WO2016117559A1 - 研磨用組成物 - Google Patents
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Abstract
Description
本形態に係る研磨用組成物においては、当該組成物に含まれるスルホン酸修飾コロイダルシリカ(砥粒)が特定の製造方法によって製造されたスルホン酸修飾水性アニオンシリカゾル由来のものである点に特徴がある。以下、本形態に係る研磨用組成物に含まれるスルホン酸修飾コロイダルシリカを製造するための製造方法について、詳細に説明する。
第1反応工程では、原料コロイダルシリカを、化学的にスルホン酸基に変換できる官能基を有するシランカップリング剤の存在下で加熱する。これにより、反応物(化学的にスルホン酸基に変換できる官能基を有するシランカップリング剤がシリカ粒子の表面に結合したもの)が得られる。
一般式(1)中、Rはアルキル基であり、好ましくは炭素数1~8の低級アルキル基であり、より好ましくは炭素数1~4の低級アルキル基である。ここで、上記Rとしては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基等が例示され、Rがメチル基であるテトラメトキシシラン、Rがエチル基であるテトラエトキシシラン、Rがイソプロピル基であるテトライソプロポキシシランが好ましい。また、アルコキシシランの誘導体としては、アルコキシシランを部分的に加水分解して得られる低縮合物が例示される。本発明では、加水分解速度を制御し易い点、シングルnmの微小シリカ粒子が得られ易い点、未反応物の残留が少ない点でテトラメトキシシランを用いることが好ましい。
第2反応工程では、上記第1反応工程で得られた反応物(化学的にスルホン酸基に変換できる官能基を有するシランカップリング剤がシリカ粒子の表面に結合したもの)を処理する。これにより、上記シランカップリング剤の有する「化学的にスルホン酸基に変換できる官能基」をスルホン酸基へと変換する。
手順:得られたアニオン変性コロイダルシリカをシリカ濃度14質量%に希釈してpH調整剤でpH2とする。SiNウェハを10秒間浸漬させたのち、純水中で30秒間揺浴させる。その後N2ガスで完全に乾燥させたのち、走査型電子顕微鏡SU8000を用いて、倍率100000倍にて10視野観察を行う。
本発明の研磨用組成物は、各成分を分散または溶解するための分散媒または溶媒として水を含む。他の成分の作用を阻害することを抑制するという観点から、不純物をできる限り含有しない水が好ましく、具体的には、イオン交換樹脂にて不純物イオンを除去した後、フィルタを通して異物を除去した純水や超純水、または蒸留水が好ましい。この「水」としては、上述したスルホン酸修飾水性アニオンシリカゾルに含まれているものをそのまま用いることができる。
本発明の研磨用組成物のpHの値は、6以下である。pHの値が6を超えると、窒化ケイ素といった研磨対象物の表面の正の電荷が小さくなるため、表面が負に帯電した本発明に係る砥粒(スルホン酸修飾コロイダルシリカ)を用いて研磨対象物を高速度で研磨することが困難になる。研磨用組成物により窒化ケイ素などの研磨対象物を十分な研磨速度で研磨する観点から、研磨用組成物のpHの値は、好ましくは5以下、さらに好ましくは4以下であり、特に好ましくは3以下である。研磨用組成物のpHの値はまた、安全性の観点から1以上であることが好ましく、より好ましくは1.5以上である。
本発明の研磨用組成物は、水を含む。不純物による研磨用組成物の他の成分への影響を防ぐ観点から、できる限り高純度な水を使用することが好ましい。具体的には、イオン交換樹脂にて不純物イオンを除去した後フィルタを通して異物を除去した純水や超純水、または蒸留水が好ましい。また、分散媒または溶媒として、研磨用組成物の他の成分の分散性などを制御する目的で、有機溶媒などをさらに含んでもよい。
本発明の研磨用組成物は、必要に応じて、錯化剤、金属防食剤、防腐剤、防カビ剤、酸化剤、還元剤、界面活性剤、水溶性高分子等の他の成分をさらに含んでもよい。以下、酸化剤、防腐剤、防カビ剤、水溶性高分子について説明する。
研磨用組成物に添加されうる酸化剤は、研磨対象物の表面を酸化する作用を有し、研磨用組成物による研磨対象物の研磨速度を向上させる。
本発明に係る研磨用組成物に添加し得る防腐剤および防カビ剤としては、例えば、2-メチル-4-イソチアゾリン-3-オンや5-クロロ-2-メチル-4-イソチアゾリン-3-オン等のイソチアゾリン系防腐剤、パラオキシ安息香酸エステル類、及びフェノキシエタノール等が挙げられる。これら防腐剤および防カビ剤は、単独でもまたは2種以上混合して用いてもよい。
本発明に係る研磨用組成物には、研磨対象物表面の親水性を向上させることや砥粒の分散安定性を向上させることを目的として水溶性高分子を添加してもよい。水溶性高分子としては、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース(HEC)、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、エチルヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等のセルロース誘導体;ポリ(N-アシルアルキレンイミン)等のイミン誘導体;ポリビニルアルコール;変性(カチオン変性、またはノニオン変性)ポリビニルアルコール;ポリビニルピロリドン;ポリビニルカプロラクタム;ポリオキシエチレン等のポリオキシアルキレン等;並びにこれらの構成単位を含む共重合体が挙げられる。これら水溶性高分子は、単独で用いても、2種以上を混合して用いてもよい。
上述のように、本発明に係る研磨用組成物は、窒化ケイ素の研磨に好適に用いられる。よって、本発明のさらに他の形態によれば、窒化ケイ素を本発明に係る研磨用組成物を用いて研磨する工程を含む、研磨方法が提供される。また、本発明のさらに他の形態によれば、窒化ケイ素を前記研磨方法で研磨する工程を含む基板の製造方法もまた、提供される。
フラスコ内でメタノール4080g、水610g、29質量%アンモニア水溶液168gを混合して液温を20℃に保ち、そこにメタノール135gとテトラメトキシシラン(TMOS)508gとの混合液を滴下時間25分で滴下した。その後、pH7以上の条件下で熱濃縮水置換を行い、19.5質量%のシリカゾルを1000g得た。このときのメタノール濃度は1質量%未満(検出限界以下)であることを、ガスクロマトグラフィー(下記条件1)にて確認した。
装置:ガスクロマトグラフィー GC-14B(株式会社島津製作所製)
測定:10μLシリンジを用いてサンプルを4μL抜取り、本装置に注入する。測定で得られた水分量とメタノール量とからメタノール濃度を算出する。
装置:走査型電子顕微鏡 S4700(株式会社日立ハイテクノロジーズ製)
手順:シリカゾルを有機溶媒中で分散させ、試料台上で乾固させたものを本体に設置し、本装置で12kVにて電子線照射を行い、倍率100000倍にて10視野を観察;
(条件3:SEM写真に基づく画像解析の条件)
装置:画像解析ソフト MacView Ver.4(株式会社マウンテック製)
手順:撮影されたSEM写真を用いて、本装置にて粒子数500個をカウント。その後、Heywood径(円相当径)に基づく体積平均粒子径を算出し、個数割合での粒度分布を算出;
(条件4:TEM観察の条件)
装置:透過型電子顕微鏡 HD-2700(株式会社日立ハイテクノロジーズ製)
手順:シリカゾルを有機溶媒中で分散させ、専用Cuメッシュ表面上に滴下したのち乾固させ、本装置で200kVにて電子線照射を行い、倍率400000倍にて10視野観察。
測定装置:
Ni,Cu:Agilent 7500cs ICP-MS(アジレント・テクノロジー株式会社製)
Ni,Cu以外:ICPS-8100(株式会社島津製作所製)
手順:試料10mlを採取し、硝酸3ml、フッ化水素酸10mlを加え、蒸発乾固させる。乾固後、硝酸0.5ml、超純水約20mlを加え蒸気がでるまで加熱した。全量を回収し、超純水で50gに合わせ、上記装置それぞれを用いて測定を行った。
遠心装置:高機能高速冷却遠心分離機 Avanti HP-30I(ベックマン・コールター社製)
ICP測定装置:ICP-AES SPS3510(株式会社日立ハイテクサイエンス製)
手順:専用樹脂製チューブにシリカゾルを入れ、26000rpmにて2時間遠心分離を行う。続いて、ICP-AESにて0、25、50、75ppmのSi標準試料にて検量線を引き、上記遠心分離を行った上澄み液を1g採取し、超純水で20倍希釈した後、本装置で測定を行う;
(条件7:300mmCMP片面研磨装置によるSiN研磨速度の試験条件)
装置:300mmCMP片面研磨装置(株式会社荏原製作所製)
研磨パッド:発泡ポリウレタン
研磨ウェハ:300mmSiNベアウェハ
回転数:60rpm
圧力:70hPa
スラリー流速:300mL/min
研磨時間:60Sec
研磨速度[Å/min]=1分間研磨した時の膜厚の変化量
光干渉式膜厚測定装置を用いて測定される研磨前後の各ウェハ厚み差を研磨時間で除することにより算出した。
装置:走査型電子顕微鏡 SU8000(株式会社日立ハイテクノロジーズ製)
手順:得られた変性コロイダルシリカをシリカ濃度14質量%に希釈してpH調整剤でpH2とする。SiNウェハを10秒間浸漬させたのち、純水中で30秒間揺浴させる。その後N2ガスで完全に乾燥させたのち、走査型電子顕微鏡SU8000を用いて、倍率100000倍にて10視野観察を行った。
フラスコ内の純水551.5g、26質量%アンモニア水550.2g、メタノール9047gの混合液に、テトラメトキシシラン(TMOS)1065.5gとメタノール289.1gとの混合液を、液温を35℃に保ちつつ55分かけて滴下し、水およびメタノールを分散媒とするシリカゾルを得た。
純水133g、29質量%アンモニア水64.8g、メタノール1223gの混合液に、テトラメトキシシラン(TMOS)1015gとメタノール76gとの混合液および純水239gを、液温を35℃に保ちつつ150分かけて同時滴下し、水およびメタノールを分散媒とするシリカゾルを得た。この混合液のメタノール濃度を上記と同様に測定したところ、65質量%であった。また、上記で得られたシリカゾルを走査型電子顕微鏡(SEM)で観察し(図5)、SEM写真に基づき画像解析ソフトを用いて粒度分布の解析を行ったところ、SEM画像解析体積平均径の40%以下のサイズの微小粒子個数分布割合は83.9%であった。また、上記と同様にしてシリカ粒子の表面状態を透過型電子顕微鏡(TEM)で観察したところ、シリカ粒子の表面には凹凸状態の存在が確認された(図6)。
Claims (11)
- pH6以下の研磨用組成物であって、
シリカ粒子の表面にスルホン酸が固定化されてなるスルホン酸修飾コロイダルシリカと、水と、を含有し、
この際、前記スルホン酸修飾コロイダルシリカは、走査型電子顕微鏡を用いた画像解析によるHeywood径(円相当径)に基づく体積平均粒子径の40%以下の粒径を有する微小粒子の個数分布割合が10%以下である原料コロイダルシリカを、化学的にスルホン酸基に変換できる官能基を有するシランカップリング剤の存在下で加熱して反応物を得る第1反応工程と、
前記反応物を処理することにより前記官能基をスルホン酸基へと変換する第2反応工程と、
を含む製造方法によって製造されたスルホン酸修飾水性アニオンシリカゾル由来のものである、研磨用組成物。 - 前記製造方法は、有機溶媒濃度が1質量%以上であるコロイダルシリカ中の残留有機溶媒濃度が1質量%未満となるように、コロイダルシリカと共存している有機溶媒をpH7以上の条件下で留去して前記原料コロイダルシリカを得る有機溶媒留去工程をさらに含む、請求項1に記載の研磨用組成物。
- 前記官能基がメルカプト基である、請求項1または2に記載の研磨用組成物。
- 前記処理が過酸化水素を用いた酸化処理である、請求項3に記載の研磨用組成物。
- 前記酸化剤の添加量が前記シランカップリング剤の添加量に対して3~5モル倍であり、得られた水性アニオンシリカゾル中の残留酸化剤濃度が500質量ppm以下である、請求項1~4のいずれか1項に記載の研磨用組成物。
- 前記製造方法は、前記第1反応工程の前に、前記原料コロイダルシリカにアルカリ溶液または有機溶媒を添加することにより、前記原料コロイダルシリカの粘度を低下させる工程をさらに含む、請求項1~5のいずれか1項に記載の研磨用組成物。
- 前記製造方法において、前記第1反応工程を、90℃以上の温度条件を30分間以上継続させる条件で実施する、請求項1~6のいずれか1項に記載の研磨用組成物。
- 窒化ケイ素を研磨する用途で使用される、請求項1~7のいずれか1項に記載の研磨用組成物。
- 窒化ケイ素を研磨する用途で使用される、pH6以下の研磨用組成物であって、
シリカ粒子の表面にスルホン酸が固定化されてなるスルホン酸修飾コロイダルシリカを含有し、
この際、前記スルホン酸修飾コロイダルシリカは、pH2の条件下でSiNウェハに浸漬処理を施し、次いで純水で洗浄したときに、前記SiNウェハの表面に付着する体積平均粒子径の40%未満の粒径を有する粒子の個数が、同様に付着する体積平均粒子径の40%以上の粒径を有する粒子の個数に対して50%以下である、スルホン酸修飾水性アニオンシリカゾル由来のものである、研磨用組成物。 - 前記スルホン酸修飾コロイダルシリカにおける金属不純物の合計含有量が1質量ppm以下である、請求項9に記載の研磨用組成物。
- 前記スルホン酸修飾コロイダルシリカは、請求項1~8のいずれか1項に記載の製造方法によって製造されたものである、請求項9または10に記載の研磨用組成物。
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