DE69909597T2

DE69909597T2 - Zusammensetzung zum optischen polieren

Info

Publication number: DE69909597T2
Application number: DE69909597T
Authority: DE
Inventors: W. Ronald LACONTO; Rami Schlair
Original assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Current assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Priority date: 1998-02-18
Filing date: 1999-02-16
Publication date: 2004-05-27
Anticipated expiration: 2019-02-17
Also published as: EP1060221B1; NO319039B1; AR014959A1; CA2319107C; HUP0101154A3; SK285219B6; AU729245B2; US5989301A; CN1187426C; FI118180B; WO1999042537A1; CO5060536A1; RU2181132C1; JP2002504588A; FI20001800A; IL137804A0; CN1290289A; SK11452000A3; CZ294042B6; KR100354202B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Formulierungen zum Polieren optischer Oberflächen. Die polierte Oberfläche kann aus Glas oder Kunststoff sein.
Es ist eigentlich bekannt, dass es nötig ist, um eine zufriedenstellende optische Oberfläche herzustellen, dass die Oberfläche frei von Kratzern zu sein hat und ein R_a so niedrig wie möglich hat. Diese Größe R_a ist der mittlere Abstand zwischen den höchsten und niedrigsten Punkten auf der Oberfläche senkrecht zur Ebene der Glasscheibe, die poliert werden soll. Folglich ist sie ein Maß für die Schwankung zwischen den höchsten und niedrigsten Punkten, wenn man akzeptiert, dass die Oberfläche im Messbereich unterhalb eines Mikrometers nicht gänzlich eben sein kann. Klar, je niedriger die Kennzahl desto besser ist es für die optische Reinheit und die Verzerrungsfreiheit.
Es gibt jedoch einen anderen Gesichtspunkt und das ist die Geschwindigkeit, mit der das erwünschte Niveau der optischen Vollkommenheit erreicht wird. Das Polieren von Glas ist ein chemisch – mechanischer Vorgang, der nur in wässriger Umgebung abläuft. Es ist für die polierende Verbindung erforderlich, dass sie mit der Glasoberfläche und dem Wasser reagiert, ebenso wie die Oberfläche einem Abrieb unterliegt. Einige Materialien, wie Ceroxid sind ziemlich reaktiv, aber nicht sehr abrasiv. Andere, wie Aluminiumoxid sind ziemlich abrasiv, haben aber nicht viel Oberflächenreaktionsfähigkeit. Dieses Thema ist in einem Artikel von Lee Clark gut behandelt, der betitelt ist „Chemical Processes in Glass Polishing" und erschienen ist im Journal of Non – Crystalline Solids 120 (1990), Seite 152–171. Im industriellen Umfeld gibt es, durch Beenden des Vorgangs in kürzerer Zeit eher als in längerer, einen wesentlichen Fortschritt, besonders wo die Qualität verbessert werden kann und/oder wenn kein Qualitätsverlust gewünscht ist.
In Polierverfahren gibt es zwei Ansätze. Im ersten wird eine Aufschlämmung von Schleifpartikeln in einem wässrigen Medium, (üblicherweise basierend auf deionisiertem Wasser) in Kontakt mit der zu polierenden Oberfläche gebracht und ein Kissen wird veranlasst, sich in vorherbestimmten Mustern über die Oberfläche zu bewegen, um so das Schleifmittel in der Aufschlämmung zu veranlassen, die Oberfläche zu polieren. Im zweiten sind die Schleifpartikel in eine Kunstharzmatrix, in Form eines Werkzeugs eingebettet, und das Werkzeug wird dann benutzt, um die optische Oberfläche zu polieren. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf den ersten Ansatz, wobei Aufschlämmungen benutzt werden.
Verschiedene Vorschläge für Formulierungen von Aufschlämmungen sind Stand der Technik. Im United States Patent Nr. 4,576,612 wird die Aufschlämmung an Ort und Stelle in kontrollierten Mengen hergestellt, in dem ein Kissen mit einer Oberflächenschicht versehen wird, welche die Schleifpartikel in einem Kunststoff beinhaltet, der sich während des Gebrauches allmählich auflöst, um die polierenden Partikel freizugeben. Die Partikel, die als brauchbar ausgewiesen sind, enthalten Ceroxid („Ceria"), Zirkonoxid („Zirconia") und Eisenoxid.
EP 608 730-A1 beschreibt, zum Polieren einer Oberfläche in einer optischen Komponente, eine abrasive Aufschlämmung, die ein Schleifmittel umfasst, das ausgewählt ist aus Aluminiumoxid, Glas, Diamantstaub, Carborund, Wolframkarbid, Siliziumkarbid oder Bornitrit mit Partikelgrößen bis zu 1 μm.
United States Patent Nr. 5,693,239 beschreibt eine wässrige Aufschlämmung zum Polieren und Planen eines metallischen Werkstücks, die Partikel kleiner als 1 μm aus Alpha – Aluminiumoxid zusammen mit anderen weicheren Formen von Aluminiumoxid oder amorphen Quarzen umfasst.
Eine beachtliche Menge gibt es auch nach dem Stand der Technik auf dem verwandten Gebiet der Aufschlämmungsformulierungen für chemisch mechanisches Polieren von Halbleiter – Trägermaterial, und wieder verwenden diese die gleichen Schleifmittel mit Veränderungen bei den Komponenten des Dispersionsmittels.
EP-A-0 826 757, welches ein Dokument unter Art. 54 (3) EPC darstellt, beschreibt eine Schleifmittelzusammensetzung, die ein Oxidationsmittel und Schleifpartikel umfasst, die eine durchschnittliche Partikelgröße von 2 μm oder weniger haben und die umfassen (i) mindestens ein Oxid, ausgewählt aus Aluminiumoxid und Siliziumoxid und (ii) Ceroxid in einer Menge von 5 bis 40 Gew.-% in Form von Cer auf der Grundlage des Oxids. Eine Methode zum Polieren und Planen einer Metallschicht, die auf einem Halbleiter – Trägermaterial ausgebildet ist, welche die Zusammensetzung des Schleifmittels benutzt, wird ebenfalls mit EP-A-0 826 757 bereitgestellt.
EP-A-0 745 656 legt Schleifpartikel offen, die eine durchschnittliche Partikelgröße von nicht mehr als 2 μm haben und 100 Gewichtsanteile Aluminiumoxid und/oder Siliziumoxid und 5 bis 25 Gewichtsteile Cer in der Form von Ceroxid aufweisen ; die Schleifpartikel können genutzt werden, um einen Isolationsfilm auf einem Halbleiter – Trägermaterial zu planen.
Der Erfolg beim Polieren von Glasern ist natürlich in einem gewissen Ausmaß von der Härte des Glases abhängig. Mit sehr haben Gläsern kann das Polieren in der Tat eine sehr lange Zeitspanne in Anspruch nehmen und verursacht Oberflächenprobleme, wenn der naheliegende Behelf des Gebrauchs eines härteren Schleifmittels versucht wird.
Die Formulierungen der Aufschlämmungen nach dem Stand der Technik sind oft sehr wirksam, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Jedoch benötigen sie auch eine ziemlich lange Zeit. Eine neuartige Formulierung ist entwickelt worden, bei der zwei Oxide, Aluminiumoxid und Ceroxid synergetisch zusammenarbeiten, so dass ihre gegenseitige Wechselwirkung bessere Ergebnisse liefert, als die Wirkungen jeder einzelnen Komponente in Summe bewirken. Diese Formulierung erlaubt es, dass ein sehr hohes Niveau an optischer Vollkommenheit in viel kürzerer Zeit erreicht wird, als es mit solchen Aufschlämmungen nach dem Stand der Technik erzielt werden kann, ohne den Bedarf erhöhter Temperaturen, die manchmal zum Einsatz kommen, um die Reaktionsfähigkeit zu verbessern. Zusätzlich polieren sie sogar harte Gläser sehr wirkungsvoll mit wenig oder gar keinem begleitenden Schaden auf der Oberfläche. Sie können mit Poliervorrichtungen vom „Pad-" oder „Pitch-" Typ eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Formulierung zum optischen Polieren bereit, die ein Dispersionsmittel mit darin dispergierten Schleifpartikeln umfasst, worin das Schleifmittel Alpha – Aluminiumoxid und Ceroxid umfasst in einem Aluminiumoxid zu Ceroxid – Verhältnis von 95 : 5 bis 85 : 15 und vorzugsweise 88 : 12.
Die Erfindung stellt im Besonderen eine Formulierung zum optischen Polieren bereit, die eine wässrige Aufschlämmung umfasst, welche 5–20 Gew.-% an Feststoffen enthält, wobei 85–95% des Feststoffgehalts durch eine Alpha – Aluminiumoxidkomponente, mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von weniger als 0,5 μm bereitgestellt wird und entsprechend 15–5 Gew.-% des Feststoffgehalts durch Ceroxid in der Form eines Pulvers mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 0,2–4 μm bereitgestellt wird, wobei Formulierungen, die ein Oxidationsmittel umfassen, ausgenommen sind.
In bevorzugten Formulierungen liegt das Aluminiumoxid in der Form von Partikeln vor, die von ihren Ausmaßen tatsächlich vollkommen unterhalb eines Mikrometers liegen und worin die durchschnittliche Partikelgröße kleiner als 0,5 μm und vorzugsweise von 0,15–0,25 μm reicht. Im Kontext mit dieser Anwendung verstehen sich die diskutierten „mittleren Partikelgrößen" als die „D₅₀" – Werte, die bei Gebrauch eines Horiba L-910 Partikelgrößenanalysators gemessen werden. Solche Aluminiumoxide sind z. B. durch Benutzen des Verfahrens, das im United States Patent Nr. 4,657,754 beschrieben ist, zu erlangen.
Handelsübliches Ceroxid ist im allgemeinen eine Mischung von Metalloxiden seltener Erden mit Ceroxid als der größten Komponente. Andere Komponenten können Neodym, Samarium, Praseodym und Lanthan enthalten. Andere geringere Mengen der anderen seltenen Erden können ebenfalls vorliegen. In der Praxis findet man vor, dass die Reinheit des „Ceria" die Leistungsfähigkeit der Schleifpartikel in der Polieranwendung nicht wesentlich beeinträchtigt, so dass die Eigenschaft, die in dieser Erfindung für nützlich befunden wird, in größerem oder kleinerem Umfang von all den anderen Metalloxiden seltener Erden geteilt zu werden scheint, die mit Ceroxid in kommerziellen Materialien, die unter diesem Namen verkauft werden, auftreten. Für den Zweck dieser Beschreibung werden die Mischungen von Metalloxiden seltener Erden als „Ceria" bezeichnet, wobei Ceroxid, in Gewichtsprozent ausgedrückt, die beherrschende Komponente im Produkt ist. Beispiele handelsüblicher Quellen von „Ceria" beinhalten „50 D1" und „Superox 50" (beide erhältlich von Cercoa Pen Yan N.Y.), die etwa 75% bzw. 34% Ceroxid enthalten; und „Rhodox 76" (von Rhone Poulenc), welches etwa 50% Ceroxid aufweist.
Wie handelsüblich, liegt Ceroxid üblicherweise in der Form von Partikeln mit zweikomponentiger Partikelgrößenverteilung vor, mit Spitzen um Partikelgrößen von 0,4 und 4 μm, wobei die größere Abmessung die Hauptmasse der Partikel bereitstellt. Dies ergibt einen Gesamtwert D₅₀ für das Pulver von weniger als 4 und üblicherweise von 3–3,5 μm. Es wird festgestellt, dass, wenn die Verteilung durch Mahlen des Ceroxids zu einer ziemlich gleichmäßigen Partikelgröße um 0,2 um und vorzugsweise um 0,4 μm reduziert wird, die Leistungsfähigkeit der Formulierung nicht wesentlich beeinträchtigt wird, es sei denn, dass das Glas besonders hart und auch ein hohes Niveau optischer Vollkommenheit gefordert ist. Unter diesen Umständen wird die ungemahlene Partikelgrößenverteilung oft als wirkungsvoller befunden.
Das Medium, worin die Schleifpartikel dispergiert sind, ist wässrig, obwohl kleinere Mengen von Flüssigkeiten vorliegen können, die, wie Alkohole, mit Wasser mischbar sind. Am häufigsten wird deionisiertes Wasser gebraucht, einher mit einem Tensid zur Unterstützung, um die Schleifpartikel gut dispergiert zu halten. Der Feststoffgehalt der Aufschlämmung liegt typischerweise zwischen 5 und 15 oder genau bei 20 Gew.-%, niedrigeres oder höheres Verdünnungsverhältnis für Pitch. Im Allgemeinen wird eine Aufschlämmung mit einem niedrigeren Feststoffgehalt langsamer polieren und eine Aufschlämmung mit einem hohen Feststoffgehalt kann Probleme haben mit dem Absetzen des Schleifmittels in der Aufschlämmung. Deshalb geben praktische Gesichtspunkte einen Feststoffgehalt von 10–15 noch besser von 8 –12 Gew.-% in der Aufschlämmung vor.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die Erfindung wird nun weiter beschrieben unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele, die gedacht sind, die Nützlichkeit der Erfindung und die Wirkungen durch Verändern der Reinheit und Partikelgröße der Ceroxidkomponente darzustellen. Die Beispiele sind jedoch nicht gedacht, irgendwelche notwendigen Begrenzungen auf den Anwendungsbereich der Erfindung zu unterstellen.
Beispiel 1
In diesem Beispiel wird die Leistungsfähigkeit der Schleifmittelmischung der Erfindung mit Formulierungen von Aufschlämmungen verglichen, die die Komponenten alleine enthalten.
Die Poliertests wurden auf einer zweiseitigen AC500 Peter Wolters Maschine durchgeführt, die mit „Suba 500" Polierkissen, erhältlich von Rodel Inc., ausgerüstet war. Die Glasproben, die poliert wurden, waren aus Quarzglas (Corning), was als ziemlich hartes Glas erachtet wird (560–640 Knoop).
Die Proben wurden unter Verwendung einer 10%-igen Feststoffaufschlämmung aus jedem der drei Schleifmittel poliert. Das erste war 100% Aluminiumoxid, das zweite 100% Ceroxid und das dritte war eine 90 : 10 Mischung der gleichen Aluminiumoxid – und Ceroxid – Komponenten. Das Aluminiumoxid wurde von Saint – Gobain Industrial Ceramics Inc. bezogen und umfasste Alpha – Aluminiumoxid – Partikel mit Abmessungen zwischen etwa 20–50 nm in Form von Agglomeraten von etwa 0,15–0,25 μm Durchmesser. Tatsächlich waren keine Agglomerate größer als 1 μm. Die Ceroxidkomponente war Rhodox 76, ein Erzeugnis aus dem Metalloxid einer seltenen Erde, das etwa 50% Ceroxid umfasst, welches zu einer Partikelgröße mit einem D₅₀ von etwa 0,4 μm gemahlen worden war. Die Aufschlämmungen wurden in deionisiertem Wasser dargestellt, dem 0,07 Gew.-% eines Tensids (Natriumpolyacrylat erhältlich von R. T. Vanderbilt unter dem Handelsnamen Darvan 811) zugefügt worden waren.
Die erzielte Leistung, ausgedrückt in der erhaltenen Güte der Oberfläche, wurde über der Zeit aufgeführt und ein Diagramm der gesammelten Daten wurde gezeichnet. Dieses erscheint als 1 der Grafiken. 2 zeigt die gleichen Daten mit einer erweiterten „Güte" – Achse, um die erzielte Verbesserung klarer aufzuzeigen.
Aus den 1 und 2 kann man sehen, dass die Probe, die mit 100% Ceroxid poliert war, nicht annähernd so gut abgeschliffen wurde, obwohl sie eine bessere Anfangsgüte hatte (d. h. vor dem Polieren war sie feiner), als die anderen beiden. Wie aus 2 ersehen werden kann, erreichte Aluminiumoxid alleine nie eine Oberflächengüte (R_a) von 20 nm (200 Angström). Auf der anderen Seite wurde dieses Niveau der Oberflächengüte durch Ceroxid nach etwa 19 Minuten erreicht und die Mischung gemäß der Erfindung erreichte dieses Niveau in weniger als 10 Minuten. Aus einem anderen Blickwinkel betrachtet, hatte nach etwa 10 Minuten das mit Ceroxid Aufschlämmung polierte Material eine Oberflächengüte von etwa 900, das mit Aluminiumoxid Aufschlämmung polierte Material eine Güte von etwas weniger als 600 und die Aufschlämmung gemäß der Erfindung produzierte eine Güte von weniger als 200.
Beispiel 2
Dieses Beispiel untersucht die Wirkung des Veränderns der Partikelgröße des Ceroxids beim Polieren von Quarzglas.
Die Formulierung gemäß der Erfindung war im Wesentlichen die, die in Beispiel 1 benutzt wurde, wobei es sich bei dem Ceroxid um Rhodox 76, beschafft von Rhone Poulenc, handelte. Das Rhodox 76 wurde jedoch in vier unterschiedlichen Partikelgrößen in vier getrennten Polierbewertungen eingesetzt (wie gemessen mit dem D₅₀ – Wert, der durch Gebrauch eines Horiba LA910 Partikelgrößenanalysators bestimmt wurde). Die benützten Partikelgrößen waren 3,17 μm, 2,14 μm 0,992 μm und 0,435 μm. Das Diagramm, das als 3 dargestellt ist, faßt die Ergebnisse zusammen. Aus diesem Diagramm kann man abschätzen, dass mit diesem Glas in der Polierleistung wenig Unterschied war, der auf die Wirkung der Ceroxidpartikelgröße zurückgeführt werden konnte. Ähnliche Ergebnisse wurden durch den Einsatz von „Superox 50" und „50 D1" als Ceroxidquellen erhalten.
Beispiel 3
In diesem Beispiel wurde die Herkunft des Ceroxids untersucht und speziell, ob die Reinheit des Produktes irgendeinen Einfluß auf den Wirkungsgrad des Polierens hat. Es wurden Formulierungen gemäß der Erfindung dargestellt, die etwa 10% der Ceroxidkomponente und entsprechend etwa 90% des Aluminiumoxids enthielten, die in den Formulierungen des Beispiels 1 benutzt wurden. Diese Formulierungen wurden getestet durch Polieren von Quarzglas unter Verwendung der Ausrüstung und Verfahren, die identisch sind mit denen, die in Beispiel 1 beschrieben sind. Es wurden die Ergebnisse, die in 4 abgebildet sind, erhalten. Die erste Probe, „S", war „Superox 50", das etwa 34% Ceroxid enthält. Die zweite, „R", war „Rhodox 76", das etwa 50% Ceroxid enthält. Die dritte, „D", war „50 D1 ", das etwa 75% Ceroxid enthält. Wie man beobachten kann, läßt sich zwischen den dreien nur ein geringer Unterschied in der Polierleistung feststellen. Es würde folglich scheinen, dass die anderen Metalloxide der seltenen Erden sich wahrscheinlich in ähnlicher Weise verhalten wie Ceroxid in den Formulierungen gemäß der Erfindung.
Beispiel 4
Dieses Beispiel untersucht den Wirkungsgrad des Polierens und die Einflüsse der Partikelgröße von Ceroxid auf B270 Glas (Hartglas 530 Knoop). Während die obigen Beispiele unter Laborbedingungen ausgewertet wurden und nur für „Oberflächengüte", die in R_a – Werten ausgedrückt gemessen wurde, geprüft wurden, wurden die folgenden Auswertungen in einer Produktionseinrichtung gemacht, unter Verwendung einer qualifizierten Bedienungsperson, die den Endpunkt, ausgedrückt in optischer Vollkommenheit, bewertete. Dies bedeutet mehr als einfach den R_a – Wert, der nicht notwendigerweise die „Grauheit" kennzeichnet, die aus Oberflächenunvollkommenheiten herrührt, die aus dem Polierarbeitsgang zurückgeblieben sind.
Ein doppelseitiger 4800 P. R. Hoffman Polierer, ausgerüstet mit „Suba 10" Polierkissen, beschafft von Rodel Corporation wurde eingesetzt. Ein Druck von in etwa 1,034 × 10⁴ Pa (1,5 psi), wurde auf die Teile während des Polierens aufgebracht. Der Endpunkt des Polierens war erreicht, wenn ein erwünschtes vorbestimmtes Niveau der Oberflächenvollkommenheit (Klarheit) erreicht worden war.
Drei Formulierungen gemäß der Erfindung wurden dargestellt. Alle drei erhielten die Aluminiumoxid- und Tensid – Komponenten, die in Beispiel 1 beschrieben wurden, in den gleichen Mengen und dispergiert einher mit der Ceroxid – Komponente in den gleichen jeweiligen Verhältnissen in deionisiertem Wasser. Der Unterschied zwischen den Komponenten lag in der Partikelgröße der Ceroxids. In der ersten („Formulierung A"), war die Ceroxid – Komponente herunter auf ein D₅₀ von 0,4 μm gemahlen worden. In der zweiten und dritten („Formulierungen B und B'") wurde das Ceroxid (Superox 50) direkt so verwendet, wie es vom Hersteller geliefert wurde. Der einzige Unterschied zwischen den beiden waren die Glasproben, die poliert wurden. In der zweiten, B''' war die Größe der Proben, die poliert wurden kleiner, und deshalb der auf sie, während dem Polieren in der gleichen Maschine, ausgeübte Druck größer. Dies führte zu einem schnelleren Erreichen des Endpunkts. In der vierten, „Formulierung C" wurde das Ceroxid (Rhodox 76) auch so eingesetzt, wie es vom Hersteller geliefert wurde. Wie vorher bemerkt, hatten die gelieferten Materialien eine bimodale Verteilung, bei der das größere Volumen der Partikel einen Partikelspitzenwert auf einem Horiba 910 Partikelgrößenanalysator um die 4 hatte. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 1 dargelegt.
Tabelle 1:
Die Formulierung A, welche die gemahlene Ceroxid – Komponente benutzte, erzeugte eine gleichmäßig leicht graue Färbung nach 90 Minuten und brauchte weitere 30 Minuten, um dies Grauheift zu entfernen und eine Ebenheit unterhalb einem Zehntel einer Wellenlänge zu hinterlassen. Die Formulierungen B und B' polierten sehr aggressiv und durchwegs gleichmäßig über das Werkstück. Die Formulierung C polierte ebenfalls extrem gut und schnell. Das B270 – Glaserzeugnis hatte eine exzellente Oberflächenebenheit. Mit anderen Poliermaterialien als mit diesen Formulierungen kann über die Werkstückoberfläche eher „pickelig" poliert werden, als einheitlich und gleichmäßig.
Es hat deshalb den Anschein, dass dort, wo die Klarheit kritisch ist, Polieren mit Formulierungen, die eine ungemahlene Ceroxid – Komponente haben, wesentliche Vorteile bietet. Umgekehrt brauchen Formulierungen, die gemahlene Ceroxid – Komponenten haben, länger, um optische Vollkommenheit zu erreichen, aber schleifen schnell und erreichen schnell Ebenheit.

Claims

Formulierung zum optischen Polieren, umfassend eine wässrige Aufschlämmung enthaltend von 5 bis 20 Gew.-% an Feststoffen, wobei 85–95% des Feststoffgehalts durch eine alpha-Aluminiumoxid-Komponente mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von weniger als 0,5 μm bereitgestellt wird und entsprechend 15 bis 5 Gew.-% des Feststoffgehalts durch Ceroxid in der Form eines Pulvers mit einer durchschnittlichen Partikelgröße. von 0,2 bis 4 μm bereitgestellt wird, wobei Formulierungen, die ein Oxidationsmittel umfassen, ausgenommen sind.
Formulierung zum optischen Polieren gemäß Anspruch 1, wobei der Feststoffanteil in der Aufschlämmung von 8 bis 12 Gew.-% beträgt.
Formulierung zum optischen Polieren gemäß Anspruch 1, wobei die Aluminium-Komponente eine Partikelgröße von 0,15 bis 0,25 μm aufweist.
Formulierung zum optischen Polieren gemäß Anspruch 1, wobei die Ceroxid-Komponente eine Partikelgrößenverteilung hat, die zwei Komponenten und eine durchschnittliche Partikelgröße von 3 bis 4 μm zeigt.