(57)【要約】【課題】酸化セリウム砥粒のように希少な希土類元素を含む砥粒を用いることなく、酸化セリウム砥粒を用いた場合と同等な研磨性（研磨レートおよび表面粗さ）を確保できる研磨材を提供する。【解決手段】本発明の研磨材は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を主成分とする砥粒と、２価の鉄を有する研磨助剤と、を含むことを特徴とする。研磨助剤は、硫酸鉄（II）や塩化鉄（II）等の鉄化合物である。砥粒の含有量（Ｍｇ）に対する研磨助剤の含有量（Ｍａ）の質量割合である助剤含有率（Ｍａ／Ｍｇ）は、例えば、０．０１〜０．７とすると好ましい。研磨助剤による研磨性の向上は、Ｆｅ２＋により発現される弱酸性および還元性に起因していると考えられる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を主成分とする砥粒と、
２価の鉄を有する研磨助剤と、
を含むことを特徴とする研磨材。
【請求項２】
前記砥粒の含有量（Ｍｇ）に対する前記研磨助剤の含有量（Ｍａ）の質量割合である助剤含有率（Ｍａ／Ｍｇ）は、０．０１〜１．０である請求項１に記載の研磨材。
【請求項３】
前記砥粒は、平均粒径が０．１〜５μｍである請求項１または２に記載の研磨材。
【請求項４】
前記研磨助剤は、２価の鉄イオン（Ｆｅ２＋）を生じさせ得る鉄化合物からなる請求項１〜３のいずれかに記載の研磨材。
【請求項５】
前記鉄化合物は、硫酸塩および／または塩化物からなる請求項４に記載の研磨材。
【請求項６】
前記砥粒の粉末と前記鉄化合物の粉末とを混合した混合粉末からなる請求項４または５に記載の研磨材。
【請求項７】
前記砥粒とＦｅ２＋が分散媒中に分散している研磨スラリーからなる請求項１〜３のいずれかに記載の研磨材。
【請求項８】
酸化ジルコニウムを主成分とする砥粒を分散媒に分散させた研磨スラリーを調製する調製工程と、
該研磨スラリーを用いて被研磨材を研磨する研磨工程と、
を備える研磨方法であって、
前記研磨スラリーは、さらに２価の鉄を有する研磨助剤を含むことを特徴とする研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガラス（特に光学ガラス）等の精密部品の研磨に適した研磨材および研磨方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学用レンズ、プラズマまたは液晶のディスプレイパネル用ガラス、液晶ＴＶ用カラーフィルター用ガラス、ＬＳＩ用フォトマスク用ガラス等の精密部品は、平坦性や表面粗さなどの要求が厳しく、高精度な表面研磨を経て製造される。
【０００３】
このような表面研磨には、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム等からなる砥粒の他、化学機械研磨作用を発揮するといわれる酸化セリウムからなる砥粒（微粒子）が用いられている。酸化セリウムからなる砥粒を表面研磨に用いると、良好な表面粗さのみならず高い研磨レートも得られ、研磨性の向上を図れる。
【０００４】
もっとも最近では、希土類元素などの希少元素の使用量を低減することが求められており、希土類元素を含まない新たな研磨材や研磨方法が盛んに研究されている。これに関連した記載が例えば下記の特許文献１にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２０４４１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１は、メモリーハードディスクのサブストレート（ディスク基板）等に適した研磨材として、コロイダルシリカやフュームドジルコニアからなる砥粒に、鉄化合物からなる研磨促進剤（研磨助剤）を加えたものを提案している。
【０００７】
特許文献１で用いている鉄化合物は、硝酸鉄（III）のような３価の鉄の化合物である。２価の鉄の化合物を用いる場合は、わざわざ、その全量を研磨組成物中で酸化させ、２価の鉄を３価の鉄に変化させて用いることを推奨している（特許文献１の［００３４］）。
【０００８】
本発明者は、酸化ジルコニウムからなる砥粒と塩化鉄（II）を用いて、その特許文献１で推奨している方法により研磨を試みた。しかし、２価の鉄を３価の鉄へ変化させた場合、研磨性は向上しなかった。むしろ、そのような方法を採用することにより、表面粗さおよび研磨レートが逆に大きく悪化することがわかった。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、酸化ジルコニウムを主成分とする砥粒を用いつつ、酸化セリウムからなる砥粒を用いた場合と同等な優れた研磨性が得られる研磨材および研磨方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し試行錯誤を重ねた結果、酸化ジルコニウムからなる砥粒が分散した研磨スラリー中に、２価の鉄イオン（Ｆｅ２＋）が含まれていると、酸化セリウムからなる砥粒を用いるまでもなく、それを用いた場合と同等な表面粗さおよび研磨レートが得られて、研磨性が大幅に向上し得ることが新たにわかった。この発見を発展させることにより、以降に述べる一連の本発明を完成するに至った。
【００１１】
《研磨材》
（１）本発明の研磨材は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を主成分とする砥粒と、２価の鉄を有する研磨助剤と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
（２）本発明の研磨材により、希少な酸化セリウム等からなる砥粒を用いることなく、良好な研磨性を確保することが可能となる。もっとも、本発明の研磨材が優れた研磨性を発現するメカニズムは必ずしも定かではないが、現状では次のように考えられる。
【００１３】
先ず、酸化ジルコニウムからなる砥粒は、その組成（ＺｒＯ２ 以外の混在物）にも依るが、ほぼ弱酸性〜中性付近に等電点（化合物全体の電荷平均が０となるｐＨ）を有する。そして、研磨助剤を構成する２価の鉄（適宜、単に、鉄（II）またはＦｅ２＋という。）を含む水溶液は弱酸性を示す。このため砥粒が分散媒中に分散してなる研磨スラリー中にＦｅ２＋が混在していると、その研磨スラリーは砥粒の等電点またはその近傍のｐＨを示す。この研磨スラリーを用いて研磨を行うと、そのようなｐＨ内に等電点を有する酸化ジルコニウムからなる砥粒が研磨パッド中で凝集し易くなる。その結果、酸化ジルコニウムからなる砥粒が研磨パッド上で滞留し易くなり、研磨レートが向上したと考えられる。なお、このような研磨レートの向上は２価の鉄に生じる特有な効果であり、既述したように３価の鉄（適宜、単に、鉄（III）またはＦｅ３＋という。）にそのような効果は生じない。
【００１４】
また、Ｆｅ２＋による研磨性の向上作用は、研磨スラリーのｐＨを弱酸性にするのみならず、Ｆｅ２＋の還元性にもあると考えられる。すなわちＦｅ２＋は還元剤として、Ｆｅ２＋→Ｆｅ３＋＋ｅ−という酸化還元反応を生じさせる。これにより例えば、砥粒を構成する酸化ジルコニウム中の酸素が還元されて、酸素欠陥状態または酸素欠乏状態となった砥粒が研磨性を向上させたとも考えられる。
【００１５】
このように本発明の研磨材は、単なる機械研磨のみならず化学研磨も生じ、いわゆる化学研磨作用を発現させ得るとも考えられるが、そのメカニズムについては鋭意研究中であり、現状、その詳細が明らかな訳ではない。いずれにしても、酸化ジルコニウムからなる砥粒を用いて研磨を行う場合に、Ｆｅ２＋がその研磨性を向上させることは確かである。
【００１６】
《研磨方法》
本発明は、上述した研磨材としてのみならず、それを用いた研磨方法としても把握できる。すなわち本発明は、酸化ジルコニウムを主成分とする砥粒を分散媒に分散させた研磨スラリーを調製する調製工程と、該研磨スラリーを用いて被研磨材を研磨する研磨工程と、を備える研磨方法であって、前記研磨スラリーは、さらに２価の鉄を有する研磨助剤を含むことを特徴とする研磨方法でもよい。
【００１７】
《その他》
（１）本発明に係る砥粒は、酸化ジルコニウムからなるが、それ以外の元素や化合物（特に酸化物）を含有していてもよい。例えば、Ｚｒと特性が似ているハフニウム（Ｈｆ）が含まれていてもよい。その他、本発明に係る砥粒は、適宜、分離または除去困難な不純物や特性改善に有効な改質元素を含み得る。これらの含有量は問わないが、砥粒全体を１００質量％としたときに、ＺｒＯ２が５０質量％以上、７０質量％以上、８０質量％以上さらには９０質量％以上であればよい。このようにＺｒＯ２が５０質量％以上含まれる砥粒を本明細書では「ＺｒＯ２を主成分とする砥粒」という。
【００１８】
（２）本発明の研磨材はその状態や形態を問わない。例えば、水等の分散媒に分散させる以前の粉末状態でも、砥粒等が分散媒に分散した研磨組成物（研磨スラリー）でもよい。つまり本発明の研磨材は、砥粒の粉末と鉄化合物の粉末を混合した混合粉末でも、砥粒と２価の鉄（特にＦｅ２＋）が分散媒中に分散している研磨スラリーでもよい。
【００１９】
（３）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した具体的な数値または数値範囲に含まれる任意の数値を、新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような数値範囲を任意に新設し得る。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
発明の実施形態を挙げて本発明をより詳しく説明する。上述した本発明の構成に、本明細書中から選択した一つまたは二つ以上の構成を任意に付加し得る。本明細書で説明する内容は、本発明に係る研磨材および研磨方法に適宜適用される。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。
【００２１】
《研磨材》
（１）砥粒
本発明に係る砥粒は、前述した通り、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を主成分とすれば足り、改質元素や不可避不純物等を含み得る。また、本発明に係る砥粒は、ＺｒＯ２以外の組成からなる別種の砥粒を含む混合砥粒でもよい。
【００２２】
砥粒の形状、サイズ、製法等も問わないが、例えば、平均粒径が０．１〜３μｍ、０．３〜２μｍさらには０．５〜１μｍであると好ましい。平均粒径が過小では研磨レートが小さく、平均粒径が過大では研磨面の表面粗さが大きくなる。なお、この平均粒径は「体積平均粒径」であり、測定対象であるサンプル（砥粒粉末）について、各粒子の直径（粒径：ｄｉ）にそれぞれの粒子の体積占有率（重み：ｖｉ／Ｖ０）をかけて求めた総和（Σｄｉ・ｖｉ／Ｖ０）である（Ｖ０はサンプル全体の体積）。具体的には、レーザー回折散乱式粒度分布計（堀場製作所製ＬＡ７５０）を用いてＪＩＳ  Ｚ８８２５−１に準じて測定された粒径である。
【００２３】
（２）研磨助剤
本発明に係る研磨助剤は、２価の鉄を有するものであれば足る。従って、本発明の研磨材が研磨スラリーの場合なら、Ｆｅ２＋自体が研磨助剤となる。また本発明の研磨材が粉末等である場合なら、Ｆｅ２＋を生じる鉄化合物等であればよい。このような鉄化合物として、例えば、硫酸鉄（II）等の硫酸塩や塩化鉄（II）等の塩化物などがある。
【００２４】
砥粒の含有量（Ｍｇ）に対する研磨助剤の含有量（Ｍａ）の質量割合である助剤含有率（Ｍａ／Ｍｇ）は、砥粒の等電点等を考慮して適宜決定される。例えば、助剤含有率は０．０１〜０．７さらには０．１〜０．５であると好ましい。この助剤含有率が過小では研磨助剤の添加による効果が乏しく、助剤含有率が過大では不経済であり却って研磨性の低下を招来し得る。
【００２５】
《研磨方法》
研磨スラリーの調製に用いる分散媒の種類は問わないが、通常はイオン交換水などが用いられる。また、その分散媒の割合も問わないが、例えば、研磨スラリー全体を１００質量％としたときに分散媒が８０〜９９質量％さらには９０〜９８質量％とすればよい。分散媒が過多では研磨レートの向上が望めず、分散媒が過小では砥粒が過多となり不経済であり却って研磨性の低下を招来し得る。
【００２６】
研磨スラリーを調製する調製工程では、砥粒と研磨助剤の混合粉末を分散媒に分散させても良いし、研磨助剤を添加した分散媒に砥粒を分散させても良いし、砥粒を分散させた分散媒に研磨助剤を添加してもよい。
【００２７】
《研磨対象》
本発明の研磨材による研磨対象（被研磨材）は問わないが、例えば、各種のガラス、半導体基板、金属基板などである。特に、高精度の研磨が要求される光学用レンズ、プラズマまたは液晶のディスプレイパネル用ガラス、液晶ＴＶ用カラーフィルター用ガラス、ＬＳＩ用フォトマスク用ガラス等の精密ガラスの研磨に本発明の研磨材は好適である。
【実施例】
【００２８】
《試料の製造》
（１）砥粒
砥粒として、酸化ジルコニウム粉末  (株式会社アドマテックス製ＺＣ３０００）を用意した。この粉末の平均粒径は０．８μｍであった。また、市販の酸化セリウム粉末（昭和電工株式会社製ＳＨＯＲＯＸ  Ａ−１０／平均粒径１μｍ）も用意した（試料Ｃ５参照）。なお、各平均粒径は、レーザー回折散乱式粒度分布計により求めたものである。
【００２９】
（２）研磨助剤
研磨助剤として、塩化鉄（II）、塩化鉄（III）、硫酸鉄（II）および硫酸鉄（III）の粉末（市販の試薬）を用意した。
【００３０】
（３）調製工程
上述した各砥粒および各研磨助剤とイオン交換水（分散媒）とを表１に示す割合で混合し、ホモミキサーで撹拌して、各種の研磨スラリーを調製した。但し、試料Ｃ４および試料Ｃ５は砥粒と分散媒のみとした。
【００３１】
なお、表１に示した試料Ｃ３の研磨スラリーは、酸化ジルコニウム粉末と塩化鉄（II）を混合した粉末を５０℃の空気で酸化処理をした後、その混合粉末をイオン交換水中へ分散させたものである。
【００３２】
《研磨工程》
表１に示した各研磨スラリーを用いて、被研磨材であるソーダガラス（直径５０ｍｍ、厚み２ｍｍ）を研磨した。なお、研磨前に、ソーダガラスの表面を予めサンドペーパー（＃４００）ですりガラス状に粗らしておいた。
【００３３】
研磨には、片面研磨装置（株式会社エム・エー・ティ社製、ＢＣ−１５）を用いた。この際、各研磨スラリーを２５ｃｃ／ｍｉｎの割合で、ウレタン樹脂製の研磨パッド（九重電気株式会社製、ＫＳＰ６６Ａ）上に滴下させつつ研磨した。
【００３４】
研磨スラリーを内包した研磨パッドと被研磨材であるソーダガラスとの面圧は約２００ｇ／ｃｍ２、ソーダガラス上を摺動する研磨パッドの回転数は６０ｒ.ｐ.ｍ.とした。この研磨を３０分間行った。
【００３５】
《測定》
（１）研磨レート
被研磨材（ソーダガラス）の質量を、研磨前および研磨後に測定した。研磨前後の質量変化をソーダガラスの断面積で除して、被研磨材の厚みの減少量に換算して研磨レート（μｍ／ｍｉｎ）を求めた。この結果を表１に併せて示した。
【００３６】
（２）表面粗さ
研磨後のソーダガラスの表面を、非接触表面形状測定機（キャノン株式会社製ＮｅｗＶｉｅｗ７２００）により測定し、０．７０ｍｍ×０．５３ｍｍの範囲の算術平均粗さＲａ（ＪＩＳ）を求めた。この結果を表１に併せて示した。ちなみに研磨前のソーダガラスの表面粗さＲａは約０．１〜０．２μｍ程度であった。
【００３７】
《評価》
表１に示した結果から次のことがわかる。試料１〜３と試料Ｃ４とを比較すると明らかなように、Ｆｅ２＋を生じる鉄化合物（研磨助剤）を添加（配合）した研磨スラリーを用いることにより、研磨レートおよび表面粗さが大幅に向上することがわかる。そして試料１〜３の優れた研磨性は、酸化セリウム粒子を砥粒とする試料Ｃ５の研磨性とほぼ同等となることがわかった。つまり、酸化ジルコニウムの砥粒と２価の鉄を有する研磨助剤とを組み合わせた研磨材は、酸化セリウムの砥粒からなる研磨材の代替となり得ることが確認できた。
【００３８】
また、試料１〜３と試料Ｃ１またはＣ２とを比較すると明らかなように、研磨助剤はＦｅ２＋を生じるものでなければ効果がなく、Ｆｅ３＋を生じるものでは、逆に、研磨レートおよび表面粗さが共に大幅に悪化することがわかった。
【００３９】
同様のことは試料Ｃ３についてもいえる。つまり、Ｆｅ２＋を生じる鉄（II）の化合物を配合しても、それが研磨前に酸化されて鉄（III）の化合物になると、研磨性の向上に寄与せず、むしろ研磨性を大きく悪化させることがわかった。
【００４０】
このように研磨スラリー中に含まれるＦｅ２＋が研磨性の向上に効果的に作用していることがわかる。この理由として、Ｆｅ３＋との対比から、Ｆｅ２＋を含む研磨スラリーが弱酸性になり易いことと、Ｆｅ２＋が還元剤として作用し得ることが考えられる。具体的にいうと、Ｆｅ２＋が研磨スラリーを酸化ジルコニウムの等電点近傍のｐＨへ調整して、酸化ジルコニウムからなる砥粒の研磨パッド内における滞留性を向上させたことが一因である考えられる。またＦｅ２＋の還元性により、砥粒と被研磨材の間にメカノケミカル反応等を生じて、研磨性が向上したことも一因と考えられる。
【００４１】
いずれにしも、試料Ｎｏ．１〜３のような本発明に係る研磨材（研磨スラリー）を用いることにより、希少な希土類元素からなる砥粒（酸化セリウム粒子）を使用するまでもなく、良好で効率的な研磨を行えることが明らかとなった。
【００４２】
【表１】
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