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Article de méthode

Convergent Polissage: un simple, processus rapide, pleine ouverture de polissage de haute qualité optiques Flats & Sphères

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DOI :

10.3791/51965

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1 décembre 2014

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

Dans cet article

Résumé

Un nouveau procédé de polissage optique, appelé « polissage convergent », qui permet un polissage plus rapide et moins coûteux, est décrit. Contrairement aux procédés de polissage conventionnels, le polissage convergent permet de polir une pièce en verre en une seule itération et avec une qualité de surface élevée jusqu’à sa surface finale sans nécessiter de modifications des paramètres de polissage.

Résumé

Convergent polissage est un nouveau système de polissage et la méthode pour la finition optique de verre plat et sphériques dans lequel une pièce, indépendamment de sa forme initiale (ce est à dire, la figure de surface), converge vers chiffre final de surface avec une excellente qualité de surface sous, un ensemble immuable fixe de polissage paramètres en une seule itération de polissage. En revanche, les méthodes classiques de polissage complète d'ouverture nécessitent plusieurs souvent de longues, les cycles itératifs, impliquant de polissage, de métrologie et de processus de changements pour atteindre le chiffre de surface souhaitée. Le processus de polissage Convergent est basé sur le concept de la pièce tours hauteur décalage résultant de la pression différentielle qui diminue avec l'enlèvement et les résultats dans la pièce convergeant vers la forme de la tour. La mise en œuvre réussie du processus Convergent polissage est le résultat de la combinaison d'un certain nombre de technologies pour éliminer toutes les sources d'enlèvement de matière spatiale non uniforme (sauf pour pièce-tourdécalage) pour la convergence de la figure de surface et de réduire le nombre de particules voyous dans le système pour des densités de gratter bas et une faible rugosité. Le processus Convergent polissage a été démontrée pour la fabrication de deux appartements et des sphères de différentes formes, tailles et formats d'image sur divers matériaux de verre. L'impact pratique est que les composants optiques de haute qualité peuvent être fabriqués plus rapidement, plus plusieurs reprises, avec moins de métrologie, et avec moins de travail, entraînant des coûts unitaires plus faibles. Dans cette étude, le protocole Convergent polissage est spécifiquement décrite pour la fabrication de 26,5 cm de côté fusionnés appartements de silice à partir d'une surface du sol à une amende ~ λ / 2 chiffre de surface polie après le polissage 4 h par surface sur un diamètre de 81 cm polisseuse.

Introduction

Les principales étapes d'un processus de fabrication optique typique comprennent façonnage, broyage, polissage pleine ouverture, et parfois petit outil de polissage 1-3. Avec la demande croissante pour des composants optiques de haute qualité pour les systèmes d'imagerie et de laser, il ya eu des progrès importants dans la fabrication optique au cours des dernières décennies. Par exemple, la précision, l'enlèvement de matière déterministe est maintenant possible au cours de la mise en forme et les processus de broyage des progrès dans la Computer Numerical machines de formage (CNC) de verre contrôlés. De même, les technologies de polissage petits outils (par exemple, commandé par ordinateur revêtement optique (CCOS), ions figurer, et la finition magnéto-rhéologique (MRF)) ont conduit à l'enlèvement de matière déterministe et le contrôle de la figure de surface, donc un impact fortement l'industrie de la fabrication optique. Cependant, l'étape intermédiaire du processus de finition, complète le polissage d'ouverture, manque encore élevé déterminisme, nécessitant généralement opticia qualifiéens pour effectuer multiple, souvent longues, cycles itératifs avec plusieurs changements de processus pour atteindre le chiffre de surface souhaitée 1-3.

Le grand nombre de méthodes de polissage, les variables de processus et le produit chimique complexe et les interactions mécaniques entre la pièce, genoux et suspension 3-4 ont fait qu'il est difficile de transformer polissage optique d'un «art» à une science. Pour atteindre déterministe polissage pleine ouverture, le taux d'enlèvement de matière doit être bien comprise. Historiquement, le taux d'enlèvement de matière a été décrit par l'équation Preston largement utilisé 5

figure-introduction-1 (1)

où dh / dt est le taux moyen d'élimination d'épaisseur, p k est la constante Preston, σ o est-la pression appliquée, et V r est la vitesse relative moyenne entre la pièce et les genoux. La figure 1 illustre schématiquement les concepts physiques qui influent sur ​​le taux d'enlèvement de matière tel que décrit l'équation Preston, y compris les variations spatiales et temporelles de la vitesse et de la pression, les différences entre le la pression appliquée et la répartition de la pression que les des expériences de la pièce, et les effets de friction 6-8. En particulier, la distribution réelle de la pression subie par la pièce à usiner est régi par un certain nombre de phénomènes (décrits en détail ailleurs 6-8) qui affectent fortement résultant chiffre de surface de la pièce à usiner. En outre, dans l'équation Preston, les effets au niveau microscopique et moléculaire sont essentiellement repliés l'un dans l'macroscopique Preston constante (k p), qui influe sur le taux global de matériau de suppression, la micro-rugosité, et même rayer sur la pièce. Diverses études ont élargi le modèle de Preston pour tenir compte pour les interactions particules-pad-pièce lisier microscopique pour expliquer le taux d'enlèvement de matière et microrugosité 9-16.

Pour obtenir un contrôle déterministe de courbure de face complète pendant le polissage de l'ouverture, chacune des phénomènes décrits ci-dessus doit être entendu, puis quantifiés et contrôlée. La stratégie derrière Convergent polissage est d'éliminer ou atténuer les causes indésirables de enlèvement de matière non-uniforme, soit par la conception de polissage ingénierie ou en contrôle de processus, tels que l'enlèvement est entraîné que par l'inadéquation pièce-tour en raison de la forme de la pièce 7,17- 18. La figure 2 illustre la façon dont la forme de la pièce peut conduire à une convergence basé sur le concept d'incompatibilité pièce-tour. Envisager un tour plat et d'une pièce de forme complexe hypothétique montré en haut à gauche. Le décalage de la hauteur d'interface (dénommé l'écart, oL Dh) influence la répartition de pression d'interface (σ) en tant que:

contenu "fo: keep-together.within-page =" always "> figure-introduction-2 (2)

où H est une constante décrivant la vitesse à laquelle la pression diminue avec une augmentation de l'écart Dh oL 6. Dans cet exemple, la pièce a la plus haute pression locale dans le centre (voir en bas à gauche de la figure 2), et donc cet endroit observera le taux initial plus élevé d'enlèvement de matière pendant le polissage. Comme la matière est enlevée, le différentiel de pression à travers la pièce à usiner diminue en raison d'une diminution de la non-concordance pièce-tour, et la pièce convergera à la forme de la nappe. A la convergence, la répartition de la pression de la pièce à usiner, et l'enlèvement d'où la matière, sera uniforme à travers la pièce à usiner (voir partie droite de la figure 2). Cet exemple est illustré pour un tour plat, however, le même concept se applique pour un tour sphérique (concave ou convexe). Encore une fois, ce processus de convergence ne fonctionne que si tous les autres phénomènes affectant spatiale non-uniformité du matériel ont été éliminés. Les mesures d'atténuation de procédure et d'ingénierie spécifiques mises en œuvre dans le protocole de polissage Convergent sont décrits dans la discussion.

Le protocole décrit dans l'étude suivante est le processus Convergent polissage spécifiquement pour un 26,5 cm carré verre de silice fondue pièce à partir d'une surface de terrain très bien. En huit heures de polissage (4 heures / surface), cette pièce peut atteindre une planéité polie / 2 de ~ avec une très haute qualité de surface (ce est à dire, la densité de zéro faible).

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Protocole

1. Préparation de Polisseuse et lisier

Première préparer le système de polissage Convergent (spécifiquement appelé C onvergent, je préside d'abord surface indépendant, S Ingle itération, R ogue Polisseuse de particules libres ou CISR (prononcé 'ciseaux')) 7,17 en installant le pad & septum, conditionné le pad, dilution et de stabilisation chimique de la suspension, la suspension et l'incorporation dans le système de filtration.

  1. Sur le polisseur de CISR, respecter un tampon de polyuréthane sur la base de granit tour. Adhérer pad une première arête et appliquer une pression dans la direction du bord opposé à réduire les écarts de l'air. Coupez le pad en surplomb, puis utiliser une lame de rasoir et le rouleau à la perforation et éliminer les bulles d'air si nécessaire.
  2. Pour la première utilisation et après chaque ~ 100 hr de polissage, l'état de diamant le pad en utilisant un diamant conditionneur CMP (de 50 mm de diamètre; 0,6 psi pression appliquée; 5 min séjour à chaque emplacement de tour radiale avec des incréments d'espacement de 25 mm; genoux rotation 25 tours) avec de l'eau DI fluide.
  3. Entre itérations de polissage, enlever les boues et produits en verre résiduels du tampon en utilisant un nettoyeur à ultrasons in situ (~ 2 min arrêt sur ​​chaque emplacement radial; genoux rotation 5 rpm) avec de l'eau qui coule de DI.
  4. Sur le poids de la cloison de forme unique, respecter ruban adhésif double face de mousse puis le matériau du septum (par exemple, le verre pré-coupés ou autre matériau non-port). Coupez tout ruban de mousse en surplomb pour épouser la forme de la matière du septum et le poids. Remarque la conception du septum (à la fois de forme et de poids) change pour différentes tailles de la pièce et genoux 7,17.
  5. Préparer suspension de polissage à Baume 4 concentration (spécifiquement mélanger en volume ~ 1 partie d'oxyde de cérium suspension de polissage et ~ 9 parties déminéralisée (DI) de l'eau dans un 11 L buprise située). Vérifiez Baume utilisant un flotteur Baume. Ajouter ~ 5 ml de KOH (10 M) pour ajuster le pH à 9,5 et ajouter 120 ml (~ 1 vol%) de tensioactif exclusive 19. Réajuster le pH et Baume toutes les 24 h de polissage.
  6. Installation de godet avec la suspension préparée dans un système de filtration. Puis installer les filtres de particules souhaitées CMP dans le système de filtration. Soit suspension recirculation dans le système de filtration pendant plusieurs heures.
  7. Distribution de la taille des particules mesure de la suspension (par exemple, en utilisant une seule particule de techniques de détection optique) afin d'assurer la fin de la queue de la distribution est adéquatement 9,20 voyous sans particules.

2. Préparation de la pièce (Eau-forte et blocage)

Avant le polissage, gravure chimique de la pièce finement broyée telle que reçue de réduire la quantité d'enlèvement de matière nécessaire pour éliminer le sous-surface de meulage dommages 21. Ensuite, bloquer la pièce à usiner (si le rapport d'aspect (ce est à dire, le rapport longueur / épaisseur) est> 10) en utilisant une nouvelle technique de tangage bouton de blocage (PBB) pour empêcher la pièce de blocage au cours de la flexion et de polissage 22.

  1. Graver la pièce de terre fine (spécifiquement un 265 x 265 x 8 mm 3 verre de silice fondue plat) dans un réservoir rempli avec HF: NH 4 F (6: 1 gravure d'oxyde tamponnée (BOE) 3x dilué avec de l'eau déminéralisée) pendant 6 heures enlever 10 um de verre de la surface de la pièce. ATTENTION! BOE est extrêmement dangereux; porter un équipement de protection individuelle (EPI). Retirer la pièce à partir du réservoir de gravure et rincer agressivement la pièce avec de l'eau DI et laisser la pièce sécher à l'air verticalement.
  2. Inspectez la pièce pour les dommages profonde pendant le broyage à l'aide d'une inspection de lumière dans une pièce sombre. Si aucun dommage profonde se trouve, passez à l'étape suivante, sinon envoyer pièce arrière pour re-broyage.
  3. Chauffer bloquant pas dans un pistolet à colle pour ~ 95 ºC et placer gouttelettes (également appelés boutons) de hauteur (~ 0,06 g) sur la face de laplaque de blocage dans une matrice 9 x 9 (81 boutons avec un espacement de 26 mm). Pour différentes pièces de taille, reportez-vous à concevoir des règles pour le nombre idéal, la taille, et les espacements de touche de pas 22. Placer la plaque de blocage avec les boutons appliqués face vers le haut dans un four préchauffé à 70 ºC.
  4. Appliquer du ruban à la face de la pièce qui ne est pas d'être poli. Éviter de générer des bulles d'air ou excessivement étirer la bande.
  5. Placez la pièce avec la face latérale de la bande vers le bas sur les boutons sur la plaque de blocage dans le four. Couvrir la pièce-button-bloc pour minimiser le flux de convection. Après 1,5 h, régler le four à refroidir à 10 ° C / h à la température ambiante. Après refroidissement, l'épaisseur de pas sur la pièce à usiner doit être bloqué ~ 1 mm.

3. Convergent Polissage

  1. Tournez sur le système de l'humidité dans la chambre de l'environnement CISR polisseuse pour éviter la suspension de sécher pendant le polissage et de minimiser les particules voyous de rayer la pièce.
  2. Insde hauteur et monter la cloison spécialement conçu et préparé dans polisseuse. Installez PBB pièce dans CISR polisseuse et de la flèche inférieure pour maintenir la pièce.
  3. Pièce polonaise sur CISR pendant 4 heures à un tour et la pièce taux de rotation apparié de 25 tours par minute avec une course radiale de ~ 75 mm et avec un débit de suspension à partir du système de filtration de 1 gal / min.
    REMARQUE: La plaque de blocage sert également de poids de charge sur la pièce à usiner correspondant à 0,6 psi pression appliquée.
  4. Éteignez genoux et la pièce de rotation et le débit de boue. Retirer PBB pièce du CISR polisseuse et plonger dans l'eau DI rempli bain. Essuyez la surface de la pièce avec un chiffon de salle blanche tout submergé. Retirer PBB pièce du bain et pulvériser rincer à l'eau DI.
  5. Deblock pièce en insérant une cale à l'interface pièce-bloc. Retirer le ruban de la surface de la pièce. Rincez avec de l'eau agressive pièce de DI et l'air sec.
  6. PBB la face opposée de la pièce comme décrit au paragraphe 2. Ensuite, répétez poinstituant procédure décrite à la section 3.

4. métrologie et d'inspection

  1. Mesure de front d'onde réfléchie (ce est-chiffre de la surface) des deux faces de la pièce ainsi que front d'onde transmis à l'aide d'un interféromètre.
  2. Mont pièce sur la station d'inspection de la lumière vive et mesurer les propriétés de zéro / DIG utilisant des méthodes standards de fabrication optique. Une gravure de BOE courte de la pièce, comme décrit dans l'étape 2.1, peut être utilisé pour exposer rayures cachés pour des pièces utilisées dans les applications laser de haute fluence. Pour la mesure de fines rayures ou la rugosité sur la pièce, la microscopie optique standard ou interférométrie en lumière blanche peuvent être utilisés.
  3. Magasin terminé pièce dans un contact de minimisation de conteneurs avec la face de la pièce.

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Résultats

Le protocole Convergent polissage décrite ci-dessus permet un terrain silice fondue pièce (dans ce cas un carré de 26,5 cm) à polir, en une seule itération de 4 h par la surface, d'une planéité de crête à creux ~ λ / 2 (~ 330 nm) pour les basses pièces de rapport d'aspect et ~ 1λ (~ 633 nm) pour le ratio d'aspect élevé pièces (voir Figure 3). Encore une fois, ce processus converge plusieurs reprises pièces à la même figure de surface final sans avoir à modifier les paramètres de polissage et est indépen...

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Discussion

Comme indiqué dans l'introduction, la mise en œuvre réussie de Convergent polissage par rapport à la surface la figure consiste à éliminer ou réduire tous les phénomènes qui influencent spatiale non-uniformité du matériel, sauf que de la pièce tours disparité due à la forme de la pièce. Si l'un de ces phénomènes ne est pas atténués de façon appropriée, soit par contrôle de processus ou par technique appropriée de la polisseuse, alors le point de convergence souhaitée ne peut être obtenu ou maintenu; donc pratiqu...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

Ce travail effectué sous les auspices du Département de l’Énergie des États-Unis par le Lawrence Livermore National Laboratory sous le contrat DE-AC52-07NA27344 dans le cadre du programme LDRD.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Tampon en polyuréthane MHN 50 mil  ;Eminess TechnologiesPF-MHN15A050L-56
Suspension de polissage à l’oxyde de cériumPhotonique universelleHASTILITE PO
Septum Verre (découpe au jet d’eau)Borofloat ; Schott  ;
NA Conditionneur diamantéMorgan Advanced Ceramics  ;CMP-25035-SFT
Nettoyeur à ultrasonsSystème de traitement sonique avancéURC4
Purification Optima Cartouche filtrante3MCMP560P10FC
Blocking PitchUniversal PhotonicsBP1
Block Tape3M#4712
Cleanroom ClothITW TexwipeAlphaWipe TX1013
Systèmes de dimensionnement de paritcledétection optique de particules uniquesAccusizer 780 AD
de

Références

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Réimpressions et autorisations

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Figure de surfaceParam tres de polissagePoids du septumConditionnement de la suspensionConditionnement du plateauBlocage de la pi cePic et vall eSilice fondue
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