JP6534137B2

JP6534137B2 - 複合化砥粒

Info

Publication number: JP6534137B2
Application number: JP2014238864A
Authority: JP
Inventors: 恵友鈴木
Original assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Current assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Priority date: 2014-11-26
Filing date: 2014-11-26
Publication date: 2019-06-26
Anticipated expiration: 2034-11-26
Also published as: JP2016098354A

Description

本発明は、例えば、サファイア、炭化ケイ素、ダイヤモンド等の高硬度かつ高脆性の素材の精密研磨（例えば、化学的機械的研磨）に使用する複合化砥粒に関する。

ＬＥＤ素子に使用されるサファイア基板、パワー半導体装置に使用される炭化ケイ素基板やダイヤモンド基板の化学的機械的研磨では、研磨レート（研磨速度）及び研磨品質の向上を図るために種々の砥粒が提案されている。例えば、特許文献１には、スラリー（研磨スラリー）として、フラーレン会合体を純水中に分散させたもの、シリカ粒子を含んだ研磨スラリーにフラーレン会合体を加えたものが提案されている。また、特許文献２には、研磨スラリーとして、アルカリ溶液にフラーレン粒子とシリカ粒子を混合した（分散させた）ものが提案されている。
なお、シリカ粒子を含んだ研磨スラリーにフラーレン会合体を加えた場合はシリカ粒子の表面がフラーレン会合体で修飾される（シリカ粒子の表面にフラーレン会合体が吸着する）ことが、アルカリ溶液にフラーレン粒子とシリカ粒子を混合した場合はシリカ粒子の表面がフラーレン粒子で修飾される（シリカ粒子の表面にフラーレン粒子が吸着する）ことが、例えば、動的光散乱によるシリカ粒子の粒径測定の結果から確認されている。

特開２００５−２２３２７８号公報特開２０１２−２４８５９４号公報

しかしながら、特許文献１のように、フラーレン会合体を純水中に分散させた場合、研磨中に加わる外力でフラーレン会合体が崩壊して粒径が減少していくために、研磨レートが低下するという問題が生じる。
また、特許文献１のように、シリカ粒子を含んだ研磨スラリーにフラーレン会合体を加えた場合では、研磨時に加わる外力によりシリカ粒子の表面を修飾していたフラーレン会合体が脱落して、特許文献２のように、アルカリ溶液にフラーレン粒子とシリカ粒子を混合した場合では、研磨時に加わる外力によりシリカ粒子の表面を修飾していたフラーレン粒子が脱落して、シリカ粒子が被研磨材に直接接触するようになって、表面粗さの増加を招くと共に研磨疵が発生する可能性も高くなるという問題が生じる。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、サファイア、炭化ケイ素、ダイヤモンド等の高硬度かつ高脆性の素材の精密研磨に使用して研磨レート及び研磨品質の向上を図ることが可能な複合化砥粒を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る複合化砥粒は、研磨時に砥粒として設定された粒径を維持すると共に、表面に親水性の水酸化フラーレンの吸着性を備えたシリカ粒子又はダイヤモンド粒子である、粒径範囲が０．００４μｍ以上１０μｍ以下（但し、粒径１μｍ以下を除く）の母体粒子と、
前記母体粒子の表面に吸着した前記水酸化フラーレン同士を化学結合させて形成した厚さが１〜６ｎｍの水酸化フラーレン被覆層を有している。
ここで、「研磨時に砥粒として設定された粒径」とは、研磨目的（例えば、粗研磨又は仕上研磨）に応じて選択される砥粒の粒径をいう。一般に、形状を整えるために行う粗研磨では砥粒の粒径を大きくして研磨レートの向上を図り、仕上研磨では砥粒の粒径を小さくして研磨粗さ（表面の凹凸）低減を図っている。

水酸化フラーレンは親水性を示すので水酸化フラーレン被覆層も親水性を示し、複合化砥粒を水（水溶液を含む）中に安定分散させることができる。

母体粒子としてシリカ粒子又はダイヤモンド粒子を使用することで、水酸化フラーレンを容易に吸着させることができる。

参考例に係る複合化砥粒の製造方法は、研磨時に砥粒としての粒径を維持するシリカ粒子又はダイヤモンド粒子である母体粒子と、該母体粒子の表面に形成された水酸化フラーレン被覆層とを有する複合化砥粒の製造方法であって、
前記母体粒子を分散させた水溶液中に親水性の水酸化フラーレンを加えて混合し、該母体粒子の表面に該水酸化フラーレンを吸着させて被覆砥粒を形成する吸着工程と、
前記水溶液中に分散している前記被覆砥粒に光を照射して、吸着している前記水酸化フラーレン同士を化学結合させ、厚さが１〜６ｎｍの前記水酸化フラーレン被覆層を形成する反応工程とを有する。

参考例に係る複合化砥粒の製造方法において、前記被覆砥粒に照射する光の波長は紫外線から可視光の領域に存在する構成とすることができる。
このような構成とすることにより、親水性の複合化砥粒を容易に作製することができる。

本発明に係る複合化砥粒においては、複合化砥粒の粒径を母体粒子の粒径とほぼ同等とすることができると共に、水酸化フラーレン被覆層の存在により、母体粒子の表面に鋭い角部が存在していても複合化砥粒の表面の角部には丸みを生じさせることができ、例えば、サファイア、炭化ケイ素、ダイヤモンド等の高硬度かつ高脆性の素材の精密研磨における研磨レートの向上及び研磨品質の向上（研磨粗さの低減、研磨疵の防止）を図ることが可能になる。

本発明の第１の実施の形態に係る複合化砥粒の模式断面図である。（Ａ）〜（Ｄ）は本発明の第２の実施の形態に係る複合化砥粒の製造方法の説明図である。実施例１に係る複合化砥粒の紫外線照射の時間依存性を示す説明図である。実施例２に係る複合化砥粒の母体粒子の粒径依存性を示す説明図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る複合化砥粒１０は、研磨時に砥粒として設定された粒径を維持すると共に、表面に親水性のフラーレン誘導体の一例である水酸化フラーレン１１（図２参照）の吸着性を備えた母体粒子１２と、母体粒子１２の表面に吸着した水酸化フラーレン１１に、例えば、紫外線を照射して水酸化フラーレン１１同士を化学結合（重合）させて形成した厚さが１〜６ｎｍの水酸化フラーレン被覆層１３（フラーレン誘導体被覆層の一例）とを有している。

母体粒子１２には、例えば、粒径範囲が０．００４μｍ（４ｎｍ）以上１０μｍ以下のシリカ粒子又はダイヤモンド粒子を使用する。そして、水酸化フラーレン被覆層１３の厚さは１〜６ｎｍであるので、複合化砥粒１０の粒径は母体粒子１２の粒径とほぼ同等となる。このため、母体粒子１２の粒径を調節することにより、複合化砥粒１０の粒径を制御することができる。また、母体粒子１２の表面に水酸化フラーレン被覆層１３を存在させることにより、母体粒子１２の表面に鋭い角部が存在していても、角部が水酸化フラーレン被覆層１３で覆われることで、複合化砥粒１０の表面に現れる角部の尖度は母体粒子１２の表面の尖度より低下する（即ち、母体粒子１２の表面の角部に比べて複合化砥粒１０の表面の角部は丸みを帯びることになる）。

ここで、母体粒子１２を構成するシリカ粒子の一例として、例えば、コロイダルシリカ（粒径範囲は、例えば、１０〜３００ｎｍ）、母体粒子１２を構成するダイヤモンド粒子として、例えば、平均粒径が１０〜１０００ｎｍの粒子を用いると、複合化砥粒１０を化学的機械的研磨用の砥粒とすることができる。これにより、複合化砥粒１０の研磨レートは、母体粒子１２の粒径を反映した値を示すことになる。一方、複合化砥粒１０の表面の角部は丸みを帯びることから、複合化砥粒１０を用いて仕上研磨を行った表面の研磨粗さは、母体粒子１２を用いて仕上研磨を行った表面の研磨粗さより低減すると共に、研磨疵の発生を防止することもできる。その結果、例えば、サファイア、炭化ケイ素、ダイヤモンド等の高硬度かつ高脆性の素材の精密研磨における研磨レートの向上と研磨品質の向上の両立を図ることが可能になる。

本発明の第２の実施の形態に係る複合化砥粒の製造方法は、本発明の第１の実施の形態に係る複合化砥粒１０の製造方法であって、図２（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、母体粒子１２を分散させた水溶液中に水酸化フラーレン１１を加えて混合し、母体粒子１２の表面に水酸化フラーレン１１を吸着させて被覆砥粒１４を形成する吸着工程と、水溶液中に分散している被覆砥粒１４に紫外線（光の一例）を照射して、吸着している水酸化フラーレン１１同士を化学結合させて水酸化フラーレン被覆層１３を形成する反応工程とを有する。以下、詳細に説明する。

母体粒子１２には、例えば、粒径範囲が０．００４μｍ（４ｎｍ）以上１０μｍ以下のシリカ粒子又はダイヤモンド粒子を使用することができる。例えば、母体粒子１２としてコロイダルシリカを使用すると、コロイダルシリカはアルカリ性水溶液中では表面に存在するＯＨ基のＨがイオンとなって解離し、Ｈ基が解離した後に生じた酸素原子のダングリングボンドは負に帯電し、コロイダルシリカ同士は反発することにより安定分散する。そして、水酸化フラーレン１１をコロイダルシリカが分散しているアルカリ性水溶液中に加えると、水酸化フラーレン１１のＯＨ基の一部が解離し、ＯＨ基が解離した後に生じた水酸化フラーレン１１のダングリングボンドは正に帯電する。

その結果、コロイダルシリカが分散しているアルカリ性水溶液に水酸化フラーレン１１を加えて撹拌すると、図２（Ａ）に示すように、負に帯電したコロイダルシリカ（母体粒子１２）の表面に、正に帯電した水酸化フラーレン１１が吸着する。一方、水酸化フラーレン１１の解離しないＯＨ基では、酸素原子の電気陰性度が高いために酸素原子は負に、水素原子は正にそれぞれ分極している。このため、図２（Ｂ）に示すように、コロイダルシリカに吸着した水酸化フラーレン１１に対してアルカリ水溶液中に分散している水酸化フラーレン１１が、ＯＨ基同士の電気的な相互作用を介して吸着すると考えられる。その結果、コロイダルシリカ（母体粒子１２）の表面には、水酸化フラーレン１１の吸着層１５が生じて被覆砥粒１４が形成される。なお、被覆砥粒１４の表面は水酸化フラーレン１１で覆われているので、被覆砥粒１４はアルカリ水溶液中で安定分散することができる（以上、吸着工程）。

また、母体粒子１２として、平均粒径が１０〜１０００ｎｍのダイヤモンド粒子を使用した場合、ダイヤモンド粒子が分散しているアルカリ性水溶液中に水酸化フラーレン１１を加えると、ＯＨ基が解離して生じた水酸化フラーレン１１のダングリングボンドとダイヤモンド粒子の表面原子のダングリングボンドとの相互作用を介して、ダイヤモンド粒子の表面に水酸化フラーレン１１が吸着すると考えられる。なお、ダイヤモンド粒子の表面に吸着した水酸化フラーレン１１に更に水酸化フラーレン１１が吸着して水酸化フラーレン１１の吸着層１５が形成される過程は、母体粒子１２としてコロイダルシリカを使用した場合と同様である。

アルカリ水溶液中に分散している被覆砥粒１４に紫外線を一定時間照射すると、図２（Ｃ）に示すように、吸着している水酸化フラーレン１１同士に化学結合（重合）が徐々に生じ、図２（Ｄ）に示すように、コロイダルシリカ（母体粒子１２）の表面側に水酸化フラーレン被覆層１３が生じて複合化砥粒１０が形成される。なお、複合化砥粒１０の表面は水酸化フラーレン１１で覆われているので、複合化砥粒１０はアルカリ水溶液中で安定分散することができる（以上、反応工程）。
このため、複合化砥粒１０が分散しているアルカリ水溶液に含まれる複合化砥粒１０の濃度とアルカリ水溶液のｐＨ値をそれぞれ調整するれば、調整済みのアルカリ水溶液を、例えば、サファイア、炭化ケイ素、及びダイヤモンドの化学的機械的研磨に用いる研磨スラリーとして使用することができる。

（実施例１）
平均粒径が１μｍ（１０００ｎｍ）のダイヤモンド粒子を分散させたアルカリ性水溶液（ｐＨ１２）中に、水酸化フラーレン濃度が０．１質量％となるように水酸化フラーレンを加えて混合し、ダイヤモンド粒子の表面に水酸化フラーレンを吸着させて被覆砥粒を形成した。次いで、被覆砥粒が分散しているアルカリ性水溶液を一定量分取して紫外線レーザ（波長は３５５ｎｍ、パルス周波数５０ｋＨｚ、照射強度２７０ｍＷ）を１５分間、３０分間、４５分間、６０分間それぞれ照射して、ダイヤモンド粒子に吸着している水酸化フラーレン同士を重合させて水酸化フラーレン被覆層を生成させて複合化砥粒を形成した。

そして、紫外線レーザ照射時間の異なる複合化砥粒が分散しているアルカリ性水溶液をそれぞれ研磨スラリーに使用してサファイアの化学的機械的研磨（加工圧力は４５．９ｋＰａ、研磨盤及びサファイアの回転速度はそれぞれ６０回／分、研磨スラリー流量は０．３ミリリットル／分）を行い、１時間当たりの材料除去率（ＭＲＲ）を研磨スラリー毎に求めた。その結果を図３に示す。また、被覆砥粒が分散しているアルカリ性水溶液を研磨スラリーに使用して同一の研磨条件でサファイアの化学的機械的研磨を行った場合のＭＲＲは０．０６４μｍ／ｈｏｕｒであった。従って、複合化砥粒を使用した場合、ＭＲＲの上昇が見られた。図３から、紫外線レーザ照射時間が３０分の場合にＭＲＲが最大となり、紫外線レーザ照射を３０分間行った場合に、ダイヤモンド粒子に吸着した水酸化フラーレンから強固な水酸化フラーレン被覆層が形成されたことが解る。
なお、紫外線レーザ照射時間が３０分を超えるとＭＲＲが減少する傾向が認められ、ＭＲＲの減少は長時間の紫外線レーザの照射によりダイヤモンド粒子が劣化したためと考えられる。

（実施例２）
平均粒径が１μｍ（１０００ｎｍ）、０．１μｍ（１００ｎｍ）、０．０２５（２５ｎｍ）のダイヤモンド粒子をそれぞれ分散させたアルカリ性水溶液（ｐＨ１２）中に、水酸化フラーレン濃度が０．１質量％となるように水酸化フラーレンを加えて混合し、ダイヤモンド粒子の表面に水酸化フラーレンを吸着させて被覆砥粒を形成した。次いで、粒径の異なる被覆砥粒がそれぞれ分散しているアルカリ性水溶液を一定量分取して紫外線レーザ（波長は３５５ｎｍ、パルス周波数５０ｋＨｚ、照射強度２７０ｍＷ）を６０分間照射して、ダイヤモンド粒子に吸着している水酸化フラーレン同士を重合させて水酸化フラーレン被覆層を生成させて複合化砥粒を形成した。

そして、粒径の異なる複合化砥粒が分散しているアルカリ性水溶液をそれぞれ研磨スラリーに使用してサファイアの化学的機械的研磨（加工圧力は４５．９ｋＰａ、研磨盤及びサファイアの回転速度はそれぞれ６０回／分、研磨スラリー流量は０．３ミリリットル／分）を行い、１時間当たりの材料除去率（ＭＲＲ）を研磨スラリー毎に求めた。また、粒径の異なる被覆砥粒が分散しているアルカリ性水溶液を研磨スラリーに使用して同一の研磨条件でサファイアの化学的機械的研磨を行い、１時間当たりの材料除去率（ＭＲＲ）を研磨スラリー毎に求めた。更に、ダイヤモンドの平均粒径毎に、被覆砥粒が分散している研磨スラリー（紫外線レーザ未照射の研磨スラリー）を使用した場合のＭＲＲに対する、複合化砥粒が分散している研磨スラリー（紫外線レーザ照射の研磨スラリー）を使用した場合のＭＲＲの比の値からＭＲＲ上昇率を求めた。その結果を図４に示す。

図４から、ダイヤモンド粒子の平均粒径の増大に伴ってＭＲＲが増加することが、紫外線レーザ未照射の（即ち、被覆砥粒が分散している）研磨スラリー及び紫外線レーザ照射の（即ち、複合化砥粒が分散している）研磨スラリーのいずれの場合においても確認できた。また、ダイヤモンド粒子の平均粒径が同一の場合では、紫外線レーザ未照射の研磨スラリーより紫外線レーザ照射の研磨スラリーを使用する方がＭＲＲが大きくなることが確認できた。これにより、ダイヤモンド粒子（即ち、母体粒子）を複合化砥粒にすることにより、ダイヤモンド粒子（即ち、母体粒子）が本来有する研磨レートを向上させることができ、しかも、研磨レートの調整はダイヤモンド粒子の平均粒径（即ち、母体粒子の粒径）を調節することにより可能であることが確認できた。

複合化砥粒を用いることによるＭＲＲの上昇は、平均粒径が１μｍでは約６９％の向上が確認されたが、平均粒径が０．０２５μｍでは約２３％の向上、０．１μｍでは約６％の向上となった。複合化砥粒にすることによるＭＲＲの上昇が、平均粒径が０．０２５μｍと０．１μｍのダイヤモンド粒子において小さいのは、紫外線レーザを６０分間照射したことによるダイヤモンド粒子の劣化の影響と考えられる。
一般に、ダイヤモンド粒子の表面にはアモルファス層のダイヤモンドが存在し、平均粒径が０．０２５μｍのダイヤモンド粒子のアモルファス層含有率は、平均粒径が０．１μｍのダイヤモンド粒子のアモルファス層含有率より高い。ここで、紫外線レーザ照射によるダイヤモンド粒子の劣化は結晶質部分で生じるので、紫外線レーザ照射による劣化は、平均粒径が０．０２５μｍのダイヤモンド粒子よりも、結晶質の含有率の高い平均粒径が０．１μｍのダイヤモンド粒子の方が顕著となる。その結果、複合化砥粒とすることによるＭＲＲの上昇は、平均粒径が０．０２５μｍのダイヤモンド粒子の方が、平均粒径が０．１μｍのダイヤモンド粒子より大きくなったと考えられる。

以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。
例えば、本実施の形態では、ダイヤモンド粒子に吸着している水酸化フラーレン同士を化学結合させるために被覆砥粒が分散しているアルカリ性水溶液中に（従って被覆砥粒に）紫外線を照射したが、紫外線から可視光領域の波長を有する光又は可視光（短波長成分が多い光が好ましい）を照射してもよい。

１０：複合化砥粒、１１：水酸化フラーレン、１２：母体粒子、１３：水酸化フラーレン被覆層、１４：被覆砥粒、１５：吸着層

Claims

研磨時に砥粒として設定された粒径を維持すると共に、表面に親水性の水酸化フラーレンの吸着性を備えたシリカ粒子又はダイヤモンド粒子である、粒径範囲が０．００４μｍ以上１０μｍ以下（但し、粒径１μｍ以下を除く）の母体粒子と、
前記母体粒子の表面に吸着した前記水酸化フラーレン同士を化学結合させて形成した厚さが１〜６ｎｍの水酸化フラーレン被覆層を有することを特徴とする複合化砥粒。