PL186840B1

PL186840B1 - Kompozycja do polerowania optycznego

Info

Publication number: PL186840B1
Application number: PL99342392A
Authority: PL
Inventors: Ronald W.Sr. Laconto; Rami Schlair
Original assignee: Saint Gobain Ceramics
Priority date: 1998-02-18
Filing date: 1999-02-16
Publication date: 2004-03-31
Also published as: CA2319107C; WO1999042537A1; CO5060536A1; ATE245180T1; US5989301A; EP1060221A1; US6258136B1; CZ294042B6; NO319039B1; JP3605036B2; FI118180B; DE69909597D1; KR20010034504A; ZA991150B; HUP0101154A2; NZ505901A; HUP0101154A3; PL342392A1; IL137804A0; CZ20002969A3

Abstract

1. Kompozycja do polerowania optycznego, znamienna tym, ze obejmuje wodna za- wiesine zawierajaca zasadniczo od 5 do 20% wagowych czastek stalych, z których od 85-95% stanowi alfa tlenek glinu o wielkosci czastek D50 mniejszej niz 0,5 mikrona i odpowiednio 15 do 5% wagowych stanowi dwutlenek ceru w postaci proszku o wielkosci czastek D50 od 0,2 do 4 mikronów. PL PL PL

Description

Przedmiotem niniejszego wynalazku są kompozycje do polerowania powierzchni optycznych. Polerowane powierzchnie mogą być szklane lub plastikowe.

Dobrze znanym jest fakt, że w celu uzyskania zadowalającej powierzchni optycznej niezbędnym jest aby była ona wolna od rys i wykazywała tak niską wartość R_a jak to tylko możliwe. Wartość Ra oznacza średnią odległość pomiędzy najwyższym i najniższym punktem na powierzchni, prostopadle do płaszczyzny tafli szkła polerowanego. Tak więc uznając, że powierzchnia nie jest całkowicie płaska w skali mikroskopowej, mierzy się różnice pomiędzy najwyższymi i najniższymi punktami. Oczywiście, niższa liczba oznacza lepszą przejrzystość optyczną i mniej zniekształceń.

Innym ważnym czynnikiem jest szybkość z jaką uzyskuje się pożądany poziom optycznej perfekcji. Szkło poleruje się zgodnie z procesem chemiczno-mechanicznym, który zachodzi tylko w środowisku wodnym. Koniecznym jest aby związek polerujący reagował z powierzchnią szkła i wodą jak również aby powierzchnia ulegała ścieraniu. Pewne substancje, takie jak, dwutlenek ceru są reaktywne lecz niezbyt dobre jako środki ścierające. Inne, takie jak, tlenek glinu działają jako środki ścierające lecz nie wykazują odpowiedniej reaktywności w odniesieniu do powierzchni. Problem ten opisał Lee Clark w artykule „Chemical Processes in Glass Polishing” przedstawionym w Journal of Non-Crystalline Solids, 120 (1990), 152-171. W warunkach przemysłowych, znacznie korzystniejszym jest aby proces wykończeniowy zachodził w krótszym, a nie w dłuższym czasie, zwłaszcza gdy nie jest wymagana bardzo dobra jakość i/lub gdy jakość może być poprawiona.

Proces polerowania przeprowadza się dwoma sposobami. Zgodnie z pierwszym, zawiesinę cząstek ścierających w wodnym środowisku (zwykle opartym o dejonizowaną wodę), umieszcza się tak, aby była w kontakcie z powierzchnią polerowaną i powoduje się przesuwanie warstwy po powierzchni według wcześniej ustalonego sposobu, tak aby wywołać ścieranie w zawiesinie i polerowanie powierzchni. Zgodnie z drugim sposobem, ścierające cząstki są osadzone w matrycy żywicowej, uformowanej w postać narzędzia i narzędzie to stosuje się następnie do polerowania powierzchni optycznej. Niniejszy wynalazek dotyczy pierwszego sposobu, w którym stosuje się zawiesinę.

W tej dziedzinie wiedzy proponowano różne kompozycje do zawiesin. W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki numer 4 576 612 przedstawiono wytwarzanie zawiesiny in situ w kontrolowanej ilości przez zastosowanie poduszki z warstwą powierzchniową zawierającą cząstki ścierające umieszczone w żywicy, która stopniowo rozpuszcza się

186 840 w trakcie stosowania i uwalnia cząstki polerujące. Proponowane do stosowania cząstki zawierają dwutlenek ceru („ceria”), dwutlenek cyrkonu („zirkonia”) i tlenek żelaza.

W patencie europejskim numer EP 608 730-A1 przedstawiono zawiesinę ścierającą do polerowania powierzchni w optycznych elementach, która zawiera środek do ścierania wybrany z grupy obejmującej tlenek glinu, szkło, pył diamentowy, karborund, węglik tungstenu, węglik krzemu lub azotek boru z cząstkami o wielkości do jednego mikrona.

W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki numer 5 693 239 przedstawiono wodną zawiesinę do polerowania i wyrównywania płaszczyzny obrabianych przedmiotów metalowych, która zawiera submikronowe cząstki alfa tlenku glinu, łącznie z inną bardziej miękką postacią tlenku glinu lub bezpostaciowej krzemionki.

Znaczna ilość prac w tej dziedzinie dotyczy zawiesinowych kompozycji do chemicznego i mechanicznego polerowania materiałów półprzewodnikowych, w których ponownie zwykle stosuje się te same środki ścierne ze zmianami składników zawieszonego podłoża.

Powodzenie polerowania szkieł w znacznym stopniu zależy oczywiście od twardości szkła. Polerowanie bardzo twardych szkieł oczywiście trzeba prowadzić bardzo długo i powstają końcowe problemy jeśli dla oczywistej wygody stosuje się bardziej twarde proszki ścierne.

Dotychczasowe kompozycje zawiesinowe często są bardzo skuteczne dla uzyskania pożądanego efektu. Jednak wymagają one również długich okresów czasu. Uzyskano nową kompozycję, w której dwa tlenki, tlenek glinu i dwutlenek cyrkonu wykazują synergizm działania, tak, że ich wzajemne działanie daje lepsze wyniki niż suma działania pojedynczych składników. Taka kompozycja pozwala na uzyskanie bardzo wysokiego poziomu optycznej perfekcji w czasie krótszym niż konieczny dla uzyskania tego wyniku przy użyciu dotychczasowych zawiesin bez konieczności stosowania podwyższonej temperatury, czasami wykorzystywanej dla zwiększenia reaktywności. Ponadto, bardzo skutecznie polerują one również twarde szkła z tylko niewielkim lub bez równoczesnego uszkodzenia powierzchni. Można je stosować w urządzeniach do polerowania typu poduszki (ang. pad) lub kostki (ang. pitch).

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest kompozycja do optycznego polerowania, zawierająca środek zawieszający z zawieszonymi w nim cząstkami ściernymi, będącymi cząstkami alfa tlenku glinu i cząstkami dwutlenku ceru w stosunku tlenku glinu do dwutlenku ceru w granicach od 95:5 do 85:15 i bardziej korzystnie od 96:4 do 88:12.

W korzystnych kompozycjach tlenek glinu jest w postaci cząstek, które są zasadniczo o wymiarach submikronowych i średni wymiar cząstki jest mniejszy niż 0,5 mikrona i bardziej korzystnie od 0,15 do 0,25 mikrona. W odniesieniu do opisu niniejszego zgłoszenia należy rozumieć, że określenie „średnie wymiary cząstki” są wartościami „D50” oznaczonymi przy użyciu analizatora wielkości cząstek typu Horiba L-910. Takie tlenki glinu uzyskuje się, na przykład, sposobem przedstawionym w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki numer 4 657 754.

Dostępny w handlu dwutlenek ceru zwykle jest mieszaniną tlenków metali ziem rzadkich z dwutlenkiem ceru jako głównym składnikiem. Inne składniki mogą obejmować tlenek neodymowy, tlenek samaru, tlenek prazeodymu i tlenek lantanu. Mogą również występować inne mniejsze ilości innych ziem rzadkich. W praktyce stwierdzono, że czystość „dwutlenku ceru” nie ma większego wpływu na przydatność cząstek ściernych z zastosowaniu do polerowania, tym samym właściwości użyteczne zgodnie z niniejszym wynalazkiem są udziałem handlowych substancji sprzedawanych pod nazwą dwutlenku ceru zawierających większą lub mniejszą ilość wszystkich innych tlenków metali ziem rzadkich. Dla celów niniejszego opisu, mieszaniny tlenków metali ziem rzadkich, w których dwutlenek ceru stanowi główny składnik, określony w procentach wagowych produktu, będą określane jako „dwutlenek ceru”. Przykłady handlowych źródeł „dwutlenku ceru” obejmują „50D1” i „Superox 50” (obydwa są dostępne w firmie Cercoa PenYan Nowy Jork), które zawierają, odpowiednio około 75% i 34% dwutlenku ceru; i „Rhodox 76” (z firmy Rhone Poulenc) zawierający około 50% dwutlenku ceru.

Dostępny w handlu dwutlenek ceru rozpatrywany pod kątem rozkładu wielkości cząstek zwykle jest w postaci dwuskładnikowej mieszaniny cząstek, z pikami wokół cząstek o roz4

186 840 miarach 0,4 i 4 mikrony, przy czym większość cząstek występuje w większych rozmiarach. Daje to wartość ogólną D50 dla proszku mniejszą niż 4, zwykle w zakresie 3-3,5 mikronów. Stwierdzono, że jeśli ten rozkład zmniejsza się za pomocą mielenia dwutlenku ceru do stosunkowo jednolitej wielkości cząstek około 0,2 mikrona i bardziej korzystnie około 0,4 mikrona, to użyteczność kompozycji nie zostaje zbytnio zwiększona chyba, że szkło jest szczególnie twarde i pożądany jest również wysoki poziom wizualnej perfekcji. W tych warunkach substancja o rozkładzie cząstek niemielonych często okazuje się bardziej skuteczna.

Środkiem, w którym cząstki ścierające są zawieszone jest środowisko wodne z możliwymi małymi ilościami cieczy mieszających się z wodą, takich jak, alkohole. Najczęściej stosuje się wodę dejonizowaną łącznie ze środkiem powierzchniowo czynnym dodanym w celu lepszego zawieszenia cząstek ścierających. Zwykle części stałe stanowią w zawiesinie od 5 do 15, a nawet 20% wagowych, przy czym mniejsze wartości lub bardziej rozcieńczone zawiesiny stosuje się dla kostki. Zwykle, zawiesina o mniejszej zawartości stałych składników będzie polerowała wolniej, zaś zawiesinie o większej zawartości stałych składników towarzyszy problem osiadania cząstek ścierających. Wymogi praktyczne dyktują zawartość stałych składników w zawiesinie na poziomie od 5 do 15 i bardziej korzystnie od 8 do 12% wagowych.

Poniżej wynalazek opisano w następujących przykładach, które zamieszcza się w celu zilustrowania użyteczności wynalazku i wpływu czystości i wielkości cząstek dwutlenku ceru. Przykłady jednak nie mają na celu jakiegokolwiek ograniczania zakresu wynalazku.

Przykład 1

W tym przykładzie porównuje się użyteczność mieszaniny cząstek ścierających według wynalazku z zawiesinami kompozycji zawierających osobno składniki.

Próby polerowania przeprowadza się na dwustronnym urządzeniu AC500 Peter Wolters zaopatrzonym w polerujące poduszki „Suba 500” dostępne z firmy Rodel, Inc. Polerowane próbki szkła były wykonane ze stopionej krzemionki kwarcowej (Coming), pomyślane jako wyraźnie twarde szkło (560 - 640 Knoop).

Próbki poleruje się przy użyciu zawiesiny zawierającej 10% substancji stałych w każdym z trzech środków ściernych. Pierwszy z nich zawiera 100% tlenku glinu, drugi 100% dwutlenku ceru, zaś trzeci mieszaninę tego samego tlenku glinu i dwutlenku ceru w stosunku 90:10. Tlenek glinu uzyskuje się z firmy Saint-Gobain Industrial Ceramics, Inc. i zawiera on cząstki alfa tlenku glinu o wielkości pomiędzy około 20 do 50 nanometrów, w postaci aglomeratów o średnicy około 0,15 do 0,25 mikrona. Zasadniczo nie zawiera aglomeratów o średnicy większej niż mikron. Dwutlenek ceru stosuje się w postaci substancji o nazwie Rhodox 76, zawierającej około 50% tlenków metali ziem rzadkich, zmielony do wielkości cząstek dającej D50 wynoszącą około 0,4 mikrona. Zawiesiny przygotowuje się w dejonizowanej wodzie, do której dodaje się 0,07% wagowych substancji powierzchniowo czynnej (poliakrylan sodowy, dostępny z firmy R.T. Vanderbilt pod nazwą handlową Darvan 811).

Użyteczność w odniesieniu do otrzymanej powierzchni końcowej była badana w czasie i wykres wykonano na podstawie zebranych danych. Wyniki przedstawiono na fig. 1. Na fig. 2 przedstawiono te same dane z rozszerzeniem o oś „wykończenie” w celu wyraźniejszego wykazania poprawy.

Na podstawie fig. 1 i fig. 2 można stwierdzić, że jakkolwiek próbka polerowana przy użyciu 100% dwutlenku ceru wykazuje lepsze początkowe wykończenie, (to znaczy, przed polerowaniem jest bardziej gładka), niż dwie pozostałe, to nie jest polerowana tak dobrze. Na podstawie fig. 2, można stwierdzić, że sam tlenek glinu nigdy przy wykańczaniu powierzchni nie osiąga wartości R_a 200 angstremów. Z drugiej strony ten poziom wykończenia powierzchni przy użyciu dwutlenku ceru osiąga się po czasie 19 minut, zaś przy użyciu mieszaniny według niniejszego wynalazku ten poziom osiąga się w czasie krótszym niż 10 minut. Patrząc z innej strony, po czasie około 10 minut zawiesina do polerowania zawierająca dwutlenek ceru jako substancję ścierną, wykazuje wykończenie powierzchni na poziomie około 900, zawiesina zawierająca tlenek glinu jako substancję ścierną wykazuje wykończenie niewiele mniejsze niż 600 i zawiesina według niniejszego wynalazku powoduje wykończenie na poziomie niższym niż 200.

186 840

Przykład 2

W przykładzie tym bada się wpływ zmiany wielkości cząstek dwutlenku ceru na polerowanie stopionej krzemionki.

Stosowano kompozycję według niniejszego wynalazku z dwutlenkiem ceru o nazwie Rhodox 76 uzyskanym z firmy Rhone Poulenc. Rhodox 76 zawierał jednak cząstki o czterech różnych wielkościach (co określono przez pomiar wartości D50 przy użyciu analizatora wielkości cząstek typ Horiba LA910) i każdy z tych wielkości stosowano w oddzielnej próbie polerowania. Wielkości zastosowanych cząstek wynosiły 3,17 mikrona, 2,14 mikrona, 0,992 mikrona i 0,435 mikrona. Na fig. 3 zestawiono uzyskane wyniki. Z fig. 3 wynika, że dla tego rodzaju szkła, zaobserwowano niewielkie różnice w przydatności do polerowania związane z wielkością cząstek dwutlenku ceru. Podobne wyniki uzyskano przy użyciu jako źródeł dwutlenku ceru, preparatów „Superox 50” i „50D-1”.

Przykład 3

W przykładzie tym badano wpływ źródła pochodzenia dwutlenku ceru, zwłaszcza czy czystość tego produktu w jakikolwiek sposób wpływa na skuteczność polerowania. Przygotowano kompozycje według niniejszego wynalazku, takie jak w przykładzie 1, ale zawierające około 10% dwutlenku ceru i odpowiednio około 90% tlenku glinu. Kompozycje te badano w próbach polerowania szkła ze stopionej krzemionki przy użyciu urządzenia i sposobem identycznym do opisanego w przykładzie 1. Otrzymane wyniki przedstawiono na fig. 4. Pierwsza próbka, „S”, zawierała „Superox 50”, w którym dwutlenek ceru stanowi około 34%. Druga, „R”, zawierała „Rhodox 76”, w którym dwutlenek ceru stanowi około 50%. Trzecia, „D”, zawierała „50D1”, w którym dwutlenek ceru stanowi około 75%. Jak stwierdzono, pomiędzy tymi trzema badaniami występowały tylko niewielkie różnice skuteczności polerowania. Wydaje się, że tlenki innych metali ziem rzadkich będą prawdopodobnie zachowywać się podobnie jak dwutlenek ceru w kompozycjach według wynalazku.

Przykład 4

W tym przykładzie badano skuteczność polerowania i wpływ wielkości cząstek dwutlenku ceru w próbach ze szkłem B270 (twarde szkło o 530 Knoop). Podczas gdy w powyższych przykładach, w warunkach laboratoryjnych badano tylko „wykańczanie powierzchni” mierzone przez określenie wartości Ra, poniższe badanie wykonano pod kątem użyteczności przemysłowej, przy pomocy specjalisty, który określał końcowy wynik w zakresie wizualnej perfekcji. Tym sposobem, bardziej niż dotychczas mierzoną wartością Ra, można zidentyfikować „zaciemnienie” powstające w wyniku niedoskonałości powierzchni po operacji polerowania.

Stosowano urządzenie do dwustronnego typu 4800 P.R. Hoffman, zaopatrzone w polerujące poduszki „Suba 10” uzyskane z korporacji Rodel. Na próbki w czasie polerowania stosowano ciśnienie około 1,5 psi, (1,034 x 10⁴ paskali). Polerowanie kończono w momencie gdy uzyskiwano pożądany poziom perfekcji powierzchni (klarowność).

Badano trzy kompozycje według niniejszego wynalazku. Wszystkie trzy zawierały tlenek glinu i środki powierzchniowo czynne opisane w przykładzie 1, w tych samych ilościach i je, łączme z dwutlenkiem ceru w tych samych względnych proporcjach w wodzie dejonizowanej. Różnice pomiędzy składnikami leżały w wielkości cząstek dwutlenku ceru. W pierwszej („kompozycja A”), dwutlenek ceru występował w postaci cząstek o wartości wynoszącej 0,4 mikrona. W drugiej i trzeciej („kompozycje B i B'”), dwutlenek ceru (Superox 50) stosowano bezpośrednio w postaci dostarczanej przez producenta. Jedyne różnice w tych dwóch przypadkach występowały tylko w polerowanych próbkach szkła. W drugiej z nich ,,B'”, wielkości próbek polerowanych były mniejsze, tym samym ciśnienie przykładane do nich w czasie polerowania w tym samym urządzeniu było większe. Powodowało to szybsze uzyskanie końcowego momentu polerowania. W czwartej, „kompozycja C”, dwutlenek ceru (Rhodox 76) również stosowano w postaci dostarczanej przez producenta. Jak wspomniano wcześniej, rozkłady wielkości cząstek tych substancji mają charakter dwupikowy, z olbrzymią większością posiadających pik około 4, co stwierdzono po analizie przy użyciu analizatora wielkości cząstek typu Horiba 910. Wyniki zamieszczono w poniższej tabeli.

186 840

Tabela

Kompozycja	Ilość płytek	Wyjściowa grubość	Końcowa grubość	Czas (minuty)
A	24	4,180 mm	4,168 mm	120
B	10	4,186 mm	4,155 mm	60
B'	20	4,183 mm	4,163 mm	40
C	10	4,180 mm	4,150 mm	50

Kompozycja A, (w której stosowano mielony dwutlenek ceru, daje jednolitą, jasną, szarą barwę po 90 minutach i wymaga dalszych 30 minut dla usunięcia tej szarości i pozostawia płaskość poniżej jednej dziesiątej długości fali. Kompozycje B i B' polerują bardzo agresywnie i jednorodnie gęsto na całej powierzchni płytki. Kompozycja C również poleruje w najwyższym stopniu dobrze i szybko. Płytki ze szkła B270 posiadały powierzchnię doskonale płaską. Inne środki polerujące mogą zapewniać polerowanie bardziej „nieregularne” niż gęste i jednorodne polerowanie przy użyciu wymienionych kompozycji.

Z powyższych danych wynika, że gdy krytyczna jest klarowność, polerujące kompozycje zawierające niemielony dwutlenek ceru zapewniają znaczne korzyści. Przeciwnie, kompozycje zawierające mielony dwutlenek ceru ścierają i nadają płaskość szybko, ale więcej czasu potrzeba do uzyskania wizualnej perfekcji.

Claims

1. Kompozycja do polerowania optycznego, znamienna tym, że obejmuje wodną zawiesinę zawierającą zasadniczo od 5 do 20% wagowych cząstek stałych, z których od 85-95% stanowi alfa tlenek glinu o wielkości cząstek D50 mniejszej niż 0,5 mikrona i odpowiednio 15 do 5% wagowych stanowi dwutlenek ceru w postaci proszku o wielkości cząstek D50 od 0,2 do 4 mikronów.

2. Kompozycja do polerowania optycznego według zastrz. 1, znamienna tym, że zawartość części stałych w zawiesinie wynosi od 8 do 12% wagowych.

3. Kompozycja do polerowania optycznego według zastrz. 2, znamienna tym, że wielkość cząstek D50 tlenku glinu wynosi od 0,15 do 0,25 mikrona.

4. Kompozycja do polerowania optycznego według zastrz. 1, znamienna tym, że rozkład wielkości cząstek dwutlenku ceru wykazuje dwa składniki i wielkość cząstek D50 wynosi od 3 do 4 mikronów.