KR102370056B1 - 탄산칼슘 슬러리 - Google Patents

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사만타 케이. 브리트텔
우영 정
스캇 윌리엄 베일리
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일루미나, 인코포레이티드
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Abstract

탄산칼슘 슬러리를 포함하는 조성물이 제공된다. 탄산칼슘 슬러리는 용액에 현탁된 복수의 탄산칼슘 입자를 포함하되, 용액은 분산제 및 음이온 계면활성제를 포함한다. 탄산칼슘 슬러리 중 탄산칼슘 입자의 농도는 약 2.0 중량% 이하이다.

Description

탄산칼슘 슬러리
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 미국 가특허출원 제62/463,533호(출원일: 2017년 2월 24일, 발명의 명칭: "CALCIUM CARBONATE SLURRY")에 대한 35 U.S.C. §119(e) 하에 우선권의 유익을 주장하며, 이 기초출원은 이의 전문이 모든 목적을 위하여 본 명세서에 참고로 원용된다.
반도체 산업에서, 실리카 및 세리아 연마 슬러리를 비롯한, 많은 상이한 상업화된 슬러리가 기재(substrate)의 화학 기계 연마(chemical mechanical polishing: CMP)를 위해 존재한다. 이들 상업적 슬러리는 기재 상의 산화막 및 금속을 연마하는데 유용할 수 있지만, 이들은 용이하게 스크래치 형성되기 쉬울 수 있는 중합체성 하이드로겔과 같은 중합체막을 포함하는, 연성 재료(soft material)를 연마함에 있어서 바람직하지 않을 수 있다. 기재는 연성 재료로 코팅될 수 있고 나노스케일 특징부(feature)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 연성 재료로 코팅된 유리 기재가 다른 생물학적 또는 화학적 분석 시스템뿐만 아니라 유전자 서열분석 시스템에서 사용될 수 있다.
연성 재료의 스크래칭을 회피하거나 또는 최소화하기 위하여, 입자 없는 용액이 연성 재료를 연마하는데 사용되었다. 예를 들어, 물 및 도데실황산나트륨(SDS)을 함유하는 입자-무함유 용액이 연성 재료를 연마하는데 사용되었다. 그러나, 이러한 공정은, 연마기에 대한 기재 파단 및 변형에 기여하는 고압 및/또는 장기 시행 시간을 종종 포함하여, 정확하게 제어하기 어려울 수 있다.
본 명세서에 기재된 주제의 하나 이상의 구현예의 상세가 첨부 도면 및 이하의 설명에 제시된다. 기타 특징, 양상 및 이점은 설명, 도면 및 청구범위로부터 명백해질 것이다. 이하의 도면의 상대적인 치수는 축척 도면인 것으로 구체적으로 표시되지 않는 한 축척으로 도시되어 있지 않을 수 있는 것에 유의한다.
몇몇 구현예에 있어서, 조성물이 제공된다. 조성물은 용액에 현탁된 복수의 탄산칼슘 입자를 포함하는 탄산칼슘 슬러리를 포함하되, 여기서 용액은 분산제 및 음이온 계면활성제를 포함하고, 탄산칼슘 슬러리 중 탄산칼슘 용액 중 탄산칼슘 자의 농도는 약 2.0 중량% 이하이다. 몇몇 구현예에 있어서, 분산제 및 음이온 계면활성제 중 한쪽 또는 둘 다는 슬러리의 제타 전위를 저감시킨다. 몇몇 구현예에 있어서, 슬러리의 제타 전위는 약 -50㎷ 미만이다. 몇몇 구현예에 있어서, 분산제는 폴리아크릴산나트륨, n-규산나트륨, 테트라피로인산나트륨, 헥사메타인산나트륨, 폴리알루민산나트륨, 사붕산나트륨, 삼인산나트륨, 시트르산나트륨, 또는 이들의 조합물을 포함한다. 몇몇 구현예에 있어서, 음이온 계면활성제는 도데실황산나트륨(SDS), 폴리솔베이트, 옥틸페놀 에톡실레이트, 또는 이들의 조합물을 포함한다. 몇몇 구현예에 있어서, 복수의 탄산칼슘 입자의 평균 직경은 약 10㎚ 내지 약 3㎛이다. 몇몇 구현예에 있어서, 탄산칼슘 입자의 총수의 약 5% 미만은 약 4㎛ 초과의 직경을 갖는다.
몇몇 구현예에 있어서, 방법이 제공된다. 방법은 기재의 표면을 탄산칼슘 슬러리로 연마하는 단계를 포함하되, 여기서 기재는 연성 재료로 코팅되며, 탄산칼슘 슬러리는 분산제, 음이온 계면활성제, 및 용액에 현탁된 복수의 탄산칼슘 입자를 포함한다. 몇몇 구현예에 있어서, 탄산칼슘 슬러리 중 탄산칼슘 입자의 농도는 약 2.0 중량% 이하이다. 몇몇 구현예에 있어서, 연성 재료는 유기 중합체성 하이드로겔을 포함한다. 몇몇 구현예에 있어서, 방법은, 기재를 연마하기 전에, 마그네틱 교반바(magnetic stir bar), 임펠러형 믹서, 다이어프램 펌프, 슬러리 펌프, 연동 펌프 및 고압 펌프 중 하나 이상을 사용해서 용액 중 복수의 탄산칼슘 입자를 분산제 및 음이온 계면활성제와 혼합하는 단계를 더 포함한다. 몇몇 구현예에 있어서, 기재는 복수의 특징부를 포함하고, 특징부의 각각은 약 1㎚ 내지 약 100㎚의 직경을 갖는다. 몇몇 구현예에 있어서, 연성 재료로 코팅된 기재의 표면을 연마하는 것은 기재의 표면에 실질적으로 스크래치 없이 일어난다. 몇몇 구현예에 있어서, 분산제 및 음이온 계면활성제 중 어느 한쪽 또는 둘 다는 슬러리의 제타 전위를 저감시킨다. 몇몇 구현예에 있어서, 슬러리의 제타 전위는 -50㎷ 이하이다.
몇몇 구현예에 있어서, 방법이 제공된다. 방법은 분산제와 음이온 계면활성제를 용액에 혼합하는 단계; 및 용액에 현탁된 복수의 탄산칼슘 입자를 첨가하여 슬러리를 형성시키는 단계를 포함하되, 슬러리 중 탄산칼슘 입자의 농도는 약 2.0 중량% 미만이다. 몇몇 구현예에 있어서, 방법은 시간 경과에 따라서 혼합하여 용액 중 탄산칼슘 입자의 현탁액을 유지시키는 단계를 더 포함한다.
이들 및 기타 구현예는 이하의 상세한 설명 및 도면을 참조하여 더욱 상세히 기재된다.
본 명세서에 개시된 각종 구현예는, 동일한 참조 부호가 유사한 요소를 지칭하는 첨부된 도면들 중의 도면에서 제한으로서가 아닌 예로서 예시된다.
도 1은 각종 분산제에 의한 탄산칼슘 슬러리의 제타 전위를 예시한 예시적인 데이터를 도시한다.
도 2는 각종 분자량의 폴리아크릴산나트륨 분산제에 의한 탄산칼슘 슬러리에 대한 제타 전위를 예시한 예시적인 데이터를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 상이한 농도의 폴리아크릴산나트륨 분산제에 의한 탄산칼슘 슬러리에 대한 제타 전위를 예시하는 예시적인 데이터를 도시한다.
도 4는 각종 계면활성제에 의한 탄산칼슘 슬러리의 제타 전위를 예시한 예시적인 데이터를 도시한다.
도 5는 도데실황산나트륨(SDS) 계면활성제와 조합된 각종 분산제에 의한 탄산칼슘 슬러리의 제타 전위를 예시한 예시적인 데이터를 도시한다.
도 6은 상이한 pH에서 탄산칼슘 슬러리의 제타 전위를 예시한 예시적인 데이터를 도시한다.
도 7은 분산제 및 계면활성제에 의한 첨가제 및 탄산칼슘 슬러리 없이 탄산칼슘 슬러리의 탁도를 예시한 예시적인 데이터를 도시한다.
도 8A 내지 도 8D는 각각 2시간, 4시간, 7시간 및 24시간 후에 상이한 크기의 탄산칼슘 입자를 가진 예시적인 탄산칼슘 슬러리의 화상을 도시한다.
도 9A는 다이어프램 펌프와 혼합된 2㎛ 슬러리 및 교반바와 혼합된 2㎛ 슬러리에 대해서 시간 경과에 따른 과대한 탄산칼슘 입자의 백분율을 예시한 예시적인 데이터를 도시한다.
도 9B는 다이어프램 펌프와 혼합된 700㎚ 슬러리 및 교반바와 혼합된 700㎚ 슬러리에 대해서 시간 경과에 따른 과대한 탄산칼슘 입자의 백분율을 예시한 예시적인 데이터를 도시한다.
도 10A는 교반바와 혼합된 2㎛ 슬러리 및 다이어프램 펌프와 혼합된 2㎛ 슬러리에 대한 고형분 퍼센트 측정치를 예시한 예시적인 데이터를 도시한다.
도 10B는 교반바와 혼합된 700㎚ 슬러리 및 다이어프램 펌프와 혼합된 700㎚ 슬러리에 대한 퍼센트 고체 측정치를 예시한 예시적인 데이터를 도시한다.
도 11a 내지 도 11c는 각종 예시적인 탄산칼슘 슬러리를 사용하여 연마된 기재의 일련의 화상을 도시한다.
도 12는 기재의 표면을 연마하기 위한 예시적인 방법을 예시한 흐름선도를 도시한다.
도 13은 탄산칼슘 슬러리를 제조하는 예시적인 방법을 예시한 흐름선도를 도시한다.
본 개시내용은 임의의 단일 양상으도, 구현예로도, 이러한 양상 및/또는 구현예의 임의의 조합 및/또는 치환으로도 제한되지 않는다. 또한, 본 개시내용의 양상 및/또는 이의 구현예의 각각은, 단독으로, 또는 다른 양상 및/또는 이의 구현예 중 하나 이상과 조합하여 사용될 수 있다. 간결화를 위하여, 이들 치환 및 조합의 다수가 본 명세서에서 개별적으로 논의 및/또는 예시되지 않을 것이다.
본 개시내용은 슬러리, 특히 비교적 긴 시간 기간에 걸쳐서 현탁 상태인 채로 있고 상대적으로 응집에 대해 내성이 있는 탄산칼슘 입자를 갖는 슬러리를 제공한다. 예를 들어, 탄산칼슘 입자를 가진 슬러리는 적어도 6일(예컨대, 7, 8, 9, 10, 12일 또는 그 이상) 동안 현택 상태로 유지되고 -50㎷ 이하인 제타 전위를 가짐으로써 응집에 대해서 상대적으로 내성이 있다. 슬러리는 연성 재료로 코팅된 기재를 비롯하여 기재를 연마하는데 사용될 수 있다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같이 그리고 본 개시내용을 통하여, "연성" 재료는 경화 또는 가교되는 임의의 중합체 재료 또는 단량체성 재료를 포함할 수 있다. 커다란 입자를 가진 슬러리 또는 입자의 응집물은 기재로부터 연성 재료의 연마 동안 스크래치를 일으킬 수 있다. 본 개시내용의 유효한 슬러리 제형은 비교적 작은 탄산칼슘 입자, 비교적 낮은 농도의 탄산칼슘 입자, 분산제, 및 계면활성제를 포함할 수 있으며, 여기서 분산제 및 계면활성제는 시간 경과에 따라서 현탁 상태로 입자를 유지시킬 수 있고, 응집을 저감시킬 수 있다.
일 양상에 있어서, 본 개시내용의 슬러리는 적어도 분산제 및 계면활성제를 포함한다. 슬러리는 용액에 현탁된 복수의 탄산칼슘 입자를 더 포함하되, 이 용액은 분산제 및 계면활성제를 포함한다. 몇몇 구현예에 있어서, 용액은 완충액을 더 포함할 수 있다. 복수의 탄산칼슘 입자의 평균 직경은 역치 평균 직경 미만과 같이 비교적 작을 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 탄산칼슘 입자는 약 5㎛ 이하, 약 10㎚ 내지 약 3㎛, 약 30㎚ 내지 약 2㎛, 약 300㎚ 내지 약 2㎛, 또는 약 500㎚ 내지 약 1㎛의 평균 직경을 지니며, 여기서 탄산칼슘 입자의 평균 직경에 대해서 용어 "약"은 기재된 값의 플러스 또는 마이너스 5 퍼센트 이내의 값을 지칭한다. 기타 보다 크거나 또는 보다 작은 값이 또한 가능하다. 슬러리 중 탄산칼슘의 농도는 약 5.0 중량% 이하, 약 2.0 중량% 이하, 약 0.05 중량% 내지 약 1.0 중량%, 약 0.1 중량% 내지 약 1.0 중량%, 또는 약 0.1 중량% 내지 약 0.5 중량%일 수 있고, 여기서 본 개시내용을 통하여 탄산칼슘의 농도에 대해서 용어 "약"은 기재된 값의 플러스 또는 마이너스 5 퍼센트 이내의 값을 지칭한다. 분산제는 용액 중 입자 분포를 안정화시키는 역할을 할 수 있다. 분산제는 슬러리의 제타 전위를 저감시키도록 선택될 수 있고, 여기서 더욱 음의 제타 전위는 입자가 서로 반발할 가능성이 많아지고 응집물을 형성할 가능성이 적어지는 것을 나타낸다. 몇몇 구현예에 있어서, 슬러리의 제타 전위는 약 -50㎷ 이하일 수 있다. 분산제의 예는 폴리아크릴산나트륨, n-규산나트륨, 테트라피로인산나트륨, 헥사메타인산나트륨, 폴리알루민산나트륨, 사붕산나트륨, 삼인산나트륨 및 시트르산나트륨을 포함한다. 분산제 및 계면활성제 중 한쪽 또는 둘 다는 슬러리의 탁도를 안정화시키는 역할을 할 수 있다. 계면활성제는 두 액체 사이 또는 액체와 고체 사이의 표면 장력을 낮추는 윤활제로서 역할할 수 있다. 일례에서, 슬러리는 표면 전하 축적을 제한하는 음이온 계면활성제를 포함할 수 있고, 이에 의해서 제타 전위를 저감시키므로 입자가 함께 응집하지 않게 될 것이다. 계면활성제의 예는 도데실황산나트륨(SDS), 폴리솔베이트, 및 옥틸페놀 에톡실레이트를 포함한다. 슬러리의 pH는 약 7 내지 약 12, 예컨대, 약 8.5 내지 약 10.5일 수 있다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "기재"는 고체 지지체를 지칭할 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 이 용어는 핵산의 침착을 위한 웰 또는 채널과 같은 특징부를 위한 고체 또는 반고체 기반으로서 역할할 수 있는 임의의 재료를 포함한다. 기재는 유리, 개질 유리, 기능화된 유리, 실리카, 석영, 실리콘, 플라스틱, 금속, 금속 산화물, 또는 이들의 조합을 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아닌 임의의 적절한 기재 재료를 포함할 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 개질 유리는 유리의 하나 이상의 특성을 변화시키는 유리 상의 재료의 두꺼운 층(예컨대, 약 5㎚ 초과)을 포함하고, 기능성 유리는 유리의 표면 상에 공유 또는 반공유 결합을 포함하고, 실리카는 전통적인 유리와는 상이한 기제 조성물을 가진 유형의 유리를 포함하며, 여기서 본 개시내용을 통하여 개질 유리의 두꺼운 층의 두께에 관하여 용어 "약"은 기재된 값의 플러스 또는 마이너스 10 퍼센트 이내의 값을 지칭한다. 몇몇 구현예에 있어서, 기재는 유리 상의 나노임프린트된 레지스트 재료와 같은 유리 상의 경화된 중합체 혼합물을 포함한다.
몇몇 구현예에 있어서, 기재는 하나 이상의 특징부를 포함할 수 있다. 특징부는 기재의 별개의 물리적 요소 또는 별개의 물리적 속성을 지칭할 수 있다. 별개의 물리적 요소는 물리적으로 또는 구조적으로 구분 가능한 기재의 성분을 포함할 수 있다. 기재의 별개의 물리적 속성은 물리적 또는 기능적 분리성을 제공하는 기재 자체의 양상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기재의 특징부는, 기재의 별개의 물리적 요소일 수 있는 웰 또는 채널의 형태일 수 있다. 기재는 생리적 또는 화학적 분석 시스템에 대한 어레이의 일부일 수 있다. DNA 또는 RNA 서열분석기 및 다른 생물학적 또는 화학적 분석 시스템과 같은 서열분석기는, 미세유체 흐름 채널이 내부에 제공된 유리 기재를 이용할 수 있다. 기재의 특징부의 치수는 나노미터(㎚) 스케일상에서 측정될 수 있으므로, 이러한 특징부는 몇몇 구현예에 따르면 나노-특징부로 지칭될 수 있다. 예를 들어, 나노-특징부는 0.5㎚ 내지 약 500㎚, 약 1㎚ 내지 약 100㎚, 또는 약 5㎚ 내지 약 50㎚의 직경을 가질 수 있고, 여기서 본 개시내용을 통하여 특징부의 직경에 대해서 용어 "약은 기재된 값의 플러스 또는 마이너스 10 퍼센트 이내의 값을 지칭한다.
연성 재료는 기재의 일부일 수 있거나 기재 상에 코팅될 수 있으며, 여기서 연성 재료는 경화 또는 가교되는 임의의 중합체 재료 또는 단량체성 재료를 포함할 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 기재는 중합체, 무기 하이드로겔, 또는 유기 중합체성 하이드로겔을 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아닌 연성 재료로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 연성 재료는 폴리아크릴아마이드 하이드로겔을 포함할 수 있다. 서열분석기는 동작 동안 기재의 하이드로겔-코팅된 표면에 대한 핵산 가닥의 부착에 의존할 수 있다. 몇몇 다른 구현예에 있어서, 기재는 실리콘-탄화수소 어레이를 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아닌 연성 재료로 제조될 수 있다.
몇몇 구현예에 있어서, 기재는 연성 재료의 하나 초과의 층으로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 기재 표면은 레지스트층으로 코팅될 수 있고, 유기 중합체성 하이드로겔은 레지스트층 상에 형성될 수 있다. 레지스트층과 유기 중합체성 하이드로겔은 "연성"인 것으로 간주될 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 레지스트층은 나노임프린트 리소그래피 방법을 통해서 코팅된 나노임프린트된 중합체성 레지스트 재료이다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 기재를 "연마"하는 것은 기재의 기계적 및/또는 화학적 처리를 지칭할 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 연마는 기재의 일부 또는 기재 상의 코팅의 제거를 지칭할 수 있다. 연마는 기재의 변경된 표면을 생성하기 위하여 기재를 문지르거나, 마찰시키거나, 평활화시키거나 또는 그 이외의 처리하는 것을 지칭할 수 있다. 연성 재료로 코팅된 기재를 연마하는 것은 기재로부터 연성 재료의 적어도 일부의 제거를 포함할 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 기재는 제1 연성 재료 및 제2 연성 재료로 코팅될 수 있고, 여기서 제2 연성 재료는 제1 연성 재료보다 적은 경도를 지니며, 기재를 연마하는 것은 제1 연성 재료의 제거 없이 제2 연성 재료의 제거를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기재 표면은 레지스트층보다 더 연성인 아크릴레이트 중합체층으로 코팅된 레지스트층을 포함할 수 있으며, 여기서 기재를 연마하는 것은 레지스트층을 손상시키는 일 없이 아크릴레이트 중합체층의 제거를 포함할 수 있다.
기재 또는 기재의 일부 상에 코팅된 연성 재료를 연마하기 위한 기존의 슬러리를 이용할 경우, 기재의 표면은 스크래치 형성되기 쉬울 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 연성 재료가 상부에 형성되는 하지층은 스크래치 형성되기 쉬울 수 있다. 스크래치 형성되기 쉬운 기재의 표면은 이러한 층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기재의 표면이 레지스트층을 포함하고 더 연성인 아크릴레이트 중합체층이 레지스트층 위에 배치되는 경우, 아크릴레이트 중합체층은 연마되지만 레지스트층은 기존의 슬러리에 의해 스크래치 형성될 수 있다. 또한, 기재 또는 기재의 일부 상에 코팅된 연성 재료는 기존의 슬러리로 최적화되기 어렵고 더 빠른 특징부 가우징(feature gouging)을 가지며, 이는 하나의 영역에서 재료의 과도한 제거를 일으키도록 연마 동안 표면 특징부에 묻히는 입자를 포함한다. 기존의 슬러리, 예컨대, 실리카 및 세리아 연마 슬러리는, 기재의 표면에 스크래치 형성할 수 있고 기재의 나노-특징부에 입자를 남길 수 있다. 그러나, 입자 없는 제형을 이용하는 기존의 방법은 연마 동안 높은 가변성을 나타내고, 긴 시행 시간을 필요로 하며, 나노-특징부를 세정하는 곤란성을 지니고, 연마기에 대한 기재 파단 및 변형을 초래할 수 있는 고압을 필요로 한다.
본 개시내용은 몇몇 예에서 슬러리를 포함하는 조성물을 제공하며, 여기서 슬러리는 액체 내 복수의 입자를 포함한다. 몇몇 구현예에 있어서, 본 개시내용의 조성물은 슬러리로 이루어지거나 또는 슬러리로 본질적으로 이루어진다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "슬러리"는 액체 내 입자를 포함하는 유체 혼합물을 지칭할 수 있다. 탄산칼슘 슬러리는 액체 내 탄산칼슘의 입자를 포함한다. 탄산칼슘 슬러리는 기재 또는 기재의 일부 상에 연성 재료를 연마 또는 제거할 수 있다. 또한, 슬러리 중 탄산칼슘 입자는 일반적으로 세리아 또는 실리카 입자보다 더 연성이고, 연마 동안 기재의 표면에 스크래치를 형성할 가능성이 더 적다. 또한, 탄산칼슘 슬러리는 일반적으로 세리아 또는 실리카 슬러리보다 더 싸다. 그러나, 큰 크기로 응집되는 큰 탄산칼슘 입자 또는 작은 탄산칼슘 입자는 연마 동안 기재의 표면에 스크래치를 형성할 것이고, 이에 의해서 성능 및 슬러리의 품질을 감소시킬 것이다.
긴 시간 기간 동안 탄산칼슘 입자를 현탁 상태로 유지시키고 탄산칼슘 입자의 응집에 내성이 있는 유효한 탄산칼슘 슬러리가 제제화될 수 있다. 이것은 탄산칼슘 슬러리가 기존의 슬러리에 비해서 더 강인하고 재생 가능한 방식으로 표면의 스크래치가 적은 기재의 표면으로부터 연성 재료를 연마시킬 수 있게 한다. 연마의 성능 또는 품질은 슬러리 내 입자의 크기, 입자의 응집 경향 및 고형분 전달의 점조도(consistency)의 관점에서 탄산칼슘 슬러리의 제제와 상관이 있을 수 있다. 슬러리 내 입자의 크기는 동적 광 산란(dynamic light scattering: DLS)에 의해 측정될 수 있고, 입자의 응집 경향은 슬러리의 제타 전위에 대응할 수 있으며, 고형분 전달의 점조도는 탁도를 이용해서 적어도 부분적으로 결정될 수 있다.
입자 크기는 DLS를 이용해서 결정될 수 있다. 몇몇 예에서, DLS는 브라운 운동을 겪는 입자로부터 광을 산란시키는 레이저를 사용해서, 입자의 속도를 결정한다. 점도 및 입자의 온도를 아는 것에 의해, DLS 기기는 입자의 크기를 계산한다. 보다 큰 입자는 보다 느린 브라운 운동을 겪고, 보다 작은 입자는 더 빠르게 이동한다. DLS는 입자의 크기 분포 및 역치 직경 이상의 직경, 예컨대, 약 4㎛ 이상의 직경을 갖는 입자의 백분율을 결정할 수 있다.
연마의 품질은 슬러리 중 큰 입자의 존재에 의해 역으로 영향받을 수 있다. 큰 입자의 일부는 보다 작은 입자의 응집물을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 용어 "큰 입자" 또는 "과대한 입자"는 역치 직경 이상의 직경을 가진 입자, 또는 역치 직경 이상의 직경을 가진 보다 작은 입자의 응집물을 포함한다. 몇몇 구현예에 있어서, 역치 직경은 약 3㎛, 약 4㎛, 약 5㎛, 약 6㎛, 약 7㎛, 약 8㎛, 약 9㎛, 또는 약 10㎛일 수 있다. 커다란 입자 또는 과대한 입자에 대한 역치 직경을 확립하는 것이 기재의 조성물, 슬러리의 조성물, 연마 동안 인가된 압력, 표면 특징부의 크기, 표면 손상에 대한 전위, 연마 패드 선택, 유리가 기능화된 재료(예컨대, 이 재료가 더 연화된 경우, 스크래치 형성되기 더 쉬울 수 있음) 등과 같은 각종 인자에 좌우될 수 있음이 이해될 것이다. 예로써, 큰 입자 또는 과대한 입자에 대한 역치 직경은 유리 기재 상의 연성 재료를 연마할 경우 약 4㎛ 이상일 수 있고, 여기서 4㎛ 이상의 직경을 가진 입자는 유리 기재의 표면에 스크래칭을 낼 가능성이 있을 수 있다. 연마된 표면에 대한 스크래치는 이미저(imager) 및 현미경을 사용해서 결정될 수 있다.
슬러리 중 복수의 입자의 평균 직경이 복수의 입자의 크기 분포가 역치 직경 이상인 입자의 작은 백분율을 갖도록 슬러리 내 큰 입자 또는 과대한 입자의 수를 제한하는 것이 바람직할 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 복수의 입자의 크기 분포는 역치 직경 이상인 입자의 총수의 약 10% 미만, 약 5% 미만, 또는 약 3% 미만을 갖는다. 평균 직경에 관하여 예를 예시하기 위하여, 탄산칼슘 슬러리는 용액에 현탁된 복수의 입자를 포함할 수 있으며, 여기서 복수의 탄산칼슘 입자의 평균 직경은 약 5㎛ 이하, 약 10㎚ 내지 약 3㎛, 약 30㎚ 내지 약 2㎛, 약 300㎚ 내지 약 2㎛, 또는 약 500㎚ 내지 약 1㎛이고, 본 개시내용을 통하여 복수의 탄산칼슘 입자의 평균 직경에 대해서 용어 "약은 기재된 값의 플러스 또는 마이너스 5 퍼센트 이내의 값을 지칭한다. 몇몇 구현예에 있어서, 탄산칼슘 입자의 평균 직경에 대한 표준 편차는 플러스 또는 마이너스 120㎚ 이내일 수 있다. 크기 분포에 대해서 예를 예시하기 위하여, 탄산칼슘 슬러리는 용액에 현탁된 복수의 입자를 포함할 수 있고, 탄산칼슘 입자의 총수의 약 5% 미만은 약 4㎛ 이상의 직경을 지니며, 본 개시내용을 통하여 탄산칼슘 입자의 총수의 백분율에 대해서 용어 "약"은 기재된 값의 플러스 또는 마이너스 5 퍼센트 이내의 값을 지칭한다.
용액에 현탁된 탄산칼슘 입자의 크기는 초기에 작을 수 있지만, 탄산칼슘 입자는 시간 경과에 따라서 자연적으로 응집되어 더 큰 입자 또는 응집물을 형성할 수 있다. 큰 입자 또는 응집물의 존재는 연마 동안 기재의 표면의 스크래치 가능성을 증가시킨다. 입자 응집은 입자 전하 반발에 의해 저감될 수 있다. 제타 전위는 콜로이드 분산액의 안정성의 지시자이고, 응집되는 슬러리 내 입자의 성향을 결정하기 위하여 미터법으로서 역할한다. 제타 전위는 전기 이중층으로부터 멀리 액체 중 하나의 지점에 관하여 입자에 대한 미끄럼 평면의 위치에서 전기 이중층 내 전기 전위를 지칭할 수 있다. 전기 이중층은, 전기 인력 및 열 이동의 영향하에 유체 중에서 이동하는 하전된 종을 포함할 수 있는, 유체에 노출된 경우 입자의 표면에 나타나는 층이다. 제타 전위는 헨리의 방정식: UE = 2εzF(ka)/3η에 의해 전기영동 이동도에 관한 양이며, 여기서 UE는 전기영동 이동도이고, z는 제타 전위이며, ε는 유전상수이고, F(ka)는 헨리의 함수이며, η는 점수이다. 극성 매질에서, F(ka)는 대략 1.5이고, 비극성 매질에서, F(ka)는 대략 1이다. 몇몇 구현예에 있어서, 제타 전위는 말번 제타사이저(Malvern Zetasizer)를 이용해서 측정될 수 있다. 더 음성 제타 전위는 슬러리 내 입자가 서로 강하게 반발하여 응집물을 형성할 가능성이 적은 것을 나타낸다. 더 양의 제타 전위는 슬러리 내 입자가 서로 유인하여 응집물을 형성할 가능성이 더 많은 것을 나타낸다.
용액의 이온 강도는 제타 전위에 대한 효과를 가질 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 용액의 이온 강도는 완충제 및 완충제의 농도에 의해 조절될 수 있다. 완충제의 농도는 용매, 예컨대, 물에 완충제를 희석시킴으로써 조절될 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 완충제는 트리스(하이드록시메틸)아미노메탄(TRIS) 완충제를 포함할 수 있다. 기타 가능한 완충제는 인산나트륨, 시트르산나트륨, 및 탄산나트륨을 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 몇몇 구현예에 있어서, 완충제는 또한 용액 중 9 내지 12의 pH를 달성 가능할 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, TRIS 완충제는 바람직한 농도로 희석될 수 있다. 예를 들어, 0.1M TRIS 완충제는 약 0.01M 내지 약 0.05M, 또는 약 0.02M 내지 약 0.04M의 농도를 얻도록 탈이온수에 의해 희석될 수 있다.
몇몇 구현예에 있어서, 용액은 킬레이트제, 예컨대, 에틸렌다이아민테트라아세트산(EDTA)을 더 포함할 수 있다. 기타 킬레이트제는 다이에틸렌트라이아민펜타아세트산(DTPA) 및 나이트릴로트라이아세트산(NTA)을 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 킬레이트제는 용액 중 금속 이온, 예컨대, 칼슘 이온을 봉쇄 가능할 수 있다.
첨가제는 슬러리에 도입되어 슬러리의 제타 전위를 저감시킬 수 있다(즉, 더 음의 값으로 할 수 있다). 슬러리의 제타 전위를 저감시키기 위한 첨가제는 분산제 및 계면활성제를 포함할 수 있지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 이러한 첨가제는 탄산칼슘 슬러리의 용액의 일부인 것으로 여겨질 수 있는 한편, 본 명세서에서 논의된 바와 같은 탄산칼슘 입자는 탄산칼슘 슬러리의 용액에 현탁된 것으로 여겨질 수 있다. 몇몇 슬러리, 예컨대, 실리카 또는 실리콘-기반 슬러리는 약 -30㎷ 이상의 제타 전위를 지닌다. 몇몇 구현예에 있어서, 1종 이상의 첨가제를 가진 탄산칼슘 슬러리는 약 -30㎷ 이하, 약 -40㎷ 이하, 약 -50㎷ 이하, 또는 약 -60㎷ 이하의 제타 전위를 지니며, 여기서 본 개시내용을 통하여 슬러리의 제타 전위에 대해서 용어 "약"은 기재된 값의 플러스 또는 마이너스 5 퍼센트 이내의 값을 지칭한다.
슬러리의 제타 전위를 저감시키기 위한 첨가제의 하나의 유형은 분산제이다. 분산제는 액체계에 입자 분포를 안정화시키는데 사용되는 제제이다. 이것은 현탁액 중 입자의 분리를 개선시키기 위하여 현탁액에 첨가된 중합체 또는 분자를 포함할 수 있다. 분산제는 현탁액 중 입자의 전기 이중층을 증가시켜 응집물을 저감시킨다. 탄산칼슘 슬러리에 첨가된 분산제의 예는 각종 분자량의 폴리아크릴산나트륨, n-규산나트륨, 테트라피로인산나트륨, 헥사메타인산나트륨, 폴리알루민산나트륨, 사붕산나트륨, 삼인산나트륨, 시트르산나트륨, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. 몇몇 구현예에 있어서, 분산제는 약 0.01 중량% 내지 약 50.0 중량%, 약 0.1 중량% 내지 약 10.0 중량%, 또는 약 0.5 중량% 내지 약 5.0 중량%의 슬러리 중 농도를 가지며, 여기서 본 개시내용을 통하여 슬러리 중 분산제 농도에 대해서 용어 "약"은 기재된 값의 플러스 또는 마이너스 10 퍼센트 이내의 값을 지칭한다. 예를 들어, 분산제는 약 0.1 중량% 내지 약 0.5 중량%의 슬러리 중 농도를 가질 수 있다.
도 1은 각종 분산제를 가진 탄산칼슘 슬러리의 제타 전위를 예시한 예시적인 데이터를 도시한다. 도 1에서의 탄산칼슘 슬러리는 pH 10.4에서 0.03M TRIS를 가진, 0.125 중량%의 2㎛ 탄산칼슘 입자를 포함하였다. 4종의 상이한 분산제가 시험되었다: 분자량 15,000을 가진 폴리아크릴산나트륨, 분자량 1,200을 가진 폴리아크릴산나트륨, 테트라피로인산나트륨, 및 시트르산나트륨. 이들 분산제의 각각은 슬러리 중 0.25 중량%의 농도에서 용액에 첨가하였다. 대조군 슬러리(분산제 없음)로부터의 데이터가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 탄산칼슘 슬러리 중 분산제의 첨가는 슬러리의 제타 전위를 저감시킨다. 분산제로서의 폴리아크릴산나트륨은 도 1에서의 시험된 분산제 간 제타 전위에 대한 최대 효과를 지닌다.
분산제의 분자량은 슬러리 중에서 응집하는 입자의 경향에 영향을 미칠 수 있다. 몇몇 예에서, 분자량이 너무 작으면, 분산제 중의 짧은 사슬은, 응집을 방지하는 충분히 두꺼운 장벽을 제공하지 못하게 되어, 용액에 현탁된 입자의 부착을 초래하여 보다 큰 크기의 다발을 형성할 것이다. 그러나, 분자량이 너무 크면, 분산제가 응집제로서 작용하기 시작할 것이다.
도 2는 폴리아크릴산나트륨 분산제의 각종 분자량을 가진 탄산칼슘 슬러리에 대한 제타 전위를 예시한 예시적인 데이터를 나타낸다. 폴리아크릴산나트륨은 상이한 분자량으로 되고, 적절한 분자량의 선택은 제타 전위를 낮추는데 중요할 수 있다. 도 2에서의 탄산칼슘 슬러리는 pH 10.4에서 0.03M TRIS 완충제를 가진 0.125 중량% 2㎛ 탄산칼슘 입자를 포함하였다. 15,000, 8,000, 5,100 및 1,200의 4가지 상이한 분자량에서 폴리아크릴산나트륨을 탄산칼슘 슬러리의 각 샘플에 0.25 중량%에서 첨가하고 시험하였다. 도 2에서, 1,200의 분자량 내지 15,000의 분자량 간의 제타 전위는 약간 차이를 나타내었다. 도 2에서 시험된 각종 분자량이 적절한 차이를 나타내지 않았지만, 아마도 추가의 극값에서의 분자량이 제타 전위에 대한 보다 큰 효과를 나타낼 가능성이 있다.
슬러리 중 분산제의 농도는 또한 응집하는 입자의 경향에 영향을 미칠 수 있다. 분산제의 농도가 너무 낮다면, 입자에 흡착된 분산제 분자는 입자의 각각을 단지 부분적으로 덮을 수 있어, 입자의 전기 이중층을 증가시킴에 있어서 제한된 성능을 제공할 수 있다. 분산제의 농도가 너무 높다면, 입자에 흡착된 분산제 분자의 분자 구조는 자체에 대해서 붕괴 또는 "접힘(fold back)" 가능할 수 있고, 이에 의해서 입자를 응집 또는 집합될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 하나의 비제한적인 작용예에서 상이한 농도의 폴리아크릴산나트륨 분산제를 가진 탄산칼슘 슬러리에 대한 제타 전위를 예시한 예시적인 데이터를 도시한다. 도 3a는 0.025 중량% 내지 25.0 중량%의 폴리아크릴산나트륨 분산제 농도에 대한 제타 전위 데이터를 도시한다. 도 3b는 0.1 중량% 내지 0.5 중량%의 폴리아크릴산나트륨 분산제 농도에 대한 제타 전위 데이터를 도시한다. 폴리아크릴산나트륨은 1,200의 분자량을 지녔다. 도 3a 및 도 3b에서의 탄산칼슘 슬러리는 pH 10.4에서 0.03M TRIS 완충제를 가진 0.125 중량% 2㎛ 탄산칼슘 입자를 포함하였다. 도 3a 및 도 3b에서, 약 0.1 중량% 내지 약 0.5 중량%, 또는 약 0.2 중량% 내지 약 0.4 중량%의 분산제 농도를 가진 슬러리는 최저 제타 전위를 나타내었다.
슬러리의 제타 전위를 저감시킬 수 있는 다른 유형의 첨가제는 계면활성제이다. 계면활성제는, 고체-액체계이든지 또는 액체-액체계이든지 간에, 하나의 상을 다른 상으로 확산시키는 것을 돕는 제제이다. 계면활성제는 두 액체 간 또는 액체와 고체 간에 표면장력을 저감시키는 역할을 한다. 즉, 계면활성제는 윤활제와 같이 작용할 수 있다. 탄산칼슘 슬러리에서, 슬러리에 첨가된 계면활성제는 음이온 계면활성제일 수 있다. 음이온 계면활성제는 일단부 음이온 작용기, 예컨대, 황산염, 설폰산염, 인산염 및 카복실산염 작용기를 함유한다. 일단부에 음 전하를 가짐으로써, 음이온 계면활성제는 표면 전하 축적치가 탄산칼슘 입자 상에서 너무 높게 되는 것을 방지할 수 있다. 그와 같이, 탄산칼슘 입자는 응집되지 않는다. 탄산칼슘 슬러리에 첨가된 계면활성제의 예는 도데실황산나트륨(SDS), 폴리솔베이트, 옥틸페놀 에톡실레이트, 또는 이들의 조합물을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되는 것은 아니다. Tween® 20은 폴리솔베이트의 일례이고, Triton™ X-100은 옥틸페놀 에톡실레이트의 일례이다. Tween® 20은 영국 요크셔 이스트 라이딩에 소재한 크로다 인터내셔널사(Croda International plc)에 의해 제조된다. Triton™ X-100은 미국 펜실베니아주 필라델피아에 소재한 롬앤하스사(Rohm and Haas Company)에 의해 제조된다. 계면활성제의 농도의 선택은 계면활성제의 임계 마이셀 농도에 의존할 수 있다. 임계 마이셀 농도는 그 이상에서 계면활성제가 용액 중 마이셀을 형성하게 되는 계면활성제 농도이다. 몇몇 구현예에 있어서, 계면활성제는 약 0.01 중량% 내지 약 10.0 중량%, 약 0.05 중량% 내지 약 5.0 중량%, 또는 약 0.1 중량% 내지 약 2.0 중량%의 슬러리 중 농도를 지니며, 여기서 본 개시내용을 통하여 슬러리 중 계면활성제 농도에 대해서 용어 "약"은 기재된 값의 플러스 또는 마이너스 10 퍼센트 이내의 값을 지칭한다.
도 4는 각종 계면활성제를 가진 탄산칼슘 슬러리의 제타 전위를 예시한 예시적인 데이터를 도시한다. 도 4에서의 탄산칼슘 슬러리는 pH 10.4에서의 0.03M TRIS 완충제를 가진 0.125 중량% 2㎛ 탄산칼슘 입자를 포함하였다. 3종의 상이한 계면활성제가 시험되었다: SDS, Tween® 20 및 Triton™ X-100. 이들 계면활성제의 각각은 0.125 중량%의 농도에서 첨가되었다. 도 4에 도시된 바와 같이, 탄산칼슘 슬러리 중 계면활성제의 첨가는 슬러리의 제타 전위를 저감시킨다. 계면활성제로서의 SDS는 도 4에서의 시험된 계면활성제 간의 제타 전위에 대해서 가장 큰 효과를 지녔다.
계면활성제와 분산제가 슬러리의 용액에 첨가될 수 있다. 슬러리 중 계면활성제와 분산제의 조합은 개별적으로 계면활성제 또는 개별적으로 분산제보다 제타 전위에 대한 심지어 더 큰 효과를 가질 수 있다. 도 5는 SDS 계면활성제와 조합된 각종 분산제를 가진 탄산칼슘 슬러리의 제타 전위를 예시한 예시적인 데이터를 도시한다. 도 5에서의 탄산칼슘 슬러리는 pH 10.4에서 0.03M TRIS 완충제를 가진 0.125 중량% 2㎛ 탄산칼슘 입자를 포함하였다. SDS와 조합된 폴리아크릴산나트륨은 SDS와 조합된 테트라피로인산나트륨보다 더 음성인 제타 전위를 지녔다. 따라서, SDS와 조합된 폴리아크릴산나트륨은 슬러리의 제타 전위를 저감시킴에 있어서 더욱 유효하였다.
슬러리의 pH는 슬러리의 제타 전위에 영향을 미칠 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 탄산칼슘의 pKa에 더 가까운 pH는 더 낮은 제타 전위를 가질 가능성이 있다. 탄산칼슘의 pKa는 약 9이다. 또한, 슬러리의 pH는 슬러리의 성능 및 양에 영향을 미칠 수 있는데, 여기서 pH의 양의 극값 및 음의 극값 둘 다가 유해할 수 있다. 일례에서, 너무 낮은 pH에서, 탄산칼슘 입자가 용해된다. 일례에서, 너무 높은 pH에서, 탄산칼슘 슬러리는 전극을 부식시킬 수 있고 기재의 유동 세포 화학을 손상시킬 수 있다 미칠 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 탄산칼슘 슬러리의 pH는 약 7 내지 약 12, 예컨대, 약 8.5 내지 약 10.5이며, 여기서 본 개시내용을 통하여 pH에 대해서 용어 "약"은 기재된 값의 플러스 또는 마이너스 5 퍼센트 이내의 값을 지칭한다. 특정 예에서, 탄산칼슘 슬러리의 pH는 약 9일 수 있다.
도 6은 상이한 pH에서 탄산칼슘 슬러리의 제타 전위를 예시한 예시적인 데이터를 도시한다. 도 6에서의 탄산칼슘 슬러리는 0.125 중량% SDS 및 0.03M TRIS 완충제를 가진 0.125 중량% 2㎛ 탄산칼슘 입자를 포함하였다. 도 6은 슬러리의 pH가 슬러리의 제타 전위에 영향을 미치는 것을 나타낸다. 탄산칼슘 슬러리는 pH 7.5에서보다 pH 10.4에서 더 음의 제타 전위를 지녔다. 이것은 더 낮은 pH값에서 탄산칼슘 입자의 용해에 부분적으로 연유될 수 있다.
앞서 논의된 바와 같이, 탄산칼슘 슬러리에서의 고형분 전달의 점조도는 탁도를 이용해서 결정될 수 있다. 탁도는 액체에 현탁된 입자에 의해 초래되는 유체의 흐림(cloudiness) 또는 헤이즈(haziness)의 측정치이다. 탁도가 너무 낮으면, 탄산칼슘 입자는 일정 시간 기간 후에 현탁 상태로 있기보다는 오히려 침강될 수 있다. 이것은 탄산칼슘 슬러리를 가진 기재를 연마하는 효능을 역으로 제한할 수 있다. 탁도의 측정 단위는 NTU(Nephelometric Turbidity Unit)이며, 이것은 입자의 입사 광빔으로부터 90도 각도에서 산란된 광량의 측정치이다. 입자의 침강률 및 입자가 얼마나 잘 현탁 상태로 유지되는지는 일정 시간 기간에 걸쳐서 탁도 측정치를 취함으로써 결정될 수 있다. 시간 경과에 따른 저감된 탁도 측정치는 입자가 더 빠르게 침강되고 현탁 상태로 있지 않은 것을 나타낸다.
도 7은 첨가제 없는 탄산칼슘 슬러리와 분산제 및 계면활성제를 가진 탄산칼슘 슬러리의 탁도를 예시한 예시적인 데이터를 도시한다. 탁도는 pH 9에서의 0.05M TRIS 완충제를 가진 0.0625 중량% 2㎛ 탄산칼슘 입자를 갖는 대조군 슬러리에 대해서 1시간의 과정에 걸쳐서 매 15분마다 측정되었다. 대조군 슬러리는 계면활성제 또는 분산제를 지니지 않았다. 탁도는 또한 1,200의 분자량을 가진 0.25 중량% 폴리아크릴산나트륨이 첨가되고 0.125 중량% SDS가 첨가된 동일한 슬러리에 대해서 1시간의 과정에 걸쳐서 매 15분마다 측정되었다. 1시간의 간격에서, 대조군 슬러리는 탁도를 저감시켰으며, 이것은 분산제 및 계면활성제의 부재가 슬러리 중 입자의 침강률을 증가시키는 것을 나타낸다. 그러나, 분산제를 지니고 계면활성제를 지니는 탄산칼슘 슬러리는 실질적으로 유사한 탁도를 유지시켰으며, 이것은 분산제 및/또는 계면활성제의 존재가 슬러리를 안정화시키는 것을 나타낸다. 분산제 및/또는 계면활성제의 첨가는 긴 시간 기간에 걸쳐 탄산칼슘 입자를 현탁 상태로 유지시키는 것에 기여할 수 있다.
침강률 및 입자가 얼마나 잘 현탁 상태인지는 또한 시간 경과에 따라서 육안으로 점검될 수 있다. 탄산칼슘 입자의 입자 크기는 탄산칼슘 슬러리의 침강률에 영향을 미칠 수 있다. 도 8A 내지 도 8D는 2시간, 4시간, 7시간 및 24시간 후에 탄산칼슘 입자의 상이한 크기를 가진 탄산칼슘 슬러리의 화상을 도시한다. 각 탄산칼슘 슬러리 샘플은 pH 9에서 0.125 중량% 탄산칼슘, 0.125 중량% SDS, 0.25 중량% 폴리아크릴산, 1mM EDTA 및 0.1M TRIS를 포함하였다. 하나의 샘플은 2㎛ 탄산칼슘 입자를 포함하였으며, 2개의 샘플은 0.7㎛ 탄산칼슘 입자를 포함하였고, 하나의 샘플은 0.2㎛ 입자를 포함하였다. 24시간 후에, 2㎛ 탄산칼슘 입자의 침강률은 다른 것보다 현저하게 더 컸다. 더 작은 입자가 더 큰 입자보다 더 느린 침강률을 가질 수 있다.
슬러리 내 입자가 시간 경과에 따라 침강할 뿐만 아니라, 슬러리 내 입자가 시간 경과에 따라 응집될 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 상이한 혼합 또는 교반 기구가 용액 중 복수의 탄산칼슘 입자를 순환 또는 혼합시키는데 사용될 수 있다. 이러한 혼합 또는 교반 기구는 고형분 퍼센트를 일정하게 유지할 수 있고, 일정한 혼합과 함께 슬러리의 수명을 증가시킬 수 있으며, 연마 품질에 바람직하지 않은 응집물의 형성을 방지 또는 다르게는 저감시킬 수 있다. 혼합 또는 교반 기구는 또한 입자의 일부를 더 작은 크기로 파단시킬 수 있다. 혼합 또는 교반 기구의 예는 다이어프램 펌프, 마그네틱 교반바, 임펠러형 믹서, 슬러리 펌프, 연동 펌프 및 고압 펌프를 포함하지만, 이들로 제한되는 것은 아니다.
소정의 역치 직경 이상의 직경을 가진 입자 또는 응집물은 과대하고 유해한 것으로 간주될 수 있다. 하나의 특정 에에서, 약 4㎛ 초과의 직경을 가진 입자 또는 응집물은 과대하고 유해한 것으로 간주될 수 있다. 그러나, 유해한 또는 과대한 입자 또는 응집물을 확립하기 위한 다른 역치 직경이 적절한 것이 이해된다. 연마 전의 혼합 또는 교반 기구의 사용은 과대한 입자로의 입자의 응집을 제한할 수 있다.
도 9A는 다이어프램 펌프와 혼합된 2㎛ 슬러리 및 교반바와 혼합된 2㎛ 슬러리에 대해서 시간 경과에 따른 과대한 탄산칼슘 입자의 백분율을 예시한 예시적인 데이터를 도시한다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, X㎛ 슬러리는 X㎛의 평균 직경을 지닌 입자를 갖는 슬러리를 지칭하고, Y㎚ 슬러리는 Y㎚의 평균 직경을 지닌 입자를 갖는 슬러리를 지칭한다. 몇몇 구현예에 있어서, 평균 직경에 대한 표준 편차는 플러스 또는 마이너스 120㎚ 또는 플러스 또는 마이너스 400㎚일 수 있다. 이 예에서, 과대한 입자는 직경이 4㎛보다 큰 입자이다. 3일 후에, 탄산칼슘 입자의 총수의 대략 4%는 두 펌프에 대해서 직경이 4㎛보다 컸다. 6일 후에, 탄산칼슘 입자의 총수의 거의 10%는 두 펌프에 대해서 직경이 4㎛보다 컸다.
도 9B는 다이어프램 펌프와 혼합된 700㎚ 슬러리와 교반바와 혼합된 700㎚ 슬러리에 대해서 시간 경과에 따른 과대한 탄산칼슘 입자의 백분율을 예시한 예시적인 데이터를 도시한다. 6일 후에도, 탄산칼슘 입자의 총수의 2% 미만은 두 펌프에 대해서 4㎛ 직경보다 컸다. 도 9A 및 도 9B는 유해한 크기로 응집되는 700㎚ 입자보다 더 적은 2㎛ 입자를 취할 수 있다는 것을 나타낸다.
입자의 침강률은 탁도 측정에 부가해서 또는 이것 대신에 고형분 퍼센트 측정을 이용해서 측정될 수 있다. 고형분 퍼센트 측정은 원심분리, 흡입 및 건조 전후에 샘플 중량을 비교함으로써 행해질 수 있다. 예를 들어, 고형분 퍼센트 측정은 0.25 중량% 폴리아크릴산나트륨, 0.125 중량% SDS, 및 pH 9의 TRIS 완충제와 함께 0.25 중량% 탄산칼슘 입자를 가진 슬러리에 대해서 수행되었다. 고형분 퍼센트 측정은 7일의 기간에 걸쳐서 수행되었고, 여기서 1㎖ 분취액이 각 일에 취해졌고, 1시간 동안 60℃ 오븐에서 건조되었으며, 중량 차이가 측정되었다. 도 10A는 교반바와 혼합된 2㎛ 슬러리 및 다이어프램 펌프와 혼합된 2㎛ 슬러리에 대한 고형분 퍼센트 측정을 예시한 예시적인 데이터를 도시한다.
도 10B는 교반바와 혼합된 700㎚ 슬러리 및 다이어프램 펌프와 혼합된 700㎚ 슬러리를 위한 고형분 퍼센트 측정치를 예시한 예시적인 데이터를 도시한다. 1일 이내에, 도 10A 및 도 10B 둘 다에서, 다이어프램 펌프에서 고형분의 양은 첨예하게 감소하는 한편 교반바 고형분 퍼센트는 이를 현저하게 유지시켰다. 따라서, 교반바는 현탁된 입자를 유지함에 있어서 더욱 효과적이었다.
몇몇 구현예에 있어서, 연마된 표면의 품질은 이미저 및 현미경을 이용하여 연마된 표면 상의 스크리치의 양에 의해 부분적으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 기재의 연마된 표면 상의 스크래치는 니콘(Nikon) 고해상도 이미저 및 제이스(Zeiss) 공초점 현미경을 이용해서 결정될 수 있다. 탄산칼슘 슬러리는 하지층에 스크래치 없이 또는 실질적으로 스크래치 없이 기재 상에 코팅된 하나 이상의 연성 재료를 연마할 수 있다. 예를 들어, 스크래치의 맥락에서 "실질적으로"는 광학 현미경을 이용해서 관찰된 경우 1㎛ 이상인 크기를 갖는 임의의 스크래치의 존재를 지칭한다. 도 11a 내지 도 11c는 탄산칼슘 슬러리를 이용해서 연마된 기재의 일련의 화상을 도시한다. 도 11a는 2㎛ 입자 및 분산제로 연마된 기재의 화상을 도시한다. 기재의 일부 스크래치는 기재의 에지 부근에서 나타났다. 도 11b는 2.5㎛ 탄산칼슘 슬러리로 연마된 기재의 화상을 도시하고, 도 11c는 4.5㎛ 탄산칼슘 슬러리로 연마된 기재의 화상을 도시한다. 커다란 입자로 연마된 기재는 더 작은 입자를 이용해서 연마된 기재보다 더 많은 스크래치를 나타내었다.
도 12는 기재의 표면을 연마하기 위한 예시적인 방법을 예시하는 흐름선도를 도시한다. 방법(1200)은 상이한, 더 적은, 또는 추가적인 동작으로 수행될 수 있다.
방법(1200)의 블록(1220)에서, 기재의 표면을 탄산칼슘 슬러리로 연마하며, 여기서 기재는 연성 재료로 코팅된다. 탄산칼슘 슬러리는 분산제, 음이온 계면활성제, 및 용액에 현탁된 복수의 탄산칼슘 입자를 포함한다.
몇몇 구현예에 있어서, 방법(1200)의 그리고 블록(1220) 전의 블록(1210)에서, 복수의 탄산칼슘 입자는 분산제 및 음이온 계면활성제를 포함하는 용액에서 선택적으로 혼합되어 탄산칼슘 슬러리를 형성한다. 혼합은 마그네틱 교반바, 임펠러형 믹서, 다이어프램 펌프, 슬러리 펌프, 연동 펌프 및 고압 펌프 중 하나 이상을 이용해서 일어날 수 있다.
몇몇 구현예에 있어서, 탄산칼슘 슬러리 중 탄산칼슘 입자의 농도는 약 2.0 중량% 미만이다. 연성 재료는 중합체, 무기 하이드로겔, 또는 유기 중합체성 하이드로겔을 포함할 수 있다. 예를 들어, 연성 재료는 유기 중합체성 하이드로겔을 포함할 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 기재는 복수의 특징부를 포함하되, 특징부의 각각은 약 0.5㎚ 내지 약 500㎚, 약 1㎚ 내지 약 100㎚, 또는 약 5㎚ 내지 약 50㎚의 직경을 갖는다. 몇몇 구현예에 있어서, 연성 재료로 코팅된 재료의 표면을 연마하는 것은 기재의 표면에 실질적으로 스크래치 없이 일어난다. 분산제와 음이온 계면활성제 중 한쪽 또는 둘 다는 슬러리의 제타 전위를 저감시킨다. 몇몇 구현예에 있어서, 슬러리의 제타 전위는 약 -50㎷ 이하이다.
도 13은 탄산칼슘 슬러리를 제조하기 위한 예시적인 방법을 예시한 순서도를 도시한다. 방법(1300)은 상이하거나, 더 적거나 또는 부가적인 동작으로 수행될 수 있다.
방법(1300)의 블록(1310)에서, 분산제와 음이온 계면활성제는 용액에서 혼합된다. 용액은 목적하는 이온 강도를 가질 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 용액은 완충액 및 물 중 한쪽 또는 둘 다를 포함한다. 몇몇 구현예에 있어서, 분산제는 폴리아크릴산나트륨, n-규산나트륨, 테트라피로인산나트륨, 헥사메타인산나트륨, 폴리알루민산나트륨, 사붕산나트륨, 삼인산나트륨, 시트르산나트륨, 또는 이들의 조합물을 포함하고, 음이온 계면활성제는 도데실황산나트륨(SDS), 폴리솔베이트, 옥틸페놀 에톡실레이트, 또는 이들의 조합물을 포함한다.
방법(1300)의 블록(1320)에서, 복수의 탄산칼슘 입자를 용액에 첨가하여 슬러리를 형성하되, 슬러리 중 탄산칼슘 입자의 농도는 약 2.0 중량% 이하이다. 몇몇 구현예에 있어서, 슬러리 중 탄산칼슘 입자의 농도는 약 0.05 중량% 내지 약 1.0 중량%이다. 복수의 탄산칼슘 입자는 용액에 현탁될 수 있다. 슬러리의 제타 전위는 약 -30㎷ 이하, 약 -40㎷ 이하, 약 -50㎷ 이하, 또는 약 -60㎷ 이하이다. 예를 들어, 슬러리의 제타 전위는 약 -50㎷ 이하이다. 복수의 탄산칼슘 입자의 평균 직경은 비교적 작을 수 있는데, 여기서 평균 직경은 약 5㎛ 이하, 약 10㎚ 내지 약 3㎛, 약 30㎚ 내지 약 2㎛, 약 300㎚ 내지 약 2㎛, 또는 약 500㎚ 내지 약 1㎛이다. 몇몇 구현예에 있어서, 탄산칼슘 입자의 총수의 약 5% 미만은 약 4㎛ 초과의 직경을 갖는다.
몇몇 구현예에 있어서, 방법(1300)의 블록(1330)에서, 복수의 탄산칼슘 입자는 선택적으로 시간 경과에 따라 혼합되어 용액 중 탄산칼슘 입자의 현탁액을 유지시킨다. 몇몇 구현예에 있어서, 복수의 탄산칼슘 입자는 적어도 6일 동안 용액에 현탁될 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 복수의 탄산칼슘 입자는 마그네틱 교반바, 임펠러형 믹서, 다이어프램 펌프, 슬러리 펌프, 연동 펌프 및 고압 펌프 중 하나 이상을 이용해서 혼합될 수 있다.
안정적인 탄산칼슘 슬러리를 포함하는 조성물이 조제될 수 있는데, 여기서 슬러리는 용액에 현탁된 복수의 탄산칼슘 입자를 포함하고, 용액은 분산제 및 계면활성제를 포함한다. 슬러리 중 복수의 탄산칼슘 입자의 농도는 비교적 낮고, 예컨대, 약 5.0 중량% 이하, 약 2.0 중량% 이하, 또는 약 0.05 중량% 내지 약 1.0 중량%이다. 복수의 탄산칼슘 입자의 평균 직경은 비교적 작을 수 있는데, 평균 직경은 약 5㎛ 이하, 약 10㎚ 내지 약 3㎛, 약 30㎚ 내지 약 2㎛, 약 300㎚ 내지 약 2㎛, 또는 약 500㎚ 내지 약 1㎛일 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 탄산칼슘 입자의 총수의 약 5% 미만은 약 4㎛ 초과의 직경을 갖는다. 분산제와 계면활성제는 슬러리의 제타 전위를 저감시키도록 구성될 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 슬러리의 제타 전위는 약 -30㎷ 이하, 약 -40㎷ 이하, 약 -50㎷ 이하, 또는 약 -60㎷ 이하일 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 슬러리 중 분산제의 농도는 약 0.1 중량% 내지 약 0.5 중량%이다. 탄산칼슘 슬러리는 응집에 대해 내성이 있을 수 있고, 긴 시간 기간 동안 현탁액 중에 남아있을 수 있다.
위에서 기재된 바와 같은 탄산칼슘 슬러리의 조성물은 기재를 연마하는 방법으로 구현될 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 기재는 적어도 부분적으로 연성 재료를 포함하거나 또는 연성 재료로 코팅된다. 예를 들어, 연성 재료는 유기 중합체성 하이드로겔을 포함할 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 기재는 복수의 특징부를 포함할 수 있는데, 여기서 특징부의 각각은 약 0.5㎚ 내지 약 500㎚, 약 1㎚ 내지 약 100㎚, 또는 약 5㎚ 내지 약 50㎚의 직경을 갖는다. 연성 재료로 코팅되거나 또는 연성 재료로 기재를 연마하는 것은 실질적으로 기재에 스크래칭 없이 일어날 수 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 방법은, 기재를 연마하기 전에, 마그네틱 교반바, 임펠러형 믹서, 다이어프램 펌프, 슬러리 펌프, 연동 펌프 및 고압 펌프 중 하나 이상을 이용해서 용액 중 복수의 탄산칼슘 입자를 분산제 및 음이온 계면활성제와 혼합하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 개시내용에서 사용되는 바와 같이, 용어 "포함한다"(comprise), "포함하는"(comprising), "포함한다"(include) 및 "포함하는"(including) 등은 배타적이거나 철저한 의미와는 반대로 포괄적인 의미로 해석되어야 한다.
전술한 개념(이러한 개념이 서로 일치하지 않는 경우)의 모든 조합은 본 명세서에 개시된 본 발명의 주제의 일부인 것으로 고려되는 것이 이해되어야 한다. 특히, 본 개시내용의 끝에 나타나는 청구된 주제의 모든 조합은 본 명세서에 개시된 본 발명의 주제의 일부인 것으로 고려된다. 간결화를 위하여, 이들 치환 및 조합의 많은 부분은 본 명세서에서 개별적으로 논의 및/또는 예시되지 않을 것이다.

Claims (22)

  1. 조성물로서,
    용액에 현탁된 복수의 탄산칼슘 입자를 포함하는 탄산칼슘 슬러리를 포함하되, 상기 복수의 탄산칼슘 입자의 평균 직경은 10㎚ 내지 3㎛ 이고,
    상기 용액은
    (i) 물, 완충액 또는 이들의 조합;
    (ii) 폴리아크릴산나트륨, n-규산나트륨, 테트라피로인산나트륨, 헥사메타인산나트륨, 폴리알루민산나트륨, 사붕산나트륨, 삼인산나트륨, 시트르산나트륨, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 분산제로서, 상기 분산제의 농도는 상기 탄산칼슘 슬러리 중 0.1 중량% 내지 0.5 중량%이며;
    (iii) 도데실황산나트륨(SDS), 폴리솔베이트, 옥틸페놀 에톡실레이트, 또는 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 계면활성제; 및
    (iv) 선택적 킬레이트제로 이루어지고,
    상기 탄산칼슘 슬러리 중 상기 탄산칼슘 입자의 농도는 2.0 중량% 이하이며, 그리고
    상기 탄산칼슘 슬러리의 제타 전위는 -50㎷ 이하인, 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 계면활성제의 농도는 상기 탄산칼슘 슬러리 중 0.01 중량% 내지 10.0 중량% 인, 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 상기 탄산칼슘 슬러리의 pH는 8.5 내지 10.5인, 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 상기 탄산칼슘 입자의 총수의 5% 미만이 4㎛ 초과의 직경을 갖는, 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 상기 분산제는 폴리아크릴산나트륨이며, 상기 계면활성제는 도데실황산나트륨(SDS)인, 조성물.
  6. 기재의 표면을 연마하는 방법으로서,
    기재(substrate)의 표면을 제1항의 조성물로 연마하는 단계를 포함하되, 상기 기재는 중합체, 무기 하이드로겔, 또는 유기 중합체성 하이드로겔로 코팅된 것인, 기재의 표면을 연마하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 기재를 연마하기 전에, 마그네틱 교반바(magnetic stir bar), 임펠러형 믹서, 다이어프램 펌프, 슬러리 펌프, 연동 펌프 및 고압 펌프 중 하나 이상을 사용해서 상기 용액 중 상기 복수의 탄산칼슘 입자를 상기 분산제 및 상기 계면활성제와 혼합하는 단계를 더 포함하는, 기재의 표면을 연마하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 기재는 복수의 나노스케일의 표면 특징부(feature)를 포함하고, 상기 특징부의 각각은 1㎚ 내지 100㎚의 직경을 갖는, 기재의 표면을 연마하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 중합체, 무기 하이드로겔, 또는 유기 중합체성 하이드로겔로 코팅된 기재의 표면을 연마하는 것은 실질적으로 스크래치 없이 일어나는, 기재의 표면을 연마하는 방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 기재는 유기 중합체성 하이드로겔로 코팅된 것이며, 상기 유기 중합체성 하이드로겔은 폴리아크릴아마이드인, 기재의 표면을 연마하는 방법.
  11. 탄산칼슘 슬러리를 제조하는 방법으로서,
    폴리아크릴산나트륨, n-규산나트륨, 테트라피로인산나트륨, 헥사메타인산나트륨, 폴리알루민산나트륨, 사붕산나트륨, 삼인산나트륨, 시트르산나트륨, 및 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 분산제와 도데실황산나트륨(SDS), 폴리솔베이트, 옥틸페놀 에톡실레이트, 또는 이들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 계면활성제를 용액에 혼합시켜, 상기 용액은
    (i) 물, 완충액 또는 이들의 조합; (ii) 분산제로서, 상기 분산제의 농도는 상기 탄산칼슘 슬러리 중 0.1 중량% 내지 0.5 중량%이며; (iii) 계면활성제; 및 (iv) 선택적 킬레이트제로 이루어지도록 하는 단계; 및
    상기 용액에 현탁된 복수의 탄산칼슘 입자를 첨가하여 탄산칼슘 슬러리를 형성시키는 단계를 포함하되, 상기 복수의 탄산칼슘 입자의 평균 직경은 10㎚ 내지 3㎛이고, 상기 탄산칼슘 슬러리 중 상기 탄산칼슘 입자의 농도는 2.0 중량% 이하이며, 그리고
    상기 탄산칼슘 슬러리의 제타 전위는 -50㎷ 이하인,탄산칼슘 슬러리를 제조하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 복수의 탄산칼슘 입자를 시간 경과에 따라서 혼합하여 상기 용액 중 상기 탄산칼슘 입자의 현탁액을 유지시키는 단계를 더 포함하는, 탄산칼슘 슬러리를 제조하는 방법.

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