专利名称：磁盘用晶化玻璃基底的制造工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及到磁盘用晶化玻璃基底的制造工艺。
诸如计算机之类的磁性储存的主要元件是磁性记录介质和用来重现磁性记录的磁头。铝合金已被广泛地用作磁性记录介质硬盘基底的主要材料。但随着新近硬盘驱动器的小型化，磁头的浮动高度已显著地减小了。因而对磁盘的表面要求极高精度的平整度。通常，磁盘表面凹凸的最大高度应不超过磁盘浮动高度的一半。例如，在浮动高度为75nm的硬盘驱动器中，可允许的磁盘表面凹凸的最大高度必须小于38nm。特别是最近已要求在磁盘基底上的读写区中将JISB0601所定义的中线平均粗糙度(Ra)限制在20埃或更小的范围内。但在铝合金基底的情况下，其硬度是如此之低，以致即使用高精度的磨料颗粒和机械工具进行精磨，其底表面也很易塑性形变。因此，难以制造具有高于一定等级精度的平坦表面。即使用镍磷来镀铝合金的表面，也不能制作上述水平的平坦表面。
而且，随着新近在硬盘驱动器小型化和厚度降低方面的进展，已强烈要求降低磁盘基底的厚度。但由于铝合金的强度和韧性低，很难减小盘厚度而又保持硬盘驱动器指标所要求的预定强度。特别是磁盘基底被加工到0.5mm或更薄时，就会出现由于强度不够而造成的基底弯曲或在高速旋转或设备起动时基底表面的振动等问题。
为了解决上述问题，由玻璃材料制成的磁盘基底已部分地得到了实用。但由于HDD磁盘基底要求特别高的强度，故须采用诸如化学钢化玻璃、玻璃陶瓷之类的钢化玻璃。用这些材料可制作Ra非常小(≤20埃)的磁性记录表面。
用来组成磁盘基底的玻璃的例子包括诸如钠钙玻璃之类的化学钢化玻璃、晶化玻璃、无碱玻璃以及铝硅酸盐玻璃。就其强度而言，化学钢化玻璃和晶化玻璃较好。
具体地说，晶化玻璃由于其硬度和弯曲强度均匀，故在强度可靠性方面优于化学钢化玻璃。特别是当磁盘基底厚度减到0.5mm或更小时，由于可保持所需的强度而更为可取。
但在这种晶化玻璃所组成的磁盘基底的大批量生产中存在下列问题。亦即，在常规制造工艺中，例如当生产直径为65mm的玻璃基底时，一大团的熔融玻璃先被铸入模具再被压成厚约1.2-1.5mm的非晶玻璃盘状体。或者将非晶玻璃柱状体切成非晶玻璃盘状板，如有需要，则再对非晶玻璃板进行研磨以得到厚度约为1.2-1.5mm的玻璃盘。将这些非晶玻璃板加热晶化，从而得到精磨加工之前的半成品(所谓“坯片”)。然后对坯片的二个表面进行精磨加工，亦即对坯片的顶面和底面同时研磨和抛光以得到例如厚度为0.635mm的磁盘用的晶化玻璃成品基底。
亦即，为了将非晶玻璃晶化所得到的半成品(坯片)加工成最终产品(磁盘用的晶化玻璃基底)，必须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显地高于晶化之前，以致需要很长的时间来研磨坯片。从而出现生产成本明显上升的问题。为了降低这一成本，自然希望在非晶态时将玻璃加工得尽可能薄。但当在这种状态时单纯发生晶化，玻璃板在晶化台上可能翘曲，以致几乎不可能用研磨坯片二个表面的方法来修正翘曲。而且，坯片做得越薄，在修正翘曲方面就越困难。因此，常规工艺中的坯片必须用对厚度为一定范围(即约1.2-1.5mm)的非晶玻璃片进行晶化的方法来制作。
此外，磁盘基底所要求的平整度，例如，具有直径为65mm时一般沿直径为5μm或更小。
本发明的目的是借助于大幅度减少晶化之后晶化玻璃板的研磨损耗并改善晶化玻璃的生产成本而解决上述问题。
根据本发明，用一种制造磁盘用晶化玻璃基底的工艺达到了上述目的，此工艺的特征是包含下列相继步骤将带有大体均匀厚度和二个主表面的非晶玻璃板夹在一对各带有一个平坦表面的冲压装置之间，夹持的方式使非晶玻璃板的上述主表面与上述冲压装置的平坦表面紧密接触，上述冲压装置同上述非晶玻璃之间不发生反应而且在上述非晶玻璃受热晶化过程中上述冲压装置不会变形；借助于加热到上述非晶玻璃的玻璃材料的退火点以上的温度，使上述非晶玻璃板在以上状态下软化，从而非晶玻璃板的上述主表面分别紧紧地固定在上述冲压装置的上述平坦表面上，以消除上述非晶玻璃板的翘曲。
然后将上述非晶玻璃板的温度提高到晶体生长温度以便在上述玻璃材料中生长晶体，从而在保持其无翘曲的状态下晶化上述非晶玻璃板，接着使晶化玻璃板凝固。
亦即，根据本发明，当玻璃处于非晶态时，即硬度相对低因而易于研磨时，对玻璃板进行研磨，然后将这种非晶玻璃板容易地加工成接近磁盘用晶化玻璃基底即最终产品的目标厚度，而且非晶玻璃板被同时晶化，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翘曲。这样就可在将晶化后具有提高了的硬度的所谓坯片加工成最终产品的工艺中大幅地减小研磨损耗。
在本发明的所有说明及所附权利要求中，术语“大致均匀的厚度”对于非晶玻璃板来说应理解为意指厚度偏差在±10μm之内。
结合附图阅读下述最佳实施例的描述，本发明的上述和其它目的、特征和优点将变得更为明显，其中
图1a是一个斜视图，示意地示出了从大尺寸柱状体1切出预定厚度盘状体的工艺；图1b斜视图示出了用夹持在顶冲头3A上的砂轮4A与底冲头3B上的砂轮4B之间的夹具所进行的研磨操作；图1c剖面图示出了研磨之后成形体内外周边部位的研磨操作；图2示出了适合大批量生产的热处理炉；图3a平面图示出了非晶玻璃板12；图3b各表示非晶玻璃板12的一个研磨表面的外形；图3c各表示非晶玻璃板12另一个研磨表面的外形；图4a各表示晶化处理之后基底一个研磨表面的外形；以及图4b各表示基底另一个研磨表面的外形。
熔融玻璃先铸入模具再冷却以制作柱状体。用带锯、夹锯、内径切割机之类切割柱状体以制作盘状非晶玻璃板。图1a示出了一种用带锯切割的方法。柱状大尺寸成形体1带有一对平行端面1b和一个圆柱表面1a。切割刀片2如箭头A所示沿平行于二个端面1b的方向从圆柱表面1a压入成形体1，以便切出预定厚度的盘状体。
此处所用的切割工具从上述各种中适当选取。如果切得的盘状非晶玻璃板没有什么厚度偏离，则这些玻璃板可直接交付晶化步骤而无需粗磨整形。对这样得到的盘状非晶玻璃板的二个切割表面进行研磨以清除切割时形成在切割表面上的凹凸不平，从而得到带有二个主表面的厚度均匀的非晶玻璃板。
对这一阶段的研磨方法没有具体的限制。但通常如图1b所示，借助于将载体5夹持在顶冲头3A上的砂轮4A和底冲头3B上的砂轮4B之间，将各个切得的非晶玻璃板6固定在载体5上，并沿箭头B所示的方向旋转载体5，可将各个非晶玻璃板6研磨成预定厚度。
在本发明中，磁盘用晶化玻璃基底的制造方法是将已被研磨成预定厚度的非晶玻璃板晶化，然后对得到的晶化玻璃板进行最终的研磨处理(研磨或抛光)。为了尽可能减小最终研磨损耗，非晶玻璃成品板和最终产品(即磁盘用晶化玻璃基底)之间的厚度差最好做成0.1mm(100μm)或更小，0.05mm(50μm)更好。换言之，最好采用其厚度足以允许晶化玻璃板研磨工艺中100μm以内(50μm内更好)的厚度研磨损耗的非晶玻璃板。例如，若磁盘用晶化玻璃的直径为65mm，最终产品的厚度一般为0.635mm。此时，非晶玻璃成品板的厚度最好至多为0.735mm，至多为0.685mm更好。
而且，非晶玻璃成品板的厚度最好是均匀的，厚度偏离在±10μm以内。此外，在本发明中，由于翘曲(即不平整性)会在后续步骤(即晶化步骤)中消除，故不必担心这阶段中非晶玻璃板的翘曲。
然后将研磨过的非晶玻璃板夹持在一对石墨制作的冲压装置之间，形成一个夹层体结构，每个冲压装置有一个在其65mm的宽度内平整度为10μm或更小(最好为5μm或更小)的平坦表面。此夹层体结构被送入内部为氮气氛的炉子中并加热至结晶温度，以便非晶玻璃可同时软化并牢固地贴在石墨冲压装置的平坦表面上，从而消除翘曲，然后逐渐晶化，形状一直保持到凝固。
在本例中，石墨被用作冲压装置材料，以便当用一对冲压装置将非晶玻璃板夹在中间，并在惰性气氛中被加热软化时，石墨冲压装置不同非晶玻璃层反应，而且，由于石墨材料的硬度低，当冲压装置表面加工整平时，用研磨方法可容易地获得高的平整度。而且，只要不同玻璃反应也不粘结玻璃，且在晶化温度下化学机械稳定，则石墨以外的任何材料都可以用作冲压装置材料。实际上，涂石墨的陶瓷也很好用。
而且，在本例中，由于氮气(即惰性气体)用于炉中，有效地防止了加热中石墨与氧之间的反应所引起的冲压装置变坏。从这个观点看，气氛也可以是还原性的。
此外，磁盘的实际基底要求进行加工以提供精确的基底外径并在盘的中心处镗一个圆孔。而且，盘的外缘和圆孔(未示出)的内缘必须倒角。这一处理可以在非晶玻璃态中或晶化玻璃中进行。但由于非晶玻璃比晶化玻璃更易加工，故最好上述处理在非晶玻璃态中进行。
图1c剖面图示出了晶化之前加工非晶玻璃内外缘的操作。使成形体9待要研磨的平坦表面面对加工工具7。加工工具7装有环状外缘金刚轮8A和内金刚轮8B。使待要研磨的表面与砂轮接触并例如沿箭头C所示方向旋转加工工具7。从而清除虚线10所示的成形体9的外缘部分，并根据预定的指标控制成形体的外缘尺寸。与此同时，清除虚线11所示的中央部分以形成预定形状和尺寸的圆孔。
或者，在非晶玻璃的晶化大规模进行的情况下，必须同时整体连续地处理大量的非晶玻璃板。因而，最好用平板形冲压装置，这些冲压装置和非晶玻璃板交替堆叠成一个多层体，且大量多层体在炉子中作为一个整体被处理。或者，也可以用通道炉来连续处理大量行经其中的多层体。图2示出了这样一种大批量生产工艺。
在图2所示的热处理炉中，上炉15A中装配有加热器16A，而下炉B中装配有加热器16B。各个多层体18A、18B、18C和18D由冲压装置17和交替堆叠在冲压装置之间的非晶玻璃板12组成。在多层体的顶部和底部分别安置了冲压装置17。用诸如传送带之类的未示出的传送装置，可使多层体向箭头E所示的方向移动。炉中的温度根据从室温加热、加热至多层体的退火温度以上以及加热到多层体的晶化温度等步骤中的各个条件来控制。
用常规研磨和抛光方法来加工得到的由晶化玻璃制成的坯片，以提供预定厚度、平整度和表面粗糙度的磁盘用晶化玻璃基底。
根据本发明用来制造磁盘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。
本发明将用以下举例的方法来进一步更详细地加以解释。但应该理解这些例子不是用来限制本发明的。例1各种金属碳酸盐或类似物的粉末以其中氧化物的重量比为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℃温度下热处理将混合物熔化。将得到的熔体铸入水冷的铸铁模中，从而得到外径为68mm、长150mm的柱状成形体。从模具中取出此成形体，逐渐冷却以消除内应力并提供玻璃成形体。
用装备有325#金刚轮的内径切割机切割柱状成形体，从而得到0.7mm厚的盘状体。用杯状砂轮研磨这些盘状体6并加工成带有20mm内径和66mm外径的环状非晶玻璃板12。
将这样得到的非晶玻璃板12夹持在一对冲压装置17之间，形成夹层体，冲压装置17的表面被加工成在65mm的宽度内的，平整度为5μm。使上述非晶玻璃板的二个主表面分别与上述冲压装置的平坦表面接触。用上述的连续夹层的方式，形成一个8层堆叠体，最上层及最下层均有冲压装置17。8层堆叠体被水平地置于氧化铝管制成的常压充气管式炉中。此时将炉子密封，通入流速为1升/分钟的N2气流，温度保持在550℃共2小时，然后以125℃/小时的速率升温直至达到850℃，之后保持在850℃共4小时，然后冷却到室温。
上述工艺在总共40个非晶玻璃板12的片子上进行。结果，虽然非晶玻璃板12在晶化之前的平整度平均值为7.1μm且横跨其65mm直径的标准偏离为1.7μm，但晶化后坯片的平整度平均值却为4.9μm且横跨其65mm直径的标准偏离为1.1μm。这说明平整度得到了明显的改善。而且，得到的晶化玻璃基底在堆叠最上部基底和最底部基底的平整度没有差别。这就提供了高平整度的坯片。
用#2000GC磨料研磨这些坯片，直到其厚度降为0.66mm，并进一步用#4000GC磨料研磨，直到厚度为0.64mm。之后用氧化铈进行进一步抛光到厚度为0.635mm，从而得到横跨其65mm直径的平整度为4μm且平均表面粗糙度为7埃的由晶化玻璃构成的磁盘基底。例2用相同于上述例1的方法得到的外径为68mm而长度为150mm的柱状非晶玻璃成形体，用600GC磨料带锯切割制成0.8mm厚的成形体。用#800金刚砂磨料同时研磨这些成形体的二个主表面以得到0.7mm厚的非晶玻璃圆盘。用相同于例1的方法加工这些非晶玻璃盘以得到内径为20mm而外径为66mm的环形非晶玻璃板12。
这些非晶玻璃板12研磨表面横跨外径的平整度约为40μm。图3a平面图示出了这种非晶玻璃板12。如图3b所示，这一非晶玻璃板12的一个主表面沿a方向的翘曲为41.4μm，而沿b方向的翘曲为31.2μm。如图3c所示，此非晶玻璃板12的另一主表面沿a方向的翘曲为43.8μm，而沿b方向的翘曲为33.6μm。此处，24是标准线。
得到的非晶玻璃板12用相同于例1的方法进行热处理和晶化。其结果是由晶化玻璃组成的坯片的横跨外径的平整度被改善为4.3μm或更小。图4a示出了坯片的一个研磨主表面的外形，而图4b示出了晶化处理后坯片另一个研磨主表面的外形。
如上述例子所述，根据本发明的工艺，由于研磨是在玻璃材料处于非晶阶段亦即处于硬度相对低且易于研磨的状态时进行的，故可容易地研磨玻璃板，而且，非晶玻璃板被均匀地加工成厚度接近最终产品(即磁盘用晶化玻璃基底)的目标厚度，同时修正了磁盘的平整度。因此，有可能显著降低高硬度晶化坯片的研磨损耗，从而方便而低成本地生产由晶化玻璃组成的磁盘基底。
权利要求
1.一种制造磁盘用晶化玻璃基底的工艺，其特征是包含下列相继步骤将具有大致均匀厚度和二个主表面的非晶玻璃板夹持在一对各具有平坦表面的冲压装置之间，夹持的方式使非晶玻璃板的各个上述主表面与冲压装置的上述平坦表面接触，上述冲压装置不同上述非晶玻璃起反应而且在加热上述非晶玻璃引起的晶化过程中上述冲压装置不会形变；借助于加热到上述非晶玻璃的玻璃材料的退火点以上的温度，将上述状态的上述非晶玻璃板软化，从而使非晶玻璃的上述主表面分别牢固地贴在上述冲压装置的上述平坦表面上，以消除翘曲并整平上述非晶玻璃板；然后将上述非晶玻璃板的温度提高到晶体生长温度以在上述玻璃材料中生长晶体，从而晶化上述非晶玻璃板而又保持其无翘曲状态，随后凝固晶化玻璃板。
2.根据权利要求1的工艺，其中所述的非晶玻璃板的主表面已用研磨工艺加工过。
3.根据权利要求2的工艺还包含在凝固晶化玻璃板的步骤之后，用研磨工艺精加工上述晶化玻璃板的步骤，其中所述非晶玻璃板的厚度允许在精加工晶化玻璃板的步骤中可有100μm范围内的厚度研磨损耗。
4.根据权利要求3的工艺，其中所述的厚度研磨损耗在50μm的范围内。
5.根据权利要求1的工艺，其中所述的冲压装置是带有精制成在基底表面的整个区域内平整度为10μm的平坦表面的石墨板。
6.根据权利要求1的工艺，其中所述的借助于消除非晶玻璃板翘曲而得到的晶化玻璃板在基底表面的整个区域内的平整度在10μm范围内。
7.根据权利要求1的工艺，其中上述非晶玻璃板的加热是在惰性气氛或还原气氛中进行的。
全文摘要
制造磁盘用晶化玻璃基底的工艺，包含(a)将带有均匀厚度和二个平坦主表面的非晶玻璃板以夹层体方式夹持在与非晶玻璃不起反应并在非晶玻璃晶化加热过程中不会变形的一对冲压装置之间；(b)加热到非晶玻璃退火点以上的温度，使夹层体堆叠形式中的非晶玻璃软化，使主表面贴在冲压装置的平坦表面上以消除翘曲并整平非晶玻璃板；以及(c)将温度提高到晶体生长温度以便在非晶玻璃中生长晶体，从而将非晶玻璃板晶化而又保持其无翘曲状态，随后凝固。
文档编号C03B23/03GK1153375SQ9611271
公开日1997年7月2日 申请日期1996年10月4日 优先权日1995年10月5日
发明者铃木富雄, 竹矢文则 申请人:日本碍子株式会社