Полирующая композиция
Изобретение относится к полирующей композиции, применяющейся для полировки объекта, который необходимо отполировать, состоящего из твердого и хрупкого материала, обладающего твердостью по Викерсу, равной 1500 Hv или более. Изобретение также относится к способу полировки твердого и хрупкого материала и к способу получения подложки, состоящей из такого материала. Композиция содержит по меньшей мере абразивные зерна оксида алюминия и воду и обладает значением pH, равным 8,5 или более. Абразивные зерна оксида алюминия обладают удельной площадью поверхности, равной 20 м2/г или менее. Техническим результатом является возможность получения подложки, пленки и т.п. из твердых и хрупких материалов, таких как сапфир, нитрид кремния и карбид кремния, содержащих меньшее количество дефектов поверхности и обладающих превосходной гладкостью поверхности при высокой эффективности полировки. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 табл., 8 пр.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к полирующей композиции, применяющейся для полировки объекта, который необходимо отполировать, состоящего из твердого и хрупкого материала, обладающего твердостью по Викерсу, равной 1500 Hv или более. Настоящее изобретение также относится к способу полировки твердого и хрупкого материала и к способу получения подложки, состоящей из твердого и хрупкого материала.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Твердый и хрупкий материал означает хрупкий материал, обладающий высокой твердостью, и обычно включает стекла, керамику, материалы из камня и полупроводниковые кристаллические материалы. Из числа твердых и хрупких материалов, обладающих твердостью по Викерсу, равной 1500 Hv или более, такие как алмаз, оксид алюминия (сапфир), карбид кремния, карбид бора, карбид циркония, карбид вольфрама, нитрид кремния, нитрид титана и нитрид галлия, обычно обладают низкой реакционной способностью вследствие их высокой химической стабильности и также обладают очень высокой твердостью и поэтому такие материалы трудно полировать. Поэтому такие материалы обычно подвергают окончательной отделке путем шлифовки алмазом с последующей полировкой коллоидным диоксидом кремния для удаления царапин, образовавшихся при шлифовке алмазом. Однако в этом случае для получения очень гладкой поверхности необходима длительная полировка.
Кроме того, известна полировка сапфировых подложек полирующей композицией, обладающей относительно большой концентрацией коллоидного диоксида кремния (см., например, Патентный документ 1), и также известна полировка карбида кремния подложек полирующей композицией, содержащей коллоидный диоксид кремния и обладающей особым значением pH (см., например, Патентный документ 2). Однако в этих случаях затруднением является то, что невозможно обеспечить достаточную скорость полировки (скорость удаления вещества).
ДОКУМЕНТЫ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Патентный документ 1: Публикация выложенной заявки на патент Японии № 2008-44078
Патентный документ 2: Публикация выложенной заявки на патент Японии № 2005-117027
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачи, которые решает настоящее изобретение
В соответствии с этим задачей настоящего изобретения является получение полирующей композиции, пригодной для полировки объекта, который необходимо отполировать, состоящего из твердого и хрупкого материала, обладающего твердостью по Викерсу, равной 1500 Hv или более, при высокой скорости полировки. Кроме того, другой задачей настоящего изобретения является разработка способа полировки твердого и хрупкого материала полирующей композицией и способа получения подложки, состоящей из твердого и хрупкого материала.
Средства решения задач
Авторы настоящего изобретения провели тщательное исследование и установили, что указанные выше задачи решаются путем использования полирующей композиции, обладающей особым значением pH и содержащей абразивные зерна оксида алюминия, обладающие особой удельной площадью поверхности. Выбор конкретного типа абразивных зерен оксида алюминия из числа абразивных зерен разных типов и одновременно установление удельной площади поверхности абразивных зерен оксида алюминия и значения pH полирующей композиции при соответствующих заранее заданных значениях для решения указанных выше задач затруднительно провести даже специалистам в данной области техники.
Одним объектом настоящего изобретения является полирующая композиция, которую применяют для полировки объекта, который необходимо отполировать, состоящего из твердого и хрупкого материала, обладающего твердостью по Викерсу, равной 1500 Hv или более. Полирующая композиция содержит по меньшей мере абразивные зерна оксида алюминия и воду и обладает значением pH, равным 8,5 или более. Абразивные зерна оксида алюминия обладают удельной площадью поверхности, равной 20 м2/г или менее.
Предпочтительно, если абразивные зерна оксида алюминия обладают средним размером вторичных частиц, равным 0,1 мкм или более и 20 мкм или менее. Кроме того, предпочтительно, если полируемый объект представляет собой подложку или пленку, состоящую из сапфира, нитрида галлия или карбида кремния. Примеры полируемой подложки включают монокристаллические или поликристаллические подложки, которые используют для изготовления устройств, таких как полупроводниковые устройства, устройства для магнитной записи, оптические устройства и устройства электропитания. Полируемую пленку можно сформировать на подложке по известным методикам формирования пленок, таким как эпитаксиальный рост.
Другим объектом настоящего изобретения является способ полировки, предназначенный для полировки твердого и хрупкого материала с помощью указанной выше полирующей композиции, и способ получения твердого и хрупкого материала, включающий полировку подложки способом полировки.
ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к полирующей композиции, применимой для полировки объекта, который необходимо отполировать, состоящего из твердого и хрупкого материала, обладающего твердостью по Викерсу, равной 1500 Hv или более, при высокой скорости полировки. Кроме того, настоящее изобретение также относится к способу полировки твердого и хрупкого материала полирующей композицией и к способу получения подложки, состоящей из твердого и хрупкого материала.
СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже описан вариант осуществления настоящего изобретения.
Полирующая композиция этого варианта осуществления содержит по меньшей мере абразивные зерна оксида алюминия и воду. Полирующую композицию применяют для полировки объекта, который необходимо отполировать, состоящего из твердого и хрупкого материала, обладающего твердостью по Викерсу, равной 1500 Hv или более, более предпочтительно полирующую композицию применяют для полировки объекта, который необходимо отполировать, состоящего из сапфира, карбида кремния или нитрида галлия. Твердость по Викерсу можно измерить по методике, приведенной в промышленных стандартах Японии JIS R1610, соответствующих стандарту ISO 14705, установленному Международной организацией по стандартизации, и ее рассчитывают по силе, действующей на индентор Викерса, с помощью которого на поверхности исследуемого образца создают углубление и площадь поверхности углубления определяют по длине его диагонали.
Абразивные зерна оксида алюминия, содержащиеся в полирующей композиции, могут состоять из, но не ограничиваются только ими, например, α-оксида алюминия, δ-оксида алюминия, θ-оксида алюминия или κ-оксида алюминия. Однако для полировки твердого и хрупкого материала при более высокой скорости полировки предпочтительно, если абразивные зерна оксида алюминия в качестве главного компонента содержат α-оксид алюминия.
Точнее, степень превращения α-оксида алюминия в абразивные зерна оксида алюминия предпочтительно составляет 20% или более и более предпочтительно 40% или более. Степень превращения α-оксида алюминия в абразивные зерна оксида алюминия определяют на основе интегральных интенсивностей дифракционных линий плоскости (113), полученных с помощью рентгенографии.
Абразивные зерна оксида алюминия могут содержать примесные элементы, такие как кремний, титан, железо, медь, хром, натрий, калий, кальций и магний. Однако предпочтительно, если чистота абразивных зерен оксида алюминия является как можно более высокой, предпочтительно 99% мас. или более, более предпочтительно 99,5% мас. или более и еще более предпочтительно 99,8% мас. или более. Содержание примесей на поверхности полируемого объекта после полировки полирующей композицией уменьшается при увеличении чистоты абразивных зерен оксида алюминия при условии, что чистота абразивных зерен оксида алюминия составляет 99% мас. или более. В этом случае, если чистота абразивных зерен оксида алюминия составляет 99% мас. или более, более предпочтительно 99,5% мас. или более и еще более предпочтительно 99,8% мас. или более, становится легче уменьшить загрязнение поверхности полируемого объекта полирующей композицией до уровня, особенно подходящего для практического применения. Содержание примесных элементов в абразивных зернах оксида алюминия можно рассчитать по данным исследования с помощью эмиссионного спектрометра с ИСП (индуктивно связанная плазма), такого как ICPE-9000, выпускающийся фирмой Shimadzu Corporation.
Абразивные зерна оксида алюминия обладают средним размером вторичных частиц, равным предпочтительно 0,1 мкм или более и более предпочтительно 0,3 мкм или более. Скорость полировки полируемого объекта полирующей композицией увеличивается при увеличении среднего размера вторичных частиц абразивных зерен.
Абразивные зерна оксида алюминия обладают средним размером вторичных частиц, равным предпочтительно 20 мкм или менее и более предпочтительно 5 мкм или менее. С помощью полировки полирующей композицией становится легче получить поверхность с меньшим количеством дефектов и меньшей шероховатостью, поскольку средний размер вторичных частиц абразивных зерен становится меньше. Средний размер вторичных частиц абразивных зерен оксида алюминия равен взвешенному по объему среднему размеру частиц, измеренному с помощью анализатора распределения частиц по размерам, основанному на дифракции/рассеянии излучения лазера, такого как LA-950, выпускающегося фирмой HORIBA, Ltd.
Абразивные зерна оксида алюминия должны обладать удельной площадью поверхности, равной 20 м2/г или менее. Если используются абразивные зерна оксида алюминия, обладающие удельной площадью поверхности, равной более 20 м2/г, то невозможно получить полирующую композицию, способную отполировать полируемый объект при высокой скорости полировки.
Абразивные зерна оксида алюминия обладают удельной площадью поверхности, предпочтительно равной 5 м2/г или более. С помощью полировки полирующей композицией становится легче получить поверхность с меньшим количеством дефектов и меньшей шероховатостью, поскольку удельная площадь поверхности абразивных зерен становится больше. Удельную площадь поверхности абразивных зерен оксида алюминия можно определить по методике адсорбции азота (методика БЭТ (Брунауэра-Эметта-Теллера)), например, с помощью прибора Flow Sorbll 2300, выпускающегося фирмой Micromeritics Instrument Corporation.
Содержание абразивных зерен оксида алюминия в полирующей композиции предпочтительно равно 0,01% мас. или более и более предпочтительно 0,1% мас. или более. Скорость полировки полируемого объекта полирующей композицией увеличивается при увеличении содержания абразивных зерен.
Кроме того, содержание абразивных зерен оксида алюминия в полирующей композиции предпочтительно равно 50% мас. или менее и более предпочтительно 40% мас. или менее. С помощью полировки полирующей композицией становится легче получить поверхность с меньшим количеством царапин в дополнение к меньшим производственным затратам при использовании полирующей композиции.
На способ получения абразивных зерен оксида алюминия не налагаются особые ограничения. Абразивные зерна оксида алюминия могут представлять собой оксид алюминия, который получен путем рафинирования боксита по методике фирмы Байер, или могут представлять собой оксид алюминия, полученный размолом плавленого оксида алюминия. Альтернативно, абразивные зерна оксида алюминия могут представлять собой оксид алюминия, который получен путем нагревания гидроксида алюминия, синтезированного из соединения алюминия, использующегося в качестве исходного вещества, по методике гидротермального синтеза, или могут представлять оксид алюминия, который синтезирован из соединения алюминия по газофазной методике. Оксиды алюминия, синтезированные из соединения алюминия, отличаются тем, что они обладают более высокой чистотой, чем обычные оксиды алюминия.
Полирующая композиция должна обладать значением pH, равным 8,5 или более и предпочтительно 9,5 или более. Если полирующая композиция обладает значением pH, равным менее 8,5, то невозможно провести полировку полируемого объекта полирующей композицией с достаточно высокой скоростью.
На верхнее предельное значение pH полирующей композиции не налагаются особые ограничения. Однако предпочтительно, чтобы значение pH полирующей композиции равнялось 12 или менее. Полирующая композиция, обладающая значением pH, равным 12 или менее, является более безопасной и поэтому улучшает режим работы при ее использовании.
Значение pH полирующей композиции можно отрегулировать с помощью различных кислот, оснований или их солей. Особенно предпочтительно использовать органические кислоты, такие как карбоновая кислота, фосфорорганическая кислота и органическая сульфоновая кислота; неорганические кислоты, такие как фосфорная кислота, фосфористая кислота, серная кислота, азотная кислота, хлористоводородная кислота, борная кислота и угольная кислота; органические основания, такие как тетраметиламмонийгидроксид, триметаноламин и моноэтаноламин; неорганические основания, такие как гидроксид калия, гидроксид натрия и аммония или их соли.
Если необходимо очень высокое качество поверхности для подложек, предназначенных для полупроводников, оптических устройств и устройств электропитания, то прецизионную полировку предпочтительно проводить после полировки полирующей композицией.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения обеспечиваются преимущества, описанные ниже.
Полирующая композиция этого варианта осуществления содержит по меньшей мере абразивные зерна оксида алюминия и воду и обладает значением pH, равным 8,5 или более. Абразивные зерна оксида алюминия обладают удельной площадью поверхности, равной 20 м2/г или менее. При использовании полирующей композиции объект, который необходимо отполировать, состоящий из твердого и хрупкого материала, обладающего твердостью по Викерсу, равной 1500 Hv или более, можно отполировать при высокой скорости полировки.
Указанный выше вариант осуществления можно модифицировать следующим образом.
- Полирующая композиция указанного выше варианта осуществления может дополнительно содержать абразивные зерна, не состоящие из оксида алюминия, которые содержат, например, диоксид кремния, оксид циркония, оксид церия, оксид титана, карбид кремния или гидроксид алюминия.
- Полирующая композиция указанного выше варианта осуществления необязательно может дополнительно содержать добавки, такие как окислительный реагент, комплексообразующий реагент и реагент для травления, которые повышают скорость полировки.
- Полирующая композиция указанного выше варианта осуществления необязательно может дополнительно содержать известные добавки, такие как антисептический агент, фунгицидный агент и ингибитор коррозии.
- Полирующая композиция указанного выше варианта осуществления необязательно может дополнительно содержать добавки, такие как диспергирующие агенты, предназначенные для улучшения диспергируемости абразивных зерен, или диспергирующие средства, предназначенные для облегчения повторного диспергирования агломератов абразивных зерен.
- Полирующую композицию, использовавшуюся для полировки полируемого объекта, состоящего из твердого и хрупкого материала, можно регенерировать и использовать повторно (циклический режим). Точнее, использованную полирующую композицию, выведенную из полировочной машины, можно направить в бак и затем повторно ввести в полировочную машину из бака. В этом случае становится возможным уменьшение загрязнения окружающей среды и снижение расходов, поскольку уменьшается количество удаляемой использованной полирующей композиции в виде отходов.
Если полирующую композицию используют в циклическом режиме, то можно пополнить по меньшей мере некоторые из компонентов, содержащихся в полирующей композиции, таких как абразивные зерна оксида алюминия, поскольку уменьшается их расход или потери при использовании для полировки. Пополняемые компоненты можно по отдельности добавить к использованной полирующей композиции или к использованной полирующей композиции можно добавить смесь, содержащую два или большее количество компонентов в любых концентрациях.
- Полирующую композицию указанного выше варианта осуществления можно получить путем разбавления неразбавленной полирующей композиции водой.
- Полирующая композиция указанного выше варианта осуществления может быть однокомпонентной или может быть многокомпонентной, такой как двухкомпонентная, состоящая из множества композиций, которые смешивают друг с другом при использовании. В случае двухкомпонентной полирующей композиции первую и вторую композиции можно подавать по разным путям в полировочную машину, так чтобы эти две композиции смешивались в полировочной машине.
Ниже настоящее изобретение описано с помощью примеров и сравнительных примеров.
Примеры 1-5 и сравнительные примеры 1-5
Полирующие композиции примеров 1-5 и сравнительных примеров 1-5 получали разбавлением золя оксида алюминия, золя оксида кремния или золя оксида циркония водой при необходимости с последующим добавлением к полученной смеси реагента, регулирующего pH. Содержание абразивных зерен в каждой полирующей композиции примеров 1-5 и сравнительных примеров 1-5 составляло 20% мас. При необходимости в качестве реагентов, регулирующих pH, использовали хлористоводородную кислоту и гидроксид калия. Поверхность сапфировой подложки (плоскость C (<0001>) полировали каждой полирующей композицией при условиях, указанных в таблице 1. Сапфировые подложки, использованные в настоящем изобретении, были одинаковыми и обладали диаметром, равным 52 мм (примерно 2 дюйма).
Подробное описание абразивных зерен, содержащихся в каждой полирующей композиции, и значения pH для каждой полирующей композиции приведены в таблице 2. Кроме того, скорость полировки определяли путем расчета на основе разности масс сапфировой подложки, измеренных до и после полировки каждой полирующей композицией, и результаты приведены в таблице 2 в столбце под названием "Скорость полировки".
| Таблица 1 | |
| Условия полировки подложки из сапфира Полировочная машина: односторонняя полировочная машина "EJ-380IN", выпускающаяся фирмой Engis Japan Corporation (диаметр валика 380 мм) Полировальная подушка: нетканая полировальная подушка "SUBA800", выпускающаяся фирмой Nitta Haas Incorporated Нагрузка при полировке: 300 г/см2 (29,4 кПа) Скорость вращения валика: 60 об/мин Линейная скорость: 72 м/мин Длительность полировки: 5 мин Скорость подачи полирующей композиции: 280 мл/мин (нециклический режим) |
| Таблица 2 | |||||
| Тип абразивных зерен | Удельная площадь поверхности абразивных зерен [м2/г] | Средний размер вторичных частиц абразивных зерен [мкм] | pH полирующей композиции | Скорость полировки [нм/мин] | |
| Пример 1 | Оксид алюминия | 12 | 0,43 | 12,0 | 70 |
| Пример 2 | Оксид алюминия | 12 | 0,43 | 11,0 | 68 |
| Пример 3 | Оксид алюминия | 12 | 0,43 | 10,0 | 67 |
| Пример 4 | Оксид алюминия | 12 | 0,43 | 9,0 | 52 |
| Пример 5 | Оксид алюминия | 12 | 0,43 | 8,5 | 43 |
| Сравнительный пример 1 | Оксид алюминия | 26 | 0,15 | 10,0 | 10 |
| Сравнительный пример 2 | Оксид алюминия | 12 | 0,43 | 7,0 | 33 |
| Сравнительный пример 3 | Оксид алюминия | 12 | 0,43 | 6,0 | 32 |
| Сравнительный пример 4 | Оксид кремния | 34 | 0,05 | 10,0 | 22 |
| Сравнительный пример 5 | Оксид циркония | 23 | 1,38 | 10,0 | 2 |
Как показано в таблице 2, когда сапфировые подложки полировали полирующими композициями примеров 1-5, обеспечивались более высокие скорости полировки, чем в случае, когда использовали полирующие композиции сравнительных примеров 1-5.
Примеры 6-8 и сравнительный пример 6
Полирующие композиции примеров 6-8 и сравнительного примера 6 получали разбавлением золя оксида алюминия водой при необходимости с последующим добавлением к полученной смеси реагента, регулирующего pH. Содержание абразивных зерен в каждой полирующей композиции примеров 6-8 и сравнительного примера 6 составляло 20% мас. При необходимости в качестве реагентов, регулирующих pH, использовали хлористоводородную кислоту и гидроксид калия. Поверхность подложки из нитрида галлия (плоскость Ga) полировали каждой полирующей композицией при условиях, указанных в таблице 3. Подложки из нитрида галлия, использованные в настоящем изобретении, были одинаковыми и являлись квадратными со стороной 10 мм.
Подробное описание абразивных зерен, содержащихся в каждой полирующей композиции, и значения pH для каждой полирующей композиции приведены в таблице 4. Кроме того, скорость полировки определяли путем расчета на основе разности масс подложки из нитрида галлия, измеренных до и после полировки каждой полирующей композицией, и результаты приведены в таблице 4 в столбце под названием "Скорость полировки".
| Таблица 3 | |
| Условия полировки подложки из нитрида галлия Полировочная машина: односторонняя полировочная машина "AL-2", выпускающаяся фирмой Udagawa Optical Machines Co., Ltd. (диаметр валика равен 300 мм) Полировальная подушка: замшевая подушка "SURFIN SSW-l", выпускающаяся фирмой Fujimi Incorporated Нагрузка при полировке: 700 г/см2 (68,6 кПа) Скорость вращения валика: 130 об/мин Линейная скорость: 75 м/мин Длительность полировки: 60 мин Скорость подачи полирующей композиции: 10 мл/мин (циклический режим) |
| Таблица 4 | |||||
| Тип абразивных зерен | Удельная площадь поверхности абразивных зерен [м2/г] | Средний размер вторичных частиц абразивных зерен [мкм] | pH полирующей композиции | Скорость полировки [нм/мин] | |
| Пример 6 | Оксид алюминия | 12 | 0,43 | 12,0 | 27 |
| Пример 7 | Оксид алюминия | 12 | 0,43 | 11,0 | 26 |
| Пример 8 | Оксид алюминия | 12 | 0,43 | 9,0 | 25 |
| Сравнительный пример 6 | Оксид алюминия | 12 | 0,43 | 3,0 | 13 |
Как показано в таблице 4, когда подложки из нитрида галлия полировали полирующими композициями примеров 6-8, обеспечивались более высокие скорости полировки, чем в случае, когда использовали полирующие композиции сравнительного примера 6.
ПРИМЕНЕНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
В соответствии с настоящим изобретением можно получить подложки, пленки и т. п. из твердых и хрупких материалов, таких как сапфир, нитрид кремния и карбид кремния, содержащие меньшее количество дефектов поверхности и обладающие превосходной гладкостью поверхности при высокой эффективности полировки.
1. Полирующая композиция, применяющаяся для полировки твердого и хрупкого материала, обладающего твердостью по Викерсу, равной 1500 Hv или более, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере абразивные зерна оксида алюминия и воду, где полирующая композиция обладает значением pH, равным 8,5 или более, и где абразивные зерна оксида алюминия обладают удельной площадью поверхности, равной 20 м2/г или менее.
2. Полирующая композиция по п.1, в которой удельная площадь поверхности зерен оксида алюминия составляет 5 м2/г или более и 12 м2/г или менее.
3. Полирующая композиция по п.1 или 2, в которой абразивные зерна оксида алюминия обладают средним размером вторичных частиц, равным 0,1 мкм или более и 20 мкм или менее.
4. Полирующая композиция по п.1 или 2, в которой абразивные зерна оксида алюминия обладают средним размером вторичных частиц, равным 0,3 мкм или более и 5 мкм или менее.
5. Полирующая композиция по п.1 или 2, в которой абразивные зерна оксида алюминия обладают средним размером вторичных частиц, равным 0,43 мкм или более и 5 мкм или менее.
6. Полирующая композиция по п.1 или 2, в которой твердым и хрупким материалом является сапфир, карбид кремния или нитрид галлия.
7. Способ полировки, предназначенный для полировки твердого и хрупкого материала, включающий:
выбор твердого и хрупкого материала, имеющего твердость по Викерсу 1500 Hv или более; и
применение полирующей композиции по п.1 или 2 для полировки указанного твердого и хрупкого материала.
8. Способ получения полированной подложки, состоящей из твердого и хрупкого материала, включающий:
выбор подложки, состоящей из твердого и хрупкого материала, имеющего твердость по Викерсу 1500 Hv или более; и
полировку данной подложки полирующей композицией по п.1 или 2.
