JP2012224745A - 研磨材料、研磨用組成物及び研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セリウムのみに依存しない新たな研磨材料を提供する。
【解決手段】 以下の組成物式（１）で表される酸化物を研磨材料として用いる。
Ａ_y（Ｆｅ_1-zＢ_z）Ｏ_x （１）
（ただし、Ａは、Ｃａ及びＳｒからなる群から選択される１種又は２種以上を示し、Ｂは、Ｃｏ及びＮｉから選択される１種又は２種以上を示し、２．５≦ｘ≦３，０．６≦ｙ＜１であり、０≦ｚ＜１である。）
【選択図】図１

Description

本発明は、研磨材料、研磨用組成物及び研磨方法等に関する。

現在、電子デバイスや半導体デバイスにおけるガラス、セラミックス、金属など各種材料の研磨、特に精密研磨に用いる砥粒（研磨材料）としては、シリカや酸化セリウムが一般的に用いられている。なかでも酸化セリウムは、化学機械研磨特性を示すとともに研磨速度に優れており、最も使用されている研磨材料である。

一方、研磨材料の原料をセリウム（Ｃｅ）のみに依存していると、研磨材料の安定供給、ひいては研磨加工の安定的実施が困難になるおそれもある。そこで、セリウム系材料を代替する他の研磨材料も検討されている。

例えば、ＢａＴｉＯ₃やＭｇＳｉＯ₃など組成式ＡＢＯ₃（ただし、Ａは、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｆｅから選択され、ＢはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏから選択される）で表されるペロブスカイト型酸化物が代替研磨材料として開示されている（特許文献１）。

特開2001-107028号公報

本明細書の開示は、セリウムのみに依存しない新たな研磨材料を提供することをその目的とする。

本発明者らは、セリウム酸化物の化学機械研磨特性について検討したところ、セリウム酸化物における格子欠陥によるセリウム原子Ｃｅの価数変化（Ｃｅ³⁺／Ｃｅ⁴⁺）に影響されるという知見を得た。さらに、本発明者らは、Ｂサイトに鉄を備える鉄系ペロブスカイト型酸化物において、Ｆｅ³⁺／Ｆｅ⁴⁺という価数変化を制御できる点に着目し、さらに、こうした鉄系ペロブスカイト酸化物において、Ａサイトを欠損させることで、良好な研磨特性が得られるという知見を得た。本明細書の開示は、こうした知見に基づき提供される。

本明細書の開示によれば、以下の手段が提供される。すなわち、以下の組成式（１）で表される酸化物である研磨材料が提供される。

Ａ_y（Ｆｅ_1-zＢ_z）Ｏ_x （１）
（ただし、Ａは、Ｃａ及びＳｒから選択される１種又は２種を示し、Ｂは、Ｃｏ及びＮｉから選択される１種又は２種を示し、２．５≦ｘ≦３、０．６≦ｙ＜１、０≦ｚ＜１）である。）

前記ＡはＳｒとすることができる。また、前記Ｂは、Ｃｏ及びＮｉから選択される１種又は２種であることが好ましい。また、前記ＡはＳｒを含んでいてもよくＳｒのみからなっていてもよく、前記ＢはＣｏを含んでいてもよく、Ｃｏのみからなっていてもよい。さらに、前記研磨材料は、ガラス用とすることが好ましい。また、組成式（１）において、好ましくは、０．８≦ｙ＜１であり、より好ましくは、０．９≦ｙ＜１である。

また、組成式（１）において、前記ＡはＳｒであり、ｚは０であるか又は０＜ｚ≦０．４であって前記ＢがＣｏ及びＮｉから選択されることが好ましい。

本明細書の開示によれば、前記研磨材料を含有する、研磨用組成物も提供される。さらに、本明細書の開示によれば、前記研磨用組成物を用いてワークを研磨する工程を備える、研磨方法も提供される。さらにまた、本明細書の開示によれば、前記研磨用組成物を用いてワークを研磨する工程を備える、研磨製品の生産方法も提供される。

鉄系ペロブスカイト型酸化物の結晶構造を示す図である。 噴霧熱分解法により合成した各種セラミックス粉末のＳＥＭ像を示す図である。 噴霧熱分解法により合成した砥粒のＸ線回折パターンを示す図である。 研磨試験結果を示す図である。

本明細書の開示は、研磨材料、研磨用組成物、研磨方法及び研磨製品の生産方法に関する。本明細書に開示される研磨材料は、セリウムの使用を抑制できる、あるいはセリウムの使用を回避できる、研磨材料である。本明細書に開示される研磨材料は、組成式（１）で表される酸化物であって、そのＢサイトに鉄（Ｆｅ）を少なくとも含んでいるとともに、Ａサイトに欠損を有しているペロブスカイト型酸化物である。Ａサイトに欠損を有していることで、欠損を有していないときの鉄系ペロブスカイト型酸化物に比較して高い研磨特性（化学機械研磨における特性を含む）、例えば、研磨速度を発揮することができる。

鉄系ペロブスカイト型酸化物（Ａ（Ｆｅ）Ｏ_x）結晶構造を図１に示す。本明細書の開示を拘束するものではないが、Ａサイトを欠損させることにより、Ｂサイトの鉄（Ｆｅ）原子が表面に露出しやすくなり、この露出したＦｅ原子が、ガラスなどにおけるＳｉ−Ｏ結合を弱めて良好な研磨特性（例えば、良好な研磨速度）に寄与しているものと考えられる。

また、本明細書に開示される研磨材料を用いることで、セリウムの使用を抑制又は回避できるとともに研磨特性に優れた研磨用組成物が提供される。こうした研磨用組成物を用いることで、安定的にかつ効率的に研磨工程を実施できる研磨方法や研磨製品の生産方法も提供される。

以下、本明細書の開示の実施形態について詳細に説明する。

（研磨材料）
本明細書に開示される研磨材料（以下、単に本研磨材料という。）は、以下の組成式（１）で表される酸化物を含んでいる。
Ａ_y（Ｆｅ_1-zＢ_z）Ｏ_x （１）

組成式（１）で表される酸化物は、鉄系ペロブスカイト型酸化物である。組成式（１）におけるＡサイトは、Ｃａ及びＳｒから選択される１種又は２種以上の金属元素とすることができる。これらの元素によれば、二価のアルカリ土類金属であり、イオン半径が同程度であるため、組成式（１）で表される酸化物は、ペロブスカイト構造をとることができる。

組成式（１）におけるｙは、０．６≦ｙ＜１とすることができ、この範囲で適宜設定することができる。ペロブスカイト構造の維持とＡサイトの欠損との作用を考慮すると、好ましくは、ｙは０．７以上であり、さらに好ましくは０．８以上であり、一層好ましくは、０．９以上である。

このようにＡサイトに欠損を有する鉄系ペロブスカイト型酸化物は、例えば、Ａサイトの金属原子材料を本来の当量よりも少ないモル量でペロブスカイト型酸化物を合成することで得ることができる。なお、Ａサイトが欠損した鉄系ペロブスカイト型酸化物であることは、こうした原料組成で合成して得られた粉末につき、Ｘ線回折パターンでペロブスカイト構造に起因する回折ピークのみが認められ、ＡＢ_２Ｏ_４など、Ａ原子比が少ない組成の結晶相が認められないことによって確認できる。

本酸化物は、Ｂサイトに少なくともＦｅを備えている。さらに、Ｆｅの一部は、第２の元素によって置換されていてもよい。第２の元素の置換によって研磨特性を調整することもできる。第２の元素としては、Ｃｏ及びＮｉから選択される１種又は２種以上とすることができる。これらの元素によれば、Ａサイトの欠損とともに、第２の元素による格子欠陥によりＦｅの価数変化を誘起して優れた研磨特性を発揮しうるからである。Ｃｏ及びＮｉはイオン半径が近く、同様の価数を取りうるからである。

組成式（１）におけるｚは、０≦ｚ＜１とすることができ、この範囲で適宜設定することができる。Ｆｅの作用を考慮すると、好ましくは、ｚは０以上０．５以下であり、より好ましくは０以上０．４以下である。組成式（１）におけるｘは、２．５≦ｘ≦３の範囲で適宜設定することができる。

こうしたペロブスカイト型酸化物としては、例えば、Ｃａ_y（Ｆｅ）Ｏ_x、Ｓｒ_y（Ｆｅ）Ｏ_x、Ｃａ_y（Ｆｅ_1-zＣｏ_z）Ｏ_x、Ｃａ_y（Ｆｅ_1-z Ｎｉ_z）Ｏ_x、Ｓｒ_y（Ｆｅ_1-zＣｏ_z）Ｏ_x、Ｓｒ_y（Ｆｅ_1-zＮｉ_z）Ｏ_x等が挙げられる。なかでも、Ｓｒ_y（Ｆｅ）Ｏ_x、Ｓｒ_y（Ｆｅ_1-zＣｏ_z）Ｏ_xが好ましく用いられる。これらの第２の元素含有酸化物においては、ｚは０．５以下であることが好ましく、より好ましくは０．４以下である。

これらの鉄系ペロブスカイト型酸化物は、公知のセラミックス合成方法で取得することができる。なかでも、粒子径分布が良好である点、及び球状粒子を得ることができる点において、噴霧熱分解法を用いることが好ましい。噴霧熱分解法は、原料を含む溶液あるいは分散液を、焼成ガス流が流れる加熱炉に液滴状態で導入し、熱分解、焼成、さらには時に焼結を経て、合成セラミックス粒子を得ることができる。各種方法で得られた合成セラミックス粉末は、必要に応じて仮焼あるいは粉砕されてもよい。

本研磨材料は、通常、砥粒という形態で用いられ、粉末形態となっている。本研磨材料の粒子形状は、特に限定しないが、研磨特性や分散性を考慮すると球状であることが好ましい。本研磨材料は、その平均粒子径が０．１μｍ以上５μｍ以下であることが好ましく、さらに好ましくは０．５μｍ以上３μｍ以下である。なお、ここでいう平均粒子径は、体積換算あるいは個数換算に基づいていてもよいが、好ましくは、個数換算である。また、粒度分布は、例えばレーザー回折方式の粒度分布測定装置、動的光散乱方式や光子相関法等を用いた粒度分布測定装置を使用して体積換算の粒度分布を求めることができる。なかでも、本研磨材料は、ガラスに好ましく適用でき、光学レンズ用ガラス基板、光ディスクや磁気ディスク用ガラス基板、プラズマディスプレー用ガラス基板、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）型ＬＣＤやねじれネマチック（ＴＮ）型ＬＣＤなどの液晶用ガラス基板、液晶テレビ用カラーフィルター、ＬＳＩフォトマスク用等のガラス基板などの、各種光学、エレクトロニクス関連ガラス材料や一般のガラス製品等の仕上げ研磨に用いられる。

本研磨材料は、各種の研磨方法及び研磨対象に適用できる。例えば、従来、酸化セリウムが研磨材料として用いられていた研磨方法及び研磨対象に適用できる。例えば、本研磨材料を適用する研磨方法としては、通常の研磨のほか、化学機械研磨が挙げられる。また、本研磨材料を適用する研磨対象（ワーク）は特に限定されないで、ガラス、金属、セラミックス等が挙げられる。

（研磨用組成物）
本明細書に開示される研磨用組成物（以下、単に、本組成物という。）は、本研磨材料を含有する組成物である。本組成物の形態は特に限定されない。本組成物は、粉末等の固形であっても、スラリー形態であってもよい。また、本組成物は、そのままワークの研磨に用いられるあるいは適当な媒体に適宜分散しあるいは当該媒体で適宜希釈してワークの研磨に用いられるように構成されていてもよい。研磨材料は、通常、研磨時にスラリーとして使用される。

本組成物は、研磨材料としては、本研磨材料のほか、本研磨材料以外の他の研磨材料を含むことができる。こうした研磨材料としては、例えば、酸化セリウム、酸化ケイ素、酸化鉄、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化マンガン、酸化クロム、炭化ケイ素、ダイヤモンドが挙げられる。なお、これらの他の研磨材料の本組成物における含有比率は特に限定されない。

本組成物がスラリー形態を採るとき、本研磨材料を本組成物の全質量に対して１質量％以上含むことが好ましく、より好ましくは３質量％以上である。また、好ましくは２０質量％以下であり、より好ましくは１０質量％以下である。

本組成物がスラリー形態を採るとき、研磨材料を分散する媒体は、特に限定されないで、公知の研磨スラリーに用いられる媒体を用いることができる。例えば、水、水溶性有機溶媒及びこれらの混液から選択される水性媒体を用いることができる。

水溶性有機溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール等の炭素数が１以上１０以下程度の１価アルコール類、エチレングリコール、グリセリン等の炭素数３以上１０以下程度の多価アルコール、アセトン、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、ジメチルホムアミド（ＤＭＦ）、テトラヒドロフラン、ジオキサン等が挙げられる。なかでも、水、アルコール及びグリコールが好ましく用いられる。

本組成物は、本研磨材料及び他の研磨材料を含む場合には、これらを媒体に良好に分散させるために分散剤を含むことができる。かかる分散剤としては、トリポリリン酸塩のような高分子分散剤、ヘキサメタリン酸塩等のリン酸塩、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等のセルロースエーテル類、ポリビニルアルコール等の水溶性高分子などの添加剤を添加することもできる。これらの添加剤の添加量は、研磨材に対して、０．０５質量％以上２０質量％以下の範囲内であることが一般的に好ましく、特に好ましくは０．１質量％以上１０質量％以下の範囲である。なお、分散剤としては、このほか、アルカリ、無機塩類が挙げられる。

また、本組成物は、界面活性剤を含んでいてもよい。界面活性剤としては、アニオン系界面活性剤、カチオン系界面活性剤、ノニオン系界面活性剤等や両性イオン界面活性剤が挙げられ、これらは単独で用いても２種以上を混合して用いてもよい。

さらに、本組成物は、研磨対象や研磨方法に応じた各種の成分を含んでいてもよい。例えば、化学機械研磨の場合には、ワーク表面を改質するための酸やアルカリを含んでいてもよい。また、金属研磨の場合には、キレート剤を含んでいてもよい。

本組成物は、本研磨材料ほか、上記した成分等公知の研磨用組成物に用いられる材料を用いて、公知の方法で製造することができる。たとえば、スラリー形態の本組成物は、本研磨材料等の研磨材料を水性媒体に分散させて得ることができる。必要に応じて、湿式粉砕を組み合わせてもよい。あるいは、本研磨材料を乾式粉砕後に、水性媒体に分散させてもよい。

本組成物は、１０質量％で水に分散させて１０分経過したとき、セリア系砥粒（例えば、三井金属鉱業製のMirek E21又はその同等物を用いることができる。）を１０質量％で水に分散させたときよりも良好な分散状態を呈することが好ましい。分散状態は、目視等による砥粒の沈降程度で判断することができる。

本組成物は、本研磨材料と同様の研磨方法及び研磨対象に適用することができる。

以上、本明細書の開示の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。

以下、本明細書の開示を、実施例を挙げて具体的に説明するが、本明細書の開示は、以下の実施例に限定されるものではない。

鉄系ペロブスカイト型酸化物であるＳｒ_0.9ＦｅＯ_ｘ、Ｓｒ_0.9Ｆｅ_0.9Ｃｏ_0.1Ｏ_ｘ（以上、実施例試料１及び２）びＳｒＦｅＯ_ｘ（比較例）を噴霧熱分解法で作製した。すなわち、Ｓｒ源として硝酸ストロンチウム、Ｆｅ源とし硝酸鉄(III)９水和物及びＣｏ源として硝酸コバルト(II)６水和物を用いて、上記組成となるような原料モル比で、それぞれの酸化物換算で０．４ｍｏｌ／Ｌの原料溶液を調製した。また、加熱温度は、加熱炉の入り口付近を２００℃とし、さらに４００℃、８００℃とし、出口温度を１０００℃と段階的に上げ、キャリアガスとして空気を３Ｌ／分で流して、各鉄系ペロブスカイト型酸化物を噴霧熱分解法により合成した。

なお、対照として、Ｃｏ又はＮｉを含まないＳｒＦｅＯ_ｘを、Ｓｒ源として硝酸ストロンチウム及びＦｅ源とし硝酸鉄(III)９水和物を用いてＳｒＦｅＯ_ｘの酸化物換算で０．４ｍｏｌ／Ｌとする以外は、Ｃｏ添加砥粒と同様にして噴霧熱分解法により合成した。

図２に、合成した３種類の合成セラミックス粉末のＳＥＭ像を示し、図３にこれらのＸ線回折パターンを示す。

図２に示すように、合成したセラミックス粉末は、いずれも直径約１μｍの球状粒子であることを確認した。また、Ｓｒの欠損やＣｏの添加による粒子形状の大きな変化は無いこともわかった。

また、図３に示すように、合成したセラミックス粉末は、いずれもペロブスカイト構造に起因するピークのみを確認した。したがって、それぞれのセラミックス粉末は、ペロブスカイト構造の単一相から成るとともに、ＣｏはそれぞれＢサイトに置換固溶していることを確認した。

実施例１で合成したセラミックス粉末各５０ｇと蒸留水４５０ｇを混ぜ、濃度１０質量％のスラリーとした。研磨試験には片面研磨機（テグラシステム、丸本ストルアス製）を用いた。研磨スラリーはダイヤフラムポンプを用いて循環した。その他、研磨試験は以下の条件で行った。
研磨対象：37.5 mm×30 mm LCD用ガラス
研磨パッド：発泡ポリウレタンパッド（MH-C15A、ニッタ・ハース製）
定盤径：300 mm
定盤回転数：150 rpm
スラリー供給量：100 mL / min
研磨圧力：102 g / cm2
研磨時間：30分

研磨前のＬＣＤガラスにつき、その厚さ（各５点）及び研磨前後の重量を測定し、重量減少分を厚み換算し、研磨速度を計算した。図４に研磨試験結果を示す。

図４に示すように、Ａサイト欠損であるＳｒ_0.9ＦｅＯ_ｘ（試料１）及びＡサイト欠損であるとともにＣｏを添加したＳｒ_0.9Ｆｅ_0.9Ｃｏ_0.1Ｏ_ｘ（試料２）は、Ａサイト欠損がなくＣｏ無添加のＳｒＦｅＯ_ｘ（比較例）に比べて、粉末砥粒に比べて１．５倍から２倍程度の研磨速度を示すことがわかった。すなわち、鉄系ペロブスカイト型酸化物においてＡサイトを欠損させることがより良好な研磨特性を獲得するために有効であることがわかった。

Claims (10)

1. 以下の組成式（１）で表される酸化物である、研磨材料。
   Ａ_y（Ｆｅ_1-zＢ_z）Ｏ_x （１）
   （ただし、Ａは、Ｃａ及びＳｒから選択される１種又は２種以上を示し、Ｂは、Ｃｏ及びＮｉから選択される１種又は２種以上を示し、２．５≦ｘ≦３、０．６≦＜ｙ＜１、０≦ｚ＜１）である。）
   で表される酸化物である、研磨材料。
2. ０．８≦ｙ＜１である、請求項１に記載の研磨材料。
3. ０．９≦ｙ＜１である、請求項１又は２に記載の研磨材料。
4. 前記ＡはＳｒを含む、請求項１〜３のいずれかに記載の研磨材料。
5. 前記ＢはＣｏを含む、請求項１〜４のいずれかに記載の研磨材料。
6. 前記ＢはＣｏである、請求項１〜５のいずれかに記載の研磨材料。
7. 前記ＡはＳｒであり、ｚは０であるか又は０＜ｚ≦０．４であって前記ＢがＣｏ及びＮｉから選択される、請求項１〜６のいずれかに記載の研磨材料。
8. ガラス用である、請求項１〜７のいずれかに記載の研磨材料。
9. 研磨用組成物であって、
   請求項１〜８のいずれかに記載の研磨材料を含有する、組成物。
10. 研磨方法であって、
    請求項９に記載の研磨用組成物を用いてワークを研磨する工程、を備える、方法。