JP2014204064A - 研磨剤および研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】サファイア基板の研磨に用いる酸化ケイ素微粒子を砥粒とする研磨剤において、高い研磨速度と被研磨面の良好な品質の両立が可能な研磨剤および研磨方法を提供する。【解決手段】サファイア基板の被研磨面を研磨するための研磨剤であって、前記研磨剤全量に対する質量割合が１〜１５質量％となる量の酸化ケイ素微粒子と、スルホ基および／またはその塩を有するとともに芳香環を含む高分子化合物と、水とを含むことを特徴とする研磨剤、およびこの研磨剤を研磨パッドに供給し、サファイア基板の被研磨面と前記研磨パッドとを接触させて、両者間の相対運動により研磨する方法。【選択図】図１

Description

本発明は、サファイア（α−Ａｌ_２Ｏ_３）基板の被研磨面を研磨するための研磨剤および研磨方法に関する。より詳しくは、サファイア基板被研磨面の研磨において、高い研磨速度と被研磨面の良好な品質の両立が可能な研磨剤およびそれを用いた研磨方法に関する。

今後大きな伸びが期待されるＬＥＤやパワーデバイス用の基板として、サファイア（α−Ａｌ_２Ｏ_３）基板の製造・加工技術が注目を集めている。サファイア基板の上にはＧａＮなどの結晶薄膜を形成してデバイス化されるため、結晶学的にも低欠陥・高品質な表面が重要とされており、これら低欠陥・高平滑な表面を得るために、化学的機械的研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：以下、ＣＭＰということもある。）技術が注目されてきている。

ここで、サファイアは非常に硬度が高く、かつ化学的な安定性も高い物質であることから、特に品質を決める最終段階の研磨では、化学的機械的研磨に用いる研磨剤としてはごく限られたものが使用されている。具体的には、多くの場合、酸化ケイ素微粒子を砥粒としてこれを水に分散させた研磨剤が用いられている。しかしながら、該研磨剤を用いたサファイア基板の研磨においても、研磨速度を高めるために酸化ケイ素微粒子の濃度を上げると、研磨剤が供給される研磨パッドと基板との間の摩擦係数が上昇し装置等の振動の影響により被研磨面の品質が低下するというように、高い研磨速度と被研磨面の良好な品質の両方を達成するのは困難であった。

一方、アルミディスク等の磁気ディスク基板の研磨において、スクラッチ等の低減や発泡の発生を抑制する目的で、酸化ケイ素微粒子を砥粒として含有しさらに界面活性剤等を含む研磨剤が知られており、例えば、特許文献１には該界面活性剤として、スルホン酸（塩）基と繰り返し主鎖中に芳香族基を有する界面活性剤を用いる技術が記載されている。
しかしながら、サファイア基板の化学的機械的研磨に用いる研磨剤においては、通常、砥粒を高濃度で使うことを主流としており、添加剤を入れた状態で循環利用を行うと砥粒が凝集する観点から界面活性剤を添加することは行われていない。

特開２０１０−１３５０５２号公報

本発明は、上記観点からなされたものであり、サファイア基板の研磨に用いる酸化ケイ素微粒子を砥粒とする研磨剤において、高い研磨速度と被研磨面の良好な品質の両立が可能な研磨剤および研磨方法を提供することを目的とする。

本発明は、以下の構成を有するサファイア基板の被研磨面を研磨するための研磨剤を提供する。
［１］ サファイア（α−Ａｌ_２Ｏ_３）基板の被研磨面を研磨するための研磨剤であって、前記研磨剤全量に対する質量割合が１〜１５質量％となる量の酸化ケイ素微粒子と、スルホ基および／またはその塩を有するとともに芳香環を含む高分子化合物と、水とを含むことを特徴とする研磨剤。
［２］ 前記酸化ケイ素微粒子は、平均一次粒子径が５〜２０ｎｍの第１の酸化ケイ素微粒子と、平均一次粒子径が４０〜１１０ｎｍの第２の酸化ケイ素微粒子とを含み、かつ前記第１の酸化ケイ素微粒子と第２の酸化ケイ素微粒子の合計量に占める前記第１の酸化ケイ素微粒子の割合が０．７〜４０質量％である［１］の研磨剤。
［３］ 前記高分子化合物の分子量は、１，０００〜５００，０００である［１］または［２］の研磨剤。
［４］ 前記高分子化合物は、アリールスルホン酸ホルムアルデヒド縮合物、メラミンスルホン酸ホルムアルデヒド縮合物、リグニンスルホン酸化合物、芳香族アミノスルホン酸−フェノール−ホルムアルデヒド縮合物、スルホ基含有スチレン（共）重合体およびそれらの塩から選ばれる少なくとも１種である［１］〜［３］のいずれかの研磨剤。
［５］ 前記高分子化合物は、ポリスチレンスルホン酸、リグニンスルホン酸およびそれらの塩から選ばれる少なくとも１種である［１］〜［４］のいずれかの研磨剤。
［６］ 前記スルホ基を有する化合物の含有量は、前記研磨剤全量に対して０．００１〜５質量％である［１］〜［５］のいずれかの研磨剤。
［７］ 前記酸化ケイ素微粒子は、コロイダルシリカである［１］〜［６］のいずれかの研磨剤。
［８］ 前記第２の酸化ケイ素微粒子の平均一次粒子径は、４５〜１１０ｎｍである［２］〜［７］のいずれかの研磨剤。
［９］ 前記第１の酸化ケイ素微粒子の平均一次粒子径は、８〜２０ｎｍである［２］〜［８］のいずれかの研磨剤。

本発明は、また以下の構成を有するサファイア基板の被研磨面を研磨するための研磨方法を提供する。
［１０］ 研磨剤を研磨パッドに供給し、サファイア基板の被研磨面と前記研磨パッドとを接触させて、両者間の相対運動により研磨する方法であって、前記研磨剤として［１］〜［９］のいずれかの研磨剤を使用する研磨方法。
［１１］ 前記研磨パッドに供給され研磨に使用された研磨剤を回収し、前記回収した研磨剤を再び研磨パッドに供給する操作を繰り返し行うことで前記研磨剤を循環使用することを特徴とする［１０］の研磨方法。

本発明によれば、サファイア基板の研磨に用いる酸化ケイ素微粒子を砥粒とする研磨剤において、高い研磨速度と被研磨面の良好な品質の両立が可能な研磨剤および研磨方法を提供できる。

本発明の研磨方法に使用可能な研磨装置の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
［研磨剤］
本実施形態に係る研磨剤は、サファイア（α−Ａｌ_２Ｏ_３）基板の被研磨面を研磨するための研磨剤であって、前記研磨剤全量に対する質量割合が１〜１５質量％となる量の酸化ケイ素微粒子と、スルホ基および／またはその塩を有するとともに芳香環を含む高分子化合物と、水とを含むことを特徴とする。

本実施形態の研磨剤は、α−Ａｌ_２Ｏ_３の単結晶体からなり、修正モース硬度による硬度が１２であるサファイアの基板を研磨するための研磨剤である。

本実施形態の研磨剤は、研磨砥粒として上記の特定の濃度で酸化ケイ素微粒子を水に分散させた分散液に、スルホ基および／またはその塩を有するとともに芳香環を含む高分子化合物（以下、「スルホ基含有高分子化合物」という。）を含有させることで、高い研磨速度と被研磨面の良好な品質の両立を可能なものとした。

酸化ケイ素微粒子を研磨砥粒とする研磨剤においては、通常、研磨速度を上げるために、研磨砥粒の含有量は一定量以上に設定されている。また、このような研磨剤にスルホ基含有高分子化合物を添加すると、該高分子化合物の作用により研磨剤が供給される研磨パッドと基板との間の摩擦係数が減少し良好な被研磨面が得られることが想定された。しかしながら、本発明者らによって、酸化ケイ素微粒子を含有する研磨剤にスルホ基含有高分子化合物を配合するに際して、所期の研磨速度を確保するために酸化ケイ素微粒子を一定量以上配合した研磨剤にスルホ基含有高分子化合物を配合すると、研磨速度が低下することが確認された。

本発明者らは、酸化ケイ素微粒子とスルホ基含有高分子化合物を含有する研磨剤において、スルホ基含有高分子化合物を含有しない研磨剤に比べて酸化ケイ素微粒子の含有量を低く抑えることで、意外にも所期の研磨速度を維持しながら、研磨剤が供給される研磨パッドと基板との間の摩擦係数を減少でき被研磨面の良好な品質が得られることを見出したものである。

以下、本実施形態の研磨剤を構成する各要素について説明する。
（１）酸化ケイ素微粒子
本実施形態の研磨剤において、酸化ケイ素微粒子は研磨砥粒として用いられる。酸化ケイ素微粒子としては、種々の公知の方法で製造されるものを使用できる。例えば、四塩化ケイ素を酸素と水素の火炎中で気相合成したヒュームドシリカやケイ酸ナトリウムをイオン交換、もしくは中和後脱塩したコロイダルシリカまたはケイ素アルコキシドを液相で加水分解したコロイダルシリカ等の酸化ケイ素微粒子が挙げられる。これらのうちでも、本実施形態の研磨剤においては、品種の多様性の観点からケイ酸ナトリウムを出発原料とするコロイダルシリカがより好ましい。

本実施形態の研磨剤における酸化ケイ素微粒子の含有量は、研磨剤の全質量に対して１〜１５質量％の範囲である。研磨剤における酸化ケイ素微粒子の含有量は、共に配合されるスルホ基含有高分子化合物の種類や含有量を勘案しながら、上記範囲内で、研磨速度、均一性、材料選択性、分散安定性、研磨剤が供給される研磨パッドと基板との間の摩擦係数等を考慮して適宜設定される。酸化ケイ素微粒子の含有量が、研磨剤全質量に対して１質量％未満では、十分な研磨速度が得られない。１５質量％を超えると、研磨速度が低下するとともに、研磨剤が供給される研磨パッドと基板との間の摩擦係数（以下、単に「摩擦係数」ということもある。）が上昇してサファイアの基板の被研磨面の品質の低下を招く。酸化ケイ素微粒子の含有量は、好ましくは１〜１３質量％の範囲であり、より好ましくは１〜１０質量％の範囲である。

本実施形態の研磨剤が含有する酸化ケイ素微粒子の平均一次粒子径は、５〜１１０ｎｍであることが好ましく、８〜１１０ｎｍがより好ましい。酸化ケイ素微粒子の平均一次粒子径を上記範囲とすることで、スルホ基含有高分子化合物と組み合わせて研磨剤に配合された際の研磨速度の確保と被研磨面の品質の向上のバランスがより取りやすくなる。

なお、本明細書において、酸化ケイ素微粒子の平均一次粒子径とは、窒素吸着ＢＥＴ法により測定される比表面積を、球状粒子の直径に換算したものである。
また、本実施形態の研磨剤において、酸化ケイ素微粒子は、低濃度において高速研磨が可能な点や長期使用時における安定性の観点から、平均一次粒子径が異なる２種以上の酸化ケイ素微粒子を組合せて用いることが好ましい。

このような酸化ケイ素微粒子の組合せとして、具体的には、平均一次粒子径が５〜２０ｎｍの第１の酸化ケイ素微粒子と、平均一次粒子径が４０〜１１０ｎｍの第２の酸化ケイ素微粒子とを含む組合せが好ましく、その場合、第１の酸化ケイ素微粒子と第２の酸化ケイ素微粒子の合計量に占める第１の酸化ケイ素微粒子の割合が０．７〜４０質量％であることが好ましい。

上記平均一次粒子径の異なる第１の酸化ケイ素微粒子および第２の酸化ケイ素微粒子は、研磨に際して、上記配合割合のように研磨砥粒の多くを占める大粒子径の第２の酸化ケイ素微粒子の間に小粒子径の第１の酸化ケイ素微粒子が少量存在することで、研磨性を上げる方向に作用して高い研磨速度が得られるものである。したがって、所期の研磨速度を得るための研磨砥粒の濃度を低く抑えることができ、スルホ基含有高分子化合物と組み合わせて用いた場合に、本発明の効果がより顕著となる。
また、大粒子径の第２の酸化ケイ素微粒子とともに小粒子径の第１の酸化ケイ素微粒子が上記配合割合のように少量存在することで水等の分散媒中での分散安定性の向上にも寄与して、長期使用時の安定性が得られるものである。

これら第１の酸化ケイ素微粒子および第２の酸化ケイ素微粒子は平均一次粒子径が異なる以外は同様の酸化ケイ素微粒子を用いることが可能である。

本実施形態の研磨剤に、酸化ケイ素微粒子として第１および第２の酸化ケイ素微粒子を用いる場合の、第１の酸化ケイ素微粒子の平均一次粒子径は、上記の通り５〜２０ｎｍが好ましく、８〜２０ｎｍがより好ましい。

また、第２の酸化ケイ素微粒子の平均一次粒子径は、上記の通り４０〜１１０ｎｍが好ましく、４５〜１１０ｎｍがより好ましい。

さらに、本実施形態の研磨剤における、上記第１の酸化ケイ素微粒子と第２の酸化ケイ素微粒子の配合割合は、上記の通り第１の酸化ケイ素微粒子と第２の酸化ケイ素微粒子の合計量に占める第１の酸化ケイ素微粒子の割合が０．７〜４０質量％となる配合割合が好ましく、１〜４０質量％がより好ましく、３〜４０質量％が特に好ましい。

なお、酸化ケイ素微粒子として、上記した第１および第２の酸化ケイ素微粒子を用いる場合には、研磨剤中の酸化ケイ素微粒子の含有量は、研磨剤全体に含有される第１の酸化ケイ素微粒子および第２の酸化ケイ素微粒子の合計質量の割合である。

（２）スルホ基含有高分子化合物
本実施形態の研磨剤は、上記（１）の所定量の酸化ケイ素微粒子と組み合わせてスルホ基含有高分子化合物を含有することで、サファイア基板用の研磨剤において、酸化ケイ素微粒子の含有量が上記のように低い範囲でも高速研磨が可能となり、さらに研磨剤が供給される研磨パッドと基板との間の摩擦係数の減少により被研磨面の良好な品質を得ることが可能となる。

本実施形態の研磨剤に用いるスルホ基含有高分子化合物としては、スルホ基および／またはその塩を有するとともに芳香環を含む高分子化合物であれば特に制限されない。上記スルホ基含有高分子化合物としては、例えば、ラジカル重合や縮合等で得られる高分子化合物が好ましい。また、該高分子化合物が有するスルホ基および／またはその塩および芳香環は、ラジカル重合や縮合等の重合単位に含まれることが好ましい。

ここで、本明細書において高分子化合物とは、分子量が１，０００以上の化合物をいう。また、本明細書において高分子化合物の分子量は、特に断りのない限り、ゲルパーミエーションクロマトグラフィ法により、ポリスチレンを標準物質として、測定された質量平均分子量（Ｍｎ）である。

スルホ基含有高分子化合物として具体的には、アリールスルホン酸ホルムアルデヒド縮合物、メラミンスルホン酸ホルムアルデヒド縮合物、リグニンスルホン酸化合物、芳香族アミノスルホン酸−フェノール−ホルムアルデヒド縮合物、スルホ基含有スチレン（共）重合体およびそれら塩が挙げられる。

アリールスルホン酸ホルムアルデヒド縮合物は、アリールスルホン酸とホルムアルデヒドの縮合物である。縮合物の原料となるアリールスルホン酸としては、ナフタレンスルホン酸、メチルナフタレンスルホン酸、ジメチルナフタレンスルホン酸、アントラセンスルホン酸等が挙げられる。
リグニンスルホン酸化合物としては、リグニンスルホン酸、変成リグニンスルホン酸等が挙げられる。
芳香族アミノスルホン酸−フェノール−ホルムアルデヒド縮合物としてはアニリンスルホン酸−フェノール−ホルムアルデヒド縮合物等が挙げられる。

スルホ基含有スチレン（共）重合体としては、ポリスチレンスルホン酸、スチレン／スチレンスルホン酸共重合体、２−（メタ）アクリロイルアミノ−２，２−ジメチルエタンスルホン酸／スチレン共重合体、２−（メタ）アクリロイルアミノ−２，２−ジメチルエタンスルホン酸／スチレン／アクリルアミド共重合体、２−（メタ）アクリロイルアミノ−２，２−ジメチルエタンスルホン酸／スチレン／（メタ）アクリル酸共重合体等が挙げられる。

また、スルホ基含有高分子化合物がスルホ基の塩を有する場合の塩としては、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属塩、カルシウムなどのアルカリ土類金属塩、アンモニウム塩、モノエタノールアミンなどの一級アミン塩、ジエタノールアミンなどの二級アミン塩、トリエタノールアミンなどの三級アミン塩、テトラメチルアンモニウムなどの四級アンモニウム塩等の塩が挙げられる。

スルホ基含有高分子化合物の分子量は、上記所定の酸化ケイ素微粒子濃度において研磨速度を維持しながら摩擦係数を低減させる観点から、１，０００〜５００，０００が好ましく、１，０００〜１００，０００がより好ましい。

これらのうちでもスルホ基含有高分子化合物としては、摩擦係数を低減する効果が大きい等の観点から、ポリスチレンスルホン酸、リグニンスルホン酸およびそれらの塩が好ましく、ポリスチレンスルホン酸、リグニンスルホン酸が特に好ましい。塩としてはナトリウム塩が好ましい。
本実施形態の研磨剤への適用に際して、スルホ基含有高分子化合物は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

本実施形態の研磨剤中のスルホ基含有高分子化合物の含有量は、研磨剤全量に対して０．００１〜５質量％であることが好ましく、０．００５〜５質量％がより好ましく、０．００５〜１質量％が特に好ましい。研磨剤中のスルホ基含有高分子化合物の含有量を上記範囲とすることで、上記所定の酸化ケイ素微粒子濃度において研磨速度を十分に確保しながら摩擦係数が十分に低減されるとともに、砥粒の凝集等も抑制でき好ましい。

（３）水
本実施形態の研磨剤が含有する水は、研磨砥粒である上記酸化ケイ素微粒子を分散させ、スルホ基含有高分子化合物を溶解させるとともに、その他必要に応じて添加される任意成分を分散・溶解するための媒体である。水については、特に制限はないが、他の配合成分に対する影響、不純物の混入、ｐＨ等への影響から、純水または脱イオン水が好ましい。水は研磨剤の流動性を制御する機能を有するので、その含有量は、研磨速度、平坦化特性等の目標とする研磨特性に合わせて適宜設定することができる。

本実施形態の研磨剤において、水は、研磨剤全質量に対して８４〜９８．９質量％の範囲で含まれることが好ましく、９０〜９８．９質量％がより好ましい。

（４）研磨剤の調製および任意成分
本実施形態の研磨剤は、必須成分として含有する上記（１）の酸化ケイ素微粒子と、（２）のスルホ基含有高分子化合物と、（３）の水を、例えば、上記含有量となるように秤量し、混合することにより調製できる。

ここで、上記酸化ケイ素微粒子としてコロイダルシリカを用いた場合、通常、コロイダルシリカはあらかじめ酸化ケイ素微粒子が水に分散した状態で供給される。研磨剤の調製は、このようなコロイダルシリカ水分散液とスルホ基含有高分子化合物と必要に応じて追加される水を、最終的に得られる研磨剤中での酸化ケイ素微粒子、およびスルホ基含有高分子化合物の含有量が上記範囲となるように適宜混合することで行ってもよい。

なお、本実施形態の研磨剤には、上記本発明の効果を損なわない範囲において、上記（１）〜（３）の必須成分以外に、通常の化学的機械的研磨用の研磨剤が含有するような任意成分を含有させてもよい。

任意成分としては、例えば、必要に応じて研磨剤のｐＨを調整するために添加される塩酸、硝酸、硫酸等の強酸や水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等の強塩基等からなるｐＨ調整剤が挙げられる。

［研磨方法］
本実施形態の研磨剤を用いて、サファイア基板の被研磨面を研磨する方法としては、研磨剤を研磨パッドに供給しながら、サファイア基板の被研磨面と研磨パッドとを接触させ、両者間の相対運動により研磨を行う研磨方法が好ましい。

上記研磨方法において、研磨装置としては従来公知の研磨装置を使用することができる。図１に、本発明の実施形態に使用可能な、研磨剤を循環使用する研磨装置の一例を示し、以下に説明するが、本発明の実施形態に使用される研磨装置はこのような構造のものに限定されるものではない。

この研磨装置１０は、サファイア基板１を保持する研磨ヘッド２と、研磨定盤３と、研磨定盤３の表面に貼り付けられた研磨パッド４と、研磨剤５を貯留するタンク８と、タンク８から研磨剤供給手段７を用いて、研磨パッド４に研磨剤５を供給する研磨剤供給配管６とを備えている。研磨装置１０は、研磨剤供給配管６から研磨剤５を供給しながら、研磨ヘッド２に保持されたサファイア基板１の被研磨面を研磨パッド４に接触させ、研磨ヘッド２と研磨定盤３とを相対的に回転運動させて研磨を行うように構成されている。

このような研磨装置１０を用いて、サファイア基板１の被研磨面の研磨を行うことができる。ここで、研磨装置１０はサファイア基板の片面を被研磨面として研磨する研磨装置であるが、例えば、サファイア基板の上下面に研磨装置１０と同様の研磨パッドを配した両面同時研磨装置を使用してサファイア基板の被研磨面（両面）を研磨することも可能である。

研磨ヘッド２は、回転運動だけでなく直線運動をしてもよい。また、研磨定盤３および研磨パッド４は、サファイア基板１と同程度またはそれ以下の大きさであってもよい。その場合は、研磨ヘッド２と研磨定盤３とを相対的に移動させることにより、サファイア基板１の被研磨面の全面を研磨できるようにすることが好ましい。さらに、研磨定盤３および研磨パッド４は回転運動を行なうものでなくてもよく、例えばベルト式で一方向に移動するものであってもよい。

このような研磨装置１０の研磨条件には特に制限はないが、研磨ヘッド２に荷重をかけて研磨パッド４に押しつけることで、より研磨圧力を高め、研磨速度を向上させることも可能である。研磨圧力は１０〜５０ｋＰａ程度が好ましく、研磨速度のサファイア基板１の被研磨面内均一性、平坦性、スクラッチなどの研磨欠陥防止の観点から、１０〜４０ｋＰａ程度がより好ましい。研磨定盤３および研磨ヘッド２の回転数は、５０〜５００ｒｐｍ程度が好ましいがこれに限定されない。また、研磨剤５の供給量については、被研磨面構成材料や研磨剤の組成、上記各研磨条件等により適宜調整、選択されるが、例えば、直径５０ｍｍのサファイアウェハを研磨する場合には、概ね５〜３００ｃｍ^３／分程度の供給量が好ましい。

研磨パッド４としては、一般的な不織布、発泡ポリウレタン、多孔質樹脂、非多孔質樹脂などからなるものを使用することができる。また、研磨パッド４への研磨剤５の供給を促進し、あるいは研磨パッド４に研磨剤５が一定量溜まるようにするために、研磨パッド４の表面に格子状、同心円状、らせん状などの溝加工が施されていてもよい。

また、必要により、パッドコンディショナーを研磨パッド４の表面に接触させて、研磨パッド４表面のコンディショニングを行いながら研磨してもよい。

また、図１に示す研磨装置１０は、研磨に使用した研磨剤５を研磨パッド４から回収する回収手段（図示せず）を有し、回収した研磨剤５がタンク８に輸送される構成となっている。タンク８に戻った研磨剤５は、再び研磨剤供給手段７を用いて研磨剤供給配管６を経て研磨パッド４に供給される。研磨剤５は、このようにして循環使用される。

なお、本実施形態の研磨方法においては、研磨パッドに供給された研磨剤が研磨に使用された後、上記同様に回収されるが１回の研磨使用毎に廃棄される、いわゆる掛け流し構成の研磨装置を使用することも可能である。

研磨剤が循環使用される研磨方法は、研磨剤が１回の研磨使用毎に廃棄される研磨方法と比較して研磨剤の消費量を減らすことができるため好ましい。しかし、研磨の進行に伴い研磨によりサファイア基板の研磨くずが研磨剤に混入してくるため、従来の研磨剤では、研磨砥粒の凝集やゲル化を招きやすく、パッドの目詰まりを誘引して次第に研磨速度が低下するという問題があった。本実施形態の研磨剤によれば、砥粒の濃度を低く抑えながら所期の研磨速度が得られるとともに、研磨剤が供給される研磨パッドとサファイア基板の間の摩擦係数が低減され、基板被研磨面の良好な品質の確保が可能である。また、研磨剤の砥粒濃度が低く抑えられていることから、上記研磨により発生するサファイア基板の研磨くずの混入による砥粒のゲル化や凝集が起こりにくく、循環使用時の研磨速度の低下が抑制される。よって、長期間の安定使用が可能である。

本実施形態の研磨剤は、上記のとおり砥粒濃度が比較的低くとも初期の研磨速度を高くできるとともに、サファイア基板の被研磨面の良好な品質の確保が可能であり、かつ循環方式で用いた際の研磨速度の低下が抑制されるという特徴を有している。これにより、研磨工程の効率が向上するだけでなく、研磨剤の消費量の低減や、パッドのドレッシングやフラッシングなどの頻度低減によるダウンタイムの短縮、さらにはパッド消費量の削減にもつながり、研磨工程を効率的に行えるため、各種デバイス製造の量産性向上に与える意義は非常に大きいといえる。

以下に本発明を、実施例を用いて説明するが、本発明は以下の記載に限定されるものではない。例１〜１１は実施例、例１２〜１５は比較例である。

なお、実施例において、研磨剤に第１の酸化ケイ素微粒子および第２の酸化ケイ素微粒子を砥粒として配合する際には、以下のコロイダルシリカ水分散液を用いた。
（砥粒）
第１の酸化ケイ素微粒子については、平均一次粒子径が１０ｎｍのコロイダルシリカの固形分濃度３０質量％水分散液（以下、「第１のコロイダルシリカ分散液」という）を用いた。
第２の酸化ケイ素微粒子については、平均一次粒子径が１１０ｎｍのコロイダルシリカの固形分濃度４０質量％水分散液（以下、「第２のコロイダルシリカ分散液」という）を用いた。
なお、第１、第２の酸化ケイ素微粒子の平均一次粒子径はいずれも、窒素吸着ＢＥＴ法により比表面積を測定して得られた値である。

また、スルホ基含有高分子化合物として以下の高分子化合物を用いた。さらに、比較例用の化合物として、スルホ基および芳香環を含有しない高分子化合物である以下のポリアクリル酸、および低分子量スルホン酸塩であるチオ硫酸ナトリウムを用いた。
（スルホ基含有高分子化合物）
ポリスチレンスルホン酸ナトリウムＡ：ポリスチレンスルホン酸ナトリウム（分子量：５，０００）
ポリスチレンスルホン酸ナトリウムＢ：ポリスチレンスルホン酸ナトリウム（分子量：１０，０００）
ポリスチレンスルホン酸ナトリウムＣ：ポリスチレンスルホン酸ナトリウム（分子量：４００，０００）
リグニンスルホン酸Ｄ：サンエキスＰ２５２（商品名、日本製紙ケミカル社製、リグニンスルホン酸（分子量：５，０００〜６，０００））
ポリスチレンスルホン酸Ｅ：ポリスチレンスルホン酸（分子量：１０，０００）
（比較例用の高分子化合物）
ポリアクリル酸Ｆ：ポリアクリル酸（分子量：５，０００）

［例１］
得られる研磨剤の全量に対して、第１の酸化ケイ素微粒子が１．５質量％、第２の酸化ケイ素微粒子が３．５質量％、ポリスチレンスルホン酸ナトリウムＡが０．０５質量％、水が９４．９５質量％となるような割合で、第１のコロイダルシリカ分散液、第２のコロイダルシリカ分散液、ポリスチレンスルホン酸ナトリウムＡ、および水（イオン交換水）を混合し撹拌して研磨剤１を得た。研磨剤１の組成を表１に示す

［例２〜１５］
例１と同様にして第１の酸化ケイ素微粒子と第２の酸化ケイ素微粒子と高分子化合物またはチオ硫酸ナトリウムと水が表１に示す組成となるように、第１のコロイダルシリカ分散液、第２のコロイダルシリカ分散液、高分子化合物、および水（イオン交換水）を配合し、研磨剤２〜１５を調製した。

［評価］
上記で得られた例１〜例１５の研磨剤１〜１５の研磨特性を以下の方法により評価した。研磨特性の評価には、研磨剤を循環使用した際の研磨速度、および研磨剤の摩擦特性を用いた。

＜被研磨物＞
被研磨物として、単結晶サファイア基板の２インチウェハ（信光社製、（０００１）面、基板の厚み４２０μｍ）を使用した。

＜研磨方法＞
研磨機としては、ＳＰＥＥＤＦＡＭ社製卓上研磨装置を使用した。研磨パッドとしては、ＳＵＢＡ８００−ＸＹ−ｇｒｏｏｖｅを使用し、試験前にＭＥＣ１００−ＰＨ３．５Ｌ（三菱マテリアル社製）および、ブラシを用いてコンディショニングを行った。

研磨は、研磨剤の供給速度を１００ｃｍ^３／分、研磨定盤の回転数は９０ｒｐｍとし、研磨圧を５ｐｓｉすなわち３４．５ｋＰａ、研磨時間は６０分間として行った。なお、研磨ヘッドは、単独では回転せず研磨定盤の回転に伴い回転する設定とした。

＜研磨速度＞
研磨速度は、単位時間当たりの基板の厚さの変化量（μｍ／ｈｒ）で評価した。具体的には、上記の評価に用いた単結晶サファイア基板について、厚みが既知の未研磨基板の質量と上記の研磨時間研磨した後の基板質量とを測定し、その差から質量変化を求め、さらに質量変化から求めた基板の厚みの時間当たりの変化を下記の式を用いて算出した。

（研磨速度（Ｖ）の計算式）
Δｍ＝ｍ０−ｍ１
Ｖ＝Δｍ／ｍ０ × Ｔ０ × ６０／ｔ
（式中、Δｍ（ｇ）は研磨前後の質量変化、ｍ０（ｇ）は未研磨基板の初期質量、ｍ１（ｇ）は研磨後基板の質量、Ｖは研磨速度（μｍ／ｈｒ）、Ｔ０は未研磨基板の基板厚み（μｍ）、ｔは研磨時間（ｍｉｎ）を表す。）

＜研磨速度比＞
例１〜例１５で得られた研磨剤１〜１５ついて、上記６０分間研磨時の研磨速度を測定・算出した。さらに、各例の研磨剤について、例１５で調製した研磨剤１５の研磨速度を１．０としたときの研磨速度比を求めた。結果を表１に示す。

＜摩擦試験＞
例１〜例１５で得られた研磨剤１〜１５を用いて、上記の研磨速度測定のための研磨を行った際に、研磨パッドと単結晶サファイア基板との間の摩擦力（単位：ｍＮ）を摩擦試験機（自社製）にて測定した。結果を表１に示す。

＊含有量は質量％である。

表１からわかるように、本発明の研磨剤は、比較例の研磨剤に比べて、研磨速度が同等でありながら、研磨時にサファイア基板にかかる摩擦力が低いことがわかる。すなわち、本発明の研磨剤を用いれば、所期の研磨速度を維持しながら、サファイア基板に負荷がかからない研磨が可能である。

本発明によれば、サファイア基板の研磨に用いる酸化ケイ素微粒子を砥粒とする研磨剤において、酸化ケイ素微粒子の濃度を低く抑えながら、基板の被研磨面を高速度でかつ高品質に研磨できる。さらに、本発明によれば、研磨剤の長期使用安定性の向上が可能となる。これにより、サファイア基板の生産性の向上に寄与することができる。

１…サファイア基板、２…研磨ヘッド、３…研磨定盤、４…研磨パッド、５…研磨剤、６…研磨剤供給配管、７…研磨剤供給手段、８…タンク、１０…研磨装置

Claims (11)

1. サファイア（α−Ａｌ_２Ｏ_３）基板の被研磨面を研磨するための研磨剤であって、前記研磨剤全量に対する質量割合が１〜１５質量％となる量の酸化ケイ素微粒子と、スルホ基および／またはその塩を有するとともに芳香環を含む高分子化合物と、水とを含むことを特徴とする研磨剤。
2. 前記酸化ケイ素微粒子は、平均一次粒子径が５〜２０ｎｍの第１の酸化ケイ素微粒子と、平均一次粒子径が４０〜１１０ｎｍの第２の酸化ケイ素微粒子とを含み、かつ前記第１の酸化ケイ素微粒子と第２の酸化ケイ素微粒子の合計量に占める前記第１の酸化ケイ素微粒子の割合が０．７〜４０質量％である請求項１記載の研磨剤。
3. 前記高分子化合物の分子量は、１，０００〜５００，０００である請求項１または２に記載の研磨剤。
4. 前記高分子化合物は、アリールスルホン酸ホルムアルデヒド縮合物、メラミンスルホン酸ホルムアルデヒド縮合物、リグニンスルホン酸化合物、芳香族アミノスルホン酸−フェノール−ホルムアルデヒド縮合物、スルホ基含有スチレン（共）重合体およびそれらの塩から選ばれる少なくとも１種である請求項１〜３のいずれか１項記載の研磨剤。
5. 前記高分子化合物は、ポリスチレンスルホン酸、リグニンスルホン酸およびそれらの塩から選ばれる少なくとも１種である請求項１〜４のいずれか１項記載の研磨剤。
6. 前記スルホ基を有する化合物の含有量は、前記研磨剤全量に対して０．００１〜５質量％である請求項１〜５のいずれか１項記載の研磨剤。
7. 前記酸化ケイ素微粒子は、コロイダルシリカである請求項１〜６のいずれか１項記載の研磨剤。
8. 前記第２の酸化ケイ素微粒子の平均一次粒子径は、４５〜１１０ｎｍである請求項２〜７のいずれか１項記載の研磨剤。
9. 前記第１の酸化ケイ素微粒子の平均一次粒子径は、８〜２０ｎｍである請求項２〜８のいずれか１項記載の研磨剤。
10. 研磨剤を研磨パッドに供給し、サファイア基板の被研磨面と前記研磨パッドとを接触させて、両者間の相対運動により研磨する方法であって、前記研磨剤として請求項１〜９のいずれか１項記載の研磨剤を使用する研磨方法。
11. 前記研磨パッドに供給され研磨に使用された研磨剤を回収し、前記回収した研磨剤を再び研磨パッドに供給する操作を繰り返し行うことで前記研磨剤を循環使用することを特徴とする請求項１０記載の研磨方法。

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