JP7038342B2 - 研磨部材 - Google Patents

Description

本発明は、研磨部材に関するものである。

研磨部材の一種として、研磨パッドが知られている。この研磨パッドを定盤と呼ばれる回転駆動可能な円盤上に貼るとともに、冶具に固定された被加工物の研磨面を研磨パッドに押し付けることで、被加工物が研磨処理される。詳細には、この研磨処理は、研磨パッドに研磨液を供給しつつ、研磨パッドを回転させるとともに、被加工物も回転させることによって行われる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２－２４８５６９号公報

しかしながら、従来の研磨部材では、被加工物へ傷などの加工変質層が発生することがあるにもかかわらず、その発生の抑制が困難である。

このため、本発明は、傷などの加工変質層の発生を抑制した研磨を可能とする研磨部材の提供を目的とする。

上記目的を達成するため本発明の研磨部材は、基材に固定されかつ樹脂粒を含む弾性層と、前記弾性層に固定されかつ砥粒を含む研磨層とを備え、前記弾性層と前記研磨層との密着力は、前記基材と前記弾性層との密着力よりも小であることを特徴とする。

本発明の研磨部材によれば、研磨時において、一部の砥粒が研磨層から適度に遊離するため、研磨能力を保持しつつ、被加工物を傷つけないことが可能である。

本発明の実施の形態の研磨部材を示す断面図 同研磨部材を用いた研磨装置の概略図 比較例１の研磨部材により研磨された被加工物の表面の観察画像 実施例２、比較例２の研磨部材を用いた加工装置の概略図 比較例２の研磨部材を示す断面図

まず、本発明に至る知見について説明する。

研磨部材を使用して、金属、半導体、セラミックス、プラスチックス、ガラス等を研磨する場合は、具体的に例えばサファイヤ（Ａｌ_２Ｏ_３）基板を研磨する場合は、研磨部材として一般的に発泡性ウレタン樹脂製の多孔質研磨パッドが用いられる。また研磨剤として、平均粒径３０～５０ｎｍのコロイダルシリカが使用される。しかし、被加工物であるサファイヤ（Ａｌ_２Ｏ_３）は、非常に硬く、かつ化学的に安定であるため、加工速度が非常に遅く（＜１０ｎｍ／ｍｉｎ）、このため加工に長時間を要して、生産性が非常に低い。

このような問題を解決するために、コロイダルシリカより硬度の高いダイヤモンドを研磨砥粒とする研磨剤を使用することができる。しかし、その場合は、発泡性ウレタン樹脂製の多孔質研磨パッドの表面のダイヤモンドが、被加工物に直接、強く作用する。その結果、被加工物であるサファイヤ基板の表面に多数の傷や凹みを発生させる。

さらに、研磨パッドの表面に多数存在する空孔は、研磨砥粒と比較して非常に大きいため、研磨砥粒のダイヤモンドに研磨に必要な押し付け荷重を十分に伝えることが出来ない。一方、空孔以外の発泡性ウレタン上のダイヤモンドは、被加工物に強く押し付けられ、結果として、研磨パッド表面の場所によって、押し付けられる荷重にばらつきが発生する。加えて、空孔内に砥粒が取り込まれることで、研磨対象物すなわち被加工物の表面に作用する砥粒の数が減少し、被加工物の表面に作用する砥粒の数が、空孔部分と、空孔以外の発泡性ウレタン表面とで異なってしまう。以上のような理由で、加工速度を高くすることが出来ず、かつ、被加工物に傷やくぼみが発生して、その表面が均一に加工されない。

このように、研磨部材として発泡性ウレタン樹脂を使用すると、被加工物の加工精度および加工品質と、加工速度（研磨時間）とを両立することが難しい。

別な方法として、研磨部材として、研磨テープを使用することができる。その場合は、研磨砥粒が接着剤により研磨テープの基材表面に強固に固定されているため、遊離砥粒による研磨加工でなく、固定砥粒による研削加工となる。このため、研磨能力に優れ（加工速度が非常に速い）、また均一に加工することができる。しかし、被加工物内部に深く加工ひずみや結晶の擾乱を発生させてしまう。したがって、被加工物の加工変質層が厚く、そのままで発光デバイスなどを作成した場合は、基板表面に形成される薄膜の結晶に擾乱（材料欠陥）を生じやすく、この基板を用いたデバイスは、十分な発光効率や発光強度を得ることができない。

次に、本発明の実施の形態について説明する。

図１に示すように、本発明の実施の形態の研磨部材１は、基材２と、基材２の表面に接着剤７により固定されかつ複数の樹脂粒３を含む弾性層４と、弾性層４の表面に固定されかつ複数の砥粒５を含む研磨層６とを備える。

また、研磨部材１は、基材２と弾性層２の樹脂粒３とを固定させる第１の接着材料と、弾性層２の樹脂粒３と研磨層６の砥粒５とを固定させる第２の接着材料とを、異なるものとしている。それにより、第１の接着材料による密着力と、第２の接着材料による密着力とを変化させて、弾性層４と研磨層６との密着力が、基材２と弾性層４との密着力よりも小さくなるようにしている。あるいは、同じ接着材料でも、その接着方法や接着条件を変えることにより、密着力を変化させることができる。

すると、弾性層４と研磨層６との密着力が、基材２と弾性層４との密着力よりも小さいことで、研磨加工時に発生する摩擦力や研磨液の作用によって、砥粒５が、樹脂粒３を含む弾性層４よりも優先的に研磨部材１から脱離、遊離する。すなわち、弾性層４と研磨層６との密着性は、研磨能力を保持しつつ被加工物を傷つけないレベルの砥粒の遊離を研磨作業中に生じさせることができる程度の、低い度合いの密着性であり、反対に基材２と弾性層４との密着性は、研磨作業中に弾性層が基材からの剥離することを防止する程度の、高い度合いの密着性である。

図２は、研磨部材１を用いた研磨装置の概略構成を示す。研磨部材１は、回転式の定盤９の上面に設置される。被加工物１１は、その加工面積が定盤９すなわち研磨部材１の面積よりも小さいものであるが、回転式の治具１０に取り付けられた状態で研磨部材１へ押し付けられる。研磨部材１へは、研磨液８が供給される。

図２に示される装置において、図１に示される砥粒５であって上述のように研磨部材１から遊離した砥粒５は、被加工物１１の全面に渡って、樹脂粒３を含む弾性層４によって、均一に、弾力的に押し付けられる。このため、この遊離した砥粒５は、圧力のばらつきなく、また砥粒５の無駄なく、ムラなく均一に、被加工物１１に作用するという効果を発揮する。

弾性層４と研磨層６とは、水溶性の接着剤で固定されたものであることが好ましい。なぜなら、加工時に使用する研磨液８に接着剤が容易に溶出して、砥粒５が遊離しやすく、また遊離した砥粒５が研磨液８中で凝集することなく分散するためである。また、研磨時の被加工物１１の汚染を最小限に防ぐことが可能で、このためその後の工程で被加工物１１を基板としてデバイスを作成した際のデバイス性能が良好となるためである。

密着力の測定方法としては、引っかき試験法を用いることができる。詳細には、圧子により研磨部材１へせん断力を加え、弾性層４及び研磨層６が剥離する際の荷重をもって両者の密着力を評価することができる。

具体的な密着力の例として、基材２と弾性層４との密着力は１００～５０００ｍＮであることが好ましく、弾性層４と研磨層６との密着力は５０～３０００ｍＮであることが好ましい。

また、図１に示すように樹脂粒３が球状粒子であることが望ましい。球状粒子であることにより、樹脂粒３と被加工物１１とが直接接触する面積を最小化することが可能となり、直接接触による傷の発生をできるだけ防止することが可能となるためである。加えて、樹脂粒３を稠密に平均化した配列が可能である。その結果、砥粒５を、偏りなく均一に弾性層４上に分布させることが可能となり、被加工物１１に対し均一で高速な加工が可能となるためである。

基材２は、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート等のポリエステル系樹脂；ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂：ポリスチレン；ポリ塩化ビニル；ポリビニルアルコール；メタアクリルアルコールを主成分とするアクリル系樹脂；ポリカーボネートのいずれかにて形成されていることが好ましい。このような材料にて構成された基材２を使用することにより、研磨部材１を薄いシート状、フィルム状に、安価に生産することを可能である。また、研磨装置の定盤９上に貼り付けたり、弾性ローラーにより押し付けたりすることが容易であるとともに、基材２と樹脂粒３との密着力を強固なものとすることが可能である。

樹脂粒３は、ウレタン、ナイロン、ポリオレフィン、ポリイミド、ポリエステル、アクリルなどにて形成されていることが好適であり、その平均粒径が、０．５～１００μｍであることが好ましい。ここで、平均粒径とは、レーザ回折・散乱法で測定した際の体積分布による平均値である。この平均粒径が０．５μｍ未満であると、弾性層４上の砥粒３を強く拘束して移動しにくくするため、研磨時の状態が研削加工の状態に近くなって、被加工物１１の加工変質層を増加させるおそれがある。一方、平均粒径が１００μｍを超えると、弾性層４上において砥粒３が大きく移動し過ぎて、被加工物１１の表面に多数の引っかき傷や、凹みを発生させてしまう可能性がある。

このような樹脂粒３を使用することにより、弾性層４によって砥粒５を被加工物１１に対し弾力的に押し付けることが可能であるとともに、これらの材料は容易に微粒化および球状化させることができるため、圧力をばらつきなく均一に砥粒３および被加工物１１に作用させることが可能である。また、砥粒５と樹脂粒３とが反発することなく、砥粒５を弾性層４の表面に安定に存在させることが可能である。

砥粒５は、シリカ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア、アルミナ、窒化ホウ素、ダイヤモンドから選択される１種類以上であることが好ましい。その平均粒径は、樹脂粒３の平均粒径よりも小さい。具体的には、０．０１～５０μｍであることが好ましい。このような砥粒５を使用することにより、金属、セラミックス、半導体、ガラス等の非常に高硬度な被加工物１１に対して、高い加工速度で研磨することが可能であるとともに、研磨液８に対し砥粒５が凝集することなく分散するので、ムラなく高精度に加工することが可能である。

（実施例１）
図１に示すように、研磨部材１の基材２として、厚さ７５μｍのシート状のポリエチレンテレフタレートを使用し、その表面に、平均粒径３μｍのアクリル製の球状の樹脂粒３を接着剤７により接着して、弾性層４とした。接着剤７として、ＵＶ硬化性樹脂を用いた。弾性層４の厚みは、約１５μｍとした。

弾性層４の表面には、研磨層６を形成した。研磨層６を構成する砥粒５としては、平均粒径０．１μｍのダイヤモンド粒子を用い、これにより研磨層６の厚みを３．０μｍとした。詳細には、研磨層６は、ゼラチン系の接着剤に分散させたダイヤモンド粒子を弾性層４に均一に塗布し、乾燥することにより形成した。

弾性層４と研磨層６との密着力は、基材２と弾性層４との密着力よりも小さいものであった。詳細には、双方の密着力を、引っかき試験機にてＲ１５μｍの圧子を使用して測定した結果、基材２と弾性層４との密着力が６５ｍＮであったのに対し、弾性層４と研磨層６との密着力は１２ｍＮであった。

この研磨部材１を、図２に示すように、直径４６０ｍｍの定盤９の表面に貼り、被加工物１１としての、直径５１ｍｍ（２インチ）のシリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板を直径１０８ｍｍの冶具１０の表面にワックス固定したものを研磨した。その際に、定盤９上の研磨部材１の表面に研磨液８として純水を供給し、冶具１０に保持した被加工物１１の表面を４９ｋＰａ（５００ｇｆ／ｃｍ^２）にて研磨部材１に押し付けた。さらに、定盤９を８０ｒｐｍで回転させるとともに、被加工物１１を６０ｒｐｍにて回転させることによって、研磨加工を実施した。

この結果、被加工物１１の全面に渡り、面粗さがＲａ０．５ｎｍ以下の、平滑で、傷や加工ムラが無く、平面度２．５μｍで、カソードルミネッセンス（ＣＬ法）による評価で加工変質層が非常に少ないシリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板を得ることが出来た。加工時の研磨速度は３２ｎｍ／ｍｉｎであり、高速な加工を実現することが出来た。

（比較例１）
実施例１と同じ厚さ７５μｍのポリエチレンテレフタレート製の基材２上に、平均粒径３μｍのアクリル製の球状の樹脂粒３を、ＵＶ硬化性樹脂を用いた接着剤７により接着することで、弾性層４とした。さらに、同じＵＶ硬化性樹脂を使用して、弾性層４の表面に、砥粒５としての平均粒径０．１μｍのダイヤモンド粒子を、厚み３．０μｍにて形成することで、研磨層６とした。これにより、基材２と弾性層４と研磨層６とが積層された研磨部材１を得た。

このとき、ＵＶ硬化時のＵＶ照射強度と照射量との条件を同じとして接着することにより、基材２と樹脂粒３を有する弾性層４との密着力と、樹脂粒３と砥粒５を有する研磨層６との密着力とは、いずれも６５ｍＮと、同じになっていた。

この研磨部材１を、実施例１と同様に、図２に示す研磨装置の定盤９上に貼り、これに直径５１ｍｍ（２インチ）のシリコンカーバイド（ＳｉＣ）基板を４９ｋＰａ（５００ｇｆ／ｃｍ^２）にて研磨部材１に押し付けた。そして研磨液８として純水を供給し、定盤９を８０ｒｐｍで回転させるとともに、被加工物１１を６０ｒｐｍにて回転させることによって、研磨加工を実施した。

すると、弾性層４の表面に、砥粒５を含む研磨層６を強固に固定したため、固定砥粒による加工（研削加工）が支配的になった。その結果、実施例１に比べ高速加工が可能となったものの（５２ｎｍ／ｍｉｎ）、図３に示すように、被加工物１１表面に多数の引っかき傷１５、穴１６が発生し、表面粗さが非常に悪い（Ｒａ７．５ｎｍ以上）ものとなり、加工変質層が被加工物１１の内部深くにまで及び（数百ｎｍ）、このためデバイス基板としての仕様を満足することが出来なかった。

（実施例２）
図１に示すように、基材２として、厚さ１００μｍのシート状のポリカーボネートを使用し、その基材２の表面に、平均粒径１０μｍのポリエステル製の樹脂粒３を接着剤７により接着して、厚み５０μｍの弾性層４を形成した。接着剤７としては、熱硬化性樹脂を用いた。

弾性層４の表面には、砥粒５として平均粒径０．０５μｍのシリカ（ＳｉＯ_２）粒子を用い、この砥粒５を水溶性のにかわ系接着剤に分散させ、これを弾性層４上に塗布し、乾燥することによって、厚み１μｍの研磨層６を形成した。

弾性層４と研磨層６との密着力は１３ｍＮであり、基材２と弾性層４との密着力４２ｍＮであった。つまり、前者は後者よりも小であった。

この実施例２の研磨部材１を使用して、図４に示すように、幅１００ｍｍ、直径３０ｍｍのゴム製のローラー１４により、幅９９ｍｍのテープ状の研磨部材１を、被加工物１１としての直径１０２ｍｍ（４インチ）のサファイヤ（Ａｌ_２Ｏ_３）基板に対し、７３．５ｋＰａ（７５０ｇｆ／ｃｍ^２）にて押し付けながら、研磨加工を実施した。そのとき、研磨部材１と被加工物１１との間に研磨液８として過酸化水素水３０質量％を供給しつつ、被加工物１１を、その基板中心のまわりに１０ｒｐｍにて回転させ、かつ研磨部材１に対して、相対的に高速に往復移動（移動ストローク１００ｍｍ、最高速度３０ｍ/ｍｉｎ）させた。被加工物１１を支持した定盤９は、停止状態として、回転させなかった。

その結果、被加工物１１から、全面に渡り面粗さがＲａ０．８ｎｍ以下の平滑で、傷、加工ムラが無く、平面度１．８μｍの平坦で、カソードルミネッセンス（ＣＬ法）による評価で加工変質層が少ないサファイヤ（Ａｌ_２Ｏ_３）基板を得ることが出来た。また、１５ｎｍ／ｍｉｎの高速の研磨速度での加工を実現することが出来た。

（比較例２）
図５に示すように、厚さ１００μｍのポリカーボネート製のシート状の基材２を使用し、弾性層４を形成せずに、基材２表面に、実施例２と同様に、砥粒５として平均粒径０．０５μｍのシリカ（ＳｉＯ_２）粒子を水溶性のにかわ系の接着剤７により固定して、厚み１μｍの研磨層６を形成することで、研磨部材１を得た。

この研磨部材１を用いて、実施例２と同じ条件で研磨加工を行った。すなわち、図４に示すように、直径１０２ｍｍ（４インチ）のサファイヤ（Ａｌ_２Ｏ_３）基板を被加工物１１とし、ゴム製のローラー１４により、研磨部材１を７３．５ｋＰａ（７５０ｇｆ／ｃｍ２）にて押し付けながら、被加工物１１を研磨した。このとき、研磨液８として過酸化水素水３０質量％を供給しつつ、被加工物１１を、その基板中心のまわりに１０ｒｐｍにて回転させながら、研磨部材１に対して、相対的に高速に往復移動（移動ストローク１００ｍｍ、最高速度３０ｍ/ｍｉｎ）させた。

その結果、実施例２と比較して加工速度が遅くなった（６ｎｍ／ｍｉｎ）。かつ、被加工物表面１１には多数の引っかき傷や穴が発生して表面粗さが非常に悪い（Ｒａ７．５ｎｍ以上）ものとなり、加工変質層が被加工物１１の内部深くにまで及び（数百ｎｍ）、デバイス基板としての仕様を満足することが出来なかった。これは、基材２より離脱した砥粒５が、樹脂粒を含んだ弾性層を設けなかった基材２の平面上を全く拘束なく自由に転がり移動するためであった。つまり、比較例２は、高速加工を実現し、かつ加工変質層の無い高品質な表面を得るためには、研磨液８及び研磨力により研磨層６から砥粒５を遊離させることと、遊離された後の砥粒５を樹脂粒３により捕捉することとが、重要な役割を果たしていることを示すものであった。

本発明の研磨部材は、金属、半導体、セラミックス、プラスチックス、ガラス等の表面の研磨加工に適用できる。特に、サファイヤやＧａＮなどの半導体デバイス基板などのように、表面に高い平滑性や平坦性が要求される精密部品の研磨に適する。

２・・・基材
３・・・樹脂粒
４・・・弾性層
５・・・砥粒
６・・・研磨層
７・・・接着剤

Claims (7)

1. 基材と、
   前記基材に固定され、かつ樹脂粒を含む弾性層と、
   前記弾性層に固定され、かつ砥粒を含む研磨層と、を備え、
   前記弾性層と前記研磨層との密着力は、前記基材と前記弾性層との密着力よりも小であることを特徴とする研磨部材。
2. 樹脂粒が球状粒子であることを特徴とする請求項１記載の研磨部材。
3. 樹脂粒の平均粒径が０．５～１００μｍであることを特徴とする請求項２記載の研磨部材。
4. 砥粒の平均粒子径が弾性粒子の平均粒径よりも小であることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項記載の研磨部材。
5. 砥粒は、シリカ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア、アルミナ、窒化ホウ素、ダイヤモンドからなる群から選ばれる１つ以上で構成されていることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項記載の研磨部材。
6. 弾性層は、水溶性の接着剤で研磨層と固定されていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項記載の研磨部材。
7. 請求項６に記載の研磨部材を、水を含む研磨液と一緒に用いることを特徴とする研磨部材の使用方法。
   
   

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