成果報告書詳細
管理番号20120000000805
タイトル*平成23年度中間年報 希少金属代替材料開発プロジェクト 精密研磨向けセリウム使用量低減技術開発及び代替材料開発/代替砥粒及び革新的研磨技術を活用した精密研磨向けセリウム低減技術の開発
公開日2012/7/11
報告書年度2011 - 2011
委託先名公益財団法人三重県産業支援センター 一般財団法人ファインセラミックスセンター 株式会社小林機械製作所 サイチ工業株式会社 国立大学法人京都大学 国立大学法人九州大学 国立大学法人東北大学 秋田県産業技術センター
プロジェクト番号P08023
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約和文要約等以下本編抜粋:
1. 研究開発の内容及び成果等
研究開発項目1)
1)-1 量子分子動力学シミュレーションによる研磨メカニズムの解明と代替砥粒の設計
昨年度は、砥粒表面に露出した+3 価のCe 原子には、ガラス表面のSi-O 結合に電子を供与することでSi-O 結合を弱める能力があることを明らかにした。本年度は、研磨における水分子の役割を明らかにするため、+3 価のCe 原子によって弱まったSi-O 結合の近くにH2O 分子を配置したモデルを作成し、水の化学反応プロセスを第一原理計算によって検討した。その結果、H2O 分子が化学反応を起こすことで、Si-O-Si 結合をSi-OH HO-Si の形に解離することが明らかにされた。
つまり、水環境下では、ガラス表面のいたるところで、上記のSi-O 結合の解離反応が起こり、結果的にガラス表面が軟らかくなるメカニズムが明らかにされた。以上の結果より、この+3 価のCe 原子がSi-O 結合を弱めて、水がガラス表面を軟らかくする過程までが酸化セリウム砥粒による化学機械研磨の「化学反応」の部分であり、軟らかくなったガラス表面が砥粒により容易に削られる過程が「機械研磨」であることが理解された。
さらに、確立した代替砥粒の設計指針に基づいてCaZrO3 の研磨特性を検討した結果、ホタル石型構造を持つZrO2 砥粒表面のZr 原子はガラスに対して高い研磨特性を示さないが、ペロブスカイト型構造を持つCaZrO3 では表面Zr 原子が表面に露出し、低価数状態になるため、ガラス研磨に対する活性種となることを明らかにした。
英文要約Title: Rare metal substitute materials development project. Cerium consumption reduction technology and substitute materials development for glass polishing. Cerium substitute abrasive and consumption reduction technology development using advanced glass polishing technology. (FY2009-FY2012) FY2011 Annual Report
Cerium oxide (ceria) is indispensable for polishing glasses and precisely polished glasses are used for various substrates such as HDDs and flat display panels. Glasses can be smoothly polished using ceria abrasives at a high rate. Unfortunately, ceria is some concern about securing stable supplies in Japan because ceria is produced in only specific source countries and the market price of ceria actually rises significantly. We will support to long-term international competitiveness of IT and home electric application industry through the “Cerium Substitute Technologies” Project.
Collaborative development of polishing simulations and experiments leads to clarify how glasses are polished with chemical reactions. Ab initio calculation for chemical reaction revealed that chemical polishing with ceria-based abrasive would weaken Si-O-Si bonding since electron is moved from Ce3+ to Si-O-Si bond. The weakened Si-O-Si bonds would be disassociated with H2O molecular. We focused on nano-dispersive composites containing both SrZrO3 with a high chemical reactivity with glass and ZrO2 with a high hardness to develop ceria-free novel abrasives. The glass removal rate was relatively high and the smooth surface of polished glass was obtained using SrZrO3/ZrO2 nano-composite abrasives. The nano-dispersion is one of the most useful techniques for novel glass abrasives with high CMP performance. We also modified ZrO2 abrasives by doping approximately 30mol% CaO. The adequate modification revealed a higher removal rate and a similar smoothness as comparing to commercial ceria-based abrasive. The initial removal rate and sedimentation property were closely advanced to a practical level
  We had also some impressive results to reduce ceria abrasive consumption. We clarified the relationship between glove pattern of polishing pad and polishing property. The novel glove patterns were obtained higher removal rate as compared to some traditional pattern pads. We previously found that the application of AC electric field can decrease scattering slurry by centrifugal force and successfully increased removal rate twice as compared to conventional polishing. We investigated the correlation between slurry moving at polishing interface and polishing properties under the AC electric field. The effects of AC electric field depended on induced AC frequency. We also focused on slurry compositions under AC electric field. Removal rates were improved by using some electrolyte solutions as a solvent of slurry or by adding nano-babble in slurry.
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