JP2004083625A

JP2004083625A - Abrasive material

Info

Publication number: JP2004083625A
Application number: JP2002242496A
Authority: JP
Inventors: Tamikuni Komatsu; 小松　民邦
Original assignee: Asahi Kasei Corp
Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2002-08-22
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2022-08-22
Also published as: JP4188028B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an abrasive material using a new ultrafine particulate diamond having better durability than that of shock synthetic diamond and the excellent durability in oxidizing atmosphere. <P>SOLUTION: The abrasive material is composed of powder of a diamond structural material obtained by shock synthesis, having an element composition of BCxN (wherein, x is 1-20) and composed of boron, carbon and nitrogen. The average diameter of primary particles of the powder is 5-10 nm and the diameter of secondary particles is 45-550 nm. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウエハー、磁気ヘッド、ハードディスク等の表面の仕上げ加工、精密部材の研磨加工等に用いる研磨材に関するものであり、特に、硬質表面の精密研磨に適した新規な研磨材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤモンドは、地球に存在するすべての物質の中で最高の硬度を有するため、あらゆる材料の研磨材となりうる。近年、電子工業の主流を占めるハードディスク等の記録媒体の大容量化が急速に進んでいるが、記録媒体の表面加工精度を向上するために、従来のミクロンサイズよりも１桁小さいサイズのダイヤモンド粉末が研磨材として用いられている。
【０００３】
研磨材用のダイヤモンドには、静的高温・高圧下で合成されるものと、爆薬を用いて合成されるものがあるが、上記の目的には、衝撃合成ダイヤモンド粉末が適している。これは、衝撃合成ダイヤモンド粉末の特殊な形態─二次粒子の大きさがサブミクロンサイズの多結晶性球状粒子─によるところが大きい。しかし、超微粒のダイヤモンド粉末は酸化され易いので、長期間の使用によって減耗するという問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の事情に鑑み、衝撃合成ダイヤモンドよりも耐久性に優れると共に、酸化雰囲気における耐久性に優れた、新規な超微粒ダイヤモンドを用いた研磨材を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、爆薬を用いて合成した、全く新しい、炭素、硼素及び窒素からなるダイヤモンド構造物質（ヘテロダイヤモンド）の粉末を分級することによって、上記目的を達成することを見出し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、衝撃合成によって得られる、元素組成がＢＣｘＮ（ｘ＝１〜２０）である、硼素、炭素及び窒素からなるダイヤモンド構造物質の粉体であって、粉体の一次粒子の平均直径が５〜１０ｎｍ、かつ、二次粒子の直径が４５〜５５０ｎｍである粉体からなる研磨材である。
【０００６】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の炭素、硼素及び窒素からなるダイヤモンド構造物質（以下、ヘテロダイヤモンド、という）は、原料である炭素、硼素及び窒素からなる黒鉛構造物質から衝撃合成したものである。黒鉛構造物質としては、三塩化硼素とアセト二トリルを高温処理して得られる黒鉛類似物質、三塩化硼素、アセチレンのような炭化水素及びアンモニアのような窒素含有気体の三者を高温処理して得られる黒鉛類似物質等を用いることができる。衝撃合成は、特開平６−３１６４１１号公報に記載の方法により行うことができる。得られたヘテロダイヤモンド粉末の元素組成は化学分析によって測定できる。
【０００７】
本発明のヘテロダイヤモンドの組成式は、ＢＣ_ＸＮで表される。ｘは１〜２０であり、ｘが２〜６の場合は、硼素と窒素の含有率が高いので耐酸化性に優れているので好ましい。このヘテロダイヤモンドを研磨材として用いる場合、研磨材中に、通常、０．０１質量％以上、好ましくは０．０５質量％以上、より好ましくは０．１質量％以上含ませる。
結晶構造は、Ｘ線回折によってダイヤモンド構造であることが確認できる。結晶は、非常に小さい一次粒子が粒界で凝集して二次粒子を構成しているので多結晶体である。
【０００８】
衝撃合成によって得られるヘテロダイヤモンドの粉体の粒度分布をそろえるために分級を行う。分級は、ヘテロダイヤモンド粉末を水分散し、水流下における沈降速度を制御することによって行うことができる。分級されたヘテロダイヤモンド粉末の一次粒子の平均直径は、粉末Ｘ線回折によって１１１面の回折曲線の線幅からシェラーの式、すなわち、Ｌ＝０．９λ／ｃｏｓθ（式中、Ｌは結晶の大きさ、λは、Ｘ線の波長、θは、１１１面の回折角である）、を用いて測定することができる。二次粒子の形状と大きさは、走査型電子顕微鏡によって観察できる。
【０００９】
本発明で用いられる紛体は、一次粒子の平均直径が５〜１０ｎｍ、二次粒子の直径が４５〜５５０ｎｍの球状粒子である。粒子が球状であるために、被研磨材料の表面に引っかき傷をつけることのない、滑らかな研磨が可能である。したがって、本発明の研磨材は、精密研磨用として好適であり、なかでも、シリコンウエハー、炭化珪素ウエハー等の電子記録媒体等の研磨に最適である。
一般に、研磨材の二次粒子の大きさは、ナノレベルの超精密研磨のためにはナノサイズの範囲にあることが好ましいが、本発明のヘテロダイヤモンド粉末は、その粒界において、研磨過程で被研磨材料から受けるせん断力によってより細かな粒子に細分化するので、初期粒度が５００ｎｍの粉末であっても精密研磨に使用できる。
【００１０】
本発明のヘテロダイアモンドの耐酸化性は、空気気流中における熱重量測定によって評価することができる。ヘテロダイヤモンド粉末は、ダイヤモンド粉末よりも耐酸化性が優れている。硬度の直接測定は、材料が超微粒子であるので困難であるが、ダイヤモンドの１１１面に擦り跡をつけることができるので、ダイヤモンドと同等の硬度をもつものと予想される。
本発明のヘテロダイヤモンド粉末は、単独で研磨材として用いることができるが、適切な媒体に分散して用いることもできる。炭素、硼素及び窒素から構成されるヘテロダイヤモンドは極性の物質であるので、分散媒体が水の場合にはコロイド状の分散液となり、そのため複雑形状の材料の超精密研磨が可能である。
以上の特徴から、本発明のヘテロダイヤモンドの超微粒子は、硬質表面のウエハー、磁気ヘッド、ハードディスク等の表面の仕上げ加工、精密部材の研磨加工に最適である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、実施例により、本発明を具体的に説明する。
【００１２】
【実施例１】
ヘテロダイヤモンドの出発原料には、アセトニトリルと三塩化硼素を窒素気流中１５００℃で処理して得た黒鉛類似構造のＢＣ_２Ｎを用いた。特開平６−３１６４１１号公報に記載の方法で合成したヘテロダイヤモンド粉末を水分散し、適切な水流を与えて沈降速度の違いによって分級した。化学分析による元素分析の結果、硼素：炭素：窒素の組成比は１：２．５：１（ＢＣ_２．５Ｎ）であった。
【００１３】
得られた粉末のＸ線回折図を図１に、走査型電子顕微鏡写真を図２に示す。図１から、物質がダイヤモンド構造を有することがわかる。解析の結果、格子定数は０．３６０５ｎｍであった。Ｘ線回折図における１１１面（メインピーク）の回折曲線の線幅から、シェラーの式、すなわち、Ｌ＝０．９λ／ｃｏｓθ（式中、Ｌは結晶の大きさ、λはＸ線の波長、θは１１１面の回折角である）、を用いて測定した一次粒子の直径は８ｎｍであり、図２から、二次粒子の直径は４５〜５５０ｎｍであることがわかった。
【００１４】
空気気流中における熱重量減少をダイヤモンド粉末（衝撃合成ダイヤモンド：１／８ＵＱＧ、デュポン社製）と比較した結果を図３に示す。図３から、ヘテロダイヤモンド粉末は、ダイヤモンド粉末よりも耐酸化性が優れ、ダイヤモンドのように燃え尽きないことがわかる。
【００１５】
【実施例２】
実施例１で得たヘテロダイヤモンド粉末を用いてニッケル板の表面を研磨した。研磨材として、超純水にヘテロダイヤモンド粉末を、重量比率で０．２％分散してなるコロイド状の水分散液を用いた。研磨速度は、２０分間の研磨におけるニッケル板の重量減少から求め、研磨面の面粗さは、原子力間顕微鏡（ＡＦＭ）によって観察した。比較のために、衝撃合成ダイヤモンド粉末（衝撃合成ダイヤモンド：１／８ＵＱＧ、デュポン社製）を０．２％分散した水分散液を用いて同様の条件で研磨した。
研磨性能を測定した結果を表１に示す。
【００１６】
【表１】

【００１７】
【発明の効果】
本発明のヘテロダイアモンドは、衝撃合成ダイヤモンドよりも耐久性に優れると共に、酸化雰囲気における耐久性に優ており、硬質材料の表面を精密研磨するのに好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明ヘテロダイヤモンド粉末の粉末Ｘ線回折チャート。
【図２】本発明ヘテロダイヤモンド粉末の透過型顕微鏡写真。
【図３】空気気流中における熱重量測定チャート。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a polishing material used for finishing a surface of a silicon wafer, a magnetic head, a hard disk, or the like, polishing a precision member, and the like, and particularly relates to a novel polishing material suitable for precision polishing of a hard surface.
[0002]
[Prior art]
Diamond can be an abrasive for any material because it has the highest hardness of any substance present on Earth. In recent years, the capacity of recording media such as hard disks, which dominate the electronics industry, has been rapidly increasing. However, in order to improve the surface processing accuracy of recording media, diamond powder having a size one order of magnitude smaller than the conventional micron size has been used. Are used as abrasives.
[0003]
Diamonds for abrasives include those synthesized under static high temperature and high pressure and those synthesized using explosives. For the above purpose, impact synthetic diamond powder is suitable. This is largely due to the special morphology of the impact synthetic diamond powder (the polycrystalline spherical particles whose secondary particles have a submicron size). However, since the ultrafine diamond powder is easily oxidized, there is a problem in that the powder is worn out over a long period of use.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above circumstances, an object of the present invention is to provide a novel abrasive material using ultrafine diamond, which is superior in durability to impact synthetic diamond and superior in durability in an oxidizing atmosphere.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor has conducted intensive studies to achieve the above object, and as a result, has classified a completely new powder of a diamond structural material (heterodiamond) composed of carbon, boron and nitrogen, which has been synthesized using explosives. As a result, the present inventors have found that the above object is achieved, and have completed the present invention based on this finding.
That is, the present invention relates to a powder of a diamond structural material comprising boron, carbon and nitrogen and having an elemental composition of BCxN (x = 1 to 20), obtained by impact synthesis, wherein the average of primary particles of the powder is It is an abrasive made of a powder having a diameter of 5 to 10 nm and secondary particles having a diameter of 45 to 550 nm.
[0006]
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The diamond structure material comprising carbon, boron and nitrogen (hereinafter, referred to as heterodiamond) of the present invention is a material synthesized by impact from a graphite structure material comprising carbon, boron and nitrogen as a raw material. As a graphite structure material, a graphite-like substance obtained by high-temperature treatment of boron trichloride and acetonitrile, boron trichloride, a hydrocarbon such as acetylene, and a nitrogen-containing gas such as ammonia are subjected to high-temperature treatment. The obtained graphite-like substance can be used. Impact synthesis can be performed by the method described in JP-A-6-316411. The element composition of the obtained hetero diamond powder can be measured by chemical analysis.
[0007]
The composition formula of the hetero diamond of the present invention is represented by BC _X N. x is from 1 to 20, and when x is from 2 to 6, the content of boron and nitrogen is high and the oxidation resistance is excellent. When this hetero diamond is used as an abrasive, the abrasive is usually contained in an amount of 0.01% by mass or more, preferably 0.05% by mass or more, more preferably 0.1% by mass or more.
The crystal structure can be confirmed to be a diamond structure by X-ray diffraction. Crystals are polycrystalline because very small primary particles aggregate at grain boundaries to form secondary particles.
[0008]
Classification is performed to make the particle size distribution of the heterodiamond powder obtained by the impact synthesis uniform. Classification can be performed by dispersing the hetero diamond powder in water and controlling the sedimentation velocity under a water stream. The average diameter of the primary particles of the classified heterodiamond powder is determined by the Scherrer equation from the line width of the diffraction curve of the 111 plane by powder X-ray diffraction, that is, L = 0.9λ / cos θ (where L is the crystal size). Here, λ is the wavelength of the X-ray, and θ is the diffraction angle of the 111 plane). The shape and size of the secondary particles can be observed with a scanning electron microscope.
[0009]
The powder used in the present invention is a spherical particle having an average primary particle diameter of 5 to 10 nm and a secondary particle diameter of 45 to 550 nm. Since the particles are spherical, smooth polishing without scratching the surface of the material to be polished is possible. Therefore, the abrasive of the present invention is suitable for precision polishing, and is most suitable for polishing electronic recording media such as silicon wafers and silicon carbide wafers.
In general, the size of the secondary particles of the abrasive is preferably in the nano-size range for ultra-precision polishing at the nano level, but the hetero diamond powder of the present invention has a grain boundary at the grain boundary during the polishing process. Since the particles are finely divided by the shear force received from the material to be polished, even a powder having an initial particle size of 500 nm can be used for precision polishing.
[0010]
The oxidation resistance of the hetero diamond of the present invention can be evaluated by thermogravimetry in an air stream. Hetero diamond powder has better oxidation resistance than diamond powder. Direct measurement of hardness is difficult because the material is ultrafine, but it is expected that it will have hardness equivalent to diamond because it can scratch the 111 surface of diamond.
The hetero diamond powder of the present invention can be used alone as an abrasive, but can also be used by dispersing it in an appropriate medium. Since heterodiamond composed of carbon, boron and nitrogen is a polar substance, when the dispersion medium is water, it becomes a colloidal dispersion liquid, and therefore, ultra-precision polishing of a material having a complicated shape is possible.
From the above characteristics, the ultrafine diamond particles of the present invention are most suitable for finishing of hard surfaces such as wafers, magnetic heads and hard disks and polishing of precision members.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples.
[0012]
Embodiment 1
As a starting material for the heterodiamond, BC ₂ N having a graphite-like structure obtained by treating acetonitrile and boron trichloride at 1500 ° C. in a nitrogen stream was used. The heterodiamond powder synthesized by the method described in JP-A-6-316411 was dispersed in water, and an appropriate water flow was applied to classify the powder according to the difference in sedimentation velocity. As a result of elemental analysis by chemical analysis, the composition ratio of boron: carbon: nitrogen was 1: 2.5: 1 (BC _2.5 N).
[0013]
FIG. 1 shows an X-ray diffraction pattern of the obtained powder, and FIG. 2 shows a scanning electron micrograph. FIG. 1 shows that the material has a diamond structure. As a result of the analysis, the lattice constant was 0.3605 nm. From the line width of the diffraction curve of the 111 plane (main peak) in the X-ray diffraction diagram, the Scherrer equation, that is, L = 0.9λ / cos θ (where L is the crystal size, λ is the X-ray wavelength, θ is the diffraction angle of the 111 plane), and the diameter of the primary particles was 8 nm, and from FIG. 2, it was found that the diameter of the secondary particles was 45 to 550 nm.
[0014]
FIG. 3 shows the results of comparing the thermogravimetric loss in an air stream with diamond powder (impact synthetic diamond: 1/8 UQG, manufactured by DuPont). FIG. 3 shows that the hetero diamond powder has better oxidation resistance than the diamond powder and does not burn out like diamond.
[0015]
Embodiment 2
Using the hetero diamond powder obtained in Example 1, the surface of the nickel plate was polished. As an abrasive, a colloidal aqueous dispersion obtained by dispersing a hetero diamond powder in ultrapure water at a weight ratio of 0.2% was used. The polishing rate was determined from the weight loss of the nickel plate during polishing for 20 minutes, and the surface roughness of the polished surface was observed with an atomic force microscope (AFM). For comparison, polishing was performed under the same conditions using an aqueous dispersion in which 0.2% of impact synthetic diamond powder (impact synthetic diamond: 1/8 UQG, manufactured by DuPont) was dispersed.
Table 1 shows the results of the measurement of the polishing performance.
[0016]
[Table 1]

[0017]
【The invention's effect】
The heterodiamond of the present invention is more durable than impact synthetic diamond and more durable in an oxidizing atmosphere, and is suitable for precisely polishing the surface of a hard material.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a powder X-ray diffraction chart of the heterodiamond powder of the present invention.
FIG. 2 is a transmission micrograph of the heterodiamond powder of the present invention.
FIG. 3 is a thermogravimetry chart in an air stream.

Claims

衝撃合成によって得られる、元素組成がＢＣｘＮ（ｘ＝１〜２０）である、硼素、炭素及び窒素からなるダイヤモンド構造物質の粉体であって、粉体の一次粒子の平均直径が５〜１０ｎｍ、かつ、二次粒子の直径が４５〜５５０ｎｍである粉体からなる研磨材。A powder of a diamond structural material comprising boron, carbon, and nitrogen and having an elemental composition of BCxN (x = 1 to 20), obtained by impact synthesis, wherein the primary particles of the powder have an average diameter of 5 to 10 nm, An abrasive made of a powder having a secondary particle diameter of 45 to 550 nm.