JP2010023199A - 研磨用組成物及び研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】六方晶炭化ケイ素単結晶基板の表面及び裏面を同時に研磨する用途において好適に使用可能な研磨用組成物、及びその研磨用組成物を用いた研磨方法を提供する。
【解決手段】本発明の研磨用組成物は、コロイダルシリカなどの砥粒と、バナジン酸ナトリウムやバナジン酸カリウム、バナジン酸アンモニウムなどのバナジン酸塩と、過酸化水素と、水溶性高分子とを含有する。研磨用組成物中に含まれる水溶性高分子は、ペクチンやデキストリン、アラビアガム、ラムダカラギーナン、プルラン、デンプン、ローカストビーンガム、キサンタンガム、カッパカラギーナン、イオタカラギーナン、ヒドロキシエチルセルロース、グアーガムなどの水溶性多糖であることが好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、六方晶炭化ケイ素単結晶基板を研磨する用途で主に使用される研磨用組成物、及びその研磨用組成物を用いた研磨方法に関する。

４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板及び６Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板のような六方晶炭化ケイ素単結晶基板の表面と裏面は通常、（０００１）Ｓｉ面と（０００−１）Ｃ面という異なる面方位の結晶面によってそれぞれ構成されている。例えば特許文献１に記載されているような従来の研磨用組成物を用いて六方晶炭化ケイ素単結晶基板の表面及び裏面の研磨を行った場合には、表面の研磨時と裏面の研磨時とで基板と研磨パッドの間の摩擦抵抗に大きな差が生じることが明らかとなっている。具体的には、（０００１）Ｓｉ面の研磨時の摩擦抵抗に比べて（０００−１）Ｃ面の研磨時の摩擦抵抗は大きい。これは、（０００１）Ｓｉ面と（０００−１）Ｃ面で化学的性質及び機械的性質が異なることが原因と推測される。

研磨作業の効率向上という観点から、六方晶炭化ケイ素単結晶基板の表面と裏面を同じ研磨用組成物を用いて同時に研磨することが望まれる。しかしながら、それを良好に実現するためには、表面研磨時の摩擦抵抗と裏面研磨時の摩擦抵抗の差をできるだけ小さくする必要がある。
特開２００７−０２１７０４号公報

本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、六方晶炭化ケイ素単結晶基板の表面及び裏面を同時に研磨する用途において好適に使用可能な研磨用組成物、及びその研磨用組成物を用いた研磨方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の一態様では、砥粒、バナジン酸塩、過酸化水素及び水溶性高分子を含有する研磨用組成物を提供する。研磨用組成物中に含まれる水溶性高分子は、ペクチンやデキストリン、アラビアガム、ラムダカラギーナン、プルラン、デンプン、ローカストビーンガム、キサンタンガム、カッパカラギーナン、イオタカラギーナン、ヒドロキシエチルセルロース、グアーガムなどの水溶性多糖であることが好ましい。

本発明の別の態様では、上記の研磨用組成物を用いて、六方晶炭化ケイ素単結晶基板の表面と裏面を同時あるいは順次に研磨する方法を提供する。

本発明によれば、六方晶炭化ケイ素単結晶基板の表面及び裏面を同時に研磨する用途において好適に使用可能な研磨用組成物、及びその研磨用組成物を用いた研磨方法が提供される。

以下、本発明の一実施形態を説明する。
本実施形態の研磨用組成物は、砥粒、バナジン酸塩、過酸化水素及び水溶性高分子を水に混合することにより製造される。従って、研磨用組成物は、砥粒、バナジン酸塩、過酸化水素、水溶性高分子及び水を含有する。

研磨用組成物は、４Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板及び６Ｈ−ＳｉＣ単結晶基板のような六方晶炭化ケイ素単結晶基板を研磨する用途、より具体的には、（０００１）Ｓｉ面と（０００−１）Ｃ面という異なる面方位の結晶面によってそれぞれ構成されている六方晶炭化ケイ素単結晶基板の表面と裏面を同時に研磨する用途で使用される。

研磨用組成物中に含まれる砥粒は、六方晶炭化ケイ素単結晶基板を機械的に研磨する作用を有する。使用可能な砥粒としては、例えば、シリカ、アルミナ、酸化クロム、酸化セリウム、二酸化チタンなどの金属酸化物が挙げられる。その中でも、コロイダルシリカやフュームドシリカのようなシリカ、特にコロイダルシリカは、研磨後の基板表面のスクラッチを少なくすることができる点で有利である。

研磨用組成物が砥粒としてコロイダルシリカを含有する場合、研磨用組成物中のコロイダルシリカの含有量は５質量％以上であることが好ましく、より好ましくは１０質量％以上、さらに好ましくは２０質量％以上である。コロイダルシリカの含有量が多くなるにつれて、研磨用組成物による六方晶炭化ケイ素単結晶基板の研磨速度は向上する。この点、研磨用組成物中のコロイダルシリカの含有量が５質量％以上、さらに言えば１０質量％以上、もっと言えば２０質量％以上であれば、研磨用組成物による六方晶炭化ケイ素単結晶基板の研磨速度を実用上特に好適なレベルにまで向上させることが容易となる点で有利である。

また、研磨用組成物中のコロイダルシリカの含有量は４５質量％以下であることが好ましく、より好ましくは４０質量％以下、さらに好ましくは３５質量％以下である。コロイダルシリカの含有量が少なくなるにつれて、研磨用組成物の材料コストが低下して経済的となる。この点、研磨用組成物中のコロイダルシリカの含有量が４５質量％以下、さらに言えば４０質量％以下、もっと言えば３５質量％以下であれば、費用対効果の点で有利である。

研磨用組成物中のコロイダルシリカの平均一次粒子径は５ｎｍ以上であることが好ましく、より好ましくは１０ｎｍ以上、さらに好ましくは１５ｎｍ以上である。平均一次粒子径が大きくなるにつれて、六方晶炭化ケイ素単結晶基板を機械的に研磨するコロイダルシリカの作用が強まるため、研磨用組成物による六方晶炭化ケイ素単結晶基板の研磨速度は向上する。この点、コロイダルシリカの平均一次粒子径が５ｎｍ以上、さらに言えば１０ｎｍ以上、もっと言えば１５ｎｍ以上であれば、研磨用組成物による六方晶炭化ケイ素単結晶基板の研磨速度を実用上特に好適なレベルにまで向上させることが容易となる点で有利である。

また、研磨用組成物中のコロイダルシリカの平均一次粒子径は１２０ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１００ｎｍ以下、さらに好ましくは８５ｎｍ以下である。平均一次粒子径が小さくなるにつれて、研磨用組成物による六方晶炭化ケイ素単結晶基板の研磨速度について所要のレベルを得るために研磨用組成物中に含有させる必要のあるコロイダルシリカの量が少なくて済む。この点、コロイダルシリカの平均一次粒子径が１２０ｎｍ以下、さらに言えば１００ｎｍ以下、もっと言えば８５ｎｍ以下であれば、経済性の点で有利である。なお、以上で説明したコロイダルシリカの平均一次粒子径の値は、ＢＥＴ法で測定されるコロイダルシリカの比表面積に基づいて算出されるものである。

研磨用組成物中に含まれるバナジン酸塩及び過酸化水素は共同して、研磨用組成物による六方晶炭化ケイ素単結晶基板の研磨速度を向上させる働きをする。バナジン酸塩及び過酸化水素のこの働きは、バナジン酸塩の電離により生じるバナジン酸イオンが過酸化水素から酸素の供与を受けることによって準安定なペルオキソバナジン酸イオンを生成し、このペルオキソバナジン酸イオンが六方晶炭化ケイ素単結晶基板の表面においてＳｉ−Ｃ結合の酸化開裂を促進するためと考えられる。ペルオキソバナジン酸イオンはＳｉ−Ｃ結合を酸化開裂することによって自身はバナジン酸イオンに還元されるが、過酸化水素から酸素の供与を受けることで再びペルオキソバナジン酸イオンに戻ることができる。

バナジン酸塩として、例えば、バナジン酸ナトリウム（ＮａＶＯ_３）、バナジン酸カリウム（ＫＶＯ_３）又はバナジン酸アンモニウム（ＮＨ_４ＶＯ_３）を使用することが可能である。その中でも、バナジン酸ナトリウム及びバナジン酸カリウムは、溶解度が比較的高い点で有利である。

研磨用組成物中のバナジン酸塩の含有量は０．５ｇ／Ｌ以上であることが好ましく、より好ましくは１ｇ／Ｌ以上、さらに好ましくは３ｇ／Ｌ以上である。バナジン酸塩の含有量が多くになるにつれて、研磨用組成物による六方晶炭化ケイ素単結晶基板の研磨速度は向上する。この点、研磨用組成物中のバナジン酸塩の含有量が０．５ｇ／Ｌ以上、さらに言えば１ｇ／Ｌ以上、もっと言えば３ｇ／Ｌ以上であれば、研磨用組成物による六方晶炭化ケイ素単結晶基板の研磨速度を実用上特に好適なレベルにまで向上させることが容易となる点で有利である。

また、研磨用組成物中のバナジン酸塩の含有量は１００ｇ／Ｌ以下であることが好ましく、より好ましくは５０ｇ／Ｌ以下、さらに好ましくは３０ｇ／Ｌ以下である。バナジン酸塩の含有量が少なくなるにつれて、研磨用組成物の材料コストが低下して経済的となるのに加え、研磨用組成物中に不溶解分が生じる虞が小さくなる。この点、研磨用組成物中のバナジン酸塩の含有量が１００ｇ／Ｌ以下、さらに言えば５０ｇ／Ｌ以下、もっと言えば３０ｇ／Ｌ以下であれば、費用対効果の点だけでなく、不溶解分の生成を十分に抑えることができる点でも有利である。

研磨用組成物中の過酸化水素の含有量は０．１ｇ／Ｌ以上であることが好ましく、より好ましくは１ｇ／Ｌ以上、さらに好ましくは３ｇ／Ｌ以上である。過酸化水素の含有量が多くになるにつれて、研磨用組成物による六方晶炭化ケイ素単結晶基板の研磨速度は向上する。この点、研磨用組成物中の過酸化水素の含有量が０．１ｇ／Ｌ以上、さらに言えば１ｇ／Ｌ以上、もっと言えば３ｇ／Ｌ以上であれば、研磨用組成物による六方晶炭化ケイ素単結晶基板の研磨速度を実用上特に好適なレベルにまで向上させることが容易となる点で有利である。

また、研磨用組成物中の過酸化水素の含有量は１００ｇ／Ｌ以下であることが好ましく、より好ましくは５０ｇ／Ｌ以下、さらに好ましくは３０ｇ／Ｌ以下である。過酸化水素の含有量が少なくなるにつれて、研磨用組成物の材料コストが低下して経済的となる。この点、研磨用組成物中の過酸化水素の含有量が１００ｇ／Ｌ以下、さらに言えば５０ｇ／Ｌ以下、もっと言えば３０ｇ／Ｌ以下であれば、費用対効果の点で有利である。

研磨用組成物中に含まれる水溶性高分子は、六方晶炭化ケイ素単結晶基板の表面の研磨時と裏面の研磨時とで基板と研磨パッドの間の摩擦抵抗に生じる可能性のある差を小さくする働きをする。この働きは、六方晶炭化ケイ素単結晶基板の（０００１）Ｓｉ面が親水性を示すのに対して（０００−１）Ｃ面は疎水性を示すが、その（０００−１）Ｃ面の水に対する親和性を水溶性高分子が改善するためと考えられる。

特に好適に使用されうる水溶性高分子としては、ペクチンやデキストリン、アラビアガム、ラムダカラギーナン、プルラン、デンプン、ローカストビーンガム、キサンタンガム、カッパカラギーナン、イオタカラギーナン、ヒドロキシエチルセルロース、グアーガムなどの水溶性多糖が挙げられる。水溶性多糖は、他の水溶性高分子に比べて、六方晶炭化ケイ素単結晶基板の表面の研磨時と裏面の研磨時の摩擦抵抗の差を改善する効果が特に高い。

研磨用組成物中の水溶性高分子の含有量は０．１ｇ／Ｌ以上であることが好ましく、より好ましくは０．２５ｇ／Ｌ以上、さらに好ましくは０．５ｇ／Ｌ以上である。水溶性高分子の含有量が多くなるにつれて、研磨用組成物を用いて（０００−１）Ｃ面を研磨したときの摩擦抵抗は減少する。この点、研磨用組成物中の水溶性高分子の含有量が０．１ｇ／Ｌ以上、さらに言えば０．２５ｇ／Ｌ以上、もっと言えば０．５ｇ／Ｌ以上であれば、六方晶炭化ケイ素単結晶基板の表面の研磨時と裏面の研磨時の摩擦抵抗の差を実用上特に好適なレベルにまで小さくすることが容易となる点で有利である。

また、研磨用組成物中の水溶性高分子の含有量は２０ｇ／Ｌ以下であることが好ましく、より好ましくは１０ｇ／Ｌ以下、さらに好ましくは８ｇ／Ｌ以下である。水溶性高分子の含有量が少なくなるにつれて、水溶性高分子の添加が原因で起こる研磨用組成物による（０００−１）Ｃ面の研磨速度の低下が抑制される。この点、研磨用組成物中の水溶性高分子の含有量が２０ｇ／Ｌ以下、さらに言えば１０ｇ／Ｌ以下、もっと言えば８ｇ／Ｌ以下であれば、研磨用組成物による（０００−１）Ｃ面の研磨速度を実用上特に好適なレベルに維持することが容易となる点で有利である。

研磨用組成物のｐＨは４以上であることが好ましく、より好ましくは４．５以上、さらに好ましくは５以上である。ｐＨが大きくなるにつれて、研磨用組成物による（０００１）Ｓｉ面の研磨速度は向上する。この点、研磨用組成物のｐＨが４以上、さらに言えば４．５以上、もっと言えば５以上であれば、研磨用組成物による（０００１）Ｓｉ面の研磨速度を実用上特に好適なレベルにまで向上させることが容易となる点で有利である。ｐＨが大きくなるにつれて研磨用組成物による（０００１）Ｓｉ面の研磨速度が向上する理由は以下のように推測される。すなわち、研磨用組成物中の水素イオンは、僅かにプラスに帯電している（０００１）Ｓｉ面に対して陰イオンであるペルオキソバナジン酸イオンが電気的に引き寄せられるのを阻害する働きをすると考えられる。そのため、研磨用組成物中の水素イオン濃度が低くなるほど、水素イオンによって阻害されることなくペルオキソバナジン酸イオンが（０００１）Ｓｉ面に引き寄せられ、その結果、ペルオキソバナジン酸イオンが（０００１）Ｓｉ面においてＳｉ−Ｃ結合の酸化開裂を促進すると考えられる。また、研磨用組成物のｐＨが高くなるにつれて、（０００１）Ｓｉ面の最表面のケイ素原子が酸化されることによって（０００１）Ｓｉ面上に形成される酸化膜の溶解が起こりやすいことも理由と推測される。

また、研磨用組成物のｐＨは９以下であることが好ましく、より好ましくは８以下、さらに好ましくは７以下である。ｐＨが小さくなるにつれて、研磨用組成物による（０００−１）Ｃ面の研磨速度は向上する。この点、研磨用組成物のｐＨが９以下、さらに言えば８以下、もっと言えば７以下であれば、研磨用組成物による（０００−１）Ｃ面の研磨速度を実用上特に好適なレベルにまで向上させることが容易となる点で有利である。ｐＨが小さくなるにつれて、研磨用組成物による六方晶炭化ケイ素単結晶基板の（０００−１）Ｃ面の研磨速度が向上する理由は以下のように推測される。すなわち、研磨用組成物中の水素イオンは、僅かにマイナスに帯電している（０００−１）Ｃ面と陰イオンであるペルオキソバナジン酸イオンとの間を仲介して、ペルオキソバナジン酸イオンを（０００−１）Ｃ面に電気的に引き寄せる働きをすると考えられる。そのため、研磨用組成物中の水素イオン濃度が高くなるほど、水素イオンによって仲介されることによりペルオキソバナジン酸イオンが（０００−１）Ｃ面に引き寄せられ、その結果、ペルオキソバナジン酸イオンが（０００−１）Ｃ面においてＳｉ−Ｃ結合の酸化開裂を促進すると考えられる。また、（０００−１）Ｃ面が研磨除去されるときには、最表面の炭素原子及びその下のケイ素原子が酸化して脱離すると考えられるが、研磨用組成物のｐＨが小さくなるにつれて酸化力が強まることにより、こうした炭素原子及びケイ素原子の脱離が促進されることも理由と推測される。

本実施形態によれば以下の利点が得られる。
本実施形態の研磨用組成物は、六方晶炭化ケイ素単結晶基板を機械的に研磨する作用を有する砥粒に加え、研磨用組成物による六方晶炭化ケイ素単結晶基板の研磨速度を向上させる働きをするバナジン酸塩及び過酸化水素を含むために、六方晶炭化ケイ素単結晶基板を高い研磨速度で研磨することが可能である。そのうえ、研磨用組成物は、六方晶炭化ケイ素単結晶基板の表面の研磨時と裏面の研磨時とで基板と研磨パッドの間の摩擦抵抗に生じる可能性のある差を小さくする働きをする水溶性高分子も含有している。そのため、研磨用組成物は、六方晶炭化ケイ素単結晶基板の表面及び裏面を同時に研磨する用途において好適に使用することができる。

前記実施形態は次のように変更されてもよい。
・ 前記実施形態の研磨用組成物には必要に応じてｐＨ調整剤を添加してもよい。ｐＨ調整剤の種類は特に限定されるものでなく、研磨用組成物のｐＨを所望の値とするために適宜の量のいずれの酸又はアルカリが使用されてもよい。ただし、研磨用組成物がバナジン酸塩としてバナジン酸ナトリウムを含有している場合、安定性の観点からは、ｐＨ調整剤として使用されるアルカリは水酸化ナトリウムであることが好ましい。同様に、研磨用組成物がバナジン酸カリウムを含有している場合には、使用されるアルカリは水酸化カリウムであることが好ましく、研磨用組成物がバナジン酸アンモニウムを含有している場合には、使用されるアルカリはアンモニアであることが好ましい。

・ 前記実施形態の研磨用組成物には二種類以上の砥粒が含有されてもよい。
・ 前記実施形態の研磨用組成物には二種類以上のバナジン酸塩が含有されてもよい。
・ 前記実施形態の研磨用組成物には必要に応じて界面活性剤、消泡剤、防カビ剤のような公知の添加剤を添加してもよい。

・ 前記実施形態の研磨用組成物は、研磨用組成物中の全成分が混合された状態で一つの容器に保存される一剤型で供給されてもよいし、二剤型をはじめとする多剤型で供給されてもよい。

・ 前記実施形態の研磨用組成物は、研磨用組成物の原液を水で希釈することによって調製されてもよい。
・ 前記実施形態の研磨用組成物中に含まれる水は、必要に応じて省略されてもよい。この場合、研磨用組成物は、砥粒、バナジン酸塩、過酸化水素及び水溶性高分子を混合することにより製造される。

・ 前記実施形態の研磨用組成物は、（０００１）Ｓｉ面と（０００−１）Ｃ面によってそれぞれ構成されている六方晶炭化ケイ素単結晶基板の表面と裏面を同時に研磨する用途に限らず、表面と裏面を順次に研磨する用途で使用されてもよい。また、（０００１）Ｓｉ面及び（０００−１）Ｃ面以外の六方晶炭化ケイ素単結晶基板の面を研磨する用途で使用されてもよい。

・ 前記実施形態の研磨用組成物は、六方晶炭化ケイ素単結晶基板以外の研磨対象物を研磨する用途で使用されてもよい。例えば、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶基板のような立方晶炭化ケイ素単結晶基板を研磨する用途で使用されてもよい。また、（０００１）Ｓｉ面と（０００−１）Ｃ面が混在する面を有する研磨対象物の当該面を研磨する用途で使用されてもよい。

次に、本発明の実施例及び比較例を説明する。
実施例１〜１２では、砥粒としてのコロイダルシリカ、バナジン酸塩としてバナジン酸ナトリウム、過酸化水素及び水溶性高分子を水と混合することにより研磨用組成物を調製した。比較例１〜８では、コロイダルシリカ、バナジン酸ナトリウム、過酸化水素、及び水溶性高分子又はそれに代わる化合物を適宜に水と混合することにより研磨用組成物を調製した。各例の研磨用組成物中のコロイダルシリカ、バナジン酸ナトリウム、過酸化水素、及び水溶性化合物又はそれに代わる化合物の詳細を表１に示す。なお、実施例１〜１２及び比較例１〜８の研磨用組成物中に含有されているコロイダルシリカはいずれも、平均一次粒子径が３５ｎｍである。

表１の“（０００１）Ｓｉ面の研磨時の研磨ヘッドの自転速度”欄には、各例の研磨用組成物を用いて六方晶炭化ケイ素単結晶基板の（０００１）Ｓｉ面を表２に示す条件で研磨中に研磨ヘッドの自転速度を計測した結果を示す。なお、各例の研磨用組成物を用いて研磨するのに先立って、六方晶炭化ケイ素単結晶基板の（０００１）Ｓｉ面は表３の条件で予備研磨している。

表１の“（０００−１）Ｃ面の研磨時の研磨ヘッドの自転速度”欄には、各例の研磨用組成物を用いて六方晶炭化ケイ素単結晶基板の（０００−１）Ｃ面を表２に示す条件で研磨中に研磨ヘッドの自転速度を計測した結果を示す。なお、各例の研磨用組成物を用いて研磨するのに先立って、六方晶炭化ケイ素単結晶基板の（０００−１）Ｃ面は表３の条件で予備研磨している。

研磨ヘッドは、基板などの研磨対象物を保持して、定盤上に貼り付けられた研磨パッドに対して基板を押し付ける役割をする。研磨時に研磨ヘッドに強制回転を与えないでやると研磨ヘッドは通常、自転する。研磨パッドと研磨対象物の間の摩擦抵抗が大きいほど研磨ヘッドの自転速度は小さくなるため、研磨ヘッドの自転速度は、研磨パッドと研磨対象物の間の摩擦抵抗の大きさの指標となりうる。

表１に示す結果から明らかなように、研磨用組成物中に水溶性高分子が含まれている場合には、水溶性高分子が含まれていない場合に比べて、（０００−１）Ｃ面の研磨時の研磨ヘッドの自転速度は大きく、（０００１）Ｓｉ面の研磨時の研磨ヘッドの自転速度と（０００−１）Ｃ面の研磨時の研磨ヘッドの自転速度の間の差が小さくなっている。このことから、水溶性高分子は、（０００１）Ｓｉ面の研磨時と（０００−１）Ｃ面の研磨時とで基板と研磨パッドの間の摩擦抵抗に生じる可能性のある差を小さくする働きをすると推測される。

前記実施形態より把握できる技術的思想について以下に記載する。
・ ｐＨが４〜９である請求項１又は２に記載の研磨用組成物。
・ 研磨用組成物中の水溶性高分子の含有量が０．１〜２０ｇ／Ｌである請求項１又は２に記載の研磨用組成物。

・ 研磨用組成物中の水溶性高分子の含有量が０．５〜８ｇ／Ｌである請求項１又は２に記載の研磨用組成物。

Claims (4)

1. 砥粒、バナジン酸塩、過酸化水素及び水溶性高分子を含有することを特徴とする研磨用組成物。
2. 前記水溶性高分子が水溶性多糖である請求項１に記載の研磨用組成物。
3. 前記水溶性多糖が、ペクチン、デキストリン、アラビアガム、ラムダカラギーナン、プルラン、デンプン、ローカストビーンガム、キサンタンガム、カッパカラギーナン、イオタカラギーナン、ヒドロキシエチルセルロース又はグアーガムである請求項２に記載の研磨用組成物。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の研磨用組成物を用いて、六方晶炭化ケイ素単結晶基板の表面と裏面を同時あるいは順次に研磨することを特徴とする研磨方法。