KR100354202B1 - 광학 연마용 제형 - Google Patents

Abstract

알루미나 및 세리아 성분을 함유하는 광학 연마용 슬러리는 각각의 성분을 단독으로 사용하는 것보다 향상된 연마 성능을 나타내는 것으로 밝혀졌다.

Description

광학 연마용 제형{Optical polishing formulation}

본 발명은 광학 표면 연마용 제형에 관한 것이다. 연마되는 표면은 유리 또는 플라스틱일 수 있다.

만족스러운 광학 표면을 제조하기 위해, 표면은 긁힘이 없고 R_a가 가능한 한 낮아야 할 필요가 있음이 익히 공지되어 있다. 이러한 R_a치수는 연마할 유리판 면과 직각을 이루는 표면 상의 최고점 및 최저점간의 평균 거리이다. 이와 같이, 표면이 1μ 이하의 치수로 완전히 평평하지 않을 것이라고 인정할 경우, 이는 최고점과 최저점간의 편차의 척도이다. 명확히, 수치가 낮으면 낮을수록, 광학 투명도가 보다 우수해지고 비틀림이 없어진다.

한편, 또 다른 고려 사항이 존재하는데, 이는 광학 완전도(optical perfection)에 이르는 속도이다. 유리 연마는 단지 수성 환경에서만 실시되는 화학 기계적 공정이다. 연마재를 유리 표면과 물, 및 연마할 표면과 반응시키는 것이 필수적이다. 세리아와 같은 몇몇 물질은 반응성이 상당히 높으나, 연마성이 매우 높지는 않다. 알루미나와 같은 그 밖의 물질은 연마성이 매우 높으나, 표면 반응성이 그다지 높지 않다. 이러한 주제는 논문[참조: Lee Clark, "ChemicalProcesses in Glass Polishing", Journal of Non-Crystalline Solids 120(1990), 152-171]에서 충분히 다루어져 있다. 산업적 환경에서, 특히 품질 손상이 전혀 발생되지 않는 것이 요구되거나 품질을 개선시킬 수 있을 경우, 보다 긴 시간보다는 보다 짧은 시간내에 공정을 후처리하는 것이 상당히 유리하다.

연마 공정에는, 2가지 방법이 있다. 첫째로, 수성 매질(통상적으로 탈이온수를 기재로 함) 중의 연마재 입자의 슬러리를 연마할 표면과 접촉시키고, 슬러리 중의 연마재가 표면을 연마하도록, 패드를 예정된 패턴으로 표면을 가로질러 이동하게 한다. 둘째로, 연마재 입자를 공구 형태로 수지 매트릭스내에 매봉시킨 다음, 공구를 사용하여 광학 표면을 연마한다. 본 발명은 슬러리를 사용하는 첫번째 방법에 관한 것이다.

각종 슬러리 제형이 당해 분야에 제안되어 있다. 미국 특허 제4,576,612호는 사용 동안 서서히 용해되는 수지 중의 연마재 입자를 포함하는 표면층을 패드에 공급하여 연마재 입자를 유리시킴으로써 조절된 양으로 동일계내에서 이의 슬러리를 제조한다. 유용한 것으로 밝혀진 입자는 산화세륨("세리아"), 산화지르코늄("지르코니아") 및 산화철을 포함한다.

EP 608 730-A1은 입자 크기가 1μ 이하인 알루미나, 유리, 다이아몬드 분말, 카보런덤(carborundum), 탄화텅스텐, 탄화규소 또는 질화붕소를 포함하는, 광학 부품내 표면 연마용 연마재 슬러리를 기술하고 있다.

미국 특허 제5,693,239호는 1μ 이하의 알파 알루미나 입자를 보다 연성 형태의 기타 알루미나 또는 무정형 실리카와 함께 포함하는 금속 가공물을 연마하고평탄화시키기 위한 수성 슬러리를 기술하고 있다.

또한, 상당한 분량의 기술이 반도체 기판의 화학 기계적 연마용 슬러리 제형의 관련 분야에 존재하며, 더우기 이들은 통상적으로 분산 매질의 성분이 변화되어도 동일한 연마재를 사용한다.

물론, 유리 연마에서의 성공은 어느 정도까지는 유리의 경도에 따라 좌우된다. 고도로 경성인 유리를 연마하는데는 실로 매우 오랜 시간이 소요되며, 보다 경성인 연마재를 사용하는 명백한 조치를 취할 경우, 후처리 문제가 발생한다.

선행 기술의 슬러리 제형은 종종 목적하는 결과를 달성하는데 있어서 매우 효과적이다. 그러나, 이들 또한 매우 오랜 시간을 필요로 한다. 2가지 산화물, "알루미나 및 세리아"가 시너지 효과로 함께 작용하여, 이의 상호 작용이 단일 성분 효과의 합계보다 우수한 결과를 제공하는 신규한 제형이 개발되었다. 당해 제형은 매우 고도의 광학 완전도가 반응도를 증강시키기 위해 때때로 이용되는 승온을 필요로 하지 않으면서 선행 기술 슬러리를 사용하여 달성가능한 것보다 대단히 짧은 기간내에 달성되도록 한다. 또한, 당해 제형은 매우 경성인 유리도 표면에 거의 또는 전혀 부차적인 손상을 입히지 않으면서 매우 효율적으로 연마한다. 당해 제형은 "패드" 또는 "피치(pitch)"형 연마 장치를 이용하여 사용할 수 있다.

본 발명은 알루미나 및 세리아 입자를 95:5 내지 85:15, 보다 바람직하게는 96:4 내지 88:12의 알루미나 대 세리아 비로 포함하는 연마재 입자와 당해 입자가분산되어 있는 분산 매질을 포함하는 광학 연마용 제형을 제공한다.

바람직한 제형에서, 알루미나는 크기가 본질적으로 완전히 1μ 이하인 입자 형태이고, 여기서, 평균 입자 크기는 0.5μ 미만, 가장 바람직하게는 0.15 내지 0.25μ이다. 본원에서, 논의된 "평균 입자 크기"는 호리바(Horiba) L-910 입자 크기 분석기를 이용하여 측정된 "D₅₀" 값으로 이해된다. 이러한 알루미나는, 예를 들어, 미국 특허 제4,657,754호에 기술된 방법을 이용하여 수득할 수 있다.

시판되고 있는 세리아는 일반적으로 희토류 금속 산화물과 최다량 성분으로서의 세리아와의 혼합물이다. 기타 성분은 네오디뮴, 사마륨, 프라에세오디뮴 및 란탄을 포함할 수 있다. 이외의 보다 미량의 기타 희토류 금속이 존재할 수도 있다. 실제로, "세리아"의 순도가 연마 적용시 연마재 입자의 성능에 그다지 영향을 미치지 않으므로, 본 발명에서 유용한 것으로 밝혀진 특성이 세리아라는 이름으로 시판되고 있는 물질과 함께 출현한 모든 기타 희토류 금속 산화물에 의해 다소 공유되는 것으로 보인다고 밝혀졌다. 이러한 기술의 목적으로, 세리아가 제품의 중량비를 기준으로 우세한 성분인 희토류 금속 산화물 혼합물은 "세리아"로 칭할 것이다. "세리아"의 상용원의 예는 세리아를 각각 약 75% 및 34% 함유하는 "50D1" 및 "Superox 50"(둘다의 구입원: Cercoa PenYan N.Y.); 및 세리아를 약 50% 함유하는 "Rhodox 76"(구입원: Rhone Poulenc)을 포함한다.

시판되고 있는 세리아는 통상적으로 보다 큰 크기가 대부분의 입자를 제공하는, 0.4 내지 4μ의 입자 크기 주위의 피크를 갖는 2성분 입자 크기 분포를 따르는입자 형태이다. 이는 분말에 대한 전체 D₅₀값을 4μ 미만, 통상적으로 3 내지 3.5μ이 되도록 한다. 세리아를 약 0.2μ, 보다 바람직하게는 약 0.4μ의 비교적 균일한 입자 크기로 분쇄시킴으로써 이러한 분포 범위를 감소시킬 경우, 제형의 성능은, 유리가 현저하게 경성이지 않고 고수준의 광학 완전도가 또한 요구되는 한, 그다지 영향을 받지 않는 것으로 밝혀졌다. 이러한 상황에서, 미분쇄 입자 크기 분포는 종종 보다 효과적인 것으로 밝혀졌다.

연마재 입자가 분산되어 있는 매질은 미량의 수-혼화성 액체, 예를 들어, 알콜이 존재할 수 있더라도 수성이다. 가장 통상적으로, 탈이온수를, 연마재 입자가 잘 분산되어 있도록 도와주는 계면활성제와 함께 사용한다. 슬러리의 고체 함량은 전형적으로 피치에 대한 보다 낮거나 보다 높은 희석 비율인 5 내지 15중량% 또는 20중량%까지이다. 일반적으로, 고체 함량이 보다 낮은 슬러리는 보다 느리게 연마할 것이고, 고체 함량이 높은 슬러리는 연마재가 슬러리로부터 침전되는 문제점을 가질 수 있다. 따라서, 실용적인 면을 고려할 경우, 슬러리 중의 고체 함량은 5 내지 15중량%, 보다 바람직하게는 8 내지 12%로 지시된다.

본 발명은 하기 실시예를 참조로 하여 추가로 기술되며, 이로써 본 발명의 유용성과 세리아 성분의 순도 및 입자 크기 변화의 효과를 입증하고자 하는 것이다.

실시예 1

본 실시예에서는 본 발명의 연마재 혼합물의 성능을, 성분들을 단독으로 함유하는 슬러리 제형과 비교한다.

연마 시험은 "Suba 500" 연마 패드(구입원: Rodel, Inc)가 장착된 양면 AC500 피터 월터스 장치(double-sided AC500 Peter Wolters machine)에 의해 수행한다. 연마할 유리 샘플은 매우 경성인 유리(560 내지 640Knoop)로 간주되는 용융 실리카 석영(Corning)으로부터 제조한다.

샘플은 3종 연마재 각각의 10% 고체 함량 슬러리를 사용하여 연마한다. 제1 연마재는 100% 알루미나이고, 제2 연마재는 100% 세리아이고, 제3 연마재는 동일한 알루미나 및 세리아 성분의 90:10 혼합물이다. 알루미나(구입원: Saint-Gobain Industrial Ceramics, Inc.)는 직경이 약 0.15 내지 0.25μ인 응집체 형태의 크기가 약 20 내지 50나노미터인 알파 알루미나 입자로 이루어져 있다. 본질적으로, 어떠한 응집체도 1μ보다 크지 않다. 세리아 성분은, D₅₀이 약 0.4μ인 입자 크기로 분쇄된 세리아를 약 50% 포함하는 희토류 금속 산화물 제품인 Rhodox 76이다. 당해 슬러리는 0.07중량% 계면활성제(나트륨 폴리아크릴레이트, 구입원: R.T.Vanderbilt, 상품명: Darvan 811)가 첨가되어 있는 탈이온수 중에 구성되어 있다.

수득된 표면 후처리 면에서의 성능을 시간에 따라 관측하여, 수집된 데이터를 그래프로 나타낸다. 이는 도면 중 도 1로서 제시한다. 도 2는 보다 명백하게 수득된 개선을 나타내는 확장된 "후처리" 축을 갖는 동일한 데이터를 제시한다.

도 1 및 2로부터, 100% 세리아를 사용하여 연마된 샘플이 나머지 2개보다 우수한 초기 후처리를 나타내더라도(즉, 연마 전에 이는 보다 평활하다), 이는 나머지 2개보다 결코 만족스럽게 연마되지 않았음을 알 수 있다. 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 알루미나 단독으로는 결코 200Å의 표면 후처리, (R_a)가 획득되지 않는다. 반면, 이러한 표면 후처리 수준은 세리아에 의해 19분 후에 획득되며, 본 발명에 따른 혼합물에 의해서는 상기 수준이 10분 미만내에 획득된다. 상이한 관점에서 보면, 약 10분 후에 세리아-슬러리 연마된 물질의 표면 후처리 조도는 약 900이고, 알루미나-슬러리 연마된 물질의 후처리 조도는 600에 조금 미치지 않고, 본 발명에 따른 슬러리는 200 미만의 후처리 조도를 발생시킨다.

실시예 2

본 실시예에서는 용융 실리카의 연마시 세리아 입자 크기 변화의 효과를 조사한다.

본 발명에 따른 제형은 본질적으로 세리아가 Rhodox 76(구입원: Rhone Poulenc)인 실시예 1에서 사용된 것이다. 그러나, Rhodox 76을 4가지 별개의 연마 평가에서 4종의 상이한 입자 크기(호리바 LA910 입자 크기 분석기를 이용하여 측정된 D₅₀값에 의해 판정됨)로 사용한다. 사용된 입자 크기는 3.17μ, 2.14μ, 0.992μ 및 0.435μ이다. 도 3으로서 제시된 그래프는 결과를 요약한다. 그래프로부터, 당해 유리를 사용할 경우, 세리아 입자 크기의 효과에 따를 수 있는 연마 성능에서 거의 차이가 없다는 것을 쉽게 판단할 수 있을 것이다. 세리아원으로서 "Superox 50" 및 "50D-1"을 사용하여 유사한 결과를 수득한다.

실시예 3

본 실시예에서는 특히 제품의 순도가 연마 성능에 영향을 미치는지의 여부에 대해 세리아원을 조사한다. 본 발명에 따른 제형은 실시예 1의 제형에서 사용된 세리아 성분 약 10% 및 알루미나 약 90%를 함유하여 구성되어 있다. 이들 제형을 실시예 1에 기술된 바와 동일한 장치 및 과정을 이용하여 용융 실리카 유리 연마에 대해 시험한다. 도 4에 제시된 결과를 수득한다. 제1 샘플 "S"는 세리아를 약 34% 함유하는 "Suprerox 50"이다. 제2 샘플 "R"은 세리아를 약 50% 함유하는 "Rhodox 76"이다. 제3 샘플 "D"는 세리아를 약 75% 함유하는 "50D1"이다. 식별할 수 있는 바와 같이, 3가지 샘플간에 연마 성능은 거의 차이가 나지 않는다. 기타 희토류 금속 산화물도 본 발명에 따른 제형내의 세리아와 유사한 방식으로 작용할 것으로 보인다.

실시예 4

본 실시예에서는 연마 성능 및 B270 유리(경성 유리 530 Knoop)에 미치는 세리아 입자 크기 영향을 조사한다. 상기 실시예들은 실험실 조건하에 평가하고, R_a값에 기초를 두고 측정된 "표면 후처리"에 대해서만 시험하는 반면, 하기 평가는 광학 완전도에 기초를 두고 종말점을 평가하는 숙련자에 의해 생산 설비내에서 실시한다. 이는 연마 작업에 의해 남겨진 표면 불완전도로부터 발생된 "회색도(grayness)"를 반드시 확인하는 것은 아닌 단지 R_a값 이상을 의미한다.

"Suba 10" 연마 패드(구입원: Rodel Corporation)가 장착된 4800 P.R. 호프만 양면 연마기를 이용한다. 약 1.5psi(1.304 x 10⁴파스칼)의 압력을 연마 동안 시험편에 적용시킨다. 연마의 종료 시점은 목적하는 예정된 수준의 표면 완전도(투명도)에 도달하는 시점이다.

본 발명에 따른 3가지 제형을 제조한다. 3가지 모두 실시예 1에 기술된 알루미나 및 계면활성제 성분을 동일한 양으로 함유하고, 이들 성분은 세리아 성분과 함께 탈이온수에 동일한 상태 비율로 분산된다. 성분간의 차이는 세리아의 입자 크기에 있다. 제1 ("제형 A")에서, 세리아 성분을 D₅₀이 0.4μ인 분말로 제조한다. 제2 ("제형 B") 및 제3 ("제형 B'")에서, 제조업자에 의해 직접 공급된 세리아(Superox 50)를 사용한다. 2가지 제형간의 단지 1가지 차이는 연마할 유리 샘플이다. 제2 "제형 B'"에서, 연마할 샘플의 크기가 보다 소형이어서, 동일한 장치내에서 연마하는 동안 이에 적용시킬 압력이 보다 크다. 이로 인해 종료 시점에 보다 빨리 도달하게 한다. 제4 "제형 C"에서, 제조업자에 의해 직접 공급된 세리아(Rhodox 76)를 또한 사용한다. 위에서 지시한 바와 같이, 제공된 물질은 호리바910 입자 크기 분석기 상에서 약 4의 입자 피크를 갖는 보다 큰 용적의 입자를 갖는 이정 분포를 갖는다. 결과는 하기 표 1에 제시한다.

제형	시험편 갯수	출발 두께	최종 두께	시간(분)
A	24	4.180mm	4.168mm	120
B	10	4.186mm	4.155mm	60
B'	20	4.183mm	4.163mm	40
C	10	4.180mm	4.150mm	50

분쇄된 세리아 성분을 사용하는 제형 A는 90분 후에 균일한 연회색을 발색시키고, 이러한 회색도를 제거하여 평활도를 파장의 1/10 이하로 유지시키기 위해 추가 30분을 필요로 한다. 제형 B 및 제형 B'는 매우 적극적으로 연마하고 시험편 전면에 걸쳐 일관되게 균질화시킨다. 제형 C는 또한 신속하게 극도로 잘 연마한다. B270 유리 제품은 우수한 표면 평활도를 갖는다. 기타 연마 물질은 상기 제형들과 비교하여 시험편 표면에 걸쳐 일관되고 균질하다기 보다는 "얼룩덜룩하게" 연마한다.

따라서, 투명도가 중요한 경우, 미분쇄 세리아 성분을 함유하는 제형을 사용하여 연마하는 것이 상당한 이점을 제공하는 것으로 보인다. 반대로, 분쇄된 세리아 성분을 함유하는 제형은 신속하게 분쇄하여 신속하게 평활도에 이르나, 광학 완전도에 이르는데는 시간이 소요된다.

Claims (4)

1. 총 함량의 85 내지 95중량%가 D₅₀입자 크기가 0.5μ 미만인 알파 알루미나 성분에 의해 제공되고, 이에 대응하여 총 함량의 15 내지 5중량%가 D₅₀입자 크기가 0.2 내지 4μ인 분말 형태의 세리아에 의해 제공되는 고체를 5 내지 20중량% 함유하는 수성 슬러리를 포함하는 광학 연마용 제형.
2. 제1항에 있어서, 슬러리의 고체 함량이 8 내지 12중량%인 광학 연마용 제형.
3. 제1항에 있어서, 알루미나 성분의 D₅₀입자 크기가 0.15 내지 0.25μ인 광학 연마용 제형.
4. 제1항에 있어서, 세리아 성분이 2성분을 나타내는 입자 크기 분포를 가지고, D₅₀입자 크기가 3 내지 4μ인 광학 연마용 제형.