JPH11503403A - ガラス基材の処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ガラス基材、特に演算処理の分野で周辺メモリとして使用されるものを処理するための方法が開示される。この方法は、表面のイオン交換強化工程の後に基材の表面を脱アルカリする工程を含む。

Description

【発明の詳細な説明】 ガラス基材の処理方法 本発明は、ガラス基材、特にデータ処理の分野における「周辺」用メモリとし て使用されるものを処理するための方法に関する。 本発明はこの用途に限定されないが、磁気ハードディスクの製造に関して説明 される。 磁気ハードディスクは一般に、中央に孔のあいたディスク（円板）の形状とな るように形成された支持構成要素から構成される。詳しく言えば、データ記憶用 の一連の薄い磁気フィルムをこのディスク上に被着させることができる。 データは、ディスクの上に配置される一つ以上の読み取りヘッドを使用して、 ディスクが回転運動している間に記録しそして読み取られる。高性能のデータ読 み取りを達成するために、読み取りヘッドはできる限りディスクに接近しなくて はならず、この場合を「接触記録(contact recording)」という。これは、ヘッ ドが検出する信号はその高さが増加するにつれ指数関数的に減少するためである 。更に、現在は記録密度の増加が絶えず要求されている。これは、所定の情報を 保存するための領域が減少し続けることを意味する。記録されたデータをこのよ うにして読み取るためには、ディスクと読み取りヘッドとの間隔を減らし続けな くてはならず、この間隔は300オングストローム未満でなくてはならない。 磁気ハードディスク製造用基材は、特に米国特許第5316844号明細書に記載さ れており、これらはアルミニウム基材である。この米国特許明細書には、これら の基材の重要な側面も記載されており、それらは粗さが非常に小さくなくてはな らない。この米国特許明細 書には、粗さの値Ｒｑ、又は平均粗さが示されており、それは100オングストロ ームと300オングストロームの間である。増大する記憶の要望に関連する、従っ て絶えず減少するディスク／読み取りヘッド間隔に関連する、現状の要求は、20 オングストローム未満のＲｑに相当する。このＲｑは、この場合には、５×５平 方ミクロンについて原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を使って測定される平均粗さであ る。 更に、磁気ハードディスクの記憶容量に関する要求が増加し続けているとは言 え、逆説と見ることができるもう一つの要求は、これらのハードディスクの寸法 に関連している。 これは、これらのデータ記憶装置はできる限り小さい場所を占めなくてはなら ず、且つまた軽量でなくてはならないからである。これらの要求条件は、一方で は、増大する携帯用の要望、従ってコンパクトで軽量な記憶装置の要望に関連し ており、携帯可能なデータ処理機器と大きな記憶容量を必要とするソフトウェア の開発がこの要求条件の基礎となっている。他方で、やはりデータ記憶容量を増 加させる目的のためには、所定の空間にいくつかの磁気ハードディスクを組み合 わせること、従って基材をより薄くできることが有利である。 アルミニウム製の基材は、０．６ｍｍ未満の厚さを有することができ、そして 同時に、剛性と読み取りヘッドがディスクに強く接触する際の衝撃に対する耐性 とに関係してハードディスクを構成するのに必要とされる性質を持つことができ る。 これらの欠点を除去するために、またそのような基材を軽量にし、そしてでき る限り厚さを減らすために、特にヨーロッパ特許出願公開第579399号明細書で、 それをガラスから製作することが提案されている。そのような基材は、詳しく言 うと、「フロート」技術を 使って得られるガラスの帯から製造されており、この帯はシートに変えられそし て最後に切断して必要とされる寸法のディスクの形にされる。次に、所望の厚さ と所望の粗さを得るため、これらを研磨する。 試験を行ううちに、これらのガラス基材は様々な欠陥を被り、従って磁気ハー ドディスクを製造するのに申し分なく使用することができないことが明らかにな った。 詳しく言えば、これらのガラス基材の表面は、アルカリ金属、とりわけカリウ ムとナトリウムの、そしてとりわけ化学強化によりもたらされたイオンの、重大 な喪失を被る。ところで、これらのアルカリ金属は、基材上に付着させた磁気フ ィルムに、特に湿分の存在下で、有害な影響を及ぼす。これは、これらの層にア ルカリ金属が放出されると記録されたデータが比較的短期間で破壊されることに なるようであるためである。 本発明の目的は、上述の欠点の軽減を可能にし且つ、良好な化学的耐性を示し そして特に磁気フィルムに対し害を及ぼさない量のアルカリ金属を放出するだけ のガラス基材をもたらす、ガラス基材の処理方法を提供することである。 本発明の目的はまた、機械的強度、平坦性及び粗さがデータ記憶装置を製造す るための支持エレメントを製作するのに満足なものである基材をもたらす方法を 提供することである。 これらの目的は、本発明により、表面イオン交換強化工程とこのイオン交換工 程後の基材表面脱アルカリ工程を含むガラス基材処理方法によって達成される。 イオン交換強化工程は、化学強化により有利に行われる。この工程は、詳しく 言うと表面を機械的に強化するのを可能にし、従って満足な機械的強度、特に曲 げ強さと、例えば読み取りヘッドとの強 い接触及び読み取りヘッドによる破壊（クラッシュ）に対する耐性を得るのを可 能にする。このような工程は、基材の表面における応力を変更しそうしてその機 械的性質を変更するためにガラス表面のイオンを容積の異なる他のイオンで置換 するものである。しかし、本発明による方法は、その基材から表面イオンを除去 するための第二の工程で他に優る。このように、その後のイオンの放出を減らし あるいはなくしさえする目的のためにガラス基材を脱アルカリすることが、例え ば化学強化により得られる、機械的性質を保持できるようにするということは、 当業者にとって驚くべきことである。 好ましくは、脱カルカリは１ミクロン未満の基材深さまで行われる。この好ま しい実施の方法によれば、脱アルカリは前もって化学強化が行われた深さ未満の 深さまで行われる。こうして、本発明により処理された基材はデータの保存を目 的とする磁気フィルムのための支持体として、これらのフィルムが基材表面へア ルカリ金属が放出されるため損傷を受ける危険なしに使用することができる。 本発明の一つの態様によれば、脱アルカリは湿式で行われる。これは、詳しく 言えば、ガラス基材の表面を浸出することになる塩化アルミニウムAlCl₃との接 触により行うことができる。このような脱アルカリ処理は100℃に近い温度で行 うことができ、このような操作条件は基材の表面で応力を緩和する際のあらゆる 危険を防止する。 本発明のもう一つの態様によれば、脱アルカリは基材表面における硫酸塩の昇 華により行われる。好ましくは、この処理は硫酸アンモニウム(NH₄)₂SO₄を使っ て行われる。 この態様によれば、アルカリ金属の拡散に対する障壁（バリヤ）として働く緻 密なシリカの表層が作られる。この態様では、脱アルカリの際の温度は有利には 450〜580℃であり、脱アルカリの際の 処理時間は有利には５時間未満であり、好ましくは10分と３時間の間である。 本発明を実施する一つの方法によれば、イオン交換による強化は硝酸カリウム KNO₃の又は重クロム酸カリウムK₂Cr₂O₇の浴中での化学強化によりなされる。 本発明を実施するもう一つの方法によれば、イオン交換による強化は、例えば KNO₃／AgNO₃といったような、混合浴中での化学強化によりなされる。混合浴は 、特に、交換後に混合アルカリ効果をもたらすことができ、従ってアルカリの攻 撃に対する耐性の向上をもたらすことができる、二重のイオン交換を可能にする 。 強化温度は、有利には400〜520℃である。時間に関して言えば、これは有利に は25時間未満、好ましくは20時間未満である。 有利なことに、本発明は、最初に、すなわちイオン交換による強化工程の前に 、ガラス基材を研磨する工程を提供する。この工程は、特に所望の基材厚さをも たらし且つＲｑが20オングストローム未満、好ましくは15オングストローム未満 の基材粗さをもたらすように、機械的手段によって行うことができる。 本発明の有利な態様では、「仕上げ研磨」と呼ばれる第二の研磨工程も提供さ れる。この工程の目的は、Ｒｑあるいは平均粗さを、６オングストロームに近い 、好ましくは５オングストローム未満の値にすることである。このような粗さの 値は、特に、データ記憶容量を更に向上させるのに寄与することができる。この 工程は、詳しく言えば、化学的な処理により、例えばコロイダルシリカ、磁性流 体又は酸化セリウムの作用により、行うことができる。 この「仕上げ研磨」工程は、処理のいろいろな段階で行うことができる。本発 明の第一の実施方法は、この工程を第一の研磨工程の直後に行うものである。粗 さの観点からは、このような実施方法は 良好な結果をもたらす。ところが、イオン交換強化工程が、基材の表面仕上げを わずかに変更することがあり、従って粗さに関して結果に不利な影響を及ぼすこ とがある。とは言え、発明者らは、特に硫酸アンモニウムでの処理の場合に、脱 アルカリが粗さを向上させるのに貢献することを示すことができた。 もう一つの実施方法は、この「仕上げ研磨」工程を本発明による処理の最後に 行うものである。これは最後の工程であるから、処理の結果得られる粗さはその 後保持される。ところが、この実施態様によると、「仕上げ研磨」工程は、例え ば塩化アルミニウムでの処理の場合に、特に予め行われた脱アルカリ処理の結果 として得られた耐加水分解性を減少させないように最高で0.2ミクロンの基材深 さまで行わなくてはならないようである。 本発明の好ましい実施方法は、「仕上げ研磨」工程をイオン交換強化工程の直 後に、従って脱アルカリ工程の前に行うことにある。この実施態様によれば、「 仕上げ研磨」工程により特に粗さに関して得られる結果は申し分ないようである 。その上、先に述べたように、脱アルカリが粗さを向上させるのに寄与すること ができ、従ってこの場合には仕上げ研磨工程から得られた成果をともかく向上さ せることができる。 本発明はまた、ガラス基材を提供し、詳しく言えば本発明による処理方法の前 述の態様のうちのいずれかにより得られるものを提供し、この基材は例えば携帯 用コンピュータのための、磁気ハードディスクといったようなデータ記憶ユニッ トにおける支持体として用いようとするものである。 本発明による基材は、表面イオン交換強化工程にかけられたシリカ−ソーダ− 石灰タイプのガラス製であり、そしてこの基材は厚さが少なくとも0.05ミクロン の表層における平均のNa₂O含有量のイオ ン交換により強化された層における平均のNa₂O含有量に対する比率が40％未満、 好ましくは20％未満であること、及び／又は厚さが少なくとも0.05ミクロンの表 層における平均のK₂O含有量のイオン交換により強化された層における平均のK₂O 含有量に対する比率が60％未満、好ましくは40％未満であることを特徴とする。 好ましくは、基材は、240MPaより大きい、より好ましくは300MPaより更に大き い平均の曲げ強度を有する。 やはり好ましくは、このガラス基材は５オングストローム未満の平均粗さＲｑ を有する。 本発明の好ましい態様によれば、ガラス基材は下記の構成成分を下記の重量割 合で含有するマトリックスを有し、 SiO₂ 45〜65％ Al₂O₃ 0〜20％ B₂O₃ 0〜 5％ Na₂O 4〜12％ K₂O 3.5〜12％ MgO 0〜 8％ CaO 0〜13％ ZrO₂ 0〜20％ 酸化物SiO₂、Al₂O₃及びZrO₂の合計はこの組成物の70％以下にとどまり、そして この組成物は随意に、酸化物BaO及び／又はSrOを 11％ ≦ MgO＋CaO＋BaO＋SrO≦ 24％ となるような割合で含有し、そしてアルカリ金属酸化物は 0.22 ≦ Na₂O／Na₂O＋K₂O≦ 0.60 となるような重量割合で取り入れられている。 より好ましくは、ガラス基材のガラスマトリックスは下記の構成成分を下記の 重量割合で含有する。 SiO₂ 50.50％ Al₂O₃ 11.85％ CaO 4.95％ MgO 4.25％ Na₂O 5.25％ K₂O 5.50％ BaO 5.75％ SrO 7.90％ ZrO₂ 4.05％ 本発明のこのほかの詳細と有利な特徴は、下記の本発明の実施例と行われた試 験の説明から明らかになろう。 本発明の実施方法は、第一に、ガラス基材をデータの保存のための、より詳し く言えば携帯用コンピュータに装備しようとするハードディスクのための、支持 材を製作するために必要とされる寸法に製造するものある。こうして製造された 基材は、下記のとおりの寸法の円板の形状を持つ。 外径 65 mm 内径 20 mm 厚さ 0.635 mm これらの基材を、ガラス製造工業で知られている技術を使用するフロート法に より得られたガラス板から得た。これらの技術は本質的に、切断工程、孔あけ工 程、及び端部成形（又は「へり取り」）工程からなる。これらの基材を製造する のにこのほかの方法を使用してもよく、これらには、パリソンを型に入れプレス して所望の形状にすることからなるプレス技術を含めることができる。ほかの技 術を使用してもよく、例えば、圧延技術、下方引き抜き技術、切断して円板にす る技術、あるいは当業者に知られている他の任意の技 術を使用してもよい。次に、一方では所望の厚さと平坦性にするのを可能にし、 他方ではＲｑが20オングストローム未満である粗さにするのを可能にする研磨工 程を、機械的手段を用いて行う。 マトリックスが下記の構成成分を下記の重量割合で含有するガラス板から基材 を製造した。 SiO₂ 50.50％ Al₂O₃ 11.85％ CaO 4.95％ MgO 4.25％ N_a2O 5.25％ K₂O 5.50％ BaO 5.75％ SrO 7.90％ ZrO₂ 4.05％ この組成物は高いひずみ点温度、すなわちより低い徐冷温度を持ち、強化応力 を過度に緩和することなく比較的高い温度で強化処理と脱アルカリ処理を実施す るのを可能にする、ということを指摘することは価値のあることである。この組 成物のひずみ点温度は583℃である。 こうして研磨工程後に得られた基材は、粗さが20オングストローム未満であり 、外周内部全面の平坦性の変動が７ミクロン未満である。平坦性の公差は大きい が、これは、それがディスク及び／又は読み取りヘッドを損傷する危険なしに読 み取りヘッドが非常に接近した状態でディスクの速い回転速度を可能にするから である。 しかしながら、こうして製造された基材は、機械的強度、より詳しく言うと曲 げ強度と、化学的な耐性、殊に耐加水分解性が不十分である。 強化処理と脱アルカリ処理の性質と操作条件を最適化するように、定量的な試 験を行った。 第一の試験は、脱アルカリ処理を比較するものであった。最初に、500℃の硝 酸カリウム浴中で基材の化学強化を３時間行った。次に、３種類の処理、すなわ ち、化学強化後に処理をしないもの、塩化アルミニウムAlCl₃を用いて100℃で24 時間の脱アルカリ処理、そして硫酸アンモニウムを用いて500℃で１時間の脱ア ルカリ処理、を比較した。次いで、それぞれの事例において、基材の耐加水分解 性を調べた。これを行うためには、基材を80℃の脱イオン水中に24時間浸漬し、 続いて溶液中へ移動したイオン、特にアルカリ金属のイオンだけでなく、ガラス マトリックス中のそのほかの元素のイオンも、プラズマトーチ試験で分析して、 イオンの放出試験を行った。 得られた結果を下記の表に提示する。これらの結果はμｇ／ディスクで表され ている。 これらの結果から見て、両方の脱アルカリ処理とも申し分ないとみなすことが できるが、硫酸アンモニウムでの処理が、耐加水分解性がより長く続くのを確実 にするのでより有利なように見える。更に、硫酸アンモニウムでの処理は、例え ば、トンネル炉で行ってもよく、これは工業的観点から有利である。既に上述し た、硫酸アンモニウムでの処理のもう一つの利点は、それが基材の表面粗さを更 に改善するのを可能にすることである。いろいろな処理条件の下で、このほかの 試験を行ったが、これらの試験はKNO₃浴中で化学強化 処理を行い、続いて硫酸アンモニウムを使って脱アルカリ処理を行い、これらの 処理時間と温度を変えるというものであった。これらの試験は、詳しく言えば、 化学強化後に十分な機械的特性を保持したまま脱アルカリするのを可能にする条 件の決定を可能にする。 行った試験を次に掲げる表に提示する。 次の表は、いろいろな処理後の基材の機械的強度、より具体的に言うと曲げ強 度を示している。これらの曲げ強度の測定値は、環状曲げからなる機械的試験を 使って得られ、試験装置は、一方においては基材を同心に配置する、直径55mmの 中空円筒から構成され、そして他方においては基材にたわみをもたらす直径30mm の中空円筒から構成されて、後者の円筒も他の構成要素と同心となる。得られた 値はMPaで表される。現在の要求条件は、平均の曲げ強度が240MPaより大きくて 、最小の値が150MPaより大きいというものである。 得られた結果は次のとおりである。 下記に提示する二番目の表は、0.05ミクロンの表層におけるNa₂O とK₂Oの平均の量をイオン交換により強化された層におけるこれらの同じ元素の 平均の量に関する百分率として表している。0.05ミクロンの層は脱アルキルされ た厚さに相当する。これらの結果は、本発明による処理後の、すなわち化学強化 処理とこれに続く脱アルカリ処理後の、ガラス基材を特徴づけるのを可能にする 。 従って、これらの結果は満足なものである。その上、基材の粗さと平坦性に関 する制約も満たされる。同様に、表面の分析から、基材表面の仕上がりは良好な ままであることと処理は非常に均一であることが示される。 更に、行った試験から、第一に、550℃での長期の脱アルカリ処理は化学強化 により得られた表面応力を低下させることがあるいうことが証明された。同様に 、450℃での余りに短い時間の脱アルカリ処理は表面の良好な均一性を得るのに 十分でないことが証明された。発明者らはまた、脱アルカリ処理温度がひずみ点 温度を超えることなくそれに近い場合に、最適な結果が、すなわち申し分ない曲 げ強度を伴う良好な耐加水分解性が得られること、そして処理時間は化学強化処 理の間に得られた応力の過度の緩和が起こらなくするのに十分短いことを示すこ ともできた。特に有利な、硫酸アンモニウムによる脱アルカリ処理は、それを55 0℃で10分間行うものである。 粗さに関しては、本発明は都合よく、追加の「仕上げ研磨」工程を提供する。 この工程を処理プロセスのどこに置くかを決定するため試験を行った。第一の試 験は、この「仕上げ研磨」工程を研磨工程の直後に、すなわち強化と脱アルカリ の処理の前に行うものであった。この実施方法において得られた基材表面の粗さ はこの工程なしの処理と比較して向上する。ところが、その後の強化処理はこの 粗さの向上を低減させ、Ｒｑは約10オングストロームになることが分かる。機械 的強度と化学的な耐性に関しては、これらは申し分ない。 もう一つの実施方法は、この「仕上げ研磨」工程を強化及び脱アルカリ処理後 に行うものである。この実施方法によると、得られた粗さの値は著しく優れてお り、得られたＲｑはおよそ５オングストロームである。しかし、「仕上げ研磨」 工程は、脱アルカリ後に得られた耐加水分解性を低下させないように、非常に浅 い深さ（塩化アルミニウムを使用する脱アルカリ処理の場合で0.2ミクロン未満 ）まで行わなくてはならない。この制約は、この工程を実施するのをより困難に 、従ってより費用のかかるものにすることがある。 本発明の最後の実施方法は、この「仕上げ研磨」工程を強化工程後且つ脱アル カリ工程前に行うものである。この実施方法によれば、Ｒｑの値は先の場合にお けるよりもわずかに大きいが、７オングストローム未満にとどまる。脱アルカリ 工程が最終の工程であるから、基材の耐加水分解性は申し分ない。曲げ強度に関 しては、やはりこれも申し分ない。 従って、こうして説明された本発明は、データの保存のための支持材として用 いようとするガラス基材を製造するのを可能にし、この基材は長期にわたるデー タの保護に関して危険をもたらさない。その上、この基材は、想定された用途に ついて申し分のない物理的 特性（粗さと平坦性）及び機械的強度を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．表面のイオン交換強化工程を含む、ガラス基材を処理するための方法であ って、イオン交換工程後に基材の表面の脱アルカリを行うことを特徴とするガラ ス基材処理方法。 ２．前記脱アルカリを１ミクロン未満の深さまで行うことを特徴とする、請求 の範囲第１項記載の方法。 ３．前記脱アルカリを、例えばAlCl₃の存在下に、湿式で行うことを特徴とす る、請求の範囲第１項又は第２項記載の方法。 ４．前記脱アルカリを硫酸アンモニウム(NH₄)₂SO₄の如き硫酸塩の昇華により 行うことを特徴とする、請求の範囲第１項又は第２項記載の方法。 ５．前記脱アルカリを450〜500℃の温度で行うことを特徴とする、請求の範囲 第４項記載の方法。 ６．前記イオン交換強化をKNO₃浴中で行うことを特徴とする、請求の範囲第１ 項から第５項までの一つに記載の方法。 ７．前記イオン交換強化をKNO₃／AgNO₃の如き混合浴中で行うことを特徴とす る、請求の範囲第１項から第５項までの一つに記載の方法。 ８．前記イオン交換強化工程の前にガラス基材を研磨する工程を行うことを特 徴とする、請求の範囲第１項から第７項までの一つに記載の方法。 ９．前記研磨工程後に仕上げ研磨工程を行うことを特徴とする、請求の範囲第 ８項記載の方法。 10．表面イオン交換強化工程にかけられたシリカ−ソーダ−石灰タイプのガラ ス製の基材であって、厚さが少なくとも0.05ミクロンの表層における平均のNa₂O 含有量のイオン交換により強化された層 における平均のNa₂O含有量に対する比率が40％未満、好ましくは20％未満である こと、及び／又は厚さが少なくとも0.05ミクロンの表層における平均のK₂O含有 量のイオン交換により強化された層における平均のK₂O含有量に対する比率が60 ％未満、好ましくは40％未満であることを特徴とするガラス製基材。 11．平均の曲げ強度が240MPaより大きい、好ましくは300MPaより大きいことを 特徴とする、請求の範囲第10項記載のガラス基材。 12．平均した粗さＲｑが５オングストローム未満であることを特徴とする、請 求の範囲第11項又は第12項記載のガラス基材。 13．データ記憶装置における支持材として用いようとするものであることを特 徴とする、請求の範囲第10項から第12項までの一つに記載のガラス基材。 14．マトリックスが下記の成分を下記の重量割合で含有することを特徴とする 、請求の範囲第10項から第13項までの一つに記載のガラス基材。 SiO₂ 50.50％ Al₂O₃ 11.85％ CaO 4.95％ MgO 4.25％ Na₂O 5.25％ K₂O 5.50％ BaO 5.75％ SrO 7.90％ ZrO₂ 4.05％