JP2015165001A - Abrasive grains, manufacturing method thereof, polishing method, polishing device, and slurry - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for polishing the surface of a material to be polished with high quality finish at a high polishing rate.SOLUTION: The surface of a material to be polished is polished by a wet polishing method. A slurry includes abrasive grains dispersed in pure water. The abrasive grains include a component having a mechanochemical function, a component reactive to the frictional heat generated in polishing of the material to be polished and the like, which are integrated into a granular form as a whole. The components retaining properties inherent to the respective materials are directly bonded to each other by mechanical alloying. Use of the slurry in lapping sapphire, silicon carbide, gallium nitride and the like allows the polishing time to be drastically reduced in comparison with a conventional method, so that the processing cost can be substantially reduced. A high quality polishing surface can be obtained. The abrasive grains can be repeatedly used in the polishing treatment. The slurry has a pH of about 3 to 9, producing no impact on the environment, with easy processing of waste liquid.

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とその製造方法と研磨方法と研磨装置と研磨用のスラリーに関する。   The present invention relates to abrasive grains used for polishing the surface of a material to be polished such as sapphire, silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), a manufacturing method thereof, a polishing method, a polishing apparatus, and a polishing tool. Regarding slurry.

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 sapphire, SiC for power devices, and GaN for light emitting diodes (LEDs) are in the spotlight. In the future, the development of new processing methods for substrates is eagerly desired in order to achieve higher performance and lower costs for mass production.

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 manufacturing process of a semiconductor device, a polishing process is performed to flatten the surface of a substrate (Semiconductor substrate). One method conventionally employed is a method of polishing a substrate to be polished using an oily slurry containing diamond abrasive grains. The surface of the substrate of the material to be polished is mechanically scraped 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, deep and large scratches may occur on the surface of the substrate to be polished. Therefore, it is difficult to obtain a high-quality polished surface. Moreover, since the oily slurry is denatured by the heat of the polishing process, the diamond abrasive grains agglomerate. 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)。   In order to solve the above-mentioned 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 a material to be polished is altered and polished with softer abrasive grains than the material to be polished. Therefore, a large flaw is not generated on the surface of the material to be polished. In addition, a technique for improving the polishing rate by using an oxidizing agent as an abrasive of silicon carbide has been introduced (Patent Document 2) (Patent Document 3) (Patent Document 4).

特開2005−81485号公報JP 2005-81485 A 特許4345746号公報Japanese Patent No. 4345746 特許4827963号公報Japanese Patent No. 4827963 WO2011136387号公報WO2011136367

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 (Dry polishing) disclosed in Patent Document 1 generates high frictional heat between an object material and abrasive particles, thereby causing mechanochemical polishing. ) Is promoted to improve the removal rate. However, since abrasive grains and polishing debris exposed to a high temperature adhere to the inside of the polishing apparatus, it takes time to clean the apparatus. Therefore, there is a problem that productivity is poor.

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 (Wet polishing) shown in Patent Document 2 and Patent Document 3, an oxidizing agent such as hydrogen peroxide is added to the polishing slurry to oxidize the surface of the material to be polished, thereby improving the polishing rate. I am trying. However, the slurry containing the oxidant deteriorates the working environment and increases the cost of waste liquid treatment. In addition, the oxidizer may corrode the polishing apparatus. The wet polishing method disclosed in Patent Document 4 promotes mechanochemical polishing using a strong alkaline slurry to improve the polishing rate. However, a strongly alkaline slurry having a pH of 10 to 14 deteriorates the working environment and increases the cost of waste liquid treatment. In either case, since the characteristics of the slurry are likely to change during the polishing process, there is a problem that monitoring and adjustment are indispensable and it is difficult to automate the polishing process. That is, conventionally known methods cannot polish SiC or GaN having high corrosion resistance at a high quality at a practical polishing rate.

上記の課題を解決するために、本発明は、湿式研磨方法を採用し、メカノケミカル効果を生じさせる研磨方法を利用し、被研磨材の高品位で、高い研磨レートを実現できる研磨用砥粒とその製造方法を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、環境に影響の少ないスラリーを使用して被研磨材を湿式研磨する研磨方法と研磨装置と研磨用のスラリーを提供することを目的とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention employs a wet polishing method, utilizes a polishing method that produces a mechanochemical effect, and achieves a high polishing rate with a high quality and a high polishing rate of a material to be polished. And its manufacturing method.
Furthermore, an object of the present invention is to provide a polishing method, a polishing apparatus, and a polishing slurry for wet-polishing a material to be polished using a slurry having little influence on the environment.

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。
<構成1>
被研磨材と等しいかもしくは被研磨材よりもモース硬度が低い粒子状の第1の研磨剤と、上記被研磨材を化学的に変質させる粒子状の第2の研磨剤とを、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。
The following configurations are means for solving the above-described problems.
<Configuration 1>
A mechanical alloying method comprising: a particulate first abrasive that is equal to the material to be polished or has a Mohs hardness lower than the material to be polished; and a particulate second abrasive that chemically alters the material to be polished. Polishing abrasive grains that are integrated into particles by the above.

<構成2>
上記第1の研磨剤は、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。
<Configuration 2>
The abrasive for polishing according to Configuration 1, wherein the first abrasive occupies 5 weight percent or more and 95 weight percent or less of the integrated particles.

<構成3>
上記第2の研磨剤は、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。
<構成4>
上記第1の研磨剤と第2の研磨剤とを、平均粒径0.05μm以上100μm以下の粒子状に一体化させた構成1乃至3のいずれかに記載の研磨用砥粒。
<Configuration 3>
The abrasive for polishing according to Configuration 1, wherein the second abrasive occupies 5 weight percent or more and 95 weight percent or less of the integrated particles.
<Configuration 4>
4. The polishing abrasive grain according to any one of configurations 1 to 3, wherein the first abrasive and the second abrasive are integrated into particles having an average particle size of 0.05 μm to 100 μm.

<構成5>
被研磨材の表面を研磨するための粒子であって、この粒子は、メカニカルアロイング処理により結合された複数種類の無機化合物成分を含み、各無機化合物成分は、相互に非晶質層を介して一体に結合している研磨用砥粒。
<Configuration 5>
Particles for polishing the surface of a material to be polished, the particles including a plurality of types of inorganic compound components combined by mechanical alloying treatment, and each inorganic compound component is mutually connected via an amorphous layer. Abrasive grains that are bonded together.

<構成6>
上記複数種類の無機化合物成分は、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構成6に記載の研磨用砥粒。
<構成7>
上記複数種類の無機化合物成分は、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、各無機化合物成分は、それぞれその一部が粒子の外表面に露出している構成6に記載の研磨用砥粒。
<Configuration 6>
The polishing abrasive grain according to configuration 6, wherein the plurality of types of inorganic compound components are bonded in a state in which the properties unique to the substances of the individual components are retained.
<Configuration 7>
The plurality of types of inorganic compound components are combined in a state in which the substance-specific properties of the individual components are retained, and each inorganic compound component is partially exposed on the outer surface of the particle. Polishing abrasive.

<構成8>
複数種類の無機化合物成分のいずれかに、被研磨材に対してメカノケミカル効果を生じさせる化学反応性研磨材が含まれている構成6または7に記載の研磨用砥粒。
<構成9>
複数種類の無機化合物成分はいずれも、被研磨材とモース硬度が等しいかもしくは被研磨材よりもモース硬度が低い構成8に記載の研磨用砥粒。
<Configuration 8>
The abrasive for polishing according to Configuration 6 or 7, wherein any one of a plurality of inorganic compound components contains a chemically reactive abrasive that causes a mechanochemical effect on the material to be polished.
<Configuration 9>
The abrasive grains according to Configuration 8, wherein the plurality of types of inorganic compound components have the same Mohs hardness as the material to be polished or have a lower Mohs hardness than the material to be polished.

<構成10>
複数種類の無機化合物成分のいずれかに、被研磨材に対してメカノケミカル効果を生じさせる化学反応性研磨材と、被研磨材のメカノケミカル効果を生じた表面を機械的に削る成分が含まれている構成8に記載の研磨用砥粒。
<Configuration 10>
One of the multiple types of inorganic compound components includes a chemically reactive abrasive that produces a mechanochemical effect on the material to be polished, and a component that mechanically scrapes the surface of the material that produced the mechanochemical effect. The abrasive grain for polishing according to Configuration 8.

<構成11>
被研磨材の表面を機械的に削る成分は、被研磨材と等しいかもしくは被研磨材よりもモース硬度が低い構成10に記載の研磨用砥粒。
<Configuration 11>
The abrasive for polishing according to Configuration 10, wherein the component that mechanically scrapes the surface of the material to be polished is equal to the material to be polished or has a Mohs hardness lower than that of the material to be polished.

<構成12>
被研磨材に対してメカノケミカル効果を生じさせる化学反応性研磨材は、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成分である構成10に記載の研磨用砥粒。
<Configuration 12>
The chemically reactive abrasive that produces a mechanochemical effect on the object to be polished is a component that oxidizes the polishing surface of the object by reacting with frictional heat generated during the polishing process. grain.

<構成13>
被研磨材に対してメカノケミカル効果を生じさせる化学反応性研磨材は、リチウム,アルカリ土類金属の炭酸塩,リン酸塩,フッ化物,ホウ素化合物,及び塩化銀,臭化銀,ヨウ化銀等のハロゲン化合物、氷晶石,又はミョウバンの中から選択された1種または2種以上の難溶性の塩である構成10に記載の研磨用砥粒。
<Configuration 13>
Chemically reactive abrasives that produce mechanochemical effects on the materials being polished include lithium, alkaline earth metal carbonates, phosphates, fluorides, boron compounds, and silver chloride, silver bromide, and silver iodide. The polishing abrasive grain according to constitution 10, which is one or two or more sparingly soluble salts selected from halogen compounds, such as halogen compounds, cryolite, or alum.

<構成14>
複数種類の無機化合物成分の原料を混合し、乾式状態でメカニカルアロイング処理を行い、各無機化合物成分を、相互に非晶質層を介して一体に結合させて粒子状にする研磨用砥粒の製造方法。
<Configuration 14>
Abrasive abrasive that mixes raw materials of multiple types of inorganic compound components, performs mechanical alloying in a dry state, and binds each inorganic compound component together through an amorphous layer to form particles Manufacturing method.

<構成15>
純水中に、構成1乃至12のいずかに記載の研磨用砥粒を分散させたスラリーを使用して、被研磨材を研磨する研磨方法。
<構成16>
基材に、構成1乃至12のいずかに記載の研磨用砥粒を分散させて固定した研磨部材。
<Configuration 15>
A polishing method for polishing a material to be polished using a slurry obtained by dispersing abrasive grains according to any one of Structures 1 to 12 in pure water.
<Configuration 16>
A polishing member in which the abrasive grains according to any one of Structures 1 to 12 are dispersed and fixed on a base material.

<構成17>
合成繊維、ガラス繊維、天然繊維、合成樹脂、天然樹脂のいずれかにより構成され、構成1乃至12のいずかに記載の研磨用砥粒を表面に分散させて固定した研磨パッドと、
被研磨材を研磨パッド表面に向かって弾力を用いて押しつける保持装置と、
研磨面に純水を供給する注液器とを備え、
上記保持装置による弾力は、上記研磨用砥粒と上記被研磨材との間に、上記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レベルに設定される研磨装置。
<Configuration 17>
A polishing pad composed of any one of synthetic fibers, glass fibers, natural fibers, synthetic resins, and natural resins, and having the abrasive grains according to any one of configurations 1 to 12 dispersed and fixed on the surface;
A holding device that presses the material to be polished toward the surface of the polishing pad using elasticity,
A liquid injector for supplying pure water to the polished surface,
A polishing apparatus in which the elasticity of the holding device is set to a level that generates frictional heat above the temperature at which a chemical reaction by the reaction accelerator occurs between the polishing abrasive grains and the material to be polished.

<構成18>
中性の水の中に、構成1乃至12のいずかに記載の研磨用砥粒を分散させて生成した懸濁液であって、摂氏25度におけるpHが4以上11以下の、炭化ケイ素または窒化ガリウムを研磨するためのスラリー。
<Configuration 18>
A suspension formed by dispersing abrasive grains according to any one of constitutions 1 to 12 in neutral water and having a pH of 4 or more and 11 or less at 25 degrees Celsius Or a slurry for polishing gallium nitride.

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。
In the polishing abrasive grain of the present invention, a plurality of types of components are directly bonded to each other by mechanical alloying and integrated into a particle form. Since the binding energy between the components is large, the polishing abrasive grains are not decomposed during the polishing process. A mechanochemical effect is produced by a component that exerts a chemical polishing action on the material to be polished, and polishing abrasive grains having a Mohs hardness lower than that of the material to be polished can be polished at a high polishing rate. The reaction accelerator reacts with heat generated by friction between the outer surface of the abrasive grains and the material to be polished, and promotes a 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 together while maintaining the material-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 in the form of particles as a whole, each abrasive grain exhibits its function in a chain.
High-speed polishing is possible when a component having a relatively high hardness that exhibits a mechanical polishing action is used. When a component that exhibits a mechanical polishing action has a relatively low hardness, high-quality polishing can be achieved.
Slurries in which the above abrasive grains are dispersed in pure water are almost harmless. It does not affect the environment of the polishing workshop, and waste liquid treatment is easy. In addition, since the consumption of the components constituting the abrasive grains during polishing is small, it can be used repeatedly and is economical.
In wet polishing using a slurry such as water, heat energy is dissipated, and generally a chemical polishing action is not sufficiently exhibited. In contrast, polishing abrasive grains in which a plurality of types of components are integrated in a particulate form can sufficiently exhibit a chemical polishing action by effectively utilizing thermal energy even in wet polishing.

本発明の研磨用砥粒の概略構造を示す外観図である。It is an external view which shows schematic structure of the abrasive grain for grinding | polishing of this invention. 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。It is a schematic perspective view which shows an example of the grinding | polishing apparatus which uses the abrasive grain for grinding | polishing. 従来のメカノケミカル研磨方法の説明図である。It is explanatory drawing of the conventional mechanochemical polishing method. 本発明の研磨用砥粒の顕微鏡写真と、研磨動作説明図である。It is the microscope picture of polishing abrasive grain of this invention, and polishing operation explanatory drawing. 実施例の研磨用砥粒で研磨処理前後の研磨用砥粒の成分を比較した図である。It is the figure which compared the component of the abrasive grain before and behind a grinding | polishing process with the abrasive grain of an Example. 各種の砥粒を使用して研磨処理をした後の廃液の性質比較図である。It is a property comparison figure of the waste liquid after grind | polishing using various abrasive grains. 第1の成分を取り替えたときのSiCの研磨レート比較図である。It is a polishing rate comparison figure of SiC when the 1st ingredient is replaced. 第2の成分を取り替えたときのSiCの研磨レート比較図である。It is a polishing rate comparison figure of SiC when the 2nd ingredient is replaced. Fig9Aは、GaNの研磨レート比較図で、Fig9Bはサファイアの研磨レート比較図である。Fig. 9A is a GaN polishing rate comparison diagram, and Fig. 9B is a sapphire polishing rate comparison diagram. 反応促進剤を取り替えたとき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。It is data which shows the relationship between the polishing rate when the reaction accelerator is replaced and the temperature after the polishing process. 研磨圧力と研磨レートの関係を示す比較図である。It is a comparison figure which shows the relationship between a polishing pressure and a polishing rate. 各種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。It is a comparison figure which shows the relationship between the polishing rate of various abrasive grains, and surface roughness. 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。It is a comparative figure which shows the relationship between the polishing rate of the abrasive grain of a comparative example, and surface roughness. グラフ化した研磨レートの比較図である。It is a comparison figure of the polishing rate graphed. グラフ化した研磨後の表面粗さの比較図である。It is a comparison figure of the surface roughness after grinding which was graphed.

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 polishing abrasive grains of the present invention.
The polishing abrasive grain 10 of the present invention is used for polishing various materials such as sapphire, silicon carbide and gallium nitride. In the polishing abrasive grain 10 of the present invention, for example, as shown in FIG. 1A, the first component 12, the second component 13, and the reaction accelerator 14 each retain the substance-specific properties of the individual components. As is, they are directly coupled to each other by mechanical alloying. The first component 12 is a component that exerts a mechanical polishing action on the material to be polished. The second component 13 is a component that exhibits a chemical polishing action on the material to be polished. The reaction accelerator 14 is a component that accelerates the chemical polishing action in response to frictional heat generated when the material to be polished is polished. This polishing abrasive grain 10 is obtained by integrating these components into a particulate form.

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のみ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 to this, as shown in FIG. 1B, a polishing abrasive grain 11 composed of only the second component 13 and the third component 14 will be described later as an example. Furthermore, various combinations are possible. The chemical polishing action includes an action of causing a mechanochemical effect on the surface of the material to be polished and altering it. The chemical polishing action also includes an action of oxidizing the polished surface of the material to be polished by reacting with frictional heat generated during the polishing process. By these actions, it becomes possible to polish the surface of the material to be polished by changing it to a hardness equal to or lower than the hardness of the material to be polished in a complete state.

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 the 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 the third component that promotes the oxidizing action of the polished surface with the frictional heat generated during polishing. But there is enough practicality.

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。   The above-described plurality of components being directly bonded means that they are not bonded using materials 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 mechanical alloying treatment, an amorphous layer 15 is formed at the boundary portion as shown in FIG. 1C. Each component is bonded together through the amorphous layer 15. Each inorganic compound component is bonded by the chemical activity of the amorphous layer 15 generated on the crystal surface by the mechanical alloying treatment. Due to this bonding force, each inorganic compound component is not easily separated before and during polishing. Therefore, the characteristics of each inorganic compound component are displayed in a chain manner in the portion of the polishing abrasive grain that is in contact with the material to be polished. In addition, as shown in FIG. 1C, the amorphous layer 15 formed in various places on the crystal surface of the second component and the third component also has an effect of enhancing these chemical polishing actions.

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、平均粒度が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。   Being integrated in the form of particles means that the size and shape suitable for the use as abrasive grains are selected. When the surface roughness required for lapping of a silicon carbide or gallium nitride substrate is 0.01 μm or less, the abrasive grains may be selected to have an average particle size of 10 μm or less. When used for wet polishing, the abrasive grains for polishing of the present invention are preferably produced in the form of particles having an average particle diameter of 0.05 μm or more and 100 μm or less. When this abrasive grain is used while being fixed to a polishing pad or a grindstone, one having a larger grain size can also be used. Therefore, the abrasive grains for polishing according to the present invention can meet various surface roughness requirements.

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。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 polishing abrasive grains only need to be an integrated lump. The outer shape of the abrasive grains for polishing may not be circular. Multiple types of components are combined by mechanical alloying. Thus, a plurality of types of components are combined in a state that retains the substance-specific properties of the individual components. The reason why the plural kinds of components are combined is to polish the material to be polished by combining the properties unique to the substances of the respective components. In any case, the polishing abrasive grain of the present invention does 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 it can be used by dispersing abrasive grains 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、一部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 treatment]
In the mechanical alloying process, first, the powder of the first component 12, the powder of the second component 13, and the powder of the reaction accelerator 14 are mixed, crushed, rubbed, compressed, pulled, hit, bent, or Repeated mechanical impacts such as impact. Any kind of impact may be applied. Multiple types of impacts may be combined. These mechanical impacts cause the powder to break up and mix evenly. Thereafter, a phenomenon occurs in which part of the powder is integrated and solidified into particles. Each component is directly bonded to each other and integrated into a particle shape while maintaining the material-specific properties of each component. Each component is bonded together through an amorphous layer.

[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、Al23、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、Al23、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。
[Operation of the first component]
The first component exhibits a mechanical polishing action on the material to be polished. The new Mohs hardness (corrected Mohs hardness) of the first component 12 is selected according to the hardness of the workpiece. For example, when the material to be polished is silicon carbide or gallium nitride, the new Mohs hardness is 7 or more and 13 or less. The reason why the new Mohs hardness is 7 or more is that the composite particles mechanically accelerate silicon carbide or gallium nitride. This is to provide the minimum hardness necessary for polishing. The reason why the new Mohs hardness is set to 13 or less is to use particles having a hardness of silicon carbide or gallium nitride or less and polish the surface of the silicon carbide or gallium nitride without damaging the surface. A silicic acid compound is suitable for the first component 12. For example, SiC, Al 2 O 3 , ZrSiO 4 , ZrO 2 , talc, or mica are suitable. Silicate compounds other than these can also be applied. In order to obtain a high polishing rate, SiC, Al 2 O 3 , ZrSiO 4 or ZrO 2 having a new Mohs hardness of 9 to 13 is suitable. On the other hand, softer talc or mica is suitable for obtaining a high-quality polished surface. That is, a silicate compound having a new Mohs hardness of less than 9 is suitable. When sapphire having a new Mohs hardness of 9 is polished, a new Mohs hardness of 7 to 9 is suitable for the abrasive grains for polishing.

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 first component 12 preferably occupies 5 weight percent or more and 95 weight percent or less when the total weight of the integrated particles is 100. If the blending ratio of the first component 12 is less than 5%, the hardness of the abrasive grains may be insufficient. On the other hand, if the blending ratio of the first component 12 exceeds 95%, the second component may be insufficient and the polishing rate may not be improved due to the chemical polishing action.

[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。
[Operation of the second component]
The second component 13 causes a mechanochemical effect on the material to be polished. To create a mechanochemical effect on the material to be polished means that at least the surface molecules and atoms on the surface of the material to be polished are broken or oxidized, and some molecules and atoms are exchanged with other molecules and atoms. It means to act to replace. By chemically changing the surface of the material to be polished in this way, it is possible to peel off the changed portion with abrasive grains equivalent to or softer than the material to be polished. Thereby, the surface of the material to be polished is flattened. Since only the portion close to the surface of the material to be polished is peeled off, no deep and large scratches are generated on the surface of the material to be polished. By the action of the second component, it becomes possible to perform polishing at a high polishing rate (removal rate per unit time) that has not been obtained so far.

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、Cr23、Fe23、TiO2、ZnO、NiO、SnO2、Sb23、CuO、Co34、CeO2、Pr611、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, the second component 13 is Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , TiO 2 , ZnO, NiO, SnO 2 , Sb 2 O 3 , CuO, Co 3. It is preferable to select and use one or more oxides selected from the group consisting of O 4 , CeO 2 , Pr 6 O 11 and MnO 2 . The second component is an oxide or a double oxide of a transition metal element or a group 12 element (zinc group element) on the periodic table that exists between group 3 and group 11 on the periodic table excluding Zr. is there. The multiple oxide is a solid solution of any two or more of these oxides.

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 second component 13 includes a substance that easily oxidizes silicon carbide or gallium nitride at a high temperature. All of the second components 13 listed in the above examples are oxides. Particularly, MnO 2 is well known as a solid oxidizing agent, and highly active manganese dioxide produced by an electrolytic method is suitable. Manganese dioxide reacts with frictional heat generated during the polishing process to oxidize the C surface of silicon carbide, and reacts with the Si surface in a solid phase. The oxidized polished surface can be mechanically removed efficiently with a Mohs hardness component equal to or less than that of silicon carbide.

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 sapphire is used as the material to be polished, a material that is likely to undergo isomorphous substitution with sapphire aluminum ions (Al 3 + ) is preferable. This material is a substance whose ion radius approximates that of aluminum (Al). On the other hand, silica (SiO 2 ) causes substitution that occurs during dehydration of siloxane. By 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 second component 13 preferably occupies 5 weight percent or more and 95 weight percent or less when the total weight of the integrated particles is 100. If the blending ratio of the second component 13 is less than 5%, the chemical polishing action may be insufficient and a sufficiently high polishing rate may not be maintained. On the other hand, if the blending ratio of the second component 13 exceeds 95%, the hardness of the abrasive grains as a whole may be insufficient.

[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 reaction accelerator 14 is hardly soluble in pure water used as a slurry, and is made of an alkali metal salt or an alkaline earth metal salt. The reaction accelerator 14 is not a liquid but a solid. If the reaction accelerator 14 is solid, it can be integrated with the first component 12 and the second component 13 by mechanical energy to obtain abrasive grains for polishing. On the other hand, when the reaction accelerator 14 is a liquid or a material that is easily dissolved in water, the abrasive grains are decomposed in the slurry. Furthermore, the waste liquid has an adverse effect on the environment.

反応促進剤14は、CaCO3、SrCO3、MgCO3、BaCO3、LiCO3、Ca3(PO42、Li3PO4、AlK(SO42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、NaAlF、Na4、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 reaction accelerator 14 is a kind selected from the group of CaCO 3 , SrCO 3 , MgCO 3 , BaCO 3 , LiCO 3 , Ca 3 (PO 4 ) 2 , Li 3 PO 4 , AlK (SO 4 ) 2. Or it is preferable that they are 2 or more types of materials. Alkali metal salts or alkaline earth metal salts are suitable because they are hardly soluble in pure water. Any material can promote the polishing function of the second component 13 by frictional heat generated during polishing. In addition, inorganic compounds that are hardly soluble in pure water stable in the air, such as CaF 2 , Na 3 AlF 6 , Na 2 B 4 O 7 , AgCl, AgBr, and Ag1, are suitable.

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(SO42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(SO42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。本発明において、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 reaction accelerator 14 has a solubility in pure water of 0.1 or less except for LiCO 3 and AlK (SO 4 ) 2 . That is, the amount dissolved in 100 grams of pure water at 25 degrees Celsius is 0.1 grams or less. On the other hand, the solubility of LiCO 3 in pure water is 1.33, and the solubility of AlK (SO 4 ) 2 is 6.74, which is larger than other materials. However, when used as polishing abrasive grains, none of them are separated during polishing and dissolved in a large amount in pure water. That is, by integrating by mechanical login processing, the reaction accelerator is made difficult to dissolve in pure water. Therefore, polishing abrasive grains were circulated with the slurry and could be used repeatedly for polishing. In the present invention, poorly soluble means that the amount dissolved in 100 grams of pure water at 25 degrees Celsius is 7 grams or less.

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 reaction accelerator 14 preferably accounts for 5 to 95 percent when the total weight of the integrated particles is 100. If the blending ratio of the reaction accelerator 14 is less than 5 weight percent, the effect of promoting the polishing function of the second component 13 may be insufficient. If the blending ratio of the reaction accelerator 14 exceeds 95 weight percent, the amount of the second component 13 may be insufficient.

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。本発明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 polishing abrasive grains of the present invention, the polishing abrasive grains are rubbed against the material to be polished, and frictional heat is locally generated. As a result, carbon dioxide is released from lithium carbonate and alkaline earth carbonate. The lithium oxide or alkaline earth oxide generated here reacts with moisture instantaneously to generate high heat of hydration, and lithium hydroxide and alkaline earth hydroxide, which are strongly alkaline substances, are generated.

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 the abrasive grains for polishing. Because it contains a component that produces a mechanochemical effect on the abrasive grains for polishing and a component that exerts a mechanical polishing action on the material to be polished, the mechanochemical effect is promoted in a chain and the 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 bonds and are in a state called dangling bonds. Electrons on dangling bonds are chemically active because they are unstable. When polishing abrasive grains are rubbed against the surface of the material to be polished, fluorine ions are generated by frictional heat. As a result, dangling bonds and fluorine are bonded. Fluorine atoms having strong electronegativity distort the crystal structure of the surface of the material to be polished. Thereby, the mechanochemical effect on the surface of the material to be polished is promoted.

[研磨装置]
図2は、本発明の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。本発明では、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。
[Polishing equipment]
FIG. 2 is a schematic perspective view showing an example of a polishing apparatus using the polishing abrasive grain of the present invention.
The polishing surface plate 20 is driven to rotate in the direction of the arrow 32. The upper surface of the polishing surface plate 20 is covered with a polishing pad 22. The holding device 24 is a device for pressing and supporting the material to be polished 26 (silicon carbide substrate or gallium nitride substrate) against the polishing pad 22. In the present invention, abrasive grains are supplied together with the slurry from the liquid injector 28 in the direction of the arrow 30. The material to be polished 26 pressed against the surface of the polishing pad 22 is polished in contact with the polishing abrasive grains. The slurry and abrasive grains are continuously supplied in a fixed amount during the polishing process.

本発明の研磨用砥粒は、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。中性の水に本発明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。   The polishing abrasive grains of the present invention can be used, for example, in a polishing process for sapphire substrates and silicon carbide or gallium nitride substrates for power devices. 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 process, for example, polishing is performed until the surface roughness of the silicon carbide or gallium nitride substrate reaches 0.010 μm or less. A suspension obtained by dispersing abrasive grains in pure water can be supplied to the polishing surface for polishing treatment. Neutral water can be used for the slurry. A surfactant or chelating agent may be added to this water in order to disperse the abrasive grains for polishing. The suspension formed by dispersing the abrasive grains of the present invention in neutral water has a pH of 4 or more and 11 or less at 25 degrees Celsius, as will be described later. That is, the slurry can be within a weakly acidic or weakly alkaline range.

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 polished on both sides so as to adjust the shape. This is called roughing. Thereafter, intermediate processing is performed to reduce scratches caused by rough processing. Finally, a finishing process is performed to polish the surface to an atomic level flatness. Conventionally, diamond abrasive grains are used for polishing a silicon carbide or gallium nitride substrate in a roughing process. However, since the diamond abrasive grains have a Vickers hardness higher than that of the silicon carbide or gallium nitride substrate, damage that reaches a deep portion from the surface, called a “saw mark”, is caused. In order to repair this polishing mark, long-term intermediate processing was required thereafter. The reason why diamond abrasive grains are used for roughing is 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 generation of the above-mentioned polishing marks, there is a method using fine diamond abrasive grains. However, when performing mechanical polishing, the polishing rate decreases as the abrasive grain size decreases, and the cost of using diamond abrasive grains increases as the abrasive grain size decreases. There is. Therefore, a method for increasing the speed of the polishing process and preventing the occurrence of damage has not been established yet.

本発明の研磨用砥粒は、この問題を解決する。本発明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。本発明の研磨用砥粒は、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。   The polishing abrasive grains of the present invention solve this problem. When the polishing abrasive grain of the present invention is used, a sufficiently high polishing rate can be obtained, so that rough processing and intermediate processing can be performed at once. The polishing abrasive grains of the present invention are polished using a component 3 that is comparable to or softer than a silicon carbide or gallium nitride substrate.

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、本発明の研磨用砥粒を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(PO42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(PO42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 process, for example, a polishing slurry in which the abrasive grains of the present invention are dispersed in a concentration of 15 weight percent in 100 ml of pure water 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 polishing for 4 hours was about pH 8. The pH of the waste liquid is most preferably 5 or more and 9 or less, and was within this range when a material other than LiCO 3 and Ca 3 (PO 4 ) 2 was used. When LiCO 3 and Ca 3 (PO 4 ) 2 were used as reaction accelerators, the pH was about 10 to 11. Both are in the range of weak acidity to weak alkalinity, and the adverse effect on the work environment can be suppressed. At the same time, waste liquid treatment is simplified.

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 weight percent or more of abrasive grains with respect to pure water 100, and the apparent specific volume (static method) of the abrasive grains is 0.5 ml / g or more and 200 ml / g or less. It is preferable to adjust so that it becomes. If the apparent specific volume (stationary method) is less than 0.5 ml / g, each component of the abrasive grains for polishing is separated. Even if the apparent specific volume (static method) exceeds 200 ml / g, the polishing rate is not improved, and the abrasive grains for polishing become excessive in the slurry, resulting in severe sedimentation.

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 to be polished 26 is pressed against the surface of the polishing pad 22 by using elasticity, the material between the polishing abrasive grains dispersed on the surface of the polishing pad 22 and the material to be polished 26 is used. Frictional heat is likely to occur. Therefore, for example, it is preferable to configure the holding device 24 with a resilient rubber plate or the like. The polishing pad 22 is preferably made of synthetic fiber, glass fiber, natural fiber, synthetic resin, natural resin, or the like. When the holding device 24 gives an appropriate elasticity to the material to be polished 26, it is possible to effectively generate frictional heat and realize a high polishing rate. It is preferable to generate frictional heat between the polishing abrasive and the material to be polished above the temperature at which a chemical reaction by the reaction accelerator occurs.

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、本発明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。樹脂や繊維に複合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。   In addition, since the frictional heat does not accumulate at the beginning of starting the polishing apparatus, the temperature rise of the polishing surface of the material to be polished 26 becomes insufficient. Therefore, the polishing rate is lowered. In this case, a device for adjusting the temperature of the slurry to an appropriate temperature may be provided. Further, the polishing abrasive grain of the present invention can also be used for dry polishing. For example, when the substrate is a polishing pad, the abrasive grains are dispersed and fixed at an appropriate density on the surface of the pad to obtain a polishing member. What fixed and disperse | distributed the composite abrasive grain to resin and fiber can be used. When the substrate is a plastic molded product, the abrasive grains and the plastic before solidification are mixed and then cured by a predetermined method to obtain an abrasive member. Further, it may be dispersed and fixed on a tape-like base material. This polishing member is suitable for dry polishing, but can also be wet polished by supplying pure water to the polishing surface during the polishing process.

[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 view of a conventional mechanochemical polishing method.
These are all listed as comparative examples. The abrasive grains shown in FIG. 3A are a mixture of a plurality of types of abrasives. The A abrasive 16 and the B abrasive 18 are mixed and supplied to the polishing apparatus together with the slurry. The B abrasive 18 has a function of promoting the polishing action of the A abrasive 16. In this case, in general, the specific gravity of the A abrasive 16 and the B abrasive 18 are different from each other, so that they are separated in the slurry as shown in FIG. 3B.

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 slurry 17 that promotes the polishing action of the A abrasive 16 is used. Since this method solves the above problems, it has been widely adopted in recent years. However, the slurry 17 uses a strongly alkaline material, an oxidizer, or the like, resulting in a highly corrosive solution, which deteriorates the working environment. Furthermore, the cost of processing the waste liquid after the polishing process is large.

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。本発明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 polymer material 19. It is difficult to obtain abrasive grains having an average particle size suitable for a lapping process for hard and brittle materials. That is, only a large size can be obtained. Moreover, specific gravity becomes light as a whole, and it will be pushed away from a grinding | polishing apparatus. Since the polishing abrasive grain of the present invention has a high specific gravity, it stays long on the upper surface of the pad of the polishing apparatus and improves the polishing rate.

[研磨用砥粒の構造と作用]
図4 Fig4Aと Fig4Bは本発明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。
[Structure and action of abrasive grains for polishing]
Fig. 4 Fig. 4A and Fig. 4B are micrographs of the abrasive grains of the present invention, and Fig. 4A and below are explanatory diagrams of the polishing action.
FIG. 4A is a photomicrograph showing the polishing abrasive grains of Example 1. This is immediately after the integration process, and abrasive grains of various sizes are mixed. Those having an average particle diameter of 5 to 6 μm and a particle diameter of about 1 μm are also mixed. 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-ground components are mixed and strongly connected and integrated with each other. All three types of components are integrated in the form of particles while maintaining 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 in the polishing process. For example, the surface state of polishing abrasive grains collected after polishing a silicon carbide substrate for 4 hours was also indistinguishable from this photograph.

実施例1の研磨用砥粒は、酸化アルミニウム(Al23)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 polishing abrasive grain of Example 1 is obtained by integrating aluminum oxide (Al 2 O 3 ), manganese dioxide (MnO 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 to a powder having an outer diameter of 1 μm or less by a ball milling method, and further subjected to mechanical impact for about 0.5 hours to obtain abrasive grains for polishing. Among them, abrasive grains having an average particle size of 1 μm were selected and used. The abrasive grains obtained by the above method were supplied to the apparatus shown in FIG. 2 together with pure water, and the silicon carbide substrate was polished for 4 hours. The slurry containing the abrasive grains for polishing is supplied onto the polishing pad 22 during the polishing process and sequentially discharged. The discharged slurry was recovered again and supplied onto the polishing pad 22 so that it could be used repeatedly.

サファィア研磨用として、酸化アルミニウム(Al23)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複合砥粒も、上記と同様の結果を得た。 For sapphire polishing, 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. Thus, an integrated product was produced by a ball milling method. Polishing abrasive grains having an average particle size of 2 μm were obtained. The composite abrasive grains taken out of the slurry after polishing the sapphire substrate for 4 hours also obtained the same result as 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、本発明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 bonding a plurality of inorganic compound components using an adhesive such as a resin is known. However, the bonding force by an adhesive such as a resin cannot prevent a plurality of inorganic compound components from being separated from each other by an external force received during polishing. In addition, a method of sintering and integrating the components can be considered. However, when sintering is performed, the inorganic compound components mix with each other, and the inherent properties of the individual inorganic compound components are largely lost. Therefore, the function like the abrasive grains for polishing of the present invention cannot be exhibited effectively. 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。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。   As shown in FIG. 4C, in the polishing abrasive grains of this example, each component is uniformly mixed, and therefore all of the components are partially exposed on the outer surface of the polishing abrasive grains. The abrasive grains are in 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. Further, when the state shown in FIG. 4C is changed to the state shown in FIG. 4D, the component that mechanically scrapes the surface of the polishing material of the abrasive grains immediately contacts the portion where the mechanochemical effect occurs. As a result, a portion where the mechanochemical effect of the material to be polished is generated is removed.

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。   The abrasive grains move so as to roll on the surface of the material to be polished. At this time, the chemically reactive polishing material and the component having a function of mechanically cutting the polishing material are alternately and repeatedly brought into contact with the surface of the polishing material. In addition, before the frictional heat diffuses into the slurry, they come into contact with each other without a time interval, so that the polishing process efficiently proceeds in a chain. In addition, the whole abrasive grain can also be coated with any component. In this case, other components are not exposed on the outer surface of the abrasive grains. However, if the coating breaks during the polishing process and all components are exposed on the surface, the above effects occur. Further, for example, as long as 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 a chemically reactive abrasive and an inorganic compound component that has a mechanical cutting function are dispersed in the slurry, it has a function to mechanically cut that part of the polishing material where the mechanochemical effect occurs. The probability that the inorganic compound component is in direct contact is very low. 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 cut as long as a mechanochemical effect is uniformly produced on the entire surface. Therefore, a method in which a mechanochemical effect is produced on the entire surface of the material to be polished by using a strong alkaline solution slurry 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。   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 of the example. Only the hatched portion near the surface of the material to be polished 26 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 diamond abrasive grains 36. In this case, a deep polishing mark 38 is generated on the surface of the material 26 to be polished. This has been the most problematic in the past.

[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。本発明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 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 before polishing. A lower stage shows the ratio which each component accounts for the abrasive grain for grinding | polishing after grinding | polishing processing. As shown in this figure, the polishing abrasive grains of the examples have no significant change in the component ratio before and after the polishing treatment. The polishing abrasive grains of the present invention have high mechanical strength and can be used repeatedly because they are not destroyed by polishing treatment. That is, it was found that most of the mixed material was present in its original form from the appearance and analysis results of the abrasive grains taken out from the slurry after polishing the silicon carbide substrate for 4 hours. It was also found that about 3% of the total weight was consumed by the above chemical reaction.

Fig5Bは、サファイア基板を4時間研磨した前後の複合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 composite abrasive before and after polishing the sapphire substrate for 4 hours.
Prior to polishing, the proportions of aluminum (Al), silicon (Si), and calcium (Ca) in the total were 38.2 wt%, 43.8 wt%, and 17.9 wt%, respectively. After the polishing treatment, they were 41.2 wt%, 42.3 wt%, and 16.5 wt%. The ratio of the components other than the aluminum component to the whole was not substantially changed. The cause of the increase in the proportion of the aluminum component is considered to be that polishing scraps obtained by polishing sapphire were newly included.

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 polishing was separated and analyzed. As a result, a residue containing aluminum (Al), silicon (Si) and calcium (Ca) in the proportions of 52%, 33% and 0.5%, respectively, was obtained. As a result of component analysis, mullite was included.

研磨処理中に、複合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、研磨処理前後の複合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、複合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 composite abrasive grains were mechanically or thermally decomposed to produce mullite or other causes. The amount of mullite produced was proportional to the polishing time. Moreover, an amount of mullite was generated that sufficiently exceeded the consumption of the composite abrasive before and after the polishing treatment. That is, it was found that the composite abrasive was polished while chemically altering the surface of the material to be polished, and the residue was mullite. Using any of the conventional wet polishing methods, this amount of mullite was not generated after 4 hours of polishing. 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、3Al23・2SiO2〜2Al23・SiO2、またはAl613Si2で表される。複合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、複合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. The chemical formula is represented by 3Al 2 O 3 .2SiO 2 to 2Al 2 O 3 .SiO 2 , or Al 6 O 13 Si 2 . Friction heat of several hundred degrees Celsius is locally generated by friction between the composite abrasive grains and the material to be polished. Although this heat is diffused by the slurry, the micro area where the composite abrasive grains and the material to be polished are in contact with each other becomes high temperature. It can be determined that calcium carbonate has generated mullite as a result of promoting the reaction between the material to be polished and aluminum oxide.

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 property comparison diagram of waste liquid as a result of polishing using various abrasive grains.
As shown in Fig. 6A, the temperature of the slurry discharged after the polishing treatment was measured, and as a result, the temperature rose from room temperature to about 30 to 40 degrees Celsius by the polishing treatment, so the influence of the reaction accelerator could be confirmed. . The residue excluding the pure water of the slurry discharged after the polishing treatment is shavings of the 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 is a difference 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 pH is 11.2 at the maximum and can be processed without any problem.

Al23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(PO42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(PO42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。 When the sapphire was polished with polishing abrasive grains in which Al 2 O 3 , SiO 2 and CaCO 3 were integrated, a high polishing rate of 0.7 to 1.0 μm per minute was realized. As shown in FIG. 6B, when a material other than LiCO 3 and Ca 3 (PO 4 ) 2 is used as a reaction accelerator, the measured value before polishing is pH 4.63 8.0, and the measured value after polishing is pH 4. It was in the range of 2 to 8.2. When LiCO 3 and Ca 3 (PO 4 ) 2 are used as reaction accelerators, the measured values before polishing are pH 10.1 and 9.0, and the measured values after polishing are pH 11.2 and 9.6, respectively. there were. Both are in the range of weak acidity to weak alkalinity, and the adverse effect on the work environment can be suppressed. Moreover, the waste liquid treatment becomes simple. It was found that since the region of high alkali atmosphere at high temperature is a very small region, the pH of the slurry is not greatly affected.

[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。
サンプル1−1と表示した部分は、Al23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。
[Verify the action of the first component]
FIG. 7 is a comparison diagram of polishing rates when the first component is replaced and SiC is polished.
The portion indicated as Sample 1-1 shows the result of using polishing abrasive grains in which Al 2 O 3 , MnO 2 and CaCO 3 are integrated for polishing silicon carbide.

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 apparatus are that the rotation speed of the polishing surface plate 20 is 50 rotations per minute (rpm), the rotation speed of the holding apparatus 24 is 100 rotations per minute, and the holding apparatus 24 polishes the material 26 to be polished. The polishing pressure pressed in the direction of the surface plate 20 was 160 grams (g / cm 2 ) per square centimeter. Polishing abrasive grains are mixed in 15% by weight in pure water. The slurry thus adjusted was supplied onto the polishing pad 22 from the liquid injector 28 at a rate of 10 milliliters per minute (ml / min).

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 portion indicated as Sample 2-1 shows the result of using polishing abrasive grains 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 , in Sample 2-3, the first component is mica, and in Sample 2-4, the first component is talc. The first component does not have a mechanochemical effect. The first component ZrO 2 has a new Mohs hardness of 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 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 of the conventional diamond abrasive shown in Comparative Example 6 in FIG. 8 is 0.26 (μm / min), whereas the polishing rate of Sample 1-1 is about 2 0.8 times 0.72 (μm / min). The effect of the first component on gallium nitride is substantially 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、Al23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Sb23、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Co34、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Pr611、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。
[Verify the action of the second component]
FIG. 8 is a comparison diagram of polishing rates when the second component is replaced and SiC is polished.
The portion indicated as Sample 1-1 shows the result of using polishing abrasive grains in which Al 2 O 3 , MnO 2 and CaCO 3 are integrated for polishing silicon carbide. The example of FIG. 8 shows an example in which the first component and the reaction accelerator are the same, and the second component is sequentially replaced. 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, Sample 3-4 has a second component of SnO 2 , In sample 3-5, the second component is Sb 2 O 3 , sample 3-6 is the second component CuO, sample 3-7 is the second component Co 3 O 4 , and sample 3-8 is the second component The component is CeO 2 , Sample 3-9 is the second component Pr 6 O 11 , and Sample 3-10 is the second component Ti—Cr—Sb, which is a double 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(Al23)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 two-component polishing abrasive grains. Sample 3-11 shows the result of using abrasive grains in which aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and manganese dioxide (MnO 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 obtained when conventional diamond abrasive grains were used.

比較例1は、酸化アルミニウム(Al23)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(Al23)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(Al23)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 (MnO 2 ), and calcium carbonate (CaCO 3 ) mixed in the slurry. Comparative Example 3 shows the result of using only manganese dioxide (MnO 2 ) as abrasive grains. Comparative Example 4 shows the result of using only aluminum oxide (Al 2 O 3 ) as abrasive grains. Comparative Example 5 shows the result of 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 each of the above examples, a resin pad was used in the polishing apparatus, and a slurry in which abrasive grains were mixed in pure water was used. On the other hand, Comparative Example 6 shows the result of using diamond abrasive grains having an average particle diameter of 1 to 3 μm, using a metal surface plate for the polishing apparatus, and using an oily 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, when using the abrasive grains of sample 1, it was 0.72 μm per minute, whereas in the examples of Comparative Examples 1 to 5, Neither could be polished. Even in Comparative Example 6 using diamond abrasive grains, the polishing rate is a low value of 0.26 per minute. Moreover, when diamond abrasive grains are used, there is a problem of polishing marks.

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。   The sample 1-1 shown in FIG. 8 shows a very high polishing rate, and can be said to be sufficiently effective in polishing SiC. It can be said that Sample 3-11 and Sample 3-12 also have a higher polishing rate than the conventional one and are sufficiently practical. Other samples have the following polishing rates when diamond abrasive grains are used. However, these samples have the advantage that no harmful waste liquid is produced and the quality of the polished surface is extremely high, and can be said to be superior to conventional methods. That is, since the second abrasive grains are integrated with the abrasive grains for polishing, it is difficult to elute into the slurry and the slurry is not greatly 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 can be easily treated as a waste liquid. The surface of the metal surface plate used for polishing must be as flat as required for a polished surface of silicon carbide or gallium nitride. However, it is not easy to maintain the flatness. On the other hand, the resin pad merely applies pressure for pressing the abrasive grains 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。
(In the case of 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. When gallium nitride was polished, Sample 1-1 showed a very high polishing rate. Samples 3-9 and 3-10 also showed a high polishing rate. Samples 3-2, 3-3-3-4, and 3-6 also showed a high polishing rate comparable to that of Comparative Example 8. Although the other samples have a low polishing rate, they do not emit harmful waste liquid and have the advantage that the polished surface has a very high quality, which is the same as in the case of FIG. That is, even when the first component has a low New Mohs hardness such as talc or mica, a polishing rate comparable to or higher than that of diamond abrasive grains can be realized. Moreover, an extremely high quality polished surface can be obtained, which is very effective.

(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、Al23とSiO2とCaCO3を一体化した複合砥粒を、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、Al23とFe23とCaCO3を一体化した複合砥粒を、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、Al23とCr23とCaCO3を一体化した複合砥粒を、サファイアの研磨に使用した結果を示す。
(In the case of safar)
Fig. 9B is a comparative diagram of the results of polishing sapphire using various abrasive grains.
The part indicated as Sample 1 shows the result of using composite abrasive grains in which Al 2 O 3 , SiO 2 and CaCO 3 are integrated for polishing sapphire. The part indicated as sample 2 shows the result of using composite abrasive grains in which Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 and CaCO 3 are integrated for polishing sapphire. The part indicated as Sample 3 shows the result of using composite abrasive grains in which Al 2 O 3 , Cr 2 O 3 and CaCO 3 are integrated for polishing sapphire.

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。複合砥粒は、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 surface roughness Ra = 0.22 μm was used as the polishing target. The operating conditions of the polishing apparatus are: the rotation speed of the polishing surface plate 20 is 50 rotations per minute (rpm), the rotation speed of the holding device 24 is 100 rotations per minute, and the holding device 24 moves the material 26 to be polished in the direction of the polishing surface plate 20. The polishing pressure to be pressed against the surface was 160 grams per square centimeter (g / cm 2 ). The composite abrasive is mixed in 15% by weight in pure water. The slurry thus adjusted was supplied onto the polishing pad 22 from the liquid injector 28 at 1 milliliter per minute (ml / min).

以下は、比較例である。ref1は、酸化アルミニウム(Al23)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 of 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(Al23)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複合砥粒を使用した結果を示す。ref5は、酸化アルミニウム(Al23)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複合砥粒を使用した結果を示す。 ref4 shows the result of using composite abrasive grains in which aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and silicon oxide (SiO 2 ) are mechanically bonded and integrated in the same manner as in the present invention. ref5 shows the result of using composite 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複合砥粒を使用した結果を示す。ref7は、酸化アルミニウム(Al23)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 composite abrasive grains in which silicon oxide (SiO 2 ) and calcium carbonate (CaCO 3 ) are mechanically bonded and integrated in the same manner 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 in the slurry. ref8 shows the result of using diamond abrasive grains having an average particle diameter of 1 to 3 μm. In each of the above examples, a resin pad was used as a polishing pad, and a slurry in which abrasive grains were mixed in pure water was used. On the other hand, ref9 indicates the result of using diamond abrasive grains having an average particle diameter of 1 to 3 μm, using a metal surface plate in the polishing apparatus, and using an oily 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の複合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、本発明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, when the polishing rates of all these examples are compared, when the composite abrasive grain of sample 1 is used, it is 1 μm per minute, whereas in the examples of ref1 to ref8, all are about It cannot exceed 0.3 μm. Even in the case of ref9, the polishing rate is 0.8 μm per minute, which is not equal to the polishing rate of the present invention. An example of ref9 is a method that is said to have the highest known polishing rate.

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複合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。   Samples 1 and 2 were able to achieve a higher polishing rate than any known method. In the case of sample 3, a polishing rate comparable to that of ref9 was achieved. All samples use a slurry using pure water as a dispersion medium, which does not deteriorate the working environment and can be easily treated as a waste liquid. In addition, when a metal surface plate is used, its surface must be as flat as required for the polished surface of sapphire. However, it is not easy to maintain the flatness. On the other hand, the resin pad is for applying pressure to press the composite abrasive grains against the polished surface of sapphire. Therefore, a highly accurate structure is not required. Resin pads are inexpensive and easy to maintain. Since the present invention can use a soft polishing pad such as a resin pad, it is more advantageous than using a metal surface plate.

[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Al23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 SiC polishing rate and the temperature after polishing when the reaction accelerator is replaced.
Comparative Example 1 is an example using abrasive grains that do not contain a reaction accelerator. Samples 11 to 18 are the results of experiments using polishing abrasive grains in which Al 2 O 3 is used as the first component and MnO 2 is used as the second component and different reaction accelerators are used. The results of measuring the polishing rate and the temperature of the slurry after polishing silicon carbide for 4 hours are displayed.

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Al23のみを一体化した研磨用砥粒を使用した例である。 Sample 19 is an example in which a polishing abrasive in which only a reaction accelerator (CaCO 3 ) and a second component MnO 2 are integrated is used. Sample 20 is an example in which polishing abrasive grains in which only a reaction accelerator (CaCO 3 ) and a first component Al 2 O 3 are integrated are used.

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. It can also be seen that the higher the slurry temperature after polishing, the higher the polishing rate. That is, the more the chemical reaction of the reaction accelerator is caused by 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 increases the temperature of the slurry. Furthermore, it was proved that the abrasive grains combining the first component, the second component, and the reaction accelerator as in Samples 11 to 18 dramatically increase the polishing rate. The action of the reaction accelerator is not illustrated because it is the same for polishing gallium nitride.

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Al23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複合砥粒を使用した実験結果である。これらの複合砥粒は、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. Experimental Examples 1 to 8 are experimental results using composite abrasive grains in which Al 2 O 3 is used as the first abrasive, SiO 2 is used as the second abrasive, and different reaction accelerators are used. It is. Each of these composite abrasive grains comprises 50% by weight of the first abrasive, 37.5% by weight of the second abrasive, and 12.5% by weight of the reaction accelerator. ing. The polishing conditions are all the same. The material to be polished is one having a surface roughness Ra−0.22 μm after the sapphire wafer is polished with GC (green carbonite) having an average particle size # 325. The temperature of the slurry before polishing was 25 degrees Celsius. The temperature of the slurry after polishing sapphire for 1 hour was measured. The polishing rate is obtained by measuring the thickness of the polished material 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Al23のみを使用した比較例である。 ref1 is a comparative example using abrasive grains that do not use a reaction accelerator. ref2 is a comparative example using only the reaction accelerator (CaCO 3 ) and the second abrasive SiO 2 . ref3 is a comparative example using only the reaction accelerator (CaCO 3 ) and the first abrasive Al 2 O 3 .

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 heat generated by friction between the material to be polished and the abrasive but also by a 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 has been found that the more the chemical reaction of the reaction accelerator is caused by frictional heat, the faster the polishing rate becomes.

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本発明の複合砥粒だけが、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. Further, it was found that the slurry was heated to 41 degrees Celsius due to the heat generated by the reaction accelerator in ref2 (without the first abrasive) and ref3 (without the second abrasive). However, the polishing rate is not so high. Thereby, it was proved that only the composite abrasive grains of the present invention in which the first abrasive, the second abrasive and the reaction accelerator are combined sufficiently increase the polishing rate.

[研磨レートの向上理由]
ここで、本発明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Al23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 reason for the remarkable improvement in the polishing rate by the abrasive grains of the present invention will be described in an organized manner.
(1) When the first component having a new Mohs hardness of 13 or less is included in the polishing abrasive grains The particles having a new Mohs hardness of 13 or less are ZrSiO 4 , Al 2 O 3 , ZrO 2, and SiC. These components serve to form a plastic deformation layer (amorphous layer) by applying a physical force to silicon carbide or gallium nitride. Further, the second component having the property of causing a mechanochemical effect is used to mechanically peel off the plastic deformation layer after the plastic alteration layer has been altered. When the plastic deformation layer is formed on the material to be polished with the first component, the mechanochemical effect due to the second component is likely to occur because the crystal structure of the portion is destroyed. When the plastically altered layer is altered, it can be peeled off by the first abrasive grains having a hardness lower than that of the material to be polished. This effect is the same when the material to be polished is sapphire.

Al23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。Al23はZrSiO4よりも固いから、ZrSiO4を使用した研磨用砥粒よりも、Al23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 new Mohs hardness higher than that of silicon carbide or gallium nitride, 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、Cr23、Fe23、TiO2、ZnO、NiO、SnO2、Sb23、CuO、Co34、CeO2、Pr611、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) In the case where an abrasive that causes a mechanochemical effect is included in the abrasive grains for polishing The mechanochemical abrasive is 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 , and MnO 2 . In either case, an oxidation reaction is likely to occur with silicon carbide or gallium nitride in a high temperature atmosphere. Moreover, it is easy to cause a solid phase reaction. This chemical reaction is thought to alter the polished surface 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、Cr23、Fe23またはSiO2である。これらの研磨材は、サファイア(Al23)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。 The mechanochemical abrasive for sapphire is Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 or SiO 2 . These abrasives are susceptible to isomorphous substitution with sapphire (Al 2 O 3 ). Isomorphous substitution is a phenomenon in which ions having similar ionic radii are replaced with 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、Fe23の六配位Fe3 +(イオン半径0.55Å)や、Cr23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。 Substances with an ionic radius close to that of sapphire six-coordination Al 3 + (ionic radius 0.54 Å) are Fe 2 O 3 hexacoordinated Fe 3 + (ionic radius 0.55 Å) and , Cr 2 O 3 hexacoordinate Cr 3 + (ion radius 0.62 Å). These ion groups cause isomorphous substitution. This chemical reaction is thought to alter the polished surface of sapphire.

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. When SiO 4 tetrahedrons having silanol groups (≡Si—OH) are linked by a dehydration condensation reaction, Al 3 + is added to the dehydration condensation reaction in the form of Al (OH) 3 . The SiO 4 connector is incorporated into the crystal structure of sapphire. Inside the SiO 4 linked body, hexacoordinate Si 4 + (ionic radius 0.40Å) is replaced by four-coordinate Al 3 + (ionic radius 0.39Å). It is thought that the chemical reaction due to this isomorphous substitution alters the polished surface 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 the 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 frictional heat generated by 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 region where the silicon carbide or gallium nitride contacts the polishing abrasive. This reaction alters silicon carbide and gallium nitride. At the same time, it is considered that the chemical reaction of the abrasive that causes a mechanochemical effect is accelerated in a high-temperature strong alkali 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, the abrasive grains form a plastic deformation layer on the polished surface of silicon carbide or gallium nitride, and cause a mechanochemical effect in the portion where the high temperature and strong alkali atmosphere is formed by the reaction accelerator. Polish silicon and gallium nitride. Due to this heat generation, the slurry after polishing became 30 to 40 degrees Celsius. The strong alkali atmosphere is generated in a very narrow region around the abrasive grains for polishing, and thus does not greatly 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。本発明の研磨用砥粒は、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。 The same reaction occurs with SrCO 3 , MgCO 3 , BaCO 3 and the like. The above reactions occur very locally. The pH of the slurry after polishing is only slightly higher than neutral 7. Further, even if the surface of silicon carbide or gallium nitride is altered by the second component, the polishing rate is not improved unless the first component is in exact contact with the location. Therefore, even if the abrasive and the reaction accelerator are separated and contained in the slurry as in the prior art, a high polishing rate cannot be obtained. In the abrasive grains for polishing of the present invention, the first component or the second component and the friction-dissipating agent are integrally bonded, and thus the above-described effect is obtained. That is, it has become possible to obtain a high-quality polished surface by polishing silicon carbide or gallium nitride at a sufficiently high polishing rate by wet polishing.

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 Samples 1 to 3.
This example is for confirming the change in the polishing rate due to the change in the polishing pressure. In this figure, the holding device 24 presses the workpiece 26 in the direction of the polishing platen 20 with three polishing pressures of 500 g per square centimeter (g / cm 2 ), 750 g / cm 2 , and 1000 g / cm 2 . The experimental results are shown. The platen rotation speed was 50 rotations per minute, the carrier rotation speed was 100 rotations per minute, the slurry concentration was 15%, and the slurry supply amount was 10 milliliters per minute.

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, when the polishing pressure is increased, the polishing rate of the SiC substrate is improved. For example, in the case of Sample 1, when the polishing pressure is 500 g / cm 2 , the polishing rate is 0.72 micrometer per minute (μm / min), whereas when the polishing pressure is 1000 g / cm 2 . As a result, a polishing rate of 1.39 μm / min was obtained. The polishing rate has been doubled. Moreover, even when the polishing pressure was 1000 g / cm 2 , the surface roughness after polishing of the silicon carbide substrate could be 0.003 μm without any polishing marks.

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。   By increasing the polishing pressure, more frictional heat is generated, and at the same time, it was proved by this example that the abrasive grains efficiently scrape the polished surface of the material to be polished. Any of the abrasive grains of Samples 1 to 3 can polish the material to be polished at a higher speed than any conventional method.

図12は、各種複合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(Surface roughness=Ra)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。本発明の研磨用砥粒は、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 surface roughness of various composite abrasive grains.
This example shows the polishing rate of various abrasive grains and the surface roughness (Surface roughness = Ra) of the polished material after polishing when pure water is used for the slurry. For comparison, an example using SiO 2 , MnO 2 , CeO 2 , TiO 2 alone and diamond abrasive grains was included. Abrasive grains other than diamond abrasive grains have a very low polishing rate for SiC polishing and are not practical. The polishing abrasive grains of the present invention all show a higher polishing rate than diamond abrasive grains even when pure water is used as a slurry. Moreover, the surface roughness of the SiC substrate after polishing is significantly smaller than that of diamond abrasive grains. That is, a high-quality polished surface can be obtained.

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H22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 and the surface roughness of the abrasive grains of the comparative example.
Here, the result of polishing a SiC substrate by including SiO 2 , MnO 2 , CeO 2 , TiO 2 and H 2 O 2 as an oxidizing agent in the slurry is shown. Compared to the example of FIG. 12, it can be seen that the polishing is slightly possible. However, at this polishing rate, it takes too much polishing time and is not 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、本発明の研磨用砥粒は、ダイヤモンド砥粒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 comparative diagram of the graphed polishing rates. FIG. 15 is a comparative view of the surface roughness after polishing that is graphed.
The results of FIGS. 12 and 13 are displayed graphically in FIGS. 14 and 15. As shown in FIG. 14, the polishing abrasive grains of the present invention can realize a polishing rate equivalent to or higher than that of diamond abrasive grains. At the same time, as shown in FIG. 15, an overwhelmingly high quality polished surface can be obtained as compared with the roughness of the polished surface by diamond abrasive grains.

以上説明したように、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。本発明の研磨用砥粒が研磨レートを画期的に向上させた原因はここにある。   As described above, 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 oxidation action by the second component is promoted by the frictional heat, and the first component immediately contacts the corresponding surface in this state, thereby enabling effective polishing by the interaction. Even when the reaction accelerator, the oxidizing agent, and the mechanical polishing agent alternately and irregularly contact with the surface of the polishing target at irregular 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 of the abrasive grains integrated as in the present invention. This is the reason why the polishing abrasive grains of the present invention have dramatically improved the polishing rate.

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 step of polishing the material to be polished is compressed in a short time and a polished surface with high flatness is generated, so that the finishing process can be greatly shortened. Therefore, it is possible to greatly contribute to the cost reduction of the polishing process that greatly affects the production cost of this type of substrate. In addition, since the abrasive grains are dispersed in neutral water without using a strong acidic or 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-described embodiment, sapphire, silicon carbide, or gallium nitride is exemplified as the material to be polished. However, the polishing abrasive of the present invention enables high-quality and high-speed polishing even with other materials. In the above-described embodiment, an example in which a two-component or three-component inorganic compound is bonded is shown. However, polishing 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 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 has been described in which one type of the first component and the second component are combined, or one type of the first component, the second component, and the third component are combined. However, for example, a plurality of types of components may be combined and combined, such as one type of first component and two types of 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 polishing steps of sapphire, silicon carbide or gallium nitride used for power device substrates, other electronic component materials, electrical insulating materials and the like. Furthermore, the abrasive grains of the present invention can be used for high-quality polishing of metal, ceramics, or biomaterials such as artificial bones. It can also be used for polishing hard materials such as tungsten. Compared to conventional polishing methods, the polishing time can be greatly shortened, and the cost of the product can be greatly reduced.

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
10 Abrasive grains for polishing (3 components)
11 Abrasive grains for polishing (2 components)
12 First component 13 Second component 14 Reaction accelerator 15 Amorphous layer 16 A abrasive 18 B abrasive 17 Slurry 19 Polymer material 20 Polishing surface plate 22 Polishing pad 24 Holding device 26 Polishing material 28 Injection liquid 30 arrows 32 arrows 33 arrows

Claims (18)

被研磨材と等しいかもしくは被研磨材よりもモース硬度が低い粒子状の第1の研磨剤と、上記被研磨材を化学的に変質させる粒子状の第2の研磨剤とを、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。   A mechanical alloying method comprising: a particulate first abrasive that is equal to the material to be polished or has a Mohs hardness lower than the material to be polished; and a particulate second abrasive that chemically alters the material to be polished. Polishing abrasive grains that are integrated into particles by the above. 上記第1の研磨剤は、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請求項1に記載の研磨用砥粒。   The polishing abrasive according to claim 1, wherein the first abrasive accounts for 5 to 95 weight percent of the integrated particles. 上記第2の研磨剤は、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請求項1に記載の研磨用砥粒。   The polishing abrasive according to claim 1, wherein the second abrasive accounts for 5 to 95 weight percent of the integrated particles. 上記第1の研磨剤と第2の研磨剤とを、平均粒径0.05μm以上100μm以下の粒子状に一体化させた請求項1乃至3のいずれかに記載の研磨用砥粒。   The polishing abrasive grain according to any one of claims 1 to 3, wherein the first abrasive and the second abrasive are integrated into particles having an average particle diameter of 0.05 µm to 100 µm. 被研磨材の表面を研磨するための粒子であって、この粒子は、メカニカルアロイング処理により結合された複数種類の無機化合物成分を含み、各無機化合物成分は、相互に非晶質層を介して一体に結合している研磨用砥粒。   Particles for polishing the surface of a material to be polished, the particles including a plurality of types of inorganic compound components combined by mechanical alloying treatment, and each inorganic compound component is mutually connected via an amorphous layer. Abrasive grains that are bonded together. 上記複数種類の無機化合物成分は、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請求項6に記載の研磨用砥粒。   The abrasive grains according to claim 6, wherein the plurality of types of inorganic compound components are bonded in a state in which the properties inherent to the substances of the individual components are retained. 上記複数種類の無機化合物成分は、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、各無機化合物成分は、それぞれその一部が粒子の外表面に露出している請求項6に記載の研磨用砥粒。   The plurality of types of inorganic compound components are combined in a state in which the individual properties of the individual components are retained, and each of the inorganic compound components is partially exposed on the outer surface of the particle. Abrasive grains for polishing. 複数種類の無機化合物成分のいずれかに、被研磨材に対してメカノケミカル効果を生じさせる化学反応性研磨材が含まれている請求項6または7に記載の研磨用砥粒。   The abrasive grain according to claim 6 or 7, wherein any one of a plurality of kinds of inorganic compound components contains a chemically reactive abrasive that causes a mechanochemical effect on the material to be polished. 複数種類の無機化合物成分はいずれも、被研磨材とモース硬度が等しいかもしくは被研磨材よりもモース硬度が低い請求項8に記載の研磨用砥粒。   The abrasive grains according to claim 8, wherein each of the plurality of types of inorganic compound components has the same Mohs hardness as the material to be polished or has a lower Mohs hardness than the material to be polished. 複数種類の無機化合物成分のいずれかに、被研磨材に対してメカノケミカル効果を生じさせる化学反応性研磨材と、被研磨材のメカノケミカル効果を生じた表面を機械的に削る成分が含まれている請求項8に記載の研磨用砥粒。   One of the multiple types of inorganic compound components includes a chemically reactive abrasive that produces a mechanochemical effect on the material to be polished, and a component that mechanically scrapes the surface of the material that produced the mechanochemical effect. The abrasive grain for polishing according to claim 8. 被研磨材の表面を機械的に削る成分は、被研磨材と等しいかもしくは被研磨材よりもモース硬度が低い請求項10に記載の研磨用砥粒。   The abrasive for polishing according to claim 10, wherein the component that mechanically scrapes the surface of the material to be polished is equal to the material to be polished or has a Mohs hardness lower than that of the material to be polished. 被研磨材に対してメカノケミカル効果を生じさせる化学反応性研磨材は、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成分である請求項10に記載の研磨用砥粒。   11. The polishing material according to claim 10, wherein the chemically reactive polishing material that causes a mechanochemical effect on the material to be polished is a component that reacts with frictional heat generated during the polishing process to oxidize the polishing surface of the material to be polished. Abrasive grain. 被研磨材に対してメカノケミカル効果を生じさせる化学反応性研磨材は、リチウム,アルカリ土類金属の炭酸塩,リン酸塩,フッ化物,ホウ素化合物,及び塩化銀,臭化銀,ヨウ化銀等のハロゲン化合物、氷晶石,又はミョウバンの中から選択された1種または2種以上の難溶性の塩である請求項10に記載の研磨用砥粒。   Chemically reactive abrasives that produce mechanochemical effects on the materials being polished include lithium, alkaline earth metal carbonates, phosphates, fluorides, boron compounds, and silver chloride, silver bromide, and silver iodide. The abrasive grain according to claim 10, which is one or two or more sparingly soluble salts selected from among halogen compounds such as, for example, cryolite, or alum. 複数種類の無機化合物成分の原料を混合し、乾式状態でメカニカルアロイング処理を行い、各無機化合物成分を、相互に非晶質層を介して一体に結合させて粒子状にする研磨用砥粒の製造方法。   Abrasive abrasive that mixes raw materials of multiple types of inorganic compound components, performs mechanical alloying in a dry state, and binds each inorganic compound component together through an amorphous layer to form particles Manufacturing method. 純水中に、請求項1乃至12のいずかに記載の研磨用砥粒を分散させたスラリーを使用して、被研磨材を研磨する研磨方法。   A polishing method for polishing a material to be polished using a slurry in which the abrasive grains according to any one of claims 1 to 12 are dispersed in pure water. 基材に、請求項1乃至12のいずかに記載の研磨用砥粒を分散させて固定した研磨部材。   A polishing member in which the abrasive grains according to any one of claims 1 to 12 are dispersed and fixed on a base material. 合成繊維、ガラス繊維、天然繊維、合成樹脂、天然樹脂のいずれかにより構成され、請求項1乃至12のいずかに記載の研磨用砥粒を表面に分散させて固定した研磨パッドと、
被研磨材を研磨パッド表面に向かって弾力を用いて押しつける保持装置と、
研磨面に純水を供給する注液器とを備え、
上記保持装置による弾力は、上記研磨用砥粒と上記被研磨材との間に、上記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レベルに設定される研磨装置。
A polishing pad composed of any one of synthetic fiber, glass fiber, natural fiber, synthetic resin, and natural resin, wherein the polishing abrasive grains according to any one of claims 1 to 12 are dispersed and fixed on the surface;
A holding device that presses the material to be polished toward the surface of the polishing pad using elasticity,
A liquid injector for supplying pure water to the polished surface,
A polishing apparatus in which the elasticity of the holding device is set to a level that generates frictional heat above the temperature at which a chemical reaction by the reaction accelerator occurs between the polishing abrasive grains and the material to be polished.
中性の水の中に、請求項1乃至12のいずかに記載の研磨用砥粒を分散させて生成した懸濁液であって、摂氏25度におけるpHが4以上11以下の、炭化ケイ素または窒化ガリウムを研磨するためのスラリー。   A suspension produced by dispersing the abrasive grains according to any one of claims 1 to 12 in neutral water, and having a pH of 4 to 11 at 25 degrees Celsius. Slurry for polishing silicon or gallium nitride.
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