ES2204107T3

ES2204107T3 - Formulacion de pulido optico.

Info

Publication number: ES2204107T3
Application number: ES99907002T
Authority: ES
Inventors: Ronald W. Laconto, Sr.; Rami Schlair
Original assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Current assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Priority date: 1998-02-18
Filing date: 1999-02-16
Publication date: 2004-04-16
Anticipated expiration: 2019-02-16
Also published as: AU729245B2; JP3605036B2; ZA991150B; WO1999042537A1; HUP0101154A3; EP1060221B1; CO5060536A1; DK1060221T3; CA2319107A1; AR014959A1; KR100354202B1; FI118180B; US6258136B1; FI20001800L; AU2677799A; TWI239995B; CZ294042B6; BR9908020B1; NO20004122L; HUP0101154A2

Abstract

Una formulación de pulido óptico que comprende una pasta aguada acuosa que contiene desde un 5 a un 20% en peso de sólidos en los que un 85-95% del contenido en sólidos se proporciona mediante un componente de alfa alúmina con una tamaño medio de partícula de menos de 0, 5 micram, y correspondientemente un 15 a un 5% en peso del contenido en sólidos se proporciona mediante ceria en forma de un polvo con un tamaño de partícula de desde 0, 2 a 4 micram, siendo excluidas las formulaciones que comprenden un agente oxidante.

Description

Formulación de pulido óptico.

La presente invención trata de formulaciones para el pulido de superficies ópticas. La superficie pulida puede ser vidrio o plástico.

Es bien sabido que para producir una superficie óptica satisfactoria, es necesario que la superficie esté libre de arañazos y que tenga una R_{a} tan baja como sea posible. Esta medida de R_{a} es la distancia media entre los puntos mayor y menor en la superficie perpendicular del plano de la hoja de vidrio que se está puliendo. Así, admitiendo que la superficie no será totalmente lisa a escala submicrométrica, es una medida de la variación entre los puntos mayor y menor. Claramente cuanto menor sea la figura habrá mejor claridad óptica y libertad de distorsión.

Hay sin embargo otra consideración y ésta es la velocidad a la que se alcanza el nivel de perfección óptica deseado. El pulido de vidrio es un procedimiento químico mecánico que sólo tiene lugar en un medio acuoso. Es necesario que el compuesto pulidor reaccione con la superficie de vidrio y con el agua, así como con la superficie sujeta a la abrasión. Algunos materiales como la ceria son bastante reactivos pero no son muy abrasivos. Otros como la alúmina son bastante abrasivos pero no tienen mucha reactividad con la superficie. Este tema se trata correctamente en un artículo de Lee Clark titulado "Chemical Processes in Glass Polishing" que aparece en Journal of Non-Crystalline Solids 120 (1990), 152-171. En un entorno industrial, hay una ventaja significativa en terminar el procedimiento mejor en tiempos más cortos que en tiempos más largos, particularmente cuando no se reduce la calidad y/o cuando puede mejorarse la calidad.

En los procedimientos de pulido hay dos enfoques. En primer lugar, se coloca una pasta aguada de partículas abrasivas en un medio acuoso, (normalmente basado en agua desionizada) en contacto con la superficie que va a pulirse y se desplaza una almohadilla a lo largo de la superficie de formas predeterminadas de manera que dirija el abrasivo en la pasta aguada para pulir la superficie. En el segundo, las partículas abrasivas están embebidas en una matriz resinosa en forma de herramienta y la herramienta se usa entonces para pulir la superficie óptica. La presente invención trata del primer enfoque en el que se usan las pastas aguadas.

Se han propuesto varias formulaciones de pasta aguada en la técnica. La Patente de Estados Unidos Nº 4.576.612 produce su pasta aguada in situ en cantidades controladas proporcionando una almohadilla con una capa superficial que comprende las partículas abrasivas en una resina que se disuelve gradualmente durante el uso para liberar las partículas pulidoras. Las partículas declaradas útiles incluyen óxido de cerio ("ceria"), óxido de circonio ("circonia") y óxido de hierro.

El documento EP608730-A1 describe una pasta aguada abrasiva para pulir una superficie en un elemento óptico que comprende un abrasivo seleccionado de alúmina, vidrio, polvo de diamante, carborundo, carburo de tungsteno, carburo de silicio, o nitruro de boro con tamaños de partículas mayores de un micrómetro.

La Patente de Estados Unidos Nº 5.693.239 describe una pasta aguada para pulir y alisar una pieza de trabajo metálica que comprende partículas submicrométricas de alfa alúmina junto con otra forma más blanda de alúmina o de sílice amorfa.

Existe una cantidad considerable de técnicas también en el campo relacionado de formulaciones de pastas aguadas para el pulido químico mecánico de sustratos semiconductores y de nuevo, éstos emplean normalmente los mismos abrasivos con variaciones en los componentes del medio de dispersión.

El documento EP-A-0826757, que es un documento bajo la Convención de Patente Europea Art. 54 (3), describe una composición abrasiva que comprende un agente oxidante y partículas abrasivas que tienen un tamaño medio de partícula de 2 \mum o menos y que comprende (i) al menos un óxido seleccionado de óxido de aluminio y óxido de silicio y (ii) óxido de cerio en una cantidad de 5 a 40% en peso en términos de cesio basado en el óxido (i). El documento EP-A-0826757 también proporciona un procedimiento para pulir y alisar una capa de metal formada sobre un sustrato semiconductor usando una composición abrasiva. El documento EP-A-745656 describe partículas abrasivas que tienen un tamaño medio de partícula de no más de 2 \mum y que comprende 100 partes en peso de óxido de aluminio y/o óxido de silicio y de 5 a 25 partes en peso de cerio en forma de óxido de cerio, cuyas partículas abrasivas pueden usarse para alisar una película aislada sobre un sustrato semiconductor.

El éxito en el pulido de vidrios depende por supuesto hasta cierto punto de la dureza del vidrio. Con vidrios muy duros el pulido puede en efecto tomar mucho tiempo y dar lugar a problemas en el acabado si se prueba el recurso evidente de usar un abrasivo más duro.

Las formulaciones de pastas aguadas de la técnica anterior son a menudo muy efectivas en lograr el resultado deseado. Sin embargo también toman mucho tiempo. Se ha desarrollado una nueva formulación, en la que dos óxidos, "alúmina y ceria", trabajan en sinergia, de manera que la interacción mutua da mejores resultados que la suma de los efectos individuales de cualquiera de sus componentes. Esta formulación permite que se alcance un alto nivel de perfección óptica en un tiempo mucho menor del que se logra con las pastas aguadas de las técnicas anteriores sin la necesidad de las temperaturas elevadas usadas a veces para aumentar la reactividad. Además pulen muy efectivamente incluso vidrios duros con un pequeño daño colateral o sin él en la superficie. Pueden usarse con aparatos pulidores de tipo "almohadilla" o "brea".

La presente invención proporciona una formulación de pulido óptico que comprende un medio de dispersión con partículas abrasivas dispersas en su interior en la que el abrasivo comprende partículas de alfa alúmina y ceria en una proporción de alúmina a ceria de desde 95:5 a 85:15 y preferiblemente de 88:12. La invención proporciona en particular una formulación de pulido óptico que comprende una pasta aguada acuosa que contiene desde un 5 a un 20% en peso de sólidos en los que desde un 85-95% de los sólidos contenidos se proporcionan mediante un componente alfa alúmina con un tamaño medio de partícula menor de 0,5 \mum y correspondientemente desde un 15 a un 5% en peso de los sólidos contenidos se proporcionan mediante ceria en forma de polvo con un tamaño medio de partícula de 0,2 a 4 \mum excluyéndose las formulaciones que comprenden un agente oxidante.

En las formulaciones preferidas la alúmina está en forma de partículas que son esencialmente completamente submicrométricas en tamaño y en la que el tamaño medio de la partícula es menor de 0,5 \mum y más preferiblemente desde 0,15 a 0,25 \mum. En el contexto de esta Solicitud, se entiende que los "tamaños medios de las partículas" expuestos son los valores "D_{50}" medidos usando un analizador de tamaño de partícula L-910 vendido por Horiba Ltd. Tales alúminas se obtienen por ejemplo usando los procedimientos descritos en la Patente de Estados Unidos Nº 4.657.754.

La ceria disponible comercialmente es generalmente una mezcla de óxidos de metales de las tierras raras con ceria como componente mayoritario. Otros componentes pueden incluir neodimio, samario, praesodimio y lantano. Pueden además estar presentes más cantidades minoritarias de otras tierras raras. En la práctica se observa que la pureza de la "ceria" no afecta en gran medida al rendimiento de las partículas abrasivas en la solicitud de pulido de manera que las propiedades encontradas como útiles en esta invención aparecerían repartidas en mayor o menor parte por el resto de óxidos de metales de las tierras raras que se presentan con la ceria en los materiales comerciales vendidos bajo ese nombre. Para los propósitos de esta memoria descriptiva, las mezclas de óxidos de metales de las tierras raras en los que la ceria es el componente principal en términos de porcentaje en peso en el producto, se denominarán "ceria". Los ejemplos de fuentes comerciales de "ceria" incluyen "50D1" y "Superox 50" (Ambas suministradas por Cercoa PenYan N.Y.) que contienen aproximadamente un 75% y un 34% de ceria respectivamente; y "Rhodox 76" (de Rhone Poluenc) que comprende aproximadamente un 50% de ceria.

Como comercialmente disponible, la ceria se encuentra normalmente en forma de partículas con una distribución de tamaño de partículas de dos componentes con picos de tamaños de partículas de aproximadamente 0,4 y 4 \mum, en el que las de mayor tamaño proporcionan el grueso de las partículas. Esto da un valor total de D_{50} para el polvo menor de 4, y normalmente de entre 3-3,5 \mum. Se observa que si esta distribución se reduce moliendo la ceria a partículas de tamaño relativamente uniforme de aproximadamente 0,2 \mum y más preferiblemente de aproximadamente 0,4 \mum, el rendimiento de la formulación no se ve muy afectado a menos que el vidrio sea particularmente duro y que además se requiera un alto nivel de perfección visual. En estas circunstancias a menudo se encuentra más efectiva la distribución del tamaño de la partícula no molida.

El medio en el que están dispersas las partículas abrasivas es acuoso aunque pueden estar presentes cantidades menores de líquidos miscibles en agua. Más comúnmente se usa agua desionizada junto con un agente tensioactivo para ayudar a mantener las partículas abrasivas bien dispersas. El contenido en sólidos de la pasta aguada ronda típicamente entre un 5 a un 15 o incluso un 20% en peso, porcentajes más o menos diluidos para la brea. Generalmente una pasta aguada con un menor contenido en sólidos pulirá más lentamente y una pasta aguada con un alto contenido en sólidos podrá tener un problema con el ajuste de la pasta aguada. Las consideraciones prácticas disponen por lo tanto un contenido en sólidos de entre un 5 a un 15 y más preferiblemente de entre un 8 a un 12% en peso de sólidos en la pasta aguada.

Descripción de las formas de realización preferidas

La invención se describe ahora con más detalle en referencia a los siguientes ejemplos que pretenden demostrar la utilidad de la invención y los efectos de la variación de la pureza y del tamaño de partícula del componente ceria. Sin embargo los ejemplos no pretenden suponer limitaciones necesarias en el alcance de la invención.

Ejemplo 1

En este Ejemplo se compara el rendimiento de la mezcla abrasiva de la invención frente a formulaciones de pastas aguadas que contienen los compuestos solos.

Los ensayos de pulido se llevaron a cabo en una máquina Peter Wolters AC500 de dos lados equipada con almohadillas pulidoras "Suba 500" suministradas por Rodel, Inc. Las muestras de vidrio pulido se realizaron a partir de cuarzo de sílice fundido (Corning), considerado un vidrio duro (560-640 Knoop).

Las muestras se pulieron usando un 10% de pastas aguadas sólidas de cada uno de los tres abrasivos. El primero fue 100% alúmina, el segundo 100% ceria, y el tercero fue una mezcla 90:10 de los mismos componentes de alúmina y ceria. La alúmina se obtuvo de Saint-Gobain Industrial Ceramics, Inc. y comprendía partículas de alfa alúmina con tamaños de aproximadamente 20 a 50 nanómetros en forma de aglomerados de aproximadamente 0,15 a 0,25 \mum de diámetro. Esencialmente los aglomerados no fueron mayores de un micrómetro. El componente de ceria fue Rhodox 76, y un producto de óxido de metal de las tierras raras que comprende aproximadamente un 50% de ceria que se ha molido a un tamaño de partícula con una D_{50} de aproximadamente 0,4 \mum. Las pastas aguadas se prepararon en agua desionizada a la que se añadió un 0,07% en peso de un agente tensioactivo (poliacrilato de sodio suministrado por R. T. Vanderbilt bajo el nombre registrado de Darvan 811).

El rendimiento obtenido en términos de acabado de la superficie se siguió en el tiempo y se dibujó un gráfico de los datos recogidos. Esto aparece en la Figura 1 de los dibujos. La Figura 2 muestra los mismos datos con un eje "Acabado" desarrollado para mostrar más claramente la mejora obtenida.

En las Figs. 1 y 2 puede observarse que, aunque la muestra pulida con 100% ceria tenía un acabado inicial mejor, (es decir, después del pulido era más liso), que con los otros dos, no pulió ni con mucho tan bien. Como puede observarse en la Figura 2, la alúmina sola nunca alcanzó un acabado de la superficie, (R_{a}), de 20 nm (200 angstroms). Por otro lado este nivel de acabado de la superficie se alcanzó mediante la ceria después de aproximadamente 19 minutos y la mezcla de acuerdo con la invención alcanzó este nivel en menos de 10 minutos. Visto desde otro punto de vista, después de aproximadamente 10 minutos el material pulido con pasta aguada de ceria tuvo un acabado de superficie de aproximadamente 900, el material de pulido de pasta aguada de alúmina tuvo un acabado de un poco menos de 600 y la pasta aguada de acuerdo con la invención produjo un acabado de menos de 200.

Ejemplo 2

Este Ejemplo examina el efecto de la variación del tamaño de la partícula de la ceria en el pulido de sílice fundida.

La formulación de acuerdo con la invención fue esencialmente la usada en el Ejemplo 1 pero siendo la ceria Rhodox 76 la obtenida de Rhone Poulenc. El Rhodox 76 se usó sin embargo en cuatro tamaños diferentes de partícula (según se midió por el valor D_{50} determinado usando un analizador de tamaño de partículas Horiba LA910) en cuatro evaluaciones separadas de pulido. Los tamaños de partículas usadas fueron de 3,17 \mum, 2,14 \mum, 0,992 \mum, y 0,435 \mum. El gráfico representado por la Fig. 1 resume los resultados. En este gráfico puede apreciarse que, con este vidrio, hubo una pequeña diferencia en el rendimiento de pulido que podría deberse al efecto del tamaño de la partícula de ceria. Se obtuvieron resultados similares usando como las fuentes de ceria "Superox 50" y "50D-1".

Ejemplo 3

En este Ejemplo se investigó la fuente de la ceria y específicamente si la pureza del producto tenía algún efecto sobre la eficiencia de pulido. Las formulaciones de acuerdo con la invención se prepararon conteniendo aproximadamente un 10% del componente de ceria y correspondientemente un 90% aproximadamente de la alúmina usada en las formulaciones del Ejemplo 1. Estas formulaciones se ensayaron puliendo vidrio de sílice fundido usando un equipamiento y procedimientos idénticos a los descritos en el Ejemplo 1. Se obtuvieron los resultados mostrados en la Figura 4. La primera muestra, "S", fue "Superox 50" que contiene aproximadamente un 34% de ceria. La segunda, "R", fue "Rodox 76" que contiene aproximadamente un 50% de ceria. La tercera, "D", fue "50D1" que contiene aproximadamente un 75% de ceria. Como podrá apreciarse, se observó una pequeña diferencia en el rendimiento de pulido entre las tres. Según parece entonces los otros óxidos de metales de las tierras raras probablemente se comportaran de manera similar a la ceria en las formulaciones de acuerdo con la invención.

Ejemplo 4

Este Ejemplo investiga la eficiencia de pulido y los efectos del tamaño de las partículas de ceria sobre un vidrio B270, (dureza del vidrio 530 Knoop). Mientras que los Ejemplos anteriores se evaluaron bajo condiciones de laboratorio y se ensayaron sólo respecto al "Acabado de la Superficie" medido en términos del valor R_{a}, las siguientes evaluaciones se realizaron según la facilidad de producción usando un operador experto que evaluó el punto final en términos de perfección visual. Esto dice más que sólo el valor de R_{a} que no identifica necesariamente la "grisura" que resulta de las imperfecciones de la superficie que quedan por la operación de pulido.

Se usó un pulidor 4800 P. R. Hoffman de dos lados equipado con almohadillas pulidoras "Suba 10" suministradas por Rodel corporation. Durante el pulido se aplicó a las piezas una presión de aproximadamente, 1.034 x 10^{4} pascales (1,5 psi). El punto final del pulido fue cuando se hubo alcanzado un predeterminado nivel deseado de perfección en la superficie (claridad).

Se prepararon tres formulaciones de acuerdo con la invención. Las tres contenían la alúmina y los componentes tensioactivos descritos en el Ejemplo 1 en las mismas cantidades y dispersos, junto con el componente de ceria, en las mismas proporciones relativas en agua desionizada. La diferencia entre los componentes reside en el tamaño de partícula de la ceria. En la primera, ("Formulación A"), el componente de ceria se había molido hasta una D_{50} de 0,4 \mum. En la segunda y la tercera, ("Formulaciones B y B'"), la ceria (Superox 50) se usó directamente tal y como se suministra por el fabricante. La única diferencia entre las dos fueron las muestras de vidrio pulidas. En la segunda "B", el tamaño de las muestras que se estaban puliendo era menor, y por lo tanto la presión ejercida sobre ellas durante el pulido en la misma máquina, era mayor. Esto tuvo como resultado la mejora del punto final más rápidamente. En la cuarta, "Formulación C", la ceria (Rodox 76) se usó también tal y como se suministra por el fabricante. Como se indica anteriormente, los materiales así recibidos tenían distribuciones bimodales teniendo el mayor volumen de partículas un pico de partícula de aproximadamente 4 en un analizador de tamaños de partículas 910 vendido por Horiba Ltd. Los resultados se exponen en la siguiente Tabla 1.

TABLA 1

FORMULACIÓN	Nº PIEZAS	GROSOR	GROSOR	TIEMPO
		INICIAL	FINAL	(minutos)
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

La Formulación A, (que usó el componente de ceria molido), produjo una luz uniforme de color gris después de 90 minutos y se requirieron 30 minutos adicionales para eliminar esta grisura y dejar una llanura inferior a un décimo de longitud de onda. Las Formulaciones B y B' pulieron muy agresivamente y muy consistentemente de manera uniforme a lo largo de la pieza de trabajo. La Formulación C también pulió extremadamente bien y rápidamente. El producto de vidrio B270 tuvo una llanura de superficie excelente. Otros materiales pulidores pueden pulir más bien "irregularmente" que consistentemente y uniformemente sobre la superficie de la pieza de trabajo, como con estas formulaciones.

Por lo tanto, cuando la claridad es crítica, el pulido con formulaciones que tienen un componente de ceria no molido proporciona ventajas significativas. Contrariamente, las formulaciones que tienen componentes de ceria molidos muelen rápidamente y allanan rápidamente, pero lleva más tiempo alcanzar la perfección visual.

Claims

1. Una formulación de pulido óptico que comprende una pasta aguada acuosa que contiene desde un 5 a un 20% en peso de sólidos en los que un 85-95% del contenido en sólidos se proporciona mediante un componente de alfa alúmina con una tamaño medio de partícula de menos de 0,5 \mum, y correspondientemente un 15 a un 5% en peso del contenido en sólidos se proporciona mediante ceria en forma de un polvo con un tamaño de partícula de desde 0,2 a 4 \mum, siendo excluidas las formulaciones que comprenden un agente oxidante.

2. La formulación de pulido óptico según la reivindicación 1 en la que el contenido en sólidos de la pasta aguada es de un 8 a un 12% en peso.

3. La formulación de pulido óptico según la reivindicación 1, en la que el componente de alúmina tiene un tamaño medio de partícula de desde 0,15 a 0,25 \mum.

4. La formulación de pulido óptico según la reivindicación 1, en la que el componente de ceria tiene una distribución de tamaño de partícula que muestra dos componentes y un tamaño medio de partícula de 3 a 4 \mum.