JP3599816B2 - 研磨材 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はシリカを主成分とする物質の研磨に用いるための、酸化セリウム粒子とその他の砥粒とからなる研磨材に関する。
シリカを主成分とする物質にはガラス、ガラス質からなる材質、シリカを主成分とするセラミックス等があり、ガラスは例えばレンズ、フォトマスク等の光学分野、液晶表示用パネル、テレビのブラウン管、ハードディスク等の磁気記録用基板、建材等に用いられ、又セラミックス材料は摺動部材、配線用基板等に用いられる。従って、より詳しくは本発明はこれらの産業分野で利用される製品を製造するために用いる研磨材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モナザイト、バストネサイト等の天然鉱物を出発原料として用い、焼成処理、粉砕処理を実施することにより製造される酸化セリウムを主体とする研磨材は、メカノケミカル作用を利用する研磨材としてガラス及びガラス質材料の研磨加工に用いられている。これらの研磨材は、酸化セリウムとガラス中のシリカ成分との固相反応、即ちケミカル作用を利用した研磨材であることは、現象論的ではあるが公知である。しかしながら、ケミカル作用による反応生成物を除去する作用（メカノ作用）については、酸化セリウム及びその反応生成物の硬度が、ガラスの硬度と同等かそれよりも低いので多くは期待出来ない。
【０００３】
従来、酸化セリウムを用いた研磨加工においては、メカノ作用は研磨布が分担しており、従って従来の研磨加工は被研磨物・研磨材・研磨布の組合せによるメカノケミカル研磨システムであると言える。
ガラスの研磨加工においては、通常、研磨布として発砲ポリウレタンを使用するが、その使用目的は、発砲ポリウレタン自体の弾性を利用して発砲ポリウレタン研磨布と被研磨物との密着性を保持することと、発砲ポリウレタン研磨布の表面構造を利用して反応生成物をメカノ的に除去することである。密着性の保持については、各研磨システムにおいて必要とされる弾性量を研磨布の弾性率及び／又は厚さを変えることによって安定的に幅広く選定することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、反応生成物のメカノ的な除去については、発砲ポリウレタン研磨布の表面構造に立脚しているために、発砲ポリウレタン研磨布の種々の構造が提案されているとはいえ、現在の技術水準では研磨加工中に性能が徐々に変化することは避けられない。
【０００５】
メカノ作用が変化すると研磨加工速度が変化するので、所定の研磨加工量を得るためにはメカノ作用の変化を常にモニターして加工時間等の研磨加工条件にフィードバックする必要がある。また、研磨加工速度が一定しないと、モニターに手間がかかるだけではなく、仕上がり厚さの精度も低下することになる。更に、メカノ作用が著しく低下した場合は、研磨布の表面を刷毛等により再生する必要が有り、再生サイクルが短くなると新しい研磨布に取り替えることになる。
【０００６】
また、特定の被研磨物及び使用する研磨材の組合せに対して最適のメカノ作用を達成する研磨布を選定するためには、被研磨物、研磨材、水及び研磨布の間の潤滑、摩耗、摩擦等の複雑なメカニズムを理解する必要があるが、現実には、種々の研磨布を用いて実際に研磨加工を行い、その中から最適な研磨布を選定している。従って、被研磨物、研磨材を含む種々の加工条件の何れかが変わると、その都度最適のメカノ作用を有する研磨布の選定のためにテストを実施する必要がある。
【０００７】
また、ガラスの研磨加工において一般的に用いられている発砲ポリウレタンは研磨抵抗が大きいので、大型の被研磨物の場合、研磨圧力を上げると研磨機の許容できるトルクを越えることになり、振動が発生して研磨加工が不能となる。そのため、１００〜３００ｇ／ｃｍ²の比較的低圧力域で研磨加工を実施しており、従ってケミカル作用を充分に加速することができない。
【０００８】
研磨加工量が多い場合には、実際には、炭化珪素、ダイヤモンド等の硬度が高くてメカノ作用の強い研磨材、もしくは、これらを砥粒とする砥石を用いて粗加工を行い、その後、酸化セリウムを用いた仕上げ研磨を行っている。粗加工及び仕上げ研磨の二工程を実施すると、粗加工で用いた砥粒等が仕上げ研磨工程に混入し、被研磨物の表面にキズを発生させることになるので、その防止のためには粗加工が終了した後に充分に洗浄を行う必要があり、そのためにプロセスが複雑になる。
【０００９】
本発明の目的は、酸化セリウムを用いたケミカル作用による研磨加工において、用いる研磨布の種類に影響されることなくほぼ一定の速度で研磨加工することができ且つ所望の研磨加工量を仕上げ研磨工程だけの一工程で達成することができる研磨材を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために鋭意検討の結果、研磨材として酸化セリウムとメカノ作用を持つ砥粒とを併用することによって、研磨布にメカノ作用を負担させる必要が無くなり、従って研磨布の選択の幅が広がり、研磨布の経時変化の影響をうけにくくなるため安定した研磨加工を行うことができ、また研磨抵抗の低い研磨布を選定して加工圧力を高くすることによってケミカル作用を加速させ、高い研磨加工速度を得ることができ、仕上げ研磨工程だけで加工量の多い被研磨物にも対応できることを見出し、本発明を完成した。
【００１１】
即ち、本発明の研磨材は、シリカを主成分とする物質の研磨に用いるための研磨材において、（１）酸化セリウム粒子と（２）弗化カルシウムから構成される砥粒とからなることを特徴とする。
【００１２】
本発明の研磨材において、酸化セリウムはケミカル作用をもたらし、砥粒はメカノ作用をもたらし、従って本発明の研磨材はそれらの作用が相乗したメカノケミカル作用を有する。
本発明の研磨材で用いる酸化セリウム粒子はシリカを主成分とする被研磨物に対してケミカル作用をもたらすかぎりは特に限定されるものではなく、汎用の酸化セリウム粒子もしくは酸化セリウム系研磨材を用いることができる。例えば、パストネサイトを原料とした研磨材、三井金属鉱業製「ミレーク（商品名）」等、いわゆる汎用的なセリウム系研磨材を用いることができる。また、本発明の研磨材において酸化セリウム粒子と併用する砥粒は、砥粒として一般に用いられているものでよく、例えばアルミナ、ジルコニア、シリカ等の酸化物、炭化珪素、炭化ホウ素等の炭化物、弗化カルシウム、弗化ネオジウム等の弗化物、ダイヤモンド、等の微粉末の１種もしくは２種以上を使用することができる。
【００１３】
本発明の研磨材において、砥粒の硬度が被研磨物の硬度及び該被研磨物と酸化セリウムとの反応生成物の硬度と同等以上であることが必須であり、好ましくは砥粒の硬度と被研磨物の硬度及び該被研磨物と酸化セリウムとの反応生成物の硬度との差が例えばモース硬度の差として２程度以内であり、より好ましくは砥粒の硬度が被研磨物の硬度及び該被研磨物と酸化セリウムとの反応生成物の硬度と同等かもしくはそれらより若干高い。
【００１４】
実際に使用する砥粒は、被研磨物（シリカを主成分とする物質）の硬度及び該被研磨物と酸化セリウムとの反応生成物の硬度との硬度差を基準にして選定することになる。例えば、被研磨物がソーダライムガラス（青板ガラス）である場合には、その主成分が珪酸ソーダであるので、砥粒として弗化カルシウム等の比較的硬度の低い微粉末を選定することが好ましく、被研磨物が石英ガラスである場合には、その主成分がシリカであるので、弗化物では硬度が不足であり、アルミナの微粉末を選定することが好ましい。また、被研磨物がアルミナとシリカとの合成物、例えばムライトのようなセラミックスである場合には、炭化珪素、ダイヤモンド等の硬度の高い物質を選定することが好ましい。
【００１５】
硬度の最も高いダイヤモンドを混合すれば、全ての被研磨物に対応できるはずであるが、硬度差が大き過ぎると被研磨物に深いキズがはいる傾向があり、ケミカル的に研磨を推進している酸化セリウムの研磨能ではその深いキズの除去が困難であり、最終仕上がり面にキズが残存することもある。また、砥粒の添加効果を達成するためには、かなりの量の砥粒を添加する必要があり、従って、砥粒としてダイヤモンドのような高硬度の砥粒を用いる必要がない場合にまでダイヤモンドのような高価な砥粒を用いることは不経済である。
【００１６】
砥粒の粒径が酸化セリウム粒子の粒径よりも大きいと、被研磨物と酸化セリウムとの接触が充分に取れなくなり、ケミカル作用が低下し、加工速度が低下する。従って、砥粒の粒径が酸化セリウム粒子の粒径の５０〜１００％程度であることが好ましく、７０〜８０％の程度であることが更に好ましい。
【００１７】
酸化セリウム粒子と砥粒との混合比率は、必要とする研磨加工速度及び研磨材の性能保持期間に基づいて選択される。研磨材の性能保持期間は含有する酸化セリウム粒子の量に比例するために酸化セリウム粒子の濃度を低くすると、研磨材の取替え、補充サイクルが短くなる。また酸化セリウム粒子の濃度を低くすると（従って砥粒の濃度を高くすると）ケミカル作用が低下するので、研磨加工速度が低下し、また研磨後の被研磨物の表面にキズ等が残って表面性状の低下をもたらすことがある。酸化セリウム粒子２０〜８５重量％と砥粒８０〜１５重量％とからなる研磨材においては、研磨加工速度、研磨後の表面性状に好結果が得られる。
【００１８】
本発明の研磨材はそれ自体がメカノ作用とケミカル作用を保有しているので、研磨布にはメカノ作用を分担させる必要がなく、従ってメカノ作用は研磨布の表面の構造に依存しなくなり、研磨加工中の研磨布の経時変化に依存することなく安定的に研磨加工速度を維持できるようになる。本発明の研磨材を用いる場合には、研磨布は研磨布と被研磨物との密着を確保できるものであればよく、従って、本発明の研磨材と共に使用する研磨布については何ら制限されないが、被研磨物に対する研磨抵抗の小さい研磨布、具体的には不織布タイプ、例えば、ロデール・ニッタ社のＳＵＢＡシリーズの研磨布を使用することにより大きな加工圧力をかけることができるようになり、このような大きな加工圧力は酸化セリウム粒子のケミカル作用を加速し、研磨加工速度を高めることができる。
【００１９】
【実施例】
以下の実施例において、酸化セリウム粒子として汎用のセリウム系研磨材である三井金属鉱業株式会社製の商品名「ミレークＳ−０」（平均粒径１．２μｍ）を用い、砥粒として弗化カルシウム（平均粒径０．８μｍ）、アルミナ（平均粒径０．３μｍ、０．９μｍ又は１．５μｍ）又はダイヤモンド（平均粒径１μｍ）を用い、研磨布としてロデール・ニッタ社製の「ＭＨ」、「ＩＣ」又は「ＳＵＢＡ」を用いた。「ＭＨ」はガラス研磨用の研磨布として代表的な発砲ポリウレタンの研磨布である。
【００２０】
実施例１
被研磨物としてそれぞれ１００ｍｍ×１００ｍｍ×１．５ｍｍの青板ガラス（ソーダライムガラス）板、石英ガラス板又はムライトセラミックス板を用い、研磨材スラリーとしてそれぞれ下記のＡ〜Ｄの何れかを用い、研磨布としてそれぞれ「ＭＨ」、「ＩＣ」又は「ＳＵＢＡ」を用いた。図１に示す装置を用いて下記の条件下で研磨加工を実施した：
研磨材スラリー：研磨材の構成成分及びスラリー濃度
Ａ： ミレーク１５０ｇ／ｌ
Ｂ： ミレーク７５ｇ／ｌ＋弗化カルシウム７５ｇ／ｌ
Ｃ： ミレーク７５ｇ／ｌ＋アルミナ（０．９μｍ）７５ｇ／ｌ
Ｄ： ミレーク１２０ｇ／ｌ＋ダイヤモンド３０ｇ／ｌ
研磨加工圧力： １２０ｇ／ｃｍ²
研磨布回転数： ３００ｒｐｍ
研磨液循環量： ４リットル／分
研磨加工時間： １０分間
なお、図１において１は研磨布であり、２は被研磨物であり、３は加圧シリンダーであり、４は研磨プレートであり、５は研磨材（スラリー）である。
【００２１】
研磨した後の被研磨物について、その隣接する２辺からそれぞれ５ｍｍの距離の位置にある点（全部で４点）と中心点との合計５点で研磨量（μｍ）をマイクロメーターで計測し、それらの計測値を平均して求めた平均研磨加工速度（μｍ／分）は表１〜３に示す通りであった。また被研磨物の表面の状態を目視及び顕微鏡で観察し、傷の有無について調べ、顕微鏡観察でも傷が認められない場合を○とし、目視では傷が認められないが顕微鏡観察で微小な傷が認められる場合を△とし、目視でも傷の認められる場合を×とした。その結果は表１〜３に示す通りであった。
【００２２】
【表１】

【００２３】
【表２】

【００２４】
【表３】

【００２５】
表１〜表３のデータから、研磨材として酸化セリウム粒子のみを用いた場合には用いる研磨布の差異によって研磨加工速度に大きな差異が生じるが、研磨材として酸化セリウム粒子と砥粒とを併用した場合には用いる研磨布の差異によっても研磨加工速度にほとんど差異が生じないことは明らかである。また、被研磨物の硬度と砥粒の硬度との差が大きい場合には研磨加工速度は良好であるが、表面状態が低下することも明らかである。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の研磨材を用いることにより、用いる研磨布の種類に影響されることなくほぼ一定の速度で研磨加工することができ且つ所望の研磨加工量を仕上げ研磨工程だけの一工程で達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で用いた研磨加工装置の概略断面図である。
【符号の説明】
１ 研磨布
２ 被研磨物
３ 加圧シリンダー
４ 研磨プレート
５ 研磨材（スラリー）

Claims (3)

1. シリカを主成分とする物質の研磨に用いるための研磨材において、（１）酸化セリウム粒子と（２）弗化カルシウムから構成される砥粒とからなることを特徴とする研磨材。
2. 砥粒の粒径が酸化セリウム粒子の粒径の５０〜１００％であることを特徴とする請求項１記載の研磨材。
3. 酸化セリウム粒子２０〜８５重量％と砥粒８０〜１５重量％とからなることを特徴とする請求項１又は２記載の研磨材。

Images