of about 6 μm. Three types of pre-crushed components are mixed and strongly connected and integrated with each other. All three types of components are integrated in the form of particles while retaining the inherent physical and chemical properties. The polishing abrasive grains of the examples are integrated with a force that does not separate even after being used for the polishing treatment. For example, the surface condition of the abrasive grains for polishing recovered after polishing the silicon carbide substrate for 4 hours was also indistinguishable from this photograph. The
本発明の基礎となる研磨用砥粒は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）とニ酸化マンガン（ＭｎＯ2）と炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）とを一体化したものである。これらをそれぞれ５０重量部、３７．５重量部、１２．５重量部の割合で混合した。ボールミリング（Ball Milling）法によりこれらを外径１μｍ以下の粉末になるまで粉砕して、さらに約０．５時間機械的衝撃を加え続けることにより研磨用砥粒を得た。その中から平均粒度１μｍの研磨用砥粒を選別して使用した。上記の方法で得た研磨用砥粒を純水とともに図２に示した装置に供給して、炭化ケイ素基板を４時間研磨した。研磨用砥粒を含むスラリーは研磨処理中に研磨パッド２２の上に供給され、順次排出される。排出されたスラリーは再び回収され、研磨パッド２２の上に供給されて繰り返し使用することができた。
The abrasive grain for polishing which is the basis of the present invention is an integrated aluminum oxide (Al 2 O 3 ), manganese dioxide (Mn O 2 ) and calcium carbonate (CaCO 3 ). These were mixed at a ratio of 50 parts by weight, 37.5 parts by weight and 12.5 parts by weight, respectively. These were pulverized by a ball milling method until they became powders having an outer diameter of 1 μm or less, and mechanical impact was continuously applied for about 0.5 hours to obtain abrasive grains for polishing. Abrasive grains with an average particle size of 1 μm were selected and used. The polishing abrasive grains obtained by the above method were supplied together with pure water to the apparatus shown in FIG. 2, and the silicon carbide substrate was polished for 4 hours. The slurry containing the abrasive grains for polishing is supplied onto the
サファィア研磨用として、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と酸化ケイ素（ＳｉＯ2）と炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）とを、それぞれ５０重量部、３７．５重量部、１２．５重量部の割合で混合しして、ボールミリング法により一体化したものを製造した。平均粒度２μｍの研磨用砥粒を得た。サファイア基板を４時間研磨した後にスラリー中から取り出した研磨用砥粒も、上記と同様の結果を得た。 Aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon oxide (SiO 2 ) and calcium carbonate (CaCO 3 ) are mixed at a ratio of 50 parts by weight, 37.5 parts by weight and 12.5 parts by weight, respectively, for surface polishing. Then, an integrated product was manufactured by the ball milling method. Abrasive grains with an average particle size of 2 μm were obtained. The polishing abrasive grains taken out from the slurry after polishing the sapphire substrate for 4 hours also obtained the same results as described above.
例えば、複数の無機化合物成分を樹脂等の接着剤を使用して結合させる方法が知られている。しかしながら、樹脂等の接着剤による結合力は、研磨中に受ける外力により複数の無機化合物成分が互いに分離するのを防ぐことができない。このほかに、各成分を焼結して一体化する方法が考えられる。しかしながら、焼結をすると、無機化合物成分が互いに混ざり合って、個々の無機化合物成分の物質固有の性質が大部分失われてしまう。従って、ダイヤモンド単体の研磨用砥粒のような機能を効果的に発揮させることができない。即ち、十分効率の良い研磨レートを実現できない。しかも、焼結処理のときに受ける摂氏１０００度ほどの熱により成分が変質したり分解してしまう。メカニカルアロイング処理では、各成分を変質させたり分解させるような熱は加わらない。 For example, a method of binding a plurality of inorganic compound components using an adhesive such as a resin is known. However, the binding force of an adhesive such as a resin cannot prevent a plurality of inorganic compound components from separating from each other due to an external force received during polishing. In addition to this, a method of sintering and integrating each component can be considered. However, when sintered, the inorganic compound components are mixed with each other, and most of the substance-specific properties of the individual inorganic compound components are lost. Therefore, it is not possible to effectively exert the function like the abrasive grains for polishing a single diamond. That is, a sufficiently efficient polishing rate cannot be realized. Moreover, the components are altered or decomposed by the heat of about 1000 degrees Celsius received during the sintering process. In the mechanical alloying process, heat that alters or decomposes each component is not applied.
Fig4Cに示すように、この実施例の研磨用砥粒は、各成分が一様に混合されているから、いずれの成分もその一部が研磨用砥粒の外表面に露出している。研磨用砥粒は転がるように被研磨材に直接連続して接触する。研磨用砥粒自体が摩擦熱で発熱し、化学反応性研磨材が直接その摩擦熱で加熱されて、被研磨材の表面にメカノケミカル効果を生じさせる。これにより、被研磨材の表面が変質し壊れやすくなる。さらに、Fig4Cの状態からFig4Dの状態に移行すると、メカノケミカル効果が生じている部分に、ただちに、研磨用砥粒の、被研磨材表面を機械的に削る成分が接触する。これより、被研磨材のメカノケミカル効果が生じている部分が削られる。ここで、本発明では、超微粒子状のダイヤモンド粒子９が変質した被研磨材の表面に微少な傷を付けて、削り易くするから、研磨速度を格段に向上させる。即ち、ダイヤモンド粒子は被研磨材を機械的に削る成分の一部として機能している。
As shown in Fig. 4C, since each component of the polishing abrasive grains of this example is uniformly mixed, a part of each component is exposed on the outer surface of the polishing abrasive grains. Abrasive grains for polishing come into direct and continuous contact with the material to be polished so as to roll. The abrasive grains themselves generate heat due to frictional heat, and the chemically reactive abrasive is directly heated by the frictional heat, causing a mechanochemical effect on the surface of the material to be polished. As a result, the surface of the material to be polished is deteriorated and becomes fragile. Further, when the state shown in Fig. 4C is changed to the state shown in Fig. 4D, the component of the abrasive grains for polishing that mechanically scrapes the surface of the material to be polished comes into contact with the portion where the mechanochemical effect is generated. As a result, the portion of the material to be polished where the mechanochemical effect is generated is scraped. Here, in the present invention, the
研磨用砥粒は、被研磨材の表面を転がるような運動をする。このとき、被研磨材の表面に、化学反応性研磨材と被研磨材を機械的に削る機能を持つ成分とが交互に繰り返し、接触する。しかも、摩擦熱がスラリー中に拡散する前に、これらが時間的な間隔を置かずに接触するから、効率よく連鎖的に研磨処理が進行する。なお、研磨用砥粒全体をいずれかの成分でコーティングすることもできる。この場合には、他の成分は研磨用砥粒の外表面に露出しない。しかしながら、研磨処理中にこのコーティングが壊れて全ての成分が表面に露出すれば、上記の作用が生じる。また、例えば、コーティングが他の成分の作用を妨げない程度の厚みであれば、全ての成分が研磨用砥粒の表面に露出していなくても構わない。 Abrasive grains for polishing move so as to roll on the surface of the material to be polished. At this time, the chemically reactive abrasive and the component having the function of mechanically scraping the abrasive are alternately and repeatedly contacted with the surface of the material to be polished. Moreover, before the frictional heat diffuses into the slurry, they come into contact with each other at no time interval, so that the polishing process proceeds efficiently in a chain reaction. The entire polishing abrasive grain can be coated with any of the components. In this case, other components are not exposed on the outer surface of the abrasive grains for polishing. However, if this coating breaks during the polishing process and all components are exposed to the surface, the above action will occur. Further, for example, if the coating has a thickness that does not interfere with the action of other components, all the components may not be exposed on the surface of the abrasive grains for polishing.
化学反応性研磨材と機械的に削る機能を持つ無機化合物成分とがスラリー中に分散して存在すると、被研磨材のメカノケミカル効果が生じている部分に、その部分を機械的に削る機能を持つ無機化合物成分が直接接触する確率は非常に少ない。従って、長時間研磨処理を続けなければならない。 When the chemically reactive abrasive and the inorganic compound component having the function of mechanically scraping are dispersed in the slurry, the function of mechanically scraping the part where the mechanochemical effect of the material to be polished is generated is provided. There is very little probability that the inorganic compound components will come into direct contact with each other. Therefore, the polishing process must be continued for a long time.
全面に一様にメカノケミカル効果を生じさせれば、どの部分を機械的に削ってもよい。従って、強いアルカリ溶液のスラリーによって、被研磨材の全面にメカノケミカル効果を生じさせる方法が、従来、最も実用的な方法として採用されている。しかし、この方法は、廃液処理が問題になる。これは既に説明したとおりである。 Any part may be mechanically scraped as long as the mechanochemical effect is uniformly generated on the entire surface. Therefore, a method of producing a mechanochemical effect on the entire surface of the material to be polished by a slurry of a strong alkaline solution has been conventionally adopted as the most practical method. However, this method has a problem of waste liquid treatment. This has already been explained.
Fig4Eは、実施例の研磨用砥粒で被研磨材を研磨したときの、被研磨材表面付近の断面図である。被研磨材２６の表面付近のハッチングを施した部分だけが削り取られる。Fig4Fは、ダイヤモンド砥粒３６で被研磨材２６の表面を研磨したときの被研磨材表面付近の断面図である。この場合、被研磨材２６の表面に深い研磨痕３８が生じる。これが従来最も問題になっていた。本発明で使用する超微粒子状のダイヤモンド粒子９は研磨用砥粒中に微量に含まれており、しかも微粒子のため、このような弊害は生じない。
FIG. 4E is a cross-sectional view of the vicinity of the surface of the material to be polished when the material to be polished is polished with the abrasive grains for polishing of the example. Only the hatched portion near the surface of the material 26 to be polished is scraped off. FIG. 4F is a cross-sectional view of the vicinity of the surface of the material to be polished when the surface of the material to be polished 26 is polished with the diamond
［研磨後の研磨用砥粒の分析］
図５Fig5Aは、炭化ケイ素基板を４時間研磨した前後の研磨用砥粒の成分を比較した図である。
Fig5Aの上段は、研磨処理前の研磨用砥粒の、各成分が占める割合を示す。下段は、研磨処理後の研磨用砥粒の、各成分が占める割合を示す。この図で示すように、実施例の研磨用砥粒は研磨処理前と後で、その成分比に著しい変化がない。特許文献４〜６の研磨用砥粒は機械的強度が高く、研磨処理によっても破壊されないから繰り返し使用できる。即ち、炭化ケイ素基板を４時間研磨した後にスラリー中から取り出した研磨用砥粒の外観及び分析結果により、混合した材料の大部分が原形のまま存在していることが分かった。総重量にして約３％は上記の化学反応により消費されていることもわかった。
[Analysis of abrasive grains after polishing]
FIG. 5A is a diagram comparing the components of abrasive grains for polishing before and after polishing a silicon carbide substrate for 4 hours.
The upper part of Fig. 5A shows the ratio of each component to the abrasive grains for polishing before the polishing process. The lower row shows the ratio of each component to the abrasive grains for polishing after the polishing treatment. As shown in this figure, there is no significant change in the component ratio of the polishing abrasive grains of the examples before and after the polishing treatment. The abrasive grains for polishing of
Fig5Bは、サファイア基板を４時間研磨した前後の研磨用砥粒の成分を比較した図である。
研磨前はアルミニウム（Ａｌ）とシリコン（Ｓｉ）とカルシウム（Ｃａ）の全体に占める割合がそれぞれ３８．２重量％、４３．８重量％、１７．９重量％であった。研磨処理後は４１．２重量％，４２．３重量％，１６．５重量％であった。アルミニウム成分以外の成分の全体に占める割合はほぼ変化していなかった。アルミニウム成分の割合が増加した原因は、サファイアを研磨した研磨屑が新たに含まれたためと考えられる。
FIG. 5B is a diagram comparing the components of the abrasive grains for polishing before and after polishing the sapphire substrate for 4 hours.
Before polishing, the ratios of aluminum (Al), silicon (Si) and calcium (Ca) to the total were 38.2% by weight, 43.8% by weight and 17.9% by weight, respectively. After the polishing treatment, it was 41.2% by weight, 42.3% by weight, and 16.5% by weight. The ratio of the components other than the aluminum component to the total was almost unchanged. It is considered that the reason why the ratio of the aluminum component increased is that the polishing debris obtained by polishing sapphire was newly contained.
研磨処理後のスラリーとともに排出された残渣を分離し分析した。その結果、アルミニウム（Ａｌ）とシリコン（Ｓｉ）とカルシウム（Ｃａ）の全体に占める割合がそれぞれ５２％、３３％、０．５％の割合で含む残渣が得られた。成分分析の結果、ムライトが含まれていた。 The residue discharged together with the slurry after the polishing treatment was separated and analyzed. As a result, a residue was obtained in which the ratios of aluminum (Al), silicon (Si) and calcium (Ca) to the total were 52%, 33% and 0.5%, respectively. As a result of component analysis, mullite was included.
研磨処理中に、研磨用砥粒が機械的あるいは熱的に分解してムライトが生成されたものか、それ以外の原因により生成されたものかを検討した。ムライトの生成量は研磨時間に比例していた。しかも、研磨処理前後の研磨用砥粒の消費量を十分に越える量のムライトが発生していた。即ち、研磨用砥粒が被研磨材の表面を化学的に変質させながら研磨して、その残渣がムライトであることがわかった。従来のいずれの湿式研磨方法を使用しても、４時間研磨後にこれだけの量のムライトを発生させることは無かった。従って、上記の反応促進剤が研磨中有効に機能していることが証明された。 During the polishing process, it was examined whether the abrasive grains for polishing were mechanically or thermally decomposed to generate mullite, or whether they were generated due to other causes. The amount of mullite produced was proportional to the polishing time. Moreover, mullite was generated in an amount sufficiently exceeding the consumption of abrasive grains for polishing before and after the polishing treatment. That is, it was found that the abrasive grains for polishing polished the surface of the material to be polished while chemically changing the surface, and the residue was mullite. No conventional wet polishing method was used to generate this amount of mullite after polishing for 4 hours. Therefore, it was proved that the above reaction accelerator functions effectively during polishing.
ムライトは、酸化アルミニウムと二酸化ケイ素の化合物で。その化学式は、３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2〜２Ａｌ2Ｏ3・ＳｉＯ2、またはＡｌ6Ｏ13Ｓｉ2で表される。研磨用砥粒と被研磨材との摩擦により、局部的には摂氏数百度の摩擦熱が発生する。スラリーによりこの熱は拡散するが、研磨用砥粒と被研磨材とが接する微小領域は高温になる。炭酸カルシウムが、被研磨材と酸化アルミニウムの反応を促進した結果、ムライトが生成されたものと判断できる。
Mullite is a compound of aluminum oxide and silicon dioxide. Its chemical formula is represented by 3Al 2 O 3 · 2SiO 2 ~2Al 2
図６は、各種の砥粒を使用して研磨処理をした結果の廃液の性質比較図である。
Fig6Aに示すように、研磨処理後排出されたスラリーの温度を測定した結果、研磨処理によって、室温から摂氏３０度〜４０度程度まで温度上昇していたので、反応促進剤による影響を確認できた。研磨処理後排出されたスラリーの純水を除いた残渣は、炭化ケイ素または窒化ガリウム基板の削り屑である。残渣は固形成分であって、フィルタにより廃液から除去できる。反応促進剤の種類により相違があるが、大部分の廃液はｐＨ７．５程度であった。排水は中性で処理が容易であり、環境汚染の問題もない。また、最大でもｐＨ１１．２であり、問題無く処理できる。
FIG. 6 is a comparison diagram of the properties of the waste liquid as a result of polishing treatment using various abrasive grains.
As shown in Fig. 6A, as a result of measuring the temperature of the slurry discharged after the polishing treatment, the temperature was raised from room temperature to about 30 to 40 degrees Celsius by the polishing treatment, so that the influence of the reaction accelerator could be confirmed. .. The residue of the slurry discharged after the polishing treatment excluding pure water is shavings of silicon carbide or gallium nitride substrate. The residue is a solid component and can be removed from the waste liquid by a filter. Although there are differences depending on the type of reaction accelerator, most of the waste liquid had a pH of about 7.5. The wastewater is neutral and easy to treat, and there is no problem of environmental pollution. Further, the maximum pH is 11.2, and the treatment can be performed without any problem.
Ａｌ2Ｏ3とＳｉＯ2とＣａＣＯ3とを一体化した研磨用砥粒でサフアィアを研磨したときは、いずれも、毎分０．７〜１．０μｍという高い研磨レートを実現した。Fig6Bに示すように、ＬｉＣＯ3とＣａ3（ＰＯ4）2以外の材料を反応促進剤として使用したとき，研磨前の測定値は、ｐＨ４．６３ ８．０、研磨後の測定値はｐＨ４．２〜８．２の範囲内であった。ＬｉＣＯ3とＣａ3（ＰＯ4）2を反応促進剤として使用したとき、研磨前の測定値は、それぞれｐＨ１０．１と９．０、研磨後の測定値はそれぞれｐＨ１１．２と９．６であった。いずれも、弱酸性〜弱アルカリ性の範囲内であり、作業環境への悪影響を抑えることができる。しかも、廃液処理が簡便になる。高温で高アルカリ雰囲気となる領域が微少領域であるから、スラリーのｐＨに大きく影響しないことがわかった。
Al 2 O 3 and SiO 2 and CaCO 3 and when polishing the Safuaia with abrasive grains that integrates are both realized a high polishing rate of every minute 0.7～1.0Myuemu. As shown in Fig. 6B, when a material other than LiCO 3 and Ca 3 (PO 4 ) 2 was used as the reaction accelerator, the measured value before polishing was pH 4.63 8.0, and the measured value after polishing was
［第１の成分の作用を実証］
図７は、第１の成分を取り替えてＳｉＣを研磨したときの研磨レートの比較図である。
図７から図１５までは、特許文献５〜７の効果を再確認するための説明である。本発明による超微粒子状のダイヤモンド粒子９を含めた効果は図１６以下で説明する。サンプル１−１と表示した部分は、Ａｌ2Ｏ3とＭｎＯ2とＣａＣＯ3を一体化した研磨用砥粒を、炭化ケイ素の研磨に使用した結果を示す。
[Demonstrate the action of the first component]
FIG. 7 is a comparison diagram of the polishing rate when SiC is polished by replacing the first component.
7 to 15 are descriptions for reconfirming the effects of
この実施例では、研磨装置の運転条件が、研磨定盤２０の回転数を毎分５０回転（ｒｐｍ）、保持装置２４の回転数を毎分１００回転、保持装置２４が被研磨材２６を研磨定盤２０の方向に押しつける研磨圧力を１平方センチメートルあたり１６０グラム（ｇ／ｃｍ2）とした。研磨用砥粒は、純水中に１５重量％混入されている。こうして調整されたスラリーは、注液器２８から毎分１０ミリリットル（ｍｌ／ｍｉｎ）で研磨パッド２２上に供給された。
In this embodiment, the operating conditions of the polishing device are that the rotation speed of the polishing
サンプル２−１と表示した部分は、ＺｒＯ2とＭｎＯ2とＣａＣＯ3を一体化した研磨用砥粒を、炭化ケイ素の研磨に使用した結果を示す。サンプル２−２は第１の成分がＺｒＳｉＯ4、サンプル２−３は第１の成分が雲母、サンプル２−４は第１の成分がタルクである。第１の成分はメカノケミカル効果を生じさせる作用はない。第１の成分ＺｒＯ2の新モース硬度は１１である。炭化ケイ素の新モース硬度は１３である。第１の成分単体では炭化ケイ素を研磨することができない。 The part labeled as sample 2-1 shows the result of using abrasive grains for polishing in which ZrO 2 , MnO 2 and CaCO 3 are integrated for polishing silicon carbide. In sample 2-2, the first component is ZrSiO 4 , sample 2-3 has mica as the first component, and sample 2-4 has talc as the first component. The first component has no effect of producing a mechanochemical effect. The new Mohs hardness of the first component ZrO 2 is 11. The new Mohs hardness of silicon carbide is 13. Silicon carbide cannot be polished with the first component alone.
しかし、第１の成分ＺｒＯ2と第２の成分ＭｎＯ2と反応促進剤ＣａＣＯとを一体化した研磨用砥粒は、図のように最も高い研磨レートを示す。次の図８の比較例６に示した従来のダイヤモンド砥粒を使用した場合の研磨レートが０．２６（μｍ／ｍｉｎ）であるのに対して、サンプル１−１の研磨レートがその約２．８倍の０．７２（μｍ／ｍｉｎ）であった。窒化ガリウムに対する第１の成分の作用もほぼ同様である。従って、窒化ガリウムについて、この実験例は示していない。 However, the polishing abrasive grains in which the first component ZrO 2 , the second component MnO 2, and the reaction accelerator CaCO are integrated show the highest polishing rate as shown in the figure. The polishing rate when the conventional diamond abrasive grains shown in Comparative Example 6 of FIG. 8 is used is 0.26 (μm / min), whereas the polishing rate of sample 1-1 is about 2. It was 0.72 (μm / min), which was 0.8 times higher. The action of the first component on gallium nitride is almost the same. Therefore, this experimental example is not shown for gallium nitride.
［第２の成分の作用を実証］
図８は、第２の成分を取り替えてＳｉＣを研磨したときの研磨レートの比較図である。
サンプル１−１と表示した部分は、Ａｌ2Ｏ3とＭｎＯ2とＣａＣＯ3を一体化した研磨用砥粒を、炭化ケイ素の研磨に使用した結果を示す。図８の実施例では、第１の成分と反応促進剤が同じで、第２の成分を順に取り替えた例を示す。サンプル３−１は第２の成分がＴｉＯ2、サンプル３−２は第２の成分がＺｎＯ、サンプル３−３は第２の成分がＮｉＯ、サンプル３−４は第２の成分がＳｎＯ2、サンプル３−５は第２の成分がＳｂ2Ｏ3、サンプル３−６は第２の成分がＣｕＯ、サンプル３−７は第２の成分がＣｏ3Ｏ4、サンプル３−８は第２の成分がＣｅＯ2、サンプル３−９は第２の成分がＰｒ6Ｏ11、サンプル３−１０は第２の成分がＴｉ−Ｃｒ−Ｓｂであって複酸化物である。
[Demonstrate the action of the second component]
FIG. 8 is a comparison diagram of the polishing rate when SiC is polished by replacing the second component.
The portion labeled as Sample 1-1 shows the result of using abrasive grains for polishing in which Al 2 O 3 , Mn O 2 and CaCO 3 are integrated for polishing silicon carbide. In the example of FIG. 8, the first component and the reaction accelerator are the same, and the second component is replaced in order. Sample 3-1 has a second component of TiO 2 , Sample 3-2 has a second component of ZnO, Sample 3-3 has a second component of NiO, and Sample 3-4 has a second component of SnO 2 . Sample 3-5 has Sb 2 O 3 as the second component, Sample 3-6 has CuO as the second component, Sample 3-7 has the second component as Co 3 O 4 , and Sample 3-8 has the second component. The component is CeO 2 , the second component of sample 3-9 is Pr 6 O 11 , and the second component of sample 3-10 is Ti-Cr-Sb, which is a compound oxide.
サンプル３−１１とサンプル３−１２は２成分構造の研磨用砥粒である。サンプル３−１１は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と二酸化マンガン（ＭｎＯ2）を本発明と同様の方法で機械的に結合し一体化した研磨用砥粒を使用した結果を示す。サンプル３−１２は、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）と二酸化マンガン（ＭｎＯ2）とを本発明と同様の方法で機械的に結合し一体化した研磨用砥粒を使用した結果を示す。２成分であっても、従来のダイヤモンド砥粒を使用した場合と同等の研磨レートを得ることができた。 Samples 3-11 and 3-12 are abrasive grains for polishing having a two-component structure. Samples 3-11 show the results of using abrasive grains in which aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and manganese dioxide (Mn O 2 ) are mechanically bonded and integrated in the same manner as in the present invention. Sample 3-12 shows the result of using abrasive grains in which calcium carbonate (CaCO 3 ) and manganese dioxide (MnO 2 ) are mechanically bonded and integrated in the same manner as in the present invention. Even with two components, it was possible to obtain a polishing rate equivalent to that when conventional diamond abrasive grains were used.
比較例１は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）を本発明と同様の方法で機械的に結合し一体化した研磨用砥粒を使用した結果を示す。比較例２は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と二酸化マンガン（ＭｎＯ2）と炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）の単なる混合物（一体化されていない）をスラリーに混入して使用した結果を示す。比較例３は、二酸化マンガン（ＭｎＯ2）のみを砥粒とした結果を示す。比較例４は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）のみを砥粒とした結果を示す。比較例５は、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）のみを砥粒とした結果を示す。 Comparative Example 1 shows the result of using abrasive grains in which aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and calcium carbonate (CaCO 3 ) are mechanically bonded and integrated in the same manner as in the present invention. Comparative Example 2 shows the result of using a simple mixture (not integrated) of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), manganese dioxide (Mn O 2 ) and calcium carbonate (CaCO 3) mixed with the slurry. Comparative Example 3 shows the result using only manganese dioxide (MnO 2) as abrasive grains. Comparative Example 4 shows the result using only aluminum oxide (Al 2 O 3) as abrasive grains. Comparative Example 5 shows the result using only calcium carbonate (CaCO 3) as abrasive grains.
以上の例は、いずれも、研磨装置に樹脂パッドを使用し、砥粒を純水に混入したスラリーを使用した。一方、比較例６は、平均粒径が１〜３μmのダイヤモンド砥粒を使用し、研磨装置に金属定盤を使用し、油性のスラリーを使用した結果を示す。 In all of the above examples, a resin pad was used for the polishing device, and a slurry in which abrasive grains were mixed with pure water was used. On the other hand, Comparative Example 6 shows the results of using diamond abrasive grains having an average particle size of 1 to 3 μm, using a metal surface plate as a polishing device, and using an oil-based slurry.
ここで、これら全ての例の研磨レートを比較すると、サンプル１の研磨用砥粒を使用した場合には、毎分０．７２μmであったのに対して、比較例１〜５の例では、いずれもほとんど研磨をすることができなかった。ダイヤモンド砥粒を使用した比較例６でも、研磨レートは毎分０．２６という低い値である。しかも、ダイヤモンド砥粒を使用したば場合には研磨痕の問題がある。
Here, when the polishing rates of all these examples were compared, it was 0.72 μm per minute when the abrasive grains for polishing of
図８に示したサンプル１−１は、きわめて高い研磨レートを示し、ＳｉＣの研磨においに十分に威力を発揮するということができる。サンプル３−１１やサンプル３−１２も従来に比べて研磨レートが高く、十分に実用性が高いということができる。その他のサンプルの研磨レートは、ダイヤモンド砥粒のみを使用した場合以下のものもある。しかし、これらのサンプルは、有害な廃液を出さない点と、研磨面がきわめて高品質になる利点を有し、従来よりも優れた方法といえる。即ち、第２の砥粒が研磨用砥粒と一体化しているので、スラリー中に溶出し難く、スラリーを大きく汚染しないという効果がある。 Sample 1-1 shown in FIG. 8 shows an extremely high polishing rate, and can be said to be sufficiently effective in polishing SiC. It can be said that Samples 3-11 and Samples 3-12 also have a higher polishing rate than the conventional ones and are sufficiently practical. The polishing rates of other samples are as follows when only diamond abrasive grains are used. However, these samples have the advantages of not producing harmful waste liquid and the polished surface having extremely high quality, and can be said to be a superior method than the conventional method. That is, since the second abrasive grains are integrated with the abrasive grains for polishing, there is an effect that it is difficult to elute into the slurry and the slurry is not significantly contaminated.
全てのサンプルは、作業環境を悪化させず、廃液処理が容易な純水を分散媒体としたスラリーを使用している。研磨に使用される金属定盤の面は、炭化ケイ素や窒化ガリウムの研磨面に要求されるのと同じ程度に平坦でなければならない。しかしながら、その平坦度を維持するのは容易でない。一方、樹脂パッドは、炭化ケイ素や窒化ガリウムの研磨面に研磨用砥粒を押しつけるための圧力を加えるだけのものである。従って、精度の高い構造は求められていない。樹脂パッドは、安価でメンテナンスも容易である。 All samples use a slurry using pure water as a dispersion medium, which does not deteriorate the working environment and is easy to treat with waste liquid. The surface of the metal surface plate used for polishing should be as flat as required for the polished surface of silicon carbide or gallium nitride. However, it is not easy to maintain its flatness. On the other hand, the resin pad only applies a pressure for pressing the abrasive grains for polishing against the polished surface of silicon carbide or gallium nitride. Therefore, a highly accurate structure is not required. Resin pads are inexpensive and easy to maintain.
（窒化ガリウムの場合）
図９は、第２の成分を取り替えたときの窒化ガリウムＧａＮの研磨レートの比較図である。
サンプル１−１、３−１〜３−１１の砥粒は、それぞれ図８の同じサンプル名の砥粒と同一構造のものである。窒化ガリウムを研磨した場合には、サンプル１−１がきわめて高い研磨レートを示した。また、サンプル３−９，３−１０も高い研磨レートを示した。サンプル３−２，３−３−３−４，３−６も比較例８と遜色ない高い研磨レートを示した。その他のサンプルは、研磨レートが低いものの、有害な廃液を出さない点と、研磨面がきわめて高品質になる利点を有し、図８の場合と同様である。即ち、第１の成分がタルクや雲母のような新モース硬度が低いものでも、ダイヤモンド砥粒と同程度かそれ以上の研磨レートを実現できる。しかも、きわめて高品質な研磨面を得ることができるので非常に有効である。
(For gallium nitride)
FIG. 9 is a comparison diagram of the polishing rate of gallium nitride GaN when the second component is replaced.
The abrasive grains of Samples 1-1 and 3-1 to 3-11 have the same structure as the abrasive grains having the same sample name in FIG. 8, respectively. When gallium nitride was polished, Sample 1-1 showed a very high polishing rate. Samples 3-9 and 3-10 also showed high polishing rates. Samples 3-2, 3-3-3-4, 3-6 also showed a high polishing rate comparable to that of Comparative Example 8. Although the polishing rate of the other samples is low, they do not generate harmful waste liquid and have the advantage that the polished surface is of extremely high quality, which is the same as in FIG. That is, even if the first component has a low new Mohs hardness such as talc or mica, a polishing rate equal to or higher than that of diamond abrasive grains can be realized. Moreover, it is very effective because an extremely high quality polished surface can be obtained.
（サフアィアの場合）
Fig9Bは、各種の砥粒を使用してサファイアの研磨処理をした結果の比較図である。
サンプル１と表示した部分は、Ａｌ2Ｏ3とＳｉＯ2とＣａＣＯ3を一体化した研磨用砥粒を、サファイアの研磨に使用した結果を示す。サンプル２と表示した部分は、Ａｌ2Ｏ3とＦｅ2Ｏ3とＣａＣＯ3を一体化した研磨用砥粒を、サファイアの研磨に使用した結果を示す。サンプル３と表示した部分は、Ａｌ2Ｏ3とＣｒ2Ｏ3とＣａＣＯ3を一体化した研磨用砥粒を、サファイアの研磨に使用した結果を示す。
(In the case of Safia)
FIG. 9B is a comparison diagram of the results of polishing sapphire using various abrasive grains.
The part labeled as
この実施例では、サファィアウエハを平均粒度が＃３２５のＧＣ（green carbonite）で研磨をして、表面粗さＲａ＝０．２２μｍのものを被研磨剤に使用した。研磨装置の運転条件は、研磨定盤２０の回転数を毎分５０回転（ｒｐｍ）、保持装置２４の回転数を毎分１００回転、保持装置２４が被研磨材２６を研磨定盤２０の方向に押しつける研磨圧力を１平方センチメートルあたり１６０グラム（ｇ／ｃｍ2）とした。研磨用砥粒は、純水中に１５重量％混入されている。こうして調整されたスラリーは、注液器２８から毎分１ミリリットル（ｍｌ／ｍｉｎ）で研磨パッド２２上に供給された。
In this example, the sapphire wafer was polished with GC (green carbonite) having an average particle size of # 325, and a wafer having a surface roughness Ra = 0.22 μm was used as the abrasive. The operating conditions of the polishing device are that the rotation speed of the polishing
以下は、比較例である。ref1は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）のみを砥粒とした結果を示す。ref2は、酸化ケイ素（ＳｉＯ2）のみを砥粒とした結果を示す。ref3は、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）のみを砥粒とした結果を示す。 The following is a comparative example. ref1 shows the result using only aluminum oxide (Al 2 O 3) as abrasive grains. ref2 shows the result of using only silicon oxide (SiO 2) as abrasive grains. ref3 shows the result of using only calcium carbonate (CaCO 3) as abrasive grains.
ref4は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と酸化ケイ素（ＳｉＯ2）を本発明と同様の方法で機械的に結合し一体化した研磨用砥粒を使用した結果を示す。ref5は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）を本発明と同様の方法で機械的に結合し一体化した研磨用砥粒を使用した結果を示す。 ref4 shows the result of using abrasive grains in which aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and silicon oxide (SiO 2 ) are mechanically bonded and integrated by the same method as in the present invention. ref5 shows the result of using abrasive grains in which aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and calcium carbonate (CaCO 3 ) are mechanically bonded and integrated in the same manner as in the present invention.
ref6は、酸化ケイ素（ＳｉＯ2）と炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）を本発明と同様の方法で機械的に結合し一体化した研磨用砥粒を使用した結果を示す。ref7は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）と酸化ケイ素（ＳｉＯ2）と炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）の単なる混合物（一体化されていない）をスラリーに混入して使用した結果を示す。ref8は、平均粒径が１〜３μmのダイヤモンド砥粒を使用した結果を示す。以上の例は、いずれも、研磨パッドとして樹脂パッドを使用し、砥粒を純水に混入したスラリーを使用した。一方、ref9は、平均粒径が１〜３μmのダイヤモンド砥粒を使用し、研磨装置に金属定盤を使用し、油性のスラリーを使用した結果を示す。 ref6 shows the result of using abrasive grains in which silicon oxide (SiO 2 ) and calcium carbonate (CaCO 3 ) are mechanically bonded and integrated by the same method as in the present invention. ref7 shows the result of using a simple mixture (not integrated) of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon oxide (SiO 2 ) and calcium carbonate (CaCO 3) mixed with the slurry. ref8 shows the result of using diamond abrasive grains having an average particle size of 1 to 3 μm. In all of the above examples, a resin pad was used as the polishing pad, and a slurry in which abrasive grains were mixed with pure water was used. On the other hand, ref9 shows the result of using diamond abrasive grains having an average particle size of 1 to 3 μm, using a metal surface plate as a polishing device, and using an oil-based slurry.
ここで、これら全ての例の研磨レートを比較すると、サンプル１の研磨用砥粒を使用した場合には、毎分１μmであったのに対して、ref1〜ref8の例では、いずれも毎分約０．３μmを越えることができない。ref9の例でも、研磨レートは毎分０．８μmであって、既知の研磨レートに及ばない。ref9の例は、既知の最も研磨レートが高いと言われている方法である。
Here, comparing the polishing rates of all these examples, it was 1 μm / min when the abrasive grains for polishing of
サンプル１と２の場合には、既知のどの方法よりも高い研磨レートを実現できた。サンプル３の場合はref9と同程度の研磨レートを実現できた。全てのサンプルは、作業環境を悪化せず、廃液処理が容易な純水を分散媒体としたスラリーを使用している。また、金属定盤を使用した場合に、その面は、サファイアの研磨面に要求されるのと同程度に平坦でなければならない。しかしながら、その平坦度を維持するのは容易でない。一方、樹脂パッドは、サファイアの研磨面に研磨用砥粒を押しつけるための圧力を加えるためのものである。従って、精度の高い構造は求められていない。樹脂パッドは、安価でメンテナンスも容易である。本発明は、樹脂パッドのような柔らかい研磨パッドを使用できるので、金属定盤を使用する場合よりも有利である。
In the case of
［反応促進剤の作用を実証］
図１０は、反応促進剤を取り替えたときのＳｉＣの研磨レートと研磨処理後の温度の関係を示すデータである。
比較例１は、反応促進剤を含まない砥粒を使用した例である。サンプル１１〜１８は、第１の成分にＡｌ2Ｏ3を使用し、第２の成分にＭｎＯ2を使用して、それぞれ別の反応促進剤を使用した研磨用砥粒による実験結果である。炭化ケイ素を４時間研磨した後の研磨レートとスラリーの温度を測定した結果を表示した。
[Demonstration of action of reaction accelerator]
FIG. 10 is data showing the relationship between the polishing rate of SiC when the reaction accelerator is replaced and the temperature after the polishing treatment.
Comparative Example 1 is an example in which abrasive grains containing no reaction accelerator are used.
サンプル１９は、反応促進剤（ＣａＣＯ3）と第２の成分ＭｎＯ2のみを一体化した研磨用砥粒を使用した例である。サンプル２０は、反応促進剤（ＣａＣＯ3）と第１の成分Ａｌ2Ｏ3のみを一体化した研磨用砥粒を使用した例である。
図１０Fig10Aに示すように、比較例１を除き、研磨後のスラリーの温度はいずれも摂氏３０度以上であった。これは、反応促進剤の発熱によって、スラリーが加熱されたことを意味する。また研磨後のスラリーの温度が高いものほど、研磨レートが高いことが分かる。即ち、摩擦熱によって反応促進剤が活発に化学反応をするほど、研磨レートが高くなる。 As shown in FIG. 10A, except for Comparative Example 1, the temperature of the slurry after polishing was 30 degrees Celsius or higher. This means that the slurry was heated by the heat generated by the reaction accelerator. Further, it can be seen that the higher the temperature of the slurry after polishing, the higher the polishing rate. That is, the more actively the reaction accelerator undergoes a chemical reaction due to frictional heat, the higher the polishing rate.
比較例１の場合の研磨レートは０．３１μｍ／ｍｉｎで、研磨後のスラリーの温度は摂氏２７度であった。この例とその他の例とを比較すると、研磨時に発生する摩擦熱だけでなく、反応促進剤の化学反応により発生する熱がスラリーの温度を上昇させていることが分かる。さらに、サンプル１１〜１８のように、第１の成分と第２の成分と反応促進剤とを組み合わせた研磨用砥粒が、研磨レートを飛躍的に高めることも証明された。反応促進剤の作用は、窒化ガリウムの研磨でも同様のため、例示をしていない。
In the case of Comparative Example 1, the polishing rate was 0.31 μm / min, and the temperature of the slurry after polishing was 27 degrees Celsius. Comparing this example with other examples, it can be seen that not only the frictional heat generated during polishing but also the heat generated by the chemical reaction of the reaction accelerator raises the temperature of the slurry. Furthermore, it was also proved that the abrasive grains for polishing, which are a combination of the first component, the second component, and the reaction accelerator, as in
Fig10Bは、研磨後のスラリーの温度と研磨レートの関係を示す表である。実験例１〜８は、第１の研磨剤にＡｌ2Ｏ3を使用し、第２の研磨剤にＳｉＯ2を使用し、それぞれ別の反応促進剤を使用した研磨用砥粒を使用した実験結果である。これらの研磨用砥粒は、いずれも、全体に占める割合が、第１の研磨剤は５０重量％、第２の研磨剤は３７．５重量％、反応促進剤は１２．５重量％で構成されている。研磨条件は全て同一である。被研磨材は、サファイアウエハを平均粒度＃３２５のＧＣ（green carbonite）で研磨した後の表面粗さＲａ−０．２２μｍのものである。研磨前のスラリーの温度は摂氏２５度であった。サファイアを１時間研磨した後のスラリーの温度を測定した。研磨レートは、研磨後の被研磨材の厚みを測定して、１分（ｍｉｎ）あたりの研磨量を計算して求めたものである。 Fig. 10B is a table showing the relationship between the temperature of the slurry after polishing and the polishing rate. In Experimental Examples 1 to 8, Al 2 O 3 was used as the first abrasive, SiO 2 was used as the second abrasive, and abrasive grains using different reaction accelerators were used. The result. All of these abrasive grains are composed of 50% by weight of the first abrasive, 37.5% by weight of the second abrasive, and 12.5% by weight of the reaction accelerator. Has been done. The polishing conditions are all the same. The material to be polished is a sapphire wafer having a surface roughness Ra-0.22 μm after being polished with GC (green carbonite) having an average particle size of # 325. The temperature of the slurry before polishing was 25 degrees Celsius. The temperature of the slurry after polishing the sapphire for 1 hour was measured. The polishing rate is obtained by measuring the thickness of the material to be polished after polishing and calculating the polishing amount per minute (min).
ｒｅｆ１は、反応促進剤を使用しない砥粒を使用した比較例である。ｒｅｆ２は、反応促進剤（ＣａＣＯ3）と第２の研磨剤ＳｉＯ2のみを使用した比較例である。ｒｅｆ３は、反応促進剤（ＣａＣＯ3）と第１の研磨剤Ａｌ2Ｏ3のみを使用した比較例である。 ref1 is a comparative example in which abrasive grains that do not use a reaction accelerator are used. ref2 is a comparative example in which only the reaction accelerator (CaCO 3 ) and the second abrasive SiO 2 are used. ref3 is a comparative example in which only the reaction accelerator (CaCO 3 ) and the first abrasive Al 2 O 3 are used.
実験例１〜８の結果から、研磨後のスラリーの温度はいずれも摂氏３０度以上であった。これは、被研磨材と研磨剤の摩擦で発生する熱だけでなく、反応促進剤の化学反応によって、スラリーが加熱されたことを意味する。また研磨後のスラリーの温度が高いものほど、研磨レートが大きいことが分かる。即ち、摩擦熱によって反応促進剤が活発に化学反応をするほど、研磨速度が速くなることがわかった。 From the results of Experimental Examples 1 to 8, the temperature of the slurry after polishing was 30 degrees Celsius or higher. This means that the slurry was heated not only by the heat generated by the friction between the material to be polished and the abrasive, but also by the chemical reaction of the reaction accelerator. It can also be seen that the higher the temperature of the slurry after polishing, the higher the polishing rate. That is, it was found that the more actively the reaction accelerator undergoes a chemical reaction due to frictional heat, the faster the polishing rate.
ｒｅｆ１の場合の研磨レートは０．４０μｍ／ｍｉｎで、研磨後のスラリーの温度は摂氏２７度であった。また、ｒｅｆ２（第１の研磨剤が無い）とｒｅｆ３（第２の研磨剤が無い）では、反応促進剤の発熱によってスラリーが摂氏４１度まで加熱されていることが分かった。しかしながら、研磨レートはあまり高く無い。これにより、第１の研磨剤と第２の研磨剤と反応促進剤とを組み合わせた特許文献４〜６の研磨用砥粒だけが、研磨レートを十分に高めることが証明された。
In the case of ref1, the polishing rate was 0.40 μm / min, and the temperature of the slurry after polishing was 27 degrees Celsius. It was also found that in ref2 (without the first abrasive) and ref3 (without the second abrasive), the slurry was heated to 41 degrees Celsius by the heat generated by the reaction accelerator. However, the polishing rate is not very high. As a result, it was proved that only the abrasive grains of
［研磨レートの向上理由］
ここで、上記の研磨用砥粒による著しい研磨レート向上の理由を整理して説明する。
（１）研磨用砥粒に新モース硬度が１３以下の第１の成分を含めた場合
新モース硬度が１３以下の粒子は、ＺｒＳｉＯ4とＡｌ2Ｏ3とＺｒＯ2 とＳｉＣである。これらの成分は、炭化ケイ素や窒化ガリウムに対して物理的な力を加えて塑性変形層（アモルファス層）を形成する働きをする。さらに、メカノケミカル効果を生じさせる性質を持つ第２の成分で、塑性変質層を変質させた後、第１の成分が、その塑性変形層を機械的に剥ぎ取る働きをする。被研磨材に第１の成分で塑性変形層を形成すると、その部分の結晶構造が破壊されているので、第２の成分によるメカノケミカル効果を生じ易くなると考えられる。塑性変質層を変質させると、被研磨材よりも硬度の低い第１の砥粒でこれを剥ぎ取ることが可能になる。この作用は被研磨材がサフアイアの場合も同様である。
[Reason for improving polishing rate]
Here, the reasons for the remarkable improvement in the polishing rate by the above-mentioned abrasive grains for polishing will be summarized and described.
(1) When the polishing abrasive grains include the first component having a new Mohs hardness of 13 or less The particles having a new Mohs hardness of 13 or less are ZrSiO 4 , Al 2 O 3 , Zr O 2, and SiC. These components act to form a plastically deformed layer (amorphous layer) by applying a physical force to silicon carbide or gallium nitride. Further, a second component having a property of producing a mechanochemical effect, after altering the plastic deformation layer, has a function of mechanically peeling off the plastic deformation layer. When a plastically deformed layer is formed on the material to be polished with the first component, the crystal structure of that portion is destroyed, so that it is considered that the mechanochemical effect due to the second component is likely to occur. When the plastic alteration layer is altered, it can be peeled off by a first abrasive grain having a hardness lower than that of the material to be polished. This action is the same when the material to be polished is Safia.
Ａｌ2Ｏ3は新モース硬度が９である。ＺｒＳｉＯ4とＺｒＯ2は新モース硬度が８である。いずれの粒子も炭化ケイ素または窒化ガリウムよりも新モース硬度が高くないので、研磨痕の発生が抑制される。Ａｌ2Ｏ3はＺｒＳｉＯ4よりも固いから、ＺｒＳｉＯ4を使用した研磨用砥粒よりも、Ａｌ2Ｏ3を使用した研磨用砥粒のほうが研磨レートが高い。 Al 2 O 3 has a new Mohs hardness of 9. ZrSiO 4 and ZrO 2 have a new Mohs hardness of 8. Since none of the particles has a higher Mohs hardness than silicon carbide or gallium nitride, the generation of polishing marks is suppressed. Since Al 2 O 3 is harder than the ZrSiO 4, than abrasive grains using ZrSiO 4, a high polishing rate towards the abrasive grains using Al 2 O 3.
（２）研磨用砥粒にメカノケミカル効果を生じさせる研磨材を含めた場合
メカノケミカル研磨材は、Ｃｒ2Ｏ3、Ｆｅ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＺｎＯ、ＮｉＯ、ＳｎＯ2、Ｓｂ2Ｏ3、ＣｕＯ、Ｃｏ3Ｏ4、ＣｅＯ2、Ｐｒ6Ｏ11、ＭｎＯ2である。いずれも、炭化ケイ素または窒化ガリウムと高温雰囲気下で酸化反応を起こし易い。また固相反応を起こしやすい。この化学反応が、炭化ケイ素や窒化ガリウムの被研磨面を変質させると考えられる。これは、先行技術文献で紹介されたとおりである。
(2) When a polishing material that produces a mechanochemical effect is included in the abrasive grains for polishing The mechanochemical polishing materials are Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , TiO 2 , ZnO, NiO, SnO 2 , Sb 2 O 3 , CuO, Co 3 O 4 , CeO 2 , Pr 6 O 11 , MnO 2 . Both are likely to undergo an oxidation reaction with silicon carbide or gallium nitride in a high temperature atmosphere. Moreover, it is easy to cause a solid phase reaction. It is considered that this chemical reaction alters the surface to be polished of silicon carbide or gallium nitride. This is as introduced in the prior art document.
サフアィアに対するメカノケミカル研磨材は、Ｃｒ2Ｏ3、Ｆｅ2Ｏ3またはＳｉＯ2である。これらの研磨材は、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）と同形置換（ isomorphous substitution ）を起こし易い。同型置換とは、イオン半径が近似する物質同士が、外部から圧力や熱を加えられると、イオン群が互いに置き換わる現象である。 Mechanochemical abrasives for sapphire are Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 or SiO 2 . These abrasives are prone to isomorphous substitution with sapphire (Al 2 O 3). Isomorphic substitution is a phenomenon in which substances with similar ionic radii replace each other when pressure or heat is applied from the outside.
サファイアの六配位（six‐coordination）Ａｌ3 +（イオン半径０．５４Å（オングストローム））と近いイオン半径をもつ物質は、Ｆｅ2Ｏ3の六配位Ｆｅ3 +（イオン半径0.55Å）や、Ｃｒ2Ｏ3の六配位Ｃｒ3 +（イオン半径0.62Å）である。これらのイオン群が同形置換を起こす。この化学反応が、サファイアの被研磨面を変質させると考えられる。 Sapphire hexacoordinated (six-coordination) Al 3 + substances having ionic radius close to that (ionic radius 0.54 (Å)), the hexa-coordinated Fe 3 + (ionic radius 0.55Å) of Fe 2 O 3 Ya a Cr 2 O 3 hexacoordinated Cr 3 + (ionic radius 0.62Å). These groups of ions cause isomorphic substitutions. This chemical reaction is thought to alter the surface of sapphire to be polished.
一方、ＳｉＯ2は、次のような化学反応をする。シラノール基（≡Ｓｉ−ＯＨ）を有するＳｉＯ4の四面体が、脱水縮合反応によって連結する際に、Ａｌ3 +がＡｌ（ＯＨ）3のような形で脱水縮合反応に加わる。ＳｉＯ4連結体がサファイアの結晶構造内に取り込まれる。ＳｉＯ4連結体の内部では、六配位Ｓｉ4 +（イオン半径0.40Å）が、四配位Ａｌ3 +（イオン半径0.39Å）によって置換された状態になる。この同形置換による化学反応が、サファイアの被研磨面を変質させると考えられる。 On the other hand, SiO 2 undergoes the following chemical reaction. Tetrahedron SiO 4 having a silanol group (≡Si-OH) is, when connecting by a dehydration condensation reaction, Al 3 + is applied to the dehydration condensation reaction in a way of Al (OH) 3. The SiO 4 conjugate is incorporated into the crystal structure of sapphire. Inside the SiO 4 connecting body, six-coordinate Si 4 + (ionic radius 0.40Å) it is, in a state of being replaced by a four-coordinated Al 3 + (ionic radius 0.39Å). It is considered that the chemical reaction due to this isomorphic substitution alters the surface to be polished of sapphire.
（３）反応促進剤を研磨用砥粒に含めた場合
反応促進剤として炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）を使用した場合の化学反応を説明する。炭酸カルシウムは、研磨用砥粒と炭化ケイ素や窒化ガリウムの研磨面との摩擦により発生した摩擦熱で、ＣａＯとＣＯ2に分解する。さらに摩擦熱により摂氏数百度の熱が発生したとき、酸化カルシウムＣａＯが水と反応して発熱し、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ2））が生成される。この反応は、炭化ケイ素や窒化ガリウムと研磨用砥粒とが接触したきわめて狭い領域でのみ生じる。この反応により炭化ケイ素や窒化ガリウムが変質する。同時に、高温の強アルカリ雰囲気で、メカノケミカル効果を生じさせる研磨材の化学反応が加速されると考えられる。
(3) When a reaction accelerator is included in abrasive grains The chemical reaction when calcium carbonate (CaCO 3) is used as the reaction accelerator will be described. Calcium carbonate is decomposed into CaO and CO 2 by the frictional heat generated by the friction between the abrasive grains for polishing and the polished surface of silicon carbide or gallium nitride. Further, when heat of several hundred degrees Celsius is generated by frictional heat, calcium oxide CaO reacts with water to generate heat, and calcium hydroxide (Ca (OH 2 )) is generated. This reaction occurs only in a very narrow area where silicon carbide or gallium nitride and the abrasive grains are in contact. This reaction alters silicon carbide and gallium nitride. At the same time, it is considered that the chemical reaction of the abrasive that causes the mechanochemical effect is accelerated in the high temperature and strong alkaline atmosphere.
以上のように、研磨用砥粒は、炭化ケイ素や窒化ガリウムの研磨面に塑性変形層を形成し、反応促進剤により高温強アルカリ雰囲気が形成された部分でメカノケミカル効果を生じさせて、炭化ケイ素や窒化ガリウムを研磨する。この発熱によって、研磨後のスラリーは、摂氏３０度〜４０度になった。強アルカリ雰囲気が発生するのは研磨用砥粒の周辺のきわめて狭い領域なのでスラリー全体のｐＨに大きな影響を及ぼさない。 As described above, in the abrasive grains for polishing, a plastic deformation layer is formed on the polished surface of silicon carbide or gallium nitride, and a mechanochemical effect is generated in a portion where a high temperature and strong alkaline atmosphere is formed by a reaction accelerator, and carbonization is performed. Polish silicon and gallium nitride. Due to this heat generation, the slurry after polishing became 30 to 40 degrees Celsius. Since the strong alkaline atmosphere is generated in an extremely narrow region around the abrasive grains for polishing, it does not significantly affect the pH of the entire slurry.
ＳｒＣＯ3、ＭｇＣＯ3、ＢａＣＯ3等についても、全く同様の反応が生じている。上記の反応はきわめて局部的に生じる。研磨処理後のスラリーのｐＨは、中性の７よりもわずかに上昇するだけである。また、たとえ第２の成分で炭化ケイ素や窒化ガリウムの表面を変質させても、その場所正確に第１の成分が接触しなければ研磨レートは向上しない。従って、従来のように研磨剤と反応促進剤とが分離した状態でスラリー中に含まれていても、高い研磨レートは得られない。既知の研磨用砥粒は、第１の成分や第２の成分と摩擦滅反応剤とが一体に結合しているので、上記の効果が得られた。即ち、炭化ケイ素や窒化ガリウムを、湿式研磨により、十分な高い研磨レートで研磨して、高品位な研磨面を得ることが可能になった。 Exactly the same reaction occurs for SrCO 3 , MgCO 3 , BaCO 3, and the like. The above reaction occurs very locally. The pH of the slurry after polishing is only slightly higher than that of neutral 7. Further, even if the surface of silicon carbide or gallium nitride is altered by the second component, the polishing rate does not improve unless the first component comes into contact with the location exactly. Therefore, even if the abrasive and the reaction accelerator are contained in the slurry in a separated state as in the conventional case, a high polishing rate cannot be obtained. In the known abrasive grains for polishing, the above-mentioned effect was obtained because the first component or the second component and the friction-reacting agent were integrally bonded. That is, it has become possible to polish silicon carbide and gallium nitride at a sufficiently high polishing rate by wet polishing to obtain a high-quality polished surface.
図１１は、サンプル１〜３の研磨圧力と研磨レートの関係を示すデータである。
この実施例は、研磨圧力を変更したことによる研磨レートの変化を確認するためのものである。この図は、保持装置２４が被研磨材２６を研磨定盤２０の方向に押しつける研磨圧力が、１平方センチメートルあたり５００グラム（ｇ／ｃｍ2）、７５０ｇ／ｃｍ2）、１０００ｇ／ｃｍ2の３種類の実験結果を示している。定盤回転数は毎分５０回転、キャリア回転数は毎分１００回転、スラリー濃度は１５％、スラリー供給量は毎分１０ミリリットルであった。
FIG. 11 is data showing the relationship between the polishing pressure and the polishing rate of the
This embodiment is for confirming the change in the polishing rate due to the change in the polishing pressure. This figure, polishing
この結果によれば、研磨圧力を増加させると、ＳｉＣ基板の研磨レートが向上する。例えば、サンプル１の場合、研磨圧力が５００ｇ／ｃｍ2の場合には、研磨レートが毎分０．７２ミクロンメータ（μｍ／ｍｉｎ）であるのに対し、研磨圧力が１０００ｇ／ｃｍ2の場合には、研磨レートが１．３９μｍ／ｍｉｎという結果が得られた。研磨レートが約２倍になった。しかも、研磨圧力を１０００ｇ／ｃｍ2にしても、研磨痕の無い状態で炭化ケイ素基板の研磨後の面粗さを、０．００３μｍにすることができた。
According to this result, increasing the polishing pressure improves the polishing rate of the SiC substrate. For example, in the case of
研磨圧力を高めることによって、より多く摩擦熱が発生し、同時に、研磨用砥粒が被研磨材の研磨面を効率よく削ることが、この実施例によって証明された。サンプル１〜３のいずれの研磨用砥粒も、従来のどの方法よりも高速で被研磨材の高品質な研磨が可能になる。
It was proved by this example that by increasing the polishing pressure, more frictional heat is generated, and at the same time, the abrasive grains for polishing efficiently grind the polished surface of the material to be polished. Any of the abrasive grains for polishing of
図１２は、各種研磨用砥粒の研磨レートと表面粗さの関係を示す比較図である。
この例は、純水をスラリーに使用した場合の、各種砥粒の研磨レートと、研磨後の被研磨材の表面粗さを示したものである。比較のため、ＳｉＯ2、ＭｎＯ2、ＣｅＯ2、ＴｉＯ2の単体と、ダイヤモンド砥粒を使用した例を含めた。ダイヤモンド砥粒以外の砥粒は、ＳｉＣの研磨に対して、研磨レートがきわめて低く実用にならない。特許文献４〜６の研磨用砥粒は、純水をスラリーに使用しても、いずれもダイヤモンド砥粒よりも高い研磨レートを示している。しかも、研磨後のＳｉＣ基板の表面粗さがダイヤモンド砥粒に比べて著しく小さい。即ち、高品質の研磨面を得ることができる。
FIG. 12 is a comparative diagram showing the relationship between the polishing rate and the surface roughness of various polishing abrasive grains.
This example shows the polishing rate of various abrasive grains and the surface roughness of the material to be polished after polishing when pure water is used for the slurry. For comparison, examples of using SiO 2 , MnO 2 , CeO 2 , and TiO 2 alone and diamond abrasive grains were included. Abrasive grains other than diamond abrasive grains have an extremely low polishing rate for polishing SiC and are not practical. The polishing abrasive grains of
図１３は、比較例の砥粒の研磨レートと表面粗さの関係を示す比較図である。
ここでは、ＳｉＯ2、ＭｎＯ2、ＣｅＯ2、ＴｉＯ2を、酸化剤であるＨ2Ｏ2をスラリーに含めて、ＳｉＣ基板を研磨した結果を示す。図１２の例と比較すれば、わずかに研磨が可能になることがわかる。しかし、この研磨レートでは、研磨時間がかかりすぎて、実用にならない。
FIG. 13 is a comparative diagram showing the relationship between the polishing rate of the abrasive grains of the comparative example and the surface roughness.
Here, the result of polishing the SiC substrate by including SiO 2 , MnO 2 , CeO 2 , and TiO 2 in the slurry and H 2 O 2 as an oxidizing agent is shown. Compared with the example of FIG. 12, it can be seen that polishing is possible slightly. However, at this polishing rate, the polishing time is too long to be practical.
図１４は、グラフ化した研磨レートの比較図である。図１５は、グラフ化した研磨後の表面粗さの比較図である。
図１２と図１３の結果を図１４と図１５にグラフで表示した。図１４に示すように、特許文献４〜６の研磨用砥粒は、ダイヤモンド砥粒のみの場合と同等以上の研磨レートを実現できる。また、同時に、図１５に示すように、ダイヤモンド砥粒による研磨面の粗さと比較して、圧倒的に高品質な研磨面が得られる。
FIG. 14 is a graphed comparison diagram of polishing rates. FIG. 15 is a graphed comparative view of the surface roughness after polishing.
The results of FIGS. 12 and 13 are shown graphically in FIGS. 14 and 15. As shown in FIG. 14, the polishing abrasive grains of
図１６は、本発明の研磨用砥粒の効果を示す実証データ図表である。
本発明の研磨用砥粒を使用した、研磨レートの検証を以下のようにして行った。ポリッシャは銅板に樹脂を被覆したもので、研磨時に被研磨材に加える荷重は400ｇ／ｃｍ2とした。定盤の直径は３８０ｍｍ、定盤の回転数は６０ＲＰＭ、キャリアの回転数は６０ＲＰＭ、スラリーの滴下量は毎分２ｍｌ、ワーク（被研磨材）の形状は１辺１ｃｍの正方形である。
FIG. 16 is an empirical data chart showing the effect of the abrasive grains for polishing of the present invention.
The polishing rate was verified using the polishing abrasive grains of the present invention as follows. The polisher is a copper plate coated with resin, and the load applied to the material to be polished during polishing is 400 g / cm2. The diameter of the surface plate is 380 mm, the rotation speed of the surface plate is 60 RPM, the rotation speed of the carrier is 60 RPM, the amount of slurry dropped is 2 ml per minute, and the shape of the work (abrasive material) is a square with a side of 1 cm.
まず、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）とシリカ（ＳｉＯ2）と酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）とをメカニカルアロイング処理によって結合した研磨用砥粒で、サファイアのＲ面を研磨する試験をした。一体化した研磨用砥粒の平均粒径が１．２μｍのものと、０．５μｍのものとを使用した。混入するダイヤモンド粒子は、平均粒径が３０ｎｍ（０．０３μｍ）と２００ｎｍの単結晶構造のものと、平均粒径が３０ｎｍと５０ｎｍの多結晶構造のものとの合計４種類を使用した。研磨用砥粒中に占めるダイヤモンド粒子の割合は０．２５重量パーセントとした。 First, a test was conducted in which the R surface of sapphire was polished with abrasive grains in which calcium carbonate (CaCO 3 ), silica (SiO 2 ), and aluminum oxide (Al 2 O 3) were combined by a mechanical aloing treatment. The integrated abrasive grains for polishing having an average particle size of 1.2 μm and 0.5 μm were used. As the mixed diamond particles, a total of four types were used, one having a single crystal structure having an average particle size of 30 nm (0.03 μm) and 200 nm, and the other having a polycrystalline structure having an average particle size of 30 nm and 50 nm. The ratio of diamond particles to the abrasive grains for polishing was 0.25% by weight.
ダイヤモンド粒子を混入していない研磨用砥粒では、研磨レート（加工能率と表示）が１時間あたり０．５μｍで表面粗さ（面粗度と表示）が０．４ｎｍになるまで研磨することができた。一方、平均粒径が３０ｎｍの単結晶ダイヤモンド粒子を混入した研磨用砥粒では、ほぼ同等の０．５ｎｍの表面粗さに達するまでの研磨レートが１時間あたり４．５μｍと格段に向上した。半導体のコストの相当部分が研磨作業時間の影響を受けていることから、この改善により大幅な製造コストの削減が可能になる。 Abrasive grains that do not contain diamond particles can be polished until the polishing rate (indicated as processing efficiency) is 0.5 μm per hour and the surface roughness (indicated as surface roughness) is 0.4 nm. did it. On the other hand, in the abrasive grains for polishing mixed with single crystal diamond particles having an average particle size of 30 nm, the polishing rate until the surface roughness reached 0.5 nm, which was almost the same, was remarkably improved to 4.5 μm per hour. Since a considerable part of the cost of semiconductors is affected by the polishing work time, this improvement enables a significant reduction in manufacturing costs.
ここの研磨レートの向上は、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）とシリカ（ＳｉＯ2）とサファイア（Ａｌ2Ｏ3）によるメカノケミカル効果によって被研磨材の表面が変質したところにダイヤモンド粒子が微少な傷をつけて、変質した部分が剥ぎ取り易くなったためと考えられる。微少なダイヤモンド粒子は被研磨材を直接研磨できるほどの傷を発生させることはない。しかし、、変質した部分の研磨促進には有効に機能することがわかる。 The improvement of the polishing rate here is due to the mechanochemical effect of calcium carbonate (CaCO 3 ), silica (SiO 2 ) and sapphire (Al 2 O 3 ), which causes minute scratches on the surface of the material to be polished. It is probable that it became easier to peel off the altered part. The fine diamond particles do not cause enough scratches to directly polish the material to be polished. However, it can be seen that it functions effectively to promote polishing of the deteriorated portion.
平均粒径が３０ｎｍの多結晶ダイヤモンド粒子を混入した研磨用砥粒では、研磨レートが表面粗さが０．５ｎｍになるまで研磨することができた。研磨レートは同じ平均粒径の単結晶ダイヤモンド粒子を混入した場合の半分であったが、これでも、高品質な研磨面を得るために十分な研磨レートの向上を図ることができた。平均粒径が５０ｎｍの多結晶ダイヤモンド粒子を混入したものも、同様に研磨がレート１時間あたり２μｍで、表面粗さが０．６ｎｍになるまで研磨することができた。この場合も十分な実用性がある。 Abrasive grains for polishing mixed with polycrystalline diamond particles having an average particle size of 30 nm could be polished until the polishing rate reached a surface roughness of 0.5 nm. The polishing rate was half that of the case where single crystal diamond particles having the same average particle size were mixed, but even with this, it was possible to sufficiently improve the polishing rate in order to obtain a high-quality polished surface. Similarly, those mixed with polycrystalline diamond particles having an average particle size of 50 nm could be polished at a rate of 2 μm per hour until the surface roughness became 0.6 nm. In this case as well, there is sufficient practicality.
これに対して、平均粒径が２００ｎｍの単結晶ダイヤモンド粒子を混入した研磨用砥粒では、研磨レートは１時間あたり３μｍという高い数値を得られたが、表面粗さは１．４ｎｍになった。この程度までは実用範囲であるが、混入するダイヤモンド粒子の平均粒径が大きくなると、良好な研磨面が得難くなることが分かる。研磨用砥粒の平均粒径が０．５μｍのものの場合には、ダイヤモンド粒子の平均粒径が３０ｎｍの単結晶ダイヤモンド粒子を混入してやや研磨レートが遅くなるものの十分平坦な研磨面が得られた。 On the other hand, in the abrasive grains for polishing mixed with single crystal diamond particles having an average particle size of 200 nm, a high polishing rate of 3 μm per hour was obtained, but the surface roughness was 1.4 nm. .. Although it is within the practical range up to this extent, it can be seen that when the average particle size of the mixed diamond particles becomes large, it becomes difficult to obtain a good polished surface. When the average particle size of the abrasive grains for polishing was 0.5 μm, a sufficiently flat polished surface was obtained although the polishing rate was slightly slowed down by mixing single crystal diamond particles having an average particle size of diamond particles of 30 nm. ..
三方晶系コランダム型構造の炭化ケイ素（ＳｉＣ）について試験をしてた。炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）と二酸化マンガン（ＭｎＯ2）と酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）とをメカニカルアロイング処理によって結合した研磨用砥粒にも、平均粒径が１．２μｍのものと、０．５μｍのものとを使用した。混入するダイヤモンド粒子は、サファイアの場合と同様に、平均粒径が３０ｎｍと２００ｎｍの単結晶構造のものと、平均粒径が３０ｎｍと５０ｎｍの多結晶構造のものとを使用した。 A test was conducted on silicon carbide (SiC) having a trigonal corundum structure. Abrasive abrasive grains in which calcium carbonate (CaCO 3 ), manganese dioxide (MnO 2 ), and aluminum oxide (Al 2 O 3 ) are combined by mechanical alloying treatment also have an average particle size of 1.2 μm and 0. The one with a thickness of .5 μm was used. As the mixed diamond particles, as in the case of sapphire, those having a single crystal structure having an average particle size of 30 nm and 200 nm and those having a polycrystalline structure having an average particle size of 30 nm and 50 nm were used.
ダイヤモンド粒子を混入していない研磨用砥粒では、研磨レートが１時間あたり０．１μｍで表面粗さが０．４ｎｍになるまで研磨することができた。一方、平均粒径が３０ｎｍの単結晶ダイヤモンド粒子を混入した研磨用砥粒では、同じ０．４ｎｍの表面粗さに達するまでの研磨レートが１時間あたり５μｍと、格段に向上した。 With the abrasive grains for polishing not mixed with diamond particles, it was possible to polish until the polishing rate was 0.1 μm per hour and the surface roughness became 0.4 nm. On the other hand, in the abrasive grains for polishing mixed with single crystal diamond particles having an average particle size of 30 nm, the polishing rate until reaching the same surface roughness of 0.4 nm was remarkably improved to 5 μm per hour.
平均粒径が３０ｎｍの多結晶ダイヤモンド粒子を混入した研磨用砥粒では、研磨レートが１時間あたり２μｍで表面粗さが０．４ｎｍになるまで研磨することができた。研磨レートが単結晶ダイヤモンド粒子の場合の半分以下であったが、これでも、高品質な研磨面を得るために十分な研磨レートを得られた。平均粒径が５０ｎｍの多結晶ダイヤモンド粒子を混入したものも、同じ研磨レートで表面粗さが０．５ｎｍになるまで研磨することができた。 Abrasive grains for polishing mixed with polycrystalline diamond particles having an average particle size of 30 nm could be polished until the polishing rate was 2 μm per hour and the surface roughness became 0.4 nm. The polishing rate was less than half that of the single crystal diamond particles, but this still provided a sufficient polishing rate to obtain a high quality polished surface. Even those mixed with polycrystalline diamond particles having an average particle size of 50 nm could be polished at the same polishing rate until the surface roughness became 0.5 nm.
これに対して、平均粒径が２００ｎｍの単結晶ダイヤモンド粒子を混入した研磨用砥粒では、研磨レートは１時間あたり３μｍという高い数値を得られたが、研磨後の表面粗さは０．８ｎｍであった。ここでも、ダイヤモンド粒子の平均粒径が大きくなると、良好な研磨面が得難くなることが分かる。研磨用砥粒の平均粒径が０．５μｍの場合には、ダイヤモンド粒子の平均粒径が３０ｎｍの単結晶ダイヤモンド粒子を混入してやや研磨レートが遅くなるものの十分平坦な研磨面が得られた。 On the other hand, in the abrasive grains for polishing mixed with single crystal diamond particles having an average particle size of 200 nm, a high polishing rate of 3 μm per hour was obtained, but the surface roughness after polishing was 0.8 nm. Met. Again, it can be seen that as the average particle size of the diamond particles increases, it becomes difficult to obtain a good polished surface. When the average particle size of the abrasive grains for polishing was 0.5 μm, a sufficiently flat polished surface was obtained although the polishing rate was slightly slowed down by mixing single crystal diamond particles having an average particle size of diamond particles of 30 nm.
窒化ガリウム（ＧａＮ）についても、ほぼ同様の条件で試験をした。炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）と酸化亜鉛（ＺｎＯ）と酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）とをメカニカルアロイング処理によって結合した研磨用砥粒ニついても、平均粒径が１．２μｍのものと、０．５μｍのものとを使用した。混入するダイヤモンド粒子についても、上記と同様に、平均粒径が３０ｎｍと２００ｎｍの単結晶構造のものと、平均粒径が３０ｎｍと５０ｎｍの多結晶構造のものとを使用した。 The gallium nitride (GaN) was also tested under almost the same conditions. Even with abrasive grains in which calcium carbonate (CaCO 3 ), zinc oxide (ZnO), and aluminum oxide (Al 2 O 3 ) are combined by mechanical alloying treatment, the average particle size is 1.2 μm and 0. The one with a thickness of .5 μm was used. As the mixed diamond particles, those having a single crystal structure having an average particle size of 30 nm and 200 nm and those having a polycrystalline structure having an average particle size of 30 nm and 50 nm were used in the same manner as described above.
ダイヤモンド粒子を混入していない研磨用砥粒では、研磨レートが１時間あたり０．１μｍで表面粗さが０．４ｎｍになるまで研磨することができた。一方、平均粒径が３０ｎｍの単結晶ダイヤモンド粒子を混入した研磨用砥粒では、同じ０．４ｎｍの表面粗さに達するまでの研磨レートが１時間あたり４μｍと、格段に向上した。 With the abrasive grains for polishing not mixed with diamond particles, it was possible to polish until the polishing rate was 0.1 μm per hour and the surface roughness became 0.4 nm. On the other hand, in the abrasive grains for polishing mixed with single crystal diamond particles having an average particle size of 30 nm, the polishing rate until reaching the same surface roughness of 0.4 nm was remarkably improved to 4 μm per hour.
平均粒径が３０ｎｍの多結晶ダイヤモンド粒子を混入した研磨用砥粒では、研磨レートが１時間あたり２μｍで表面粗さが０．４ｎｍになるまで研磨することができた。研磨レートが単結晶ダイヤモンド粒子の場合の半分以下であったが、これでも、高品質な研磨面を得るために十分な研磨レートを得られた。平均粒径が５０ｎｍの多結晶ダイヤモンド粒子を混入したものも、同じ研磨レートで表面粗さが０．５ｎｍになるまで研磨することができた。 Abrasive grains for polishing mixed with polycrystalline diamond particles having an average particle size of 30 nm could be polished until the polishing rate was 2 μm per hour and the surface roughness became 0.4 nm. The polishing rate was less than half that of the single crystal diamond particles, but this still provided a sufficient polishing rate to obtain a high quality polished surface. Even those mixed with polycrystalline diamond particles having an average particle size of 50 nm could be polished at the same polishing rate until the surface roughness became 0.5 nm.
これに対して、平均粒径が２００ｎｍの単結晶ダイヤモンド粒子を混入した研磨用砥粒では、研磨レートは１時間あたり２μｍという高い数値を得られたが、研磨後の表面粗さは１．４ｎｍであった。ダイヤモンド粒子の平均粒径がこの付近を越えると、良好な研磨面が得難くなることが分かる。研磨用砥粒の平均粒径が０．５μｍの場合には、ダイヤモンド粒子の平均粒径が３０ｎｍの単結晶ダイヤモンド粒子を混入してやや研磨レートが遅くなるものの十分平坦な研磨面が得られた。 On the other hand, in the abrasive grains for polishing mixed with single crystal diamond particles having an average particle size of 200 nm, a high polishing rate of 2 μm per hour was obtained, but the surface roughness after polishing was 1.4 nm. Met. It can be seen that when the average particle size of the diamond particles exceeds this vicinity, it becomes difficult to obtain a good polished surface. When the average particle size of the abrasive grains for polishing was 0.5 μm, a sufficiently flat polished surface was obtained although the polishing rate was slightly slowed down by mixing single crystal diamond particles having an average particle size of diamond particles of 30 nm.
なお、いずれの被研磨材についても、平均粒径が３０ｎｍ〜２００ｎｍのダイヤモンド粒子のみでは、実用的な研磨レートで研磨すること自体が不可能であった。以上の結果を総合すると、いずれの被研磨材に使用する研磨用砥粒であっても、配合するダイヤモンド粒子の平均粒径と配合比とが、一定の範囲に調整されていることで、実用的な高い研磨レートと高品質な研磨面が得られることが分かった。 It should be noted that it was impossible to polish any of the materials to be polished with only diamond particles having an average particle size of 30 nm to 200 nm at a practical polishing rate. Summarizing the above results, regardless of the abrasive grains used for any material to be polished, the average particle size and blending ratio of the diamond particles to be blended are adjusted to a certain range, which is practical. It was found that a high polishing rate and a high quality polishing surface can be obtained.
即ち、ダイヤモンド粒子は、一体化された研磨用砥粒の０．０１重量パーセント以上１０重量パーセント以下を占めることが好ましい。０．０１重量パーセント未満の混入量では変質した部分に傷を付けて研磨レートを促進する効果がほとんど現れない。 That is, the diamond particles preferably occupy 0.01% by weight or more and 10% by weight or less of the integrated abrasive grains for polishing. If the amount is less than 0.01% by weight, the effect of damaging the deteriorated portion and promoting the polishing rate is hardly exhibited.
また、１０重量パーセントを越える混入量では、ダイヤモンド粒子が研磨用砥粒の表面を覆う面積が増大して、被研磨材を変質させるための成分が被研磨材に接触するのを妨げてしまう。こうした理由から、ダイヤモンド粒子の適切な混入量を選定することができる。 Further, if the mixing amount exceeds 10% by weight, the area where the diamond particles cover the surface of the abrasive grains increases, and the components for altering the material to be polished are prevented from coming into contact with the material to be polished. For this reason, an appropriate mixing amount of diamond particles can be selected.
一方、ダイヤモンド粒子の平均粒径と上記一体化された粒子の平均粒径の比は、１対１００から１対６の範囲であることが最も好ましい。さらに、ダイヤモンド粒子の平均粒径は０．２μｍ以下であることが好ましい。 On the other hand, the ratio of the average particle size of the diamond particles to the average particle size of the integrated particles is most preferably in the range of 1: 100 to 1: 6. Further, the average particle size of the diamond particles is preferably 0.2 μm or less.
研磨用砥粒の平均粒径が１μｍ程度の場合に、平均粒径の比が１対１００に満たない微少なダイヤモンド粒子は変質面を効果的に傷つける能力が低すぎて実用にならない。一方、平均粒径の比が１対６をこえると、上記の実施例のように、ダイヤモンド粒子の平均粒径が大きくなり、被研磨材の表面に無用な傷を付けて研磨面の平坦度を損なう。こうした理由から平均粒径の比を適切な範囲に選定することが好ましい。従って、ダイヤモンド粒子自体の平均粒径も、０．２μｍ以下であることが、一層好ましいといえる。 When the average particle size of the abrasive grains for polishing is about 1 μm, the minute diamond particles having an average particle size ratio of less than 1: 100 have too low an ability to effectively damage the altered surface and are not practical. On the other hand, when the ratio of the average particle size exceeds 1: 6, the average particle size of the diamond particles becomes large as in the above embodiment, and the surface of the material to be polished is unnecessarily scratched and the flatness of the polished surface is increased. To spoil. For this reason, it is preferable to select the ratio of the average particle size in an appropriate range. Therefore, it can be said that it is more preferable that the average particle size of the diamond particles themselves is 0.2 μm or less.
被研磨材の研磨工程において、反応促進剤が摩擦熱を発生させる領域や、二酸化マンガンが酸化作用を及ぼす領域は、それぞれきわめて狭い。しかも、その効果が現れる時間もごく短時間である。摩擦熱により第２の成分による酸化作用が促進され、その状態で該当する面にただちに第１の成分が接触することで、相互作用による効果的な研磨が可能になる。反応促進剤と酸化剤と機械的研磨剤とがそれぞれ交互に不規則に時間をおいて被研磨剤の表面に接触しても、十分な相互作用が現れない。即ち、スラリー中にこれらの粒子が分散している場合と、本発明のように一体化した研磨用砥粒の場合とでは、著しい差が生じる。さらに、研磨用砥粒中に微量に含まれた超微粒子状のダイヤモンド粒子が、機械的研磨剤による研磨作用を助けるので、本発明の研磨用砥粒が研磨レートを画期的に向上させることができる。 In the polishing process of the material to be polished, the region where the reaction accelerator generates frictional heat and the region where manganese dioxide exerts an oxidizing action are extremely narrow. Moreover, the time when the effect appears is very short. The frictional heat promotes the oxidizing action of the second component, and in that state, the first component immediately comes into contact with the corresponding surface, so that effective polishing by the interaction becomes possible. Even if the reaction accelerator, the oxidizing agent, and the mechanical abrasive are alternately and irregularly contacted with each other at intervals, sufficient interaction does not appear. That is, there is a significant difference between the case where these particles are dispersed in the slurry and the case where the abrasive grains are integrated as in the present invention. Further, since the ultrafine diamond particles contained in the abrasive grains in a small amount assist the polishing action by the mechanical abrasive, the abrasive grains of the present invention dramatically improve the polishing rate. Can be done.
以上の発明により、被研磨材を研磨する中間工程を短時間に圧縮するとともに、高い平坦度の研磨面を生成するので、仕上げ加工工程を大幅に短縮することができる。従って、この種の基板の生産コストに大きく影響を及ぼしている研磨処理のコスト削減に大きく寄与することができる。また、強酸性や強度アルカリ性の水溶液を使用せず、中性の水に研磨用砥粒を分散させるので、廃液は弱酸性あるいは弱アルカリ性で、環境に悪影響を及ぼさない。 According to the above invention, the intermediate process of polishing the material to be polished is compressed in a short time and a polished surface having a high flatness is generated, so that the finishing process can be significantly shortened. Therefore, it can greatly contribute to the cost reduction of the polishing process, which has a great influence on the production cost of this type of substrate. Further, since the abrasive grains for polishing are dispersed in neutral water without using a strongly acidic or strongly alkaline aqueous solution, the waste liquid is weakly acidic or weakly alkaline and does not adversely affect the environment.
なお、上記の実施例では、被研磨材として、サファイア、炭化ケイ素あるいは窒化ガリウムを例示して説明した。しかしながら、本発明の研磨用砥粒により、これ以外の材料であっても、高品質で高速な研磨を可能にする。また、上記の実施例では、２成分または３成分の無機化合物を結合させた例を示した。しかしながら、４種類以上の無機化合物成分を相互に非晶質層を介して一体に結合させた研磨用砥粒も、同様の機能を有する。混合割合や成分の組み合わせは、は被研磨材の種類に応じて自由に選択するとよい。 In the above-mentioned examples, sapphire, silicon carbide, and gallium nitride have been exemplified and described as the material to be polished. However, the polishing abrasive grains of the present invention enable high-quality and high-speed polishing even with other materials. Further, in the above-mentioned example, an example in which a two-component or three-component inorganic compound is bonded is shown. However, abrasive grains in which four or more kinds of inorganic compound components are integrally bonded to each other via an amorphous layer also have the same function. The mixing ratio and the combination of components may be freely selected according to the type of the material to be polished.
また、上記の実施例においては、第１の成分と第２の成分をそれぞれ１種類、あるいは、第１の成分と第２の成分と第３の成分それぞれ１種類結合させる例を説明した。しかしながら、例えば、第１の成分を１種類で第２の成分を２種類というように、各成分をそれぞれ複数種類組み合わせて結合させても構わない。。 Further, in the above-described embodiment, an example in which one type of each of the first component and the second component or one type of each of the first component, the second component, and the third component are combined has been described. However, a plurality of types of each component may be combined and combined, for example, one type of the first component and two types of the second component. ..
本発明の研磨用砥粒は、パワーデバイス用基盤、その他の電子部品材料、電気絶縁性材料等に使用されるサファイア、炭化ケイ素または窒化ガリウムの研磨工程に広く利用することができる。さらに、本発明の研磨用砥粒は、金属やセラミック、あるいは人工骨などの生体材料の高品質な研磨にも利用できる。また、タングステン等の硬質材料の研磨にも利用できる。そして、従来の研磨方法と比較して、大幅に研磨時間を短縮することができ、大幅に製品のコストダウンが可能となる The polishing abrasive grains of the present invention can be widely used in the polishing process of sapphire, silicon carbide or gallium nitride used for power device substrates, other electronic component materials, electrically insulating materials and the like. Furthermore, the abrasive grains of the present invention can also be used for high-quality polishing of biomaterials such as metals, ceramics, and artificial bones. It can also be used for polishing hard materials such as tungsten. And, compared with the conventional polishing method, the polishing time can be significantly shortened, and the cost of the product can be significantly reduced.
９ ダイヤモンド粒子
１０ 研磨用砥粒（３成分）
１１ 研磨用砥粒（２成分）
１２ 第１の成分
１３ 第２の成分
１４ 反応促進剤
１５ 非晶質層
１６ Ａ研磨材
１８ Ｂ研磨材
１７ スラリー
１９ 高分子材料
２０ 研磨定盤
２２ 研磨パッド
２４ 保持装置
２６ 被研磨材
２８ 注液器
３０ 矢印
３２ 矢印
３３ 矢印
9
11 Abrasive grains for polishing (2 components)
12
Claims (13)
モース硬度が７以上９以下の粒子状の第１の研磨剤と、
上記被研磨材に対してメカノケミカルな作用を有する粒子状の第２の研磨剤と、
スラリーのために使用する純水に対して難溶性のものであって、アルカリ金属塩またはアルカリ土類金属塩からなる粒子状の摩擦熱反応剤と、
平均粒径が０．２μｍ以下のダイヤモンド粒子の混合物とが、
それぞれ個々の成分の物質固有の性質を保持したまま、メカニカルアロイング処理によって相互に直接結合して全体として粒子状に一体化されており、
上記摩擦熱反応剤は、ＣａＣＯ3、ＳｒＣＯ3、ＭｇＣＯ3、ＢａＣＯ3、Ｌｉ2ＣＯ3、Ｃａ3（ＰＯ4）2、Ｌｉ3ＰＯ4及びＡｌＫ（ＳＯ4）2の群の中から選択された、一種または２種以上の材料であって、上記一体化された粒子の５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占め、
上記ダイヤモンド粒子が、上記一体化された粒子の０．０１重量パーセント以上１０重量パーセント以下を占めることを特徴とする研磨用砥粒。 Abrasive grains for wet polishing sapphire
A particulate first abrasive with a Mohs hardness of 7 or more and 9 or less,
A particulate second abrasive that has a mechanochemical effect on the material to be polished, and
A particulate frictional thermal reactant that is sparingly soluble in the pure water used for the slurry and is composed of an alkali metal salt or an alkaline earth metal salt.
A mixture of diamond particles with an average particle size of 0.2 μm or less
While retaining the material-specific properties of each component, they are directly bonded to each other by mechanical alloying treatment and integrated into particles as a whole.
The frictional heat reactant is one or more materials selected from the group of CaCO3, SrCO3, MgCO3, BaCO3, Li2CO3, Ca3 (PO4) 2, Li3PO4 and AlK (SO4) 2. It accounts for 5% by weight or more and 95% by weight or less of the integrated particles.
Abrasive abrasive grains for polishing, wherein the diamond particles occupy 0.01% by weight or more and 10% by weight or less of the integrated particles.
モース硬度が７以上９以下の粒子状の第１の研磨剤と、
上記被研磨材に対してメカノケミカルな作用を有する粒子状の第２の研磨剤と、
スラリーのために使用する純水に対して難溶性のものであって、アルカリ金属塩またはアルカリ土類金属塩からなる粒子状の摩擦熱反応剤と、
平均粒径が０．２μｍ以下のダイヤモンド粒子の混合物とが、
それぞれ個々の成分の物質固有の性質を保持したまま、メカニカルアロイング処理によって相互に直接結合して全体として粒子状に一体化されており、
上記第１の研磨剤は、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＳｉＯ4またはＺｒＯ2であって、
上記第２の研磨剤は、Ｃｒ2Ｏ3、Ｆｅ2Ｏ3、ＳｉＯ2の群の中から選択された、一種または２種以上の材料であって、
上記摩擦熱反応剤は、ＣａＣＯ3、ＳｒＣＯ3、ＭｇＣＯ3、ＢａＣＯ3、Ｌｉ2ＣＯ3、Ｃａ3（ＰＯ4）2、Ｌｉ3ＰＯ4及びＡｌＫ（ＳＯ4）2の群の中から選択された、一種または２種以上の材料であって、
上記ダイヤモンド粒子が、上記一体化された粒子の０．０１重量パーセント以上１０重量パーセント以下を占めることを特徴とする研磨用砥粒。 Abrasive grains for wet polishing sapphire
A particulate first abrasive with a Mohs hardness of 7 or more and 9 or less,
A particulate second abrasive that has a mechanochemical effect on the material to be polished, and
A particulate frictional thermal reactant that is sparingly soluble in the pure water used for the slurry and is composed of an alkali metal salt or an alkaline earth metal salt.
A mixture of diamond particles with an average particle size of 0.2 μm or less
While retaining the material-specific properties of each component, they are directly bonded to each other by mechanical alloying treatment and integrated into particles as a whole.
The first abrasive is Al2O3, ZrSiO4 or ZrO2.
The second abrasive is one or more materials selected from the group of Cr2O3, Fe2O3, and SiO2.
The frictional heat reactant is one or more materials selected from the group of CaCO3, SrCO3, MgCO3, BaCO3, Li2CO3, Ca3 (PO4) 2, Li3PO4 and AlK (SO4) 2.
Abrasive abrasive grains for polishing, wherein the diamond particles occupy 0.01% by weight or more and 10% by weight or less of the integrated particles.
化学的研磨作用を発揮する成分と、上記被研磨材を研磨する際に発生する摩擦熱に反応して上記の化学的研磨作用を促進する反応促進剤と、
平均粒径が０．２μｍ以下のダイヤモンド粒子の混合物とが、
それぞれ個々の成分の物質固有の性質を保持したまま、メカニカルアロイング処理によって相互に直接結合して全体として粒子状に一体化されており、
上記化学的研磨作用を発揮する成分が、Ｚｒを除く周期表上第３族から第１１族までの間に存在する遷移金属元素若しくは周期表上第１２族元素（亜鉛族元素）の、酸化物または複酸化物であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占めるかもしくは、
上記化学的研磨作用を発揮する成分がＭｎＯ2であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占め、
上記反応促進剤が、純水に対して難溶性のもので、かつ、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、ホウ素化合物またはハロゲン化合物であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占めるかもしくは、
上記反応促進剤がＣａＣＯ3であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占め、
上記ダイヤモンド粒子が、上記一体化された粒子の０．０１重量パーセント以上１０重量パーセント以下を占めることを特徴とする研磨用砥粒。 Abrasive grains using silicon carbide or gallium nitride as the material to be polished, which reacts with the component that exerts a chemical polishing action on the material to be polished and the frictional heat generated when the material to be polished is polished. With the reaction accelerator that promotes the above-mentioned chemical polishing action,
A mixture of diamond particles with an average particle size of 0.2 μm or less
While retaining the material-specific properties of each component, they are directly bonded to each other by mechanical alloying treatment and integrated into particles as a whole.
The component that exerts the chemical polishing action is an oxide of a transition metal element or a group 12 element (zinc group element) on the periodic table that exists between groups 3 to 11 on the periodic table except Zr. Alternatively, it is a compound oxide and occupies 5% by weight or more and 95% by weight or less with respect to the total weight of the abrasive grains for polishing, or
The component that exerts the chemical polishing action is MnO2, which accounts for 5% by weight or more and 95% by weight or less with respect to the total weight of the abrasive grains for polishing.
The reaction accelerator is sparingly soluble in pure water and is an alkali metal salt, an alkaline earth metal salt, a boron compound or a halogen compound, and is 5 weights based on the total weight of the abrasive grains for polishing. Occupies more than a percentage and less than 95 weight percent, or
The reaction accelerator is CaCO3, which accounts for 5% by weight or more and 95% by weight or less with respect to the total weight of the abrasive grains for polishing.
Abrasive abrasive grains for polishing, wherein the diamond particles occupy 0.01% by weight or more and 10% by weight or less of the integrated particles.
平均粒径が０．２μｍ以下のダイヤモンド粒子の混合物とが、
それぞれ個々の成分の物質固有の性質を保持したまま、メカニカルアロイング処理によって相互に直接結合して全体として粒子状に一体化されており、
上記機械的研磨作用を発揮する成分が、ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＳｉＯ4、ＺｒＯ2またはこれら以外のケイ酸塩化合物であって、新モース硬度が９以上１３以下のもので、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占めるかもしくは、
上記機械的研磨作用を発揮する成分が、タルク、雲母またはこれら以外のケイ酸塩化合物であって、新モース硬度が９未満のもので、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占め、
上記化学的研磨作用を発揮する成分が、Ｚｒを除く周期表上第３族から第１１族までの間に存在する遷移金属元素若しくは周期表上第１２族元素（亜鉛族元素）の、酸化物または複酸化物であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占めるかもしくは、
上記化学的研磨作用を発揮する成分がＭｎＯ2であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占め、
上記ダイヤモンド粒子が、上記一体化された粒子の０．０１重量パーセント以上１０重量パーセント以下を占めることを特徴とする研磨用砥粒。 Abrasive grains using silicon carbide or gallium nitride as the material to be polished, and a component that exerts a mechanical polishing action on the material to be polished and a component that exerts a chemical polishing action on the material to be polished. ,
A mixture of diamond particles with an average particle size of 0.2 μm or less
While retaining the material-specific properties of each component, they are directly bonded to each other by mechanical alloying treatment and integrated into particles as a whole.
The component that exerts the mechanical polishing action is SiC, Al2O3, ZrSiO4, ZrO2 or a silicate compound other than these, and the new Mohs hardness is 9 or more and 13 or less, and the total weight of the abrasive grains for polishing is increased. On the other hand, it occupies 5% by weight or more and 95% by weight or less, or
The component that exerts the mechanical polishing action is talc, mica, or a silicate compound other than these, having a new Mohs hardness of less than 9, and 5% by weight or more based on the total weight of the abrasive grains for polishing. Occupies less than 95 weight percent,
The component that exerts the chemical polishing action is an oxide of a transition metal element or a group 12 element (zinc group element) on the periodic table that exists between groups 3 to 11 on the periodic table except Zr. Alternatively, it is a compound oxide and occupies 5% by weight or more and 95% by weight or less with respect to the total weight of the abrasive grains for polishing, or
The component that exerts the chemical polishing action is MnO2, which accounts for 5% by weight or more and 95% by weight or less with respect to the total weight of the abrasive grains for polishing.
Abrasive abrasive grains for polishing, wherein the diamond particles occupy 0.01% by weight or more and 10% by weight or less of the integrated particles.
平均粒径が０．２μｍ以下のダイヤモンド粒子の混合物とが、
それぞれ個々の成分の物質固有の性質を保持したまま、メカニカルアロイング処理によって相互に直接結合して全体として粒子状に一体化されており、
上記機械的研磨作用を発揮する成分が、ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＳｉＯ4、ＺｒＯ2またはこれら以外のケイ酸塩化合物であって、新モース硬度が９以上１３以下のもので、研磨
用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占めるかもしくは、
上記機械的研磨作用を発揮する成分が、タルク、雲母またはこれら以外のケイ酸塩化合物であって、新モース硬度が９未満のもので、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占め、
上記化学的研磨作用を発揮する成分が、Ｚｒを除く周期表上第３族から第１１族までの間に存在する遷移金属元素若しくは周期表上第１２族元素（亜鉛族元素）の、酸化物または複酸化物であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占めるかもしくは、
上記化学的研磨作用を発揮する成分がＭｎＯ2であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占め、
上記反応促進剤が、純水に対して難溶性のもので、かつ、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、ホウ素化合物またはハロゲン化合物であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占めるかもしくは、
上記反応促進剤がＣａＣＯ3であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占め、
上記ダイヤモンド粒子が、上記一体化された粒子の０．０１重量パーセント以上１０重量パーセント以下を占めることを特徴とする研磨用砥粒。 Abrasive grains using silicon carbide or gallium nitride as an abrasive, and a component that exerts a mechanical polishing action on the material to be polished and a component that exerts a chemical polishing action on the material to be polished. , A component containing a reaction accelerator that promotes the chemical polishing action in response to frictional heat generated when the material to be polished is polished, and
A mixture of diamond particles with an average particle size of 0.2 μm or less
While retaining the material-specific properties of each component, they are directly bonded to each other by mechanical alloying treatment and integrated into particles as a whole.
The component that exerts the mechanical polishing action is SiC, Al2O3, ZrSiO4, ZrO2 or a silicate compound other than these, and the new Mohs hardness is 9 or more and 13 or less, and the total weight of the abrasive grains for polishing is increased. On the other hand, it occupies 5% by weight or more and 95% by weight or less, or
The component that exerts the mechanical polishing action is talc, mica, or a silicate compound other than these, having a new Mohs hardness of less than 9, and 5% by weight or more based on the total weight of the abrasive grains for polishing. Occupies less than 95 weight percent,
The component that exerts the chemical polishing action is an oxide of a transition metal element or a group 12 element (zinc group element) on the periodic table that exists between groups 3 to 11 on the periodic table except Zr. Alternatively, it is a compound oxide and occupies 5% by weight or more and 95% by weight or less with respect to the total weight of the abrasive grains for polishing, or
The component that exerts the chemical polishing action is MnO2, which accounts for 5% by weight or more and 95% by weight or less with respect to the total weight of the abrasive grains for polishing.
The reaction accelerator is sparingly soluble in pure water and is an alkali metal salt, an alkaline earth metal salt, a boron compound or a halogen compound, and is 5 weights based on the total weight of the abrasive grains for polishing. Occupies more than a percentage and less than 95 weight percent, or
The reaction accelerator is CaCO3, which accounts for 5% by weight or more and 95% by weight or less with respect to the total weight of the abrasive grains for polishing.
Abrasive abrasive grains for polishing, wherein the diamond particles occupy 0.01% by weight or more and 10% by weight or less of the integrated particles.
研磨処理時に発生する摩擦熱により反応して被研磨材の研磨面との置換反応もしくは酸化反応を生じる成分と、研磨時に発生する摩擦熱によって研磨面との上記反応を促進する成分と、上記反応により変質した被研磨材の研磨面を機械的に除去する成分と、平均粒径が０．２μｍ以下のダイヤモンド粒子の混合物とが、それぞれ個々の成分の物質固有の性質を保持したまま、メカニカルアロイング処理によって相互に直接結合して全体として粒子状に一体化されており、
上記研磨面を機械的に除去する成分が、ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＳｉＯ4、ＺｒＯ2またはこれら以外のケイ酸塩化合物であって、新モース硬度が９以上１３以下のもので、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占めるかもしくは、
上記研磨面を機械的に除去する成分が、タルク、雲母またはこれら以外のケイ酸塩化合物であって、新モース硬度が９未満のもので、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占め、
上記被研磨材の研磨面との置換反応もしくは酸化反応を生じる成分は、Ｚｒを除く周期表上第３族から第１１族までの間に存在する遷移金属元素若しくは周期表上第１２族元素（亜鉛族元素）の、酸化物または複酸化物であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占めるかもしくは、
上記被研磨材の研磨面との置換反応もしくは酸化反応を生じる成分はＭｎＯ2であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占め、
上記反応を促進する成分が、純水に対して難溶性のもので、かつ、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、ホウ素化合物またはハロゲン化合物であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占めるかもしくは、
上記反応を促進する成分がＣａＣＯ3であって、研磨用砥粒の全重量に対して５重量パーセント以上９５重量パーセント以下を占め、
上記ダイヤモンド粒子が、上記一体化された粒子の０．０１重量パーセント以上１０重量パーセント以下を占めることを特徴とする研磨用砥粒。 Abrasive grains using silicon carbide or gallium nitride as the material to be polished.
A component that reacts with the frictional heat generated during the polishing process to cause a substitution reaction or an oxidation reaction with the polished surface of the material to be polished, a component that promotes the above reaction with the polished surface by the frictional heat generated during the polishing, and the above reaction. A component that mechanically removes the polished surface of the material to be polished and a mixture of diamond particles having an average particle size of 0.2 μm or less are mechanically allo while maintaining the material-specific properties of each component. It is directly bonded to each other by the polishing process and integrated into particles as a whole.
The component that mechanically removes the polished surface is SiC, Al2O3, ZrSiO4, ZrO2 or a silicate compound other than these, having a new Mohs hardness of 9 or more and 13 or less, and the total weight of the abrasive grains for polishing. Or more than 5% by weight and less than 95% by weight
The component that mechanically removes the polished surface is talc, mica, or a silicate compound other than these, which has a new Mohs hardness of less than 9, and is 5% by weight based on the total weight of the abrasive grains. Occupies more than 95 weight percent and
The components that cause a substitution reaction or oxidation reaction with the polished surface of the material to be polished are transition metal elements existing between Group 3 to Group 11 on the periodic table or Group 12 elements on the periodic table (excluding Zr). An oxide or compound oxide of (zirconium group element), which accounts for 5% by weight or more and 95% by weight or less with respect to the total weight of abrasive grains for polishing.
The component that causes a substitution reaction or an oxidation reaction with the polished surface of the material to be polished is MnO2, which accounts for 5% by weight or more and 95% by weight or less with respect to the total weight of the abrasive grains for polishing.
The component that promotes the reaction is a component that is sparingly soluble in pure water and is an alkali metal salt, an alkaline earth metal salt, a boron compound or a halogen compound, and is based on the total weight of the abrasive grains for polishing. Occupies 5 to 95 weight percent or
The component that promotes the reaction is CaCO3, which accounts for 5% by weight or more and 95% by weight or less with respect to the total weight of the abrasive grains for polishing.
Abrasive abrasive grains for polishing, wherein the diamond particles occupy 0.01% by weight or more and 10% by weight or less of the integrated particles.
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