研磨剤および研磨方法
【課題】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、平滑で結晶の原子レベルにおいても表面性状に優れた高品質な表面を得る。
【解決手段】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、平均２次粒子径が０．５μｍ以下の酸化セリウム粒子と、分散媒とを含有す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。また、研磨剤のｐＨは１１以下であることが好ましい。
【解決手段】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、平均２次粒子径が０．５μｍ以下の酸化セリウム粒子と、分散媒とを含有す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。また、研磨剤のｐＨは１１以下であることが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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仕上げ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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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ている。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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）。
【０００８】
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、特許文献２の研磨用組成物を使用した場合には、研磨後の炭化ケイ素単結晶基板の表面性状を顕微鏡で観察すると、結晶の原子ステップのフロント部に凹凸やえぐれなどのダメージが見られ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、酸化ケイ素（シリカ）および酸化セリウム（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が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。しかしながら、非特許文献１に記載された方法では、粒子径の非常に大きな砥粒による強い機械的作用により、表面に傷や歪み等のダメージが入るという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−１１７０２７号公報
【特許文献２】特開２００８−１７９６５５号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】砥粒加工学会誌Vol.53 No.7 2009 7月 417-420
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
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、平滑で結晶の原子レベルにおいても表面性状に優れた高品質な表面を得るための研磨剤、および研磨方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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、平均２次粒子径が０．５μｍ以下の酸化セリウム粒子と、分散媒とを含有することを特徴とする。
【００１３】
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平均２次粒子径は、０．２μｍ以下であることが好ましい。そして、前記酸化セリウム粒子の含有量は、０．０１質量％以上１０質量％以下であることが好ましい。
【００１４】
さらに、本発明の研磨剤は、ｐＨが１１以下であることが好ましく、５以下であることがより好ましい。またさらに、前記非酸化物単結晶基板は、炭化ケイ素単結晶基板または窒化ガリウム単結晶基板とすることができる。
【００１５】
本発明の研磨剤方法は、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。
【発明の効果】
【００１６】
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することができ、平坦かつ平滑で原子レベルにおいても表面性状に優れた被研磨面が得られる。
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。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】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。
【図２】研磨後の基板における結晶原子レベルの表面性状を模式的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１９】
［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、酸化還元電位が０．５Ｖ以上の遷移金属を含む酸化剤と、砥粒である平均２次粒子径が０．５μｍ以下の酸化セリウム粒子と、分散媒とを含有し、スラリーの形状を有する。
【００２０】
本発明の研磨剤は、酸化還元電位が０．５Ｖ以上の遷移金属を含む酸化剤と、平均２次粒子径が０．５μｍ以下の酸化セリウム粒子を含有しているので、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、平坦かつ平滑で結晶の原子レベルでの表面性状に優れた表面が得られる。
【００２１】
なお、本発明の研磨剤はｐＨを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。
【００２２】
（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、高い研磨速度が発現する。
【００２３】
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。酸化還元電位が０．５Ｖ以上の遷移金属を含む酸化剤としては、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。
【００２４】
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を得られない。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することができる。
(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。
【００２５】
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、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、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。
【００２６】
（研磨砥粒）
本発明の研磨剤に含有される砥粒である平均２次粒子径０．５μｍ以下の酸化セリウム（セリア）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ものである。この酸化層を化学的および機械的作用により研磨することで、研磨が促進される。また、平均２次粒子径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。
【００２７】
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、シリカ砥粒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）製膜法による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製膜法による酸化ケイ素膜と同様に、酸化セリウム粒子と形成された酸化層との間で化学的な反応が起きることが考えられ、この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。
【００２８】
また、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、平滑で高品質な表面が得られない。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。
【００２９】
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を、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。
【００３０】
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、０．０１質量％以上１０．０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０．０１質量％未満では、十分な研磨速度を得ることが難しく、１０．０％質量％を超えると分散性が低下により、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０．０２〜５．０質量％であり、さらに好ましい含有割合は０．０３〜２．０質量％である。
【００３１】
（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以上では、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。
【００３２】
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・配合により調整することができる。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、中でも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、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、中でも水酸化カリウムが特に好ましい。
【００３３】
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）に調整する量とする。
【００３４】
（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。
【００３５】
（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れる。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。
【００３６】
本発明の研磨剤には、本発明の趣旨に反しない限り、凝集防止剤または分散剤、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。
【００３７】
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。分散剤および潤滑剤としては、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。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、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、アミノ酸からな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、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。
【００３８】
［研磨対象物］
本発明の研磨剤が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。
【００３９】
［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研磨方法が好ましい。
【００４０】
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することができる。
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るものではない。
【００４１】
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。
【００４２】
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に押圧されるようになっている。
【００４３】
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が研磨定盤１上に供給されるようになっている。
【００４４】
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た状態で、滴下ノズル６等から研磨剤７が研磨パッド３の表面に供給されつつ、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。
【００４５】
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。
【００４６】
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より研磨圧力を高め、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液の組成、上記研磨条件等により適宜調整され選択される。
【００４７】
研磨パッド３としては、一般的な不織布、発泡ポリウレタン、多孔質樹脂、非多孔質樹脂等からなるものを使用できる。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。
【実施例】
【００４８】
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１〜１６は本発明の実施例であり、例１７〜２３は比較例である。
【００４９】
（１）研磨剤の調製
（１−１）
例１〜１６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、砥粒である平均２次粒子径が０．１８μｍの酸化セリウム粒子加え、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、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムを撹拌しながら徐々に添加して、表１に示す所定のｐＨに調整し、研磨剤を得た。各実施例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。
【００５０】
（１−２）
例１７〜２３の各研磨剤を、以下に示すようにして調製した。例１７においては、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１８，１９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。次いで、ｐＨ調整剤として、リン酸、硝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２０においては、平均２次粒子径が１．３μｍの酸化セリウム粒子を使用した以外は、例３と同様の方法で調整し、研磨剤を得た。例２１〜２３においては、それぞれ酸化剤である過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウム、過酸化水素に純水を加え、撹拌翼を用いて１０分間撹拌した。次いで、この液に、平均２次粒子径が０．１８μｍの酸化セリウム粒子を加え、撹拌翼を用いて１０分間撹拌した。ｐＨ調整剤として、水酸化カリウムを必要に応じて添加し、表１に示す所定のｐＨに調整し、研磨剤を得た。各比較例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。
【００５１】
なお、例１７で配合されるシリカ粒子の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。それ以外の各研磨剤については、平均２次粒子径のみをＬＡ９２０（堀場製作所製）により測定した。
【００５２】
（１−２）ｐＨの測定
例１〜２３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。
【００５３】
（２）研磨剤の研磨特性の評価
例１〜２３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。
【００５４】
（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。
【００５５】
（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１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。）
【００５６】
（２−４）原子ステップテラス幅分布の測定
例３および例２０の各研磨剤により研磨されたＯｎ−ａｘｉｓ基板において、研磨後の表面の幅２μｍ、高さ１μｍの範囲をＡＦＭで測定した。図２に示すように、各原子ステップのテラス幅を０．２μｍ間隔で測定し、テラス幅の最大値と最小値の差、および標準偏差を求めた。
【００５７】
（２−５）原子ステップフロント部平均粗さの測定
例３および例１７の各研磨剤により研磨されたＯｎ−ａｘｉｓ基板において、研磨後の表面の幅２μｍ、高さ１μｍの範囲をＡＦＭで測定した。図２に示すように、各原子ステップのフロント部の断面形状について、粗さ（Ｒａ）を測定しその平均値を求めた。
【００５８】
【表１】
【００５９】
表１からわかるように、例１〜１６の研磨剤を使用した場合は、Ｏｎ−ａｘｉｓ基板およびオフ角が４°以内のＳｉＣ単結晶基板の両方に対して、高い研磨速度が得られており、高速研磨が可能である。また、ＡＦＭ測定から得られた原子ステップラインに湾曲が見られず、直線性を維持しており、各原子ステップのテラス幅が均一でかつ原子ステップのフロント部の形状もえぐれ等がなく、平均Ｒａも小さく良好であった。
【００６０】
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１７の研磨剤を使用した場合は、実施例である例１〜１６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。さらに、ＡＦＭ測定で得られる原子ステップフロント部にえぐれが確認され、平均Ｒａが実施例である例３と比較して大きく、原子レベルでの表面性状が不良であった。酸化剤を含まない例１８，１９の研磨剤を使用した場合は、実施例と比較して研磨速度が著しく低下した。
【００６１】
また、酸化剤として過マンガン酸カリウムを含有し、砥粒として平均２次粒子径が１．３μｍの酸化セリウム粒子を含有する例２０の研磨剤を使用した場合は、高い研磨速度を示すが、ＡＦＭ測定から、過度な機械的作用による原子ステップの湾曲により、各原子ステップテラス幅のばらつきが大きく、原子レベルでの表面性状が不良であることがわかった。さらに、酸化剤に過マンガン酸カリウム以外の酸化剤を用いた例２１〜２３の研磨剤を使用した場合は、実施例に比べて研磨速度が著しく低下した。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明によれば、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の高速研磨が可能となり、かつ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、それらの基板の生産性の向上に寄与できる。
【符号の説明】
【００６３】
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。
【技術分野】
【０００１】
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仕上げ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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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ている。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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）。
【０００８】
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、特許文献２の研磨用組成物を使用した場合には、研磨後の炭化ケイ素単結晶基板の表面性状を顕微鏡で観察すると、結晶の原子ステップのフロント部に凹凸やえぐれなどのダメージが見られ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、酸化ケイ素（シリカ）および酸化セリウム（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が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。しかしながら、非特許文献１に記載された方法では、粒子径の非常に大きな砥粒による強い機械的作用により、表面に傷や歪み等のダメージが入るという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−１１７０２７号公報
【特許文献２】特開２００８−１７９６５５号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】砥粒加工学会誌Vol.53 No.7 2009 7月 417-420
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
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、平滑で結晶の原子レベルにおいても表面性状に優れた高品質な表面を得るための研磨剤、および研磨方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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、平均２次粒子径が０．５μｍ以下の酸化セリウム粒子と、分散媒とを含有することを特徴とする。
【００１３】
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平均２次粒子径は、０．２μｍ以下であることが好ましい。そして、前記酸化セリウム粒子の含有量は、０．０１質量％以上１０質量％以下であることが好ましい。
【００１４】
さらに、本発明の研磨剤は、ｐＨが１１以下であることが好ましく、５以下であることがより好ましい。またさらに、前記非酸化物単結晶基板は、炭化ケイ素単結晶基板または窒化ガリウム単結晶基板とすることができる。
【００１５】
本発明の研磨剤方法は、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。
【発明の効果】
【００１６】
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することができ、平坦かつ平滑で原子レベルにおいても表面性状に優れた被研磨面が得られる。
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。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】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。
【図２】研磨後の基板における結晶原子レベルの表面性状を模式的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１９】
［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、酸化還元電位が０．５Ｖ以上の遷移金属を含む酸化剤と、砥粒である平均２次粒子径が０．５μｍ以下の酸化セリウム粒子と、分散媒とを含有し、スラリーの形状を有する。
【００２０】
本発明の研磨剤は、酸化還元電位が０．５Ｖ以上の遷移金属を含む酸化剤と、平均２次粒子径が０．５μｍ以下の酸化セリウム粒子を含有しているので、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、平坦かつ平滑で結晶の原子レベルでの表面性状に優れた表面が得られる。
【００２１】
なお、本発明の研磨剤はｐＨを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。
【００２２】
（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、高い研磨速度が発現する。
【００２３】
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。酸化還元電位が０．５Ｖ以上の遷移金属を含む酸化剤としては、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。
【００２４】
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を得られない。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することができる。
(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。
【００２５】
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、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、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。
【００２６】
（研磨砥粒）
本発明の研磨剤に含有される砥粒である平均２次粒子径０．５μｍ以下の酸化セリウム（セリア）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ものである。この酸化層を化学的および機械的作用により研磨することで、研磨が促進される。また、平均２次粒子径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。
【００２７】
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、シリカ砥粒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）製膜法による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製膜法による酸化ケイ素膜と同様に、酸化セリウム粒子と形成された酸化層との間で化学的な反応が起きることが考えられ、この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。
【００２８】
また、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、平滑で高品質な表面が得られない。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。
【００２９】
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を、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。
【００３０】
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、０．０１質量％以上１０．０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０．０１質量％未満では、十分な研磨速度を得ることが難しく、１０．０％質量％を超えると分散性が低下により、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０．０２〜５．０質量％であり、さらに好ましい含有割合は０．０３〜２．０質量％である。
【００３１】
（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以上では、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。
【００３２】
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・配合により調整することができる。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、中でも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、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、中でも水酸化カリウムが特に好ましい。
【００３３】
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）に調整する量とする。
【００３４】
（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。
【００３５】
（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れる。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。
【００３６】
本発明の研磨剤には、本発明の趣旨に反しない限り、凝集防止剤または分散剤、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。
【００３７】
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。分散剤および潤滑剤としては、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。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、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、アミノ酸からな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、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。
【００３８】
［研磨対象物］
本発明の研磨剤が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。
【００３９】
［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研磨方法が好ましい。
【００４０】
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することができる。
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るものではない。
【００４１】
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。
【００４２】
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に押圧されるようになっている。
【００４３】
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が研磨定盤１上に供給されるようになっている。
【００４４】
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た状態で、滴下ノズル６等から研磨剤７が研磨パッド３の表面に供給されつつ、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。
【００４５】
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。
【００４６】
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より研磨圧力を高め、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液の組成、上記研磨条件等により適宜調整され選択される。
【００４７】
研磨パッド３としては、一般的な不織布、発泡ポリウレタン、多孔質樹脂、非多孔質樹脂等からなるものを使用できる。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。
【実施例】
【００４８】
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１〜１６は本発明の実施例であり、例１７〜２３は比較例である。
【００４９】
（１）研磨剤の調製
（１−１）
例１〜１６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、砥粒である平均２次粒子径が０．１８μｍの酸化セリウム粒子加え、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、硝酸、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムを撹拌しながら徐々に添加して、表１に示す所定のｐＨに調整し、研磨剤を得た。各実施例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。
【００５０】
（１−２）
例１７〜２３の各研磨剤を、以下に示すようにして調製した。例１７においては、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１８，１９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。次いで、ｐＨ調整剤として、リン酸、硝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２０においては、平均２次粒子径が１．３μｍの酸化セリウム粒子を使用した以外は、例３と同様の方法で調整し、研磨剤を得た。例２１〜２３においては、それぞれ酸化剤である過硫酸アンモニウム、過硫酸カリウム、過酸化水素に純水を加え、撹拌翼を用いて１０分間撹拌した。次いで、この液に、平均２次粒子径が０．１８μｍの酸化セリウム粒子を加え、撹拌翼を用いて１０分間撹拌した。ｐＨ調整剤として、水酸化カリウムを必要に応じて添加し、表１に示す所定のｐＨに調整し、研磨剤を得た。各比較例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。
【００５１】
なお、例１７で配合されるシリカ粒子の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。それ以外の各研磨剤については、平均２次粒子径のみをＬＡ９２０（堀場製作所製）により測定した。
【００５２】
（１−２）ｐＨの測定
例１〜２３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。
【００５３】
（２）研磨剤の研磨特性の評価
例１〜２３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。
【００５４】
（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。
【００５５】
（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１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。）
【００５６】
（２−４）原子ステップテラス幅分布の測定
例３および例２０の各研磨剤により研磨されたＯｎ−ａｘｉｓ基板において、研磨後の表面の幅２μｍ、高さ１μｍの範囲をＡＦＭで測定した。図２に示すように、各原子ステップのテラス幅を０．２μｍ間隔で測定し、テラス幅の最大値と最小値の差、および標準偏差を求めた。
【００５７】
（２−５）原子ステップフロント部平均粗さの測定
例３および例１７の各研磨剤により研磨されたＯｎ−ａｘｉｓ基板において、研磨後の表面の幅２μｍ、高さ１μｍの範囲をＡＦＭで測定した。図２に示すように、各原子ステップのフロント部の断面形状について、粗さ（Ｒａ）を測定しその平均値を求めた。
【００５８】
【表１】
【００５９】
表１からわかるように、例１〜１６の研磨剤を使用した場合は、Ｏｎ−ａｘｉｓ基板およびオフ角が４°以内のＳｉＣ単結晶基板の両方に対して、高い研磨速度が得られており、高速研磨が可能である。また、ＡＦＭ測定から得られた原子ステップラインに湾曲が見られず、直線性を維持しており、各原子ステップのテラス幅が均一でかつ原子ステップのフロント部の形状もえぐれ等がなく、平均Ｒａも小さく良好であった。
【００６０】
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１７の研磨剤を使用した場合は、実施例である例１〜１６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。さらに、ＡＦＭ測定で得られる原子ステップフロント部にえぐれが確認され、平均Ｒａが実施例である例３と比較して大きく、原子レベルでの表面性状が不良であった。酸化剤を含まない例１８，１９の研磨剤を使用した場合は、実施例と比較して研磨速度が著しく低下した。
【００６１】
また、酸化剤として過マンガン酸カリウムを含有し、砥粒として平均２次粒子径が１．３μｍの酸化セリウム粒子を含有する例２０の研磨剤を使用した場合は、高い研磨速度を示すが、ＡＦＭ測定から、過度な機械的作用による原子ステップの湾曲により、各原子ステップテラス幅のばらつきが大きく、原子レベルでの表面性状が不良であることがわかった。さらに、酸化剤に過マンガン酸カリウム以外の酸化剤を用いた例２１〜２３の研磨剤を使用した場合は、実施例に比べて研磨速度が著しく低下した。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明によれば、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の高速研磨が可能となり、かつ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、それらの基板の生産性の向上に寄与できる。
【符号の説明】
【００６３】
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。
【特許請求の範囲】
【請求項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、平均２次粒子径が０．５μｍ以下の酸化セリウム粒子と、分散媒とを含有することを特徴とする研磨剤。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項４】
前記酸化セリウム粒子の平均２次粒子径は、０．２μｍ以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載の研磨剤。
【請求項５】
前記酸化セリウム粒子の含有量は、０．０１質量％以上１０質量％以下である請求項１〜４のいずれか１項に記載の研磨剤。
【請求項６】
ｐＨが１１以下である請求項１〜５のいずれか１項に記載の研磨剤。
【請求項７】
ｐＨが５以下である請求項６に記載の研磨剤。
【請求項８】
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１〜７のいずれか１項に記載の研磨剤。
【請求項９】
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１〜８のいずれか１項に記載の研磨剤を使用する研磨方法。
【請求項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、平均２次粒子径が０．５μｍ以下の酸化セリウム粒子と、分散媒とを含有することを特徴とする研磨剤。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項４】
前記酸化セリウム粒子の平均２次粒子径は、０．２μｍ以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載の研磨剤。
【請求項５】
前記酸化セリウム粒子の含有量は、０．０１質量％以上１０質量％以下である請求項１〜４のいずれか１項に記載の研磨剤。
【請求項６】
ｐＨが１１以下である請求項１〜５のいずれか１項に記載の研磨剤。
【請求項７】
ｐＨが５以下である請求項６に記載の研磨剤。
【請求項８】
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１〜７のいずれか１項に記載の研磨剤。
【請求項９】
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１〜８のいずれか１項に記載の研磨剤を使用する研磨方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−２４８５６９（Ｐ２０１２−２４８５６９Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１６８８２（Ｐ２０１１−１１６８８２）
【出願日】平成２３年５月２５日（２０１１．５．２５）
【出願人】（０００００００４４）旭硝子株式会社 (2,665)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２５日（２０１１．５．２５）
【出願人】（０００００００４４）旭硝子株式会社 (2,665)
【Ｆターム（参考）】
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