JPWO2012165376A1 - 研磨剤および研磨方法 - Google Patents

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Abstract

炭化ケイ素単結晶基板等の非酸化物単結晶基板を、高い研磨速度で研磨し、平滑な表面を得るための研磨剤を提供する。この研磨剤は、酸化還元電位が０．５Ｖ以上の、遷移金属を含む酸化剤と、酸化ケイ素粒子と酸化セリウム粒子、および分散媒を含有し、前記酸化ケイ素粒子の含有量と前記酸化セリウム粒子の含有量との質量比の値が、０．２〜２０であることを特徴とする。

Description

本発明は、非酸化物単結晶基板を化学的機械的に研磨するための研磨剤および研磨方法に関する。より詳しくは、炭化ケイ素単結晶基板等の研磨に適した研磨剤、およびそれを用いた研磨方法に関する。
炭化ケイ素（ＳｉＣ）半導体は、シリコン半導体よりも絶縁破壊電界、電子の飽和ドリフト速度および熱伝導率が大きいため、炭化ケイ素半導体を用いて、従来のシリコンデバイスよりも高温、高速で動作が可能なパワーデバイスを実現する研究・開発がなされている。なかでも、電動二輪車、電気自動車やハイブリッドカー等のモータを駆動するための電源に使用する高効率なスイッチング素子の開発が注目されている。このようなパワーデバイスを実現するためには、高品質な炭化ケイ素半導体層をエピタキシャル成長させるための表面平滑な炭化ケイ素単結晶基板が必要である。
また、高密度で情報を記録するための光源として、青色レーザダイオードが注目されており、さらに、蛍光灯や電球に替わる光源としての白色ダイオードへのニーズが高まっている。このような発光素子は窒化ガリウム（ＧａＮ）半導体を用いて作製され、高品質な窒化ガリウム半導体層を形成するための基板として、炭化ケイ素単結晶基板が使用される。
こうした用途のための炭化ケイ素単結晶基板には、基板の平坦度、基板表面の平滑性等において高い加工精度が要求される。しかし、炭化ケイ素単結晶は硬度が極めて高く、かつ耐腐食性に優れるため、基板を作製する場合の加工性が悪く、平滑性の高い炭化ケイ素単結晶基板を得ることは難しい。
一般に、半導体単結晶基板の平滑な面は研磨によって形成される。炭化ケイ素単結晶を研磨する場合、炭化ケイ素よりも硬いダイヤモンド等の砥粒を研磨材として表面を機械的に研磨し、平坦な面を形成するが、ダイヤモンド砥粒で研磨した炭化ケイ素単結晶基板の表面には、ダイヤモンド砥粒の粒径に応じた微小なスクラッチが導入される。また、機械的な歪みを有する加工変質層が表面に生じるため、そのままでは炭化ケイ素単結晶基板の表面の平滑性が十分ではない。
半導体単結晶基板の製造では、機械研磨後の半導体基板の表面を平滑にする方法として、化学的機械的研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ：以下、ＣＭＰということがある。）技術が用いられる。ＣＭＰは、酸化等の化学反応を利用して被加工物を酸化物等に変え、生成した酸化物を、被加工物よりも硬度の低い砥粒を用いて除去することにより、表面を研磨する方法である。この方法は、被加工物の表面に歪みを生じさせることなく、極めて平滑な面を形成できるという利点を有する。
従来から、炭化ケイ素単結晶基板の表面をＣＭＰにより平滑に研磨するための研磨剤として、コロイダルシリカを含有するｐＨ４〜９の研磨用組成物が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、シリカ砥粒と過酸化水素のような酸化剤（酸素供与剤）とバナジン酸塩とを含む研磨用組成物も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら、特許文献１の研磨用組成物による炭化ケイ素単結晶基板の研磨速度は低く、研磨に要する時間が非常に長くなるというという問題があった。また、特許文献２の研磨用組成物を使用した場合も、研磨速度が十分でなく、研磨に時間がかかるという問題があった。
さらに、酸化性の研磨液の存在下において、酸化セリウム（セリア）砥粒を用いて炭化ケイ素単結晶基板等の表面を平滑に研磨する方法も考えられているが、酸化セリウム粒子は研磨液中での分散性が低いため、高い研磨速度を安定的に得るのが難しいばかりでなく、研磨作業の効率が低下しやすいという問題があった。
特開２００５−１１７０２７号公報 特開２００８−１７９６５５号公報
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、炭化ケイ素単結晶基板等の硬度が高く化学的安定性が高い非酸化物単結晶基板を、高い研磨速度で研磨し、平滑な表面を得るための研磨方法の提供を目的とする。
本発明の研磨剤は、非酸化物単結晶基板を化学的機械的に研磨するための研磨剤であって、酸化還元電位が０．５Ｖ以上の、遷移金属を含む酸化剤と、酸化ケイ素粒子と酸化セリウム粒子、および分散媒を含有し、前記酸化ケイ素粒子の含有量と前記酸化セリウム粒子の含有量との質量比の値が、０．２〜２０であることを特徴とする。
本発明の研磨剤において、前記酸化剤は、過マンガン酸イオンであることが好ましい。そして、前記過マンガン酸イオンの含有量は、０．０１５質量％以上５質量％以下であることが好ましい。また、前記酸化セリウム粒子の含有量は、０．０５質量％以上１５質量％以下であることが好ましい。
前記酸化セリウム粒子の平均２次粒子径、および前記酸化ケイ素粒子の平均２次粒子径は、いずれも０．５μｍ以下であることが好ましい。また、前記酸化ケイ素粒子はコロイダルシリカであることが好ましい。
さらに本発明の研磨剤において、ｐＨは１１以下であることが好ましく、５以下であることがさらに好ましい。そして、前記非酸化物単結晶基板は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）単結晶基板または窒化ガリウム（ＧａＮ）単結晶基板であることが好ましい。
本発明の研磨方法は、研磨剤を研磨パッドに供給し、研磨対象物である非酸化物単結晶基板の被研磨面と前記研磨パッドとを接触させて、両者間の相対運動により研磨する方法であって、前記研磨剤として前記本発明の研磨剤を使用することを特徴とする。
本発明の研磨剤およびこれを用いた研磨方法によれば、炭化ケイ素単結晶基板や窒化ガリウム単結晶基板のような、硬度が高く化学的安定性が高い非酸化物単結晶基板の被研磨面を、高い研磨速度で研磨でき、平坦かつ平滑な被研磨面を得ることができる。また、本発明の研磨剤においては、砥粒である酸化セリウム粒子の分散性が高く、酸化セリウム粒子が沈降・分離しにくいので、高い研磨速度と高い研磨作業性を安定的に得ることができる。なお、本発明において、「被研磨面」とは研磨対象物の研磨される面であり、例えば表面を意味する。
本発明の研磨方法の実施形態に使用可能な研磨装置の一例を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
［研磨剤］
本発明の研磨剤は、非酸化物単結晶基板を化学的機械的に研磨するための研磨剤であって、遷移金属を含む酸化還元電位が０．５Ｖ以上の酸化剤と、酸化ケイ素粒子と酸化セリウム粒子、および分散媒を含有し、スラリー状を有する。そして、この研磨剤中の酸化ケイ素粒子の含有量と酸化セリウム粒子の含有量との比（質量比）の値は、０．２〜２０の範囲となっている。
本発明の研磨剤によれば、ＳｉＣ単結晶基板のような硬度が高く化学的安定性が高い研磨対象物の被研磨面を、高い研磨速度で研磨でき、平坦かつ平滑な表面が安定的に得られる。
なお、本発明の研磨剤のｐＨは１１以下とすることが好ましい。ｐＨを１１以下に調整するために、ｐＨ調整剤を添加できる。研磨剤のｐＨを１１以下とした場合には、酸化剤が効果的に作用するため研磨特性が良好であり、かつ砥粒である酸化セリウム粒子の分散安定性にも優れている。以下、本発明の研磨剤の各成分およびｐＨについて詳述する。
（酸化剤）
本発明の研磨剤に含有される酸化剤は、後述する研磨対象物（例えば、ＳｉＣ単結晶基板やＧａＮ単結晶基板）の被研磨面に酸化層を形成するものである。この酸化層を機械的な力で被研磨面から除去することにより、研磨対象物の研磨が促進される。すなわち、ＳｉＣやＧａＮ等の化合物半導体は非酸化物であり、難研磨材料であるが、研磨剤中の酸化剤により表面に酸化層を形成できる。形成された酸化層は、研磨対象物に比べて硬度が低く研磨されやすいので、砥粒である酸化セリウム粒子により効果的に除去できる。その結果、高い研磨速度が得られる。
本発明の研磨剤に含有される酸化剤は、酸化還元電位が０．５Ｖ以上の遷移金属を含むものである。遷移金属を含む酸化還元電位が０．５Ｖ以上の酸化剤としては、例えば、過マンガン酸イオン、バナジン酸イオン、二クロム酸イオン、硝酸セリウムアンモニウム、硝酸鉄（III）九水和物、硝酸銀、リンタングステン酸、ケイタングステン酸、リンモリブデン酸、リンタングストモリブデン酸、リンバナドモリブデン酸等を挙げることができ、特に過マンガン酸イオンが好ましい。過マンガン酸イオンの供給源としては、過マンガン酸カリウムや過マンガン酸ナトリウム等の過マンガン酸塩が好ましい。
ＳｉＣ単結晶基板の研磨における酸化剤として、過マンガン酸イオンが特に好ましい理由を以下に示す。
（１）過マンガン酸イオンは、ＳｉＣ単結晶を酸化する酸化力が強い。
酸化剤の酸化力が弱すぎると、ＳｉＣ単結晶基板の被研磨面との反応が不十分となり、その結果十分に平滑な表面が得られない。酸化剤が物質を酸化する酸化力の指標として、酸化還元電位が用いられる。過マンガン酸イオンの酸化還元電位は１．７０Ｖであり、酸化剤として一般に用いられる過塩素酸カリウム（ＫＣｌＯ４）（酸化還元電位１．２０Ｖ）や次亜塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ）（酸化還元電位１．６３Ｖ）に比べて、酸化還元電位が高い。
（２）過マンガン酸イオンは反応速度が大きい。
過マンガン酸イオンは、酸化力の強い酸化剤として知られている過酸化水素（酸化還元電位１．７６Ｖ）に比べて、酸化反応の反応速度が大きいので、酸化力の強さを速やかに発揮できる。
（３）過マンガン酸イオンは、環境負荷が小さい。
（４）過マンガン酸塩は、後述する分散媒（水）に完全に溶解する。したがって、溶解残渣が基板の平滑性に悪影響を与えることがない。
研磨速度向上の効果を得るために、研磨剤中の過マンガン酸イオンの含有割合（濃度）は、研磨剤全体に対して０．０１５質量％以上５質量％以下が好ましい。０．０１５質量％未満では、酸化剤としての効果が期待できず、研磨により平滑な面を形成するのに非常に長時間を要したり、あるいは被研磨面にスクラッチが発生するおそれがある。過マンガン酸イオンの含有割合が５質量％を超えると、研磨液の温度によっては、過マンガン酸塩が完全に溶解しきれずに析出し、析出した固体の過マンガン酸塩が被研磨面と接触することにより、スクラッチが発生するおそれがある。研磨剤に含まれる過マンガン酸イオンの含有割合は、０．０２質量％以上４質量％以下がさらに好ましく、０．０５質量％以上３質量％以下が特に好ましい。
（酸化セリウム粒子）
本発明の研磨剤に含有される酸化セリウム（以下、セリアともいう。）粒子は、前記酸化剤により被研磨面に形成される酸化層を除去する砥粒である。この酸化層を、酸化セリウム粒子の化学的および機械的作用により除去することで、研磨が促進される。酸化セリウム粒子の平均２次粒子径は、０．５μｍ以下であることが好ましい。平均２次粒子径が０．５μｍ以下の粒子を使用することで、被研磨面への機械的なダメージによるスクラッチ等を低減できる。酸化セリウム粒子の平均２次粒子径は、０．２μｍ以下がより好ましい。
ＳｉＣ単結晶基板の研磨において、前記した酸化剤とともに酸化セリウム粒子を使用した場合には、砥粒としてシリカ粒子のみを使用した場合と比べて、化学的および機械的作用により研磨速度が高くなり、かつ表面粗さが小さくて平滑な表面が得られる。酸化セリウム粒子が特に好ましい理由は定かではないが、酸化セリウム粒子は、ガラスやＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）成膜法により形成された酸化ケイ素膜に対し、化学的な反応を介することで高い研磨速度を示すことが知られている。ＳｉＣ単結晶基板では、前記酸化剤により被研磨面にケイ素と酸素からなる酸化層が形成されることが予想されるため、ガラスやＣＶＤ成膜法による酸化ケイ素膜と同様に、形成された酸化層と酸化セリウム粒子との間で化学的な反応が起きることが考えられる。そして、この化学的な反応により、研磨促進効果が期待されるという利点がある。
砥粒として、前記平均２次粒子径の範囲を超える酸化セリウム粒子を使用した場合には、ＳｉＣ単結晶基板の被研磨面に与えるダメージが大きくなり、平滑で高品質な表面が得られにくい。すなわち、平均２次粒子径が０．５μｍを超える酸化セリウム粒子を含む研磨剤を用いて研磨した場合には、研磨後のＳｉＣ単結晶基板の結晶原子のステップラインに湾曲や歪み等の、過度な機械的作用によるダメージが見られる。したがって、研磨後の表面にエピタキシャル成長させて形成された炭化ケイ素半導体等の膜に、結晶欠陥等が生じるおそれがある。
なお、砥粒として含有される酸化セリウム粒子は、通常は研磨剤中で１次粒子が凝集した凝集粒子（２次粒子）として存在しているので、酸化セリウム粒子の好ましい粒子径は、平均２次粒子径（平均凝集粒径）で表すものとする。平均２次粒子径は、研磨剤中の酸化セリウム粒子を、例えば動的光散乱を用いた粒度分布計を用いて測定して得られる。
本発明の研磨剤中の酸化セリウム粒子の含有割合（濃度）は、十分な研磨速度を得るために、０．０５質量％以上１５質量％以下とすることが好ましい。酸化セリウム粒子の含有割合が０．０５質量％未満では、十分な研磨速度を得ることが難しく、１５．０質量％を超えると、酸化セリウム粒子の分散性が低下し、研磨面でスクラッチが発生するおそれがある。また、スラリーコストが上昇する問題がある。より好ましい含有割合は０．１〜１０質量％であり、さらに好ましい含有割合は０．２〜５質量％であり、特に好ましい含有割合は０．２〜３質量％である。
（酸化ケイ素粒子）
本発明の研磨剤は、前記酸化セリウム粒子とともに酸化ケイ素（以下、シリカともいう。）粒子を含有する。酸化ケイ素粒子を含有させることで、スラリー状の研磨剤中で酸化セリウム粒子を安定に分散させることができる。酸化ケイ素粒子含有によるこのような効果は、以下に示す理由によるものと考えられる。すなわち、酸化セリウム粒子は水等の分散媒中での分散性が低いことが知られているが、この酸化セリウム粒子とともに分散性が比較的良好である酸化ケイ素粒子を所定の割合で含有させた場合、表面がプラスに帯電している酸化セリウム粒子に、表面がマイナスに帯電している酸化ケイ素粒子が静電的に吸着する。その結果、酸化セリウム粒子の表面が酸化ケイ素で被覆された状態になることにより、酸化セリウム粒子の分散性が向上されると考えられる。
このように、酸化セリウム粒子の分散性を向上させる効果を有する酸化ケイ素粒子の平均２次粒子径は、０．５μｍ以下であることが好ましく、０．２μｍ以下がより好ましい。また、このような酸化ケイ素粒子はコロイダルシリカであることが好ましい。より具体的には、ケイ酸塩原料から合成されたコロイダルシリカや、アルコキシシラン原料から合成されたコロイダルシリカ等を使用できる。なお、コロイダルシリカのような酸化ケイ素粒子も、前記酸化セリウム粒子と同様に、研磨剤中で１次粒子が凝集した２次粒子として存在しているので、酸化ケイ素の好ましい粒子径は、平均２次粒子径で表すものとする。平均２次粒子径は、研磨剤中の酸化ケイ素粒子を、例えば動的光散乱を用いた粒度分布計を用いて測定して得られる。
本発明の研磨剤において、このような酸化ケイ素粒子の含有量と前記酸化セリウム粒子の含有量との質量比（以下、酸化ケイ素／酸化セリウムということがある。）の値は、０．２〜２０の範囲とする。酸化ケイ素／酸化セリウムの値が０．２未満では、酸化セリウム粒子の分散性向上の効果が不十分である。反対に、酸化ケイ素／酸化セリウムの値が２０を超える場合は、酸化セリウム粒子と被研磨面との接触が酸化ケイ素粒子によって妨げられるため、研磨速度が低下する。酸化ケイ素／酸化セリウムの値は、０．２５〜１０の範囲が好ましく、０．５〜５の範囲がより好ましく、０．５〜３の範囲が特に好ましい。
（ｐＨおよびｐＨ調整剤）
本発明に係る研磨剤のｐＨは、研磨特性および砥粒である酸化セリウム粒子の分散安定性の点から、１１以下が好ましく、５以下がより好ましく、３以下が特に好ましい。ｐＨが１１を超えると、酸化セリウム粒子の分散性の低下により、被研磨面の平滑性が悪化するおそれがある。
本発明の研磨剤のｐＨは、ｐＨ調整剤である酸または塩基性化合物の添加・配合により調整できる。酸としては、硝酸、硫酸、リン酸、塩酸のような無機酸、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸等の飽和カルボン酸、乳酸、リンゴ酸、クエン酸等のヒドロキシ酸、フタル酸、サリチル酸等の芳香族カルボン酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、フマル酸、マレイン酸等のジカルボン酸、アミノ酸、複素環系のカルボン酸のようなその他の有機酸を使用できる。硝酸およびリン酸の使用が好ましく、硝酸の使用が特に好ましい。塩基性化合物としては、アンモニア、水酸化リチウム、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム等の無機アルカリ、テトラメチルアンモニウム等の４級アンモニウム化合物、モノエタノールアミン、エチルエタノールアミン、ジエタノールアミン、プロピレンジアミン等の有機アミンを使用できる。水酸化カリウム、水酸化ナトリウムの使用が好ましく、水酸化カリウムが特に好ましい。
これらの酸または塩基性化合物の含有割合（濃度）は、研磨剤のｐＨを所定の範囲（ｐＨ１１以下、より好ましくは５以下、特に好ましくは３以下）に調整する量とする。
（分散媒）
本発明の研磨剤においては、分散媒として水が含有される。水は、酸化セリウム粒子および酸化ケイ素粒子を安定に分散させるとともに、酸化剤および必要に応じて添加される後述する任意成分を分散・溶解するための媒体である。水については、特に制限はないが、配合成分に対する影響、不純物の混入、ｐＨ等への影響の観点から、純水、超純水、イオン交換水（脱イオン水）が好ましい。
（研磨剤の調製および任意成分）
本発明の研磨剤は、前記した成分が前記所定の割合で含有され、酸化セリウム粒子および酸化ケイ素粒子については均一に分散し、それ以外の成分については均一に溶解した混合状態になるように調製され使用される。混合には、研磨剤の製造に通常用いられる撹拌混合方法、例えば、超音波分散機、ホモジナイザー等による撹拌混合方法を採ることができる。本発明に係る研磨剤は、必ずしも予め構成する研磨成分をすべて混合したものとして研磨の場に供給する必要はない。研磨の場に供給する際に、研磨成分が混合されて研磨剤の組成になってもよい。
本発明の研磨剤には、本発明の趣旨に反しない限り、前記酸化ケイ素粒子以外の凝集防止または分散剤（以下、分散剤と示す。）、潤滑剤、キレート化剤、還元剤、粘性付与剤または粘度調節剤、防錆剤等を、必要に応じて適宜含有させることができる。ただし、これらの添加剤が、酸化剤、酸または塩基性化合物の機能を有する場合は、酸化剤、酸または塩基性化合物として扱うものとする。
分散剤とは、砥粒である酸化セリウム粒子を純水等の分散媒中に安定的に分散させるために添加するものである。また、潤滑剤は、研磨対象物との間に生じる研磨応力を適度に調整し、安定した研磨を可能とするものである。分散剤としては、アニオン性、カチオン性、ノニオン性、両性の界面活性剤や界面活性作用のある水溶性ポリマーを使用することができる。また、潤滑剤としては、アニオン性、カチオン性、ノニオン性、両性の界面活性剤、多糖類、水溶性高分子等を使用できる。
ここで、界面活性剤としては、疎水基として脂肪族炭化水素基、芳香族炭化水素基を有し、またそれら疎水基内にエステル、エーテル、アミド等の結合基、アシル基、アルコキシル基等の連結基を１つ以上導入したもので、親水基として、カルボン酸、スルホン酸、硫酸エステル、リン酸、リン酸エステル、アミノ酸を有するものを使用できる。
多糖類としては、アルギン酸、ペクチン、カルボキシメチルセルロース、カードラン、プルラン、キサンタンガム、カラギナン、ジェランガム、ローカストビーンガム、アラビアガム、タマリンド、サイリウム等を使用できる。
水溶性高分子としては、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリメタクリル酸、ポリアクリルアミド、ポリアスパラギン酸、ポリグルタミン酸、ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン、ポリスチレンスルホン酸等を使用できる。分散剤および潤滑剤を使用する場合、その含有割合は、それぞれ研磨剤の全質量に対して０．００１〜５質量％の範囲とすることが好ましい。
［研磨対象物］
本発明の研磨剤を使用して研磨する研磨対象物は、非酸化物単結晶基板である。非酸化物単結晶基板としては、ＳｉＣ単結晶基板やＧａＮ単結晶基板のような化合物半導体基板が挙げられる。特に、前記ＳｉＣ単結晶基板やＧａＮ単結晶基板のような、修正モース硬度が１０以上の単結晶基板の研磨に本発明の研磨剤を用いることで、高速研磨の効果をよりいっそう得ることができる。
［研磨方法］
本発明の研磨剤を用いて、研磨対象物である非酸化物単結晶基板を研磨する方法としては、研磨剤を研磨パッドに供給しながら、研磨対象物の被研磨面と研磨パッドとを接触させ、両者間の相対運動により研磨を行う方法が好ましい。
上記研磨方法において、研磨装置としては従来公知の研磨装置を使用できる。
図１に、本発明の実施形態に使用可能な研磨装置の一例を示すが、本発明の実施形態に使用される研磨装置はこのような構造のものに限定されない。
図１に示す研磨装置１０においては、研磨定盤１がその垂直な軸心Ｃ1の回りに回転可能に支持された状態で設けられており、この研磨定盤１は、定盤駆動モータ２により、図に矢印で示す方向に回転駆動されるようになっている。この研磨定盤１の上面には、公知の研磨パッド３が貼り着けられている。
一方、研磨定盤１上の軸心Ｃ1から偏心した位置には、下面においてＳｉＣ単結晶基板等の研磨対象物４を吸着または保持枠等を用いて保持する基板保持部材（キャリヤ）５が、その軸心Ｃ2の回りに回転可能でかつ軸心Ｃ2方向に移動可能に支持されている。この基板保持部材５は、図示しないワーク駆動モータにより、あるいは上記研磨定盤１から受ける回転モーメントにより、矢印で示す方向に回転されるように構成されている。基板保持部材５の下面、すなわち上記研磨パッド３と対向する面には、研磨対象物４が保持されている。研磨対象物４は、所定の荷重で研磨パッド３に押圧されている。
また、基板保持部材５の近傍には、滴下ノズル６等が設けられており、図示しないタンクから送出された本発明の研磨剤７が研磨パッド３上に供給されるようになっている。
このような研磨装置１０による研磨に際しては、研磨定盤１およびそれに貼り着けられた研磨パッド３と、基板保持部材５およびその下面に保持された研磨対象物４とが、定盤駆動モータ２およびワーク駆動モータによりそれぞれの軸心の回りに回転駆動される。そして、その状態で、滴下ノズル６等から研磨剤７が研磨パッド３の表面に供給され、基板保持部材５に保持された研磨対象物４がその研磨パッド３に押し付けられる。それにより、研磨対象物４の被研磨面、すなわち研磨パッド３に対向する面が化学的機械的に研磨される。
基板保持部材５は、回転運動だけでなく直線運動をしてもよい。また、研磨定盤１および研磨パッド３も回転運動を行うものでなくてもよく、例えばベルト式で一方向に移動するものであってもよい。
研磨パッド３としては、不織布、発泡ポリウレタンのような多孔質樹脂、非多孔質樹脂等からなるものを使用できる。研磨パッド３としては、砥粒を含有しないものが好ましい。また、研磨パッド３への研磨液７の供給を促進し、あるいは研磨パッド３に研磨液７が一定量溜まるようにするために、研磨パッド３の表面に格子状、同心円状、らせん状などの溝加工が施されていてもよい。さらに、必要により、パッドコンディショナーを研磨パッド３の表面に接触させて、研磨パッド３表面のコンディショニングを行いながら研磨してもよい。
このような研磨装置１０による研磨条件には特に制限はないが、基板保持部材５に荷重をかけて研磨パッド３に押し付けることで研磨圧力を高め、研磨速度を向上させることが可能である。研磨圧力は５〜８０ｋＰａ程度が好ましく、被研磨面内における研磨速度の均一性、平坦性、スクラッチ等の研磨欠陥防止の観点から、１０〜５０ｋＰａ程度がより好ましい。研磨定盤１および基板保持部材５の回転数は、５０〜５００ｒｐｍ程度が好ましいがこれに限定されない。また、研磨剤７の供給量については、被研磨面の構成材料や研磨剤の組成、上記研磨条件等により適宜調整され選択される。
以下、本発明を実施例および比較例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。例１〜１８は本発明の実施例であり、例１９〜２４は比較例である。
例１〜２４
（１）研磨剤の調製
（１−１）
例１〜１８の各研磨剤を、以下に示すようにして調製した。まず、表１に示す酸化剤である過マンガン酸カリウムに純水を加え、撹拌翼を用いて１０分間撹拌した。次いで、この液に、コロイダルシリカを加え、撹拌翼を用いて１０分間撹拌した後、ｐＨ調整剤として、表１に示すリン酸、硝酸、水酸化カリウムのうちのいずれか１種を撹拌しながら徐々に添加して、添加液Ａを調製した。次に、砥粒である平均２次粒子径が０．１８μｍの酸化セリウム粒子を、表１に示す砥粒濃度の２倍の濃度になるように純水に加え、撹拌翼を用いて１０分間撹拌して、砥粒液Ｂを調製した。
次いで、添加液Ａと砥粒液Ｂとを１：１の質量比で混合し、撹拌翼を用いて１０分間撹拌して例１〜１８の各研磨剤を得た。添加液ＡにおけるｐＨ調整剤の添加量は、添加液Ａと砥粒液Ｂとを混合した後の各研磨剤において、表１に示す所定のｐＨになるように調整した。例１〜１８において使用した各成分の研磨剤全体に対する含有割合（濃度；質量％）を表１に示す。なお、表１における酸化剤濃度は、イオンである過マンガン酸イオンの濃度ではなく、過マンガン酸カリウムの濃度である。後述する例２２〜２４においても同様である。
（１−２）
例１９〜２４の各研磨剤を、以下に示すようにして調製した。例１９においては、まず、1次粒子径が０．０４μｍ、平均２次粒子径が約０．０７μｍのシリカ固形分が約４０質量％のコロイダルシリカ分散液に、純水を加え、撹拌翼を用いて１０分間撹拌した。次いで、この液に、金属塩としてバナジン酸アンモニウムを撹拌しながら加え、最後に過酸化水素水を添加して３０分間撹拌し、表１に示す所定の各成分濃度に調整された研磨剤を得た。例２０、２１においては、平均２次粒子径が０．１８μｍの酸化セリウム粒子を純水に加え、撹拌翼を用いて１０分間撹拌した後、ｐＨ調整剤としてリン酸を徐々に添加して表１に示す所定のｐＨに調整し、研磨剤を得た。例２２においては、コロイダルシリカを添加しないこと以外は例１と同様にして研磨剤を調製した。例２３においては、コロイダルシリカの添加量を変えた以外は例１と同様にして研磨剤を得た。例２３においては、酸化セリウム粒子およびコロイダルシリカの添加量を変えた以外は例１と同様にして研磨剤を得た。
例１９〜２４において使用した各成分の研磨剤全体に対する含有割合（濃度；質量％）を表１に示す。
なお、例１９で配合されるコロイダルシリカの１次粒子径については、ＢＥＴ法で得られた比表面積から換算して求め、平均２次粒子径については、マイクロトラックＵＰＡ（日機装社製）により測定した。また、例１〜１８、例２３および例２４の各研磨剤に含有されるコロイダルシリカの平均２次粒子径については、マイクロトラックＵＰＡ（日機装社製）により測定した。さらに、例１〜１８および例２０〜２４の各研磨剤に含有される酸化セリウム粒子の平均２次粒子径については、ＬＡ９２０（堀場製作所製）により測定した。
（１−３）ｐＨの測定
例１〜２４で得られた各研磨剤のｐＨを、横河電機社製のｐＨ８１−１１を使用し２５℃で測定した。測定結果を表１に示す。
Figure 2012165376
（２）研磨剤の研磨特性の評価
例１〜２４で得られた各研磨剤について、以下の方法で研磨特性の評価を行った。
（２−１）研磨条件
研磨機としては、ＭＡＴ社製の小型研磨装置を使用した。研磨パッドとしては、ＳＵＢＡ８００−ＸＹ−ｇｒｏｏｖｅ（ニッタハース社製）を使用し、研磨前にダイヤディスクを用いて５分間コンディショニングを行った。また、研磨剤の供給速度を２５ｍｌ／分、研磨定盤の回転数を６８ｒｐｍ、基板保持部材の回転数を６８ｒｐｍ、研磨圧を５ｐｓｉ（３４．５ｋＰａ）として、３０分間研磨を行った。
（２−２）被研磨物
被研磨物として、ダイヤモンド砥粒を用いて予備研磨処理を行った３インチ径の４Ｈ−ＳｉＣ基板を使用し、主面（０００１）がＣ軸に対して０°＋０．２５°以内のＳｉＣ単結晶基板（Ｏｎ-ａｘｉｓ基板）と、主面のＣ軸に対するオフ角が４°±０．５°以内のＳｉＣ単結晶基板をそれぞれ使用し、Ｓｉ面側を研磨し評価した。
なお、例８、例１４〜１８および例２０〜２４の研磨剤については、オフ角が４°以内のＳｉＣ単結晶基板（以下、４度オフ基板と示す。）に対する研磨特性（研磨速度）のみを評価した。また、例５および例６の研磨剤については、On-axis基板に対する研磨特性（研磨速度）のみを評価した。
（２−３）研磨速度の測定
研磨速度は、前記ＳｉＣ単結晶基板の単位時間当たりの厚さの変化量（ｎｍ／ｈｒ）で評価した。具体的には、厚さが既知の未研磨基板の質量と各時間研磨した後の基板の質量とを測定し、その差から質量変化を求めた。そして、この質量変化から求めた基板の厚さの時間当たりの変化を、下記の式を用いて算出した。研磨速度の算出結果を表２に示す。
（研磨速度（Ｖ）の計算式）
Δｍ＝ｍ０−ｍ１
Ｖ＝Δｍ／ｍ０ × Ｔ０ × ６０／ｔ
（式中、Δｍ（ｇ）は研磨前後の質量変化、ｍ０（ｇ）は未研磨基板の初期質量、ｍ１（ｇ）は研磨後基板の質量、Ｖは研磨速度（ｎｍ／ｈｒ）、Ｔ０は未研磨基板の厚さ（ｎｍ）、ｔは研磨時間（ｍｉｎ）を表す。）
（３）スラリー分散性の評価
例１〜２４で得られた各研磨剤について、スラリー中の酸化セリウム粒子の分散性の評価を行った。評価は、各研磨剤を２０ｃｃの試験管に入れて撹拌した後静置し、上澄み層が確認されるまでの時間を測定することにより行った。そして、上澄み層が確認されるまでの時間が１５分以上である場合を、スラリー分散性が○（良好）、１分以上１５分未満である場合を△（やや不良）、静置直後（１分未満）に上澄み層が確認された場合を×（不良）として評価した。スラリー分散性の評価結果も表２に示す。
Figure 2012165376
表２からわかるように、実施例である例１〜１８の研磨剤を使用した場合は、Ｏｎ−ａｘｉｓ基板と４度オフ基板の少なくとも一方に対して、高い研磨速度が得られており、特に例１〜４、例７、例９〜１３の研磨剤を使用した場合は、Ｏｎ−ａｘｉｓ基板と４度オフ基板の両方に対して高い研磨速度が得られ、高速研磨が可能である。また、例１〜１８の研磨剤はスラリー分散性が十分に良好である。
これに対して、コロイダルシリカと過酸化水素およびバナジン酸アンモニウムを含有する例１９の研磨剤を使用した場合は、実施例である例１〜１８の研磨剤を使用した場合に比べて研磨速度が低くなっている。また、酸化セリウム粒子を含有し、コロイダルシリカを含有しない例２０〜２２の研磨剤を使用した場合は、スラリー分散性が悪く、静置直後に酸化セリウム粒子の沈降・分離が認められる。そして、これらの中でも、酸化剤である過マンガン酸カリウムを含有しない例２０〜２１の研磨剤を使用した場合は、研磨速度が著しく低くなっている。
また、酸化セリウム粒子とコロイダルシリカおよび過マンガン酸カリウムを含有するが、酸化セリウム粒子に対するコロイダルシリカの質量比の値が、０．１と所定の下限値（０．２）未満となっている例２３の研磨剤を使用した場合は、高い研磨速度は得られるが、スラリー分散性が悪くなっている。
さらに、酸化セリウム粒子とコロイダルシリカおよび過マンガン酸カリウムを含有するが、酸化セリウム粒子に対するコロイダルシリカの質量比が所定の上限値（２０）を超える２９となっている例２４の研磨剤を使用した場合は、実施例である例１〜１８の研磨剤を使用した場合に比べて研磨速度が大幅に低くなっている。
本発明の研磨剤によれば、非酸化物単結晶基板、特にＳｉＣ単結晶基板やＧａＮ単結晶基板等の、硬度が高く化学的安定性の高い化合物半導体基板を、高速研磨できる。また、砥粒である酸化セリウム粒子の優れた分散性から、キズがなく平坦性および平滑性に優れた研磨面を得ることが可能となる。したがって、非酸化物単結晶基板の生産性の向上に寄与できる。
１…研磨定盤、２…定盤駆動モータ、３…研磨パッド、４…研磨対象物、５…基板保持部材、６…滴下ノズル、７…研磨剤、１０…研磨装置。

Claims (11)

  1. 非酸化物単結晶基板を化学的機械的に研磨するための研磨剤であって、
    酸化還元電位が０．５Ｖ以上の、遷移金属を含む酸化剤と、酸化ケイ素粒子と酸化セリウム粒子、および分散媒を含有し、前記酸化ケイ素粒子の含有量と前記酸化セリウム粒子の含有量との質量比の値が、０．２〜２０であることを特徴とする研磨剤。
  2. 前記酸化剤は、過マンガン酸イオンである請求項１に記載の研磨剤。
  3. 前記過マンガン酸イオンの含有量は、０．０１５質量％以上５質量％以下である請求項２に記載の研磨剤。
  4. 前記酸化セリウム粒子の含有量は、０．０５質量％以上１５質量％以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載の研磨剤。
  5. 前記酸化セリウム粒子の平均２次粒子径は、０．５μｍ以下である請求項１〜４のいずれか１項に記載の研磨剤。
  6. 前記酸化ケイ素粒子の平均２次粒子径は、０．５μｍ以下である請求項１〜５のいずれか１項に記載の研磨剤。
  7. 前記酸化ケイ素粒子はコロイダルシリカである請求項１〜６のいずれか１項に記載の研磨剤。
  8. ｐＨは１１以下である請求項１〜７のいずれか１項に記載の研磨剤。
  9. ｐＨは５以下である請求項８に記載の研磨剤。
  10. 前記非酸化物単結晶基板は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）単結晶基板または窒化ガリウム（ＧａＮ）単結晶基板である請求項１〜９のいずれか１項に記載の研磨剤。
  11. 研磨剤を研磨パッドに供給し、研磨対象物である非酸化物単結晶基板の被研磨面と前記研磨パッドとを接触させて、両者間の相対運動により研磨する方法であって、前記研磨剤として請求項１〜１０のいずれか１項に記載の研磨剤を使用する研磨方法。
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