JP5770646B2

JP5770646B2 - 透光性基材の表面平坦化方法

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Publication number: JP5770646B2
Application number: JP2012003731A
Authority: JP
Inventors: 大津　元一; 元一大津; 八井　崇; 崇八井; 川添　忠; 忠川添; 航野村
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Current assignee: SPECIFIED NONPROFIT CORPORATION NANOPHOTONICS ENGINEERING ORGANIZATION
Priority date: 2012-01-12
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2032-01-12
Also published as: JP2013143169A

Description

本発明は、情報記録媒体用基板等として用いられる透光性基材の表面を平坦化するための透光性基材の表面平坦化方法に関するものである。

従来より、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）の情報記録媒体用基板として、アルミディスクの他にガラスディスクが用いられている。ＨＤＤ用ガラスディスクは、回転駆動時における回転動作を安定させるため、その記録面や外周面の表面粗さとしてＲａ値で５ｎｍ程度のナノスケールの平坦性が要求されている。このような平坦性は、一般には、成形後のガラスディスクに対してダイヤモンド砥粒等を用いた機械研磨を施すことにより、ガラスディスクのＲａ値が１００ｎｍ程度となるようにした後、酸化セリウムを用いた化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）を施すことにより得られている（例えば、特許文献１、２参照。）。

特開平11-129155号公報特開2008-264941号公報特開2009-94345号公報

ところで、上述のＣＭＰは、研磨剤としていわゆるレアメタルとして知られる酸化セリウムを用いる必要がある。酸化レリウムは、その産出国が限られている等の理由により非常に高価であり、製造コストの低減を図る観点からは、ＣＭＰによることなくナノスケールの平坦性を実現することのできる方法の提案が望まれる。

特に、ＨＤＤ用ガラスディスクのように、その外周面に外縁部を面取りしたチャンファ面が形成されている場合は、その外周面の全体的な形状を保持したままＣＭＰを施す必要がある。このため、この場合は、特許文献２に一例が開示されているような特殊な装置が必要になるという問題点がある。

このような問題を解決するため、特許文献３には、近接場光を利用してガラスディスク等の基板の表面を平坦化する表面平坦化方法が開示されている。この表面平坦化方法では、フッ素ガス等のエッチングガスが供給されるチャンバ内に基板を配置し、そのエッチングガスの吸収端波長より長波長の光を照射することとしている。これにより、基板の表面に形成された微小凸部に近接場光を発生させ、その近接場光に基づき非断熱過程を経てエッチングガスを解離させ、これにより基板の表面の微小凸部のみを選択的にエッチングすることが可能となる。

しかしながら、特許文献２に開示の表面平坦化方法では、フッ素ガス等のエッチングガスを用いる必要があるため、人体に対する毒性や、取り扱い時の危険性を考慮したうえで作業する必要があるという問題点がある。

また、ＣＭＰの単位分あたりの研磨レートは１０〜５０ｎｍ／分のオーダーであり、特許文献３の方法による単位時間あたりのエッチングレートは１００ｎｍ／時間のオーダーであり、ナノスケールの平坦性を得るために長時間の作業が必要になるという問題点もある。

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、平坦化すべき被処理面の全体的な形状を保持したまま、ＣＭＰやエッチングガスを用いることなくナノスケールの平坦性を短時間で実現することを可能とする透光性基材の表面平坦化方法を提供することにある。

本発明者は、上述した課題を解決するために、鋭意検討の末、下記の透光性基材の表面平坦化方法を発明した。

第１発明に係る透光性基材の表面平坦化方法は、透光性基材の表面に形成された微小凸部を平坦化するための透光性基材の表面平坦化方法において、前記透光性基材の平坦化すべき被処理面に光吸収性材料を塗布して光吸収性膜を形成する塗布工程と、前記光吸収性膜に対してパルス状の照明光を繰り返し照射するパルス照射工程とを有し、前記パルス照射工程では、前記光吸収性膜における照明光の光吸収により発生する熱エネルギーによって当該光吸収性膜を蒸発させながら、前記微小凸部に対する照明光の照射により発生した近接場光に基づく光化学反応によって当該微小凸部を除去することを特徴とする。

第１発明によれば、基材の表面に光吸収性膜を形成したうえで、パルス状の照明光を基材の被処理面に照射するといった簡単な手順を行うのみで、ＣＭＰやエッチングガスを用いることなくナノスケールの平坦性を実現することが可能となる。特に、ＣＭＰが不要となるので、ＣＭＰのために必要となるレアメタルとしての酸化セリウムが不要となり、非常に低コストでナノスケールの平坦性を実現することが可能となる。また、微小凸部が平坦化されることにより基材の被処理面全体が平坦化されるので、基材の全体的な形状を保持したままナノスケールの平坦性を実現することが可能となる。また、本発明の適用により、ＣＭＰやエッチングガスを用いてナノスケールの平坦性を実現する場合と比較して、非常に短時間でナノオーダーの平坦性を得ることが可能となる。また、基材の表面のうち光吸収性膜を形成した箇所のみが平坦化されるので、基材の所望の箇所のみを選択的に平坦化することが可能となる。

基材の一例としてのガラスディスクの構成を示す平面図とその側面断面図である。（ａ）は基材の一例としてのガラスディスクの外周面の構成を示す側面断面図であり、（ｂ）はその外周面に形成された微小凸部の構成を拡大して示す拡大断面図である。第１実施形態に係る表面平坦化方法で用いられる表面平坦化装置の概略的な構成の一例を示す図である。（ａ）は基材の一例としてのガラスディスクの外周面に光吸収性膜を形成した状態を示す側面断面図であり、（ｂ）はその外周面に形成された微小凸部の構成を拡大して示す拡大断面図である。照明光の光照射範囲について説明するための斜視図である。第１実施形態に係る表面平坦化方法により基材の表面の微小凸部を平坦化させている途中の状態を示す拡大断面図である。パルス状の照明光のパルス波形の一例を示す図である。

以下、本発明を適用した透光性基材の表面平坦化方法を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明の適用の対象となる透光性基材１（以下、基材１という。）は、図１、図２に示すように、透光性を有するものであれば、その形状について特に限定するものではない。第１実施形態においては、基材１として、板状のガラスディスクを用いた場合を例示している。このガラスディスクとしての基材１は、その上下両側の一対の主表面１１と、一対の主表面１１の外周側に設けられた外周面１２とを備える。このガラスディスクとしての基材１の外周面１２は、第１実施形態において、上下方向に平行な鉛直面１２ａと、鉛直面１２ａと主表面１１との間に設けられた傾斜面としてのチャンファ面１２ｂとを備える。このガラスディスクとしての基材１は、例えば、ＨＤＤ用基板等の情報記録媒体用基板として用いられる。

基材１は、透光性を有するものであれば、その材料について特に限定するものではなく、例えば、アルミナシリケートガラス、ソーダライムガラス、セラミックガラス等のガラス材料の他に、サファイア、透明セラミックス等の無機質系材料、ポリカーボネート、アクリル等のプラスチック材料等が用いられる。

基材１は、図２（ｂ）に示すように、その表面に複数の微小凸部１４からなる微細な凹凸が形成されている。この微小凸部１４は、その高さ寸法が１ｎｍ前後のナノオーダーから１μｍ前後のマイクロオーダーまでの範囲のような様々な大きさに形成される。本発明は、Ｒａ値で１００ｎｍ前後のサブミクロンオーダーの表面粗さをもつ基材１の表面を平坦化するのに特に好適に用いられる。このような表面粗さの基材１は、例えば、成形後のガラスディスクに対してダイヤモンド砥粒等を用いた機械研磨を施すことにより得られる。

本発明に係る表面平坦化方法では、次に説明するような表面平坦化装置３を用いて後述のパルス照射工程Ｓ２を行なう。

第１実施形態に係る表面平坦化装置３は、図３に示すように、基材１に対してパルス状の照明光４１を繰り返し照射する照明光学系３１と、ガラスディスクとしての基材１を回転させるスピンドル３６とを備える。

照明光学系３１は、第１実施形態において、照明光４１として連続光を射出する光源３２と、光源３２から射出された照明光４１の基材１に対する光照射範囲４２を調整する光照射範囲調整手段としてのコリメートレンズ３３と、光源３２から基材１にかけての光路中に配設された光チョッパ３４とを備える。

光源３２は、図示しない駆動電源による制御に基づき、所定の波長を有する連続光を射出するものであり、第１実施形態においては、単波長の連続波レーザー光を発振するレーザー光源から構成される場合を例示している。光源３２から射出された照明光４１としての連続光は、第１実施形態において、コリメートレンズ３３を位置調整することによって、基材１に対する光照射範囲が調整可能とされている。照明光４１の光照射範囲を調整する手段は、このようなコリメートレンズ３３のみを用いたものに限定されない。

光チョッパ３４は、光源３２から射出された照明光４１としての連続光をチョッピングして、パルス状の照明光４１に変換するために用いられる。光チョッパ３４は、第１実施形態において、回転円盤式の光チョッパから構成されている。回転円盤式の光チョッパ３４は、照明光４１を通過させる開口部と、照明光４１を遮光する遮光部とが周方向に交互に配置された回転円盤３５を備える。回転円盤式の光チョッパ３４は、図示しない駆動モータにより回転円盤３５を回転させることにより、連続光の開口部の通過と、連続光の遮光部による遮光とが繰り返し行われる。これにより、照明光４１としての連続光がパルス状の照明光４１に変換され、そのパルス状の照明光４１が基材１に対して繰り返し照射されることになる。光チョッパ３４としては、この他にも、電磁積のＯｎ／Ｏｆｆ制御により連続光の遮光と通過とを繰り返す電磁開閉式の光チョッパ等が用いられていてもよい。

なお、第１実施形態においては、基材１に対してパルス状の照明光４１を繰り返し照射することを目的として、連続光を射出する光源３２と、光チョッパ３４とを用いる場合を例示したが、この目的を達成するために、光源３２としてパルスレーザー光を発振するものを用い、光チョッパ３４を用いないこととしてもよい。

スピンドル３６は、ガラスディスクとしての基材１が装着可能に構成される。スピンドル３６は、図示しないモータの駆動により、ガラスディスクとしての基材１を中心軸周りに等速回転させることができるように構成される。

なお、第１実施形態においては、ガラスディスクとしての基材１を回転させることを目的として、スピンドル３６を用いる場合を例示しているが、基材１を回転させない場合は、スピンドル３６を用いないこととしてもよいのは勿論である。

次に、本発明に係る表面平坦化方法について説明する。

本発明に係る表面平坦化方法は、塗布工程Ｓ１と、パルス照射工程Ｓ２とを有する。

塗布工程Ｓ１では、図４に示すように、基材１の平坦化すべき被処理面１５に光吸収性材料を塗布して光吸収性膜２を形成する。光吸収性材料は、照明光学系３１から照射される照明光４１の波長に対して高い吸光率をもち、かつ、その照明光４１の光吸収による加熱により蒸発可能な沸点をもつ材料が選択される。光吸収性材料は、このような観点から、例えば、顔料又は染料としての黒色系化合物を初めとした種々の色素化合物を含有するものが用いられる。この黒色系化合物としては、例えば、カーボンブラック等が挙げられる。光吸収性材料は、例えば、芳香族系、アルコール系、脂肪酸系等の有機溶媒に溶解等させた状態で塗布される。光吸収性材料の塗布方法は、例えば、光吸収性材料を含有するインクが内蔵されたペン等の筆記具による塗布の他、ロールコーター、ハケ塗り、吹き付け等による塗布が挙げられる。

また、ここでいう基材１の平坦化すべき被処理面１５とは、本発明の適用によりナノオーダーの平坦性を得ようとする基材１の表面のことをいう。第１実施形態においては、ガラスディスクとしての基材１の外周面１２の鉛直面１２ａ及びチャンファ面１２ｂについて、その外周面１２の全周に亘る範囲を被処理面１５とした場合を例示している。被処理面１５となる面は、基材１の表面であれば特に限定するものではない。被処理面１５の微小凸部１４は、被処理面１５に光吸収性膜２を形成することによって、その光吸収性膜２により覆われることになる。

次のパルス照射工程Ｓ２では、図３、図５に示すように、被処理面１５に対してパルス状の照明光４１を繰り返し照射する。被処理面１５に対しては、コリメートレンズ３３のような光照射範囲調整手段により光照射範囲４２を調整したうえで照明光４１を照射する。パルス状の照明光４１は、第１実施形態において照明光学系３１から照射され、その波長は、基材１が直接的に光励起されないように、基材１の材料の吸収端波長より長波長の波長を用いる。この波長の一例を挙げると、第１実施形態においては基材１としてガラスディスクが用いられており、一般的なガラス材料は、その吸収端波長が４００ｎｍ程度であることから、照明光４１としては、その吸収端波長より長波長である、例えば、５３２ｎｍの波長のものが用いられる。

このように光吸収性膜２に対して照明光４１を照射することによって、光吸収性膜２における照明光４１の光吸収により光エネルギーが熱エネルギーに変換される。そして、光吸収性膜２は、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、この光吸収により発生する熱エネルギーによって蒸発することになる。

このとき、伝播光としての照明光４１が光吸収性膜２を透過して基材１を照射していることになる。そして、少なくとも基材１の微小凸部１４がなす角部には、伝搬光としての照明光４１が照射されることにより近接場光４３が発生している。この近接場光４３が発生する角部とは、例えば、微小凸部１４の先端における先鋭化部分が該当する。近接場光４３が発生する角部は、このような先鋭化部分のみでなく、微小凸部１４間の凹部や、微小凸部の先鋭化部分以外の角部も含まれる。

ここでいう近接場光とは、約１μｍ以下の大きさからなる物体の表面に伝搬光を照射した場合に、その物体の表面にまとわりついて局在する非伝搬光のことをいう。この近接場光は、非常に強い電場成分を有しているが、物体の表面から遠ざかるにつれてその電場成分が急激に減少する性質を有する。この非常に強い電場成分を有する領域の物体表面からの厚さは、その物体の寸法に依存しており、その物体の寸法と同程度の厚さからなる。

ここで、本発明者が検討したところ、被処理面１５の微小凸部１４に発生した近接場光４３に基づいて被処理面１５の微小凸部１４が平坦化され、被処理面１５についてナノオーダーの平坦性を得られることを知見した。これは、微小凸部１４に発生した近接場光４３に基づいて、微小凸部１４の光化学反応が局所的に誘起され、光化学反応により生成した反応生成物が気化することによって微小凸部１４が除去されるためと考えられる。

また、本発明者は、このような被処理面１５についてナノオーダーの平坦性を得るうえで、第一に、基材１の被処理面１５に対して十分な光エネルギーを与えられるように、光照射範囲４２に対する単位面積あたりの照明光４１のパワー密度を調整することが重要であることを知見した。これは、平坦化プロセスに寄与する化学反応が光エネルギーにより誘起される光化学反応であることを意味しており、近接場光による局所的なエッチングにより表面が平坦化されるという予測を裏付けるものである。このパワー密度が不十分であると、被処理面１５の微小凸部１４が平坦化されず、ナノオーダーの平坦性が得られない。このパワー密度の一例を挙げると、基材１としてガラスディスクを用い、照明光４１として波長５３２ｎｍのレーザー光を用いた場合、４０ｋＷ／ｃｍ²以上のパワー密度が必要である。なお、このパワー密度は、連続光としての照明光４１を照射する場合のパワー密度を想定しており、実際には、次に説明するようなパルス状の照明光４１を照射することになるので、そのパルス状の照明光４１のデューティ比を乗算したパワー密度で被処理面１５が照射されることになる。

また、本発明者は、このような被処理面１５についてナノオーダーの平坦性を得るうえで、第二に、連続光としての照明光４１ではなく、パルス状の照明光４１を繰り返し被処理面１５に対して照射することが重要であることを知見した。これは、以下に説明するように、基材１に割れが発生するのを防止しつつ、基材１の被処理面１５を平坦化するためである。

本発明者は、ナノオーダーの平坦性が得られるような基材１、光吸収性膜２、照明光４１の条件の下で、照明光４１をパルス状ではなく連続光とした場合に、基材１に割れが発生してしまうことを知見した。これは、連続光としての照明光４１を照射した場合、光吸収性膜２を熱源として基材１が過度に加熱されてしまい、その加熱により基材１に過度の引張の熱応力が発生するためと考えられる。これに対して、パルス状の照明光４１を繰り返し照射した場合、光照射範囲４２に対して照明光４１の照射と未照射とが繰り返されることになる。光照射範囲４２に対して照明光４１が未照射の間は、光吸収性膜２を熱源とする加熱が休止され、光吸収性膜２や基材１が自然放熱により冷却されることになる。これは、光照射範囲４２に対してパルス状の照明光４１を繰り返し照射したとき、光吸収性膜２を熱源とした基材１の加熱と冷却とが繰り返されることを意味している。このような加熱と冷却とが繰り返されることにより、基材１の過度の加熱が防止され、その結果、基材１の割れが抑制されたものと考えられる。

なお、パルス状の照明光４１のパルス波形は、図７に示すように、その周波数が、例えば、２ｋＨｚ以上であり、そのデューティ比Ｄは、例えば、０超０．７以下となる。このパルス波形としては、パルス幅がナノ秒、ピコ秒以下のものも含まれる。

また、本発明者は、被処理面１５についてナノオーダーの平坦性を得るうえで、第三に、光吸収性膜２に対して照明光４１を照射したときの、光吸収性膜２での光吸収により発生する熱エネルギーが重要であることを知見した。これは、その程度の大小は明確ではないが、近接場光による微小凸部１４の光化学反応がその熱エネルギーにより促進されるためと考えられる。

パルス照射工程Ｓ２では、このようなパルス状の照明光４１を照射することにより、その光照射範囲４２での微小凸部１４の平坦化が進行することになる。そして、図６（ｃ）に示すように、光照射範囲４２内にある光吸収性膜２が蒸発した時点で、光照射範囲４２内での光吸収性膜２による加熱が止まり、照明光４１が透光性の基材１内を通過するのみとなり、その結果、微小凸部１４の平坦化が終了することになる。この平坦化が終了したとき、光源３２等の条件にもよるが、被処理面１５の表面粗さをＲａ値でナノオーダーとすることが可能となる。また、光照射範囲４２に対して照明光４１を照射してから光吸収性膜２が蒸発するまで、即ち、光照射範囲４２内の平坦化が終了するまでの時間は、光源３２等の条件にもよるが、一スポット当たり０．０１秒〜１秒と非常に短時間にすることが可能となる。

第１実施形態に係るパルス照射工程Ｓ２では、図３、図５に示すように、スピンドル３６によりガラスディスクとしての基材１を中心軸周りに回転させているので、光吸収性膜２に対する光照射範囲４２が基材１の回転に伴いガラスディスクとしての基材１の周方向に沿って相対的に移動することになる。これにより、ガラスディスクとしての基材１の外周面１２がその周方向に沿って平坦化されることになる。このように、本発明では、基材１の被処理面１５に形成された光吸収性膜２に対する光照射範囲４２を相対的に移動させることにより、その光照射範囲４２の移動領域を連続的に平坦化することが可能となる。なお、光吸収性膜２に対する光照射範囲４２を相対的に移動させるうえでは照明光学系３１を移動させるようにしてもよいし、光吸収性膜２に対する光照射範囲を移動させることなくパルス照射工程Ｓ２を実行することとしてもよい。

以上によれば、基材１の表面に光吸収性膜２を形成したうえで、パルス状の照明光４１を基材１の被処理面１５に照射するといった簡単な手順を行うのみで、ＣＭＰやエッチングガスを用いることなくナノスケールの平坦性を実現することが可能となる。特に、ＣＭＰが不要となるので、ＣＭＰのために必要となるレアメタルとしての酸化セリウムが不要となり、非常に低コストでナノスケールの平坦性を実現することが可能となる。また、微小凸部１４が平坦化されることにより基材１の被処理面１５全体が平坦化されるので、基材１の全体的な形状を保持したままナノスケールの平坦性を実現することが可能となる。また、本発明の適用により、ＣＭＰやエッチングガスを用いてナノスケールの平坦性を実現する場合と比較して、非常に短時間でナノオーダーの平坦性を得ることが可能となる。また、基材１の表面のうち光吸収性膜２を形成した箇所のみが平坦化されるので、基材１の所望の箇所のみを選択的に平坦化することが可能となる。

以上、本発明の実施形態の例について詳細に説明したが、前述した実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これら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。

以下、本発明の効果を実施例により更に説明する。

本実施例では、本発明に係る表面平坦化方法を実際に用いることにより、本発明の効果を確認することとした。

基材１としては、図１、図２に示すような形状のものを用い、その寸法については、直径６３．５ｍｍ、肉厚０．６３５ｍｍのものを用い、その材料については、セラミックガラスを用いた。また、ガラスディスクとしての基材１は、その外周面１２の表面粗さがＲａ値で１００ｎｍのものを用いた。

表面平坦化装置３としては、図３に示すようなものを用い、レーザー光源３２としては、波長５３２ｎｍ、出力パワー１５Ｗのものを用いた。また、コリメータレンズ３３としては、焦点距離ｆが８０ｍｍのものを用いた。このとき、基材１に対する光照射範囲４２を直径０．２ｍｍとするため、基材１に対するコリメートレンズ３３の間隔が８５ｍｍとなるようにした条件（以下、条件１という。）と、基材１に対する光照射範囲４２を直径０．５ｍｍとするため、基材１に対するコリメートレンズ３３の間隔が１００ｍｍとなるようにした条件（以下、条件２という。）との複数条件の下で本発明の効果を確認することとした。

光チョッパ３４としては、周波数が２ｋＨｚ、デューティ比Ｄが０．５のパルス波形となるように、光源３２から射出された連続光としての照明光４１をパルス状の照明光に変換するものを用いた。なお、この他にも、表面平坦化装置３から光チョッパ４２を除き、光照射範囲４２に対して連続光を照射することとし、その他の条件は条件１と同じ条件とした条件（以下、条件３という。）の下でも本発明の効果を確認することとした。

光照射範囲４２に対して照射される照明光４１のパワー密度は、条件１の下では２４ｋＷ／ｃｍ²となり、条件２の下では３．８ｋＷ／ｃｍ²となり、条件３の下では４７ｋＷ／ｃｍ²となる。

塗布工程Ｓ１では、光吸収材料としてカーボンブラックを含有するインクを用いることとし、そのインクが内蔵されたペンによりガラスディスクとしての基材１の外周面１２にインクを塗布することにより光吸収性膜２を形成することとした。光吸収性膜２はガラスディスクとしての基材１の外周面１２の全周に亘り形成することとした。

パルス照射工程Ｓ２では、スピンドル３６により８．３ｒｐｍの回転速度でガラスディスクとしての基材１を等速回転させた状態のまま、光吸収性膜２に照明光を照射することとした。

この結果、条件１の下では、基材１の外周面１２の表面粗さがＲａ値で４．４５ｎｍとなり、ナノオーダーの平坦性が得られた。また、ガラスディスクとしての基材１の外周面１２を全周に亘り平坦化するための時間としては７．２秒の時間が必要であった。

これに対して、条件２の下では、基材１の外周面１２の表面粗さが加工前と変化せず、ナノオーダーの平坦性が得られなかった。また、条件３の下では、基材１に割れが発生した。

１基材
２光吸収性膜
３表面平坦化装置
１１主表面
１２外周面
１４微小凸部
１５被処理面
３１照明光学系
３２光源
３３コリメートレンズ
３４光チョッパ
３５回転円盤
３６スピンドル
４１照明光
４２光照射範囲
４３近接場光

Claims

透光性基材の表面に形成された微小凸部を平坦化するための透光性基材の表面平坦化方法において、
前記透光性基材の平坦化すべき被処理面に光吸収性材料を塗布して光吸収性膜を形成する塗布工程と、
前記光吸収性膜に対してパルス状の照明光を繰り返し照射するパルス照射工程とを有し、
前記パルス照射工程では、前記光吸収性膜における照明光の光吸収により発生する熱エネルギーによって当該光吸収性膜を蒸発させながら、前記微小凸部に対する照明光の照射により発生した近接場光に基づく光化学反応によって当該微小凸部を除去すること
を特徴とする透光性基材の表面平坦化方法。