(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶媒と、
前記溶媒中に支持されている複数のセリア粒子であって、前記複数のセリア粒子のそれぞれが、前記セリア粒子の外面上に配置されている負極性を有する表面電荷を含み、前記溶媒が前記複数のセリア粒子のそれぞれの周りに正極性を有する電荷層を形成し、前記正極性を有する電荷層は前記セリア粒子により密に結合したイオンおよび前記セリア粒子により弱く結合した拡散イオンを含む、複数のセリア粒子と、
複数の負極性を有する荷電種であって、前記複数の負極性を有する荷電種の少なくともいくつかが前記正極性を有する電荷層の前記拡散イオンに付着している、複数の負極性を有する荷電種と
を含む、懸濁液における研磨用スラリー。
【請求項２】
前記複数の負極性を有する荷電種が、界面活性剤、粒子、又は分子を含む、請求項１に記載の懸濁液における研磨用スラリー。
【請求項３】
前記複数の負極性を有する荷電種のそれぞれが、（ｉ）分岐若しくは直鎖のアルキル又はアルキル−エーテル尾部、及び（ｉｉ）サルフェート、スルホネート、ホスフェート、アミン、第四級アンモニウム、又はカルボキシルを含む電荷担持頭部基を含む、請求項１に記載の懸濁液における研磨用スラリー。
【請求項４】
前記複数の負極性を有する荷電種が、アニオン性界面活性剤を含む、請求項１に記載の懸濁液における研磨用スラリー。
【請求項５】
基材を研磨するためのシステムであって、
研磨パッドを含む研磨ユニット、及び
前記研磨パッドにスラリーを供給するように操作できるスラリー運搬システムを含み、
前記スラリーが、
溶媒と、
前記溶媒中に支持されている複数のセリア粒子であって、前記複数のセリア粒子のそれぞれが、（ｉ）前記セリア粒子の外面上に分布している負極性を有する表面電荷層、及び（ｉｉ）前記複数のセリア粒子のそれぞれの周りの正極性を有する電荷層であって、前記正極性を有する電荷層は前記セリア粒子により密に結合したイオンおよび前記セリア粒子により弱く結合した拡散イオンを含む、複数の固体粒子と、
複数の負極性を有する荷電種であって、前記複数の負極性を有する荷電種の少なくともいくつかが前記正極性を有する電荷層の前記拡散イオンに直接付着している、複数の負極性を有する荷電種と
を含む、システム。
【請求項６】
前記複数の負極性を有する荷電種が、界面活性剤、粒子、又は分子を含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記界面活性剤が、ラウリル硫酸アンモニウム（ＡＬＳ）、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、又はリン酸エステル類の１つを含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
前記スラリーが、ジルコニア、アルミナ、シリカ系化合物、又は無機粒子の１つをさらに含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項９】
溶媒と、
前記溶媒中に備えられている複数の固体セリア粒子であって、それぞれの固体セリア粒子が電気二重層によって取り囲まれており、前記電気二重層が、
前記セリア粒子の外面に沿って配置されている負極性を有する表面電荷層、及び
前記複数のセリア粒子のそれぞれの周りに形成される正極性を有する電荷層であって、前記正極性を有する電荷層は前記セリア粒子により密に結合したイオンおよび前記セリア粒子により弱く結合した拡散イオンを含む、正極性を有する電荷層
を含む、複数の固体セリア粒子と、
複数の負極性を有する荷電種であって、前記複数の負極性を有する荷電種の少なくともいくつかが前記正極性を有する電荷層の前記拡散イオンに付着している、複数の負極性を有する荷電種と
を含む、スラリー。
【請求項１０】
前記負極性を有する荷電種が、せん断力の適用によって前記正極性を有する電荷層から分離可能である、請求項９に記載のスラリー。
【請求項１１】
前記負極性を有する荷電種が、前記せん断力の除去後に前記正極性を有する電荷層に再付着する、請求項１０に記載のスラリー。
【請求項１２】
前記せん断力が、機械的又は電気的であり得る、請求項１０に記載のスラリー。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
[0001]本出願は、２０１２年１１月２日に出願され、その開示が、全てについて全体として参照により本明細書に組み込まれる米国仮出願第６１／７２１，５８８号の優先権を主張するものである。本出願は、２０１２年３月２０日に出願され、その内容が、全てについて全体として参照により本明細書に組み込まれる国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１２／０２９８３７に関する。
【連邦支援の研究開発の下でなされた発明に対する権利に関する記述】
【０００２】
[0002]合衆国政府は、合衆国エネルギー省とローレンスリバモアナショナルセキュリティ（Lawrence Livermore National Security, LLC）との間の契約番号ＤＥ−ＡＣ５２−０７ＮＡ２７３４４に従って、ローレンスリバモアナショナルラボラトリー（Lawrence Livermore National Laboratory）の事業に対して本発明における権利を有する。
【発明の背景】
【０００３】
[0003]固体コロイド粒子の凝集は、周知の問題である。従来、コロイドの凝集は、静電的安定化又は立体安定化のいずれかを使用することによって阻止される。静電的安定化においては、コロイドの表面電荷が粒子間の静電反発力を増すように調整される。しかしながら、この変化に影響を及ぼすために必要な塩の添加又は作用ｐＨの変化は実際的であり得ない。その上この方法は対象のコロイドに対して効果的でないことがある。立体安定化は、通常、より大きい分子、多くの場合界面活性剤又はポリマーが、コロイド表面に化学的に又は物理的に付着することを伴う。上記大きい分子は、バンパーとして作用し、２つの粒子の表面がファンデルワールス又はクーロン力によって影響されるように十分に接近することを阻止する。残念ながら、これらの大きい分子は、コロイド表面の活性点をも封鎖することによって、結合又は化学反応のために近づくことを困難にする。この方法で安定化されたコロイドは、活性低下を示す場合が多い。
【０００４】
[0004]したがって、本分野において、懸濁液中のコロイド粒子の凝集を、コロイド粒子の活性を損なうことなく阻止するより効果的な方法に対する必要性が存在する。
【発明の概要】
【０００５】
[0005]本発明の実施形態は、一般に、固体のコロイド粒子を含む水性懸濁液に関する。より具体的には、本発明の特定の実施形態は、これらの粒子の化学的又は機械的活性レベルを維持しながらそのようなコロイド粒子の凝集を阻止するために懸濁液を安定化させるための方法を提供する。
【０００６】
[0006]本発明のいくつかの実施形態は、溶媒及び溶媒中に支持されている複数の固体粒子を含む懸濁液を提供する。複数の固体粒子のそれぞれは、第１の極性を有し、且つ固体粒子の外面上に配置されている第１の電荷層、及び第１の電荷層を覆っており、第１の極性とは異なる第２の極性を有する第２の電荷層（本明細書では電気二重層（ＥＤＬ）と称される）を有する。また、懸濁液は、複数の荷電イオン／粒子／分子を有する荷電種をも含み、荷電種は第１の極性と同じ電荷極性を有する。複数の荷電種の少なくともいくつかは、第２の電荷層に付着している。いくつかの実施形態において、第１の極性はマイナスであり得、第２の極性はプラスであり得る。他の実施形態において、第１の極性はプラスであり得、第２の極性はマイナスであり得る。特定の実施形態において、界面活性剤は第１の電荷層の第１の極性に基づくアニオン又はカチオンを含むことができる。界面活性剤のいくつかの例としては、ラウリル硫酸アンモニウム（ＡＬＳ）、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、リン酸エステル類、又は臭化セチルトリメチルアンモニウム（ＣＴＡＢ）が挙げられる。いくつかの実施形態において、界面活性剤は第１の極性がマイナスである場合にはアニオン性界面活性剤を含むことができ、第１の極性がプラスである場合にはカチオン性界面活性剤を含むことができる。
【０００７】
[0007]一実施形態において、基材を研磨するためのシステムが提供される。このシステムは、研磨パッドを含む研磨ユニット、及び研磨パッドにスラリーを供給するように操作できるスラリー運搬システムを含む。スラリーは、溶媒及び溶媒中に支持されている複数の固体粒子をさらに含むことができる。複数の固体粒子のそれぞれは、（ｉ）固体粒子の外面に近接して配置されており、第１の極性を有する第１の電荷層、及び（ｉｉ）第１の電荷層を覆っており、第１の極性とは逆の第２の極性を有する第２の電荷層をさらに含むことができる。スラリーは、第３の極性を有し、複数のイオン、粒子又は分子を有する荷電種も含むことができる。複数の荷電種の少なくともいくつかは、第２の電荷層に直接付着している。特定の実施形態において、第３の極性は第１の極性と同じであり、荷電種としては界面活性剤を挙げることができる。いくつかの実施形態において、第１の極性はマイナスであり得る。一実施形態において、界面活性剤としては、ラウリル硫酸アンモニウム（ＡＬＳ）、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、リン酸エステル類、又は臭化セチルトリメチルアンモニウム（ＣＴＡＢ）の１つを挙げることができる。特定の実施形態において、界面活性剤としては、カチオン性界面活性剤が挙げられる。特定の実施形態において、スラリーは、セリア、ジルコニア、アルミナ、又はシリカ系化合物を含むことができる。具体的な実施形態において、基材はシリカ系光学部品である。
【０００８】
[0008]本発明の別の実施形態は、溶媒及び溶媒中に備えられている複数の固体セリア粒子を含むスラリーを提供する。それぞれの固体セリア粒子は、電気二重層によって取り囲まれていてもよい。電気二重層は、（ｉ）セリア粒子の外面に沿って配置されており、且つ第１の極性を有する第１の電荷層、及び（ｉｉ）第１の電荷層上に配置されており、且つ第２の極性を有する第２の電荷層を含むことができる。スラリーは、複数のカチオンを含む界面活性剤も含むことができ、複数のカチオンの少なくともいくつかは、セリア粒子の第２の電荷層に付着していてもよい。いくつかの実施形態において、第１の極性は、第２の極性とは逆である。一実施形態において、第２の極性はプラスである。特定の実施形態において、第３の極性を有する安定化イオン種は、せん断力の適用によって第２の電荷層から分離可能であり、そのせん断力の除去後に第２の電荷層に再付着することができる。例えば流体流動又は削磨として表されるせん断力は、機械的に又は電気的に発生させることができる。
【０００９】
[0009]本発明のこれら及び他の実施形態は、その多くの利点及び特徴と共に、以下の文章及び添付図面と合わせて、より詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】電気二重層を有しており、本発明の一実施形態に係る懸濁液中に存在する２つのコロイド粒子を示す概略図である。
【００１１】
【図１Ｂ】本発明の一実施形態に係る、図１Ａの懸濁液への荷電界面活性剤イオンの添加を示す図である。
【００１２】
【図１Ｃ】本発明の一実施形態に係る、界面活性剤イオンが電気二重層の外層に付着した後の懸濁液を示す図である。
【００１３】
【図２】本発明の一実施形態に従って安定化された懸濁液中の粒子分布を示すグラフである。
【００１４】
【図３Ａ】本発明の実施形態を用いて安定化されたスラリーと従来技術を用いて安定化されたスラリーについての除去速度の比較を示すグラフである。
【００１５】
【図３Ｂ】本発明の実施形態を用いて安定化された特定のスラリーと安定化されていない形の同じスラリーとの除去速度の比較を示すグラフである。
【００１６】
【図４Ａ】本発明の実施形態を用いて安定化されたときの懸濁液の沈降時間への影響を示す図である。
【００１７】
【図４Ｂ】本発明の一実施形態に係るセリアスラリーの粒径と沈降時間との相関関係を示すグラフを示す図である。
【００１８】
【図５Ａ】本発明の一実施形態に従って界面活性剤を用いて安定化され、その後乾燥されて再分散されたセリアスラリーにおける粒子分布示すグラフである。
【００１９】
【図５Ｂ】安定化されていないセリアスラリー及び本発明の別の実施形態に従ってシリカナノ粒子を用いて安定化されたセリアスラリーにおける粒径分布を示すグラフである。
【００２０】
【図６】本発明の一実施形態に従って安定化された研磨スラリーを使用することができる研磨システムの概略斜視図である。
【００２１】
【図７】本発明の一実施形態に係る研磨システムの一部の概略平面図である。
【具体的な実施形態の詳細な説明】
【００２２】
[0022]本発明の実施形態は、荷電コロイド粒子を含む懸濁液を安定化させるための方法を提供する。本発明の別の実施形態は、基材、例えばシリカ系光学部品及び他のタイプの基材の研磨において使用するための安定化されたスラリーを提供する。
【００２３】
[0023]水性懸濁液中の固体表面は、電荷を担持している。その固体と逆の電荷を有する懸濁液中のイオンは、二層状態で表面の周りに集合する（電気二重層（ＥＤＬ）と称される）。固体粒子の表面に最も近い層は粒子にしっかりと結合している。外層は、堅く固定されているのではなく電気的引力及び熱運動の影響下で流体中移動する遊離イオンを含むため、拡散しており、固体粒子には弱く結合している。この弱い外層は、「拡散層」と称される。本発明の実施形態は、粒子表面に結合するのではなくコロイド粒子を取り囲む拡散層に結合する化学安定剤又は安定化剤、例えば荷電種を提供する。荷電種は、粒子が近距離接近することを立体的に妨げて粒子が凝集することを防ぐ。しかしながら、荷電種は粒子表面に強固に結合するのではなく拡散層内に弱く組み込まれるため、せん断力、例えば、流動又は研削若しくは研磨等の機械的作用によって生じるせん断力などは、安定化している荷電種を二重層から引きはがすのに十分である。荷電種が一旦取り除かれると、コロイド粒子の表面の官能性部位が露出され、結合又は化学反応が可能となる。コロイド上のせん断力がなくなると、安定化剤（又は荷電種）は、ＥＤＬの拡散層と再結合し、粒子を再び立体的に安定化することによって、凝集又は集合を阻止する。このＥＤＬ結合法は、コロイドの表面官能性を維持しながらコロイドが凝集することを阻止する。
【００２４】
[0024]図１Ａは、本発明の一実施形態に係る懸濁液１００中に存在する電気二重層を有する２つのコロイド粒子を示す概略図である。それぞれの粒子１０２は、それと関連する表面電荷を有する。図１Ａに示されているように、粒子１０２は、その表面に−（マイナス）の電荷を有する。以下に記載されている方法及び技術は、粒子表面に＋（プラス）の電荷を有することができる粒子にも同様に適用可能であると理解されるべきである。粒子１０２の表面におけるマイナス電荷は、均等に分布されていてもいなくてもよい。粒子１０２にごく接近している懸濁液１００の部分は、プラスに帯電され得る。これはそれぞれの粒子１０２を覆う拡散層１０４の形成をもたらす。拡散層１０４は、全面的にプラスの電荷を有することができ、粒子１０２を取り囲むことができ、場合によっては粒子１０２を完全に包囲することができる。
【００２５】
[0025]特定の実施形態において、懸濁液のｐＨは、懸濁液中のコロイド粒子の等電点より高いレベルに維持される。加えて、図１Ｂに示されているように、外側の拡散層１０４の電荷と逆の電荷を有する（そしてその粒子の表面における電荷と同じ電荷を有する）荷電種１０６が、懸濁液に添加される。例えば、拡散層１０４はこの例においては＋の電荷を有するので、懸濁液に添加される荷電種１０６は、正味の−の電荷を有することができる（例えば、アニオン性界面活性剤）。いくつかの実施形態において、荷電種は、図１Ｂに示されているような界面活性剤であり得る。界面活性剤は、通常、頭部及び１つ又は２つの尾部を有する。界面活性剤の尾部は、「バンパー」として作用し、界面活性剤が付着している粒子に他の粒子が付着することを阻止する。界面活性剤の頭部は、電荷を担持しており、それ自体を他の電荷層、この例においては電荷層１０４に付着させる。
【００２６】
[0026]荷電種１０６は、図１Ｃに示されているように、外側の拡散層１０４の電荷とは逆の電荷を有するので、荷電種１０６は、粒子１０２の表面ではなく外側の拡散層１０４にそれ自体を付着させる。しかしながら、外側の拡散層１０４における電荷はそれほど強くないので、せん断力、例えば流体運動、機械力、又は電気力の適用によって荷電種１０６を粒子１０２から容易に移動することが可能である。
【００２７】
[0027]上記の粒子１０２は、いくつかのタイプの物理的又は化学的プロセスにおいて使用される懸濁液の一部であり得るため、当該物理的又は化学的プロセスが実施されているときに活性状態のままであることが重要である。界面活性剤が荷電粒子の表面に結合する従来技術は、界面活性剤と荷電粒子の表面との堅固な結合から界面活性剤を移動させることが非常に困難であるため、荷電粒子の活性を減少することが多い。本発明の実施形態の利点の１つは、荷電種が荷電粒子の外側の拡散層にゆるく結合しているため、力を加えることによって荷電種を粒子から容易に移動させることができる。その力が取り除かれると、荷電種は、外側の拡散層に再付着し、粒子の凝集を阻止するように作用する。このようにして、本発明の実施形態は、懸濁液が遊休状態であるとき（即ち、懸濁液がどのプロセスにも使用されていないとき）の粒子の凝集を阻止すること、及び必要な時に粒子をそれらの活性状態に戻すための荷電種の移動が容易であるという利点を提供する。そのような利点を提供する従来技術はない。
【００２８】
[0028]加えて、世間一般の通念は、コロイド粒子の表面における電荷と同じ電荷を有する荷電種を使用することは、同じ電荷は互いに反発し合うことが幅広く理解されているため、役立たないであろうことを示唆している。したがって、このような、粒子の表面における電荷と同じ電荷の極性を有する荷電種は、それ自体その粒子に付着しないと思われる。しかしながら、本発明の実施形態は、コロイド粒子の表面における電荷と同じ電荷を有する荷電種を添加し、本明細書では拡散層と称される、外側と逆に帯電した層を用いて、荷電種を粒子に連結するための技術を提供する。得られた荷電種の粒子への連結は、凝集を阻止するのに十分に強いと共に、荷電種が上記のようなせん断力の適用によって粒子から切り離され得るように十分に弱い。これは以前には試みられておらず、且つ現在の産業において普通である世間一般の通念に反している。
【００２９】
[0029]図２は、本発明の実施形態に従って懸濁液に荷電種、例えば界面活性剤を添加することの効果を示しているグラフである。一例としてセリアスラリーに対する効果が図２に示されている。しかしながら、本明細書に記載されている実施形態は、セリアスラリー又は光学研磨スラリーに限定されず、コロイド粒子の凝集を阻止する必要性があるどんな懸濁液にも同様に適用可能であることが理解されるべきである。図２でわかるように、界面活性剤の存在なしでは、粒子がかなり凝集して、１μｍ以上の粒度を有する粒子をもたらす。これらのより大きな粒子は、セリアスラリーの性能における著しい劣化を引き起こし、意図されるプロセス、例えば、化学機械研磨に対して不適切にする可能性がある。本明細書に記載されているような界面活性剤の添加後、これら粒子の凝集は、著しく減少されるとわかる。例えば、図２に示されているセリアスラリーにおいて、安定化されていないスラリー（即ち、スラリーが界面活性剤を含んでいないとき）においては、（ｉ）１０４分の１の粒子が凝集体であり、（ｉｉ）凝集した粒子の粒度は１μｍから１０μｍの間に分布しており、（ｉｉｉ）凝集した粒子の平均粒度は約２μｍであった。セリアスラリーに界面活性剤を添加し、スラリーを安定化した後は、（ｉ）１０６分の１の粒子が凝集体であり、安定化されていないスラリーと比較して完全に２桁の改良であり、（ｉｉ）凝集した粒子の粒度は１μｍから４μｍの間に分布しており、（ｉｉｉ）凝集した粒子の平均粒度は約１μｍであり、凝集した粒子の平均粒度においては安定化されていないスラリーと比較してほぼ５０％の減少であった。
【００３０】
[0030]上記のように、懸濁液中の粒子の凝集を阻止するだけでは、その懸濁液が機械的又は化学的プロセスを実施するためにも使用される場合には十分ではない。この場合、粒子は、懸濁液が使用され得るプロセスに粒子が作用することができる粒子の活性状態に戻されることが同様に重要である。例えば、セリアスラリーは、ガラス又はシリコン等の基材を研磨するためによく使用される。荷電種がスラリー中のセリア粒子に付着しているとき、その粒子は研磨プロセスに対して役立たなくなり得る。それら粒子が研磨プロセスにおいて使用されるために、粒子に付着している荷電種は、荷電したセリア粒子がそれらの活性状態に戻されるように移動される必要がある。従来の方法を用いて安定化されたスラリーにおいて、セリア粒子の表面から界面活性剤を移動することは、それらの強い結合のせいで困難な場合がある。これは、凝集には耐え得るが、研磨特性は衰えたセリアスラリーをもたらす。対照的に、本発明の実施形態を用いて安定化されたセリアスラリーは、凝集を減少することに加えて高められた研磨特性を示す。
【００３１】
[0031]図３Ａは、本発明の実施形態を使用して安定化されているセリアスラリーと従来技術を用いて安定化されているセリアスラリーとの除去速度の比較を示しているグラフを示す。図３Ａからわかるように、スラリー３０２、３０４、３０６及び３０８は、本発明の実施形態を用いて安定化されている。スラリー３０２、３０４、３０６及び３０８のそれぞれは、上記の荷電種の１つを用いて安定化され、異なるｐＨレベルにある。スラリー３１０は、上記の従来技術を用いて安定化された。スラリー３０２、３０４、３０６及び３０８は、スラリー３１０よりはるかに高い除去速度を有するとわかる。このことは、本発明の実施形態を用いて安定化されたスラリーが、従来技術を用いて安定化されたスラリーと比較して、より高い除去速度を有することをさらに立証している。
【００３２】
[0032]図３Ｂは、安定化されていないセリアスラリーと本発明の実施形態を用いて安定化されたセリアスラリーの除去速度の比較を示すグラフを示す。この除去速度は、研磨プロセス中のセリアスラリーの有効性の尺度である。図３Ａからわかるように、本発明の実施形態を用いて安定化されたセリアスラリーの除去速度は、従来技術を用いて安定化されたセリアスラリーの除去速度を著しく超える。さらに、図３Ｂからわかるように、本発明の実施形態を用いて安定化されたスラリーの除去速度は、安定化されていないスラリーの除去速度と実質的に似ていることから、除去速度は荷電種の添加によって影響されないことを立証しているとわかる。
【００３３】
[0033]上記のように、本発明の実施形態は、荷電コロイド粒子の外側の拡散層の極性と逆の荷電極性を有し、且つそのコロイド粒子の表面における電荷と同じ荷電極性を有する界面活性剤を添加するための方法を提供する。界面活性剤として使用され得る化合物のいくつかとしては、カチオン性界面活性剤及びアニオン性界面活性剤を挙げることができる。安定化剤として使用される荷電種としては、分岐若しくは直鎖のアルキル又はアルキル−エーテル尾部と電荷担持頭部基（例えば、サルフェート、スルホネート、ホスフェート、アミン、第四級アンモニウム、又はカルボキシル）とを連結している界面活性剤分子を挙げることができるがこれらに限定されない。本発明の実施形態において使用され得る界面活性剤のいくつかの具体例としては、ラウリル硫酸アンモニウム（ＡＬＳ）、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、リン酸エステル類、臭化セチルトリメチルアンモニウム（ＣＴＡＢ）などが挙げられるが、これらに限定されない。安定化剤／荷電種の選択は、対象のコロイド粒子と関連する電荷に依存する。例えば、コロイド粒子がマイナスの表面電荷及びプラスに帯電した拡散層を有する場合、アニオン性界面活性剤が使用され得る。一方で、コロイド粒子がプラスの表面電荷及びマイナスに帯電した拡散層を有する場合は、カチオン性界面活性剤が使用され得る。
【００３４】
[0034]特定の懸濁液を安定化させるために必要な荷電種の量は、等電点に関連する懸濁液のｐＨ、安定化される粒子の粒度及び数密度、安定化剤の電荷、懸濁液のイオン強度などのさまざまな要因に依存する。界面活性剤が安定化剤として使用される特定の実施形態において、界面活性剤の濃度は、安定化される懸濁液の容積の０．０１％〜約２％の間で変化し得る。
【００３５】
[0035]本発明のさまざまな実施形態を説明するためにセリアが例として本明細書に使用されているが、本明細書に記載されている実施形態は、多くの他のタイプの懸濁液、例えば、ジルコニア、アルミナ、シリカ系化合物を含むもの、無機粒子を含む懸濁液、例えば触媒、塗料／コーティング、インク、日焼け止め剤、化粧品等に使用されているもの等、又はポリスチレンラテックス球体等のような有機コロイド粒子を有する懸濁液においても使用され得ることを理解すべきである。
【００３６】
[0036]固体コロイド粒子を有する懸濁液の有効性に影響を及ぼす別の要素は、沈降時間である。沈降は、懸濁液中の固体粒子が懸濁液の蓄えられている容器の底で沈殿することにより、固体から液相を分離する現象である。安定化されていない又は安定化が不十分である懸濁液では、何らかの形の撹拌なしでは急速な沈降が起こるであろう。固体粒子が懸濁液の液体部分から分離すると、懸濁液の有効性が低下する。図４Ａは、本発明の一実施形態に係るセリアスラリーの沈降挙動への安定化の効果を示すグラフである。図４Ａからわかるように、安定化されていない又は安定化が不十分であるスラリーは、遊休状態である数分以内に沈降する一方、本発明の実施形態を使用して安定化されたスラリーは、より長い時間均一な状態を維持し、スラリー中の粒子の凝集は、最小限から無しであることを示す。加えて、本発明の実施形態を使用して安定化されたスラリーは、長い遊休時間後、例えばおよそ１年後でも、非常に容易に再分散させることができる。つまり、本発明の実施形態に従って懸濁液に添加される荷電種は、長期にわたって粒子の凝集を阻止する及び／又は最小限にするのに効果的である。
【００３７】
[0037]図４Ｂは、本発明の一実施形態に係るセリアスラリーの粒径と沈降時間との相関関係を示すグラフを示す。図４Ｂにおいてわかるように、本発明の実施形態を使用して安定化されたセリアスラリーは、非常に低い平均粒径に特有の沈降時間を示す一方、安定化されていないセリアスラリーは、すぐに沈降し、高い平均粒径及びかなりのレベルの凝集粒子の存在を示唆する。沈降時間と粒径との間の関係は、下の方程式に示される。
【数１】
0006321022.tif 000002
式中、ｔｓは沈降時間であり、ηＬは水粘度（０．０１ポアズ）であり、αは粒径（μｍ）であり、ｇは９．８ｍ／ｓ２であり、ρｐはセリア密度（７．１ｇｍ／ｃｍ３）であり、ρＬは水密度（１ｇｍ／ｃｍ３）であり、ｄｓは沈降距離である。
【００３８】
[0038]懸濁液、例えばスラリーを、本発明の実施形態を用いて安定化させることの別の利点は、乾燥の際にスラリーが不可逆的に凝集した粒子を形成することなく、沈降したスラリーを使用するために再分散することをより容易にすることである。図５Ａは、安定化されていないスラリー対本発明の実施形態に従って荷電種を用いて安定化されたスラリーの、乾燥すること及びその後再懸濁させることによる粒径分布への影響を示すグラフである。図５Ａにおいてわかるように、安定化されていないスラリーを乾燥すると、再懸濁の際にばらばらに破壊されない例えば粒径がおよそ１０〜３０μｍの大きい凝集粒子を生ずる。そのような凝集体はスラリーの再使用を阻止する。対照的に、本発明の実施形態を用いて安定化されたスラリーを乾燥及び再懸濁させても、その粒子が乾燥に続いて再懸濁される前と後で粒径における実質的な違いは引き起こさない。
【００３９】
[0039]界面活性剤以外の安定化剤も、粒子の凝集を阻止するように懸濁液を安定化するのに使用され得ることに留意すべきである。図５Ｂは、安定化されていないセリアスラリー中及び本発明の別の実施形態に従ってシリカナノ粒子（ＳｉＯ２）を用いて安定化されたセリアスラリー中の粒径分布を示すグラフである。図５Ｂにおいてわかるように、安定化されたセリアスラリーにおける平均粒径は、安定化されていないセリアスラリーより小さい。このシリカナノ粒子は、通常２より上のｐＨでマイナスの電荷を有することにより、上記の拡散層に付着することを助ける。いくつかの実施形態において、シリカナノ粒子の濃度は、０．５〜５０ｍｇ／懸濁液１ｍｌの間で変化し得る。
【００４０】
[0040]本発明の特定の実施形態において、本発明の実施形態を用いて安定化されたセリアスラリーは、シリカ系光学部品を研磨するための研磨システムにおいて使用され得る。当該研磨システムの詳細は、国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１２／０２９８３７の中で提供される。
【００４１】
[0041]図６は、本発明の一実施形態に係る研磨システムの概略斜視図である。本発明の実施形態を使用して安定化された研磨用スラリーは、図６に示されている研磨システムにおいて使用され得る。この研磨システム６００は、研磨パッドであり得る研磨表面６１０、及び隔壁６１４によって部分的に取り囲まれている基材６１２を含む。移動可能なカバー６２０は、研磨表面を取り囲む制御環境を形成するために囲い６２２と接触して位置づけられ得る。研磨用スラリーのための投入口及び出口（図示されていない）並びに湿りガス（例えば水蒸気）のための投入口６３０及び出口６３２がそのシステムの一部として提供される。
【００４２】
[0042]図７は、本発明の別の実施形態に係る研磨システムの一部の概略平面図である。図７に示されているように、光学部品７０５がラップ７１０上に置かれて、ガイドホイールを用いて空間的に調節される。図７に示されている実施形態においては、異なる隔壁デザインが使用され、その中で、均一なパッドの摩耗を生ずるためにミラー隔壁７２０が配置される。１００％の湿気の導入口７３０が、研磨環境が密閉室（例えば密封室７０７）と似ている手段で制御された望ましい高湿度雰囲気を提供できるように、ラップ７１０近くに備えられる。本発明の実施形態は図７に示されている様式に限定されることはなく、この実施形態は、一例として提供されているにすぎない。本発明の実施形態を用いて安定化された研磨用混合物は、図７に示されている研磨システムにおいて使用され得る。
【００４３】
[0043]図６及び７に関連して上で記載されている特定の研磨システムは、単に例にすぎないことに留意すべきであり、スラリーの使用をこれらの研磨システムのみに狭めると解釈されるべきではない。当業者であれば、本発明の実施形態に係るスラリーは、ピッチ研磨などのさまざまな他の研磨システムで使用され得ることに気付くであろう。
【００４４】
[0044]いくつかの利点が、上記の本発明の実施形態を用いて実現される。上記のようにして処理された懸濁液は、沈降を減少する。加えて、そのような安定化された懸濁液は、乾燥及び／又は沈降後に再懸濁させるのがより容易である。本発明の実施形態を用いて安定化された懸濁液の別の利点は、懸濁液と関連して使用され得る任意のろ過システムがより効率的であり得、且つ粒子の凝集がより少ないため、ろ過装置に対する負荷が減少されるのでより高い寿命を有することである。また、平均粒径が上記の実施形態においては低減されるので、フィルターでの粒子の集積がより少なく、フィルターの寿命をさらに増し、フィルターの交換及びスラリーの補充に伴うコストを低減する。本発明の実施形態を用いて懸濁した粒子の凝集を阻止することによって、粒子は今や内部接着力が減少し、接触し得る他の表面への接着力が減少するため、乾燥の後に続く懸濁液の清浄化がより容易になる。粒子の凝集を阻止することによって、大きな粒子の形成を阻止することができ、このことは懸濁液が研磨タイプの用途で使用されるときに基材表面のひっかき傷の減少をもたらす。加えて、凝集を阻止することによって、平均粒径はより小さく保つことができ、このことは懸濁液の全体的な性能に役立ち、懸濁液の使用量減少につながり得る。
【００４５】
[0045]いくつかの特定の実施形態が特定の特徴と共に開示されたが、当業者は、一実施形態の特徴が別の実施形態の特徴と組み合わせられ得る事実を認めるであろう。また、当業者は、本明細書に記載されている本発明の特定の実施形態の均等物を認識する、又は通常と同程度の実験を用いて突き止めることができよう。そのような均等物は、後に続く特許請求の範囲によって包含されることが意図される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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