DE19616679C1 - Verfahren zur Herstellung chemisch vorgespannten Glases und Verwendung desselben - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines chemisch vorge­ spannten Glases mit hoher Bruchfestigkeit und mit hoher chemischer Beständigkeit sowie die Verwendung dieses Glases.

Glas ist für die Verwendung als Substrat für Datenträger (Festplatten) gegenüber Metallen wie Aluminium oder Metallegierungen von Vorteil u. a. wegen seiner gerin­ gen Oberflächenrauhigkeit und seiner Ebenheit. Solche Substratgläser müssen bei der Festplattenfertigung und bei der Verwendung erhöhten chemischen, thermi­ schen und mechanischen Belastungen standhalten. So erfahren sie während der Beschichtung (beispielsweise durch Kathodenzerstäubung) hohe Temperaturen mit kurzen Abkühlraten. Bei der Verwendung als Festplatten treten hohe mechanische Belastungen, z. B. Umdrehungszahlen von 3500 bis 10000 U/min sowie Klemm­ spannungen auf der Drehachse von bis zu 300 N/mm² auf.

Nicht vorgespannte Gläser sind gegenüber Zugspannungen sehr bruchanfällig. Den genannten Belastungen können vor allem 0,25 bis 3,00 mm dünne Gläser nur wi­ derstehen, wenn sie vorgespannt sind.

Im Vergleich zu nicht vorgespannten Gläsern weisen vorgespannte Gläser bei ge­ gebener Last eine geringere Bruchwahrscheinlichkeit auf bzw. ist die Bruchwahr­ scheinlichkeit erst bei einer höheren Last gleich groß.

Da die Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit durch thermisches Vorspannen erst bei einer Mindestdicke von 3 mm möglich ist, ist hier das chemische Vorspan­ nen durch Ionenaustausch im Salzbad die Methode der Wahl.

Beim chemischen Vorspannen unterhalb der Transformationstemperatur Tg des Glases werden Alkalimetallionen mit kleinem Ionendurchmesser aus dem Glas ge­ gen Alkalimetallionen größeren Durchmessers aus dem Salzbad ausgetauscht, z. B. Li⁺ gegen Na⁺, Na⁺ gegen K⁺. So lassen sich mit Druckspannungszonen mit einer Dicke von etwa 14 bis 230 µm, was etwa 2/3 der Ionenaustauschtiefe entspricht, Biegefestigkeiten von 350 bis 900 N/mm² aufbauen.

Wesentlich für eine erfolgreiche Erzeugung von Druckspannungsschichten ist auch die Zusammensetzung des Glases. Das Vorhandensein von Li-Ionen im Glas er­ schwert die Durchführung des Ionenaustauschprozesses, weil zwei Ionensorten ausgetauscht werden, nämlich Li⁺ gegen Na⁺ und Na⁺ gegen K⁺ und weil während des Austauschprozesses i.a. ein spezielles Mischungsverhältnis von Na- und K-Salzen und enge Temperaturgrenzen eingehalten werden müssen.

Die Glaskomponente Fluorid bildet zusammen mit Sauerstoffionen das Anionen­ netzwerk des Glases, in dem große Ionen leicht diffundieren können. Dadurch ist ein Spannungsabbau begünstigt.

Eine chemische Vorspannung ist, wenn das Substratglas größere Mengen an Flu­ orid enthält, gewöhnlich nur für eine kurze Zeit erreichbar oder geht z. B. bei der Temperaturbelastung durch die Beschichtung überwiegend verloren.

Für die genannte Verwendung ist auch die Qualität des Glases bezüglich Zahl und Größe von Fehlern wie festen Einschlüssen und Blasen von Bedeutung. Blasen an der Oberfläche des Substrats verursachen nämlich, wenn sie anpoliert werden, Lö­ cher, was zu unerlaubten Unebenheiten der Oberfläche führt.

In der Offenlegungsschrift DE 42 06 268 A1 wird für die Verwendung als Festplatten-Substratglas ein lithiumhaltiges Aluminosilicatglas beschrieben. Durch das Vorhan­ densein von Li₂O wird zwar die Läuterbarkeit verbessert, jedoch das chemische Vor­ spannen erschwert.

Eine sehr große Bedeutung für die Funktionsfähigkeit einer Festplatte hat neben der Oberflächenebenheit die chemische Beständigkeit des Substratglases: Der Lese- Schreibe-Kopf eines Rechners steht in der geringen Entfernung von ca. 50 nm zur schnell drehenden Festplatte. Dieser Abstand muß für eine einwandfreie Funktion exakt gewahrt bleiben. Er wird jedoch verringert, wenn die Oberfläche des Festplat­ ten-Substrats unbeständig gegen Atmosphäreneinfluß ist und schon vor der Be­ schichtung ein chemischer Angriff die Oberfläche rauh macht (z. B. durch Ausblü­ hungen) oder wenn die Oberfläche durch Atmosphäreneinfluß ihre Haftfestigkeit zur aufgebrachten Schichtenfolge verliert und diese sich von ihr löst.

Problematisch ist, daß üblicherweise die Beständigkeit einer Glasoberfläche gegen­ über dem Angriff von Wasser, Lauge oder Säure durch das chemische Vorspannen, also die Erhöhung der Konzentration größerer Alkaliionen, herabgesetzt wird.

Die chemische Beständigkeit nimmt nämlich nicht nur mit steigender Alkalikonzen­ tration ab, sondern die genannten Angriffe sind um so effektiver, je größer die Alkali­ ionen sind.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren zur Herstellung eines chemisch vorgespannten Glases anzugeben, welches nicht nur eine hohe Biegefestigkeit, sondern auch eine hohe chemische Beständigkeit besitzt.

Diese Aufgabe wird durch das in Patentanspruch 1 beschriebene Verfahren gelöst.

Eine Voraussetzung, um der im Vorspannverfahren zu erzeugenden Druckspan­ nungszone die gewünschten Eigenschaften zu geben, ist die Zusammensetzung des Glases.

In den erfindungsgemäß verwendeten Aluminosilicatgläsern darf der SiO₂-Anteil 67,5 Mol-% nicht überschreiten, da sonst die Schmelztemperaturen zu sehr anstei­ gen. Andererseits darf 63,0 Mol-% SiO₂ nicht unterschritten werden, da sich sonst die chemische Beständigkeit zu sehr verschlechtert. Aus den gleichen Gründen darf der Al₂O₃-Anteil 12,0 Mol-% nicht über- und 9,5 Mol-% nicht unterschreiten. Um so­ wohl eine gute Säurebeständigkeit als auch eine gute Ionenaustauschbarkeit zu ge­ währleisten, müssen SiO₂ und Al₂O₃ in einem ausgewogenen Verhältnis zueinander vorliegen. So soll das Mol-Verhältnis SiO₂/Al₂O₃ zwischen 5,3 und 6,85 betragen.

Wesentlicher Bestandteil der Gläser sind die Alkalioxide. Auf das Vorhandensein von Li₂O kann aufgrund der weiter unten beschriebenen wirkungsvollen Kombination von Läutermitteln völlig verzichtet werden, wodurch es ermöglicht wird, die ge­ wünschten Eigenschaften bzgl. Oberflächenqualität und chemischer Vorspannung gleichzeitig in einem Glas zu realisieren.

Der Gehalt an Na₂O soll zwischen 8,5 und 15,5 Mol-% liegen. Ist er höher als 15,5 Mol-%, verschlechtert sich die chemische Beständigkeit, ist er geringer als 8,5 Mol-%, wird zum einen das Glas schlechter schmelzbar und zum anderen die Erhöhung der Festigkeit durch einen Na⁺-K⁺-Ionenaustausch nur noch eingeschränkt mög­ lich.

Ein Bestandteil von besonderer und überraschender Wirkung ist K₂O. Es soll zu 2,5 bis 4,0 Mol-% vorhanden sein. So wird die Schmelzbarkeit des Glases weiter ver­ bessert und ein Ionenaustauschprozeß des Na-Ion im Glas gegen das K-Ion im Salzbad beschleunigt. Außerdem wird die Homogenisierung erleichtert, was eine Verbesserung bzgl. der gewünschten Blasenfreiheit bedeutet. Durch K₂O wird die Basizität des Glases nämlich stärker erhöht als durch die gleiche Molzahl an Na₂O, und so wird die Läuterung erleichtert, ohne die hohe chemische Beständigkeit oder die chemische Vorspannbarkeit zu beeinträchtigen. Nur im angegebenen Bereich ist die erleichterte Glasherstellung von Glas hoher Blasenqualität bei gleichbleibenden chemischen und mechanischen Eigenschaften gewährleistet. Ist der K₂O-Gehalt geringer als 2,5 Mol-% und ist das Verhältnis Al₂O₃/K₂O kleiner als 2,8, nehmen Blasendichte und Blasengröße zu, ist der K₂O-Gehalt höher als 4,0 Mol-% und ist das Verhältnis Al₂O₃/K₂O größer als 3,6, kann die Festigkeit der Gläser beim Vor­ spannen nicht genügend erhöht werden.

Auch die beiden Alkalioxide müssen in einem ausgewogenen Verhältnis zueinander vorliegen. So soll das Mol-Verhältnis von Na₂O zu K₂O zwischen 3,0 und 5,6 liegen.

Ein weiterer notwendiger Bestandteil ist MgO. Es soll in einer Mindestmenge von 3,0 Mol-% MgO vorhanden sein. Es erhöht nämlich die Basizität der Gläser und fördert so die Homogenisierung. Es hemmt aber auch den Ionenaustauschprozeß, da in Aluminosilicatgläsern bei Anwesenheit zweiwertiger Ionen die Na-Ionen stärker in der Glasstruktur gebunden sind. Aus diesem Grund soll ein Höchstgehalt von 9,0 Mol-% MgO nicht überschritten werden. Die gleichen Wirkungen haben auch die anderen Erdalkalioxide sowie ZnO. Daher können auch CaO, SrO, BaO und ZnO im Glas enthalten sein, und zwar zu 0-2,5 Mol-% Σ CaO + SrO + BaO + ZnO. Bevorzugt ist das Vorhandensein von 0,1 bis 2,5 Mol-% Σ CaO + SrO + BaO + ZnO. Die Bevorzu­ gung des MgO gegenüber den anderen Erdalkalioxiden und ZnO ist begründet in der Tatsache, daß MgO ähnlich wie BaO und CaO die Schmelzbarkeit verbessert, aber weit weniger als diese die chemische Beständigkeit vermindert.

TiO₂ ist eine weitere notwendige Komponente des Glases. Es soll zu mindestens 0,5 Mol-% vorliegen, ein Gehalt von 1,5 Mol-% soll jedoch nicht überschritten werden da ansonsten Schwierigkeiten beim Aufschmelzen des Gemenges auftreten.

Auch die weiteren Komponenten, Läutermittel und Läuterhilfen, müssen in einer ausgewogenen Kombination vorhanden sein, um beste Ergebnisse bzgl. Blasen­ qualität zu erzielen. CeO₂ soll in Mengen zwischen 0,02 und 0,5 Mol-% im Glas ent­ halten sein. Es hat nicht nur Läuterfunktion, sondern verleiht dem Glas zusätzlich eine ausreichend hohe Absorption der medizinisch bedenklichen UV-Strahlung, was auch einen Einsatz des Glases in der Beleuchtungsindustrie ermöglicht. Es hat sich gezeigt, daß die Menge an Läutermitteln, die notwendig ist, von der vorhandenen Menge an Al₂O₃ abhängt. Je mehr Al₂O₃ im Glas vorliegt, desto mehr Läutermittel sind nötig. Speziell soll ein Mol-Verhältnis von Al₂O₃/(CeO₂ + TiO₂) zwischen 7,6 und 18,5 eingehalten werden.

Als weitere Läutermittel können As₂O₃ in Mengen bis zu 0,35 Mol-% und SnO₂ mit bis zu 1,0 Mol-% sinnvoll sein. Vorzugsweise ist von diesen beiden Komponenten mindestens eine mit mindestens 0,02 Mol-% vorhanden. Um eine ganz besonders hohe Qualität bzgl. geringer Blasenzahl und -größe zu erzielen, sollte das verwende­ te Glas As₂O₃ im Bereich zwischen 0,02 und 0,35 Mol-% enthalten.

Weiter muß das Glas F₂ im Bereich zwischen 0,05 und 2,6 Mol-% enthalten. Die Untergrenze ergibt sich aus den Anforderungen an die Blasenqualität, die Ober­ grenze folgt aus der oben schon beschriebenen Wirkung des Fluorids im Glasnetz­ werk. Bevorzugt ist bei arsenhaltigen Gläsern der Bereich 0,05-0,7 Mol-% F₂ und bei arsenfreien Gläsern der Bereich <0,5-2,6 Mol-% F₂.

Überraschenderweise läßt sich in diesen Gläsern auf einfache Weise durch chemi­ sches Vorspannen eine tiefe Druckspannungszone mit lang anhaltender Druckspan­ nung aufbauen, ohne daß die gute chemische Beständigkeit sich verschlechtert. Die Glaskörper werden in Salzbädern, die aus 100 bis mehr als 90 Gew.-% Kaliumsal­ zen bestehen bei Badtemperaturen zwischen 350 und 550°C 0,5 bis 20 h belassen. Durch eine solche Behandlung werden etwa 14 µm bis über 230 µm dicke Druck­ spannungszonen erreicht, wobei niedrigere Temperaturen höhere Verweilzeiten er­ forderlich machen. Für das Salzbad können alle gängigen Kaliumsalze verwendet werden, deren Anionen im angegebenen Temperaturbereich stabil sind. Das Salz­ bad (in der Regel mit 100% Kaliumsalz beginnend) wird dann erneuert, wenn durch den Austausch der Kali-Gehalt soweit abgesunken ist, daß die gewünschte Aus­ tauschtiefe nicht mehr erreicht wird. Das ist in der Regel bei 90 Gew.-% Kaliumsal­ zen der Fall. Man kann auch von Beginn an bis zu <10 Gew.-% an anderen Salzen, die den Schmelzpunkt des Bades erniedrigen, verwenden. Dies bedeutet natürlich, daß die Austauschfähigkeit des Bades dann entsprechend früher erschöpft ist.

Das chemische Vorspannen der Gläser durch Ionenaustausch kann u. U. zu uner­ wünschten Rauhigkeiten auf der Oberfläche führen. In einer vorteilhaften Ausfüh­ rungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Gläser im Anschluß an das Vorspannen poliert. Diese sich vom Stand der Technik unterscheidende Reihen­ folge der Prozeßschritte wird hier ohne Verlust der hohen Bruchfestigkeit durch die Dicke der entstandenen Druckspannungsschicht ermöglicht. Die Schicht sollte vor­ teilhaft <25 µm dick sein; dies wird beispielsweise durch einen etwa 1 h währenden Ionenaustausch bei einer Temperatur von 450°C bewirkt, kann aber auch mit ande­ ren Zeiten und Temperaturen entsprechend Tabelle 2 erreicht werden. Durch Polie­ ren nach dem Vorspannen können die bei der chemischen Vorspannung aufgetrete­ nen mechanischen Veränderungen der Oberfläche wieder entfernt werden, und man erhält Gläser von hervorragender Oberflächenqualität. Die gute chemische Bestän­ digkeit bleibt außerdem erhalten. Neben der Verbesserung der Oberflächenqualität bedeutet die hier beschriebene Vorgehensweise auch noch eine Vereinfachung des Herstellungsprozesses, da weniger Reinigungsschritte nötig sind. Die Gläser werden mit Ceroxid auf eine Restrauhigkeit entsprechend einem RMS (root mean square) - Wert <1 nm poliert.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind folgende:
Die nach diesem Verfahren hergestellten vorgespannten Gläser weisen gleichzeitig die folgenden, in dieser Kombination einmaligen, Eigenschaften auf:

• - eine hohe Biegefestigkeit,
• - eine tiefe Druckspannungszone,
• - praktisch keine Relaxation der erzeugten Druckspannung
• - eine gute Oberflächenqualität,
• - eine hohe chemische Beständigkeit.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten vorgespannten Gläser sind aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften hervorragend geeignet für die Ver­ wendung als Substratgläser für Festplatten.

Ausführungsbeispiele

In Tabelle 1 sind Beispiele von vorgespannten Gläsern angegeben, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden. Die Tabelle enthält deren Zu­ sammensetzung, Angaben zu den Bedingungen des Ionenaustausches in einem KNO₃-Bad sowie relevante Eigenschaften bzgl. chemischer Beständigkeit sowie Festigkeit.

Die Gläser wurden im 4-l-Platintiegel aus herkömmlichen Rohstoffen erschmolzen. Die Rohstoffe wurden über einen Zeitraum von 8 h bei Schmelztemperaturen von 1580°C eingelegt. Das Glas wurde anschließend 14 h lang auf dieser Temperatur gehalten, dann unter Rühren innerhalb von 8 h auf 1400°C abgekühlt und in eine auf 500°C vorgeheizte Graphitform gegossen. Der entstandene Gußblock wird zur optischen Vorkontrolle zu einem Quader mit polierten Oberflächen verarbeitet.

Aus diesem Gußblock wurden auf herkömmliche Weise runde Glasscheiben herge­ stellt, die die Form und die Abmessungen von Festplatten-Substraten besitzen, d. h. einen Außendurchmesser von 65,0 mm und eine Dicke von 0,635 mm aufweisen sowie ein konzentrisches Innenloch mit einem Durchmesser von 20,00 mm besitzen. Die feingeschliffenen und polierten Glasscheiben wurden dann in einem KNO₃-Bad unter den jeweiligen in der Tabelle genannten Bedingungen chemisch vorgespannt.

Zur Bestimmung der in der Tabelle genannten Eigenschaften und Größen wurden folgende physikalischen Untersuchungsmethoden angewandt:
Die Biegefestigkeit wird nach folgender Methode bestimmt, die in der Glasindustrie üblich ist und die sich an den Beanspruchungen in der Praxis orientiert:
Im sogenannten Doppelringtest wird die chemisch vorgespannte Glasscheibe mit der Form und den Abmessungen eines Festplatten-Substrats zentriert auf einen Metall­ trägerring mit einer ringförmigen Schneide aus gehärtetem Stahl gelegt die einen Durchmesser von 60 mm besitzt, also etwas kleiner als die zu testende Scheibe (⌀ = 65 mm) ist. Von oben liegt ebenfalls zentriert ein weiterer Metallträgerring mit Stahlschneide auf der Glasscheibe. Diese Schneide ist mit einem Durchmesser von 25 mm etwas größer als die innere Bohrung (⌀ = 20 mm) des Festplatten-Substrats. Dieser obere Ring drückt nun mit seiner Schneide mit einer Geschwindigkeit von 2 mm/min auf die auf der Schneide des unteren Ringes liegende Glasscheibe und übt so eine ständig wachsende Kraft auf das Festplatten-Substrat aus. Die Last, bei der das Substrat bricht, wird als Biegefestigkeit [N/mm²] angegeben. Der Test gilt als bestanden, wenn der Bruch erst bei einer Last <100 N eintritt.

Die Druckspannung wird spannungsoptisch gemessen: Wird die Glasplatte unter Druckspannung gesetzt, ändern sich die Brechzahlen parallel und senkrecht zur Richtung der Spannung, und die Glasplatte wird doppelbrechend. Die Doppelbre­ chung, die Differenz dieser Brechzahlen, ist über die spannungsoptische Konstante des betreffenden Glases der angelegten Spannung proportional und wird aus dem Gangunterschied zwischen senkrecht und parallel polarisiertem Licht nach Reflexion an der Glasoberfläche bestimmt.

Die Messung der Dicke der Druckspannungszone wird folgendermaßen durchge­ führt:
Eine Glasprobe wird unter einem Polarisationsmikroskop bei der Wellenlänge 546 nm beobachtet. Die durch Ionenaustausch behandelte Probe steht an der gesamten Oberfläche unter Druckspannung und im Inneren aus Gleichgewichtsgründen unter Zugspannung. Zur Messung der Spannung wird die Probe zwischen 2 gekreuzte Polarisatoren gebracht. Die in die Probe eingebrachte Spannung verursacht durch Spannungsdoppelbrechung im Strahlengang des Mikroskops eine Aufhellung. Der Übergang von Zug- auf Druckspannung (neutrale Zone 0-ter Ordnung) ist als ein breiter dunkler Streifen unter dem Mikroskop zu erkennen. Der Abstand der 0-ten Ordnung zum Rand der Probe ist ein Maß für die Dicke der Druckspannungszone.

Die oben beschriebenen Glasscheiben sind für diese Messung zu dünn. Daher wer­ den Glasplättchen mit den Abmessungen 6 mm × 50 mm mit einer Dicke von 2 mm verwendet, die jeweils nach denselben Bedingungen hergestellt und gehärtet wur­ den wie die Glasscheiben.

Die Knoop-Härte wird nach DIN 52 333 bestimmt.

Zur Überprüfung der chemischen Beständigkeit ist ein schnelles, einfaches und mit geringem Apparateaufwand durchzuführendes Prüfverfahren zweckmäßig. Ein stan­ dardisiertes Prüfungsverfahren speziell für Datenträger aus Glas gibt es bisher noch nicht. In der Glasindustrie sind für Glaserzeugnisse verschiedene Prüfverfahren für die chemische Beständigkeit bekannt, die aus verschiedenen Gründen für die Be­ stimmung der chemischen Beständigkeit von Festplatten-Substraten ungeeignet sind.

Die sogenannte Alkali-Auslaugung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Scheibe, wird nach einem neuen Verfahren bestimmt, das sich durch Einfachheit in der Durchführung und hohe Aussagekraft der Ergebnisse auszeich­ net. Unter dem Begriff Alkali-Auslaugung ist dabei die Summe der Alkaliionen zu verstehen, die bei folgendem Test unter folgenden Bedingungen aus dem Probe­ stück gelöst werden: Das Probestück ist eine vorgespannte, runde Glasscheibe mit Form und Abmessungen wie oben beschrieben: mit einem Außendurchmesser von 65,0 mm, mit einem konzentrischen Innenloch mit einem Durchmesser von 20,00 mm und einer Dicke von 0,635 mm, dessen Kanten feingeschliffen und facettiert sind und dessen Oberflächen mit Ceroxid auf eine RMS-Rauhigkeit von <1 nm po­ liert sind. Das Probestück wird nach dem Vorspannen bzw. in der bevorzugten Aus­ führungsform nach Vorspannen und Politur in einem letzten Reinigungsschritt ¼ h in einem Ultraschallbad bei Raumtemperatur in deionisiertem Wasser gewaschen, noch feucht in 25 ml 80°C heißes, deionisiertes Wasser gelegt und 24 h dort belas­ sen. Die Menge der ausgelaugten Alkaliionen wird mittels Atom-Absorptions-Spektrometrie gemessen.

Die angegebene Alkali-Auslaugung in µg bezieht sich auf jeweils ein Probestück.

Tabelle 1

Zusammensetzung (in Mol-% auf Oxidbasis) von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten vorgespannten Gläsern und deren wesentliche Eigenschaf­ ten

Unter Alkali-Auslaugung wird die Summe der Alkali-Ionen, angegeben in µg, ver­ standen, die im oben beschriebenen Test unter den genannten Bedingungen pro Festplatten-Substrat ausgelaugt wird.

In der Zeile "Spannungsrelaxation [h]" wird die Lagerzeit in Stunden bei konstanter Lagertemperatur (300°C) angegeben, bei der ein meßbarer Abbau der Dicke der Druckspannungszone einsetzt, wobei Dickenänderungen ab 4 µm meßtechnisch erfaßbar sind. Die angewandte optische Methode wurde bereits erläutert. Ein sol­ cher Abbau der Dicke der Druckspannungszone geht mit einem Druckspannungsab­ bau einher und ist leichter meßbar als der Druckspannungsabbau selbst.

An einem Glas gemäß der Zusammensetzung von Beispiel 3 aus Tabelle 1 wurden bei der chemischen Härtung im KNO₃-Bad die Austauschzeit zwischen ½ h und 15 h und die Badtemperatur zwischen 350°C und 550°C variiert. Die dabei erzielten Dicken der Druckspannungszonen in µm sind in Tabelle 2 zusammengestellt. Es werden Dicken der Druckspannungszonen zwischen 14 und 230 µm erzeugt wobei, wie es auch zu erwarten ist, niedrigere Temperaturen höhere Verweilzeiten erforder­ lich machen.

Tabelle 2

Druckspannungszonen [µm] in Abhängigkeit von Austauschzeit und Salzbadtempe­ ratur für ein Glas der Zusammensetzung von Beispiel 3 aus Tabelle 1

Die Dicke der Druckspannungszone ist also deutlich sowohl von der Austauschzeit (bei konstanter Austauschtemperatur) als auch von der Austauschtemperatur (bei konstanter Austauschzeit) abhängig.

Tabelle 3 verdeutlicht, daß diese Abhängigkeit praktisch nicht für die Druckspan­ nung an der Oberfläche, jedoch wohl für die Biegefestigkeit gilt. Wieder wurde als Beispielglas das Glas der Zusammensetzung von Beispiel 3 aus Tabelle 1 gewählt.

Tabelle 3

Dicke der Druckspannungszone, Druckspannung an der Oberfläche und Biegefe­ stigkeit in Abhängigkeit von der Austauschzeit bei konstanter Salzbadtemperatur (450°C) für ein Glas der Zusammensetzung von Beispiel 3 aus Tabelle 1

Mit diesen sehr guten Biegefestigkeiten ist ein nach dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren hergestelltes vorgespanntes Glas hervorragend geeignet, den mechanischen Belastungen, denen Festplatten ausgesetzt sind bzw. sein werden (steigende Um­ drehungszahlen bei zukünftigen Festplatten), standzuhalten.

Die Temperaturabhängigkeit der bereits in Tabelle 1 erwähnten Spannungsrelaxati­ on stellt Tabelle 4 dar. Hierzu wurde ein Festplatten-Substrat aus einem Glas der Zusammensetzung von Beispiel 7 aus Tabelle 1 20 h bei 520°C in KNO₃-Bad gehär­ tet. Dabei bildete sich eine 220 µm dicke Druckspannungszone mit einer Drucks­ pannung von 800 N/mm². Tabelle 3 zeigt bei unterschiedlichen Lagertemperaturen die jeweilige Lagerzeit, bis ein Abbau der Dicke der Druckspannungszone festge­ stellt wird.

Tabelle 4

Lagertemperatur und Lagerzeit, bevor ein meßbarer Abbau (4 µm) der Dicke der Druckspannungszone einsetzt, für ein Glas der Zusammensetzung von Beispiel 7 aus Tabelle 1

Mittels Extrapolation läßt sich für eine Lagertemperatur von 200°C eine Lagerzeit von mehr als 50 000 h, bevor ein Spannungsabbau einsetzt, errechnen. Für deutlich geringere Temperaturen, beispielsweise eine Lagerung bei <60°C, kann also von einem praktisch unbeschränkten Bestand der Druckspannung und damit der Festig­ keitseigenschaften gesprochen werden.

Neben der hohen Biegefestigkeit ist die geringe Alkali-Auslaugung, also die hohe chemische Beständigkeit, bezeichnend für nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Gläser. Zur Verdeutlichung dieser Eigenschaft wurden wiederum an ei­ nem Glas gemäß Beispiel 3 aus Tabelle 1 bei der chemischen Vorspannung im KNO₃-Bad Vorspannzeiten und -temperaturen variiert und die jeweilige Alkali-Auslaugung bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 (Variation der Aus­ tauschzeit) und in Tabelle 6 (Variation der Austauschtemperatur) zusammengestellt. Je 3 Proben wurden ausgelaugt und jeweils deren Auslaugung bestimmt, wobei die angegebenen Ergebnisse reproduziert wurden.

Tabelle 5

Alkali-Auslaugung in µg pro Festplatten-Substrat in Abhängigkeit von der Vorspann­ zeit bei konstanter Salzbadtemperatur (450°C) für ein Glas der Zusammensetzung von Beispiel 3 aus Tabelle 1

Mit einer Vorspannzeit von 0 h ist in der ersten Zeile das ungespannte Glas als Vergleich aufgeführt. Die unterschiedliche Verteilung der ausgelaugten Ionen ergibt sich aus der unterschiedlichen Elementverteilung an der Oberfläche von gespannten und nichtgespannten Gläsern. Auffallend und bedeutend ist jedoch, daß die Summe der ausgelaugten Alkaliionen bei den vorgespannten Gläsern genauso gering wie im Fall des nicht chemisch vorgespannten Glases ist. Die gute chemische Beständig­ keit bleibt also auch nach dem Vorspannen erhalten. Überraschenderweise nimmt die Alkali-Auslaugung mit steigender Vorspanndauer praktisch nicht zu; bei langen Austauschzeiten wird sie sogar geringer!

Tabelle 6

Alkali-Auslaugung in µg pro Festplatten-Substrat in Abhängigkeit von der Vorspann­ temperatur bei konstanter Vorspannzeit (2 h) für ein Glas der Zusammensetzung von Beispiel 3 aus Tabelle 1

Die Alkali-Auslaugung wird von der Vorspanntemperatur praktisch nicht beeinflußt.

Daß Gläser der beschriebenen Zusammensetzung, die unter den genannten Bedin­ gungen chemisch vorgespannt worden sind, in der Dicke erheblich abgetragen, z. B. poliert werden können, ohne daß sich ihre Alkali-Auslaugung, also ihre chemische Beständigkeit wesentlich ändert, verdeutlicht Tabelle 7. In ihr ist für zwei verschie­ dene Vorspannzeiten die Alkali-Auslaugung eines Festplatten-Substrates der Zu­ sammensetzung gemäß Beispiel 3 aus Tabelle 1 dargestellt, das nicht vor, sondern nach dem Vorspannen beidseitig mit Ceroxid bis zu einem Dickenabtrag von je 10 µm poliert wurde. Die Restrauhigkeit betrug <1 nm. Die Dicke der Druckspannungs­ zone hatte vor dem Abtragen 33 µm (Vorspannzeit 2,5 h) bzw. 40 µm (Vorspannzeit 3,0 h) betragen. Wieder sind die angegebenen Werte durch dreifache Bestimmung abgesichert.

Tabelle 7 Alkali-Auslaugung in µg pro Festplatten-Substrat für 2 Vorspannzeiten bei einer Vor­ spanntemperatur von 460°C an einem nach Vorspannen beidseitig unter je 10 µm Dickenverlust polierten Festplatten-Substrat der Zusammensetzung gemäß Beispiel 3 aus Tabelle 1

Hierdurch wird der Vorteil der Vorgehensweise in der beschriebenen speziellen Ausführungsform der Erfindung, nämlich das Polieren erst nach dem Vorspannen durchzuführen, deutlich: Die gute chemische Beständigkeit bleibt erhalten, und die Oberflächenqualität, die durch den Ionenaustausch u. U. beeinträchtigt wurde, wird durch diese späte Politur bleibend verbessert.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung eines chemisch vorgespannten Glases mit hoher Bruchfestigkeit und mit hoher chemischer Beständigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß ein Glas der Zusammensetzung (in Mol-% auf Oxidbasis): in einem zu mehr als 90 Gew.-% aus Kaliumsalzen bestehenden Ionenaus­ tauschbad bei einer Temperatur zwischen 350 und 550°C und bei einer Ver­ weilzeit zwischen 0,5 und 20 h chemisch vorgespannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im verwendeten Glas mindestens eine Komponente aus der Gruppe As₂O₃ und SnO₂ mit mindestens 0,02 Mol-% vorhanden ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Glas 0,02-0,35 Mol-% As₂O₃ enthält.

4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas nach dem chemischen Vorspannen poliert wird.

5. Verwendung des nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellten Glases als Substratglas für Festplatten.