Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Convergente Polijsten: Een eenvoudige, snelle, volledige Aperture polijsten van hoogwaardige optische Flats & Spheres

10.3K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/51965

⸱

1 december 2014

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

In dit artikel

Samenvatting

Een nieuwe optische polijstproces, genaamd “Convergent Polishing”, dat sneller en goedkoper polijsten mogelijk maakt, wordt beschreven. In tegenstelling tot conventionele polijstprocessen, laat Convergent Polishing toe dat een glazen werkstuk in één enkele iteratie en met een hoge oppervlaktekwaliteit tot zijn uiteindelijke oppervlaktefiguur wordt gepolijst zonder dat er veranderingen in de polijstparameters nodig zijn.

Samenvatting

Convergente Polijsten is een nieuw polijst systeem en werkwijze voor het afwerken vlakke en sferische glasoptiek waarin een werkstuk, onafhankelijk van de oorspronkelijke vorm (dwz oppervlaktepatroon) convergeren naar uiteindelijke oppervlaktevorm uitstekende oppervlaktekwaliteit onder vaste, onveranderlijke reeks polijsten parameters in één polijsten iteratie. In tegenstelling tot conventionele volle lensopening polijsten methoden vereisen meerdere, vaak lang, iteratieve cycli waarbij polijsten, metrologie en procesveranderingen de gewenste oppervlakte figuur te bereiken. Het Convergent Polijsten is gebaseerd op het concept van werkstuk-lap hoogte mismatch gevolg drukverschil die afneemt met verwijdering en resulteert in het werkstuk convergeert naar de vorm van de schoot. De succesvolle implementatie van de convergente Polijsten proces is een gevolg van de combinatie van een aantal technologieën om alle bronnen van niet-uniforme ruimtelijke materiaal verwijderen (verwijderen behalve voor werkstuk-lapmismatch) voor oppervlakte figuur convergentie en om het aantal malafide deeltjes te verminderen in het systeem voor lage kras dichtheden en lage ruwheid. De convergente Polijsten proces is aangetoond voor de fabricage van zowel flats en sferen van verschillende vormen, maten, en beeldverhoudingen op diverse glas materialen. De praktische gevolgen is dat hoogwaardige optische componenten sneller kunnen worden vervaardigd, meer herhaald, met minder metrologie, en met minder arbeid, wat resulteert in lagere kosten per eenheid. In deze studie wordt de convergente Polijsten protocol specifiek beschreven voor het vervaardigen van 26,5 cm in het vierkant kwartsglas flats van een fijn grondvlak om een ​​gepolijst ~ λ / 2 oppervlak figuur na het polijsten 4 uur per oppervlak op een 81 cm diameter polijstmachine.

Inleiding

De belangrijkste stappen in een typische optische fabricageproces onder vormgeven, slijpen, volle lensopening polijsten, en soms kleine tool polijsten 1-3. Met de toenemende vraag naar kwalitatief hoogwaardige optische componenten voor de beeldvorming en lasersystemen, zijn er aanzienlijke vooruitgang in optische fabricage in de afgelopen decennia. Bijvoorbeeld, precisie, deterministische materiaal verwijderen is nu mogelijk tijdens het vormen en slijpen processen met ontwikkelingen in Computer Numerical Controlled (CNC) glas vormgeven machines. Ook kleine tool polijsten technologieën (zoals computergestuurde optische verhardingen (CCO), ion uitzoeken, en magneto-rheologische afwerking (MRF)) hebben geleid tot een deterministische materiaal verwijderen en het oppervlak figuur controle, dus sterk invloed op de optische fabricage-industrie. Echter, de tussenstap van de afwerking, volle lensopening polijsten, ontbreekt nog steeds hoog determinisme, meestal vereisen geschoolde opticians voor het uitvoeren van meerdere, vaak lang, iteratieve cycli met meerdere wijzigingen proces te bereiken om de gewenste oppervlakte figuur 1-3.

Het grote aantal polijsten methoden, procesvariabelen, en de complexe chemische en mechanische interacties tussen het werkstuk, rondetijd en drijfmest 3-4 hebben gemaakt het een uitdaging om optische polijsten transformeren van een 'kunst' om een wetenschap. Deterministische volle lensopening polijsten bereiken, moet de afname goed worden begrepen. Historisch gezien is afname is beschreven door de veel gebruikte Preston vergelijking 5

figure-introduction-1 (1)

waar dh / dt is de gemiddelde dikte afneemvermogen, k p is de constante Preston, σ ode toegepaste druk, en V r de gemiddelde relatieve snelheid tussen het werkstuk en de schoot. Figuur 1 schematisch de fysieke concepten afname beïnvloeden zoals beschreven Preston vergelijking, inclusief ruimtelijke en temporele variaties in snelheid en druk verschillen tussen de toegepaste druk en de drukverdeling het werkstuk ervaringen en wrijvingseffecten 6-8. In het bijzonder wordt de werkelijke drukverdeling ervaren door het werkstuk onder een aantal verschijnselen die sterk beïnvloeden verkregen oppervlaktepatroon van het werkstuk (elders uitvoerig beschreven 08/06). Ook in de Preston vergelijking, de microscopische en moleculaire niveau effecten zijn grotendeels gevouwen in de macroscopische Preston (k p), die de totale afname, micro-ruwheid, en zelfs krassen op het werkstuk beïnvloedt. Diverse studies hebben Preston's model uitgebreid om rekening te houden voor microscopisch drijfmest particle-pad-werkstuk interacties tot afname en microruwheid 9-16 verklaren.

Om deterministische controle oppervlaktepatroon in volle opening polijsten bereiken, elk van de bovenbeschreven verschijnselen moet worden begrepen, gekwantificeerd en daarna gecontroleerd. De strategie achter Convergente Polijsten is te elimineren of te minimaliseren van de ongewenste oorzaken van niet-uniforme materiaal verwijdering, hetzij door middel van gemanipuleerde polijstmachine ontwerp of door controle van processen, zodanig dat verwijdering alleen wordt aangedreven door de werkstuk-lap mismatch te wijten aan het werkstuk vorm 7,17- 18. Figuur 2 illustreert hoe werkstuk vorm kan leiden tot convergentie op basis van het werkstuk-lap mismatch concept. Overweeg een platte lap en een hypothetische werkstuk van complexe vorm getoond in de linker bovenhoek. De interface hoogte mismatch (aangeduid als de spleet, Ah oL) beïnvloedt de interface drukverdeling (σ) als:

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

waarbij h een constante beschrijft de snelheid waarmee de druk afneemt met een toename spleet Ah oL 6. In dit voorbeeld is het werkstuk heeft de hoogste lokale druk in het midden (zie links onderaan figuur 2), en vandaar deze locatie zal de hoogste initiële afname in acht te nemen tijdens het polijsten. Zoals wordt verwijderd, wordt het drukverschil over het werkstuk afnemen door een afname van de werkstuk-lap mismatch en het werkstuk zal convergeren naar de vorm van de schoot. Bij convergentie, het werkstuk drukverdeling en bijgevolg materiaalverwijdering wordt uniform over het werkstuk (zie rechterzijde van figuur 2). Dit voorbeeld wordt geïllustreerd voor een platte lap, howeveh, hetzelfde concept geldt voor een bolvormige ronde (hetzij hol of bol). Nogmaals, deze convergentie proces werkt alleen als alle andere verschijnselen die ruimtelijke materiële niet-uniformiteit zijn geëlimineerd. De specifieke procedurele en technische beperkende factoren in de convergente Polijsten protocol geïmplementeerd worden beschreven in de discussie.

De in de volgende studie beschreven protocol is de convergente Polijsten proces specifiek voor een 26,5 cm in het vierkant fused silica glas werkstuk vanuit een fijne ondergrond. In 8 uur van polijsten (4 uur / oppervlak), kan dit werkstuk een gepolijste vlakheid van ~ λ / 2 te bereiken met een zeer hoge kwaliteit van het oppervlak (dat wil zeggen, lage kras dichtheid).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. Voorbereiding van de polijstmachine en drijfmest

Maak eerst de convergente Polijsten System (specifiek C onvergent genoemd, ik nitial Surface Independent, S ingle Iteratie, R ogue Particle-allergene polijstmachine of CISR (uitgesproken als 'schaar')) 7,17 door het installeren van het pad & septum, het conditioneren van het pad, verdunnen en chemische stabilisatie van de slurry en waarin de slurry in het filtratiesysteem.

  1. Op de CISR polijstmachine, houden een polyurethaan pad op de granieten ronde basis. Hechten pad ene kant eerst en druk uit te oefenen in de richting naar de tegengestelde rand om luchtspleten te minimaliseren. Snijd de overhangende pad en dan gebruik maken van een scheermesje en roller te doorboren en luchtbellen te verwijderen indien nodig.
  2. Voor het eerste gebruik en na elke ~ 100 hr van het polijsten, diamant staat de pad met behulp van een CMP diamant conditioner (diameter van 50 mm; 0,6 psi druk uitgeoefend; 5 min temporisering op elk radiale ronde locatie met stappen van 25 mm tussenruimte; schoot rotatie 25 rpm) met stromend DI water.
  3. Tussen polijsten iteraties, verwijder eventueel resterende slurry en glas producten uit de pad met behulp van een in-situ ultrasone reiniger (~ 2 min verblijftijd op elke radiale locatie; schoot rotatie 5 rpm) met stromend DI water.
  4. Op de uniek gevormde septum gewicht, zich te houden dubbelzijdige foam tape en vervolgens het septum materiaal (bv, pre-cut glas of andere niet-dragen van materiaal). Knip alle overhangende schuimtape aan de vorm van het septum materiaal en gewicht passen. Let op het septum ontwerp (zowel de vorm en gewicht) verandert voor verschillende maten van het werkstuk en schoot 7,17.
  5. Bereid polijstslurry Baume 4 concentratie (specifiek meng volume ~ 1 deel ceriumoxide polijstslurry en ~ 9 delen gedeïoniseerd (DI) water in een 11 L bucket). Controleer Baume met behulp van een Baume float. Voeg ~ 5 ml KOH (10 M) om de pH op 9,5 en voeg ~ 120 ml (1 vol%) van eigen surfactant 19. Bijstellen pH en Baume elke 24 uur van polijsten.
  6. Installeer emmer met de voorbereide slurrie in filtersysteem. Installeer vervolgens de gewenste CMP roetfilters in filtersysteem. Laat drijfmest recirculeren binnen filtratie systeem voor enkele uren.
  7. Maatregel deeltjesgrootteverdeling van drijfmest (bijvoorbeeld met behulp van enkel deeltje optische sensing technieken) aan de staart van de verdeling te garanderen is voldoende rogue partikelvrij 9,20.

2. Voorbereiding van werkstuk (Ets en blokkeren)

Voordat polijsten, chemisch etsen het zoals ontvangen fijngeslepen werkstuk naar de hoeveelheid materiaal te verwijderen die nodig zijn om de ondergrond slijpen schade 21 te verwijderen te verminderen. Vervolgens blokkeert het werkstuk (indien het opnameformaat (dwz lengte / dikte) is> 10) met behulp van een roman toonhoogte knop blocking (PBB) techniek om het werkstuk buigen tijdens het blokkeren en polijsten 22 voorkomen.

  1. Etsen het fijn gemalen werkstuk (specifiek een 265 x 265 x 8 mm 3 fused silica glas plat) in een tank gevuld met HF: NH4F (6: 1 gebufferde oxide ets (BOE) 3x verdund met DI-water) voor 6 uur verwijderen 10 urn glas van het oppervlak van het werkstuk. LET OP! BOE is uiterst gevaarlijk; Draag geschikte persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM). Verwijder werkstuk uit ets tank en agressief spoel het werkstuk met DI-water en laat het werkstuk aan de lucht drogen verticaal.
  2. Inspecteer het werkstuk voor diepe beschadiging tijdens het maalproces met behulp van een helder licht inspectie in een donkere kamer. Als er geen diepe schade wordt gevonden, gaat u verder met de volgende stap, anders terug te sturen werkstuk voor re-slijpen.
  3. Warmen blokkeren toonhoogte in een lijmpistool op ~ 95 ºC en plaats druppeltjes (ook wel knoppen) van de toonhoogte (~ 0,06 g) op het gezicht van deblokkeren plaat in een 9 x 9 array (81 knoppen met 26 mm tussenruimte). Voor verschillende grootte werkstukken, wordt verwezen naar de regels voor het ideale aantal, de grootte, en de afstanden van de toonhoogte knop 22 ontwerpen. De blokkeerschroef plaat met de toegepaste knoppen naar boven in een voorverwarmde oven op 70 ºC.
  4. Breng tape aan het vlak van het werkstuk niet te worden gepolijst. Vermijd het genereren van luchtbellen of overmatig uitrekken van de tape.
  5. Plaats het werkstuk met tape zijde naar beneden op knoppen op de blokkerende plaat in de oven. Bedek de werkstuk-button-blok naar convectiestroming minimaliseren. Na 1,5 uur werd ingesteld oven afkoelen 10 ° C / hr tot kamertemperatuur. Na afkoeling moet het veld dikte van de geblokkeerde werkstuk ~ 1 mm.

3. Convergente Polijsten

  1. Schakel luchtvochtigheid systeem in klimaatkamer van CISR polijstmachine aan drijfmest van het drogen tijdens het polijsten voorkomen en om malafide deeltjes krassen op het werkstuk te minimaliseren.
  2. Inshoog en monteer de speciaal ontworpen en bereid septum in polijstmachine. Installeer PBB werkstuk in CISR polijstmachine en onderste giek om het werkstuk vast te houden.
  3. Poolse werkstuk op CISR gedurende 4 uur bij een matched schoot en werkstuk rotatie snelheid van 25 toeren per minuut met een radiale slag van ~ 75 mm en met een slurry flow uit filtersysteem van 1 liter / min.
    OPMERKING: De blokkerende plaat dient ook als laadgewicht op het werkstuk overeenkomt met 0,6 psi toegepaste druk.
  4. Schakel schoot en werkstuk rotatie en slurrystroming. Verwijder PBB werkstuk uit CISR polijstmachine en dompel het in DI water gevulde bad. Veeg werkstukoppervlak met cleanroom doek terwijl ondergedompeld. Verwijder PBB werkstuk uit bad en spray spoelen met DI-water.
  5. Deblock werkstuk door het invoegen van een shim op werkstuk-blok-interface. Verwijder de tape van het werkstukoppervlak. Agressief afspoelen werkstuk met DI-water en lucht drogen.
  6. PBB de tegengestelde zijde van het werkstuk, zoals beschreven in hoofdstuk 2. Herhaal vervolgens povaststelling van de procedure zoals beschreven in hoofdstuk 3.

4. Metrologie en Inspectie

  1. Maatregel weerspiegeld golffront (dwz oppervlakte figuur) van beide zijden van het werkstuk evenals verzonden golffront met behulp van een interferometer.
  2. Mount werkstuk op heldere licht keuringsstation en meet de kras / dig eigenschappen met behulp van optische fabricage van standaard methoden. Een korte BOE etsen van het werkstuk, zoals beschreven in stap 2.1, kan worden gebruikt om verborgen krassen blootleggen werkstukken hoge fluentie lasertoepassingen. Voor het meten van fijne krasjes of ruwheid op het werkstuk, kan standaard optische microscopie of wit licht interferometrie worden gebruikt.
  3. WINKEL voltooide werkstuk in een houder minimalisering contact met vlak van het werkstuk.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

De Convergent polijsten hierboven beschreven protocol kan een middel kwartsglas werkstuk (in dit geval 26,5 cm vierkant) te polijsten in een enkele iteratie van 4 uur per oppervlak, een piek-tot-dal vlakheid van ~ λ / 2 (~ 330 nm) voor een lage aspect ratio werkstukken en ~ 1λ (~ 633 nm) voor hoge aspect ratio werkstukken (zie figuur 3). Ook dit proces convergeert herhaaldelijk werkstukken dezelfde uiteindelijke oppervlaktevorm zonder wijzigingen polijsten parameters en is onafhankelijk van de initiële ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Zoals besproken in de inleiding, succesvolle implementatie van convergente Polijsten met betrekking tot figuur de oppervlakte gaat het elimineren of minimaliseren van alle verschijnselen die ruimtelijke materiële niet-uniformiteit uitzondering van die van het werkstuk-lap mismatch beïnvloeden vanwege werkstuk vorm. Als een van deze verschijnselen is niet op de juiste wijze verzacht, hetzij door middel van process control of door middel van passende engineering van de polijstmachine, dan is de gewenste convergentie punt ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit werk werd uitgevoerd onder auspiciën van het Amerikaanse ministerie van Energie door Lawrence Livermore National Laboratory onder Contract DE-AC52-07NA27344 binnen het LDRD-programma.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
MHN 50 mil Polyurethane Pad Eminess TechnologiesPF-MHN15A050L-56
Cerium oxide polijstslurryUniversal PhotonicsHASTILITE PO
Septum Glas (waterstraal gesneden)Borofloat ; Schott NA
Diamant conditionerMorgan Advanced Ceramics CMP-25035-SFT
UltrasoonreinigerAdvanced Sonics Processing SystemURC4
Zuiverings Optima-filtercartridge3MCMP560P10FC
Blocking PitchUniversal PhotonicsBP1
Blocking Tape3M#4712
CleanroomdoekITW TexwipeAlphaWipe TX1013
Single Particle Optical SensingParitcle Sizing SystemsAccusizer 780 AD

Referenties

  1. Thompson, B., Malacara, D. Ch 28. Handbook of optical engineering. Optical fabrication. , CRC Press. (2001).
  2. Karow, H. Fabrication Methods for Precision Optics. , Wiley. (1993).
  3. Brown, N. J. A short course in optical fabrication technology. Optical Society of America Annual Meeting, 1981 Oct 26, Orlando, FL, USA, , Lawrence Livermore National Lab. (1981).
  4. Cook, L. Chemical processes in glass polishing. J. Non-Crystal. Solids. 120, 152-171 (1990).
  5. Preston, F. The Structure of Abraded Glass Surfaces. Trans. Opt. Soc. 23 (3), 141-14 (1922).
  6. Suratwala, T., Feit, M., Steele, R. Toward Deterministic Material Removal and Surface Figure During Fused Silica Pad Polishing. J. Am. Ceram. Soc. 93 (5), 1326-1340 (2010).
  7. Suratwala, T., Steele, R., Feit, M., Desjardin, R., Mason, D. Convergent Pad Polishing of amorphous fused silica. International Journal of Applied Glass Science. 3 (1), 14-28 (2012).
  8. Suratwala, T., Feit, M., Steele, R., Wong, L. Influence of Temperature and Material Deposit on Material Removal Uniformity during Optical Pad Polishing. J. Am. Ceram. Soc. , (2014).
  9. Suratwala, T. Microscopic removal function and the relationship between slurry particle size distribution and workpiece roughness during pad polishing. J. Am. Ceram. Soc. 91 (1), 81-91 (2014).
  10. Terrell, E., Higgs, C. Hydrodynamics of Slurry Flow in Chemical Mechanical Polishing. J. Electrochem. Soc. 153 (6), 15-22 (2006).
  11. Runnels, S., Eyman, L. Tribology Analysis of Chemical MechanicalPolishing. J. Electrochem. Soc. 141 (6), 1698-1701 (1994).
  12. Park, S., Cho, C., Ahn, Y. Hydrodynamic Analysis of Chemical Mechanical Polishing Process. J. Tribology Int. 33, 723-730 (2000).
  13. Luo, J., Dornfeld, D. Effects of Abrasive Size Distribution in Chemical Mechanical Planarization: Modeling and Verification. IEEE T. Semicond. M. 16 (3), 469-476 (2003).
  14. Luo, J., Dornfeld, D. Material Removal Mechanism in Chemical Mechanical Polishing: Theory and Modeling. IEEE T. Semiconduct. M. 14, 112-133 (2001).
  15. Bastaninejad, M., Ahmadi, G. Modeling the Effects of Abrasive Size Distribution, Adhesion, and Surface Plastic Deformation on Chemical Mechanical Polishing. J. Electrochem. Soc. 152 (9), 720-730 (2005).
  16. Sampurno, Y., Sudargho, F., Zhuang, Y., Ashizawa, T., Morishima, H., Philipossian, A. Effect of Cerium Oxide Particles Sizes in Oxide Chemical Mechanical Planarization. Electrochem. Solid State. 12 (6), 191-194 (2009).
  17. Suratwala, T., et al. Method and system for Convergent Polishing. US Provisional Patent Application. , 027512-006200US 61454893 (2011).
  18. Suratwala, T., Feit, M., Steele, R. Apparatus and Method for Deterministic Control of Surface Figure During Full Aperture Polishing. US Patent Application. US. , 12/695,986 (2010).
  19. Dylla-Spears, R., Feit, M., Miller, P., Steele, R., Suratwala, T., Wong, L. Method for preventing agglomeration of charged colloids without loss of surface activity. US Provisional Patent Application. , IL-12647 (2012).
  20. Dylla-Spears, R., Wong, L., Miller, P., Feit, M., Steele, R., Suratwala, T. Charged Micelle Halo Mechanism for Agglomeration Reduction in Metal Oxide Particle Based Polishing Slurries. Colloid Surface A. 447, 32-43 (2014).
  21. Wong, L., Suratwala, T., Feit, M., Miller, P., Steele, R. The Effect of HF/NH4F Etching on the Morphology of Surface Fractures on Fused Silica. J. Non-Crystal. Solids. 355, 797(2009).
  22. Feit, M., DesJardin, R., Steele, R., Suratwala, T. Optimized pitch button blocking for polishing high-aspect-ratio optics. Appl. Opt. 51 (35), 8350-8359 (2013).
  23. Suratwala, T., et al. Sub-surface mechanical damage distributions during grinding of fused silica. J. Non-Crystal. Solids. 352, 5601(2006).
  24. Miller, P., et al. The Distribution of Sub-surface Damage in Fused Silica. SPIE. 5991, (2005).
  25. Suratwala, T., et al. Effect of Rogue particles on the sub-surface damage of fused silica during grinding/polishing. J. Non-Crystal. Solids. 354, 2003(2008).
  26. Suratwala, T., Miller, P., Ehrmann, P., Steele, R. Polishing slurry induced surface haze on phosphate laser glasses. J. Non-Crystal. Solids. 351, 2091-2101 (2004).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Trefwoorden

Oppervlakteprofielpolijstparametersseptumgewichtslurryconditioneringpadconditioneringblokkering van het werkstukpiek dalgefuseerd silica
Convergente Polijsten: Een eenvoudige, snelle, volledige Aperture polijsten van hoogwaardige optische Flats & Spheres
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleid

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.