九州シンクロトロン光研究センター
県有ビームライン利用報告書
課 題 番 号 ： 1205037S

Ｂ Ｌ 番 号 ： BL07, BL11

（様式第 5 号）

ガラス研磨のメカニズム解析を目的とした
酸化セリウム表面の構造解析
Structure determination of surface of Cerium oxide
to improve the mechanism of glass polishing
大森恒

Wataru Omori
株式会社ノリタケカンパニーリミテド

NORITAKE CO., LIMITED

１．概要（注：結論を含めて下さい）
酸化セリウムをはじめとする砥粒によるガラスの研磨の際に起こる可能性のある砥
粒 表 面 の 構 造 の 変 化 を 、 転 換 電 子 収 量 法 を 用 い た XAFS 測 定 に よ り 調 査 し た 。 今 回 測 定できた酸化セリウムについては、研磨前後での明確な変化は見られなかった。一方、酸化チタン砥粒表面においてガラスの研磨前後における動径分布関数のピークのシフトがみられた。
（ English ）Structural changes of surface of abrasive grains including cerium oxide were investigated byXAFS measurements using CEY(Conversion Electron Yield). Any changes of surface of cerium
oxide before/after polishing were not observed. The shift of radial distribution function wasdetected on the surface of titanium oxide.

２．背景と目的
酸化セリウム（CeO2）はガラス系材料の研磨材として広く使用されており、ガラスに対して特異的な研磨性能をもつことが知られている。しかし、セリウムはレアアースと呼ばれる希少金属で、産出国が限られている供給リスクの高い物質であり、近年大幅な価格の高騰も問題となっている。ゆえに、ガラス研磨の安定化のために CeO2 の代替もしくは低減技術の確立が急務である。
上述の代替・低減技術確立のためには、CeO2 がガラスに対して高い研磨性能を発揮するメカニズ
ムを知る必要があるが、それはまだ解明されていない。一説には、CeO2 が酸化ケイ素に対する化学反応性をもち、接触時に界面に Ce-O-Si のような局所構造を作ると言われている１）。しかし、そのような局所構造をもつ証拠も見つかっていないのが現状である。我々は CeO2 砥粒およびその代替となり得る材料として研究が成されている酸化チタン（TiO2）、酸化ジルコニウム（ZrO2）、酸化マンガン（Mn2O3）の各砥粒の研磨前後の表面状態の違いを、XPS、FT-IR、STEM-EDS を用いて比較した 2)。
その結果、研磨後の CeO2 砥粒の表面に他の砥粒と比べて大量の「Si-O 結合を含む物質」の付着があることを明らかにした。本テーマは、その「Si-O 結合を含む物質」の付着により砥粒表面の構造が変化するかどうかを、EXAFS 測定を用いて調べることを目的とする。

３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
３．１．試料CeO2（Si付着量の異なる2種類）、TiO2、ZrO2、Mn2O3それぞれのスラリーを調製し、図1に示すような装置を用いて合成石英ウエハの研磨を行った。研磨に使用されたスラリーを回収し乾燥して研磨後の砥粒とし、使用されずに余ったスラリーを乾燥して研磨前の砥粒とした。

図 1 研磨装置の概略図
３．２．測定BL07でZr K-edgeのXAFSスペクトルを、BL11でCe L3-edge、Ti K-edge、Mn K-edgeのXAFSスペクトルを測定した。測定には透過法および転換電子収量法を用い、透過法でバルクの測定を、転換電子収量法で粒子表面の測定を行った。
４．実験結果と考察
透過法で測定した 2 種類の CeO2 砥粒の XAFS スペクトルを図 2 に示す。Si 付着量の多い方の CeO2
砥粒については、La L3-edge の吸収が重なったため、以下の EXAFS 領域の解析は行わなかった。
CeO2 砥粒の Ce の動径分布関数を図 3 に示す。バルクと比べて砥粒表面では第二近接のピークがややシフトした。このことから、CeO2 砥粒表面ではバルクとはやや異なる構造をとることが考えられる。バルク、表面ともに研磨前後での変化は見られなかった。TiO2 砥粒の Ti の動径分布関数を図 4に示す。研磨前の粒子表面のピークがバルクと比べてやや近距離側にシフトしたが、研磨後にはバルクと同様になった。このことから、研磨の前後で TiO2 砥粒表面の構造に何らかの変化が起こったと考えられる。しかし研磨後の TiO2 砥粒への Si 付着は無いもしくは CeO2 砥粒と比べてごく微量であり 2)、この変化が「Si-O 結合を含む物質」の付着によるものかどうかは判断できない。ZrO2 砥粒のZr、Mn2O3 砥粒の Mn の動径分布関数をそれぞれ図 5、図 6 に示す。ZrO2、Mn2O3 共に研磨前後やバルクと表面での動径分布関数の違いは無かった。

Normalized xμ(E)CeO2 ①CeO2 ②E (eV)

図 2 2 種類の CeO2 の XAFS スペクトルCeO2 研磨前（CEY）
CeO2 研磨後（CEY）
CeO2 研磨前（透過）CeO2 研磨後（透過）TiO2 研磨前（CEY）
TiO2 研磨後（CEY）
TiO2 研磨前（透過）TiO2 研磨後（透過）

R (Å)

R (Å)

図3

Ce の動径分布関数

図4

Ti の動径分布関数

ZrO2 研磨前（CEY）
ZrO2 研磨後（CEY）
ZrO2 研磨前（透過）ZrO2 研磨後（透過）Mn2O3 研磨前（CEY）
Mn2O3 研磨後（CEY）
Mn2O3 研磨前（透過）Mn2O3 研磨後（透過）

R (Å)

R (Å)

図5

図6

Zr の動径分布関数

Mn の動径分布関数

５．今後の課題
砥粒表面に付着した「Si-O 結合を含む物質」の付着形態を解明するためには、砥粒側だけでなく付着物質側、即ち Si についての情報も必要である。最も重要な Si 付着量の多い CeO2 砥粒についての情報は La L3-edge の吸収の重なりにより得られなかったが、これについても Si 側の測定をすることで他砥粒との比較ができると考えられる。
６．参考文献1) L. M. Cook: Chemical processes in glass polishing, J. Non-Cryst. Solids, 120, 152(1990).
2) 佐藤：2011年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集,
佐藤：
年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集 169.
７．論文発表・特許
７．論文発表・特許（注：本課題に関連するこれまでの代表的な成果）

８．キーワード（注：試料及び実験方法を特定する用語を２～３）
CeO2、EXAFS、転換電子収量法

９．研究成果公開について（注：※２に記載した研究成果の公開について①と②のうち該当しない方を消して下さい。また、論文（査読付）発表と研究センターへの報告、または研究成果公報への原稿提出時期を記入して下さい（2012 年度実施課題は 2014 年度末が期限となります。
）① 論文（査読付）発表の報告（報告時期： 2014 年 3 月）