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共轴抛光：一种简单、快速、全口径的高质量平面与球面光学元件抛光工艺

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DOI：

10.3791/51965

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2014年12月1日

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1Lasers, Optics, & Targets for the National Ignition Facility, Lawrence Livermore National Laboratory

本文内容

摘要

介绍了一种新型光学抛光工艺，称为“收敛抛光”，该工艺可实现更快、成本更低的抛光。与传统抛光工艺不同，收敛抛光允许玻璃工件仅通过单次迭代即可达到最终的表面形状，且表面质量高，无需调整抛光参数。

摘要

收敛抛光是一种用于完成平面和球面玻璃光学元件的新型抛光系统与方法，在该方法中，工件无论其初始形状（即表面面形）如何，均可在单次抛光循环中，在一组固定不变的抛光参数下，收敛至具有优异表面质量的最终面形。相比之下，传统的全口径抛光方法需要经过多次、通常耗时较长的迭代循环，包括抛光、检测计量以及工艺调整，才能达到所需的表面面形。收敛抛光工艺基于工件与抛光模之间高度不匹配的概念，由此产生的压力差随材料去除而逐渐减小，从而使工件面形逐渐收敛至抛光模的形状。成功实施收敛抛光工艺的关键在于综合运用多种技术，以消除除工件-抛光模不匹配之外所有导致空间材料去除不均匀的因素，实现面形收敛，同时减少系统中的游离颗粒数量，从而获得较低的划痕密度和表面粗糙度。收敛抛光工艺已在多种玻璃材料上验证，适用于不同形状、尺寸和宽高比的平面与球面元件的制造。其实际意义在于，能够以更快的速度、更高的重复性、更少的计量检测和更少的人工投入来制造高质量光学元件，从而降低单件成本。本研究中，具体描述了采用收敛抛光工艺从精细磨削表面开始，加工26.5 cm见方的熔融石英平面元件，使用直径为81 cm的抛光机，每表面抛光4小时后，获得表面面形约为λ/2的抛光表面的完整操作流程。

引言

典型的光学元件制造过程主要包括成形、研磨、全口径抛光，有时还包括小工具抛光1-3。随着成像和激光系统对高质量光学元件需求的不断增加，过去几十年来光学制造技术取得了显著进展。例如，得益于计算机数控（CNC）玻璃成形设备的进步，在成形和研磨过程中现已能够实现高精度、确定性的材料去除。同样，小工具抛光技术（例如，计算机控制光学表面成型（CCOS）、离子束修形和磁流变抛光（MRF））的发展也实现了确定性材料去除和表面面形控制，从而极大地推动了光学制造行业的发展。然而，加工过程中的中间步骤——全口径抛光——仍缺乏高度的确定性，通常需要经验丰富的光学技师通过多次、耗时较长的迭代循环，并结合多种工艺调整，才能达到所需的表面面形1-3。

大量的抛光方法、工艺参数，以及工件、抛光盘和抛光液之间复杂的化学与机械相互作用3-4，使得将光学抛光从一种“技艺”转变为一门科学极具挑战性。为了实现确定性的全口径抛光，必须充分理解材料去除率。历史上，材料去除率通常由广泛使用的普雷斯顿方程5来描述

高度变化率的微分方程，公式：dh/dt = kₚσₒVᵣ，流体动力学。 (1)

其中，dh/dt 为平均厚度去除速率，kp 为普雷斯顿常数，σo 为施加的压力，Vr 为工件与抛光模之间的平均相对速度。图1 示意性地展示了影响材料去除速率的物理概念，这些概念由普雷斯顿方程描述，包括速度和压力在空间与时间上的变化、施加压力与工件实际承受的压力分布之间的差异，以及摩擦效应6-8。特别是，工件实际承受的压力分布受多种现象支配（在其他文献中有详细描述6-8），这些现象显著影响工件最终的表面面形。此外，在普雷斯顿方程中，微观和分子尺度的效应主要被归入宏观的普雷斯顿常数（kp）中，该常数影响整体材料去除速率、表面微粗糙度，甚至工件上的划痕。已有多种研究对普雷斯顿模型进行了扩展，以考虑微观尺度下抛光液颗粒-垫层-工件之间的相互作用，从而解释材料去除速率和微粗糙度9-16。

为了在全口径抛光过程中实现对表面面形的确定性控制，必须理解、量化并控制上述每一种现象。收敛性抛光（Convergent Polishing）的核心策略是通过优化抛光头设计或工艺控制，消除或最小化导致材料去除不均匀的不利因素，从而使材料去除仅由工件与抛光模之间的面形差异所驱动7,17-18。图2展示了基于工件-抛光模面形差异概念如何实现面形收敛。考虑一个平面抛光模和左上角所示的具有复杂形状的假设工件，其界面高度差异（称为间隙，ΔhoL）对界面压力分布（σ）的影响如下：

静态平衡方程，σ ∝ e^(-Δh₀L/ħ)，符号，物理学研究。 (2)

其中 h̅ 是一个常数，用于描述压力随间隙 ΔhoL6 增大而下降的速率。在此示例中，工件中心区域的局部压力最高（见图2左下方），因此在抛光过程中，该位置的初始材料去除速率最高。随着材料被去除，由于工件与抛光盘之间的形貌差异减小，工件上的压力差将随之降低，工件的形状将逐渐趋近于抛光盘的形状。当达到收敛状态时，工件上的压力分布将变得均匀，因而材料去除在整个工件表面也将均匀分布（见图2右侧）。本示例以平面抛光盘为例进行说明，但相同原理同样适用于球面抛光盘（无论是凹面还是凸面）。需要注意的是，这种收敛过程仅在所有影响空间材料去除非均匀性的其他因素均已被消除的情况下才有效。在收敛抛光工艺中所采用的具体操作步骤和工程控制措施将在讨论部分进行详细描述。

以下研究所描述的方案是针对一块26.5 cm见方的熔融石英玻璃工件、从细磨表面开始的汇聚抛光工艺。经过8小时抛光（每面4小时），该工件可达到约λ/2的抛光平整度，并具有极高的表面质量（即，低划痕密度）。

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方案

1. 抛光剂和抛光液的准备

首先准备汇聚抛光系统（简称 C收敛的， 我初始表面无关的， S单次迭代， R无颗粒抛光剂 或 CISR （发音为“scissor”）7,17 通过安装垫片 & 隔膜，润洗垫片，稀释 & 化学稳定化浆料，并将浆料整合到过滤系统中。

  1. 在CISR抛光机上，将聚氨酯垫粘附到花岗岩抛光基座上。先将垫子的一边粘上，然后朝对侧边缘方向施加压力，以尽量减少气隙。修剪多余部分的垫子，必要时使用剃刀刀片和滚轮刺破并去除气泡。
  2. 首次使用及每研磨约100小时后，使用化学机械抛光金刚石修整器（直径50 mm；施加压力0.6 psi；在每个径向研磨位置停留5分钟，间距增量25 mm；研磨盘转速25 rpm）并配合流动的去离子水对金刚石研磨垫进行修整。
  3. 在抛光步骤之间，使用一个 原位 超声波清洗器（每个径向位置停留约 2 分钟；晶圆旋转 5 rpm），同时流动去离子水。
  4. 在形状独特的隔膜片上，粘贴双面泡沫胶带，然后贴上隔膜材料例如，预切割的玻璃或其他非磨损性材料）。修剪任何超出的泡沫胶带，使其与隔膜材料和配重的形状一致。注意，针对不同尺寸的工件和磨盘，隔膜的设计（包括形状和配重）需相应调整7,17.
  5. 配制波美浓度为4的抛光液（具体操作：在11 L桶中按体积比混合约1份氧化铈抛光液和约9份去离子水）。使用波美比重计检测波美浓度。加入约5 ml KOH（10 M）调节pH至9.5，并加入约120 ml（1 vol%）的专用表面活性剂。19. 每24小时抛光后重新调节pH值和波美度。
  6. 将已制备好的浆料装入过滤系统中的桶内，然后将所需的CMP颗粒过滤器安装到过滤系统中。使浆料在过滤系统中循环数小时。
  7. 测量浆料的粒径分布（例如，利用单颗粒光学传感技术，确保分布的尾端充分无异常颗粒9,20.

2. 工件的制备（刻蚀与封闭）

抛光前，对收到的细磨工件进行化学蚀刻，以减少去除次表面磨削损伤所需的材料去除量21。然后，若工件的长厚比（即，长度/厚度）>10，则采用一种新型的沥青块粘接（PBB）技术对工件进行粘接，以防止工件在粘接和抛光过程中发生弯曲22。

  1. 将精密研磨的工件（具体为 265 × 265 × 8 mm3 的熔融石英玻璃平片）放入盛有 HF:NH4F（6:1 缓冲氧化物刻蚀液（BOE）用去离子水稀释 3 倍）的刻蚀槽中，刻蚀 6 小时，从工件表面去除 10 µm 厚的玻璃。警告！BOE 极其危险；请穿戴适当的个人防护装备（PPE）。将工件从刻蚀槽中取出后，用去离子水彻底冲洗工件，并将其垂直放置自然晾干。
  2. 在暗室中使用强光检查工件在研磨过程中是否存在深层损伤。若未发现深层损伤，则进入下一步；否则将工件退回重新研磨。
  3. 使用胶枪将阻胶沥青加热至约 95 ºC，并以 9 × 9 阵列（共 81 个点，间距 26 mm）在阻胶板表面滴加沥青滴（也称为“点”），每点约 0.06 g。对于不同尺寸的工件，请参考设计规范以确定最佳的沥青点数量、尺寸和间距22。将已施加沥青点的阻胶板正面朝上放入预热至 70 ºC 的烘箱中。
  4. 在工件不需要抛光的一面贴上保护胶带。注意避免产生气泡或过度拉伸胶带。
  5. 将贴有胶带的一面朝下放置在烘箱内阻胶板的沥青点上。覆盖工件-沥青点-阻胶板组合体，以减少对流影响。1.5 小时后，设置烘箱以 10 ºC/hr 的速率降温至室温。冷却完成后，阻胶工件上的沥青厚度应约为 1 mm。

3. 收敛抛光

  1. 开启CISR抛光机环境室内的湿度系统，以防止抛光过程中抛光液干燥，并减少外来颗粒对工件表面的划伤。
  2. 将专门设计和制备的隔膜安装并固定到抛光机中。将PBB工件安装到CISR抛光机中，并放下悬臂以固定工件。
  3. 在CISR上对工件进行抛光，持续4小时，抛光盘与工件的转速均为25 rpm，径向行程约为75 mm，同时通过过滤系统以1 gal/min的流量供给抛光液。
    注：阻挡板同时作为施加在工件上的加载重量，对应0.6 psi的施加压力。
  4. 关闭抛光盘与工件的旋转及抛光液流动。从CISR抛光机中取出PBB工件，并将其浸入去离子水浴中。在浸没状态下用洁净室布擦拭工件表面。从水浴中取出PBB工件后，用去离子水喷淋冲洗。
  5. 通过在工件与支撑块界面插入垫片解除固定，移除工件表面的胶带。用去离子水彻底冲洗工件，然后用空气吹干。
  6. 按照第2节所述方法对工件的另一面进行PBB处理，然后按照第3节所述步骤重复抛光过程。

4. 计量与检测

  1. 测量反射波前即使用干涉仪测量工件两侧的表面面形及透射波前。
  2. 将工件安装在亮场检测台上，使用光学加工标准方法测量划痕/麻点特性。对于用于高注量激光应用的工件，可采用步骤2.1中所述的短时BOE蚀刻，以暴露隐藏的划痕。对于工件表面细微划痕或粗糙度的测量，可采用标准光学显微镜或白光干涉测量法。
  3. 将完成的工件存放在容器中，尽量减少工件表面的接触。

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结果

上述收敛抛光（Convergent Polishing）工艺可在单次迭代中，对一块经研磨的熔融石英工件（本例中为26.5 cm见方）的每个表面进行约4小时的抛光处理，使其达到峰谷平坦度约λ/2（约330 nm）的水平，适用于低长宽比工件；而对于高长宽比工件，则可达约1λ（约633 nm）（见图3）。该工艺可反复将工件收敛至相同的最终表面面形，无需调整抛光参数，且不受初始表面面形的影响。此外，在上述条件下，工件的平均材料去除率稳定达到约4 µm/hr，从而实现快速收敛，并去除足够的材料以确保彻底清除研磨表面的亚表面损伤层。典型的精细研磨工件表面（例如，使用9 µm氧化铝游离磨料处理）在整体蚀刻前的亚表面机械损伤深度约为10 µm，蚀刻后约为4 µm；因此，工件表面每个横向位置至少需去除相应厚度的材料23,24。在不同初始表面面形（包括凹面或凸面）的多种圆形和方形工件上应用收敛抛光工艺实现表面面形收敛的其他示例见图4。

化学稳定抛光液19,20，结合使用工程...

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讨论

如引言部分所述，要成功实现与表面面形相关的汇聚抛光（Convergent Polishing），关键在于消除或最小化所有影响空间材料非均匀性的因素，唯独保留因工件形状导致的工件与抛光模不匹配所引起的非均匀性。如果这些因素中的任何一个未能通过工艺控制或抛光设备的合理设计得到有效抑制，则无法实现或维持理想的收敛点；因此，每一项抑制措施都至关重要。为说明这一点，图6展示了在汇聚抛光技术开发过程中，随着一系列抛光实验的进行，工件上收敛点表面面形（以峰谷表面高度表示）的大小及其重复性变化情况。在每一系列实验中，均引入了一项新的抑制措施。最后一组实验（系列M），代表当前的汇聚抛光方案与系统，显示出较低且可重复的收敛点。

因此，汇聚抛光（Convergent Polishing）工艺与系统集成了多项已开发的技术，通过最大限度减少 rogue 颗粒，实现表面面形的收敛性、高材料去除率以及高表面质量（低划痕密度、低表面粗糙度）。关键使能技术包括：一种新型成型隔膜，该隔膜由玻璃或非磨损材料制成并加载于抛光垫上，可补偿抛光垫的非均匀磨损，改善温度均匀性...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本工作在美国能源部合同 DE-AC52-07NA27344 框架下，由劳伦斯利弗莫尔国家实验室在 LDRD 项目资助下完成。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
MHN 50 mil 聚氨酯垫片 Eminess TechnologiesPF-MHN15A050L-56
氧化铈抛光液Universal PhotonicsHASTILITE PO
隔膜玻璃（水射流切割）Borofloat ; Schott NA
金刚石修整器Morgan Advanced Ceramics CMP-25035-SFT
超声波清洗机Advanced Sonics Processing SystemURC4
Optima 过滤器滤芯（纯化用）3MCMP560P10FC
阻挡沥青Universal PhotonicsBP1
阻挡胶带3M#4712
洁净室布ITW TexwipeAlphaWipe TX1013
单颗粒光学传感系统Particle Sizing SystemsAccusizer 780 AD

参考文献

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