2026年10月23日
研削研磨に関わる基礎知識・現場の声をお届けします📡
コロイダルシリカとは？研磨での役割と、酸化セリウム・ヒュームドシリカとの違い
シリコンウェーハやガラスの最後の仕上げ研磨でよく名前が出てくる「コロイダルシリカ」。
名前は知っていても、「シリカの粉と何が違うの？」「酸化セリウムとはどう使い分けるの？」と聞かれると、答えに詰まる人も多いのではないでしょうか。
今回はコロイダルシリカの正体と、研磨の現場で知っておきたい性質を整理します！
先に結論
- コロイダルシリカは、ナノメートル（nm）サイズの球状に近いシリカ（SiO₂）粒子が、水などの液体の中に分散したもの
- 研磨では、細かい傷を減らして面を整える仕上げ研磨（ファイナルポリッシュ）やCMPの砥粒として使われる
- 液の状態が変わったり乾いたりすると、粒子どうしがくっつくことがある。この「凝集・乾燥固着」は傷の原因の一つになるため、扱い方が品質を左右する
コロイダルシリカとは
コロイダルシリカとは、非晶質（結晶になっていない）の二酸化ケイ素（SiO₂）の微粒子を、水などの液体の中に分散させたものです。「シリカゾル」と呼ばれることもあります。見た目は、半透明から乳白色の液体です。
粒子の大きさは製品によって幅があり、あるメーカーの製品では、一次粒子径が小さいもので4〜6nm、大きいもので70〜100nm程度までそろえられています。研磨でおなじみの砥粒（µmサイズ）と比べると、桁違いに小さな粒子です。
特徴は、粒子が液の中で一つひとつ分かれて分散していることです（メーカー資料では「単分散」と表現されていました）。
粒子の表面が電気を帯びて互いに反発することが、分散を保つ大きな要因の一つです。
ただし分散の状態は、pHや液に含まれる成分などによって変わります。
研磨用では、アルカリ性に調整された製品がよく使われます。
研磨でコロイダルシリカが使われる理由
コロイダルシリカが使われる場面の多くは、加工の最終段階です。
光学ガラス、石英ガラス、水晶、シリコンウェーハなどの仕上げ研磨や、半導体のCMP（化学機械研磨）で砥粒として使われています。
理由は大きく2つあります。
- 粒子が細かい：粒子が小さく球に近いため、粗大粒子や凝集を抑え、条件が合えば、なめらかな面を作りやすい
- 化学的な作用と組み合わせられる：たとえばシリコンウェーハの研磨では、数十nmのシリカ粒子がpH9〜12程度のアルカリ液に分散したものが使われ、粒子による機械的な作用と、アルカリ液がシリコン表面に化学的に作用することの両方で研磨が進むと説明されています
機械的に「削る」だけでなく、化学的に「溶かす・やわらかくする」作用を足して、ダメージの少ない面に仕上げる。これがCMPの考え方で、コロイダルシリカはその代表的な砥粒の一つです。
仕上げ研磨では、前の工程で入った加工変質層を取り除き、新しいダメージを入れないことが求められます。
あれ？酸化セリウムもそうですよね、ケミカル研磨、こちらは後述します。
ただし、細かい砥粒を使えば必ず良い面になるわけではありません。
研磨速度、面粗さ、スクラッチ、加工変質層などを確かめながら、前工程で残ったダメージを必要な範囲まで取り除ける条件を選ぶことが大切です。
ヒュームドシリカとの違い
同じ「シリカ」の研磨材でも、CMPの世界ではヒュームドシリカもよく使われます。
どちらも成分はSiO₂ですが、作り方と粒子の形が違います。
| コロイダルシリカ | ヒュームドシリカ | |
|---|---|---|
| 作り方 | 液の中で粒子を育てる（湿式） | 原料を炎の中で反応させる（乾式・燃焼法） |
| 粒子の形 | 球に近い粒が一粒ずつ分散 | 小さな一次粒子がつながった凝集体 |
| 研磨での使われ方の例 | シリコンウェーハの仕上げ研磨、ガラス・水晶の仕上げ、各種CMP | 酸化膜（絶縁膜）のCMP |
研究では、ヒュームドシリカとコロイダルシリカで、pHによる研磨作用の変わり方がかなり異なることも報告されています。「どちらもシリカだから同じ」とは考えず、別の材料として条件を見直すのが安全です。
酸化セリウムとの違い
ガラス研磨の現場でもう一つの定番が、酸化セリウムです。どちらも化学的な作用をともなう研磨材ですが、得意な役割が違います。
| コロイダルシリカ | 酸化セリウム | |
|---|---|---|
| 主成分 | 二酸化ケイ素（SiO₂） | 酸化セリウム（CeO₂） |
| 粒子の大きさ | nmサイズ（製品により数nm〜100nm程度） | 製品により幅広い（µmサイズのものも多い） |
| ガラスなどシリカ系の研磨 | 研磨速度は条件によって変わる | シリカ表面に強く作用し、条件によっては高い研磨速度を示す |
| よくある役割 | 最終仕上げ、半導体の仕上げ研磨・CMP | ガラスの研磨（荒い面から鏡面まで）、酸化膜のCMP |
酸化セリウムはガラスなどのシリカ表面に特に強く作用し、ガラス研磨の条件によっては高い研磨速度を示すことがあります。一方で、コロイダルシリカは粒子が細かいため、より細かな仕上がりを狙う最終工程で選ばれることが多い材料です。実際には、加工対象、求める面粗さ、許される欠陥、研磨パッドや圧力などの条件で使い分けます。
使うときに見ておきたいポイント
① 粒子径と粒度分布
平均の粒子径だけでなく、まれに混ざる大きな粒子（粗大粒子）が傷の原因になります。粒の大きさのそろい方も見ておきたいポイントです。
② pHと液の成分
コロイダルシリカは、粒子表面の電気による反発が分散を保つ大きな要因になっています。pHが変わる、塩類や添加剤が混ざるといった変化で反発が弱まると、粒子どうしがくっつき（凝集）、ゲル化することがあります。希釈水や混ぜる薬品によってpHが動くことにも注意が必要です。
③ 乾燥固着
液の中では分散していても、乾くと粒子どうしが集まって固まります。研磨機やパッド、配管、ワークのまわりで乾いて固まったシリカが剥がれて混ざると、仕上げ面の傷の原因になることがあります。仕上げなのに傷が増える、という事態を防ぐためにも、乾かさない運用と洗浄の段取りが大切です。
④ 濃度と加工条件
研磨の速さや仕上がりは、濃度だけでなく、研磨パッド、圧力、相対速度、液の供給量などの組み合わせで決まります。数値は製品資料と自社のテストで確かめるのが基本です。
SiCなど半導体材料で注目される理由
半導体の平坦化に使うCMPスラリーの市場は伸びており、矢野経済研究所の調査では2024年の世界市場が前年比10.1%増の約20億ドルとされています。
パワー半導体の材料として広がるSiC（炭化ケイ素）の基板でも、コロイダルシリカ系のスラリーによるCMPが使われてきました。ただしSiCは非常に硬く、化学的にも安定した材料のため、高い表面品質と十分な研磨速度の両立が課題になっています。酸化剤などを組み合わせて表面を化学的に変化させ、その層を砥粒で取り除くことで研磨特性を改善する研究が進められています。
硬い材料をダメージを残さずに仕上げるには、砥粒だけでなく、液の化学的な作用やパッド、加工条件まで含めて考える必要があります。コロイダルシリカは、その組み合わせの中で使われる砥粒の一つです。
まとめ
- コロイダルシリカは、nmサイズのシリカ粒子が液の中に分散したもの。仕上げ研磨やCMPの砥粒として使われる
- 同じシリカでもヒュームドシリカとは作り方・粒子の形が違い、酸化セリウムとは得意な役割が違う
- 液の状態の変化や乾燥で凝集・固着することがあり、傷の原因の一つになる。粒子径・pH・乾燥対策・加工条件をセットで管理する
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- 【酸化セリウムとガラス研磨】使い方、磨き方などガッツリ教えます！
- 加工変質層とは？研削・研磨で表面の下に残るダメージ層の正体と取り除き方
- 砥粒とは？
- 遊離砥粒と固定砥粒
- SiCとは？
参考資料
- 経済産業省「ナノマテリアル情報提供シート 非晶質コロイダルシリカ（日産化学株式会社）」（PDF）
- 特許第4042906号 公報（PDF）
- 科学研究費助成事業 研究課題10450062 研究成果報告（KAKEN）
- 吉田ほか「表面含浸材に用いられるコロイダルシリカの凝集・分散メカニズムに関する研究」コンクリート工学年次論文集（PDF）
- 東ソー研究・技術報告「ゲル法シリカの特徴と応用」（合成シリカの製法分類）（PDF）
- MONOist「CMPスラリー世界市場」（矢野経済研究所の調査）（記事）
- Recent Advances in Silicon Carbide Chemical Mechanical Polishing Technologies, Micromachines（PMC）
- 平野ほか「パワーエレクトロニクス用SiCウェハの高能率CMPプロセスの開発」砥粒加工学会誌 60巻8号（J-STAGE）
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