KR102136441B1 - 경질 시트 및 경질 시트의 제조 방법 - Google Patents

경질 시트 및 경질 시트의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

극세 섬유의 부직포와, 부직포에 부여된 고분자 탄성체를 포함하는 경질 시트로서, JIS-D 경도가 45 이상이고, 두께 방향의 단면에 있어서, 균등하게 3 분할했을 때의 각 층을, 어느 일방의 표면측으로부터 순서대로, 제 1 표층, 중간층 및 제 2 표층으로 한 경우, 제 1 표층 및 중간층의 JIS-D 경도를 임의의 점에서 각각 3 점씩 합계 6 점을 측정하고, 합계 6 점의 D 경도를 이용하여, 하기 식：R (％) = (D 경도 최대값 － D 경도 최소값) / D 경도 평균값 × 100 으로부터 산출되는 R ％ 가 0 ∼ 20 ％ 이고, 또한, 물의 pH 변화를 발생시키는 이온의 총함유량이 400 ㎍/㎤ 이하인 경질 시트.

Description

경질 시트 및 경질 시트의 제조 방법{RIGID SHEET AND PROCESS FOR MANUFACTURING RIGID SHEET}
본 발명은 연마 패드, 상세하게는, 반도체 웨이퍼, 반도체 디바이스, 실리콘 웨이퍼, 하드 디스크, 유리 기판, 광학 제품, 또는, 각종 금속 등을 연마하기 위한 연마 패드의 연마층으로서 바람직하게 사용되는 경질 시트에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼에 형성되는 집적 회로는, 고집적화 및 다층 배선화되어 있다. 이와 같은 반도체 웨이퍼에는 높은 평탄성이 요구되고 있다.
반도체 웨이퍼를 연마하기 위한 연마 방법으로서, 케미컬 메커니컬 연마 (CMP) 가 알려져 있다. CMP 는, 피연마 기재 표면을, 지립 (砥粒) 을 포함하는 연마 슬러리 (이하, 간단히 슬러리라고도 칭한다) 를 적하하면서, 연마 패드로 연마하는 방법이다.
하기 특허문헌 1 ∼ 4 는, CMP 에 사용되는 독립 발포 구조를 갖는 고분자 발포체로 이루어지는 연마 패드를 개시한다. 고분자 발포체는, 2 액 경화형 폴리우레탄을 주형 (注型) 발포 형성하여 제조된다. 고분자 발포체로 제조된 연마 패드는, 후술하는 부직포 타입의 연마 패드에 비해 강성이 높다. 그 때문에, 높은 평탄성이 요구되는 반도체 웨이퍼의 연마에 바람직하게 사용되고 있다.
고분자 발포체로 이루어지는 연마 패드는 강성이 높다. 그 때문에, 피연마 기재의 볼록부에 선택적으로 하중이 걸린다. 그 결과, 비교적 높은 연마 레이트가 얻어진다. 그러나, 응집한 지립이 연마면에 존재하는 경우, 응집한 지립에도 하중이 선택적으로 걸린다. 그 때문에, 연마면에 스크래치가 발생하기 쉬웠다. 특히, 구리 배선을 갖는 기재나, 계면의 접착성이 약한 저유전율 재료를 연마하는 경우, 스크래치나 계면 박리가 발생하기 쉬워진다 (예를 들어, 비특허문헌 1 참조). 또, 주형 발포 성형에 있어서는, 고분자 탄성체가 불균질하게 발포하기 쉽기 때문에, 피연마 기재의 평탄성이나 연마시의 연마 레이트가 불균질해지기 쉽다. 또한, 고분자 발포체의 독립 구멍에 지립이나 연마 부스러기가 서서히 막힘으로써, 연마 레이트가 서서히 저하된다.
하기 특허문헌 5 ∼ 14 는, 부직포에 습식 응고된 다공성의 폴리우레탄을 함침시켜 얻어지는 부직포 타입의 연마 패드를 개시한다. 부직포 타입의 연마 패드는, 유연성이 우수하기 때문에 연마 패드가 변형하기 쉽다. 그 때문에, 연마면에 응집한 지립에 하중이 선택적으로 걸리기 어렵기 때문에, 스크래치가 잘 발생하지 않는다. 그러나, 부직포 타입의 연마 패드는 유연하기 때문에, 연마 레이트가 낮다. 또, 부직포 타입의 연마 패드는, 피연마 기재의 표면 형상에 추종하여 변형하기 때문에, 피연마 기재를 평탄하게 하는 특성인 평탄화 성능이 낮았다.
또, 하기 특허문헌 15 ∼ 18 은, 극세 섬유의 부직포를 포함하는 높은 평탄화 성능을 갖는 연마 패드를 개시한다. 예를 들어 특허문헌 15 는, 평균 섬도가 0.0001 ∼ 0.01 dtex 인 폴리에스테르 극세 섬유 다발이 낙합 (絡合) 되어 이루어지는 부직포에 폴리우레탄을 주성분으로 한 고분자 탄성체를 함침시킨 시트상물로 이루어지는 연마 패드를 개시한다. 동일 문헌은, 이와 같은 연마 패드가 종래보다 고정밀한 연마 가공을 실현한 것을 개시한다.
일반적인 극세 섬유의 부직포를 사용한 연마 패드에는, 단섬유의 극세 섬유를 니들 펀치 처리하여 얻어지는 부직포가 널리 사용되고 있었다. 이와 같은 부직포는, 겉보기 밀도가 낮고, 공극률이 높기 때문에 강성이 낮았다. 그 때문에, 연마면의 표면 형상에 추종하여 변형하기 때문에, 평탄화 성능이 낮았다.
특허문헌 19 는, 극세 단섬유의 섬유 다발으로 형성된 섬유 낙합체와, 고분자 탄성체를 함유하고, 고분자 탄성체의 일부가 섬유 다발의 내부에 존재하여, 극세 단섬유를 집속하고 있고, 공극을 제외한 부분의 체적 비율이 55 ∼ 95 ％ 의 범위인 연마 패드를 개시한다.
또, 특허문헌 20 은, 연마층과 하지층을 갖는 연마 패드에 있어서, 흡수율이 1 ％ 이하인 중간층을 연마층과 하지층 사이에 포함하고, 연마층의 D 경도와 중간층의 D 경도의 차가 20 이하인 연마 패드를 개시한다.
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「CMP 의 사이언스」, 주식회사 사이언스 포럼, 1997년 8월 20일, p. 113 ∼ 119
높은 연마 레이트를 갖고, 또한 연마 레이트가 시간 경과적으로 잘 변화하지 않는 연마 패드를 제공한다.
본 발명의 일 국면은, 0.0001 ∼ 0.5 dtex 의 섬도를 갖는 극세 섬유의 부직포와, 부직포에 부여된 고분자 탄성체를 포함하는 경질 시트로서, JIS-D 경도가 45 이상이고, 두께 방향의 단면에 있어서, 균등하게 3 분할했을 때의 각 층을, 어느 일방의 표면측으로부터 순서대로, 제 1 표층, 중간층 및 제 2 표층으로 한 경우, 제 1 표층 및 중간층의 JIS-D 경도를 임의의 점에서 각각 3 점씩 합계 6 점을 측정하고, 합계 6 점의 D 경도를 이용하여, 하기 식：
R (％) = (D 경도 최대값 － D 경도 최소값) / D 경도 평균값 × 100 으로부터 산출되는 R ％ 가 0 ∼ 20 ％ 이고, 또한, 물의 pH 변화를 발생시키는 이온의 총함유량이 400 ㎍/㎤ 이하인 경질 시트이다.
또, 본 발명의 다른 일 국면은, 상기 경질 시트를 연마층으로서 구비하는 연마 패드이다.
또, 본 발명의 다른 일 국면은, (1) 0.5 dtex 이하의 섬도를 갖는 극세 섬유의 겉보기 밀도 0.35 g/㎤ 이상의 부직포를 극세 섬유화 처리에 의해 형성할 수 있는, 극세 섬유 발생형 섬유의 장섬유의 섬유 낙합 시트를 준비하는 공정과, (2) 섬유 낙합 시트에, 물의 pH 변화를 발생시키는 이온을 포함하는 겔화제 및 고분자 탄성체를 포함하는 제 1 에멀션을 함침시킨 후, 제 1 에멀션을 겔화시키고, 또한, 가열 건조시킴으로써 고분자 탄성체를 응고시키는 공정과, (3) 극세 섬유 발생형 섬유를 극세 섬유화 처리함으로써, 부직포와 고분자 탄성체를 함유하는 제 1 복합체를 형성하는 공정과, (4) 제 1 복합체에 겔화제 및 고분자 탄성체를 포함하는 제 2 에멀션을 함침시키고, 또한, 가열 건조시킴으로써 고분자 탄성체를 응고시켜, 두께 방향으로 균등하게 3 분할했을 때의 각 층을, 어느 일방의 표면측으로부터 순서대로, 제 1 표층, 중간층 및 제 2 표층으로 한 경우, 제 1 표층과 중간층의 공극률의 차가 5 ％ 이하인 제 2 복합체를 형성하는 공정과, (5) 제 2 복합체를 이온의 총함유량이 400 ㎍/㎤ 이하가 되도록 수세함으로써 경질 시트를 얻는 공정과, (6) 경질 시트의 표면 경도를 JIS-D 경도 45 이상으로 하기 위하여, 제 1 복합체, 제 2 복합체, 및 경질 시트에서 선택되는 적어도 하나를 열 프레스하는 공정을 구비한다.
높은 연마 레이트를 갖고, 또한 연마 레이트가 시간 경과적으로 잘 변화하지 않는 연마 패드를 얻기 위한 경질 시트가 얻어진다.
도 1 은, 경질 시트의 일 실시형태의 모식 단면도이다.
본 발명에 관련된 경질 시트의 일 실시형태를 이하에 상세하게 설명한다. 도 1 은 본 실시형태의 경질 시트 (10) 의 모식 단면도이다. 도 1 에는, 원으로 둘러싼 영역에, 그 일부분의 확대 모식도도 아울러 나타내고 있다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 경질 시트 (10) 는, 극세 섬유 (1a) 의 낙합체인 부직포 (1) 와, 부직포 (1) 에 부여된 고분자 탄성체 (2) 를 포함하는 경질 시트이다. 경질 시트 (10) 는, JIS-D 경도가 45 이상이고, 두께 방향으로 균등하게 3 분할했을 때의 각 층을, 표면측으로부터 순서대로, 제 1 표층 (3), 중간층 (4) 및 제 2 표층 (5) 으로 한 경우, 제 1 표층 (3) 및 중간층 (4) 의 JIS-D 경도를 임의의 점에서 각각 3 점씩 합계 6 점을 측정하고, 합계 6 점의 D 경도를 이용하여, 하기 식：
R (％) = (6 점 중의 D 경도 최대값 － 6 점 중의 D 경도 최소값) / 6 점의 D 경도 평균값 × 100 으로부터 산출되는 R ％ 가 0 ∼ 20 ％ 이다. 또, 바람직하게는 제 2 표층 (5) 및 중간층 (4) 의 JIS-D 경도를 임의의 점에서 각각 3 점씩 합계 6 점을 측정하고, 합계 6 점의 D 경도를 이용하여 상기 식으로부터 산출되는 R ％ 도 0 ∼ 20 ％ 이다. 그리고, 물의 pH 변화를 발생시키는 이온의 총함유량이 400 ㎍/㎤ 이하인 경질 시트이다.
경질 시트 (10) 에 있어서는, 부직포 (1) 를 형성하는 극세 섬유 (1a) 는, 복수 개의 극세 섬유 (1a) 가 다발로 된 섬유 다발 (1b) 을 형성하고 있다. 또, 복수의 섬유 다발 (1b) 끼리는 고분자 탄성체 (2) 로 결착되어 있다. 바람직하게는 복수의 섬유 다발 (1b) 의 반수 이상이 고분자 탄성체 (2) 로 결착되어 있다. 또한, 섬유 다발 (1b) 을 형성하는 극세 섬유 (1a) 끼리도 고분자 탄성체 (2) 로 결착되어 있다. 바람직하게는 극세 섬유 (1a) 의 반수 이상이 고분자 탄성체 (2) 로 결착되어 있다. 이와 같은 부직포 (1) 와 고분자 탄성체 (2) 를 포함하는 부직포와 고분자 탄성체의 복합체가, 공극이 적고, 경도가 높은 치밀한 경질 시트 (10) 이다. 이와 같은 경질 시트 (10) 는, 섬유 다발 (1b) 에 의한 보강 효과와, 경질 시트의 높은 충전율 (즉, 낮은 공극률) 때문에, 높은 강성을 갖는다.
경질 시트 (10) 는, 섬유 다발을 형성하고 있는 극세 섬유의 부직포 (1) 를 함유한다. 표면에 존재하는 부직포 중의 섬유 다발은, 연마시에 분섬 (分纖) 또는 피브릴화한다. 그 결과, 연마면에 높은 섬유 밀도의 극세 섬유가 노출된다. 노출된 극세 섬유는, 넓은 면적으로 피연마 기재와 접촉하고, 또, 다량의 슬러리를 유지할 수 있다. 또한, 노출된 극세 섬유는 연마 패드의 표면을 소프트하게 하기 때문에, 지립의 응집물에 하중이 선택적으로 걸리는 것을 억제한다. 그 결과, 스크래치의 발생이 억제된다.
또, 경질 시트 (10) 는, JIS-D 경도가 45 이상이고, 제 1 표층 (3) 및 중간층 2 의 JIS-D 경도를 각각 3 점씩 합계 6 점을 측정하고, 합계 6 점의 D 경도를 이용하여, 하기 식：
R (％) = (D 경도 최대값 － D 경도 최소값) / D 경도 평균값 × 100 으로부터 산출되는 R ％ 가 0 ∼ 20 ％ 가 되도록, 두께 방향으로 균질해지도록 조정되어 있다. 또, 바람직하게는 제 2 표층 (5) 및 중간층 (2) 의 JIS-D 경도를 각각 3 점씩 합계 6 점을 측정하고, 합계 6 점의 D 경도를 이용하여, 산출된 R ％ 도 0 ∼ 20 ％ 가 되도록, 두께 방향으로 균질해지도록 조정되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이, 경도가 균질해지도록 조정되어 있음으로써, 균질인 연마가 가능해진다.
그리고, 경질 시트 (10) 는, 물의 pH 변화를 발생시키는 이온의 총함유량이 400 ㎍/㎤ 이하가 되도록 조정되어 있다. 상기 서술한 바와 같은 두께 방향으로 고분자 탄성체를 균질하게 부여하기 위해서, 일반적으로는 겔화제가 사용된다. 경질 시트 중에 포함되는 이온은, 연마시에 슬러리의 pH 를 변화시키는 경우가 있다. 슬러리의 pH 가 변화한 경우에는, 연마 레이트를 저하시키거나, 지립을 응집시키기 쉽게 한다. 이와 같은 경우에 있어서, 경질 시트 중에 포함되는 이온성 화합물을 수세하는 것 등에 의해 저감시킴으로써, 슬러리의 pH 의 변화에 의해 발생하는 연마 레이트의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 물의 pH 변화를 발생시키는 이온이란, 물에 용해시켰을 때에, pH 를 변화시키는 모든 이온이다.
본 실시형태의 경질 시트는, 후에 상세하게 설명하는 바와 같이, 극세 섬유가 치밀한 부직포에, 두께 방향으로 균질하게 높은 함유율로 고분자 탄성체를 함침 부여함으로써 제조된다. 또, 이와 같은 경질 시트의 제조에 있어서, 부직포에 높은 함유율로 고분자 탄성체를 함침 부여하기 위해서는, 겔화제를 포함하는 고분자 탄성체의 에멀션을 사용하는 것이 바람직하다. 그리고, 경질 시트의 제조 공정에 있어서, 겔화제에 포함되어 있는 물의 pH 변화를 발생시키는 이온의 총함유량을 400 ㎍/㎤ 이하가 되도록 수세함으로써 제조할 수 있다.
이하, 본 실시형태의 경질 시트의 각 요소에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 실시형태에 있어서의 부직포는 극세 섬유로 형성되어 있고, 극세 섬유는 바람직하게는 섬유 다발을 형성하고 있다.
극세 섬유는 0.0001 ∼ 0.5 dtex 의 섬도를 갖고, 바람직하게는 0.001 ∼ 0.01 dtex 의 섬도를 갖는다. 극세 섬유의 섬도가 0.0001 dtex 미만인 경우에는, 연마시에 표면 근방의 극세 섬유가 충분히 분섬하기 어려워지고, 그 결과, 슬러리 유지량이 저하된다. 극세 섬유의 섬도가 0.5 dtex 를 초과하는 경우에는, 표면이 지나치게 거칠어짐으로써 연마 레이트가 저하되고, 또, 극세 섬유의 표면에서 지립이 응집하기 쉬워진다.
극세 섬유는 장섬유 (필라멘트) 인 것, 구체적으로는 평균 섬유 길이가 100 ㎜ 이상, 나아가서는 200 ㎜ 이상인 것이 바람직하다. 평균 섬유 길이의 상한은, 특별히 한정되지 않지만, 후술하는 낙합 공정에서 절단되지 않는 한, 예를 들어, 수 m, 수백 m, 수 ㎞ 혹은 그 이상의 길이의 섬유를 포함해도 된다. 극세 섬유의 장섬유는, 섬유 밀도가 높아짐으로써, 경질 시트의 강성을 높인다. 또, 장섬유는 연마시에 잘 탈락하지 않는다. 또한, 극세 섬유의 단섬유는, 섬유 밀도를 높이기 어려워, 강성이 높은 경질 시트가 얻어지지 않는다. 또, 단섬유는 연마시에 탈락하기 쉽다.
부직포를 형성하는 극세 섬유는, 복수 개의 극세 섬유가 다발이 되어 섬유 다발을 형성하고 있는 것이 바람직하다. 두께 방향의 단면에 존재하는 섬유 다발의 평균 단면적으로는 80 μ㎡ 이상, 나아가서는 100 μ㎡ 이상, 특히 120 μ㎡ 이상인 것이, 특별히 강성이 높은 경질 시트가 얻어지는 점에서 바람직하다.
또, 두께 방향의 단면에 존재하는 섬유 다발은, 소정의 두께 방향의 단면의 섬유 다발의 합계 다발 수에 대해, 40 μ㎡ 이상의 단면적을 갖는 섬유 다발이 25 ％ 이상인 것이 바람직하다. 특히 높은 평탄성이 요구되는 실리콘 웨이퍼용, 반도체 웨이퍼용, 반도체 디바이스용의 연마 패드에 사용되는 경우에는, 40 μ㎡ 이상의 단면적을 갖는 섬유 다발이 40 ％ 이상, 나아가서는 50 ％ 이상, 특히 100 ％ 인 것이 바람직하다. 40 μ㎡ 이상인 섬유 다발의 비율이 지나치게 낮은 경우에는, 연마 레이트가 저하되거나, 평탄화 성능이 낮아지는 경향이 있다.
또, 본 실시형태의 경질 시트에 있어서는, 두께 방향의 단면의 단위면적당 섬유 다발의 다발 밀도가, 600 다발/㎟ 이상, 나아가서는 1000 다발/㎟ 이상이고, 4000 다발/㎟ 이하, 나아가서는 3000 다발/㎟ 이하인 것이 바람직하다. 이와 같은 다발 밀도의 경우에는, 연마시에 표면의 섬유 다발이 분섬 또는 피브릴화하여 많은 극세 섬유를 형성하고, 슬러리의 유지량을 향상시킨다. 또, 섬유 다발이 분섬 또는 피브릴화함으로써, 연마면의 표면이 소프트해져 스크래치의 발생을 억제한다. 다발 밀도가 지나치게 낮은 경우에는, 표면에 형성되는 극세 섬유의 섬유 밀도가 낮아져, 연마 레이트가 저하되거나, 평탄화 성능이 저하되거나 하는 경향이 있다. 또 섬유 다발의 밀도가 지나치게 높은 경우에는, 표면이 지나치게 치밀해짐으로써 슬러리의 유지량이나 연마 레이트가 저하되는 경향이 있다. 또한, 본 실시형태의 경질 시트에 있어서는, 두께 방향 및 면 방향에 있어서 섬유 다발의 밀도 불균일이 적은 것이, 연마 안정성이 높아지는 점에서 바람직하다.
극세 섬유는, 유리 전이 온도 (Tg) 가 50 ℃ 이상, 나아가서는 60 ℃ 이상인 열 가소성 수지로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 열 가소성 수지의 Tg 가 지나치게 낮은 경우에는, 연마시에, 강성이 부족하여 평탄화 성능이 저하되고, 또, 시간 경과적으로 강성이 저하되어 연마 안정성이나 연마 균일성이 저하되는 경향이 있다. Tg 의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 공업적인 제조상, 300 ℃, 나아가서는 150 ℃ 인 것이 바람직하다. 또한, 연마 과정에서는 흡수 상태가 되기 때문에, Tg 는 50 ℃ 의 온수에 처리한 후, 젖은 상태로 측정한 Tg 가 50 ℃ 이상인 것이 더욱 바람직하다. 또, 열 가소성 수지의 흡수율은, 4 질량％ 이하, 나아가서는 2 질량％ 이하인 것이 바람직하다. 흡수율이 4 질량％ 를 초과하는 경우에는, 연마시에, 슬러리 중의 수분을 서서히 흡수함으로써 강성이 시간 경과적으로 저하된다. 이와 같은 경우에는, 평탄화 성능이 시간 경과적으로 저하되거나, 연마 레이트나 연마 균일성이 변동되거나 하기 쉬워진다. 흡수율은 0 ∼ 2 질량％ 인 것이 바람직하다.
열 가소성 수지의 구체예로는, 예를 들어, 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET, Tg 77 ℃, 흡수율 1 질량％), 이소프탈산 변성 폴리에틸렌테레프탈레이트 (Tg 67 ∼ 77 ℃, 흡수율 1 질량％), 술포이소프탈산 변성 폴리에틸렌테레프탈레이트 (Tg 67 ∼ 77 ℃, 흡수율 1 ∼ 4 질량％), 폴리부틸렌나프탈레이트 (Tg 85 ℃, 흡수율 1 질량％), 폴리에틸렌나프탈레이트 (Tg 124 ℃, 흡수율 1 질량％) 등의 방향족 폴리에스테르계 수지；테레프탈산과 노난디올과 메틸옥탄디올 공중합 나일론 (Tg 125 ∼ 140 ℃, 흡수율 1 ∼ 4 질량％) 등의 반방향족 폴리아미드계 수지 등을 들 수 있다. 이들은 각각 단독으로 사용해도 되고, 2 종 이상을 조합하여 사용해도 된다. 이들 중에서는, 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET), 이소프탈산 변성 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트가, 강성, 내수성, 및 내마모성을 충분히 유지할 수 있는 점에서도 바람직하다. 특히, PET 및 이소프탈산 변성 PET 등의 변성 PET 는, 후술하는 해도형 (海島型) 복합 섬유의 웨브 낙합 시트로부터 극세 섬유를 형성하는 습열 처리 공정에 있어서 대폭 권축하기 때문에, 치밀하고 고밀도의 섬유 낙합체를 형성할 수 있는 것, 경질 시트의 강성을 높이기 쉬운 것, 및, 연마시에 수분에 의한 시간 경과적 변화를 발생하기 어려운 것 등의 점에서 바람직하다.
또, 본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위에서, 필요에 따라, 그 밖의 열 가소성 수지로 이루어지는 극세 섬유를 함유해도 된다. 이와 같은 열 가소성 수지로는, 폴리락트산, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리헥사메틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌숙시네이트, 폴리부틸렌숙시네이트, 폴리부틸렌숙시네이트아디페이트, 폴리하이드록시부틸레이트-폴리하이드록시발리레이트 공중합체 등의 방향족 폴리에스테르나 지방족 폴리에스테르 및 그 공중합체；나일론 6, 나일론 66, 나일론 10, 나일론 11, 나일론 12 등의 지방족 나일론 및 그 공중합체；폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀류；에틸렌 단위를 25 ∼ 70 몰％ 함유하는 변성 폴리비닐알코올；폴리우레탄계 엘라스토머, 나일론계 엘라스토머, 폴리에스테르계 엘라스토머 등의 엘라스토머 등을 병용해도 된다.
경질 시트는 극세 섬유의 부직포에 부여된 고분자 탄성체를 포함한다.
고분자 탄성체의 구체예로는, 예를 들어, 폴리우레탄, 폴리아미드계 탄성체, (메트)아크릴산에스테르계 탄성체, (메트)아크릴산에스테르-스티렌계 탄성체, (메트)아크릴산에스테르-아크릴로니트릴계 탄성체, (메트)아크릴산에스테르-올레핀계 탄성체, (메트)아크릴산계 에스테르-(수소 첨가) 이소프렌계 탄성체, (메트)아크릴산에스테르-부타디엔계 탄성체, 스티렌-부타디엔계 탄성체, 스티렌-수소 첨가 이소프렌계 탄성체, 아크릴로니트릴-부타디엔계 탄성체, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌계 탄성체, 아세트산비닐계 탄성체, (메트)아크릴산에스테르-아세트산비닐계 탄성체, 에틸렌-아세트산비닐계 탄성체, 에틸렌-올레핀계 탄성체, 실리콘계 탄성체, 불소계 탄성체, 및, 폴리에스테르계 탄성체 등을 들 수 있다.
고분자 탄성체는 비다공질상인 것이 바람직하다. 또한, 비다공질상이란, 다공질상, 또는, 스펀지상의 고분자 탄성체가 갖는 공극 (독립 기포) 을 실질적으로 갖지 않는 것을 의미한다. 예를 들어, 용제계 폴리우레탄을 응고시켜 얻어지는, 독립 기포를 다수 갖는 고분자 탄성체가 아닌 것을 의미한다.
고분자 탄성체가 비다공질상인 경우에는, 높은 연마 안정성이 얻어지고, 마모하기 어렵고, 또, 슬러리 부스러기나 패드 부스러기가 공극에 남기 어려워진다. 그 때문에, 높은 연마 레이트를 장시간 유지할 수 있다. 또, 극세 섬유에 대한 접착성이 높기 때문에 섬유의 빠짐이 일어나기 어려워진다. 또한, 높은 강성이 얻어지기 때문에 평탄화 성능이 우수하다.
고분자 탄성체의 흡수율은, 0.5 ∼ 8 질량％, 나아가서는 1 ∼ 6 질량％ 인 것이 바람직하다. 고분자 탄성체의 흡수율이 지나치게 낮은 경우에는 슬러리에 대한 습윤성이 저하된다. 그 결과, 연마 레이트, 연마 균일성, 연마 안정성이 저하되거나, 지립이 응집하기 쉬워지는 경향이 있다. 고분자 탄성체의 흡수율이 지나치게 높은 경우에는, 연마시에 경질 시트의 강성이 시간 경과적으로 저하되어 평탄화 성능이 저하된다. 또, 연마 레이트나 연마 균일성이 변동하기 쉬워진다. 또한, 고분자 탄성체의 흡수율이란, 건조 처리한 고분자 탄성체의 필름을 실온의 물에 침지하여 포화 팽윤시켰을 때의 흡수율이다. 또한, 2 종 이상의 고분자 탄성체를 함유하는 경우에는 각 고분자 탄성체의 흡수율에 질량분율을 곱한 값의 합으로서도 이론상 산출된다.
고분자 탄성체의 흡수율은, 친수성의 관능기를 도입하거나, 가교도를 조정하거나 함으로써 조정할 수 있다. 친수성의 관능기로는, 예를 들어, 카르복실기, 술폰산기, 및, 탄소수 3 이하의 폴리알킬렌글리콜기 등을 들 수 있다. 친수성기는 친수성기를 갖는 단량체를 공중합함으로써 도입할 수 있다. 친수성기를 갖는 단량체 단위의 공중합 비율로는, 0.1 ∼ 20 질량％, 나아가서는 0.5 ∼ 10 질량％ 인 것이 바람직하다.
고분자 탄성체는, 150 ℃ 에 있어서의 저장 탄성률 [E' (150 ℃, dry)] 이 0.1 ∼ 100 ㎫, 나아가서는 1 ∼ 80 ㎫ 인 것이 바람직하다. 고분자 탄성체의 저장 탄성률은, 가교도를 조정함으로써 조정할 수 있다. 또한, 2 종 이상의 고분자 탄성체를 함유하는 경우에는, 각 고분자 탄성체의 [E' (150 ℃, dry)] 에 질량분율을 곱한 값의 합으로서도 이론상 산출된다.
고분자 탄성체는, 단독으로 사용해도 되고 2 종 이상을 조합하여 사용해도 된다. 이들 중에서는, 폴리우레탄이, 극세 섬유에 대한 결착성이 우수한 점에서 바람직하다.
섬유 다발을 형성하는 극세 섬유는, 고분자 탄성체로 집속되어 있는 것, 나아가서는 극세 섬유의 반수 이상의 개수가 고분자 탄성체로 집속되어 있는 것이 바람직하다.
또, 복수의 섬유 다발끼리는, 섬유 다발의 외측에 존재하는 고분자 탄성체에 의해 결착되고, 나아가서는 섬유 다발의 반수 이상의 다발이 고분자 탄성체로 결착되어, 덩어리 (벌크) 형상으로 존재하고 있는 것이 바람직하다. 섬유 다발끼리가 결착됨으로써, 경질 시트의 형태 안정성이 향상되어 연마 안정성이 향상된다. 고분자 탄성체로 극세 섬유를 집속하거나, 섬유 다발끼리를 결착하거나 함으로써, 경도가 균질하게 높은 경질 시트가 얻어진다.
섬유 다발을 형성하는 극세 섬유가 집속되어 있지 않은 경우에는, 극세 섬유가 유연성을 띠기 때문에 높은 평탄화 성능이 얻어지기 어려워진다. 또, 연마 중에 극세 섬유가 빠지기 쉬워져, 빠진 섬유에 지립이 응집하여 스크래치를 발생시키기 쉽게 한다. 극세 섬유가 고분자 탄성체로 집속되어 있다는 것은, 섬유 다발 내부에 존재하는 극세 섬유가, 섬유 다발 내부에 존재하는 고분자 탄성체로 접착되어 구속되어 있는 것을 의미한다.
경질 시트 중의 부직포와 고분자 탄성체의 비율 (부직포/고분자 탄성체) 은, 질량비로, 90/10 ∼ 55/45, 나아가서는 85/15 ∼ 65/35 인 것이 바람직하다. 부직포와 고분자 탄성체의 비율이 상기 범위인 경우에는, 경질 시트의 강성을 높이기 쉬워진다. 또, 경질 시트의 표면에 표출하는 극세 섬유의 밀도를 충분히 높일 수 있다. 그 결과, 연마 안정성, 연마 레이트, 및, 평탄화 성능을 충분히 높일 수 있다.
경질 시트의 겉보기 밀도는, 0.5 ∼ 1.2 g/㎤, 나아가서는 0.6 ∼ 1.2 g/㎤인 것이 높은 강성을 유지하는 점에서 바람직하다.
본 실시형태의 경질 시트는 JIS-D 경도가 45 이상이고, 두께 방향의 단면에 있어서, 균등하게 3 분할했을 때의 각 층을, 어느 일방의 표면측으로부터 순서대로, 제 1 표층, 중간층 및 제 2 표층으로 한 경우, 제 1 표층 및 중간층의 JIS-D 경도를 임의의 점에서 각각 3 점씩 합계 6 점을 측정하고, 합계 6 점의 D 경도를 이용하여, 하기 식：R (％) = (D 경도 최대값 － D 경도 최소값) / 6 점의 D 경도의 평균값 × 100 으로부터 산출되는 R ％ 가 0 ∼ 20 ％ 이다. 또, 바람직하게는 제 2 표층 및 중간층의 JIS-D 경도를 임의의 점에서 각각 3 점씩 합계 6 점을 측정하고, 합계 6 점의 D 경도를 이용하여 상기 식으로부터 산출되는 R ％ 도 0 ∼ 20 ％ 이다.
경질 시트의 JIS-D 경도는, 45 이상이고, 45 ∼ 75, 나아가서는 50 ∼ 70 인 것이 바람직하다. 제 1 표층의 경도를 JIS-D 경도로 45 이상으로 조정함으로써, 높은 평탄화 성능이 얻어진다. JIS-D 경도가 지나치게 높은 경우에는, 스크래치가 발생하기 쉬워진다. 또한, 본 실시형태의 경질 시트는, 표면에 높은 섬유 밀도의 극세 섬유를 노출시키기 때문에, 경질임에도 불구하고, 표면이 소프트하다. 그 때문에 스크래치가 잘 발생하지 않는다.
경질 시트의 제 1 표층 및 중간층의 JIS-D 경도를 임의의 점에서 각각 3 점씩 합계 6 점을 측정하고, 합계 6 점의 D 경도를 이용하여, 상기 식으로부터 산출되는 R ％ 는, 0 ∼ 20 ％ 이고, 0 ∼ 15 ％ 인 것이 바람직하다. 제 1 표층 및 중간층의 R ％ 가 이와 같은 범위인 경우에는, 연마 패드로서 사용한 경우에, 제 1 표층 및 중간층에서의 연마 레이트의 변화가 작아져, 안정된 연마 성능이 얻어진다. R ％ 가 20 ％ 를 초과하는 경우에는, 연마 중에 연마 레이트의 변화가 커져, 안정된 연마 성능이 얻어지지 않는다. 또한, JIS-D 경도를 측정하는 임의의 점이란, 그 층의 어느 점에서 측정할지는 임의이며, 치우침없이 어느 점에서 측정해도 R ％ 가 0 ∼ 20 ％ 가 되는 것을 의미한다. 이와 같은 경우에는, 두께 방향뿐만 아니라 폭 방향에 있어서도 경도에 치우침이 없어지기 때문에, 평면 방향에 있어서도 연마 레이트가 균질이기 때문에, 안정된 연마 성능이 얻어진다. 마찬가지로, 경질 시트의 제 2 표층 및 중간층의 JIS-D 경도를 임의의 점에서 각각 3 점씩 합계 6 점을 측정하고, 합계 6 점의 D 경도를 이용하여, 상기 식으로부터 산출되는 R ％ 는, 바람직하게는 0 ∼ 20 ％, 더욱 바람직하게는 0 ∼ 15 ％ 이다.
본 실시형태의 경질 시트는, 물의 pH 변화를 발생시키는 이온의 총함유량이, 400 ㎍/㎤ 이하이다. 본 실시형태의 경질 시트는, 후술하는 바와 같이, 예를 들어, 부직포에 고분자 탄성체의 에멀션을 함침시킨 후, 고분자 탄성체를 가열 건조시켜 응고시킴으로써, 부직포 중에 고분자 탄성체를 부여하여 제조된다. 이와 같은 공정에 있어서는, 부직포 중에 함침된 에멀션 중의 수분은 표면으로부터 건조된다. 그 때문에, 수분 증발의 진행에 수반하여, 부직포 중의 에멀션이 표층으로 이동하는 마이그레이션을 일으킨다. 마이그레이션을 일으킨 경우에는, 부직포의 표층 부근에 고분자 탄성체가 편재하여, 중간층 부근의 고분자 탄성체가 적어져, 중간층 부근에 공극이 남기 쉽다. 이와 같은 마이그레이션은, 에멀션에 겔화제를 배합하여, 건조 전에 에멀션을 겔화시킴으로써 억제된다. 본 발명자들은, 얻어지는 겔화제에 포함되어 있는, 물의 pH 변화를 발생시키는 이온이 경질 시트 중에 소정량 이상 잔류한 경우에는, 연마시에 연마 레이트를 저하시키는 것을 알아내었다.
경질 시트 중에 포함되는, 물의 pH 변화를 발생시키는 이온의 총함유량은 400 ㎍/㎤ 이하이며, 바람직하게는 350 ㎍/㎤, 나아가서는 100 ㎍/㎤ 이하이다. 또, 이온의 총함유량은 0 ㎍/㎤ 인 것이 바람직하지만, 공업적인 수세 효율로부터, 1 ∼ 100 ㎍/㎤, 나아가서는 10 ∼ 50 ㎍/㎤ 정도인 것이 바람직하다. 경질 시트 중에 포함되는, 물의 pH 변화를 발생시키는 이온의 총함유량이 400 ㎍/㎤ 를 초과하는 경우에는, 슬러리가 pH 변화를 일으켜 연마 레이트가 저하되고, 또한 지립이 응집하기 쉬워진다.
또한, 물의 pH 변화를 발생시키는 이온이란, 물에 용해시켰을 때에 pH 를 변화시키는 모든 이온이며, 구체적으로는, 예를 들어, 일반적인 겔화제에 포함되는, 황산 이온, 질산 이온, 탄산 이온, 암모늄 이온, 나트륨 이온, 칼슘 이온, 칼륨 이온 등을 들 수 있다.
[연마 패드의 제조 방법]
다음으로, 경질 시트의 제조 방법의 일례에 대하여 상세하게 설명한다. 경질 시트는, 예를 들어, 다음과 같은 공정을 거쳐 제조할 수 있다.
(1) 극세 섬유 발생형 섬유의 장섬유의 섬유 낙합 시트를 준비하는 공정
본 공정에 있어서는, 극세 섬유 발생형 섬유의 장섬유의 섬유 낙합 시트를 준비한다. 극세 섬유 발생형 섬유의 장섬유의 섬유 낙합 시트는, 예를 들어, 다음과 같이 제조할 수 있다.
먼저, 수용성 열 가소성 수지를 해 (海) 성분으로 하고, 비수용성 열 가소성 수지를 도 (島) 성분으로 하는 해도형 복합 섬유로 이루어지는 장섬유 웨브를 제조한다. 해도형 복합 섬유는 해 성분을 용해함으로써, 도 성분의 수지로 이루어지는 극세 섬유를 발생시키는 극세 섬유 발생형 섬유이다. 또한, 본 실시형태에 있어서는, 극세 섬유 발생형 섬유로서 해도형 복합 섬유를 사용하는 예에 대하여 설명하지만, 해도형 복합 섬유 대신에 다층 적층형 단면 섬유 등의 공지된 극세 섬유 발생형 섬유를 사용해도 된다.
수용성 열 가소성 수지로는, 물, 알칼리성 수용액, 산성 수용액 등에 의해 용해 제거 또는 분해 제거할 수 있는 열 가소성 수지이며, 용융 방사가 가능한 수지가 사용된다. 수용성 열 가소성 수지의 구체예로는, 예를 들어, 폴리비닐알코올 (PVA), PVA 공중합체 등의 PVA 계 수지；폴리에틸렌글리콜 및/또는 술폰산 알칼리 금속염을 공중합 성분으로서 함유하는 변성 폴리에스테르；폴리에틸렌옥사이드 등을 들 수 있다. 이들 중에서는 PVA 계 수지가 바람직하게 사용된다.
해 성분으로서 PVA 계 수지를 포함하는 해도형 복합 섬유로부터 PVA 계 수지를 용해시킬 때, 도 성분인 극세 섬유가 크게 권축한다. 그 결과, 섬유 밀도가 높은 부직포가 얻어진다. 또, PVA 계 수지를 포함하는 해도형 복합 섬유로부터 PVA 계 수지를 용해시킬 때, 도 성분인 극세 섬유나 고분자 탄성체는 분해도 용해도 하지 않기 때문에, 극세 섬유나 고분자 탄성체의 물성 저하가 잘 일어나지 않는다.
PVA 계 수지로는, 에틸렌 단위를 4 ∼ 15 몰％, 나아가서는 6 ∼ 13 몰％ 함유하는 에틸렌 변성 PVA 가 해도형 복합 섬유의 물성이 높아지는 점에서 바람직하게 사용된다.
PVA 계 수지의 점도 평균 중합도는, 200 ∼ 500, 나아가서는 230 ∼ 470, 특히 250 ∼ 450 의 범위인 것이 바람직하다. 또, PVA 계 수지의 융점으로는, 160 ∼ 250 ℃, 나아가서는 175 ∼ 224 ℃, 특히 180 ∼ 220 ℃ 의 범위인 것이, 기계적 특성 및 열 안정성이 우수한 점, 및 용융 방사성이 우수한 점에서 바람직하다.
도 성분을 형성하는 비수용성 열 가소성 수지로는, 물, 알칼리성 수용액, 산성 수용액 등에 의해, 용해 제거 또는 분해 제거되지 않는 열 가소성 수지이고, 용융 방사가 가능한 수지가 사용된다. 비수용성 열 가소성 수지의 구체예로는, 상기 서술한, 극세 섬유를 형성하는 각종 수지, 바람직하게는 Tg 가 50 ℃ 이상이고, 또한, 흡수율이 4 질량％ 이하인 열 가소성 수지가 사용된다.
또, 비수용성 열 가소성 수지는, 예를 들어, 촉매, 착색 방지제, 내열제, 난연제, 활제, 방오제, 형광 증백제, 광택 제거제, 착색제, 광택 개량제, 제전제, 방향제, 소취제, 항균제, 진드기 방지제, 무기 미립자 등의 첨가제를 함유해도 된다.
해도형 복합 섬유는, 수용성 열 가소성 수지와, 수용성 열 가소성 수지와 상용성이 낮은 비수용성 열 가소성 수지를, 각각 용융 방사한 후, 복합화시키는 복합 방사법을 이용하여 제조할 수 있다. 그리고, 해도형 복합 섬유는, 바람직하게는 장섬유인 상태로 웨브화 된다.
해도형 복합 섬유의 장섬유의 웨브는, 예를 들어, 스펀본드법에 의해, 수용성 열 가소성 수지와 비수용성 열 가소성 수지를 용융 방사한 후, 복합화하고, 또한, 연신 후, 퇴적시킴으로써 얻어진다. 또한, 장섬유란, 단섬유를 제조할 때와 같은 절단 공정을 거치지 않고 제조된 연속적인 섬유이다. 해도형 복합 섬유의 장섬유의 웨브의 제조 방법의 일례에 대하여, 이하에 상세하게 설명한다.
먼저, 수용성 열 가소성 수지 및 비수용성 열 가소성 수지를 각각 다른 압출기에 의해 용융 혼련하고, 각각 상이한 방사 구금으로부터 용융 수지의 스트랜드를 동시에 토출시킨다. 그리고, 토출된 스트랜드를 복합 노즐로 복합시킨 후, 방사 헤드의 노즐 구멍으로부터 토출시킴으로써 해도형 복합 섬유를 형성한다.
해도형 복합 섬유 중의 수용성 열 가소성 수지와 비수용성 열 가소성 수지의 질량비는 특별히 한정되지 않지만, 5/95 ∼ 50/50, 나아가서는 10/90 ∼ 40/60 인 것이 바람직하다. 수용성 열 가소성 수지와 비수용성 열 가소성 수지의 질량비가 이와 같은 범위인 경우에는, 고밀도의 부직포가 얻어지고, 극세 섬유의 형성성도 우수한 점에서 바람직하다. 또, 용융 복합 방사에 있어서는, 해도형 복합 섬유 중의 도수 (島數) 는 4 ∼ 4000 도/섬유, 나아가서는 10 ∼ 1000 도/섬유로 하는 것이 바람직하다. 또, 해도형 복합 섬유의 섬도는 특별히 한정되지 않지만, 공업성의 관점에서 0.5 ∼ 3 dtex 정도인 것이 바람직하다.
해도형 복합 섬유는 냉각 장치로 냉각된 후, 에어 제트·노즐 등의 흡인 장치를 이용하여 목적으로 하는 섬도가 되도록 1000 ∼ 6000 m/분의 인취 속도에 상당하는 속도의 고속 기류에 의해 연신된다. 그 후, 연신된 복합 섬유를 이동식의 포집면 상에 퇴적함으로써 장섬유의 웨브가 형성된다. 이 때, 퇴적된 장섬유 웨브를 필요에 따라 부분적으로 압착해도 된다.
다음으로, 웨브를 복수 매 겹쳐 낙합시킨다. 웨브의 낙합 처리는, 니들 펀치나 고압 수류 처리 등을 이용하여 실시할 수 있다. 대표예로서, 니들 펀치에 의한 낙합 처리에 대하여 상세하게 설명한다.
먼저, 바늘 부러짐 방지 유제, 대전 방지 유제, 낙합 향상 유제 등의 실리콘계 유제 또는 광물유계 유제를 웨브에 부여한다. 그리고, 니들 펀치에 의해 웨브를 낙합시킨다. 낙합된 웨브의 겉보기 중량은, 100 ∼ 1500 g/㎡ 의 범위인 것이 취급성이 우수한 점에서 바람직하다.
다음으로, 낙합된 장섬유의 웨브를 수축시킴으로써 섬유 밀도를 높게 한다. 장섬유의 웨브를 수축시킴으로써, 단섬유의 웨브를 수축시키는 경우에 비해 크게 수축시킬 수 있다. 수축 처리는, 스팀 가열 등의 습열 수축 처리를 실시하는 것이 바람직하다. 스팀 가열 조건으로는, 예를 들어, 분위기 온도가 60 ∼ 130 ℃ 의 범위에서, 상대 습도 75 ％ 이상, 나아가서는 상대 습도 90 ％ 이상에서, 60 ∼ 600 초간 가열 처리하는 조건을 들 수 있다.
습열 수축 처리는, 낙합된 장섬유의 웨브를 면적 수축률이 35 ％ 이상, 나아가서는 40 ％ 이상이 되도록 수축시키는 것이 바람직하다. 이와 같이 높은 수축률로 수축시킴으로써, 섬유 밀도가 매우 높아진다. 면적 수축률의 상한은, 수축의 한도나 처리 효율의 점에서 80 ％ 이하 정도인 것이 바람직하다. 또한, 면적 수축률 (％) 은, 하기 식에 의해 계산된다.
(수축 처리 전의 낙합된 웨브의 면적 － 수축 처리 후의 낙합된 웨브의 면적) / 수축 처리 전의 낙합된 웨브의 면적 × 100
이와 같이 습열 수축 처리된 낙합된 웨브에는, 또한, 가열 롤이나 가열 프레스함으로써 섬유 밀도를 더욱 높여도 된다. 습열 수축 처리 전후에 있어서의 낙합된 웨브의 겉보기 중량의 변화로는, 수축 처리 후의 겉보기 중량이, 수축 처리 전의 겉보기 중량에 비해, 1.2 배 (질량비) 이상, 나아가서는 1.5 배 이상이고, 4 배 이하, 나아가서는 3 배 이하인 것이 바람직하다. 이와 같이 하여, 해도형 복합 섬유의 장섬유의 웨브 (이하, 섬유 낙합 시트라고 칭한다) 가 얻어진다.
이와 같은 섬유 낙합 시트는, 후의 해도형 복합 섬유의 극세 섬유화에 의해, 겉보기 밀도가 0.35 ∼ 0.90 g/㎤ 인 부직포로 변환된다.
장섬유를 함유하는 낙합된 웨브는, 단섬유를 함유하는 낙합된 웨브에 비해, 극세 섬유화에 의해 크게 습열 수축한다. 그 때문에, 극세 섬유의 섬유 밀도가 보다 치밀해진다. 그리고, 해도형 복합 섬유의 수용성 열 가소성 수지를 선택적으로 제거함으로써, 극세 섬유의 섬유 다발을 포함하는 부직포가 형성된다. 이 때, 수용성 열 가소성 수지가 용해 추출된 부분에 공극이 형성된다. 이 공극에 고분자 탄성을 높은 함유율이 되도록 부여함으로써, 섬유 다발을 구성하는 극세 섬유가 집속됨과 함께, 섬유 다발끼리가 결착된다. 이와 같이 하여, 섬유 밀도가 높고, 공극률이 낮고, 강성이 높은 경질 시트가 얻어진다.
(2) 섬유 낙합 시트에, 물의 pH 변화를 발생시키는 이온을 포함하는 겔화제 및 고분자 탄성체를 포함하는 제 1 에멀션을 함침시킨 후, 제 1 에멀션을 겔화시키고, 또한, 가열 건조시킴으로써 고분자 탄성체를 응고시키는 공정
본 공정에 있어서는, 섬유 낙합 시트에 고분자 탄성체를 두께 방향으로 균질하게 충전한다. 고분자 탄성체의 에멀션은, 고농도이고 점도가 낮고 함침 침투성도 우수하기 때문에, 섬유 낙합 시트에 고충전하기 쉽다. 또, 고분자 탄성체의 에멀션 중에 겔화제를 함유시킴으로써, 에멀션이 건조시에 두께 방향으로 편재하는 마이그레이션을 억제할 수 있다.
종래 일반적으로 이용되고 있던 고분자 탄성체의 용액을 사용하는 경우와는 달리, 고분자 탄성체의 에멀션을 사용한 경우에는, 비다공질상의 고분자 탄성체를 형성시킬 수 있다.
고분자 탄성체로는, 섬유에 대한 접착성이 높은 점에서, 수소 결합성의 고분자 탄성체가 바람직하다. 수소 결합성의 고분자 탄성체란, 예를 들어, 폴리우레탄, 폴리아미드계 탄성체, 폴리비닐알코올계 탄성체 등과 같이, 수소 결합에 의해 결정화 혹은 응집하는 고분자로 이루어지는 탄성체이다.
이하에, 고분자 탄성체로서 폴리우레탄을 사용하는 경우에 대하여, 대표예로서 상세하게 설명한다.
폴리우레탄으로는, 평균 분자량 200 ∼ 6000 의 고분자 폴리올과 유기 폴리이소시아네이트와, 사슬 신장제를, 소정의 몰비로 반응시킴으로써 얻어지는 각종 폴리우레탄을 들 수 있다.
고분자 폴리올의 구체예로는, 예를 들어, 폴리에틸렌글리콜, 폴리프로필렌글리콜, 폴리테트라메틸렌글리콜, 폴리(메틸테트라메틸렌글리콜) 등의 폴리에테르계 폴리올 및 그 공중합체；폴리부틸렌아디페이트디올, 폴리부틸렌세바케이트디올, 폴리헥사메틸렌아디페이트디올, 폴리(3-메틸-1,5-펜틸렌아디페이트)디올, 폴리(3-메틸-1,5-펜틸렌세바케이트)디올, 폴리카프로락톤디올 등의 폴리에스테르계 폴리올 및 그 공중합체；폴리헥사메틸렌카보네이트디올, 폴리(3-메틸-1,5-펜틸렌카보네이트)디올, 폴리펜타메틸렌카보네이트디올, 폴리테트라메틸렌카보네이트디올 등의 폴리카보네이트계 폴리올 및 그 공중합체；폴리에스테르카보네이트폴리올 등을 들 수 있다. 또, 필요에 따라, 트리메틸올프로판 등의 3 관능 알코올이나 펜타에리트리톨 등의 4 관능 알코올 등의 다관능 알코올, 또는, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 1,4-부탄디올, 1,6-헥산디올 등의 단사슬 알코올을 병용해도 된다. 이들은 단독으로 사용해도 되고 2 종 이상을 조합하여 사용해도 된다. 특히, 비결정성의 폴리카보네이트계 폴리올, 지환식 폴리카보네이트계 폴리올, 직사슬형 폴리카보네이트계 폴리올, 및, 이들 폴리카보네이트계 폴리올과 폴리에테르계 폴리올 또는 폴리에스테르계 폴리올의 혼합물을 사용하는 것이, 내가수 분해성이나 내산화성 등의 내구성이 우수한 경질 시트가 얻어지는 점에서 바람직하다. 또, 탄소수 5 이하, 특히 탄소수 3 이하의 폴리알킬렌글리콜기를 함유하는 폴리우레탄이, 물에 대한 습윤성이 특히 양호해지는 점에서 바람직하다.
유기 폴리이소시아네이트의 구체예로는, 예를 들어, 헥사메틸렌디이소시아네이트, 이소포론디이소시아네이트, 노르보르넨디이소시아네이트, 4,4'-디시클로헥실메탄디이소시아네이트 등의 지방족 혹은 지환족 디이소시아네이트 등의 무황 변형 디이소시아네이트；2,4-톨릴렌디이소시아네이트, 2,6-톨릴렌디이소시아네이트, 4,4'-디페닐메탄디이소시아네이트, 자일릴렌디이소시아네이트폴리우레탄 등의 방향족 디이소시아네이트 등을 들 수 있다. 또, 필요에 따라, 3 관능 이소시아네이트나 4 관능 이소시아네이트 등의 다관능 이소시아네이트를 병용해도 된다. 이들은 단독으로 사용해도 되고, 2 종 이상을 조합하여 사용해도 된다. 이들 중에서는, 4,4'-디시클로헥실메탄디이소시아네이트, 2,4-톨릴렌디이소시아네이트, 2,6-톨릴렌디이소시아네이트, 4,4'-디페닐메탄디이소시아네이트, 자일릴렌디이소시아네이트가, 섬유에 대한 접착성이 높고, 또, 경도가 높은 경질 시트가 얻어지는 점에서 바람직하다.
사슬 신장제의 구체예로는, 예를 들어, 하이드라진, 에틸렌디아민, 프로필렌디아민, 헥사메틸렌디아민, 노나메틸렌디아민, 자일릴렌디아민, 이소포론디아민, 피페라진 및 그 유도체, 아디프산디하이드라지드, 이소프탈산디하이드라지드 등의 디아민류；디에틸렌트리아민 등의 트리아민류；트리에틸렌테트라민 등의 테트라민류；에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 1,4-부탄디올, 1,6-헥산디올, 1,4-비스(β-하이드록시에톡시)벤젠, 1,4-시클로헥산디올 등의 디올류；트리메틸올프로판 등의 트리올류；펜타에리트리톨 등의 펜탄올류；아미노에틸알코올, 아미노프로필알코올 등의 아미노알코올류 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용해도 되고, 2 종 이상을 조합하여 사용해도 된다. 이들 중에서는, 하이드라진, 피페라진, 헥사메틸렌디아민, 이소포론디아민 및 그 유도체, 에틸렌트리아민 등의 트리아민 중에서 2 종 이상 조합하여 사용하는 것이, 단시간에 경화 반응이 완료하는 점에서 바람직하다. 또, 사슬 신장 반응시에, 사슬 신장제와 함께, 에틸아민, 프로필아민, 부틸아민 등의 모노아민류；4-아미노부탄산, 6-아미노헥산산 등의 카르복실기 함유 모노아민 화합물；메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 등의 모노올류를 병용해도 된다.
또, 2,2-비스(하이드록시메틸)프로피온산, 2,2-비스(하이드록시메틸)부탄산, 2,2-비스(하이드록시메틸)발레르산 등의 카르복실기 함유 디올 등을 병용하여, 폴리우레탄의 골격에 카르복실기 등의 이온성기를 도입함으로써, 물에 대한 습윤성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또, 폴리우레탄의 흡수율이나 저장 탄성률을 제어하기 위해서, 폴리우레탄을 형성하는 모노머 단위가 갖는 관능기와 반응할 수 있는 관능기를 분자 내에 2 개 이상 함유하는 가교제나, 폴리이소시아네이트계 화합물, 다관능 블록 이소시아네이트계 화합물 등의 자기 가교성 화합물을 첨가함으로써, 가교 구조를 형성하는 것이 바람직하다.
모노머 단위의 관능기와 가교제의 관능기의 조합으로는, 카르복실기와 옥사졸린기, 카르복실기와 카르보디이미드기, 카르복실기와 에폭시기, 카르복실기와 시클로카보네이트기, 카르복실기와 아지리딘기, 카르보닐기와 하이드라진 유도체, 하이드라지드 유도체 등을 들 수 있다. 이들 중에서는, 카르복실기를 갖는 모노머 단위와 옥사졸린기, 카르보디이미드기 또는 에폭시기를 갖는 가교제와의 조합, 수산기 또는 아미노기를 갖는 모노머 단위와 블록 이소시아네이트기를 갖는 가교제와의 조합, 및 카르보닐기를 갖는 모노머 단위와 하이드라진 유도체 또는 하이드라지드 유도체와의 조합이, 가교 형성이 용이하고, 경질 시트의 강성이나 내마모성이 우수한 점에서, 특히 바람직하다. 또한, 가교 구조는, 섬유 낙합 시트에 폴리우레탄을 부여한 후의 열 처리 공정에 있어서 형성하는 것이, 고분자 탄성체의 에멀션의 안정성을 유지할 수 있는 점에서 바람직하다. 이들 중에서도, 가교 성능이나 에멀션의 포트 라이프성이 우수하고, 또 안전면에서도 문제가 없는 카르보디이미드기 및/또는 옥사졸린기가 특히 바람직하다. 카르보디이미드기를 갖는 가교제로는, 예를 들어 닛신 방적 주식회사 제조 「카르보딜라이트 E-01」, 「카르보딜라이트 E-02」, 「카르보딜라이트 V-02」 등의 수분산 카르보디이미드계 화합물을 들 수 있다. 또, 옥사졸린기를 갖는 가교제로는, 예를 들어 닛폰 촉매 주식회사 제조 「에포크로스 K-2010E」, 「에포크로스 K-2020E」, 「에포크로스 WS-500」 등의 수분산 옥사졸린계 화합물을 들 수 있다. 가교제의 배합량으로는, 폴리우레탄에 대해, 가교제의 유효 성분이 1 ∼ 20 질량％ 인 것이 바람직하고, 1.5 ∼ 1 질량％ 인 것이 보다 바람직하며, 2 ∼ 10 질량％ 인 것이 더욱 바람직하다.
또, 극세 섬유에 대한 접착성을 높여 섬유 다발의 강성을 높이는 점에서, 폴리우레탄 중의 고분자 폴리올의 성분의 함유율로는, 65 질량％ 이하, 나아가서는 60 질량％ 이하인 것이 바람직하다. 또, 40 질량％ 이상, 나아가서는 45 질량％ 이상인 것이 적당한 탄성을 부여함으로써, 스크래치의 발생을 억제할 수 있는 점에서 바람직하다.
폴리우레탄의 에멀션을 조제하는 방법은, 특별히 한정되지 않고, 공지된 방법을 이용할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들어, 카르복실기, 술폰산기, 수산기 등의 친수성기를 갖는 단량체를 공중합 성분으로서 사용함으로써, 물에 대한 자기 유화성을 폴리우레탄에 부여하는 방법, 또는, 폴리우레탄에 계면 활성제를 첨가하여 유화시키는 방법을 들 수 있다. 친수성기를 갖는 단량체 단위를 공중합 성분으로서 포함하는 고분자 탄성체는, 물에 대한 습윤성이 우수하기 때문에, 다량의 슬러리를 유지할 수 있다.
유화에 사용되는 계면 활성제의 구체예로는, 예를 들어, 라우릴황산나트륨, 라우릴황산암모늄, 폴리옥시에틸렌트리데실에테르아세트산나트륨, 도데실벤젠술폰산나트륨, 알킬디페닐에테르디술폰산나트륨, 디옥틸술포숙신산나트륨 등의 아니온성 계면 활성제；폴리옥시에틸렌노닐페닐에테르, 폴리옥시에틸렌옥틸페닐에테르, 폴리옥시에틸렌라우릴에테르, 폴리옥시에틸렌스테아릴에테르, 폴리옥시에틸렌-폴리옥시프로필렌 블록 공중합체 등의 논이온성 계면 활성제 등을 들 수 있다. 또, 반응성을 갖는, 소위 반응성 계면 활성제를 사용해도 된다. 또, 계면 활성제의 담점 (曇点) 을 적절히 선택함으로써, 에멀션에 감열 겔화성을 부여할 수도 있다.
에멀션의 고형분 농도로는, 15 ∼ 40 질량％, 나아가서는 25 ∼ 35 질량％ 인 것이, 섬유 낙합 시트에 고분자 탄성체를 두께 방향으로 균질하게 고충전할 수 있는 점에서 바람직하다. 또, 에멀션의 입자경으로는, 0.01 ∼ 1 ㎛, 나아가서는 0.03 ∼ 0.5 ㎛ 인 것이 바람직하다.
제 1 에멀션은, 물의 pH 변화를 발생시키는 이온을 포함하는 겔화제를 포함한다. 겔화제는, 에멀션의 pH 를 변화시킴으로써, 에멀션 입자를 가열에 의해 겔화시키기 위해서 사용된다. 부직포 중에 함침된 에멀션 중의 수분은 표면으로부터 건조된다. 그 때문에, 수분 증발의 진행에 수반하여, 부직포 중의 에멀션이 표층으로 이동하는 마이그레이션을 일으키기 쉽다. 부직포 중의 에멀션이 마이그레이션한 경우에는, 부직포의 표층 부근에 고분자 탄성체가 편재하여, 중간층 부근의 고분자 탄성체가 적어져, 중간층 부근에 공극이 남기 쉽다. 중간층 부근에 공극이 남은 경우에는 중간층에 있어서의 경도가 저하되고, 또, 경도가 불균질해진다. 이와 같은 마이그레이션은, 에멀션에 겔화제를 배합하여 건조 전에 에멀션을 겔화시킴으로써 억제된다.
겔화제로는, 에멀션 입자가 가열에 의해 겔화할 정도로, 에멀션의 pH 를 변화시키는 수용성의 염이면 특별히 한정없이 사용된다. 그 구체예로는, 1 가 또는 2 가의 무기염류인, 예를 들어, 황산나트륨, 황산암모늄, 탄산나트륨, 염화칼슘, 황산칼슘, 질산칼슘, 산화아연, 염화아연, 염화마그네슘, 염화칼륨, 탄산칼륨, 질산나트륨, 질산납 등을 들 수 있다.
제 1 에멀션 중의 겔화제의 함유 비율로는, 고분자 탄성체 100 질량부에 대해 0.5 ∼ 5 질량부, 나아가서는 0.6 ∼ 4 질량부인 것이 겔화성을 적당히 부여할 수 있는 점에서 바람직하다.
제 1 에멀션은, 침투제, 소포제, 미끄러짐제, 발수제, 발유제, 증점제, 증량제, 경화 촉진제, 산화 방지제, 자외선 흡수제, 형광제, 방미제 (防黴劑), 발포제, 폴리비닐알코올이나 카르복시메틸셀룰로오스 등의 수용성 고분자 화합물, 염료, 안료, 무기 미립자 등을 추가로 함유해도 된다.
섬유 낙합 시트에 제 1 에멀션을 함침시키는 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 딥·닙, 나이프 코트, 바 코트, 또는 롤 코트 등의 방법이 이용될 수 있다.
그리고, 섬유 낙합 시트에 제 1 에멀션을 함침시킨 후, 가열함으로써, 섬유 낙합 시트 중에서 제 1 에멀션이 겔화한다. 이와 같은 겔화를 위한 가열 조건으로는, 예를 들어, 40 ∼ 90 ℃, 나아가서는 50 ∼ 80 ℃ 에서 0.5 ∼ 5 분간 정도 유지하는 조건이 바람직하게 이용된다. 또, 표층으로부터의 급격한 수분의 증발에 의한 에멀션의 마이그레이션을 억제하면서, 내층도 균질하게 가열할 수 있는 점에서, 스팀으로 가열하는 것이 바람직하다.
그리고 제 1 에멀션을 겔화시킨 후, 가열 건조시킴으로써 고분자 탄성체를 응고시킨다.
가열 건조로는, 열풍 건조기 등의 건조 장치 중에서 가열 건조시키는 방법이나, 적외선 가열 후에 건조기 중에서 가열 건조시키는 방법 등을 들 수 있다. 가열 건조의 조건으로는, 예를 들어, 최고 온도가 130 ∼ 160 ℃, 나아가서는 135 ∼ 150 ℃ 가 되도록, 2 ∼ 10 분간으로 가열하는 조건을 들 수 있다. 가열 건조에 의해, 제 1 에멀션 중의 수분을 증발시켜 고분자 탄성체를 균일하게 응집시킴으로써, 섬유 낙합 시트 중에 고분자 탄성체를 두께 방향에 있어서도 균질하게 부여할 수 있다.
(3) 극세 섬유 발생형 섬유를 극세 섬유화 처리함으로써, 극세 섬유의 부직포와 고분자 탄성체를 함유하는 제 1 복합체를 형성하는 공정
고분자 탄성체를 함침 부여된 섬유 낙합 시트에 포함되는 해도형 복합 섬유를 극세 섬유화 처리함으로써, 극세 섬유의 부직포와 고분자 탄성체를 함유하는 제 1 복합체가 형성된다.
본 공정은, 도 성분인 수용성 열 가소성 수지와 해 성분인 비수용성 열 가소성 수지를 포함하는 해도형 복합 섬유로부터, 수용성 열 가소성 수지를 제거하는 극세 섬유화 처리에 의해 극세 섬유를 형성하는 공정이다.
극세 섬유화 처리는, 해도형 복합 섬유를 포함하는 섬유 낙합 시트를, 물, 알칼리성 수용액, 산성 수용액 등으로 열수 가열 처리함으로써, 해 성분을 형성하는 수용성 열 가소성 수지를 용해 제거, 또는, 분해 제거하는 처리이다.
열수 가열 처리의 구체예로는, 예를 들어, 섬유 낙합 시트를, 제 1 단계로서 65 ∼ 90 ℃ 의 열수 중에 5 ∼ 300 초간 침지한 후, 또한, 제 2 단계로서 85 ∼ 100 ℃ 의 열수 중에서 100 ∼ 600 초간 처리하는 방법이 바람직하게 이용된다. 또, 용해 효율을 높이기 위해서, 필요에 따라, 롤에 의한 닙 처리, 고압 수류 처리, 초음파 처리, 샤워 처리, 교반 처리, 비비기 처리 등을 실시해도 된다.
섬유 낙합 시트를 열수 가열 처리함으로써, 해도형 복합 섬유로부터 수용성 열 가소성 수지가 용해되어 극세 섬유가 형성된다. 또한, 극세 섬유가 형성될 때에, 극세 섬유는 크게 권축한다. 이 권축에 의해 극세 섬유의 섬유 밀도가 치밀해진다. 또, 해도형 복합 섬유로부터 수용성 열 가소성 수지가 제거됨으로써, 수용성 열 가소성 수지가 존재하고 있던 부분에 공극이 형성된다. 이 공극에는, 후 (後) 공정에서 고분자 탄성체가 충전된다. 또, 섬유 낙합 시트를 열수 가열 처리함으로써, 섬유 낙합 시트에 포함되어 있는 겔화제도 열수 중에 용해되어 제거된다. 이와 같이 하여, 제 1 복합체가 형성된다.
(4) 제 1 복합체에 겔화제 및 고분자 탄성체를 포함하는 제 2 에멀션을 함침시킨 후, 제 2 에멀션을 겔화시키고, 또한, 가열 건조시킴으로써 고분자 탄성체를 응고시켜 제 2 복합체를 형성하는 공정
상기 서술한 바와 같이, 해도형 복합 섬유로부터 수용성 열 가소성 수지가 제거됨으로써 형성되는 제 1 복합체에는, 수용성 열 가소성 수지가 존재하고 있던 부분에 공극이 형성된다. 본 실시형태의, 균질하게 높은 경도를 갖는 경질 시트를 얻기 위해서, 제 1 복합체 중의 공극을 고분자 탄성체로 충전하여 극세 섬유를 구속한다.
수용성 열 가소성 수지를 제거하여 형성된 공극에 고분자 탄성체를 충전함으로써, 극세 섬유를 집속하고, 경질 시트의 공극률을 저하시킬 수 있다. 극세 섬유가 섬유 다발을 형성하고 있는 경우에는, 모세관 현상에 의해 에멀션이 함침되기 쉽다.
제 2 에멀션으로는, 제 1 에멀션과 동일한 에멀션이 사용된다. 또한, 제 2 에멀션과 제 1 에멀션은 동일한 조성이어도 되고, 상이한 조성이어도 된다.
본 공정에 있어서는, 형성되는 제 2 복합체를 두께 방향으로 균등하게 3 분할했을 때의 각 층을, 어느 일방의 표면측으로부터 순서대로, 제 1 표층, 중간층 및 제 2 표층으로 한 경우, 제 1 표층과 중간층의 공극률의 차가 5 ％ 이하, 나아가서는 3 ％ 이하가 되도록, 제 2 에멀션을 부여하여 겔화시키는 것이 바람직하다. 이와 같이 조정함으로써, 균질하게 경도가 높은 경질 시트가 얻어진다.
또한, 제 1 표층과 중간층의 공극률의 차는 하기 식으로부터 산출된다.
제 1 표층과 중간층의 공극률의 차 (％) = 절대값 (중간층의 공극률 (％) － 제 1 표층의 공극률 (％))
각 층의 공극률은, 다음과 같이 하여 구해진다. 제 2 복합체의 두께 방향의 단면을 주사형 전자 현미경으로 30 배로 촬영한다. 그리고, 얻어진 사진을 화상 해석 소프트 Popimaging (Digital being kids. Co 제조) 을 이용하여, 동적 임계값법으로 화상을 2 치화하여 공극부를 특정한다. 그리고 각 공극부에 내접원을 그리고, 그 내접원의 면적의 합계를 전체층 공극량으로 한다. 그리고, 그 사진을 이용하여 제 2 복합체의 두께 방향의 일방의 표면으로부터 두께 방향으로 1/3 로 분할한 부분을 제 1 표층, 타방의 표면으로부터 두께 방향으로 1/3 로 분할한 부분을 제 2 표층, 나머지의 층을 중간층으로 하여, 각 층마다 내접원의 면적의 합계를 구하고, 각 층의 공극량으로 하였다. 그리고, 각 층의 공극률을,
각 층의 공극률 = 각 층 공극량/전체층 공극량 × 100 (％) 의 식에 의해 구한다.
제 2 에멀션을 제 1 복합체에 함침시키는 방법, 겔화시키는 방법, 및 가열 건조시키는 방법으로는, 제 1 에멀션을 함침시키는 방법, 겔화시키는 방법, 및 가열 건조시키는 방법과 동일한 방법이 이용될 수 있다. 이와 같이 하여 제 2 복합체가 형성된다.
(5) 제 2 복합체를 pH 변화를 발생시키는 이온의 총함유량이 400 ㎍/㎤ 이하가 되도록 수세하는 공정
본 실시형태의 경질 시트는, 상기 서술한 바와 같이, 부직포에 고분자 탄성체를 부여할 때에, 에멀션의 표층으로의 마이그레이션을 억제하기 위해서 겔화제를 함유하는 에멀션을 사용하였다. 본 발명자들은, 얻어지는 경질 시트 중에 겔화제에 포함되어 있던 이온이 많이 잔류한 경우에는, 연마시에 연마 레이트를 저하시키는 것을 알아내었다. 그리고, 수세에 의해, 이온의 잔류량 400 ㎍/㎤ 이하로 함으로써, 연마 레이트의 저하를 억제할 수 있는 것을 알아내었다.
수세하는 공정은, 경질 시트 중에 함유되는 물의 pH 변화를 발생시키는 이온의 총 함유량이 400 ㎍/㎤ 이하, 바람직하게는 350 ㎍/㎤, 나아가서는 100 ㎍/㎤ 이하가 되도록 수세하는 공정이다. 수세 방법으로는, 예를 들어, 가열 수세 처리가 수세 효율이 높은 점에서 바람직하다. 구체적인 조건으로는, 예를 들어, 80 ℃ 이상의 열수 중에 제 2 복합체를 침지한다. 상세하게는, 예를 들어, 제 1 단계로서, 65 ∼ 90 ℃ 의 열수 중에 5 ∼ 300 초간 침지한 후, 또한, 제 2 단계로서 85 ∼ 100 ℃ 의 열수 중에서 100 ∼ 600 초간 처리하는 조건을 들 수 있다. 또, 수세 효율을 높이기 위해서, 필요에 따라, 롤에 의한 닙 처리, 고압 수류 처리, 초음파 처리, 샤워 처리, 교반 처리, 비비기 처리 등을 실시해도 된다.
(6) 경질 시트의 표면 경도를 JIS-D 경도 45 이상으로 하기 위하여, 제 1 복합체, 제 2 복합체, 및 경질 시트에서 선택되는 적어도 하나를 열 프레스하는 공정
경질 시트의 내부에 존재하는 공극은, 경도나 경도의 균질성을 저하시킨다. 본 공정에 있어서는, 상기 서술한 제 1 복합체, 제 2 복합체, 및/또는 경질 시트를 열 프레스함으로써, 공극을 감소시킨다. 이와 같이 공극을 감소시킴으로써, 경질 시트의 겉보기 밀도가 높아져, 경도나 경도의 균질성 및 강성이 높아진다. 열 프레스 처리 조건으로는, 극세 섬유 및 고분자 탄성체가 분해되지 않는 온도로서, 예를 들어 160 ∼ 180 ℃ 로 가열된 금속 롤로 선압 30 ∼ 100 ㎏/㎝ 로 프레스하는 조건이 바람직하다.
이상과 같은 공정을 거쳐, 본 실시형태의 경질 시트가 얻어진다. 본 실시형태의 경질 시트는 연마 패드의 연마층으로서 바람직하게 사용된다. 구체적으로는, 경질 시트에 필요에 따라 원하는 가공을 실시함으로써 연마층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 샌드페이퍼 또는 침포 (針布), 다이아몬드 등에 의해 기모 처리하거나, 역 (逆) 시일의 브러싱 처리, 열 프레스 처리나 엠보싱 가공 등이 실시된다. 또, 경질 시트의 표면에 격자상, 동심원상, 소용돌이상 등의 홈이나 구멍을 형성해도 된다.
또, 필요에 따라, 경질 시트를 연마층으로 하고, 편물, 직물, 부직포, 탄성 수지 필름 또는 탄성 스펀지체 등의 탄성체층을 적층해도 된다. 탄성 필름이나 탄성 스펀지체로는, 현재 범용적으로 사용되고 있는 폴리우레탄을 함침한 부직포 (예를 들어, "Suba400" (닛타·하스 (주) 제조)) 외, 천연 고무, 니트릴 고무, 폴리부타디엔 고무, 실리콘 고무 등의 고무；폴리에스테르계 열 가소성 엘라스토머, 폴리아미드계 열 가소성 엘라스토머, 불소계 열 가소성 엘라스토머 등의 열 가소성 엘라스토머；발포 플라스틱；폴리우레탄 등을 들 수 있다. 이와 같이 탄성체층을 적층함으로써, 피연마면의 로컬 평탄성 (웨이퍼의 국소적인 평탄성) 을 향상시킬 수도 있다. 또한, 연마 패드는, 연마층과 탄성체층이 용융 접착 등에 의해 직접 접합하고 있는 것 외에, 접착제나 양면 점착 테이프 등에 의해 양 층이 접착된 것이나, 또한, 양 층 사이에 추가로 다른 층이 존재하는 것도 포함한다.
본 실시형태의 경질 시트를 사용한 연마 패드는, 공지된 CMP 용 장치를 사용하고, 슬러리를 개재하여 피연마면과 연마 패드를, 가압하, 일정 속도로, 일정 시간 접촉시키는 케미컬 메커니컬 연마 (CMP) 에 사용할 수 있다. 슬러리는, 예를 들어, 물이나 오일 등의 액상 매체；실리카, 산화알루미늄, 산화세륨, 산화지르코늄, 탄화규소 등의 연마제；염기, 산, 계면 활성제 등의 성분을 함유하고 있다. 또, CMP 를 실시할 때에, 필요에 따라, 슬러리와 함께, 윤활유, 냉각제 등을 병용해도 된다.
연마의 대상이 되는 물품은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 수정, 실리콘, 유리, 광학 기판, 전자 회로 기판, 다층 배선 기판, 하드 디스크 등을 들 수 있다. 특히, 연마의 대상으로는, 실리콘 웨이퍼나 반도체 웨이퍼인 것이 바람직하다. 반도체 웨이퍼의 구체예로는, 예를 들어, 산화실리콘, 산화불화실리콘, 유기 폴리머 등의 절연막, 구리, 알루미늄, 텅스텐 등의 배선재 금속막, 탄탈, 티탄, 질화탄탈, 질화티탄 등의 배리어 메탈막 등을 표면에 갖는 것을 들 수 있다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명한다. 또한, 본 발명은 실시예에 의해 전혀 한정되는 것은 아니다.
먼저, 본 실시예에서 사용한 평가 방법을 이하에 정리하여 설명한다.
[경질 시트의 겉보기 밀도]
경질 시트의 단위면적당 질량 (g/㎠) 을 두께 (㎝) 로 나눈 값을 겉보기 밀도 (g/㎤) 로 하였다. 그리고, 경질 시트의 임의의 10 개 지점에 대해 겉보기 밀도를 측정하여 산술 평균한 값을 겉보기 밀도로 하였다. 또한, 두께는, JISL1096 에 준하여 하중 240 gf/㎠ 로 측정하였다.
[경질 시트의 표면, 제 1 표층 및 중간층의 JIS-D 경도의 측정, 및 R ％ 의 산출]
JIS K 7311 에 준하여 경질 시트의 표면, 제 1 표층 및 중간층의 D 경도를 측정하였다. 구체적으로는, 경질 시트의 표면의 D 경도는, 두께 약 1.25 ㎜ 의 경질 시트를 8 매 겹치고, 폭 방향으로 균등하게 3 점의 경도를 측정하고, 그 평균을 경질 시트의 표면의 D 경도로 하였다.
또, 제 1 표층의 D 경도는, 두께 약 1.25 ㎜ 의 경질 시트를 제 2 표층측으로부터 연삭함으로써, 두께 0.40 ㎜ 의 제 1 표층의 시트를 얻었다. 그리고, 얻어진 제 1 표층의 시트를 25 매 겹치고, 폭 방향으로 균등하게 3 점의 경도를 측정하고, 그 평균을 제 1 표층의 JIS-D 경도로 하였다. 또한, 중간층의 D 경도는, 경질 시트를 제 1 표층측 및 제 2 표층측으로부터 균등하게 연삭함으로써 두께 0.40 ㎜ 의 중간층의 시트를 얻었다. 그리고, 얻어진 중간층의 시트를 25 매 겹치고, 폭 방향으로 균등하게 3 점의 경도를 측정하고, 그 평균을 중간층의 경도로 하였다. 그리고, 얻어진 제 1 표층의 3 점의 D 경도와 중간층의 3 점의 D 경도의 합계 6 점의 JIS-D 경도의 값을 이용하여 이하의 식：
R (％) = (D 경도 최대값 － D 경도 최소값) / D 경도 평균값 × 100 으로부터, R (％) 를 구하였다.
[물의 pH 변화를 발생시키는 이온의 총함유량]
단책상 (短冊狀) 으로 절단한 경질 시트의 단편 및 물 10 ㎖ 를 없애고 나사구 시험관에 넣었다. 그리고, 나사구 시험관을 블록 히터로 90 ℃, 2 시간 가열함으로써, 경질 시트 중의 수용성 물질을 열수 추출하였다. 그리고, 그 추출액 중의 이온 성분을 이온 크로마토그래프 (ICS-1600) 를 이용하여 검출하였다. 이 중에서 물의 pH 변화를 발생시키는 이온인 황산 이온 및 암모늄 이온의 합계량을 측정하고, 단위 체적당 경질 시트에 포함되는 이온량으로 환산하였다.
[연마 레이트]
경질 시트를 직경 51 ㎝ 의 원형상으로 절단하고, 표면에 폭 1.0 ㎜, 깊이 0.5 ㎜ 의 홈을 격자상으로 15.0 ㎜ 간격으로 형성함으로써 연마 패드를 제조하였다. 그리고 연마 패드의 이면에 점착 테이프를 첩부한 후, CMP 연마 장치 ((주) 노무라 제작소 제조 「PP0-60S」) 에 장착하였다. 다음으로, 플래튼 회전수 70 회전/분, 헤드 회전수 69 회전/분, 연마 압력 40 g/㎠ 의 조건으로, 슬러리 (쇼와 전공 (주) 제조의 SHOROXA-31) 를 100 ㎖/분의 속도로 공급하면서, 직경 4 인치의 합성 석영을 3 시간 연마하였다. 그리고, 연마 후의 합성 석영의 면내의 임의의 25 점의 두께를 측정하고, 각 점에 있어서의 연마된 두께의 평균을 연마 시간으로 나눔으로써 연마 레이트 (㎚/분) 를 구하였다.
또한, 두께 약 1.25 ㎜ 의 경질 시트의 제 1 표층, 및, 중간층을 노출시킨 두께 0.70 ㎜ 의 경질 시트의 연마 레이트를 각각 측정하였다.
[실시예 1]
수용성 PVA 를 해 성분, 변성도 6 몰％ 의 이소프탈산 변성 PET 를 도 성분으로서 사용하였다. 수용성 PVA 및 이소프탈산 변성 PET 를 25/75 (질량비) 가 되도록, 260 ℃ 에서 용융 복합 방사용 구금 (도수：25 도/섬유) 으로부터 토출하였다. 그리고, 방사 속도가 3700 m/min 이 되도록 이젝터 압력을 조정하고, 섬도 3 dtex 의 장섬유를 네트 상에 포집하고, 겉보기 중량 35 g/㎡ 의 웨브를 얻었다.
웨브를 크로스 래핑에 의해 16 매 겹쳐, 총 겉보기 중량 480 g/㎡ 의 중첩 웨브를 제조하였다. 그리고, 중첩 웨브에, 바늘 부러짐 방지 유제를 스프레이하였다. 그리고, 바브수 1 개이고 니들 번수 42 번의 니들침, 및 바브수 6 개이고 니들 번수 42 번의 니들침을 사용하여, 중첩 웨브를 3150 펀치/㎠ 로 니들 펀치 처리함으로써 낙합된 웨브를 얻었다. 낙합된 웨브의 겉보기 중량은 770 g/㎡, 층간 박리력은 9.6 ㎏/2.5 ㎝ 였다. 또, 니들 펀치 처리에 의한 면적 수축률은 25.8 ％ 였다.
다음으로, 낙합된 웨브를 110 ℃, 23.5 ％RH 의 조건으로 70 초간 스팀 처리하였다. 이 때의 면적 수축률은 44 ％ 였다. 그리고, 90 ∼ 110 ℃ 의 오븐 중에서 건조시킨 후, 또한, 115 ℃ 에서 열 프레스함으로써, 겉보기 중량 1312 g/㎡, 겉보기 밀도 0.544 g/㎤, 두께 2.41 ㎜ 의 섬유 낙합 시트를 얻었다.
다음으로, 섬유 낙합 시트에, 제 1 에멀션으로서, 폴리우레탄의 에멀션을 함침시켰다. 또한, 폴리우레탄은, 폴리카보네이트계 폴리올과 탄소수 2 ∼ 3 의 폴리알킬렌글리콜을 99.8：0.2 (몰비) 로 혼합한 혼합물을 폴리올 성분으로 하고, 카르복실기 함유 모노머를 1.5 질량％ 함유하는 무황 변형 폴리우레탄이다. 또, 폴리우레탄은 열 처리함으로써 가교 구조를 형성하는 비다공성의 폴리우레탄이다. 제 1 에멀션은, 폴리우레탄 100 질량부에 대해 카르보디이미드계 가교제 4.6 질량부 및 겔화제로서 황산암모늄 1.8 질량부를 함유하고, 폴리우레탄의 고형분이 20 ％ 가 되도록 조정한 것이다.
제 1 에멀션이 함침된 섬유 낙합 시트를 90 ℃, 30 ％RH 분위기하에서 가열함으로써 제 1 에멀션을 겔화시키고, 또한, 150 ℃ 에서 건조 처리하였다. 그리고, 또한, 140 ℃ 에서 열 프레스함으로써, 겉보기 중량 1403 g/㎡, 겉보기 밀도 0.716 g/㎤, 두께 1.96 ㎜ 로 조정하였다.
다음으로, 닙 처리 및 고압 수류 처리를 이용하여, 폴리우레탄이 부여된 섬유 낙합 시트를 95 ℃ 의 열수 중에 10 분간 침지함으로써, 수용성 PVA 를 용해 제거하여 섬도 0.09 dtex 의 극세 섬유로 변환하고, 더욱 건조시켰다. 이와 같이 하여, 겉보기 중량 1009 g/㎡, 겉보기 밀도 0.538 g/㎤, 두께 1.87 ㎜ 인, 제 1 복합체를 얻었다.
다음으로, 제 1 복합체에, 제 2 에멀션으로서, 폴리우레탄의 에멀션 (고형분 30 질량％) 을 함침시켰다. 또한, 폴리우레탄은, 먼저 함침시킨 폴리우레탄과 동일한 것이다. 제 2 에멀션은, 폴리우레탄 100 질량부에 대해 카르보디이미드계 가교제 4.6 질량부 및 황산암모늄 1.0 질량부를 함유하고, 폴리우레탄의 고형분이 30 ％ 가 되도록 조정한 것이다.
제 2 에멀션이 함침된 제 1 복합체를 90 ℃, 60 ％RH 분위기하에서 가열함으로써 제 2 에멀션을 겔화시키고, 또한, 150 ℃ 에서 건조 처리하였다. 이와 같이 하여, 겉보기 중량 1245 g/㎡, 겉보기 밀도 0.748 g/㎤, 두께 1.66 ㎜ 의 제 2 복합체를 얻었다. 제 2 복합체의 제 1 표층과 중간층의 공극률의 차는 1.8 ％ 였다.
그리고, 닙 처리 및 고압 수류 처리를 이용하여, 제 2 복합체를 95 ℃ 의 열수 중에 10 분간 침지함으로써 수세하였다. 그리고, 180 ℃ 에서 건조시켰다. 그리고, 선압 100 ㎏/㎝, 160 ℃ 조건으로 열 프레스 처리함으로써, 겉보기 중량 1212 g/㎡, 겉보기 밀도 0.795 g/㎤, 두께 1.53 ㎜ 인 경질 시트의 중간체를 얻었다.
경질 시트의 중간체의 양면의 표층을 ＃100 페이퍼를 사용하여, 각각 0.15 ㎜ 씩 연삭함으로써, 겉보기 중량 994 g/㎡, 겉보기 밀도 0.788 g/㎤, 두께 1.26 ㎜ 의 경질 시트로 마무리하였다. 경질 시트의 JIS-D 경도는 52 이고, JIS-D 경도의 R ％ 는 11.3 ％ 였다. 또, 경질 시트 중에 포함되어 있던, pH 변화를 발생시키는 이온인 황산 이온 및 암모늄 이온의 합계량은 26.9 ㎍/㎤ 였다.
평가 결과를 표 1 에 나타낸다.
Figure 112015083911844-pct00001
[실시예 2]
제 2 에멀션을 부여하기 전의 제 1 복합체를, 선압 100 ㎏/㎝, 160 ℃ 조건으로 열 프레스 처리한 것 이외에는 실시예 1 과 동일하게 하여 경질 시트를 제조하고, 평가하였다. 또한, 얻어진 경질 시트는, 겉보기 중량 996 g/㎡, 겉보기 밀도 0.808 g/㎤, 두께 1.23 ㎜ 였다. 결과를 표 1 에 나타낸다.
[실시예 3]
실시예 1 에 있어서, 제 2 복합체의 수세 정도를 낮게 한 것 이외에는 실시예 1 과 동일하게 하여 경질 시트를 제조하고, 평가하였다. 경질 시트 중에 포함되어 있던, pH 변화를 발생시키는 이온인 황산 이온 및 암모늄 이온을 합계량은, 300 ㎍/㎤ 였다. 결과를 표 1 에 나타낸다.
[비교예 1]
실시예 1 에 있어서, 제 2 복합체를 95 ℃ 의 열수 중에 10 분간 침지함으로써 수세하는 대신에, 제 2 복합체를 수세하지 않은 것 이외에는 실시예 1 과 동일하게 하여 경질 시트를 제조하고, 평가하였다. 결과를 표 1 에 나타낸다.
[비교예 2]
실시예 1 에 있어서, 제 1 복합체를 추가로 선압 100 ㎏/㎝, 160 ℃ 조건으로 열 프레스 처리하였다. 그리고, 겔화제를 포함하는 제 2 에멀션을 함침시키는 대신에, 겔화제를 포함하지 않는 동일한 조성의 에멀션을 함침시킨 것 이외에는 실시예 1 과 동일하게 하여 경질 시트를 제조하고, 평가하였다. 또한, 얻어진 경질 시트는, 겉보기 중량 969 g/㎡, 겉보기 밀도 0.817 g/㎤, 두께 1.19 ㎜ 였다. 결과를 표 1 에 나타낸다.
[비교예 3]
실시예 1 에 있어서, 제 2 복합체의 수세 정도를 낮게 한 것 이외에는 실시예 1 과 동일하게 하여 경질 시트를 제조하고, 평가하였다. 경질 시트 중에 포함되어 있던, pH 변화를 발생시키는 이온인 황산 이온 및 암모늄 이온을 합계량은, 404 ㎍/㎤ 였다. 결과를 표 1 에 나타낸다.
[비교예 4]
실시예 1 에 있어서, 제 2 복합체의 수세 정도를 낮게 한 것 이외에는 실시예 1 과 동일하게 하여 경질 시트를 제조하고, 평가하였다. 경질 시트 중에 포함되어 있던, pH 변화를 발생시키는 이온인 황산 이온 및 암모늄 이온을 합계량은, 504 ㎍/㎤ 였다. 결과를 표 1 에 나타낸다.
표 1 의 결과로부터, 본 발명에 관련된, JIS-D 경도가 45 이상이고, R ％ 가 0 ∼ 20 ％ 이며, 물의 pH 변화를 발생시키는 이온의 총함유량이 400 ㎍/㎤ 이하인 실시예 1 ∼ 3 에서 얻어진 경질 시트를 사용한 연마 패드는, 모두 제 1 표층의 연마 레이트, 즉 초기의 연마 레이트가 120 ㎚/분이고, 5 시간 후까지의 평균으로 초기의 연마 레이트의 90 ％ 이상을 유지하였다. 한편, 제 2 에멀션에 겔화제를 배합하고, 충분한 수세를 하지 않은 비교예 1 의 경질 시트를 사용한 연마 패드는, 제 1 표층의 연마 레이트가 93 ㎚/분으로 현저하게 낮았다. 또, 비교예 2 의 경질 시트는, 제 2 에멀션에 겔화제를 배합하여 균질하게 고분자 탄성체를 충전하는 대신에, 열 프레스에 의해 경질 시트의 균질화를 도모한 것이다. 비교예 2 의 연마 패드는, 이온의 총함유량은 적었지만, R ％ 가 30.2 ％ 로 불균질한 것이었다. 그 결과, 5 시간 후까지의 평균으로 초기의 연마 레이트의 89 ％ 밖에 유지할 수 없었다. 또, 이온의 총함유량이 404 ㎍/㎤ 인 비교예 3, 및 504 ㎍/㎤ 인 비교예 4 는, 모두 5 시간 후까지의 평균으로 초기의 연마 레이트의 약 84 ％ 밖에 유지할 수 없었다.
1 : 부직포
1a : 극세 섬유
1b : 섬유 다발
2 : 고분자 탄성체
3 : 제 1 표층
4 : 중간층
5 : 제 2 표층

Claims (16)

  1. 0.0001 ∼ 0.5 dtex 의 섬도를 갖는 극세 섬유의 부직포와, 상기 부직포에 부여된 고분자 탄성체를 포함하는 경질 시트로서,
    JIS-D 경도가 45 이상이고,
    두께 방향의 단면에 있어서, 균등하게 3 분할했을 때의 각 층을, 어느 일방의 표면측으로부터 순서대로, 제 1 표층, 중간층 및 제 2 표층으로 한 경우,
    상기 제 1 표층 및 상기 중간층의 JIS-D 경도를 임의의 점에서 각각 3 점씩 합계 6 점을 측정하고, 합계 6 점의 D 경도를 이용하여, 하기 식：
    R (％) = (D 경도 최대값 － D 경도 최소값) / D 경도의 평균값 × 100
    으로부터 산출되는 R ％ 가 0 ∼ 20 ％ 이고,
    또한, 물의 pH 변화를 발생시키는 이온의 총함유량이 400 ㎍/㎤ 이하인 것을 특징으로 하는 경질 시트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이온의 총함유량이 1 ∼ 100 ㎍/㎤ 인 경질 시트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 극세 섬유는 장섬유이고, 또한, 섬유 다발을 형성하고 있는 경질 시트.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 부직포의 겉보기 밀도가 0.35 ∼ 0.90 g/㎤ 인 경질 시트.
  5. 제 3 항에 있어서,
    두께 방향의 단면에 있어서, 상기 섬유 다발을 형성하는 상기 극세 섬유의 적어도 일부분이 상기 고분자 탄성체로 집속되어 있는 경질 시트.
  6. 제 5 항에 있어서,
    두께 방향의 단면에 있어서, 상기 섬유 다발의 적어도 일부분이 서로 상기 고분자 탄성체로 결착되어 있는 경질 시트.
  7. 제 3 항에 있어서,
    두께 방향의 단면에 있어서, 상기 섬유 다발을 형성하는 상기 극세 섬유의 반수 이상의 개수가 상기 고분자 탄성체로 집속되어 있는 경질 시트.
  8. 제 7 항에 있어서,
    두께 방향의 단면에 있어서, 상기 섬유 다발의 반수 이상의 다발이 서로 상기 고분자 탄성체로 결착되어 있는 경질 시트.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 탄성체가 비다공질의 고분자 탄성체인 경질 시트.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 부직포와 상기 고분자 탄성체의 질량 비율 (부직포/고분자 탄성체) 이 90/10 ∼ 55/45 인 경질 시트.
  11. 제 10 항에 있어서,
    겉보기 밀도가 0.50 ∼ 1.2 g/㎤ 인 경질 시트.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 표층의 JIS-D 경도가 45 이상이고,
    상기 제 2 표층 및 상기 중간층의 JIS-D 경도를 임의의 점에서 각각 3 점씩 합계 6 점을 측정하고, 합계 6 점의 D 경도를 이용하여, 하기 식：
    R (％) = (D 경도 최대값 － D 경도 최소값) / D 경도 평균값 × 100
    으로부터 산출되는 R ％ 가 0 ∼ 20 ％ 인 경질 시트.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 경질 시트를 연마층으로서 구비하는 것을 특징으로 하는 연마 패드.
  14. (1) 0.5 dtex 이하의 섬도를 갖는 극세 섬유의 겉보기 밀도 0.35 g/㎤ 이상의 부직포를 극세 섬유화 처리에 의해 형성할 수 있는, 극세 섬유 발생형 섬유의 장섬유의 섬유 낙합 (絡合) 시트를 준비하는 공정과,
    (2) 상기 섬유 낙합 시트에, 물의 pH 변화를 발생시키는 이온을 포함하는 겔화제 및 고분자 탄성체를 포함하는 제 1 에멀션을 함침시킨 후, 상기 제 1 에멀션을 겔화시키고, 또한, 가열 건조시킴으로써 상기 고분자 탄성체를 응고시키는 공정과,
    (3) 상기 극세 섬유 발생형 섬유를 극세 섬유화 처리함으로써, 상기 부직포와 상기 고분자 탄성체를 함유하는 제 1 복합체를 형성하는 공정과,
    (4) 상기 제 1 복합체에 상기 겔화제 및 상기 고분자 탄성체를 포함하는 제 2 에멀션을 함침시키고, 또한, 가열 건조시킴으로써 상기 고분자 탄성체를 응고시켜, 두께 방향으로 균등하게 3 분할했을 때의 각 층을, 어느 일방의 표면측으로부터 순서대로, 제 1 표층, 중간층 및 제 2 표층으로 한 경우, 상기 제 1 표층과 상기 중간층의 공극률의 차가 5 ％ 이하인 제 2 복합체를 형성하는 공정과,
    (5) 상기 제 2 복합체를 상기 이온의 총함유량이 400 ㎍/㎤ 이하가 되도록 수세함으로써 경질 시트를 얻는 공정과,
    (6) 상기 경질 시트의 표면 경도를 JIS-D 경도 45 이상으로 하기 위하여, 상기 제 1 복합체, 상기 제 2 복합체, 및 상기 경질 시트에서 선택되는 적어도 하나를 열 프레스하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 경질 시트의 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 이온의 총함유량이 1 ∼ 100 ㎍/㎤ 인 경질 시트의 제조 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 극세 섬유 발생형 섬유가 해 (海) 성분으로서 수용성 열 가소성 폴리비닐알코올계 수지, 도 (島) 성분으로서 비수용성 열 가소성 수지를 포함하는 해도형 복합 섬유이며,
    상기 공정 (3) 의 극세 섬유화 처리가, 상기 수용성 열 가소성 폴리비닐알코올계 수지를 온수에 용해시켜 선택적으로 제거하는 공정인 경질 시트의 제조 방법.
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