JP7776911B1

JP7776911B1 - 薄膜形成方法

Info

Publication number: JP7776911B1
Application number: JP2025065289A
Authority: JP
Inventors: 義人田中; 博立山
Original assignee: 天山石材株式会社
Priority date: 2025-04-10
Filing date: 2025-04-10
Publication date: 2025-11-27
Anticipated expiration: 2045-04-10

Abstract

【課題】無機系材料を薄膜状にコーティングする新しい手法を提供する。
【解決手段】無機系コロイド粒子で被研磨物１の表面を研磨しながら、無機系コロイド粒子の表面電荷を制御することにより、被研磨物１の表面に無機系薄膜３を形成する。例えば、無機系コロイド粒子および金属陽イオンを含む陽イオン水５を被研磨物１の表面に供給して研磨盤１０で被研磨物１の表面を研磨することで、陽イオン水５に含まれる金属陽イオンを無機系コロイド粒子の表面に吸着させて無機系コロイド粒子の表面電位を下げ、無機系コロイド粒子と被研磨物１との間の斥力を弱めて結合しやすい状態を作ることにより、無機系コロイド粒子から変化する無機系化合物が被研磨物１の表面に結合して薄膜が形成されるようにする。このように、被研磨物１の研磨によって被研磨物１の表面に無機系薄膜３を形成することができるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜形成方法に関するものである。

従来、防塵、防錆、耐候性向上、耐摩耗性向上などといった保護の観点や、光沢の付与、発色向上、指紋防止などといった意匠性の観点、あるいは防汚、静電気防止、遮熱・断熱などといった機能性の観点など、様々な目的でコーティングが行われている。コーティング剤には大別して有機系材料と無機系材料がある。有機系コーティングは劣化が早く、定期的なメンテナンスが必要となるのに対し、無機系コーティングは劣化しにくく、長期間の性能維持が可能という特性を持つ。そのため、半導体や光学デバイス、耐熱部品など高耐久性が求められる分野においては、無機系コーティングがよく使われている。

無機系材料を薄膜状にコーティングする手法の一例として、化学気相成長法（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）、物理気相成長法（ＰＶＤ：Physical Vapor Deposition）、ゾルゲル法、プラズマ溶射法などが知られている。また、半導体の分野において、ＣＶＤなど手法によって形成した薄膜を平坦化させる手法として、化学機械研磨法（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載のポリッシング方法では、純水または超純水の電気分解により生成したイオン水と、研磨粒子を含む研磨剤とを研磨布に供給しながら、この研磨布を用いて、半導体ウェーハ上に形成された膜を有する主面をポリッシングする。ここで、ポリッシングされる膜が金属である場合は、酸性イオン水を用いてポリッシングし、ポリッシングされる膜が酸化物、窒化物、多結晶シリコンおよびシリコン単結晶の何れかである場合は、アルカリ性イオン水を用いてポリッシングする。例えば、半導体ウェーハ上にＳｉＯ_２膜をＣＶＤ法により積層した後、ＣＭＰ法によりＳｉＯ_２膜を上述の方法でポリッシングすることによって半導体ウェーハの表面を平坦化させる。

なお、天山石の研磨工程で石材表面に非晶質シリカ薄膜が形成されることについて記述した論文が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

特許第３３１１２０３号公報

砥粒加工学会誌68巻2号，p.88-89，2024/8/1公開「天山石の研磨工程で石材表面に同時形成された薄膜のシンクロトロン放射光による解析」

本発明は、無機系材料を薄膜状にコーティングする新しい手法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明では、無機系コロイド粒子で被研磨物の表面を研磨し、無機系コロイド粒子の表面電荷を制御することにより、被研磨物の表面に無機系薄膜を形成する。

上記のように構成した本発明によって、被研磨物の研磨によって無機系材料を被研磨物の表面に薄膜状にコーティングするという全く新しい手法を提供することができる。

本実施形態による薄膜形成方法を説明するための図である。陽イオンによる無機系コロイド粒子の表面電荷の制御を説明するための図である。被研磨物の表面に反応物および無機系薄膜が形成された状態を示す模式図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態による薄膜形成方法を説明するための図である。

図１に示すように、本実施形態では、例えば円盤状の回転する研磨盤１０を用いて、無機系コロイド粒子で被研磨物１（薄膜が形成されるベース材）の表面を所定の圧力で研磨し、かつ無機系コロイド粒子の表面電荷を制御することにより、被研磨物１の表面に無機系薄膜３を形成する。所定の圧力は、例えば１キロパスカル（１ｋＮ／ｍ^２）以上であればよい。

図１に示す例において、研磨盤１０における研磨面の表面積よりも被研磨物１の表面積の方が大きい。研磨盤１０の研磨面よりも広い被研磨物１の領域（被研磨物１の表面の全体であってもよいし、一部であってもよい）を研磨するために、水平位置が固定状態にある研磨盤１０に対し、被研磨物１が相対的に水平移動する。被研磨物１の水平移動は所定の移動機構によって行われるが、その構成は図示を省略している。

被研磨物１は無機材料である。無機材料は金属であってもよいし、非金属の無機材料であってもよい。本実施形態では一例として、被研磨物１が鉄材（Ｆｅ）であるとして説明する。なお、被研磨物１の研磨される部位が鉄材であればよく、その他の部位はどのような材料で構成されていても構わない。

無機系コロイド粒子は、無機化合物のコロイド粒子であればよい。本実施形態では一例として、無機系コロイド粒子がＳｉＯ_２コロイド粒子であるとして説明する。コロイド粒子の状態となっている無機化合物は、被研磨物１の表面に形成される無機系薄膜３の原材料となるものであり、ＳｉＯ_２コロイド粒子を用いた場合、被研磨物１の表面に形成される無機系薄膜３はＳｉＯ_２薄膜である。

ＳｉＯ_２コロイド粒子の表面電荷の制御は、ＳｉＯ_２コロイド粒子で被研磨物１を研磨しながら陽イオンを供給することによって行う。陽イオンは、例えば１価、２価または３価の金属陽イオンである。本実施形態では一例として、ＳｉＯ_２コロイド粒子を含む陽イオン水５を被研磨物１の表面に供給して研磨盤１０で被研磨物１の表面を研磨することにより、陽イオン水５に含まれるＳｉＯ_２コロイド粒子による被研磨物１の研磨と、ＳｉＯ_２コロイド粒子の表面電荷の金属陽イオンによる制御とを行う。

図２は、金属陽イオンによるＳｉＯ_２コロイド粒子の表面電荷の制御を説明するための図である。なお、図２は説明用に模式的に図示したものであり、それぞれの要素の大きさは現実を反映したものではない。後で説明する図３についても同様である。

図２に示すように、被研磨物１の表面をＳｉＯ_２コロイド粒子５ａで研磨することにより、被研磨物１の表面には、金属表面の酸化物とＳｉＯ_２コロイド粒子５ａとから反応物２が生成される。被研磨物１が鉄材の場合、生成される反応物２は鉄とケイ素等の化合物である。この反応物２の表面はマイナスに帯電している。また、陽イオン水５に含まれるＳｉＯ_２コロイド粒子５ａの表面もマイナスに帯電している。そのため、図２（ａ）のように金属陽イオンがない場合、反応物２とＳｉＯ_２コロイド粒子５ａとの間には斥力が働く。

これに対し、図２（ｂ）のように金属陽イオン５ｂが存在する場合、ＳｉＯ_２コロイド粒子５ａと金属陽イオン５ｂとが反応し、ＳｉＯ_２コロイド粒子５ａの表面電荷は非常に小さくなる。すなわち、ＳｉＯ_２コロイド粒子５ａの表面に金属陽イオン５ｂが吸着することにより、ＳｉＯ_２コロイド粒子５ａの表面電位が下げられる。これが、ＳｉＯ_２コロイド粒子５ａの表面電荷を制御することの意味である。

また、ＳｉＯ_２コロイド粒子５ａの表面電荷が非常に小さくなるのと同時に、反応物２の表面電荷も金属陽イオン５ｂと反応して非常に小さくなる。そのため、反応物２とＳｉＯ_２コロイド粒子５ａとの間の斥力は小さくなり、ＳｉＯ_２コロイド粒子５ａが反応物２に近づく際のエネルギー障壁が非常に低くなる。これにより、反応物２とこれに近づいたＳｉＯ_２コロイド粒子５ａとの間にファンデルワールス力（引力）が発生し、両者は強く結合（固着）する。

陽イオン水５に含ませる金属陽イオン５ｂは、１価、２価または３価の何れでもよく、陽イオン水５に含ませる金属陽イオン５ｂの濃度を大きくすることにより、表面電荷の制御を強く働かせることができる。

図３は、被研磨物１の表面（正確には反応物２の表面。以下同様）に無機系薄膜３が形成された状態を示す模式図である。図２（ｂ）で説明したようにＳｉＯ_２コロイド粒子５ａが反応物２に結合し、研磨盤１０によって圧力が加えられると、ＳｉＯ_２コロイド粒子５ａが圧縮されて脱水縮合反応が進み、水分子が離脱することによってＳｉＯ_２コロイド粒子５ａはＳｉＯ_２に変化し、これが反応物２の表面にＳｉＯ_２薄膜３を形成する。

以上のように、本実施形態の薄膜形成方法を実施することにより、図３に示すように、被研磨物１（例えば、少なくとも表面部位がＦｅから成るベース材）の表面に、被研磨物１と無機系コロイド粒子５ａ（例えば、ＳｉＯ_２コロイド粒子）とから作られる反応物２（例えば、鉄とケイ素等の化合物）およびその上面に無機系薄膜３（例えば、ＳｉＯ_２薄膜）が形成されて成る無機薄膜含有積層体が生成されることとなる。なお、図１では便宜上、反応物２の図示を省略している。

以上詳しく説明したように、本実施形態によれば、被研磨物１の研磨によって無機系材料を被研磨物１の表面に薄膜状にコーティングするという全く新しい手法を提供することができる。

なお、上記実施形態では、無機系コロイド粒子を含む陽イオン水５を被研磨物１の表面に供給して研磨盤１０で被研磨物１の表面を研磨する例について説明したが、この方法に限定されない。例えば、ＳｉＯ_２コロイド粒子を含む研磨剤を研磨面に配した研磨盤１０を用いるようにしてもよい。この場合、被研磨物１に対して供給する陽イオン水５は、金属陽イオンを含むものであればよく、無機系コロイド粒子を必ずしも含まなくてもよい。

また、上記実施形態では、無機系コロイド粒子の一例としてＳｉＯ_２コロイド粒子を挙げて説明したが、これに限定されるものでないことは上述した通りである。無機系コロイド粒子は、被研磨物１の表面に形成しようとする無機系薄膜３の原材料となる無機化合物のコロイド粒子であればよい。例えば、無機系コロイド粒子は、Ａｌ_２Ｏ_３コロイド粒子、Ｎａ_２Ｏコロイド粒子またはＣａＯコロイド粒子などであってもよい。この場合、被研磨物１の表面に形成される無機系薄膜３は、Ａｌ_２Ｏ_３薄膜、Ｎａ_２Ｏ薄膜またはＣａＯ薄膜となる。

また、上記実施形態では、無機材料である被研磨物１の一例として鉄材を挙げて説明したが、これに限定されるものでないことは上述した通りである。ここで、被研磨物１は、その表面に形成しようとする無機系薄膜３の原材料を含むものであってもよい。例えば、被研磨物１の表面に形成しようとする無機系薄膜３がＳｉＯ_２薄膜である場合に、被研磨物１はＳｉＯ_２薄膜の原材料となる成分を含む無機材料であってもよい。

この場合、上記実施形態と同様にＳｉＯ_２コロイド粒子を被研磨物１の外部から供給するようにしてもよいが、供給しなくてもよい。被研磨物１を研磨することによって、被研磨物１に含まれるＳｉＯ_２成分がコロイド粒子となって放出されるからである。この場合、被研磨物１から生じたＳｉＯ_２コロイド粒子が研磨剤となって被研磨物１の研磨が行われる。例えば、ＳｉＯ_２コロイド粒子を含まず金属陽イオンを含む陽イオン水５を被研磨物１に供給しながら被研磨物１の表面を研磨するようにしてもよい。

また、上記実施形態では一例として、被研磨物１は表面が平坦な無機材料であり、研磨盤１０の研磨面も平坦な表面を有している。ただし、本発明はこれに限定されない。例えば、被研磨物１は表面が平坦ではない無機材料としてもよく、平坦な研磨面を有する研磨盤１０で研磨することによって、被研磨物１の表面を平坦化するとともに、平坦化された被研磨物１の表面に無機系薄膜３を形成するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、水平位置が固定状態にある研磨盤１０に対して被研磨物１が相対的に水平移動する例について説明したが、これとは逆に、水平位置が固定状態にある被研磨物１に対して研磨盤１０が相対的に水平移動するようにしてもよい。この場合、貯水槽に入れられた陽イオン水５の中に被研磨物１を浸した状態にして、研磨盤１０を移動させながら被研磨物１の表面を研磨するようにしてもよい。

その他、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１被研磨物
２反応物
３無機系薄膜
５陽イオン水
５ａ無機系コロイド粒子
５ｂ金属陽イオン
１０研磨盤

Claims

ＳｉＯ _２コロイド粒子、Ａｌ _２Ｏ _３コロイド粒子、Ｎａ _２Ｏコロイド粒子またはＣａＯコロイド粒子の何れかの無機系コロイド粒子を含む陽イオン水を無機材料の被研磨物の表面に供給して、研磨盤を用いて上記無機系コロイド粒子で上記被研磨物の表面を研磨し、上記無機系コロイド粒子の表面に金属陽イオンを吸着させることによって上記無機系コロイド粒子の表面電荷を小さくすることにより、上記研磨によって上記被研磨物の表面に生成される反応物に上記無機系コロイド粒子を結合させることによって、ＳｉＯ _２薄膜、Ａｌ _２Ｏ _３薄膜、Ｎａ _２Ｏ薄膜またはＣａＯ薄膜の何れかの無機系薄膜を形成することを特徴とする薄膜形成方法。
ＳｉＯ _２コロイド粒子、Ａｌ _２Ｏ _３コロイド粒子、Ｎａ _２Ｏコロイド粒子またはＣａＯコロイド粒子の何れかの無機系コロイド粒子を含む研磨剤で、研磨盤を用いて無機材料の被研磨物の表面を研磨しながら、上記被研磨物の表面に陽イオン水を供給することにより、上記被研磨物を研磨しながら上記無機系コロイド粒子の表面に金属陽イオンを吸着させることによって上記無機系コロイド粒子の表面電荷を小さくすることにより、上記研磨によって上記被研磨物の表面に生成される反応物に上記無機系コロイド粒子を結合させることによって、ＳｉＯ _２薄膜、Ａｌ _２Ｏ _３薄膜、Ｎａ _２Ｏ薄膜またはＣａＯ薄膜の何れかの無機系薄膜を形成することを特徴とする薄膜形成方法。
無機材料の被研磨物の表面に陽イオン水を供給して、上記被研磨物から生じるＳｉＯ _２コロイド粒子、Ａｌ _２Ｏ _３コロイド粒子、Ｎａ _２Ｏコロイド粒子またはＣａＯコロイド粒子の何れかの無機系コロイド粒子で上記被研磨物の表面を研磨盤を用いて研磨しながら上記無機系コロイド粒子の表面に金属陽イオンを吸着させることによって上記無機系コロイド粒子の表面電荷を小さくすることにより、上記研磨によって上記被研磨物の表面に生成される反応物に上記無機系コロイド粒子を結合させることによって、ＳｉＯ _２薄膜、Ａｌ _２Ｏ _３薄膜、Ｎａ _２Ｏ薄膜またはＣａＯ薄膜の何れかの無機系薄膜を形成することを特徴とする薄膜形成方法。