TWI593790B - 研磨用組合物及使用該組合物之研磨方法 - Google Patents

研磨用組合物及使用該組合物之研磨方法 Download PDF

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Description

研磨用組合物及使用該組合物之研磨方法
本發明係關於一種用於研磨由光學裝置用之基板材料、動力裝置用之基板材料、或化合物半導體材料所形成之待研磨物體的研磨用組合物。
該光學裝置用之基板材料、該動力裝置用之基板材料係指，例如：陶瓷，包含氧化物類(諸如：藍寶石)、氮化物類(諸如：氮化鎵)及碳化物類(諸如：碳化矽)。該化合物半導體材料係指，例如：砷化鎵、砷化銦或磷化銦。
由於由這些材料所形成之基板或薄膜通常在化學作用(諸如：氧化作用、錯合作用及蝕刻)方面仍保持穩定，因此以研磨處理該基板或薄膜並不容易，因而一般係以堅硬材料之研磨(grinding)或切割(cutting)來進行處理，然，使用研磨或切割係無法產生高度平滑之表面。
在習知的產生高度平滑表面之方法中，係使用包含相對高濃度的膠態矽之研磨用組合物研磨藍寶石基板(例如：參照日本特開專利公開第2008-44078號)，及使用包含具特定pH的膠態矽之研磨用組合物研磨碳化矽基板(例如：參照日本特開專利公開第2005-117027號)，然而，與這些方法有關之問題係，其需要花費許多時間方可產生高度平滑之表面，因其無法提供足夠的研磨速率(移除速率)。
因此，本發明之目的係提供一種用於在經提升之研磨速率下，研磨由光學裝置用之基板材料、動力裝置用之基板材料、或化合物半導體材料所形成之待研磨物體的研磨用組合物。本發明之另一目的係提供一種使用該組合物之研磨方法。
為達上述目的，本發明之第一態樣係提供一種研磨用組合物，其至少包含研磨顆粒及水，其中該研磨顆粒之ζ電位(zeta potential)係滿足X×Y≦0之關係式，其中X[mV]係代表該研磨用組合物中之該研磨顆粒經測得的ζ電位，而Y[mV]係代表於使用該研磨用組合物進行研磨之期間經測得的該待研磨物體之ζ電位。該式X×Y之值較佳為不低於-5,000。
本發明之第二態樣係提供一種研磨用組合物，其至少包含研磨顆粒及水，其中該研磨顆粒係具有於使用該研磨用組合物進行研磨之期間，不會對待研磨物體產生靜電排斥之ζ電位值。
於該第一或第二態樣之研磨用組合物中所含的研磨顆粒較佳為氧化鋁、氧化矽、氧化鋯、金剛石或碳化矽。使用該第一或第二態樣之研磨用組合物所研磨之待研磨物體較佳係由藍寶石、氮化鎵、碳化矽、砷化鎵、砷化銦或磷化銦所形成。該第一或第二態樣之研磨用組合物係可進一步包含一pH調整劑或一吸附該待研磨物體之物質。於該第一或第二態樣之研磨用組合物中所含的研磨顆粒係可為經過表面改性(surface-reformed)。
本發明之第三態樣係提供一種使用該第一或第二態樣之研磨用組合物來對由光學裝置用之基板材料、動力裝置用之基板材料、或化合物半導體材料所形成之物體進行研磨之方法。
藉由下列以實施例來闡明本發明原理的敘述，本發明之其他態樣及優點將變得至為顯明。
以下茲說明本發明之一種實施態樣。
本實施態樣之研磨用組合物至少包含研磨顆粒及水，該研磨用組合物係用於研磨由光學裝置用之基板材料、動力裝置用之基板材料、或化合物半導體材料所形成之待研磨物體，更具體而言，係用於研磨由陶瓷或化合物半導體材料(諸如：砷化鎵、砷化銦或磷化銦)所形成的基板或薄膜，其中該陶瓷包含氧化物類(諸如：藍寶石)、氮化物類(諸如：氮化鎵)及碳化物類(諸如：碳化矽)。該研磨用組合物較佳係用於研磨由在化學作用(諸如：氧化作用、錯合作用及蝕刻)方面仍保持穩定之材料所形成之待研磨物體，特別係用於研磨由藍寶石、氮化鎵或碳化矽所形成之基板。
該研磨用組合物中所含之研磨顆粒係可為，例如：氧化鋁、氧化矽、氧化鋯、金剛石或碳化矽，但並不限於此。氧化鋁及氧化矽之優點在於使用該研磨用組合物進行研磨，可輕易得到缺陷(defect)少之高度平滑表面的易獲得性(easy availability)。
該研磨用組合物較佳係包含不低於0.01質量%，更佳係包含不低於0.1質量%的研磨顆粒。所含的研磨顆粒量越多，使用該研磨用組合物研磨一待研磨物體之速率會變得越高。
該研磨用組合物較佳係包含不高於50質量%，更佳係包含不高於40質量%的研磨顆粒。所含的研磨顆粒越少，製造該研磨用組合物之成本會變得越低。另外，藉由使用該研磨用組合物進行研磨，會更容易得到研磨後刮痕(scratches)極少之表面。
該研磨用組合物係包含研磨顆粒，其中該研磨顆粒之平均初級粒徑(mean primary particle diameter)較佳係不小於5nm，更佳係不小於10nm。該研磨顆粒之平均初級粒徑越大，使用該研磨用組合物研磨一待研磨物體之速率會變得越高。
該研磨用組合物係包含研磨顆粒，其中該研磨顆粒之平均初級粒徑較佳係不大於20μm，更佳係不大於10μm。該研磨顆粒之平均初級粒徑越小，使用該研磨用組合物進行研磨，會更輕易得到缺陷少及粗度(roughness)等級小的表面。該平均初級粒徑係例如自藉由BET法所測得之研磨顆粒之比表面來計算出。該研磨顆粒之比表面係使用例如：由麥克儀器公司(Micromeritics Instrument Corporation)所製的“Flow SorbII 2300”來測量。
為了在經提升之研磨速率下，使用該研磨用組合物來研磨由光學裝置用之基板材料、動力裝置用之基板材料、或化合物半導體材料所形成之待研磨物體，該研磨用組合物中所含的研磨顆粒於研磨期間不會對該待研磨物體產生靜電排斥為重要的。因為此緣故，所用的該研磨顆粒之ζ電位係滿足X×Y≦0之關係式，其中X[mV]係代表該研磨用組合物中之該研磨顆粒經測得的ζ電位，而Y[mV]係代表於使用該研磨用組合物進行研磨之期間經測得的該待研磨物體之ζ電位。當沒有滿足X×Y≦0之關係式時，亦即，當滿足X×Y＞0之關係式時，該研磨用組合物中所含的研磨顆粒於研磨期間會對該待研磨物體產生靜電排斥，其會造成使用研磨顆粒對待研磨物體進行機械研磨之難度，因此，難以在經提升之研磨速率下，使用該研磨用組合物研磨該待研磨物體。為了使以該研磨用組合物研磨待研磨物體之速率提高到特別適合實用之等級，該式X×Y之值較佳係不高於-20。
該式X×Y之值較佳係不低於-5,000，更佳係不低於-2,000。該式X×Y之值越高，越容易藉由清洗來將與該待研磨物體研磨後之表面連接之研磨顆粒移除。
該研磨用組合物中之研磨顆粒經測得的ζ電位值及於使用該研磨用組合物進行研磨之期間經測得的該待研磨物體之ζ電位值會受例如：該研磨用組合物之pH影響，因此，係可藉由添加一個或多個pH調整劑到該研磨用組合物中，而使之滿足該X×Y≦0之關係式，較佳為X×Y≦-20之關係式。所用的該pH調整劑係可為酸或鹼性物質(alkali)。
或者(alternatively)，可添加一吸附物質至該研磨用組合物中，該待研磨物體之ζ電位值會隨著被吸附至該待研磨物體之表面之物質而變化，因此，係可藉由將此類的吸附物質添加至該研磨用組合物中，而使之滿足該X×Y≦0之關係式，較佳為X×Y≦-20之關係式。所用之吸附物質較佳係依待研磨物體之類型而適當地選擇，其係可為，例如：陰離子性、陽離子性、非離子性、或兩性離子界面活性劑、有機物(organic matter)或金屬離子。
或者，為了滿足該X×Y≦0之關係式，較佳為X×Y≦-20之關係式，該研磨顆粒之ζ電位係可藉由使用摻雜(doping)或有機官能基改質(organic functional group modification)對該研磨顆粒之表面進行改性而調整。
該研磨顆粒及該待研磨物體之ζ電位值可藉由例如使用由Otsuka Electronics Co.,Ltd.製的〝ELS-Z〞或由Dispersion Technology Inc.製的〝DT-1200〞之電泳光散射法(electrophoretic light scattering method)或電聲光譜(electroacoustic spectroscopy)來測量。該待研磨物體之ζ電位的測量係可以由與該待研磨物體相同材料所組成的細顆粒(fine particle)之ζ電位的測量來取代。或者，將該待研磨物體浸於含有已知ζ電位的細顆粒之液體中，再自該液體中取出，以流水(running water)清洗約10秒，然後，以例如：掃描式電子顯微鏡觀察該待研磨物體之表面，於此情形中，無論在該液體中之該待研磨物體經測得之ζ電位值的正負號是正或負，皆可由清洗後與該待研磨物體之表面連接之細顆粒的量來得知。
本實施態樣可提供以下之優點。
於本實施態樣之研磨用組合物中，所用的研磨顆粒之ζ電位係滿足X×Y≦0之關係式，其中X[mV]係代表該研磨用組合物中之研磨顆粒經測得的ζ電位，而Y[mV]係代表於使用該研磨用組合物進行研磨之期間經測得的該待研磨物體之ζ電位，因此，該研磨用組合物中所含的研磨顆粒會具有於使用該研磨用組合進行研磨之期間不會對該待研磨物體產生靜電排斥之ζ電位值。因為該研磨用組合物中所含之研磨顆粒於研磨期間不會對該待研磨物體產生靜電排斥，所以使用該研磨顆粒來使該待研磨物體之機械研磨有效率地進行，因此，能夠在經提升之研磨速率下，使用該研磨用組合物來研磨由光學裝置用之基板材料、動力裝置用之基板材料、或化合物半導體材料所形成之待研磨物體。
該實施態樣亦可如下所述之方式變更。
該實施態樣之研磨用組合物係可包含兩種或多種之研磨顆粒，於此情形中，部分研磨顆粒不需具有於研磨期間不會對該待研磨物體產生靜電排斥之ζ電位值，然而，為了達到使研磨速率更加提升，該研磨顆粒較佳係具有於研磨期間不會對該待研磨物體產生靜電排斥之ζ電位值。
如果有需要，該實施態樣之研磨用組合物係可進一步包含一習知之添加劑，諸如：防腐劑(antiseptic)。
該實施態樣之研磨用組合物係可藉由用水稀釋該研磨用組合物之濃度而製得。
以下茲描述本發明之實施例及比較例。
[實施例1及2與比較例1]
以水稀釋包含平均初級粒徑為80nm的膠態矽(colloidal silica)之膠態矽溶膠(sol)，如果有需要，則加入pH調整劑，而製得實施例1及2與比較例1之研磨用組合物。實施例1及2與比較例1各個研磨用組合物係包含20質量%的膠態矽。適當地使用鹽酸或氫氧化鉀作為pH調整劑。於表1所示之條件下，以實施例1及2與比較例1各個研磨用組合物對藍寶石基板的表面(c-平面(<0001>))進行研磨。所用的藍寶石基板全部是相同種類，且其直徑為52mm(約2英吋)。
該研磨用組合物之pH、該研磨用組合物中之膠態矽經測得的ζ電位值及於使用該研磨用組合物進行研磨之期間經測得的藍寶石基板之ζ電位值係顯示於表2中。測量使用該研磨用組合物進行研磨前及研磨後該藍寶石基板之重量，由研磨前及研磨後之重量差計算出研磨速率，計算出的研磨速率係顯示於表2的欄位〝研磨速率〞中。
表2
如表2所示，當使用實施例1或2之研磨用組合物研磨藍寶石基板時，該膠態矽之ζ電位與該藍寶石基板之ζ電位的積為不大於零的值，相反地，當使用比較例1之研磨用組合物研磨藍寶石基板時，該積為大於零的值，因此，相較於使用比較例1之研磨用組合物，使用實施例1或2之研磨用組合物可達到較高的研磨速率。
[實施例3及比較例2]
以水稀釋包含平均初級粒徑為80nm的膠態矽之膠態矽溶膠，如果有需要，則加入pH調整劑，而製得實施例3及比較例2之研磨用組合物。實施例3及比較例2各個研磨用組合物係包含20質量%的膠態矽。適當地使用鹽酸或氫氧化鉀作為pH調整劑。於表3所示之條件下，以實施例3及比較例2各個研磨用組合物對氮化鎵基板的表面(Ga平面)進行研磨。所用的氮化鎵基板全部是相同種類，且皆具10mm的方形(square)。
該研磨用組合物之pH、於各個該研磨用組合物中之膠態矽經測得的ζ電位的正負號及於使用各個該研磨用組合物進行研磨之期間，經測得的氮化鎵基板之ζ電位值的正負號係顯示於表4中。測量使用該研磨用組合物進行研磨前及研磨後該氮化鎵基板之重量，由研磨前及研磨後之重量差計算出研磨速率，計算出的研磨速率係顯示於表4的欄位〝研磨速率〞中。
如表4所示，當使用實施例3之研磨用組合物研磨氮化鎵基板時，該膠態矽之ζ電位與該氮化鎵基板之ζ電位的積為負號，相反地，當使用比較例2之研磨用組合物研磨氮化鎵基板時，該積為正號，因此，相較於使用比較例2之研磨用組合物，使用實施例3之研磨用組合物可達到較高的研磨速率。
[實施例4及5與比較例3及4]
以水稀釋包含平均初級粒徑為35nm的膠態矽之膠態矽溶膠，如果有需要，則加入pH調整劑，而製得實施例4及5與比較例3及4之研磨用組合物。實施例4及5與比較例3及4各個研磨用組合物係包含5質量%的膠態矽。適當地使用醋酸或氫氧化鉀作為pH調整劑。於表5所示之條件下，以實施例4及5與比較例3及4各個研磨用組合物對砷化銦基板的表面((100)平面)進行研磨。所用的砷化銦基板全部是相同種類，且其直徑為52mm(約2英吋)。
該研磨用組合物之pH、各個該研磨用組合物中之膠態矽經測得的ζ電位之正負號及於使用各個該研磨用組合物進行研磨之期間，經測得的砷化銦基板之ζ電位的正負號係顯示於表6中。測量使用該研磨用組合物進行研磨前及研磨後該砷化銦基板之重量，由研磨前及研磨後之重量差計算出研磨速率，計算出的研磨速率係顯示於表6的欄位〝研磨速率〞中。
如表6所示，當使用實施例4或5之研磨用組合物研磨砷化銦基板時，該膠態矽之ζ電位與該砷化銦基板之ζ電位的積為負號，相反地，當使用比較例3或4之研磨用組合物研磨砷化銦基板時，該積為正號，因此，相較於使用比較例3或4之研磨用組合物，使用實施例4或5之研磨用組合物可達到較高的研磨速率。

Claims (14)

  1. 一種研磨用組合物，其係用於研磨由光學裝置用之基板材料、動力裝置(power device)用之基板材料、或化合物半導體材料(compound semiconductor material)所形成之待研磨物體，該研磨用組合物之特徵在於：至少包含研磨顆粒及水，其中該研磨顆粒之ζ電位(zeta potential)係滿足X×Y≦0之關係式，其中X[mV]係代表該研磨用組合物中之該研磨顆粒經測得的ζ電位，而Y[mV]係代表於使用該研磨用組合物進行研磨之期間經測得的該待研磨物體之ζ電位，其中該研磨用組合物不含碳化矽。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之研磨用組合物，其中該式X×Y之值係不低於-5,000。
  3. 一種研磨用組合物，其係用於研磨由光學裝置用之基板材料、動力裝置用之基板材料、或化合物半導體材料所形成之待研磨物體，該研磨用組合物之特徵在於：至少包含研磨顆粒及水，其中該研磨顆粒係具有於使用該研磨用組合物進行研磨之期間不會對該待研磨物體產生靜電排斥之ζ電位，其中該研磨用組合物不含碳化矽。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之研磨用組合物，其中該研磨顆粒係由氧化鋁、氧化矽、氧化鋯或金剛石所形成。
  5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之研磨用組合物，其中該待研磨物體係由藍寶石、氮化鎵、碳化矽、砷化鎵、砷化銦或磷化銦所形成。
  6. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之研磨用組合物，其進一步包含一pH調整劑。
  7. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之研磨用組合物，其進一步包含一吸附該待研磨物體之物質。
  8. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之研磨用組合物，其中該研磨顆粒係經過表面改性(surface-reformed)。
  9. 一種對由光學裝置用之基板材料、動力裝置用之基板材料、或化合物半導體材料所形成之物體進行研磨之方法，該方法之特徵在於：製備如申請專利範圍第1至3項中任一項之研磨用組合物；及使用該研磨用組合物對該物體進行研磨。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該研磨顆粒係由氧化鋁、氧化矽、氧化鋯或金剛石所形成。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該物體係由藍寶石、氮化鎵、碳化矽、砷化鎵、砷化銦或磷化銦所形成。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其係於該使用步驟之前進一步包含添加一pH調整劑至該研磨用組合物。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其係於該使用步驟之前進一步包含添加一吸附該物體之物質至該研磨用組合物。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該製備研磨用組合物之步驟係包含對該研磨顆粒進行表面改性。
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