專利名稱：磁盤用晶化玻璃基底的制造工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及到磁盤用晶化玻璃基底的制造工藝。
諸如計算機之類的磁性儲存的主要元件是磁性記錄介質和用來重現磁性記錄的磁頭。鋁合金已被廣泛地用作磁性記錄介質硬盤基底的主要材料。但隨著新近硬盤驅動器的小型化，磁頭的浮動高度已顯著地減小了。因而對磁盤的表面要求極高精度的平整度。通常，磁盤表面凹凸的最大高度應不超過磁盤浮動高度的一半。例如，在浮動高度為75nm的硬盤驅動器中，可允許的磁盤表面凹凸的最大高度必須小于38nm。特別是最近已要求在磁盤基底上的讀寫區中將JISB0601所定義的中線平均粗糙度(Ra)限制在20埃或更小的范圍內。但在鋁合金基底的情況下，其硬度是如此之低，以致即使用高精度的磨料顆粒和機械工具進行精磨，其底表面也很易塑性形變。因此，難以制造具有高于一定等級精度的平坦表面。即使用鎳磷來鍍鋁合金的表面，也不能制作上述水平的平坦表面。
而且，隨著新近在硬盤驅動器小型化和厚度降低方面的進展，已強烈要求降低磁盤基底的厚度。但由于鋁合金的強度和韌性低，很難減小盤厚度而又保持硬盤驅動器指標所要求的預定強度。特別是磁盤基底被加工到0.5mm或更薄時，就會出現由于強度不夠而造成的基底彎曲或在高速旋轉或設備起動時基底表面的振動等問題。
為了解決上述問題，由玻璃材料制成的磁盤基底已部分地得到了實用。但由于HDD磁盤基底要求特別高的強度，故須采用諸如化學鋼化玻璃、玻璃陶瓷之類的鋼化玻璃。用這些材料可制作Ra非常小(≤20埃)的磁性記錄表面。
用來組成磁盤基底的玻璃的例子包括諸如鈉鈣玻璃之類的化學鋼化玻璃、晶化玻璃、無堿玻璃以及鋁硅酸鹽玻璃。就其強度而言，化學鋼化玻璃和晶化玻璃較好。
具體地說，晶化玻璃由于其硬度和彎曲強度均勻，故在強度可靠性方面優于化學鋼化玻璃。特別是當磁盤基底厚度減到0.5mm或更小時，由于可保持所需的強度而更為可取。
但在這種晶化玻璃所組成的磁盤基底的大批量生產中存在下列問題。亦即，在常規制造工藝中，例如當生產直徑為65mm的玻璃基底時，一大團的熔融玻璃先被鑄入模具再被壓成厚約1.2-1.5mm的非晶玻璃盤狀體。或者將非晶玻璃柱狀體切成非晶玻璃盤狀板，如有需要，則再對非晶玻璃板進行研磨以得到厚度約為1.2-1.5mm的玻璃盤。將這些非晶玻璃板加熱晶化，從而得到精磨加工之前的半成品(所謂“坯片”)。然后對坯片的二個表面進行精磨加工，亦即對坯片的頂面和底面同時研磨和拋光以得到例如厚度為0.635mm的磁盤用的晶化玻璃成品基底。
亦即，為了將非晶玻璃晶化所得到的半成品(坯片)加工成最終產品(磁盤用的晶化玻璃基底)，必須用磨料精除掉一半或更多的坯片厚度。而且，晶化之后的玻璃硬度明顯地高于晶化之前，以致需要很長的時間來研磨坯片。從而出現生產成本明顯上升的問題。為了降低這一成本，自然希望在非晶態時將玻璃加工得盡可能薄。但當在這種狀態時單純發生晶化，玻璃板在晶化臺上可能翹曲，以致幾乎不可能用研磨坯片二個表面的方法來修正翹曲。而且，坯片做得越薄，在修正翹曲方面就越困難。因此，常規工藝中的坯片必須用對厚度為一定范圍(即約1.2-1.5mm)的非晶玻璃片進行晶化的方法來制作。
此外，磁盤基底所要求的平整度，例如，具有直徑為65mm時一般沿直徑為5μm或更小。
本發明的目的是借助于大幅度減少晶化之后晶化玻璃板的研磨損耗并改善晶化玻璃的生產成本而解決上述問題。
根據本發明，用一種制造磁盤用晶化玻璃基底的工藝達到了上述目的，此工藝的特征是包含下列相繼步驟將帶有大體均勻厚度和二個主表面的非晶玻璃板夾在一對各帶有一個平坦表面的沖壓裝置之間，夾持的方式使非晶玻璃板的上述主表面與上述沖壓裝置的平坦表面緊密接觸，上述沖壓裝置同上述非晶玻璃之間不發生反應而且在上述非晶玻璃受熱晶化過程中上述沖壓裝置不會變形；借助于加熱到上述非晶玻璃的玻璃材料的退火點以上的溫度，使上述非晶玻璃板在以上狀態下軟化，從而非晶玻璃板的上述主表面分別緊緊地固定在上述沖壓裝置的上述平坦表面上，以消除上述非晶玻璃板的翹曲。
然后將上述非晶玻璃板的溫度提高到晶體生長溫度以便在上述玻璃材料中生長晶體，從而在保持其無翹曲的狀態下晶化上述非晶玻璃板，接著使晶化玻璃板凝固。
亦即，根據本發明，當玻璃處于非晶態時，即硬度相對低因而易于研磨時，對玻璃板進行研磨，然后將這種非晶玻璃板容易地加工成接近磁盤用晶化玻璃基底即最終產品的目標厚度，而且非晶玻璃板被同時晶化，其平整度得以改善，亦即，消除了研磨后非晶玻璃板中的任何翹曲。這樣就可在將晶化后具有提高了的硬度的所謂坯片加工成最終產品的工藝中大幅地減小研磨損耗。
在本發明的所有說明及所附權利要求中，術語“大致均勻的厚度”對于非晶玻璃板來說應理解為意指厚度偏差在±10μm之內。
結合附圖閱讀下述最佳實施例的描述，本發明的上述和其它目的、特征和優點將變得更為明顯，其中
圖1a是一個斜視圖，示意地示出了從大尺寸柱狀體1切出預定厚度盤狀體的工藝；圖1b斜視圖示出了用夾持在頂沖頭3A上的砂輪4A與底沖頭3B上的砂輪4B之間的夾具所進行的研磨操作；圖1c剖面圖示出了研磨之后成形體內外周邊部位的研磨操作；圖2示出了適合大批量生產的熱處理爐；圖3a平面圖示出了非晶玻璃板12；圖3b各表示非晶玻璃板12的一個研磨表面的外形；圖3c各表示非晶玻璃板12另一個研磨表面的外形；圖4a各表示晶化處理之后基底一個研磨表面的外形；以及圖4b各表示基底另一個研磨表面的外形。
熔融玻璃先鑄入模具再冷卻以制作柱狀體。用帶鋸、夾鋸、內徑切割機之類切割柱狀體以制作盤狀非晶玻璃板。圖1a示出了一種用帶鋸切割的方法。柱狀大尺寸成形體1帶有一對平行端面1b和一個圓柱表面1a。切割刀片2如箭頭A所示沿平行于二個端面1b的方向從圓柱表面1a壓入成形體1，以便切出預定厚度的盤狀體。
此處所用的切割工具從上述各種中適當選取。如果切得的盤狀非晶玻璃板沒有什么厚度偏離，則這些玻璃板可直接交付晶化步驟而無需粗磨整形。對這樣得到的盤狀非晶玻璃板的二個切割表面進行研磨以清除切割時形成在切割表面上的凹凸不平，從而得到帶有二個主表面的厚度均勻的非晶玻璃板。
對這一階段的研磨方法沒有具體的限制。但通常如圖1b所示，借助于將載體5夾持在頂沖頭3A上的砂輪4A和底沖頭3B上的砂輪4B之間，將各個切得的非晶玻璃板6固定在載體5上，并沿箭頭B所示的方向旋轉載體5，可將各個非晶玻璃板6研磨成預定厚度。
在本發明中，磁盤用晶化玻璃基底的制造方法是將已被研磨成預定厚度的非晶玻璃板晶化，然后對得到的晶化玻璃板進行最終的研磨處理(研磨或拋光)。為了盡可能減小最終研磨損耗，非晶玻璃成品板和最終產品(即磁盤用晶化玻璃基底)之間的厚度差最好做成0.1mm(100μm)或更小，0.05mm(50μm)更好。換言之，最好采用其厚度足以允許晶化玻璃板研磨工藝中100μm以內(50μm內更好)的厚度研磨損耗的非晶玻璃板。例如，若磁盤用晶化玻璃的直徑為65mm，最終產品的厚度一般為0.635mm。此時，非晶玻璃成品板的厚度最好至多為0.735mm，至多為0.685mm更好。
而且，非晶玻璃成品板的厚度最好是均勻的，厚度偏離在±10μm以內。此外，在本發明中，由于翹曲(即不平整性)會在后續步驟(即晶化步驟)中消除，故不必擔心這階段中非晶玻璃板的翹曲。
然后將研磨過的非晶玻璃板夾持在一對石墨制作的沖壓裝置之間，形成一個夾層體結構，每個沖壓裝置有一個在其65mm的寬度內平整度為10μm或更小(最好為5μm或更小)的平坦表面。此夾層體結構被送入內部為氮氣氛的爐子中并加熱至結晶溫度，以便非晶玻璃可同時軟化并牢固地貼在石墨沖壓裝置的平坦表面上，從而消除翹曲，然后逐漸晶化，形狀一直保持到凝固。
在本例中，石墨被用作沖壓裝置材料，以便當用一對沖壓裝置將非晶玻璃板夾在中間，并在惰性氣氛中被加熱軟化時，石墨沖壓裝置不同非晶玻璃層反應，而且，由于石墨材料的硬度低，當沖壓裝置表面加工整平時，用研磨方法可容易地獲得高的平整度。而且，只要不同玻璃反應也不粘結玻璃，且在晶化溫度下化學機械穩定，則石墨以外的任何材料都可以用作沖壓裝置材料。實際上，涂石墨的陶瓷也很好用。
而且，在本例中，由于氮氣(即惰性氣體)用于爐中，有效地防止了加熱中石墨與氧之間的反應所引起的沖壓裝置變壞。從這個觀點看，氣氛也可以是還原性的。
此外，磁盤的實際基底要求進行加工以提供精確的基底外徑并在盤的中心處鏜一個圓孔。而且，盤的外緣和圓孔(未示出)的內緣必須倒角。這一處理可以在非晶玻璃態中或晶化玻璃中進行。但由于非晶玻璃比晶化玻璃更易加工，故最好上述處理在非晶玻璃態中進行。
圖1c剖面圖示出了晶化之前加工非晶玻璃內外緣的操作。使成形體9待要研磨的平坦表面面對加工工具7。加工工具7裝有環狀外緣金剛輪8A和內金剛輪8B。使待要研磨的表面與砂輪接觸并例如沿箭頭C所示方向旋轉加工工具7。從而清除虛線10所示的成形體9的外緣部分，并根據預定的指標控制成形體的外緣尺寸。與此同時，清除虛線11所示的中央部分以形成預定形狀和尺寸的圓孔。
或者，在非晶玻璃的晶化大規模進行的情況下，必須同時整體連續地處理大量的非晶玻璃板。因而，最好用平板形沖壓裝置，這些沖壓裝置和非晶玻璃板交替堆疊成一個多層體，且大量多層體在爐子中作為一個整體被處理。或者，也可以用通道爐來連續處理大量行經其中的多層體。圖2示出了這樣一種大批量生產工藝。
在圖2所示的熱處理爐中，上爐15A中裝配有加熱器16A，而下爐B中裝配有加熱器16B。各個多層體18A、18B、18C和18D由沖壓裝置17和交替堆疊在沖壓裝置之間的非晶玻璃板12組成。在多層體的頂部和底部分別安置了沖壓裝置17。用諸如傳送帶之類的未示出的傳送裝置，可使多層體向箭頭E所示的方向移動。爐中的溫度根據從室溫加熱、加熱至多層體的退火溫度以上以及加熱到多層體的晶化溫度等步驟中的各個條件來控制。
用常規研磨和拋光方法來加工得到的由晶化玻璃制成的坯片，以提供預定厚度、平整度和表面粗糙度的磁盤用晶化玻璃基底。
根據本發明用來制造磁盤基底的晶化玻璃的例子包括以下所示的Li2O-Al2O3-SiO2基晶化玻璃。
本發明將用以下舉例的方法來進一步更詳細地加以解釋。但應該理解這些例子不是用來限制本發明的。例1各種金屬碳酸鹽或類似物的粉末以其中氧化物的重量比為SiO2∶Li2O∶Al2O3∶K2O∶P2O5∶Sb2O3＝76.1∶11.8∶7.1∶2.8∶2.0∶0.2混合在一起。在1400℃溫度下熱處理將混合物熔化。將得到的熔體鑄入水冷的鑄鐵模中，從而得到外徑為68mm、長150mm的柱狀成形體。從模具中取出此成形體，逐漸冷卻以消除內應力并提供玻璃成形體。
用裝備有325#金剛輪的內徑切割機切割柱狀成形體，從而得到0.7mm厚的盤狀體。用杯狀砂輪研磨這些盤狀體6并加工成帶有20mm內徑和66mm外徑的環狀非晶玻璃板12。
將這樣得到的非晶玻璃板12夾持在一對沖壓裝置17之間，形成夾層體，沖壓裝置17的表面被加工成在65mm的寬度內的，平整度為5μm。使上述非晶玻璃板的二個主表面分別與上述沖壓裝置的平坦表面接觸。用上述的連續夾層的方式，形成一個8層堆疊體，最上層及最下層均有沖壓裝置17。8層堆疊體被水平地置于氧化鋁管制成的常壓充氣管式爐中。此時將爐子密封，通入流速為1升/分鐘的N2氣流，溫度保持在550℃共2小時，然后以125℃/小時的速率升溫直至達到850℃，之后保持在850℃共4小時，然后冷卻到室溫。
上述工藝在總共40個非晶玻璃板12的片子上進行。結果，雖然非晶玻璃板12在晶化之前的平整度平均值為7.1μm且橫跨其65mm直徑的標準偏離為1.7μm，但晶化后坯片的平整度平均值卻為4.9μm且橫跨其65mm直徑的標準偏離為1.1μm。這說明平整度得到了明顯的改善。而且，得到的晶化玻璃基底在堆疊最上部基底和最底部基底的平整度沒有差別。這就提供了高平整度的坯片。
用#2000GC磨料研磨這些坯片，直到其厚度降為0.66mm，并進一步用#4000GC磨料研磨，直到厚度為0.64mm。之后用氧化鈰進行進一步拋光到厚度為0.635mm，從而得到橫跨其65mm直徑的平整度為4μm且平均表面粗糙度為7埃的由晶化玻璃構成的磁盤基底。例2用相同于上述例1的方法得到的外徑為68mm而長度為150mm的柱狀非晶玻璃成形體，用600GC磨料帶鋸切割制成0.8mm厚的成形體。用#800金剛砂磨料同時研磨這些成形體的二個主表面以得到0.7mm厚的非晶玻璃圓盤。用相同于例1的方法加工這些非晶玻璃盤以得到內徑為20mm而外徑為66mm的環形非晶玻璃板12。
這些非晶玻璃板12研磨表面橫跨外徑的平整度約為40μm。圖3a平面圖示出了這種非晶玻璃板12。如圖3b所示，這一非晶玻璃板12的一個主表面沿a方向的翹曲為41.4μm，而沿b方向的翹曲為31.2μm。如圖3c所示，此非晶玻璃板12的另一主表面沿a方向的翹曲為43.8μm，而沿b方向的翹曲為33.6μm。此處，24是標準線。
得到的非晶玻璃板12用相同于例1的方法進行熱處理和晶化。其結果是由晶化玻璃組成的坯片的橫跨外徑的平整度被改善為4.3μm或更小。圖4a示出了坯片的一個研磨主表面的外形，而圖4b示出了晶化處理后坯片另一個研磨主表面的外形。
如上述例子所述，根據本發明的工藝，由于研磨是在玻璃材料處于非晶階段亦即處于硬度相對低且易于研磨的狀態時進行的，故可容易地研磨玻璃板，而且，非晶玻璃板被均勻地加工成厚度接近最終產品(即磁盤用晶化玻璃基底)的目標厚度，同時修正了磁盤的平整度。因此，有可能顯著降低高硬度晶化坯片的研磨損耗，從而方便而低成本地生產由晶化玻璃組成的磁盤基底。
權利要求
1.一種制造磁盤用晶化玻璃基底的工藝，其特征是包含下列相繼步驟將具有大致均勻厚度和二個主表面的非晶玻璃板夾持在一對各具有平坦表面的沖壓裝置之間，夾持的方式使非晶玻璃板的各個上述主表面與沖壓裝置的上述平坦表面接觸，上述沖壓裝置不同上述非晶玻璃起反應而且在加熱上述非晶玻璃引起的晶化過程中上述沖壓裝置不會形變；借助于加熱到上述非晶玻璃的玻璃材料的退火點以上的溫度，將上述狀態的上述非晶玻璃板軟化，從而使非晶玻璃的上述主表面分別牢固地貼在上述沖壓裝置的上述平坦表面上，以消除翹曲并整平上述非晶玻璃板；然后將上述非晶玻璃板的溫度提高到晶體生長溫度以在上述玻璃材料中生長晶體，從而晶化上述非晶玻璃板而又保持其無翹曲狀態，隨后凝固晶化玻璃板。
2.根據權利要求1的工藝，其中所述的非晶玻璃板的主表面已用研磨工藝加工過。
3.根據權利要求2的工藝還包含在凝固晶化玻璃板的步驟之后，用研磨工藝精加工上述晶化玻璃板的步驟，其中所述非晶玻璃板的厚度允許在精加工晶化玻璃板的步驟中可有100μm范圍內的厚度研磨損耗。
4.根據權利要求3的工藝，其中所述的厚度研磨損耗在50μm的范圍內。
5.根據權利要求1的工藝，其中所述的沖壓裝置是帶有精制成在基底表面的整個區域內平整度為10μm的平坦表面的石墨板。
6.根據權利要求1的工藝，其中所述的借助于消除非晶玻璃板翹曲而得到的晶化玻璃板在基底表面的整個區域內的平整度在10μm范圍內。
7.根據權利要求1的工藝，其中上述非晶玻璃板的加熱是在惰性氣氛或還原氣氛中進行的。
全文摘要
制造磁盤用晶化玻璃基底的工藝，包含(a)將帶有均勻厚度和二個平坦主表面的非晶玻璃板以夾層體方式夾持在與非晶玻璃不起反應并在非晶玻璃晶化加熱過程中不會變形的一對沖壓裝置之間；(b)加熱到非晶玻璃退火點以上的溫度，使夾層體堆疊形式中的非晶玻璃軟化，使主表面貼在沖壓裝置的平坦表面上以消除翹曲并整平非晶玻璃板；以及(c)將溫度提高到晶體生長溫度以便在非晶玻璃中生長晶體，從而將非晶玻璃板晶化而又保持其無翹曲狀態，隨后凝固。
文檔編號C03B23/03GK1153375SQ9611271
公開日1997年7月2日 申請日期1996年10月4日 優先權日1995年10月5日
發明者鈴木富雄, 竹矢文則 申請人:日本礙子株式會社