Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Конвергентные Полировка: Простой, быстрый, полностью открытой диафрагме Полировка Процесс высококачественного оптического Квартиры и сфер

10.3K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/51965

⸱

1 декабря 2014 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Описан новый процесс оптической полировки, называемый "Convergent Polishing", который обеспечивает более быструю и дешевую полировку. В отличие от обычных процессов полировки, конвергентная полировка позволяет отполировать стеклянную деталь за одну итерацию и с высоким качеством поверхности до конечного результата без изменения параметров полировки.

Аннотация

Конвергентное Полировка систему новым полировки и способ отделки плоских и сферических стекл нных оптики, в котором заготовка, зависит от его первоначальной форме (то есть, поверхность фигуры), будет стремиться к конечной поверхности рисунка с отличным качеством поверхности при фиксированном, неизменного набора полировки параметров в одной итерации полировки. Напротив, обычные методы при полностью открытой диафрагме полировки требуется несколько, часто длинные, итерационные циклы, связанные с полировки, метрологии и технологических изменений для достижения желаемого профиля поверхности. Сходящийся процесс полировки основан на концепции заготовки-круга высоты несоответствия, в результате перепада давления, что уменьшается с удалением и результатов в заготовке, сходящихся к форме круга. Успешная реализация сходящийся процесс шлифовки результатом сочетания ряда технологий, чтобы удалить все источники неравномерного пространственного удаления материала (для заготовки-м круге, за исключениемнесоответствие) для поверхностного фигурного сходимости и уменьшить количество изгоев частиц в системе низкой плотности царапин и низкой шероховатостью. Сходящийся процесс полировки была продемонстрирована для изготовления обеих квартир и сфер различных форм, размеров и пропорций по различным стеклянных материалов. Практическое воздействие высокого качества, что оптические компоненты могут быть изготовлены быстрее, более раз, с меньшим метрологии и при меньших затратах труда, что приводит к снижению удельных затрат. В этом исследовании, протокол Конвергентные Полировка описаны конкретно для изготовления 26,5 см квадратный из плавленого кварца, квартиры от прекрасного поверхности земли до полированной ~ λ / 2 поверхности фигуры после полировки 4 ч в поверхности на диаметре Полировщик 81 см.

Введение

Основные этапы в типичном оптического процесса изготовления включают формирование, шлифовки, полный полировки диафрагмы, а иногда и небольшой инструмент для полировки 1-3. С ростом спроса на высококачественные оптические компоненты для работы с изображениями и лазерных систем, имели место существенные достижения в оптическое производство в течение последних нескольких десятилетий. Например, точность, детерминированный удаление материала теперь можно во время формирования и шлифовальные процессов с достижениями в области компьютерных числовым программным управлением (ЧПУ), выдувание стекла машины. Кроме того, небольшая утилита, технологии полировки (например, с компьютерным управлением оптический наплавки (CCOs), ионный выяснить, и магнитно-реологические отделка (MRF)) привели к детерминированной удаления материала и контроля профиля поверхности, таким образом, сильно влияя на оптическое производство промышленности. Тем не менее, промежуточный этап чистовой обработки, полной полировки диафрагмы, по-прежнему не хватает высокую детерминизм, как правило, требует квалифицированного opticiaнс проводить несколько, часто длинные, итерационные циклы с многочисленными изменениями процесса с целью достижения к нужному поверхности Рисунок 1-3.

Большое количество полировальных методов, переменных процесса и комплекса химических и механических взаимодействий между заготовкой, коленях и шлама 3-4 сделали это сложным для преобразования оптического полировки с «искусство» к науке. Для достижения детерминированный полный полировки диафрагмы, скорость удаления материала должны быть хорошо изучены. Исторически сложилось так, скорость удаления материала была описана в широко используемой уравнения Preston 5

figure-introduction-1 (1)

где DH / DT является средняя скорость удаления толщина, к р постоянной Престон, σ выводаприложенное давление, и V г средняя относительная скорость между заготовкой и коленях. Рисунок 1 схематически изображает физические понятия, которые влияют на скорость удаления материала, как описано в Preston уравнение, в том числе пространственных и временных вариаций в скорости и давления, различия между приложенное давление и распределение давления, что опыт заготовки и эффекты трения 6-8. В частности, фактическое распределение давление, испытываемое заготовки регулируется ряда явлений (описанных подробно в другом месте 6-8), которые сильно влияют результате поверхность фигуру заготовки. Кроме того, в Престон уравнения, микроскопические и молекулярные эффекты на уровне в значительной степени складывается в макроскопической постоянной Престон (К П), который влияет на общий уровень удаления материала, микро-шероховатости, и даже царапин на заготовке. Различные исследования расширили модель Престона к ответу для микроскопического шламовые взаимодействия частиц PAD-заготовки объяснить скорость удаления материала и микронеровности 9-16.

Для достижения детерминированный контроль поверхности рисунка при полной полировки диафрагмы, каждый из явлений, описанных выше, следует понимать, количественно и затем под контролем. Стратегия за конвергентного полировки для устранения или минимизации нежелательных причин неравномерного удаления материала, либо через продуманная конструкция шлифовальной или управления процессом, например, что удаление приводится только несоответствием заготовки-м круге из-за формы детали 7,17- 18. Рисунок 2 иллюстрирует, как форма заготовки может привести к конвергенции на основе несоответствия концепции заготовки-круга. Рассмотрим плоскую круг и гипотетический заготовки сложной формы, показанной в левом верхнем углу. Высота интерфейс несоответствие (далее как разрыв,; H ПР) влияет на распределение давления интерфейс (σ), как:

Содержание "FO: Keep-together.within-странице =" всегда "> figure-introduction-2 (2)

где Н является константой, описывающий скорость, при которой давление падает с увеличением зазора & delta; H ол 6. В этом примере, заготовка имеет самый высокий локальное давление в центре (см нижний левый рисунок 2), и, следовательно, это место будет соблюдать самые высокие начальную скорость удаления материала при полировке. Как удаляют материал, перепад давления на заготовки будет уменьшаться в связи с уменьшением в несоответствии заготовки-круга, и заготовка будет стремиться к форме круга. В сходимости, распределение заготовки под давлением, и, следовательно, удаления материала, будет равномерным по всей обрабатываемой детали (см правую часть рисунка 2). Этот пример иллюстрируется на плоской коленях, howevэ-э, та же концепция применяется для сферической коленях (или вогнутым или выпуклым). Опять же, это процесс сближения работает, только если все другие явления, влияющие на пространственное материала неравномерность были устранены. Конкретные процедурные и технические меры по снижению риска реализованы в протоколе полировки конвергентного описаны в обсуждении.

Протокол, описанный в следующем исследовании процесс полировки конвергентное специально для 26,5 см квадратный из плавленого кварца стеклянной заготовки, начиная с тонкой поверхности земли. В 8 часов полировки (4 часа / поверхностных), это заготовка может достичь полированный плоскостность ~~~HEAD=pobj~~poss λ / 2 с очень высоким качеством поверхности (т.е. низкой плотности царапин).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Подготовка Полировщик и шламовые

Сначала подготовьте сходящимся для полировки (в частности, под названием C onvergent, я nitial поверхности независимо, S Ингл итерации ogue частиц-Free полировщик R или социологических исследований (произносится "ножницами")) 7,17, установив прокладку & перегородки, кондиционирование колодки, разбавления и химически стабилизации суспензии и включающий суспензии в системе фильтрации.

  1. На CISR Полировщик, придерживаться полиуретановый коврик на базе гранит круга. Придерживайтесь площадку один край первым и применить давление по направлению к противоположной краю, чтобы свести к минимуму воздушные зазоры. Обрезать выступающую площадку, а затем использовать бритву и ролик к проколам и удалить пузырьки воздуха, если это необходимо.
  2. При первом использовании и после каждого ~ 100 чR полировки, состояние алмазного площадку с помощью алмазного кондиционер CMP (диаметр 50 мм; 0,6 фунтов на квадратный дюйм приложенного давления; 5 мин обитать в каждой радиальной месте коленях с шагом распорных 25 мм; вращение круга 25 оборотов в минуту) с проточной дистиллированной водой.
  3. Между полировки итераций, удалить любые остаточные шлама и стеклянные изделия от площадки с использованием на месте ультразвуковой очистки (~ 2 мин выдержки в каждой радиальной месте; вращения круга 5 мин) с проточной дистиллированной водой.
  4. На уникальной формы весом перегородки, придерживаться двусторонний скотч пены, перегородки материал (например, нарезанные стекла или другого неизнашивающееся материала). Обрезать любой нависающий пористую ленту, чтобы соответствовать форме перегородки материала и веса. Обратите внимание на дизайн перегородки (как формы и веса) изменения для различных размеров заготовки и коленях 7,17.
  5. Подготовка полировки суспензии до Baume 4 концентрации (в частности, смешать по объему ~ 1 часть оксида церия полировки суспензии и ~ 9 частей деионизированной (DI) воды в 11 л буcket). Проверьте Baume помощью терки Baume. Добавить ~ 5 мл КОН (10 М) для доведения рН до 9,5 и добавить ~ 120 мл (1% по объему), патентованные поверхностно-активного вещества 19. Отрегулируйте рН и Baume каждые 24 ч полировки.
  6. Установите ведро с приготовленной суспензии в системе фильтрации. Затем установите требуемые CMP фильтры частиц в системе фильтрации. Пусть суспензии рециркуляции в системе фильтрации в течение нескольких часов.
  7. Распределение размера Измерение частиц суспензии (например, с помощью одной частицы оптических методов зондирования) в целях обеспечения хвосте распределения адекватно изгоев без частиц 9,20.

2. Подготовка заготовки (травления и блокировки)

Перед полировкой, химически протравить в полученном ячневой заготовку, чтобы уменьшить количество удаления материала, необходимого для удаления подповерхностных шлифования ущерб 21. Затем, блокировать заготовки (если соотношение сторон (т.е. длина / толщина)> 10) с использованием нового блокировка кнопки шаг на результат (БОР) технику, чтобы предотвратить заготовку от изгиба во время блокировки и полировки 22.

  1. Протравить тонко измельчали ​​заготовку (в частности, 265 х 265 х 8 мм 3 кварцевого стекла квартира) в резервуаре, заполненном HF: NH 4 F (6: 1 буферный оксида травления (Банка Англии) 3x разбавляют дистиллированной водой) в течение 6 ч с удалением 10 мкм из стекла с поверхностью обрабатываемой детали. ВНИМАНИЕ! BOE чрезвычайно опасным; носить соответствующие средства индивидуальной защиты (СИЗ). Удалить заготовку из травления бака и агрессивно промыть заготовки с дистиллированной водой и дать детали высохнуть на воздухе в вертикальном положении.
  2. Осмотрите детали для глубокого повреждения во время процесса шлифования с использованием яркий свет инспекцию в темной комнате. Если не глубоко ущерб не найден, перейдите к следующему шагу, иначе отправить деталь назад для повторного измельчения.
  3. Нагрейте блокирования шаг в клеевой пистолет до ~ 95 ° С, а место капли (также называемые кнопки) на поле (~ 0,06 г) на лицеблокируя пластины в массиве 9 х 9 (81 кнопок с 26 мм расстояние). Для различных деталей размера, обратитесь к проектной документацией на идеальное число, размер и расстояния между кнопки 22 шага. Поместите блокирующий пластины с приложенным кнопки лицевой стороной вверх в предварительно нагретой духовке при температуре 70 ºC.
  4. Нанести ленту на лице заготовки, которая не будет отполирован. Избегайте образования пузырьков воздуха или чрезмерно растягивая ленту.
  5. Поместите заготовку со стороной ленты лицом вниз на кнопки на блокирующей пластины в духовке. Накройте заготовку кнопку блока, чтобы свести к минимуму конвективный поток. После 1,5 ч, установлено печь для охлаждения 10 ° C / ч до комнатной температуры. После охлаждения, толщина основного тона на блокированном заготовки должна быть ~ 1 мм.

3. Конвергентные Полировка

  1. Включите систему влажности в климатической камере ЦНСИ Полировщик для предотвращения суспензии от высыхания во время полировки и свести к минимуму изгоев частицы, царапающие заготовки.
  2. Insвысокий и смонтировать специально разработан и подготовлен перегородки в Полировщик. Установите ПБД заготовки в ЦНСИ Полировщик и нижней стрелы держать заготовку.
  3. Польский заготовки на ЦНСИ в течение 4 ч при согласованном круге и заготовки скорости вращения 25 оборотов в минуту с радиальным ходом ~ 75 мм и с потоком шлама из фильтровальной системы 1 л / мин.
    Примечание: блокирующий пластины служит также веса груза на заготовке, соответствующей 0,6 фунтов на квадратный дюйм применяется давление.
  4. Выключите на колени и заготовки вращение и расхода шлама. Удалить ПБД заготовки из ЦНСИ Полировщик и погрузите ее в заполненной водой ванне DI. Протрите поверхность заготовки с чистых помещений ткани при погружении. Удалить ПБД заготовки из ванны и брызг промыть дистиллированной водой.
  5. Deblock заготовки, вставив прокладку на заготовки-блока интерфейса. Удалите ленту от поверхности заготовки. Агрессивно промыть заготовки с дистиллированной водой и сухой воздух.
  6. PBB против лица заготовки, как описано в разделе 2. Затем повторите POливающим процедуру, как описано в разделе 3.

4. метрологии и контроля

  1. Измерение отраженного волнового фронта (т.е. поверхность рисунок) на обеих сторонах заготовки, а также переданный волновой фронт с помощью интерферометра.
  2. Гора заготовки на яркий свет инспекции станции и измерить нуля / копать свойства, используя оптическое производство стандартных методов. Короче Банка Англии травление заготовки, как описано в стадии 2,1, может быть использован, чтобы обнаружить скрытые царапин для деталей, используемых в применении лазера высокой плотности энергии. Для измерения мелких царапин или неровностей на заготовке, может быть использован стандартный оптической микроскопии или белый свет интерферометрии.
  3. Магазин завершена заготовки в контейнере минимизирующей контакте с поверхностью обрабатываемой детали.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Протокол Конвергентные Полировка описано выше, позволяет заземления плавленого кварца заготовки (в данном случае 26,5 см квадрат), чтобы отполировать, за одну итерацию 4 ч на поверхности, к плоскостности пик-долина ~ λ / 2 (~ 330 нм) для низких деталей соотношение сторон и ~ 1λ (~ 633 нм) для высоким соотношением деталей (рисунок 3). Опять же, этот процесс неоднократно сходится заготовок в той же самой конечной поверхности рисунка без необходимости изменения в полирующих параметров и не зависит от исход...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Как уже говорилось во введении, для успешной реализации конвергентных Полировка по отношению к поверхности рисунок включает в себя устранение или сведение к минимуму все явления, которые влияют на пространственное материала неравномерность исключением того, что заготовки-м круге несоответствия из-за формы детали. Если какой-либо из этих явлений не будет должным образом смягчить, либо через контроль процесса или с помощью соответствующего инженерии полироль, то искомая точка конвергенции не может достичь или поддерживать...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Эта работа выполнена под эгидой Министерства энергетики США Ливерморской национальной лабораторией им. Лоуренса по контракту DE-AC52-07NA27344 в рамках программы LDRD.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
MHN 50 мил Полиуретановая прокладка Eminess TechnologiesPF-MHN15A050L-56
Суспензия для полировки оксида церияUniversal PhotonicsHASTILITE PO
Septum Glass (гидроабразивная резка)Borofloat ; Schott NA
Кондиционер для алмазовMorgan Advanced Ceramics CMP-25035-SFT
Ультразвуковой очистительУсовершенствованная система обработки звукаURC4
Очистка Optima Фильтрующий картридж3MCMP560P10FC
Блокирующий шагУниверсальная фотоникаBP1
Блокирующая лента3M#4712
Салфетка для чистого помещенияITW TexwipeAlphaWipe TX1013
Одночастичные оптические сенсорныесистемы определения размеровAccusizer 780 AD

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Конвергентные Полировка: Простой, быстрый, полностью открытой диафрагме Полировка Процесс высококачественного оптического Квартиры и сфер
Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.