Полирующий состав - RU2620836C2

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Данное изобретение относится к полирующему составу для использования, в основном, при полировке объектов, которые нужно отполировать, состоящих из твердых и хрупких материалов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В последние годы сапфировые подложки применялись в качестве подложек LED (светоиспускающих диодов), а подложки из карбида кремния и нитрида кремния применялись в качестве подложек элементов питания. Эти подложки называют подложками из твердого и хрупкого материала. Подложку из твердого и хрупкого материала необходимо полировать таким образом, чтобы ее поверхность становилась сверхгладкой поверхностью.

Полировка осуществляется в таком положении, при котором объект, который нужно отполировать, прижат к полировальнику, который наклеен на планшайбу полировальной машины, под действием заданного давления, в то время как полирующий состав подается на полировальник. Затем однократно использованный для полирования полирующий состав можно собрать и использовать повторно в некоторых случаях. Циклическое использование полирующего состава, таким образом, является целесообразным с точки зрения снижения нагрузки на окружающую среду посредством снижения количества полирующего состава, выбрасываемого в виде жидких отходов, а также снижения стоимости полировки подложек посредством снижения количества используемого полирующего состава. С другой стороны, циклическое использование полирующего состава повлекло за собой проблему, связанную с постепенным снижением его полирующей способности и окончательным приведением в негодность полирующего состава. Кроме того, обычные полирующие составы также имеют недостаток, связанный с тем, что не может быть достигнута достаточная скорость полировки.

В патентном документе 1, например, раскрыта полировка сапфировой подложки с использованием полирующего состава, содержащего коллоидный оксид кремния в относительно большой концентрации. В патентном документе 2 раскрывается полирование интегральных схем (IC) и тому подобного посредством использования полирующего состава, который содержит сферические и дискретные частицы диоксида кремния, не связанные друг с другом посредством связей, а также в котором общая совокупность частиц имеет бимодальный гранулометрический состав. В таких случаях, однако, трудно достичь достаточной скорости полирования. Кроме того, циклическое использование таких полирующих составов затрудняет поддержание качества процесса полировки на постоянном уровне в связи с постепенным снижением скорости полировки, что приводит к снижению эффективности производства подложек из твердого и хрупкого материала. Более того, поскольку полирующий состав следует часто заменять, его расход растет и в связи с этим возрастает стоимость подложек из твердого и хрупкого материала.

ДОКУМЕНТЫ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

Патентные документы

Патентный документ 1: выложенная японская патентная публикация №2008-44078

Патентный документ 2: находящаяся на национальной фазе выложенная японская патентная публикация №2003-529662

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачи, которые должно решать изобретение

Задачей настоящего изобретения является экономичное обеспечение наличия полирующего состава, позволяющего достигать высокой скорости полировки и позволяющего сохранять высокую скорость полировки в течение длительного периода времени при его циклическом использовании.

Средства решения задач

Для достижения вышеизложенной цели и в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения обеспечивается наличие полирующего состава, содержащего, по меньшей мере, воду и диоксид кремния, в котором состав удовлетворяет всем следующим требованиям:

(a) удельная площадь поверхности диоксида кремния, содержащегося в полирующем составе, составляет 30 м²/г или более;

(b) полирующий состав содержит 2% по массе или более диоксида кремния, имеющего размер частиц от 10 до 50 нм;

(c) полирующий состав содержит 2% по массе или более диоксида кремния, имеющего размер частиц от 60 до 300 нм; и

(d) значение, полученное при делении среднего размера частиц диоксида кремния, описанного в условии (c), на средний размер частиц диоксида кремния, описанного в условии (b), составляет 2 или более.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с полирующим составом, относящимся к настоящему изобретению, имеется возможность достижения высокой скорости полировки при полировке подложек из твердых и хрупких материалов, а также сохранения высокой скорости полировки в течение длительного периода времени при его циклическом использовании.

РЕЖИМЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Вариант осуществления настоящего изобретения будет описан ниже.

Полирующий состав, относящийся к настоящему варианту осуществления, содержит, по меньшей мере, воду и диоксид кремния, а также удовлетворяет всем следующим требованиям (a)-(d):

(a) удельная площадь поверхности диоксида кремния, содержащегося в полирующем составе, составляет 30 м²/г или более;

(b) полирующий состав содержит 2% по массе или более диоксида кремния, имеющего размер частиц от 10 до 50 нм;

(c) полирующий состав содержит 2% по массе или более диоксида кремния, имеющего размер частиц от 60 до 300 нм; и

(d) значение, полученное при делении среднего размера частиц диоксида кремния, описанного в условии (c), на средний размер частиц диоксида кремния, описанного в условии (b), составляет 2 или более.

Размер частиц, большая ось и малая ось частиц диоксида кремния, содержащегося в полирующем составе, определяются с помощью программного обеспечения для анализа изображений или тому подобного, исходя из изображения диоксида кремния, полученного с помощью растрового электронного микроскопа. Размер частицы диоксида кремния может быть взят как диаметр круга, имеющего такую же площадь, как у исследуемой частицы, которая измеряется, исходя из изображения, полученного с помощью растрового электронного микроскопа. Средний размер частиц диоксида кремния представляет собой среднее значение размеров частиц для частиц, находящихся в поле зрения растрового электронного микроскопа. Величины большой оси и малой оси каждой частицы можно взять как длины длинной стороны и короткой стороны, соответственно, наименьшего описанного прямоугольника для изображения исследуемой частицы, полученного с помощью растрового электронного микроскопа.

Доли диоксида кремния, имеющего размер частиц от 10 до 50 нм (далее именуемый «диоксид кремния (b)»), а также диоксида кремния, имеющего размер частиц от 60 до 300 нм (далее именуемый «диоксид кремния (c)»), находящихся в общей массе диоксида кремния, содержащегося в полирующем составе, в обоих случаях составляют 2% по массе или более, исходя из массы полирующего состава. Эти доли могут быть найдены посредством расчета процентных отношений диоксида кремния (b) и диоксида кремния (с), соответственно, к суммарному количеству диоксида кремния, содержащегося в полирующем составе, и умножения суммарного содержания диоксида кремния в полирующем составе на эти значения. Предпочтительно, полирующий состав содержит 4% по массе или более, более предпочтительно 7% по массе или более как диоксида кремния (b), так и диоксида кремния (c).

При условии, что B обозначает средний размер частиц диоксида кремния (b), а C обозначает средний размер частиц диоксида кремния (c), находящихся в общей массе диоксида кремния, содержащегося в полирующем составе, значение, полученное при делении C на B, составляет предпочтительно 2 или более, более предпочтительно 2,5 или более и еще более предпочтительно 3 или более. Чем больше значение, полученное при делении C на B, тем выше становится достигаемая скорость полировки.

Процентное отношение количества диоксида кремния (c) к суммарному количеству диоксида кремния в полирующем составе предпочтительно составляет 50% по массе или более, еще более предпочтительно 60% по массе или более. Когда процентное содержание диоксида кремния (c) находится в пределах описанного выше диапазона, более высокая скорость полировки может быть достигнута без увеличения суммарного количества диоксида кремния, содержащегося в полирующем составе. Таким образом, снижается стоимость производства полирующего состава, а также уменьшается количество диоксида кремния, остающегося на поверхности подложки после полировки.

Верхний предел содержания диоксида кремния в полирующем составе конкретно не устанавливается, но составляет предпочтительно 50% по массе или менее и еще более предпочтительно 40% по массе или менее. Чем меньше содержание диоксида кремния, тем больше повышается стабильность дисперсного состояния полирующего состава, и, таким образом, полирующий состав становится более удобным в обращении. Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением высокая скорость полировки может быть достигнута при низком содержании диоксида кремния, а также высокая скорость полировки может сохраняться в течение длительного периода времени при циклическом использовании полирующего состава. Соответственно, процесс полировки можно осуществлять экономично.

Удельная площадь поверхности диоксида кремния, содержащегося в полирующем составе, предпочтительно составляет 30 м²/г или более и более предпочтительно 40 м²/г или более. Чем больше площадь поверхности диоксида кремния, содержащегося в полирующем составе, тем дольше период времени, в течение которого поддерживается скорость полировки при циклическом использовании полирующего состава. Как используется в настоящем описании, площадью поверхности диоксида кремния называется площадь той части диоксида кремния, которая может непосредственно соприкасаться с поверхностью подложки из твердого и хрупкого материала. Удельная площадь поверхности диоксида кремния рассчитывалась, исходя из площади поверхности, рассчитанной, исходя из размера частицы диоксида кремния, и числа частиц в 1 г диоксида кремния. А именно, размер частицы для каждой частицы диоксида кремния был найден посредством использования растрового электронного микроскопа, после чего площадь поверхности рассчитывалась, исходя из допущения, что все частицы являлись идеальными сферами. Удельная площадь поверхности рассчитывалась, исходя из совокупности рассчитанных площадей поверхности и количества частиц в 1 г диоксида кремния.

Верхний предел удельной площади поверхности диоксида кремния, содержащегося в полирующем составе, конкретно не устанавливается, но составляет предпочтительно 2000 м²/г или менее, еще более предпочтительно 1000 м²/г или менее. Чем меньше площадь поверхности диоксида кремния, тем больше повышается стабильность дисперсного состояния полирующего состава, и, таким образом, полирующий состав становится более удобным в обращении.

Большая ось частицы диоксида кремния, содержащегося в полирующем составе, предпочтительно больше ее малой оси в полтора раза или менее и более предпочтительно в 1,3 раза или менее. Чем меньше разница между большой осью и малой осью частицы и чем более сферическими являются частицы диоксида кремния, тем выше становится скорость полировки.

Значение pH полирующего состава предпочтительно составляет 7,5 или более и более предпочтительно 7,8 или более. Значение pH полирующего состава также предпочтительно составляет 9,5 или менее и более предпочтительно 9,2 или менее. Когда значение pH находится в пределах описанного выше диапазона, повышаются скорость полировки и стабильность дисперсного состояния абразивного зерна. Кроме того, с полирующим составом можно безопасно работать.

Значение pH полирующего состава регулируется с помощью известных кислот, оснований или их солей. А именно, предпочтительно используются органические кислоты, такие как карбоновые кислоты, органические фосфоновые кислоты или органические сульфокислоты; неорганические кислоты, такие как фосфорная кислота, фосфористая кислота, серная кислота, азотная кислота, соляная кислота, борная кислота или угольная кислота; органические основания, такие как амины и четвертичные аммониевые гидроксиды; неорганические основания, такие как гидроксиды щелочных металлов, гидроксиды щелочноземельных металлов или аммиак; или их соли.

В другом аспекте настоящего изобретения обеспечивается способ полировки подложек из твердого и хрупкого материала с использованием полирующего состава. В еще одном аспекте настоящего изобретения обеспечивается способ изготовления подложки из твердого и хрупкого материала, включающий стадию полировки подложки из твердого и хрупкого материала с применением способа полировки.

Полирующий состав, относящийся к настоящему варианту осуществления, имеет описанные ниже преимущества.

Полирующий состав, относящийся к настоящему варианту осуществления, позволяет полировать объекты, которые нужно отполировать, состоящие из твердых и хрупких материалов, при высокой скорости полировки, а также позволяют сохранять высокую скорость полировки в течение длительного периода времени, даже когда полирующий состав подвергается циклическому использованию. Хотя точный механизм такого эффекта не был выяснен, предполагается, что он заключается в следующем. А именно, предполагается, что когда диоксид кремния, имеющий размер частиц от 60 до 300 нм, и диоксид кремния, имеющий размер частиц от 10 до 50 нм, имеют подходящие средние размеры частиц и содержатся в полирующем составе с подходящими массовыми долями, оба вида диоксида кремния синергетически усиливают свое механическое полирующее действие, что приводит к весьма хорошей скорости полировки. В данном случае предпочтительно, чтобы основным видом диоксида кремния среди всех видов диоксида кремния, содержащихся в полирующем составе, являлся диоксид кремния, имеющий размер частиц от 60 до 300 нм, который имеет более сильное механическое полирующее действие. С другой стороны, также считается, что взаимодействие в твердой фазе между поверхностью абразивного зерна и поверхностью подложки из твердого и хрупкого материала способствует более высокой скорости полировки. Поэтому предполагается, что включение диоксида кремния, имеющего достаточную площадь поверхности, в полирующий состав приводит к повышенной долговечности полирующей способности, сохраняя, таким образом, полирующую способность в течение более длительного периода времени при циклическом использовании полирующего состава. Настоящее изобретение успешно обеспечило как весьма хорошую скорость полировки, так и достаточно долговечную полирующую способность при циклическом использовании полирующего состава посредством включения подходящих количеств диоксида кремния, имеющего размер частиц от 60 до 300, и диоксида кремния, имеющего размер частиц от 10 до 50 нм, в полирующий состав, а также посредством обеспечения определенных величин площадей поверхности диоксида кремния. Стандартные полирующие составы не обладают такими характеристиками. В связи с этим настоящее изобретение отличается от известного уровня техники.

Полирующий состав можно использовать в устройстве и в условиях, которые обычно применялись для полировки подложек из твердого и хрупкого материала. Как правило, в качестве полировального устройства применяются односторонние полировальные устройства и двусторонние полировальные устройства. В случае одностороннего полировального устройства подложка удерживается с помощью фиксирующего устройства, которое называется держателем, при этом планшайба, на которую приклеен полировальник, прижимается к одной из поверхностей подложки, после чего планшайба вращается, в процессе чего подается полирующий состав, чтобы отполировать одну из поверхностей подложки. В случае двустороннего полировального устройства подложка удерживается с помощью держателя, при этом планшайбы, на которые наклеены полировальники, прижимаются к обеим поверхностям подложки, после чего планшайбы вращаются в противоположенных направлениях, в процессе чего подается полирующий состав с верхней стороны, чтобы отполировать обе поверхности подложки. В процессе полировки подложка полируется посредством физического воздействия в результате трения между полировальником вместе с полирующим составом и подложкой, а также посредством химического воздействия на подложку, осуществляемого полирующим составом.

Условия полировки включают прижимное давление при полировке. Как правило, чем больше прижимное давление при полировке, тем большей становится сила трения между абразивным зерном и подложкой. Следовательно, более высокое прижимное давление при полировке повышает механическую обрабатываемость для увеличения скорости полировки. Прижимное давление при полировке, прикладываемое к подложке, не ограничивается особым образом, но предпочтительно оно составляет от 50 до 1000 г/см² (от 4,9 до 98,1 кПа), более предпочтительно от 100 до 800 г/см² (от 9,81 до 78,5 кПа) и еще более предпочтительно от 300 до 600 г/см² (от 29,4 до 58,9 кПа). Когда прижимное давление при полировке находится в пределах вышеуказанного диапазона, можно достичь достаточно высокой скорости полировки и, кроме того, можно уменьшить степень повреждения пластины и образования дефектов поверхности.

Условия полировки также включают линейную скорость. Линейная скорость главным образом зависит от числа оборотов полировальника, числа оборотов держателя, размеров подложки, числа подложек и тому подобного. Поскольку более высокая линейная скорость приводит к повышению силы трения, приложенной к подложке, усиливается механическое полирующее действие на подложку. Кроме того, теплота, образующаяся при трении, может усилить химическое полирующее действие полирующего состава. Линейная скорость не ограничивается особым образом, но предпочтительно она составляет от 10 до 300 м/мин и более предпочтительно от 30 до 200 м/мин. Когда линейная скорость находится в пределах вышеописанных интервалов, можно достичь достаточно высокой скорости полировки, и, кроме того, к подложке может быть приложена подходящая сила трения.

Полировальник не ограничивается материалом, толщиной или физическими свойствами, такими как твердость. Может применяться любой полировальник, например, полиуретанового типа, на основе нетканого материала, или замшевого типа с различными показателями твердости и толщины, полировальники, содержащие абразивное зерно, полировальники, не содержащие абразивного зерна, или тому подобные.

Вышеописанный полирующий состав можно собирать и повторно использовать для полировки после того, как его уже один раз использовали для полировки подложек из твердого и хрупкого материала. Примеры способов повторного использования полирующего состава включают способ, в котором используемый полирующий состав, подаваемый из полировального устройства, временно собирается в емкость, после чего подается обратно в полировальное устройство для повторного использования. Циклическое использование полирующего состава снижает количество полирующего состава, выбрасываемого в виде жидких отходов, а также расход полирующего состава. Это является целесообразным с точки зрения снижения нагрузки на окружающую среду, а также снижения стоимости производства подложек из твердого и хрупкого материала.

Компоненты полирующего состава, такие как диоксид кремния, расходуются, и их количество снижается при полировке с циклическим использованием полирующего состава. Таким образом, такие компоненты, как диоксид кремния, можно добавлять в количествах, соответствующих их потерям, в полирующий состав в процессе циклического использования. Компоненты, потери которых необходимо восполнять, можно добавлять в полирующий состав по отдельности, либо добавлять в полирующий состав в виде смеси, содержащей два или более компонента в любых концентрациях. В данном случае полирующий состав приводят в подходящее для повторного использования состояние, при этом его полирующая способность хорошо сохраняется.

Условия полировки включают скорость подачи полирующего состава. Скорость подачи полирующего состава зависит от типа подложки, типа полировального устройства и других условий полировки, но предпочтительно скорость является вполне достаточной для того, чтобы полирующий состав равномерно подавался на все участки подложки и полировальника.

Объекты, которые нужно эффективно отполировать в соответствии с настоящим изобретением, являются твердыми и хрупкими материалами. Более пригодными для полировки объектами являются сапфир, карбид кремния и нитрид кремния, и, среди прочих, сапфир эффективно полируется.

Вариант осуществления может быть изменен следующим образом.

Полирующий состав может содержать абразивное зерно, отличное от диоксида кремния. Примеры других абразивных зерен включают, например, оксид алюминия, диоксид циркония, диоксид церия, оксид титана и тому подобное. Однако, предпочтительно, чтобы процентное содержание другого абразивного зерна в полирующем составе было низким, и более предпочтительно, чтобы абразивное зерно, отличное от диоксида кремния, практически не содержалось в полирующем составе.

Полирующий состав может содержать добавки, предназначенные для дополнительного увеличения скорости полировки, такие как комплексообразователи, реактивы для травления, а также окисляющие агенты по мере необходимости.

Полирующий состав также может содержать известные добавки, такие как консерванты, противогрибковые вещества, а также ингибиторы коррозии по мере необходимости.

Полирующий состав также может содержать такие добавки, как диспергаторы для увеличения дисперсности абразивного зерна, а также диспергирующие вспомогательные средства для легкого повторного диспергирования агрегатов по мере необходимости.

Полирующий состав может быть однокомпонентным или многокомпонентным, т.е. состоящим из двух или более компонентов. Кроме того, когда используется полировальное устройство, оборудованное множеством каналов для подачи полирующего средства, можно предварительно изготовить два или более составов, после чего они перемешиваются внутри полировального устройства с образованием полирующего состава.

Полирующий состав можно получить посредством разбавления исходного концентрированного полирующего состава водой. Когда полирующий состав является смесью двух различных составов, порядок смешивания и разбавления для обоих составов может произвольно меняться. Например, один из составов можно разбавить водой, после чего смешать разбавленный состав с другим составом, можно одновременно смешать вместе оба состава и разбавить водой или, в соответствии с другим вариантом, можно смешать вместе оба состава, после чего разбавить смесь водой.

Примеры и сравнительные примеры настоящего изобретения будут проиллюстрированы ниже.

Примеры 1-10 и сравнительные примеры 1-4

Виды диоксида кремния, имеющие различные размеры частиц, смешали друг с другом с учетом указанных в таблице 2 массовых долей и отрегулировали значения pH для получения полирующих составов, соответствующих примерам 1-10 и сравнительным примерам 1-4, у которых площади поверхностей абразивного зерна отличались друг от друга. В качестве диоксида кремния использовали диоксид кремния в виде сферических коллоидных частиц, у которых большая ось в 1,1 раза длиннее малой оси. Азотная кислота и гидроксид калия использовались в качестве регуляторов pH. Три образца сапфировой подложки (поверхность С) одновременно полировали с использованием каждого из полирующих составов, относящихся к примерам и сравнительным примерам, при указанных в таблице 1 условиях. Все использованные сапфировые подложки были круглыми с диаметром 50,8 мм. Полирующие составы с суммарным объемом 500 мл использовались для полировки в процессе кругового движения при скорости подачи, указанной в таблице 1.

Средний размер частиц B и доля диоксида кремния (b), имеющего размер частиц от 10 до 50 нм, содержащегося в каждом полирующем составе, средний размер частиц C и доля диоксида кремния (c), имеющего размер частиц от 60 до 300 нм, содержащегося в каждом полирующем составе, значение (C/B), полученное посредством деления среднего размера частиц C диоксида кремния (c) на средний размер частиц B диоксида кремния (b), удельная площадь поверхности диоксида кремния, содержащегося в полирующих составах, а также значения pH указаны в таблице 2. Средний размер частиц, большая ось и малая ось частицы диоксида кремния определялись с помощью программного обеспечения для анализа изображений, исходя из изображений исследуемого диоксида кремния, полученных с помощью растрового электронного микроскопа. Измерения проводили в общей сложности для 200 частиц диоксида кремния, выбранных, исходя из 10 полей зрения растрового электронного микроскопа (20 частиц диоксида кремния на одно поле зрения). Кроме того, чтобы рассчитать скорость полировки для каждого полирующего состава, сапфировые подложки взвешивали до и после полировки. Скорость полировки, рассчитанная, исходя из различия в массе подложки до и после полировки, указана в столбце «скорость полировки» в таблице 2. Показатель долговечности полирующей способности при циклическом использовании полирующего состава рассчитывался следующим образом. Когда скорость полировки снижалась более чем на 10% по сравнению со скоростью полировки сразу после начала полировки, полировка сапфировой подложки прекращалась, после чего определяли суммарное количество снятого материала с одной сапфировой подложки. Затем суммарное количество снятого материала разделили на массовую долю диоксида кремния в полирующем составе. Полученное значение указано в столбце «суммарное количество снятого материала/массовая доля диоксида кремния» в таблице 2 в качестве показателя долговечности полирующей способности. Кроме того, степень снижения скорости полировки при циклическом использовании полирующего состава подтверждалась посредством расчета скорости полировки каждые 30 минут вышеуказанным способом при циклическом использовании такого же полирующего состава для полировки.

Как показано в таблице 2, когда твердые и хрупкие материалы полировали с использованием полирующего состава, соответствующего примерам 1-10, были достигнуты высокие скорости полировки, причем высокие скорости полировки сохранялись в течение длительных периодов времени при циклическом использовании полирующих составов. Более того, такую полирующую способность можно было получить при меньшем содержании диоксида кремния.

Реферат

Изобретение относится к полирующим составам и может быть использовано при полировке подложек из твердых и хрупких материалов. Полирующий состав содержит, по меньшей мере, воду и диоксид кремния. Удельная площадь поверхности диоксида кремния составляет 30 м/г или более. Используют диоксид кремния, имеющий размер частиц от 10 до 50 нм, и диоксид кремния, имеющий размер частиц от 60 до 300 нм, каждый из которых содержится в полирующем составе в количестве 2% по массе или более. Значение, полученное при делении упомянутых большего среднего размера частиц диоксида кремния на упомянутый меньший средний размер частиц диоксида кремния, составляет 2 или более. В результате обеспечивается высокая скорость полирования подложек из твердого и хрупкого материала с сохранением скорости в течение длительного периода времени при неоднократном использовании полирующего состава. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 табл.

Формула