Abstract
収束研磨は、その最初の形状（ すなわち 、表面形状）の独立したワークは、一定不変のセットの下で優れた表面品質を有する最終的な表面形状に収束するもので平坦かつ球状ガラス光学素子を終了するための新規の研磨システム及び方法であるシングル研磨の繰り返しでパラメータを研磨する。対照的に、従来の全開口の研磨方法は、所望の表面形状を達成するために、研磨、計測およびプロセス変化を含む、複数の、しばしば長い反復サイクルを必要とする。収束研磨プロセスは、ラップの形状に収束するワークで除去し、その結果に伴って減少する圧力差が生じるワークピース - ラップ高さの不一致の概念に基づいている。収束研磨プロセスの実装を成功させるには、ワークピース - ラップを除いて不均一な空間材料の除去（のすべてのソースを除去するための多くの技術の組み合わせの結果である表面形状の収束ミスマッチ）と低スクラッチ密度および低い粗システムに不正粒子の数を減少させる。収束研磨プロセスは、各種ガラス材料の両方のフラット様々な形状、大きさの球、およびアスペクト比の製造のために実証されている。実際的な影響は、高品質の光学部品がより低い単位コストをもたらし、より少ない計測と、より少ない労力で、より多く繰り返して、より迅速に製造することができることである。本研究では、収束研磨プロトコルは、特に正方形の81センチメートル直径研磨面につき4時間研磨後の研磨〜λ/ 2の表面形状の微地表面からシリカフラットを融合した26.5センチメートルを製造するために記載されている。
Introduction
典型的な光製造プロセスの主な手順は、シェーピング、研削、全開口研磨、及び1-3の研磨時々小さなツールが含まれています。イメージングとレーザーシステムのための高品質の光学部品の需要の増加により、過去数十年にわたって、光学製造において重要な進歩があった。たとえば、精度については、決定論的な材料除去は（CNC）ガラスの成形機制御コンピュータ数値の進歩と整形及び研削工程中にできるようになりました。同様に、技術は（ 例えば 、コンピュータ制御光学浮上（CCOS）、イオン考え出す、及び磁気流動仕上げ（MRF））を研磨小さなツールは、このように強く、光製造産業に影響を与え、決定論的な材料除去と表面形状制御につながっている。しかし、仕上げ工程、全開口研磨の中間段階では、まだ一般的に熟練したopticiaを必要とする、高い決定論を欠いている所望の表面図1-3に達成するために、複数のプロセスの変更で複数の、しばしば長い反復サイクルを実施するためのナノ。
研磨する方法は、プロセス変数、及び複雑な化学及びワーク、ラップ、スラリー3-4との間の機械的相互作用の大多数は、それが困難な科学への「アート」から光学研磨を変換するために行った。決定論的な全開口研磨を達成するために、材料除去速度が十分に理解されなければならない。歴史的に、材料除去速度が広く用いプレストン方程式5により記載されている
（1）
dhの/ dtは、平均厚さ除去速度であり、kはpはプレストン定数であり、σOで加えられる圧力、およびV rは、ワークピースとラップとの間の平均相対速度である。 図1は、速度および圧力の空間的および時間的変動を含むプレストン方程式は、説明した材料除去速度に影響を与える物理的な概念を示している、との違い加えられた圧力と圧力分布ワーク経験、および摩擦効果6-8。具体的には、被加工物が経験する実際の圧力分布が強く加工物の表面形状を得られる影響を及ぼす（詳細他所6-8に記載される）現象の数によって支配される。また、プレストン方程式において、微視的な分子レベルの影響が大きく、全体的な材料除去速度、マイクロラフネス、さらにワークに引っかき傷に影響巨視的プレストン定数（k p）は 、に折り畳まれている。様々な研究が口座にプレストンのモデルを拡大している微細なスラリー粒子パッドワーク相互作用が材料除去速度及びマイクロラフネス9-16を説明するため。
全開口研磨時の表面形状の決定論的制御を達成するために、上述の現象の各々は、理解を定量化した後、制御する必要がある。収束研磨背後の戦略は、不均一な材料の除去の望ましくない原因を排除または最小化するために、操作された研磨装置の設計を介して、またはプロセス制御のいずれかによって、そのようなその除去により、ワーク形状にのみワークピース-ラップミスマッチによって駆動される7,17- 18。 図2に、ワーク形状がワークピース-ラップミスマッチのコンセプトに基づいて、収束につながる方法を示しています。平らなラップと左上に示す複雑な形状の仮想的なワークを考えてみましょう。 （ギャップ、ΔhはOLとも呼ばれる）界面高さのミスマッチは、界面圧分布（σ）が影響する。
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（2） Hは、圧力がギャップΔhはOL 6の増加に伴って低下する速度を一定に記述される。この例では、被加工物（ 図2の左下を参照）、中心で最も局所的な圧力を有するため、この位置は、研磨中に最も初期の材料除去率を観察する。材料が除去されるように、ワークピースを横切る圧力差は、ワークピース - ラップミスマッチの減少に起因する減少し、工作物は、ラップの形状に収束する。収束ワーク圧力分布、したがって、材料除去に、（ 図2の右側参照）、ワーク全体で均一である。この例はhowev、フラットラップのために例示されているえー、同じ概念が球状のラップ（凹面または凸面のいずれか）に適用されます。空間的な材料の不均一性に影響を与え、他のすべての現象が解消されている場合でも、この収束プロセスにのみ機能します。収束研磨プロトコル内で実現された特定の手続きやエンジニアリングの対応策は、ディスカッションに記載されています。
以下の研究に記載されているプロトコルは、特に微細な地面から始まる26.5センチメートル平方溶融シリカガラス工作物用の収束研磨プロセスである。研磨の8時間（4時間/表面）には、このワークは、非常に高い表面品質（ すなわち 、低スクラッチ密度）で〜λ/ 2の研磨平坦性を達成することができます。
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Protocol
ポリッシャー、スラリーの調製
まず、収束研磨システム（特にというC onvergent、 私は独立した、Sイングルイテレーションは、R ogue粒子-無料ポリッシャーまたはCISR（発音は「ハサミ」）は、 表面nitial）パッド＆セプタムをインストールすることで、7,17を 、コンディショニングパッドを作製希釈すると、化学的に、スラリーを安定化し、ろ過システム内のスラリーを組み込む。
- CISRポリッシャーでは、花崗岩のラップベース上にポリウレタンパッドを接着する。第1のパッドつのエッジを接着し、空隙を最小限にするために、対向するエッジに向かう方向に圧力を加える。張り出しパッドをトリミングして、穿刺し、必要に応じて気泡を除去するためにカミソリの刃とローラーを使用しています。
- 最初の時間の使用のため、すべての〜100時間後（0.6 psiの圧力を適用し、25mmの間隔刻みで各ラジアル周位置での5分間の滞留、ラップ回転を25rpmで直径50mm）流動DI水でCMPダイヤモンドコンディショナを使用してパッド、ダイヤモンド研磨条件のrは。
- 、流れるDI水で、研磨の繰り返しの間に、 その場での超音波洗浄機（ラップ回転5回転〜各半径位置で2分間の滞留）を使用して、パッドから残留スラリーとガラス製品を削除。
- ユニークな形状セプタム重量に対して、両面フォームテープ、次に隔壁材料（ たとえば 、プレカットガラスまたは他の非摩耗材料）を接着する。隔壁材料の形状や重さに一致するようにオーバーハングフォームテープをトリミング。セプタムのデザイン（形状と重量の両方）、ワークピースとラップ7,17の異なるサイズの変更に注意してください。
- ボリュームによってミックス（具体的ボーム4濃度に研磨スラリーの準備〜11のL BUで1部の酸化セリウム研磨スラリーと〜9部の脱イオン（DI）水cket）。ボームフロートを使用してボームを確認してください。 pHを9.5に調整し、独自の界面活性剤19〜120ミリリットル（1体積％）を追加するKOHの約5ミリリットル（10 M）を加える。 pHとボーム研磨の24時間毎に再調整します。
- ろ過システムに調製したスラリーでバケツをインストールします。その後、ろ過システムへの所望のCMP粒子フィルタをインストールしてください。数時間ろ過システム内のスラリーの再循環をしてみましょう。
- スラリーの尺度粒子サイズ分布は、（ 例えば 、単一粒子光学検知技法を使用して）分布のテールエンドを確保することが十分に不正無粒子9,20である。
ワーク（エッチングおよびブロッキング）の調製
研磨の前に、化学的にサブ表面研削損傷21を除去するために必要な材料除去の量を減らすために、受信された微細なアースワークをエッチングする。アスペクト比（長さ/厚み）は> 1であれば、次に、（工作物をブロック0）をブロックし、22を研磨中に曲げからワークを防止するために、新規なピッチボタンブロッキング（PBB）技術を使用して。
- 取り外し6時間：（1緩衝酸化物エッチング（BOE）DI水で希釈した3×6）、NH 4 F：HFを入れた槽の中に微細なアースワークを（フラット特に265 xは265×8 mm 3の溶融シリカガラス）エッチング加工物の表面からガラスの10μmである。注意！ BOEは非常に危険です。適切な個人保護具（PPE）を着用。エッチタンクからワークを取り出して、積極的にDI水で工作物をすすぎ、空気に工作物を垂直方向に乾燥できます。
- 暗い部屋で明るい光の検査を使用して粉砕工程の間に深いダメージのための工作物を検査します。何深いダメージが見つからない場合は、他の再研削用バックワークを送信、次のステップに進みます。
- の面にピッチ（〜0.06グラム）のグルーガンへ〜95ºCと場所滴（またボタンと呼ばれる）でピッチをブロックヒートアップ9×9配列内の遮光板（26ミリメートル間隔で81のボタン）。異なるサイズの工作物については、理想的な数、サイズ、及びピッチボタン22の間隔のためのルールを設計することを参照してください。適用ボタンが70で予備加熱したオーブンに表向きでブロッキングプレートを置き ºC。
- 研磨されるべきではない工作物の面にテープを適用する。気泡を発生させるか、過剰にテープを延伸する避ける。
- オーブンで遮蔽板上のボタンの上に下にテープ側面と加工物を置きます。対流を最小限に抑えるために、ワーク·ボタン·ブロックをカバーしています。 1.5時間後、室温に10ºC/時を冷却するためにオーブンセット。冷却後、ブロックされ、ワーク上のピッチの厚さは、〜1ミリメートルであるべきである。
3.収束研磨
- 研磨中の乾燥からのスラリーを防ぐためにCISRポリッシャーの環境チャンバー内の湿度システムの電源をオンにし、ワークに傷をつけ不正な粒子を最小限にするために。
- イン背が高く、研磨に特別に設計され、準備中隔をマウントします。工作物を保持するためにCISRポリッシャーと下ブームにPBBワークをインストールしてください。
- 〜75ミリメートルの半径方向ストロークと1ガロン/分のろ過システムからのスラリーの流れと25 rpmで一致したラップとワークの回転速度で4時間CISRにポーランドの工作物。
注：0.6 psiの対応するワークピース上積載重量が圧力を適用した遮蔽板を兼ねている。 - ラップとワーク回転、スラリーの流れをオフにします。 CISRポリッシャーからPBBワークを削除し、DI水満たされた槽にそれを沈める。水没しながら、クリーンルーム布でワーク表面を拭きます。浴からPBBワークを削除し、DI水ですすぎスプレー。
- ワークブロックの界面でのシムを挿入することにより、デブロックワーク。ワーク表面からテープを外します。積極的にDI水と空気乾燥で工作物をすすぐ。
- PBBその後、POを繰り返して第2節で説明したように、工作物の対向面第3節で説明したように手順をlishing。
4.計量·検査
- 測定値は、干渉計を用いてワークの両面の波面（ すなわち 、表面形状）ならびに透過波面を反映している。
- 明るい光検査ステーションのマウントワークと光造形標準方法を使用してスクラッチ/ディグ特性を測定する。工作物の短いBOEエッチングは、ステップ2.1で説明したように、高フルエンスのレーザ用途で使用されるワークの隠れた傷を露出させるために使用することができる。ワーク上の微細な傷や粗さを測定するために、標準的な光学顕微鏡または白色光干渉法を用いてもよい。
- ストアは、工作物の顔を持つコンテナ最小化接触してワークを完成。
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Representative Results
収束研磨プロトコルは、前述の山から谷までの平坦度に、表面あたり4時間の単一の反復で、研磨される（この場合は26.5センチ角）を地面溶融シリカワークを可能に〜λ/ 2（〜低アスペクト比の加工物及び高アスペクト比の加工物のため〜1λ（〜633 nm）のために330 nm）を（ 図3参照）。再び、このプロセスを繰り返し、研磨パラメータを変更することなく同一の最終表面形状に加工物を収束し、初期の表面形状とは無関係である。また、約4ミクロン/時の高いワークの平均除去率は一貫して地面からのすべてのサブ表面損傷の除去を確実にするために高速収束十分な材料除去を可能にする、上記の条件を用いて達成される。典型的な、微細なグランドワーク表面（ 例えば 、9μmのアルミナ遊離研磨処理）バルクエッチング前〜10μmのサブ表面の機械的損傷の深さを有するとエッチング後〜4程度。従って、少なくともこの材料の量はワーク表面23,24上の各横位置から除去する必要がある。 （凹状又は凸状の両方）、異なる出発面図と、様々な円形および正方形の加工物上に収束研磨プロセスを用いて表面形状の収束の他の例を図4に示す。
粒度分布のテールエンドに、研磨中に操作された粒子ろ過システムと密閉され、高湿度環境を使用して組み合わされた研磨スラリー19,20の化学的安定化の影響は、 図5aに示されている。スラリー中の大きな粒子（不正な粒子と呼ばれる）の大幅な削減に注目してください。不正な粒子がワークに傷の傾向の両方に影響を及ぼし、全体的な表面粗9,25の増加を引き起こすことが知られている。対応する縮約ワーク上の微細な傷におけるイオンは、図5bに示されている。
図1：プレストン方程式の模式図 （式1）効果8を研磨中に空間的、時間的な材料除去現象を記述する。。 図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図2：ワーク形状の図 （上）と収束研磨時間（t）を研磨すると界面圧分布（下部）。es.jpg「ターゲット= "_空白">図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図3：265ミリメートルの正方形の溶融シリカワークフラットの収束研磨後の典型的な初期および最終的な表面の数字（フルスケール-4〜2μmで） 図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図4：さまざまなサイズと収束7研磨後の初期形状のワークの表面形状の進化の例ください図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。
図5は、酸化セリウム研磨スラリー（Hastilite PO）と（走査型光学顕微鏡を用いて収束研磨及びHFエッチング後に測定）（b）はワークスクラッチ分布の改善は、（a）粒子サイズ分布の改善、化学安定化および操作された濾過19の結果として、20。 図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図6：表面形状（DESCRとして山から谷までの収束研磨の開発中の表面高さ）収束点の値と様々な研磨実験構成のためのワークの再現性によってアイベッド。各実験シリーズは、大きさ（平均）及び再現性（標準偏差及び最小/最大の場合）記載されています。注PV qは 1％最低と最高のデータポイントによる異常なデータポイントに感度を最小化するために割引された後に測定した表面上の最大高低差として報告山から谷までの表面の高さである。 拡大表示するには、ここをクリックしてください図のバージョン。
図7：表面形状（山から谷までの表面高さに記載されているように）workpiecののみ、またはセプタムのみ構成ワークを使用して時間を研磨対E。これは収束点は、構成を研磨に変更することによって調整することができる方法を示します。 図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
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Discussion
章で説明したように、表面形状に対する研磨収束の実装を成功さが原因ワーク形状にワークピース - ラップミスマッチのことを除いて空間的な材料の不均一性に影響を与えるすべての現象を排除または最小化することが含まれます。これらの現象のいずれかが適切なプロセス制御を介して、または研磨の適切な技術のいずれかを介して、軽減されていない場合は、所望の収束点を達成または維持することができない。したがって、基本的にすべての緩和が重要になります。これを説明するために、 図6は、収束研磨の開発の過程において行われた種々の研磨実験の一連の関数としての（ピークから谷の表面高さとして表される）加工物上の収束点の表面形状の大きさと再現性を示している。各実験シリーズでは、新たな緩和策が実装されました。最後の実験シリーズ（シリーズM）、今の代表O収束研磨プロトコルとシステムF、低くかつ反復収束点を示しています。
その結果、収束研磨プロトコルおよびシステムは、表面図、高い材料除去速度、及び不正な粒子の最小化による高表面品質（低スクラッチ密度、低い表面粗さ）の収束を可能にする開発された多くの技術の組合せである。主要な実現技術は、次のとおり、不均一なパッド摩耗を補償するパッドにロードガラスまたは非摩耗材料の温度の均一性を向上させ、スラリーの分布を改善し、粘弾性パッドエッジ効果6,7を低減する新規状隔壁を 、17、サブ表面損傷のより迅速な除去を可能にし、研磨並びにワークが収束点7,21を変える曲げるさせることができるストレスを削除し、研削中にワークピースから除去される材料の量を減少させるバルクエッチング 、 23-24 22に傷の低リスクでブロッキングし、研磨中に曲げのを防ぎ、高アスペクト比の加工物を遮断することができますPITCHボタンブロッキング（PBB）、研磨中の平均化の改善材料除去の空間時間になりラジアルストローク 、ワーク表面8で発生する可能性が高い周波数リップル防止すること;ラップの希望、安定した形状、したがって、工作物のより安定した収束点を提供し、ワーク、中隔とラップのバランスのとれた3体摩耗 、 密封された高湿度をチャンバを研磨する外部不正粒子の侵入を防止し、スクラッチ加工物の一般的な原因である乾燥したスラリーの凝集物の形成を防止する。また、パッドの乾燥の可能性を減少させ、恒久的にラップ形状17,18,25を変形させる工程、所望のスラリー粒径のdistribuを改善し、維持工学ろ過システムる表面粗さを向上させ、傷の形成の可能性を低減する。新規に従う界面活性剤を使用して材料除去速度を犠牲にすることなく、スラリー中の凝集体の数とサイズを減少させる化学スラリーの安定化 ;これは、スラリーの沈降、凝集、汚染17を予防フッ素化された配管の特徴は、最小化デッドゾーン、及び制御された流速を含む化学的メカニズム19,20「ミセルヘイロー課金」を。そして、高材料除去率を維持するのを助ける起因優先材料堆積物8にミッドレンジの空間スケール長ワーク形状の劣化を最小限に抑えるラップ表面からスラリー及びガラス製品の堆積物を除去することができ、その場超音波パッド治療に有用である 。
また、収束研磨が不均一な空間材料の除去を排除する光造形コミュニティ内で公知の技術を利用する。これらの含む：マッチした回転（ワーク回転速度=ラップ回転速度）3を使用して一定の時間平均速度が、エッジ6を曲げモーメント力ワークを防止するために、ワークを駆動する。均一に荷重を適用。接触モード6で動作するように調整され、負荷と速度;負荷の下で曲げないようにする堅いラップベース。迅速な収束と良好なスラリー輸送を提供するために、慎重にパッドの選択。適切なボームと研磨スラリーのpH維持;スラリー染色2,26を防止するために、ワークピースのための水洗浄工程を沈め。
いくつかの戦略は、時には、購入パッドの厚さの均一性や平坦性に起因するばらつきに同調される必要がある収束点をシフトするために使用することができる。セプタムで研磨するだけワーク収束点凹面を駆動しながら工作物と研磨は唯一、ワーク収束点凸面を駆動します。工作物aと加えて、圧力比ndは隔壁を調整することができ、パッドは、カスタムダイヤモンドコンディショニングを使用して成形することができる。 図7は、工作物の効果を示すまたは隔膜は、収束点を修正するために研磨。収束点が所望の値に確立されると、それは収束研磨プロセスを使用して（時間数百の）長い研磨時間を維持することができる。
収束研磨は、以下の利点を有する：研磨パラメータを固定し、中にかかわらず、ワークピースの初期表面形状のランを研磨する間に同じままである。研磨は、より少ない研磨時間と少ない計測を必要とする、地面からの単一の繰り返しで達成することができる。研磨は、ワークピース上にほとんど又は全くスクラッチを引き起こす不正な粒子を含まない環境で行われる。最終的に、これらの利点は、光学部品、より速く、より安価なハイエンドを行う能力をもたらす。
潜在的な収束研磨の用途は、高電力または高エネルギーレーザーや光学系に使用される光学系の製造、並びに光学フラット球の一般的な製造を含む。収束研磨プロセスは、溶融シリカガラス、ホウケイ酸ガラス、リン酸塩ガラスワークピースに実証されている。また、50〜265ミリメートルのサイズ範囲にわたるラウンド正方形の加工物にし、フラット球に実証されている。
本研究の手順の詳細は、具体的に仕上げフラット、正方形の溶融シリカワークサイズは26.5センチメートルためのものです。他のサイズの光学系、球、または他のガラス材料の場合、機器を変更する必要がある（ 例えば 、サイズ/ラップの形状、隔壁の形状は、スラリーを使用する）。収束研磨の全体的なプロセスおよびシステムは、様々な特許、または特許出願が17〜19で覆われている。
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| MHN 50 mil Polyurethane Pad | Eminess Technologies | PF-MHN15A050L-56 | |
| Cerium oxide polishing slurry | Universal Photonics | HASTILITE PO | |
| Septum Glass (waterjet cut) | Borofloat ; Schott | NA | |
| Diamond conditioner | Morgan Advanced Ceramics | CMP-25035-SFT | |
| Ultrasonic Cleaner | Advanced Sonics Processing System | URC4 | |
| Purification Optima Filter cartridge | 3M | CMP560P10FC | |
| Blocking Pitch | Universal Photonics | BP1 | |
| Blocking Tape | 3M | #4712 | |
| Cleanroom Cloth | ITW Texwipe | AlphaWipe TX1013 | |
| Single Particle Optical Sensing | Paritcle Sizing Systems | Accusizer 780 AD |
References
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