DE19850744C1 - Verwendung von Gläsern zur Herstellung von Festplattensubstraten - Google Patents

Verwendung von Gläsern zur Herstellung von Festplattensubstraten

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Gläsern zur Herstellung von Festplattensubstraten. Die Gläser weisen folgende Zusammensetzungen (in Gew.-% auf Oxidbasis) auf: DOLLAR A SiO¶2¶ 10-30, Al¶2¶O¶3¶ 0-5, B¶2¶O¶3¶ 0-8,Li¶2¶O 0-8, Na¶2¶O 1-10, mit Li¶2¶O + Na¶2¶O 5-10, K¶2¶O 0-3, MgO 5-16, CaO 0-15, mit MgO + CaO > 15-25, SrO + BaO 0-8, ZrO¶2¶ 0-8, TiO¶2¶ 7-25, La¶2¶O¶3¶ 0-10, Nb¶2¶O¶5¶ 5-20, V¶2¶O¶5¶ 0-10, CeO¶2¶ 0-1, As¶2¶O¶3¶ + Sb¶2¶O¶3¶ + F 0,1-1. DOLLAR A Sie sind aufgrund ihres hohen spezifischen Elastizitätsmoduls sehr formstabil.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Gläsern mit hohem spezifischen E- Modul für die Herstellung von Festplattensubstraten.
Glas ist für die Verwendung als Substrat für Datenträger (Festplatten) gegenüber Metallen wie Aluminium oder Metallegierungen u. a. von Vorteil wegen seiner ge­ ringen Oberflächenrauhigkeit und Ebenheit. Solche Substratgläser müssen bei der Verwendung erhöhten chemischen, thermischen und mechanischen Bela­ stungen standhalten. So erfahren sie während der Beschichtung (beispielsweise durch Kathodenzerstäubung) hohe Temperaturen mit kurzen Abkühlraten. Bei der Verwendung als Festplatten treten hohe mechanische Belastungen auf, z. B. beim Einbau Klemmspannungen auf der Drehachse von bis zu 100 N/mm2 sowie im Betrieb bei hohen Umdrehungszahlen von derzeit 3500 bis 10000 U/min zusätz­ liche Spannungen durch die Zentrifugalkräfte. Solchen Belastungen können vor allem 0,25 bis 3,0 mm dünne Gläser nur standhalten, wenn sie oberflächenvorge­ spannt sind. Da die Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit durch thermisches Vorspannen erst bei einer Mindestdicke von 3 mm möglich ist, müssen Gläser für die genannte Verwendung chemisch vorspannbar sein. Sinnvollerweise sind sie durch Ionenaustausch im Salzbad unterhalb der Transformationstemperatur Tg vorspannbar, d. h. weisen sie genügend zum Austausch geeignete Ionen wie Li+- und/oder Na+-Ionen auf. Neben der Oberflächenebenheit ist die chemische Be­ ständigkeit des Substratglases für die Funktionsfähigkeit einer Festplatte von Be­ deutung, denn der Schreib-Lesekopf gleitet in einem Abstand von derzeit ca. 50 nm auf einem Luftpolster über der sich drehenden Festplatte. Dieser Abstand muß für eine einwandfreie Funktion gewahrt bleiben. Er wird jedoch verringert, wenn die Oberfläche des Festplatten-Substrates unbeständig gegen Atmo­ sphäreneinfluß ist und schon vor der Beschichtung ein chemischer Angriff die Oberfläche rauh macht oder wenn die Oberfläche durch Atmosphäreneinfluß ihre Haftfestigkeit zur aufgebrachten Schichtenfolge verliert und diese sich von ihr löst. Eine weitere wesentliche Eigenschaft von als Festplattensubstraten geeigne­ ten Gläsern ist ihr thermisches Ausdehnungsverhalten, das sich nicht zu sehr von dem der Beschichtungsmaterialien (z. B. Co-Legierungen mit thermischen Aus­ dehnungskoeffizienten α20/300 ≧ 12 × 10-6/K) und vor allem nicht zu sehr von dem der verwendeten Klemmaterialen und Spindelmaterialien des Laufwerks (mit α20/300 ≧ 12 × 10-6/K) unterscheiden soll, um Spannungen zu vermeiden.
Eine Voraussetzung zur Erhöhung der Informationsdichte und der Lese- /Schreibgeschwindigkeit ist die Absenkung der Gleithöhe des Schreib-Lese­ kopfes über der Festplatte. Eine geringere Flug- bzw. Gleithöhe gestattet gerin­ gere Zugriffszeiten.
Die Flug-/Gleithöhe kann nun nicht beliebig abgesenkt werden, denn bei den sich drehenden Festplatten können durch Schwankungen des Antriebssystems, durch örtlich unterschiedlich starke Luftverwirbelung und durch Stöße Eigen­ schwigungen angeregt werden, die sich in einer Art Flatterbewegung der Fest­ platte äußern. Diese Auslenkungen aus der Ruhelage würden bei zu niedriger Flug-/Gleithöhe des Schreib-Lesekopfes dazu führen, daß der Schreib-Lese­ kopf die Orientierung zum Informationsgehalt des Spots auf der Festplatte verlö­ re ("runout") oder er mit der Festplatte zusammenstieße ("head crash").
Um dies zu vermeiden und hohe Umdrehungszahlen zu ermöglichen, benötigen die Festplatten eine hohe Formstabilität, d. h. sie sollen an ihren Außenrändern eine möglichst geringe zeitabhängige Auslenkung zeigen.
Die maximale Auslenkung (disc flutter) W wird durch folgende Formel beschrie­ ben
mit:
ρ = Dichte
rA = Außendurchmesser der Festplatte
E = Elastizitätsmodul
d = Dicke der Festplatte
f(ν) geometriespezifischer Parameter
Daraus ergeben sich als Hauptanforderung für neue Materialien für Festplatten: Mit einem hohen Elastizitätsmodul E und/oder einer geringen Dichte ρ kann bei gleichbleibender Geometrie (rA, d const.) die maximale Auslenkung W gesenkt werden. Üblicherweise wird der Quotient dieser beiden Parameter E/ρ als spezi­ fischer Elastizitätsmodul bezeichnet. Er soll, neben dem gewünschten hohen E- Modul selbst, einen möglichst hohen Wert annehmen.
Als Werkstoff für hohe Umdrehungszahlen ist ein Kompositwerkstoff aus Al-B-C bekannt (IDEMA, Alternative Substrates III (05.09.1995, San Jose, California) S. 55-60: D. J. Perettie et al. "The Alternate Alternative Substrate - "Chemically Strengthened" Aluminium"), der eine geringe Dichte, eine hohe Festigkeit und einen sehr hohen spezifischen Elastizitätsmodul E/ρ besitzt. Der genannte Werkstoff läßt sich jedoch nur mit großem Aufwand auf die für hochwertige Festplatten geforderte Oberflächenqualität mit einer Rauhigkeit (RMS-Wert) von weniger als 0,4 nm polieren. Vor allem wegen der großen Abriebhärte ist die Herstellung von Festplatten aus diesem Werkstoff sehr teuer.
Aus WO 96/04651 ist ein Datenträger als Verbundscheibe aus Glas und einem viskoelastischen Material bekannt, bei der Schwingungen durch die Schicht aus dem viskoelastischen Werkstoff, beispielsweise Kunststoffe wie Synthesekau­ tschuke, z. B. Silikonkautschuk, oder wie Polyester, Polyurethane, Polyamide, gedämpft werden. Nachteilig ist, daß die Herstellung sehr teuer ist und daß der viskoelastische Werkstoff mit der Zeit ermüdet (versprödet) und dann nicht mehr als Schwingungsdämpfer fungieren kann. Außerdem können die verwendeten Kunststoffe, wenn die magnetische Schicht bei erhöhter Substrattemperatur durch Kathodenzerstäubung niedergeschlagen wird, ausgasen und dadurch die Qualität der aufgebrachten Schicht beeinträchtigen.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, Gläser zur Herstellung von Festplatten­ substraten zur Verfügung zu stellen, d. h. Gläser, die die dafür nötigen Eigen­ schaften aufweisen, insbesondere ausreichend formstabil und so geeignet für hohe Umdrehungszahlen sind. Diese Aufgabe wird durch die Verwendung von Gläsern gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die Verwendung ähnlicher Gläser als optische Gläser ist bereits bekannt: So nennt JP 58-46459 B2 einen sehr weiten Glaszusammensetzungbereich op­ tischer Gläser mit u. a. 10-50 Gew.-% SiO2, 5-50 Gew.-% Nb2O5 und 5-40 Gew.-% RO, ohne die Erdalkalioxide in Anspruch näher zu spezifizieren. Aus­ weislich der Beispiele sind die Gläser hoch BaO- oder hoch CaO-haltig und ent­ halten kein oder nur wenig (3 Gew.-%) MgO.
JP 63-170 247 A beschreibt Gläser mit einem vergleichsweise hohen SiO2- Gehalt, nämlich 30-65 mol-%, und bis zu 30 mol-% Li2O für Linsen mit Bre­ chungsgradienten.
JP 52-9012 A beschreibt optische Gläser mit einem relativ hohen Gehalt an SiO2 + Al2O3 + B2O3 (wenigstens 40 Gew.-%) bei 20-52 Gew.-% SiO2, 0-13 Gew.-% Al2O3 und 0-20 Gew.-% B2O3, wobei die Beispielgläser gegenüber den Gläsern der vorliegenden Erfindung entweder viel SiO2 (≧ 33 Gew.-%) oder viel B2O3 (≧ 9,5 Gew.-%) enthalten.
DE 32 16 451 A1 beschreibt Nb2O5- und TiO2-haltige optische Leichtgewichts­ gläser mit relativ hohen Alkaligehalten (R2O: 9,5-34 Gew.-%) und niedrigen Erdalkaligehalten (RO: 4-27 Gew.-%), wobei CaO nur mit 1-3 Gew.-% und MgO nur als fakultative Komponente mit bis zu 5 Gew.-% vorhanden ist, wäh­ rend BaO zwingend mit wenigstens 3 Gew.-% vorliegt.
Die genannten Gläser mit ihren großen Variationsmöglichkeiten in der Zusam­ mensetzung erfüllen nicht die Anforderungen an Gläser für die Herstellung von Festplatten.
Es wurde gefunden, daß ein Glas aus dem eher engen Zusammensetzungsbe­ reich (in Gew.-% auf Oxidbasis):
SiO2 10-30, bevorzugt wenigstens 15, besonders bevorzugt wenigstens 20, Al2O3 0-5, vorzugsweise höchstens 4, B2O3 0-8, vorzugsweise höchstens 5, Li2O 0-8, bevorzugt wenigstens 1, Na2O 1-10, mit Li2O + Na2O 5-10, K2O 0- 3, MgO 5-16, vorzugsweise wenigstens 10, CaO 0-15, mit MgO + CaO < 15- 25, SrO + BaO 0-8, bevorzugt höchstens 5, ZrO2 0-8, TiO2 7-25, La2O3 0- 10, Nb2O5 5-20, bevorzugt wenigstens 8, V2O5 0-10, bevorzugt höchstens 5, CeO2 0-1, bevorzugt CeO2-frei, As2O3 + Sb2O3 + F 0,1-1, für die Herstellung von Festplattensubstraten hervorragend geeignet ist.
Die Gläser weisen eine hohe Erdalkalikonzentration auf: So beträgt die Summe aus MgO und CaO zwischen < 15 und 25 Gew.-% bei 5-16 Gew.-% MgO und 0 -15 CaO. MgO und CaO fördern den hohen Elastizitätsmodul bei gleichzeitig geringer Dichte. CaO verbessert außerdem die Entglasungsstabilität. Die Gläser können weiter bis zu 8 Gew.-% SrO und/oder BaO enthalten, was bei ihrem ge­ ringen Alkaligehalt sowohl das Aufschmelzverhalten als auch die für die Anwen­ dung als Festplattensubstrat notwendige hohe Dehnung verbessert.
Die Gläser sind aufgrund ihrer Mindestsumme an Na2O + Li2O (wenigstens 5 Gew.-%, wobei vorzugsweise sowohl Na2O als auch Li2O vorhanden sind) trotz der relativ hohen Erdalkalikonzentration chemisch vorspannbar, vorzugsweise in Kalium-/Natriumsalzbädern mit einem Verhältnis von Natriumsalz(en) zu Kali­ umsalz(en) von bis zu 6 : 1.
Auch die in größeren Anteilen zwingend vorhandenen Komponenten Nb2O5 und TiO2 bzw. fakultativen Komponenten La2O3 und V2O5 beeinflussen den E-Modul positiv. Die Anteile dieser vier Komponenten können im genannten relativ wei­ ten Rahmen variieren. Wird der TiO2-Gehalt zu hoch, verschlechtert sich die Schmelzbarkeit.
Die fakultative Komponente B2O3 kann die Schmelzbarkeit verbessern. Auch Al2O3 ist fakultative Komponente und kann die chemische Resistenz und die Io­ nenaustauschbarkeit verbessern. Bei höheren Anteilen als 5 Gew.-% Al2O3 wür­ de die Schmelzbarkeit verschlechtert.
Die Gläser enthalten zur Verbesserung der Glasqualität die Läutermittel As2O3, Sb2O3 und/oder Fluorid. Die Gläser können zu diesem Zweck auch CeO2 enthal­ ten.
Nb2O5 hebt den E-Modul nicht so effektiv wie TiO2 und MgO. Da jedoch noch höhere Anteile an TiO2 und/oder MgO die Kristallisation der Gläser zu sehr för­ dern würden, enthalten die Gläser alle drei Komponenten in den genannten Mindestanteilen. Bevorzugt beträgt die Summe dieser Oxide zwischen 20 und 45 Gew.-%, da ein solcher Mindestgehalt einen besonders hohen E-Modul be­ wirkt und mit einem solchen Maximalgehalt die Kristallisationsstabilität gut ist. Besonders bevorzugt liegt die Summe der genannten Oxide zwischen 30 und 44 Gew.-%.
Ausführungsbeispiele
In der Tabelle 1 sind vier Beispiele erfindungsgemäßer Gläser angegeben. Die Tabelle enthält deren Zusammensetzung sowie Angaben zu wesentlichen Ei­ genschaften der Gläser.
Die Gläser wurden aus üblichen Rohstoffen erschmolzen.
Ihre hohe chemische Beständigkeit wird durch die Angabe der Säure-Resistenz- Klasse nach ISO 8424 dokumentiert. Die Gläser weisen eine Säure-Resistenz- Klasse von wenigstens 2 auf. Solche Gläser zeigen im Klimakammertest, bei dem sie eine Woche lang 80°C und 80% relativer Feuchte ausgesetzt werden und bei dem Veränderungen auf der Oberfläche (Alkalicarbonatbildung) unter dem Mikroskop bei 40facher Vergrößerung charakterisiert werden, lediglich Salzausblühungen in der Größenordnung der Nachweisgrenzen.
Zum Nachweis der chemischen Vorspannbarkeit wurden Glaskörper der Ab­ messungen 30 mm × 30 mm × 2 mm hergestellt und in einem Bad aus 30 Gew.- % KNO3 und 70 Gew.-% NaNO3 bei 480°C 8 h lang belassen. Mittels EDX konnten Austauschzonen mit üblichen Spannungswerten mit Dicken von wenig­ stens 10 µm nachgewiesen werden.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient α20/300 der Gläser beträgt zwischen 8,0 × 10-6/K und 11,0 × 10-6/K und liegt damit ausreichend nah an den Ausdehnungs­ koeffizienten der Beschichtungsmaterialien für Festplatten.
Weiter enthält die Tabelle den Elastizitätsmodul [103 N/mm2], an nicht vorge­ spannten Proben ermittelt, die Dichte ρ [g/cm3] und den spezifischen Elastizi­ tätsmodul E/ρ [105 Ncm/g].
Tabelle 1
Zusammensetzungen (Gew.-% auf Oxidbasis) und wesentliche Eigenschaften der Gläser
Nur wenn ein Glas alle diskutierten Eigenschaften besitzt, ist es für die Verwen­ dung zur Herstellung der Festplattensubstrate für hohe Umdrehungszahlen ge­ eignet.
So hat beispielsweise das Glas der Zusammensetzung (Gew.-% auf Oxidbasis) SiO2 52,9; Al2O3 21,1, MgO 26,0 mit einem Elastizitätsmodul E von 129 GPa und einer Dichte ρ von 2,91 g/cm3 zwar einen hohen spezifischen Elastizitätsmodul E/ρ von 44,3 × 105 Ncm/g und ist damit ausreichend formstabil, jedoch ist es nicht chemisch vorspannbar, und es ist nur schwer in dünnen Rohglastafeln herstellbar, da es leicht kristallisiert. Daher ist es für die Verwendung zur Her­ stellung von Festplattensubstraten ungeeignet.
Dagegen erfüllen die erfindungsgemäßen Gläser das gesamte Anforderungs­ profil an Eigenschaften, um für die Herstellung von Festplattensubstraten, auch für hohe Umdrehungszahlen geeignet zu sein:
  • - Sie besitzen aufgrund ihres hohen spezifischen Elastizitätsmoduls E/ρ von wenigstens 34 × 105 Ncm/g eine hohe Formstabilität. Schwingungsamplitu­ den bleiben klein, Schwingungsenergien werden schnell abgebaut. Auf­ grund der geringen Deformation der Festplatte während der Drehung, auch bei hohen Umdrehungszahlen, kann die Flughöhe, die etwa dem zweifachen der Gleithöhe entspricht, des Schreib-Lesekopfes auf 50 nm gesenkt und/oder die Umdrehungsgeschwindigkeit der Festplatte auch auf mehr als 10000 U/min erhöht werden. Da die Erhöhung der Umdrehungszahlen eine Erhöhung der Temperatur durch den Drehmotor und eine Verstärkung von Luftturbulenzen im sogenannten Drive bewirkt, bestehen bei zu hohen Drehzahlen, etwa ab 15000 U/min Sicherheitsbedenken.
  • - Sie sind chemisch vorspannbar, wodurch ausreichend dicke Druckspan­ nungszonen erzeugt werden. Dadurch wird ihre mechanische Belastbarkeit erhöht.
  • - Sie besitzen eine hohe chemische Beständigkeit.
  • - Ihr thermisches Ausdehnverhalten stimmt mit α20/300 ≧ zwischen 8,0 × 10-6/K und 11,0 × 10-6/K ausreichend gut mit dem des Klemmaterials, der Antriebs­ welle und der Beschichtungsmaterialien überein.
  • - Sie sind gut polierbar. Sie können auf eine Mikrorauhigkeit von ≦ 0,4 nm bearbeitet werden. Sie besitzen für homogene Werkstoffe typische Abtrags­ raten für Läppen, Schleifen und Polieren, nämlich 10-20 µm/min für Läp­ pen, 20-40 µm/min für Schleifen und ca. 1 µm/min für Polieren. Sie weisen also eine hervorragende Oberflächenqualität, speziell Ebenheit auf.

Claims (5)

1. Verwendung eines Glases mit folgender Zusammensetzung (in Gew.-% auf Oxidbasis):
SiO2: 10-30
Al2O3: 0-5
B2O3: 0-8
Li2O: 0-8
Na2O: 1-10
mit Li2O + Na2O: 5-10
K2O: 0-3
MgO: 5-16
CaO: 0-15
mit MgO + CaO: < 15-25
SrO + BaO: 0-8
ZrO2: 0-8
TiO2: 7-25
La2O3: 0-10
Nb2O5: 5-20
V2O5: 0-10
CeO2: 0-1
As2O3 + Sb2O3 + F: 0,1-1
zur Herstellung von Festplattensubstraten.
2. Verwendung eines Glases nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung (in Gew.-% auf Oxidbasis)
SiO2: 15-30
Al2O3: 0-5
B2O3: 0-8
Li2O: 1-8
Na2O: 1-10
mit Li2O + Na2O: 5-10
K2O: 0-3
MgO: 5-16
CaO: 0-15
mit MgO + CaO: < 15-25
SrO + BaO: 0-5
ZrO2: 0-8
TiO2: 7-25
La2O3: 0-10
Nb2O5: 8-20
V2O5: 0-5
As2O3 + Sb2O3 + F: 0,1-1
3. Verwendung eines Glases nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe aus Nb2O5, TiO2 und MgO 20-45 Gew.-% beträgt.
4. Verwendung eines Glases nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe aus Nb2O5, TiO2 und MgO 30-44 Gew.-% beträgt.
5. Verwendung eines Glases nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizient α20/300 ≧ 8,0 × 10-6/K, einen Elastizitätsmodul von mehr als 115 × 103 N/mm2 und einen spezifischen Elastizitätsmodul E/ρ von wenigstens 34 × 105 Ncm/g aufweist.
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